KR20110116354A - Cigt 박막 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(Cu-In-Ga-Te(CIGT)-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막 및 진공 챔버 내에 장착된 기판상에 구리(Cu) 전구체, 인듐(In) 전구체, 갈륨(Ga) 전구체, 및 텔러륨(Te) 전구체를 순차적으로 공급하면서 원자층 증착법(Atomic layer Deposition)을 이용하여 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 CIGT 박막 제조방법에 관한 것이다.
<화학식 1>
CuInxGa1 - xTe2
(상기 화학식 1에서 0<x<1이다.)
본 발명에 의하면 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS)으로 이루어진 화합물 반도체 박막 에서 셀레늄의 위험성을 해결할 수 있는 새로운 화합물 반도체 박막인 CIGT 박막을 제공할 수 있고, 막질이 우수한 대면적 CIGT 박막을 용이하게 형성할 수 있다.
<화학식 1>
CuInxGa1 - xTe2
(상기 화학식 1에서 0<x<1이다.)
본 발명에 의하면 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS)으로 이루어진 화합물 반도체 박막 에서 셀레늄의 위험성을 해결할 수 있는 새로운 화합물 반도체 박막인 CIGT 박막을 제공할 수 있고, 막질이 우수한 대면적 CIGT 박막을 용이하게 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(Cu-In-Ga-Te(CIGT)-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막("CIGT 박막") 및 진공 챔버 내에 장착된 기판상에 구리(Cu) 전구체, 인듐(In) 전구체, 갈륨(Ga) 전구체, 및 텔러륨(Te) 전구체를 순차적으로 공급하면서 원자층 증착법(Atomic layer Deposition)을 이용하여 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 CIGT 박막 제조방법에 관한 것이다.
<화학식 1>
CuInxGa1 - xTe2
(상기 화학식 1에서 0<x<1이다.)
일반적으로 I-III-VI2족(I: Ag, Cu ; III: Al, Ga, In ; VI: S, Se, Te) 화합물 반도체는 상온 대기압 하에서 켈코파이라이트(chalcopyrite) 구조를 가지고 있으며, 그 구성원소를 달리함에 따라 다양한 물성을 보여주기 때문에 폭넓은 분야에서 응용되고 있다.
이러한 I-III-VI2족 화합물 반도체는 1953년 Hahn 등에 의하여 처음 합성되었고, Goodman 등에 의하여 반도체로서 이용가능성이 제시된 이후, 적외선 검출기를 비롯하여 발광다이오드, 비선형광학소자 및 태양전지 등에 응용되고 있다.
이 중에서 태양전지에는, 상온에서 에너지 띠 간격이 약 1 ~ 2.5 eV 이고, 선형 광흡수계수가 다른 반도체에 비하여 10 ~ 100배 정도 크기 때문에, CuInSe2("CIS") 또는 CuInxGa1 - xSe2("CIGS") 화합물 반도체가 많이 사용되고 있다.
특히, CIGS 박막을 사용하는 박막형 태양전지는 기존의 실리콘 결정을 사용하는 태양전지와는 달리 10㎛ 이하의 두께로 제작 가능하고 장시간 사용시에도 안정적인 특성이 있으며, 최근 박막형 태양전지 중 가장 높은 19.5%의 에너지 변환 효율을 보임에 따라 실리콘 결정질 태양전지를 대체할 수 있는 저가형 고효율 박막형 태양전지로서 상업화 가능성이 아주 높은 것을 알려져 있다.
그런데, 이러한 우수한 특성을 보이는 CIGS 박막의 태양전지는 구성요소 중 하나인 Se 전구체(SeH2, 셀렌화수소)의 폭발성, 유독성 때문에 산업화에 장애가 되고 있으며, 이를 해결하기 위해서는 고가의 설비비가 필요하다. 이러한 고가의 설비비는 곧 제조원가의 상승으로 작용하여 상업성을 떨어뜨리기 때문에 Se 전구체를 대체할 수 있는 물질의 개발이 절실한 시점이다.
본 발명의 목적은 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS)으로 이루어진 화합물 반도체 박막에서 셀레늄의 위험성을 해결할 수 있는 새로운 화합물 반도체 박막 및 막질이 우수한 대면적 박막을 용이하게 형성할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(Cu-In-Ga-Te(CIGT)-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막에 관한 것이다.
<화학식 1>
CuInxGa1 - xTe2
(상기 화학식 1에서 0<x<1이다.)
여기서, 상기 구리 전구체는 화학식 2-1 또는 2-2의 구조를, 상기 인듐 전구체는 화학식 3-1의 구조를, 갈륨 전구체는 화학식 4-1의 구조를, 텔러륨 전구체는 화학식 5의 구조를 가지는 것일 수 있으며, 이에 대한 구체적인 내용은 후술하기로 한다.
한편, 본 발명은 진공 챔버 내에 장착된 기판상에 구리(Cu) 전구체, 인듐(In) 전구체, 갈륨(Ga) 전구체, 및 텔러륨(Te) 전구체를 순차적으로 공급하면서 원자층 증착법을 이용하여 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(CIGT-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 1) 진공 챔버 내부에 기판을 위치시키고, 상기 기판을 특정한 반응 온도로 유지하는 단계; 2) 진공 챔버 내부로 구리 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 3) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제1 퍼징 단계; 4) 진공 챔버 내부로 인듐 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 5) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제2 퍼징 단계; 6) 진공 챔버 내부로 갈륨 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 7) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제3 퍼징 단계; 및 8) 진공 챔버 내부로 텔러륨 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 9) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제4 퍼징 단계;를 포함하고, 원자층 증착법을 이용하여 기판상에 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법에 관한 것이다.
또한, 상기 2), 4), 6), 8) 단계에서, 상기 구리, 인듐, 갈륨, 텔러륨 전구체를 공급시에 각각 0.1 ~ 200초 동안 상기 진공 챔버 내부로 기화된 상태로 공급할 수 있다.
그리고, 상기 3), 5), 7), 9) 단계에서, 불활성 가스인 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 1sccm(standard cubic centimeter per minute) ~ 1000slm(standard liter per minute)의 유량으로 0.1 ~ 200초간 주입하고 펌프로 배출할 수 있다.
아울러, 상기 제1, 2, 3 퍼징 단계에서는, 헬륨(He), 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 암모니아(NH3)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 퍼징가스를 상기 진공 챔버 내부로 주입하고, 진공 챔버에 마련되는 진공 펌프를 이용하여 진공 챔버 내에 존재하는 가스를 흡입하여 제거할 수 있다.
또한, 상기 구리 전구체, 인듐 전구체, 갈륨 전구체, 및 텔러륨 전구체의 공급시에 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스 또는 질소(N2) 가스 중 1종 이상을 운반가스로 사용할 수 있다.
그리고, 상기 진공 챔버의 압력을 0.01mtorr ~ 대기압으로 유지하면서 공정을 진행할 수 있다.
아울러, 상기 구리 전구체, 인듐 전구체 또는 갈륨 전구체는, 캐니스터 온도를 -40 ~ 200℃, 공급라인 온도를 상온 ~ 400℃로 유지하면서 공급할 수 있고, 상기 텔러륨 전구체는, 캐니스터 온도를 -60 ~ 200℃, 공급라인 온도를 상온 ~ 400℃로 유지하면서 공급할 수 있다.
더불어, 상기 기판의 온도는 상온 ~ 600℃로 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면 CIGS 화합물 반도체 박막에서 셀레늄을 텔러륨으로 대체함으로써, 셀레늄의 위험성을 해결하고 안전성이 담보된 새로운 구성의 반도체 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 CIGT 박막 제조방법에 따르면 제조시간이 짧아 대량생산이 가능하고, 제조단가가 낮으며, 막질이 우수한 대면적 박막을 용이하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 CIGT 박막 제조방법에 사용되는 원자층 증착 장치를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(Cu-In-Ga-Te(CIGT)-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막에 관한 것이다.
<화학식 1>
CuInxGa1 - xTe2
상기 화학식 1에서 0<x<1이다.
상기 화학식 1의 구조를 가지는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물은 종래와 달리 셀레늄을 포함하지 않기 때문에, 폭발위험성이나 유독성 등의 안전 위해요소가 배제됨으로써 산업적으로 바람직한 재료가 된다.
상기 구리 전구체로는, 다음 화학식 2-1 또는 2-2의 구조를 가지는 화합물을 사용함이 바람직하다.
<화학식 2-1>
XCuL
<화학식 2-2>
CuX2
상기 화학식 2-1 및 2-2에서 X는 β-디키토네이트, β-키토이미네이트, 디알킬아미디네이트, 디알킬아미노알콕시드, 알콕시알콕시드, 및 (알킬)시클로펜타디엔닐 중에서 선택되는 어느 하나이고, L은 중성리간드로서 탄소수 5~12 사이의 알켄, 알킨, 시클로(디)알켄, 트리알킬포스핀, 트리알킬포스파이트, 알킬실릴알켄, 및 알킬실릴알킨 중에서 선택되는 어느 하나이다.
구체적으로,
Bis(acetylacetonato)copper,
Bis(2,2,6,6-tetramethylheptandionato)copper, Bis(hexafluoroacetylacetonato)copper, (hexafluoroacetylacetonato)copper(vinyltrimethylsilane),
(acetylacetonato)copper(vinyltrimethylsilane),
(2,2,6,6-tetramethylheptandionato)copper(vinyltrimethylsilane),
(acetylacetonato)copper(vinyltriethylsilane),
(2,2,6,6-teramethylheptandionato)copper(vinyltriethylsilane),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(vinyltriethylsilane),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(1,5-cyclooctadiene),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(1,5-dimethylcyclooctadiene),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(3,3-dimethylbutene),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(trimethylphosphite),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(trimethylphosphine),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(1,3-cyclohexadiene),
Copper bis(dimethylaminomethylbutoxide),
Copper bis(ethylmethylaminomethylbutoxide),
Copper bis(diethylaminomethylbutoxide),
Copper bis(dimethylaminomethylpropoxide),
Copper bis(ethylmethylaminomethylpropoxide), 및
Copper bis(diethylaminomethylpropoxide)
로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 인듐 전구체로는, 다음 화학식 3-1의 구조를 가지는 화합물을 사용함이 바람직하다.
<화학식 3-1>
InR1R2R3 : Ln
상기 화학식 3-1에서 R1, R2, R3는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 탄소수 1~5 사이의 알킬기, 알킬아미노기, 알콕시알킬기, 아미노알콕시기, 알콕시아미노기, 알콕시기, 및 할로겐 중에서 선택되는 어느 하나이고, 이때 상기 R1, R2, R3 각각의 알킬기는 사슬형태(chain), 가지달린 사슬형태(branched chain), 및 고리화합물(cyclic compound) 형태가 모두 가능하다. L은 중성리간드로서 루이스 염기이며, 비공유 전자쌍을 인듐 금속 중심에 제공할 수 있는 아민(amine)계열의 화합물이다. 한편 n은 0 내지 2의 정수가 바람직하다.
상기 화학식 3-1의 L은, 2차 또는 3차의 아민 화합물인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 삼각, 사각, 오각 또는 육각의 헤테로고리아민(heterocyclic amine) 화합물을 사용하며 그 일반식은 다음 화학식 3-2와 같다.
<화학식 3-2>
Ra-N(CRxRy)z
상기 화학식 3-2에서 Ra는 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이고, Rx, Ry는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이다. 한편 z는 2 내지 5의 정수가 바람직하다.
본 발명에서 제시하는 L의 바람직한 구조는 다음 화학식 3-3 내지 3-6과 같다.
<화학식 3-3> 아지리딘(aziridine) 화합물 (z = 2)
<화학식 3-4> 아제티딘(azetidine) 화합물 (z = 3)
<화학식 3-5> 피롤리딘(pyrrolidine) 화합물 (z = 4)
<화학식 3-6> 피페리딘(piperidine) 화합물 (z = 5)
구체적으로,
Trimethylindium, Triethylindium, Triisopropylindium, Tributylindium, Tritertiarybutylindium, Trimethoxyindium, Triethoxyindium, Triisopropoxyindium, Dimethylisopropoxyindium, Diethylisopropoxyindium, Dimethylethylindium, Diethylmethylindium, Dimethylisopropylindium, Diethylisopropylindium, 및 Dimethyltertiarybutylindium으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 인듐 전구체로 사용할 수 있지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 갈륨 전구체로는, 다음 화학식 4-1의 구조를 가지는 화합물을 사용함이 바람직하다.
<화학식 4-1>
GaR1R2R3 : Ln
상기 화학식 4-1에서 R1, R2, R3는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 탄소수 1~5 사이의 알킬기, 알킬아미노기, 알콕시알킬기, 아미노알콕시기, 알콕시아미노기, 알콕시기, 및 할로겐 중에서 선택되는 어느 하나이고, 이때 상기 R1, R2, R3 각각의 알킬기는 사슬형태(chain), 가지달린 사슬형태(branched chain), 및 고리화합물(cyclic compound) 형태가 모두 가능하다. L은 중성리간드로서 루이스 염기이며, 비공유 전자쌍을 갈륨 금속 중심에 제공할 수 있는 아민(amine)계열의 화합물이다. 한편 n은 0 내지 2의 정수가 바람직하다.
상기 화학식 4-1의 L은, 2차 또는 3차의 아민 화합물인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 삼각, 사각, 오각 또는 육각의 헤테로고리아민(heterocyclic amine) 화합물을 사용하며 그 일반식은 다음 화학식 4-2와 같다.
< 화학식 4-2 >
Ra-N(CRxRy)z
상기 화학식 4-2에서 Ra는 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이고, Rx, Ry는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이다. 한편 z는 2 내지 5의 정수가 바람직하다.
본 발명에서 제시하는 L의 바람직한 구조는 다음 화학식 4-3 내지 4-6과 같다.
<화학식 4-3> 아지리딘(aziridine) 화합물 (z = 2)
<화학식 4-4> 아제티딘(azetidine) 화합물 (z = 3)
<화학식 4-5> 피롤리딘(pyrrolidine) 화합물 (z = 4)
<화학식 4-6> 피페리딘(piperidine) 화합물 (z = 5)
구체적으로,
Trimethylgallium, Triethylgallium, Triisopropylgallium, Tributylgallium, Tritertiarybutylgallium, Trimethoxygallium, Triethoxygallium, Triisopropoxygallium, Dimethylisopropoxygallium, Diethylisopropoxygallium, Dimethylethylgallium, Diethylmethylgallium, Dimethylisopropylgallium, Diethylisopropylgallium, 및 Dimethyltertiarybutylgallium으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 갈륨 전구체로 사용할 수 있지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 텔러륨 전구체로는, 다음 화학식 5의 구조를 가지는 화합물을 사용함이 바람직하다.
<화학식 5>
R1----(Te)n----R2
상기 화학식 5에서 R1, R2는 서로 같거나 다른 것으로서, 각각 수소 원자, 탄소수 1~5 사이의 알킬기, 알킬아미노기, 알콕시알킬기, 아미노알콕시기, 알콕시아미노기, 알콕시기, 및 할로겐 중에서 선택되는 어느 하나이고, 이때 상기 R1, R2 각각의 알킬기는 사슬형태(chain), 가지달린 사슬형태(branched chain), 및 고리화합물(cyclic compound) 형태가 모두 가능하다. 한편 n은 1 또는 2가 바람직하다.
구체적으로,
Dimethyltelluride, Diethyltelluride, Diisopropyltelluride, Ditertiarybutyltelluride, Dimethylditelluride, Diethylditelluride, Diisopropylditelluride, Ditertiarybutylditelluride, Tertiarybutylisopropyltelluride, 및 Tertiarybutyltellenol으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 진공 챔버 내에 장착된 기판상에 구리(Cu) 전구체, 인듐(In) 전구체, 갈륨(Ga) 전구체, 및 텔러륨(Te) 전구체를 순차적으로 공급하면서 원자층 증착법(Atomic layer Deposition)을 이용하여 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(CIGT-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 1) 진공 챔버 내부에 기판을 위치시키고, 상기 기판을 특정한 반응 온도로 유지하는 단계;
2) 진공 챔버 내부로 구리 전구체를 공급하고 반응시키는 단계;
3) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제1 퍼징 단계;
4) 진공 챔버 내부로 인듐 전구체를 공급하고 반응시키는 단계;
5) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제2 퍼징 단계;
6) 진공 챔버 내부로 갈륨 전구체를 공급하고 반응시키는 단계;
7) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제3 퍼징 단계;
8) 진공 챔버 내부로 텔러륨 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 및
9) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제4 퍼징 단계;를 포함하고,
원자층 증착법을 이용하여 기판상에 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법에 관한 것이다.
원자층 증착법은 증착하고자 하는 물질의 기반이 되는 전구체를 순차적으로 챔버에 공급하면서, 기판 위에서 일어나는 화학반응을 통하여 원하는 물질을 증착시키는 방법으로서, 물질을 원자 수준으로 제어할 수 있어 매우 뛰어난 품질의 박막을 얻을 수 있는 방법이다.
본 발명에 따른 CIGT 박막 제조방법에는 도 1에 도시된 바와 같은 원자층 증착 장치가 사용될 수 있다. 이러한 증착 장치에는 내부를 진공 상태로 유지할 수 있는 진공 챔버(10)가 구비되고, 이 챔버 내부의 하측에는 기판(S)이 장착될 수 있는 기판척(20)이 구비된다.
기판(S)은 챔버(10) 일측에 구비되어 있는 게이트(미도시)를 통하여 챔버(10) 내부로 반입되고, 기판척(20)에 놓여진 후 고정된다. 기판(S)이 챔버(10) 내부로 반입된 후 게이트가 밀폐되고, 챔버(10) 내부는 감압되는데, 챔버 내부의 압력은 0.01mtorr ~ 대기압 정도로 유지되는 것이 바람직하다. 한편 기판의 온도는 상온 ~ 600℃로 유지하는 것이 바람직하다.
그리고, 챔버(10)의 상부에는 공정가스(및 퍼징가스)가 공급될 수 있는 샤워헤드(30)가 구비되는데, 이 샤워헤드(30)에는 직경 0.5 ~ 1mm 정도의 미세한 홀이 무수하게 형성되어 있다. 따라서 이 샤워헤드(30)를 통하여 공정가스(및 퍼징가스)가 기판에 전체적으로 균일하게 공급될 수 있다.
상기 샤워헤드(30)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부에 배치되어 있는 다수개의 캐니스터(40, 50, 60, 70)와 연결되어 있으며, 각 캐니스터로부터 공정가스를 공급받을 수 있는 구조를 가진다.
이러한 상태로 챔버(10) 내부에 기판(S)이 장착된 상태에서 상기 샤워헤드(30)를 통하여 공정가스 즉, 구리 전구체, 인듐 전구체, 갈륨 전구체, 및 텔러륨 전구체를 공급한다. 구체적으로는 상기 전구체들을 펄스 형태로 순차적으로 공급하면서 원자층 증착법으로 박막을 제조한다. 이들 방법에 의할 경우 신속하고도 효율적으로 기판상에 CIGT 박막을 제조할 수 있게 된다.
상기 "펄스 형태로 순차적으로 공급"한다는 것은, 구리 전구체를 운반가스에 의하여 일정한 짧은 시간 동안 진공 챔버 내부에 공급하여 기판과 반응시킨 후, 퍼징가스를 챔버 내부로 공급하여 퍼징하는 과정을 한 번 이상 반복하여 구리 전구체 박막을 기판상에 성장시키고 나서, 인듐 전구체를 구리 전구체와 마찬가지로 운반가스에 의하여 일정한 짧은 시간 동안 진공 챔버 내부에 공급하여 기판과 반응시킨 후, 퍼징가스를 챔버 내부로 공급하여 퍼징하는 과정을 한 번 이상 반복하여 구리 화합물 박막 상에 인듐 화합물을 반응시키고, 갈륨 전구체와 텔러륨 전구체에 대해서도 같은 방법으로 진행하는 것을 말한다.
즉, 하나의 공정가스를 연속적으로 공급하는 것이 아니라, 짧은 시간 동안 공급하고 차단하는 단속적인 공급을 말하는 것이며, 공정가스가 공급되지 않고 차단되는 동안에는 미반응 가스 및 반응 부산물을 제거하여 더 이상 반응이 진행되지 않도록 퍼징하는 공정이 반복되는 것이다.
상기 구리, 인듐, 갈륨, 텔러륨 전구체는 각각 0.1 ~ 200초 동안 상기 진공 챔버 내부로 기화된 상태로 공급하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 2) ~ 9) 단계는, 구리, 인듐, 갈륨, 텔러륨 전구체의 순서로 공급하고 각각 퍼징하는 것으로 기술하였으나, 이들 전구체의 공급순서는 변경가능하며 이들 중의 하나 또는 그 이상의 전구체가 반복되어 공급되는 것도 가능하다.
상기 퍼징가스로는 헬륨(He), 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 암모니아(NH3)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용함이 바람직하다. 그리고, 퍼징 방법으로는 퍼징가스를 상기 진공 챔버(10) 내부로 주입하고, 진공 챔버(10)에 마련되는 진공 펌프(미도시)를 이용하여 진공 챔버 내에 존재하는 가스를 흡입하여 제거하는 방식이 가장 효율적으로 진공 챔버 내부로 퍼징할 수 있어서 바람직하다. 더욱 바람직하게는 불활성 가스인 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 1sccm ~ 1000slm의 유량으로 약 0.1 ~ 200초간 주입하고 펌프로 배출하도록 한다.
구리 전구체를 공급하는 구리 전구체 캐니스터(40)는, 적절한 구리 전구체의 공급을 위하여 캐니스터의 온도를 -40 ~ 200℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 캐니스터(40)를 출발한 구리 전구체가 샤워헤드(30)에 도달하기 위하여 통과하는 공급라인(44)의 온도는 캐니스터의 온도보다 약간 높게, 상온 ~ 400℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 구리 전구체는 단독으로 공급하기보다는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 운반가스 공급원(42)에서 나오는 운반가스를 통해 챔버 내부로 공급하는 것이 바람직한데, 이러한 운반가스로는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 질소(N2) 가스 등을 단독 사용하거나 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
그리고, 상기 구리 전구체는 수소(H2), 암모니아(NH3), 이산화질소(NO2), 산소(O2) 등의 기체와 혼합되어 공급될 수도 있으며, 구리 전구체 공급 후에, 전술한 기체들이 상기 운반가스와 함께 또는 단독으로 챔버 내부로 공급될 수도 있다.
인듐 전구체 또는 갈륨 전구체를 공급하는 캐니스터(50,60)도 전술한 구리 전구체와 마찬가지로 효율적인 전구체의 공급을 위하여 캐니스터의 온도를 -40 ~ 200℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 공급라인(54,64)의 온도도 캐니스터의 온도보다 약간 높게, 상온 ~ 400℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 인듐 전구체 또는 갈륨 전구체도 구리 전구체와 마찬가지로, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 질소(N2) 가스 등의 운반가스에 의하여 운반되는 것이 바람직하다.
텔러륨 전구체를 공급하는 캐니스터(70)도 효율적인 텔러륨 전구체의 공급을 위하여 캐니스터의 온도를 -60 ~ 200℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 공급라인(74)의 온도도 캐니스터의 온도보다 약간 높게, 상온 ~ 400℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 텔러륨 전구체도 다른 전구체와 마찬가지로, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 질소(N2) 가스 등의 운반가스에 의하여 운반되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(Cu-In-Ga-Te(CIGT)-based cahlcopyrite) 화합물 반도체 박막은 원자층 증착 공정을 통하여 상기 화합물 반도체 박막을 구성하는 각 전구체들을 순차적으로 챔버에 공급하여 제조함으로써 우수한 품질의 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 대량생산이 가능하고, 대면적 박막 제조에 유용한 것이며, 이러한 박막은 태양전지는 물론, 기타 태양광을 이용한 전기, 전력 장치의 제조에도 활용 가능할 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S: 기판
10: 진공 챔버
20: 기판척
30: 샤워헤드
40: 구리 전구체 캐니스터
50: 인듐 전구체 캐니스터
60: 갈륨 전구체 캐니스터
70: 텔러륨 전구체 캐니스터
42, 52, 62, 72: 운반가스 공급원
44, 54, 64, 74: 공급라인
10: 진공 챔버
20: 기판척
30: 샤워헤드
40: 구리 전구체 캐니스터
50: 인듐 전구체 캐니스터
60: 갈륨 전구체 캐니스터
70: 텔러륨 전구체 캐니스터
42, 52, 62, 72: 운반가스 공급원
44, 54, 64, 74: 공급라인
Claims (27)
- 다음 화학식 1로 표시되는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(Cu-In-Ga-Te(CIGT)-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막:
<화학식 1>
CuInxGa1 - xTe2
(상기 화학식 1에서 0<x<1이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 구리 전구체는,
다음 화학식 2-1 또는 2-2의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
<화학식 2-1>
XCuL
<화학식 2-2>
CuX2
(상기 화학식 2-1 및 2-2에서 X는 β-디키토네이트, β-키토이미네이트, 디알킬아미디네이트, 디알킬아미노알콕시드, 알콕시알콕시드, 및 (알킬)시클로펜타디엔닐 중에서 선택되는 어느 하나이다.
L은 중성리간드로서 탄소수 5~12 사이의 알켄, 알킨, 시클로(디)알켄, 트리알킬포스핀, 트리알킬포스파이트, 알킬실릴알켄, 및 알킬실릴알킨 중에서 선택되는 어느 하나이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 구리 전구체는,
Bis(acetylacetonato)copper,
Bis(2,2,6,6-tetramethylheptandionato)copper, Bis(hexafluoroacetylacetonato)copper, (hexafluoroacetylacetonato)copper(vinyltrimethylsilane),
(acetylacetonato)copper(vinyltrimethylsilane),
(2,2,6,6-tetramethylheptandionato)copper(vinyltrimethylsilane),
(acetylacetonato)copper(vinyltriethylsilane),
(2,2,6,6-teramethylheptandionato)copper(vinyltriethylsilane),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(vinyltriethylsilane),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(1,5-cyclooctadiene),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(1,5-dimethylcyclooctadiene),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(3,3-dimethylbutene),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(trimethylphosphite),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(trimethylphosphine),
(hexafluoroacetylacetonato)copper(1,3-cyclohexadiene),
Copper bis(dimethylaminomethylbutoxide),
Copper bis(ethylmethylaminomethylbutoxide),
Copper bis(diethylaminomethylbutoxide),
Copper bis(dimethylaminomethylpropoxide),
Copper bis(ethylmethylaminomethylpropoxide), 및
Copper bis(diethylaminomethylpropoxide)
로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제1항에 있어서,
상기 인듐 전구체는,
다음 화학식 3-1의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
<화학식 3-1>
InR1R2R3 : Ln
(상기 화학식 3-1에서 R1, R2, R3는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 탄소수 1~5 사이의 알킬기, 알킬아미노기, 알콕시알킬기, 아미노알콕시기, 알콕시아미노기, 알콕시기, 및 할로겐 중에서 선택되는 어느 하나이고, 이때 상기 R1, R2, R3 각각의 알킬기는 사슬형태(chain), 가지달린 사슬형태(branched chain), 및 고리화합물(cyclic compound) 형태가 모두 가능하다.
L은 중성리간드로서 루이스 염기이며, 비공유 전자쌍을 인듐 금속 중심에 제공할 수 있는 아민(amine)계열의 화합물이다.
n은 0 내지 2의 정수이다.)
- 제4항에 있어서,
상기 화학식 3-1의 L은,
2차 또는 3차의 아민 화합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제4항에 있어서,
상기 화학식 3-1의 L은,
삼각, 사각, 오각 또는 육각의 헤테로고리아민(heterocyclic amine) 화합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제4항에 있어서,
상기 화학식 3-1의 L은,
다음 화학식 3-2의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
<화학식 3-2>
Ra-N(CRxRy)z
(상기 화학식 3-2에서 Ra는 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이다.
Rx, Ry는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이다.
z는 2 내지 5의 정수이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 인듐 전구체는,
Trimethylindium, Triethylindium, Triisopropylindium, Tributylindium, Tritertiarybutylindium, Trimethoxyindium, Triethoxyindium, Triisopropoxyindium, Dimethylisopropoxyindium, Diethylisopropoxyindium, Dimethylethylindium, Diethylmethylindium, Dimethylisopropylindium, Diethylisopropylindium, 및 Dimethyltertiarybutylindium으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제1항에 있어서,
상기 갈륨 전구체는,
다음 화학식 4-1의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
<화학식 4-1>
GaR1R2R3 : Ln
(상기 화학식 4-1에서 R1, R2, R3는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 탄소수 1~5 사이의 알킬기, 알킬아미노기, 알콕시알킬기, 아미노알콕시기, 알콕시아미노기, 알콕시기, 및 할로겐 중에서 선택되는 어느 하나이고, 이때 상기 R1, R2, R3 각각의 알킬기는 사슬형태(chain), 가지달린 사슬형태(branched chain), 및 고리화합물(cyclic compound) 형태가 모두 가능하다.
L은 중성리간드로서 루이스 염기이며, 비공유 전자쌍을 갈륨 금속 중심에 제공할 수 있는 아민(amine)계열의 화합물이다.
n은 0 내지 2의 정수이다.)
- 제10항에 있어서,
상기 화학식 4-1의 L은,
2차 또는 3차의 아민 화합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제10항에 있어서,
상기 화학식 4-1의 L은,
삼각, 사각, 오각 또는 육각의 헤테로고리아민(heterocyclic amine) 화합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제10항에 있어서,
상기 화학식 4-1의 L은,
다음 화학식 4-2의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
< 화학식 4-2 >
Ra-N(CRxRy)z
(상기 화학식 4-2에서 Ra는 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이다.
Rx, Ry는 서로 같거나 다른 것으로서 각각 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기(2차 포함), 및 부틸기(2차, 3차, 이소 포함) 중에서 선택되는 어느 하나이다.
z는 2 내지 5의 정수이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 갈륨 전구체는,
Trimethylgallium, Triethylgallium, Triisopropylgallium, Tributylgallium, Tritertiarybutylgallium, Trimethoxygallium, Triethoxygallium, Triisopropoxygallium, Dimethylisopropoxygallium, Diethylisopropoxygallium, Dimethylethylgallium, Diethylmethylgallium, Dimethylisopropylgallium, Diethylisopropylgallium, 및 Dimethyltertiarybutylgallium으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 제1항에 있어서,
상기 텔러륨 전구체는,
다음 화학식 5의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막:
<화학식 5>
R1----(Te)n----R2
(상기 화학식 5에서 R1, R2는 서로 같거나 다른 것으로서, 각각 수소 원자, 탄소수 1~5 사이의 알킬기, 알킬아미노기, 알콕시알킬기, 아미노알콕시기, 알콕시아미노기, 알콕시기, 및 할로겐 중에서 선택되는 어느 하나이고, 이때 상기 R1, R2 각각의 알킬기는 사슬형태(chain), 가지달린 사슬형태(branched chain), 및 고리화합물(cyclic compound) 형태가 모두 가능하다.
n은 1 또는 2이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 텔러륨 전구체는,
Dimethyltelluride, Diethyltelluride, Diisopropyltelluride,
Ditertiarybutyltelluride, Dimethylditelluride, Diethylditelluride,
Diisopropylditelluride, Ditertiarybutylditelluride,
Tertiarybutylisopropyltelluride, 및 Tertiarybutyltellenol으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막.
- 진공 챔버 내에 장착된 기판상에 구리(Cu) 전구체, 인듐(In) 전구체, 갈륨(Ga) 전구체, 및 텔러륨(Te) 전구체를 순차적으로 공급하면서 원자층 증착법(Atomic layer Deposition)을 이용하여 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트(CIGT-based chalcopyrite) 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제18항에 있어서,
1) 진공 챔버 내부에 기판을 위치시키고, 상기 기판을 특정한 반응 온도로 유지하는 단계;
2) 진공 챔버 내부로 구리 전구체를 공급하고 반응시키는 단계;
3) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제1 퍼징 단계;
4) 진공 챔버 내부로 인듐 전구체를 공급하고 반응시키는 단계;
5) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제2 퍼징 단계;
6) 진공 챔버 내부로 갈륨 전구체를 공급하고 반응시키는 단계;
7) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제3 퍼징 단계;
8) 진공 챔버 내부로 텔러륨 전구체를 공급하고 반응시키는 단계; 및
9) 미반응 물질 및 부산물을 제거하는 제4 퍼징 단계;를 포함하고,
원자층 증착법을 이용하여 기판상에 박막을 제조하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제19항에 있어서,
상기 2), 4), 6), 8) 단계에서,
상기 구리, 인듐, 갈륨, 및 텔러륨 전구체를 공급시에 각각 0.1 ~ 200초 동안 상기 진공 챔버 내부로 기화된 상태로 공급하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제19항에 있어서,
상기 3), 5), 7), 9) 단계에서,
불활성 가스인 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 1sccm ~ 1000slm의 유량으로 0.1 ~ 200초간 주입하고 펌프로 배출하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제19항에 있어서,
상기 제1, 2, 3 퍼징 단계에서는,
헬륨(He), 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 및 암모니아(NH3)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 퍼징가스를 상기 진공 챔버 내부로 주입하고, 진공 챔버에 마련되는 진공 펌프를 이용하여 진공 챔버 내에 존재하는 가스를 흡입하여 제거하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 구리 전구체, 인듐 전구체, 갈륨 전구체, 및 텔러륨 전구체의 공급시에 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스 또는 질소(N2) 가스 중 1종 이상을 운반가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 진공 챔버의 압력을 0.01mtorr ~ 대기압으로 유지하면서 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 구리 전구체, 인듐 전구체 또는 갈륨 전구체는,
캐니스터 온도를 -40 ~ 200℃, 공급라인 온도를 상온 ~ 400℃로 유지하면서 공급하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 텔러륨 전구체는,
캐니스터 온도를 -60 ~ 200℃, 공급라인 온도를 상온 ~ 400℃로 유지하면서 공급하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 기판의 온도를 상온 ~ 600℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 구리-인듐-갈륨-텔러륨계 전구체의 켈코파이라이트 화합물 반도체 박막 제조방법.
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KR1020100035729A KR20110116354A (ko) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | Cigt 박막 및 그 제조방법 |
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KR1020100035729A KR20110116354A (ko) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | Cigt 박막 및 그 제조방법 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015023137A1 (ko) * | 2013-08-14 | 2015-02-19 | 코닝정밀소재 주식회사 | 산화아연계 박막 증착방법 |
-
2010
- 2010-04-19 KR KR1020100035729A patent/KR20110116354A/ko active Search and Examination
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WO2015023137A1 (ko) * | 2013-08-14 | 2015-02-19 | 코닝정밀소재 주식회사 | 산화아연계 박막 증착방법 |
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