KR20110120143A - 다결정 실리콘 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
다결정 실리콘 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 제조 방법은 (a) 비정질 실리콘(20)을 준비하는 단계; (b) 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 커버율 1 미만으로 부착시키는 단계; (c) 비정질 실리콘(20)을 플라즈마(50) 처리하는 단계; 및 (d) 비정질 실리콘(20)을 결정화 열처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 다결정 실리콘 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮추고 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 다결정 실리콘 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.
최근에는 유리와 같은 기판 위에 광흡수층인 실리콘을 박막 형태로 증착하여 사용함으로써 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 박막형 실리콘 태양전지가 주목을 받고 있다. 박막형 실리콘 태양전지는 기판형 실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당되는 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다.
박막형 실리콘 태양전지 중 가장 처음 개발되고 현재 주택용 등에 보급되기 시작한 것이 비정질 실리콘 박막형 태양전지이다. 그러나. 비정질 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘 내에 다량으로 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dangling bond) 때문에 변환 효율이 기판형 실리콘 태양전지에 비해 너무 낮다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이 다결정 실리콘 박막형 태양전지이다. 다결정 실리콘 박막형 태양전지는 광흡수층으로 다결정 실리콘을 사용하기 때문에 광흡수층으로 비정질 실리콘을 사용하는 비정질 실리콘 박막형 태양전지보다 태양전지의 특성이 우수하다.
일반적으로 다결정 실리콘은 비정질 실리콘을 고상 결정화(solid phase crystallization: SPC)시켜 제조하게 된다. 이때, 결정화 단계에서 600℃ 이상의 고온을 유지하기 위해서는 기판으로서 일반 유리 대신에 고가의 석영 기판을 사용해야 하는데 이는 태양전지의 제조 단가를 높이는 문제점이 있다. 이에 최근에는 유리 기판을 사용하여 빠른 시간 내에 다결정 실리콘을 형성하는 여러 가지 공정들이 제안되고 있다.
근래에 들어. 유리 기판을 이용하는 여러 가지 공정 중에서도 특히 금속유도 결정화(Metal Induced Crystallization; MIC)법이 각광받고 있다. 금속유도 결정화법은 비정질 실리콘에 Ni, Cu, Al 등의 금속 촉매를 도포하여 낮은 온도에서 결정화를 유도하는 방법으로서 낮은 온도에서 결정화가 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 금속유도 결정화법을 이용하는 경우, 불가피하게 포함되는 상당량의 금속으로 인하여 누설전류가 크게 증가한다는 단점이 있다. 이러한 누설전류의 발생은 태양전지의 광전 변환 효율을 저하시키는 등 전반적으로 태양전지의 특성을 저하시키기 때문에 개선될 필요성이 있다.
또한, 근래에 태양전지가 널리 보급되면서 태양전지의 생산 단가를 낮출 것이 계속적으로 요구되는 추세이다. 이러한 추세에 따라 금속유도 결정화법으로 비정질 실리콘을 결정화하는 경우에도 가급적 빠른 시간 내에 또한 낮은 온도에서 비정질 실리콘을 결정화하여 태양 전지의 생산 단가를 낮출 것이 요구되고 있다. 그러나, 아직까지는 위와 같은 요구에 부응하는 만족할 만한 기술이 소개되고 있지 못한 실정이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮출 수 있는 다결정 실리콘 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 비정질 실리콘의 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 다결정 실리콘 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 금속 오염을 최소화 하면서 비정질 실리콘 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있는 다결정 실리콘 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 제조 방법은 (a) 비정질 실리콘을 준비하는 단계; (b) 상기 비정질 실리콘 상에 금속을 커버율 1 미만으로 부착시키는 단계; (c) 상기 비정질 실리콘을 플라즈마 처리하는 단계; 및 (d) 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속은 Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 비정질 실리콘 주위로 환원성 가스, 산화성 가스, 불활성 가스 중 적어도 하나의 보조가스가 공급될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 복수개의 잉크젯 헤드를 이용하여 상기 금속을 포함하는 페이스트를 분사함으로써 상기 금속을 상기 비정질 실리콘 상에 부착시킬 수 있다.
상기 잉크젯 헤드는 압전 방식으로 구동되며, 상기 잉크젯 헤드에 공급하는 전류의 크기를 조절하여 상기 비정질 실리콘 상에 분사시키는 상기 금속을 포함하는 페이스트의 양을 제어할 수 있다.
상기 비정질 실리콘 상에 상기 금속은 종횡으로 일정한 간격을 가지면서 부착될 수 있다.
상기 (c) 단계는 반응성 이온 식각 장치에서 수행될 수 있다.
상기 (c) 단계는 상온 내지 100℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 플라즈마는 수소 또는 NH3 플라즈마일 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 플라즈마 처리 중에 상기 비정질 실리콘이 미세 결정 실리콘으로 변환될 수 있다.
상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 온도는 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC)시 결정화 온도 또는 금속 유도 결정화(metal induced crystallization; MIC)시 결정화 온도보다 낮을 수 있다.
상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 시간은 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC)시 결정화 열처리 시간 또는 금속 유도 결정화(metal induced crystallization; MIC)시 결정화 열처리 시간보다 작을 수 있다.
본 발명에 의하면, 비정질 실리콘의 결정화 온도를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 비정질 실리콘의 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 금속 오염을 최소화 하면서 비정질 실리콘 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 방식으로 비정질 실리콘 상에 금속 페이스트를 분사하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 방식으로 비정질 실리콘 상에 금속 페이스트를 분사시키기 위한 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동 방식의 잉크젯 헤드를 나타내는 도면이다.
도 5는 금속이 비정질 실리콘 상에 부착된 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 비정질 실리콘을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 처리된 비정질 실리콘의 모습을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 방식으로 비정질 실리콘 상에 금속 페이스트를 분사시키기 위한 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동 방식의 잉크젯 헤드를 나타내는 도면이다.
도 5는 금속이 비정질 실리콘 상에 부착된 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 비정질 실리콘을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 처리된 비정질 실리콘의 모습을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘을 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 준비된 비정질 실리콘(20)을 배치한다. 비정질 실리콘(20)은 기판(10) 상에 형성되어 있을 수 있다. 이러한 기판(10)은 태양전지 등에 적용될 수 있는 글래스 기판(10)일 수 있다.
비정질 실리콘(20)이 배치되는 위치는 실질적으로 내부 공간이 밀폐되도록 구성되어 비정질 실리콘(20)을 열처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버(미도시)일 수 있다. 더욱 상세하게는, 비정질 실리콘(20)이 배치되는 위치는, 챔버의 내부에서 기판(10)이 안착되어 지지되게 함으로써 열처리 과정 중에 발생할 수 있는 기판(10)의 변형을 방지하는 기능을 수행하는 기판 홀더(미도시)일 수 있다.
다음으로, 배치된 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 한 원자층 미만으로 부착한다. 여기서 한 원자층 미만이란 비정질 실리콘(20)의 전체 면적을 금속(40)의 한 원자층으로 완전히 커버하지 않는 경우, 즉 전체 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)이 연속적으로 부착되지 않고 드문드문 부착되는 경우를 말한다(커버율<1).
이때 비정질 실리콘(20) 상에 부착되는 금속(40)은 특별하게 한정되지는 아니하나, 바람직하게는, Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu 중 어느 하나일 수 있으며, 또는 이들을 혼합한 금속(40)일 수 있다.
비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 커버율 1 미만으로 부착하는 방법은 특별하게 제한되지 아니한다. 따라서, 비정질 실리콘(20)이 배치된 챔버 내로 금속(40)을 포함하는 소스가스를 공급하고 부착 압력, 부착 시간 및 부착 온도 중 적어도 하나를 적절하게 제어함으로써, 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 커버율 1미만으로 부착시킬 수도 있다. 다만, 이하에서 설명되는 바와 같이 잉크젯 방식을 이용하는 것이 바람직하다.
잉크젯 방식은 인쇄용 프린터 등에서 널리 이용되는 방식으로서, 본 발명에서는 노즐을 통하여 소정의 금속 페이스트(paste; 30)를 액적(droplet)의 형태로 비정질 실리콘(20) 상에 분사시키는 방식을 의미한다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 방식으로 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 부착시키는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 방식으로 비정질 실리콘(20) 상에 금속 페이스트(30)를 분사하는 모습을 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 방식으로 비정질 실리콘(20) 상에 금속 페이스트(30)를 분사시키기 위한 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 배치된 비정질 실리콘(20) 상에 잉크젯 방식으로 금속 페이스트(30)를 분사할 수 있다. 여기서 금속 페이스트(30)는 금속(40)과 유기 화합물을 혼합하여 제조된 금속(40)을 포함하는 페이스트 상태의 물질을 의미할 수 있다. 이러한 페이스트 상태의 물질을 사용하는 것은 잉크젯 헤드(100)를 이용하여 비정질 실리콘(20) 상에 분사하기가 용이하기 때문이다. 금속 페이스트(30)를 비정질 실리콘(20) 상에 분사한 후에는 금속(40) 이외의 성분을 모두 제거하여 최종적으로 금속(40) 만이 비정질 실리콘(20) 상에 부착되도록 할 수 있다.
만약, 금속(40)으로 Ni이 사용된 경우, 금속(40)과 유기 화합물이 혼합되어 생성된 금속 페이스트(30)는 Ni(cp)2 [비스(시클로펜타디엔일)니켈; 니켈로센] 또는 Ni(dmamb)2[니켈 디메틸 아미노 메틸 부타노에이트] 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 잉크젯 방식으로 금속 페이스트(30)를 분사시키기 위하여 노즐(115)을 포함하는 잉크젯 헤드(100)가 사용될 수 있다. 잉크젯 헤드(100)는 노즐(115)을 통하여 금속 페이스트(30)를 액적(droplet)의 형태로 비정질 실리콘(20) 상의 원하는 위치에 분사하는 기능을 수행할 수 있다. 잉크젯 헤드(100)의 재질은 특별하게 한정되지 아니하나, 고온의 금속 페이스트(30)도 안전하게 수용할 수 있도록 내열성이 우수한 물질로 잉크젯 헤드(100)를 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 잉크젯 헤드(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수개로 구성될 수 있다. 이처럼 잉크젯 헤드(100)를 복수 개로 구성하는 경우, 비정질 실리콘(20) 상에 다양한 패턴으로 금속(40)을 부착시킬 수 있게 되며, 다양한 크기의 비정질 실리콘(20)에 적절하게 대응할 수 있게 된다.
또한, 도 2를 참조하면, 복수개의 잉크젯 헤드(100)는 서로 중첩되도록 배치되는 것이 바람직하다. 만약 복수개의 잉크젯 헤드(100)를 중첩되도록 배치하지 아니하고 평행하게 배치하는 경우, 두 개의 잉크젯 헤드(100)의 경계선에 인접한 노즐(115) 사이의 간격이 하나의 잉크젯 헤드(100) 내부의 노즐(115) 사이의 간격 보다 더 커지기 때문에, 모든 노즐(115) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 없게 되는 문제점이 있게 된다. 그러나. 도 2에서와 같이 복수개의 잉크젯 헤드(100)를 중첩되도록 배치하는 경우, 모든 잉크젯 헤드(100)의 노즐(115) 사이 간격을 일정하게 유지할 수 있게 된다.
또한, 복수개의 잉크젯 헤드(100) 각각은 목표하는 정확한 위치에 정렬되어 있을 필요가 있다. 이를 위하여, 금속 페이스트(30)를 비정질 실리콘(20)에 분사하기 이전에, 복수개의 잉크젯 헤드(100)의 정렬 상태를 확인하여 조절하는 작업이 수행될 수 있다. 이러한 작업으로는, 미리 별도의 장소에 금속 페이스트(30)를 분사시켜 그 위치 등을 확인하고 조절하는 방법, 모니터링 카메라(미도시)를 이용하여 각 잉크젯 헤드(100)의 위치를 확인하고 정렬 상태를 조절하는 방법 등이 이용될 수 있을 것이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 잉크젯 헤드(100)는 복수개의 노즐(115)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성되는 것이 보다 적은 양의 금속(40)을 전체 비정질 실리콘(20) 상에서 균일하게 분포시키는데 도움을 줄 수 있기 때문이다. 하나의 잉크젯 헤드(100)에 포함되는 노즐(115)의 개수는 특별하게 한정되지 아니하며 본 발명이 이용되는 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
이처럼 하나의 잉크젯 헤드(100)가 복수개의 노즐(115)을 포함하여 구성되는 경우 복수개의 노즐(115) 각각에서 분사되는 금속 페이스트(30)의 양이 일정하도록 제어될 수 있다. 이를 위하여 공지의 여러 가지 유량 제어 방법이 이용될 수 있는데, 예를 들면, 후술하는 각 압력 챔버(111)에 공급되는 금속 페이스트(30)의 유량을 일정하게 제어하는 방법 또는 각 압력 챔버(111)에 공급되는 전류의 크기를 일정하게 제어하는 방법 등이 이용될 수 있다.
한편, 잉크젯 헤드(100)는 금속 페이스트(30)를 분사시키는 방식에 따라 크게 두 가지로 나누어 질 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 금속 페이스트(30)에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 금속 페이스트(30)를 분사시키는 방식의 열 구동 방식의 잉크젯 헤드(100)고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형을 유도하여 금속 페이스트(30)에 압력을 가함으로써 금속 페이스트(30)를 분사시키는 압전 구동 방식의 잉크젯 헤드(100)다. 본 발명의 잉크젯 헤드(100)로는 어떠한 방식의 잉크젯 헤드(100)도 채용될 수 있으나, 바람직하게는 압전 구동 방식의 잉크젯 헤드(100)가 채용될 수 있다. 이렇게 압전 구동 방식의 잉크젯 헤드(100)를 사용하는 주된 이유는 분사되는 금속 페이스트(30)의 양을 조절하기 용이하기 때문이다. 이에 대해서는 후술하도록 하겠다.
도 3 및 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동 방식의 잉크젯 헤드(100)를 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드(100)는 크게 금속 페이스트(30)가 이동하는 경로를 구성하는 플레이트부(110)와 금속 페이스트(30)의 분사를 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(120)로 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 플레이트부(110)는 분사될 금속 페이스트(30)가 채워지며 금속 페이스트(30)가 분사되기 위한 압력 변화를 발생시키는 다수의 압력 챔버(111), 금속 페이스트(30)가 도입되는 인렛(112), 인렛(112)을 통해 유입된 금속 페이스트(30)를 다수의 압력 챔버(111)에 공급하는 공통 경로인 매니폴드(113), 매니폴드(113)로부터 다수의 압력 챔버(111) 각각에 금속 페이스트(30)를 공급하기 위한 개별 경로인 다수의 리스트릭터(114), 및 다수의 압력 챔버(111)로부터 금속 페이스트(30)를 분사하기 위한 노즐(115)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 더 참조하면, 압전 액츄에이터(120)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(121), 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(122a), 및 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(123)을 포함하여 구성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 하부 전극(121), 압전막(122a) 및 상부 전극(123)은 플레이트부(110) 상에 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
이렇게 구성된 잉크젯 헤드(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 외부로부터 압전 액츄에이터(120)에 전압이 인가되면 이와 연결된 압력 챔버(111)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(111) 내부의 압력 변화에 의하여 압력 챔버(111) 내의 금속 페이스트(30)가 노즐(115)을 통하여 비정질 실리콘(20)으로 분사된다. 이어서, 다시 압력 챔버(111)가 원래의 형태로 복원되면, 압력 챔버(111) 내부의 압력 변화에 의해 금속 페이스트(30)가 매니폴드(113)로부터 리스트릭터(114)를 통해 압력 챔버(111) 내로 유입되게 된다.
이때 잉크젯 헤드(100), 바람직하게는 압전 엑츄에이터(120)에 공급되는 전류의 크기를 조절하여 비정질 실리콘(20)에 분사시키는 금속 페이스트(30)의 양을 제어할 수 있다. 다시 말하면, 압전 액츄에이터(120)에 인가되는 전압을 달리하여 압력 챔버(111) 내부의 압력 정도를 조절함으로써, 비정질 실리콘(20) 상에 분사하고자 하는 금속 페이스트(30)의 양을 조절할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 비정질 실리콘(20) 상에 부착되는 금속(40)의 양은, 비정질 실리콘(20)의 금속(40) 오염 문제와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 결정화 공정을 수행함에 있어서 매우 중요하게 다루어질 필요성이 있다. 본 발명에 의하면, 위와 같은 구성을 채용하여, 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 원하는 위치에 원하는 양 만큼 부착되도록 할 수 있기 때문에, 비정질 실리콘(20)의 금속(40) 오염을 최소화 하면서 결정화 온도를 낮출 수 있게 된다.
한편, 금속 페이스트(30)가 비정질 실리콘(20) 상에 원활하게 부착되기 위해서는 소정의 열 에너지가 필요하다. 이에 따라, 비정질 실리콘(20)은 일정한 온도(바람직하게는 100 내지 250℃의 온도)로 예열되어 있을 수 있다. 이를 위하여 챔버는 비정질 실리콘(20)을 일정한 온도로 가열할 수 있는 히터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 히터의 종류, 형태 등은 특별하게 한정되지 아니하며, 챔버 내에서 비정질 실리콘(20)을 일정한 온도로 예열할 수 있다면, 어떠한 히터도 챔버의 히터로서 채용 가능하다.
물론, 상술한 열 에너지를 공급하기 위하여, 금속 페이스트(30)가 잉크젯 헤드(100) 내에서 일정한 온도로 예열되어 있는 경우도 생각해 볼 수 있다. 이를 위하여 잉크젯 헤드(100)는 금속 페이스트(30)를 일정한 온도로 가열할 수 있는 히터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 히터 역시 그 종류, 형태 등이 특별하게 한정되지 아니하며, 잉크젯 헤드(100) 내에서 금속 페이스트(30)를 일정한 온도로 예열할 수 있다면, 어떠한 히터도 잉크젯 헤드(100)의 히터로서 채용 가능하다.
한편, 상술한 바와 같이 금속 페이스트(30)는 비정질 실리콘(20) 상에 적절하게 부착되기 위해 일정한 온도로 가열되어 있을 수 있다. 또한, 금속 페이스트(30)의 온도는 그 액적의 크기나 분사 속도에도 영향을 미치기 때문에, 어느 정도 일정하게 유지될 필요성도 있다. 이처럼 금속 페이스트(30)의 온도는 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 효율적으로 부착시키는데 중요한 역할을 하게 되는데, 이에 따라 작업자는 금속 페이스트(30)의 온도에 대한 지속적인 측정이 필요하다. 이를 위하여 잉크젯 헤드(100)에는 금속 페이스트(30)의 온도 상태를 지속적으로 측정할 수 있는 온도 센서(미도시)가 설치되어 있을 수 있다. 온도 센서의 종류, 형태 등은 특별하게 한정되지 아니하며 금속 페이스트(30)의 온도를 측정할 수 있는 공지의 여러 가지 온도 센서가 잉크젯 헤드(100)의 온도 센서로서 채용될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 결정화 공정을 수행함에 있어서 비정질 실리콘(20) 상에 부착되는 금속(40)의 양은 매우 중요하게 다루어질 필요성이 있으며, 이러한 의미에서 작업자는 잉크젯 헤드(100)가 현재 수용하고 있는 금속 페이스트(30)의 양을 지속적으로 측정할 필요성이 있다. 이에 따라, 잉크젯 헤드(100)에는 금속 페이스트(30)의 질량을 지속적으로 측정할 수 있는 질량 센서(미도시)가 설치되어 있을 수 있다. 이러한 질량 센서 역시 그 종류, 형태 등이 특별하게 한정되지 아니하며 금속 페이스트(30)의 질량을 측정할 수 있는 공지의 여러 가지 질량 센서가 잉크젯 헤드(100)의 질량 센서로서 채용될 수 있다.
위와 같은 잉크젯 헤드(100)를 이용하여 금속 페이스트(30)를 비정질 실리콘(20)에 분사함으로써 금속 페이스트(30)의 금속(40)을 비정질 실리콘(20) 상에 부착시킬 수 있다. 이러한 과정은, 일반적으로 비정질 실리콘(20) 상에 금속 페이스트(30)의 금속(40)이 화학적으로 부착되는 경우를 의미하나, 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)이 물리적으로 부착되는 경우를 의미할 수도 있다.
또한, 이러한 과정은, 금속 페이스트(30) 조성물 그 자체가 비정질 실리콘(20) 상에 부착되는 것을 의미할 수도 있으나, 바람직하게는 금속 페이스트(30)에서 금속(40)을 제외한 성분이 제거되면서 금속(40)만이 비정질 실리콘(20) 상에 부착되는 것을 의미할 수 있다. 여기서, 금속(40)을 제외한 성분의 제거는, 비정질 실리콘(20)을 일정한 온도로 가열하여 금속(40)을 제외한 성분을 증발시키는 과정, 또는 비정질 실리콘(20) 주위에 공급된 보조 가스에 의하여 금속(40)을 제외한 성분이 제거되는 과정 등에 의해서 이루어질 수 있다. 이하에서는, 비정질 실리콘(20) 주위에 공급된 보조 가스를 이용하여, 금속(40)을 제외한 성분이 제거되는 과정에 대하여 살펴보기로 한다.
비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)을 부착하기 위하여, 금속 페이스트(30)가 분사된 이후에, 비정질 실리콘(20) 주위로 보조 가스가 공급될 수 있다. 보조 가스는 금속(40)을 제외한 성분을 제거하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들면, 보조 가스 H2는 앞서 언급된 금속 페이스트(30) Ni(cp)2 와 반응하여 cp 성분을 제거함으로써 비정질 실리콘(20) 상에 Ni이 부착되도록 할 수 있다[이러한 과정은 Ni(cp)2 + H2 → Ni + mCnH2n +2의 화학 반응식에 의해서 표현될 수 있다]. 이러한 보조가스로는 H2, NH3와 같은 환원성 가스, O2, N2O, H2O, 오존과 같은 산화성 가스가 사용될 수 있다.
도 5는 금속(40)이 비정질 실리콘(20) 상에 부착된 모습을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 금속(40)이 연속적으로 부착되지 않고 드문드문 부착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘(20) 상에 금속(40)이 부착됨에 있어서, 금속(40)이 비정질 실리콘(20) 상에서 종횡으로 일정한 간격을 가지는 형태로 부착될 수 있다. 보다 균일하게 종횡으로 일정한 간격을 가지는 형태로 금속(40)을 부착시키기 위하여 여러 가지 방법이 이용될 수 있다. 이를 테면, 상술한 바와 같이 복수개의 잉크젯 헤드(100)를 서로 중첩되도록 배치하는 방법, 하나의 잉크젯 헤드(100)에 복수개의 노즐(115)을 포함하여 구성하는 방법 등이 이용될 수 있다.
다음으로, 금속(40)이 부착된 비정질 실리콘(20)을 소정의 시간 동안 플라즈마(50) 처리한다. 여기서 비정질 실리콘(20)을 플라즈마(50) 처리한다 함은 소정의 가스에 전원(230)을 인가하여 플라즈마(50)로 변환시키고 이러한 플라즈마(50) 내에 존재하는 이온들을 비정질 실리콘(20) 표면에 충돌시키는 것을 의미할 수 있다. 이처럼 이온들이 비정질 실리콘(20) 표면에 충돌함에 따라, 실리콘 원자들과 결합하고 있던 수소 원자들이 외부로 빠져나가게 되고, 비정질 실리콘(20)은 미세 결정 실리콘으로 변환될 수 있게 된다.
미세 결정 실리콘은 미세 구조(microstructure) 상 비정질 실리콘과 다결정 실리콘의 경계에 해당되는 실리콘으로서, 수십 nm에서 수백 nm의 결정 크기를 갖는 나노 스케일(nano scale)의 실리콘 결정을 포함하는 실리콘을 말한다. 본 발명에서 플라즈마(50) 처리에 의하여 비정질 실리콘(20)이 미세 결정 실리콘(22)으로 변환된다 함은 비정질 실리콘(20) 내부에 결정질 실리콘의 시드 핵(seed nuclei)이 생성되는 것을 의미할 수 있다. 이러한 결정질 실리콘의 시드 핵은 후술하는 결정화 열처리 단계시에 결정화 온도를 낮추고 결정화 시간을 획기적으로 단축시키는 역할을 할 수 있다.
한편, 비정질 실리콘(20)을 플라즈마(50) 처리하기 위하여 공지의 여러 가지 플라즈마(50) 처리 방법이 이용될 수 있으나, 바람직하게는 도 6과 같은 통상적인 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 장치의 구조 하에서 발생하는 플라즈마 처리 방법이 이용될 수 있다.
도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 비정질 실리콘(20)을 플라즈마(50) 처리하기 위한 플라즈마 장치(200)를 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 상부전극(220)과 마주보고 있는 하부전극(210) 상에 비정질 실리콘(20)이 안착되어 있고 하부전극(210)에 전원(230)이 인가되어 플라즈마(50)가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 플라즈마(50) 내의 전자와 이온간 이동도의 차이로 인해 플라즈마(50)와 하부전극(210) 사이에는 음 전압의 셀프 바이어스(self bias)가 형성되고, 이에 따라 플라즈마(50) 내의 이온이 가속되어 전극 쪽으로 끌려와 비정질 실리콘(20)에 충돌하게 될 수 있다. 이와 같은 이온 충돌로 인하여 비정질 실리콘(20)에 미세 결정 실리콘의 시드 핵(22)이 형성될 수 있는 활성화 에너지가 공급됨에 따라 이온 충돌된 비정질 실리콘(20)은 미세 결정 실리콘(22)으로 변환될 수 있게 된다.
비정질 실리콘(20)을 플라즈마(50) 처리하기 위하여 산소 플라즈마(50) 또는 아르곤 플라즈마(50)와 같은 공지의 여러 가지 플라즈마(50)가 이용될 수 있으나 바람직하게는 수소 또는 NH3 플라즈마 (50)가 이용될 수 있다. 수소 또는 NH3 플라즈마(50)는 플라즈마 장치(200)에 공급된 수소 및 또는 NH3 가스에 전원(230)을 인가함으로써 생성될 수 있을 것이다.
또한, 비정질 실리콘(20)을 플라즈마(50) 처리하는 온도는 특별하게 제한되지 아니하나 바람직하게는 100℃ 내지 500℃ 일 수 있다. 또한, 플라즈마(50)를 생성하기 위하여 공정 가스에 인가되는 주파수 역시 특별하게 제한되지 아니하나, 바람직하게는 13.56 MHz의 실용 전원 주파수일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마(50) 처리된 비정질 실리콘(20)의 모습을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 비정질 실리콘(20)에서 금속(40)이 부착되지 않은 부분이 플라즈마 처리되어 미세 결정 실리콘(22)으로 변환된 것을 확인할 수 있다. 이러한 미세 결정 실리콘(22) 내부에 포함되어 있는 결정질 실리콘의 시드 핵이 결정화 온도를 낮추고 결정화 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있음은 앞서 서술한 바와 같다.
다음으로, 비정질 실리콘(20)을 결정화 열처리한다. 이에 따라, 금속(40)이 비정질 실리콘(20)의 내부로 확산되면서 금속 유도 결정화 방식에 의하여 비정질 실리콘(20)이 결정화되고, 동시에 미세 결정 실리콘(22)의 결정질 시드 핵으로부터 고상 결정화 방식에 의하여 비정질 실리콘(20)이 결정화 된다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 발명에서는, 단순히 비정질 실리콘 상에 금속층을 형성하여 결정화하는 일반적인 금속유도 결정화법과는 달리, 금속(40)을 비정질 실리콘(20) 상에 커버율 1 미만으로 부착하고 이를 플라즈마 처리하여 금속(40)이 부착되지 않은 부분의 비정질 실리콘(20)을 미세 결정 실리콘(22)으로 변환한 후에 결정화 열처리를 시도하였다. 이와 같은 특징적인 구성으로 인하여 본 발명에서는 아래와 같은 현저한 효과가 나타나게 된다.
먼저, 본 발명에 의하면, 금속(40) 오염을 최소화 하면서 비정질 실리콘(20) 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있게 된다. 비정질 실리콘(20) 상에 부착된 금속(40)은 부착된 위치에서 비정질 실리콘(20) 내부로 확산되어 낮은 온도에서도 결정화를 촉진시키는 역할을 하나 금속(40) 오염을 유발시켜 태양전지의 특성을 저하시킨다. 따라서, 가급적이면 적은 양의 금속(40)을 부착시키면서도 효율적으로 결정화를 촉진시키는 것이 필요하게 된다. 본 발명에 의하면, 비정질 실리콘(20) 상에 커버율 1 미만으로 금속(40)을 부착시킬 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 종횡으로 일정한 간격을 가지는 형태로 금속(40)을 부착시킬 수도 있다. 이러한 형태로 금속(40)을 부착시킴에 따라, 소량의 금속(40)이 비정질 실리콘(20) 전체에 걸쳐서 균일하게 확산되게 되므로, 금속(40) 오염을 최소화 하면서 비정질 실리콘(20) 전체를 균일하게 결정화시킬 수 있게 된다. 이러한 효과는 잉크젯 방식을 이용하여 금속(40)을 부착시키는 경우 더욱 극대화될 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에 의하면, 결정화 온도를 낮출 수 있게 된다. 이러한 효과가 나타나는 이유는 비정질 실리콘(20) 내부로 확산되는 금속(40)과 이미 비정질 실리콘(20) 내부에 생성된 미세 결정 실리콘(22)의 결정질 실리콘 시드 핵이 결정 성장의 활성화 에너지를 낮추는 촉매 역할을 하기 때문이다. 즉, 결정 성장의 활성화 에너지가 작기 때문에 적은 양의 에너지로도 결정 성장을 이룰 수 있게 되며, 결과적으로 낮은 온도에서도 결정화가 이루어질 수 있다.
다음으로, 본 발명에 의하면, 결정화 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 된다. 일반적인 비정질 실리콘(20)의 결정화 열처리시에는 결정 성장을 위한 시드를 생성하기 위하여 상당한 시간이 요구되나, 본 발명에서는 비정질 실리콘(20) 상에 부착된 금속(40) 및 미세 결정 실리콘(22)의 결정질 실리콘 시드 핵이 결정화 열처리 초기 단계부터 시드로서의 역할을 수행할 수 있으므로, 결정화 시간을 보다 단축할 수 있게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 결정 성장의 활성화 에너지가 작기 때문에 더욱 빠르게 결정 성장이 이루어질 수 있게 되므로, 적은 시간으로도 효과적인 결정화 열처리를 수행할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 기판
20: 비정질 실리콘
22: 미세 결정 실리콘
30: 금속 페이스트
40: 금속
50: 플라즈마
100: 잉크젯 헤드
110: 플레이트부
111: 압력 챔버
112: 인렛
113: 매니폴드
114: 리스트릭터
115: 노즐
120: 압전 액츄에이터
121: 하부 전극
122a: 압전막
123: 상부 전극
200: 플라즈마 장치
210: 하부전극
220: 상부전극
230: 전원
20: 비정질 실리콘
22: 미세 결정 실리콘
30: 금속 페이스트
40: 금속
50: 플라즈마
100: 잉크젯 헤드
110: 플레이트부
111: 압력 챔버
112: 인렛
113: 매니폴드
114: 리스트릭터
115: 노즐
120: 압전 액츄에이터
121: 하부 전극
122a: 압전막
123: 상부 전극
200: 플라즈마 장치
210: 하부전극
220: 상부전극
230: 전원
Claims (12)
- (a) 비정질 실리콘을 준비하는 단계;
(b) 상기 비정질 실리콘 상에 금속을 커버율 1 미만으로 부착시키는 단계;
(c) 상기 비정질 실리콘을 플라즈마 처리하는 단계; 및
(d) 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리 하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속은 Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 상기 비정질 실리콘 주위로 환원성 가스, 산화성 가스, 불활성 가스 중 적어도 하나의 보조가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 복수개의 잉크젯 헤드를 이용하여 상기 금속을 포함하는 페이스트를 분사함으로써 상기 금속을 상기 비정질 실리콘 상에 부착시키는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 잉크젯 헤드는 압전 방식으로 구동되며, 상기 잉크젯 헤드에 공급하는 전류의 크기를 조절하여 상기 비정질 실리콘 상에 분사시키는 상기 금속을 포함하는 페이스트의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 상에 상기 금속은 종횡으로 일정한 간격을 가지면서 부착되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는 반응성 이온 식각 장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는 상온 내지 100℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 플라즈마는 수소 또는 NH3 플라즈마인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 플라즈마 처리 중에 상기 비정질 실리콘이 미세 결정 실리콘으로 변환되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 온도는 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC)시 결정화 온도 또는 금속 유도 결정화(metal induced crystallization; MIC)시 결정화 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 결정화 열처리 시간은 비정질 실리콘의 고상 결정화(solid phase crystallization; SPC)시 결정화 열처리 시간 또는 금속 유도 결정화(metal induced crystallization; MIC)시 결정화 열처리 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조 방법.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021178123A1 (en) * | 2020-03-06 | 2021-09-10 | Applied Materials, Inc. | System and method for radical and thermal processing of substrates |
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2010
- 2010-04-28 KR KR1020100039687A patent/KR20110120143A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20220092926A (ko) * | 2020-03-06 | 2022-07-04 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | 기판들의 라디칼 및 열 처리를 위한 시스템 및 방법 |
| JP2023507060A (ja) * | 2020-03-06 | 2023-02-21 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | 基板のラジカル及び熱処理用システム及び方法 |
| US11823901B2 (en) | 2020-03-06 | 2023-11-21 | Applied Materials Inc. | System and method for radical and thermal processing of substrates |
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