KR100477214B1 - 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및방법 - Google Patents

유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및방법 Download PDF

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Abstract

유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및 방법에 대해 개시한다. 본 발명은, 상부에 성장기판(16)이 안착되는 기판 지지대(17) 상부에 자외선 광을 방사하는 유브이 램프(UV-lamp)(13)가 형성되어 방사된 자외선에 의해 기판의 박막 결정핵 형성을 조절하기 위해 자외선이 투과되어 집광되는 오목렌즈 형상의 집광부(26)가 다수개 구비된 온도구배조절마스크(15) 및 상기 기판 지지대(17)와 일정 거리를 유지하며, 상기 유브이 램프(13) 및 온도구배조절마스크(15)를 고정시키고, 램프 이송 가이드부(12)의 일측에 형성되어 이동하는 유브이램프(UV-lamp) 이동수단(11)을 구성되어 다면적의 결정화를 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, ELA장비를 사용하지 않고, 유브이 램프를 이용하여 결정립을 얻음으로써 고속의 동작속도를 가지는 응용제품 개발과 아울러 고분자 플라스틱 기판위에 성장된 비정질 규소를 결정화 할 수 있으며, 고가의 로열티를 지불에 다한 국가경쟁력을 가질 수 있는 장점이 있다.

Description

유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및 방법{A Device of poly-Si film fabrication by using UV-lamp and A method of as the same}
본 발명은 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 비정질 규소를 저온에서 결정하기 위해 자외선램프 반사판(UV lamp reflector)을 형성하여 자외선을 비정질 규소박막에 조사하여 결정화를 진행하되, 비정질 규소의 핵생성을 마스크를 이용함으로써 핵생성의 밀도를 조절할 수 있으므로 측면으로 결정성장을 이룰 수 있는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 비정질 규소(a-Si)는 낮은 온도로 쉽게 성장이 가능하여 태양전지, 디스플레이 구동소자, 센서 등의 활성층(active layer)으로써 광범위하게 사용되어왔다.
그러나 비정질 규소박막은 가시광선 영역에서의 흡수가 크므로 광에 노출되었을 때 높은 광 캐리어의 형성에 의하여 낮은 광 안정성을 보이게 된다.
또한, 전기적으로 1 보다 작은 전계효과 이동도()로 구동속도의 제한을 가진다.
반면에, 다결정 규소(poly-Si)박막은 전계효과 이동도()에 있어 a-Si 박막에 비하여 100 이상 크며, 광흡수가 낮아 광학적으로 안정한 박막을 얻을 수 있다.
이러한 특성과 더불어 기존의 규소 웨이퍼(Si wafer)에 비하여 유리나 플라스틱판과 가은 저가, 유연한 성질을 가지는 기판에서는 성장온도의 제약이 존재한다.
이 때문에 다결정 규소(poly-Si) 박막은 저온에서 비정질 규소(a-Si)를 성장한 후에 결정화하는 방법이 일반적이다.
이러한 추세에 따라 많은 연구그룹들은 비정질 규소(a-Si)로부터 양질의 다결정 규소(poly-Si)박막을 성장하기 위하여 다양한 연구를 진행하여 왔다.
비정질 규소(a-Si)로부터 다결정 규소(poly-Si)박막을 성장하는 몇 가지 방법 중에서 고상 결정화(SPC : Solid Phase Crystallization), 엑시머 레이저 열처리(ELA : Excimer Laser Annealing), 그리고 금속 유도 결정화(MIC : Metal Induced Crystallization) 방법이 널리 사용되어 지고 있다.
초기의 연구는 큰 결정립을 얻기 위하여 600℃에서 20시간 이상 노(爐, furnace)를 이용하여 열처리하는 SPC방법을 이용해 왔다.
이러한 SPC방법의 간단함에도 불고하고 결정화 온도는 우리기판과 같은 저가의 기판에 적용하기에 온도가 너무 높고, 열처리 시간이 너무 긴 단점을 가지고 있다.
불소아르곤(ArF), 염화크세논(XeCl)과 같은 가스레이저를 사용하는 다른 방법인 ELA법은 순간적인 융해와 결정화를 통해 다결정 규소(poly-Si)를 얻을 수 있다.
이 방법은 유리나 유연한 기판에 손상 없이 비정질 규소(a-Si)를 결정화하는데 매우 유용하며, 높은 전계효과 이동도()를 제공하고 TFT 응용에 적합하다.
그러나, 이 방법은 대면적에 있어서 결정화 균일성을 얻는데 문제점을 가지고 있으며 장비가 고가라는 단점이 있다.
최근에 ELA의 단점을 극복하기 위한 결정화 방법으로써 MIC법은 니켈(Ni)과 같은 금속과 비정질 규소 사이의 계면 상에서 저온 열처리를 통하여 금속 규소화합물을 만들고 결정화하는 방식이다
이러한 방법은 금속 오염을 야기할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 비정질 규소를 저온에서 결정하기 위해 자외선램프(UV-lamp)를 형성하고, 이에 방사되는 자외선을 비정질 규소박막에 순간적으로 집광시킴으로써 고온부분과 저온부분의 온도구배가 유도되고, 이에 따라 고온부분에서 결정화된 규소박막은 열 분포에 따라 측면으로 결정성장을 하게 되며, 이를 마스크를 통하여 고온부분과 저온부분의 간격을 가지고 기판의 크기만큼 조사하여 조대한 결정성장을 이룰 수 있는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치는 상부에 성장기판(16)이 안착되는 기판 지지대(17)와, 상기 성장기판 상부에 자외선 광을 방사하는 유브이 램프(UV-lamp)(13)와, 상기 방사된 자외선에 의해 기판의 박막 결정핵 형성을 조절하기 위해 자외선이 투과되어 집광되는 오목렌즈 형상의 집광부(26)가 다수개 구비된 온도구배조절마스크(15) 및 상기 기판 지지대(17)와 일정 거리를 유지하며, 상기 유브이 램프(13) 및 온도구배조절마스크(15)를 고정시키고, 램프 이송 가이드부(12)의 일측에 형성되어 이동하는 유브이램프(UV-lamp) 이동수단(11)으로 구성되며, 상기 온도구배조절마스크는 굴곡부(26)가 일렬로 배치된 것을 특징으로 할 뿐만 아니라, 상기 자외선 광이 일방향으로 조사되기 위해 유브이 램프(13) 주변에 유브이램프(UV-lamp) 반사판(14)을 더 구비하고, 상기 기판 지지대(17)의 하부를 균일하게 가열하기 위해 구비되는 히터부(19) 및 상기 히터부(19)에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 냉각라인부(18)를 더 포함함이 바람직하겠다.
한편, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조방법은, 이동 가능하도록 램프 이송 가이드부의 일측에 형성된 유브이램프(UV-lamp) 이동수단을 성장기판 상측에 조준되도록 조정하는 위치조정단계와, 상기 유브이 램프 이동수단의 하부에 형성유브이램프(UV-lamp)에 의해 자외선 광을 방사하는 자외선 조사단계와, 상기 자외선 광이 상기 유브이 램프 하부에 형성된 온도구배조절 마스크에 의해 규소의 박막 결정핵 형성이 조절 가능하도록 투과되어 집광되는 자외선 집광단계 및 상기 조사된 자외선 광에 의해 형성되는 고온부분과 저온부분으로 구분되는 과정에서 결정핵이 고온부분의 측면으로부터 저온부분으로 성장하도록 광 조사시간을 조정하는 광 조사시간 조절단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성을 간략히 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 레일 구조의 램프 이송 가이드부(12)가 형성되고, 상기 램프 이송 가이드부(12)의 일측에 스텝모터를 이용하여 일정 거리로 이동 가능하게 유브이 램프(UV-lamp) 이동수단(11)이 형성되고, 상기 유브이 램프 이동수단(11)의 하부에는 하측방향으로 지지편(30)이 양측으로 부설되어 있다.
상기 지지편(30)의 양쪽 내측으로 빛을 일방향으로 조사되도록 일측이 개방되고 내측면이 반사경으로 이루어진 컵 형상의 유브이 램프(UV-lamp) 반사판(14)이 형성되되, 개방된 일측 부분이 하측을 향하는 것이 바람직하겠다.
한편, 상기 유브이 램프 반사판(14) 내측에는 자외선 광을 방사하는 유브이 램프(UV-lamp)(13)가 구비된다.
유브이 램프(13)로부터 발생된 자외선은 상기 유브이 램프 반사판(14)에 의해 방사 효율이 향상됨이 자명하겠다.
상기 지지편(30)의 하측부에 고정 설치되며, 유브이 램프 반사판(14)이 안착되되, 상기 유브이 반사판(14) 내측에 구비된 유브이 램프(13)에서 방사되어 규소의 박막 결정핵 형성이 조절 가능하도록 자외선이 투과되어 일점으로 집광되도록 오목렌즈 형상의 집광부(26)가 다수개 형성된 온도구배조절마스크(15)가 구비된다.
상기 온도구배조절마스크(15)의 집광부(26)는 일렬로 구비될 수 있으면 행렬의 형상인 매트릭스 형태로 구비될 수 있으며, 유브이 램프 이동수단(11)에 의해 이동되어 기판상부에서 다면적으로 결정이 성장될 수 있음은 자명할 것이다.
상기 온도구배조절마스크(15)에서 일정 거리를 유지하여 성장기판(16)이 구비되고, 상기 성장기판(16)을 지지할 수 있으며, 그 하측으로부터 전달되는 고열을 견딜 수 있도록 기판 지지대(17)가 형성된다.
상기 기판 지지대(17)의 하부에는 고온으로 방열하는 히터부(19)가 형성되되, 램프형태로 구성됨이 바람직하다.
상기 히터부(19)에서 발열되는 고온의 열을 식히기 위해 히터부(19) 주변에 냉각라인부(18)가 형성된다.
상기 냉각라인부(18)의 하부에는 냉각라인부(18) 뿐만 아니라 히터부(19), 기판 지지대(17) 및 성장기판(16)을 지지할 수 있는 반응 챔버(20)가 형성된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 광의 집광에 따른 결정핵의 성장을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 유브이 램프(13)에서 방사되는 자외선은 온도구배조절마스크(15)에 의해 투과됨과 아울러 다수의 집광된 빛(23)이 형성된다.
이 때의 집광된 빛(23)은 성장기판(16)에 조사되는데, 집광된 빛(23)이 맞닿는 부분이 고온으로 되며, 이에 따라 성장기판(16)에 결정이 성장하게 된다.
이때 결정이 성장되는 과정은 집광된 부분이서 서서히 바깥부분으로 즉, 고온부분(25)에서 저온부분(24)으로 성장하게 된다.
그러므로, 도 2와 같이 고온 부분(25)과 저온부분(24)으로 나누어지게 된다.
이때, 광 조사 시간을 조절하여 결정핵이 고온부분(25)의 측면으로부터 저온부분(24)으로 일정 지역부분을 성장시키게 된다.
이러한 결정성장 과정을 스텝모터에 의해 성장기판(16)에 다면적으로 반복하여 공정하게 되면, 열 분포에 의하여 다수의 박막을 결정화 할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치 및 방법은, 본 발명으로부터 고가의 ELA장비를 사용하지 않고 자외선 영역의 UV lamp를 이용하여 결정화가 가능하며, 조대한 결정립을 얻을 수 있게 된다.
결정화된 다결정 규소(poly-Si)는 TFT와 같은 전자소자에 응용하여 고속의 동작속도를 가지는 응용제품을 개발하는 것이 가능할 것이다.
또한, 저온 성장이 가능하므로 플라스틱과 같은 플랙시블(flexible) 기판 상에서 소자의 제작하는 것도 가능하며, 박막트랜지스터, 박막센서, 태양전지와 같은 전기전자소자로 응용될 수 있다.
고분자 플라스틱 기판위에 성장된 비정질 규소를 결정화 할 수 있으며, 또한 기존에 다수 사용되고 있는 염화크세논(XeCl) 엑시머 레이저(excimer laser) 결정화 방법을 대치할 수 있으며, 고가의 로열티를 지불에 다한 국가경쟁력을 가질 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성을 간략히 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 광의 집광에 따른 결정핵의 성장을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 유브이 램프(UV-lamp) 이동수단 12 : 램프이송 가이드부
13 : 유브이 램프(UV-lamp) 14 : 유브이 램프(UV-lamp) 반사판
15 : 온도구배조절마스크 16 : 성장기판
17 : 기판 지지대 18 : 냉각라인부
19 : 히터부 20 : 반응 챔버
21 : 유브이 광(UV light) 23 : 집광된 빛
24 : 저온부분 25 : 고온부분
26 : 집광부 30 : 지지편

Claims (5)

  1. 상부에 성장기판(16)이 안착되는 기판 지지대(17);
    상기 성장기판 상부에 자외선 광을 방사하는 유브이 램프(UV-lamp)(13);
    상기 기판 지지대(17) 및 유브이 램프(13) 사이에 구비되고, 상기 방사된 자외선에 의해 기판의 박막 결정핵 형성을 조절할 수 있도록 자외선이 투과되어 집광되는 오목렌즈 형상의 집광부(26)가 다수개 구비된 온도구배조절마스크(15); 및
    상기 기판 지지대(17)와 일정 거리를 유지하며, 상기 유브이 램프(13) 및 온도구배조절마스크(15)를 고정시키고, 램프 이송 가이드부(12)의 일측에 형성되어 이동하는 유브이램프(UV-lamp) 이동수단(11)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도구배조절마스크는
    집광부(26)가 매트릭스 형태 또는 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자외선 광이 일방향으로 조사되기 위해 유브이 램프(13) 주변에 유브이램프(UV-lamp) 반사판(14)을 더 구비한 것을 특징으로 하는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 지지대(17)의 하부를 균일하게 가열하기 위해 구비되는 히터부(19) 및 상기 히터부(19)에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 냉각라인부(18)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조장치.
  5. 이동 가능하도록 램프 이송 가이드부의 일측에 형성된 유브이램프(UV-lamp) 이동수단(11)을 성장기판(16) 상측에 조준되도록 위치를 조정하는 위치조정단계;
    상기 유브이 램프 이동수단(11)의 하부에 형성된 유브이램프(UV-lamp)(13)에 의해 자외선 광을 방사하는 자외선 조사단계;
    상기 자외선 광이 상기 유브이 램프(13) 하부에 형성된 온도구배조절 마스크(15)에 의해 규소의 박막 결정핵 형성이 조절 가능하도록 투과되어 집광되는 자외선 집광단계; 및
    상기 조사된 자외선 광에 의해 형성되는 고온부분(25)과 저온부분(24)으로 구분되는 과정에서 결정핵이 고온부분(25)의 측면으로부터 저온부분(24)으로 성장하도록 광 조사시간을 조정하는 광 조사시간 조절단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유브이 램프를 이용한 다결정 실리콘박막 제조방법.
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