KR20120001572A - 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지와 같은 기판을 처리하는데 사용되는 플라즈마 강화 화학 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 장치에 관한 것이다. 본 발명의 PECVD 장치는 챔버; 상기 챔버 내에 배치되며 기판을 지지하는 서셉터(suscepter); 상기 서셉터의 상부에 배치되며 상기 기판에 막 형성을 위한 공정가스를 공급하는 샤워헤드(showerhead); 상기 서셉터와 연결되며, 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 거리를 조절하기 위해 상기 서셉터를 승강시키는 구동부; 상기 공정가스가 여기되어 플라즈마가 발생하도록 상기 샤워헤드에 고주파 전류를 인가하는 고주파 전원; 및 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 거리를 공정 진행중에 연속적 또는 단계적으로 변경되도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용하여 기판상에 박막을 증착하는 플라즈마 강화 화학 증착(Plasma - Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 장치에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지(이하 태양전지라 함)는 그 종류에 따라 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지, 박막 태양 전지(thin-film solar cells) 등으로 분류된다.
박막계 태양 전지는 유리나 플라스틱 재질의 투명 기판에 p 막, i 막, n 막을 증착하여 제조되고, 결정계 태양 전지는 실리콘 기판상에 반사 방지막을 증착하여 제조되며, 이러한 막들은 플라즈마를 이용한 화학 기상 증착(PECVD) 공정에 의해 기판상에 증착될 수 있다.
본 발명의 목적은 증착 박막의 균일도 및 cell 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 공정 진행중 증착 박막의 증착 속도를 조절할 수 있는 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치는 챔버; 상기 챔버 내에 배치되며 기판을 지지하는 서셉터(suscepter); 상기 서셉터의 상부에 배치되며 상기 기판에 막 형성을 위한 공정가스를 공급하는 샤워헤드(showerhead); 상기 서셉터와 연결되며, 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 거리를 조절하기 위해 상기 서셉터를 승강시키는 구동부; 상기 공정가스가 여기되어 플라즈마가 발생하도록 상기 샤워헤드에 고주파 전류를 인가하는 고주파 전원; 및 상기 샤워헤드에 인가되는 고주파 전류가 공정 진행중에 증가 또는 감소되도록 상기 고주파 전원을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는 공정가스의 공급량이 공정 진행중에 연속적 또는 단계적으로 증가 또는 감소되도록 공정가스의 공급량을 제어한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 거리를 공정 진행중에 연속적 또는 단계적으로 변경되도록 상기 구동부를 제어한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 샤워헤드에 공급하는 전력의 선형적 변경 공급 및 샤워헤드와 서셉터의 간격 변경시 실시간으로 고주파 전원과 샤워헤드간의 임피던스 매칭을 위한 매칭유닛을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 매칭유닛은 하나 또는 하나 이상의 전력분배 및 하나 이상의 전극과 고주파 전원 간 임피던스 매칭 기능을 포함한다.
본 발명에 의하면, 박막 증착 조건에 따라 고주파 전력 및 샤워헤드(상부전극)와 기판사이의 간격(process gap)을 선형적으로 조절하여 공정 진행중 저속 증착 또는 고속 증착을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 박막 증착 조건에 따라 공정가스의 공급량을 조절하여 공정 진행 중 저속 또는 고속 증착을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 레시피 조건에 따라 프로세스 중단 없이 막 특성을 임의 조절(a-Si, mc-Si) 및 두께에 따른 박막 특성을 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 서셉터의 높이를 공정진행중 조절하여 기판 상의 위치에 따른 박막 증착율을 부분적으로 조절하여 균일한 박막을 증착할 수 있다.
이하에 설명된 도면들은 단지 예시의 목적을 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 측단면 구성도이다.
도 4a는 서셉터가 다운 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 4b는 서셉터가 업 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 5는 고주파전원과 승강장치를 제어하는 제어부를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 공정 플로우챠트이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 측단면 구성도이다.
도 4a는 서셉터가 다운 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 4b는 서셉터가 업 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 5는 고주파전원과 승강장치를 제어하는 제어부를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 공정 플로우챠트이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 상술한 본 발명이 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 및 효과는 첨부된 도면과 관련된 실시 예들을 통해서 용이하게 이해될 것이다. 각 도면은 명확한 설명을 위해 일부가 간략하거나 과장되게 표현되었다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 도시되었음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PECVD 장치의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PECVD 장치의 평면 구성도 및 측단면 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, PECVD 장치(1)는 태양전지용 대면적기판(S)에 대한 PECVD 처리 공정을 수행하기 위한 것으로, 로드락 챔버(100), 반송 챔버(200), 그리고 복수의 공정 모듈(300)을 포함한다.
로드락 챔버(100)는 PECVD 장치(1)의 전방에 배치된다. 로드락 챔버(100)는 4개의 챔버들이 적층 배치된 구조로 이루어지는데, 이중에 2개의 챔버는 공정처리전 대면적기판(S)이 대기하는 로딩 챔버(110a)이고 나머지 2개의 챔버는 공정처리된 대면적기판(S)이 대기하는 언로딩 챔버(110b)로 사용될 수 있다.
로딩 챔버(110a)와 언로딩 챔버(110b) 각각은 제1출입포트(112)와 제2출입포트(114)를 갖으며 내부공간에는 대면적기판 한 장이 놓여지는 스테이지(120)가 제공된다. 로딩 챔버(110a)의 스테이지(120)에는 대면적기판을 예열하기 위한 예열 부재(130)가 설치되며, 언로딩 챔버(110b)의 스테이지(120)에는 공정 챔버에서 처리된 대면적기판(S)이 놓여지기 때문에 대면적기판의 온도를 낮추기 위한 쿨링부재(140)가 설치된다.
대면적기판은 대기압 반송 로봇(도시하지 않음)에 의해 로딩 챔버(110a)로 반입되거나 또는 언로딩 챔버(110b)로부터 반출된다. 로드락 챔버(100)를 구성하는 로딩챔버(110a)와 언로딩챔버(110b) 각각은 반송챔버(200)의 반송로봇(210)이 대면적기판을 로딩 또는 언로딩하는 시기에 반송챔버(200)와 동일한(근접한) 진공분위기를 형성하며, 대기압 반송로봇으로부터 미처리 대면적기판을 공급받거나 이미 처리된 대면적기판을 반출시키고자 할 때에는 대기압 상태로서 전환된다. 즉, 로드락 챔버(100)의 로딩/언로딩 챔버(110a,110b)는 반송챔버(200)의 기압상태가 변화되는 것을 방지시키기 위해 그 자체적으로 진공 상태와 대기압 상태를 교차하면서 압력을 유지하게 되며, 이러한 압력 변동을 최대한 신속하게 처리하기 위해 복수개의 로딩 챔버(110a)들과 언로딩 챔버(110b)들로 구획되어 있는 것이다. 물론, 로드락 챔버의 각 챔버들은 로딩용과 언로딩용으로 구분하지 않고 로딩/언로딩 겸용으로도 사용될 수 있다.
반송 챔버(200)는 로드락 챔버(100)와 공정 모듈(300)의 중앙에 위치된다. 반송 챔버(200)는 로드락 챔버(100)와 공정 모듈(300)의 각 공정 챔버(300a)들과 연결되며, 대면적기판을 반송하기 위한 반송로봇(210)을 갖는다. 반송 로봇(210)은 로딩 챔버(110a)의 스테이지(120)에 놓여진 대면적기판을 반출하여 공정 모듈(300)의 공정 챔버(300a)에 반입할 수 있는 1개 또는 2개의 암 구조를 갖는 로봇으로 구성될 수 있다.
반송 챔버(200)에 구비되는 반송 로봇(210)은 본 실시예에서 보여주는 구조 이외에도 통상적인 태양전지 제조 공정 및 평판 디스플레이 패널 제조 공정에서 사용되는 다양한 로봇들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 장의 대면적기판(S)을 하나의 암으로 핸들링 할 수 있는 더블 블레이드 구조의 암을 구비한 로봇이나, 하나 이상의 암을 구비한 로봇 또는 이들을 혼합적으로 채용한 로봇이 사용될 수 있다.
공정 모듈(300)들은 반송 챔버(200)를 중심으로 측면에 연결 배치된다. 본 실시예에서는 공정 모듈(300)이 반송 챔버(200)를 중심으로 90도 간격으로 3개가 배치되어 있는 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라서는 4개에서 5개의 공정 모듈(300)이 배치될 수 있다.
공정모듈(300)은 플라즈마를 이용하여 기판상에 박막을 증착하는 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD) 공정을 진행한다. 박막 증착 공정에 사용되는 기판은, 예를 들어 박막계 태양 전지(Solar Cell)의 제조에 사용되는 유리나 플라스틱 재질의 투명 기판, 또는 결정계 태양 전지(Solar Cell)의 제조에 사용되는 실리콘 기판 등일 수 있다. 공정 모듈(30)은 박막계 태양 전지의 투명 기판상에 p 막, i 막, n 막을 증착할 수 있으며, 또한 결정계 태양 전지의 실리콘 기판상에 반사 방지막을 증착할 수 있다. 이외에도, 공정 모듈(30)은 평판 디스플레이(Flat Panel Display) 장치의 제조에 사용되는 유리 기판상에 박막을 증착할 수도 있다.
대면적기판에 대한 플라즈마 처리 공정을 독립적으로 수행하기 위한 공정 챔버(300a)들이 적층되어 있는 구조로써, 각각의 공정 챔버(300a)는 진공 챔버이며, 본 실시예에서는 공정 모듈(300)이 4개의 공정 챔버(300a)들이 적층 배치된 구조로 이루어져 있으나, 높이가 허용되는 경우 4개 이상의 공정 챔버들을 적층 배치할 수 있다.
최하단에 위치하는 공정 챔버(300a) 아래에는 승강구동부(410)를 갖는 승강장치(400)가 설치되어 있으며, 이 승강장치(400)는 4개의 공정 챔버(300a) 각각에 설치된 서셉터(310)를 동시에 승강시킨다. 승강장치(400)의 승강 구동력은 승강 샤프트(360)들을 통해 각각의 공정 챔버(300a)들의 서셉터에 전달될 수 있다. 이러한 구조를 갖는 공정모듈(300)은 설비 높이를 최대한 낮출 수 있어 보다 많은 공정 챔버(300a)들을 적층 배치할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 PECVD 장치(1)는 동일한 면적에 다수(12개 이상)의 공정 챔버(300a)들이 배치 가능함으로써 공정 및 생산 유연성을 높일 수 있으며 장치당 생산성을 극대화할 수 있다. 특히, 본 발명은 증착두께가 ~20,000Angstrom(2um)정도로 두꺼워서 증착시간이 다른 박막에 비해 오래 걸리는 미세결정 실리콘 박막을 증착하는 탠덤(tandem) 구조의 태양전지 제조 공정에 매우 적합하다.
도 4a는 서셉터가 다운 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이고, 도 4b는 서셉터가 업 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다. 그리고 도 5는 고주파전원과 승강장치를 제어하는 제어부를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4a 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(300a)는 외부와 차단되고, 서셉터(310)와 샤워헤드(320) 사이에 있는 플라즈마 형성영역(반응공간)을 제공한다.
공정 챔버(300a)의 측벽에는 반송 챔버(200)와 반응공간과의 연통 여부를 결정하는 슬롯밸브(380)가 설치되어 있어서, 반송 챔버(200)로부터 서셉터(310) 상으로 대면적기판(S)이 반입될 때(또는 대면적 기판이 반출될 때) 슬롯밸브(380)가 개방된다.
공정 챔버(310)에는 리프트핀(390)들이 설치되는데, 이 리프트핀(390)들은 기판이 반입되거나 반출될 때 대면적기판(S)을 지지하게 되며, 기판 지지는 서셉터(310)가 아래로 하강한 상태에서 이루어진다. 즉, 대면적기판이 반송 로봇(210)에 의해 반입될 때 서셉터(310)가 하강한 상태에서 리프트핀(390)들 상에 기판이 지지되며, 서셉터(310)가 승강하게 되면서 기판이 서셉터(310) 상부에 놓여지게 되고, 리프트핀(390)들은 서셉터(310)에 형성된 핀홀에 삽입되는 구조로 이루어진다.
서셉터(310)의 상부 공간에는 플라즈마를 형성시키기 위해 고주파 전류를 인가하는 플라즈마 소스인 고주파 전원(500)(도 5에 표시됨)에 연결되는 전극형 샤워헤드(320)가 설치되어 있다. 고주파 전원(500)과 샤워헤드(320) 사이에는 매칭 유닛(510)이 제공된다. 샤워헤드(320)에는 작은 직경의 분사공들(미도시됨)이 형성되어 있으며, 플라즈마에 의한 아크 발생을 방지하기 위하여 표면이 양극화 처리되어 있다. 또한, 샤워헤드(320)에는 공정가스를 공급하는 가스 공급 유닛(도 5에 표시됨)(600)이 연결된다. 가스 공급 유닛(600)은 제어부(700)에 의해 제어되며, 제어부(700)에 의해 공정가스의 공급량을 단계적으로 또는 연속적으로 변경될 수 있다.
샤워헤드(320)는 가스 공급 유닛(600)을 통해 공정 챔버(300)에서 수행되는 처리 공정의 종류에 따라 기판에 박막 증착을 위한 플라즈마 형성용 혼합가스를 공급받는다. 가스 공급 유닛(600)으로부터 공급되는 플라즈마 형성용 혼합가스는 샤워헤드(320)에서 플라즈마화 되어 대면적기판(S) 상에 소정의 박막 증착을 행한 후 기체 배기관(370)을 통해 배기된다.
서셉터(310)는 공정 챔버(300a) 내에서 상하 이동이 가능하게 설치되며, 전기적으로 접지된다. 대면적기판(S)은 서셉터(310) 상에 안착된다. 서셉터(310)의 내부에는 대면적기판(S)을 가열시키기 위한 히터(미도시됨)가 장착되어 있다. 서셉터(310)는 저면이 서셉터 지지대(350)들에 의해 지지된다. 서셉터 지지대(350)는 서셉터(310)보다 길이가 넓으며, 양단에는 승강 샤프트(360)가 수직방향으로 설치된다.
승강 샤프트(360)는 상단이 샤워헤드(320)를 관통해서 상부에 위치하는 공정챔버(300a)의 또 다른 승강 샤프트(360)와 연결된다. 즉, 승강 샤프트(360)는 승강장치(400)의 승강 구동력을 상호 전달하는 역할을 한다. 가장 최하단에 위치하는 승강 샤프트(360)는 승강장치(400)와 연결된다. 승강장치(400)의 승강 구동력은 승강 샤프트(360)들을 통해 각각의 공정 챔버(300a)들에 전달되면서 공정 챔버(300a) 각각에 설치된 서셉터(310)를 동시에 승강시킨다.
도 5를 참조하면, 제어부(700)는 공정 진행중에 서셉터(310)와 샤워헤드(320) 사이의 거리를 연속적 또는 단계적으로 변경하도록 승강장치(400)를 제어하거나, 샤워헤드(320)에 인가되는 고주파 전력을 파워공급의 끊김없이 연속적으로 변경(단계적으로 증가 또는 감소)하도록 고주파 전원(500)을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(700)는 가스 공급 유닛(600)을 제어하여 가스 공급 유닛(600)에서 샤워헤드(320)로 공급되는 공정가스의 공급량을 단계적 또는 연속적으로 증가 또는 감소시켜서 공정 진행 중 저속 또는 고속 증착이 가능하도록 하였다.
도 6은 본 발명에서의 공정 플로우챠트를 보여준다.
도 6에서와 같이, 공정 시작(S10)으로 공정 세팅(S12)이 완료되면, 샤워헤드에 공급될 고주파 전력(이하 공급파워라고 함) 및 샤워헤드(320)와 서셉터(310) 간의 간격(이하 전극 간격이라고 함) 세팅이 최초로 이루어지고(S14), 공급파워가 매칭 과정을 통해 공급된다(S16,S18). 이 단계에서 박막 증착이 이루어지는데, 만약 공급파워와 전극 간격, 공정가스 공급량의 변경이 요구되는 경우(S20)에는 공급파워, 전극 간격, 공정가스 공급량을 재세팅(S22)한 후 매칭 전단계로 연결된다.
이처럼, 본 발명은 공정 진행 중에 파워공급을 중단하지 않은 상태에서 공급파워, 전극 간격 및 공정가스 공급량을 조절하기 때문에 막증착이 끊기지 않고 연속적으로 이루어져 조건이 다른 막특성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 전극 간격이 좁혀지면 기판의 중심부분에 막증착이 잘되고 그 반대로 전극 간격이 넓어지면 기판 가장자리 부분에서의 막증착이 잘된다. 이러한 점을 이용해서 공정 진행중에 막 증착률이 상대적으로 낮은 영역을 집중적으로 증착시킬 수 있다. 또한, 공급 파워를 낮추면 증착막의 단단함 정도가 향상됨에 반해 증착속도가 떨어지고, 공급 파워를 높이면 증착막의 단단함 정도가 떨어짐에 반해 증착속도가 향상되는데, 이러한 점을 이용한다면 막증착 초기에는 낮은 파워에서 진행하다가 서서히 공급파워를 높이면서 공정을 진행할 수 있고, 그 반대의 경우도 가능할 것이다. 또한, 공급파워와 전극간격 그리고 공정가스의 공급량 조정은 서로 독립적으로 또는 상호 연계해서 진행될 수 있다.
이처럼, 본 발명은 박막 증착 조건에 따라 공급파워 및 전극 간격 그리고 공정가스 공급량을 선형적으로 조절하여 공정 진행 중 저속 또는 고속 증착이 가능하다. 또한, 레시피 조건에 따라 공정 중단 없이 막특성을 임의 조절(a-Si, mc-Si) 및 두께에 따른 박막 특성을 변화시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 로드락 챔버
200 : 반송 챔버
300 : 공정 모듈
300a : 공정 챔버
310 : 서셉터
320 : 샤워헤드
100 : 로드락 챔버
200 : 반송 챔버
300 : 공정 모듈
300a : 공정 챔버
310 : 서셉터
320 : 샤워헤드
Claims (2)
- 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치에 있어서:
챔버;
상기 챔버 내에 배치되며 기판을 지지하는 서셉터(suscepter);
상기 서셉터의 상부에 배치되며 상기 기판에 막 형성을 위한 공정가스를 공급하는 샤워헤드(showerhead);
상기 서셉터와 연결되며, 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 거리를 조절하기 위해 상기 서셉터를 승강시키는 구동부;
상기 공정가스가 여기되어 플라즈마가 발생하도록 상기 샤워헤드에 고주파 전류를 인가하는 고주파 전원; 및
상기 샤워헤드에 인가되는 고주파 전류가 공정 진행중에 증가 또는 감소되도록 상기 고주파 전원을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 거리를 공정 진행중에 연속적 또는 단계적으로 변경되도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치.
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