Recently, there are many researches in order to increase the deposition rate (D/R) and improve film uniformity and quality in the deposition of microcrystalline silicon thin film. These two factors are the most important issues in the fabrication of the thin film solar cell, and for the purpose of that, several process conditions, including the large area electrode (more than 1.1 X 1.3 (m2)), higher pressure (1 ~ 10 (Torr)), and very high frequency regime (VHF, 40 ~ 100 (MHz)), have been needed.
But, in the case of the large-area capacitively coupled discharges (CCP) driven at frequencies higher than the usual RF (13.56 (MHz)) frequency, the standing wave and skin effects should be the critical problems for obtaining the good plasma uniformity, and the ion damage on the thin film layer due to the high voltage between the substrate and the sheath edge might cause the defects which degrade the film quality.
In this study, we will propose the new concept of the large-area multi-electrode (a new multi-electrode concept for the large-area plasma source), which consists of a series of electrodes and grounds ar-ranged by turns. The experimental results with the new plasma source showed the processing performances of high D/R (1 ~ 2 (nm/sec)), controllable thin film crystallinity (more than 60% and controllable), and good uniformity (less than 10%) at the conditions of the relatively high frequency of 40.68 MHz in the large-area electrode of 650 X 550 mm2 (3.5 G size) and 1300 X 1100 mm2 (5 G size). And, we also observed the SEM images of the deposited thin film at the conditions of peeling, normal microcrystalline, and powder formation, and discussed the mechanisms of the crystal formation and voids generation in the film in order to try the enhancement of the film quality compared to the cases of normal VHF capacitive discharges. Also, we will discuss the relation between the processing parameters (including the gap distance between electrode and substrate and the operating pressure) and the processing results (deposition rate (D/R) and crystallinity (Xc)) with the processing conditions for the μc-Si:H formation at a fixed input RF power and gas flow rate.
Finally, we will discuss the potential of the multi-electrode of the 3.5G size and 5 G size large-area plasma processing (650 X 550 (mm2)) and the possibility of the expansion of the new electrode concept to 8G class large-area plasma processing and the additional issues in order to improve the process efficiency.
최근 결정질 실리콘 박막 증착 분야에서 높은 증착 속도와 향상된 균일도 및 박막 성능을 위한 연구가 많은 연구그룹에 의하여 진행되고 있다. 실리콘 태양전지제조를 위한 박막 증착의 경우 앞에서 언급한 공정속도 및 박막특성을 위하여 높은 압력 조건 (1 ~ 10 Torr) 하에서 대면적 (5 G, 1.3 X 1.1 m2이상의 면적)공정 조건과 고주파 (VHF, 40 ~ 100 MHz) 전력 공급 조건을 필요로 하고 있다. 하지만 플라즈마를 이용한 화학기상증착 (PECVD) 방식에 이용되는 대면적 축전 플라즈마 소스 (CCP, Capacitively Coupled Plasma)의 경우 통상적으로 적용되는 RF 주파수 (13.56 MHz)에 비하여 높은 고주파 조건을 사용할 때 전극과 접지판 사이에서 정상파 효과(standing wave effect)로 불리는 wave effect가 발생하여 균일도 저하를 유발한다. 또한 유리 기판이 직접 플라즈마에 노출되어 플라즈마로부터 높은 전압에 의해 가속된 이온 입자에 의한 박막충돌에 의하여 박막의 품질저하가 발생한다. [35]
본 연구에서는 대면적 박막증착에 적용하기 위하여 multi-electrode로 명명한 새로운 개념의 플라즈마 발생장치를 제안하였다. Multi-electrode는 길이가 긴 막대모양의 전극과 접지 역할을 하는 금속막대가 교대로 번갈아가며 위치하는 형상을 띄고 있다. 전극에는 전기에너지를 공급받기 위한 배선이 연결되어있으며 동일한 Impedance값을 갖도록 설계되어 모든 전극은 동일한 phase로 전압과 전류 값이 진동하게 된다. 또한 각 전극의 사이에 위치한 접지판이 서로 인접한 전극의 전기적 간섭현상을 방지하여 각 전극마다 독립된 방전이 발생한다. 이러한 요인에 의하여 고주파 조건에서의 정상파 현상이 감소될 것으로 기대하였으며 추가로 각 막대전극 마다 다중 전력인가방식을 이용하여 대면적 고주파 조건에서 단일전극에 비하여 상대적으로 개선된 균일도 결과를 얻을 것으로 예상하였다.
압력, 인가되는 전력의 세기, 투입되는 가스조건, 전극 구조의 개선과정을 통하여 multi-electrode의 실험결과를 확보하였다. 적용되는 가스의 투입량 및 투입되는 전력량의 최대값을 확인하여 공정 가능 조건 범위를 파악하였다. 또한 유리기판에 박막 증착 시 외부조건으로 적용되는 기판의 온도, 가스 투입위치, 가스의 잔존시간에 따른 dust particle발생조건을 추적하였으며 dust particle의 생성이 차단되며 증착에 사용되는 SiH4의 사용비율을 늘리기 위한 전극 개념이 수립되었다. 새로운 전극 개념에 의하여 공정 범위를 넓히는 결과를 얻었으며 또한 processing gas와 dilution 목적의 gas를 분리 주입하는 개념으로부터 단일전극실험으로부터 확보하지 못한 개별적인 플라즈마 방전에 따른 개선된 공정 결과를 확보하였다.
결과적으로 비정질의 경우 1200 Å/min이상, 그리고 결정질의 경우 결정화도 약 60 %의 값을 유지하면서 600 Å/min의 증착속도를 확인하였다. 3.5 G, 5 G의 전극 크기에서 13.56 MHz의 주파수 조건을 부여하였을 때 각각 약 1 %와 12 %의 균일도 결과를 확보하였으며, 40.68 MHz의 고주파 조건의 경우 3.5 G 전극 면적 조건 에서 약 2 % 이내의 우수한 균일도 결과를 확인하였다.
마지막으로 박막증착 실험에 적용된 전극 개념을 다양한 플라즈마 활용분야에 적용하여 현재 양산전극대비 경쟁력을 입증할 수 있는 우수한 실험 결과를 확보하였다.
