CN110400748A - 利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法以及装置，该方法包括以下步骤：向主腔室内部提供待平坦化的物体；向所述主腔室内部注入蚀刻用气体；使所述特定波长的光源入射到所述物体的表面；以及控制所述物体的温度。根据上述方法，可以使在基于现有的CMP工艺的平坦化中产生的试样的划痕或者污染等副作用最小化，并由于工艺难度低，可以减少在平坦化工艺中所需的费用和时间。根据本发明的实施例，能够实现纳米单位的精致的平坦化，不仅仅是大面积的表面，还能够同时对器件侧面实施平坦化，因此可以减少平坦化工艺所需的费用和时间。另外，改善表面粗糙度，并提升导电率，从而能够提高LED器件的效率并实现高输出化。

Description

利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法以及装置
技术领域
本发明涉及一种利用特定波长的光源使表面平坦化的方法以及装置，更具体涉及利用特定波长的光源以及蚀刻用反应气体，以非接触方式去除物体表面的微小突起的平坦化方法以及装置。
背景技术
ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)作为在氧化铟中添加有约5～10％的锡(Sn)的物质，具有通电的导电性且透明的特征。一般，诸如金属的导电性物质无法使可见光透过，而是进行吸收或者反射，与之相比，ITO具有可以透过90％以上的可视光的优点。由于这种优点，ITO在2000年以后作为形成显示板或者LED的电极的物质，被广泛使用。
为了在半导体器件上沉积ITO，一般利用溅射(sputtering)方式。这是在低真空下生成等离子体(Plasma)，以使电离化的氩等的气体加速，轰击靶，释放目的原子并且在其附近的基板上成膜的方式。如此被沉积的ITO薄膜具有非结晶结构。商业上销售的产品具有约2～10nm(rms)程度的表面粗糙度(surface roughness)，这种ITO薄膜的表面粗糙度对器件的漏电流以及LED等的发光效率产生直接或间接的影响。
作为使ITO薄膜表面平坦化的常规方法，利用化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing；CMP)方法。这是使用被称作浆料的抛光剂，以物理/化学方式对于试样的表面进行抛光的平坦化方法，对降低表面粗糙度有效。但是，由于需要与ITO薄膜等试样进行直接接触，在基板表面生成划痕或者发生基于抛光剂等的污染(contamination)的几率高。另外，在制造复杂结构的装置时，由于试样表面的高低不均匀，在这种情况下，很难利用CMP方式进行平坦化。
为了解决这种问题，出现了对于沉积有ITO薄膜的基板的一部分区域进行加热，并且对基板整体进行等离子蚀刻(etching)，从而利用与其他区域的蚀刻速度差，进行平坦化的方式等。但是，由于该方法利用基板内部的温度差，不适合纳米(nm)单位的精细的平坦化作业。
另外，由于ITO薄膜的内部结晶具有晶粒(grain)结构，从结构特性上来看，在平坦化的持续时间等方面受到限制，要求将其考虑在内的非接触式平坦化方法。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：公开专利公报第10-2015-0102685号
非专利文献
非专利文献1：Realization of ultraflat plastic film using dressed-photon-phonon-assisted selective etching of nanoscale structures,TakahashiYasui et al.,Advances in Optical Technologies(2014)
发明内容
技术问题
鉴于此，根据本发明的一实施方式，提供利用特定波长的光源使表面平坦化的光方法以及装置。具体地，提供在去除物体表面的微小突起的平坦化方法中，利用特定波长的光源以及Cl2、Br2、CF4、SF6、HBr中的至少一种蚀刻用反应气体的非接触式平坦化方法，以及用于实现该方法的装置。
据此，与诸如CMP的现有的平坦化方法相比，可以使试样的划痕或者污染等副作用最小化，并且能够进行纳米(nm)单位的精细控制。
技术方案
为了实现本发明的目的，一实施例涉及的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法包括以下步骤：向主腔室内部提供待平坦化的物体；向所述主腔室内部注入蚀刻用气体；使所述特定波长的光源入射到所述物体的表面；以及控制所述物体的温度。
在一实施例中，所述蚀刻用气体可以是Cl2、Br2、CF4、SF6、HBr中的至少一种。
在一实施例中，所述光源的波长至少可以根据所述蚀刻用气体的种类而确定。
在一实施例中，在控制所述物体的温度的步骤中，可以将所述光源入射的物体表面的整体温度控制成均匀。
在一实施例中，控制所述物体的温度步骤可以包括：监视所述物体表面的粗糙度的步骤；以及根据所述监视的结果，再次控制所述物体的温度的步骤。
在一实施例中，控制所述物体的温度步骤可以是，通过与附着有所述物体的加热板连接的电极进行加热来实施的。
在一实施例中，可以利用光束整形透镜(beam shaping lens)使所述光源具有均匀分布。
在一实施例中，所述光源可以具有可见光波段。
在一实施例中，所述物体可以包括由ITO、FTO、ZnO、TiO2、SnO2、AZO(Aluminiumdoped ZnO，掺铝氧化锌)以及GZO(Gallium doped ZnO，掺镓氧化锌)中的至少一种物质形成的薄膜。
在一实施例中，使所述特定波长的光源入射到所述物体的表面的步骤可以持续到薄膜表面的粗糙度因构成所述薄膜的物质的晶粒度减小而再次增加以前。
在一实施例中，所述物体可以包含硅(Si)、Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体、氧化(oxide)物质或者有机物聚合物。
在用于实现本发明的目的的另一实施例涉及的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的装置包括：主腔室，被提供所述物体；注入部，用于向所述主腔室内部注入蚀刻用气体；光源输出部，用于射出所述特定波长的光源；以及温度控制部，用于控制所述物体的温度，所述温度控制部可以将所述光源入射的物体表面的整体温度控制成均匀。
在一实施例中，所述温度控制部可以包括监视部，在进行所述物体表面的平坦化期间，所述监视部监视所述物体表面的粗糙度。
在一实施例中，所述装置可以进一步包括光束整形透镜(beam shaping lens)，所述光束整形透镜用于使所述光源具有均匀分布。
发明效果
根据本发明的一实施方式涉及的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法以及装置，在去除物体(例如，ITO、FTO、ZnO、TiO2、SnO2、AZO以及GZO等的氧化物或者有机物聚合物)表面的微小突起的平坦化方法中，利用特定波长的光源(例如，ITO薄膜利用532nm的激光)以及由卤素化合物形成的蚀刻用反应气体，以非接触方式进行平坦化。因此，可以使在基于现有的CMP工艺的平坦化中产生的试样的划痕或者污染等副作用最小化。另外，由于这一方式的工艺难度低，能够减少在平坦化工艺中所需的费用以及时间。
根据本发明的实施例，能够实现纳米(nm)单位的精致的平坦化，不仅仅是大面积的表面，还能够同时对器件侧面实施平坦化，因此可以减少平坦化工艺中所需的费用以及时间。从结果上，改善表面粗糙度，并提升导电性，从而能够提高LED器件的效率并实现高输出化。
本发明的实施例不仅能够应用于诸如ITP、FTO的具有晶界的多结晶物质，而且根据实施例而应用于诸如硅(Si)、Ⅲ-Ⅳ族化合物的半导体、诸如氧化(oxide)物质或者光刻胶(photoresist)的有机物质等多种材料。对各种材料能够进行三维平坦化，因此可以改善各种装置的性能。
附图说明
图1是示出一实施例涉及的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法的各步骤的流程图。
图2是示出一实施例涉及的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的装置的图。
图3A是示出当利用一实施例涉及的平坦化方法时，ITO薄膜表面的粗糙度随时间变化的曲线图。
图3B是示出当利用一实施例涉及的平坦化方法时，在约100℃的温度控制环境下，ITO薄膜表面的粗糙度随时间变化的曲线图。
图3C是示出ITO薄膜表面的粗糙度根据物体的温度条件变化的曲线图。
图4是示出当利用一实施例涉及的平坦化方法时，利用原子力显微镜(AFM)观察ITO薄膜表面随时间变化的结果的图。
图5是示出在约150℃的温度控制环境下，利用原子力显微镜(AFM)观察ITO薄膜表面随时间变化的结果的图。
附图标记：
1：平坦化装置 10：主腔室
20：气体注入部 21：气阀
30：光源输出部 31：密度滤光片
32：平凹透镜 33：平凸透镜
34：镜子 35：光束整形透镜
40：温度控制部 100：物体
具体实施方式
后述的对本发明的详细说明将参照附图，该附图将能够实施本发明的特定实施例作为示例示出。充分详细地说明这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明。应理解本发明的多种实施例虽然彼此不同，但无需相互排斥。例如，在此记载的特定形状、结构及特征与一实施例有关，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，能够通过其他实施例实现。另外，应理解各个公开的实施例中的个别构成要素的位置或配置，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，能够进行变更。因此，后述的详细说明不应被视为具有限制意义，如果适当地说明，则本发明的范围仅由权利要求书及其等同物限定。
以下，将参照附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1是示出一实施例涉及的利用特定波长的光源使物体表面平坦化方法的各步骤的流程图。本发明在物体的表面突出部通过缀饰光子-声子(dressed photon phonon，DPP)的相互作用，实施表面的平坦化。在该过程中，当适当波长的光纤入射到暴露于反应气体环境中的物体时，气体被分解，并生成原子团(radical)，同时选择性蚀刻表面的突出部，从而实施平坦化。
在实施例涉及的平坦化工艺以前，向主腔室内部提供待平坦化的物体的步骤S10。物体可以是诸如ITO或者FTO薄膜的具有晶粒(grain)结构的氧化物质，也可以包含硅(Si)、Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体、有机物聚合物。这只是示例，本实施例涉及的利用光源的平坦化方法可以应用于各种材料，因此物体不限于特定的物质。例如，对于钻石等的难以物理平坦化的材料，也可以进行平坦化，此时，可以使用O2气体作为活化气体。
参照图2，主腔室10是被提供需要平坦化的物体的隔离空间。在注入有蚀刻用气体的主腔室10的内部环境中，利用光源，实施去除物体表面突起的平坦化工艺。为了平坦化工艺，物体被固定在主腔室10的反应器(reactor)内。根据实施例，主腔室10可以具有10mTorr至760Torr的压力调节范围，一般可以在1至2Torr压力下实施工艺。主腔室10可以进一步具备用于测定内部压力以及真空度的真空压力表。
工艺开始后，向所述主腔室内部注入蚀刻用气体S20。之后，主腔室内部形成由卤素化合物构成的蚀刻用气体(例如Cl2气体)环境。蚀刻用气体包括反应气体。可以包含与光源一同使物体表面平坦化的例如Cl2、Br2、CF4、SF6、HBr等的卤素化合物气体，但不限于此。
如图2所示，当打开气阀21时，利用气体注入部20可以注入蚀刻用气体。气体注入部20可以包括调节器，该调节器用于以规定压力向主腔室注入蚀刻用气体。可以根据蚀刻用气体的流量而改变平坦化工艺的最佳条件，因此用户可以考虑影响平坦化工艺的其他变量来调节蚀刻用气体的流量。在一实施例中，可以附加利用气体流量调节装置，该气体流量调节装置用于调节注入到主腔室的所述蚀刻用气体的流量。
然后，实施使特定波长的光源入射到所述物体的表面的步骤S30。如图2所示，利用光源输出部30射出特定波长的光源。其中，光源的波长可以根据待平坦化的物体的种类、蚀刻用气体的种类等而确定。例如，物体为ITO薄膜并且利用Cl2气体作为蚀刻用气体时，可以利用诸如532nm的可见光进行平坦化工艺。此时，通过532nm激光，Cl2被分解，同时入射光的能量增加，并通过Cl原子团(radical)和ITO的相互作用，物体被蚀刻(etching)。
在一实施例中，所述光源的波长可以根据所述蚀刻用气体的种类(例如，Cl2、Br2、CF4、SF6、HBr中的至少一种)而确定。具体地，所述可见光优选其能量低于蚀刻用气体的解离能(dissociation energy)。例如，当蚀刻用气体为Cl2时，中心波长为494nm以上的可见光可以用于平坦化，作为其他例，当蚀刻用气体为Br2时，可以利用中心波长为623nm以上的可见光。
从光源输出部30射出的光源可以在通过密度滤光片31的同时，被调节成用户所需水平的光量。然后，光源通过平凹透镜32和平凸透镜33。
为了使通过密度滤光片31的激光光源(例如，2mm)在经过后述的衍射光元器件(diffractive optical element)之一的光速整形透镜35，并具有四角形的均匀分布，需要尺寸(例如，5mm)符合光束整形透镜35的规格的平行光(平行激光束(collimated laserbeam))。
为了放大激光束的尺寸，同时制作成平行光，可能利用平凹透镜32(plano-concave lens)以及平凸透镜33(plano-convex lens)的组件。平凹透镜32通过光束的发散，起到放大光速尺寸的作用，平凸透镜33起到将被放大的光束变换成规定尺寸的平行光的作用。
接着，所述光源可以通过图2所示的镜子(34)来调节入射到主腔室10的方向。在一实施例中，所述镜子被设计成可以双轴倾斜(tilting)，调节光线的方向，以便能够使其入射到反应器内需要物体100平坦化的部位。因此，与CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)等现有的物理平坦化工艺不同，能够进行纳米(nm)单位的微调。
在一实施例中，可以进一步包括光束整形透镜35(beam shaping lens)，所述光束整形透镜用于使所述光源具有均匀分布。光束整形透镜35将具有高斯(Gaussian)分布强度(intensity)的激光束以具有四边形均匀分布的方式进行变换。因此，在照射有激光的全部区域中，可以进行相同的平坦化，可以解决在平坦化工艺中根据激光照射位置而不同地实施平坦化的的问题。
根据可见光的波长、厚度、强度等变量，物体的平坦化程度可以不同。用户利用所述光源调节装置(30至35)，获取具有适合平坦化工艺的特性的可见光。
所述光源通过开口入射到主腔室10内部。主腔室10作为被提供需要平坦化的器件的隔离场所，在注入有蚀刻用气体的内部环境中，利用特定波长的光源来进行去除物体100表面突起的平坦化工艺。在一实施例中，所述开口包括透明石英(quartz)材质的窗口，通过窗口入射有可见光。所述窗口的尺寸可以与试样的尺寸成正比地设定。
当物体表面入射有特定波长的光线时，在表面的突出部发生缀饰光子-声子(DPP)的相互作用，同时实施平坦化工艺。当适当波长的光线入射到暴露于蚀刻用气体环境的物体时，气体被分解，并生成原子团(radical)，同时选择性蚀刻表面的突出部，从而实现平坦化。
图3A是示出当利用本发明的一实施例涉及的平坦化方法时，ITO薄膜表面的粗糙度随时间变化的曲线图。在本实施例中，利用Cl2气体作为蚀刻用气体，并且将可见光的光源设定成具有532nm的中心波长。
参照图3A，在Cl2环境下进行利用可见光使ITO薄膜的表面平坦化的工艺的结果可知，最初粗糙度值(RMS roughness)为5.5nm以上的ITO薄膜表面的粗糙度值，在工艺开始后经过60分钟时，降低约71％。在现有的实验中，实施利用了可见光的ITO薄膜平坦化工艺，以使粗糙度值降低约20％，但是根据本实施例，控制物体的温度，从而可以获得更好的平坦化效果。
附加地，可以进行控制所述物体的温度的步骤S40。通过实验可知，在平坦化工艺中，温度的控制起到非常重要的变量的作用。例如，当通过532nm激光和Cl2气体发生ITO薄膜的光化学蚀刻反应时，通过激光生成的Cl原子团和ITO反应，表面上生成诸如InClx、SnClx的非挥发性副产物(non-volatile byproducts)。常温下，这些副产物不容易解吸，妨碍持续的表面平坦化工艺，并且平坦化均匀度低。鉴于此，为了促进非挥发性副产物的解吸，以提升工艺速度和平坦化均匀度，要求加热物体(基板)以控制温度的装置。
参照图2，可以利用温度控制部40，以通过电极加热的方式，提升温度，该电极与附着有物体100的加热板连接。其中，能够将所述光源入射的物体100表面的整体温度控制成均匀。
图3B是示出在约100℃的温度控制环境下，ITO薄膜表面的粗糙度随时间变化的曲线图(其他实验条件与图3A相同)。在图3A的曲线图中，研磨均匀度的标准偏差被测定为0.31nm，在图3B的曲线图中，研磨均匀度的标准偏差被改善为0.11nm，并且表面的均方根粗糙度(RMS roughness)值降低约65％以上，由此可知粗糙度被改善。
图3C是示出ITO薄膜表面的粗糙度根据物体(基板)的温度条件变化的曲线图。如图3C的曲线图所示，将物体的温度从100℃变化成150℃时，最佳的状态下均方根粗糙度从1.55nm降至0.72nm，具有最小值的平坦化工艺时间从约60分钟缩短至约10分钟。即，根据温度最佳化，不仅可以改善粗糙度，还可以大幅提升工艺速度。
根据实验，由于根据物体的温度而通过光源的平坦化程度不同，为了使物体表面整体均匀地平坦化，优选将表面整体温度保持在相似的水平。为此，温度控制部40能够通过附着在物体的另外温度传感器，实时监视物体100的特定部位的温度，因此，控制在不同位置连接的多个电极，使表面整体的温度维持均匀。
控制所述物体的温度的步骤可以包括：监视所述物体表面的粗糙度的步骤；以及根据所述监视的结果，再次控制所述物体的温度的步骤S50。为此，所述温度控制部40可以包括监视部，在进行所述物体表面的平坦化期间，所述监视部监视表面的粗糙度值(均方根粗糙度(RMS roughness))。
图4是示出当利用一实施例涉及的抛光方法时，利用原子力显微镜(AFM)观察ITO薄膜表面随时间变化的结果的图。从图4的(a)～(e)可知，随着实施0～60分钟的抛光工艺，粗糙的ITO薄膜的表面，在平坦化工艺以后，改善为平滑。
应该注意的是，随着基于可见光的ITO薄膜的抛光工艺时间变长，粗糙度再次恶化。由于ITO(Indium Tin Oxide)的结晶由晶粒(grain)结构形成，因此如果继续实施基于可见光的蚀刻，则晶粒度减小，从结果上看，表面再次变得粗糙。再次参照图3A至图3C，从工艺开始后到60分钟为止，粗糙度值持续降低，然后由于晶粒度减小，粗糙度值再次增加(即，表面粗糙度值恶化)。
根据用于解决这种问题的实施例，利用入射的所述可见光使所述ITO薄膜表面平坦化的步骤，优选仅仅持续至ITO表面的粗糙度因所述ITO薄膜的晶粒度减小而再次增加以前(例如，在图3A-图3C的实验条件下为截止到60分钟)。ITO表面的粗糙度最小化的时间t根据蚀刻用气体的种类、压力、流量、可见光的波长、光量、粗细、试样的尺寸以及被蚀刻的面积等而不同，因此不限于特定数值，可以通过实验获取最佳值。
另一方面，在这种情况下，也将物体的温度环境控制为最佳温度时，能够取得进一步改善的粗糙度值。参照图5的(a)～(c)可知，在150℃的温度环境下实施约10分钟的平坦化工艺时，相对于裸露(bare)ITO(均方根粗糙度＝5.61nm)的粗糙度值被改善87％。
在一实施例中，在平坦化工艺结束后，还可以实施将N2气体注入到主腔室10并利用泵以及气体洗涤器使N2气体再次排出到外部的附加过程。其目的在于，在利用泵将蚀刻用气体排出到外部以后，将还残留在主腔室10内部的蚀刻用气体(例如，Cl2气体)完全地去除，从而消除在开封主腔室时用户吸入Cl2等蚀刻用气体的危险。
根据前述的实施例，在去除物体表面的微小突起的平坦化工艺中，利用特定波长的光线光源以及由卤素化合物形成的蚀刻用气体，以非接触方式进行平坦化，从而可以使ITO薄膜器件等试样的划痕或者污染等副作用最小化。另外，由于工艺难度低，能够减少平坦化工艺所需的费用以及时间。
本说明书中公开的技术可以应用于各种领域。实验结果，确认通过DPP(缀饰光子-声子)平坦化，ITO的电荷迁移率相对于裸露ITO改善了4％至最高28％。从结果来看，能够在保持高透过度的同时，提升导电度/电荷迁移率，因此可以实现低功耗高速晶体管。
另外，将被平坦化的ITO应用于有机太阳能电池领域时，随着提升被平坦化的ITO电极的电荷迁移率，可以提高开放电路电压(Voc)，并且在基于DPP平坦化ITO的OPV情况下，绝对效率可以提升至0.53％(相对效率提升22.1％)。
应当理解，虽然已经参考附图所示的实施例对本发明进行了说明，但是这只是示例性的，本领域技术人员能够由此进行各种变形以及实施例的变形。但是，应当认为这种变形落在本发明的技术保护范围内。因此，本发明的真正的技术保护范围应当由所附的权利要求书的技术思想来确定。

Claims (14)

1.一种利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
向主腔室内部提供待平坦化的物体；
向所述主腔室内部注入蚀刻用气体；
使所述特定波长的光源入射到所述物体的表面；以及
控制所述物体的温度。
2.根据权利要求1所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
所述蚀刻用气体是Cl2、Br2、CF4、SF6、HBr中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
所述光源的波长至少根据所述蚀刻用气体的种类而确定。
4.根据权利要求1所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
在控制所述物体的温度的步骤中，将所述光源入射的物体表面的整体温度控制成均匀。
5.根据权利要求4所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
控制所述物体的温度的步骤包括：
监视所述物体表面的粗糙度的步骤；以及
根据所述监视的结果，再次控制所述物体的温度的步骤。
6.根据权利要求5所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
控制所述物体的温度的步骤是，通过与附着有所述物体的加热板连接的电极进行加热来实施的。
7.根据权利要求1所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
利用光束整形透镜使所述光源具有均匀分布。
8.根据权利要求1所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
所述光源具有可见光波段。
9.根据权利要求1所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
所述物体包括由ITO、FTO、ZnO、TiO2、SnO2、AZO以及GZO中的至少一种物质形成的薄膜。
10.根据权利要求9所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
使所述特定波长的光源入射到所述物体的表面的步骤持续到薄膜表面的粗糙度因构成所述薄膜的物质的晶粒度减小而再次增加以前。
11.根据权利要求1所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的方法，其特征在于，
所述物体包含Si、Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体、氧化物质或者有机物聚合物。
12.一种利用特定波长的光源使物体表面平坦化的装置，其特征在于，包括：
主腔室，被提供所述物体；
注入部，用于向所述主腔室内部注入蚀刻用气体；
光源输出部，用于射出所述特定波长的光源；以及
温度控制部，用于控制所述物体的温度，
所述温度控制部将所述光源入射的物体表面的整体温度控制成均匀。
13.根据权利要求12所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的装置，其特征在于，
所述温度控制部包括监视部，在进行所述物体表面的平坦化期间，所述监视部监视所述物体的表面的粗糙度。
14.根据权利要求12所述的利用特定波长的光源使物体表面平坦化的装置，其特征在于，
进一步包括光束整形透镜，所述光束整形透镜用于使所述光源具有均匀分布。
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