KR20160095502A - 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치 - Google Patents
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Abstract
본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치는, 증착 유닛을 포함한다. 증착 유닛은, 기판이 장착되는 서셉터; 및 상기 서셉터에 증착에 필요한 복수 종류의 원료 기체를 혼합하여 형성된 반응 기체를 제공하는 샤워 헤드를 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 구조를 개선한 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양 전지에서는 다양한 층 및 전극을 설계에 따라 형성하는 것에 의하여 제조될 수 있다. 그런데 이러한 다양한 층 및 전극의 설계에 따라 태양 전지 효율이 결정될 수 있다. 태양 전지의 상용화를 위해서는 낮은 효율과 낮은 생산성을 극복하여야 한다.
태양 전지에서는 다양한 층을 제조하기 위하여 증착 장치를 사용할 수 있다. 태양 전지의 제조 시에는 주로 다른 기술 분야, 예를 들어, 반도체 또는 발광 소자(light emitting diode, LED)의 분야에서 사용되던 증착 장치를 그대로 사용한다. 이러한 증착 장치는 태양 전지의 제조에 적합하지 않아 태양 전지의 생산성을 향상하는 데 적합하지 않았다.
본 발명은 태양 전지의 제조에 적용되어 생산성을 향상할 수 있는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치를 제공하고자 한다.
본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치는, 증착 유닛을 포함한다. 증착 유닛은, 기판이 장착되는 서셉터; 및 상기 서셉터에 증착에 필요한 복수 종류의 원료 기체를 혼합하여 형성된 반응 기체를 제공하는 샤워 헤드를 포함한다.
본 실시예에 따른 증착 장치에서는, 샤워 헤드를 이용하여 복수 종류의 원료 기체 등을 혼합하여 형성된 반응 기체를 서셉터에 놓여진 기판에 제공할 수 있다. 이에 의하여 낮은 증착 온도로 화합물 반도체층을 형성하는 태양 전지에 적합하도록 구조를 단순화하여 제조 비용을 절감할 수 있다. 이때, 샤워 헤드에서 서셉터에 인접한 면에 열 차단부를 위치시켜 증착 공정 중에 샤워 헤드의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하여 샤워 헤드과 서셉터 사이의 거리를 최소화할 수 있어 증착 속도를 증가시킬 수 있고, 이에 의하여 화합물 반도체층을 빠른 속도로 증착할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지의 제조의 생산성을 향상할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치가 적용될 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시한 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 열 차단부의 일부를 도시한 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시한 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 열 차단부의 일부를 도시한 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치를 상세하게 설명한다. 먼저 도 1a 내지 도 1e을 참조하여 본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치가 적용될 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 설명하고, 그 후에 도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치가 적용될 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 일면에 박리층(또는 희생층)(12)이 형성된 기판(10)을 준비한다. 기판(10)은 4족 원소, 3족-5족 원소 및 2족-6족 원소를 포함한 화합물로 구성될 수 있다. 예를 들어 기판(10)이 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 갈륨비소(GaAs) 기판 등을 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 기판(10)이 갈륨비소 기판일 수 있다.
박리층(12)은 추후에 화합물 반도체층(도 1b의 참조부호 14, 이하 동일)의 성장이 완료된 후에 에칭되어 기판(10)과 화합물 반도체층(14)을 분리하기 위한 층이다. 박리층(12)은 에피택셜(epitaxial) 리프트 공정에 사용될 수 있는 다양한 물질(예를 들어, AlGaAs/InAlAs, InGaAs, AlAs, InGaP, InAlP, InGaAlAs, InP 등)으로 이루어질 수 있다.
이어서, 도 1b에 도시한 바와 같이, 박리층(12) 위에 pn 구조 또는 pin 구조를 가지는 화합물 반도체층(14)을 형성한다. 도면에서는 화합물 반도체층(14)이 차례로 적층되는 n형의 전면 전계층(14a), n형의 베이스층(14b), p형의 에미터층(14c), p형의 후면 전계층(14d)를 포함하는 것을 예시하였다. 일 예로, n형의 전면 전계층(14a)이 AlInP를 포함하고, n형의 베이스층(14b)이 n형의 GaAS를 포함하고, p형의 에미터층(14c)이 p형의 GaAs를 포함하며, p형의 후면 전계층(14d)이 p형의 GaInP를 포함할 수 있다. 그러나 이는 일 예로 제시한 것에 불과하다. 화합물 반도체층(14)은 3족-5족 원소, 2족-6족 원소를 포함하는 다양한 반도체층이 복수 개 적층되어 형성될 수 있다.
고효율을 구현하기 위하여 화합물 반도체층(14)(특히, n형의 베이스층(14b))이 2um 이상의 두께를 가질 수 있다. 일 예로, 화합물 반도체층(14)(특히, n형의 베이스층(14b))의 두께가 2um 내지 20um일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
이어서, 도 1c에 도시한 바와 같이, 화합물 반도체층(14) 위에 후면 전극(16)을 형성한다. 후면 전극(16)은 알려진 다양한 금속 등으로 구성될 수 있다.
이어서, 도 1d에 도시한 바와 같이, 박리층(12)을 에칭하여 기판(10)을 화합물 반도체층(14)으로부터 분리한다. 박리층(12)의 에칭으로는 알려진 다양한 에칭 용액 등이 사용될 수 있다.
이어서, 도 1e에 도시한 바와 같이, 화합물 반도체층(14)의 다른 일면(즉, 기판(10)이 분리되어 노출된 면) 위에 전면 전극(18) 및 반사 방지막(19)을 형성한다. 전면 전극(18)으로는 광을 투과할 수 있는 투명 전도성 물질(TCO) 및/또는 금속 전극을 포함할 수 있다. 반사 방지막(19)으로는 알려진 다양한 물질, 적층 구조 등이 적용될 수 있는데, 일 예로, MgF2/ZnS로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 제조 방법에서 화합물 반도체층(14)이 유기 금속 화학 기상 증착 장치를 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 일정한 증착 온도로 가열된 챔버 내에 기판(10)을 위치시키고, 챔버 내부로 화합물 반도체층(14)을 구성하는 각 원소를 포함하는 기체, n형 또는 p형의 도펀트를 포함하는 기체 등의 복수 종류의 원료 기체를 공급하는 것에 의하여, 원하는 물질로 구성되는 화합물 반도체층(14)을 형성할 수 있다. 그리고 증착 공정에서 공급되는 원료 기체 종류, 양 등을 변경하는 것에 의하여, 복수의 층(14a, 14b, 14c, 14d)을 포함하는 화합물 반도체층(14)을 형성한다.
종래에는 화합물 반도체층(14)을 형성하기 위하여 발광 소자(light emitting diode, LED)를 제조하기 위한 유기 금속 화학 기상 증착 장치를 그대로 사용하였다. 그런데 태양 전지(특히, 상술한 바와 같은 반도체 화합물 태양 전지)는 발광 소자와는 서로 다른 특성 등을 가지게 되므로, 종래의 발광 소자용 유기 금속 화학 기상 증착 장치는 태양 전지의 제조에서는 적합하지 않을 수 있다.
좀더 구체적으로는, 발광 소자의 제조를 위한 증착 공정은 이종 증착(hetero-epitaxy) 공정이다. 예를 들어, 세라믹 물질인 사파이어(Al2O3) 기판 위에 반도체 물질로서 사파이어 기판과 격자 상수, 특성 등의 차이가 큰 GaN로 이루어지는 증착막을 형성하여야 한다. 이에 의하여 증착막의 특성을 유지할 수 있는 낮은 증착 속도로 증착 공정을 수행하게 된다. 또한, 작은 크기(예를 들어, 4인치 정도의 크기)의 하나의 기판에서 수만 개의 발광 소자를 제조할 수 있으므로, 생산성보다는 증착막의 특성을 우수하게 유지하는 것이 더 중요하다.
그리고 기판과 전혀 다른 특성을 가지는 증착막을 증착하여야 하므로 1100℃ 이상의 고온에서 증착 공정이 이루어진다. 이에 의하여 복수 종류의 원료 기체를 챔버 내부에 각기 별개의 배관으로 별개로 공급하여야 한다. 이에 따라 배관 구조가 복잡해져서 증착 장치의 구조 또한 매우 복잡하다. 이와 달리, 복수 종류의 원료 기체를 혼합한 상태로 서셉터 또는 기판에 제공할 경우에 고온에서 복수의 반응 기체가 서로 반응하여 기판에 증착되기 전에 반응되어 증착이 이루어지지 않을 수 있다. 그리고 별개로 공급된 복수 종류의 원료 기체가 균일하게 분포될 수 있도록 기판이 위치한 서셉터를 일 방향으로 회전시키고 기판을 반대 방향으로 회전시켜야 한다. 이와 같이 서셉터와 이에 위치한 기판이 서로 다른 방향으로 회전하는 상태로 증착 공정이 수행되어야 하므로, 증착 장치의 구조가 복잡해지고 여러 기판을 동시에 증착하여 생산성을 높이는 데 어려움이 있다.
반면, 상술한 화합물 태양 전지에서는 반도체 또는 화합물 반도체로 구성된 기판(10) 위에 화합물 반도체로 구성된 화합물 반도체층(14)을 성장시키므로, 동일 증착(homo-epitaxy) 공정에 해당하게 된다. 이에 의하여 증착 속도를 증가시켜도 화합물 반도체층(14)의 특성이 크게 저하되지 않으며, 증착 온도가 발광 소자를 제조하기 위한 증착 온도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 따른 증착 장치에서의 증착 온도는 700℃ 내지 800℃일 수 있다. 또한, 태양 전지에서는 각 기판(10)에서 하나의 태양 전지만을 형성할 수 있으므로 증착 속도를 증가시켜 생산성을 향상하는 것이 필요하다.
이를 고려하여 본 실시예에서 태양 전지의 화합물 반도체층(14)을 형성하기 위한 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치는 종래에 발광 소자의 제조를 위한 유기 금속 화학 기상 증착 장치와 다른 구조를 가지게 된다. 이를 도 2 및 도 3를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 개략도이다.
도 2을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치(이하 "증착 장치")(100)는, 일정한 크기의 내부 공간을 가지는 챔버(110)와, 챔버(110) 내에 위치하여 증착을 수행하는 증착 유닛(120)을 포함한다. 증착 유닛(120)은, 증착이 이루어질 기판(10)이 장착되는 서셉터(122)와, 서셉터(122)에 반응 기체를 제공하는 샤워 헤드(124)와, 서셉터(122)에 대향하는 샤워 헤드(124)의 면에 위치하는 열 차단부(126)를 포함한다. 그리고 증착 장치(100)는 서셉터(122)를 가열하는 히터(130)를 더 포함할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
챔버(110)는 증착 유닛(120)이 내부에 위치하여, 샤워 헤드(124)를 통하여 내부 공간으로 유입된 반응 기체에 의하여 기판(10)에서 증착이 이루어지도록 하는 공간을 제공한다. 챔버(110)는 증착 유닛(120)이 안정적으로 위치할 수 있으며 증착 공간을 외부와 분리하며 증착 시의 공정 조건(즉, 고온, 가스 분위기)를 견딜 수 있는 형태, 물질 등을 가질 수 있다. 도 2에서는 챔버(110) 내부에 하나의 증착 유닛(120)이 위치하는 것을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 챔버(110) 내부에 복수 개의 증착 유닛(120)이 위치할 수 있는데, 이에 대해서는 추후에 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
서셉터(122)는 기판(10)이 올려질 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 서셉터(122)는 회전되지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다. 그리고 기판(10)도 서셉터(122) 위에서 회전되지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 증착 장치(100)는 반도체 또는 화합물 반도체로 구성된 기판(10) 위에 화합물 반도체로 구성된 화합물 반도체층(14)을 증착하므로, 증착 온도가 상대적으로 낮아도 된다. 이에 따라 본 실시예에서는 샤워 헤드(124)에서 원료 기체를 혼합한 반응 기체를 형성하고, 혼합된 반응 기체를 서셉터(122) 또는 이에 놓여지는 기판(10)에 공급한다. 이와 같이 균일하게 혼합된 반응 기체가 서셉터(122) 또는 기판(10)에 공급되므로 서셉터(122) 및 기판(10)이 회전되지 않고 고정된 상태로 유지되어도 기판(10)과 복수의 원료 기체가 균일하게 반응할 수 있다. 이와 같이 서셉터(122) 및 기판(10)이 회전하지 않고 고정된 구조를 가지면 증착 장치(100)의 구조를 단순화하고 설치 공간을 최소화할 수 있다. 또한, 증착 공정의 비용을 줄일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 서셉터(122) 및/또는 기판(10)을 회전시키는 구성을 더 구비하여, 증착 반응의 균일도를 좀더 향상하는 것도 가능하다.
서셉터(122)는 증착 온도에서 견딜 수 있고 증착 공정 시에 전체적으로 균일한 온도를 유지할 수 있도록 우수한 열 전도도를 가지는 물질로 구성될 수 있다. 그리고 기판(10)과의 반응을 최소화할 수 있도록 표면 처리될 수 있다. 예를 들어, 서셉터(122)는, 우수한 열 전도도를 가지는 흑연(graphite)로 이루어지는 원반 형상의 본체에, 기판(10)과의 반을 억제하는 탄화규소(SiC)를 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 서셉터(122)는 다양한 물질로 구성될 수 있다.
이때, 하나의 서셉터(122)에는 복수 개의 기판(10)이 위치할 수 있는데, 일 예로, 2개 내지 100개의 기판(10)이 위치할 수 있다. 하나의 서셉터(122)에 위치하는 기판(10)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
서셉터(122)에 대향하도록 위치하며 반응 기체를 공급하는 샤워 헤드(124)가 위치한다. 즉, 샤워 헤드(124)는 서셉터(122)에 전체적으로 대응하거나 이와 유사한 면적을 가져 서셉터(122) 위에 위치하는 기판(10)에 고르게 반응 기체를 주입하도록 위치할 수 있다. 이때, 샤워 헤드(124)는 서셉터(122) 또는 기판(10)에 평행한 플레이트 형상을 가지고, 샤워 헤드(124)로부터 공급되는 반응 기체는 기판(10)의 기판면에 수직하여 기판(10)에 도달할 수 있다.
샤워 헤드(124)는, 복수 종류의 원료 기체가 주입되는 주입구(124a)와, 복수 종류의 원료 기체를 혼합하는 내부 공간부(124b), 서셉터(122)에 대향하는 면에 위치하며 복수 종류의 원료 기체가 혼합된 반응 기체가 배출되는 배출홀(124c)을 포함할 수 있다. 추가적으로 내부 공간부(124b) 내부에는 배플(baffle)(124d)이 위치할 수 있다.
주입구(124a)를 통하여 복수 종류의 원료 기체가 주입되면 내부 공간부(124b)에서 반응 기체가 혼합되고, 복수의 반응 기체의 주입에 의하여 발생한 양압에 의하여 혼합된 반응 기체가 배출홀(124c)을 통하여 배출된다. 배플(124d)은 원료 기체 또는 반응 기체의 흐름을 제어하여 균일하게 원료 기체를 혼합하고 충분한 양압에 의하여 반응 기체가 배출홀(124c)로 배출되도록 할 수 있다. 배플(124d) 구조로는 알려진 다양한 구조가 적용될 수 있다.
도면에서는 주입구(124a)가 한 개 구비되고 배출홀(124c)이 복수 개 구비되는 것을 예시하였다. 그러면, 주입구(124a)의 개수를 최소화하여 구조를 단순화하고, 내부 공간부(124b)의 양압을 효과적으로 증가시킬 수 있고, 배출홀(124c)에 의하여 균일하게 반응 기체를 배출할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 주입구(124a), 배출홀(124c)의 개수 등은 다양한 변형이 가능하다.
내부 공간부(124b)에 충분한 양압이 걸리면 혼합된 반응 기체를 배출홀(124c)을 통하여 균일하게 분사할 수 있다. 내부 공간부(124b)에 발생하는 양압은, 주입되는 반응 기체의 양, 배출홀(124c)의 직경, 개수, 배치 등에 따라 조절될 수 있다.
일 예로, 배출홀(124c)의 직경(또는 가장 긴 폭)(R1)이 100um 내지 1mm일 수 있다. 배출홀(124c)의 직경(R1)이 100um 미만이면, 혼합된 반응 기체가 원활하게 배출되기 어려울 수 있다. 배출홀(124c)의 직경(R1)이 1mm를 초과하면, 내부 공간부(124b)에 충분한 양압이 발생하기 어려울 수 있다. 이때, 배출홀(124c)은 균일한 간격을 가지면서 복수의 행 및 열을 형성하도록 나란히 위치하여 균일하게 반응 기체가 배출되도록 할 수 있다.
그리고 배출홀(124c)은 2개/cm2 내지 10개/cm2의 개수를 가지도록 배치될 수 있다. 배출홀(124c)의 개수가 2개/cm2 미만이면, 배출홀(124c)의 개수가 충분하지 않아 증착 공정의 균일도가 저하될 수 있다. 배출홀(124c)의 개수가 10개/cm2를 초과하면, 내부 공간부(124b) 내에 충분한 양압이 발생하기 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 배출홀(124c)의 직경, 개수, 배치 등은 다양하게 변형될 수 있다.
샤워 헤드(124)는, 일 예로, 내부 공간부(124b)을 구비하는 직육면체 형상으로 구성될 수 있고, 샤워 헤드(124)에서 서셉터(122)에 반대되는 면에 주입구(124a)가 위치하고, 주입구(124a)가 형성된 면에 반대되며 서셉터(122)에 대향하는 면에 배출홀(124c)이 위치할 수 있다. 이에 의하여 내부 공간부(124b)의 양압을 효과적으로 증가시킬 수 있고 배출홀(124c)에 의하여 균일하게 반응 기체를 배출할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 주입구(124a) 및 배출홀(124c)의 위치가 다양하게 변형될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 증착 장치(100)는 반도체 또는 화합물 반도체로 구성된 기판(10) 위에 화합물 반도체로 구성된 화합물 반도체층(14)을 증착하므로, 증착 온도가 상대적으로 낮아도 된다. 예를 들어, 본 실시예에서 따른 증착 장치에서의 증착 온도는 700℃ 내지 800℃일 수 있다. 이에 따라 본 실시예에서는 샤워 헤드(124)에서 원료 기체를 혼합한 반응 기체를 형성하여 이를 서셉터(122) 또는 이에 놓여지는 기판(10)에 공급하여도 이들이 기판(10)에 도달하기 전에 반응하는 등의 문제가 발생하지 않는다. 이를 고려하여 본 실시예에 따른 증착 장치(100)에서는 주입구(124a), 내부 공간부(124b) 및 배출홀(124c)의 구조를 가지는 샤워 헤드(124)를 적용하여, 반응 기체를 혼합한 상태로 제공하여 균일하게 반응 기체를 제공할 수 있고, 반응 기체의 공급 구조를 단순화할 수 있다. 종래와 같이 증착 반응에 필요한 복수의 반응 기체가 혼합되지 않은 상태로 공급될 때에는 기판 및 서셉터가 회전되어 증착 반응의 균일도 등을 향상하는 것이 일반적이다. 반면, 앞서 설명한 바와 같이 본 실시예에서는 복수의 반응 기체가 혼합된 상태로 기판(10)에 도달되므로 기판(10) 및 서셉터(122)가 회전하지 않아도 된다.
화합물 반도체층(14)의 증착을 위하여, 화합물 반도체층(14)을 구성하는 원소를 포함하는 기체, n형 또는 p형을 나타낼 수 있도록 도펀트를 포함하는 기체, 캐리어 기체 등을 포함할 수 있다. 일 예로, 본 실시예에서는 n형 또는 p형을 가지는 3족-5족 반도체를 포함하는 화합물 반도체층(14)을 증착할 수 있다. 예를 들어, 화합물 반도체층(14)에서 갈륨비소(GaAs)를 포함하는 층을 형성하고자 할 때에는 갈륨을 포함하는 기체(예를 들어, 트리메틸칼륨(TMGa))와 비소를 포함하는 기체(예를 들어, 아르신(AsH3))를 사용할 수 있다. 이때, p형을 가지는 층을 형성하고자 할 때는 보론을 포함하는 기체, n형을 가지는 층을 형성하고자 할 때는 인을 포함하는 기체 등을 포함할 수 있다. 캐리어 기체로는 알려진 다양한 캐리어 기체 등을 사용할 수 있다. 그 외의 다양한 기체를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 샤워 헤드(124)에서 서셉터(122)에 대향하는 면에 열 차단부(126)가 위치할 수 있다. 열 차단부(126)는 증착 공정 중에 샤워 헤드(124)의 온도가 상승하는 것을 방지하여 증착 공정이 안정적으로 일어날 수 있도록 한다. 이에 대해서는 추후에 좀더 구체적으로 설명한다.
본 실시예에서 히터(130)가 챔버(110) 외부 또는 내부에서 서셉터(122)를 가열할 수 있는 위치에 위치할 수 있다. 히터(130)로는 서셉터(122)를 가열할 수 있는 다양한 구조, 방식 등이 적용될 수 있다. 도면에서는 히터(130)가 챔버(110)의 외부에 위치하는 것을 예시하였다. 이러한 히터(130)로는 저항 히터, 램프 히터 등을 사용할 수 있다. 램프 히터가 적용되면 단시간 내에 가열 및 냉각이 가능하여 공정 시간을 줄여서 생산성을 높일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 히터(130)가 서셉터(122)의 내부에 위치하는 저항 히터 등으로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것으 아니다.
히터(130)가 증착 장치(100) 내에서 증착이 일어날 때 서셉터(122)를 가열하여 서셉터(122)에 놓여진 기판(10)이 일정한 증착 온도가 되도록 한다. 이때, 샤워 헤드(124)의 주입구(124a)를 통하여 내부 공간부(124b) 내부로 복수 종류의 원료 기체를 주입하면, 내부 공간부(124b) 내에서 복수 종류의 원료 기체가 혼합된 반응 기체가 배출홀(124c)을 통하여 기판(10) 쪽으로 공급된다. 그러면, 증착 온도로 가열된 기판(10)에 반응 기체가 도달하면서 기판(10)에 증착막을 형성하여 화합물 반도체층(14)을 구성하게 된다.
그런데, 서셉터(122)의 열이 샤워 헤드(124)에 전달되면 샤워 헤드(124) 내부에 위치한 복수의 원료 기체가 서로 반응하여 일정한 반응 생성물을 형성할 수 있다. 이렇게 생성된 반응 생성물은 배출홀(124c) 내부에 증착되면서 배출홀(124c)을 막을 수 있다. 특히, 고속 증착을 위하여 샤워 헤드(124)와 서셉터(122) 또는 기판(10) 사이의 거리를 줄이게 되면, 증착 공정 중에 배출홀(124c)이 막히는 문제가 더 심각해질 수 있다. 이와 같이 서셉터(122)의 열이 샤워 헤드(124)에 전달되면 증착 공정 중에 문제가 발생할 수 있으므로, 본 실시예에서는 샤워 헤드(124)에서 서셉터(122)에 대향하는 면에 열 차단부(126)를 위치시켜 열 전달을 방지하는 것이다.
일 예로, 본 실시예에서 서셉터(122)와 샤워 헤드(124) 사이의 거리(D)가 10mm 내지 100mm일 수 있다. 서셉터(122)와 샤워 헤드(124) 사이의 거리(D)가 10mm 미만이면, 반응 기체가 넓게 퍼지지 않고 샤워 헤드(124)의 배출홀(124c)의 패턴 그대로 전사되어 증착막의 균일도가 저하될 수 있다. 서셉터(122)와 샤워 헤드(124)의 사이의 거리(D)가 100mm를 초과하면, 기판(10)에서 반응하지 않고 펌핑되는 반응 기체의 양이 늘어나서 고속 증착이 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 서셉터(122)와 샤워 헤드(124) 사이의 거리는 다른 수치를 가질 수도 있다.
이때, 열 차단부(126)는 샤워 헤드(124) 및 서셉터(122) 각각보다 작은 열 전도도를 구비하는 물질로 구성될 수 있다. 샤워 헤드(124)는 높은 열 전도도를 가져 냉각이 원활하게 일어나야 원료 기체 및 반응 기체의 반응 생성물이 샤워 헤드(124)에 부착되는 문제를 방지할 수 있다. 그리고 서셉터(122)는, 앞서 설명한 바와 같이, 기판(10)의 온도를 균일하게 유지할 수 있도록 높은 열 전도도를 가진다. 반면, 열 차단부(126)는 서셉터(122)의 열이 샤워 헤드(124)로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 작은 열 전도를 가질 수 있다.
일 예로, 샤워 헤드(124)는 열 전도도가 우수한 금속(일 예로, 알루미늄 또는 스테인리스강)으로 이루어질 수 있다. 그리고 앞서 설명한 바와 같이, 서셉터(122)는 흑연(graphite)로 이루어지는 본체를 포함할 수 있다. 열 처단부(126)는 알루미늄, 스테인리스강, 흑연 등보다 낮은 열 전도도를 가지는 절연 물질(일 예로, 세라믹, 석영 등)로 이루어질 수 있다. 세라믹으로는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 등이 사용될 수 있다.
열 차단부(126)는 샤워 헤드(124)의 면에 대응하도록 넓은 면적을 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다. 열 차단부(126)는 다양한 방법에 의하여 샤워 헤드(124)의 면에 고정될 수 있다. 예를 들어, 열 차단부(126)는 나사(126b)를 체결하는 나사 결합에 의하여 샤워 헤드(124)에 고정될 수 있다. 나사 결합을 이용하면 간단한 구조에 의하여 열 차단부(126)를 안정적으로 고정할 수 있다.
일 예로, 열 차단부(126)의 두께(T)가 3mm 내지 30mm일 수 있다. 열 차단부(126)의 두께(T)가 3mm 미만이면, 열 차단 효과가 충분하지 않을 수 있다. 열 차단부(126)의 두께(T)가 30mm를 초과하면, 서셉터(122)와 샤워 헤드(124) 사이의 거리가 멀어져서 고속 증착이 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 열 차단부(126)의 물질 등에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.
열 차단부(126)는 샤워 헤드(124)의 배출홀(124c)에 연통되어 반응 기체가 통과할 수 있는 관통홀(126a)을 구비할 수 있다. 일 예로, 관통홀(126a)은 배출홀(124c)에 일대일 대응할 수 있다. 관통홀(126a)이 배출홀(124c)에 일대일 대응하여야 배출홀(124c)을 통과한 반응 기체가 관통홀(126a)의 형상을 따라 퍼지면서 기판(10) 또는 서셉터(122)로 제공될 수 있다.
관통홀(126a)은 배출홀(124c)에 인접한 부분보다 배출홀(124c)에 멀리 위치한 부분(즉, 서셉터(122)에 인접한 부분)이 넓은 직경(또는 폭) 또는 면적을 가질 수 있다. 일 예로, 관통홀(126a)은 배출홀(124c)에 인접한 부분에서부터 배출홀(124c)에 멀리 위치한 부분까지 점진적으로 직경 또는 면적이 늘어나는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 관통홀(126a)의 형상이 원뿔대의 형상을 가질 수 있다. 그러면, 관통홀(126a)을 통과하는 반응 기체가 관통홀(126a)을 따라 넓게 퍼지는 것에 의하여 균일하게 서셉터(122) 또는 기판(10)에 도달할 수 있다.
충분한 양압을 위하여 원료 기체는 제트 플로우(jet-flow)의 형태로 샤워 헤드(124)에 제공되는데, 이 형태로 그대로 기판(10)에 도달하게 되면 샤워 헤드(124)의 배출홀(124c)의 패턴을 따라 그대로 전사되어 증착된다. 그러면, 증착막 또는 화합물 반도체층(14)의 균일도가 크게 저하될 수 있다. 이를 고려하여 본 실시예의 열 차단부(126)에 형성된 관통홀(126a)의 형상에 의하여 반응 기체가 확산하도록 할 수 있다.
본 실시예에서 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(또는 폭)(R2)이 배출홀(124c)의 직경(또는 폭)(R1)과 동일 또는 유사할 수 있다. 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(R2)이 배출홀(124c)의 직경(R1)과 동일 또는 유사한 경우에는 반응 기체는 관통홀(126a)의 측면에서 마찰을 받아 관통홀(126a)의 측면 형상과 유사한 형상을 가지도록 퍼져나가면서 넓게 퍼질 수 있다. 이에 의하여 증착막 또는 화합물 반도체층(14)의 균일도를 향상할 수 있다. 예를 들어, 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(R2)이 배출홀(124c)의 직경(R1)의 90% 내지 110%일 수 있다. 이는 공정 오차, 반응 기체의 확산 등을 고려하여 결정된 것이다.
이와 달리 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(R2)이 배출홀(124c)의 직경(R1)보다 많이 크면(예를 들어, 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(R2)이 배출홀(124c)의 직경(R1)의 110%를 초과하면), 반응 기체는 제트 플로우 형태 그대로 관통홀(126a)을 관통하여 서셉터(122) 또는 기판(10)에 도달하게 된다. 이에 의하여 증착막의 균일도가 저하될 수 있다. 그리고 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(R2)이 배출홀(124c)의 직경(R1)보다 많이 작으면(예를 들어, 관통홀(126a)에서 배출홀(124c)에 인접하는 부분의 직경(R2)이 배출홀(124c)의 직경(R1)의 90% 미만이면), 반응 기체가 관통홀(126a)에 의하여 방해를 받아 서셉터(122) 또는 기판(10) 쪽으로 잘 공급되기 어려울 수 있고, 공급된다고 하여도 전체적으로 퍼지면서 서셉터(122) 또는 기판(10)에 도달하기 어려울 수 있다. 이에 의하여 증착막 또는 화합물 반도체층(14)의 균일도가 저하될 수 있다
그리고 관통홀(126a)의 측면의 경사 각도(즉, 배출홀(124c)의 측면에 대하여 관통홀(126a)의 측면이 이루는 경사 각도(특히, 예각)(A))가 10도 내지 20도일 수 있다. 이러한 범위 내에서 반응 기체가 고르게 퍼져나가서 서셉터(122) 또는 기판(10)에 고르게 공급될 수 있다. 관통홀(126a)의 측면의 경사 각도(A)가 10도 미만이면, 반응 기체가 관통홀(126a)의 측면에서 마찰을 받아 관통홀(126a) 형상과 유사하게 퍼져나가므로 퍼지는 각도가 적어 전체적으로 퍼지면서 서셉터(122) 또는 기판(10)에 도달하기 어려울 수 있다. 그리고 관통홀(126a)의 측면의 경사 각도(A)가 20도를 초과하면, 관통홀(126a)의 측면에서의 마찰을 거의 받지 않으므로 제트 플로우 형태 그대로 기판(10)에 도달하게 된다. 이에 의하여 증착막의 균일도가 저하될 수 있다.
본 실시예에 따른 증착 장치(100)는, 유기 금속 화학 기상 증착에 의하여 반도체 화합물 태양 전지의 화합물 반도체층(14)을 우수한 특성으로 형성할 수 있다.
이때, 본 실시예에서는 샤워 헤드(124)를 이용하여 복수 종류의 원료 기체 등을 혼합하여 형성된 반응 기체를 서셉터(122)에 놓여진 기판(10)에 제공할 수 있다. 이에 의하여 낮은 증착 온도로 화합물 반도체층(14)을 형성하는 태양 전지에 적합하도록 구조를 단순화하여 제조 비용을 절감할 수 있다. 이때, 샤워 헤드(124)에서 서셉터(122)에 인접한 면에 열 차단부(126)를 위치시켜 증착 공정 중에 샤워 헤드(124)의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하여 샤워 헤드(124)과 서셉터(122) 사이의 거리를 최소화할 수 있어 증착 속도를 증가시킬 수 있고, 이에 의하여 화합물 반도체층(14)을 빠른 속도로 증착할 수 있다. 일 예로, 본 실시예에 따른 증착 장치(100)를 이용한 화합물 반도체층(14)의 증착 속도가 10 um/hr 내지 100 um/hr일 수 있다. 이는 종래의 유기 금속 화학 기상 증착 장치의 증착 속도인 1um/hr 내지 3um/hr 보다 매우 우수한 것이다. 이에 의하여 태양 전지의 제조 공정의 생산성을 향상할 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 상술한 설명과 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 상술한 설명이 그대로 적용될 수 있으므로 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대해서만 상세하게 설명한다. 그리고 상술한 실시예 또는 이를 변형한 예와 아래의 실시예 또는 이를 변형한 예들을 서로 결합한 것 또한 본 발명의 범위에 속한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 증착 장치의 개략도이다. 명확하고 간략한 도시를 위하여 히터(도 2의 참조부호 130)의 도시를 생략하였다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 증착 장치(100)에서는, 챔버(110) 내에 복수 개의 증착 유닛(120)이 구비된다. 이때, 복수 개의 증착 유닛(120)은 수평 방향으로 복수 개 위치할 수 있다.
본 실시예에서는 서셉터(122), 샤워 헤드(124), 열 차단부(126) 등으로 구성된 증착 유닛(120)을 하나의 유닛(unit)으로 하여, 하나의 챔버(110) 내에 복수 개의 증착 유닛(120)을 위치시킬 수 있다. 본 실시예에서와 같은 유기 금속 화학 기상 증착 방법에 의하면, 증착 유닛(120)을 복수 개로 나누어 위치하여도 증착 균일도가 우수하게 유지될 수 있기 때문이다. 반면, 본 실시예와 달리 플라스마 화학 기상 증착 방법(PECVD)에 의하면, 플라스마가 균일하게 유지될 수 있도록 증착 유닛을 하나로만 구성해야 한다. 증착 유닛이 복수 개가 되면 복수 개의 증착 유닛에서 플라즈마가 균일하지 증착 균일도가 저하될 수 있다.
이와 같이 작은 개수의 기판(10)을 증착하는 증착 유닛(120)을 복수 개 구비하면, 증착 유닛(120)의 크기가 증가할 때 발생할 수 있는 균일도 저하 등을 방지할 수 있다. 예를 들어, 증착 유닛(120)의 크기가 커지면 샤워 헤드(124)의 가장자리가 쳐지면서 동일한 증착 유닛(120)에서도 기판(10)의 위치에 따라 증착이 균일하게 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 증착 유닛(120)(좀더 정확하게는, 하나의 서셉터(122))에 위치하는 기판(10)의 개수가 4개 내지 25개일 수 있다. 좀더 구체적으로는, 하나의 증착 유닛(120) 또는 서셉터(122)에 위치하는 기판(10)의 개수가 4개 내지 9개일 수 있다. 이에 의하여 증착 유닛(120)의 구조를 단순화하면서 복수 개의 증착 유닛(120)에 의하여 많은 개수의 기판(10)을 한 번에 증착할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지의 제조 생산성을 크게 향상할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증착 장치의 개략도이다. 명확하고 간략한 도시를 위하여 히터(도 2의 참조부호 130)의 도시를 생략하였다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서는 복수 개의 증착 유닛(120)이 수직 방향으로 위치하여 증착 장치(100)의 설치 공간을 최소화할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지의 제조 생산성을 크게 향상할 수 있다.
이때, 서셉터(122)에 기판(10)에 장착하는 방법으로는 다양한 방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 서셉터(122)를 바닥면과 경사지게 위치하도록 하거나, 서셉터(122)과 기판(10)을 고정하는 고정 부재를 더 구비하여, 기판(10)을 서셉터(122)에 안정적으로 고정할 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 증착 장치
10: 기판
110: 챔버
120: 증착 유닛
122: 서셉터
124: 샤워 헤드
126: 열 차단부
10: 기판
110: 챔버
120: 증착 유닛
122: 서셉터
124: 샤워 헤드
126: 열 차단부
Claims (20)
- 기판이 장착되는 서셉터; 및 상기 서셉터에 증착에 필요한 복수 종류의 원료 기체를 혼합하여 형성된 반응 기체를 제공하는 샤워 헤드를 포함하는 증착 유닛
을 포함하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제1항에 있어서,
상기 서셉터에 대향하는 상기 샤워 헤드의 면에 열 차단부가 위치하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 열 차단부의 열 전도도가 상기 샤워 헤드보다 작은 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 열 차단부의 열 전도도가 상기 서셉터보다 작은 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 열 차단부가 세라믹 또는 석영을 포함하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 샤워 헤드는, 주입구, 내부 공간부 및 배출홀을 포함하고,
상기 열 차단부는 상기 배출홀에 연통되는 관통홀을 포함하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 배출홀 및 상기 관통홀이 복수 개 구비되고,
상기 관통홀이 상기 배출홀에 일대일 대응하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 주입구가 한 개 구비되어 상기 복수 종류의 원료 기체가 함께 주입되는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 관통홀은 상기 배출홀에 인접한 부분에서부터 상기 배출홀에 멀리 위치한 부분까지 점진적으로 직경 또는 면적이 늘어나는 형상을 가지는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제9항에 있어서,
상기 관통홀이 원뿔대 형상을 가지는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 배출홀의 직경에 대한, 상기 관통홀에서 상기 배출홀에 인접하는 부분의 직경의 비율이 90% 내지 110%인 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 관통홀의 측면의 경사 각도가 10도 내지 20도인 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 배출홀의 직경이 100um 내지 1mm인 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제6항에 있어서,
상기 배출홀의 2개/cm2 내지 10개/cm2의 개수를 가지도록 배치되는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 열 차단부의 두께가 3mm 내지 30mm인 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제1항에 있어서,
상기 샤워 헤드와 상기 서셉터 사이의 거리가 10um 내지 100um인 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제1항에 있어서,
상기 서셉터가 회전되지 않고 고정되는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 상기 증착 유닛이 복수 개 위치하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제18항에 있어서,
상기 증착 유닛 각각에 상기 기판이 4개 내지 25개 위치하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치. - 제18항에 있어서,
상기 증착 유닛 각각에 상기 기판이 4개 내지 9개 위치하는 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치.
Priority Applications (4)
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| KR1020150016839A KR20160095502A (ko) | 2015-02-03 | 2015-02-03 | 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치 |
| CN201610172627.4A CN105839074A (zh) | 2015-02-03 | 2016-02-02 | 用于太阳能电池的金属有机化学气相沉积设备 |
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| US15/013,824 US10388820B2 (en) | 2015-02-03 | 2016-02-02 | Metal organic chemical vapor deposition apparatus for solar cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150016839A KR20160095502A (ko) | 2015-02-03 | 2015-02-03 | 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020150016839A KR20160095502A (ko) | 2015-02-03 | 2015-02-03 | 태양 전지용 유기 금속 화학 기상 증착 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR20160095502A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021211246A1 (en) * | 2020-04-16 | 2021-10-21 | Lam Research Corporation | Showerhead thermal management using gas cooling |
-
2015
- 2015-02-03 KR KR1020150016839A patent/KR20160095502A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021211246A1 (en) * | 2020-04-16 | 2021-10-21 | Lam Research Corporation | Showerhead thermal management using gas cooling |
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