KR101042636B1 - 에너지빔 조사를 이용한 실리콘 박막 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실리콘 박막 제조방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 실리콘 소스를 공급하는 단계; 상기 실리콘 소스를 공급하여 실리콘 박막을 형성함과 동시에 전자빔과 이온빔을 조사하거나, 실리콘 소스를 공급하여 실리콘 박막을 형성한 후 후처리로서 상기 기판상에 전자빔과 이온빔을 조사하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하여, 상기 공급된 실리콘 소스에 의해 상기 기판상에 실리콘 박막이 증착되면서 상기 조사된 전자빔이 상기 증착중의 실리콘 박막에 에너지를 공급하여 이 실리콘 박막을 증착공정중에(in-situ) 결정화시키거나, 비정질 실리콘 박막이 형성된 후 후처리로서 전자빔과 이온빔을 조사함으로써 결정화시킬 수 있게 된다. 또한, 전자빔을 조사함과 동시에 이온빔을 함께 조사함으로써, 기판 표면에 축적되는 전자빔의 전하가 이온빔의 전하에 의해 중화되도록 하여, 전자빔의 전하들이 기판 표면에 축적되어 불필요한 표면 전류를 형성하는 것을 방지하고 효율적으로 비정질 실리콘 박막을 결정화시킬 수 있게 된다.
저온폴리실리콘, LTPS, 전자빔, 이온빔, 플라즈마

Description

에너지빔 조사를 이용한 실리콘 박막 제조방법{METHODS FOR SILICON THIN FILM DEPOSITION WITH ENERGETIC BEAM IRRADIATION}
본 발명은 저온 폴리 실리콘 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전하가 분리된 입자의 가속을 이용하여 양질의 결정성을 갖는 저온 폴리 실리콘 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
액정표시장치는 무겁고 부피가 큰 음극선관(Cathode Ray Tube, CRT)을 대신하여 최근 각광 받고 있는 평면표시장치로서, 이 중에서도 매트릭스 형태로 배열된 화소전극의 스위칭 소자에 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 이용한 것이 흔히 알려진 TFT-LCD이다. TFT-LCD는 TFT 어레이 및 화소전극을 구비하는 하부기판, 컬러필터를 구비하는 상부기판, 상기 상부 기판 및 하부기판의 사이에 충진되는 액정층을 포함하며, 이러한 TFT-LCD는 구동 드라이브 IC 및 회로기판과 연결되어 하나의 모듈로서 완성된다.
액정 디스플레이의 경우에 있어서, 석영 등의 값비싼 기판 대신에 상대적으로 저가인 유리를 기판으로 사용하고 있다. 그런데, 유리 기판은 570℃ 이상의 고온에서는 연화가 일어나 표면의 강도가 떨어지면서 공정중에 표면 평활도가 저하되 고 뒤틀림이나 수축 현상이 발생하게 된다. 따라서, 액정 디스플레이의 TFT는 400℃ 이하의 저온 공정에서 증착이 가능한 비정질 실리콘 박막(a-Si)으로 트랜지스터를 만들어 사용하고 있다. 하지만, 비정질 실리콘의 경우 전자이동도가 낮아 고해상도와 고집적화를 실현하는데 어려움이 있었다. 또한 비정실 실리콘을 이용한 TFT-LCD에서는 폴리 실리콘을 이용한 집적화 공정과는 달리 LDI를 별도로 제조한 후 이들을 다시 연결하여야 하므로 제조공정이 복잡하고 비경제적이다.
따라서 이러한 단점들을 극복하는 방안으로서, 박막 트랜지스터를 폴리 실리콘으로 형성하는 방법이 시도되고 있다. 폴리 실리콘은 비정질 실리콘에 비하여 전자이동도가 수백 배 이상 크기 때문에 고해상도, 대화면 TFT-LCD의 제조에 적합할 뿐만 아니라 Memory, CPU, Controller와 Interface를 유리위에 직접 집적화 시킬 수 있는 차세대 SOG(System On Glass)가 가능해지기 때문에 제조공정의 단순화는 물론 집적도 면에서 크게 유리한 장점이 있다.
그런데 종래에 주로 사용되는 폴리 실리콘 박막의 형성방법은 기판에 먼저 비정질 실리콘을 증착한 후에 이를 폴리 실리콘으로 결정화하는 방법이다. 이 방법은 기판에 손상을 주지 않는 400도 내외의 저온으로 유지한 상태에서 기판에 비정질 실리콘을 증착한 후 후속적인 급속 열처리나 레이저 스캐닝 등과 같은 방법을 통해 재결정화 단계를 거쳐 다결정질화하는 과정을 거치게 된다. 따라서, 이러한 방법을 이용하여 형성되는 폴리 실리콘을 통상 저온 폴리 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon, 'LTPS')이라 칭한다. 이러한 poly-Si TFT는 높은 전자이동도로 인해 구동IC를 유리 기판내에 집적화할 수 있어서 슬림한 장치 구현이 가능 하므로, 소형 디스플레이에서는 필수적인 기술 중의 하나이다. 또한 빠른 응답속도로 인해 대면적, 고밀도 디스플레이에 사용가능하다는 장점을 가진다. 그 밖에 미세한 금속 배선 공정이 가능하므로 비정질 Si TFT보다 상대적으로 화소 개구율이 높고 광이나 온도 등의 외부 환경에 대해서도 안정적인 편이다.
비정질 실리콘층을 폴리 실리콘으로 결정화하는 방법에는, 반응로(furnace) 속에서 로(爐)가열법을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 고상결정화법(Solid Phase Crystallization, SPC법), 빛을 이용하여 급속히 가열하는 방법으로 결정화시키는 고속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)법, 엑시머 레이저를 순간 조사하여 비정질 실리콘층을 1400℃ 정도까지 순간적으로 가열하여 결정화하는 엑시머 레이저 어닐링(Eximer Laser Annealing, ELA)법, 비정질 실리콘층 상에 선택적으로 증착된 금속을 씨드로 하여 결정화를 유도하는 금속유도결정화(Metal Induced Crystallization, MIC)법 등이 있다.
고상 결정화법(Solid Phase Crystallization, SPC)이나 고속열처리법(Rapid Thermal Annealing, RTA)은 저압 화학증착방법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)이나 플라즈마 화학증착방법(Plasma Enhanced CVD, PECVD), 스퍼터링 방법 등으로 비교적 저온인 200℃ ~ 400℃에서 유리기판상에 비정질 실리콘을 형성한 다음, 약 600℃ 이상의 열을 가하는 방법이다. 하지만, 이 방법은 후속 열처리 온도가 유리 기판에 사용하기에는 지나치게 온도가 높고 결정립 성장방향 및 그들간의 균일성이 좋지 않아 높은 수율을 기대하기 어려운 문제점이 있다.
또 다른 방법인 금속유기 결정화법(Metal Induced Crystallization)은 실리 콘의 핵생성을 유도하는 금속을 박막 성장시에 첨가하는 방법으로서, 일반적으로 실리콘과 공정계를 이루는 금, 알루미늄 등이나 실리사이드를 형성하는 니켈, 티타늄을 함께 첨가하는 방법이다. 하지만 이 방법은, 첨가된 금속들이 실리콘에 도판트로 작용하여 박막의 전기적 성질을 변화시키고, 실리사이드 반응이 발생할 경우에는 박막 상당 부분이 전기적으로 통전되어 누설전류(leakage current)가 발생한다는 단점을 안고 있다.
1980년대 중반에 소니 연구진에 의해서 개발된 액시머 레이저 결정화법(Excimer Laser Crystallization, ELC) 방법은, 비정질 실리콘 위에 높은 에너지를 갖는 레이저 펄스를 조사하여 비정질을 결정화시키는 방법으로서, 실리콘의 공정온도만 올라가고 그 하부의 기판온도는 크게 올라가지 않는다는 장점을 가진다.
이하, ELC법을 이용하여 기판상에 폴리 실리콘층을 형성하는 방법을 개략적으로 설명한다. 먼저 기판상에 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4)을 이용하여 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층의 상부에 증착온도가 낮은 플라즈마 화학증착(PECVD)법으로 비정질 실리콘 층을 형성한다. 이때 소스가스로는 주로 실란(SiH4)이 이용되며, 증착온도는 섭씨 400도 내외이다. 버퍼층은 기판의 불순물이 비정질 실리콘층으로 확산하는 것을 방지하고, 향후 결정화 공정에서 기판으로의 열전도를 차단하여 기판의 손상을 방지하는 역할을 한다. 이후 증착된 비정질 실리콘층에 엑시머 레이저를 조사하면, 비정질 실리콘층이 일시 용융하였다가 다시 응고되는 과정에서 폴리 실리콘층이 형성된다. 이와 같이 형성된 폴리 실리콘층을 에 칭하여 액티브층을 형성하고, 게이트 절연막 증착, 게이트 전극 형성, 이온주입, 콘택홀 형성, 소스 전극 및 드레인 전극 형성 등의 과정을 거쳐 박막트랜지스터가 완성되는 것이다.
그런데 SiH4 등을 소스로 하여 기판에 비정질 실리콘층을 증착하는 과정에서 비정질 실리콘층에 다량의 수소가 불가피하게 함유되는데, 수소 함량이 증가할수록 결정화를 위한 고온 공정에서 수소가 실리콘층에서 이탈하면서 실리콘의 막질을 크게 손상시키게 된다. 따라서 결정화 공정 이전에 수소의 함량을 일정 수준 이하로 제한하기 위하여 탈수소 공정을 거쳐야 한다. 이상에서 알 수 있는 바와 같이 기판에 LTPS층을 형성하기 위해서는 비정질 실리콘 증착, 탈수소 처리, 결정화를 위한 레이저 어닐링 등을 순차적으로 거쳐야 하고, 각 공정마다 기판을 해당 장치로 이송하여야 하므로 시간당 생산성 면에서 크게 불리하다.
또한, ELC 방법은 레이저를 조사하기 위한 공정범위가 고정되어 있으며 결정립 구조를 제어하기가 어려워 원하지 않는 방향으로 결정립 경계가 배열될 수 있다는 단점을 갖는다. 특히 채널 영역에서 이처럼 원하지 않는 방향으로 결정립계가 형성되면 이는 동작 전압 및 속도에 심각한 영향을 끼치게 된다.
ELC법이 가진 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 1998년 James S. Im 등이 발표한 논문(MRS, vol. 166. pp. 613-617, April, 1998)에서는, 인공적으로 제어된 초횡방향 성장(Artificially Controlled Super Lateral Growth, ACSLG)을 제시하고 있다. 이는 패턴된 마스크 사이로 조사된 레이저에 의해서 실리콘 표 면을 완전히 용융시킨 다음, 마스크를 약간씩 이동시키면서 수평방향으로 확장된 결정립을 얻는 방법이다. 이 ACSLG는 벌크재료에서 순도 상승을 위해 사용되는 영역용융법(zone melting)과 유사한 방법이라 볼 수 있는데, 상기 논문에서는 이러한 방법을 통하여 원하는 방향으로 성장하는 결정립을 얻었다고 보고하고 있다.
하지만 전술한 ELC 및 ACSLG법은 모두 고출력 레이저빔으로 기판 표면을 스캐닝해야 한다는 단점을 갖는다. 따라서 우선 고가의 레이저 장비를 사용해야 한다는 점과 레이저 공정 자체도 결정 성장 방향 등이 잘 제어되지 않아서 대량생산에 적용하기에는 아직 공정적으로 안정화되지 못했다는 단점을 안고 있다. 또한 이 방법이 가진 또 다른 문제점은, 아무리 고속으로 레이저빔을 스캐닝 하더라도 빔 집속이 이루어지는 스팟(spot) 사이즈가 상대적으로 작아서 광학적으로 정확히 10 micro meter 이내의 위치 제어를 하여 고속 스캐닝을 해야 하므로, 패널의 생산속도 및 수율, 그에 따른 생산단가에 지장을 초래한다는 것이다.
한국공개특허 제10-2002-0012983호에 의하면, 기판상에 시드층(seed layer)를 형성하고 그 상부에 비정질 실리콘막을 증착한 다음, 레이저빔이나 전자빔을 조사하여 이를 결정화시키는 방법에 대해서 설명하고 있다. 이 기술은 조사되는 레이저의 강도를 정밀하게 조절하지 않더라도 결정성장에 필요한 시드층이 녹지 않고 일부가 남도록 하여 이를 결정성장의 방향과 크기를 조절할 수 있는 성장 핵으로 사용하고자 하는 것이다. 하지만, 이 기술도 비정질층이 먼저 형성된 후 후속공정으로 비정질층을 거의 녹일 정도의 레이저빔이나 전자빔을 조사해야 하므로, 전술한 스캐닝 방식의 문제점을 여전히 안고 있을 뿐만 아니라, 용융 과정을 거쳐야 하 므로 빔 파워가 매우 커야 하며 그에 따라 스캐닝 공정의 효율성이 더욱 떨어질 수 있다는 단점을 안고 있다.
이처럼 최근의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제작 방식은 아직도 여러가지 단점을 안고 있어 이를 본격적으로 대량생산에 적용하기에는 무리가 따른 상황이므로, 향후에 이를 대체할 새로운 방법이 반드시 개발되어야 한다.
본 발명은 전술한 종래의 폴리 실리콘 제조 방법의 문제점을 개선하고자 하는 것으로서, 종래의 방법과는 달리 에너지를 가진 전하입자인 전자빔 및/또는 이온빔을 조사하여서 소량의 에너지로 저온에서 결정화시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다결정 실리콘 박막을 석영, 파이렉스, 유리 기판이나 기타 열에 약한 플라스틱이나 폴리머 기판상에, 그리고 열적 변형이 있는 박판 스테인레스와 같은 금속판에 손쉽게 또는 대형 사이즈로 형성하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, (a) 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 실리콘 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 기판의 표면에 전자빔을 조사하는 단계; 를 포함하며, 상기 공급된 실리콘 소스에 의해 상기 기판상에 실리콘 박막이 증착되는 과정중에 상기 조사된 전자빔이 상기 증착중의 실리콘 박막에 에너지를 공급하여 실리콘 박막을 동시처리 방식으로 증착 공정 중에 결정화시킨다. 여기서, 상기 (b) 단계가 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 (c)단계는 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되거나 조사 에너지 레벨을 달리하여 반복 실행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, (a) 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 실리콘 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 기판의 표면에 전자빔을 조사하는 단계; (d) 상기 기판의 표면에 이온빔을 조사하는 단계; 를 포함하며, 상기 공급된 실리콘 소스에 의해 상기 기판상에 실리콘 박막이 증착되는 과정 중에, 상기 조사된 전자빔이 상기 증착중의 실리콘 박막에 에너지를 공급하여 실리콘 박막을 동시처리 방식으로 증착공정중에 결정화시키며, 상기 이온빔은 상기 기판의 표면에 축적되는 전자빔의 전하들을 중화시킨다.
전술한 제2 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, 상기 (b) 단계가 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 (c) 단계와 (d) 단계는 함께 실행되되 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되거나, 상기 (c) 단계와 (d) 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 서로 번갈아가면서 반복 실행될 수 있다.
전술한 제2 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, 상기 (b) 단계가 제1 주기에 따라 단속적으로 반복 실행됨과 동시에, 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계는 함께 실행되되 제2 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되며, 상기 제1 주기와 제2 주기는 (b) 단계와 상기 (c) 및 (d) 단계가 서로 번갈아가며 반복적으로 실행되도록 설정될 수 있다.
전술한 제2 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 상기 (c) 단계의 전자빔 조사가 연속적으로 실행되는 경우에는 동일한 에너지 레벨로 조사되거나 일정 주기에 따라 에너지 레벨을 달리하여 조사될 수 있다.
전술한 제2 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 상기 (c) 단계의 전자빔 조사가 단속적으로 반복 실행되는 경우는 상기 주기와 동일한 주기에 따라 조사 에너지 레벨을 달리하여 펄스 형태로 반복 조사하는 단계로 대체될 수 있다.
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전술한 제1 내지 제2 특징에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, 상기 전자빔 조사 영역에 수소가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하거나, 헬륨(He) 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하거나, 이들 두 단계를 모두 포함하는 것이 바람직하다.
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본 발명에 따른 실리콘 박막 제조방법은, 종래의 저온에서 비정질 실리콘 박막을 형성한 후에 레이저나 급속 열처리 등으로 다량의 에너지를 공급하여 국부적으로 용융시켜 재결정화 과정을 거치는 비효율적인 방법 대신에, 실리콘 박막 증착 공정중에 전자빔을 동시 조사하여서 소량의 에너지로 원자의 초기 적층 단계에서부터 전자빔 및/또는 이온빔을 함께 또는 약간의 시차를 두고 조사하여 실시간으로 다결정 실리콘 박막을 저온에서 제조하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하여, 저온에서 다결정 실리콘 박막을 상대적으로 안정적인 공정으로 생산할 수 있으므로, 기판이 고온에서 견디기 어려운 재료를 사용할 수 있고, 또한 증착 공정과 결정화 공 정을 한번에 처리할 수 있으므로 수율상승과 함께 생산원가가 감소시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 의해 제조된 결정화 상태의 실리콘 박막에 대한 전자현미경 TEM(Transmission Electron Miscroscopy) 사진이다. 도 8의 대표성이 있는 사진 일부를 확대한 부분을 보면 실리콘이 결정화되어 원자들이 규칙적으로 배열되어 있음을 확인 할 수 있다. 도 9는 전자현미경의 투과 회절 패턴을 찍은 것이다. 도 9를 통해, 투과 회절 패턴은 실리콘이 폴리로 결정화되었을 때 나타나는 전형적인 링 패턴을 보여주고 있다. 도 8과 도 9로부터 전자빔 처리된 실리콘이 폴리 결정을 갖는 상태의 박막임을 확인할 수 있다. 이는 도 4에서와 같이 실리콘 타겟을 이온빔으로 스퍼터하면서 증착할 때, 동시에 전자빔을 2keV의 에너지로 증착면을 조사해 주면서 성장된 박막으로써 이때의 기판 온도는 약 섭씨 370도이었다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 도 3과 같이 실리콘을 비정질 상태로 증착한 후 연속 후처리 공정으로서 전자빔을 조사함으로써, 실리콘 박막 형성 공정과 전자빔 조사 공정을 완전히 분리시킬 수 있게 된다. 그 결과 두 공정의 작업 압력을 달리하여 줄 수가 있어 두 공정의 최적 압력 조건에서 작업이 진행되어 질 수가 있다. 특히 PECVD와 같이 작업 압력이 10-2∼수십 torr인 경우, 또한 도핑이 필요한 다수의 실리콘 증착 공정이 필요한 경우와 같이 실리콘 증착 공정과 전자빔 조사 공정이 분리되어지면 전자빔이 조사되어지기에 필요한 압력과는 관계 없이 실리콘 박막을 형성하기 위하여 필요한 최적의 공정을 선택할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명에 따른 전자빔 후처리 방법에 의해 제조된 결정화 상태의 실리콘 박막에 대한 전자현미경 TEM(Transmission Electron Miscroscopy) 사진이다. 실리콘이 결정화되어 규칙적 원자 배열을 이루고 있다. 이는 중간층으로, 통상적으로 사용되어지는 비정질 SiO2를 증착하고 그 위에 PECVD로 실리콘을 증착한 후 5keV, 300㎂/cm2 의 전자빔으로 조사한 결과이다. 비정질 SiO2 와 폴리실리콘과의 계면이 수 원자간 거리만큼 mixing되어 있고 그 위로 실리콘 원자가 결정질 형태의 모양으로 규칙적 배열을 이루고 있다.
또한, 본 발명에 의한 실리콘 박막 제조 방법은 석영, 파이렉스, 실리콘 웨이퍼, 유리기판 뿐만 아니라 유리보다 더욱 열에 약한 플라스틱이나 폴리머 기판, 가령 투명한 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스터 설폰(polyethersulphone) 또는 폴리아크릴레이트(polyacrylate)상에, 그리고 열적 변형이 있는 박판 스테인레스와 같은 금속판에 다결정 실리콘 박막을 증착하는 경우에도 당연히 응용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자빔을 이용한 폴리실리콘 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도 및 공정 진행중의 챔버 내부를 도시한 개념도이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 기판(100)을 제공하는 단계(단계 100), 기판 상에 실리콘 소스를 공급하여 실리콘 박막을 형성하는 단계(단계 102), 상기 기판의 표면에 전자빔을 조사하는 단계(단계 104)를 포함한다. 전술한 실리콘 박막 제조 방법에 의하여, 상기 기판상에 실리콘 박막이 증착되는 과정중에 상기 조사된 전자빔이 상기 증착중의 실리콘 박막에 에너지를 공급하여 실리콘 박막을 동시처리 방식으로 증착 공정중에 결정화시키게 된다.
도 1의 (b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, 화살표 방향으로 움직이는 롤러 상에 기판(100)이 놓여진 후, 화살표 방향으로 이송되며, 기판의 표면에 실리콘 박막(110)이 증착되는 공정이 진행된다. 본 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 기판 표면에 실리콘을 증착함과 동시에 전자빔을 조사하여 폴리 실리콘 박막을 만드는 방법으로서, 산업적 응용성이 큰 방법이다. 이하, 본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 제조 방법을 구현하기 위하여, 기판상에 실리콘 소스를 공급하기 위한 실리콘 공급수단인 플라즈마(120)를 이용하는 RF/DC 스퍼터(130)가 공정 영역상에 배치되고, 실리콘 박막상에 전자빔(e-beam)을 조사하기 위한 전자빔 공급수단인 전자빔 건(140)이 공정 영역상에 배치된다.
상기 실리콘 공급수단은 RF/DC 스퍼터링법(Sputtering), 이온빔 스퍼터링 법(Ion Beam Sputtering), Pulsed Laser Deposition법, 실리콘을 가열 증발시키는 열 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(E-beam Evaporation)등의 방법을 이용하여 실리콘 입자를 생성하는 것으로서, 상기 실리콘 공급 수단에 의해 제공되는 실리콘 소스는 2차원적인 넓이를 가진 공정영역의 기판상에 실리콘 박막으로 증착된다.
도 1의 (b)에 도시된 상기 전자빔 건(140)은, 기판의 폭과 유사한 길이를 가진 긴 직육면체 형태이거나 또는 원형 전자빔을 발생시키는 원형 건 형태로 이루어진다. 상기 전자빔 건은, 전자빔을 생성하기 위하여 날카로운 첨단부에 높은 양전압을 걸어 전자를 추출하는 전계추출(Field Emission) 방식, 텅스텐과 LaB6와 같은 필라멘트를 가열하여 만드는 열전자법 또는 플라즈마를 그리드로 차폐함과 동시에 전압을 걸어 전자를 추출하여 가속하는 플라즈마 추출방식 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기 전자빔은 가해주는 전압에 의해 전자들이 500 eV ~ 100 KeV의 운동에너지 및 1㎂/cm2∼1mA/cm2의 전류 밀도를 가지도록 가속되어 기판상의 동일한 공정영역에 조사된다. 상기 차폐된 플라즈마를 생성하는 전원의 교류주파수는 MF, HF, RF, VHF, UHF, Microwave 중 어느 하나를 사용하며, 상기 전원의 전극 또는 안테나의 형태가 Capacitive, Inductive, ICP, ECR, Helical, Helicon, Hollow Cathode, Hot Filament 중 어느 한 방법을 이용하여 제공된다. 참고로 본 발명 전체에서 실리콘 소스나 전자빔 또 이하의 이온빔이 기판상에 공급될 때 실리콘 소스를 제외한 전자빔이나 이온빔에 대해서는 특별히 그 공급을 조사(irradiation)라고 할 수 있는데 이는 기본적으로 기판상에 전자나 이온이 에너지를 가지고 충돌하도록 하는 것을 의미하는 것이다.
상기 기판(100)은 석영, 파이렉스, 실리콘 웨이퍼, 유리기판 뿐만 아니라 유리보다 더욱 열에 약한 플라스틱이나 폴리머 기판, 가령 투명한 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스터 설폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), PET(polyethylene terephthalate), 또는 PEN(polyethylene naphthalate), 그리고 박판 스테인레스와 같은 금속판 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에서의 실리콘 공급 단계와 전자빔 조사 단계에 대한 다른 실시 형태를 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에서의 실리콘 공급 단계와 전자빔 조사 단계에 대한 다른 실시 형태를 도시한 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 제1 실시 예에 대한 다른 실시 형태는 실리콘 소스를 연속적으로 공급하면서 전자빔을 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 제공하는 것이다. 즉, 기판 표면에 실리콘 소스를 공급하여 실리콘 박막을 형성하는 공정을 연속적으로 실행함과 동시에, 전자빔 조사 과정을 사전에 설정된 일정 주기에 따라 반복적으로 실행한다.
본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에서의 실리콘 공급 단계와 전자빔 조사 단계에 대한 또 다른 실시 형태는, 실리콘 소스와 전자빔을 연속적으로 공급하되, 전자빔을 사전에 설정된 주기에 따라 조사 에너지 레벨을 달리하여 반복 제공하는 것이다. 즉, 기판 표면에 실리콘 소스를 공급하여 실리콘 박막을 형성하는 공정과 전자빔 조사 공정을 연속적으로 실행하되, 전자빔은 사전에 설정된 주기에 따라 강한 에너지 레벨과 약한 에너지 레벨을 반복하여 조사한다.
본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에서의 실리콘 공급 단계와 전자빔 조사 단계에 대한 또 다른 실시 형태는, 실리콘 소스와 전자빔을 연속적으로 공급하되, 사전에 설정된 주기에 따라 기판을 이동시키거나 전자빔을 조사하는 장치를 이동시킴으로써, 또는 전자빔의 경로를 바꿀 수 있는 전기장이나 자기장을 이용하여 기판을 향하는 전자빔의 경로를 바꾸어 흔들어 줌으로써 공정 영역에 전자빔이 단속적으로 제공될 수 있도록 한다.
제2 실시예
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도 및 공정 과정 중의 챔버내를 도시한 개념도이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 기판을 제공하는 단계(단계 201), RF/DC 스퍼터링을 이용하여 실리콘 소스를 기판의 표면에 제공하여 기판의 표면에 실리콘 박막을 형성하는 단계(단계 204), 상기 실리콘 박막에 후처리로서 전자빔을 조사하는 단계(단계 206)를 구비한다. 전술한 제2 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 실리콘 박막을 완전히 형성한 후에 후처리 단계에서 전자빔을 조사하여, 비정질의 실리콘 박막을 결정화시키게 된다. 이하, 본 실시예의 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 실리콘 증착 영역과 전자빔 조사 영역이 완전히 분리되므로,작업 압력이 10-7 ∼ 10-4 Torr 이하인 전자빔 공정과 전혀 다른 실리콘 증착 공정의 경우에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 그러므로 본 실시예에 따른 제조 방법은 제 1 실시예에 언급되었던 실리콘 공급 방법들 외에 추가적으로 화학증착법(CVD:Chemical Vapor Deposition), 저압화학증착법(LPCVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition), 플라즈마화학증착법(PECVD:Plasma Enhanced Vapor Deposition)과 같은 저진공 작업 압력하에서 증착하는 실리콘의 증착 방법에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 전자빔 조사 공정과 실리콘 증착 공정이 분리되므로, 두개의 공정을 동시 진행하는 경우 발생하는 공정의 한계들, 예컨대 증착 속도를 높일 수 없는 점과 같은 한계들을 완전히 해결할 수 있게 된다. 그 결과 본 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 방법은 높은 생산성을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 실리콘 증착 방법들 중 최적의 방법을 선택하여 사용할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 상기 전자빔이 상기 실리콘이 증착되는 상황에 어떠한 영향을 미치는지 설명한다. 전술한 바와 같이 상기 실리콘 박막은 증착시 그 온도가 충분하지 못해서 열 에너지가 결정화에 필요한 활성화 에너지에 미치지 못하므로 모두 비정질층으로 성장해야 할 것이다. 하지만, 열에너지를 대체할 수 있는 새로운 에너지가 공급된다면 이는 기판 표면에서 실리콘 입자의 유동도를 증대시켜 실리콘 입자가 결정질이 되도록 유도할 것이다. 한편, 일반적으로 가속된 전자들의 무수한 모임으로 이루어진 전자빔은 개별 입자인 전자의 무게가 극히 가벼우므로 자신보다 대단히 무거운 원자와 같은 존재에 부딪치는 경우 대부분 비탄성충돌로 자신의 운동량을 전달하게 된다.
본 발명에서는 상기 열에너지의 부족분을 대신할 수 있는 수단으로서 전술한 운동량을 가진 전자의 운동에너지를 이용하는 것이다. 즉, 상기 전자빔 소스에서 생성되어 가속된 전자를 기판상에 제공하여 기판에 흡착된 실리콘 입자와 충돌시켜, 실리콘 입자의 유동도를 향상시키고 실리콘의 결정화에 필요한 활성에너지를 공급함으로써, 증착과 동시에 박막을 결정화시키는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 폴리 실리콘 제조 방법은 제공되는 전자의 에너지가 작으므로 전자의 침투 깊이가 작아 기판 표면만을 우선적으로 가열하므로 표면의 실리콘 증착층 밑의 기판의 온도는 그리 상승시키지 않게 되고, 그 결과 저온에서 다결정 실리콘 형성이 가능하게 된다. 참고로, 본 발명에 따른 제조 방법에서의 전자의 침투 깊이는 Simulation 결과 10keV 일 때 평균 500nm 정도가 된다.
본 발명은 상기 전자빔을 이용하여 종래의 열에너지를 대신하여 기판상의 실리콘 입자들에게 유동에 필요한 에너지를 전달하고 그에 따라 기판온도 상승을 줄이고 다결정 실리콘 박막을 효율적으로 생성하고자 하는 것이다.
상기 기판은 도시되지 않은 열원에 의해 상온 ~ 400℃, 바람직하게는 상온 ~ 300℃, 좀 더 바람직하게는 상온 ~ 200℃의 온도내로 유지하여 기판의 비틀림이나 수축 등이 발생하지 않도록 한다. 여기서 열원은 기판상에 약간의 열적 에너지를 공급하여 반응 속도 등을 조절하는 역할을 수행하는 것으로서, 콘베이어 하부에 배치된 열원을 사용하거나 또는 콘베이어 상부에 배치된 열원을 사용할 수 있다.
또한 전자빔 조사 단계에서 열에 약한 기판을 선택함에 따라, 기판을 냉각하여 줄 수도 있으며, 이는 기판 하부에 냉각수를 이용하여 냉각하거나, 헬륨(He)과 같은 가스를 공정 중에 기판의 표면 또는 후면에 계속적으로 또는 단속적으로 공급하거나, 전자빔 조사가 멈추는 동안 공급할 수 있다. He 가스는 냉각 능력이 탁월하므로, 기판의 표면에 노즐을 가까이 대고 뿌려주면 기판이 냉각되어 과열되지 않게 된다.
또한, 전자빔 조사 공정 중에 수소 가스를 수 sccm ∼ 수십 sccm 정도 공급하여 결정질 향상을 도모할 수 있다. 결정질 실리콘의 표면은 항상 실리콘의 사면체 결합구조 (Tetrahedral Bonding)에서 표면 방향의 결합이 하나 부족한 상태이므로 표면 안정화 원소가 결합되지 않으면 표면 원자층은 비정질 형상이나 이중 결합을가지게 된다. 그러므로 수소를 공급하여 수소원자 하나가 표면 안정화 원소로 작용하게 되면 안정한 결정질 형태를 유지하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 실리콘 공급수단은 전술한 것처럼 실리콘 생성 방법을 사용한 것으로서, 가령 실리콘 타겟을 가속된 플라즈마(120)로 스퍼터링하는 RF/DC 스퍼터링 방식이나 실리콘 타겟을 이온빔으로 스퍼터링하는 이온빔 스퍼터링 방식 등을 포함하는 스퍼터링 방식, 실리콘 펠릿(pellet)을 텅스텐이나 몰리브데늄으로 만들어진 보트(boat)에 넣어 증발(Thermal Evaporation)시키거나 도가니속에 넣어진 실리콘을 전자빔으로 가열, 기화시켜 공급하는 전자빔 기상증발법(E-beam Evaporation), 또는 실리콘의 전구체인 실란(silane) 가스나 TCS를 기판 가까이 공급하는 방식 또는 이 실란 가스를 플라즈마로 이온화시켜 실리콘 이온을 추출한 다음, 이를 기판상에 조사하는 플라즈마 방식 등 다양한 방식이 사용될 수 있다. 그 외에도 추가적으로 실리콘 공급 수단은 화학기상증착(CVD), 저압 화학기상증착(LPCVD), 플라즈마 화학 기상증착(PECVD) 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 전자빔을 조사하여 기판의 실리콘 박막의 특성을 변화시키게 된다. 그런데, 기판이 유리, 파이렉스(Pyrex), 수정(Quartz), 실리콘웨이퍼, 기타 세라믹과 같은 부도체 기판인 경우, 전자빔을 조사하는 공정에서 기판으로 가격되는 전자의 음의 전하가 사라지지 않고 기판에 축적된다. 그 결과, 새로이 기판으로 가격되는 전자들은 기판에 이미 축적된 전자의 전하들과의 척력에 의해 되돌아오거나 밀려서 기판을 향하지 못하고 다른 방향으로 휘어지게 된다. 또한, 기판에 도달한 일부의 전자들도 기판의 표면의 표면 전류를 만들어 인접한 ground potential 전극을 향하여 흐르게 된다. 이때, 기판의 첨점이나 접촉이 잘 이루어지고 있는 방향으로 전류가 급속히 모이게 되므로 그 위치에서 급격한 가열이 일어나 기판이 타버리게 되거나 급속한 가열이 일어나 기판이 깨어질 수도 있다. 또한, 기판에 회로가 배치된 경우 축적된 전하는 회로의 배선을 따라 흐르다가 회로를 타버리게 하거나 회로를 구성하는 물질의 열확산을 유도하여 회로를 손상시킬 수도 있다. 이러한 현상들이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 전자빔을 펄스 형태로 단속적으로 조사하여 전자빔이 단속적으로 조사되지 않는 시간동안 기판이 냉각되도록 함으로써, 표면에 축적된 전하가 표면을 따라 흐르는 시간을 확보하여 기판의 표면 전하를 제거하게 된다.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법의 실리콘 박막 증착 단계에 대한 다양한 실시 형태를 설명한다.
도 4는 이온빔 스퍼터링 방식으로 만들어진 실리콘 공급수단을 이용하여 실리콘을 증착하고, 또한 전자빔 건(340)으로부터 전자빔을 동시 조사하여 폴리 실리콘(310)을 증착하는 것을 도시한 단면도이다. 도 4에 도시된 방식은 이온건(320)으로부터 플라즈마의 불활성 가스 Ar 양이온을 추출, 가속하여 실리콘 타겟(330)에 충돌시키면, 실리콘 입자들이 스퍼터링되어 기판(300)상에 공급되는 것이다. 도 4에서 실제 장비에 필요한 가스흡입부, 중성화 장치 등은 본 발명의 요지와는 직접적인 상관이 없으므로 도시하지 않았다. 기판이 전도체가 아닐 경우 기판 표면에 누적되는 전하를 제거하기 위하여 사용되는 중성화 장치(neutralizer)는 이온빔을 사용하여 전자의 음전하를 이온의 양전하로 중성화시켜 주어야 한다. 특히 이온은 질량이 커서 음전하에 끌려서 비행 경로가 바뀌는 것이 쉽지 않으므로 직접적으로 음전하가 쌓이는 곳 가까이에 이온이 충돌해 주어야 한다. 이때 이온의 충돌에 의한 손상을 박막에 주지 않기 위하여 이온의 에너지를 낮게 유지해 주어야 하고, 또한 이온의 충돌이 있는 동안 전자와의 합류에 의하여 플라즈마가 발생되어 버리는 교란을 방지하기 위하여 다양한 펄스 공급에 의하여 이들을 중성화 시킬 수 있다.
도 5는 전자빔 기상증발법(E-beam evaporation)으로 실리콘을 공급하는 전자빔 기상증발장치(420)를 이용하는 실리콘 증착 공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 전자빔 기상증발법은 증착할 물질을 분말상, pellet, 혹은 piece 등으로 도가니(430)에 실장하고 이에 필라멘트에서 나온 전자를 충돌시켜 기화 혹은 승화시키는 방식으로서, 기화 또는 승화된 물질은 상승하면서 그 상부에 위치하는 기판(400)상에 응고되어 증착되는 것이다. 이때 전자빔 소스(440)로부터 기판을 향하 여 전자빔을 조사하면, 기판에 증착되는 실리콘(410) 원자는 가속된 전자의 충돌에 의하여 유동도가 향상되어지고 결정화에 필요한 활성에너지를 공급받음으로써 증착과 동시에 박막이 결정화되어지는 것이다.
제3 실시예
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제3 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 실리콘 박막을 형성하는 단계, 상기 기판의 표면에 전자빔을 조사하는 단계, 상기 기판의 표면에 이온빔을 조사하는 단계를 포함한다. 전술한 단계를 포함하는 본 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은, 상기 공급된 실리콘 소스에 의해 상기 기판 상에 실리콘 박막이 증착되는 과정 중에, 상기 조사된 전자빔이 상기 증착중의 실리콘 박막에 에너지를 공급하여 실리콘 박막을 동시처리 방식으로 증착 공정 중에 결정화시키며, 상기 이온빔은 상기 기판의 표면에 축적되는 전자빔의 전하들을 중화시키게 된다.
도 6의 (a) 및 (b)는 전술한 제1 실시 예에 이온빔 공급수단을 추가로 배치한 상황을 나타낸 것으로서, 이것들은 전자빔에 더하여 이온빔이 공정영역에 함께 조사되는 본 발명의 제3 실시 예를 도시한 것이다. 도 6의 (a)는 이온빔 공급수단이 실리콘 소스 공급수단 및 전자빔 공급수단과는 별도로 장착되어 기판 상에 이온빔을 조사하는 과정을 보여주는 모식단면도이다. 이는 기판이 부도체인 경우 기판 에 쌓인 음전하를 소거하기 위하여 앞에서 언급한 이온빔을 이용하여 기판을 중성화시킴으로써 전자빔의 에너지를 기판에 효율적으로 전달하고 기판의 파괴나 회로 손상을 방지하기 위함이다. 도 6의 (b)는 실리콘 공급수단을 기상증발법을 사용한 경우로써 기판 하부에서 실리콘을 증발시켜 박막을 증착할 때 이온빔 공급수단이 전자빔 공급수단과 함께 박막 표면에 에너지를 공급하는 과정을 나타낸 모식단면도이다.
제3 실시예에서 사용되는 이온빔은 이온빔이 가지는 에너지중에서 작은 에너지를 이용하며, 구체적으로는 1eV ~ 500eV의 에너지를 가진 수소(H2)를 포함한 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다. 특히, 전자빔을 조사하는 기판이 산화물인 경우에는 이온빔은 산소(O2)가 독립적으로 들어가거나 다른 가스와 섞여 들어갈 수 있으며, 기판이 질화물인 경우에는 질소(N2)가 독립적으로 들어가거나 다른 가스와 섞여 들어갈 수 있다.
이온빔은 공간상으로 조사하거나 기판상에 조사할 수 있다. 이온빔을 공간상으로 조사하는 경우, 이온빔을 전자빔을 향하여 전자빔 비행 방향의 수직방향에서 수평 방향에 이르기까지 선택적으로 조사할 수 있다. 또한, 이온빔을 기판상에 조사하는 경우, 전자빔이 맞는 영역에 맞추어 조사하거나, 전자빔이 맞는 영역의 기판 운동방향 앞쪽이나 뒤쪽에 이온빔을 조사할 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 전자빔을 조사하여 기판의 실리콘 박막의 특성을 변화시키게 된다. 그런데, 기판이 유리, 파이렉스(Pyrex), 수 정(Quartz), 실리콘웨이퍼, 기타 세라믹과 같은 부도체 기판인 경우, 전자빔을 조사하는 공정에서 기판으로 가격되는 전자의 음의 전하가 사라지지 않고 기판에 축적된다. 그 결과, 새로이 기판으로 가격되는 전자들은 기판에 이미 축적된 전자의 전하들과의 척력에 의해 되돌아오거나 밀려서 기판을 향하지 못하고 다른 방향으로 휘어지게 된다. 또한, 기판에 도달한 일부의 전자들도 기판의 표면의 표면 전류를 만들어 인접한 ground potential 전극을 향하여 흐르게 된다. 이때, 기판의 첨점이나 접촉이 잘 이루어지고 있는 방향으로 전류가 급속히 모이게 되므로 그 위치에서 급격한 가열이 일어나 기판이 타버리게 되거나 급속한 가열이 일어나 기판이 깨어질 수도 있다. 또한, 기판에 회로가 배치된 경우 축적된 전하는 회로의 배선을 따라 흐르다가 회로를 타버리게 하거나 회로를 구성하는 물질의 열확산을 유도하여 회로를 손상시킬 수도 있다. 이러한 현상들이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 전자빔 조사와 함께 이온빔도 조사하여 기판을 중성화시킴으로써, 전자빔의 전하들이 기판 표면에 축적되는 것을 방지하여, 전자빔의 에너지를 기판에 효율적으로 전달하고 기판의 파괴나 회로 손상을 방지하게 된다.
이하, 본 발명의 제3 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에서의 실리콘 소스 공급 단계, 전자빔 조사 단계, 이온빔 조사 단계의 다양한 실시 형태들을 설명한다. 도 7의 (a) 내지 (g)는 제3 실시예의 다양한 실시 형태들을 도시한 흐름도이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 제1 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급함과 동시에, 전자빔과 이온빔도 함께 조사한다. 그 결과, 실리콘 소스, 전자빔 및 이온빔이 동시에 제공됨으로써, 실시간으로 다결정질 실리콘 박막이 형성되며, 소정 시간이 경과하면 응용 소자에 적합한 두께를 갖는 박막을 완성하게 된다.
도 7의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 제2 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스를 연속적으로 공급함과 동시에, 전자빔과 이온빔을 함께 조사하되, 함께 조사되는 전자빔과 이온빔은 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 조사한다.
도 7의 (c)를 참조하면, 본 실시예의 제3 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스를 연속적으로 공급함과 동시에, 전자빔과 이온빔을 조사하는데, 이때 전자빔과 이온빔은 사전에 설정된 주기에 따라 서로 번갈아가며 반복적으로 조사된다.
도 7의 (d)를 참조하면, 본 실시예의 제4 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스를 제1 주기에 따라 단속적으로 반복 공급하며, 전자빔과 이온빔은 함께 조사하되 제2 주기에 따라 단속적으로 반복 조사한다. 여기서, 상기 제1 주기와 제2 주기는 실리콘 소스 공급 과정과 전자빔 및 이온빔 조사 과정이 번갈아가면서 반복 실행되도록 설정된다.
도 7의 (e)를 참조하면, 본 실시예의 제5 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하는 단계와 전자빔 조사 단계와 이온빔 조사 단계를 순차적으로 반복 실행한다.
도 7의 (f)를 참조하면, 본 실시예의 제6 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스 공급 단계와 전자빔 조사 단계는 함께 연속적으로 실행됨과 동시에, 이온빔 조사 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행된다.
도 7의 (g)를 참조하면, 본 실시예의 제7 실시 형태는 기판의 표면에 실리콘 소스 공급 단계와 이온빔 조사 단계는 함께 연속적으로 실행됨과 동시에, 전자빔 조사 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행된다.
한편, 본 실시 예에 있어서, 전술한 제1 내지 제7 실시 형태에서의 전자빔이 연속적으로 조사되는 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 조사 에너지 레벨을 달리하여 펄스 형태로 반복적으로 조사할 수 있다. 또한, 본 실시예의 전술한 제1 내지 제7 실시 형태에 있어서, 전자빔을 단속적으로 조사하는 단계의 전자빔이 조사되는 주기는 전자빔을 높은 에너지 레벨로 조사하며, 전자빔이 조사되지 않는 주기는 전자빔을 낮은 에너지 레벨로 조사하는 것으로 대체할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태는 이온빔 조사 단계를 대신하여 플라즈마를 조사함으로써 플라즈마 내의 이온들에 의하여 전자를 중화시킬 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태는 기판을 이동하거나 전자빔/이온빔 조사 장치를 이동시킴으로써, 또는 전자빔/이온빔의 경로를 바꿀 수 있는 전기장이나 자기장을 이용하여 기판을 향하는 전자빔의 경로를 바꾸어 흔들어 줌으로써 작업 영역에 전자빔 또는 이온빔이 단속적으로 조사될 수 있도록 한다.
또한, 전술한 본 실시 예에서도 제2 실시 예에서 전술한 바와 마찬가지로 전자빔을 조사하는 단계에서 수소 가스 또는 헬륨 가스를 제공할 수도 있다.
제4 실시예
이하, 본 발명의 제4 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 제4 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법은, 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 실리콘 박막을 형성하는 단계, 상기 실리콘 박막에 전자빔을 조사하는 단계, 및 상기 실리콘 박막에 이온빔을 조사하는 단계를 포함한다. 본 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법은 전자빔 조사 단계와 이온빔 조사 단계를 실리콘 박막이 완전히 형성된 후에 후처리로 수행되는 것을 특징으로 한다. 본 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법에서 기판의 특성, 실리콘 소스 공급 방법, 전자빔 제공 방법, 이온빔 제공 방법 등은 전술한 제1 내지 제3 실시예에서의 설명과 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 제4 실시예에 따른 실리콘 박막 형성 방법의 전자빔 조사 단계와 이온빔 조사 단계의 다양한 실시 형태를 설명한다. 제4 실시예의 일 실시형태는 전자빔 조사 단계와 이온빔 조사 단계가 동시에 실행되거나, 전자빔 조사 단계와 이온빔 조사 단계가 동시에 실행되되 사전에 설정된 주기에 따라 반복적으로 실행되거나, 전자빔 조사 단계와 이온빔 조사 단계가 사전에 설정된 주기에 따라 번갈아가며 반복적으로 실행된다. 제4 실시예의 다른 실시형태는, 상기 전자빔 조사 단계는 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 이온빔 조사 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 반복적으로 실행된다. 제4 실시예의 또 다른 실시형태는, 상기 이온빔 조사 단계는 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 전자빔 조사 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 반복적으로 실행된다.
한편, 본 실시예에 있어서, 전술한 실시 형태들에서의 전자빔이 연속적으로 조사되는 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 조사 에너지 레벨을 달리하여 펄스 형태로 반복적으로 조사할 수 있다. 또한, 본 실시예의 전술한 실시 형태에 있어서, 전자빔을 단속적으로 조사하는 단계의 전자빔이 조사되는 주기는 전자빔을 높은 에너지 레벨로 조사하며, 전자빔이 조사되지 않는 주기는 전자빔을 낮은 에너지 레벨로 조사하는 것으로 대체할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 기판과 어쓰(ground) 전극 사이에 절연판을 삽입하여, 상기 전자빔이 조사되어질 때 박막이 증착되는 기판과 ground potential 사이에 절연을 유지하도록 함으로써, 전자의 음전하가 특정 위치에 집중되지 않고 기판위에 축적된 전하가 한쪽 방향으로 과도하게 흐르지 않도록 하는 것이 바람직하다.
응용예
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 실리콘 박막 제조 방법은 다결정 실리콘 박막이 필요한 여러 소자의 제작에 사용될 수 있다. 그 한 응용예로서, TFT 공정, 셀(cell) 공정 및 모듈과 패키징 공정으로 이루어진 액정 디스플레이(LCD) 제조방법에 본 발명이 사용될 수 있는데, 그 단계를 간략히 설명하면 다음과 같다.
우선, 액정 디스플레이를 만들기 위해 우선 하부기판으로 사용되는 유리기판상에 SiO2 등의 절연층을 형성한 다음, 그 상부에 실시간으로 다결정화시킨 본 발명의 실리콘 박막을 증착한다. 그 다음, 에칭 공정 등을 통하여 기판상에 각종 전극 을 형성함으로써 TFT형성 공정을 완료한다. 향후 이 기판은 액정 디스플레이에서 하부 기판으로 사용된다. 한편, 상기 하부기판과는 별도로 R,G,B로 이루어진 칼라필터를 장착한 상부기판을 형성하고 각 상하기판상에 경화된 폴리이미드(polyimide) 등으로 만들어진 배향막을 도포한다. 그 후, 배향막을 러빙(rubbing)시킨 후 두 기판 사이에 스페이서를 배치하여 간격을 만들고 액정을 그 사이에 주입함으로써 셀 공정이 완료된다. 상기 공정 후에 칩, 편광판, PCB 등을 장착한 후 조립하여 패키징하는 것은 일반적인 공정과 동일하다.
본 발명은 상기 LCD 제작과정의 하나인 TFT 제조단계에서 실리콘 박막 형성시에 이용되는 것으로서, 이 박막 형성방법은 앞에서 상세하게 설명한 실시 예들과 동일하다.
또한, 본 발명은 저온 폴리실리콘 태양전지 산업에서 다결정 실리콘 박막 제작에도 응용분야를 갖는 것이다. 이를 간략히 설명하면, 일반적인 태양전지는 n형 실리콘 박막에 i형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막이 접촉한 형태로서 외부로부터 빛이 입사되면 이를 전자와 정공으로 분리하여 연결된 도선으로 제공하는 것인데, 상기 n형 및 I형, p형 실리콘 박막을 본 발명에서 설명된 실시 예들로 제조하는 것이다.
또한, 유기 EL 디스플레이의 제조시에도 본 발명을 이용할 수 있다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 유기 EL 디스플레이는 상부 전극 및 하부 전극 사이에 유기발광 매체가 삽입된 구조로서, 각 전극으로 입력된 전류는 중간의 유기발광 매체에서 결합하여 소멸되면서 각 픽셀에서 발광(發光)하게 된다. 이 때 상기 각 픽셀의 발 광을 제어하는 제어수단으로서 실리콘 박막 트랜지스터를 장착한 형태가 액티브 매트릭스 방식의 OLED 소자이다. 이러한 액티브 매트릭스형 소자의 제작, 즉 상기 실리콘 박막 트랜지스터를 제작할 때 본 발명은 전술한 방법으로 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔과 이온빔을 이용한 저온 폴리실리콘 제조 방법은 TFT-LCD, OLED, 태양전지, LED, Image Sensor, Color Sensor, Light Sensor 등의 제조에 널리 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 실리콘 공급 수단의 일례인 RF/DC 스퍼터링을 사용하고, 전자빔을 동시 조사함으로써 폴리 실리콘을 증착하는 과정을 도시한 도면 및 흐름도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 전자빔의 단속적 펄스형 주입 방법의 흐름도.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 실리콘 공급 수단의 일례인 RF/DC 스퍼터링을 사용하고, 전자빔을 후처리 방법으로 조사함으로써 폴리 실리콘을 증착하는 과정을 도시한 도면 및 흐름도.
도 4는 실리콘 공급수단의 일례인 이온빔 스퍼터링 장치를 사용하고, 전자빔을 동시 조사함으로써 폴리 실리콘을 증착하는 과정을 도시한 도면.
도 5는 실리콘 공급수단의 일례인 전자빔 기상증발장치를 사용하고, 전자빔을 동시 조사함으로써 폴리 실리콘을 증착하는 과정을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서, 실리콘을 공급하고, 전자빔을 조사하는 과정에 이온빔을 추가로 조사하며 폴리 실리콘을 증착하는 과정을 도시한 도면들.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 실리콘 박막 제조 방법에 있어서 이들의 다양한 실시 형태들을 예시적으로 도시한 흐름도 들.
도 8은 본 발명에 따라 이온빔 스퍼터 증착되면서 동시에 전자빔을 조사하여 제조된 폴리실리콘에 대한 전자현미경(TEM) 사진과 일부 부분 확대 사진.
도 9는 본 발명에 따라 이온빔 스퍼터 증착되면서 동시에 전자빔을 조사하여 제조된 폴리실리콘에 대한 전자현미경(TEM) 회절 패턴 사진.
도 10은 본 발명에 따라 PECVD로 실리콘을 증착하고서 후처리로 전자빔을 조사하여 제조된 폴리실리콘에 대한 전자현미경(TEM) 사진.

Claims (36)

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  3. (a) 기판을 제공하는 단계;
    (b) 상기 기판의 표면에 실리콘 소스를 공급하여 기판의 표면에 실리콘 박막을 형성하는 단계;
    (c) 상기 기판의 표면에 전자빔을 조사하는 단계;
    (d) 상기 기판의 표면에 이온빔을 조사하는 단계;
    를 포함하며, 상기 공급된 실리콘 소스에 의해 상기 기판상에 실리콘 박막이 증착되는 과정 중에, 상기 조사된 전자빔이 상기 증착중의 실리콘 박막에 에너지를 공급하여 실리콘 박막을 동시처리 방식으로 증착 공정 중에 결정화시키며, 상기 이온빔은 상기 기판의 표면에 축적되는 전자빔의 전하들을 중화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계가 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 (c) 단계와 (d) 단계는 함께 실행되되 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계가 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 (c) 단계와 (d) 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 서로 번갈아가면서 반복 실행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계가 제1 주기에 따라 단속적으로 반복 실행됨과 동시에, 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계는 함께 실행되되 제2 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되며, 상기 제1 주기와 제2 주기는 (b) 단계와 상기 (c) 및 (d) 단계가 서로 번갈아가며 반복적으로 실행되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계와 (c) 단계와 (d) 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 순차적으로 반복 실행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조 방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계는 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 (d) 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되며, 상기 (c) 단계는 동일한 에너지 레벨로 조사되거나 일정 주기에 따라 에너지 레벨을 달리하여 조사되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조 방법.
  9. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계와 상기 (d) 단계는 연속적으로 계속 실행됨과 동시에, 상기 (c) 단계는 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조 방법.
  10. 제4항 내지 제7항, 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (c) 단계의 전자빔 조사를 사전에 설정된 주기에 따라 단속적으로 반복 실행하는 단계는 상기 주기와 동일한 주기에 따라 조사 에너지 레벨을 달리하여 펄스 형태로 반복 조사하는 단계로 대체되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조 방법.
  11. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 공급 단계는 실리콘 타겟을 이용한 RF/DC 스퍼터링법(Sputtering), 이온빔 스퍼터링법(Ion Beam Sputtering), Pulsed Laser Deposition법, 실리콘을 가열 증발시키는 열 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(E-beam Evaporation), 실리콘 증착용 가스들을 분위기 가스로 기판상에 공급하는 방법 및 플라즈마상에서의 실리콘 원소나 이온을 추출하는 방법 중 어느 한 방법을 이용하여 실리콘 소스를 공급하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
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  20. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전자빔은 뾰족한 첨단 부위에 양전압을 걸어 전자를 추출하는 전계추출(Field Emission) 방식, 필라멘트를 가열하여 만드는 hot filament 열전자법 또는 플라즈마를 그리드로 차폐함과 동시에 전압을 걸어 전자를 추출 가속하는 플라즈마 추출 방식 중 어느 한 방법을 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  21. 제20항에 있어서 차폐된 플라즈마를 생성하는 전원의 교류주파수는 MF, HF, RF, VHF, UHF, Microwave 중 어느 하나를 사용하며, 상기 전원의 전극 또는 안테나의 형태가 Capacitive, Inductive, ICP, ECR, Helical, Helicon, Hollow Cathode, Hot Filament 중 어느 한 방법을 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  22. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전자빔이 조사되는 영역의 상기 기판의 주변 온도는 상온 ~ 400℃, 기판 주위의 작업 압력은 10-7 ∼ 10-4 Torr 인 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  23. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자빔은 500eV ∼ 100keV의 에너지, 1㎂/cm2∼1mA/cm2의 전류 밀도를 가진 전자들로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  24. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판을 지지하는 기판 홀더는 ground potential을 유지하고 기판과 기판 홀더 사이에 절연판을 삽입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  25. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온빔은 1eV ~ 500eV의 에너지를 갖는 불활성 가스 양이온들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  26. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 석영, 파이렉스, 실리콘 웨이퍼, 유리 및 폴리머, 박판 스텐레스 금속판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 폴리머는 플라스틱, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에스터설폰, 폴리아크릴레이트, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  28. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자빔 조사 영역에 수소가스를 공급하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  29. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자빔 조사 영역에 헬륨(He) 가스를 공급하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
  30. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각 단계를 진행할 때, 상기 기판을 이동시키거나 전자빔 및 이온빔 조사 장치를 이동시킴으로써, 또는 전자빔 및 이온빔의 경로를 바꿀 수 있는 전기장이나 자기장을 이용하여 기판을 향하는 전자빔의 경로를 바꾸어 주는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 제조방법.
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