KR20130038769A - 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 - Google Patents
멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20130038769A KR20130038769A KR1020110103309A KR20110103309A KR20130038769A KR 20130038769 A KR20130038769 A KR 20130038769A KR 1020110103309 A KR1020110103309 A KR 1020110103309A KR 20110103309 A KR20110103309 A KR 20110103309A KR 20130038769 A KR20130038769 A KR 20130038769A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin film
- evaporation
- chamber
- deposition
- source
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 151
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 131
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 125
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 106
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 105
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 142
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 142
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 111
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 40
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 36
- 238000010549 co-Evaporation Methods 0.000 claims description 31
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 claims description 19
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 19
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 18
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 125000004436 sodium atom Chemical group 0.000 claims description 9
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 claims description 5
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 4
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 65
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 31
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000005019 vapor deposition process Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
본 발명은 대면적 ＣＩＧＳ 박막제조장비에 관한 것으로, 기판의 로딩챔버, 고진공챔버, 가열챔버, 증착챔버, 냉각챔버, 언로딩챔버등이 게이트밸브를 통해 선형 결합되며, 상기의 모든 진공챔버내의 하부에는 기판을 실은 트레이가 이송이 가능한 롤러구동장치와 기판가열용 면히터 장치가 구비되고, 특히, 증착챔버의 내부상부에는 기체를 선형분사하는 기체분사부가 설치되고, 외부상부에는 소스증발챔버가 게이트밸브를 통하여 다수 개 결합되며, 소스증발챔버의 내부에는 상하이동이 가능한 하향증발소스가 포함되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 인라인형 대면적 ＣＩＧＳ 박막제조장비는 대형의 유리기판위에 CIGS 박막을 1분만에 고속으로 증착제조하는 효과가 있을 뿐만 아니라, CIGS 박막에 Na가 균일하게 참여하여 고효율의 박막을 얻게 되며, 대면적 박막형 태양전지 공정시스템에서 증착챔버의 고진공을 자주 깨트리지 않고도 순차적으로 소모된 소스들의 재충전이 가능하고 멀티 스테이지 공정의 연속공정이 가능하여 태양전지를 고속으로 대량 양산할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 고효율의 대면적 CIGS 박막태양전지를 고속으로 대량 양산하기 위한 대면적 ＣＩＧＳ 박막제조장비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막증착의 멀티 스테이지 연속공정이 가능한 인라인형 박막증착장치를 구비하여, 고효율의 대면적 CIGS 태양전지의 연간 생산량을 획기적으로 향상할 수 있는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 태양전지는 화석에너지, 원자력에너지를 대체하는 최상의 에너지원으로 각광받고 있다.
그러나, 현재 가장 많이 이용되고 있는 태양전지인 실리콘 결정질 태양전지는 그 제조공정이 복잡하여 대량생산성의 한계를 가지며, 화석에너지만큼의 가격의 저가화를 이루는데 문제가 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 실리콘 결정질 태양전지는 웨이퍼의 크기에 제한을 가지므로, 대면적으로 만들 수 없으므로, 대면적의 실리콘 태양전지를 만들기 위하여 여러장의 작은 실리콘 태양전지를 연결하여 제조하고 있다. 그런데, 이 경우 태양에 의해 부분적인 그림자가 발생하면, 그 그림자에 가려진 실리콘 태양전지와 태양에 노출된 태양전지 사이의 저항이 부하로 발생하여, 전체 태양전지의 효율이 극히 저하되는 단점을 가지게 된다. 이런 현상은 “핫스팟(Hot Spot) 현상”으로 알려져 있다. 더욱이, 실리콘 결정질 태양전지의 광흡수층은 수백 마이크론미터(㎛)의 두께로서, 고순도의 실리콘 결정화를 위한 제조공정이 복잡하여 벨류체인(value chain)이 많다고 알려져 있다.
이러한 문제를 극복하기 위한 노력으로서, 최근에 박막형 태양전지인 CIGS 박막 태양전지가 각광을 받고 있다. CIGS 는 Cu, In, Ga, Se의 4가지 물질을 적당한 조성비로 화합하여 박막으로 제조하게 되는데, 그 두께가 1~2㎛ 밖에 되지 않으므로, 물질사용에 있어서 실리콘 결정질보다 효과적이다. 또한, 대면적으로 제조가 가능하므로 Hot spot 현상을 최소화하는 장점이 있을 뿐만 아니라, 원재료를 구입하여 한 공장에서 제조가 완성되므로, 벨류체인이라고 할 것도 없어서 제조원가를 상당히 저하시킬 수가 있다.
최근에 실리콘 결정질 태양전지를 대체할 수 있고 대량생산이 가능한 CIGS 박막 태양전지의 기술 개발에 박차를 가하고 있는데, 미국(NREL)과 유럽(ZSW)에서 multi-stage 공정을 이용하여, 20.0%와 20.3%의 최고 변환효율을 얻었다고 보고하고 있으며, 특히 한국에서는 유수의 대기업들과 국공립 연구소, 대학들에서 CIGS 박막 태양전지의 고효율과 대량생산을 위해 많은 연구를 수행하고 있기도 하다. 실제로, 국내외의 outdoor 시험의 결과를 보면, 실리콘 결정질 태양전지(효율 17%)와 CIGS 박막 태양전지(효율 11%)의 연간 발전량이 거의 동일하므로, CIGS 박막 태양전지의 변환효율이 높아지면 질수록, 연간 발전량도 극적으로 향상되기를 기대하고 있으며, 대면적의 CIGS 태양전지의 대량생산에 많은 기대를 걸고 있다.
CIGS 박막형 태양전지의 효율을 증가하기 위하여, 현재까지 알려진 한 두가지의 문제점을 살펴보면, 먼저, Na 원자의 조절제어 기술이다. 즉, 유리기판에 포함된 소듐원자의 성분으로부터 새어 나오는 Na 원자가 CIGS 박막을 고온에서 증발 증착할 경우 CIGS 결정 그레인(grain)과정내에 침투하게 된다. 이때 Na 원자는 Cu와 Se 결핍층에 침투하여 보호막 역할을 한다하여 패시베이션(passivation)효과를 준다고 알려져 있는데, 이 때문에 효율이 향상되기도 하지만, 대면적의 경우에는 불균일한 Na 원자의 침투 때문에 이를 제어하지 못하여 효율이 전체적으로 저하되는 문제가 발생된다.
또 다른 문제로서, CIGS 박막을 제조시, 한 스텝공정으로 알려진 동시증발증착으로만 하는 것이 아니라, 3~4가지 다른 스테이지의 공정으로 증착을 수행하여 효율을 증가시키고 있다. 이미 알려진 In+Ga+Se 동시증발증착공정은 In(Ga)2Se3박막을 제조하는 것으로, 기판온도는 400℃를 유지하고 약 16분 동안 증착하며, 이때 각 성분의 증발율은 In은 5Å/s, Ga는 2Å/s, Se은 30Å/s으로 알려져 있다. 또한, Cu+Se 동시증발증착공정은 Cu2Se 박막과 α형 CIGS박막을 제조하는 것으로, 기판온도는 600℃를 유지하고 약 17분 동안 증착하며, 이때 각 성분의 증발율은 Cu는 3Å/s, Se은 30Å/s으로 알려져 있다. 또한, In+Ga+Se 동시증발증착공정은 β형 CIGS박막을 제조하는 것으로, 기판온도는 600℃를 유지하고 약 3분 동안 증착하며, 이때 각 성분의 증발율은 In은 3Å/s, Ga는 2Å/s, Se은 30Å/s으로 알려져 있다. 또한, Se 증발증착공정은 β형 CIGS박막을 제조하는 것으로, 유리기판을 400℃로 유지하고 대략 20분동안 30Å/s의 증발율로 증착을 수행한다. 이러한 알려진, 3~4가지의 멀티스테이지 공정은 다음과 같이 요약된다.
1st Stage : In+Ga+Se -> In(Ga)2Se3
2nd Stage : Cu+Se -> Cu2Se -> α- CIGS
3rd Stage : In+Ga+Se -> β- CIGS
4th Stage : Se -> β- CIGS
상기와 같은 멀티스테이지 조건으로 공정을 수행하면, 약 2㎛ 두께의 CIGS 박막을 얻는데 전체시간이 약 55분 이상 걸리므로, 제조시간이 너무 오래 걸려 생산성이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 대면적의 CIGS 박막형 태양전지의 고효율화와 대량생산을 위해서는, 상기의 Na의 조절제어기술과 멀티스테이지의 양산적용기술의 개발이 꼭 필요하다고 할 수 있다.
더욱이, 태양전지분야에 가장 진보적 기술을 갖고 있다고 볼 수 있는 독일과 같은 나라에서도 본 발명과 같은 소스 연속충진기술이 없으므로, 일주일에 대략 5일만 생산하게 되며, 결과적으로 1년에 총 240일 정도만 생산할 수 밖에 없어 시간적 낭비 및 대량양산에 문제를 갖고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고효율의 대면적의 CIGS 박막 태양전지의 대량생산이 가능하도록, CIGS 증착공정시, 고온으로 유지되는 유리기판으로부터 Na가 새어 나와 대면적의 CIGS 박막에 불균일하게 침투되는 현상을 제어하고 필요한 양만큼의 Na원자를 균일하게 제공할 수 있으며, 고온(대략 550℃~600℃)으로 가열되는 대형의 유리기판이 휨이 발생하지 않도록 하고, 유리기판이 가열되면서 증착도 가능하고 동시에 이송이 가능하며, 대량생산 및 연속공정이 가능하도록 소진된 증발물질들(Cu, In, Ga, Se)을 진공을 깨지 않고도 충전될 수 있어, 멀티스테이지 공정들이 모두 연속으로 가능한 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법은
대면적 CIGS 박막제조공정에 있어서,
유리기판으로부터 Na원자가 방출되는 것을 방지하도록, 상기 유리기판 위에 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 위에 Mo전극박막을 증착하는 단계;
상기 Mo전극박막 위에 Na박막을 증착하는 단계; 상기 Na박막 위에 CIGS 멀티공정을 수행하는 단계; 및 상기 CIGS멀티공정이 완료된 이후에 Na 박막을 재증착하는 단계로 이루어진 멀티스테이지 공정을 수행하는 단계; 및
상기 재층착된 Na박막 위에 순차적으로 CdS박막층, ZnO층, AZO층, EVA접착층, 강화유리층을 형성하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법에서,
상기 Na박막은 하향증착에 의해 균일한 분포도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법에서,
상기 멀티스테이지 공정은
Na 증발증착공정을 통한 Na박막 형성단계;
In+Ga+Se 동시증발증착공정을 통한 In(Ga)2Se3박막층 형성단계;
Cu+Se 동시증발증착공정을 통한 Cu2Se박막과 α형 CIGS박막층 형성단계;
In+Ga+Se 동시증발증착공정을 통한 β형 CIGS박막층 형성단계;
Se 증발증착공정을 통한 β형 CIGS박막층 형성단계; 및
Na 증발증착공정을 통한 Na박막 형성단계;가 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법에서,
상기 멀티스테이지 공정조건이 순차적으로 다음과 같은 것을 특징으로 한다.
(1)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s, 기판온도 400℃
(2)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 60~80Å/s, Ga증발율 20~32Å/s, Se증발율 400~600Å/s, 기판온도 400℃
(3)Cu+Se 동시증발증착공정: Cu증발율 40~60Å/s, Se증발율 400~700Å/s,기판온도 600℃
(4)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 5~15Å/s, Ga증발율 5~10Å/s, Se증발율 90~200Å/s, 기판온도 600℃
(5)Se 증발증착공정: Se증발율 500~700Å/s,기판온도 400℃
(6)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s,기판온도 400℃
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템은,
대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막 제조용 인라인 장비시스템에 있어서,
로딩챔버, 고진공챔버, 증착챔버1, 증착챔버2, 가열챔버1, 증착챔버3, 증착챔버4, 가열챔버2, 증착챔버4, 증착챔버5, 증착챔버6, 냉각챔버, 저진공챔버, 언로딩챔버들이 게이트밸브를 통하여 선형으로 연결되고, 기판을 실은 트레이가 롤러를 이용하여, 상기 챔버간 이송되며, 상기 롤러 사이 및 상기 트레이 하부 위치에는 면히터장치가 구비되고, 상기 증착챔버들 상부에는 하향식 소스챔버들이 물질별로, 적어도 2개씩 세트로하여 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템에서,
상기 증착챔버1의 상부에는 게이트밸브를 통해 Na소스챔버가 2개 세트로 구비되고,
상기 증착챔버2의 상부에는 게이트밸브를 통해 In소스챔버, Ga소스챔버, 및 Se소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비되며,
상기 증착챔버3의 상부에는 게이트밸브를 통해 Cu소스챔버 및 Se소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비되고,
상기 증착챔버4의 상부에는 게이트밸브를 통해 In소스챔버, Ga소스챔버, 및 Se소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비되며,
상기 증착챔버5의 상부에는 게이트밸브를 통해 Se소스챔버가 2개 세트로 구비되고,
상기 증착챔버6의 상부에는 게이트밸브를 통해 Na소스챔버가 2개 세트로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템에서,
상기 각각의 소스챔버내에는 하향식 증발소스가 구비되고, 상기 증발소스는 상하 이송이 가능한 장치에 의해 상하이동이 가능하게 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템에서,
상기 각 증착챔버에 구비된 각각의 소스챔버에서 1세트의 소스챔버내의 각 소스의 증발물질이 소진시, 해당 소스챔버의 게이트밸브를 닫고, 대기압으로 만든 다음, 내부에 구비된 소스에 물질을 충전하고, 이와 동시에 증발물질이 충진되어 있는 다른 2세트의 소스챔버로부터 물질이 증발되어 증착공정이 연속적으로 가능하게 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템에서,
상기 각 소스챔버의 하향식 증발소스는 대응되는 각 증착챔버내의 기체분사부에 탈착 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템에서,
상기 증착챔버1에서는 Na박막증착공정이 수행되고,
상기 증착챔버2에서는 In+Ga+Se 동시증발증착공정이 수행되며,
상기 증착챔버3에서는 Cu+Se 동시증발증착공정이 수행되고,
상기 증착챔버4에서는 In+Ga+Se 동시증발증착공정이 수행되며,
상기 증착챔버5에서는 Se증발증착공정이 수행되고,
상기 증착챔버6에서는 Na박막증착공정이 수행되는 멀티스테이지 공정이 수행되며,
여기서, 상기 멀티스테이지 공정조건은 순차적으로 다음과 같아 1분 이내에 CIGS박막 제조가 가능한 것을 특징으로 한다.
(1)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s, 기판온도 400℃
(2)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 60~80Å/s, Ga증발율 20~32Å/s, Se증발율 400~600Å/s, 기판온도 400℃
(3)Cu+Se 동시증발증착공정: Cu증발율 40~60Å/s, Se증발율 400~700Å/s,기판온도 600℃
(4)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 5~15Å/s, Ga증발율 5~10Å/s, Se증발율 90~200Å/s, 기판온도 600℃
(5)Se 증발증착공정: Se증발율 500~700Å/s,기판온도 400℃
(6)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s,기판온도 400℃
본 발명에 따른 대면적 ＣＩＧＳ 박막제조장비는 인라인형으로서, 대형의 유리기판위에 CIGS 박막을 1분만에 고속으로 제조하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 대면적 ＣＩＧＳ 박막제조장비는 대면적 박막형 태양전지 공정시스템에서 증착챔버의 고진공을 자주 깨트리지 않고도 순차적으로 소모된 소스들의 재충전이 가능하여 멀티스테이지 공정의 연속공정이 가능하며, CIGS 박막내에 균일한 양의 Na가 참여되어 고효율의 박막을 얻게 되며, 결과적으로 태양전지를 고속으로 대량 양산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 대면적 ＣＩＧＳ 박막제조장비를 이용하는 경우, 기판위에 멀티스테이지 연속공정에 의한 박막형성이 가능함으로써 1년에 적어도 350일(365일 중 15일은 유지보수기간 임)은 연속생산이 가능한 효과가 있다.
도1은 CIGS 태양전지의 기본적인 공정흐름과 멀티스테이지 공정을 나타내는 도면,
도2는 하향식 소스가 내장된 소스챔버가 게이트밸브를 사이에 두고 증착챔버의 상부에서 연결된 모습을 나타내는 개략도,
도3은 멀티스테이지 증착 공정들을 포함하는 증착챔버를 포함하여 총 13개의 진공챔버들이 게이트밸브를 사이에 두고 연결된 모습을 나타내는 인라인형 멀티스테이지 연속 증착장비의 개략도,
도4는 각 증착챔버내에 소스챔버가 2개 부착된 상태 및 연속증착공정을 나타내는 도면,
도 5는 각 공정챔버들의 양산용 멀티스테이지 공정조건과 기본기능들을 나타내는 도표.
도2는 하향식 소스가 내장된 소스챔버가 게이트밸브를 사이에 두고 증착챔버의 상부에서 연결된 모습을 나타내는 개략도,
도3은 멀티스테이지 증착 공정들을 포함하는 증착챔버를 포함하여 총 13개의 진공챔버들이 게이트밸브를 사이에 두고 연결된 모습을 나타내는 인라인형 멀티스테이지 연속 증착장비의 개략도,
도4는 각 증착챔버내에 소스챔버가 2개 부착된 상태 및 연속증착공정을 나타내는 도면,
도 5는 각 공정챔버들의 양산용 멀티스테이지 공정조건과 기본기능들을 나타내는 도표.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 CIGS 태양전지의 기본적인 공정흐름과 멀티스테이지 증착공정 및 이에 따른 태양전지소자의 구조를 나타내는 도면, 도2는 본 발명의 멀티스테이지 증착공정에 사용되는, 하향식 소스가 내장된 소스챔버가 게이트밸브를 사이에 두고 증착챔버의 상부에서 연결된 모습을 나타내는 개략도, 도3은 멀티스테이지 증착 공정들을 포함하는 증착챔버를 포함하여 총 13개의 진공챔버들이 게이트밸브를 사이에 두고 연결된 모습을 나타내는 인라인형 멀티스테이지 연속 증착장비의 개략도, 도4는 각 증착챔버내에 소스챔버가 2개 부착된 상태 및 연속증착공정을 나타내는 도면, 도5는 각 공정챔버들의 양산용 멀티스테이지 공정조건과 기본기능들을 나타내는 도표이다.
도1에 도시한 멀티스테이지 공정흐름과 태양전지소자의 구조에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법은 대면적 CIGS 박막제조공정에 있어서,
유리기판으로부터 Na원자가 방출되는 것을 방지하도록, 상기 유리기판 위에 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 위에 Mo전극박막을 증착하는 단계;
상기 Mo전극박막 위에 Na박막을 증착하는 단계; 상기 Na박막 위에 CIGS 멀티공정을 수행하는 단계; 및 상기 CIGS멀티공정이 완료된 이후에 Na 박막을 재증착하는 단계로 이루어진 멀티스테이지 공정을 수행하는 단계; 및
상기 재층착된 Na박막 위에 순차적으로 CdS박막층, ZnO층, AZO층, EVA접착층, 강화유리층을 형성하는 단계;로 이루어진다.
이를 단계별로 상세하게 설명하면, CIGS 증착공정시,
우선 고온으로 유지되는 유리기판으로부터 Na가 방출되어 대면적의 CIGS 박막에 불균일하게 침투되지 못하도록, 유리기판에 먼저 절연박막을 코팅한 후 CIGS 멀티공정을 시작하기 전에 Na박막을 증착하고, 또 멀티공정 이후에도 Na박막을 증착하여, 균일한 양의 Na이 CIGS 박막의 결정화에 기여하도록 한다.
즉, 유리기판으로부터 Na 원자들이 새어나와 Mo전극박막(3)을 통과하여 CIGS 박막공정들(40,50,60,70,80,90)에 임의로 참여하지 않도록 하기 위하여 유리기판(1)의 상부에 절연박막(2)을 증착하여 형성한다. 이때, 절연막은 산화알루미늄(Al2O3)와 같은 부도체 박막으로 구성한다.
절연박막을 증착한 후에 그 위에 Mo전극박막(3)을 증착하게 된다.
그런 다음, CIGS 태양전지의 고효율을 달성하기 위하여, 멀티스테이지공정(40~90)이 다음 순서대로 순차적으로 이루어진다.
Na 증발증착공정을 통한 Na박막 형성단계;
In+Ga+Se 동시증발증착공정을 통한 In(Ga)2Se3박막층 형성단계;
Cu+Se 동시증발증착공정을 통한 Cu2Se박막과 α형 CIGS박막층 형성단계;
In+Ga+Se 동시증발증착공정을 통한 β형 CIGS박막층 형성단계;
Se 증발증착공정을 통한 β형 CIGS박막층 형성단계; 및
Na 증발증착공정을 통한 Na박막 형성단계.
우선, 광흡수층인 CIGS 박막멀티공정들(50,60,70,80) 이전에 Na 박막(4)을 구성하기 위한 Na증발증착공정(40)을 수행한다.
이때, Na박막은 하향증착에 의해 균일한 분포도를 갖도록 한다.
그 이후에, 높은 변환효율의 CIGS 박막의 멀티공정인, In+Ga+Se 동시증발증착공정(50)을 통해 In(Ga)2Se3박막층(5), Cu+Se 동시증발증착공정(60)을 통해 Cu2Se박막과 α형 CIGS박막층(6), In+Ga+Se 동시증발증착공정(70)을 통해 β형 CIGS박막층(7), Se 증발증착공정(80)을 통해 β형 CIGS박막층(8)이 순서대로 형성된다.
그런 다음 마지막으로 Na증발증착공정(90)을 수행하여 Na 박막(9)을 형성한다.
그 이후에는 통상적으로 알려진 CdS박막층(10), ZnO층(11), AZO층(12), EVA접착층(13), 강화유리층(14)을 형성하여 태양전지소자를 완성한다.
이와 같은 대면적 고효율의 태양전지를 제조하기 위해서는 증착공정시, 대략 550℃~600℃로 가열되는 대형의 기판(34)이 휨이 발생하지 않도록, 기판을 트레이(35)에 실어서 이송이 가능하도록 하고, 트레이 하부에는 회전이 가능한 롤러들(36)을 구비하여 트레이 무빙(moving)을 하고, 면히터장치들(37)이 배열되어 있어서 트레이와 기판을 복사가열하게 되며, 기판(34) 상부에 배치되는 기체분사부(33)를 통하여 하향으로 분사된 기체가 기판 상부에 증착이 되어야 한다.
기체분사부는 다수개의 노즐(미도시)을 구성하여 이 노즐을 통하여 기체의 일정양이 분사되도록 하여, 증착되는 박막의 균일도를 향상시킨다. 또한, 기체분사부의 길이는 기판의 길이보다 더 길게 구성하여 기판의 길이를 커버하도록 한다.
증착챔버의 상부에는 게이트밸브를 통하여 증착물질별로 2개이상의 소스챔버를 설치하여, 한물질이 증발되어 소진되면 게이트밸브를 닫고 물질을 충전하고, 동시에, 같은 물질이 담긴 다른 소스챔버의 게이트밸브를 열어 증발증착을 계속하도록 하여 진공을 자주 깨지 않고도 증착공정이 연속되도록 하여 생산성을 높인다.
더욱이, 로딩챔버, 가열챔버, 증착챔버, 냉각챔버, 언로딩 챔버들은 게이트밸브를 통하여 선형으로 연결함으로써, 기판의 이송시 고진공도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 연속공정이 가능하도록 하여 고속의 증착제조공정이 가능하도록 인라인 장비를 구성한다. 특히, 대량생산시, 택타임이 1분이내가 되도록 하기위하여, 멀티스테이지 공정들이 모두 1분에 완성되도록 물질들의 증발율을 증가시키고, 이에 따른 증발온도와 고진공도, 소스의 고용량화, 롤러이송속도의 조절, 면히터의 가열속도조절등이 가능하도록 인라인 장비를 구성한다.
이하에서, 도5의 도표를 참조하여 대면적 CIGS 태양전지의 고효율 및 고속의 대량양산을 달성하기 위한, 멀티스테이지공정(40~90)을 상세하게 설명한다.
CIGS 박막 태양전지를 이용하여 연간100MW(CIGS 기판 1장당 출력이 200W이고 택타임이 1분인 경우, 1년 생산량은 1장×60분×24시간×365일×200W=105.1MW)를 생산하기 위하여, CIGS 박막제조시간은 적어도 1분의 택타임을 가져야 하는데, 이를 달성하기 위하여,
첫째, Na 증발증착공정(40)은 진공도 10-3~10-7Torr 상태하에서 기판온도 400℃를 유지하며, 1분 동안 Na 증발율 약 1~5Å/s으로 증착한다. 물론, 정확한 증발율은 여러 번 시험하여 결정하는데, 이는 진공도와 가열온도에 따라 달라질 수 있다.
둘째, In+Ga+Se 동시증발증착공정(50)은 진공도 10-3~10-7Torr 상태하에서 기판온도는 400℃를 유지하고, 1분동안 증착하며, In은 증발율 60~80Å/s, 바람직하게는 80Å/s, Ga는 증발율 20~32Å/s, 바람직하게는 32Å/s, Se은 증발율 400~600Å/s, 바람직하게는 480Å/s으로 증착한다.
세째, Cu+Se 동시증발증착공정(60)은 진공도 10-3~10-7Torr 상태하에서 기판온도는 600℃를 유지하고, 1분 동안 증착하며, Cu는 증발율 40~60Å/s, 바람직하게는 51Å/s, Se은 증발율 400~700Å/s, 바람직하게는 510Å/s으로 증착한다.
네째, In+Ga+Se 동시증발증착공정(70)은 진공도 10-3~10-7Torr 상태하에서 기판온도는 600℃를 유지하고, 1분동안 증착하며, In은 증발율 5~15Å/s, 바람직하게는 9Å/s, Ga은 증발율 5~10Å/s, 바람직하게는 6Å/s, Se은 증발율 90~200Å/s, 바람직하게는 90Å/s으로 증착 한다.
다섯째, Se 증발증착공정(80)은 진공도 10-3~10-7Torr 상태하에서 유리기판을 400℃로 유지하며, 1분동안 500~700Å/s, 바람직하게는 600Å/s의 증발율로 증착을 수행한다.
여섯째, Na 증발증착공정(90)은 진공도 10-3~10-7Torr 상태하에서 기판온도 400℃를 유지하며, 1분동안 Na 증발율 약 1~5Å/s으로 증착한다.
이와 같은 CIGS 태양전지의 양산용 멀티스테이지공정에 따른 박막형성을 요약하면 다음과 같다.
1st Stage : Na -> Na
2nd Stage : In+Ga+Se -> In(Ga)2Se3
3rd Stage : Cu+Se -> Cu2Se -> α- CIGS
4th Stage : In+Ga+Se -> β- CIGS
5th Stage : Se -> β- CIGS
6th Stage : Na -> Na
이와 같이 대략 1분내에 증착이 완료되기 위해서는, 증발소스들은 매우 높은 증발율로 증발이 가능하여야 하며, 이때 In의 경우 증발온도는 대략 1210℃, Ga의 경우 증발온도는 대략 1345℃, Se의 경우 증발온도는 대략 450℃, Cu의 경우 증발온도는 대략 1680℃의 온도를 유지하여야 한다. 또한, 유리기판의 온도는 400℃ ~ 600℃ 사이의 온도로 가열이 용이해야 된다. 물론, 이 온도들은 소스의 재질과 측정부분에 따라서 약간씩 달라질 수도 있음은 물론이다.
도2에 도시한 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템에서의 증착챔버와 소스챔버와의 결합관계를 설명하면 다음과 같다.
하향식 증발소스(31)가 설치된 소스챔버(24)는 게이트밸브(32)를 사이에 두고 증착챔버(20)의 상부에 게이트밸브포트(23,25)에 의해 연결되며, 증착챔버에는 좌우에 펌핑포트(21,22)가 구성 된다. 하향식 증발소스(31)는 상하 이동이 가능하도록 상하이송장치(30)에 고정되어 있으며, 증착챔버내의 기체분사부(33)에 착탈결합한다. 기판(34)이 트레이(35)에 담겨져서, 이송롤러(36)를 이용하여 증착챔버(20)내에 이송되면, 동시에 트레이의 하부에 설치된 면히터(37)를 이용하여, 기판을 400℃ ~ 600℃로 가열한다. 증착공정시에는 게이트밸브(32)가 열리고, 하향식 증발소스(31)가 내려와 기체분사부(33)와 연결되어, 증발된 기체가 기판(34)을 향해 하향으로 분사되는 것이다.
또한, 하향식 증발소스(31)의 증발물질을 충전하기 위하여는 소스(31)를 위로 올린 다음 게이트밸브를 닫고, 소스챔버(24)의 진공을 깨고, 증발물질을 충진하게 된다. 이때, 증착챔버(20)에는 제2, 제3, ...제n(n>2)의 소스챔버가 설치되어 있어서, 진공을 깨지 않고도 연속증착이 가능하다. 본 발명에서는 증착챔버에 각 증착물질별 소스챔버가 2개씩 설치한 것이 예시되어 있으며, 이에 따라 물질 충전시에도 연속 증착이 가능하게 되어, 박막제조의 생산성이 향상되는 것이다.
여기서, 기체분사부의 길이를 길게 조정하여 기체를 분사하면, 5세대급(1100x1300mm 또는 1200x1200mm)의 대형 대면적의 기판에 CIGS 박막 형성이 가능하게 된다. 물론, 기체분사부의 길이를 더욱 길게 조정하면, 10세대급(2500×3500mm)의 초대형 기판에도 적용가능하다.
또한, 도3은 고효율을 갖는 대면적의 유리기판 CIGS 박막을 대량생산 제조하기 위한 인라인 장비시스템의 일예시로서, 도시된 바와 같이, 기판(100)(실제로는 Mo 박막이 증착코팅된 유리기판임)을 삽입하는 로딩챔버(102), 고진공챔버(103), 증착챔버1(104), 증착챔버2(105), 가열챔버1(106), 증착챔버3(107), 가열챔버2(108), 증착챔버4(109), 증착챔버5(110), 증착챔버6(111), 냉각챔버(112), 저진공챔버(113), 언로딩챔버(114)의 챔버들이 게이트밸브(101)를 사이에 두고 선형으로 서로 연결되어 있다. 또한, 기판(100)을 실은 트레이가 롤러를 이용하여, 상기 챔버간 이송되며, 상기 롤러 사이 및 상기 트레이 하부 위치에는 면히터장치가 구비되고, 상기 각 증착챔버들 상부에는 하향식 소스챔버들이 물질별로, 적어도 2개씩 세트로하여 구비되어 있다. 즉, 이렇게 챔버들을 인라인형으로 연결하여 사용하면, 한 챔버에서 다른 챔버로 고진공을 유지하면서도 기판(또는 트레이)의 이송이 가능하므로 박막의 제조시간이 단축되는 효과가 생기는 것이다.
로딩챔버(102)는 기판을 받아들여 트레이에 앉히고 롤러를 구동하여 선형으로 이송하는 기능을 가지며, 저진공의 진공도 대기압~10-3Torr를 유지하도록 펌프가 부착된다.
고진공챔버(103)는 저진공/고진공의 진공도 10-3~10-7Torr를 유지하며 트레이가 이송되고, 기판의 온도가 200℃가 되도록 면히터장치(37)가 내장되어 있다.
증착챔버1(104)은 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 400℃가 되도록 면히터가 설치되어 있으며, 챔버의 상부에는 게이트밸브를 통해 상기에 설명된 하향식 소스챔버인 Na 소스챔버가 2개 세트로 구비된다. 즉, Na 소스챔버1(170) 및 Na 소스챔버(171)가 세트로 부착되어 있어서, Na 기체의 하향증발이 연속적으로 가능하며, 이때 Na박막(4)을 증착(증발율은 1~5Å/s)하게 된다. 물질충전시에도 연속증착이 가능하도록 소스챔버는 적어도 2개가 설치된다.
증착챔버2(105)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 400℃가 되도록 가열되고, 챔버의 상부에는 게이트밸브를 통해 상기에서 설명된 하향식 소스챔버인 In 소스챔버, Ga 소스챔버, Se 소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비된다. 즉, In 소스챔버1(120), Ga 소스챔버1(121), Se 소스챔버1(122), 및 In 소스챔버2(123), Ga 소스챔버2(124), Se 소스챔버2(125)가 2세트 부착되어, In, Ga, Se 기체를 동시증발방법으로 하향증착한다. 이때, In 증발율은 60~80Å/s, Ga 증발율은 20~32Å/s, Se 증발율은 400~600Å/s정도로서 1분만에 기판이 이송되면서 동시에 증착이 연속적으로 이루어진다.
가열챔버1(106)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 600℃가 되도록 면히터 가열된다.
증착챔버3(107)은 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 600℃로 유지되도록 면히터 가열되며, 챔버의 상부에는 상기에 설명된 하향식 소스챔버인 Cu 소스챔버, Se 소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비된다. 즉, Cu 소스챔버1(130)와 Se 소스챔버3(131), 및 Cu 소스챔버2(132)와 Se 소스챔버4(133)가 2세트 설치되어 Cu, Se 기체를 동시증발방법으로 하향증착한다. 1분간 증착될 Cu 증발율은 40~60Å/s, Se 증발율은 400~700Å/s 이다.
가열챔버2(108)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 600℃가 되도록 면히터 가열된다.
증착챔버4(109)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 600℃가 되도록 가열되고, 챔버의 상부에는 상기에 설명된 하향식 소스챔버인 In 소스챔버, Ga 소스챔버, Se 소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비된다. 즉, In 소스챔버3(140), Ga 소스챔버3(141), Se 소스챔버5(142), 및 In 소스챔버4(143), Ga 소스챔버4(144), Se 소스챔버6(145)가 2세트 부착되어, In, Ga, Se 기체를 연속적으로 하향증착한다. 이때, In 증발율은 5~15Å/s, Ga 증발율은 5~10Å/s, Se 증발율은 90~200Å/s정도로서 1분만에 기판이 이송되면서 동시에 증착이 이루어진다.
증착챔버5(110)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 400℃로 유지되도록 면히터 가열 또는 냉각 되며, 챔버의 상부에는 상기에 설명된 하향식 소스챔버인 Se 소스챔버가 2개 세트로 구비된다. 즉, Se 소스챔버7(150) 및 Se 소스챔버8(151)가 세트로 설치되어 Se 기체를 연속적으로 하향증착한다. 1분간 증착될 Se 증발율은 500~700Å/s 이다.
증착챔버6(111)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 400도로 유지되도록 면히터가열 또는 냉각 되며, 챔버의 상부에는 상기에 설명된 하향식 소스챔버인 Na 소스챔버가 2개 세트로 구비된다. 즉, Na 소스챔버3(160), Na 소스챔버4(161)가 설치되어 Na 기체를 연속적으로 하향증착한다. 1분간 증착될 Na 증발율은 약 1~5Å/s 이다.
냉각챔버(112)는 진공도 10-3~10-7Torr의 고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 200℃로 유지되도록 면히터가열 또는 냉각된다.
저진공챔버(113)는 진공도 10-3~10-7Torr의 저진공/고진공을 유지하며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 200℃ 이하가 되도록 냉각기능을 가지게 된다.
언로딩챔버(114)는 진공도 대기압~10-3Torr의 저진공과 대기압이 유지되며, 트레이의 이송이 가능하고, 기판의 온도가 30℃ 이하가 되도록 냉각기능을 가지게 되며, 트레이로부터 유리기판을 탈착하여 장비로부터 기판이 빠져나가도록 한다.
도5에는 상기에 설명된 공정 챔버별 진공도, 가열온도, 증발율과 기본기능들이 요약되어 있다. 물론, 필요에 따라서, 예를 들면 진공챔버마다 기판의 이송시간을 1분으로 일정하게 맞추어야 하거나, 기판의 가열과정을 가열챔버별 100℃씩 승온하면서 기판을 이송하거나, 또는 온도가 서로 다르게 맞추어야 하는 냉각조건에 따라서, 가열챔버와 냉각챔버들 또는 버퍼(buffer)챔버들이 추가로 연결될 수도 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 인라인공정시스템을 이용하여 연속 증착하는 과정을 도4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도4에 도시한 바와 같이 증착챔버(20) 상부에는 2개의 소스챔버(24, 24(a))가 게이트밸브 포트(23,25,23(a),25(a))에 의해 부착되어 있다. 첫번째 세트의 소스챔버의 하향식 증발소스(31)에 증발물질을 충전하고 소스챔버를 고진공으로 펌핑하고, 게이트밸브(32)를 열고, 상하이송장치(30)를 이용하여 하향이동한 다음 증착챔버내의 기체분사부(33)와 결합시키면, 가열된 소스와 기체분사부에 의해 증발기체가 기판으로 하향 비행하게 되어 기판상에 증착이 수행된다. 이때, 기판(34)을 실은 트레이(35)는 이송을 하면서 동시에(이런 방법을 “dynamic deposition”이라고 한다.) 증착이 되는 것이다. 이런 과정을 요약하면 아래와 같다.
<첫번째 세트의 소스 경우>
물질충전->챔버펌핑->게이트벨브 오픈->소스하강 및 기체분사부와 결합->소스와 기체분사부 가열->트레이 이송->물질증발 및 박막증착.
반면에, 두번째 세트의 소스챔버(24(a))의 내부에 있는 하향식 증발소스(31(a))는 대기압상태에 있다가, 물질이 충전되고, 챔버는 고진공으로 펌핑이 된 후 첫번째 소스의 물질이 소진되기 전에, 두번째 게이트밸브(32(a))가 열리고, 두번째 세트의 하향식 증발소스(31(a))가 상하이송장치(30(a))를 이용하여, 하부로 내려와 기체분사부(33(a))와 결합되고, 소스와 기체분사부는 가열된다. 이때, 증발되는 기체는 셔터(38)에 의해 우선 가려지므로 아직 기판에 증착되지는 않는다. 이후, 첫번째 세트의 소스의 물질이 소진되기 바로 직전에 셔터(38)를 움직여 첫번째 세트의 소스의 하부에 놓아 증발을 막고, 기판은 두번째 세트의 소스의 증발에 의하여 증착이 수행되도록 하고, 첫번째 세트의 소스는 냉각되어 위로 이송되고, 첫번째 게이트밸브(32)가 닫히면 결과적으로 두번째 기체분사부(33(a))를 통하여 기체가 기판에 증착되므로, 연속증착이 가능하게 되며, 첫번째 세트의 소스챔버는 대기압상태에서 물질의 충전이 가능하다. 이 과정을 정리하면 다음과 같다.
<두번째 세트의 소스 경우>
물질충전->챔버펌핑->게이트밸브 오픈->소스하강 및 기체분사부와 결합->소스와 기체분사부 가열->셔터이동->트레이이송->물질증발 및 박막증착->첫번째 세트의 소스냉각->첫번째 게이트밸브 개방->첫번째 세트의 소스 위로 이송->첫번째 게이트밸브 닫힘->첫번째 세트의 소스챔버 대기압->대기 첫번째 세트의 소스 물질충전
시험을 통하여, 각 소스의 증발물질이 소진되는 시간을 알고 있다가, 셔터를 이동한다.
이러한 과정을 반복함으로써, 소스챔버가 2개이상의 경우에도, 증착챔버의 진공을 깨지않고 연속증착을 수행하게 되므로, 생산성이 획기적으로 향상되는 것이다.
1: 유리기판 2: 절연박막
3: Mo 전극박막 4: Na 박막
5: In(Ga)2Se3박막층 6: Cu2Se박막과 α형 CIGS박막층
7: β형 CIGS박막층 8: β형 CIGS박막층
9: Na 막 10: CdS 박막
11: ZnO 박막 12: AZO 박막
13: EVA 필름 14: 강화유리기판
20: 증착챔버 21,22: 펌핑포트
23,25,23(a),25(a): 게이트밸브 포트 24,24(a): 소스챔버
30,30(a): 상하이송장치 31,31(a):하향식 증발소스
32,32(a): 게이트밸브 33,33(a): 기체 분사부
34,100: 기판 35: 트레이
36: 이송롤러 37: 면히터
40: Na 박막 증착공정 50: In+Ga+Se 증착공정
60: Cu+Se 증착공정 70: In+Ga+Se 증착공정
80: Se 증착공정 90: Na 증착공정
101: 게이트밸브 102: 로딩챔버
103: 고진공 챔버 104: 증착챔버1
105: 증착챔버2 106: 가열챔버1
107: 증착챔버3 108: 가열챔버2
109: 증착챔버4 110:증착챔버5
111: 증착챔버6 112: 냉각챔버
113: 저진공챔버 114: 언로딩 챔버
120: In 소스챔버1 121: Ga 소스챔버1
122: Se 소스 챔버1 123: In 소스챔버2
124: Ga 소스챔버2 125: Se 소스챔버2
130: Cu 소스챔버1 131: Se 소스챔버3
132: Cu 소스챔버2 133: Se 소스챔버4
140: In 소스챔버3 141: Ga 소스챔버3
142: Se 소스챔버5 143: In 소스챔버4
144: Ga 소스챔버4 145: Se 소스챔버6
150: Se 소스챔버7 151: Se 소스챔버8
160: Na 소스챔버1 161: Na 소스챔버2
170: Na 소스챔버3 171: Na 소스챔버4
3: Mo 전극박막 4: Na 박막
5: In(Ga)2Se3박막층 6: Cu2Se박막과 α형 CIGS박막층
7: β형 CIGS박막층 8: β형 CIGS박막층
9: Na 막 10: CdS 박막
11: ZnO 박막 12: AZO 박막
13: EVA 필름 14: 강화유리기판
20: 증착챔버 21,22: 펌핑포트
23,25,23(a),25(a): 게이트밸브 포트 24,24(a): 소스챔버
30,30(a): 상하이송장치 31,31(a):하향식 증발소스
32,32(a): 게이트밸브 33,33(a): 기체 분사부
34,100: 기판 35: 트레이
36: 이송롤러 37: 면히터
40: Na 박막 증착공정 50: In+Ga+Se 증착공정
60: Cu+Se 증착공정 70: In+Ga+Se 증착공정
80: Se 증착공정 90: Na 증착공정
101: 게이트밸브 102: 로딩챔버
103: 고진공 챔버 104: 증착챔버1
105: 증착챔버2 106: 가열챔버1
107: 증착챔버3 108: 가열챔버2
109: 증착챔버4 110:증착챔버5
111: 증착챔버6 112: 냉각챔버
113: 저진공챔버 114: 언로딩 챔버
120: In 소스챔버1 121: Ga 소스챔버1
122: Se 소스 챔버1 123: In 소스챔버2
124: Ga 소스챔버2 125: Se 소스챔버2
130: Cu 소스챔버1 131: Se 소스챔버3
132: Cu 소스챔버2 133: Se 소스챔버4
140: In 소스챔버3 141: Ga 소스챔버3
142: Se 소스챔버5 143: In 소스챔버4
144: Ga 소스챔버4 145: Se 소스챔버6
150: Se 소스챔버7 151: Se 소스챔버8
160: Na 소스챔버1 161: Na 소스챔버2
170: Na 소스챔버3 171: Na 소스챔버4
Claims (10)
- 대면적 CIGS 박막제조공정에 있어서,
유리기판으로부터 Na원자가 방출되는 것을 방지하도록, 상기 유리기판 위에 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 위에 Mo전극박막을 증착하는 단계;
상기 Mo전극박막 위에 Na박막을 증착하는 단계; 상기 Na박막 위에 CIGS 멀티공정을 수행하는 단계; 및 상기 CIGS멀티공정이 완료된 이후에 Na 박막을 재증착하는 단계로 이루어진 멀티스테이지 공정을 수행하는 단계; 및
상기 재층착된 Na박막 위에 순차적으로 CdS박막층, ZnO층, AZO층, EVA접착층, 강화유리층을 형성하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 Na박막은 하향증착에 의해 균일한 분포도를 갖는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 멀티스테이지 공정은
Na 증발증착공정을 통한 Na박막 형성단계;
In+Ga+Se 동시증발증착공정을 통한 In(Ga)2Se3박막층 형성단계;
Cu+Se 동시증발증착공정을 통한 Cu2Se박막과 α형 CIGS박막층 형성단계;
In+Ga+Se 동시증발증착공정을 통한 β형 CIGS박막층 형성단계;
Se 증발증착공정을 통한 β형 CIGS박막층 형성단계; 및
Na 증발증착공정을 통한 Na박막 형성단계;가 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 멀티스테이지 공정조건이 순차적으로 다음과 같은 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 제조방법.
(1)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s, 기판온도 400℃
(2)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 60~80Å/s, Ga증발율 20~32Å/s, Se증발율 400~600Å/s, 기판온도 400℃
(3)Cu+Se 동시증발증착공정: Cu증발율 40~60Å/s, Se증발율 400~700Å/s,기판온도 600℃
(4)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 5~15Å/s, Ga증발율 5~10Å/s, Se증발율 90~200Å/s, 기판온도 600℃
(5)Se 증발증착공정: Se증발율 500~700Å/s,기판온도 400℃
(6)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s,기판온도 400℃ - 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막 제조용 인라인 장비시스템에 있어서,
로딩챔버, 고진공챔버, 증착챔버1, 증착챔버2, 가열챔버1, 증착챔버3, 증착챔버4, 가열챔버2, 증착챔버4, 증착챔버5, 증착챔버6, 냉각챔버, 저진공챔버, 언로딩챔버들이 게이트밸브를 통하여 선형으로 연결되고, 기판을 실은 트레이가 롤러를 이용하여, 상기 챔버간 이송되며, 상기 롤러 사이 및 상기 트레이 하부 위치에는 면히터장치가 구비되고, 상기 증착챔버들 상부에는 하향식 소스챔버들이 물질별로, 적어도 2개씩 세트로하여 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 증착챔버1의 상부에는 게이트밸브를 통해 Na소스챔버가 2개 세트로 구비되고,
상기 증착챔버2의 상부에는 게이트밸브를 통해 In소스챔버, Ga소스챔버, 및 Se소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비되며,
상기 증착챔버3의 상부에는 게이트밸브를 통해 Cu소스챔버 및 Se소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비되고,
상기 증착챔버4의 상부에는 게이트밸브를 통해 In소스챔버, Ga소스챔버, 및 Se소스챔버가 각각 2개씩 세트로 구비되며,
상기 증착챔버5의 상부에는 게이트밸브를 통해 Se소스챔버가 2개 세트로 구비되고,
상기 증착챔버6의 상부에는 게이트밸브를 통해 Na소스챔버가 2개 세트로 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 각각의 소스챔버내에는 하향식 증발소스가 구비되고, 상기 증발소스는 상하 이송이 가능한 장치에 의해 상하이동이 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 각 증착챔버에 구비된 각각의 소스챔버에서 1세트의 소스챔버내의 각 소스의 증발물질이 소진시, 해당 소스챔버의 게이트밸브를 닫고, 대기압으로 만든 다음, 내부에 구비된 소스에 물질을 충전하고, 이와 동시에 증발물질이 충진되어 있는 다른 2세트의 소스챔버로부터 물질이 증발되어 증착공정이 연속적으로 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 각 소스챔버의 하향식 증발소스는 대응되는 각 증착챔버내의 기체분사부에 탈착 결합되는 것을 특징으로 하는 멀티스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 증착챔버1에서는 Na박막증착공정이 수행되고,
상기 증착챔버2에서는 In+Ga+Se 동시증발증착공정이 수행되며,
상기 증착챔버3에서는 Cu+Se 동시증발증착공정이 수행되고,
상기 증착챔버4에서는 In+Ga+Se 동시증발증착공정이 수행되며,
상기 증착챔버5에서는 Se증발증착공정이 수행되고,
상기 증착챔버6에서는 Na박막증착공정이 수행되는 멀티스테이지 공정이 수행되며,
여기서, 상기 멀티스테이지 공정조건은 순차적으로 다음과 같아 1분 이내에 CIGS박막 제조가 가능한 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ＣＩＧＳ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템.
(1)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s, 기판온도 400℃
(2)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 60~80Å/s, Ga증발율 20~32Å/s, Se증발율 400~600Å/s, 기판온도 400℃
(3)Cu+Se 동시증발증착공정: Cu증발율 40~60Å/s, Se증발율 400~700Å/s,기판온도 600℃
(4)In+Ga+Se 동시증발증착공정: In증발율 5~15Å/s, Ga증발율 5~10Å/s, Se증발율 90~200Å/s, 기판온도 600℃
(5)Se 증발증착공정: Se증발율 500~700Å/s,기판온도 400℃
(6)Na증발증착공정: Na증발율 1~5Å/s,기판온도 400℃
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110103309A KR101299189B1 (ko) | 2011-10-10 | 2011-10-10 | 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110103309A KR101299189B1 (ko) | 2011-10-10 | 2011-10-10 | 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130038769A true KR20130038769A (ko) | 2013-04-18 |
| KR101299189B1 KR101299189B1 (ko) | 2013-08-22 |
Family
ID=48439226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110103309A KR101299189B1 (ko) | 2011-10-10 | 2011-10-10 | 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101299189B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101568273B1 (ko) * | 2013-12-27 | 2015-11-19 | 엘지디스플레이 주식회사 | 플렉시블 기판 처리장치 및 이를 이용한 플렉시블 기판 처리방법 |
| KR20170006789A (ko) * | 2015-07-09 | 2017-01-18 | 주식회사 셀코스 | 증착장치 및 증착장치에 제품을 인입 및 인출하는 방법 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108269868A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-07-10 | 北京铂阳顶荣光伏科技有限公司 | 薄膜太阳能电池 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100006205A (ko) * | 2008-07-09 | 2010-01-19 | (주)텔리오솔라코리아 | Ｃｉｇｓ 태양전지 모듈 및 그 제조방법 |
| JP5229901B2 (ja) * | 2009-03-09 | 2013-07-03 | 富士フイルム株式会社 | 光電変換素子、及び太陽電池 |
| KR101172952B1 (ko) * | 2009-12-11 | 2012-08-10 | 심포니에너지주식회사 | 황화나트륨을 이용한 유연 ｃｉｇｓｓ 박막태양전지 제조 및 제조방법 |
-
2011
- 2011-10-10 KR KR1020110103309A patent/KR101299189B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101568273B1 (ko) * | 2013-12-27 | 2015-11-19 | 엘지디스플레이 주식회사 | 플렉시블 기판 처리장치 및 이를 이용한 플렉시블 기판 처리방법 |
| KR20170006789A (ko) * | 2015-07-09 | 2017-01-18 | 주식회사 셀코스 | 증착장치 및 증착장치에 제품을 인입 및 인출하는 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101299189B1 (ko) | 2013-08-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9054267B2 (en) | Method of manufacturing light absorbing layer for solar cell using selenization process under element selenium vapor ambience and thermal treatment apparatus for manufacturing light absorbing layer | |
| US8067263B2 (en) | Thermal management and method for large scale processing of CIS and/or CIGS based thin films overlying glass substrates | |
| US7842534B2 (en) | Method for forming a compound semi-conductor thin-film | |
| CN102034895B (zh) | 用于大规模处理覆盖玻璃基板的基于cis和/或cigs的薄膜的热管理和方法 | |
| TWI521729B (zh) | 用於製造銅銦二硒化物半導體薄膜的方法 | |
| KR101299189B1 (ko) | 멀티 스테이지공정을 이용한 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 연속 제조용 인라인 장비시스템과 대면적 유리기판 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 | |
| WO2023109712A1 (zh) | 宽禁带铜镓硒光吸收层及其制备方法、太阳能电池 | |
| KR101237466B1 (ko) | 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치 | |
| JPWO2011052574A1 (ja) | カルコパイライト型化合物薄膜の製造方法およびそれを用いた薄膜太陽電池の製造方法 | |
| CN104282800A (zh) | 制造太阳能电池中的cigs吸收层的装置及方法 | |
| KR20120007166A (ko) | 안전한 셀레늄 소스를 이용한 ｃｉｓ계 박막태양전지 흡수층 제조방법 | |
| KR101335656B1 (ko) | Ｃｉｓ계 박막 제조방법 | |
| TW201447003A (zh) | 吸收層之製造方法 | |
| CN114005740A (zh) | 铜铟镓硒薄膜的制备方法、光电器件的制备方法 | |
| TWI430457B (zh) | 薄膜太陽能電池之前驅物預鍍層的製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |