KR20160144330A - 실리콘 표면 조직화 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20160144330A
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마티아스 울리히
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마이어 부르거 (저머니) 아게
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Abstract

본 발명은, 불소 가스를 이용하여 기판 표면을 에칭하는 것을 통해 적어도 하나의 결정 실리콘 기판의 적어도 하나의 기판 표면을 조직화하기 위한 방법에 관한 것이며, 실리콘 기판의 에칭 공정은 플라스마 에칭 챔버 내에서 생성되는 플라스마 내에서 실행된다. 또한, 본 발명은, 불소원과 연결된 가스 공급 유닛과 적어도 하나의 플라스마원을 구비한 플라스마 에칭 챔버를 포함하여 적어도 하나의 결정 실리콘 기판의 적어도 하나의 기판 표면을 조직화하기 위한 장치에도 관한 것이다. 그러므로 본 발명의 과제는, 재료 및 환경을 보호하면서 실리콘 표면의 고품질의 조직화를 가능하게 하는 실리콘 표면 조직화 방법 및 장치를 제안하는 것에 있다. 상기 과제는, 한편으로 플라스마 에칭 챔버로 불소 가스와 더불어 적어도 기상 황산화물이 공급되는 방법을 통해 해결된다. 또한, 상기 과제는, 가스 공급 유닛이 적어도 하나의 황 산화물원과 추가로 연결되는 장치를 통해서도 해결된다.

Description

실리콘 표면 조직화 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR TEXTURING A SILICON SURFACE}
본 발명은 불소 가스를 이용하여 기판 표면을 에칭하는 것을 통해 적어도 하나의 결정 실리콘 기판의 적어도 하나의 기판 표면을 조직화하기 위한 방법에 관한 것이며, 실리콘 기판의 에칭 공정은 플라스마 에칭 챔버 내에서 생성되는 플라스마 내에서 실행된다. 또한, 본 발명은, 불소원(fluorine source)과 연결된 가스 공급 유닛과 적어도 하나의 플라스마원(plasma source)을 구비한 플라스마 에칭 챔버를 포함하여 적어도 하나의 결정 실리콘 기판의 적어도 하나의 기판 표면을 조직화하기 위한 장치에도 관한 것이다.
본원과 관련하여 조직화는 마이크로미터 및 서브마이크로미터 범위로 기판 표면의 높지만 균일한 표면 거칠기를 생성하는 것을 의미한다. 상기 유형으로 조직화된 표면은 매끄러운 표면보다 더 많은 전자기 방사선을 흡수하고 더 적은 전자기 방사선을 반사한다. 그러므로 상기 유형의 조직화는, 전자기 방사선이 표면 아래의 물질(matter)과 상호작용하는 표면들에서, 예컨대 광전 셀(photovoltaic cell)에서 실행된다. 상기 셀의 표면이 조직화된다면, 상대적으로 더 적은 광이 반사되며, 그리고 광전 셀의 효율은 자신의 표면이 조직화되어 있지 않은 셀에 비해 증가한다. 조직화의 경우, 실리콘 및 예컨대 실리콘 산화물을 특히 휘발성 실리콘 테트라 플루오르화물로 변환하기 위해, 특히 불소 함유 화학물질들이 이용된다. 불소 가스와 관련하여 높은 반응성과 이와 결부되는 높은 안전 요건으로 인해, 공정 가스로서 불소 가스의 산업 이용은 엄격하게 제한된다. 특히 불소 가스의 운송이 강하게 제한된다. 그러므로 보통 실리콘 기판의 조직화를 위해 불소 함유 공정 가스, 예컨대 황 헥사 플루오르화물, 질소 트리 플루오르화물 또는 테트라 플루오로메탄이 이용된다.
최초에 언급한 방법 및 최초에 언급한 장치는 국제공보 WO 2009/092453 A2로부터 공지되었다. 상기 국제공보에서는, 불소 가스, 카르보닐 플루오르화물 또는 질소 트리 플루오르화물 또는 이들로 이루어진 혼합물로 실행될 수 있는 실리콘 표면을 위한 플라스마 에칭 공정이 개시되었다. 또한, 에칭 가스에 예컨대 황 헥사 플루오르화물을 추가로 혼합하는 점도 제안된다. 그러나 황 헥사 플루오르화물 및 질소 트리 플루오르화물의 이용은 이들 플루오르화물이 온실 가스로서 작용하므로 바람직하지 못하다.
국제 공보 WO 2012/145473 A1에서는, 실리콘 웨이퍼 표면의 에칭 및 조직화를 위한 불소 가스를 이용한 건식 에칭 방법이 개시되었다. 이 경우, 450 내지 550℃의 온도 및 10 내지 50Torr의 압력을 조건으로 30 내지 90초의 시간에 실리콘 웨이퍼의 표면의 7 내지 20㎛가 제거되고, 다이싱 손상(dicing damage)은 연마되며, 표면의 조직화가 실행된다. 이 경우, 습식 화학 침지 방법에서 생성되는 텍스처의 경우에 가능한 것보다 훨씬 더 효과적으로 광을 흡수하는 이른바 "다크 텍스처(dark texture)"가 형성된다. 높은 에칭률로 인해 기재한 공정은 부적합하게만 통제될 수 있다.
또 다른 공지된 방법은 미국 공보 US 2013/0069204 A1에 기재되어 있다. 이 미국 공보에서는, 테트라 플루오로메탄, 트리 플루오로메탄, 카르보닐 플루오르화물, 황 헥사 플루오르화물, 질소 트리 플루오르화물 또는 크세논 디플루오르화물과 같은 플루오르화물 함유 가스 또는 불소 가스가 염소 함유 화합물과의 혼합물로 450℃를 상회하는 온도의 조건에서 실리콘 웨이퍼의 표면의 에칭 및 구조화를 위해 이용된다. 염소 함유 화합물들로서는, 수소 또는 염화수소를 함유하는 테트라 클로로메탄, 트리 클로로실란이 이용된다. 상기 방법에서 형성되는 불소 및 염소 함유 공정 배출가스들은 높은 기술 비용 하에서만 처리될 수 있다.
미국 공보 US 8,952,949 B2에서는, 실리콘 표면의 조직화를 위한 플라스마 에칭 방법이 개시되었으며, 여기서는 황 헥사 플루오르화물과 산소로 이루어진 혼합물이 고주파 플라스마 내에서 이용된다. 이런 경우에서도, 황 헥사 플루오르화물의 이용은 강한 온실 효과로 인해 부적합하다.
또한, 미국 공보 US 2014/0216541 A1에서는, 실리콘 표면의 조직화를 위한 다단계 방법이 제안되었으며, 이 경우 우선 각뿔로 각인된 표면의 제조를 위한 습식 화학 염기 에칭 공정이 수행된다. 그런 다음, 염소 트리 플루오르화물을 이용한 건식 에칭을 통한 추가 미세 조직화가 실행된다. 상기 유형의 다단계 방법은 시간 및 재료 집약적인데, 그 이유는 습식 화학 공정 단계 후에, 건식 에칭 공정 동안 간섭을 방지하기 위해, 복잡한 건조가 수행되어야 하기 때문이다. 여기서도 또한 광대한 화학 폐기물의 형성뿐만 아니라 오랜 공정 기간이 바람직하지 못하다.
그러므로 본 발명의 과제는, 재료 및 환경을 보호하면서 실리콘 표면의 고품질 조직화를 가능하게 하는 실리콘 표면 조직화 방법 및 장치를 제안하는 것에 있다.
상기 과제는, 플라스마 에칭 챔버로 불소 가스와 더불어 적어도 기상 황 산화물이 공급되는 앞에서 언급한 유형의 방법을 통해 해결된다. 여기서, 그리고 하기에서, 황 산화물로서 지칭되는 경우는 일반 화학식(SxOy)의 화합물들이며, 다시 말하면 예컨대 디황 일산화물, 황 일산화물, 황 이산화물, 디황 이산화물 및/또는 황 삼산화물이다.
플라스마 내에서 불소 가스의 이용이 바람직한데, 그 이유는 불소 기반 플라스마 공정에서 반응 화학이 폭넓은 범위에 걸쳐서 설정될 수 있기 때문이다. 종래 기술에서 공지된 방법들은 각각의 공정 매개변수들에 따라서 결과적으로 매우 높은 반사율을 나타내는 매끄러운 기판 표면을 제공하거나, 또는 비록 매우 적은 전자기 방사선을 반사하지만, 그러나 방사선의 대부분을 기판의 벌크 범위 또는 실리콘 기판 내에 위치하는 pn 접합으로 전도하는 것 대신, 조직화된 표면의 내부에서 상기 방사선의 대부분을 흡수하는 이른바 "다크 텍스처(dark texture)"를 제공한다. 또한, "다크 텍스처"는 부서지기 매우 쉬우며 그로 인해 코팅 공정에서 어렵게 부동화된다. 그에 따라, 상기와 같이 조직화된 기판 표면은 예컨대 태양 전지에서의 이용을 위해 부적합하다. 본 발명에 따른 방법의 경우, 놀라운 방식으로, 플라스마 에칭 챔버 내의 불소 가스로 황 산화물(SxOy)이 공급될 때, 기판 표면의 특히 바람직한 조직화가 제공되었다.
다시 말해, 본 발명에 따라서, 기상 황 산화물은 불소 가스와 더불어, 실리콘 표면을 조직화하기 위한 플라스마 에칭 공정을 위해 이용되며, 그에 따라 실리콘 표면의 플라스마 여기식 화학 에칭 공정이 실현된다. 전술한 플라스마의 이용은, 실리콘 표면과 반응할 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라 존재하는 공기 산화물, 다시 말하면 기판 표면에 위치하는 실리콘 산화물, 또는 예컨대 O2 또는 N2O처럼 공정 가스에 추가로 첨가된 산소 함유 화합물들과도 반응할 수 있는 여기된 상태의 라디칼과 반응성 이온뿐만 아니라 원자 및 분자를 형성하게 한다. 이는 매우 상이한 실리콘 기판들의 가공을 가능하게 하는데, 그 이유는 공정이, 순수 물리적 및 순수 화학적 가공 방법과 달리, 결과적으로 예컨대 처리할 기판 표면의 결정학적 특성들 또는 이용되는 기판 제조 방법과 무관하기 때문이다. 다시 말하면, 그에 따라 예컨대 다이아몬드 와이어에 의해 다이싱(dicing)된 웨이퍼뿐만 아니라 매우 얇은 실리콘 기판 역시도 조직화될 수 있다. 이와 반대로, "reactive ion etching" 또는 RIE로도 지칭되는 반응성 이온 에칭의 경우, 라디칼, 반응성 이온뿐만 아니라 원자 및 분자는 여기된 상태에서 전위 기울기를 통해 기판 표면 쪽으로 이동 촉진되며, 그럼으로써 상응하는 입자들은 높은 속도로 기판 표면 상에 작용하고 물리적으로 원자는 기판 표면으로부터 뿜어져 나온다. 그 결과, 실리콘 기판의 결정 내에서는 변형(strain)이 야기될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 방법의 경우 방지된다.
습식 화학 조직화 방법과 달리, 본 발명에 따른 방법에 의해, 의도하는 표면 상에서만 실리콘 기판을 조직화하는 일측 면 공정(one-side process) 역시도 실현될 수 있다. 그에 따라, 상기 방법을 통해, 습식 화학 조직화 공정에서보다 더 적은 화학물질들이 이용된다. 습식 화학 에칭 방법에서 기판 세척을 위해 이용되는 탈이온수는 처리하지 않아도 된다. 또한, 본 발명의 경우, 다양한 제조 기술에서 특히 고효율성 태양 전지를 위해 필요하거나 적어도 바람직한 것과 같은 실리콘 기판의 배면의 차후 광내기도 생략된다. 습식 화학 방법의 경우, 발생하는 부산물들이 용액 내에 존재하고 그에 따라 기판 표면 가까이에서 오랫동안 머무른다. 공정 기간 동안 에칭 욕 내에서 생성물의 상승하는 농도와 에칭 시약의 감소하는 농도는 조직화 공정을 지연시키며, 그럼으로써 습식 화학 방법의 경우 이용되는 에칭 욕은 정기적으로 교체되거나, 또는 적어도 재조제되어야 하며, 그리고 사용한 에칭 욕의 재처리를 위해 대대적인 노력을 기울어야 한다. 이와 반대로, 본 발명에 따르는 방법의 경우, 발생하는 부산물은 기상이며, 공정 중에 가스 유출구를 통해 기판 표면으로부터 신속하게 제거된다. 이와 동시에, 항상 새로운 에칭, 공정 및 보조 가스들이 플라스마 에칭 챔버로 공급될 수 있다. 그에 따라, 한편으로 본 발명에 따른 조직화 방법의 반응 속도는 공정 기간과 무관하며, 그리고 다른 한편으로는 습식 화학 조직화 방법의 경우에서보다 처리할 폐기물도 훨씬 더 적다. 또한, 공정 챔버 내 불순물의 누적은 본 발명의 경우 많이 감소된다.
또한, 본 발명에 따른 방법의 경우, 매우 적거나 작은 온실 효과를 나타내면서 간단한 방식으로 공정 배출가스로부터 분리되는 가스들이 이용된다. 예컨대 실리콘 테트라 플루오르화물, 불소 가스, 산소 디플루오르화물 또는 수소 플루오르화물처럼 본 발명에 따른 방법에서 배출될 배출가스들은 환경 친화적이며, 그리고 기후 가온(climate warming)을 고려해서는 적어도 중립적이다. 그 밖에도, 본 발명에 따른 방법은, 환경으로 환경 유해 배출가스를 매우 적은 정도만을 배출하거나 심지어는 전혀 배출하지 않는 가능성을 개시한다. 또한, 본 발명에 따라서, 화학물질의 이용은 또 다른 공정 가스들을 이용하는 방법들에 비해서도 실질적으로 감소되는데, 그 이유는 예컨대 상기 방법을 위해 이용되는 불소 가스의 원자 효율성이 약 80% 내지 90%이기 때문이다.
본 발명에 따른 방법의 한 개선예에서, 불소 가스는 플라스마 에칭 챔버와 연결된 적어도 하나의 불소 가스 생성 시스템에서 전기분해에 의해 생성되어 플라스마 에칭 챔버로 공급된다. 그에 따라, 불소 가스의 생성은 플라스마 에칭 공정의 수행 장소에서 제공되며, 그럼으로써 한편으로 불소의 운송은 생략되고 다른 한편으로는 불소 가스가 공정 요건에 상응하게 항상 요구되는 양으로 공급될 수 있다. 이 경우, 불소 가스 생성 시스템에서 불소 제조를 위한 출발 물질로서는 안전하면서도 특히 손실 없이 조직화가 실행되는 장소로 운송될 수 있는 수소 플루오르화물이 이용된다. 또한, 불소 가스 생성 시스템에서 불소 가스를 제조할 수 있는 물질인 수소 플루오르화물은 상응하는 압력 및/또는 상응하는 냉각 조건하에서 액체로서 공간을 훨씬 더 절약하는 방식으로 불소 가스로서 보관 및 운송될 수 있다.
전기분해 동안, 불소 가스는 통상 대기압력 조건에서 생성된다. 그러므로 상대적으로 더 높은 압력의 실현을 위해, 바람직하게는 불소 가스 생성 시스템과 플라스마 에칭 챔버 사이에 적어도 하나의 압력 상승 유닛이 제공된다. 압력 상승 유닛의 하류에 별도의 압력 탱크가 제공될 수 있으며, 이 압력 탱크 내에서 생성된 불소 가스는 가압된 상태로 중간 저장될 수 있다. 상기 압력 탱크에서 불소 가스를 위해 달성할 압력은 바람직하게는 1bar 내지 3.5bar 초과압의 범위이다. 플라스마 에칭 챔버 내 압력은 대기압력 미만이며, 바람직하게는 100mbar 미만이며, 특히 바람직하게는 10mbar미만이다. 압력 탱크에서부터, 또는 직접적으로 불소원에서부터 플라스마 에칭 챔버로 그에 상응하게 불소 가스의 압력을 감소시키기 위해, 불소원과 플라스마 에칭 챔버 사이의 상응하는 가스 라인 내에 적어도 하나의 감압 밸브 및/또는 하나의 질량 유량 조절기가 제공될 수 있다. 적어도 하나의 상응하는 감압 밸브 및/또는 질량 유량 조절기는 황 산화물원과 플라스마 에칭 챔버 사이의 가스 라인 내에도 제공될 수 있다. 추가 가스들이 또 다른 가스원들로부터 플라스마 에칭 챔버 내로 안내되어야 한다면, 마찬가지로 가스원과 플라스마 에칭 챔버 사이의 가스 라인 내에 적어도 하나의 감압 밸브 및/또는 하나의 질량 유량 조절기가 제공될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 불소 가스는, 예컨대 황 산화물과 같이 본원의 방법에서 이용되는 기타 공정 가스들보다 기판 표면에 더 가까운 방식으로 플라스마 에칭 챔버 내로 유입된다. 그에 따라, 특히 반응성 불소 가스는 조직화할 기판 표면으로 향하는 최대한 짧은 경로를 통과해야 하는 점이 보장된다. 다른 경우에는, 플라스마를 위해 이용되는 또 다른 가스들, 예컨대 황 산화물과 불소 가스의 부가 반응이 발생할 수 있으며, 이는 이용되는 불소 가스의 원자 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 황 산화물과 경우에 따라 추가로 이용되는 보조 가스들은 불소가스보다 기판 표면으로부터 더 멀리 이격되어 플라스마 에칭 챔버 내로 유입되며, 이 플라스마 에칭 챔버에서 상기 황 산화물 및 보조 가스들은 플라스마 내에서 불소 가스 또는 불소 종(fluorine species)과 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현예에서, 에칭 공정 동안 사용되지 않은 공정 가스들 및 에칭 공정 동안 발생하는 배출가스들은 적어도 하나의 가스 유출구를 통해 플라스마에서 배출되고 후속하여 적어도 하나의 습식 화학 배출가스 처리 장치를 통과하여 안내된다. 습식 화학 배출가스 처리 장치 내에서는, 본 발명에 따른 방법의 경우, 사용되지 않은 에칭 가스들, 다시 말하면 예컨대 불소 및 적어도 황 플루오르화물, 그리고 반응 동안 발생하는 가스들, 예컨대 실리콘 테트라 플루오르화물, 수소 플루오르화물 및/또는 산소 디플루오르화물이 흡착되고, 그리고/또는 흡수될 수 있다. 예컨대 배출가스 처리 장치는, 상기 가스들을 용액 내로 흡수하고, 그리고/또는 화학적으로 변환하기 위해, 세척기(washer)로서 형성될 수 있다. 그 결과, 독성 및/또는 산성 반응 물질들은 배출가스로부터 제거될 수 있다. 그런 다음, 배출가스 처리 장치 내에서 경우에 따라 발생하는 산성 잔류물들, 예컨대 불화수소산으로도 지칭되는 플루오르화수소산은 적어도 하나의 염기를 이용한 중성화를 통해 위험하지 않은 폐기물로 변환될 수 있다.
바람직하게 플라스마는 본 발명에 따른 방법의 경우 마이크로파 범위의 주파수에서, 또는 "inductively coupled plasma 소스" 또는 ICP 소스로도 지칭되는 적어도 하나의 유도 결합 플라스마원을 통해 생성된다. 마이크로파 플라스마원들 또는 ICP 소스들의 이용은, 여기서 실질적으로 기판 표면의 방향으로 전위차에 의한 이온 및/또는 라디칼의 이동 촉진이 수행되지 않는다는, 다시 말하면 실질적으로 기판 표면의 물리적 에칭 및 그로 인해 기판 표면 상에서 실리콘 기판의 결정 손상이 수행되지 않는다는 장점을 제공한다. 그 결과, 예컨대 조직화된 기판의 결정 변형(crystal strain)은 실질적으로 방지될 수 있다. 대안의 실시 변형예에서, 고주파 범위에서 플라스마의 생성 역시도 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 실시형태에서, 실리콘 기판들은 플라스마 에칭 챔버 내에서 기판 온도 조절 장치를 통해 가열되고, 그리고/또는 냉각된다. 따라서 예컨대 플라스마 내에서 기판 표면 상에서 200℃ 미만, 바람직하게는 150℃ 미만, 특히 바람직하게는 100℃ 미만의 조직화 공정을 위한 반응 온도가 달성될 수 있다. 그 결과, 조직화 방법의 선택성은 주로 에칭하는 재료 제거에 비해 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 개선예에서, 실리콘 기판들은 기판 이송 장치 상에서 플라스마 에칭 챔버를 통과하여 계속해서 이송된다. 그에 따라, 본원의 방법이 실행될 수 있는 설비에 지속적으로 실리콘 웨이퍼들이 투입되며, 이는 이른바 "배치(batch) 방법보다 시간 및 에너지와 관련하여 더 효율적인 작동 방식을 가능하게 한다.
또한, 본원의 과제는, 가스 공급 유닛이 적어도 하나의 황 산화물원과도 추가로 연결되어 있는, 앞에서 언급한 유형의 장치를 통해서도 해결된다. 여기서, 그리고 하기에서, 황 플루오르화물은 예컨대 디황 일산화물, 황 일산화물, 황 이산화물, 디황 이산화물 및/또는 황 삼산화물과 같은 일반 화학식(SxOy)의 화합물들을 포괄한다.
불소 가스원에 의해, 매우 정확하게 설정 가능한 에칭률로 실리콘을 에칭할 수 있는 불소 가스가 플라스마로 공급될 수 있다. 종래 기술에서 공지된 장치들과 달리, 본 발명에 따른 장치의 가스 공급 유닛은 불소원과 연결될 뿐만 아니라, 그 밖에도 황 산화물원과도 연결된다.
다시 말해, 본 발명에 따른 장치의 경우, 실리콘 표면을 조직화하기 위한 플라스마 에칭 공정을 위한 기상 황 산화물 및 불소 가스가 플라스마 에칭 챔버로 공급될 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따른 장치에서, 실리콘 표면을 조직화하기 위한 플라스마 여기식 화학 에칭 공정도 실현될 수 있다. 플라스마 에칭 챔버 내에서 생성 가능한 플라스마 내에서, 공급되는 가스들로부터, 실리콘 표면과, 그리고 그런 다음 경우에 따라 존재하거나 형성되는 실리콘 산화물과 반응할 수 있는 여기된 상태의 라디칼, 반응성 이온뿐만 아니라 원자 및 분자가 생성된다. 이는 매우 상이한 실리콘 기판들의 가공을 가능하게 하는데, 그 이유는 본 발명에 따른 장치에서는, 물리적 또는 순수 화학적 에칭 장치들과 달리, 실리콘 기판들이 예컨대 처리할 기판 표면의 결정학적 특성들 또는 이용되는 기판 제조 방법과 무관하게 조직화될 수 있기 때문이다. 다시 말해, 본 발명에 따른 장치에서, 예컨대 다이아몬드 와이어에 의해 다이싱된 웨이퍼뿐만 아니라 매우 얇은 기판들 역시도 일측 면 또는 양측 면에서 조직화될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는, 종래 기술로부터 공지된 RIE(반응성 이온 에칭) 에칭 장치들과 달리, 실리콘 표면의 유연한 표면 에칭 및 구조화를 가능하게 하며, 그럼으로써 예컨대 결정 변형 등은 방지될 수 있다.
습식 화학 조직화를 수행하도록 형성되는 장치들과 달리, 본 발명에 따른 장치에 의해, 실리콘 기판이 하나의 원하는 표면에서만 조직화되는 일측 면 공정 역시도 실현될 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따른 장치의 이용을 통해, 습식 화학 조직화 공정에서 이용되는 장치들을 이용하는 경우에서보다, 화학물질은 더 적게 요구된다. 그에 따라, 본 발명에 따른 장치의 이용 시, 습식 화학 에칭 장치들에서 공지된 오염된 탈이온수의 처리는 생략된다. 또한, 본 발명에 따른 장치의 이용 시 실리콘 기판의 배면의 차후 광내기도 필요하지 않다. 본 발명에 따른 장치에서 발생하는 화학 부산물들은 기상이며, 그리고 본원의 장치의 적어도 하나의 가스 유출구를 통해 기판 표면으로부터 적합하게 배출될 수 있다. 이와 동시에, 플라스마 에칭 챔버에는 항상 새로운 에칭, 공정 및/또는 보조 가스들이 공급될 수 있다. 그에 따라, 한편으로 본 발명에 따른 장치 내에서 반응 속도는 공정 기간과 무관하며, 그리고 다른 한편으로는 습식 화학 조직화 장치들의 경우에서보다 처리할 폐기물들은 훨씬 더 적게 발생한다.
본 발명에 따른 장치의 경우, 매우 적거나 작은 온실 효과를 나타내면서 간단한 방식으로 공정 배출가스들에서 제거되는 가스들이 에칭 챔버로 공급될 수 있다. 예컨대 실리콘 테트라 플루오르화물, 불소 가스, 산소 디플루오르화물 및/또는 수소 플루오르화물처럼 본 발명에 따른 장치에서 배출될 배출가스들은 환경 친화적이거나, 또는 배출 가스 처리에서 환경 중립적 화합물들로 변환될 수 있으며, 그리고 기후 가온의 관점에서는 적어도 중립적이다. 그 밖에도, 본 발명에 따른 장치는, 환경으로 환경 유해 배출가스를 매우 적은 정도만을 배출하거나 심지어는 전혀 배출하지 않는 가능성을 개시한다. 또한, 습식 화학 조직화 공정이 실행될 수 있는 장치들에 비해, 그리고 또 다른 공정 가스들이 이용되는 장치들에 비해 화학물질들의 이용은 실질적으로 감소되는데, 그 이유는 예컨대 본원의 장치에서 이용되는 불소 가스의 화학적 변환 효율성이 적어도 80% 내지 90%이기 때문이다.
본 발명에 따른 장치의 한 바람직한 개선예에 따라서, 불소원은, 불소가 플라스마 에칭 챔버 내로 공급되기 전에 그 내에서 수소 플루오르화물로부터 전기분해를 통해 생성될 수 있으면서 플라스마 에칭 챔버와 연결되는 불소 가스 공급 및/또는 불소 가스 생성 시스템이다. 그에 따라, 직접 조직화 장치에서 불소 가스를 생성할 수 있으며, 그럼으로써 불소 가스의 운송 및/또는 보관은 필요하지 않다. 그 대신, 불소 가스 생성 시스템에서 불소 가스를 제조할 수 있는 물질인 수소 플루오르화물은 상응하는 압력 및/또는 상응하는 냉각 조건하에서 액체로서 공간을 훨씬 더 절약하는 방식으로 불소 가스로서 보관될 수 있다. 또한, 상기 실시형태를 통해, 본 발명은 조직화 공정의 가스 요건에 따라서 그에 상응하게 불소 가스가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 한 바람직한 변형예에서, 불소 가스 생성 시스템과 플라스마 에칭 챔버 사이에는 적어도 하나의 세정 모듈 및/또는 하나의 압력 상승 유닛이 제공된다. 불소 가스 생성 시스템에서 전기분해 동안 형성되는 불소 가스는 일반적으로 여하히 수소 플루오르화물을 함유할 수 있다. 그러므로 수소 플루오르화물 및 경우에 따른 또 다른 불순물들이 그 내부에서 제거될 수 있는 세정 모듈에, 불소 가스 생성 시스템에서 생성된 가스 혼합물을 통과시키는 점이 바람직하며, 그럼으로써 높은 순도의 불소 가스가 플라스마 에칭 챔버 내로 유입될 수 있다. 또한, 가스 혼합물은 전형적으로 대기압력으로 불소 가스 생성 시스템에서 플라스마 에칭 챔버로 유동한다. 대기압력보다 더 높은 압력을 달성하기 위해, 불소 가스 생성 시스템과 플라스마 에칭 챔버 사이에서 압력 상승 유닛의 이용이 바람직하다. 상기 유형의 압력 상승 유닛은 가능한 실시 변형예에서 예컨대 압축기와, 압축된 불소 가스를 위한 저장 탱크로서 이용되는 압력 탱크로 구성된다.
본 발명의 대안의 실시형태에서, 불소원은 적어도 하나의 압축가스용기(compressed-gas cylinder)의 형태로 형성될 수 있다. 이런 경우에, 세정 모듈 및/또는 압력 상승단은 생략될 수 있다. 이런 경우에, 압축가스용기는 불소원으로서뿐만 아니라 압력 탱크로서도 이용된다.
상기 실시 변형예들 각각에서 바람직하게는 불소원과 플라스마 에칭 챔버 사이의 가스 라인 내에 적어도 하나의 감압 밸브 및/또는 하나의 질량 유량 조절기가 제공된다. 이는, 바람직하게는 100mbar 미만, 특히 바람직하게는 10mbar 미만의 압력이 우세하게 존재하는 플라스마 에칭 챔버의 압력에 부합하게 불소 가스의 압력을 조정할 수 있게 하거나, 또는 정의된 가스 흐름을 설정할 수 있게 한다. 적어도 하나의 상응하는 감압 밸브 및/또는 질량 유량 조절기는 바람직하게는 황 산화물원과 플라스마 에칭 챔버 사이의 가스 라인 내에도 제공된다. 추가 가스들이 또 다른 가스원들로부터 플라스마 에칭 챔버 내로 안내되어야 한다면, 바람직하게는 그에 상응하게 항상 가스원과 플라스마 에칭 챔버 사이의 가스 라인 내에 적어도 하나의 감압 밸브 및/또는 하나의 질량 유량 조절기가 제공된다.
특히 바람직하게는 본 발명의 한 실시형태에 따라서 불소원과 연결된 가스 공급 유닛의 가스 유입구가 황 산화물원과 연결된 가스 공급 유닛의 가스 유입구보다 기판 표면에 더 가깝게 제공된다. 가스 유입구들은 플라스마 에칭 챔버 내에서 바람직하게는 기판 이송 장치의 상부에 배치된다. 적어도 불소 가스 및 황 산화물을 공급하기 위해 이용되는 적어도 2개의 가스 유입구는 본 발명의 바람직한 실시형태에서 수직으로 상이한 높이에 배치되며, 다시 말하면 적어도 하나의 상부 가스 유입구와 하나의 하부 가스 유입구가 있으며, 황 산화물원과 연결된 상부 가스 유입구는 기판 표면에 대해 상대적으로 불소원과 연결된 하부 가스 유입구보다 더 멀리 배치되어 있다. 그에 따라, 불소 가스는 기판 표면에 대해 특히 가깝게 플라스마 에칭 챔버 내로 유입될 수 있으며, 그에 반해 황 산화물 및 각각의 실시형태에 따르는 추가 공정 및/또는 보조 가스들은 기판 표면에 대해 불소 가스보다 더 많이 이격되어 플라스마 에칭 챔버 내로 유입될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 한 바람직한 개선예에서, 플라스마 에칭 챔버는 적어도 하나의 가스 유출구를 포함하며, 이 가스 유출구는 적어도 하나의 습식 화학 배출가스 처리 장치 내로 통해 있다. 배출가스 처리 장치는, 습식 화학 공정을 이용하여, 본 발명에 따른 장치에서 이용되지 않고, 그리고/또는 발생하는 독성 및/또는 산성 반응 가스들의 흡착 및/또는 흡수를 위해 이용된다. 이런 가스에 속하는 물질로는 특히 불소 가스, 실리콘 테트라 플루오르화물, 산소 디플루오르화물, 황 이산화물 또는 수소 플루오르화물이다. 배출가스 처리 장치는, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 가스들이 그 내에서 용액 내로 흡수되고, 그리고/또는 화학적으로 변환되는 세척기와 경우에 따른 버너를 포함할 수 있다. 상기 세척기 내에서, 배출가스 내의 플루오르화물 함유 물질들로부터 예컨대 불화수소산으로도 지칭되는 플루오르화수소산이 형성될 수 있고, 그런 다음 상기 플루오르화수소산은 배출가스 처리 장치 내에서 적어도 하나의 염기에 의해 중성화될 수 있으며, 그럼으로써 결과적으로 위험하지 않은 폐기물이 발생하게 된다.
본 발명에 따른 장치의 추가 실시형태에서, 적어도 하나의 플라스마원은 마이크로파 플라스마원으로서, 그리고/또는 "inductively coupled plasma 소스" 또는 ICP 소스로도 지칭되는 유도 결합 플라스마원으로서 형성된다. 플라스마는 매우 상이한 실리콘 기판들의 가공을 가능하게 하며, 공정은 예컨대 처리할 기판 표면의 결정학적 특성들 또는 이용되는 기판 제조 방법과 무관하다. 그에 따라, 또한, 순수한 일측 면 공정이 존재하며, 그럼으로써 기판 배면의 차후 광내기는 생략된다. 플라스마원은 바람직하게는 선형 플라스마원이며, 다시 말하면 장치 폭에 걸쳐서 연장되는 플라스마원이다. 그 결과, 본 발명에 따른 장치에서 다수의 기판을 포함한 폭넓은 기판 캐리어를 동시에 이용할 수 있고, 그에 따라 다수의 기판을 동시에 조직화할 수 있다. 본 발명의 대안의 실시형태에서, 플라스마원은 고주파 플라스마원으로서도 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 변형예에서, 플라스마 에칭 챔버 내에는 기판 온도 조절 장치가 제공된다. 이런 기판 온도 조절 장치는 예컨대 순환-가열-냉각기로서 형성될 수 있으며, 그리고 결과적으로 예컨대 플라스마 내에서 기판 표면 상에 200℃ 미만, 바람직하게는 150℃ 미만, 특히 바람직하게는 100℃ 미만의 조직화 공정을 위한 반응 온도를 실현하기 위해, 기판의 냉각 및/또는 가열을 위해 이용될 수 있다. 그 대안으로, 기판은 필요에 따라 기판 온도 조절 장치에 의해 가열될 수도 있다. 따라서 예컨대 기판 온도 조절 장치를 이용하여, 기판(들) 상에서 불순물들이 승화를 통해 제거될 수 있는 방식으로, 기판(들)을 가열할 수 있다. 기판 온도 조절 장치는 본 발명의 경우 순수 기판 냉각 장치로서도 형성될 수 있다. 기판 냉각 장치를 통해, 기판 표면의 적합한 조직화가 달성될 수 있으며, 이와 동시에 실리콘 기판의 재료 제거는 감소될 수 있다.
한 추가 구현예에서, 본 발명에 따른 장치는 적어도 하나의 조직화할 실리콘 기판을 위해 플라스마 에칭 챔버를 통과하는 기판 이송 장치를 포함하는 터널 머신(tunnel machine)이다. 그에 따라, 본 발명에 따른 장치에 의해, 설비에 실리콘 웨이퍼를 지속적으로 투입할 수 있으며, 이는 이른바 "배치(batch) 방법보다 시간 및 에너지와 관련하여 더 효율적인 작동 방식을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태들, 그 구성, 기능 및 장점들은 하기에서 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 불소 가스원과, 황 산화물원과, 불활성 가스원과, 산소원과, 마이크로파 플라스마원을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 실시형태를 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 2는 불소 가스 생성 시스템의 형태인 불소 가스원과, 황 산화물원과, 불활성 가스원과, 산소원과, 마이크로파 플라스마원을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 대안의 실시형태를 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 3은 불소 가스원과, 황 산화물원과, 불활성 가스원과, 산소원과, ICP 소스를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 대안의 실시형태를 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 가능한 공정 시퀀스를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1에는, 적어도 하나의 실리콘 기판(6)의 기판 표면(61)을 조직화하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)가 개략적인 횡단면도로 도시되어 있다. 본원의 장치(1)는 바람직하게, 그리고 도시된 실시예들에서 표시되는 것처럼 터널 머신 또는 인라인 설비(inline plant)이며, 이를 통과하여 처리할 실리콘 기판(들)(6)은 본원의 장치(1) 내에서 실행되는 조직화 공정 동안 이송된다.
도 1에 예시로 도시된 장치(1)는 플라스마 에칭 챔버(2)를 포함하고, 이 플라스마 에칭 챔버 내에서 플라스마원(3)은 플라스마 에칭 챔버(2)의 상부 반부(upper half)에 제공된다. 미도시한 대안의 실시형태에서, 플라스마원(3)은 플라스마 에칭 챔버(2)의 하부 반부에도 제공될 수 있거나, 또는 플라스마 에칭 챔버(2)의 하부 반부 및 상부 반부 모두에 배치되는 복수의 플라스마원(3)도 제공될 수 있다.
플라스마원(3)은 도 1 및 도 2에서 마이크로파 플라스마원이다. 마이크로파 플라스마원은 도시된 실시예들에서 안쪽에 위치하는 안테나를 포함한 튜브(31)로서 형성되며, 이 튜브 내에서 마이크로파 범위의 전자기 방사선이 생성된다. 튜브(31)는 길쭉하게 형성되고 도 1의 그림 평면 안쪽으로 연장된다. 튜브(31) 내에서는 바람직하게는 정상파(stationary wave)가 생성된다. 튜브(31)에 이웃하는 방식으로, 플라스마 에칭 챔버(2)에 대해 3개의 측면 쪽으로 튜브(31)를 범위 한정하는 가스 유입구 카울(32)(gas inlet cowl)이 배치되며, 이와 반대로 기판 표면(61) 쪽으로 향해 있는 측면은 개방된 상태로 유지된다. 튜브(31)와 가스 유입구 카울(32) 사이에는 특히 바람직한 실시형태에서 접촉 지점들은 존재하지 않는다. 플라스마원(3)에 의해, 플라스마 에칭 챔버(2) 내에서는 플라스마(20)가 생성된다.
본 발명에 따른 장치의 대안의 실시형태에서, 플라스마원(3)은 도 3에 도시된 것처럼 ICP 소스(source)일 수 있다. 본 발명의 미도시한 또 다른 실시형태들에서, 마이크로파 플라스마원 대신, 고주파 범위에서 작동하는 플라스마원(3) 역시도 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(1) 내에서는 복수의 플라스마원이 도시된 도면들에서 그림 평면 안쪽으로 연장되는 방향으로 서로 나란히 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 기판 이송 장치(4)의 하부에서 기판 이송 방향(A)에 대해 수직으로 배치될 수도 있다. 이 경우, 예컨대 하나 또는 복수의 플라스마원(3)은 ICP 소스일 수 있으며, 그에 반해 적어도 하나의 추가 플라스마원(3)은 마이크로파 플라스마원이다.
도 1에 도시된 실시형태에서, 본원의 장치(1)의 플라스마 에칭 챔버(2)의 하부 반부 내에는 기판 이송 장치(4)가 제공된다. 기판 이송 장치(4)는 도시된 실시예에서 이송 롤러들(41)을 포함하며, 이 이송 롤러들 상에서 기판 캐리어(5)는 기판 이송 방향(A)으로, 그리고/또는 상기 기판 이송 방향(A)의 반대 방향으로 플라스마 에칭 챔버(2)를 통과하여 이송될 수 있다. 이송 롤러들(41)은 도 1의 그림 평면 안쪽으로 연장된다. 본 발명의 미도시한 또 다른 실시형태들에서, 기판 이송 장치(4)는 예컨대 적어도 하나의 컨베이어 벨트처럼 도시된 이송 롤러들(41)과 다른 이송 메커니즘들 역시도 포함할 수 있거나, 또는 기판 캐리어(5)가 가이드 레일들을 따라서 이동할 수 있다.
기판 캐리어(5) 상에는, 본원의 장치(1)에서 실행되는 조직화 공정 동안 적어도 하나의 실리콘 기판(6)이 제공되며, 이 실리콘 기판의 기판 표면(61)은 상기 공정에서 조직화된다. 이 경우, 실리콘 기판(6)은 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예들의 경우 기판 캐리어(5) 상에서 조직화할 표면(61)이 위로 향한 상태로 플라스마 에칭 챔버(2)를 통과하여 이송된다. 그에 따라, 플라스마(20)에 노출되는 전면의 기판 표면(61)은 조직화될 수 있고, 그에 반해 캐리어(5) 상에 안착된 기판(6)의 기판 배면(62)은 플라스마(20)에 노출되지 않는다.
플라스마 에칭 챔버(2)로 각각의 가스 성분들의 공급은 가스 공급 유닛(7)을 통해 수행된다. 가스 공급 유닛(7)은 불소원(8)과 연결된 가스 유입구들(71)뿐만 아니라, 황 산화물원(9)과 연결된 가스 유입구(72) 역시도 포함한다. 가스 유입구들(71)은 가스 라인 시스템(73)을 통해 불소원(8)과 연결된다. 가스 유입구(72)는 가스 라인(74)을 통해 황 산화물원(9)과 연결된다. 도 1에 도시된 것처럼, 가스 라인들(74)을 통해 아르곤원(14) 및 산소원(15)과 연결되는 추가 가스 유입구들(75 및 76)도 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 통해 있다. 가스 라인들(73 및 74) 내에는 각각 하나의 질량 유량 조절기(10)가 제공된다. 이런 질량 유량 조절기들(10) 대신, 감압 밸브들 역시도 이용될 수 있다. 예컨대 도 2에 도시된 것과 같은 대안의 실시형태에서, 예컨대 황 산화물, 산소 및/또는 아르곤과 같은 공정 및 보조 가스들은 혼합될 수도 있고 함께 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 유입될 수 있다. 플라스마 에칭 챔버(2)로 불소 가스 공급은 바람직하게는 추가 공정 및 보조 가스들과 별도로 수행된다.
가스 유입구들(71, 72, 75, 76)은 도시된 실시예의 경우 본원의 장치(1)의 폭에 걸쳐서, 다시 말하면 도 1 내지 도 3의 경우 그림 평면 안쪽으로 연장된다. 가스 유입구들(71, 72, 75, 76)은 튜브들, 또는 예컨대 4각형 프로파일들의 형태로 형성될 수 있다. 이런 종방향 연장부에 걸쳐서 가스 유입구들(71, 72, 75, 76)은 개구부들을 포함하며, 이 개구부들로부터 각각의 가스 또는 가스 혼합물이 플라스마 에칭 챔버(2) 내로, 그리고 특히 기판 표면(61) 쪽으로 유동할 수 있다.
도시된 실시예들에서, 가스 유입구들(71, 72, 75, 76)은 깔때기 형상으로 형성되어 조직화할 실리콘 기판(6)의 상부에 제공되는 가스 유입구 카울(32) 상에 제공된다. 이 경우, 가스 유입구들(71)은 가스 유입구 카울(32)의 측면 내벽 상에 배치되고 가스 유입구들(72, 75, 76)은 가스 유입구 카울(32)의 상부 내벽 상에 배치된다.
플라스마 에칭 챔버(2) 내에는 기판 온도 조절 장치(11)가 제공된다. 플라스마(20) 내에서는 흔히 180℃를 훨씬 초과하는 온도가 생성되지만, 그러나 이런 온도는 조직화 공정을 위해 바람직하지 못하는 정도로 높다. 그러므로 기판 온도 조절 장치(11)는, 플라스마(20) 내에서 실리콘 기판(6) 및 기판 표면(61)이 200℃ 미만, 바람직하게는 150℃ 미만, 특히 바람직하게는 100℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있는 방식으로 형성된다. 예컨대 도 1 내지 도 3에 개략적으로 도시된 것처럼 기판 온도 조절 장치(11)는 기판 이송 장치(4)의 하부에 제공되는 유체 냉각 장치의 형태로 형성될 수 있다. 그 대안으로, 또 다른 실시형태들도 이용될 수 있으며, 예컨대 이송 롤러들(41)이 유체 온도 조절 매체에 의해 직접 관류될 수도 있다. 그러나 원칙상, 기판 온도 조절 장치(11)는 플라스마 에칭 챔버(2)의 내부 챔버 및/또는 기판(들)을 가열하기 위해서도 이용될 수 있다.
플라스마 에칭 챔버(2) 상에는 습식 화학 배출가스 처리 장치(13) 내로 통해 있는 가스 유출구(12)가 제공된다. 그에 따라, 조직화 공정 동안 사용되지 않은 공정 및 보조 가스들뿐만 아니라 조직화 공정 동안 발생한 가스들은 가스 유출구(12)를 통해 플라스마 에칭 챔버(2)로부터 배출될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태들에서 복수의 가스 유출구(12) 역시도 제공될 수 있다.
배출가스 처리 장치(13) 내에서는 독성, 환경 유해성 및/또는 산성 반응 가스들이 습식 화학 방식으로 흡착되고, 그리고/또는 흡수된다. 배출가스들로부터 제거될 가스들에 속하는 경우는 예컨대 불소, 황 이산화물, 실리콘 테트라 플루오르화물, 수소 플루오르화물, 산소 디플루오르화물 및/또는 추가 가스들이다. 많은 가스들 또는 상기 가스들 모두는 배출가스 처리 장치(13) 내에서 화학 반응에 관여할 수 있으며, 그럼으로써 상기 가스들은 상대적으로 덜 위험한 또 다른 물질들로 변환된다. 이 경우, 예컨대 불화수소산으로도 지칭되는 플루오르화수소산처럼, 발생하거나 이미 존재하는 산성 반응 물질들은, 결과적으로 위험하지 않은 폐기물을 얻기 위해, 적어도 하나의 염기의 첨가를 통해 중성화될 수 있다.
도 1에는, 각각의 가스원(8, 9, 14, 15)이 하나 또는 복수의 별도의 가스 유입구(71, 72, 75, 76)와 각각 연결되어 있는 가능한 실시형태가 도시되어 있다. 그 대안으로, 도 2에는, 황 산화물원(9), 아르곤원(14) 및 산소원(15)으로부터 개시되는 가스 라인들(74)이 가스 유입구(72)를 통한 플라스마 에칭 챔버(2) 내로의 가스 유입이 수행되기 전에 연결되는 본 발명에 따른 장치(1')의 한 실시형태가 도시되어 있다. 그에 따라, 도 2의 장치(1') 내에서는 황 산화물, 아르곤 및 산소가 공통 가스 유입구(72)를 경유하여 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 유입된다. 본 발명의 미도시한 또 다른 실시형태들에서, 이용되는 공정 가스들 중 2개 또는 그 이상의 공정 가스는 가스 유입구(72)로 공급되기 전에 혼합될 수 있다.
도 2에 도시된 장치(1')에서, 불소원(8)은 불소 가스 생성 시스템으로서 형성된다. 불소 가스 생성 시스템은 도시된 실시형태에서 세정 모듈(16) 및 압력 상승 유닛(17)과 연결된다. 불소 가스 생성 시스템 내에서는 수소 플루오르화물의 전기분해가 실행되며, 이 전기분해 동안 불소 가스와 수소 가스가 형성된다. 높은 순도의 불소 가스의 획득을 위해, 불소 가스 생성 시스템의 하류에 세정 모듈(16)이 제공된다. 세정 모듈(16) 내에서는 추가 배출가스들로부터 불소 가스의 분리가 실행될 수 있다. 세정 모듈(16)의 하류에는 예컨대 압축기 및/또는 압력 탱크를 포함할 수 있는 압력 상승 유닛(17)이 제공된다.
도 3에는, ICP 소스가 플라스마원(3)으로서 플라스마 에칭 챔버(2) 내에서 플라스마(20)를 생성하는 본 발명에 따른 장치(1")의 추가 실시예가 도시되어 있다. 여기서도, 황 산화물원(9), 아르곤원(14) 및 산소원(15)으로부터 개시되는 가스 라인들(74)은 플라스마 에칭 챔버(2) 내의 가스 유입구(72) 내로 이어진다. 플라스마 에칭 챔버(2)의 상부에는 플라스마원(3)이 배치된다. 플라스마원(3)은 코일(34)을 포함하며, 이 코일의 자계는, 플라스마 에칭 챔버 내에서 이 내에 위치하는 가스들의 원자 및/또는 분자를 이온화하고 그에 따라 플라스마(20)를 형성하기 위해, 예컨대 세라믹, 유리 또는 석영으로 형성될 수 있는 유전창(35)(dielectric window)을 경유하여 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 결합된다. 불소 가스를 위한 가스 유입구들(71)은 추가 공정 및 보조 가스들을 위한 가스 유입구(72)보다 기판 표면(61)에 더 가깝게 배치된다. 그에 따라, 불소 가스는 플라스마 내 기판 표면(61)의 바로 상부에서 추가 공정 및 보조 가스들과 혼합된다.
본 발명에 따른 장치(1, 1', 1") 상에서 실행될 수 있는 조직화 방법에 대한 한 실시예는 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방법의 경우, 공정 가스로서 불소 가스와 적어도 황 산화물이 결정 실리콘 기판(6)의 조직화를 위해 이용된다. 또한, 추가 공정 가스로서, 불활성 가스, 예컨대 아르곤이 이용된다. 이 경우, 불활성 가스는 플라스마(20)를 위한 안정화 매체로서 작용한다. 또한, 앞에서 기재한 실시형태들에 언급한 것처럼, 예컨대 산소도 추가 공정 가스로서 플라스마 에칭 챔버(2)로 공급될 수 있다.
도 4의 방법 예시의 경우, 단계 101에서 불소 가스(F2)는 불소 가스 생성 시스템 내에서 수소 플루오르화물(HF)의 전기분해에 의해 제조된다. 후속하여, 불소 가스는 단계 102에서 세정되고 단계 103에서는 가압된다. 단계 104에서 플라스마원(3)의 활성화 전에, 후에, 또는 그와 동시에, 단계 105에서 불소, 황 산화물, 산소 및 아르곤과 같은 공정 및 보조 가스들이 플라스마 에칭 챔버(2)로 공급된다. 이에 병행하거나, 또는 후행하여 단계 106에서는 적어도 하나의 실리콘 기판(6)이 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 투입된다.
그에 따라서, 단계 107에서 적어도 하나의 실리콘 기판(6)은 기판 이송 장치(4)에 의해 도시된 예시들의 경우 연속해서 플라스마 에칭 챔버(2)를 통과하여 기판 이송 방향(A)으로 이송된다. 플라스마 에칭 챔버(2)를 통과하는 적어도 하나의 실리콘 기판(6)의 이송 동안, 단계 108에서, 기판 표면(61)의 조직화가 수행된다.
효과적인 조직화를 위해서는 공정 가스들의 양 비율 및 공정 온도가 매우 중요하다. 부피 퍼센트로 표현하여 본 발명에 따라서는 30% 내지 90%, 바람직하게는 40% 내지 80%, 특히 바람직하게는 50% 내지 70%의 불소 가스가 이용된다. 황 산화물은 5% 내지 55%, 바람직하게는 15% 내지 45%, 특히 바람직하게는 25% 내지 35%가 이용된다. 황 산화물로서는 일반 화학식(SxOy)의 모든 화합물이 적용되며, 다시 말하면 예컨대 디황 일산화물, 황 일산화물, 황 이산화물, 디황 이산화물 또는 황 삼산화물이 적용된다. 특히 바람직하게는 황 이산화물이 이용된다. 플라스마를 안정화하는 불활성 가스, 특히 바람직하게 아르곤은 본 발명에 따른 공정을 위해 1% 내지 25%, 바람직하게는 5% 내지 20%, 특히 바람직하게는 10% 내지 15%로 첨가된다. 산소는 공정을 위해 50% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 특히 바람직하게는 10% 미만의 양으로 이용된다. 이 경우, 확인된 점에 따르면, 산소의 이용을 통해 적어도 하나의 조직화할 실리콘 기판(6) 상에서 폴리머 증착은 감소될 수 있다. 이 경우, 특히 바람직한 점으로서 증명된 점에 따르면, 전체 공정 진행 동안 산소를 연속해서 변함없이 혼합하는 것이 아니라, 바람직하게는 공정의 종료 시점에 산소 비율을 용이하게 증가시킨다.
앞에서 기재한 것처럼 결과에 따른 압력이 100mbar 미만, 특히 바람직하게는 10mbar 미만인 조건에서 가스 공급 유닛(7)을 통해 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 유입되는 가스들의 상기 혼합물은 적어도 하나의 적합한 플라스마원(3)을 통해 플라스마(20)로 형성되어 점화된다. 이렇게 발생하는, 여기된 상태의 라디칼, 이온뿐만 아니라 원자 및 분자와 같은 입자들은 이어서 실리콘 기판(6)과 반응하고 결과적으로 기판 표면(61)을 조직화한다. 상기 플라스마(20) 내에서는, 선택된 가스 혼합물뿐만 아니라 선택된 플라스마원(3) 및 우세한 압력에 따라서, 흔히 비교적 높은 온도가 우세하게 존재한다. 확인된 점에 따르면, 실리콘 기판(6)을 위해, 특히 기판 냉각 장치로서 형성되는 기판 온도 조절 장치(11)가 제공될 때 조직화의 결과들은 최적화될 수 있다. 그에 따라, 기판 표면(61) 상에서는 200℃ 미만, 바람직하게는 150℃ 미만, 특히 바람직하게는 100℃ 미만의 반응 온도가 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 실리콘 기판(6)의 기판 표면(61) 상에는 20㎛ 미만, 특히 10㎛ 미만, 특히 바람직하게는 1㎛ 미만의 텍스처 크기를 갖는 텍스처들이 생성될 수 있다. 텍스처 크기는 이와 관련하여 기판 표면(61) 상에서 조직화하는 것을 통해 야기되는 구조들의 크기를 의미한다. 다시 말해, 구조 요소들로서 각뿔 또는 뒤집힌 각뿔이 형성되는 경우, 텍스처 크기는 예컨대 각뿔의 높이 또는 에지 길이를 의미한다. 또한, 구조 요소들이 스펀지 유형이거나, 또는 그와 다르게 다소 균일하지 않은 경우, 텍스처(texture) 크기는 예컨대 기공 크기(pore size), 또는 기판 표면(61)의 수직 프로파일에서 동일한 높이의 프로파일 지점들의 이격 간격 등을 의미한다.
본 발명에 따른 방법의 경우, 5㎛/min 미만, 특히 1㎛/min 미만의 에칭률이 설정될 수 있으며, 그럼으로써 통제되고 재료를 보호하는 조직화가 가능해지며, 다시 말하면 5㎛ 미만, 특히 바람직하게는 2㎛ 미만으로 재료의 목표하는 제거가 가능해진다. 본 발명에 따른 방법에 의해 생성되는 텍스처들을 통해 예컨대 300㎚ 내지 1200㎚의 파장 범위에서 20% 미만, 특히 15% 미만, 특히 바람직하게는 약 12%인 탁월한 가중 반사율 값을 나타내는 태양 전지들이 제조될 수 있다. 가중 반사율은 공지된 것처럼 실리콘 내에서 전하 캐리어 생성을 위한 특정한 파장 또는 파장 범위의 유효성으로 정규화된다.
조직화 동안, 단계 109에서는, 공정 가스들의 지속적인 배출이 수행된다. 도 4의 방법 예시에서, 배출가스들은 단계 111에서 예컨대 불소 가스가 그 내에서 플루오르화수소산으로 변환되는 세척기를 통과하게 된다. 플루오르화수소산 및 경우에 따라 발생하는 추가 산들은 후속하여 단계 112에서 적어도 하나의 염기의 첨가하에 중성화된다.
마지막으로, 단계 110에 따라서는, 플라스마 에칭 챔버(2)에서 외부로 실리콘 기판(6)의 추출이 수행된다.
1. 장치 2. 에칭 챔버
3. 플라즈마원 6. 실리콘 기판
31. 튜브 32. 가스 유입구 카울(gas inlet cowl)

Claims (14)

  1. 불소 가스를 이용하여 기판 표면(61)을 에칭하는 것을 통해 적어도 하나의 결정 실리콘 기판(6)의 적어도 하나의 기판 표면(61)을 조직화하기 위한 방법으로서, 실리콘 기판(6)의 에칭 공정은 플라스마 에칭 챔버(2) 내에서 생성되는 플라스마(20) 내에서 실행되는, 상기 방법에 있어서, 상기 플라스마 에칭 챔버(2)로는, 불소 가스와 더불어 적어도 기상 황 산화물도 공급되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불소 가스는 상기 플라스마 에칭 챔버(2)와 연결된 적어도 하나의 불소 가스 생성 시스템 내에서 전기분해에 의해 생성되어 상기 플라스마 에칭 챔버(2)로 공급되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불소 가스는 상기 방법에서 이용되는 기타 공정 가스들보다 상기 기판 표면(61)에 더 가까운 방식으로 상기 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 유입되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 에칭 공정 동안 사용되지 않은 공정 가스들 및 에칭 공정 동안 발생하는 배출가스들은 적어도 하나의 가스 유출구(12)를 통해 상기 플라스마(20)로부터 배출되고 후속하여 적어도 하나의 습식 화학 배출가스 처리 장치(13)를 통과하여 안내되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마(20)는 마이크로파 범위의 주파수에서, 그리고/또는 적어도 하나의 유도 결합 플라스마원을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 에칭 챔버(20) 내에서 상기 실리콘 기판들(6)은 기판 온도 조절 장치(11)를 통해 온도 조절되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판들(6)은 기판 이송 장치(4) 상에서 상기 플라스마 에칭 챔버(2)를 통과하여 계속해서 이동되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 방법.
  8. 불소원(8)과 연결되는 가스 공급 유닛(7)과 적어도 하나의 플라스마원(3)을 구비한 플라스마 에칭 챔버(2)를 포함하여 적어도 하나의 결정 실리콘 기판(6)의 적어도 하나의 기판 표면(61)을 조직화하기 위한 장치(1, 1', 1")에 있어서,
    상기 가스 공급 유닛(7)은 적어도 하나의 황 이산화물원(9)과도 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 불소원(8)은, 불소가 상기 플라스마 에칭 챔버(2) 내로 공급되기 전에 그 내에서 수소 플루오르화물로부터 전기분해를 통해 생성될 수 있으면서 상기 플라스마 에칭 챔버(2)와 연결되는 불소 가스 공급 및/또는 불소 가스 생성 시스템인 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 불소원(8)과 연결되는 상기 가스 공급 유닛(7)의 가스 유입구(71)는 상기 황 산화물원(9)과 연결되는 상기 가스 공급 유닛(7)의 가스 유입구(72)보다 상기 기판 표면(61)에 더 가깝게 제공되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
  11. 제8항 내지 제10항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 에칭 챔버(2)는, 적어도 하나의 습식 화학 배출가스 처리 장치(13) 내로 통해 있는 적어도 하나의 가스 유출구(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플라스마원(3)은 마이크로파 플라스마원 및/또는 유도 결합 플라스마원인 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
  13. 제8항 내지 제12항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 에칭 챔버(2) 내에 적어도 하나의 기판 온도 조절 장치(11)가 제공되는 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
  14. 제8항 내지 제13항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(1, 1', 1")는 상기 적어도 하나의 조직화할 실리콘 기판(6)을 위해 상기 플라스마 에칭 챔버(2)를 통과하는 기판 이송 장치(4)를 포함하는 터널 머신인 것을 특징으로 하는 결정 실리콘 기판의 기판 표면 조직화 장치.
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