KR100846718B1 - Method of depositing films using bias - Google Patents
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Abstract
증착 속도와 막의 특성 조절이 가능한 막 증착 장치 및 막 증착 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 막 증착 장치는 내부에 기판이 장입되는 챔버, 반응 가스를 챔버 내에 도입하는 가스 공급계, 도입되는 반응 가스를 해리시키기 위하여 열을 방출하는 필라멘트, 일정한 교류 및 직류 전압을 인가할 수 있는 전원, 및 해리된 반응 가스로부터 기판 상에 막을 증착하는 동안 전원으로부터 인가된 전압을 이용해 기판의 상부, 측부 및 하부 중 적어도 어느 한 부분에 바이어스를 인가하며 기판과는 분리된 바이어스 도입부를 포함한다. 본 발명에 따른 막 증착 방법은 이러한 막 증착 장치 또는 다른 막 증착 장치를 이용할 수 있으며, 반응 가스를 해리시키는 단계, 및 해리된 반응 가스로부터 기판 상에 막을 증착하는 동안 기판에 바이어스를 인가하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 반응 가스로부터 전하를 띤 나노 입자의 생성 거동을 반응 가스의 반응 조건에 의하여 변화시킬 수 있음과 동시에 이러한 생성 거동과 별도로, 일단 기상에서 생성된 전하를 띤 입자들의 전하 특성을 이용하여 바이어스를 인가하여 줌으로써 증착 거동 또한 개별적으로 조절하여, 이에 따른 증착 속도와 막의 특성 조절이 가능해진다. Provided are a film deposition apparatus and a film deposition method capable of controlling deposition rates and film characteristics. The film deposition apparatus according to the present invention can apply a chamber into which a substrate is loaded, a gas supply system for introducing a reaction gas into the chamber, a filament for dissipating heat to dissociate the introduced reaction gas, and a constant alternating current and direct current voltage. And a bias introduction portion separate from the substrate, the bias being applied to at least one of the top, side, and bottom of the substrate using a voltage applied from the power source during deposition of the film on the substrate from the dissociated reactant gas. . The film deposition method according to the present invention may use such a film deposition apparatus or another film deposition apparatus, and the method of dissociating the reaction gas and applying a bias to the substrate during the deposition of the film on the substrate from the dissociated reaction gas. Include. According to the present invention, the generation behavior of charged nanoparticles from the reaction gas can be changed by the reaction conditions of the reaction gas, and at the same time, the charge characteristics of the charged particles once produced in the gas phase can be utilized. By applying a bias, the deposition behavior is also adjusted individually, thereby allowing the deposition rate and the film properties to be adjusted accordingly.
Description
도 1은 본 발명에 따른 막 증착 장치의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a film deposition apparatus according to the present invention.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 막 증착 과정 동안 기판에 전기적인 바이어스를 인가하는 바이어스 도입부를 도시한 그림들이다.2A and 2B are diagrams illustrating a bias introduction portion for applying an electrical bias to a substrate during a film deposition process according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 막 증착 과정 동안 바이어스를 기판 상부에 인가하는 방식을 보여주는 도면이다.3 is a view showing a method of applying a bias on the substrate during the film deposition process according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 막 증착 방법을 보여주는 순서도이다.4 is a flowchart showing a film deposition method according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 막 증착 방법에서 기판에 가해지는 바이어스의 극성과 전하를 띤 나노 입자의 극성과의 상호 작용에 의한 증착 거동의 차이를 보여주는 모식도이다.5 is a schematic diagram showing the difference in deposition behavior due to the interaction between the polarity of the bias applied to the substrate and the polarity of the charged nanoparticles in the film deposition method according to the present invention.
도 6은 기판이 전기적 전도체일 경우 본 발명에 따른 막 증착 방법에 있어서, 반응 가스의 농도 및 기판 하부에 가해진 바이어스에 따른 증착 거동을 보여주는 실험 도면이다. 6 is an experimental view showing the deposition behavior according to the concentration of the reaction gas and the bias applied to the bottom of the substrate in the film deposition method according to the invention when the substrate is an electrical conductor.
도 7은 기판이 전기적 부도체일 경우 본 발명에 따른 막 증착 방법에 있어서, 반응 가스의 농도 및 기판 하부에 가해진 바이어스에 따른 증착 거동을 보여주는 실험 도면이다. FIG. 7 is an experimental view illustrating deposition behavior according to a concentration of a reaction gas and a bias applied to a lower portion of a substrate in the method of depositing a film according to the present invention when the substrate is an electrical nonconductor.
도 8은 도 7의 샘플들에서 증착 거동의 차이의 결과인 막의 특성을 나타내는 라만 분광분석 측정 결과이다.FIG. 8 is a Raman spectroscopy measurement result showing the properties of the film as a result of the difference in deposition behavior in the samples of FIG.
도 9는 기판이 전기적 부도체일 경우 본 발명에 따른 막 증착 방법에 있어서, 반응 가스의 농도 및 기판 상부에 가해진 바이어스에 따른 증착 거동을 보여주는 실험 도면이다. 9 is an experimental view showing the deposition behavior according to the concentration of the reaction gas and the bias applied on the substrate in the film deposition method according to the invention when the substrate is an electrical non-conductor.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10...HFCVD 장치 15...챔버 20...가스 공급계10 ... HFCVD
30...필라멘트 40...기판 50...수냉장치30
60...기판 홀더 70...전원 80...바이어스 도입부60
본 발명은 열선화학증착(HFCVD : Hot Filament Chemical Vapor Deposition 또는 HWCVD : Hot Wire Chemical Vapor Deposition) 장치 및 HFCVD 방법에 의하여 막을 증착하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증착 속도와 막 특성 조절이 가능한 막 증착 장치 및 막 증착 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for depositing a film by a hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) or a hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) apparatus and an HFCVD method, and more particularly, a film capable of controlling deposition rates and film properties. A deposition apparatus and a film deposition method.
HFCVD 방법을 이용한 박막의 증착은 플라즈마를 이용한 막 증착 방법에 비하여 반응 가스를 효과적으로 해리시켜 막의 특성을 향상시키는 장점을 가지고 있다. 그러나, 반응 온도 증가에 따른 증착 용도 측면에서 제한점을 가지고 있다. The deposition of a thin film using the HFCVD method has the advantage of effectively dissociating the reaction gas to improve the properties of the film compared to the film deposition method using a plasma. However, there are limitations in terms of deposition applications with increasing reaction temperature.
따라서, HFCVD 방법을 이용하되 고온은 물론 저온의 기판 온도에서도 막을 증착시킬 수 있으면서 동시에 막의 증착 속도 및 막의 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 방법, 그리고 이러한 방법의 실시에 이용될 수 있는 막 증착 장치가 필요하다.Therefore, there is a need for a method that can deposit a film at a high temperature as well as a low substrate temperature while using the HFCVD method, and at the same time can further improve the film deposition rate and characteristics of the film, and a film deposition apparatus that can be used to implement such a method. Do.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 증착 속도와 막의 특성 조절이 가능한 막 증착 장치를 제공하는 것이다. The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a film deposition apparatus capable of controlling the deposition rate and the characteristics of the film.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 증착 속도와 막의 특성 조절이 가능한 막 증착 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a film deposition method capable of controlling the deposition rate and the characteristics of the film.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 막 증착 장치는, 내부에 기판이 장입되는 챔버; 반응 가스를 상기 챔버 내에 도입하는 가스 공급계; 도입되는 상기 반응 가스를 해리시키기 위하여 열을 방출하는 필라멘트; 일정한 교류 및 직류 전압을 인가할 수 있는 전원; 및 해리된 상기 반응 가스로부터 상기 기판 상에 막을 증착하는 동안 상기 전원으로부터 인가된 전압을 이용해 상기 기판의 상부, 측부 및 하부 중 적어도 어느 한 부분에 바이어스를 인가하며 상기 기판과는 분리된 바이어스 도입부를 포함한다.The film deposition apparatus according to the present invention for achieving the above technical problem, the chamber is filled with a substrate therein; A gas supply system for introducing a reaction gas into the chamber; Filaments that release heat to dissociate the reactant gas introduced; A power source capable of applying constant AC and DC voltages; And applying a bias to at least one of a top, a side, and a bottom of the substrate using a voltage applied from the power source while depositing a film on the substrate from the dissociated reactant gas and separating the bias introduction portion from the substrate. Include.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 막 증착 방법들 중의 하나는 상기의 막 증착 장치를 이용하며, 필라멘트를 이용하여 반응 가스를 해리시키는 단계; 및 해리된 상기 반응 가스로부터 기판 상에 막을 증착하는 동안 바이어스 도입부를 이용하여 상기 기판에 바이어스를 인가하는 단계를 포함한다.One of the film deposition methods according to the present invention for achieving the above another technical problem is using the film deposition apparatus, dissociating the reaction gas using a filament; And applying a bias to the substrate using a bias introduction portion while depositing a film on the substrate from the dissociated reaction gas.
나아가, 본 발명에 따른 막 증착 방법들 중의 다른 하나는 상기의 막 증착 장치를 이용하지 않더라도 반응 가스를 해리시키는 수단 및 기판에 바이어스를 인가하는 수단을 가진 다른 막 증착 장치를 이용하여 실시될 수 있으며, 이 방법은 반응 가스를 해리시키는 단계; 및 해리된 상기 반응 가스로부터 기판 상에 막을 증착하는 동안 상기 기판의 상부, 측부 및 하부 중 적어도 어느 한 부분에 바이어스를 인가하는 단계를 포함한다. 이러한 방법의 실시에 이용될 수 있는 막 증착 장치는 HFCVD 장치일 수도 있고 플라즈마 CVD 장치일 수도 있다. Furthermore, another of the film deposition methods according to the present invention can be carried out using another film deposition apparatus having means for dissociating the reaction gas and applying a bias to the substrate even without using the film deposition apparatus described above. The method comprises dissociating the reactant gas; And applying a bias to at least one of the top, sides, and bottom of the substrate while depositing a film on the substrate from the dissociated reaction gas. The film deposition apparatus that may be used to practice this method may be an HFCVD apparatus or may be a plasma CVD apparatus.
본 발명에 따른 막 증착 방법들에 있어서, 상기 반응 가스의 해리 정도를 조절하여 기상에서 전하를 띤 나노 입자들을 생성시키며 상기 나노 입자들이 가지는 (+) 및 (-)의 전기적 극성 비율을 조절할 수 있다. 또한, 상기 반응 가스로 실레인과 수소의 혼합 가스를 사용하며, 상기 필라멘트의 온도, 상기 혼합 가스 중 실레인의 분율, 및 상기 혼합 가스의 압력 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 증가시켜 기상에서 전하를 띤 나노 입자들의 분율 및 크기 중 적어도 어느 하나를 변화시킬 수 있다. 이 때에, 상기 기판의 상부에서 상기 바이어스를 인가하여, 상기 나노 입자들이 상기 기판에 증착하기 전에 상기 나노 입자들의 하전량을 변경시킴으로써 증착되는 나노 입자들의 전기적 극성 비율을 변경시킬 수도 있다. 뿐만 아니라, 막 증착 단계를 핵 생성 단계와 성장 단계를 나누어, 각 단계 내에서 기상에서 전하를 띤 나노 입자들의 분율 및 크기 중 적어도 어느 하나를 변화시키고 상기 나노 입자들이 상기 기판에 증착하기 전에 상기 나노 입자들의 하전량을 변경시킴으로써 증착되는 나노 입자들의 전기적 극성 비율을 변경시킬 수도 있다. In the film deposition methods according to the present invention, by controlling the degree of dissociation of the reaction gas to generate charged nanoparticles in the gas phase, it is possible to control the electrical polarity ratio of (+) and (-) of the nanoparticles. . In addition, a mixed gas of silane and hydrogen is used as the reaction gas, and at least one selected from the temperature of the filament, the fraction of the silane in the mixed gas, and the pressure of the mixed gas increases charge in the gas phase. At least one of the fraction and the size of the nanoparticles may be changed. In this case, the bias may be applied on the upper portion of the substrate to change the electrical polarity ratio of the deposited nanoparticles by changing the charge amount of the nanoparticles before the nanoparticles are deposited on the substrate. In addition, the film deposition step is divided into a nucleation step and a growth step to change at least one of the fraction and size of charged nanoparticles in the gas phase within each step and before the nanoparticles are deposited on the substrate. By changing the charge amount of the particles, it is possible to change the electrical polarity ratio of the deposited nanoparticles.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하부에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a more clear description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.
실시예Example
본 발명에 따른 막 증착 방법의 실시에 이용될 수 있는 본 발명에 따른 HFCVD 장치의 바람직한 일례를 도 1에 도시하였다.A preferred example of an HFCVD apparatus according to the present invention that can be used to practice the film deposition method according to the present invention is shown in FIG. 1.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 HFCVD 장치(10)는 반응 가스 등의 원료 가스를 HFCVD 장치(10)의 챔버(15) 내에 도입하는 가스 공급계(가스 배관과 가스 유량계로 이루어짐)(20), 챔버(15) 내로 도입되는 반응 가스를 해리시키기 위하여 열을 방출하는 필라멘트(30), 그 표면에 박막을 형성하는 기판(40), 기판(40)을 냉각하기 위한 수냉장치(50) 및 기판(40)과 필라멘트(30)와의 거리 조절이 예컨대 조절 나사를 이용해 가능한 기판 홀더(60), 일정한 교류 및 직류 전압을 인가할 수 있는 전원(70), 그리고 기판(40)의 상부 측부 또는 하부에 바이어스를 인가하기 위한 바이어스 도입부(80)를 포함한다. 이러한 바이어스 도입부(80)는 기판(40)과는 분리된 것으로, 증착 과정 중에 기판(40) 주위에 전기적인 바이어스를 인가한다. 도 1에는 기판(40)의 하부에 바이어스를 인가하는 바이어스 도입부(80)를 도시하였다. Referring to FIG. 1, the
이러한 HFCVD 장치(10)를 이용하여, 본 발명에 따른 막 증착 방법에서는 실 리콘막, 탄소 나노 튜브 및 나노 와이어 중의 어느 하나를 증착할 수 있으며, 실리콘막의 경우 에피택셜 성장(epitaxial growth) 또는 다른 종류의 성장을 일으켜 단결정 실리콘막, 비정질 실리콘막 및 다결정 실리콘막 중의 어느 하나로 증착할 수가 있다. Using the
HFCVD 장치(10)에서, 반응 가스를 고온 해리시키기 위해서 사용되는 필라멘트(30)는 흑연(graphite) 또는 금속 발열체로서, 구체적으로는 텅스텐(W), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 이리듐(Ir), 혹은 이들의 합금이며, 이외에도 다양한 물질의 발열체가 가능하다. 필라멘트(30)의 형태는 단일 선, 꼬아진 형태 및 어떠한 형태로도 가능하다. 또한, 필라멘트(30)의 개수는 하나 또는 그 이상일 수 있다. In the
고온의 필라멘트(30)로 해리시키기 위해서 도입하는 반응 가스란, 실리콘막을 증착하는 경우 일반식 SinH2n+2 (여기서 n은 자연수)로 표시되는 실란 화합물을 주체로 하는 가스로서, 구체적으로는, 모노실란, 디실란, 트리실란, 테트라실란 등이다. 취급상, 모노실란, 디실란, 트리실란, 혹은 이들의 혼합 가스가 바람직하다. 물론 반응 가스가 이들로 한정되는 것은 아니고, 일반식 SinH2n+2-mFm (n, m은 자연수로 m〈 2n+2이며, m은 0도 포함)으로 표시되는 불화실란, 예를 들면, SiH3F, SiH2F2, SiHF3, SiF4, Si2F6, Si2HF5, Si3F8 ; SinH2n+2-mClm (n, m은 자연수로 m〈 2n+2이며, m은 0도 포함)으로 표시되는 염화실란, 예를 들면 SiH3Cl, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, Si2Cl6, Si2HCl5, Si3Cl8 ; 일반식 SinR2n+2-mHm으로 표시되는 유기실란, 예를 들면, Si(CH3)H3, Si(CH3)2H2, Si(CH3)3H ; 저매늄막을 증착하는 경우 GenH2n+2로 표시되는 저매늄, 예를 들면 GeH4, Ge2H6 ; 일반식 GenH2n+2-mFm으로 표시되는 불화저매늄, 예를 들면 GeF4 ; 탄소 나노 튜브 및 나노 와이어를 증착하는 경우 탄화수소가스, 예를 들면, CH4(메탄), C2H6(에탄), C3H8(프로판), C2H4(에틸렌), C2H2(아세틸렌) 등과 이외에도 모든 탄화수소 화합물이 사용 가능하다. The reaction gas introduced to dissociate into the
이러한 반응 가스를 단독으로 사용해도 좋지만, 수소, 불소, 염소 등의 반응성이 있는 가스 ; 도펀트(dopant)인 Ⅲ족 원소를 함유한 가스, 예를 들면, B2H6(디보란), B(CH3)3 (트리메틸붕소) 또는 Ⅴ족 원소를 함유한 가스, 예를 들면 PH3(포스핀); 헬륨, 아르곤, 네온 등의 불활성 가스; 질소 등의 지지 가스를 첨가 도입하여, 실란 화합물 가스를 희석해서 사용해도 좋다. 희석 첨가율은 첨가 가스에 대한 실란 화합물의 비율로 표현했을 경우, 0.1 ~ 100%(용적비율) 정도의 범위일 수 있다. 실제적인 반도체 박막의 형성 속도를 고려하면, 희석 첨가율 1% 이상의 농도가 바람직하게 사용된다.Although these reaction gas may be used independently, Reactive gas, such as hydrogen, fluorine, and chlorine; Gases containing group III elements that are dopants, for example B 2 H 6 (diborane), B (CH 3 ) 3 (trimethylboron) or gases containing group V elements, for example PH 3 (Phosphine); Inert gases such as helium, argon and neon; A support gas such as nitrogen may be added and introduced to dilute and use the silane compound gas. Dilution addition rate may be in the range of about 0.1 to 100% (volume ratio) when expressed as the ratio of the silane compound to the addition gas. In consideration of the actual formation rate of the semiconductor thin film, a concentration of 1% or more of dilution rate is preferably used.
반응 가스 유량은 1 ~ 1000sccm일 수 있고, 챔버(15) 내부 압력은 5mtorr ~ 760torr의 범위일 수 있지만, 막 형성 속도에 따라서, 반응 가스 유량과 챔버(15) 내부 압력은 임의로 선택할 수가 있다. The reaction gas flow rate may be 1 to 1000 sccm, and the pressure inside the
본 발명에 따른 막 증착 방법을 실시할 때에, 전원(70)의 전압은 +1000V ~ -1000V의 범위이고, 직류 또는 주파수 0.01Hz ~ 10KHz 범위의 교류를 적용할 수 있다. When carrying out the film deposition method according to the present invention, the voltage of the
본 발명에 따른 막 증착 방법을 실시함에 있어서, 기판(40)에 바이어스를 인가하는 바이어스 도입부(80)는 도전성 재질, 특히 금속 재질을 사용할 수 있으며, 전기 전도도가 1000 ~ 10000000 (Ω·cm)-1인 금속이 바람직하다. 기판(40)과 바이어스 도입부(80) 면적은 1 ~ 120000 cm2일 수 있다. 바이어스 도입부(80)의 크기는 증착되는 기판(40)의 면적보다 큰 크기로 하며, 증착하려는 목적에 따라 크기를 변경시키는 것도 물론 가능하다. In performing the film deposition method according to the present invention, the
바이어스 도입부(80)의 형태는 도 2a에 도시한 바와 같이 판 구조의 형태이거나 도 2b에 도시한 바와 같이 그물망 구조의 형태를 사용한다. 또는 관 구조를 사용할 수도 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 증착되는 기판(40)의 하부에 바이어스를 인가하기 위해서는 바이어스 도입부(80)가 도 2a와 같은 판의 형태의 것이 바람직하다. 또한, 바이어스는 도 3에 도시한 바와 같이, 기판(40)의 상부에 인가할 수도 있는데, 그럴 경우 바이어스 도입부(80)는 도 2b와 같은 그물망의 형태의 것을 사용하며 기판(40)의 상부에 위치시킨다. 증착시키려는 목적에 따라 그물망의 구멍 크기, 형태 및 설치 위치를 변경시켜서 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명에 따른 막 증착 장치 및 방법에서는 전기적인 바이어스를 인가하는 바이어스 도입부(80)를 기판(40)과 분리함으로써 기판(40)의 하부는 물론 기판(40)의 상부에 위치시켜 바이어스를 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 기판(40)의 측부에도 바이어스를 인가할 수 있다. 증착하는 동안, 바이어스의 극성을 일정하게 유지할 수도 있고, 주기적 또는 임의적으로 번갈아가며 인가할 수도 있다. The
증착시 기판(40) 온도는 20 ~ 1000℃일 수 있으며, 기판(40)의 내열성, 얻게 되는 막 특성으로부터 고려되는 온도는 25 ~ 500℃가 바람직하다. The temperature of the
본 발명에 따른 막 증착 방법에서 사용하는 기판(40)은 도전성 물질, 비도전성 물질 및 플라스틱 중 어느 하나일 수 있다. 투광성 기판으로서는, 청색 판유리, 붕규산 유리, 석영 유리 등 종래 사용되고 있는 유리 기판 재료는 물론 폴리에틸렌테레프탈레이트(줄여서 PET, 다른 말로 폴리테레프탈산에틸렌), 폴리카보네이트(다른 말로 폴리탄산에스테르), 폴리이미드(줄여서 PI), 또는 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 투명한 고분자 필름 기판을 사용하는 것이 가능하다. 전기적인 전도성을 갖는 금속 성분의 기판 및 세라믹 등은 물론 옷감 천 등의 고분자 수지도 가능하다. 이것은 앞에서도 언급한 바와 같이, 바이어스 도입부(80)를 기판(40)과 분리함으로써 전기적으로 도체인 기판은 물론, 전기적으로 부도체이며 낮은 반응 온도를 요구하는 플라스틱 기판은 물론, 전기적 바이어스가 관통하지 못하는 세라믹과 같은 부도체 위에서도 바이어스를 인가하여 막의 증착 거동을 제어할 수 있음에 따른다. The
구체적으로, 스테인리스, 티탄, 알루미늄, 몰리브덴 등의 금속 기판이나 붕규산 유리, 청색 판유리나 석영 유리 등의 유리 기판 혹은 고분자 필름 표면에, 스테인리스, 몰리브덴, 티탄, 은, 알루미늄 등의 금속층을 형성한 것도 기판(40)으로서 사용할 수 있다. 또 투명 전극을 상기 유리 기판, 고분자 필름 및 금속 성분의 기판 위에 형성한 기판도 바람직하게 사용할 수가 있다. 이 때의 투명 전극으로서 는, 산화주석, 산화인듐, 산화아연 등의 금속 산화물이나 투광성의 금속 등을 유효하게 사용할 수 있다. 또한, 기판(40)의 두께는, 유리 기판의 경우 0.5 ~ 10mm, 고분자 필름의 경우 10 ~ 500㎛, 금속층, 또는 금속 성분의 기판의 경우 50Å ~ 50,000Å 정도일 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 기판(40) 위에 형성되는 막은 비정질 반도체 박막의 경우 그 두께는, 10Å ~ 10㎛(100,000Å) 정도이고, 그 박막 형성 속도는 0.1 ~ 1000Å/sec이고, 바람직하게는 5 ~ 30Å/sec 정도이다. Specifically, a metal substrate such as stainless steel, molybdenum, titanium, silver or aluminum is formed on a metal substrate such as stainless steel, titanium, aluminum or molybdenum, a glass substrate such as borosilicate glass, blue plate glass or quartz glass or a polymer film surface. It can be used as 40. Moreover, the board | substrate which provided the transparent electrode on the said glass substrate, the polymer film, and the board | substrate of a metal component can also be used preferably. As a transparent electrode at this time, metal oxides, such as tin oxide, indium oxide, and a zinc oxide, a translucent metal, etc. can be used effectively. In addition, the thickness of the
이러한 HFCVD 장치(10)를 가지고 본 발명에 따라 막을 증착하는 방법을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.A method of depositing a film according to the present invention with such an
먼저 도 4의 단계 s1을 참조하여, 필라멘트(30)를 이용해 반응 가스를 해리시킨다. First, referring to step s1 of FIG. 4, the reaction gas is dissociated using the
본 발명은 본 발명자들의 박막 증착에 관한 새로운 이론에 근거한다. 지금까지는 박막의 성장이 주로 원자나 분자 단위로 이루어진다고 믿어져 왔으며, 대부분의 박막 공정의 개발은 이러한 가정을 근거로 진행되어 왔기 때문에 기상 핵 생성을 야기 시키는 조건이 증착 속도의 한계가 되어 왔다. 이러한 증착 속도의 한계를 극복하기 위해서는 기상에서 핵 생성이 일어나는 조건에서도 양질의 박막이 성장할 수 있는 조건을 만들어 주면 되는데, 이를 위해서는 생성된 핵 또는 나노 입자가 전하를 띠게 하여 전하를 띤 클러스터를 만들어 주면 높은 증착 속도로 양질의 박막 제조가 가능하다는 사실을 밝힌 바 있다. (Nong-Moon Hwang, Doh-Yeon Kim, J. Appl. Phys, 79 234. 2003)The present invention is based on our new theory of thin film deposition. Until now, it has been believed that the growth of thin films is mainly atomic or molecular. Since most thin film processes have been developed based on these assumptions, the conditions that cause vapor phase nucleation have been the limit of deposition rate. In order to overcome the limitation of the deposition rate, it is necessary to create a condition in which a good quality thin film can grow even under the conditions of nucleation in the gas phase. To this end, if the generated nuclei or nanoparticles are charged, a charged cluster is formed. It has been shown that high quality thin films can be manufactured at high deposition rates. (Nong-Moon Hwang, Doh-Yeon Kim, J. Appl. Phys, 79 234. 2003)
한편, 전하를 띤 클러스터를 의도적으로 생성하여 이들을 가속시켜 박막을 증착 시키는 기술을 Yamada와 Tagaki 등이 "ionized cluster beam deposition (ICBD)"라는 이름으로 개발하였다. 그러나 이 방법에서는 클러스터를 만들기 위하여 단열팽창을 시키고, 이를 이온화시키기 위하여 전자총을 사용하였다. 이러한 방법은 장치가 복잡할 뿐만 아니라 생성된 클러스터의 이온화율도 낮아서 30%를 넘기 힘들다. 또한 이 방법에서는 이러한 클러스터를 가속시켜서 증착시키기 때문에 ~0.000001 Torr의 높은 진공도를 사용하였다. On the other hand, Yamada and Tagaki developed a technique called "ionized cluster beam deposition (ICBD)" to intentionally generate charged clusters and accelerate them to deposit thin films. In this method, however, adiabatic expansion was used to make clusters and electron guns were used to ionize them. This method is not only complicated, but also has low ionization rate of the resulting clusters, making it difficult to exceed 30%. This method also used a high vacuum of ˜0.000001 Torr because it accelerated and deposited these clusters.
그러나, 본 발명에 따르면, 단순히 필라멘트(30)를 이용해 반응 가스를 해리시키는 것에 의해, 나노 입자(또는 나노 클러스터)를 생성시키는 부가적인 장치를 사용하지 않으면서도 하전된 증착원(나노 입자 또는 나노 클러스터)을 챔버(15) 안에서 자발적으로 생성시킬 수 있다. However, according to the present invention, by simply dissociating the reaction gas with the
본 발명에서는 또한, 반응 가스의 해리 정도를 조절하여 기상에서 생성된 전하를 띤 나노 입자가 가지는 (+) 또는 (-) 전하 특성을 조절할 수 있다. 즉, 나노 입자가 가지는 전하의 양과 극성 비를 의도한 바에 의하여 조절할 수 있다. 이렇게 (+) 또는 (-) 전하를 띤 입자들의 상대적인 비율을 달리 함에 따라, 이에 영향을 받는 전하를 띤 나노 입자의 전하 특성과의 상호관계를 제어하여 증착 속도와 막의 특성을 조절할 수 있는 것이다. In the present invention, the degree of dissociation of the reaction gas may also be adjusted to control the (+) or (−) charge characteristics of the charged nanoparticles generated in the gas phase. That is, the amount of charge and polarity ratio of the nanoparticles can be adjusted as intended. By varying the relative proportions of the (+) or (-) charged particles in this way, the deposition rate and the film properties can be controlled by controlling the correlation with the charge properties of the charged nanoparticles affected.
구체적으로, 반응 가스로서 실레인과 수소의 혼합 가스를 사용하며, 필라멘트(30) 온도, 혼합 가스 중 실레인의 분율 및 혼합 가스로 인한 챔버(15) 압력 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 증가시켜 기상에서 전하를 띤 나노 입자들의 분율 및 크기 중 적어도 어느 하나를 변화시킬 수 있다. Specifically, a mixed gas of silane and hydrogen is used as the reaction gas, and at least one selected from the
예를 들어, 반응 가스의 해리 정도는 특히 필라멘트(30)의 온도에 의존한다. 필라멘트(30)의 온도가 증가할수록 반응 가스의 해리 정도는 증가한다. 이러한 필라멘트(30)의 온도 증가는 반응 가스의 해리 정도를 변화시켜, 본 발명자들의 증착 이론에 근거할 경우 증착 단위 입자의 정전기적인 특성을 변화시키다. 실리콘 박막 증착의 경우, 필라멘트(30)의 온도가 증가할수록 양으로 하전된 나노 입자들에 비하여 음으로 하전된 입자들의 상대적인 비가 증가한다. 이러한 필라멘트(30)의 온도 조절에 따른 반응 가스의 해리도 증가 및 그것에 따른 박막 특성 향상은 기존의 플라즈마를 이용하는 방법에서의 반응 가스 해리도와 차별성을 갖는다. For example, the degree of dissociation of the reactant gas depends in particular on the temperature of the
또한, 증착되는 기판(40)의 전기적 전도성 차이에 따라서 전하를 띤 나노 입자가 가지고 있던 전하량에서 기인하는 정전기적인 특성이 기판(40) 표면에서 제거되거나 또는 계속 기판(40) 표면에 축적되어 연속적으로 증착되는 하전된 나노 입자의 극성에 따라서 기판(40)과 하전된 나노 입자와의 상호 작용의 거동이 변하게 된다. 기판(40)의 전기적 전도성이 큰 경우 전하를 띤 나노 입자가 가지고 있던 전하량에서 기인하는 정전기적인 특성이 기판(40) 표면에서 제거되기 때문에 이후에 증착되는 하전된 나노 입자에 영향을 미치지 않는다. 그러나, 기판(40)의 전기적 전도성이 작은 경우 혹은 부도체인 경우 전하를 띤 나노 입자가 가지고 있던 전하량에서 기인하는 정전기적인 특성이 기판(40) 표면에 축적되므로 이후에 증착되는 하전된 나노 입자의 극성에 따라 인력 또는 척력을 미치게 된다. 기판(40)의 전기적 전도성 차이에 관한 내용은 이하 실험예들에서 상세히 설명한다. In addition, according to the difference in electrical conductivity of the
다음으로, 도 4의 단계 s2를 참조하여, 반응 가스를 해리시킨 후 또는 반응 가스를 해리시키면서, 전원(70)을 이용해 바이어스 도입부(80)를 통해 기판(40) 혹은 기판(40) 주위에 (+) 또는 (-) 극성의 전기적인 바이어스를 지속적으로 혹은 교대로 인가함으로써 증착 거동을 조절한다. 즉, 이미 생성된 하전된 나노 입자에 대하여 증착 과정에서 (+) 또는 (-) 극성 중에서 임의의 극성을 가지는 부분을 선택적으로 선택함으로써 전하를 띤 나노 입자의 증착 속도와 그에 따른 박막의 구조 특성을 조절하는 것이다. Next, referring to step s2 of FIG. 4, after dissociating the reactant gas or dissociating the reactant gas, the
예를 들어, 기판(40)의 상부에서 바이어스를 인가하여, 나노 입자들이 기판(40)에 증착하기 전에 상기 나노 입자들의 하전량을 변경시킴으로써 증착되는 나노 입자들의 전기적 극성 비율을 변경시킬 수도 있다. 바이어스 도입부(80)의 위치에 따라 전하를 띤 나노 입자들의 증착 거동을 제어하는 것에 관한 내용은 이하 실험예들에서 상세히 설명한다. 뿐만 아니라, 막 증착 단계를 핵 생성 단계와 성장 단계를 나누어, 각 단계 내에서 기상에서 전하를 띤 나노 입자들의 분율 및 크기 중 적어도 어느 하나를 변화시키고 상기 나노 입자들이 기판(40)에 증착하기 전에 상기 나노 입자들의 하전량을 변경시킴으로써 증착되는 나노 입자들의 전기적 극성 비율을 변경시킬 수도 있다. 예를 들면, 막 증착의 초기인 핵 생성 단계에서는 나노 입자들의 분율 및 크기를 작게 하였다가 성장 단계에서는 나노 입자들의 분율 및 크기를 작게 한다든지, 아니면 그 반대로 하는 것이 가능하다. 또한, 핵 생성 단계에서는 증착되는 나노 입자들의 전기적 극성 비율을 (-)가 우세하게 하였다가 성장 단계에서는 증착되는 나노 입자들의 전기적 극성 비율을 (+)가 우세하게 한다든지, 아니면 그 반대로 하는 것이 가능하다. For example, a bias may be applied on top of the
도 5는 본 발명에 따라 기판에 가해지는 바이어스의 극성과 전하를 띤 나노 입자의 극성과의 상호 작용에 의한 증착 거동의 차이를 보여주는 모식도이다.5 is a schematic diagram showing the difference in deposition behavior due to the interaction between the polarity of the bias applied to the substrate and the polarity of the charged nanoparticles according to the present invention.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 하전된 나노 입자(90)의 극성이 (-)인 경우 전도성 기판(40)에 양의 바이어스(예컨대 +150V)를 인가하면 인력에 의해 나노 입자(90)가 기판(40)으로 향하게 되므로 증착되는 속도가 높다. (b)에 도시한 바와 같이 하전된 나노 입자(90)의 극성이 (-)이든 (+)이든 전도성 기판(40)에 바이어스를 인가하지 않으면 보통의 증착 속도를 보인다. 그러나, (c)에 도시한 바와 같이 하전된 나노 입자(90)의 극성이 (-)인 경우 전도성 기판(40)에 음의 바이어스(예컨대 -150V)를 인가하면 척력에 의해 나노 입자(90)가 기판(40)으로부터 튕겨져 나가므로 증착되는 속도가 매우 낮다. 이와 같이 하전된 나노 입자에 대해 바이어스를 인가함으로써 증착 속도를 조절할 수 있고, 이에 따라 증착되는 박막의 구조 특성 또한 조절된다. As shown in FIG. 5A, when the polarity of the charged
이와 같이, 본 발명은 반응 가스로부터 전하를 띤 나노 입자의 생성 거동을 반응 가스의 반응 조건에 의하여 변화시킬 수 있음과 동시에 이러한 생성 거동과 별도로, 일단 기상에서 생성된 전하를 띤 입자들의 전하 특성을 이용하여 바이어스를 인가하여 줌으로써 증착 거동 또한 개별적으로 조절하는 것이다. 또한, 본 발명은 전기적인 바이어스를 인가하는 바이어스 도입부(80)를 기판(40)과 분리함으로써 기판(40)의 하부는 물론 기판(40)의 상부 또는 측부에 위치시켜 바이어스를 적용함으로써 증착 거동을 효과적으로 제어할 수 있다. 전기적으로 도체인 기판은 물론, 전기적으로 부도체이며 낮은 반응 온도를 요구하는 플라스틱 기판, 전기적 바이어 스가 관통하지 못하는 세라믹과 같은 부도체 위에서도 박막 및 후막의 증착 거동을 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같이 증착 거동에 따른 균일한 조직의 막을 증착시키는 것에서 기인되는 박막의 헤이즈(haze) 감소, 보이드(void) 생성 감소, 표면 거칠기 향상, 결정화도 향상의 효과가 있다. As such, the present invention can change the generation behavior of charged nanoparticles from the reaction gas by the reaction conditions of the reaction gas and at the same time separate the charge characteristics of the charged particles once produced in the gas phase, apart from this production behavior. By applying bias, the deposition behavior is also adjusted individually. In addition, the present invention separates the
한편, 상기의 HFCVD 장치(10)를 이용하지 않더라도 다른 막 증착 장치에 반응 가스를 해리시키는 수단 및 기판에 바이어스를 인가하는 수단을 가지도록 구성하여 본 발명에 따른 막 증착 방법을 실시할 수도 있으며, 이러한 방법의 실시에 이용될 수 있는 막 증착 장치는 HFCVD 장치일 수도 있고 플라즈마 CVD 장치일 수도 있다. On the other hand, even without using the
실험예 1Experimental Example 1
도 1에 도시한 CVD 장치(10)를 사용하였다.The
반응 가스를 해리하기 위한 필라멘트(30)의 온도는 1833(K)으로 하였고, 기판(40)은 2 x 2 cm, 1mm(두께) 크기의 스테인리스 재질을 선택하여, 기판(40)의 온도는 393(K)으로 하였다. 반응 가스는 수소(H2)와 실레인(SiH4)의 혼합 가스를 사용하였고 실레인의 농도는 20%와 10%를 각각 사용하였다. 전원(70)을 이용해 +150V 와 -150V의 직류 바이어스를 각각 인가하였고, 바이어스 도입부(80)로는 구리 판을 사용하였으며 도 1에 도시한 바와 같이 기판(40)의 하부에 설치하였다. 챔버(15) 압력은 0.7 Torr로 하였고, 증착은 각각 30분 동안 진행하였다. 반응 전, 후의 기판(40)의 질량을 측정하여 바이어스 인가를 제외하고는 동일한 조건에서 증착시킨 비교 기판의 질량 변화 값의 차이로써 바이어스 효과에 따른 단위 면적당 증착량을 나타내었다. (바이어스를 인가하여 증착된 막의 질량 증가 - 동일한 조건에서 바이어스를 인가하지 않고 증착시킨 기판의 질량 증가 = 바이어스 효과에 의한 증착 량)The temperature of the
도 6은 기판이 전기적 전도체(스테인리스)일 경우 본 발명에 따른 증착 방법에 있어서, 반응 가스의 농도 및 기판 하부에 가해진 바이어스에 따른 증착 거동을 보여주는 실험 도면이다. FIG. 6 is an experimental view showing deposition behavior according to a concentration of a reaction gas and a bias applied to a lower portion of a substrate in the deposition method according to the present invention when the substrate is an electrical conductor (stainless steel).
도 6을 참조하면, (a)는 실레인 농도 20%, 바이어스 +150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타내고, (b)는 실레인 농도 20%, 바이어스 -150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타내며, (c)는 실레인 농도 10%, 바이어스 +150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타낸다. 그리고, (d)는 실레인 농도 10%, 바이어스 -150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타낸다.Referring to Figure 6, (a) shows the increase in mass of the silicon thin film obtained by depositing at 20% silane concentration, bias + 150V, (b) is deposited under the condition of 20% silane concentration, bias -150V Shows the mass increase of the silicon thin film obtained by (c), and (c) shows the mass increase of the silicon thin film obtained by depositing on conditions of 10% of a silane concentration and a bias of + 150V. And (d) shows the mass increase of the silicon thin film obtained by depositing on 10% of silane concentration and the bias of -150V.
도 6에서 보는 바와 같이, 전도성 기판에 바이어스 인가 방법에 의해 얻게 된 실리콘 박막의 질량 증가로부터 볼 때, 실리콘 박막의 증착 속도는 (a)가 가장 크고, (b)가 그 다음으로 크며, (c)가 그 다음으로 크다. (d)의 경우는 바이어스를 인가하지 않은 경우보다 증착 속도가 감소한 것이다. 이러한 결과는 20%의 실레인 농도 조건과 10%의 실레인 농도 조건에서 생성되는 전하를 띤 나노 입자의 생성 거동이 다르기 때문으로 해석할 수 있다. As shown in Fig. 6, from the increase in the mass of the silicon thin film obtained by the bias application method to the conductive substrate, the deposition rate of the silicon thin film is (a) is the largest, (b) is the next largest, (c ) Is next big. In the case of (d), the deposition rate was reduced compared with the case where no bias was applied. These results can be interpreted as the generation behavior of the charged nanoparticles produced under the conditions of 20% silane concentration and 10% silane concentration.
즉, 20% 실레인의 조건, 즉 (a)와 (b)에서는 (-)로 하전된 입자가 주로 생성 되는 것과 동시에 (+)로 하전된 나노 입자도 일부 생성되어 가해지는 반대 극성의 바이어스에 의하여 증착 속도가 증가한다. 한편, 10% 실레인의 조건, 즉 (c)와 (d)에서는 20% 실레인의 조건에 비하여 주로 (-)로 하전된 입자가 생성됨으로써 -150V를 인가하는 경우((d)의 경우) 생성된 나노 입자의 대부분을 차지하는 음으로 하전된 입자는 반발하여 증착이 어렵고 양으로 하전된 증착이 용이한 나노 입자는 그 양이 매우 적으므로 증착 속도 증가에 기여하는 바가 적게 되기 때문이다.That is, under conditions of 20% silane, i.e., (a) and (b), the negatively charged particles are mainly generated, and the negatively charged nanoparticles are also partially generated and applied to the opposite polarity bias. Thereby increasing the deposition rate. On the other hand, under conditions of 10% silane, i.e., (c) and (d), when negatively charged particles are generated as compared with the conditions of 20% silane, -150V is applied (in case of (d)) This is because negatively charged particles, which occupy most of the nanoparticles produced, are difficult to deposit and are easily deposited, and the positively charged nanoparticles are very small in amount, which contributes to an increase in deposition rate.
이와 같이, 반응 가스의 해리 조건(여기서는 반응 가스인 실레인의 농도)에 따라 생성되는 전하를 띤 나노 입자의 전하 특성 변화에 따라, 전기적 전도성이 큰 스테인리스를 기판으로 사용하는 경우, 생성된 하전된 나노 입자들의 극성의 상대적인 비율이 가장 큰 극성과 반대되는 바이어스를 인가함으로써 증착 속도를 증가시킬 수 있었다. 또한 생성된 (+) 또는 (-) 전하를 띤 나노 입자의 상대적인 비는 반응 가스 농도 증가에 따라 증가하는 결과를 보였다.As such, when the charge characteristics of the charged nanoparticles generated according to the dissociation conditions of the reactant gas (here, the concentration of the silane as the reactant gas) are changed, the charged charges generated when stainless steel having high electrical conductivity is used as the substrate The deposition rate could be increased by applying a bias in which the relative proportion of the polarity of the nanoparticles is opposite to the largest polarity. In addition, the relative ratios of the produced (+) or (-) charged nanoparticles increased with increasing reaction gas concentration.
실험예 2Experimental Example 2
실험예 1과 마찬가지로, 도 1에 도시한 CVD 장치(10)를 사용하였다.As in Experimental Example 1, the
반응 가스를 해리하기 위한 필라멘트(30)의 온도는 1833(K)으로 하였고, 기판(40)은 3 x 6 cm, 0.5mm(두께) 크기의 폴리에틸렌테레프탈레이트 재질을 선택하여, 기판(40)의 온도는 353(K)으로 하였다. The temperature of the
반응 가스는 수소(H2)와 실레인(SiH4)의 혼합 가스를 사용하였고 실레인의 농도는 20%와 10%를 각각 사용하였다. 전원(70)을 이용해 +150V 와 -150V의 직류 바이어스를 각각 인가하였고, 바이어스 도입부(80)로는 구리 판을 사용하였으며 도 1에 도시한 바와 같이 기판(40)의 하부에 설치하였다. 챔버(15) 압력은 0.7 Torr로 하였고, 증착은 각각 30분 동안 진행하였다. 반응 전, 후의 기판(40)의 질량을 측정하여 바이어스 인가를 제외하고는 동일한 조건에서 증착시킨 비교 기판의 질량 변화 값의 차이로써 바이어스 효과에 따른 단위 면적당 증착량을 나타내었다. (바이어스를 인가하여 증착된 막의 질량 증가 - 동일한 조건에서 바이어스를 인가하지 않고 증착시킨 기판의 질량 증가 = 바이어스 효과에 의한 증착 량)As a reaction gas, a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and silane (SiH 4 ) was used, and the concentration of silane was 20% and 10%, respectively. DC bias of + 150V and -150V was applied using the
도 7은 기판이 전기적 부도체(폴리에틸렌테레프탈레이트)일 경우 본 발명에 따른 증착 방법에 있어서, 반응 가스의 농도 및 기판 하부에 가해진 바이어스에 따른 증착 거동을 보여주는 실험 도면이다. FIG. 7 is an experimental view showing deposition behavior according to a concentration of a reaction gas and a bias applied to a lower part of a substrate in the deposition method according to the present invention when the substrate is an electrical insulator (polyethylene terephthalate).
도 7을 참조하면, (a)는 실레인 농도 20%, 바이어스 +150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타내고, (b)는 실레인 농도 20%, 바이어스 -150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타내며, (c) 는 실레인 농도 10%, 바이어스 +150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타낸다. 그리고, (d)는 실레인 농도 10%, 바이어스 -150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타낸다.Referring to FIG. 7, (a) shows an increase in mass of a silicon thin film obtained by depositing at a silane concentration of 20% and a bias of + 150V, and (b) shows depositing at a silane concentration of 20% and a bias of -150V. Shows the mass increase of the silicon thin film obtained by (c), and (c) shows the mass increase of the silicon thin film obtained by depositing on conditions of 10% of a silane concentration and a bias of + 150V. And (d) shows the mass increase of the silicon thin film obtained by depositing on 10% of silane concentration and the bias of -150V.
도 7에서 보는 바와 같이, 비전도성 기판에 바이어스 인가 방법에 의해 얻게 된 실리콘 박막의 질량 증가로부터 볼 때, 실리콘 박막의 증착 속도는 (b)가 가장 크고, (d)가 그 다음으로 크며, (a)가 그 다음으로 크다. (a)와 (c)의 경우는 바이어스를 인가하지 않은 경우보다 증착 속도가 감소하였다. As shown in Fig. 7, the deposition rate of the silicon thin film obtained by the bias application method to the non-conductive substrate is (b) is the largest, (d) is the next largest, ( a) is next In the case of (a) and (c), the deposition rate decreased compared with the case where no bias was applied.
이러한 결과는 실험예 1과 달리 전기적 전도성이 낮은 폴리에틸렌테레프탈레이트를 기판(40)으로 사용하였기 때문이다. 증착되는 나노 입자가 가지고 있던 전하들은 전기적 부도체인 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판(40)으로부터 빠져나가지 못하고 기판(40)에 축적됨으로써 이후 증착되는 나노 입자와의 극성이 동일한 것에서 기인하는 반발력으로 인하여 증착 속도가 감소한다. 따라서, 주로 음으로 하전된 나노 입자로 구성되는 (c)의 경우가 가장 증착 속도가 작고 이에 비하여 양으로 하전된 나노 입자가 증가한 (a)의 경우도 바이어스를 인가하지 않은 경우보다 증착 속도가 작다. (b) 및 (d)에서와 같이 바이어스 -150V를 인가하는 경우에는 (-)로 하전된 나노 입자에 비하여 상대적인 생성비가 적은 (+) 전하를 띤 나노 입자들의 증착이 증착 속도를 결정하는 율속 단계가 됨으로써 음의 바이어스에 의하여 증착 속도가 증가하는 것이다.This result is because, unlike Experimental Example 1, polyethylene terephthalate having low electrical conductivity was used as the
그리고, (-) 전하를 띤 입자에 대한 (+) 전하를 띤 입자의 상대적인 생성 비율이 높고 동시에 가스의 분해 생성량이 상대적으로 큰 실레인 (b)의 경우가 (d)에 비하여 증착 속도가 크다. In addition, in the case of the silane (b) having a high relative generation rate of the (+) charged particles to the (-) charged particles and having a relatively high decomposition decomposition amount of gas, the deposition rate is higher than that of (d). .
한편, 도 8은 도 7의 샘플들에 대해 증착 거동의 차이의 결과인 막의 특성을 나타내는 라만 분광분석 측정 결과이다.8 is a Raman spectroscopic measurement result showing the characteristics of the film as a result of the difference in deposition behavior for the samples of FIG.
도 8에서 보는 바와 같이, (d)의 경우가 결정성이 가장 큰데, 이는 박막 증착 과정 중에서 동일한 전하를 띤 나노 입자들의 상호 반발력 효과가 가장 크기 때문이며, 이는 (c) 및 (d)와 같이 실레인 농도 10%의 경우가 (a) 및 (b)와 같이 실레인 농도 20%의 경우보다 (+)로 하전된 나노 입자에 대한 (-)로 하전된 나노 입자 의 비가 더 크기 때문이다.As shown in FIG. 8, the case of (d) has the largest crystallinity because the mutually repulsive effect of the same charged nanoparticles is the greatest during the thin film deposition process, as shown in (c) and (d). This is because the ratio of the negatively charged nanoparticles to the positively charged nanoparticles is greater than that of the 20% silane concentration, such as (a) and (b), for the phosphorus concentration of 10%.
이와 같이, 반응 가스의 해리 조건(여기서는 반응 가스인 실레인의 농도)에 따라 생성되는 전하를 띤 나노 입자의 전하 특성 변화에 따라, 전기적 부도체인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 기판으로 사용하는 경우, 생성된 하전된 나노 입자들의 극성의 상대적인 비율이 가장 큰 극성과 동일한 극성의 바이어스를 인가함으로써 증착 속도를 증가시킬 수 있었다. 또한 동일한 조건에서 반응 가스의 해리도가 높아 생성되는 나노 입자가 띠는 두 극성간의 생성 비율 차이가 클수록 박막의 결정화도를 증가시킬 수 있음을 명백히 하였다.As such, when the charge characteristics of the charged nanoparticles generated according to the dissociation conditions of the reaction gas (here, the concentration of the silane as the reaction gas) are changed, the generated charges are used when the polyethylene terephthalate, which is an electrical insulator, is used as the substrate. The deposition rate could be increased by applying a bias having the same polarity as that of the largest polarized nanoparticles. In addition, it was clarified that the higher the dissociation degree of the reaction gas under the same conditions, the greater the difference in formation ratio between the two polarities of the produced nanoparticles could increase the crystallinity of the thin film.
실험예 3Experimental Example 3
실험예 2와 마찬가지로, 도 1에 도시한 CVD 장치(10)를 사용하였다.As in Experimental Example 2, the
반응 가스를 해리하기 위한 필라멘트(30)의 온도는 1833(K)으로 하였고, 기판(40)은 3 x 6 cm, 0.5mm(두께) 크기의 폴리에틸렌테레프탈레이트 재질을 선택하여, 기판(40)의 온도는 353(K)으로 하였다. 반응 가스는 수소(H2)와 실레인(SiH4)의 혼합 가스를 사용하였고 실레인의 농도는 20%와 10%를 각각 사용하였다. 전원(70)을 이용해 +150V 와 -150V의 직류 바이어스를 각각 인가하였다. 여기까지는 실험예 2와 동일하다.The temperature of the
대신, 바이어스 도입부(80)로는 구리 망을 사용하였으며 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판(40) 위에 설치하였다. 구리 망의 와이어 직경은 0.4mm이고 와이어 사이의 구멍은 64개/cm2 이다. 챔버(15) 압력은 0.7 Torr로 하였고, 증착은 각각 30분 동안 진행하였다. 반응 전, 후의 기판(40)의 질량을 측정하여 바이어스 인가를 제외하고는 동일한 조건에서 증착시킨 비교 기판의 질량 변화 값의 차이로써 바이어스 효과에 따른 단위 면적당 증착량을 나타내었다. (바이어스를 인가하여 증착된 막의 질량 증가 - 동일한 조건에서 바이어스를 인가하지 않고 증착시킨 기판의 질량 증가 = 바이어스 효과에 의한 증착 량)Instead, a copper mesh was used as the
도 9는 기판이 전기적 부도체(폴리에틸렌테레프탈레이트)일 경우 본 발명에 따른 증착 방법에 있어서, 반응 가스의 농도 및 기판 위에 가해진 바이어스에 따른 증착 거동을 보여주는 실험 도면이다. 9 is an experimental view showing the deposition behavior according to the concentration of the reaction gas and the bias applied on the substrate in the deposition method according to the present invention when the substrate is an electrical insulator (polyethylene terephthalate).
도 9를 참조하면, (a)는 실레인 농도 20%, 바이어스 +150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타내고, (b)는 실레인 농도 20%, 바이어스 -150V의 조건으로 증착하여 얻은 실리콘 박막의 질량 증가를 나타낸다.Referring to FIG. 9, (a) shows the mass increase of the silicon thin film obtained by depositing at a silane concentration of 20% and a bias of + 150V, and (b) shows depositing at a condition of 20% of silane concentration and a bias of -150V. The increase in mass of the obtained silicon thin film is shown.
도 9에서 보는 바와 같이, (a)와 (b) 모두 바이어스를 인가하지 않은 경우보다 증착 속도가 감소하였고, (+) 바이어스를 가한 경우(즉, (a))가 (-) 바이어스의 경우를 가한 경우(즉, (b))보다 증착 속도가 더 작았다. 이러한 결과는 실리콘 박막 증착의 기본 단위가 전하를 띤 나노 입자들이 기판에 증착되기 이전에 바이어스가 인가된 구리 망에 대부분 포획되었기 때문이며 이러한 바이어스 인가 방법에 의하여 증착 속도를 조절할 수 있음이 명백하다.As shown in FIG. 9, both (a) and (b) have a lower deposition rate than when no bias is applied, and a case of applying (+) bias (that is, (a)) is a case of (-) bias. The deposition rate was smaller than when added (ie, (b)). This result is apparent because the basic unit of silicon thin film deposition was that most of the charged nanoparticles were trapped in the biased copper network before being deposited on the substrate, and the deposition rate could be controlled by this bias application method.
실험예 4Experimental Example 4
실험예 1과 마찬가지로, 도 1에 도시한 CVD 장치(10)를 사용하였다.As in Experimental Example 1, the
반응 가스를 해리하기 위한 필라멘트(30)의 온도는 2173(K)으로 하였고, 기 판(40)은 2 x 2 cm, 1.0mm(두께) 크기의 스테인리스 재질을 선택하여, 기판(40)의 온도는 523(K)으로 하였다. The temperature of the
반응 가스는 수소(H2)와 메탄(CH4)의 혼합 가스를 사용하였고 메탄의 농도는 20%를 사용하였다. 전원(70)을 이용해 +25V, 0V 와 -200V의 직류 바이어스를 각각 인가하였고, 바이어스 도입부(80)로는 구리 판을 사용하였으며 도 1에 도시한 바와 같이 기판(40)의 하부에 설치하였다. 챔버(15) 압력은 170 Torr로 하였고, 증착은 각각 30분 동안 진행하였다. As a reaction gas, a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) was used, and the concentration of methane was 20%. DC biases of + 25V, 0V, and -200V were applied using the
증착 결과, +25V를 인가한 경우가 -200V를 인가한 경우에 비하여 탄소 나노 튜브 성장이 활발히 진행되었는데, 이러한 결과는 기상에서 생성된 나노 입자들이 대부분 음으로 하전되었기 때문인 것으로 해석된다. As a result of the deposition, carbon nanotube growth was more active than + 25V when -200V was applied, which is interpreted to be due to the fact that most of the nanoparticles produced in the gas phase were negatively charged.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and modified within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.
본 발명에 따르면, 반응 가스로부터 전하를 띤 나노 입자의 생성 거동을 반응 가스의 반응 조건에 의하여 변화시킬 수 있음과 동시에 이러한 생성 거동과 별도로, 일단 기상에서 생성된 전하를 띤 입자들의 전하 특성을 이용하여 바이어스를 인가하여 줌으로써 증착 거동 또한 개별적으로 조절하는 것이다. 이에 따른 막 성 장 속도의 조절과 막의 구조 특성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, the generation behavior of charged nanoparticles from the reaction gas can be changed by the reaction conditions of the reaction gas, and at the same time, the charge characteristics of the charged particles once produced in the gas phase can be utilized. By applying bias, the deposition behavior is also adjusted individually. As a result, the film growth rate can be controlled and the structure of the film can be improved.
즉, 본 발명을 통하여 기상에서 해리된 증착원들이 가지는 정전기적 특성의 조절과, 기판 주위에 가해지는 바이어스에 따른 상호간의 인력 또는 척력의 조절과, 기판의 전기적 전도성 차이에 따른 증착 거동의 조절을 통하여 막의 증착 속도는 물론 막 조직의 특성 변화를 제어할 수 있는 것이다. That is, according to the present invention, the control of the electrostatic properties of the deposition sources dissociated in the gas phase, the control of mutual attraction or repulsive force according to the bias applied around the substrate, and the control of deposition behavior according to the electrical conductivity difference of the substrate are controlled. Through this, the deposition rate of the film as well as the characteristic change of the film structure can be controlled.
또한, 본 발명은 전기적인 바이어스를 인가하는 바이어스 도입부를 기판과 분리함으로써, 전기적으로 도체인 기판은 물론, 전기적으로 부도체이며 낮은 반응 온도를 요구하는 플라스틱 기판은 물론, 전기적 바이어스가 관통하지 못하는 세라믹과 같은 부도체 위에서도 박막 및 후막의 증착 거동을 제어할 수 있다. 이와 같이, 바이어스 적용 방법의 개선으로 인하여 효과적인 박막의 증착 거동을 제어할 수 있다. In addition, the present invention separates the bias introduction portion for applying an electrical bias from the substrate, the substrate is not only electrically conductive, but also a plastic substrate that is electrically insulator and requires a low reaction temperature, as well as a ceramic that does not penetrate the electrical bias The deposition behavior of the thin film and the thick film can also be controlled on the same insulator. In this way, the improvement of the bias application method can control the effective deposition of the thin film.
뿐만 아니라, 이와 같이 증착 거동에 따른 균일한 조직의 막을 증착시키는 것에서 기인되는 박막의 헤이즈 감소, 보이드 생성 감소, 표면 거칠기 향상, 결정화도 향상의 효과가 있다. In addition, there is an effect of reducing haze, void formation, surface roughness, and crystallinity of the thin film due to the deposition of a film having a uniform structure according to the deposition behavior.
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