JP2010521586A - 薄膜製造方法及び薄膜製造装置 - Google Patents
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Abstract
薄膜製造方法が提供される。基板チャンバ内に提供される。チャンバ内に第１反応ガス及び第２反応ガスが供給される。第１反応ガスが解離されて結晶性ナノ粒子を形成する。第２反応ガスを利用して基板上に非結晶性物質の形成が抑制される。そして、基板上に提供された結晶性ナノ粒子から結晶性薄膜を形成する。
Description
本発明は、薄膜製造方法及び薄膜製造装置に係り、さらに詳細には、結晶性ナノ粒子から結晶性薄膜を形成する薄膜製造方法及び薄膜製造装置に関する。
従来の場合、結晶化されたシリコン膜を得るためには、一例として、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposition）、熱線化学気相蒸着（ＨＦＣＶＤ：hot filament chemical vapor depositionまたはＨＷＣＶＤ:hot wire chemical vapor deposition）などを含む化学気相蒸着方法を利用し、非晶質シリコンを基板に蒸着した後、固相結晶化（ＳＰＣ：solid phase crystallization）、金属誘導側面結晶化（ＭＩＬＣ：metal induced lateral crystallization）、エキシマレーザ結晶化（excimer laser crystallization）などの方法を利用し、高温で長時間再結晶化過程を経たり、または触媒を利用したり、エキシマレーザを利用したりして、表面を瞬間的に結晶化させる方法が利用された。
このように、膜蒸着及び結晶化の２段階を経る蒸着方法は、工程が複雑となりうる。具体的には、長時間の熱処理時間が必要であるので、工程速度が遅くなり、高温で長時間熱処理を行うので、高温で耐えることができる材料からなる基板を使用しなければならないという困難さがある。また、触媒を利用する場合、蒸着された膜に不純物が残り、エキシマレーザを利用する場合、工程を行うのに高価の装備が必要であるという困難さがある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、別途の後熱処理または脱水素工程なしに、高品位結晶性薄膜を蒸着できる薄膜製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、別途の後熱処理または脱水素工程なしに、高品位結晶性薄膜を蒸着できる薄膜製造装置を提供することである。
上記技術的課題を解決するために本発明の一態様による薄膜製造方法が提供される。前記薄膜製造方法において、まず、チャンバ内に基板を提供する。前記チャンバ内に、第１反応ガス及び第２反応ガスを供給する。そして、前記第１反応ガスを解離し、結晶性ナノ粒子を形成する。前記第２反応ガスを利用し、前記基板上に非結晶性物質の形成を抑制する。そして、前記基板上に提供された前記結晶性ナノ粒子から、結晶性薄膜を形成する。
一実施例によれば、前記結晶性ナノ粒子は、形成される前記結晶性ナノ粒子の類型によって、負電荷または正電荷を有するように荷電されうる。
他の実施例によれば、前記基板に電場を形成し、前記荷電結晶性ナノ粒子を前記基板へ誘導できる。
さらに他の実施例によれば、前記第２反応ガスを利用し、前記基板上に前記非結晶性物質が成長することを抑制したり、またはすでに成長した非結晶性物質をエッチングできる。
さらに他の実施例によれば、前記結晶性薄膜の結晶度を、供給される前記第１反応ガスと第２反応ガスとの比率によって決定できる。
前記技術的課題をなすための本発明の他の態様による薄膜製造装置は、内部に基板が装入されるチャンバと、前記チャンバ内に第１反応ガスを供給する第１ガス供給装置と、前記第１反応ガスを解離させて結晶性ナノ粒子を形成するエネルギー源と、前記基板上で非結晶性物質の形成を抑制する第２反応ガスを提供する第２ガス供給装置とを含む。
一実施例によれば、前記エネルギー源は、前記第１ガス供給装置と前記基板との間に設けられた熱線構造体を含む。
他の実施例によれば、前記薄膜製造装置は、前記基板上部に開閉可能に設けられ、前記第１反応ガスまたは前記エネルギー源から放出される熱を基板に対して遮断する基板遮断部をさらに含むことができる。
さらに他の実施例により、前記薄膜製造装置は、前記基板と連結されて前記基板に電場を形成させるバイアス印加部をさらに含むことができる。
本発明によれば、別途の後熱処理工程または脱水素工程なしにも、高品位結晶性薄膜の蒸着が可能である。このように、後熱処理工程または脱水素工程の省略によって、工程時間及び製作コストを節約できる。基板と離隔された熱線構造体で反応ガスの解離がなされるので、基板上で低温工程が可能である。従って、工程温度に拘束されずに、多様な形態の基板を使用できる。
そして、本発明によれば、製造される薄膜の結晶度を、供給される反応ガスの比率によって異なって調節できる。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施例についてさらに詳細に説明する。しかし、本発明は、ここで説明される実施例に限定されるものではなく、他の形態で具体化され得る。ただ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底して完全になりうるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝えられるように、提供されるものである。図面で、さまざまな装置、層（または膜）及び領域を明確に表現するために、前記装置、層（または膜）及び領域の幅や厚さを拡大して示した。全体的に、図面の説明時に、観察者の視点から説明し、装置が他の装置または基板上に位置すると言及される場合、他の装置または基板上にじかに位置したり、またはそれらの間に追加的な装置が介在されてもよい。また、当該分野で当業者であるならば、本発明の技術的思想を外れない範囲内で、本発明を多様な他の形態で具現できるであろう。そして、複数の図面上の同一符号は、同じ要素を指す。
図１は、本発明の第１実施例による薄膜蒸着装置を概略的に図示した図面である。図１を参照すれば、本発明の第１実施例による薄膜蒸着装置１００は、基板Ｓが装入されるチャンバ１１０、チャンバ１１０内に第１反応ガスを供給する第１ガス供給装置１２０、前記第１反応ガスを解離させて結晶性ナノ粒子を形成するエネルギー源１３１、及び前記基板Ｓ上で非結晶性物質の形成を抑制する第２反応ガスを供給する第２ガス供給装置１５０を含む。薄膜蒸着装置１００は、基板Ｓを支持する基板支持台１４０、前記基板Ｓに電場を形成するバイアス印加部１９０及び前記基板Ｓ上部に、開閉可能に設けられた基板遮断部１４をさらに含むことができる。
チャンバ１１０は、真空排気系Ｖと連通され、図示されていないが、基板Ｓを装入／搬出できるようにする基板出入口を含むことができる。
第１ガス供給装置１２０がチャンバ１１０の上部に配される。図示されているように、第１実施例で第１ガス供給装置１２０は、シャワーヘッド１２０でありうる。シャワーヘッド１２０は、チャンバ１１０の上部に配され、チャンバ１１０内部に、前記第１反応ガスを供給する。シャワーヘッド１２０は、ガス流入口１２１及びガス噴出口１２３を含む。
前記第１反応ガスは、チャンバ１１０外部からガス流入口１２１を介してシャワーヘッド１２０に流入され、ガス噴出口１２３を介してチャンバ１１０内部に提供される。
一実施例によれば、前記第１反応ガスは、前記基板Ｓ上に実質的に形成される薄膜の元素を含むことができる。
一実施例によれば、シリコン薄膜を形成する場合、前記第１反応ガスは、ＳｉnＨ2n+2（ここで、ｎは自然数）で表示されるシラン系化合物を主体とするガスを含むことができる。例えば、前記第１反応ガスは、モノシラン、ジシラン、トリシラン、テトラシランなどを含むことができ、望ましくは、モノシラン、ジシラン、トリシラン、またはこれを含んだ混合ガスを含むことができる。他の実施例によれば、前記第１反応ガスは、ＳｉnＨ2n+2-mＦm（ここで、ｎ，ｍは自然数であり、ｍ＜２ｎ＋２であり、ｍは０も含むことができる）で表示されるフッ化シラン、例えば、ＳｉＨ3Ｆ、ＳｉＨ2Ｆ2、ＳｉＨＦ3、ＳｉＦ4、Ｓｉ2Ｆ6、Ｓｉ2ＨＦ5、Ｓｉ3Ｆ8；ＳｉnＲ2n+2-mＨmで表示される有機シラン、例えば、Ｓｉ（ＣＨ3）Ｈ3、Ｓｉ（ＣＨ3）2Ｈ2、Ｓｉ（ＣＨ3）3Ｈなど、またはこれらの化合物や混合物を含むことができる。
他の実施例によれば、ゲルマニウム薄膜を形成する場合、前記第１反応ガスは、ＧｅnＨ2n+2で表示されるゲルマニウムガス、例えば、ＧｅＨ4、Ｇｅ2Ｈ6；ＧｅnＨ2n+2-mＦmで表示されるフッ化ゲルマニウムガス、例えば、ＧｅＦ4など、またはこれらの化合物や混合物を含むことができる。
さらに他の実施例によれば、炭素薄膜や炭素ナノチューブまたはナノワイヤを蒸着する場合、前記第１反応ガスは、炭化水素ガス、例えば、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ2などや、それ以外の炭化水素化合物を含むことができる。
さらに他の実施例によれば、前記第１反応ガスとして、前述の前記ガスは、単独で使われもするが、フッ素、塩素のような反応性があるガス；ドーパントであるＩＩＩ族元素を含有したガス、例えば、Ｂ2Ｈ6、Ｂ（ＣＨ3）3など；ドーパントであるＶ族元素を含有したガス、例えば、ＰＨ3など；ヘリウム、アルゴン、ネオンのような不活性ガス；水素及び窒素のような別途のガスがさらに導入されて共に使われうる。前記さらに導入になるガスは、前記シャワーヘッド１２０を介して、前記第１反応ガスと混合して提供されたり、別途のガス供給装置（図示せず）を介して第１反応ガスと分離されてチャンバ１１０に供給されうる。
一実施例によれば、前記第１反応ガスは、ガス形態、または液体ソースを気化させた蒸気の形態でチャンバ１１０内部に提供されうる。前記第１反応ガスが液体ソースを気化させた蒸気の形態で提供される場合、前記蒸気をチャンバ１１０の内部に運搬する運搬ガス（carrier gas）が付加的に使われうる。前記運搬ガスの例としては、水素、窒素、ヘリウム、アルゴンなど、非反応性ガスが使われうる。
エネルギー源１３１がシャワーヘッド１２０の下部に配される。第１実施例でエネルギー源１３１は、熱線構造体１３１でありうる。熱線構造体１３１は、タングステン（Ｗ）のような金属を含むことができ、格子型、フィラメント型のような形状を有することができる。熱線構造体１３１は、電流が印加される場合、電気抵抗によって熱を発生させる。熱線構造体１３１で発生する熱は、シャワーヘッド１２０から提供される前記第１反応ガスを化学的に解離させる。熱線構造体１３１は、前記第１反応ガス内の構成元素間の結合を解離させることができるほどに十分な熱を発生させるように調節できる。
一実施例によれば、前記第１反応ガスが前記基板Ｓ上に実質的に形成される薄膜の元素を含む場合、熱線構造体１３１は、前記第１反応ガスを解離させ、前記結晶性ナノ粒子を形成できる。
基板Ｓは、基板支持台１４０上に配されうる。基板Ｓの材質は、導電性物質、非導電性物質及び高分子物質のうちいずれか一つでありうる。例えば、基板Ｓは、金属基板、高分子基板または金属酸化物基板でありうる。
基板支持台１４０は、チャンバ１１０の下部で、シャワーヘッド１２０と対向するように位置できる。図示されているように、基板支持台１４０は、基板Ｓを支持する載置部１４１、及び基板Ｓを回転または上下動させうる支持部１４２を含むことができる。基板支持台１４０は、載置部１４１に載置された基板Ｓを加熱できる加熱手段（図示せず）、基板または載置部１４１の温度を測定できる熱電対、及び前記加熱手段を冷却するための冷却手段を含むことができる。
基板遮断部１４が基板支持台１４０上に配されうる。基板遮断部１４は、回転または併進（translational）の移動によって、基板Ｓ上に配されたり、基板Ｓから退去可能なように構成されうる。また、基板遮断部１４は、基板Ｓ及びシャワーヘッド１２０、または基板Ｓ及び熱線構造体１３１間を遮断し、基板Ｓがシャワーヘッド１２０または熱線構造体１３１に露出されないように、開閉可能に構成されうる。従って、基板遮断部１４は、シャワーヘッド１２０から提供される前記第１反応ガスの前記基板Ｓ上への流入を選択的に調節できる。また、基板遮断部１４は、熱線構造体１３１から放出される熱が基板に作用することを選択的に遮断できる。かような基板遮断部１４を利用することによって、基板Ｓ上に蒸着される薄膜の厚さを制御でき、工程初期に正常状態に至っていない前記第１反応ガスの基板Ｓ上への蒸着を遮断できる。基板遮断部１４は、上下動可能であるように構成され、基板遮断部１４の高さを調節できる。上下動可能な基板支持台１４０の構造によって、基板Ｓとシャワーヘッド１２０との間隔Ｄが調節され、基板Ｓと熱線構造体１３１との間隔ｄ１も調節可能である。シャワーヘッド１２０と熱線構造体１３１との間隔ｄ２を調節するために、シャワーヘッド１２０または熱線構造体１３１が上下動が可能である。間隔ｄ１，ｄ２，Ｄは、チャンバ１１０内の圧力などによって変更され、基板Ｓに伝達される熱量、蒸着される薄膜の蒸着速度によって調節されうる。
バイアス印加部１９０がチャンバ１１０の下部に配される。バイアス印加部１９０は、載置部１４１に載置された基板Ｓにバイアスを印加して基板Ｓに電場を形成できる。一実施例によれば、基板Ｓに形成された前記電場は、前記第１反応ガスが解離されて形成された結晶性ナノ粒子がチャンバ１１０内で荷電される場合、前記荷電結晶性ナノ粒子を基板Ｓ方向に誘導できる。この場合、前記荷電結晶性ナノ粒子は、相対的に大きい流速（flux）で基板Ｓに達しうる。その結果、前記荷電結晶性ナノ粒子から形成される薄膜は、基板Ｓとの密着力が増加し、前記薄膜の蒸着速度が増大しうる。そして、蒸着された前記薄膜の結晶化度が上昇しうる
第２ガス供給装置１５０がチャンバ１１０内に配される。第２ガス供給装置は、外部から第２反応ガスを流入して基板Ｓ上に供給する。一実施例によれば、第２ガス供給装置１５０は、間隔ｄ１に第２反応ガスを噴出できるように配されうる。一実施例によれば、前記第２反応ガスは、ガス形態、または液体ソースを気化させた蒸気の形態でチャンバ１１０内部に提供されうる。一実施例によれば、前記第２反応ガスは、基板Ｓ上に結晶性薄膜が形成される間、気相から非結晶性物質が前記基板Ｓ上に形成されることを抑制するように基板Ｓ上で作用できる。前記第２反応ガスは、一例として、塩化水素のような１７族元素を含む化合物ガスを含むことができる。第２反応ガスは、Ｃｌ系、Ｆ系のような反応性の強い元素を含むことができる。
第２ガス供給装置１５０がチャンバ１１０内に配される。第２ガス供給装置は、外部から第２反応ガスを流入して基板Ｓ上に供給する。一実施例によれば、第２ガス供給装置１５０は、間隔ｄ１に第２反応ガスを噴出できるように配されうる。一実施例によれば、前記第２反応ガスは、ガス形態、または液体ソースを気化させた蒸気の形態でチャンバ１１０内部に提供されうる。一実施例によれば、前記第２反応ガスは、基板Ｓ上に結晶性薄膜が形成される間、気相から非結晶性物質が前記基板Ｓ上に形成されることを抑制するように基板Ｓ上で作用できる。前記第２反応ガスは、一例として、塩化水素のような１７族元素を含む化合物ガスを含むことができる。第２反応ガスは、Ｃｌ系、Ｆ系のような反応性の強い元素を含むことができる。
一実施例によれば、前記第２反応ガスとして、前述の前記化合物ガスは、単独で使われうるが、ドーパントであるＩＩＩ族元素を含有したガス、例えば、Ｂ2Ｈ6、Ｂ（ＣＨ3）3など；Ｖ族元素を含有したガス、例えば、ＰＨ3など；ヘリウム、アルゴン、ネオンのような不活性ガス；水素及び窒素のようなガスがさらに導入されて共に使われうる。前記さらに導入されるガスは、第２ガス供給装置１５０を介して、前記第２反応ガスと混合して提供されたり、別途のガス供給装置（図示せず）を介して、第２反応ガスと分離されてチャンバ１１０に供給されうる。
一実施例によれば、前記第２反応ガスが液体ソースを気化させた蒸気の形態で提供される場合、前記蒸気をチャンバ１１０の内部に運搬する運搬ガス（carrier gas）が付加的に使われうる。前記運搬ガスの例としては、水素、窒素、ヘリウム、アルゴンなど、非反応性ガスが使われうる。
前述の薄膜蒸着装置１００で、第１反応ガスは、シャワーヘッド１２０を介してチャンバ１１０内に供給され、第２反応ガスは、第２ガス供給装置１５０によって、チャンバ１１０内に供給される構成を例示したが、それらに限定されるものではなく、第１反応ガスまたは第２反応ガスは、シャワーヘッド１２０または第２ガス供給装置１５０を介して、チャンバ１１０内に供給されうる。
前述の本発明の第１実施例の薄膜蒸着装置１００によれば、シャワーヘッド１２０から提供された第１反応ガスは、チャンバ１１０内で熱線構造体１３１によって解離され、結晶性ナノ粒子を形成できる。前記結晶性ナノ粒子は、チャンバ１１０内で前記結晶性ナノ粒子１１０の類型によって、負電荷または正電荷に荷電された後、バイアス印加部１９０によって形成された電場に沿って基板Ｓ上に誘導され、基板Ｓ上で結晶性薄膜として形成されうる。第２ガス供給装置１５０から提供された第２反応ガスは、前記結晶性薄膜が形成される間、基板Ｓ上で非結晶性物質が形成されることを防止できる。このように、形成しようとする薄膜の元素を含む前記第１反応ガスをあらかじめ気相で解離して結晶性ナノ粒子を形成することによって、前記結晶性ナノ粒子から結晶性薄膜を形成する工程が低温の基板上でなされうる。従って、ガラスまたは高分子基板など多様な形態の基板が使われうる。前記第２反応ガスは、前記第１反応ガスから非晶質物質が基板に形成されることを防止することによって、形成される前記結晶性薄膜の結晶度を上昇させることができる。
図２は、本発明の第２実施例による薄膜蒸着装置を概略的に図示した図面である。図２を参照すれば、本発明の第２実施例による薄膜蒸着装置２００は、基板２４０が装入されるチャンバ２１５、ガス供給装置２２０及びエネルギー源２３０を含む。薄膜蒸着装置２００は、基板２４０に電場を形成するバイアス印加部２９０をさらに含むことができる。
図示されたように、薄膜蒸着装置２００は、水平の形態であり、チャンバ２１５にガスが水平に供給されて排気される。チャンバ２１５は、石英材質のチューブ形状でありうる。
ガス供給装置２２０は、チャンバ２１５内に、第１反応ガスまたは第２反応ガスを供給できる。一実施例によれば、ガス供給装置２２０は、第１反応ガス及び第２反応ガスを別途の配管を介して、チャンバ２１５内に供給できる。他の実施例によれば、ガス供給装置２２０は、第１反応ガス及び第２反応ガスを混合した後に、同じ配管を介してチャンバ２１５内に供給できる。一実施例によれば、前記第１反応ガスは、基板２４０上に実質的に形成される薄膜の元素を含むことができる。一実施例によれば、前記第２反応ガスは、基板２４０上に結晶性薄膜が形成される間、非結晶性物質が基板２４０上に形成されることを抑制するように基板上に作用しうる。一実施例によれば、前記第１反応ガスまたは前記第２反応ガスは、ガス形態、または液体ソースを気化させた蒸気の形態でチャンバ２１５内部に提供されうる。
エネルギー源２３０が基板２４０の周囲に配される。第２実施例でエネルギー源２３０は、発熱体２３０でありうる。発熱体２３０の材質は、グラファイト、シリコンなどを含むことができ、パイプ、板、コイルのような形態を有することができる。
一実施例によれば、発熱体２３０は熱を放出し、基板２４０上に実質的に形成される薄膜の元素を含む前記第１反応ガスを解離させ、結晶性ナノ粒子を形成させることができる。
バイアス印加部２９０がチャンバ２１５内に配される。一実施例によれば、バイアス印加部２９０は、基板２４０の上部に配された第１プレート２７０、第１プレート２７０に対向して基板２４０の下部に配された第２プレート２７５、第１プレート２７０にライン２７１で連結された接地装置２８０、及び第２プレート２７５にライン２７６で連結された電源２８５を含む。異なったものとしては、接地装置２８０が第２プレート２７５にライン２７６で連結され、電源２８５が第１プレート２７０にライン２７１で連結されてもよい。基板２４０は、第２プレート２７５の第１プレート２７０の対向面上に配され、第２プレート２７５には、基板２４０を載置するためのリセスが形成されうる。
第１プレート２７０は、接地装置２８０によって接地連結され、第２プレート２７５は、電源２８５からの交流または直流の電圧を基板２４０の下部に印加できる。これにより、第１プレート２７０及び基板２４０間に電場が形成されうる。第１プレート２７０及び第２プレート２７５の材質は、一例として、金属の導電性材質でありうる。第１プレート２７０及び第２プレート２７５のサイズは、基板２４０の面積より大きく、サイズを蒸着の目的によって変更させることができる。電源２８５から基板２４０の下部に印加される電圧は、一例として、＋１，０００Ｖないし−１，０００Ｖの範囲で、直流、周波数０．０１Ｈｚないし１０ｋＨｚの交流または直流のパルス形態で印加できる。
バイアス印加部２９０は、チャンバ２１５内で前記結晶性薄膜の元素を含むガスが解離されて形成される荷電結晶性ナノ粒子を、基板２４０側に誘導できる。この場合、前記荷電結晶性ナノ粒子は、相対的に大きい流速をもって基板に達しうる。その結果、前記荷電結晶性ナノ粒子から形成される薄膜は、基板２４０との密着力が増大し、前記薄膜の蒸着速度が増大しうる。そして、蒸着された薄膜の結晶化度が上昇しうる。一例として、印加される電場が交流またはパルス直流である場合、前記荷電結晶性ナノ粒子の基板２４０への到達による衝撃によって発生する基板２４０損傷を減少させることができる。前述のバイアス印加部２９０の構成は、第１実施例のバイアス印加部１９０に適用されうる。
図３は、本発明の第３実施例による薄膜蒸着装置を概略的に図示した図面である。図３を参照すれば、本発明の第３実施例による薄膜蒸着装置３００は、基板３４０が装入されるチャンバ３１５、ガス供給装置３２０及びエネルギー源３３０を含む。薄膜蒸着装置３００は、基板３４０に電場を形成するバイアス印加部３９０をさらに含むことができる。
図３に図示されたように、薄膜蒸着装置３００は、垂直の形態であって、チャンバ３１５にガスが垂直に供給されて排気されるという点を除いては、薄膜蒸着装置３００の構成要素は、第２実施例による薄膜蒸着装置２００の構成要素と類似している。従って、前述の第２実施例と類似または同じ構成要素は、重複を避けるために説明を省略する。
一実施例によれば、荷電結晶性ナノ粒子は、ガスの流動によって下方に移動していて、第１プレート３７０と接触しうる。従って、第１プレート３７０は、前記荷電結晶性ナノ粒子が通過可能なように、網状に製作されうる。前記網状のサイズ、形態及び設置位置は、蒸着させようとする目的によって変更が可能である。前述のバイアス印加部３９０の構成は、第１実施例のバイアス印加部１９０に適用されうる。
本発明の一実施例による薄膜蒸着装置の例として、図１ないし図３と関連して、薄膜蒸着装置１００、２００、３００を開示したが、本発明の一実施例による薄膜蒸着装置は、それらに限定されるものではなく、当業者に自明であるならば、多様な変形例が可能であり、一例として、プラズマ気相蒸着法または物理的気相蒸着法が適用されうる。
以下、本発明の一実施例による薄膜蒸着方法について説明する。本発明の一実施例による薄膜蒸着方法は、「荷電ナノ粒子による薄膜蒸着機構理論（以下、荷電ナノ粒子理論）」に基づく。前記荷電ナノ粒子理論によれば、化学蒸着工程中に、気相で反応ガスが解離されて電気的に荷電ナノ粒子らまず生成され、このナノ粒子が基板に蒸着されて薄膜が成長する。このような荷電ナノ粒子理論は、Nong M．Hwang他，J．Crystal Growth206(1999)177-186；Nong M．Hwang，J．Crystal Growth204(1999)85-90；Nong M．Hwang．J．Crystal Growth 205(1999)59-63；Nong M．Hwang，J．Crystal Growth 198/199(1999)945-950；Nong-Moon Hwang他，Int．Mat．Rev．49(2004)49171-190；Nong-M．Hwangl他，J．Ceramic Processing Res．1(2000)34-44；Nong M．Hwang他，J．Crystal Growth 218(2000)33-39；Nong M．Hwang他，J．Crystal Growth 218(2000)40-44；Jn．-D．Jeon他，J．Crystal Growth 213(2000)79-82；Woo S．Cheong他，J．Crystal Growth 204(1999)52-61；S．-C．Lee，J．Crystal Growth 242(2002)463-470；Jin-YongKim他，Pure Appl．Chem．，vol． 78(2006)1715-1722；Jean-Ho Song他，Thin Solid Films 515(2007)7446-7450などに開示されている。
図４は、本発明の一実施例による薄膜蒸着機構について説明する概念図である。図４では、一実施例として、結晶性シリコン膜の蒸着機構を図示しているが、、他のさまざまな類型の結晶性膜の形成にも、実質的に同一に適用されうる。
図４を参照すれば、まずチャンバ内に、第１反応ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）が提供される。シランは、一例として、高温の熱線構造体１３１が提供した熱によって、気相でシリコン（Ｓｉ）と水素（Ｈ）とに解離され、解離された前記気相のシリコンが、前記チャンバ内で過飽和になれば、シリコンは析出されうる。析出されるシリコンは、核生成及び成長し、気相でシリコンナノ粒子を形成できる。気相で形成されるシリコンナノ粒子は、前記チャンバの壁や他の粒子の表面と接触し、内部電荷を交換することによって荷電されうる。一方、前記シリコンナノ粒子は、高温の気相で結晶性ナノ粒子に容易に成長されうる。前記結晶性シリコンナノ粒子は、結晶性を有して基板に蒸着される。蒸着される前記結晶性シリコンナノ粒子は、結晶性薄膜を形成できるシード（seed）の役割を行える。また、前記結晶性シリコンナノ粒子は、荷電されているので、前記結晶性シリコンナノ粒子間、または前記結晶性シリコンナノ粒子と成長する表面間に、電気的相互作用を発生させ、その結果、前記結晶性シリコンナノ粒子は、規則的な配享を有し、前記基板の表面に蒸着されうる。その後、前記結晶性シリコンナノ粒子が基板に連続的に蒸着され、前記基板上に結晶性シリコン薄膜が形成されうる。
一方、少なくとも、前記結晶性シリコンナノ粒子が前記基板に蒸着される間、第２反応ガス、一例として、塩化水素（ＨＣｌ）が基板に供給されうる。塩化水素ガスは、前記基板上に形成される非結晶性物質、一例として、非結晶シリコンと反応し、Ｓｉ＋Ｃｌl、Ｓｉ＋Ｈm（ここで、ｌ，ｍは、任意の整数）などを形成することによって、基板から非結晶シリコンを脱離、またはエッチングさせることができる。前記非結晶シリコンは、前記チャンバ内で前記結晶性ナノ粒子を形成できないシリコン原子を含むガスの反応基が基板と反応することによって、形成されうる。前記非結晶シリコンは、シリコン原子間で結合された前記結晶性ナノ粒子と比較し、比較的単原子、または単原子に近い群集体状態を維持するので、結晶性ナノ粒子より反応性がさらに大きくありえる。従って、前記塩化水素は、前記非結晶シリコンと優先的に反応することによって、前記基板から前記非結晶シリコンを除去できる。
結果的に、前記荷電ナノ粒子理論による蒸着機構を適用することによって、前記結晶性シリコン薄膜を前記基板上に形成できる。前記結晶性シリコンナノ粒子は、気相で形成されるので、基板は、相対的に低温でありうる。従って、ガラスまたは高分子を含む低温基板を使用できる。
図５は、本発明の一実施例による薄膜製造方法の各段階を図示するフローチャートである。図５を参照すれば、Ｓ５１０段階で、チャンバ内に基板が提供される。前記基板の材質は、導電性物質、非導電性物質及び高分子のうち、いずれか一つでありうる。例えば、基板Ｓは、金属基板、高分子基板または金属酸化物基板でありうる。
その後、Ｓ５２０段階で、前記チャンバ内に、第１反応ガス及び第２反応ガスを供給する。一実施例によれば、前記第１反応ガスは、前記基板上に実質的に形成される薄膜の元素を含むことができる。前記第１反応ガスは、ガス形態、または液体ソースを気化させた蒸気の形態で、前記チャンバ内部に提供されうる。
シリコン薄膜を形成する場合、一実施例によれば、前記第１反応ガスは、ＳｉnＨ2n+2（ここで、ｎは自然数）で表示されるシラン系化合物を主体とするガスを含むことができる。例えば、前記第１反応ガスは、モノシラン、ジシラン、トリシラン、テトラシランなどを含むことができ、望ましくは、モノシラン、ジシラン、トリシラン、またはこれらを含んだ混合ガスを含むことができる。他の実施例によれば、前記第１反応ガスは、ＳｉnＨ2n+2-mＦm（ここで、ｎ，ｍは自然数であり、ｍ＜２ｎ＋２であり、ｍは０も含むことができる）で表示されるフッ化シラン、例えば、ＳｉＨ3Ｆ、ＳｉＨ2Ｆ2、ＳｉＨＦ3、ＳｉＦ4、Ｓｉ2Ｆ6、Ｓｉ2ＨＦ5、Ｓｉ3Ｆ8；ＳｉnＲ2n+2-mＨmで表示される有機シラン、例えば、Ｓｉ（ＣＨ3）Ｈ3、Ｓｉ（ＣＨ3）2Ｈ2、Ｓｉ（ＣＨ3）3Ｈなど、またはこれらの化合物や混合物を含むことができる。
ゲルマニウム薄膜を形成する場合、一実施例によれば、前記第１反応ガスは、ＧｅnＨ2n+2で表示されるゲルマニウムガス、例えば、ＧｅＨ4、Ｇｅ2Ｈ6；ＧｅnＨ2n+2-mＦmで表示されるフッ化ゲルマニウムガス、例えば、ＧｅＦ4などまたはこれらの化合物や混合物を含むことができる。
炭素薄膜や炭素ナノチューブまたはナノワイヤを蒸着する場合、一実施例によれば、前記第１反応ガスは、炭化水素ガス、例えば、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ2などや、それ以外の炭化水素化合物を含むことができる。
前記第１反応ガスとして、前述の前記ガスは単独で使われうるが、フッ素、塩素のような反応性のあるガス；ドーパントであるＩＩＩ族元素を含有したガス、例えば、Ｂ2Ｈ6、Ｂ（ＣＨ3）3など；Ｖ族元素を含有したガス、例えば、ＰＨ3など；ヘリウム、アルゴン、ネオンのような不活性ガス；水素及び窒素のようなガスがさらに導入されて共に使われうる。
第２反応ガスは、一例として、塩化水素のような１７族元素を含む化合物ガスでありうる。第２反応ガスは、Ｃｌ系、Ｆ系のような反応性の強い元素を含むことができる。一実施例によれば、前記第２反応ガスとして、前述の前記化合物ガスは、単独で使われうるが、ドーパントであるＩＩＩ族元素を含有したガス、例えば、Ｂ2Ｈ6、Ｂ（ＣＨ3）3など；Ｖ族元素を含有したガス、例えば、ＰＨ３など；ヘリウム、アルゴン、ネオンのような不活性ガス；水素及び窒素のようなガスがさらに導入されて共に使われうる。
Ｓ５３０段階で、前記第１反応ガスを解離して結晶性ナノ粒子を形成する。前記チャンバ内で、エネルギー源によって、前記第１反応ガスが解離され、気相で前記結晶性ナノ粒子が形成されうる。
一実施例によれば、前記エネルギー源は、熱またはプラズマを提供し、前記第１反応ガスを解離できる。一実施例によれば、前記結晶性ナノ粒子は、生成される前記結晶性ナノ粒子の類型によって、負電荷または正電荷を帯びるように荷電されうる。すなわち、前記結晶性ナノ粒子の荷電状態は、前記結晶性ナノ粒子が生成される工程条件、一例として、前記チャンバ内の圧力、温度などによって異なるように調節されうる。他の例として、前記結晶性ナノ粒子の荷電状態は、エネルギー源の一例である熱線構造体１３１（図１）の種類及び化学成分によって、異なるように調節されうる。
一実施例によれば、前記基板に電場を形成し、前記荷電結晶性ナノ粒子を前記基板へ誘導できる。
Ｓ５４０段階で、前記第２反応ガスを利用し、前記基板上に非結晶性物質の形成を抑制する。すなわち、第２反応ガスを利用し、前記基板上に前記非結晶性物質が成長することを抑制したり、すでに成長した前記非結晶性物質をエッチングできる。前記非結晶性物質は、前記基板に形成される結晶性薄膜の元素と同じ元素を含むことができる。
一実施例によれば、第２反応ガス、一例として、塩化水素ガスは、前記基板上に形成されうる非結晶性シリコンと反応し、Ｓｉ＋Ｃｌl、Ｓｉ＋Ｈm（ここで、ｌ，ｍは任意の整数）などの反応で、前記基板上で非結晶性シリコンを脱離、またはエッチングさせることができる。
また、前記塩化水素ガスは、前記非結晶性シリコンに付着された水素と反応し、前記基板上で前記水素を除去できる。すなわち、前記塩化水素ガスで解離された塩素または水素は、前記非結晶性シリコンに付着または結合された前記水素と反応し、Ｈ＋Ｃｌn、Ｈ＋Ｈo（ここで、ｎ，ｏは任意の整数）などの反応で基板上で前記水素を除去できる。
Ｓ５５０段階で、前記基板上に提供された前記結晶性ナノ粒子から結晶性薄膜を形成する。前記基板上に提供される前記結晶性ナノ粒子は、結晶性薄膜を形成できるシードの役割を行える。また、前記結晶性ナノ粒子は、荷電されているので、前記結晶性ナノ粒子間、または前記結晶性ナノ粒子と成長する前記基板の表面との間に電気的相互作用が発生し、前記結晶性ナノ粒子は、規則的な配向を有し、前記基板表面に蒸着されうる。これにより、前記基板上に結晶性薄膜が形成されうる。一例として、前記結晶性薄膜は、シリコン膜、窒化シリコン膜、ゲルマニウム膜、炭素薄膜、炭素ナノチューブまたはナノワイヤを含むことができる。
一実施例によれば、前記Ｓ４００段階及び前記５００段階は、同時に行われたり、または前記Ｓ４００段階は、少なくとも前記Ｓ５００段階が進められる間に行われうる。
一実施例によれば、前記チャンバ内に供給される前記第１反応ガスと前記第２反応ガスとの比率が調節されることによって、前記基板上に形成される前記結晶性薄膜の結晶度が調節されうる。
図６は、塩素（Ｃｌ）を含む雰囲気でのシリコン過飽和度をシミュレーションで摸写した結果を示したグラフである。図６は、全体圧力を１０Ｔｏｒｒに維持するとき、前記チャンバ内の気相でのシリコンと塩素との比率、及び前記チャンバ内部温度による気相で過飽和シリコンのモル分率を示している。
図６を参照すれば、前記気相内での前記塩素の比率が上昇するほど、全体温度にわたって、前記過飽和シリコンのモル分率が低下することが分かり、同じシリコン及び塩素比率では、温度が上昇するにつれて、前記過飽和シリコンのモル分率が上昇していて、再び低下することが分かる。前記結晶性シリコンナノ粒子は、前記過飽和シリコンが気相で核生成及び成長することによって形成されうる。従って、同じシリコン及び塩素比率では、１，０００℃ないし１，５００℃の高温で、前記結晶性シリコンナノ粒子が形成され、１，０００℃未満では、形成される前記結晶性シリコンナノ粒子の量が急減することを予測できる。同様に、本発明の第１実施例による薄膜蒸着装置１００で、熱線構造体１３１近くの高温では、前記第１反応ガスから前記結晶性シリコンナノ粒子が優先的に生成され、相対的に低温の基板近くでは、前記第１反応ガスから前記結晶性シリコンナノ粒子の形成が抑制されることを予測できる。
前述の本発明の一実施例による薄膜形成方法によれば、第１反応ガスを解離して結晶性ナノ粒子を形成し、前記結晶性ナノ粒子から基板上に結晶性薄膜を形成できる。このとき、第２反応ガスは、前記第１反応ガスから解離された非結晶性元素の群集体が前記基板上に形成されることを抑制できる。従って、前記基板上に形成される前記結晶性薄膜の結晶度が向上する。このような方法によって、結晶性薄膜の結晶度を上昇させる方法は、従来の方法の薄膜蒸着後にさらに実施する後熱処理工程及び脱水素工程なしにも、低温で高品位の結晶性薄膜を形成できるようにする。そして、後熱処理工程及び脱水素工程の省略によって、工程時間及び製作コストを節約できる。また、製造される薄膜の結晶性、蒸着厚及び表面状態をユーザの意図通りに調節できる。
そして、高品位の結晶性薄膜を低温で容易に製造できるので、前記結晶性薄膜を有機発光表示装置や可撓性表示装置のような表示手段や太陽電池など、さまざまな電子装置に多様に応用できる。
以下、本発明の実験例について説明する。
［実験例］
図１と関連して前述の第１実施例の薄膜蒸着装置を利用し、基板上にシリコン薄膜を形成した。第１反応ガスとしては、１０％濃度のシランを１００ｓｃｃｍ使用し、熱線構造体は、フィラメント型を使用した。前記熱線構造体を１，６００℃の温度で加熱し、前記第１反応ガスを解離した。
［実験例］
図１と関連して前述の第１実施例の薄膜蒸着装置を利用し、基板上にシリコン薄膜を形成した。第１反応ガスとしては、１０％濃度のシランを１００ｓｃｃｍ使用し、熱線構造体は、フィラメント型を使用した。前記熱線構造体を１，６００℃の温度で加熱し、前記第１反応ガスを解離した。
前記第１反応ガスの供給と同時に、第２反応ガスとして、塩化水素（純度９９．９９％）を、表１のようにその流量を変化させつつ供給し、薄膜をそれぞれ蒸着した。前記塩化水素ガスが使われていない（ａ）の場合、従来の技術である比較例に該当する薄膜である。
基板は、２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×１ｍｍ（厚さ）のコーニングガラスを使用し、前記基板温度は、３２０℃を維持してバイアスを印加した。チャンバ内の工程圧力は、１０Ｔｏｒｒに維持し、工程時間は２０分とした。
［評価］
図７は、本発明の一実施例において、塩化水素ガスの流量によって異なって蒸着された薄膜を、ラマン分光器で測定した結果を示したグラフである。
図７を参照すれば、比較例である（ａ）の場合、蒸着された薄膜内で非晶質のシリコンが優勢であることを観察でき、塩化水素ガスの流量が増大するほど、グラフのピークがシリコンウェーハ内の結晶質シリコンピーク側に移動する様子を観察できる。従って、塩化水素ガスの流量が増大するにつれて、薄膜の結晶性が上昇することを確認することができる。これは、増大した流量の塩化水素がさらに効果的に非結晶性シリコンを基板から除去し、薄膜内の非晶質シリコンの量を減らしたためであると判断できる。
以上では、図面及び実施例を参照して説明したが、当該技術分野の熟練当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で、本発明の多様な修正及び変更が可能であるということを理解することができるであろう。
Claims (22)
- （ａ）チャンバ内に基板を提供する段階と、
（ｂ）前記チャンバ内に第１反応ガス及び第２反応ガスを供給する段階と、
（ｃ）前記第１反応ガスを解離して結晶性ナノ粒子を形成する段階と、
（ｄ）前記第２反応ガスを利用し、前記基板上に非結晶性物質の形成を抑制する段階と、
（ｅ）前記基板上に提供された前記結晶性ナノ粒子から結晶性薄膜を形成する段階とを含む薄膜製造方法。 - （ｃ）段階で、
前記結晶性ナノ粒子は、形成される前記結晶性ナノ粒子の類型によって、負電荷または正電荷を有するように荷電されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。 - 前記結晶性ナノ粒子の荷電状態は、前記結晶性ナノ粒子が形成される前記チャンバ内の圧力または温度によって異なるように調節されることを特徴とする請求項２に記載の薄膜製造方法。
- 前記第１反応ガスは、前記結晶性薄膜の元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記第１反応ガスは、シラン系化合物、ゲルマニウム系化合物及び炭化水素系化合物によって構成になるグループから選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の薄膜製造方法。
- （ｃ）段階は、
前記第１反応ガスを熱またはプラズマによって解離し、気相で前記結晶性ナノ粒子を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。 - （ｆ）前記基板に電場を形成し、前記荷電結晶性ナノ粒子を前記基板へ誘導する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の薄膜製造方法。
- （ｄ）段階は、
前記第２反応ガスを利用し、前記基板上に前記非結晶性物質が成長することを抑制したり、すでに成長した非結晶性物質をエッチングする段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。 - 前記非結晶性物質は、前記結晶性薄膜の元素と同じ元素を含む請求項８に記載の薄膜製造方法。
- 前記第２反応ガスは、１７族元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記第２反応ガスは、フッ化物系または塩素系の化合物を含むことを特徴とする請求項１０に記載の薄膜製造方法。
- 前記結晶性薄膜の結晶度を、供給される前記第１反応ガスと第２反応ガスとの比率によって決定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記形成される結晶性ナノ粒子の量は、前記第１反応ガスから解離された元素の温度による気相での過飽和度に比例することを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記結晶性薄膜は、シリコン膜、窒化シリコン膜、ゲルマニウム膜、炭素薄膜、炭素ナノチューブ及びナノワイヤのうち、いずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記（ｄ）及び前記（ｅ）の段階は、同時に進められることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 内部に基板が装入されるチャンバと、
前記チャンバ内に第１反応ガスを供給する第１ガス供給装置と、
前記第１反応ガスを解離させて結晶性ナノ粒子を形成するエネルギー源と、
前記基板上で非結晶性物質の形成を抑制する第２反応ガスを提供する第２ガス供給装置とを含む薄膜製造装置。 - 前記エネルギー源は、前記第１ガス供給装置と前記基板との間に設けられた熱線構造体を含むことを特徴とする請求項１６に記載の薄膜製造装置。
- 前記基板上部に開閉可能に設けられ、前記第１反応ガスまたは前記エネルギー源から放出される熱を基板に対して遮断する基板遮断部をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の薄膜製造装置。
- 前記基板と連結され、前記基板に電場を形成させるバイアス印加部をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の薄膜製造装置。
- 前記バイアス印加部は、
前記基板の上部に設けられた第１プレートと、
前記第１プレートに対向して前記基板の下部に設けられた第２プレートと、
前記第１プレート及び第２プレートのうち、いずれか一つに電圧を印加する電源と、
前記第１プレート及び第２プレートのうち、他の一つを接地させる接地装置とを含むことを特徴とする請求項１９に記載の薄膜製造装置。 - 前記電圧は、交流、直流及びパルス直流のうち、いずれか一つであることを特徴とする請求項２０に記載の薄膜製造装置。
- 前記基板は、前記第２プレートの前記第１プレート対向面上に置かれ、前記第１プレートに前記接地装置が連結され、前記第２プレートに前記電源が連結されたものであることを特徴とする請求項２０に記載の薄膜製造装置。
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