KR100446918B1 - 촉매금속을 증착하기 위한 디씨 마그네트론 증착장비의 증착조건 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착장비의 증착조건에 관한 것으로 특히, 촉매금속을 이용한 다결정 실리콘 형성방법을 위해, 상기 촉매금속을 비정질 실리콘 상에 도핑하기 위한 증착 장비의 증착 조건에 관한 것이다.

본 발명은 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용한 촉매금속을 증착하기 위한 조건으로, 불활성 가스로 아르곤(Ar) 대신 300∼500sccm의 헬륨을 사용하고, DC 파워는 50∼250W로, 기판 이동속도는 분당 1∼4m로 한다.

이와 같이 하면, 상기 촉매금속을 1Å이하로 증착하는 것이 가능하므로, 결정화 공정을 진행한 후 실리콘과 반응하지 않고 남은 잔류 촉매금속이 거의 존재하지 않는다.

따라서, 잔류 금속에 의한 스위칭 소자의 구동불량을 방지 할 수 있다.

Description

촉매금속을 증착하기 위한 디씨 마그네트론 증착장비의 증착조건{A deposition condition of DC magnetron depositing apparatus for depositing catalytic metal}

본 발명은 촉매금속을 증착하기 위한 증착장비의 증착조건에 관한 것으로, 특히 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 폴리실리콘(poly silicon)으로 결정화 하는 방법인 금속유도 결정화 방법(Metal induced crystallization : MIC) 또는 전계-금속 유도 결정화 방법(field effect Metal induced crystallization : FE-MIC)에 이용하는 촉매금속을 미량(1Å 이하.)으로 증착하기 위한 증착 조건에 관한 것이다.

상기 금속 유도 결정화 방법(MIC)은 촉매금속을 비정질 실리콘층의 상부에 증착한 후 결정화를 진행하게 되며, 상기 촉매금속을 통해 저온에서 폴리 실리콘(poly silicon)으로 결정화하는 것이 가능하다.

상기 전계-금속유도 결정화 방법(FE-MIC)은 촉매금속과 고전압을 이용하여 비정질 실리콘을 결정질 실리콘으로 형성하는 방법이다.

즉, 소정의 온도를 유지한 상태에서 상기 금속에 직류 고전압을 인가하여 주율열을 발생하도록 함으로써, 상기 비정질 실리콘이 결정화되는 촉매 역활을 하도록 한다.

상기 촉매금속으로는 대표적으로 니켈(Ni)을 예를 들 수 있다.

이때, 상기 두 종류의 결정화 방법은 촉매금속의 양에 따라 그 하부의 비정질 실리콘의 결정화 상태가 달라지며, 결정층의 전기적인 특성 또한 달리진다.

즉, 상기 촉매금속의 증착량이 많게 되면 결정화 공정 후, 반응하지 않고 남는 잔류 금속이 결정의 표면에 남게 되고, 이는 결정층에 결함으로 발생하게 된다.

따라서, 소자의 동작특성을 저하하는 원인이 된다.

도 1은 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용한 촉매금속의 증착방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도시한 바와 같이, 증착챔버(10)의 하부에는 음극(12)과, 음극의 후면에 마그네트론(14)을 설치한다.

상기 음극(12)의 상부에는 증착물질인 타겟(16)을 고정하고, 상기 타겟(16)에 대응하는 상부에는 상기 증착물질이 증착되는 기판(18)을 고정하는 홀더(20)가 구성된다.

전술한 바와 같은 개략적인 구조를 가지는 DC 마그네트론 스퍼터링은 상기 타겟(16)의 이온화를 증가시키기 위해 음극(12)후면에 마그네트론(14)을 설치하고 이로 인해, 전자(22a)가 타겟 주위의 전기 및 자기장에 머무르게 하여 이온화를 계속하는 방식이다.

이러한 방식은 스퍼터링이 집중적으로 일어나 이온화를 유발하고 이로 인해 상기 타겟(target)(16)에 대응하여 위치한 기판(18)의 표면에 대한 타겟물질의 증착율이 크게 증가하게 된다.

마그네트론(14)효과를 증가시키기 위하여 다양한 기하학적 배열로 설계되고 있는데, 가장 많이 사용되고 있는 형태는 도시한 바와 같은 판형 마그네 트론이다.

이 방법은 영구자석이 전기장과 결합한 전자장(24)을 발생시키고, 플라즈마(plasma)화 된 불활성 가스(아르곤)의 양이온이 상기 타겟(16)의 표면에 부딪혀 이로 인해 튀어나온 타겟물질(26)을 그림의 화살표 방향으로 이동시킨다.

전술한 바와 같은 마그네트론 스퍼터링은 다른 방법에 비해 많은 면적을 동시에 증착시킬 수 있으며, 다른 스퍼터링 방식에 비하여 10배 이상의 스퍼터링 효율이 있고, 기판의 가열 온도를 낮출 수 있다.

전술한 바와 같은 원리를 가지는 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 금속 유도 결정화 방법 또는 전계-금속 유도 결정화 방법(FE-MIC)을 위한 촉매금속을 증착 할 수 있다,

그러나, 상기 DC 마그네트론 스퍼터링 방법은 상기 플라즈마의 밀도를 높이는 경향이 있으므로, 상기 촉매금속의 양을 서브 Å단위로 미세하게 제어하기 힘들다.

앞서 설명한 바와 같이, 비정질 실리콘의 표면에 증착된 촉매금속의 양이 많으면 결정화된 실리콘 박막의 전기적인 특성을 저하하는 원인이 된다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 목적으로 안출된 것으로, 상기 DC 마그네트론 스퍼터링 장비의 증착 조건을 달리하여, 미세한 양 즉, 서브 Å의 두께로 촉매금속이 증착되는 것을 가능하도록 한다.

도 1은 DC 마그네트론 스퍼터 장비를 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 증착장비를 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 3은 DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용한 본 발명에 따른 스퍼터링 방법을 설명하기 위한 도면이고,

도 4는 기판에 스퍼터링된 촉매금속의 증착 상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>

108 : DC 마그네트론 스퍼터 장치 116 : 타깃

118 : 전극 120 : DC 파워

122 : 타깃에서 떨어져 나온 중성 분자

124 : 기판

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 촉DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착 방법 DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속의 증착 방법에 있어서, 진공챔버 내에 구성된 마그네 트론 상부의 전극에 촉매금속으로 제작된 타깃을 고정하는 단계와; 진공챔버 내에 헬륨가스를 주입하는 단계와; 상기 헬륨 가스를 플라즈마로 여기 시키고, 전극에 소정의 전압을 가하여 촉매금속 타깃을 스퍼터 하는 단계와; 상기 타깃의 상부로 기판을 움직여 스퍼터 된 타깃의 중성분자를 기판의 표면에 증착하는 단계를 포함한다.

상기 촉매금속은 니켈인 DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용하다.

상기 헬륨가스의 유량은 300sccm~500sccm이며, 상기 기판의 이동속도는 1m~4m/min이고, 상기 전극에 가해지는 전압은 50~250W이다.

본 발명의 다른 특징에 따른 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착 방법은 진공챔버 내에 구성된 마그네트론 상부의 전극에 촉매금속으로 제작된 타깃을 고정하는 단계와; 진공챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계와; 상기 헬륨 가스를 플라즈마로 여기 시키고, 전극에 소정의 전압을 가하여 촉매금속 타깃을 스퍼터 하는 단계와; 상기 타깃의 상부로 기판을 움직여 스퍼터 된 타깃의 중성분자를 기판의 표면에 증착하는 단계를 포함한다.

상기 스퍼터 장비는 DC 스퍼터 장비와, RF 스퍼터 장비인 스퍼터 장비이다.

상기 촉매금속은 니켈이고, 상기 불활성 가스로는 헬륨(He)을 사용한다.

이때, 상기 불활성 가스의 유량은 300sccm~700sccm이고, 상기 기판의 이동속도는 1m~4m/min이며, 상기 전극에 가해지는 전압은 50W~300W이다.

-- 실시예 --

도 2는 본 발명에 따른 DC 마그네트론의 증착챔버를 포함한 스퍼터 장비를 개략적으로 도시한 단면도이다. (현재 사용되고 있는 스퍼터 장비를 개략적으로 도시한 도면이다)

도시한 바와 같이, 스퍼터 장비(100)는 적재부(102)와 히팅 챔버(104)와 제 1 버퍼 챔버(106)와 증착 챔버(108)와 제 2 버퍼 챔버(110)와 쿨링 챔버(112)와 적하부(114)로 구성된다.

전술한 구성을 가지는 스퍼터장치(100)내에서 기판의 움직임을 설명하면 아래와 같다.

먼저, 세정된 다수의 기판(미도시)을 적재부(102)에 운송하고, 상기 적재부(102)에 적재된 기판은 히팅 챔버(104)로 들어가 소정의 온도로 가열된다.

상기 가열된 기판(미도시)은 제 1 버퍼 챔버(106)를 거쳐 증착 챔버(108)로 운반된다.

상기 증착 챔버(108)에서 증착 공정이 완료된 기판은 제 2 버퍼 챔버(110)를 거쳐 냉각 챔버(112)에서 온도를 낮춘다.

연속하여, 상기 기판은 적하부(114)로 운반되어 다음 공정을 위해 대기하는 상태가 된다.

기판을 상기 스퍼터장치(100)의 적재부(102)에서 적하부(114)까지 연속적으로 움직이도록 하고, 기판(미도시)의 상부에 증착공정을 진행한다.

전술한 스퍼터 장치(100)에서 실제적으로 증착공정이 진행되는 부분은 증착챔버(108)이며, 상기 증착 챔버(108)의 진공도와 증착 챔버(DC 스퍼터 장비)내에 주입하는 불활성 가스의 종류와 상기 기판(100)의 움직이는 속도에 따라 증착량이 달라질 수 있다.

도 3은 상기 증착챔버를 개략적으로 도시한 도면이다.

전술한 스퍼터 장비에서, 상기 증착챔버(108)의 내부에는 불활성 가스로 헬륨(He)가스를 주입한다.

이때, 헬륨가스의 유량은 300 ∼500sccm의 범위를 가진다.

헬륨가스를 글로우 방전(glow discharging)시켜 플라즈마(plasma)상태로 여기 시킨 후, 타깃(116)이 고정된 전극(118)에 높은 전압(120)을 인가한다.

상기 플라즈마 상태로 여기된 헬륨가스는 타깃(116)이 고정된 전극(118)에 의해 유도되어 고속으로 타깃(116)의 표면에 충돌하게 된다.

이로 인해, 상기 타깃(116)의 표면으로부터 떨어져 나온 중성원자의 집단인 증착가스(122)가 챔버(108)내로 퍼지기 시작한다.

이때, 일측에서 타측으로 증착 챔버(108)의 내부를 움직이는 기판(124)의 표면에 증착가스가 증착된다.

상기 헬륨가스는 종래의 아르곤(Ar)가스에 비해 분자량이 작기 때문에, 헬륨의 양이온이 상기 타겟의 표면에 부딪히게 되면 아르곤 이온에 비해 튀어나오는 타겟물질의 양이 작아진다.

따라서, 동일한 시간동안 스퍼터링 공정을 진행하였을 경우, 기존의 아르곤 가스를 사용한 것 보다 증착량을 미세하게 제어할 수 있다.

이때, DC 파워는 50∼250W로 하고, 상기 기판(124)의 속도는 상기 적재부(102)에서 적하부(114) 까지 분당 1m∼4m가 되도록 한다.

이하, 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 증착조건을 통해, 기판 상에 증착된 촉매금속의 증착 결과를 알아 본다.

도 4는 상기 촉매금속이 증착된 기판의 표면을 ED-XRF방법을 사용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.

상기 ED-XRF의 원리를 설명하면 아래와 같다.

원자가 X-ray나 전자와 같은 에너지 소스에 충돌되면 원자핵 주위를 돌고있는 전자가 원자에너지 레벨(orbit)에서 튀어 나올 수 있게 된다.

만약 안쪽 궤도의 전자가 이러한 에너지 소스에 의해 방출될 경우 높은 에너지 레벨에 존재하는 전자가 비어있는 안쪽궤도를 채우고, 이때 원자로부터 포톤(photon)이 방출된다.

상기 방출된 포톤의 에너지는 두 오비탈 사이의 에너지 차에 해당하고 따라서, 에너지가 보존된다.

상기 에너지의 차이는 주어진 원소에 대해서 항상 일정한 값을 가지기 때문에 포톤의 에너지를 알면 원소를 구별할 수 있다.

따라서, 전술한 ED-XRF 방법으로 임의의 면적에 분포된 원소의 양을 측정할 수 있는 것이다.

도 4는 상기 ED-XRF 방법을 이용한 측정결과를 나타낸 것이다.

도시한 도면은 기판에 다수의 포인트를 정의하고, 각 포인트에 증착된 촉매금속의 양을 나타낸 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 증착조건에 따라 상기 촉매금속을 증착하게 되면 평균 2.37E13atom/㎠로 촉매금속이 Å이하의 단위로 균일하게 분포하게 되는 결과를 얻을 수 있다.

전술한 증착 조건은 앞서 설명한 바와 같이, DC 마그네트론 증착장비을 이용한 증착 조건을 DC 파워는 50∼250W로 하고, 상기 기판(124)의 속도는 상기 적재부(도 2의 102)에서 적하부(도 2의 114) 까지 분당 1m∼4m가 되도록 하고 헬륨 가스의 유량은 300 ∼500sccm으로 하면된다.

만약 DC 마그네트론이 아닌 DC 스퍼터링 또는 RF 스퍼터링의 경우는 헬륨 뿐 아니라 네오뮴(Ne)과 아르곤(Ar)의 사용이 가능하며, 이때의 조건은 파워를 50∼300W로 하고, 상기 기판(도 3의 124)의 속도는 상기 적재부(도 2의 102)에서 적하부(도 2의 114) 까지 분당 1m∼4m가 되도록 하고, 불활성 가스의 유량은 300 ∼700sccm으로 하면 된다.

전술한 바와 같이, 전술한 바와 같은 증착 조건이 셋팅된 DC 마그네 트론 스퍼터 장비를 이용하여 촉매금속을 증착하게 되면, 비정질 실리콘층이 형성된 기판의 전 면적에 대해 Å이하의 미량의 촉매금속을 균일하게 증착할 수 있다.

따라서, 결정화 공정이 진행된 후 결정층의 표면에 반응하지 않은 촉매금속이 존재하지 않기 때문에 소자의 동작특성을 개선하는 효과가 있다.

Claims (12)

1. DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속의 증착 방법에 있어서,

   진공챔버 내에 구성된 마그네 트론 상부의 전극에 촉매금속으로 제작된 타깃을 고정하는 단계와;

   진공챔버 내에 300sccm~500sccm의 유량으로 헬륨가스를 주입하는 단계와;

   상기 헬륨 가스를 플라즈마로 여기 시키고, 전극에 20~250W의 전압을 가하여 촉매금속 타깃을 스퍼터 하는 단계와;

   상기 타깃의 상부로 기판을 1m~4m/min의 속도로 움직여 스퍼터 된 타깃의 중성분자를 기판의 표면에 증착하는 단계를

   포함하는 DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 촉매금속은 니켈인 DC 마그네트론 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속의 증착 방법에 있어서,

   진공챔버 내에 구성된 마그네트론 상부의 전극에 촉매금속으로 제작된 타깃을 고정하는 단계와;

   진공챔버 내에 300sccm~500sccm의 유량을 가지는 불활성 가스를 주입하는 단계와;

   상기 헬륨 가스를 플라즈마로 여기 시키고, 전극에 50~300W의 전압을 가하여 촉매금속 타깃을 스퍼터 하는 단계와;

   상기 타깃의 상부로 기판을 1m~4m/min의 속도로 움직여 스퍼터 된 타깃의 중성분자를 기판의 표면에 증착하는 단계를

   포함하는 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 스퍼터 장비는 DC 스퍼터 장비와, RF 스퍼터 장비인 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 촉매금속은 니켈인 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 불활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)인 스퍼터 장비를 이용한 촉매금속 증착방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제