KR100378062B1 - Method of forming material film - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단결정(single crystaline), 다결정(polycrystalline) 또는 비정질(amorphous)의 기판 위에 화학적 특성이 다른 매개층을 형성하고 그 위에 재료막을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히 상기 매개층 위에 다결정 또는 비정질 박막을 성장시키고 이 박막을 별도의 기판에 접합함으로서 박막 트랜지스터나 태양전지 등의 소자를 제작할수 있다.The present invention relates to a method of forming a medium layer having different chemical properties on a single crystal, polycrystalline or amorphous substrate and manufacturing a material film thereon. In particular, by growing a polycrystalline or amorphous thin film on the intermediate layer and bonding the thin film to a separate substrate, it is possible to manufacture devices such as thin film transistors and solar cells.
Description
고집적, 고성능회로에 적합한 재료막 및 기판을 제작하는 방법.A method of manufacturing a material film and a substrate suitable for a high density, high performance circuit.
본 발명은 재료막을 형성하는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는단결정(single crystaline), 다결정(polycrystalline) 또는 비정질(amorphous)의 기판 위에 화학적 특성이 다른 매개층을 형성하고 상기 매개층 위에 다결정 또는 비정질 박막을 성장시킨 다음 이 박막을 다른 기판에 접합함으로써 소자로 가공하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a material film, and more particularly, to form a medium layer having different chemical properties on a single crystal, polycrystalline, or amorphous substrate, and to form a polycrystalline or amorphous thin film on the medium layer. The method relates to a method of processing into a device by growing and then bonding the thin film to another substrate.
전자통신산업의 발전은 반도체 회로의 고집적화와 멀티미디어 기능 등 고성능화에 의하여 이루어지고 있으며 액정 디스플레이(liquid crystal display) 소자는 이를 구현하는 핵심소자로서의 역할을 담당한다. 액정 디스플레이 소자는 LCD 화소와 이를 동작시키기 위한 화소구동 스위치 트랜지스터(switch transistor)를 포함하며 현재는 스위치 트랜지스터를 유리 기판 위에 설치할 수 있는 비정질 실리콘 박막을 이용하여 제작하고 있다. 비정질 실리콘 막은 400℃ 이하의 온도에서 형성할 수 있으므로 유리기판 위에 형성하는 것이 가능하다. 그러나 비정질 실리콘 박막은 비저항(resistivity)이 높고 결함(defect)가 많이 포함되어 있으므로 트랜지스터의 성능을 개선하는데 어려움이 있다. 박막 트랜지스터의 성능을 더욱 개선하기 위하여는 결정성이 우수한 다결정 실리콘 막을 적용하는 것이 필요하나 이 경우에는 비교적 고온에서 다결정 실리콘 막을 형성해야 하므로 이를 형성하기 위한 기판재료가 석영(quartz) 등으로 제한되어 제조비용이 증가한다. 비정질 실리콘 막은 유리기판을 사용하는 박막형 태양전지(solar cell)에도 박막 다이오우드(diode)로써 활용되며 이 경우에 있어서도 박막 트랜지스터(TFT)에서와 같은 문제점을 나타낸다.The development of the electronic communication industry is made possible by high integration of semiconductor circuits and high performance such as multimedia functions, and liquid crystal display devices play a role as a core device for implementing them. The liquid crystal display device includes an LCD pixel and a pixel driving switch transistor for operating the same, and is currently manufactured using an amorphous silicon thin film that can be installed on a glass substrate. Since the amorphous silicon film can be formed at a temperature of 400 ° C. or lower, it can be formed on a glass substrate. However, since the amorphous silicon thin film has high resistivity and contains many defects, it is difficult to improve the performance of the transistor. In order to further improve the performance of the thin film transistor, it is necessary to apply a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity, but in this case, the polycrystalline silicon film must be formed at a relatively high temperature, and thus the substrate material for forming the thin film transistor is limited to quartz and the like. Cost increases. The amorphous silicon film is used as a thin film diode in a thin film solar cell using a glass substrate and also exhibits the same problem as in a thin film transistor (TFT).
본 발명은 다결정 또는 비정질 박막을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method of forming a polycrystalline or amorphous thin film.
본 발명의 다른 목적은 다결정 또는 비정질 박막을 소정의 기판 위에 형성하고 이를 분리하여 다른 한 기판에 옮겨서 소자로 가공하는 방법을 제시한다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a polycrystalline or amorphous thin film on a predetermined substrate, separating it, transferring it to another substrate, and processing the same into an element.
본 발명의 또 다른 목적은 다결정 실리콘 TFT나 다결정 실리콘 pn접합 다이오우드 등을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method of forming a polycrystalline silicon TFT, a polycrystalline silicon pn junction diode, or the like.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 제1기판 위에 상기 제1기판과 화학적인 특성이 다른 매개층을 형성하고 그 위에 재료막을 형성하여 분리하는 점에 있다.A feature of the present invention for achieving the above object is to form a median layer having a different chemical characteristic from the first substrate on the first substrate and to form a material film thereon to separate it.
본 발명의 세부적인 특징은 제1기판의 매개층 위에 성장시킨 재료막을 분리하는 과정과, 분리한 재료막을 제2기판 위에 접합하는 과정을 포함한다.Detailed features of the invention include a process of separating the material film grown on the intermediate layer of the first substrate, and the process of bonding the separated material film on the second substrate.
본 발명의 다른 세부적인 특징은 제1기판으로부터 매개층과 재료막을 분리하는 과정과, 분리한 매개층과 재료막을 제2기판 위에 접합하는 과정을 포함한다.Another detailed feature of the present invention includes the step of separating the intermediate layer and the material film from the first substrate, and the step of bonding the separated intermediate layer and the material film on the second substrate.
본 발명의 또 다른 세부적인 특징은 제1기판의 매개층 위에 성장시킨 재료막 위에 보호막을 형성하는 과정을 포함한다.Another detailed feature of the present invention includes forming a protective film on the material film grown on the intermediate layer of the first substrate.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시에 따른 박막 형성방법을 나타낸 도면,1a to 1e is a view showing a thin film forming method according to an embodiment of the present invention,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 일 실시에 따른 박막 형성방법을 나타낸 도면,3a to 3c are views showing a thin film forming method according to another embodiment of the present invention,
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1: 제1기판 2: 매개층1: first substrate 2: interlayer
3: 재료막 4: 제2기판3: material film 4: second substrate
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 각 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 실시예를 나타낸 것이다. 도 1a는 제1기판(1)을 나타낸다. 상기 제1기판(1)으로는 Al2O3, AlN, BeO, BN, SiC, 공업용 다이아몬드 등의 세라믹(ceramic)재료나 KCl, NaCl, KH2PO4와 같은 유전체 재료를 사용할 수 있다. 그밖에 제1기판(1)으로 반도체 막이나 도전체 막을 적용할 수 있다. 반도체 막으로는 Si(silicon), Ge(germanium), GaAs(gallium arsenide) 등을 형성하여 적용하는 것을 포함하며, 도전체 막으로는 TiSi2(titanium silicide) 나 CoSi2(cobalt silicide) 등의 금속실리사이드 물질이나 Al(aluminium) 이나 Cu(copper) 등의 금속 물질을 적용하는 것을 포함한다.1A-1E show an embodiment according to the present invention. 1A shows a first substrate 1. The first substrate 1 may be a ceramic material such as Al 2 O 3 , AlN, BeO, BN, SiC, industrial diamond, or a dielectric material such as KCl, NaCl, or KH 2 PO 4 . In addition, a semiconductor film or a conductor film can be applied to the first substrate 1. The semiconductor film includes forming Si (silicon), Ge (germanium), GaAs (gallium arsenide), and the like, and the conductive film includes a metal such as TiSi 2 (titanium silicide) or CoSi 2 (cobalt silicide). It includes applying a silicide material or a metal material such as Al (aluminium) or Cu (copper).
이후 도 1b와 같이 상기 제1기판(1) 위에 화학적 특성이 다른 매개층(2)을 형성한다. 매개층(2)으로는 절연막으로서 산화막이나 질화막 등을 주성분으로 하며, 제1기판(1) 및 재료막(3)과 식각 선택성(etching selectivity)이 있는 재료를 이용한다. 제1기판(1) 위에 매개층(2)을 형성하는 방법은 화학기상증착(chemical vapor deposition)방법을 주로 사용한다. 매개층(2)이 실리콘산화막인 경우에는 실리콘과 산소을 포함하는 소스 기체(source gas), 예를 들어 실랜(SiH4)과산소(02) 등을 적용하여 300℃∼600℃의 온도와 1기압 이하의 압력에서 산화막을 500Å이상의 두께로 증착한다. 한편 매개층(2)이 실리콘질화막인 경우에는 실리콘과 질소를 포함하는 소스 기체(source gas), 예를 들어 암모니아(NH3)와 실랜(SiH4) 등을 적용하여 300℃∼600℃의 온도와 1기압 이하의 압력에서 질화막을 500Å이상의 두께로 증착한다.Thereafter, as shown in FIG. 1B, the intermediate layer 2 having different chemical properties is formed on the first substrate 1. As the insulating layer 2, an oxide film, a nitride film, or the like is mainly used as an insulating film, and a material having an etching selectivity with the first substrate 1 and the material film 3 is used. The method of forming the intermediate layer 2 on the first substrate 1 mainly uses a chemical vapor deposition method. In the case where the intermediate layer 2 is a silicon oxide film, a source gas containing silicon and oxygen, for example, silane (SiH 4 ) and oxygen (0 2 ), is applied to a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. and 1. The oxide film is deposited to a thickness of 500 kPa or more at a pressure below atmospheric pressure. On the other hand, when the intermediate layer 2 is a silicon nitride film, a source gas containing silicon and nitrogen, for example, ammonia (NH 3 ) and silane (SiH 4 ) is applied to a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. The nitride film is deposited to a thickness of 500 kPa or more at a pressure of 1 atm and below.
다음으로 도 1c와 같이 상기 매개층(2) 위에 재료막(3)을 형성한다. 상기 매개층(2)위에 형성하는 재료막(3)으로는 반도체 막이나 도전체 막을 적용할 수 있다. 반도체 막으로서는 Si, Ge, GaAs 등을 형성하여 적용하는 것을 포함하며, 도전체 막으로서는 TiSi2나 CoSi2등의 금속실리사이드 물질이나 Al 이나 Cu 등의 금속 물질을 적용하는 것을 포함한다. 재료막으로서 실리콘과 같은 반도체 박막을 형성하는 경우에는 상기 매개층 위에 실리콘(Si)을 포함하는 SiH4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4등의 소스 기체와 H2, Cl2, HCl 등의 반응성 기체(reactive gas)를 이용하여 500℃∼1200℃의 온도에서 화학기상증착(CVD)법에 의하여 1기압 이하의 압력에서 형성하는 방법을 적용한다. 바람직하게는 600℃∼900℃의 온도와 100 Torr 이하의 압력에서 성장시키는 방법을 포함한다. 한편 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 적용하는 경우에는 300℃∼500℃의 온도에서 증착할 수도 있다. 또한 실리콘을 타겟 물질(target material)로 사용하고 아르곤(Ar), 또는 아르곤과 질소(N2)를 포함하는 플라즈마(plasma) 분위기로 10 Torr 이하의 압력에서 기판의 온도를 400℃ 이하로 유지하면서 스퍼터링(sputtering)함으로써 실리콘 박막을 형성할 수 있다. 그밖에 도전체 막을 형성하는 방법도 이와 유사하게 증착방법이나 스퍼터링 방법등을 적용하여 형성할 수 있다.Next, a material film 3 is formed on the intermediate layer 2 as shown in FIG. 1C. As the material film 3 formed on the intermediate layer 2, a semiconductor film or a conductor film can be used. The semiconductor film includes forming and applying Si, Ge, GaAs and the like, and the conductive film includes applying a metal silicide material such as TiSi 2 or CoSi 2 or a metal material such as Al or Cu. In the case of forming a semiconductor thin film such as silicon as the material film, a source gas such as SiH 4 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 containing silicon (Si), H 2 , Cl 2 , HCl, etc. The method of forming at a pressure of 1 atm or less by chemical vapor deposition (CVD) at a temperature of 500 ° C. to 1200 ° C. using a reactive gas of Preferably a method of growing at a temperature of 600 ℃ to 900 ℃ and a pressure of 100 Torr or less. On the other hand, when plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is applied, it may be deposited at a temperature of 300 ℃ to 500 ℃. In addition, while using silicon as a target material and maintaining the temperature of the substrate below 400 ℃ at a pressure of 10 Torr or less in a plasma atmosphere containing argon (Ar) or argon and nitrogen (N 2 ) The silicon thin film can be formed by sputtering. In addition, a method of forming a conductor film can be similarly formed by applying a deposition method or a sputtering method.
이와 같이 재료막(3)이 형성된 후에는 제1기판(1)과 매개층(2)으로부터 도 1d와 같이 재료막(3)를 분리한다. 상기 재료막(3)을 매개층(2)으로부터 분리하는 방법으로서는 화학적 식각(etching) 방법을 적용하여 매개층(2)을 선택적으로 제거하는 단계를 포함한다. 화학적 식각 방법은 상기 매개층(2)이 실리콘산화막인 경우에는 HF 용액 또는 F 원소를 포함하는 식각기체를 적용할 수 있으며, 상기 매개층(2)이 실리콘질화막인 경우에는 인산(H3PO4)용액이나 F 원소를 포함하는 식각 기체를 적용할 수 있다.After the material film 3 is formed in this manner, the material film 3 is separated from the first substrate 1 and the intermediate layer 2 as shown in FIG. 1D. The method of separating the material film 3 from the intermediate layer 2 includes a step of selectively removing the intermediate layer 2 by applying a chemical etching method. In the chemical etching method, an HF solution or an etching gas containing an element F may be applied when the intermediate layer 2 is a silicon oxide film, and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) when the intermediate layer 2 is a silicon nitride layer. Etch gas containing solution or F element can be applied.
이후 도 1e와 같이 분리된 재료막(3)을 제2기판(4) 위에 올려 놓고 열처리하여 접합시킨다. 상기 재료막(3)을 상기 제2기판(4)와 접합시키는 방법으로는 질소나 진공과 같은 불활성 분위기 또는 수소나 산소를 포함하는 반응성 기체를 적용하여 실온(room temperature)∼600℃의 온도에서 열처리하는 방법을 포함한다.Thereafter, the separated material film 3 is placed on the second substrate 4 and thermally bonded as shown in FIG. 1E. The material film 3 is bonded to the second substrate 4 by applying an inert atmosphere such as nitrogen or vacuum or a reactive gas containing hydrogen or oxygen at a room temperature to 600 ° C. It includes a method of heat treatment.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 도 3a는 매개층(2) 위에 재료막(3)을 형성한 상태이다. 앞서 설명한 도 1의 실시예와 다른 점은 도 3b와 같이 매개층(2)과 재료막(3)을 제1기판으로부터 분리시킨 이후에 도 3c와 같이 매개층(2)과 재료막(3)을 제2기판(4)에 접합하는 과정을 진행하는 점이다. 도 3b에서 제1기판(1)을 분리시키는 과정은 상기 제1기판(1)이 Al2O3, AlN, BeO, BN, SiC, 공업용 다이아몬드 등의 세라믹(ceramic)재료인 경우에는 연마(polishing) 방법으로 제거하거나 산성용액으로 식각하는 방법을 적용할 수 있다. 상기 제1기판(1)이 KCl, NaCl, KH2PO4와 같은 유전체 재료인 경우에는 물(H2O)과 같이 용해도가 큰 용액을 사용하여 식각하는 방법을 적용할 수 있다. 제1기판(1)을 분리시키는 과정은 도 1의 실시예에서와 같은 방법을 적용한다.3A to 3C show another embodiment of the present invention. 3A shows a state in which a material film 3 is formed on the intermediate layer 2. Unlike the embodiment of FIG. 1 described above, the intermediate layer 2 and the material film 3 are separated as shown in FIG. 3C after the intermediate layer 2 and the material film 3 are separated from the first substrate as shown in FIG. 3B. Is to proceed with the bonding process to the second substrate (4). In FIG. 3B, the process of separating the first substrate 1 is performed when the first substrate 1 is ceramic material such as Al 2 O 3 , AlN, BeO, BN, SiC, industrial diamond, or the like. The method can be removed by etching or etching with acidic solution. When the first substrate 1 is a dielectric material such as KCl, NaCl, or KH 2 PO 4 , a method of etching using a solution having a high solubility such as water (H 2 O) may be applied. The process of separating the first substrate 1 applies the same method as in the embodiment of FIG. 1.
이상과 같은 도 1a 내지 도 3c에 나타낸 각 실시예에 있어서 재료막이 특히 금속이나 금속실리사이드 등인 경우에는 제1기판이나 매개층 재료에 비하여 비교적 얇고 무르기 때문에 형성과정 중에 응력(stress)를 받기 쉬우므로 재료막을 형성한 이후에 재료막위에 보호막으로서 비교적 단단한 절연막을 도포(coating)하여 가열과정이나 냉각과정에 있어서 재료막이 응력을 받아서 변형되거나 부서지지 않도록 보호하는 과정을 추가로 적용할 수 있다. 보호막은 앞서 설명한 매개층과 같이 산화막이나 질화막 등의 절연막을 주성분으로 하는 재료를 5000Å이하의 두께로 적용할 수 있으며 형성방법도 상기 매개층을 형성하는 과정을 동일하게 적용할 수 있다.In each of the embodiments shown in FIGS. 1A to 3C as described above, when the material film is particularly metal or metal silicide, the material film is relatively thin and soft as compared to the first substrate or the intermediate layer material, and thus is easily subjected to stress during the forming process. After forming the film, a process of applying a relatively hard insulating film as a protective film on the material film to protect the material film from being deformed or broken under stress in the heating or cooling process may be further applied. As the passivation layer, a material including an insulating film such as an oxide film or a nitride film as a main component may be applied to the protective film with a thickness of 5000 kΩ or less, and the forming method may be applied in the same manner to the formation of the intermediate layer.
이와 같이 별도의 매개층 위에서 재료막을 형성하여 다른 기판에 접합하는 방법은 다결정 TFT-LCD의 TFT를 형성하는 과정이나 태양전지에서 pn 다이오우드를 형성하는 과정에 적용할 수 있으며 이러한 경우 유리기판 위에서도 비정질 실리콘 막이 아닌 다결정 실리콘 막을 적용할 수 있게 된다.The method of forming a material film on a separate intermediate layer and bonding it to another substrate can be applied to the process of forming a TFT of a polycrystalline TFT-LCD or a process of forming a pn diode in a solar cell. It is possible to apply a polycrystalline silicon film instead of a film.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다결정 또는 비정질 박막을 박막 트랜지스터나 박막 다이오우드 등에 활용하는 경우 다른 기판 위에서 형성시키고 선택적으로 분리하여 유리기판 위에 옮겨서 사용할 수 있으므로 유리기판을 사용하여 다결정 또는 비정질의 박막 트랜지스터와 다이오우드 등을 제작할 수 있게 된다. 또한 종래에는 다결정 박막 트랜지스터를 형성하려면 기판 재료로서 석영(quartz)과 같은 재료를 이용하거나 비정질 박막을 형성한 다음 레이저(laser)를 이용하여 열처리를 하는 등 공정이 복잡하여 품질이 떨어지고 제조비용이 증가하는 문제가 발생하였으나 본 발명을 적용하면 유리기판을 사용하여 품질이 우수하고 제조비용이 낮은 다결정 박막 트랜지스터나 다결정 박막 다이오우드를 제작할 수 있다.As described above, in the present invention, when the polycrystalline or amorphous thin film is used in a thin film transistor or a thin film diode, the polycrystalline or amorphous thin film transistor can be formed on another substrate and selectively separated and transferred onto a glass substrate. And diodes can be produced. In addition, conventionally, in order to form a polycrystalline thin film transistor, a process such as using a material such as quartz as a substrate material or forming an amorphous thin film and then performing heat treatment using a laser, the quality of the process is reduced and the manufacturing cost increases. However, the present invention can be used to fabricate a polycrystalline thin film transistor or a polycrystalline thin film diode having excellent quality and low manufacturing cost using a glass substrate.
그밖에 비정질 박막의 경우에 있어서도 동일 기판을 사용하는 경우보다 기판의 선택이 다양하여 결정성이 우수한 비정질 박막을 형성할 수 있으므로 유리하다.In addition, in the case of the amorphous thin film, since the selection of the substrate is more diverse than the case of using the same substrate, it is advantageous because an amorphous thin film having excellent crystallinity can be formed.
한편 박막을 접합시키는 최종기판 재료로서는 유리기판 이외에도 400℃ 이하의 비교적 저온에서 안정한 각종 무기물질을 주성분으로 하는 기판이나 플라스틱과 같은 유기물질을 주성분으로 하는 기판을 적용할 수 있다.On the other hand, as a final substrate material for bonding thin films, a substrate mainly composed of various inorganic materials stable at a relatively low temperature of 400 ° C. or lower, or a substrate mainly composed of an organic material such as plastic, can be used as a substrate.
이상에서는 트랜지스터나 다이오우드에 박막으로서 적용하는 경우를 예로 하고 있으나, 소정의 기판 위에 매개층을 형성하고 그 위에서 형성한 다결정 또는 비정질 박막을 다른 기판에 접합함으로서 소자를 형성하고 전자부품을 제작하는데 널리 사용할 수 있다.In the above, the case of applying as a thin film to a transistor or a diode is taken as an example, but the intermediate layer is formed on a predetermined substrate and the polycrystalline or amorphous thin film formed thereon is bonded to another substrate to form a device and to manufacture an electronic component. Can be.
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|---|---|---|---|---|
| WO2019145441A1 (en) * | 2018-01-26 | 2019-08-01 | Rogers Germany Gmbh | Compound ceramic for a printed circuit board and method for manufacturing same |
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| KR920022453A (en) * | 1991-05-16 | 1992-12-19 | 경상현 | Method for manufacturing a substrate having a compound semiconductor layer formed on a single crystal silicon substrate |
| KR19990026608A (en) * | 1997-09-25 | 1999-04-15 | 구본준 | Metal diffusion barrier film formation method of semiconductor device |
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