KR20130097240A

KR20130097240A - 증착 시스템 및 공정

Info

Publication number: KR20130097240A
Application number: KR1020137020188A
Authority: KR
Inventors: 카를-요제프 크래머; 메흐르더드 엠. 모슬레히; 세이치 요코이; 조지 디. 카미안; 샤샹크 샤르마; 제이 애쉬자이
Original assignee: 솔렉셀, 인크.
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2013-09-02
Also published as: EP2659504A1; KR101368598B1; WO2012099700A1; US20120192789A1; EP2659504A4

Abstract

본 명세서는 증착 시스템 및 공정에 사용하기 위한 가스 회수 및 활용을 가능하게 한다. 상기 시스템은 증착 반응기, 전구체 가스 공급들, 및 가스 회수 시스템을 포함하는 박막 반도체 층 증착 시스템을 포함한다.

Description

증착 시스템 및 공정{DEPOSITION SYSTEMS AND PROCESSES}

관련출원에 대한 상호참조

본 출원은 2010년 12월 31일 출원된 미국 가특허출원 제 61/429,032호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 참조로 본 명세서에 통합된다.

또한 본 출원은 2010년 4월 14일 출원된 미국 특허출원 제 12/759,820호 (미국 공개 특허출원 2010/0267245로서 공개된)의 부분계속 출원이며, 그 전체 내용이 참조로 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 에피택셜 증착과 관련된다. 보다 상세하게는, 본 발명은 실리콘 또는 다른 반도체 물질들의 에피택셜 증착과 관련된다.

현재, 결정질 실리콘 (다결정 및 단결정 실리콘 포함)은 상업적 대량 생산된 태양광 발전(photovoltaic; PV) 응용들을 위한 가장 우세한 흡수재이다.

지속적인 사용과 발전을 위한 실리콘 저장의 환경적으로 우수하고 무독성인 특성뿐만 아니라, 재료의 풍부, 잘 확립된 재료들 및 제조장치 공급들과 연력되어 결합된 대량 생산된 결정질 실리콘 태양전지들 및 모듈들과 관련된 상대적 고 효율이 나타난다 (The relatively high efficiencies associated with mass-produced crystalline silicon solar cells and modules combined in conjunction with the abundance of material, well-established materials and manufacturing equipment supply chain, as well as the environmentally benign and nontoxic properties of silicon garner appeal for continued use and advancement.) 그러나 고청정도 결정질 실리콘 물질 자체의 상대적으로 높은 비용은 전기 발전의 주류(mainstream)의 화석 연료 소스들과 비교하여 그리드 패리티(grid parity)를 가능하게 하기 위한 이러한 태양광 발전 모듈들의 대중적 이용을 제한한다.

현재, “웨이퍼링(wafering)”, 또는 순수 폴리실리콘의 생산, 실리콘의 결정화 (단결정 잉곳의 형성 또는 다결정 브릭 주조(cast)) 및 웨이퍼의 절단의 비용은, 완성된 태양광 모듈 제조 비용의 약 40% 내지 60%를 차지한다. 제조 웨이퍼들의 더 직접적인 방법은 가능하면 (각각의 웨이퍼에 소비되는 실리콘의 양을 감소시키는 것과 마찬가지로), 큰 진전은 그리드 패리티를 가능하게 하기 위한 태양전지들 및 모듈들의 비용을 낮추게 만들 수 있다.

단결정 실리콘의 성장 및 분리(releasing) 또는 성장한 웨이퍼를 이송하는 것의 다른 알려진 방법들이 있다. 본 방법들에 상관없이, 분리 층을 형성하는 다량, 생산-가치(production-worthy), 낮은 비용에 의해 동반되는 낮은 비용의 에피택셜 실리콘 증착 공정은 실리콘 태양전지들의 광범위한 사용을 위한 전제 조건이다. 또 다른 전제 조건은 희생 분리 층 형성, 박막 (또는 박막 호일) 증착, 주형상 공정, 박막 층 분리뿐만 아니라 템플릿의 복구/재생(reconditioning)의 연속 시퀀스를 반복적으로 수행하기 위한 재사용할 수 있는 템플릿 또는 몰드의 유효성(availability)이다.

실리콘 에피택셜(epitaxial; epi) 증착(또한 실리콘 에피택시라 불려짐)은 원래 반도체 산업을 위해 개발되었다. 반도체 산업을 위한 요구사항들은 박막 특성 및 비용 모두에서 태양광 분야에서의 요구사항들과 거의 정반대이다. 예를 들면, 반도체 에피 필름은 일반적으로 5 ㎛ (1 ㎛ = 10-6 미터) 미만 두께인 반면에, 태양전지는 10-80 ㎛의 실리콘을 요구한다. 태양전지 산업에서 경제를 달성하기 위해, 와트 당 실리콘 비용은 <$0.25/watt 또는 약 <$1.00/wafer (156 mm×156 mm 전지에 대하여 4 와트 추정)에 있어야 한다.

에피에 대한 바람직하게 낮은 비용의 전구체 화학 물질은 대부분 트리클로로실란 (trichlorosilane; TCS)이긴 하지만, 박형 필름 디클로로실란 (dichlorosilane; DCS : SiH2Cl2) 또는 실란 (SiH4) 또한 사용될 수 있다. 각각의 화학 물질을 위한 에피택셜 증착은 장비 구조와 공정 조건 모두에서 고유한 요구사항들과 시도로 자리잡는다. 저렴한 비용 및 풍요로움에 기초하여, TCS는 태양광 산업에 대한 화학 물질의 선택이다. 본 발명은 TCS에 관해서는 일반적으로 기술되지만, 당업자들은 실란과 기타 전구체 화학 물질 (DCS 및 실리콘 테트라클로라이드를 포함하지만 이에 제한되지 않음) 에 대한 그것의 응용을 인지할 것이다.

마이크로 전자공학 산업은 웨이퍼 당 수많은 다이 (또는 칩)를 증가시키고, 웨이퍼 크기를 확장시키고, 각각의 연속 새로운 제품 발생으로 칩 기능 (또는 집적 밀도(integration density))을 개선함으로써 많은 수율을 획득하는 것을 통하여 규모의 경제(economy of scale)를 달성한다. 태양광 산업에서, 경제는 낮은 비용 높은 생산성 장비를 이용하는 태양 전지 및 모듈 제조 공정의 산업화를 통해서 달성된다. 더 나아가 규모의 경제 및 대량 시장 침투는 태양전지의 와트 출력 당 사용된 물질의 절감을 통하여 원료의 가격 절감을 통해서 달성된다.

태양광 발전에 대한 규모의 경제에 요구를 달성하기 위하여, 공정 비용 모델링은 장비 성능을 확인하고 최적화하기 위해 연구하고 있다. 비용의 3가지 카테고리는 총 비용 전반적 상황으로 구성된다: 고정 비용(Fixed Cost; FC), 반복 비용(Recurring Cost; RC) 및 수율 비용(Yield Cost; YC). FC는 장비 구입 가격, 설치 비용 및 로봇 공학 또는 자동화 비용과 같은 항목으로 구성된다. RC는 전기, 가스, 화학 물질, 작업자 급여 및 유지 기술자 지원으로 주로 구성된다. YC는 생산 동안 손실된 부분의 총 값으로서 해석될 수 있다.

태양광 분야에 의해 요구되는 최저 소유비용(Cost of Ownership; CoO) 수치를 달성하기 위해, 비용 전반적 상황의 모든 측면들은 최적화한다. 낮은 비용 공정 품질은 (우선권의 순서로) : 1) 높은 장비 생산성, 2) 높은 생산 수율, 3) 낮은 RC 및 4) 낮은 FC 이다.

높은 생산성과 경제적 방법과 공정 장비를 디자인하는 것은 공정 요구사항들에 대한 적절한 이해와 그 요구사항을 장비 구조에 반영하는 것을 요구한다. 높은 수율은 강력한 공정과 신뢰할 수 있는 장비를 요구하고 장비 생산성이 증가함에 따라 수율 비용도 증가한다. 그러므로, 높은 생산성, 신뢰성 및 효율적 반응기는 낮은 비용, 고효율 태양전지들의 높은 처리량 생산을 위해 필수적이다. 낮은 RC는 또한 전반적 낮은 CoO를 위한 전제 조건이다. RC는 예를 들면, 국부 전원의 비용 또는 벌크 화학물질의 활용도에 기초하여 공장 부지 선정에 영향을 미칠 수 있다. FC는 중요하지만 장비 생산성에 의해 약화된다.

요약하면, 고생산성, 신뢰성, 효율적 제조 공정 흐름 및 장비는 저렴한 비용 태양전지들 및 모듈들을 위한 전제 조건이다.

비용 절감에 대한 큰 기여가 태양전지들의 생산에 사용된 순수 원료의 절감이다. 표준 결정질 실리콘을 위해, 기판 슬라이싱 동안 절단 손실(kerf loss)은 실리콘이 와이어 톱(wire saw) 공정 동안 손실된 그런 문제이다. 솔라 웨이퍼의 두께가 몇 년 동안 (현재 평균 150 내지 200 ㎛ 두께 웨이퍼) 감소함에 따라, 실리콘 웨이퍼 두께와 비교하여 절단 손실의 상대적인 양은 매우 중요하다.

증착 공정은 박막 기판을 생성하는 대신 사용하는 경우 - 나중에 태양전지를 생성하기 위해 추가로 처리된다 - 그리고 나서 템플릿 상에서, 증착 공정에 대한 전체적인 가스 활용은 중요한 양이다.

중요한 것은, 전체적인 공정 비용에 매우 중요한 기여자인 증착 가스로, 가스의 순 활용을 증가시키는 것은 그러한 공정의 수익성의 강력 증진으로 이어질 수 있다. 공정 화학 물질의 매립은 대규모의 작업에서 특히 경제적으로 실용 가능하게 된다.

개시된 기술 요지의 특징들, 성질 및 이점들은 도면 부호가 특징들을 표시하는 도면들과 함께 참조로 할 때 하기에 나타난 상세한 설명으로부터 더욱 분명해 질 것이다.
도 1은 웨이퍼 서셉터의 일 실시예의 평면도를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 각각, 웨이퍼 서셉터의 일 실시예의 측면도 및 확대된 측면도를 나타낸다.
도 3은 서셉터 플레이트의 2 개의 세트를 가지는 반응기의 일 실시예의 측면도를 나타낸다.
도 4는 배치식 스택 반응기(batch stack reactor; BSR) 실시예의 평면도 나타낸다.
도 5a 및 5b는 각각, 이중-측면 증착 (double-sided deposition; DSD) 서셉터의 배열의 일 실시예의 측면도 및 확대된 측면도를 나타낸다.
도 6은 서셉터의 어레이(array)를 포함하는 일 실시예의 평면도를 나타낸다.
도 7은 이중-측면 증착 반응기의 일 실시예의 측면도를 나타낸다.
도 9 내지 도 12는 증착 반응기 및 가스 포획과 회수 시스템의 실시예들을 묘사하는 개략도이다.
도 13a 및 도 13b는 정사각형, 사각형 및 라운드 기판들에 대한 증착 면적을 도시하는 다이어그램이다.
도 14a 내지 도 14d는 서셉터 배열들의 실시예들 도시하는 다이어그램이다.
도 15a 및 도 15b는 수평적 서셉터 배열들의 실시예들을 도시하는 다이어그램이다.

따라서 요구는 고생산성 박막 증착 방법 및 시스템을 위해 생겨났다. 개시된 기술 요지에 따라서, 이전에 개발된 박막 증착 공정 방법과 관련된 단점들 및 문제들을 실질적으로 감소시키거나 제거한 고생산성 박막 증착 방법이 제공된다.

본 명세서는 증착 시스템들 및 공정들에서 사용하기 위한 가스 회수 및 활용을 가능하게 한다. 증착 반응기, 전구체 가스 공급들(precursor gas feeds), 및 가스 회수 시스템(gas recovery system)을 포함하는 박막 반도체 층 증착 시스템이 제공된다.

개시된 기술 요지뿐만 아니라 추가적 신규 특징의 이것들과 다른 이점들은 본원에 제공된 설명으로부터 분명할 것이다. 본 요약의 의도는 기술 요지의 포괄적 설명을 할 것이 아니라, 기술 요지들의 일부 기능에 대한 간략한 개요를 제공하는 것이다. 여기에 제공된 다른 시스템들, 방법들, 특징들 및 이점들은 다음 도면 및 상세한 설명의 검토에 종래기술의 기술의 하나로 분명해질 것이다. 본 명세서 내에 포함된 모든 이러한 추가적 시스템들, 방법들, 특징들 및 이점들이 특허청구범위 내에 포함된 것이 의도된다.

본 발명이 단결정성 실리콘 및 공핍-모드 에피택셜 증착 반응기와 같은 특정 실시예들과 관련하여 기술될지라도, 당업자들은 과도한 실험 없이 다른 분야들 및/또는 실시예들에 본원에 논의된 원칙들을 적용할 수 있다.

본 발명 명세서는 고생산성, 낮은 소유비용 (낮은 COO ) 배치식 웨이퍼 에피택셜 증착을 제공하여 고생산성 디자인들 및 제조 방법들을 개시한다. 제공된 장치들은 당분야에 공지된 에피택셜 실리콘 증착 또는 다른 전구체들을 위한 수소(H2)의 트리클로로실란(TCS)과 같은 가스 전구체들을 사용할 수 있다. 실리콘 테트라클로라이드를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 낮은 비용 전구체 또한 이용될 수 있다.

개시된 기술 요지는, 주로 필요한 학습 사이클(learning cycles)을 최소로 하기 위하여 복합 증착 공정들 및 장비를 조절하고 학습하는 것을 위한 경제적 경로를 기술하는 것과 함께 균일성 및가스 활용 개선과 매립을 통하여 영향력을 제공함으로써, 고생산성 에피택셜 증착 시스템들의 구현은 현재 몇몇 장애물들을 제기한다 (The disclosed subject matter addresses some of the current hurdles to the implementation of high productivity epitaxial deposition systems, mainly by providing leverage through uniformity and gas utilization improvement and reclamation together with teaching an economic path for learning and adjusting complex deposition processes and equipment in order to minimize necessary learning cycles.)

또한, 본 발명은 상기 에피택셜 증착이 발생한 공작물(work piece), 반도체 기판, 기판, 또는 템플릿에 상응하는 것과 같이 간주될 수 있는 “웨이퍼”를 참조한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 에피택시 후에, 상기 웨이퍼가 결정질 웨이퍼들, 바람직하게는 기상 에피택시(vapor phase epitaxy)를 통해 형성된 박형 단결정 태양전지 기판들을 성장하고 분리하기 위해 재사용할 수 있는 템플릿으로서 반복해서 사용될 수 있다. 상기 공작물 또는 웨이퍼가 에피택셜 증착 후에 놓여지는데 사용은 본 발명의 범위를 넘어선다: 당업자는 웨이퍼가 본 발명의 사상을 벗어남 없이 놓여질 수 있다는 수만은 용도를 인식할 것이다. 또한, 본 명세서가 단결정 실리콘 또는 실리콘, 게르마늄, 카본의 임의의 이원(binary) 및 삼원(ternary) 단결정 합금들과 마찬가지로 갈륨-비소 및 갈륨 인과 같은 다른 혼합물 반도체들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 반도체 물질들의 에피택셜 증착 (또한 성장이라 불려짐)을 가능하게 하는 장치들과 관련하여 작성되어 있다.

본 발명의 반응기의 하나의 신규한 측면은 웨이퍼 서셉터들 (서셉터는 상기 웨이퍼들에 열의 형태로, 전자기 에너지를 흡수하고 그 에너지를 전하기 위해 그것의 능력에 사용하는 물질이다)의 배열에 있다 (One novel aspect of the reactor of the present disclosure lies in the arrangement of the wafer susceptors (a susceptor is a material used for its ability to absorb electromagnetic energy and impart that energy, in the form of heat, to the wafers).) 상기 서셉터들이 전자기적으로 가열될 수 있을지라도, 램프들 또는 저항성 가열 장치 또한 효과적일 수 있다.

본 발명의 상기 서셉터들은 적층 가능할 수 있으나, 그들은 전반적 반응기의 “빌딩 블록들”을 제공하기 위해 적층하는 것에 의존하지 않는다 (The susceptors of the present disclosure may be stackable, yet they do not rely on stacking for providing the “building blocks” of the overall reactor.)

본 발명의 상기 반응기들은 공핍 모드 반응기들 (depletion mode reactors; DMRs)일 수도 있고 아닐 수도 있다. “공핍 모드”는 가스 흐름의 방향을 따라 화학물질의 공핍 또는 향상된 활용을 언급한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그 방향은 일 단부에서 다른 단부로 필름 두께를 균일하게 하도록 뒤바뀔 수 있다 (FIGURE 1, that direction may be reversed to even out film thickness from one end to the other.) 상기 방향이 역전되지 않은 실시예들에서, 소스 포트에 대한 면적 클로젯(region closest)에 더 많은 화학물질들을 증착하기 위한 경향이 나타날 수 있다. 정방향-흐름(forward-flow) (예를 들어, 좌-우) 모드에서, 포트(10)는 소스 포트를 포함하고, 포트(12)는 배출 포트를 포함한다; 역방향-흐름(reverse-flow) 모드에서, 정반대가 사실이다. 그 이유 때문에, 포트(10)는 “소스/배출 포트(10)“로 지칭될 수 있고, 포트(12)는 “배출/소스 포트(12)”로 지칭될 수 있다. 도 1, 2a 및 2b는 동일한 서셉터 배열의 상이한 도면들을 나타낸다: 각각, 평면도, 측면도, 및 세부 측면도.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 포트들(10 및 12)의 디자인은 본 발명의 상기 웨이퍼 서셉터들의 적층가능한 본질(nature)을 제공한다.

배플 채널들(Baffle channels, 15)은 도 1, 2a 및 2b에 도시된다. 이러한 배플 채널들은 상기 TCS 또는 다른 화학물질 종들 흐름을 통하여 경로의 일부를 포함한다. 단지 도 1에 나타낸 핀 구멍들(16)이 상기 에피택셜 증착 공정 동안에 템플릿 리프트(template lift)를 제공한다.

이러한 도면들에서, 템플릿(20) (도 2b에 도시됨)은 삽입 포켓(insert pocket, 18) 안으로 삽입되는 것으로 도시된다 (도 1에 도시됨).

도시된 상기 반응기의 다양한 크기는 본 발명의 사상을 벗어남 없이 당업자에 의해 변경될 수 있다.

이 예시적 실시예에서, 상기 삽입 포켓(18)의 두께는 약 6 mm이고, 전체의 조립체의 길이는 약 50 cm이다. 상기 포트들(10 및 12)의 직경은 약 15 mm일 수 있다.

도 3은 앞선 3 FIGURES에 도시된 서셉터 플레이트와 유사한 쌓이는 서셉터 플레이트의 2 개의 세트를 포함하는 반응기 30을 나타낸다. 도 3의 반응기는 공핍 모드 반응기다.

반응기(30)는 소스/배출 포트(40) 및 배출/소스 포트(42)를 포함한다. 상기 반응기(30)의 메이드 본체(maid body)는 석영 머플(35)에 수용된다. 도면에 도시된 바와 같이, 반응기(30)가 상기 서셉터 플레이트들을 가열시키기 위한 램프들(36)을 사용한다.

수소 가스와 함께 TCS의 반응 (또는 환원) 동안에, 염산 (HCl 가스)가 생산된다. 실제, 상기 반응이 추가적 H2와 함께 공급되고 더 긴 구역 또는 시간 동안 연장되는 것이 허용되면, 상기 HCl의 농도는 상기 반응 방지의 지점을 지나서 증가를 계속하고 실리콘 템플릿을 식각하기 시작할 수 있다. 이것이 일반적으로 회피될 상태인 반면에, 실리콘의 식각은 다운스트림 배출 통로들을 세정하기 위해 사용될 수 있다. 사실상, HCl의 충분한 레벨을 구축(build up)할 수 있도록 함으로써, 상기 제조된 HCl 가스가 불필요한 증착된 실리콘을 식각하도록 함으로써 자체유지의 모드(self-maintaining mode)에서 본 발명의 반응기를 작동시킬 수 있다.

도 4는 배치식 스택 반응기(batch stack reactor; BSR)로서 알려진 본 발명의 일 실시예의 반응기(50)를 나타낸다. 이 구성에서, 상기 서셉터 플레이트들은, 일부 실시예들에서, 전반적 반응기 생산성을 향상시키기 위하여, 수 백의 웨이퍼들에 배치식 로드(load)를 증가시키기 위하여 적층된다. 상기 서셉터들의 외부를 H2 가스로 배기(purging)시킴으로써, 석영 벨자(bell jar)는 실리콘 증착으로부터 보호된다. 가장 잘 알려진 벨자 반응기들은 TCS로부터 보호받지 않고, 주기적 HCl 세정이 불필요한 증착된 실리콘을 제거하도록 요구한다. 이 공정은 생산을 방해할 수 있으며, 그로 인해 웨이퍼 당 비용 (예를 들어, CoO)에 불리하게 영향을 미친다.

반응기(50)는 석영 벨자(52)에 수용된다. 도시된 실시예에서, 이것이 본 발명의 필요한 특징이 이지 않을지라도, 반응기(50)는 TCS 및 H2를 위한 분리 포트들을 포함한다; 다른 실시예들에서, TCS 및 H2는 동일한 포트들을 통하여 사용 전 혼합되고 공급된다. 도면에 도시된 바와 같이, H2 소스/배출 포트들(54) 및 TCS 소스/배출 포트들(55)이 상기 반응기의 하나의 단부에 있다; H2 배출/소스 포트들(56) 및 TCS 배출/소스 포트들(57)은 다른 단부에 있다. 이러한 포트들은 단지 소스 포트들로 작용할 때 구별할 수 있다. 주어진 포트가 배출 용량(exhaust capacity)으로 사용되고 있을 때, 그것은 상기 반응기 안에서 이미 혼합된 배출 가스일 것이다.

H2로 TCS 환원은 상기 가스들이 적절한 온도에 혼합될 때 결과로 생길 수 있다. 도 4는 각각의 서셉터에서 사용 지점까지 전구체들을 분리시키는 배열을 나타낸다. 이 방법은 더 화학적 활용을 더 연장하고 실행시간 선호(runtime favoring)가 CoO 더 개선될 수 있다.

도 5a 및 5b에 도시된 배열에서, 각각의 템플릿은 양 측면들 상에 가스들을 처리하기 위해 노출(exposed)된다. 이 특징은, 상승된 화학물질 활용 및 낮은 웨이퍼 당 에피 비용 모두의 복합 효과를 가지는, 듀얼 측면 증착(dual side deposition)을 가능하게 한다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 서셉터들은 도 2a 및 도 2b에 도시된 서셉터들의 사용에서 일반적으로 유사하고, 다양한 유형들의 반응기 구조들에 통합될 수 있다.

상기 듀얼 측면 서셉터들이 적층가능 (도 3의 실시예에 도시된 바와 같이)할 수 있지만, 그들은 또한 도 6에 도시된 바와 같은 매트릭스에 배열될 수 있다.

도 7은 도 5a 및 도 5b의 듀얼 측면 서셉터들을 이용한 공핍 모드 반응기를 측면도를 나타낸다. 그것은 도 3에 도시된 반응기에 대한 구조와 일반적으로 유사하지만, 적층된 서셉터들 대신 듀얼 측면 서셉터에 있다.

당업자들은 개시된 실시예들이 상기에 기술된 그것의 특정 실시예들 이외에 다양한 분야들에 관련이 있다고 인식할 것이다. 특히, 상기 개시된 임의의 서셉터들은 당업자에 의한 과도한 실험 없이 상기 개시된 임의의 반응기 배열들로 배치될 수 있다.

작동 중, 상기 개시된 기술 요지는 증착만 제한덕으로 포함하지 않는, 전반적 박막 물질들의 공정에 속하지만, 그러나 보다 상세하게는 다른 반도체 마이크로 전자 및 광전자 광학 응용들뿐만 아니라 고효율 태양광 발전 전지들의 제조에 사용되는, 에피택셜 단결정 실리콘 필름들 (epi 실리콘 필름들)을 포함하는 결정질 증착에 공정에 속한다 (In operation, the disclosed subject matter pertains to processing, including but not limited to deposition, of thin film materials in general, but more specifically to deposition of crystalline, including epitaxial monocrystalline silicon films (epi silicon films), for use in manufacturing of high efficiency solar photovoltaic cells as well as other semiconductor microelectronics and optoelectronics applications.) 방법들 및 제조 장치들은 단일 또는 큰 부피의 듀얼 측면 에피층들의 제조를 허용하는 것을 생각한다. 상기 제안된 방법들 및 장비는, 기판 전체에 걸쳐 가스 흐름 공핍 보상의 새로운 수단들, 공정 개선, 상기 가스성 전구체들의 흐름을 가열 및 채널링, 장치 전력의 유지보수를 위한 수단들, 및 상기 증착 장치의 부분으로서 상기 웨이퍼를 적적하게 사전에 조정하기 위한 방법들을 포함한다.

하기 설명 및 상응하는 도면들은, 상기에 제한되지 않고, 본 발명에 개시된 기술 요지에 더 직접적으로 관한 것이다. 작동 중, 상기 개시된 기술 요지는, 공정 흐름들, 단위 공정들 및 장치들과 그것의 높은 소비 공정 가스들의 포획 및 회수를 가능하게 하는 변형들을 제공한다. 그리고 나서 이러한 가스들은 증착된 박막 층들이 태양전지들이 되도록 연속 처리될 수 있는 그런 후에 템플릿 상에 박막 (또는 얇은 호일) 층들을 증착시키기 위해 이용될 수 있다. 특히, 이 명세서의 포획 및 회수 방법들은, 실리콘 에피택셜 성장 공정 동안에 사용된 수소 및 트리-클로로실란 매립(reclaiming)뿐만 아니라, 디보란(diborane) 및/또는 포스핀(phosphine)과 같은 도펀트 가스들 및 서셉터 식각 공정 동안 염화수소 매립에 적용한다.

태양광 발전 분야에서, 상기 개시된 기술 요지는, 전반적 소비할 수 있는 비용의 절감을 가능하게 하는 박막들 또는 박형 호일들의 증착에 사용되는 상기 가스들의 포획 및 회수를 포함하는 여러 수단들에 의한 태양전지 제조 제조에 사용되는 박막 및 박형 호일 태양전지 반도체 기판들의 낮은 비용의 제작을 가능하게 하고, 따라서 상기 태양전지 제조 비용의 절감을 야기 한다. 그러므로, 상기 포획 및 가스들을 회수하는 것은 상기 박막들의 생산에 들어가는 전반적 원료 비용을 낮추는 목표를 달성한다.

추가적 실시예들을 포함하지만, 제한되지 않는다: 상기 증착 반응 시스템들의 생산성을 증가시키기 위한 더 비싼 증착 반응 시스템들로부터의 서셉터 건식 식각 및 세정 셋업의 분리는 상기 전반적 태양전지 제조 비용을 절감을 야기한다; 정사각형, 직사각형, 유사-사각형(pseudo-square) 또는 육각형 템플릿들의 사용은 상기 증착 반응기들에서 상기 증착 가스들을 위한 최적화된 활성 면적 설비 요소들(active area utilization factors)을 가능하게 한다; 상기 에피택셜 반응기 디자인의 사용은, 반응 가스 종류의 효율적 공핍을 위한 양-방향서 가스 흐름뿐만 아니라 여러 기판들 전체에 걸쳐 부드러운 가스 흐름(smooth gas flow) 모두를 가능하게 하는, 기판의 최적화된 배열들 및 가스 주입 기하학적 구조(geometry)를 가지는 수단들에 의해 균일한 증착으로 높은 가스 활용을 결합을 허용한다; 낮은 품질 공급 가스를 받아들이고 Si 에피 장비와 같은 증착 장비로 상기 공급 가스의 요구되는 품질을 제공할 수 있는 정제 성능을 가지는 증착 장비로부터 상기 가스들을 위한 회수 시스템 (recovery systems for the gases from a deposition tool which has purification capability that will accept low quality feed gas and provide the required quality of the feed gas to deposition equipment such as Si Epi tool); HCl, 클로로실란 가스 및 HCl을 가지는 배출 가스는 식각 공정부터 상기 가스 회수 시스템을 통하여 회수될 수 있다; 그리고 상기 희생 가스 활용 없이 증착 공정에서의 공정 유연성을 제공하기 위한 증착 장비 및 가스 회수 시스템의 결합.

언급한 바와 같이, 공정 화학물질들의 매립은 다수의 반응 챔버들이 대규모 태양전지 제조 공장에서 하나 이상의 회수 시스템들에 연결되어 있을 때의 경우와 같이 대규모 작업에서 특히 경제적으로 된다. 그러한 시스템은 또한 세정기(scrubber) 자본 및 작동 비용 절감을 감소시킴으로써 비용절감을 허용할 수 있다. 회수되기 위한 일반적 가스들은 다음과 같은 가스들을 포함하지만 제한되지 않는다: 실란(SiH4), 디클로로실란(DCS, SiH2Cl2), 트리틀로로실란(TCS, SiHCl3), 모노클로로실란 (MCS, SiH3Cl) 및 실리콘테트라클로라이드(STC, SiCl4)와 같은, 실리콘 함유 가스들; 수소(H2); 염화수소(HCl) ; 및 포스핀(phosphine, PH3)과 디보란(B2H6)과 같은 도펀트 가스. 상기 포획 및 회수 공정들은 TCS-생성 공장과 함께 상기 태양 전지 제조 공장을 공동 설치(co-locating)함으로써, 또는 전용 포획과 회수 공장을 설립함으로써 수행될 수 있다.

도 8은 가스 회수 시스템의 일 실시예, 베이스 가스 회수 시스템을 묘사하는 개략도이고, 증착 반응기 (실리콘 에피택셜 증착 반응기 또는 Si 에피 반응기들의 팜(farm)과 같은) 위치, 및 또한 상기 태양광 제조 작동과 같은, 폴리실리콘 또는 실리콘 함유 가스들 (트리클로로실란 및/또는 실리콘 테트라클로라이드 및/또는 수소와 같은) 또는 액체 (상기에 나타냄)를 생산하는 화학 공장 가까이에 근접하도록 선택된다. 이것은 오히려 화학 공장에서보다 상기 태양광 공장 (Si 에피 반응기의 위치)에서 반응 폐수의 분리를 요구하지 않는 값 싼 선택을 제공한다. 이 경우에, 파이프 라인들(pipelines)을 이용은 이송 비용을 감소시킬 수 있다.

다른 실시예에서, 분리 후에 획득된 불순물 준위에 의존함으로써, 완전히 또는 부분적으로 직접적으로 재사용될 수 있고, 태양광 공장에서 가스들이 응축(condensed out) 또는 분리(separated out)될 수 있다.

TCS 및/또는 폴리실리콘 또는 실리콘 함유 가스 또는 액체를 위한 공장에 대한 근접성은 또한 상기 태양광 공장을 위한 이러한 출발 물질들의 특히 수송을 위한 들어오는 비용을 절감시킬 수 있고, 상기 태양광 공장은 상기 폴리실리콘/화학물질 공장의 상기 화학적 인프라스트럭처(infrastructure)로부터 이익을 얻을 수 있다.

상기 증착 시스템들에 가까운 회수를 가지는 것은 또한 배출 시스템들 및 배출 시스템 유지보수와 관련된 비용뿐만 아니라 원하지 않는 면적들에서 응축을 방지하기 위해 가열된 배출 라인들을 유지하는 전기 비용까지 절감한다.

도 9는 컨버터를 가지는 가스 회수 시스템의 일 실시예를 묘사하는 개략도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 회수 시스템은 분리된 가스 소스 (STC, DCS, HCl 및 H2)를 이용하여 공급 가스를 생성하기 위한 몇몇 컨버터들을 포함할 수 있다. 본원에서, 상기 용어 컨버터는 가스를 공급하기 위한 배출 가스 스트림에서 부산물들을 전환시킬 수 있는 컨버터를 의미한다. 실리콘 에피로, TCS 공급 반응기를 위한 배출 가스는 HCl (방지(slipped) TCS 및 H2)을 가진 STC, DCS, MCS 및/또는 실란으로 구성된다. 상기 회수 시스템은 이 특징을 이용하면서 TCS 회수를 극대화할 수 있다.

도 10은 저품질 공급 가스를 가진 가스 회수 및 정제 시스템의 일 실시예를 묘사하는 개략도이다. 도 10에 나타낼 수 있는 바와 같이, 낮은 비용 저품질 공급 가스 (TCS와 같은)는 상기 반응기에 보내지기 전에 상기 가스 회수 시스템에 도입될 수 있다. 상기 반응 및 회수 시스템 디자인 때문에, 상기 회수 시스템은 가스 정제 기능을 가지고 가스 정제는 반응과 같이 동일한 시간에 수행될 수 있다 - 비용을 더 감소시킬 수 있다.

도 11은 가스 조성물 분석 장치를 활용하는 공정 조정가능한 가스 회수 시스템의 일 실시예를 묘사하는 개략도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 회수 시스템은 증착 반응기의 부분으로 작동될 수 있다. 상기 공정 조건은 TCS 흐름, 공급 가스 조성물, 온도에 민감하다. 상기 결과 합성 가스 조성물은 증착 반응에서의 차이를 반영한다. 상기 배출 가스 스트림에서 상기 가스 조성물을 분석하는 것은 회수 시스템 작동 파라미터를 제공하고 동시에 TCS 회수 및 필름 품질을 최적화하기 위해 변한다. 이 기술은 또한, 작동 비용 - 예를 들어, 상기 반응기에서 낮은 TCS 전환율(conversion rate)에도 불구하고 최소로 할 수 있고, 상기 가스는 회수 시스템 및/또는 상기 회수 시스템의 반응기를 통하여 회수될 수 있다.

도 12는 EPI 팜(EPI Farm, 202)로 참조된 복수의 증착 반응기들 (실리콘 에피택셜 증착 반응기들과 같은)과 함께 작동하는 가스 회수 시스템(200)의 일 실시예를 묘사하는 개략도이다.

설명의 목적을 위해, 기술된 실시예들은 에피택셜 반응기 배열에서

기본적인 실리콘 함유 증착 가스로서 TCS를 사용하지만, 다른 실시예들 및 다른 증착 가스들은 당업자들에 의해 쉽게 도출될 수 있다.

또한, 기술된 실시예들은 하기를 포함하는 다음 증착 시스템 및 공정 개선 중 하나, 모두, 또는 임의의 조합을 포함하거나 활용할 수 있다: 추가적 처리에 의한, 템플릿 상에 반도체의 박형 층들을 배치할 수 있는 증착 시스템은, 상기 증착되고 추가적 처리된 박막을 분리함으로써 태양전지들로 제조된다. 인-시츄(in-situ) 또는 액스-시츄(ex-situ) 식각은 Si를 식각할 수 있는 HCl, 염소 또는 다른 수용성 가스들을 포획하는 동일한 챔버 또는 별도의 챔버 내에서 셋업한다. 포획 및 회수 시스템은 상기 반응의 비반응물들(unreacted reactants) 및 휘발성 분산물들을 수집한다 ? 특히, 상기 관련(interest) 비반응물들은 수소, 염화수소, 염소 및 트리클로로실란을 포함한다. DCS (디클로로실란), MCS (모노클로로실란) 또는 STC (테트라 클로로실란) 내지 TCS (트리클로로실란), 순차적으로, 응축, 냉각, 증류, 열 또는 압력 스윙 흡착 또는 다른 적절한 수단들에 의하여 분리하는 회수 시스템. 다중 Si 에피 챔버들로부터 배기 가스를 수집하는 회수 시스템. 상기 분리된 시스템들을 위한 저장 또는 이송 시스템. 분리되지 않은 휘발성 부산물들 및 비반응물을 위한 저장 시스템. 상기 수집된 화학물질들을 이용을 만들 수 있는 매립 설비 또는 폴리실리콘 공급원료 설비. 상기 포획된 화학물질들의 순도 레벨을 탐지하기 위한 분석 시스템. 화학물질들을 위한 최적 분리 및 여과 시스템. 공정 라인으로 들어가는 상기 분리된 화학물질들 공급하기 위한 제어된 혼합 또는 다른 전달 시스템. 최적 인-시츄 또는 탈-위치 가스 조성물 분석 시스템, 바람직하게는 상기 배출 스트림에 인-시츄.

상기 개시된 기술 요지의 또 다른 측면에서, 상기 증착 위치는 증착 반응기 배열에서 상기 서셉터 식각 위치로부터 분리될 수 있다. 제조 설비가 복수의 에피택셜 또는 또는 다른 증착 반응기들을 가질 때, 일반적으로 상기 서셉터 상에 축적된 증착된 필름을 제거하기 위하여 서셉터들을 세정 할 필요가 있다. 상기 실리콘 에피택셜 증착 반응기의 서셉터가 실리콘 카바이드 코팅된 흑연 물질의 구성되거나, 또한 석영, 실리카, 고체 SiC 또는 다이아몬드 코팅된 흑연의 구성요소들로 구성될 수 있다.

더 낮은 비용 기반으로 서셉터들을 세정하기 위한 하나의 방법은, 비교적 비용이 많이 드는 에피택셜 증착 반응기에서 비교적 비용이 적게 드는 배치식 건식 (열) 식각 및 할로겐-함유 주변(ambient)을 이용한 세정 반응기로 서셉터들을 이송함으로써 액스-시츄 세정으로서 상기 세정을 실행한다. 그러한 공정들을 위한 일반적인 식각 화학작용은, 염화수소 (HCl) 또는 염소 (Cl2) 일 수 있고, 상기 건식 식각/세정은 상기 실리콘 카바이드 코팅 층의 최소한의 식각으로 상기 서셉터에서 상기 증착된 실리콘 물질을 선택적으로 제거하기 위해 열 식각/세정 공정을 이용하여 간단하게 수행될 수 있다. 다른 할로겐-함유 식각 가스들은 염소 대신에 사용될 수 있다 (예를 들어, 브롬 함유 가스들). 염소 (또는 다른 할로겐) 화학물질을 이용한 식각 공정들은 염화수소를 이용하는 것보다 더 낮은 온도에서 수행되기 때문에, 상기 공정에 대한 에너지 사용의 측면에서와 마찬가지로 반응기 하드웨어 측면에서 모두 염소 식각을 이용하여 비용 이익에 대한 가능성이 있다. 또한 상기 증착 반응기로부터 상기 식각 반응기를 분리하는 것은 비교적 비싼 증착 반응기에 최적화된 생산성을 가능하게 한다.

상기 개시된 기술 요지의 또 다른 측면에서, 템플릿 형성 실시예들은 증착 시스템들 및 방법들에 사용하기 위해 설명된다. 증착 (전체 증착 면적은 또한 상기 서셉터 및 반응기 챔버 부분들 상에 바람직하지 않은 비-가치-부가 기생(non-value-adding parasitic) 증착 면적들을 포함함)을 수용하는 유용한 태양전지 대 전체 면적을 야기하는 바람직한 가치-부가 증착을 수용하는 활성 면적의 비율은 증착 공정 또는 시스템의 비용에 영향을 미치는 또 하나의 파라미터이다 (The ratio of active area that receives desired value-adding deposition resulting in useful solar cells versus the total area that receives deposition (the total deposition area also includes undesirable non-value-adding parasitic deposition regions on the susceptor and reactor chamber parts) is yet another parameter affecting the cost of a deposition process or system.) 상기 활성 면적 및 상기 전체 면적 사이의 균형은 활용도에서 손실이 발생한다. 그것은 이 면적을 최소화하고 상기 가치-부가 활성 면적 비율을 최대화하는 것이 중요성하다.

도 13a 및 도 13b는, 정사각형 또는 유사-정사각형 기판들 대 라운드 기판들에 대한 생산적 및 기생적 증착 면적들(square or pseudo-square product substrates versus the use of round templates to produce square or pseudo-square product substrates)을 도시하고, 정사각형 또는 유사-정사각형 제품 기판들을 생산하기 위한 정사각형 또는 유사-정사각형 템플릿들의 이용 대 정사각형 또는 유사-정사각형 제품을 생산하기 위한 라운드 템플릿들을 이용할 때 상기 기생적 증착의 면적의 감소시키는 몇몇의 장점들을 강조한다. 도 13a가 정사각형 및 유사 정사각형 기판 실시예들을 도시하는 반면에 도 13b는 라운드 기판 실시예를 도시한다.

증착 시스템들에서, 특히, 상기 반응 면적을 가로질러 흐르는 가스 상태의 상기 반응물이 공핍되는 것을 의미하는, 공핍 모드 (예를 들어, 상기 증착 공정 경로를 따라 그리고 상기 가스 흐름을 따라 계속해서 활용되고 소모되는 반응물들)에서 실행하는 것에서 그것은 원하는 증착 기판들 (실제는 재사용할 수 있는 템플릿들이 될 것임)이 팰릿화 방법(palletized manner)으로 배열하는 것이 종종 바람직하다. 그러한 펠릿 반응기(palletized reactor)를 이용하여, 상기 반응기에서 가장 높은 패킹 밀도(packing density)를 허용하는, 도 13a에 도시된 바와 같은 본질적으로 직사각형 또는 정사각형 형상, 적어도 유사 정사각형 또는 유사 정사각형 형상이 바람직하다.

템플릿 형상/형성 요인 배열의 몇몇의 혜택들은, 특히 태양전지들의 제조에 관한 것이고 다음을 포함한다: a) 상기 기판은 증착에 의해 생성되고 그리고 나서 추가적인 처리를 위한 템플릿으로부터 제거되는 것처럼, 상기 정사각형 템플릿은 정사각형 태양전지 기판의 제조에 힘을 쏟는다. 이런 방식으로, 상기 템플릿 상의 비-활성 태양전지의 면적은, 템플릿 상에 증착 활용을 최적화하는 그 방법으로, 최소가 된다.

또한, 상기 정사각형 또는 직사각형의 배열은 상기 증착 반응기의 서셉터로서의 역할을 하는 임의의 펠릿에 가장 근접한 가능한 밀도를 고려한다. 상기 템플릿들 사이의 비활성 면적들이 최소가 될 수 있고, 특히, 예를 들면, 라운드 배열들과 비교할 때 초크랄스키(Czochralski) 성장 실리콘 잉곳에 대한 자연스런 형상이다.

이 정사각형 템플릿 형상/형성 요소 배열로, 상기 증착 시스템의 주요한 생산성은 매우 향상된다. 높은 활용의 또 다른 잠재적인 배열은 더 우수한 코너 활용을 위한 육각형의 하프 커트 유닛들(half cut units)을 포함하는 육각형 구조의 것이다. 육각형 기하학적 구조는 실리콘 잉곳 활용과 관련하여 장점을 가지고 있다; 그러나, 육각형, 또는 반 육각형 기하학적 구조는 태양광 팹(fab)에서의 다른 시도들은, 적어도 물질 흐름 물류 및 컨택/금속화 패턴들과 관련하여 제시하지 않는다 (그리고 또한 상기 완전한 육각형 셀들 이외에 반 육각형 셀들을 테스트하고 분류하기 위해 필요함).

이러한 설명을 통하여 전달된 기본적인 사상으로부터, 직사각형 또는 육각형과 같은, 기타 형상들을 위한 기생적 기하학적 비율이 쉽게 도출될 수 있다.

상기 개시된 기술 요지의 또 다른 측면에서, 가스 활용 및 균일도를 위한 최적화된 증착 반응기 디자인들이 제공된다. 증착 반응기에 대해 가스 반응물이 웨이퍼 처리 비용의 높은 부분을 포함할 수 있는 것처럼 상기 증착 가스 반응물들의 높은 활용도를 가지는 것은 비용 목적을 위해 유리하다. 상기 활용도는 상기 디바이스의 면적 상에 증착된 물질의 양의 비율 대 상기 반응기 또는 반응기 부분에 걸쳐 가스 흐름의 양에 의해 측정된다 (The utilization is determined by the ratio of the deposited quantity of material on the area of the device versus the amount of gas flown across the reactor or reactor portion.) 가스 흐름 양 관해서, 증착된 요소(들)의 기본적 기여가 계산된다 - 예를 들어, 트리클로로실란 전구체를 위해, 단지 상기 실리콘 함량은 상기 활용도를 정의하는 비율의 분모 내에서 계산된다.

높은 활용도를 획득하기 위해 상기 가스가 증착되어질 기판을 통해 스트리밍되는 상기 가스를 실질적으로 공핍시키는 것이 일반적으로 유리하다. 상기 기판 위에 상기 가스 상태로부터 기판으로 구성요소의 증착 방법은 상기 기판(들) 위에 가스 대기를 공핍시킨다. 그러므로, 반응물의 농도는 내려가 낮아진다 (공핍됨). 그러나, 그러한 공핍이 활용도에 대해 우수한 반면에, 그것은 우수한 증착 균일성을 획득하는 것에 대해 도전할 수 있다.

본질적으로 평행 기판들을 가지는 반응기에서, 가스 흐름 단면은 기본적으로 길이 범위에서 거의 일정한 단면을 가지는 직사각형이다. 가스 공핍 효과에 대한 보상으로서, 상기 가스의 소스를 향하여 상기 서셉터들을 약간 틸트(tilt)시키는 것이 유리할 수 있다. 기판들의 본질적으로 수직적 배열에서, 기판들은 상기 서셉터로부터 이탈되는 기판들을 방지하기 위하여, 기판들은 일반적으로 수직적 방향으로부터 작은 각도로 기울고 있다. 또한, 공핍 모드 셋업에서, 기판들은 복수의 수직적 계층으로 적층될 수 있고, 각각의 기판은 상기 서셉터로부터 이탈되는 기판을 방지하기 위해 수직에 대하여 한정된 각도에서 일반적으로 틸트된다. 수직적으로 적층된 어레이(array)에 대해, 이것은 기판들 사이에서 선반들(ledges)을 가지는 “Z-형” 또는 다중-z 형 서셉터/기판(multi-z shaped susceptor / substrate) 배열에 이르고 도 14a의 다이어그램에서 도시된다.

z-형 서셉터/기판 배열(z-shaped susceptor/substrate arrangement)에서, 바람직한 공핍 모드 효과에 의한 비-균일도는 반응 가스가 상부에서 하부로 일정한 시간과 하부에서 상부으로 또 다른 일정한 시간동안 흐르는 양방향 흐름 배열의 사용으로 보상할 수 있다. 이것은 향상된 균일성과 활용도로 이어진다; 그러나, 이 셋업은 가스가 상기 증착 동안에 동일한 방향으로 항상 흐르는 단일 방향(unidirectional) 배열보다 더 복잡한 가스 전달과 배출 셋업을 필요로 한다.

추가적으로 도 14a에서 나타날 수 있는 것처럼, 각각의 기판의 한정된 경사각(tilt angle)은, 하부에서 상부으로 흐르는 가스와 다르게 상부에서 하부로 흐르는 가스에 대해 연속 간섭 효과(shadowing effects) 및 선반으로 이어질 수 있고, 두 가지 반대 효과들은 관찰될 수 있다: 먼저, 상기 공핍은 상기 가스 소스로부터 이격된 틸트에 의해 악화된다; 두번째는, 상기 선반은 예측할 수 없는, 잠재적으로 더 낮은 품질 증착으로 이어지는 난류가 발생할 수 있다.

각각의 기판 사이의 선반들의 영향을 방지하기 위하여, 여러 실시예들이 본원에 기술된다.

도 14b에 도시된, 제 1 실시예에에서, 점차 더 많은 선반 (낮은 증착 면적)을 만드는 경사들은 상기 기판들 사이에 배치된다 (In a first embodiment, depicted in FIG. 14B, ramps that make the ledge (area of low deposition) more gradual are positioned between the substrates.) 그러한 배열에서, 웨이퍼들 사이의 수직적 면적은, 상기 반응 가스가 음영 효과(shading effect)를 가지지 않게 하기 위하여 상기 표면 가까이에 흐르기 위한 충분한 경로 길이를 가지도록 기울어질 것이다.

도 14c에 도시된, 제 2 실시예에서, 평면 z-형 배열(planar z-shaped arrangement)로서 본원에 언급될 수 있는 V-형 서셉터 배열은, 상기 기판들 사이에 부드러운 전이(smooth transition)를 제공하고 상기 선반들 (낮은 증착 면적)을 제거함으로써 사용된다. 수직 기판 배열에서, 기판들이 일반적으로 서로 마주하고 있다. 그리고 나서 상기 기판 계층들이 아니거나 단지 서로 오목한 경우에, 도 14c에 쉽게 나타날 수 있는 것처럼, V-형 서셉터 배열에서 상기 기술된 틸트가 본질적으로 결과된다 (The descibed tilt then results essentially in a V-shaped susceptor arrangement, if the substrates tiers are not or only mildly recessed from each other, as can be readily seen in FIG. 14C.) 상부에서 하부로, 또는 보다 일반적으로, V의 더 열린 측면에서 상기 V의 더 닫힌 측면으로 가스 흐름은, 이 V-형 배열이 스트림의 중심 부분으로부터 반응물 분자들이 상기 증착 표면에 가까이에 얻을 수 있는 것처럼 상기 가스의 공핍의 보상을 고려한다.

도 14d에 도시된, 제 3 실시예에서, 지그재그-형 서셉터 배열(zig zag shaped susceptor arrangement)이 활용된다. 가스 흐름이 증착 속도를 극대화하기에 충분히 빠를 때, 교란은 국부 압력이 주변 면적으로부터 상이할 때 발생하는 경향이 있다. 이러한 경우들에서, 영향을 받는 면적 주위에 있는 증착 속도는 상이한 경향이 있고, 필름 두께의 비-균일성을 야기한다. 이 압력 포켓은 보통 흐름 장애물 후에 다운스트림에서 발견된다. 이 지그재그 배열이 상기에 언급된 Z형 및 틸트 각(tilt angle) 혜택들뿐만 아니라 국부 압력 변화를 최소로 하는 것을 허용한다. 또한, 상기 서셉터 배열이 상기 반응기의 잔여부로부터 상이한 배열의 하나의 형태를 가지는 상기 반응기의 하나의 측면 또는 부분적 측면을 가지는 v-형 및 z-형 배열의 조합과 같은 상기 개시된 서셉터 배열 실시예들의 모든 측면들을 결합시킬 수 있다는 것을 주목하는 것이 중요하다 (Further, it is important to note that the susceptor arrangement may combine aspects of all the disclosed susceptor arrangement embodiments, such as a combination v-shape and z-shape arrangement having one side or a partial of one side of the reactor with one type of an arrangement different from the remainder of the reactor.)

도 14c에 도시된 지그재그 배열과 비교하여 도 14c에 도시된 본질적으로 평면 “V-형” 배열에 고려해야 할 여러 효과들은 다음을 포함한다; 그러나 이러한 해결책들이 도 14에 도시된 모든 배치에 적용 가능하고, 또한 증착의 가스 활용 및 균일성을 향상하기 위한 다른 알려진 증착 반응기에 쉽게 적용될 수 있다.

상기 활용도는, 상기 가스 도입부 노즐이 더 큰 단면을 커버하도로 바로(now) 동일한 흐름 및 상기 기판으로부터 더 이격된 것처럼 도 14c 배열에 도시된 평면 v-형 배열에서 더 낮아질 수 있다 - 그렇게 함으로써 상부 기판의 표면을 가로지르는 단위 시간당 더 적은 가스가 흐를 수 있다. 이 효과에 대한 완화는, 한 쌍의 반응 가스 전달 노즐들이 상기 서셉터들의 하나의 측면에 가까이/근접(close/proximate)하여 배열되는 반면에 다른 한 쌍의 반응 가스 전달 노즐들은 상기 서셉터들의 다른 측면에 가까이/근접하여 배열되는 상기 v-형 배열의 개구단부에서 2쌍 또는 3쌍의 노즐 셋업의 사용이다 (A mitigation for this effect is the use of a dual or triple nozzle setup at the open end of the v-shaped arrangement where one set of reactant gas delivery nozzles is arranged close/proximate to one side of the susceptors while the other set of reactant gas delivery nozzles is arranged close/proximate to the other side of the susceptors.) 노즐들의 중심 세트는 단지 수소와 같은, 캐리어 가스를 흐르는데 이용될 수 있다. 이 배열은 그리고 나서 상기 상부 계층의 상기 기판들 표면에 가까운 충분히 높은 상기 반응 가스를 유지하도록 조정될 수 있다.

또한, 위로부터의 흐름 대 아래로부터의 흐름을 위한 TCS 및 수소 캐리어 가스 흐름의 상이한 방식들의 작동하는 것 또한 가능하다. 게다가, 위로부터의 흐름 대 아래로부터의 흐름에 의한 증착의 상이한 부분적 시간이 사용될 수 있다. 또한, 국부 면적 온도 및 가열 파워는 최적화된 기체 가열 및 균일한 증착 속도를 위해 조절될 수 있다. 가열 파워는 또한 최적화된 균일성을 고려하기 위해 가스 흐름 및 가스 방향에 의존하여 조절될 수 있다. 그 결과로, 선반의 역효과는 최소화할 수 있고 우수한 균일성이 획득될 수 있다.

중요한 것은, 본질적으로 수평적 흐름 배열의 상기 기술된 배열을 인식하기 위해 또한 가능하다. 상기 가스들은 한 측면에서 다른 측면으로, 단일- 또는 양-방향 모드(uni - or bi-directional mode)에서, 도 15c에 도시된 수직적 흐름 배열 및 도 15b에 도시된 수평적 흐름 배열로 기본적으로 흐른다. 그러한 배열에서, 상기 v-형 구조의 개방도(openness)의 더 큰 각도는 상기 반응물 또는 캐리어 가스의 노즐의 흐름 또는 밀도의 적절한 배열 상태에 의해 보상될 수 있다. 또한, 그러한 배열에서, 상기 선반 구조 (도 14a의 “다중-Z” 형 서셉터) 가 최초 가스 흐름에 대하여 수직으로 배열되지 않은 것처럼, 음영(shading)의 동일한 각도를 나타내지 않는다. 그러한 배열은 상기 반응기의 내외부에서 서셉터들의 기본적으로 수직적 처리(handling)와 결합될 수 있고, 그것에 의해 상기 반응기 가스 공급을 분해하고 상기 서셉터 처리로부터 가스 제거할 수 있다 .

작동 중, 상기 개시된 기술 요지는 증착 시스템들 및 공정들에 사용하기 위한 가스 회수 및 활용 시스템들 및 방법들을 제공한다.

상기 예시적 실시예들의 상기 설명은 당업자가 청구된 기술 요지를 만들거나 이용할 수 있도록 하기 위해 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들이 당업자에게 쉽게 분명할 것이고, 본원에 정의된 일반적인 윈리들은 혁신적인 능력을 사용하지 않고도 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구된 기술 요지는 본원에 나타난 실시예들에 제한하기 위한 의도가 아니고, 본원에 개시된 원리들과 신규 특징들과 부합하는 가장 넓은 범위를 따르기 위한 것이다.

본 명세서 내에 포함되는 모든 추가적인 시스템들, 방법들, 특징들, 및 이점들은 특허청구범위의 범위 이내에 있는 것으로 의도한다.

Claims

복수의 반도체 기판들 상에 반도체 층 박막을 증착하기 위한 증착 반응기;
가스 공급 라인들에 의해 상기 증착 반응기에 부착되고(attached), 상기 박막 반도체 층의 증착을 위해 전구체 가스들을 제공하는 복수의 전구체 가스 공급들(precursor gas feeds);
배출 라인에 의해 상기 증착 반응기에 부착되는 가스 회수 시스템으로서, 상기 배출 라인은 상기 증착 반응기에서의 상기 박막 반도체 층 증착으로부터 상기 가스 회수 시스템까지 공정 가스들을 이송하고, 상기 증착 반응기에서 재-사용하기 위해 상기 전구체 가스 공급들로 이송하도록 반응하지 않은 전구체 가스들을 포획하고 회수하는 가스 회수 시스템; 및
상기 복수의 전구체 가스 공급들로 상기 포획되고 회수된 가스들을 이송하는 이송 라인들;
을 포함하는, 박막 반도체 층 증착 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스 회수 시스템은, 상기 박막 반도체 층 증착에 유용한 부산물 가스들을 공급 가스로 전환시키기 위하여 상기 가스 회수 시스템에 부착된 컨버터를 더 포함하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스 회수 시스템은, 상기 증착 반응기로의 이송 전에 상기 가스 회수 시스템으로 전구체 가스를 제공하는 전구체 가스 공급들을 더 포함하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배출 라인에 배치되고, 상기 가스 회수 시스템으로의 이송 전에 상기 박막 반도체 층 증착으로부터 상기 공정 가스들을 분석하는 가스 조성물 분석 장치;
를 더 포함하는, 시스템.
제4항에 있어서,
상기 가스 조성 분석 장치는, 연속 가스 회수 및 정제 조절 파라미터들(regulation parameters of subsequent gas recovery and purification)을 측정하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 증착 반응기는, 복수의 식각 서셉터들 및 복수의 증착 반응 시스템들을 포함하고, 상기 복수의 식각 서셉터들은 상기 증착 반응기에서 증착 반응 시스템들로부터의 각각의 챔버에 배치되는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 증착 반응기는, 개선된 전구체 활용을 위한 공핍 모드 반응기(depletion mode reactor)인 것인, 시스템.
제7항에 있어서,
상기 반도체 기판들은, 정사각형 또는 유사 정사각형 형상을 가지는 것인, 시스템.
제7항에 있어서,
상기 복수의 반도체 기판들은, 상기 공핍 모드 반응기에 수직적 또는 수직에 가까운 배향으로 배열되는 것인, 시스템.
제9항에 있어서,
상기 공핍 모드 반응기는, z-형 서셉터 배열을 가지는 것인, 시스템.
제10항에 있어서,
상기 공핍 모드 반응기는, 낮은 증착 면적들을 완화하는 상기 기판들 사이에 배치된 경사들을 가지는 z-형 서셉터 배열을 가지는 것인, 시스템.
제9항에 있어서,
상기 공핍 모드 반응기는, 평면 v-형 서셉터 배열을 가지는 것인, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 공핍 모드 반응기는, 상기 서셉터에 근접한 반응 가스를 제공하는 v-형 배열의 개구단부에서 다중 노즐 셋업을 더 포함하는 것인, 시스템.
제9항에 있어서,
상기 공핍 모드 반응기는, 평면 지그재그-형 서셉터 배열을 가지는 것인, 시스템.
제9항에 있어서,
상기 공핍 모드 반응기는 v-형 및 z-형 서셉터 배열의 조합으로 구성되고, 상기 z-형 부분은 낮은 물질 증착의 면적을 최소로 하기 위한 서셉터들 사이에 경사들을 가지는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 증착 반응기는, 에피택셜 실리콘 증착 반응기인 것인, 시스템.
제16항에 있어서,
상기 전구체 가스는, 트리클로로실란을 포함하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 서셉터들은, 염화수소와 같은 염소 함유 가스 또는 염소(a chlorine containing gas such as hydrogen chloride or chlorine)를 이용하는 적어도 하나의 증착 사이클 후에 인-시츄 식각된 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 서셉터들은, 상기 식각 공급에서 상기 가스 회수 시스템으로의 염화수소와 같은 염소 함유 가스 및 부산물들을 이용하는 적어도 하나의 증착 사이클 후에 인-시츄 식각된 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 서셉터들은, 염화수소와 같은 염소 함유 가스 또는 염소를 이용하는 적어도 하나의 증착 사이클 후에 식각되는 것이고, 상기 식각은 상기 증착 반응기로부터 개별 반응기로 수행되는 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스 회수 시스템은, 가스 정제 시스템과 결합된 것인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스 회수 시스템은, 가스 정제 시스템과 결합되고, 신선한 가스 공급 및 신선한 액체 전구체 공급은 상기 증착 반응기로 도입되기 이전에 회수 또는 정제 시스템을 통하여 상기 증착 반응기로 먼저 향해지는(directed) 것인, 시스템.
복수의 실리콘 기판 상에 박막 실리콘 층을 증착하기 위한 에피택셜 실리콘 증착 반응기;
가스 공급 라인들에 의해 상기 증착 반응기에 부착되고, 상기 박막 실리콘 층의 상기 증착을 위한, 실란, 디클로로실란, 트리클로로실란 또는 실리콘 테트라클로라이드와 같은 실리콘 함유 전구체, 수소 및 염화수소를 제공하는 복수의 전구체 가스 공급들;
배출 라인에 의해 상기 에피택셜 실리콘 증착 반응기에 부착되는 가스 회수 시스템으로서, 상기 배출 라인은 상기 에피택셜 증착 반응기에서의 상기 박막 실리콘 반도체 층 증착으로부터 상기 가스 회수 시스템까지 공정 가스들을 이송하고, 상기 증착 반응기에서 재-사용하기 위해 상기 전구체 가스 공급들로 이송하도록 반응하지 않은 전구체 가스들을 포획하고 회수하는 가스 회수 시스템; 및
상기 복수의 전구체 가스 공급들로 상기 포획되고 회수된 가스를 이송하는 이송 라인들;
을 포함하는, 박막 반도체 층 증착 시스템.
제23항에 있어서,
상기 박막 실리콘 층은, 박막 단결정성 실리콘 층인 것인, 시스템.
제23항에 있어서,
상기 증착 반응기는, 공핍 모드 반응기인 것인, 시스템.
제23항에 있어서,
상기 복수의 반도체 기판들은, 평면 v-형 배열의 상기 공핍 모드 반응기에서 수직적으로 배열된 것인, 시스템.
제23항에 있어서,
상기 복수의 반도체용 기판들은, 지그재그 배열의 상기 공핍 모드 반응기에서 수직적으로 배열된 것인, 시스템.
제23항에 있어서,
상기 반응기 내로 및 밖으로 기판들을 핸들링하는 서셉터들은 실질적으로 수직이고, 가스 흐름은 흐름 방향을 변화하는 선택으로 좌우로 본질적으로 수평으로 유지되는 것인, 시스템.
복수의 결정성 실리콘 기판들 상에 1 미크론 내지 100 미크론의 두께 범위의 얇은 결정성 실리콘 층을 증착하기 위해, 실질적으로 유사한 복수의 배치식(batch) 증착 챔버들을 포함하는 증착 반응기;
가스 공급 라인들에 의해 상기 증착 반응기에 부착되고 상기 결정성 실리콘 층의 상기 증착을 위해 전구체 가스들을 제공하는 복수의 전구체 가스 공급들;
배출 라인에 의해 상기 증착 반응기에 부착되는 가스 회수 시스템으로서, 상기 배출 라인은 상기 증착 반응기로부터 상기 가스 회수 시스템까지 공정 가스들을 이송하고, 상기 증착 반응기에서 재-사용하기 위해 상기 전구체 가스 공급들로 운반하도록 반응하지 않은 전구체 가스들을 포획하고 회수하는 가스 회수 시스템; 및
상기 복수의 전구체 가스 공급들로 상기 포획되고 복구된 가스들을 이송하는 이송 라인들;
을 포함하는, 고생산성 배치식 에피택셜 실리콘 증착 시스템.