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KR20090016232A - 박막증착을 위한 플라즈마 공정장치 및 이를 이용한미세결정질 실리콘 박막의 증착방법 - Google Patents

박막증착을 위한 플라즈마 공정장치 및 이를 이용한미세결정질 실리콘 박막의 증착방법 Download PDF

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KR20090016232A
KR20090016232A KR1020070080726A KR20070080726A KR20090016232A KR 20090016232 A KR20090016232 A KR 20090016232A KR 1020070080726 A KR1020070080726 A KR 1020070080726A KR 20070080726 A KR20070080726 A KR 20070080726A KR 20090016232 A KR20090016232 A KR 20090016232A
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주성엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 플라즈마 공정장치와 이를 이용한 미세결정질 실리콘 박막의 증착방법을 개시한다. 본 발명의 플라즈마 공정장치는, 반응공간을 가지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부에 설치되는 가스분사수단; 상기 기판안치대의 주변부의 상부에 설치되며, 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사홀을 구비하는 가스링; 상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 전원을 공급하는 전원공급수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 주전극과 부전극 사이에서 수평방향으로 형성되는 유도결합성 전기장으로 인해 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에 박막증착속도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한 기판안치대의 주변부 상부에 위치하는 부전극으로 인해 기판안치대 주변부의 플라즈마 밀도를 보상할 수 있기 때문에 대면적 기판의 박막균일도를 개선할 수 있다. 따라서 증착속도가 느린 미세결정질 실리콘(c-Si:H)층의 증착속도와 박막균일도를 크게 향상시킬 수 있게 되어 대면적 박막 태양전지의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

박막증착을 위한 플라즈마 공정장치 및 이를 이용한 미세결정질 실리콘 박막의 증착방법{Plasma processing apparatus for film deposition and deposition method of micro crystalline silicon layer using the same}
본 발명은 박막증착을 위한 플라즈마 공정장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 미세결정질 실리콘의 증착속도를 높일 수 있는 플라즈마 공정장치와 이를 이용한 박막 증착방법에 관한 것이다.
화석자원의 고갈과 환경오염에 대처하기 위해 태양력 등의 청정에너지에 대한 관심이 고조되면서, 태양광을 이용하여 기전력을 발생시키는 태양전지에 대한 연구가 활력을 얻고 있다.
태양전지는 pn접합된 반도체에서 태양광에 의해 여기된 소수캐리어의 확산에 의하여 발생하는 기전력을 이용하는 것으로서 사용되는 반도체 재료의 종류에는 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비정질 실리콘, 화합물반도체 등이 있다.
단결정실리콘이나 다결정실리콘을 이용하면 발전효율은 높지만 재료비가 비 싸고 공정이 복잡하기 때문에 최근에는 유리나 플라스틱 등의 값싼 기판에 비정질 실리콘이나 화합물반도체 등을 증착하는 박막 태양전지가 주목을 받고 있다. 특히 박막 태양전지는 대면적화에 매우 유리할 뿐만 아니라 기판의 소재에 따라 플렉시블한 태양전지를 생산할 수 있다는 장점을 가진다.
비정질 실리콘을 이용하는 박막 태양전지는 도 1의 개략 단면도에 도시된 바와 같이 투명기판(11)의 상부에 제1전극(12), 비정질 실리콘(a-Si:H)의 반도체층(13), 제2전극(14)이 순차적으로 형성된 구조를 가진다.
투명기판(11)은 유리나 투명한 플라스틱 재질이 이용된다.
제1전극(12)은 투명기판(11) 쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(Transparent conductive oxide: TCO) 박막으로 형성된다.
반도체층(13)은 제1전극(12)쪽에서부터 P형반도체층(13a), 광흡수율을 높이기 위한 진성(intrinsic) 반도체층(13b), N형반도체층(13c)이 순차적으로 적층되어 PIN 접합면을 구성한다.
제2전극(14)은 제1전극(12)과 마찬가지로 TCO박막을 증착하여 형성하거나 Al, Cu, Ag 등의 금속 박막을 증착하여 형성한다.
이러한 구조의 박막 태양전지에서 투명기판(11)측에서 태양광이 조사되면 반도체층(13)에서 생성된 소수캐리어가 PIN 접합면을 가로질러 확산되면서 제1전극(12)과 제2전극(14)의 사이에서 전압차를 일으켜 기전력을 발생시킨다.
그런데 비정질 실리콘을 이용하는 박막 태양전지는 단결정 또는 다결정 실리콘을 이용하는 태양전지나 화합물반도체를 이용하는 태양전지에 비하여 에너지 변환효율이 매우 낮고, 빛에 장시간 노출되면 특성 열화 현상(Staebler-Wronski Effect)이 나타나서 시간이 갈수록 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 비정질 실리콘 대신에 미세결정질 실리콘(μc-Si:H 또는 nc-SiH)을 이용한 것이 미세결정질 실리콘 박막 태양전지이다. 미세결정질 실리콘은 비정질과 단결정 실리콘의 경계물질로서 증착방법에 따라 수십 내지 수백 nm의 결정크기를 가지며, 비정질 실리콘과 같은 특성열화현상이 없다는 장점이 있다.
또한 미세결정질 실리콘은 비정질 실리콘과 다른 에너지 밴드갭(band-gap)을 가지기 때문에 광흡수율을 높이기 위해 비정질 실리콘과 함께 사용되기도 한다. 즉, 비정질 실리콘의 PIN층(P형-진성-N형반도체층)과 미세결정질 실리콘의 PIN층을 연속으로 적층한 탠덤(Tandem) 또는 트리플(Triple) 구조의 박막 태양전지가 많이 이용되고 있다.
그런데 이러한 태양전지에서 비정질실리콘층은 약 400nm정도의 두께로 증착하면 되지만, 미세결정질실리콘은 장파장 대역의 광흡수율을 높이기 위해서는 약1~5μm의 두께로 증착해야 하는데다 증착속도가 매우 느리기 때문에 생산성을 제한하는 요인이 되고 있다.
한편, 박막 태양전지는 저가의 대면적 기판을 사용함으로써 생산단가를 크 게 낮출 수 있는 장점을 가지므로 대면적 기판에 균일한 박막을 증착하는 것이 매우 중요하다.
그런데 비정질 또는 미세결정질 실리콘층을 형성하는 종래의 PECVD장치는 서로 대향하는 전극과 기판안치대 사이에 플라즈마를 발생시켜서 기판에 박막을 증착하기 때문에 기판의 주변부와 중앙부에서 박막두께가 달라지는 경향이 있다.
이러한 문제점은 태양전지뿐만 아니라 대면적 기판을 사용하여 평판표시장치를 제조하는 경우에도 해결과제로 대두되고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판에 대한 박막증착속도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 공정장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한 대면적 기판의 전면에 걸쳐 균일한 박막을 형성할 수 있는 플라즈마 공정장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 반응공간을 가지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부에 설치되는 가스분사수단; 상기 기판안치대의 주변부의 상부에 설치되며, 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사홀을 구비하는 가스링; 상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 전원을 공급하는 전원공급수단을 포함하는 플라즈마 공정장치를 제공한다.
상기 플라즈마 공정장치에서, 상기 전원공급수단과 상기 가스분사수단 및 가스링의 사이에는 전압조절수단이 설치되고, 상기 전압조절수단은 트랜스포머인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 트랜스포머의 1차측에는 상기 전원공급수단이 연결되고, 상기 트랜스포머의 2차측의 제1단자에는 상기 가스분사수단이 연결되며 상기 제1단자와 반대극성인 제2단자에는 상기 가스링이 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 전원공급수단은 서로 다른 주파수의 제1고주파전원 및 제2고주파전원을 포함하고, 상기 제1고주파전원 및 제2고주파전원의 고주파전력은 상기 트랜스포머를 경유하여 상기 가스공급수단 및 가스링에 동시에 인가되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 제1고주파전원 및 상기 제2고주파전원과 상기 트랜스포머의 사이에는 제1매칭회로 및 제2매칭회로가 각각 설치되며, 상기 제1매칭회로 및 상기 제2매칭회로는 다른 고주파전원의 영향을 방지하기 위한 필터를 포함할 수 있다.
또한 상기 플라즈마 공정장치에서, 상기 전원공급수단은, 상기 가스분사수단에 연결되는 제1고주파전원 상기 가스링에 연결되는 제2고주파전원을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 가스분사수단과 상기 가스링에 연결되는 가스공급관에는 각각 독립적인 유량조절장치가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 가스분사수단은, 상기 챔버의 상부를 밀폐하며, 상기 전원공급수 단에 연결되는 평판전극; 상기 평판전극의 하부에 결합되며, 상기 평판전극과 전기적으로 연결되는 가스분배판을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가스분사수단 및 상기 가스링은 상기 챔버에 대해 절연되도록 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가스링은 서로 분리된 다수 개로 이루어지며, 상기 각 가스링마다 상기 전원공급수단의 전원이 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가스링은 Cu, 스테인리스 스틸(SUS) 또는 양극산화(anodizing)된 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기판안치대는 2이상의 지점에서 접지되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 챔버의 내부압력은 50mTorr 이상 10Torr이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 반응공간을 가지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부에 설치되는 가스분사수단; 상기 기판안치대의 주변부의 상부에 설치되며, 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사홀을 구비하는 가스링; 상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 전원을 공급하는 전원공급수단을 포함하는 플라즈마 공정장치를 이용하여 미세결정질 실리콘 박막을 증착하는 방법에 있어서, 상기 챔버의 내부로 기판을 반입하여 상기 기판안치대에 안치하는 단계; 상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 상기 고주파전원의 전력을 인가하는 단계; 상기 가스분사수단 또는 상기 가스링을 통해 SiH4 및 H2 를 공급 하여 상기 챔버를 50mTorr 내지 10Torr의 압력범위로 유지시키면서, 상기 가스분사수단 및 상기 가스링의 사이에서 형성된 전기장에 의해 상기 SiH4 및 H2의 활성종 및 이온을 포함하는 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 활성종 및 이온이 상기 기판안치대로 입사하여 상기 기판에 미세결정질 실리콘(μc-Si:H) 박막을 형성하는 단계를 포함하는 미세결정질 실리콘 박막의 증착방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 공정장치의 주전극과 부전극 사이에서 수평방향으로 형성되는 유도결합성 전기장으로 인해 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에 박막증착속도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한 기판안치대의 주변부의 상부에 위치하는 부전극이 기판안치대 주변의 플라즈마 밀도를 보상하는 역할을 하기 때문에 대면적 기판의 박막균일도를 개선할 수 있다. 또한 이러한 장점덕분에 증착속도가 느린 미세결정질 실리콘(μc-Si:H)층의 증착속도와 박막균일도를 크게 향상시킬 수 있으므로 대면적 박막 태양전지의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
제1실시예
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 공정장치(100)의구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
상기 플라즈마 공정장치(100)는 반응공간을 형성하는 챔버(110), 상기 챔버(110)의 내부에 설치되어 기판(s)을 안치하는 기판안치대(120), 상기 기판안치대(120)의 상부에 위치하며 상기 챔버(110)의 상부를 밀폐하는 주전극(130), 상기 주전극(130)의 하부에 소정간격 이격되어 설치되며 다수의 분사홀을 구비하는 가스분배판(140), 상기 주전극(130)을 관통하여 상기 가스분배판(140)의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급관(150)을 포함한다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공정장치(100)는 주전극(130)과 별도로 기판안치대(120)의 주변부의 상부에 부전극(170)을 설치하고, 상기 주전극(130)과 부전극(170)을 하나의 고주파전원(160)에 연결한다.
또한 본 발명에서는 상기 고주파전원(160)을 주전극(130)과 부전극(170)에 직접 인가하는 것이 아니라 트랜스포머(164)를 경유한 2차 전력을 인가하는 점에 특징이 있다.
이를 위해 세라믹, 테프론 등의 절연재(180)를 개재하여 부전극(170)과 챔버(110)와 절연시킴으로써 상기 부전극(170)을 플로팅(floating)시킨다.
구체적으로는, 고주파전원(160)의 출력단에 매칭회로(162)와 트랜스포 머(164)를 순서대로 연결하고, 트랜스포머(164)의 2차측의 제1단자는 제1급전선(166)을 이용하여 주전극(130)에 연결하고, 상기 제1단자와 반대극성의 제2단자는 제2급전선(168)을 이용하여 부전극(170)에 연결한다.
부전극(170)이 설치되는 높이는 기판안치대(120)의 상면과 가스분배판(140)의 하면의 사이인 것이 바람직하다.
주전극(130)과 부전극(170)을 이와 같이 고주파전원(160)에 연결하면, 주전극(130)과 부전극(170)의 사이에 수평방향의 전기장이 형성되고, 이로 인해 기판(s)에 대해 유도결합성 전기장(inductively coupled field)이 형성되므로 기판(s)에 수직방향의 전기장이 형성되는 종래에 비하여 훨씬 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다.
이와 같이 고밀도 플라즈마를 생성하면 미세결정질 실리콘박막의 증착속도를 크게 향상시킬 수 있다.
부전극(170)은 기판안치대(120)의 상부의 주변부를 따라 설치되므로 링 형태이다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 가스분사를 위한 다수의 분사홀(172)을 구비하는 가스링을 부전극(170)으로 사용한다.
챔버(110) 내부에 균일한 플라즈마를 생성하기 위해서는 부전극(170)을 기판안치대(120) 상부의 주변부를 따라 대칭적으로 배치하되, 구체적인 설치패턴은 다양하게 결정될 수 있다.
즉, 도 3a에 도시된 바와 같이 기판안치대(120) 상부의 주변부를 따라 일체로 연결된 부전극(170)을 설치할 수 있다. 이 경우 제2급전선(168)은 도중에 분기되어 부전극(170)의 적어도 2곳 이상에 대칭적으로 연결되는 것이 바람직하다.
또한 도 3b에 도시된 바와 같이 서로 분리된 직선형태의 다수의 부전극(170)을 챔버(110)의 내벽을 따라 설치할 수 있다. 이 경우에는 제2급전선(168)을 분기하여 각각의 부전극(170)마다 고주파전원(160)이 인가되도록 하여야 한다.
또한 도 3c에 도시된 바와 같이, 직선형태뿐만 아니라 직각으로 절곡된 부전극(170)을 직선형 부전극(170)의 모서리 부분에 배치할 수도 있다. 이 경우에도 각각의 부전극(170)에 제2급전선(168)을 분기하여 연결시켜야 한다.
부전극(170)은 Cu, 스테인레스스틸(SUS), 양극산화된 알루미늄 등의 재질로 제조된다.
원료물질은 주전극(130) 하부의 가스분배판(140)을 통해서 챔버(120)내부로 분사될 수도 있고, 부전극(170)을 통해서 공급될 수도 있다.
부전극(170)의 내부는 비어있으므로 그 내부로 원료물질을 공급하여 챔버(110)의 중심쪽으로 형성된 분사홀(172)을 통해 원료물질을 분사한다.
부전극(170)의 분사홀(172)은 수평방향으로 형성될 수도 있으나 공정조건에 따라서는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 약간 위쪽이나 약간 아래쪽 방향으로 형성할 수도 있다.
부전극(170)의 단면형상은 도시된 바와 같이 사각형일 수도 있고, 다른 형 태의 다각형이나 원형일 수도 있다.
일반적으로 주전극(130)의 하면, 보다 정확하게는 주전극(130)과 전기적으로 연결된 가스분배판(140)의 하면에는 고주파전력의 정상파가 발생한다. 이러한 정상파는 가스분배판(140)의 중앙부에서 진폭이 큰 특성을 가지므로 기판 가장자리에서 플라즈마 밀도를 저하시키는 원인이 된다.
따라서 본 발명과 같이 기판안치대(120)의 주변부의 상부에 부전극(170)을 설치하면 기판(s)의 가장자리에서 플라즈마 밀도를 보완할 수 있어 전체적으로 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다.
고주파전원(160)은 RF대역(예,13.56MHz)이나 VHF 대역(예,30~300MHz)의 주파수를 가지는 것이 바람직하며, 인가되는 전력은 챔버(110)의 크기에 따라 달라질 수 있다.
특히, 30~300MHz 의 VHF 대역의 고주파전원(160)을 인가하면, 2eV 이하의 전자온도를 가지는 플라즈마(또는 전자)의 밀도가 향상되어 SiH4 또는 SiHx의 활성종이 많이 생성되며, 따라서 박막 증착률(D/R)이 증가하게 된다.
기판안치대(120)는 접지되어 주전극(130)과 부전극(170)의 사이에 형성된 고주파전기장을 회귀시키는 역할을 하며, 이로 인해 형성되는 용량결합성 전기장(capacitively coupled field)은 주전극(130)과 부전극(170) 사이의 전기장에 의 해 생성된 플라즈마에 포함된 활성종, 이온 및 전자를 기판(s)의 상부로 균일하게 배분하여 균일한 박막을 얻게 한다.
박막균일도를 향상시키기 위해서는 기판안치대(120)에는 1개 이상의 다중접지를 형성하는 것이 바람직하다.
한편 주전극(130)을 관통하는 가스공급관(150)이나 부전극(170)의 내부로 원료물질을 공급하는 가스공급관(미도시)에 각각 유량조절장치를 설치하여 원료물질의 공급량을 독립적으로 제어할 수도 있다.
이렇게 하면 공정조건에 따라 가스분배판(140)과 부전극(170)을 통한 원료물질의 공급량을 조절함으로써 박막균일도를 능동적으로 조절할 수 있다.
이하에서는 전술한 구성의 플라즈마 공정장치(100)에서 기판(s)에 미세결정질 실리콘을 증착하는 과정을 설명한다.
먼저 기판안치대(120)의 상부에 기판(s)을 안치하고, 진공펌핑을 통해 공정분위기를 조성한다.
이어서 고주파전원(160)을 인가하면, 트랜스포머(164)의 2차측에 연결된 주전극(130)과 부전극(170)의 사이, 보다 정확하게는 주전극(130)과 전기적으로 연결된 가스분배판(140)과 부전극(170)의 사이에 수평방향의 고주파전기장이 형성된다.
이 상태에서 가스분배판(140) 또는/및 부전극(170)을 통해 원료물질인 SiH4 와 H2를 공급하면, 상기 고주파전기장에 의해 가속된 전자가 중성기체와 충돌함으로써 활성종, 이온 및 전자의 혼합체인 플라즈마가 생성된다.
이때 챔버(120)의 내부압력이 높을수록 전자와 중성기체의 충돌횟수가 증가하여 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있기 때문에 공정압력은 50mTorr 이상 10Torr 이하로 유지시키는 것이 바람직하다.
이때 활성종의 생성 메카니즘은 다음과 같다.
e- + SiH4 -> SiH3 * + H*
2e- +SiH4 -> SiH2 * + 2H*
3e-+ SiH4 -> SiH* + 3H*
플라즈마 생성 메커니즘은 다음과 같다.
e- + SiH4 -> SiH3 + + H* + e-
2e- + SiH4 -> SiH2 2 + + 2H* + 2e-
3e- + SiH4 -> SiH3 + + 3H* + 3e-
이렇게 생성된 활성종, 이온 및 전자는 접지된 기판안치대(120)의 방향으로 입사하여 기판(s)의 상부에 미세결정질 실리콘을 형성한다.
이 과정에서 주전극(130)과 부전극(170) 사이에 형성되는 유도결합성 전기장에 의해 고밀도의 플라즈마가 생성되기 때문에 미세결정질 실리콘의 증착속도가 크게 향상된다. 또한 부전극(170)을 통해 원료물질을 공급하면 기판안치대(120)의 주변부의 플라즈마 균일도를 보상해주기 때문에 균일한 박막을 형성할 수 있다.
한편, 전술한 플라즈마 공정장치(100)는 박막을 증착하는 경우뿐만 아니라 챔버 내부를 건식세정하는 경우에도 매우 유용하다. 즉, 주전극(130)과 부전극(170) 사이에 형성되는 유도결합성 전기장으로 인해 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에 NF3, SF6, F2, Cl2 등의 식각가스를 이용하여 챔버 내부에 증착된 박막을 효율적으로 제거할 수 있다.
이때 챔버 내부에서 상기 식각가스의 플라즈마를 직접 발생시켜 세정할 수도 있고, 챔버 외부에서 발생한 원격 플라즈마(remote plasma)를 챔버(110) 내부를 분사하여 세정할 수도 있다.
제2실시예
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 공정장치(100)를나타낸 도면으로서, 주전극(130)과 부전극(170)에 서로 다른 주파수의 제1고주파전원(191)과 제2고주파전원(192)을 동시에 인가하는 점에 특징이 있다.
부전극(170)을 플로팅시키기 위하여, 트랜스포머(196)의 2차측에 주전 극(130) 및 부전극(170)을 연결하는 것은 제1실시예와 동일하지만, 트랜스포머(196)의 1차측에는 제1고주파전원(191)과 제2고주파전원(192)이 함께 연결된다.
즉, 트랜스포머(196)의 1차측 권선은 제1고주파전원(191)에 연결된 권선과 제2고주파전원(192)에 연결된 권선을 포함하고, 상기 제1 및 제2 고주파전원(191,192)에서 발생하는 자속이 트랜스포머(196)의 2차측 권선에 동시에 쇄교하게 된다.
이때 제1고주파전원(191)은 예를 들어 13.56MHz이상의 RF대역의 고주파전력을 인가하고, 제2고주파전원(192)은 예를 들어 30~300MHz의 VHF대역의 고주파전원을 인가할 수 있다. 이때 각 고주파전원(191,192)의 전력은 챔버(110)의 크기에 따라 조절될 수 있다.
트랜스포머(196)의 2차측에는 제1고주파전원(191) 및 제2고주파전원(192)이 동시에 인가되므로, 주전극(130)과 부전극(170)의 사이에는 2가지 주파수의 유도결합성 전기장이 형성된다.
이와 같이 2가지 주파수의 전기장이 형성되면, 각 주파수에 의한 정상파 패턴을 상쇄시킴으로써 박막의 균일도를 보다 향상시킬 수 있다.
제1고주파전원(191) 및 제2고주파전원(192)의 출력단에는 제1 및 제2매칭회로(193,194)가 각각 연결되는데, 2개의 주파수가 서로 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여 각 매칭회로(193,194)에는 필터를 설치하는 것이 바람직하다. 그밖의 구성은 제1실시예와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
제3실시예
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 공정장치(100)의단면도로서, 주전극(130)과 부전극(170)에 각각 별도의 고주파전원을 연결한 점에 특징이 있다.
즉, 접지된 기판안치대(120)의 상부에 설치되는 평판형상의 주전극(130)에는 제1고주파전원(191)을 연결하고, 기판안치대(120)의 주변부의 상부에 설치되는 링 형태의 부전극(140)에는 제2고주파전원(192)을 연결한다.
이때 예를 들어 제1고주파전원(191)은 30~300MHz의 전원이고, 제2고주파전원(192)은 13.56MHz의 전원인 것이 바람직하지만, 동일한 주파수의 전원을 이용할 수도 있다.
제1고주파전원(191)과 주전극(130)의 사이에는 제1매칭회로(193)를 설치하고, 제2고주파전원(192)과 부전극(170)의 사이에는 제2매칭회로(194)를 설치한다.
그밖에 절연재(180)를 개재하여 부전극(170)을 챔버(110)로부터 절연시키는 점과, 속이 빈 도체관을 부전극(170)으로 이용하고 부전극(170)에 가스분사를 위한 분사홀(172)을 형성할 수 있는 점은 제1 및 제2실시예와 마찬가지이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 공정장치(100)에서 제1 및 제2고주파전원(191,192)을 주전극(130)과 부전극(170)에 각각 인가하면, 주전극(130)과 기판안치대(120) 사이에는 수직방향의 전기장이 형성되고, 부전극(120)과 기판안치대(120) 사이에는 수평방향의 전기장이 형성된다.
챔버(110)의 내부에 수직 및 수평방향의 전기장이 동시에 형성되면, 수직방향의 전기장만 형성되는 경우에 비하여 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있으며, 따라서 박막의 증착속도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한 부전극(120)이 기판안치대(120)의 주변부에 위치하기 때문에 챔버(110) 내부의 플라즈마 균일도가 향상되므로 박막 균일도를 크게 개선시킬 수 있다.
한편 본 발명의 플라즈마 공정장치가 미세결정질 실리콘 박막의 증착속도와 박막균일도를 개선하기 위해 고안된 것이기는 하지만, 다른 종류의 박막을 증착하는 용도로도 사용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 일반적인 비정질 실리콘 박막 태양전지의 구성 단면도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 공정장치의 단면도
도 3a 내지 도 3b는 부전극의 다양한 배치형태를 나타낸 도면
도 4a 및 도 4b는 부전극의 분사홀의 다양한 방향을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 공정장치의 단면도
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 공정장치의 단면도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 플라즈마 공정장치 110: 챔버
120: 기판안치대 130: 주전극
140; 가스분배판 150: 가스공급관
160: 고주파전원 162: 매칭회로
164: 트랜스포머 166, 168: 제1, 제2급전선
170: 부전극 172: 분사홀
180: 절연재

Claims (15)

  1. 반응공간을 가지는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대;
    상기 기판안치대의 상부에 설치되는 가스분사수단;
    상기 기판안치대의 주변부의 상부에 설치되며, 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사홀을 구비하는 가스링;
    상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 전원을 공급하는 전원공급수단;
    을 포함하는 플라즈마 공정장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급수단과 상기 가스분사수단 및 가스링의 사이에는 전압조절수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압조절수단은 트랜스포머인 것을 특징을 하는 플라즈마 공정장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 1차측에는 상기 전원공급수단이 연결되고, 상기 트랜스포머의 2차측의 제1단자에는 상기 가스분사수단이 연결되며 상기 제1단자와 반대극성인 제2단자에는 상기 가스링이 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전원공급수단은 서로 다른 주파수의 제1고주파전원 및 제2고주파전원을 포함하고,
    상기 제1고주파전원 및 제2고주파전원의 고주파전력은 상기 트랜스포머를 경유하여 상기 가스공급수단 및 가스링에 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1고주파전원 및 상기 제2고주파전원과 상기 트랜스포머의 사이에는 제1매칭회로 및 제2매칭회로가 각각 설치되며, 상기 제1매칭회로 및 상기 제2매칭회로는 다른 고주파전원의 영향을 방지하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급수단은,
    상기 가스분사수단에 연결되는 제1고주파전원;
    상기 가스링에 연결되는 제2고주파전원;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스분사수단과 상기 가스링에 연결되는 가스공급관에는 각각 독립적인 유량조절장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스분사수단은,
    상기 챔버의 상부를 밀폐하며, 상기 전원공급수단에 연결되는 평판전극;
    상기 평판전극의 하부에 결합되며, 상기 평판전극과 전기적으로 연결되는 가스분배판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스분사수단 및 상기 가스링은 상기 챔버에 대해 절연되도록 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가스링은 서로 분리된 다수 개로 이루어지며, 상기 각 가스링마다 상기 전원공급수단의 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스링은 Cu, 스테인리스 스틸(SUS) 또는 양극산화(anodizing)된 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판안치대는 2이상의 지점에서 접지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  14. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 내부압력은 50mTorr 이상 10Torr이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치
  15. 반응공간을 가지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부에 설치되는 가스분사수단; 상기 기판안치대의 주변부의 상부에 설치되며, 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사홀을 구비하는 가스링; 상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 전원을 공급하는 전원공급수단을 포함하는 플라즈마 공정장치를 이용하여 미세결정질 실리콘 박막을 증착하는 방법에 있어서,
    상기 챔버의 내부로 기판을 반입하여 상기 기판안치대에 안치하는 단계;
    상기 가스분사수단 및 상기 가스링에 상기 고주파전원의 전력을 인가하는 단계;
    상기 가스분사수단 또는 상기 가스링을 통해 SiH4 및 H2를 공급하여 상기 챔버를 50mTorr 내지 10Torr의 압력범위로 유지시키면서, 상기 가스분사수단 및 상기 가스링의 사이에서 형성된 전기장에 의해 상기 SiH4 및 H2의 활성종 및 이온을 포함하는 플라즈마를 생성하는 단계;
    상기 활성종 및 이온이 상기 기판안치대로 입사하여 상기 기판에 미세결정질 실리콘(μc-Si:H) 박막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 미세결정질 실리콘 박막의 증착방법
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