KR101018668B1 - 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의형성방법과 이것에 의해 형성된 산소 또는 질소로 종단된실리콘 나노 결정 구조체 - Google Patents

산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의형성방법과 이것에 의해 형성된 산소 또는 질소로 종단된실리콘 나노 결정 구조체 Download PDF

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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

기판을 플라즈마 처리 챔버 내에서 소정의 온도로 한 후, 플라즈마 처리 챔버내를 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 감압 분위기로 제어하고, 고주파 전계를 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성한다. 그 후, 고주파 전계의 인가를 중지하고, 플라즈마 처리 챔버내를 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스의 분위기로 치환하고, 다시, 고주파 전계를 인가하여 상기의 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리를 행하는 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법.
실리콘 집적회로의 제조 프로세스를 이용하여 실리콘 기판상에 제작 가능하고, 발광 효율이 높고, 형성된 실리콘 나노 결정 구조체의 표면을 확실하게 산소 또는 질소로 종단시키고, 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정의 입자 직경을 1∼2nm의 정밀도로 제어할 수 있고, 또한, 그 단위 면적당의 밀도를 증가시킬 수 있고, 간편하고 또한 값이 싸게 실리콘 나노 결정 구조체를 제조할 수 있다.
실리콘 나노 결정 구조체, 형성방법, 플라즈마 산화처리, 플라즈마 질화처리, 열 촉매 처리.

Description

산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법과 이것에 의해 형성된 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체{METHOD FOR FORMING SILICON NANO-CRYSTALLINE STRUCTURES TERMINATED WITH OXYGEN OR NITROGEN, AND SILICON NANO-CRYSTALLINE STRUCTURES TERMINATED WITH OXYGEN OR NITROGEN FORMED THEREBY}
도 1은 본 발명의 방법에 의해서 실리콘 나노 결정 구조체를 형성하는 과정을 개념적으로 나타내는 도면이고, (a)는, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 과정을 나타내는 도면, (b)는, 아모퍼스 실리콘부를 선택적으로 산화 또는 질화하고, 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체 또는 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 형성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 방법의 실시에 사용되는 플라즈마 처리 장치의 일례의 일부를 생략한 내부 구조의 종단면도이다.
도 3은 도 2 도시의 플라즈마 처리 장치의 다른 상태에 있어서의 일부를 생략한 내부 구조의 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 방법이 실시되는 클러스터형 장치 시스템으로서 열 촉매 처리 챔버와 플라즈마 처리 챔버를 편입한 시스템 구성을 개념적으로 나타내는 상 면도이다.
도 5는 종래의 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 형성 공정의 흐름을 나타내는 도면이다.
(부호의 설명)
11 반응용기
12 기판
13 상부전극
14 하부전극
31 플라즈마 처리 장치
32 고주파 전원
33 LF대 고주파 전원
35 상하 이동 기구
36 제어부
58 절연체 링
100 반송실
101 로봇
102 기판 반송팔
110 열 촉매 처리 챔버
111 열 촉매 처리 챔버 게이트 밸브
120 플라즈마 처리 챔버
121 플라즈마 처리 챔버 게이트 밸브
130 기판 도입실
131 기판 도입실 게이트 밸브
140 기판 반출실
141 기판 반출실 게이트 밸브
본 발명은, 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 형성방법에 관한 것이고, 특히, 플라즈마 처리 장치를 이용한 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 신규한 형성방법과 이것에 의해 형성된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)에 관한 것이다.
빛으로 통신을 행하는 광 인터커넥션, 광 통신 및 가시광원의 분야에서 사용되는 실리콘 베이스의 발광소자로서는, 갈륨비소 등의 화합물 반도체를 응용하는 것이 생각된다.
그러나, 갈륨비소 등의 화합물 반도체는, 실리콘 기판상에 결함이 적은 구조를 제작하는 것이 곤란하고, 열안정성이 부족하다. 또 그 제조에 있어서는, 기존의 실리콘 집적회로의 제조 프로세스만으로는 대응할 수 없고, 새로운 제조 프로세스의 부가가 필요하게 되고, 제조 비용이 높아진다.
그 때문에, 기존의 실리콘 집적회로의 제조 프로세스만으로 제조 가능한 실 리콘 베이스의 발광 구조의 제작 기술이 요망되고 있다.
실리콘 베이스의 발광 재료로서는, 양극 산화에 의해 제작하는 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)가 알려져 있다.
도 5에 종래의 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 형성방법인 양극 산화의 처리 흐름을 나타낸다.
도 5에서는, 기판상에 폴리실리콘막을 CVD(Chemical Vapor Deposition: 화학 기상 성장)법으로 약 1㎛의 막두께로 성막하고, 이어서 이 CVD법으로 성막한 폴리실리콘 막에 대하여 양극 산화처리를 행하고 있다.
예를 들면, HF 수용액 등의 전해질 용액을 충족시킨 전해 셀 등에서, 실리콘 기판 등의 반도체를 양극으로, 백금 등을 음극으로 하여 전기를 통하게 하면 전자가 외부 회로를 통하여 양극에서 음극측으로 이동하고, 전해질 용액과 접한 양극 표면(여기에서는 실리콘 기판)에서는 일반적인 의미에서의 산화 반응이 진행한다.
그러나, 상기 종래의 방법으로 제조된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)는, 발광 효율이 낮고, 발광 감쇠 속도가 마이크로 초(μsec) 오더로 느린 문제가 있다. 또, 그 제조 공정은 전기화학적인 처리를 동반하는 웨트 프로세스를 갖기 때문에 복잡하고, 실리콘 집적회로의 제조 프로세스에는 적용이 곤란하다. 게다가, 이와 같이 하여 제조된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)는 그 표면이 수소 원자에 의해 덮히고 조성이 불안정하고 취약하여 부서지기 쉬운 문제가 있다.
실리콘 집적회로의 제조 프로세스를 이용하여 실리콘 기판과 같은 기판상에 직접 제작 가능한 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)로서는, 일본 특개 제 2000-273450호에 제안되어 있는 것이 있다. 이것은, 실란(SiH4)과 같은 원료 가스와 암모니아 가스(NH3)를 사용하고, 원료 가스/(원료 가스+암모니아 가스)의 유량비를 특정한 값으로 하고, CVD법에 의해 기판상에 특정한 온도에서 실리콘과 질소를 주성분으로 하고, 실리콘 풍부한 무정형 구조를 갖는 실리콘 베이스의 발광 재료를 제조하려고 하는 것이다.
도 5의 처리 흐름에서 설명되는 종래의 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 형성방법에 있어서는, CVD 성막한 1㎛ 두께의 폴리실리콘 막을 화학 합성법에 의해 한번에 나노 결정 구조화와 그 표면 산소 종단화하는 프로세스가 행해지고 있다. 즉, 화학 합성 처리에서는, 폴리실리콘의 산화·에칭 과정에 수반하는 나노 결정 구조 형성과 산화 과정에 수반하는 표면 산소 종단화가 동시에 진행되고 있다. 이 형성 프로세스로 인해, 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체의 입자 직경을 1∼2nm의 정밀도로 제어하는 것이 곤란해지고, 이것에 기인하여 발광색이 분산되는 등의 문제가 생기고 있다.
전술의 일본 특개 제 2000-273450호에 있어서도 발광색에 영향을 주는 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 입자 직경의 제어에 대해서는 언급되어 있지 않다.
또, 화학 합성 처리의 도중에 생성된 나노 결정을 그 후의 에칭·산화로 소멸시키는 경우가 발생하기 때문에, 단위 면적당의 나노 결정 밀도가 작아지는 문제 가 있다. 이 문제점이, 도 5의 처리 흐름에서 설명되는 종래의 방법으로 형성된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를 이용한 다공질 실리콘 발광 시스템의 발광 효율이 나빠지는 큰 원인이다.
그래서, 본 발명의 목적은, 실리콘 집적회로의 제조 프로세스를 이용하여 실리콘 기판과 같은 기판상에 제작 가능하고, 발광 효율이 높고, 형성된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 표면을 확실하게 산소 또는 질소로 종단시킴으로써 조성을 안정시키고, 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 입자 직경을 1~2nm 정도로 제어할 수 있고, 또한, 그 단위 면적당의 밀도를 증가시키는 것이 가능한 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 신규한 형성방법을 제안하고, 이것에 의해, 간편하면서 또한 값이 싸게 제조할 수 있는 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 이 발명이 제안하는 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법은, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정과, 이어서 산화성 가스 또는 질화성 가스로부터 형성되는 이온, 라디칼을 이용하여, 상기 형성한 실리콘 박막의 산화처리 또는 질화처리를 행하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 다른 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법은, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정과, 이어서 산화성 가스 또는 질화성 가스로부터 형성되는 이온, 라디칼을 이용하여, 상기 형성한 실리콘 박막의 산화처리 또는 질화처리를 행하는 공정을 여러 차례 반복하는 것을 특징으로 하는 것이다.
후자의 형성방법에 의하면, 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 포함하는 다층막, 또는 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 포함하는 다층막, 또는 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 포함하는 다층막과 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 포함하는 다층막이 적층된 구조를 형성할 수 있다.
상기 어느 것의 형성방법에 있어서도, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정으로서 다음 어느 것의 방법을 채용할 수 있다.
제 １의 방법은, 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 가스계의 열 촉매 반응을 이용하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 것이다.
제 ２의 방법은, 기판을 플라즈마 처리 챔버내에서 소정의 온도로 한 후, 플라즈마 처리 챔버내를 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 감압 분위기로 제어하고, 고주파 전계를 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 것이다.
이러한 공정에 의해 기판상에 형성되는 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막의 개념도를 첨부의 도 1(a)에 나타낸다.
또한, 후자의 방법(제 ２의 방법)을 채용하는 경우, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정에서 인가되는 고주파 전계의 고주파는 60MHz보다도 주파수가 높은 VHF대 고주파로 할 수 있다. 60MHz보다도 주파수가 높은 VHF대 고주파로 하면, 수소나 산소의 해리가 촉진하기 때문에 유리하다.
전자의 방법(제 １의 방법)을 채용하는 경우, 예를 들면, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 반응실(챔버)로서 열 촉매 반응 챔버를 이용할 수 있다. 이 열 촉매 반응 챔버로서는, 예를 들면, 일본 특개 제 2000-277501호에 제안되어 있는 것을 이용할 수 있다. 즉, 내부에서 기판에 대하여 박막 형성 등의 소정의 처리가 이루어지는 처리 용기와, 그 처리 용기내에 소정의 원료 가스를 공급하는 가스 공급계와, 공급된 원료 가스가 표면을 통과하도록 처리 용기내에 설치된 텅스텐 등의 발열체와, 발열체가 소정의 고온으로 유지되도록 발열체에 에너지를 제공하는 에너지 공급 기구와, 소정의 고온(예를 들면, 1500∼1900℃)으로 유지된 발열체의 표면에서의 원료 가스의 분해 및 또는 활성화에 의해 소정의 박막이 작성되는 처리 용기내의 위치에 기판을 지지하는 기판 홀더가 갖춰져 있는 화학 증착 장치(CVD 장치)의 열 촉매 반응 챔버를 이용할 수 있다. 여기에서, 원료 가스로서 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 가스를 이용하는 것이다.
또한, 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 가스계의 열 촉매 반응을 이용하는 것으로, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성할 수 있는 것은, 무정형 실리콘 또는 폴리실리콘의 성장 기술에 관계되는 기술자에 있어서는 잘 알려져 있는 공지의 사실이다.
또, 상기 어느 것의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에 있어서도, 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막의 산화처리 또는 질화처리를, 산화성 가스 또는 질화성 가스로부터 형성되는 이온, 라디칼을 이용하여 행하는 공정은, 상기 실리콘 박막이 형성되어 있는 기판을 플라즈마 처리 챔버내에 배치하고, 해당 플라즈마 처리 챔버내를 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스의 분위기로 한 후, 고주파 전계를 인가하여 상기 실리콘 박막을 플라즈마 산화처리하거나 또는 플라즈마 질화처리하는 것으로 할 수 있다.
이 경우, 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리는, 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스의 분위기에서의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리와, 이어서의 HF계 가스에서의 상기 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막중의 실리콘 미세결정 표면의 에칭 처리 또는 불소를 포함하는 분자 가스계에서의 상기 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막중의 실리콘 미세결정 표면의 플라즈마 에칭 처리와, 이어서의 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스의 분위기에서의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리로부터 구성할 수 있다. 이와 같이 하면 처리시간은 길어지지만, 산소 종단 또는 질소 종단을 완전하게 할 수 있어서 유리하다.
플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리에 있어서, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막중의 아모퍼스 실리콘부의 산화 속도 또는 질화 속도는 실리콘의 결정 부분의 것에 비교하여 현격하게 빠르다. 이 이유는, 아모퍼스 실리콘부에는 Si-H 결합이 많이 존재하기 때문이다. 그래서, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 실리콘의 결정부 전체에 걸쳐서 산소 또는 질소로 종단할 수 있다.
또한, 여기에서, 산화성 가스로서는, 예를 들면, 산소 가스를, 질화성 가스로서는, 예를 들면, 암모니아 가스, 또는 질소 가스 등을 이용할 수 있다.
또, 여기에서의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리시에 인가되는 고주파 전계의 고주파는 60MHz보다도 주파수가 높은 VHF대 고주파에, LF대의 고주파를 인가한 것으로 할 수 있다.
일반적으로 고주파 전력으로 플라즈마를 형성한 경우, 고주파 전력의 주파수가 높아지는 것에 따라, 기판에 충돌하는 플라즈마를 구성하는 전하 입자의 가속도는 작아지고, 기판에 제공되는 데미지도 작다. 그래서, 수소나 산소의 해리를 촉진시키고, 또한, 기판에 충돌하는 플라즈마를 구성하는 전하 입자의 가속도를 높이기 위해, 고주파 전원으로부터 출력되는 고주파(예를 들면, 전술한 60MHz보다도 주파수가 높은 VHF대 고주파)외에, 제２의 고주파로서 LF대역의 고주파를 중첩시켜서, 질화성 가스 또는 산화성 가스가 가속하여 기판에 충돌함으로써, 실리콘 막의 막 표면과 막 중에 있어서 실리콘 막의 질소 종단 또는 산소 종단을 촉진시킬 수 있다.
그래서, 60MHz보다도 주파수가 높은 VHF대 고주파에, LF대의 고주파를 인가 한 고주파를 인가하여 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리를 행함으로써, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막의 산소 종단 또는 질소 종단을 보다 제어성 좋게 처리할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에서는, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정에 있어서, 실리콘 박막의 막두께는 1nm에서 10nm 사이로 해 두는 것이 바람직하다. 이어서 행해지는, 산화성 가스 또는 질화성 가스로부터 형성되는 이온, 라디칼을 이용한, 실리콘 박막의 산화처리(예를 들면, 플라즈마 산화처리), 또는 질화처리(예를 들면, 플라즈마 질화처리)를 효율적으로 행하기 위해 이 정도의 막두께로 해 두는 것이 바람직하기 때문이다.
따라서, 실리콘 박막의 막두께는, 형성하는 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 소망하는 입자 직경보다도 0.5nm 정도 두껍게 설정하는 것이 좋다. 예를 들면, 3nm의 입자 직경의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체를 형성하는 경우에는, 상기의 실리콘 박막의 막두께는 3.5nm로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 클러스터형의 장치 시스템을 이용하여, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성시키는 챔버와, 산화성 가스 분위기에서의 플라즈마 산화처리 또는 암모니아와 같은 질화성 가스의 분위기에서의 플라즈마 질화처리를 행하는 챔버의 ２개를 설치하고, 나 노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정으로서, 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 가스계의 열 촉매 반응을 이용할 때에는, 전술한 열 촉매 반응 챔버를, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성시키는 챔버로서 이용하는 시스템 구성으로 할 수 있다.
또, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정으로서, 기판을 플라즈마 처리 챔버내에서 소정의 온도로 한 후, 플라즈마 처리 챔버내를 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 감압 분위기로 제어하고, 고주파 전계를 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 방법을 이용하는 경우, 플라즈마 처리 챔버를 이용하여, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정과, 이어서 산화성 가스 또는 질화성 가스로부터 형성되는 이온, 라디칼을 이용하여, 상기 형성한 실리콘 박막의 산화처리 또는 질화처리를 행하는 공정을 동일한 플라즈마 처리 챔버를 이용하여 행할 수 있다.
이 경우에는, 기판을 플라즈마 처리 챔버내에서 소정의 온도로 한 후, 플라즈마 처리 챔버내를 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 감압 분위기로 제어하고, 고주파 전계를 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성한 후, 고주파 전계의 인가를 중지하고, 플라즈마 처리 챔버내를 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가 스의 분위기로 치환하고, 다시, 고주파 전계를 인가하여 상기의 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리를 행하도록 할 수 있다.
전술한 열 촉매 반응 챔버를 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성시키는 챔버로서 이용하면, 열 촉매 반응 챔버는 플라즈마 처리 챔버보다 값이 싸기 때문에, 제조 비용을 낮출 수 있어 유리하다.
또한, 본 발명이 제안하는 실리콘 나노 결정 구조체, 즉 다공질 실리콘은, 전술한 본 발명의 어느 것의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에 의해서 형성되는 것이고, 실리콘 나노 발광소자로서 많이 이용할 수 있다.
즉, 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를, 발광소자로 응용한 경우, 가시 발광의 영역이 문제로 되지만, 본 발명에서는, 수 nm에서 수십 nm의 영역의 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하여 막 중의 실리콘 미세결정의 입자 직경을 제어하기 때문에, 발광소자에의 응용에 확장 가능한 실리콘 나노 결정 구조체(다공성 실리콘)를 제공할 수 있다.
본 발명의 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에 의하면, 실리콘 집적회로의 제조 프로세스를 이용하여 실리콘 기판과 같은 기판상에 제작 가능하고, 발광 효율이 높고, 형성된 실리콘 나노 결정 구조체의 표면을 확실하게 산소 또는 질소 로 종단시키고, 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정의 입자 직경을 1∼2nm의 정밀도로 제어할 수 있고, 또한, 그 단위 면적당의 밀도를 증가시킬 수 있다. 또, 실리콘 나노 결정 구조체를 간편하게 또한 값이 싸게 제조할 수 있다.
그래서, 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체 형성의 나노미터 크기 두께의 제어가 종래와 비교하여 현격하게 좋아지기 때문에, 본 발명의 방법에 의해 형성된 본 발명의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체를 이용하는 소자의 성능을 현격하게 향상시킬 수 있다.
또, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정에서부터 산소 종단 처리 또는 질소 종단 처리를 행하는 공정까지를 １개의 장치 시스템에서 행할 수 있다. 그 결과, 장치 비용을 절감할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에 의하면, 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체도 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 실리콘 나노 결정 구조체의 새로운 응용을 가능하게 할 수 있다.
(발명의 실시의 형태)
이하에 본 발명의 실시의 형태와, 매우 적합한 실시예를 첨부도면에 근거하여 설명한다.
본 발명과 같은 나노미터 크기 두께를 제어하는 플라즈마 기술은, 처리 장치의 구조에 크게 의존한다. 그래서, 본 발명의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법의 실시에 사용할 수 있는 플라즈마 처리 장치의 일례에 대하여 상세하게 기술해 둔다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법의 실시에 사용할 수 있는 플라즈마 처리 장치의 일례의 내부 구성을 나타낸 단면도이다.
이 플라즈마 처리 장치(31)는 상부전극(13)과 하부전극(14)로 이루어지는 평행 평판형 전극 구조를 갖고 있다.
상부전극(13)은, VHF대 고주파의 고주파 전원(32)과 LF대 고주파의 LF대 고주파 전원(33)에서부터 정합 회로(34)를 개재하여 2종류의 고주파가 중첩되어 공급되는 전극이다.
하부전극(14)은, 기판 탑재부가 되는 기판 홀더 스테이지를 형성하는 접지 전극이다.
하부전극(14)에는 상하 이동 기구(35)가 부설되고, 이 상하 이동 기구(35)에 의해 하부전극(14)은 승강된다. 도 2는 하부전극(14)이 상한 위치에 있는 상태를 나타내고, 도 3은 하부전극(14)이 하한 위치에 있는 상태를 나타내고 있다.
플라즈마 처리를 행하는 반응용기(본 명세서에 있어서, 「챔버」라고 부르는 것이다)(11)는, 도시 예에서는, 밀폐된 구조로 만들어지고, 내부가 필요한 진공 상태(감압 상태)가 되도록 설정되어 있다.
반응용기(11)는 금속재로 만들어지고, 도전성을 갖고 있다. 반응용기(11)는, 실제로는, 처리 대상인 기판(12)을 반입·반출하는 포트, 내부를 필요한 진공 상태로 하는 배기 포트와 배기 장치, 방전을 발생시키는 방전 가스를 도입하는 가 스 도입 기구 등이 부설되어 있는 것이지만, 이들은, 플라즈마 처리 장치로 주지의 구조이고, 본 발명의 형성방법을 설명하는 데에 중요한 구성요소가 아니기 때문에, 도 2, 도 3에서는, 설명의 편의상, 이들의 도시가 생략되어 있다.
반응용기(11)는, 원통형의 측면부재(41)와, 천장부재(42)와, 바닥부재(43)로 구성되어 있다. 반응용기(11)는 접지되고, 접지 전위로 유지되어 있다. 바닥부재(43)는, 반응용기(11)의 전체를 떠받칠 수 있는 복수개의 지지기둥(44)으로 지지되어 있다. 천장부재(42)의 중앙에는 개구부가 형성되고, 이 개구부에는 링상 절연체(45)를 개재하여 상부전극(13)이 볼트(46)에 의해 장착된다. 상부전극(13)은, 상부부재(13a)와 하부부재(13b)로 구성되어 있다. 상부부재(13a)의 상면의 중심부에 설치된 접속단부(47)에는, 고주파 전송 케이블(17)이 접속되어 있다. 상부부재(13a)의 하면에 하부부재(13b)가 나사(48)로 고정되어 있다. 나사(48)에 의해, 동시에, 링상의 절연체(49)가 상부전극(13)의 하부부재(13b)의 하면 주연부에 장착되어 있다. 상부부재(13a)와 하부부재(13b)의 사이의 공간과, 상부부재(13a)의 내부에는 프로세스 가스를 흐르게 하는 가스유로(50)가 형성되어 있다. 이 가스유로(50)에 방전 가스를 도입하기 위한 가스 도입 기구의 도시는 생략되어 있다.
상부전극(13)과 하부전극(14)은 기본적으로 전체로서 원형의 도전성 평판의 형태를 하고, 바람직한 간격으로 평행으로 대향하여 배치되어 있다. 상부전극(13)과 하부전극(14)의 사이의 간격은, 하부전극(14)의 높이 위치를 전술의 상하 이동 기구(35)에 의해 변화시킴으로써, 임의로 변경할 수 있다.
상부전극(13)은 정합 회로(34)를 개재하여 고주파 전원(32)과 LF대 고주파 전원(33)에 접속되어 있다. 고주파 전원(32)은 VHF대에 속하는 고주파를 출력하는 전원이고, LF대 고주파 전원(33)은 LF대에 속하는 LF대 고주파를 출력하는 전원이다. 고주파 전원(32)에서 출력되는 고주파는 바람직하게는 60MHz이고, LF대 고주파 전원(33)에서 출력되는 고주파는 바람직하게는 400KHz이다. 전원(32, 33)의 각각에서 출력되는 고주파는 정합 회로(34)에서 중첩되고, 이 상태에서 상부전극(13)에 공급된다. 전원(32, 33)에서 출력되는 고주파 및 LF대 고주파는, 케이블(17)과 접속단부(47)를 경유하여 상부전극(13)에 공급된다. 상부전극(13)에 공급된 고주파는, 상부전극(13)과 하부전극(14) 사이의 간극에서 발생되는 주 방전의 에너지가 된다.
고주파 전원(32)은, 플라즈마 방전을 여기시키기 위한 전력을 공급한다. 또 LF대 고주파 전원(33)은, 플러스 이온의 충돌 에너지를 결정하는 자기 바이어스 전압을 제공하기 위한 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 하부전극(14)이 상한 위치에 있는 때에는, 하부전극(14)은 상승하여 윗쪽으로 이동하기 때문에, 기판(12)은 하부전극(14)의 상면에 접촉 상태로 탑재되어 있다.
하부전극(14)의 이면측에는, 링상의 제 1 절연체(52), 도넛츠 원판상의 제 2 절연체(53), 링상의 제 3 절연체(54), 원통상의 제 4 절연체(55)가 배치되어 있다. 제 1에서 제 4의 절연체(52~55)에 의해서 하부전극(14)의 이면과 지주(19)의 표면 전부가 덮여진다. 또한 제 2~제 4의 절연체(53~55)의 표면이 2개의 도전성 부재(56, 57)에 의해 덮혀져 있다. 절연체(52~55)는, 제 1과 제 2의 절연체(52, 53)의 측부 주위 표면을 제외하고 반응용기(11)내에서 노출하는 모든 표면이 도전성 부재(56, 57)에 의해 덮혀져 있다. 하부전극(14)의 지주(19)는 막대상이고, 도전성을 갖는 부재로 만들어져 있다. 지주(19)의 하단에는 도전성 플랜지(61)가 설치되어 있다. 하부전극(14)의 지주(19) 및 이것에 관련되는 부분은, 바닥부재(43)의 중앙에 형성된 개구부(43a)를 개재하여 반응용기(11)의 하측 영역에 늘어서 설치된다. 이들 부분은, 바닥부재(43)에 형성된 개구부(43a)의 외측을 덮도록 바닥부재(43)의 하면에 장착된 벨로우즈(21)에 의해 둘러쌓여 있다.
본 발명의 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에 있어서, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성한 공정에, 기판을 플라즈마 처리 챔버내에서 소정의 온도로 한 후, 플라즈마 처리 챔버내를 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 감압 분위기로 제어하고, 고주파 전계를 인가하는 방법을 이용하는 경우, 이상 설명한 플라즈마 처리 장치의 구조에 의해 고주파 여기의 플라즈마, 예를 들면, 60MHz보다도 주파수가 높은 VHF대 고주파에 의해 여기된 플라즈마를 안정하게 생성할 수 있다.
다음에, 상기에서 설명한 플라즈마 처리 장치를 이용한 본 발명의 매우 적합한 실시예를 설명한다. 이들 실시예는 8인치의 실리콘 기판을 이용한 것이다. 단, 전술한 플라즈마 처리 장치를 1m급 사각의 기판을 처리하도록 설계하고, 이와 같은 대형의 기판을 이용하여 본 발명을 실시하는 것도 당연히 가능하다.
(실시예 1)
제 １의 실시예로서, 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 형성한 실시예를 설명한다. 먼저, 실리콘 기판(12)을 도 3에 나타내는 위치에서 하부전극(14) 상에 두고, 이어서 도 2에 나타낸 바와 같은 위치, 예를 들면, 상부전극(13)과 하부전극(14)과의 거리가 3cm의 위치까지 하부전극(14)을 상승시킨다.
그 후, 실리콘 기판(12)을 소정의 온도로 한다. 예를 들면, 하부전극(14)의 온도(예를 들면, 350℃)와 똑같이 될 때까지 실리콘 기판(12)의 온도를 상승시키고, 여기에서 안정시킨다. 이 경우, 수소 가스를 도입하면 단시간에 안정된다.
이어서, 수소화 실리콘 가스로서의 모노실란(SiH4)가스 0.026mg/sec(2sccm)와 수소 가스 0.95mg/sec(500sccm)를 혼합하여 반응용기(11)내로 도입하고, 압력을 10Pa로 제어하고, 500W의 60MHz 고주파 전력을 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성시킨다.
실리콘 박막의 막두께는 성장 시간을 선택함으로써 제어할 수 있고, 본 실시예에서는, 5초간 성장시켜, 3.5nm 두께의 실리콘 박막을 형성하였다.
이어서, 반응용기(11)내를 배기한 후, 산화성 가스로서의 산소 가스를 8.0mg/sec(500sccm)와 아르곤 가스 3.4mg/sec(200sccm)의 혼합 가스를 도입, 압력을 10Pa로 제어하고 500W, 60MHz 고주파 전력과, 200W, 400KHz 고주파 전력을 중첩하여 인가하여 플라즈마 산화처리를 행한다.
여기에서 아르곤 가스의 역할은, 플라즈마 중에서 이온화하여, 그 이온 충격에 의해 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막중의 아모퍼스 실리콘 부의 구성 본드인 Si-H 결합을 선택적으로 제거하는 데 있다.
본 실시예의 조건에서는 5초간의 플라즈마 산화처리로 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 형성할 수 있다.
또한, 상기의 실리콘 박막의 형성과 플라즈마 산화처리의 공정을 300회, 시간으로 해서 약 50분간의 처리를 행하고, 약 1㎛의 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를 실리콘 기판(12) 상에 형성하였다.
(실시예 2)
다음에, 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 형성한 실시예를 설명한다.
먼저, 제１의 실시예와 마찬가지로, 실리콘 기판(12)을 도 3에 나타내는 위치에서 하부전극(14) 상에 두고, 이어서 도 2에 나타낸 바와 같은 위치, 예를 들면 상부전극(13)과 하부전극(14)과의 거리가 3cm의 위치까지 하부전극(14)을 상승시킨다.
그 후, 실리콘 기판(12)을 소정의 온도로 한다. 예를 들면, 하부전극(14)의 온도(예를 들면, 350℃)와 똑같이 될 때까지 실리콘 기판(12)의 온도를 상승시키고, 여기에서 안정시킨다. 이 경우, 수소 가스를 도입하면 단시간에 안정된다.
이어서, 수소화 실리콘 가스로서의 모노실란(SiH4)가스 0.026mg/sec(2sccm) 와 수소 가스 0.95mg/sec(500sccm)를 혼합하여 반응용기(11)내로 도입하고 압력을 10Pa로 제어하고, 500W의 60MHz 고주파 전력을 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성시킨다. 제 ２의 실시예에서도, 5초간 성장시켜, 3.5nm 두께의 실리콘 박막을 형성하였다.
이어서, 반응용기(11)내를 배기한 후, 질화성 가스로서의 암모니아 가스 4.9mg/sec(500sccm)와 아르곤 가스 3.4mg/sec(200sccm)와의 혼합 가스를 도입, 압력을 10Pa로 제어하여 700W, 60MHz 고주파 전력과, 200W의 400KHz 고주파 전력을 중첩하여 인가하여 플라즈마 질화처리를 행한다.
여기에서 제１의 실시예에 있어서의 플라즈마 산화처리의 경우보다 60MHz 고주파 전력을 크게 하고 있는 이유는 질화 프로세스의 쪽이 반응 에너지가 높기 때문이다.
제２의 실시예의 질화처리에서도 5초간의 플라즈마 처리로 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 형성할 수 있다.
또한, 상기의 실리콘 박막의 형성과 플라즈마 질화처리의 공정을 300회, 시간으로 해서 약 50분간의 처리를 행하고, 약 1㎛의 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를 실리콘 기판(12) 상에 형성하였다.
(실시예 3)
나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정 종료 후, 기판상에 형성한 실리콘 박막을 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리하는 공정으로서, 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스의 분위기에서의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리를 행하고, 이어서 HF계 가스에서의 상기 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막중의 실리콘 미세결정 표면의 에칭 처리, 또는 불소를 포함하는 분자 가스계에서의 상기 기판상에 형성되어 있는 실리콘 박막중의 실리콘 미세결정 표면의 플라즈마 에칭 처리와, 이어서 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스의 분위기에서의 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리를 행하는 경우의 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 제１의 실시예와 마찬가지로, 실리콘 기판(12)을 도 3에 나타내는 위치에서 하부전극(14) 상에 두고, 이어서 도 2에 나타낸 바와 같은 위치, 예를 들면 상부전극(13)과 하부전극(14)과의 거리가 3cm의 위치까지 하부전극(14)을 상승시킨다.
그 후, 실리콘 기판(12)을 소정의 온도로 한다. 예를 들면, 하부전극(14)의 온도(예를 들면, 350℃)와 똑같이 될 때까지 실리콘 기판(12)의 온도를 상승시키고, 여기에서 안정시킨다. 이 경우, 수소 가스를 도입하면 단시간에 안정된다.
이어서, 수소화 실리콘 가스로서의 모노실란(SiH4)가스 0.026mg/sec(2sccm)와 수소 가스 0.95mg/sec(500sccm)를 혼합하여 반응용기(11)내로 도입하고 압력을 10Pa로 제어하고, 500W의 60MHz 고주파 전력을 인가하여 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 실리콘 기판(12) 상에 형성한다. 제３의 실시예에서도, 5초간 성장시켜, 3.5nm 두께의 실리콘 박막 을 형성하였다.
실리콘 박막의 형성 후, 반응용기(11)내를 배기하고, 제１의 실시예에서 설명한 플라즈마 산화처리를 행하였다.
이어서, 반응용기(11)을 배기 후, 에칭 가스로서의 4불화 탄소(CF4)　가스 0.20mg/sec(5sccm)와 아르곤 가스 1.7mg/sec(100sccm)의 혼합 가스를 도입하여, 압력을 50Pa로 제어하고, 300W의 60MHz 고주파 전력을 인가, 3초간 에칭 처리를 행하고 표면의 산화층을 제거한다.
이어서, 반응용기(11)을 배기하여, 다시, 제１의 실시예에서 기술한 플라즈마 산화처리를 행한다.
더욱이, 상기의 실리콘 박막의 형성과 플라즈마 산화처리의 공정을 300회, 시간으로 해서 약 70분간의 처리를 행하고, 약 1㎛의 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 실리콘 기판(12) 상에 형성하였다.
또한, 실리콘 박막의 형성 후 및, 에칭 처리 후, 제１의 실시예에서 설명한 플라즈마 산화처리에 대신하여, 제 2 실시예에서 기술한 플라즈마 질화처리를 행하여, 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 실리콘 기판(12) 상에 형성하는 것도 가능한다. 이 경우에는, 상기의 에칭 처리에서 제거되는 것은, 산화층이 아니라, 질화층이 된다.
(실시예 4)
나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 챔버와, 산화성 가스 분위기에서의 플라즈마 산화처리 또는 질화성 가스의 분위기에서의 플라즈마 질화처리를 행하는 챔버 ２개를 이용하여, 처리 능력을 향상시킨 실시예를 설명한다.
이 경우, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 챔버에 열 촉매 반응을 행하는 챔버를 이용하는 것이 좋다. 그 이유는, 열 촉매 처리 챔버는 플라즈마 처리 챔버보다 값이 싸서, 장치 비용을 낮출 수 있는 점에 있다.
도 4에, 이 실시예를 위해 클러스터형 장치 시스템으로서 열 촉매 처리 챔버와 플라즈마 처리 챔버를 편입한 시스템 구성을 나타낸다.
플라즈마 처리 챔버로서는, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에서 이용한 도 2, 3 도시의 챔버를 이용하였다.
열 촉매 처리 챔버로서는, 내부에서 기판에 대하여 박막 형성 등의 소정의 처리가 이루어지는 처리 용기와, 그 처리 용기내에 소정의 원료 가스를 공급하는 가스 공급계와, 공급된 원료 가스가 표면을 통과하도록 처리 용기내에 설치된 텅스텐 등의 발열체와, 발열체가 소정의 고온으로 유지되도록 발열체에 에너지를 제공하는 에너지 공급 기구와, 소정의 고온(예를 들면, 1500∼1900℃)으로 유지된 발열체의 표면에서의 원료 가스의 분해 및 또는 활성화에 의해 소정의 박막이 작성되는 처리 용기내의 위치에 기판을 지지하는 기판 홀더가 갖춰져 있는 화학 증착 장치(CVD 장치)의 열 촉매 반응 챔버를 이용할 수 있다. 또한, 이와 같은 화학 증착 장치(CVD 장치)는, 일본 특개 제 2000-277501호 등에서 제안되어 있는 것과 같 이 이 기술 분야에서 공지이고, 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 가스계의 열 촉매 반응을 이용하는 것으로, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성할 수 있는 것은, 무정형 실리콘 또는 폴리실리콘의 성장 기술에 관계되는 기술자에 있어서 주지의 사항이기 때문에, 이들의 구체적인 설명은 생략한다.
이 실시예에서는, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 공정과 플라즈마 산화처리의 공정을 실시한 예에 대해서만 설명하지만, 당연히 질소 종단 처리 또는 에칭 처리를 포함하는 산소 종단 처리, 질소 종단 처리를 행할 수 있다.
도 4는 실리콘 기판(12)이 반송실(100)에 있는 상태를 나타내고 있다.
먼저, 실리콘 기판(12)을 기판 도입실(130)에 설치한다. 기판 도입실 게이트 밸브(131)가 열리고, 로봇(101)에 의해 반송실(100)로 실리콘 기판(12)을 이동한다. 기판 도입실 게이트 밸브(131)가 닫히고, 이어서 열 촉매실 게이트 밸브(111)가 열리고, 실리콘 기판(12)은 열 촉매 처리 챔버(110)로 도입되고, 열 촉매실 게이트 밸브(111)가 닫힌다.
열 촉매 처리 챔버(110)에서는, 실리콘 기판(12)의 온도가 소정의 값, 예를 들면, 300℃가 되고 나서, 수소 가스 0.38mg/sec(200sccm)를 1800도로 가열된 발열체(텅스텐) 표면에 내뿜고, 수소의 촉매 분해를 일으키고, 그 수소 라디칼과 기판 표면상에 도입되는 모노실란(SiH4)가스 0.026mg/sec(2sccm)와 반응시키고, 실리콘 기판(12) 상에 제１의 실시예와 동일한, 나노미터 크기 두께의 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막을 형성한다.
이어서, 열 촉매 처리 챔버(110)를 배기하고, 열 촉매 처리 챔버 게이트 밸브(111)를 열어, 실리콘 기판(12)를 반송실(100)로 이동시킨다. 이어서, 플라즈마 처리 챔버 게이트 밸브(121)를 열고, 실리콘 기판(12)을 플라즈마 처리 챔버(120)에 설치한 후, 플라즈마 처리 챔버 게이트 밸브(121)을 닫는다. 플라즈마 처리 챔버(120)에서는, 챔버내 배기 후, 산화성 가스로서의 산소 가스를 8.0mg/sec(500sccm)와 아르곤 가스 3.4mg/sec(200sccm)와의 혼합 가스를 도입, 압력을 10Pa로 제어하고 500W, 60MHz 고주파 전력과 200W, 400KHz 고주파 전력을 중첩하여 인가하여 플라즈마 산화처리를 행한다.
또한, 상기의 실리콘 박막의 형성과 플라즈마 산화처리의 공정을 300회 정도 반복하여, 약 1㎛의 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체를 실리콘 기판(12) 상에 형성한다.
마지막으로, 실리콘 기판(12)을 기판 반출실(140)로 이동하고, 클러스터 장치 시스템에서의 처리를 완료한다.
(평가 시험예)
본 발명의 효과를 확인하기 위해, 본 발명의 방법으로 형성한 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를 사용한 발광소자를 작성하고, 발광 효율로 종래 기술(양극 산화처리)에 의한 실리콘 나노 결정 구조체와 비교하였다.
평가용의 발광소자는, 실시예 1의 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체가 상 면에 형성되어 있는 실리콘 기판, 실시예 2의 질소 종단 실리콘 나노 결정 구조체가 상면에 형성되어 있는 실리콘 기판, 실시예 3의 산소 종단 실리콘 나노 결정 구조체가 상면에 형성되어 있는 실리콘 기판을 이용하고, 이들 실리콘 기판의 실리콘 나노 결정 구조체상에, 반사 방지 효과를 겸한 ITO막 등의 투명 도전막을 상부전극으로서 성막하고, 실리콘 기판의 이면에 Au나 Al 등의 도전재로 저항 전극을 작성한 것을 이용하였다.
또, 비교예로서, 종래의 양극 산화처리에 의한 실리콘 나노 결정 구조체가 상면에 형성되어 있는 실리콘 기판을 이용하고, 이 실리콘 기판의 실리콘 나노 결정 구조체상에, 반사 방지 효과를 겸한 ITO막 등의 투명 도전막을 상부전극으로서 성막하고, 실리콘 기판의 이면에 Au나 Al 등의 도전재로 저항 전극을 작성한 것을 이용하였다.
그 결과, 종래의 양극 산화처리에 의한 실리콘 나노 결정 구조체를 이용한 발광소자의 발광 효율을 100%로 했을 때, 실시예 1, 2의 실리콘 나노 결정 구조체를 이용한 발광소자에서는 약 300%, 실시예 3의 실리콘 나노 결정 구조체를 이용한 것에서는 약 400%의 발광 효율이 얻어졌다.
또한, 첨부 도면 및 이상의 발명의 실시의 형태, 실시예에서 설명된 구성 조건 등에 대해서는, 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 개략적으로 나타낸 것에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은, 이상에서 설명한 발명의 실시의 형태, 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위에 나타내는 기술적 사상의 범위를 일탈하지 않는 한 다양한 구성 조건으로 변경할 수 있다.
본 발명의 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 신규한 형성방법에 의해, 실리콘 집적회로의 제조 프로세스를 이용하여 실리콘 기판과 같은 기판상에 제작 가능하고, 발광 효율이 높고, 형성된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 표면을 확실하게 산소 또는 질소로 종단시킴으로써 조성을 안정시키고, 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)의 입자 직경을 1~2nm 정도로 제어할 수 있고, 또한, 그 단위 면적당의 밀도를 증가시킬 수 있으며, 또한 이것에 의해, 간편하면서 또한 값이 싸게 실리콘 나노 결정 구조체(다공질 실리콘)를 제조할 수 있다.

Claims (10)

  1. 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지며 1nm 내지 10nm 두께인 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 제 1 공정 및 산화성 가스 또는 질화성 가스로부터 형성되는 이온, 라디칼을 이용하여 상기 형성한 실리콘 박막을 산화 또는 질화처리해서 실리콘 나노 결정 구조체를 형성하는 제 2공정을 포함하는 산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법에 있어서,
    상기 제 2공정은 실리콘 박막이 형성되어 있는 기판을 플라즈마 처리 챔버내에서 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스 분위기에 배치하고, 고주파 전계를 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스 분위기에 인가함으로서 상기 실리콘 박막이 형성되어 있는 기판을 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리하는 하위공정을 포함하고,
    상기 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법은,
    상기 제 2공정에 이어서 기판상의 실리콘 박막의 표면을 HF계 가스 또는 불소를 함유하는 분자가스계로 에칭하는 제 3공정, 및
    상기 에칭공정에 이어서 산화성 가스 분위기 또는 질화성 가스 분위기에서 기판상의 실리콘 박막을 산화처리 또는 질화처리하는 제 4공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
    산소 또는 질소로 종단된 실리콘 나노 결정 구조체의 형성방법.
  2. 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지며 1nm 내지 10nm 두께인 제 1 실리콘 박막을 기판상에 형성하는 제 1 공정;
    상기 제 1실리콘 박막을 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리하는 제 2 공정;
    상기 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리에 이어서, 실리콘 미세결정과 아모퍼스 실리콘으로 이루어지며 1nm 내지 10nm 두께인 제 2 실리콘 박막을 상기 제 1 실리콘 박막상에 형성하는 제 3 공정; 및
    상기 제 2 실리콘 박막을 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리하는 제 4 공정
    을 포함하는 실리콘 나노 결정 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리된 실리콘 박막의 적층된 구조의 두께가 소정의 값이 될 때까지 상기 제 3 공정 및 제 4 공정을 반복하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 결정 구조체를 제조하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 실리콘 박막을 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리하는 공정과 다음 실리콘 박막을 형성하는 공정사이에, 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리 후 실리콘 박막의 표면을 에칭하는 에칭공정을 더 포함하고, 다음 실리콘 박막은 에칭공정 후에 실리콘 박막의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 결정 구조체를 제조하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 실리콘 박막의 표면을 에칭하는 공정과 다음 실리콘 박막을 형성하는 공정 사이에, 실리콘 박막을 플라즈마 산화처리 또는 플라즈마 질화처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 결정 구조체를 제조하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 실리콘 박막을 형성하는 공정은 적어도 질화 실리콘 가스 가스 및 수소가스를 함유한 가스계에서 열촉매반응을 이용해서 행해지는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 결정 구조체를 제조하는 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 실리콘 박막을 형성하는 공정은 소정의 온도에서 플라즈마 처리 챔버내에 기판을 배치하고, 이어서, 플라즈마 처리 챔버내를 적어도 수소화 실리콘 가스와 수소 가스를 포함하는 감압 분위기로 제어하고 고주파 전계를 인가하여 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 결정 구조체를 제조하는 방법.
  7. 제 2 항에 따른 방법에 의해서 형성된 실리콘 나노 결정 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치를 제조하는 방법.
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