KR100778781B1 - 다결정 실리콘 박막 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 비정질 실리콘층의 결정화를 형성하기 위한 촉매의 적절한 분포, 특히 대면적인 유리기판 상으로 촉매를 고르게 분포시킴과 아울러, 하나의 장치에서 촉매의 분포공정과 결정화를 위한 열처리공정을 연속되게 수행시켜, 생산성을 향상시킨 다결정 실리콘 박막 제조방법 및 그 제조장치가 제공된다.

이를 위한 본 발명은 비정질 실리콘이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물, 예를 들어 Ni(Cp)2를 도입하여 결정화를 위한 촉매로서 니켈핵을 흡착시키는 금속핵 흡착단계: 상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 니켈핵이 포함되는 NiCp가 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 니켈핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계: 금속분포영역 형성단계에서 흡착되지 않은 잉여가스를 퍼지하여 제거하는 잉여가스 제거단계: 상기 잉여가스 제거단계와 연속하여 동일 공정공간인 반응챔버에서 결정화를 진행하는 열처리를 수행하는 다결정열처리단계가 포함되어 이루어진다.

Description

다결정 실리콘 박막 제조방법 및 그 제조장치{Poly-Silicon Film Manufacturing Method and Poly-Silicon Film Manufacturing Apparatus}

도 1 은 본 발명에 따른 제조장치를 나타낸 개념도,

도 2 는 니켈분자가 비정질 실리콘층 위에 선점된 점유영역을 가지면서 흡착된 것을 나타낸 개념도,

도 3 은 본 발명에 따른 촉매분포의 형성단계를 나타낸 측면 개념도,

도 4 는 본 발명에 따른 분포밀도조절단계를 나타낸 측면 개념도,

도 5 는 본 발명의 다른 실시예로서, 비정질 실리콘박막 사이에 금속촉매가 분포된 것을 나타낸 제조공정도이다.

본 발명은 특히 대면적의 유리기판 상에서 금속촉매를 이용한 결정화를 통해 비정질실리콘을 다결정 실리콘으로 전환시키는 다결정실리콘박막 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.

본 발명이 적용되는 기술분야로서 다결정 실리콘 박막이 사용되는 것으로는 예를 들어, 액정을 이용한 LCD(Liquid Crystal Display) 소자를 들 수 있다.

이러한 LCD는 CRT와는 달리 자기발광성이 없어 후광이 필요하지만 동작 전압이 낮아 소비 전력이 적고, 무게와 부피 면에서 휴대용으로 쓰일 수 있어 널리 쓰이는 평판 디스플레이이다.

상기 LCD는 색상을 표현하기 위해서는 컬러필터를 사용하는데, 필터의 픽셀 단위는 RGB의 3개 서브픽셀로 구성되며, 이러한 개개의 셀을 통해 색상을 표현하기 위하여 매트릭스 컨트롤방식이 채택되고 있다.

이 중 능동 매트릭스(active matrix) 방식 LCD는 각 화소마다 적,녹,청색 신호를 처리할 수 있는 3개의 트랜지스터를 사용함으로써 선명한 색상을 얻으며, TFT(Thin Film Transister) LCD가 대표적이다.

이러한 이유에서 LCD 제조공정은 반도체 제조공정의 그것과 범주를 같이하여, LCD기판의 표면에 예를들어 ITO(Indium Tin Oxide)의 박막 및 전극패턴을 형성하기 위해 반도체 제조공정의 경우와 같이 포토리소그라피(photo lithography) 기술이 사용되고 있는 것이다.

반면, 웨이퍼와 달리 유리를 기판으로 하는 근본적인 이유로부터 반도체 제조공정과는 차이를 보이게 된다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 기판 위에 실리콘막을 형성하기 위한 실리콘 가스(SiH4)의 열분해에 의한 증착은 600℃ 정도의 고온을 요구하는데, 유리기판은 450℃~500℃에서 변형이 일어나게 되므로, 반도체 제조공정의 증착공정을 바로 적용할 수 없다.

이에 따라, 일반적으로 플라즈마 증착(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapol Deposition)이 수행되며, 이는 350℃ 이내의 온도에서 실리콘을 증착시킬 수 있으므로, 유리기판을 사용할 수 있게 되는 것이다.

그러나, 이때 형성되는 실리콘 박막은 비정질 실리콘(amorphous-silicon)이라는 한계가 있는데, 이것은 상기 메트릭스 컨트롤방식에 있어서 비정질 실리콘 박막트랜지스터를 사용하여 화소를 구동하고 있으며, 구동회로는 단결정 실리콘 웨이퍼에 회로를 구성하여 따로 연결시켜야 하는 것이다.

즉, 비정질 실리콘은 전자이동도가 낮아 고속동작 회로에는 사용할 수 없는 문제가 있으며, 비정질 실리콘 TFT를 사용하는 LCD는 기판에 픽셀 트랜지스터를 형성하고 기판 주변에 TCP(Tape Carrier Package) 구동IC를 이용하여 유리기판과 PCB를 연결하여야 하는 것이다.

이러한 경우 구동IC와 실장 비용이 상승하는 문제점과, TCP구동IC와 PCB의 연결부위 또는 TCP구동IC와 유리기판 사이의 연결부위가 기계적, 열적충격에 취약하고 접촉저항이 커지는 문제점이 있으며, LCD 패널의 해상도가 높아짐에 따라 신호선과 주사선의 패드 피치가 짧아져 TCP 본딩 자체가 어려워지는 문제점이 있는 것이다.

결국, 대면적화 고화질화되는 평판표시소자의 추세로 볼 때 비정질 실리콘 TFT는 속도가 느리고 크기가 커서 이러한 요구조건을 만족시키는 데 한계가 있다.

이에 따라, 관건은 유리기판위에 형성된 비정질 실리콘을 결정질 실리콘으로 전환하는 것이며, 공연실시된 수단으로는 고상결정화(SPC), 레이저 결정화(ELC), 금속유도결정화(MIC),금속유도측면 결정화(MILC) 방식이 있다.

이 중 생산성과 기판의 대면적화에서 현재 주목받고 있는 것은 금속유도결정화나 금속유도측면 결정화 방식과 같은 특정한 종류의 금속층을 비정질실리콘에 증착하거나 첨가한 후, 열처리하여 유리기판이 손상되지 않는 저온에서도 비정질실리콘을 결정화하는 것이다.

이때 금속입자 자체인 결정핵에 의한 것을 MIC라 칭하고, 이 MIC에 의하여 결정화된 실리콘의 바운더리가 새로운 결정핵으로 작용하여 실리콘의 결정화가 측면으로 진행되면서 이루어지는 것을 MILC라 칭하는 것이다.

이때, 금속촉매를 비정질 실리콘박막상에 분포시키기 위하여, 일반적으로 스퍼터링이 수행되며, 스퍼터링은 공정공간에 타겟인 니켈패널을 배치시키고, 기판 사이에 플라즈마를 형성시켜 기판으로 분해된 니켈입자가 흡착되는 것을 이용하고 있다.

그러나, 이러한 금속촉매의 분포에 있어서, 특히 니켈을 타겟으로 할 경우 대면적화되는 표시기판에 대응할 수 없다는 문제점이 있다.

즉, 스퍼터링은 공정공간(진공)으로 아르곤 가스가 도입되고, 전자기장에 의해 기판으로 니켈입자가 흡착되는데, 니켈자체가 강자성체이어서 공정공간 내부에 자기장을 형성시키는 것이 곤란하다.

이를 개선하기 위하여 타겟(니켈)의 자장 도메인을 수직으로 배열하여, 공정공간으로 자장이 형성되도록 한 것이 공연실시되어 있으나, 이러한 타겟은 300mm 정도가 초과되는 변의 길이를 갖게 형성하는 것이 현행 기술로는 곤란한 것으로 알려져 있는 것이다.

더욱이, 다결정화를 위한 적절한 금속촉매의 분포가 어려우며, 이는 금속유도측면결정화 공정을 진행하기 위하여 스퍼터링에 의한 박막을 형성하여야 하는 오류로부터 문제가 기인된다.

즉, 박막의 형성이 아니라 결정화핵을 분포시키는 정도면 충분하며, 이 결정화핵으로부터 측면유도가 진행되고, 이에 따라 비정질실리콘이 다결정실리콘으로 결정화된다.

이때, 결정화핵 즉, 금속입자(원소)는 유리기판 전역에 걸쳐 골고루 분포될 필요가 있으며, 이를 수행하기 위해 유리기판 전역에 걸쳐 막을 형성하는 스퍼터링은 결정화핵의 분포라는 금속유도측면결정화 공정에 있어서는 과도한 공정 및 장치인 것으로서, 스퍼터링에 의해 제공된 금속촉매는 오히려 실리콘 박막내에 불순물로 작용하여 결정화된 실리콘 박막의 특성을 저하시키는 요인으로 작용되고 있음이 알려져 있는 것이다.

또한 이에 관련되어, 다결정 실리콘 상으로의 바람직한 그레인(grain) 조절이 어렵게 되며, 이것은 스퍼터링이나 기타 박막형성을 통하여는 그레인의 크기 조절을 위한 촉매로서 금속입자의 분포농도를 조절할 수 없기 때문이다.

아울러, 이러한 금속층의 형성과 측면유도결정화공정은 서로 분리되어 공정의 연속성이 절단되고, 그 공정대기시간에 의해 생산성이 하락된 다는 문제점도 크다.

즉, 스퍼터링을 수행하기 위한 공정공간을 제공하는 반응챔버와 이에 따른 공정장치가 마련되고, 이와 별도로 측면유도결정을 수행하기 위한 열처리장치는 따 로 마련되는 것이어서, 공정장치와 이에 수반되는 장치 예를 들어, 기판 스테이지와 이송실 대기실 등이 별도로 추가되어야 하는 것이며, 스퍼터링 장치에서 유리기판 배출 후 다시 열처리장치로의 투입과 배출은 공정시간의 추가를 야기시키게 된다.

따라서, 대면적화되는 표시기판에서는 금속층의 형성에 있어서, 스퍼터링의 대체방법이 적용되어야 할 것이 요구되고 있는 것이다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, LCD기판과 같이 대면적의 유리기판상으로 충분한 적용이 가능하며 저농도의 분포와 이것의 단계별 중첩에 의한 촉매의 분포농도조절이 가능하고 이를 통해 그레인의 조절이 가능한 다결정실리콘박막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 하나의 장치에서 촉매의 분포공정과 결정 열처리공정이 연속되어 수행되며, 이에 따라 공정시간을 단축시켜 생산성을 향상시킨 다결정실리콘박막 제조방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.

예시도면 도 1 은 본 발명에 따라 촉매로서 금속핵을 유리기판에 분포시키기기 위해 응용되는 ALD(Atomic Layer Deposition) 장치를 나타낸 개념도이고, 예시도면 도 2 는 니켈분자가 비정질 실리콘층 위에 소정의 점유영역을 가지면서 흡착된 것을 나타낸 개념도이며, 예시도면 도 3 은 본 발명에 따른 금속층의 형성단계를 나타낸 측면 개념도이다.

그리고, 예시도면 도 4 는 본 발명에 따른 분포밀도조절단계를 나타낸 측면 개념도이며, 예시도면 도 5 는 본 발명의 다른 실시예로서, 비정질 실리콘박막 사이에 금속촉매가 분포된 것을 나타낸 제조공정도이다.

본 발명은 일실시예로서, 유리기판상에 비정질 실리콘을 증착한 다음 이를 결정화 시키기 위하여 금속층을 형성시키는 공정이 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법에 있어서:

비정질 실리콘이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물로서 Ni(Cp)2를 도입하여 상기 금속화합물에 함유된 금속핵을 촉매로서 흡착시키는 금속핵 흡착단계:

상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 금속핵이 포함되는 금속화합물 이 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 금속핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계:

금속분포영역 형성단계에서 흡착되지 않은 잉여가스를 퍼지하여 제거하는 잉여가스 제거단계가 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법이다.

한편, 다른 실시예로서 본 발명은 유리기판상에 비정질 실리콘을 증착한 다음 이를 결정화시키기 위하여 금속층을 형성시키는 공정이 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법에 있어서,

일부의 두께로 비정질 실리콘층이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물을 도입하여 상기 금속화합물에 함유된 금속핵을 촉매로서 흡착시키는 금속핵 흡착단계:

상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 금속핵이 포함되는 금속화합물이 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 금속핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계:

금속분포영역 형성단계에서 흡착되지 않은 잉여가스를 퍼지하여 제거하는 잉여가스 제거한 다음, 상기 금속화합물의 열분해 또는 반응가스를 도입하여 비정질 실리콘과 흡착된 니켈 금속핵 외의 라디칼과 반응시킨 다음 이를 퍼지 제거하여 금속핵만을 배치시키는 금속핵배치단계:

상기 금속핵배치단계에서 일부의 두께로 형성된 비정질실리콘층위에 배치된 금속핵의 분포위에 나머지 잔여두께의 비정질실리콘층을 형성하는 금속촉매 포함 비정질실리콘층 형성단계로 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법이다.

이에 따라 본 발명은 예시도면 도 1b와 같이 다결정실리콘박막 제조장치를 제공하며, 본 발명은 공정공간인 반응챔버가 마련되어 유리기판상에 비정질실리콘을 증착하기 위한 증착장치가 설치되고, 이 증착장치와는 별도로 공정공간인 반응챔버가 마련되어 비정질 실리콘이 형성된 유리기판에 금속핵을 도포하는 금속핵 도포장치에 의해 금속층이 공정처리되는 다결정실리콘박막 제조장치에 있어서,

공정공간을 제공하는 반응챔버(1)에 비정질실리콘을 증착하기 위한 증착가스공급장치(12)와 더불어 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물을 공급하는 소스가스공급장치(10)와 상기 반응된 증착가스와 잉여 소스가스 배출을 위한 가스배출장치(14)가 마련되고, 상기 반응챔버(1)에는 상기 비정질실리콘의 증착을 위한 열분해 온도환경과 더불어 금속핵의 흡착을 위한 열분해 온도환경을 제공하는 공용의 히팅장치(16)가 장착되며, 상기 반응챔버(1)는 상기 증착가스 공급장치(12)와 소스가스공급장치(10)와 공용된 배출장치(14) 및 히팅장치(16)에 의해 비정질실리콘의 증착공정과 연속되어 금속핵 흡착을 동일공정공간에서 수행하는 연속공정반응챔버로서 포함된 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막 제조장치이다.

상기 실시예들에서 공통적으로, 금속핵 분포영역 형성단계는 ALD에 의해 수행되며, 잉여가스 제거단계를 통해 잉여가스를 제거한 다음, NiCp의 열분해 또는 반응가스를 도입하여 비정질 실리콘과 흡착된 니켈 금속핵 외의 라디칼과 반응시킨 다음 이를 퍼지 제거하여 NiCp가 이루는 군집영역을 해제시키고 선점된 니켈 금속 핵 사이로 NiCp를 흡착시켜 금속핵의 분포밀도를 조절하는 분포밀도 조절단계가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

여기서, 공정공간은 130℃~300℃의 온도환경이 조성된 것을 특징으로 한다.

여기서, Ni(Cp)2는 10Torr~300Torr의 압력으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 상기와 같이 다결정실리콘의 특성향상을 위해 금속핵을 분포시킨뒤 동일 제조장치내에서 결정화처리공정을 수행하기 위한 또 다른 실시예를 제공하며, 본 발명은 상기 잉여가스 제거단계와 연속하여 동일 공정공간인 반응챔버에서 결정화를 위해 열처리를 수행하는 다결정 공정처리단계가 더 포함되어 이루어진 다결정 박막트랜지스터 표시기판의 제조방법이다.

여기서, 다결정 공정처리단계에는 NiCp에서 열분해된 Cp를 퍼지하여 제거하는 Cp퍼지단계가 더 포함될 수 있다.

이에 따라 본 발명은 다결정실리콘박막 제조장치를 제공하며, 본 발명은 공정공간인 반응챔버가 마련되어 비정질 실리콘이 형성된 유리기판에 금속핵을 도포하는 금속핵 도포장치가 마련되고, 이 금속핵 도포장치와는 별도로 공정공간인 반응챔버가 마련되어 금속핵이 도포된 유리기판에 열처리를 수행하여 결정화 공정처리되는 다결정실리콘박막 제조장치에 있어서:

공정공간을 제공하는 반응챔버에 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물, 예를 들어 Ni(Cp)2 가스를 공급하는 소스가스공급장치(10)와 잉여가스 배출을 위한 가스배출장치(14)가 마련되고, 상기 반응챔버(1)에는 상기 금속핵의 흡착을 위한 열분해 온도환경과 더불어 결정화을 위한 열처리 환경을 제공하는 히팅장치(16)가 장착되며, 상기 반응챔버(1)는 금속핵을 형성하기 위한 소스가스공급 및 배출장치와 공용된 히팅장치(16)에 의해 유리기판상에 금속핵이 흡착됨에 연속되어 결정 열처리를 동일공정공간에서 수행하는 연속공정반응챔버로서 포함된 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막 제조장치이다.

이것은 RTP(Rapid Thermal Process)에 의해 구현되며, ALD가 응용됨에 따라 반응챔버를 동일공정으로 공용할 수 있기 때문이다.

한편, 분리된 공정공간으로도 본 발명의 조합적인 배치가 가능하며, 이것은 예시도면 도 1c 와 같이 복수의 결정공정 반응챔버와 하나의 분포공정 반응챔버로 조합된다.

이것은 금속촉매의 분포공정과 결정화 열처리공정을 대비할때, 열처리공정시간이 소요됨에 따라, 전체 처리공정시간을 조합하기 위함이고, 상기 RTP(Rapid Thermal Process)에 의해 진행되지 않는 경우이다.

즉, 본 발명은 공정공간인 반응챔버가 마련되어 비정질 실리콘이 형성된 유리기판에 금속핵을 도포하는 금속핵 도포장치가 마련되고, 이 금속핵 도포장치와는 별도로 공정공간인 반응챔버가 마련되어 금속핵이 도포된 유리기판에 열처리를 수행하여 결정화 공정처리되는 다결정실리콘박막 제조장치에 있어서:

공정공간을 제공하는 분포공정 반응챔버(1)에 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물을 공급하는 소스가스공급장치(12)와 잉여가스 배출을 위한 가스배출장치(14) 및 흡착을 위한 히팅장치(16)가 마련됨과 아울러, 상기 분포공정 반응 챔버(1)와 별도로 복수의 다른 반응챔버로서 결정화공정처리를 위한 히팅장치(16)가 설치된 결정공정 반응챔버(18)가 설치되고, 이 복수의 결정공정 반응챔버(18)는 분포공정 반응챔버(1)로부터 공정처리된 유리기판(100)의 열처리가 수행되도록 로딩/언로딩을 수행하는 엔드이펙터(22)가 설치된 로드락실(20)을 매개로 상기 분포공정 반응챔버(1)와 연결된 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막 제조장치이다.

상술된 바와 같이 본 발명은 비정질 실리콘층에서 결정화핵을 형성하기 위한 금속입자의 적절한 분포를 유지하는 금속촉매층의 형성시킴으로써, 저농도의 금속입자 분포도를 갖으면서도 균일한 분포도를 갖게 유리기판상에 금속촉매층을 형성시켜 금속불순물의 오염을 근본적으로 경감시킨 다결정실리콘박막 제조방법이 제공된다.

즉, 전술된 바와 같이, 저온 열처리를 수행하기 위하여 비정질실리콘의 금속촉매층의 형성은 불가피하고, 이때 투입 촉매금속은 채널영역의 오염물질로서 작용하는 필연적인 조건하에서 가장 기초적으로 접근되어야할 과제는, 비정질 실리콘층에서 결정화핵을 형성하기 위한 금속입자의 적절한 분포를 유지하는 금속촉매층의 형성이다.

이에 본 발명은 유리기판에 금속입자를 증착시키되, 금속분자의 크기를 이용하여 금속분자가 선점하여 점유하는 영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들의 군집영역을 확정시킴으로써, 하나의 금속핵이 다수의 비정질 실리콘 입자들을 포함하는 고른 분포가 형성되도록 한 것이다.

또한, 흡착방식을 이용하여 특히 니켈금속층이 적용될 경우 스퍼터링에서 얻 을 수 없는 대면적화에 충분히 대응될 수 있는 방법을 제공한다.

아울러, 동일공간인 반응챔버에서 유리기판의 비정질 실리콘상에 금속핵을 분포시키는 공정과 이를 열처리하여 결정화를 연속하여 수행하는 제조장치를 제공한다.

이것은 본 발명이 소정의 두께를 갖는 금속층(박막)의 형성이 아니라, 결정화핵으로서 니켈핵(입자)을 비정질실리콘막에 분포시키는 근본적인 이유로부터 출발된다.

따라서, 박막을 형성시킬 목적하에서의 스퍼터링 등에 치중되지 않으며, 이를 탈피함으로써 동일공정공간에서 금속핵의 분포와 결정화를 연속하여 진행한다.

종래의 문제점을 다시 한번 살펴보면 이는 비정질실리콘의 결정화 공정을 진행하기 위하여 스퍼터링에 의한 박막을 형성하여야 하는 오류로부터 문제가 기인된다.

즉, 박막의 형성이 아니라 결정화핵을 분포시키는 정도면 충분하며, 이 결정화핵으로부터 결정이 진행되고, 이에 따라 비정질실리콘이 다결정실리콘으로 결정화된다.

이때, 결정화핵 즉, 금속입자(원소)는 유리기판 전역에 걸쳐 골고루 분포될 필요가 있으며, 이를 수행하기 위해 유리기판 전역에 걸쳐 막을 형성하는 스퍼터링은 결정화핵의 분포라는 필요성 대비 과도한 공정 및 장치인 것이다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 결정화핵을 대면적의 유리기판에 골고루 분포시키기 위하여 ALD공정의 표면반응을 이용한다.

즉, 금속핵생성(분포)을 위한 금속입자의 도포는 유리기판 표면위에서 원자의 흡착과 확산에 의해서 진행된다.

흡착되는 금속핵들은 유리기판의 선점된 영역을 형성하며, 이들의 성장은 반응가스로부터 직접적으로 그리고 표면의 노출된 부분을 통한 표면확산으로부터 각각의 원자 에디션에 의해 진행된다.

이러한 성장프로세스 동안 원자의 에디션은 일반적으로 킨크(kink)같은 최저자유에너지부분에서 미소결정을 형성하도록 진행되는 것이며, 이러한 ALD가 반응챔버와 반응가스 공급 및 배출장치를 가지고, 결정화를 위한 공정장치 역시 반응챔버와 공정가스 공급 및 배출장치를 가지는 서로의 공정장치가 중복됨에 따라, 하나의 장치에서 금속핵의 분포공정과 결정공정이 수행될 수 있는 것이다.

또한, 비정질실리콘의 증착과 금속핵 분포공정이 동일공정에서 수행될 수 있다.

이러한 본 발명을 비정질실리콘층 위에 니켈금속층을 형성하기 위한 실시예를 통해 설명하면, 먼저 본 발명에 따른 금속층을 형성하기 위한 장치는 예시도면 도 1a 와 같은 ALD(Atomic Layer Deposition) 장치가 응용된다.

즉, 공정공간을 제공하는 반응챔버(1)가 형성되고, 여기에 금속분자를 흡착시키기 위한 소스가스와 흡착된 금속분자가 열분해되어 반응되기 위한 반응가스를 반응챔버(1)로 공급하기 위한 소스가스 공급장치(10)가 설치된다.

여기서, 소스가스 공급장치(10)는 유리기판(100)에 흡착되지 않은 잉여가스를 제거하기 위한 퍼지가스 공급장치(미도시)와 유리기판(100)에 흡착된 금속화합물에서 예를 들어 니켈을 제외한 다른 라디칼과 반응하여 이를 제거하기 위한 반응가스 공급장치(미도시)를 포함하는 전체장치로서의 의미이다.

이러한 각 공급장치와 반응챔버(1)는 공급관으로 연결되며, 미세 박막을 흡착시키기 위하여 하이스피드 밸브(미도시)가 매개된다.

그리고, 잉여 가스 또는 반응가스를 배출하기 위한 가스배출장치(14)가 반응챔버(1)에 설치된다.

한편, 반응챔버(1)에는 유리기판(100)의 열분해를 수행하기 위한 히팅장치(16)가 설치되며, 보트는 반응챔버(1)로의 유리기판(100) 투입을 위해 승강장치(미도시)가 설치된다.

그리고, 반응챔버에는 환원물질을 여기시키기 위하여 플라즈마 환경을 조성하기 위하여 반응성 가스 발생장치가 장착될 수 있다.

그러나, 본 발명이 이러한 장치 개념에 반드시 국한되는 것은 아니고, 예를 들어 캐리어 가스를 이용할 경우, 각 가스 공급장치가 달라질 것이고, 도시된 것은 그 개념을 설명하기 위한 유리기판 한매를 처리하는 매엽식의 처리장치이나, 다수의 유리기판을 처리하기 위한 배치식 처리장치가 적용될 경우, 가열장치나 보트의 구조가 달라질 것이다.

이러한 본 발명에 따라 금속촉매가 유리기판(100)으로 도포됨에 의해, 다른 공정과 연속되는 공정공간이 제공될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 금속핵의 분포는 크게 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 포함되고, 실리콘 열분해환경에서의 비정질 실리콘층의 형성 역시 CVD에 포함된 다.

이에 따라, 비정질 실리콘층의 형성과 금속핵의 분포공정이 동일공정공간에서 연속되어 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 상기 실시예에서와 같이 일부의 비정질실리콘층, 예를 들어 절반의 비정질 실리콘층을 형성하고 그 위에 촉매로서 금속핵을 분포시키며, 이 위에 다시 절반의 비정질 실리콘층을 형성시키는 공정이 가능하며, 이를 위한 제조장치가 제공될 수 있는 것이다.

즉, 공정공간을 제공하는 반응챔버(1)에 비정질실리콘을 증착하기 위한 증착가스공급장치(12)와 더불어 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물을 공급하는 소스가스공급장치(10)와 상기 반응된 증착가스와 잉여 소스가스 배출을 위한 가스배출장치(14)가 마련되고, 상기 반응챔버(1)에는 상기 비정질실리콘의 증착을 위한 열분해 온도환경과 더불어 금속핵의 흡착을 위한 열분해 온도환경을 제공하는 공용의 히팅장치(16)가 장착되며, 상기 반응챔버(1)는 상기 증착가스 공급장치(12)와 소스가스공급장치(10)와 공용된 배출장치(14) 및 히팅장치(16)에 의해 비정질실리콘의 증착공정과 연속되어 금속핵 흡착을 동일공정공간에서 수행하는 연속공정반응챔버로서 포함되는 것이다.

이러한 본 발명을 통해 예를 들어, 니켈금속핵이 본 발명에 따라 비정질 실리콘층 위에 분포되는 것을 살펴보면, 예시도면 도 2 는 Ni(Cp)2, 구체적으로는 Ni(C5H5)2에 의해 니켈분자가 비정질 실리콘 위에 선점된 점유영역을 가지면서 흡착된 것을 나타낸 개념도이고, 예시도면 도 3 은 본 발명에 따른 니켈핵의 형성단계를 나타낸 측면 개념도이다.

즉, 가열장치에 의해 약 130℃ 내지 300℃로 반응챔버의 환경이 조성된 상태에서 금속소스가스, 예를 들어 Ni(CP)2가 반응챔버로 유입되면, 유리기판 구체적으로는 비정질실리콘층위로 흡착된다.

이때, 자기제한(Self-Limitted Mechansm)에 의해 1 Layer 이하의 니켈분자층이 흡착되며, 흡착되지 않은 잉여 가스를 공정공간 외부로 배출하기 위하여 퍼지(purge)가스가 도입되어 배출된다.

여기서, 잉여 가스는 흡착되지 않은 가스를 의미하며, 퍼지가스를 통해 이를 제거함으로써, 상기 자기제한에 의한 니켈분자층의 분포로 비정질실리콘층(유리기판:100) 위에는 균일한 니켈분자가 배치된다.

그리고, 하나의 니켈분자는 비정질실리콘층위에 그 크기에 의해 점유영역을 갖고 배치된다.

이에 의해 비정질 실리콘층위에 배치된 하나의 니켈분자는 평면상의 영역(D)으로 다수의 비정질 실리콘 입자(26)들을 포함하게 된다.

즉, 자기제한에 의해 흡착된 하나의 니켈 금속핵이 군집영역(D)에 다수의 비정질 실리콘입자들을 포함하게 된다.

이러한 흡착의 특성에 따라 본 발명에서는 군집영역의 형성단계를 포함하게 되며, 상기 군집영역은 균일하게 분포되어 저농도 영역에서 그 농도조절이 가능하며 균일한 분포를 갖는 하나의 금속입자당 군집영역을 형성시킬 수 있는 것이다.

한편, 기존 ALD 공정에서는 상기 자기제한 특성과 금속분자에 따른 고밀도의 박막을 충분히 기대할 수 없고, 이를 보완하기 위하여 다수의 층을 중첩시키게 되 지만, 본 발명에서는 이러한 특성을 장점으로 전환하여 상기 군집영역을 금속입자의 농도에 맞추어 조절하게 되는 것이다.

이에 따라 본 발명은 잉여가스 제거단계를 통해 잉여가스를 제거한 다음, NiCp의 열분해 또는 반응가스를 도입하여 비정질 실리콘과 흡착된 니켈 금속핵 외의 라디칼과 반응시킨 다음 이를 퍼지 제거하여 NiCp가 이루는 군집영역을 해제시키고 선점된 니켈 금속핵 사이로 NiCp를 흡착시켜 금속핵의 분포밀도를 조절하는 분포밀도 조절단계가 더 포함된 것을 특징으로 한다.(도 4 참조)

여기서, 반응가스는 H2, NH3같은 환원성 가스,Ar, N2등 불활성가스, O2,N2O등 산화성가스, 또는 플라즈마로 여기된 가스이며, 이 반응가스와 CP가 반응하여, 결국 금속입자가 비정질 실리콘층의 상기 군집영역에 잔유되고, 부산물인 mCnH2n+2가 생성되어 퍼지됨으로써 제거된다.

이에 따라, 예를 들어 1싸이클 공정에 의해 형성된 NiCp가 이루는 군집영역이 해체되고, 니켈핵만이 실리콘과 결합된 상태이며, 이 니켈핵사이의 공간은 또 다른 NiCp가 선점될 조건을 제공하게 된다.

이에 따라 2싸이클 ALD공정이 진행되면 니켈핵사이로 NiCp가 흡착되면서 그 선점된 다른 군집영역을 형성하게 되며, 이에 따라 금속핵의 분포밀도가 증가되는 것이다.

다음으로, 예시도면 도 5 는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타낸 측면개념도로서, 이것은 절반의 비정질실리콘층 상에 금속핵을 배치시킨 다음, 다시 절반의 비정질실리콘층을 형성시켜 금속핵을 비정질실리콘층사이에 고정되도록 한 것이다.

물리적으로는 비정질실리콘층 내부에 금속핵이 배치됨으로써, 흡착된 금속핵의 물리적인 이탈을 근본적을 방지시키게 되며, 이러한 촉매를 통한 금속핵의 생성시 전체적인 비정질실리콘 층의 중간에 배치되어 결정화가 진행되므로, 그 속도와 균일성을 더욱 증가시킬 수 있는 것이다.

이러한 본 발명은 상기 일실예에서 금속핵 분포영역형성단계와 잉여가스 퍼지 및 라디칼 제거단계를 통해 금속핵만이 획득된 상태에서 다시 절반의 비정질실리콘층이 형성되어 이루어진다.

이러한 실시예들을 통해 비정질 실리콘 상에 고른 분포영역으로 니켈핵이 형성되며, 잉여가스가 충분히 퍼지되어 제거된 상태에서 결정화를 위한 열처리공정이 진행된다.

열처리가 진행되는 도중 NiCp에서 열분해되며, 이에 따라 Cp를 퍼지하여 제거하는 Cp퍼지단계가 더 포함될 수 있다.

여기서, 상기된 이유와 같은 맥락에서, 본 발명은 CVD장치가 응용되어 그 조건에 포함됨에 따라, 동일공정공간에서 결정화 열처리공정이 수행될 수 있다.

즉, CVD에서는 증착환경을 제공하는 히팅장치가 필수적이므로, 이 히팅장치를 이용하여 결정화 열처리공정이 동일공정에 수행될 수 있는 것이다.

이러한 열처리장치는 종래 스퍼터링장치와는 공용될 수 없는 것이며, 본 발명에서 각 공정의 조건이 공용될 수 있음에 따라 수행되는 것이다.

즉, 예시도면 도 1a 및 1b에 적용될 수 있는 것으로, 본 발명은 공정공간을 제공하는 반응챔버에 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물, 예를 들어 Ni(Cp)2 가스를 공급하는 소스가스공급장치(10)와 잉여가스 배출을 위한 가스배출장치(14)가 마련되고, 상기 반응챔버(1)에는 상기 금속핵의 흡착을 위한 열분해 온도환경과 더불어 결정화을 위한 열처리 환경을 제공하는 히팅장치(16)가 장착되며, 상기 반응챔버(1)는 금속핵을 형성하기 위한 소스가스공급 및 배출장치와 공용된 히팅장치(16)에 의해 유리기판상에 금속핵이 흡착됨에 연속되어 결정 열처리를 동일공정공간에서 수행하는 연속공정반응챔버로서 포함되는 것이다.

여기서, 히팅장치(16)는 이것은 RTP(Rapid Thermal Process)에 의해 구현되며, ALD가 응용됨에 따라 반응챔버를 동일공정으로 공용할 수 있기 때문이다.

한편, 분리된 공정공간으로도 본 발명의 조합적인 배치가 가능하며, 이것은 예시도면 도 1c 와 같이 복수의 결정공정 반응챔버와 하나의 분포공정 반응챔버로 조합된다.

이것은 금속촉매의 분포공정과 결정화 열처리공정을 대비할때, 열처리공정시간이 소요됨에 따라, 전체 처리공정시간을 조합하기 위함이고, 상기 RTP(Rapid Thermal Process)에 의해 진행되지 않는 경우이다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 비정질 실리콘층에서 결정화핵을 형성하기 위한 금속입자의 적절한 밀도로서 금속핵을 분포시키는 효과가 있다.

또한, 흡착에 의한 금속층의 형성이 채택됨으로써, 기존의 스퍼터링방법으로 불가능한 대면적인 유리기판 상으로 금속핵을 분포시키는 효과가 있다.

아울러, 하나의 장치에서 비정질실리콘층의 증착공정과 금속핵의 분포공정과 결정화 열처리공정이 연속되어 수행되며, 이에 따라 공정시간이 단축되며 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 유리기판상에 비정질 실리콘을 증착한 다음 이를 결정화 시키기 위하여 금속층을 형성시키는 공정이 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법에 있어서,

   비정질 실리콘이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물을 도입하여 상기 금속화합물에 함유된 금속핵을 촉매로서 흡착시키는 금속핵 흡착단계:

   상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 금속핵이 포함되는 금속화합물이 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 금속핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계:

   금속분포영역 형성단계에서 흡착되지 않은 잉여가스를 퍼지하여 제거하는 잉여가스 제거단계:

   상기 잉여가스 제거단계에서 잉여가스를 배출시켜 제거한 다음, 흡착된 금속화합물의 열분해 또는 반응가스를 도입하여 비정질 실리콘과 흡착된 금속핵 외의 라디칼과 반응시키고, 이를 퍼지 제거하여 상기 금속화합물이 이루는 군집영역을 해제시키고 선점된 금속핵 사이로 금속화합물을 다시 흡착시켜 금속핵의 분포밀도를 조절하는 분포밀도 조절단계가 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법.
2. 유리기판상에 비정질 실리콘을 증착한 다음 이를 결정화시키기 위하여 금속층을 형성시키는 공정이 포함되어 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법에 있어서,

   일부의 두께로 비정질 실리콘층이 형성된 유리기판이 배치된 공정공간으로 기상의 금속화합물을 도입하여 상기 금속화합물에 함유된 금속핵을 촉매로서 흡착시키는 금속핵 흡착단계:

   상기 금속핵의 흡착에 의한 자기제한에 의해 금속핵이 포함되는 금속화합물이 선점한 점유 평면경계영역으로 다수의 비정질 실리콘 입자들이 포함되어, 상기 금속분자의 점유영역에 의해 하나의 상기 금속핵당 다수의 실리콘 입자들을 포함하는 군집영역을 형성시키는 금속핵 분포영역 형성단계:

   금속분포영역 형성단계에서 흡착되지 않은 잉여가스를 퍼지하여 제거하는 잉여가스 제거한 다음, 상기 금속화합물의 열분해 또는 반응가스를 도입하여 비정질 실리콘과 흡착된 금속핵 외의 라디칼과 반응시킨 다음 이를 퍼지하여 제거하여 금속핵만을 배치시키는 금속핵배치단계:

   상기 금속핵배치단계에서 일부의 두께로 형성된 비정질실리콘층위에 배치된 금속핵의 분포위에 나머지 잔여두께의 비정질실리콘층을 형성하는 금속촉매 포함 비정질실리콘층 형성단계로 이루어진 다결정실리콘박막 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 금속분포영역 형성단계에서 흡착되지 않은 잉여가스를 배출시켜 제거한 다음, 흡착된 금속화합물의 열분해 또는 반응가스를 도입하여 비정질 실리콘과 흡착된 금속핵 외의 라디칼과 반응시킨 다음 이를 퍼지 제거하여 상기 금속화합물이 이루는 군집영역을 해제시키고 선점된 금속핵 사이로 금속화합물을 다시 흡착시켜 금속핵의 분포밀도를 조절하는 분포밀도 조절단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막 제조방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속핵 흡착단계에는 자기제한에 의한 금속핵 흡착을 위하여, 공정공간이 130℃~300℃의 온도환경으로 조성된 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막 제조방법.
5. (삭제).
6. (삭제).
7. (삭제).
8. (삭제).
9. (삭제).
10. 공정공간인 반응챔버가 마련되어 유리기판상에 비정질실리콘을 증착하기 위한 증착장치가 설치되고, 이 증착장치와는 별도로 공정공간인 반응챔버가 마련되어 비정질 실리콘이 형성된 유리기판에 금속핵을 도포하는 금속핵 도포장치에 의해 금속층이 공정처리되는 다결정실리콘박막 제조장치에 있어서:

    공정공간을 제공하는 반응챔버에 비정질실리콘을 증착하기 위한 증착가스공급장치와 더불어 금속핵을 흡착시키기 위한 기상의 금속화합물을 공급하는 소스가스공급장치와 상기 증착가스와 소스가스의 잉여가스 배출을 위한 가스배출장치가 마련되고, 상기 반응챔버에는 상기 비정질실리콘의 증착을 위한 열분해 온도환경과 더불어 금속핵의 흡착을 위한 열분해 온도환경을 제공하는 히팅장치가 장착되며, 상기 반응챔버는 상기 증착가스공급장치와 소스가스공급장치와 공용된 배출장치 및 히팅장치에 의해 비정질실리콘의 증착공정과 연속되어 금속핵 흡착을 동일공정공간에서 수행하는 연속공정반응챔버로서 포함된 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막 제조장치.
11. (삭제).
12. (삭제).

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