KR20120074192A - 박막 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분사 노즐을 사용하여 기판에 박막을 형성하는 박막 제조 장치에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 제조 장치는, 챔버; 상기 챔버 내에 마련되고 기판이 놓이는 기판 지지대; 상기 기판 지지대를 가열하는 발열체; 상기 기판 지지대와 대향하도록 형성되는 분사 노즐 지지대; 상기 분사 노즐 지지대 하부에 형성되며 상기 기판 상에 원료액을 분사하는 분사 노즐; 및, 상기 분사 노즐 지지대의 양측과 연결 설치되며 상기 분사 노즐의 하부에 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 열선을 포함한다.

Description

박막 제조 장치{Apparaus for manufacturing thin film}
본 발명은 박막 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분사 노즐을 사용하여 기판에 박막을 형성하는 박막 제조 장치에 관한 것이다.
태양 전지(Solar Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자이다. 태양 전지는 시계나 계산기 등 휴대용 전자기기의 전원으로 이용되거나, 건물 지붕에 설치된 소규모 분산 발전용으로부터 넓은 개활지에 설치된 산업 발전용에 이르기까지 다양한 형태로 이용되고 있다.
태양 전지는 일반적으로 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지 및 박막 태양 전지로 분류될 수 있다. 그 중에서 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지에 비해 변환 효율은 낮지만, 기판의 두께를 혁신적으로 줄일 수 있고 유리 등의 저렴한 기판 상에 제조 가능하여 저가화할 수 있는 박막 태양 전지가 주목을 받고 있다.
이러한 박막 태양 전지는 기판 상의 서로 이격된 제 1 도전층 및 제 2 도전층 사이에 광 흡수층, 버퍼층 및 윈도우층이 마련된 구조를 갖는다. 또한, 광 변환층의 재료로서 변환 효율이 상대적으로 높은 CdTe, CuInGaSe2계의 화합물 반도체를 이용한 박막 태양 전지에 대한 연구가 증가하고 있다. 특히, 변환 효율이 비교적 우수한 CuInGeSe2계의 화합물 반도체를 이용하여 박막 태양 전지의 변환 효율을 더욱 증가시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
한편, 광 흡수층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 화합물, 예를 들어 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀렌(Se)으로 형성될 수 있다. 광 합수층은 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나, 두 혼합 타켓과 하나의 단일 타겟을 이용하거나, 세 혼합 타겟을 각각 이용하여 스퍼터링 방식으로 형성한 제 1 박막층과, 셀렌을 기화시켜서 형성한 제 2 박막층을 열처리하여 형성될 수 있다. 그러나, 셀렌을 기화시켜서 제 1 박막층 상에 제 2 박막층을 형성할 때, 기화된 셀렌 기체가 제 1 박막층 상에 균일하게 분포되지 못한다는 문제가 있다. 특히, 종래의 방법으로는 5G급 이상의 대면적 기판에는 적용할 수 없는 문제가 있다.
한국공개특허 2006-0031965호
본 발명의 일 기술적 과제는 기판 상에 균일하게 박막을 형성할 수 있는 박막 제조 장치을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 일 기술적 과제는 대면적 기판에 적용할 수 있는 박막 제조 장치을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 제조 장치는,
챔버; 상기 챔버 내에 마련되고 기판이 놓이는 기판 지지대; 상기 기판 지지대를 가열하는 발열체; 상기 기판 지지대와 대향하도록 형성되는 분사 노즐 지지대; 상기 분사 노즐 지지대 하부에 형성되며 상기 기판 상에 원료액을 분사하는 분사 노즐; 및, 상기 기판 지지대의 양측과 연결 설치되며 상기 분사 노즐의 하부에 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 열선을 포함한다.
또한, 셀렌을 함유하는 원료액이 저장되고, 상기 분사 노즐과 연통하도록 설치되어 상기 분사 노즐로 원료액을 공급하는 원료액 공급조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 원료액 공급조와 연결 설치되며, 셀렌이 저장되는 셀렌 저장조와 용매가 저장되는 용매 저장조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 원료액 저장조와 셀렌 저장조, 상기 원료액 저장조와 용매 저장조 사이에 각각 형성된 조절 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 원료액은 에틸렌디아민과, 에틸아세이트, 테트라하이드로퓨란, 글리세롤 및 에틸렌글리콜로부터 선택되는 1종 이상의 혼합 용매에 셀렌 또는 셀렌 화합물을 용해하여 제조될 수 있다.
또한, 상기 분사 노즐을 통해 분사되는 원료액의 분사압을 조절하는 분사압 조절 수단을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 일정한 간격으로 형성된 분사 노즐을 통해 원료액을 분사하여 기판 상에 균일하게 박막층을 형성할 수 있다. 또한, 분사 압력 및 시간 등을 조절하여 박막층의 두께를 일정하게 조절할 수 있다. 또한, 기판의 크기에 따라 분사 노즐의 수를 조절하여 대면적 기판에도 균일한 박막층을 형성할 수 있다. 또한, 분사 노즐을 통해 분사되는 원료액의 조성을 용이하게 조절할 수 있어서 원하는 특성을 가진 제 2 박막층을 용이하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 제조 장치를 사용하여 제작한 박막형 태양전지를 도시한 개념도이다.
도 2는 태양전지의 광 흡수층 형성 과정을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 제조 장치를 도시한 정단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 제조 장치를 도시한 정단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 제조 장치를 사용하여 제작한 박막형 태양전지를 도시한 개념도이다.
이하, 설명에서는 박막형 태양 전지를 제조할 때의 박막 제조 장치를 예를 들어 설명할 것이나, 이에 한정하지 않고 다양한 반도체 박막 제조 장치에도 적용될 수 있음은 자명할 것이다.
도 1을 참조하여 박막형 태양전지를 간략하게 설명하면, 기판(10, Substrate) 상부에 배면 전극(20, Back Contact), CIGS계 화합물로 형성된 광 흡수층(30,Absorber Layer), 버퍼층(40, Buffer Layer) 및 윈도우층(Window Layer)이 순차로 적층 형성된다. 즉, 본 발명의 실시예인 박막 제조 장치에 의해 제조된 박막형 태양전지는, 기판(10) 상에 배면 전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 투명 전극(50) 및 반사 방지막(60)으로 된 윈도우층을 순차적으로 적층함으로써 이루어진다.
기판(10)은 용도에 따라 다양한 특성의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 광 투과 특성에 따라 투명 기판, 불투명 또는 반투명 기판을 이용할 수 있다. 또한, 기판(10)은 재질에 따라 유리 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 폴리머 기판 등을 이용할 수도 있다. 그리고, 기판(10)은 굽힘 특성에 따라 리지드(rigid) 기판 또는 플렉서블(flexible) 기판을 이용할 수 있다. 이러한 기판(10)은 바람직하게는 광 투과성을 가지고 비용이 저렴한 유리 기판을 이용할 수 있다. 유리 기판으로는 예를 들어 소다라임 유리(sodalime galss) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 이용할 수 있다. 또한, 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 이용할 수 있고, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
배면 전극(20)은 금속 등의 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 서로 다른 물질의 복수의 층으로 형성할 수 있다. 이때, 배면 전극(20)은 비저항이 낮고, 열팽창 계수의 차이로 인해 기판(10)과 박리 현상이 일어나지 않도록 기판(10)과의 점착성이 뛰어난 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 배면 전극(20)으로는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금을 이용할 수 있다. 특히, 배면 전극(20)으로 전기 전도도가 높고, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 특성이 우수하며, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 안정성이 뛰어난 몰리브덴(Mo)을 이용하는 것이 바람직하다. 배면 전극(20)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 금속 타겟(target)을 이용하여 스퍼터링(sputtering) 공정으로 형성할 수 있다. 한편, 배면 전극(20)의 도전 물질에 나트륨(Na) 이온이 도핑되어 형성될 수 있다.
광 흡수층(30)은 제 1 박막층(31)과 제 2 박막층(32)이 열처리되어 형성된다.(도 2 참조) 광 흡수층(30)은 예를 들어 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 화합물로 형성될 수 있다. I족 원소의 예로는 구리(Cu)를 들 수 있으며, Ⅲ족 원소로는 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 들 수 있고, Ⅵ족 원소로는 셀렌(Se) 등을 들 수 있다. 여기서, 제 1 박막층(31)은 I족 원소 및 Ⅲ족 원소로 이루어지고, 제 2 박막층(32)은 Ⅵ족 원소로 이루어진다. 예를 들어, 제 1 박막층(31)은 인듐, 구리, 갈륨이 각각 적층되거나, 두 원소의 합금과 한 원소의 박막이 적층되거나, 세 원소의 합금으로 형성될 수 있고, 제 2 박막층(32)은 셀렌으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 박막층(31)은 Cu/Ga/In, Cu-In 합금/Ga, Cu-Ga 합금/In, Ca-In 합급/Cu, Cu-Ga-In 합금 등으로 이루어질 수 있고, 제 2 박막층(32)은 Se로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 박막층(31)은 스퍼터링 방식으로 증착될 수 있다. 예를 들어 제 1 박막층(31)은 적층 구조에 따라 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나, 두 혼합 타켓과 하나의 단일 타겟을 이용하거나, 세 혼합 타겟을 각각 이용하여 스퍼터링 방식으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 박막층(32)은 상기 제 1 박막층(31) 상에 분사 노즐에 의해 셀렌 기체가 분사되어 형성될 수 있다. 즉, 종래에는 셀렌을 기화시켜서 제 1 박막층(31) 상에 제 2 박막층(32)을 형성하였으나, 본 실시예에서는 분사 노즐로 셀렌 기체를 제 1 박막층(31) 상에 분사하여 형성함으로써, 셀렌을 균일하게 분포시킬 수 있으며, 또한 5G 이상의 대면적 기판에도 적용할 수 있도록 하였다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
버퍼층(40)은 재질로서 CdS가 사용될 수 있으며, 투명전극(50)으로는 ZnO, ITO 등이 사용될 수 있다. 아울러, 투명전극(50)의 상면에는 태양광의 반사를 방지하기 위한 반사 방지막(60)이 형성될 수 있으며, 반사 방지막(60)으로는 MgF2가 사용될 수 있다. 즉, 버퍼층(40) 상에는 투명전극(50)을 부착시킨다. 투명전극(50)은 집전 표면을 가로지르는 미세한 격자선에 배치하고, 적합한 전류 집전 전극에 접속될 수 있다. 투명전극(50) 상에는 박막의 효율을 증가시키기 위해 난반사 코팅이나 무반사 코팅 등의 반사 방지막(60)이 더 부착될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
한편, 본 발명의 실시예는 광 흡수층(30;absorber layer)을 형성하는데 있어서, 셀렌(Se)를 증착하는 셀렌화 공정을 위해, 기판을 박막 제조 장치 내로 투입하고, 제 1 박막층(31) 상에 분사 노즐을 통해 셀렌을 증착하여 제 2 박막층(32)을 형성한다.
이때, 박막 제조 장치는 분사 압력 및 시간 등을 조절하여 제 2 박막층의 두께를 일정하게 조절할 수 있고, 기판의 크기에 따라 분사 노즐의 수를 조절하여 대면적 기판에도 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 분사 노즐을 통해 분사되는 원료액의 조성을 용이하게 조절할 수 있어서 원하는 특성을 가진 제 2 박막층을 용이하게 형성할 수 있다.
이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 제조 장치는, 챔버(100)와, 상기 챔버 내에 마련되고 기판이 놓이는 기판 지지대(110)와, 상기 기판 지지대를 가열하는 발열체(111)와, 상기 기판 지지대와 대향하도록 형성되는 분사 노즐 지지대(120)와, 상기 분사 노즐 지지대 하부에 형성되며 상기 기판 상에 원료액을 분사하는 분사 노즐(130)을 포함한다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판 지지대(110)의 양측과 연결 설치되며 상기 분사 노즐(130)의 하부에 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 열선(140)을 포함한다.
상기 챔버(100)는 박막 처리를 위해 외부와 차단된 공간으로서, 챔버의 일측벽에는 기판(S)이 인입 및 인출되는 기판 출입구(Gate,미도시)가 형성되며, 기판 출입구(미도시)는 처리되어질 기판(S) 또는 처리가 완료된 기판(S)을 인입 또는 인출하는 역할을 한다. 기판 출입구는 챔버(100)의 일측에 형성 가능하지만, 이에 한정되지 않고, 챔버(100)의 대향하는 양측벽에 형성할 수 있음은 물론이다. 챔버(100)는 통 형상에 한정되지 않고 챔버(100)의 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 이러한 챔버(100)는 도시되지는 않았지만, 챔버 몸체와 챔버 덮개인 챔버 리드로 분리되도록 제작될 수 있다. 이를 통해, 챔버(100) 및 챔버(100) 내부에 설치된 장치들을 유지보수할 수 있다.
상기 기판 지지대(110)는 기판을 지지 가열하는 기판 지지플레이트이다. 통상적으로 기판 지지대(110)의 형상은 기판(S)의 형상과 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 기판(S)의 형상에 대응하는 사각 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 기판 지지대(110)의 하부에는 기판 지지대(110)를 챔버 바닥면과 이격되도록 지지하며, 상하 이동 및 회전시키는 샤프트(112)가 연결된다.
또한, 기판 지지대(110)에는 하나의 기판(S)을 안착하였으나, 다수개의 기판(S)을 안착할 수 있다. 또한, 챔버 내에 하나의 기판 지지대(110)를 구비하였지만, 이에 한정되지 않고, 다수개의 기판 지지대를 구비할 수 있음은 물론이다.
상기 발열체(111)는 기판이 안치되는 기판 지지대(110)의 내부에 매립되어 기판 지지대를 가열한다. 발열체(111)는, 히터(열선;heater) 등으로 구현되며, 이러한 발열체를 이용하여 기판 지지대(110)를 가열함으로써 결과적으로 상기 기판 지지대 상부에 안착된 기판(S)을 일정 온도로 가열할 수 있다. 이러한 발열체(111)는 기판 지지대에 안착된 기판(S)에 소정의 열을 가하여 기판(S)의 상부에 증착되는 증착 물질과의 반응성을 향상시키는 역할을 한다. 발열체(111)는 기판 지지대(110)의 가열을 통해 기판을 가열하게 되는데, 이에 한정되지 않고 챔버 내의 온도를 상승시켜서 기판에 열 에너지를 전달시킬 수 있다.
상기 분사 노즐 지지대(120)는 기판 지지대(110)와 대향하도록 형성되며, 지지 부재(121)에 의해 챔버의 천정면에서 소정 거리 이격되어 고정된다. 상기 분사 노즐 지지대(120)의 내부에는 원료액이 유동하는 유동관(122)이 형성되어 있으며, 이 유동관(122)은 셀렌과 소정의 용매의 혼합 용액이 저장되는 원료액 공급조(150)와 연통된다. 또한, 이 유동관(122)은 원료액이 분사되는 분사 노즐(130)과 연통된다. 한편, 기판의 크기에 따라 분사 노즐(130)의 수를 조절하여 대면적 기판에도 균일한 박막층을 형성할 수 있다.
한편, 원료액 공급조(150)에는 셀렌이 저장되는 셀렌 저장조(151)와 용매가 저장되는 용매 저장조(152)가 연결 설치될 수 있으며, 원료액 저장조(150)와 셀렌 저장조(151), 원료액 저장조(150)와 용매 저장조(152) 사이에는 셀렌과 용매의 공급양을 조절할 수 있는 조절 밸브(153)가 형성될 수 있다. 셀렌과 용매가 혼합하여 원료액으로 제조되는데, 이때 용매로서 질산, 염산 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 에틸렌디아민과, 에틸아세이트, 테트라하이드로퓨란, 글리세롤 및 에틸렌글리콜로부터 선택되는 1종 이상의 혼합 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 원료액 공급조(150)에서 분사 노즐(130)로 공급되는 원료액은 에틸렌디아민과, 에틸아세이트, 테트라하이드로퓨란, 글리세롤 및 에틸렌글리콜로부터 선택되는 1종 이상의 혼합 용매에 셀렌 또는 셀렌 화합물을 용해하여 제조되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 원료액에는 원료액의 점도 조절을 위한 첨가제가 더 첨가될 수 있는데, 이 첨가제는 열처리 등의 후공정에서 불순물로 잔류할 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 실시예에서는 분사 노즐(130)의 하부 위치에 메쉬(mesh) 형태의 열선(140)을 설치한다. 분사 노즐에 의해 원료액이 분사될 때, 메쉬 형태의 열선(140)을 통과하면서 원료액에 첨가된 첨가제는 열에 의해 제거될 수 있다. 이에 따라, 후공정에서 불순물이 생기는 것을 억제할 수 있다.
본 실시예는 분사 노즐(130)을 통해 분사되는 원료액의 분사 압력 및 시간을 조절하여 박막층의 두께를 일정하게 조절할 수 있는데, 이를 위해 분사 노즐(130)과 연통되는 유동관(122)의 소정 위치에는 원료액의 분사압을 조절하는 분사압 조절 수단(160)이 마련된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 박막 제조 장치에 의하면, 일정한 간격으로 형성된 분사 노즐을 통해 원료액을 분사하여 기판 상에 균일하게 박막층을 형성할 수 있다. 또한, 분사 압력 및 시간 등을 조절하여 박막층의 두께를 일정하게 조절할 수 있다. 또한, 기판의 크기에 따라 분사 노즐의 수를 조절하여 대면적 기판에도 균일한 박막층을 형성할 수 있다. 또한, 분사 노즐을 통해 분사되는 원료액의 조성을 용이하게 조절할 수 있어서 원하는 특성을 가진 제 2 박막층을 용이하게 형성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 박막 제조 장치를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 챔버 110 : 기판 지지대
120 : 분사 노즐 지지대 130 : 분사 노즐
140 : 열선 150 : 원료액 공급조

Claims (6)

  1. 기판 상에 셀렌을 증착하는 셀렌화 공정에 사용되는 박막 제조 장치로서,
    챔버;
    상기 챔버 내에 마련되고 기판이 놓이는 기판 지지대;
    상기 기판 지지대를 가열하는 발열체;
    상기 기판 지지대와 대향하도록 형성되는 분사 노즐 지지대;
    상기 분사 노즐 지지대 하부에 형성되며 상기 기판 상에 원료액을 분사하는 분사 노즐; 및,
    상기 분사 노즐 지지대의 양측과 연결 설치되며 상기 분사 노즐의 하부에 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 열선
    을 포함하는 박막 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    셀렌을 함유하는 원료액이 저장되고, 상기 분사 노즐과 연통하도록 설치되어 상기 분사 노즐로 원료액을 공급하는 원료액 공급조를 포함하는 박막 제조 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 원료액 공급조와 연결 설치되며, 셀렌이 저장되는 셀렌 저장조와 용매가 저장되는 용매 저장조를 포함하는 박막 제조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 원료액 저장조와 셀렌 저장조, 상기 원료액 저장조와 용매 저장조 사이에 각각 형성된 조절 밸브를 포함하는 박막 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료액은 에틸렌디아민과, 에틸아세이트, 테트라하이드로퓨란, 글리세롤 및 에틸렌글리콜로부터 선택되는 1종 이상의 혼합 용매에 셀렌 또는 셀렌 화합물을 용해하여 제조된 박막 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사 노즐을 통해 분사되는 원료액의 분사압을 조절하는 분사압 조절 수단을 포함하는 박막 제조 장치.
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