KR101073051B1 - METHOD FOR LOW-TEMPERATURE FAST FORMING OF Si THIN FILM AND APPARATUS FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 위에 실리콘 박막을 고속으로 증착할 수 있는 실리콘 박막 증착 장치 및 이를 이용한 실리콘 박막 증착 방법에 관한 것이다. 실리콘 박막의 증착 방법은, 기판을 세척하여 기판 표면의 이물질을 제거하고, 기판을 챔버 내부에 장착하고, 냉각 유체를 이용하여 기판을 냉각시키고, 챔버를 가열하여 기판과 챔버 사이에 온도 구배를 형성하고, 챔버 내부로 실리콘 소스 가스를 주입 후 실리콘 소스 가스를 가열 및 열분해하여 기판 위에 실리콘 박막을 증착하는 단계들을 포함한다.The present invention relates to a silicon thin film deposition apparatus capable of depositing a silicon thin film on a substrate at high speed, and a silicon thin film deposition method using the same. In the deposition method of a silicon thin film, the substrate is cleaned to remove foreign substances on the surface of the substrate, the substrate is mounted inside the chamber, the substrate is cooled using a cooling fluid, and the chamber is heated to form a temperature gradient between the substrate and the chamber. And injecting the silicon source gas into the chamber and heating and pyrolyzing the silicon source gas to deposit a silicon thin film on the substrate.
박막, 증착, 소스가스, 챔버, 기판, 냉각, 지지, 가열, 제어부 Thin film, deposition, source gas, chamber, substrate, cooling, support, heating, control unit
Description
본 발명은 실리콘 박막의 증착 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 위에 실리콘 박막을 고속으로 증착할 수 있는 실리콘 박막의 저온 고속 증착 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for depositing a silicon thin film, and more particularly, to a method and apparatus for low temperature high speed deposition of a silicon thin film capable of high speed deposition of a silicon thin film on a substrate.
실리콘 웨이퍼 뿐만 아니라 유리, 플라스틱 등 다양한 소재의 기판 위에 반도체 소자를 집적하는 연구가 진행되고 있다. 또한, 반도체 소자가 복잡한 정보 처리 기능을 수행하기 위해서는 비교적 높은 전자 이동도를 가지는 다결정 실리콘 소재를 박막 형태로 증착하는 기술이 요구된다.Research into integrating semiconductor devices on substrates of various materials such as glass, plastic, as well as silicon wafers, is being conducted. In addition, in order for a semiconductor device to perform a complex information processing function, a technique of depositing a polycrystalline silicon material having a relatively high electron mobility in a thin film form is required.
다결정 실리콘 박막은, 주로 비정질 실리콘 박막을 먼저 증착한 다음 레이저 빔을 조사하여 비정질 실리콘을 순간적으로 용융 및 재결정화하는 과정으로 형성할 수 있다. 그러나 이 방법은 플라스틱과 같이 내열성이 매우 낮은 기판에서는 적용에 어려움이 있다.The polycrystalline silicon thin film may be formed by first depositing an amorphous silicon thin film first and then irradiating a laser beam to instantly melt and recrystallize the amorphous silicon. However, this method is difficult to apply to substrates with very low heat resistance, such as plastics.
한편, 기판 위에 다결정상의 실리콘을 직접 증착할 수도 있으나, 이 경우 증착 속도가 매우 느리다. 또한, 내열성이 비교적 낮은 기판 위에 증착하고자 할 경 우 내열성이 높은 기판의 경우보다 증착 속도를 낮추어야 하며, 양질의 박막을 얻기 위해서는 증착 속도를 더욱 낮추어야 한다. 따라서 낮은 온도 범위에서 고속으로 증착할 수 있는 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다.On the other hand, it is also possible to deposit polycrystalline silicon directly on the substrate, in which case the deposition rate is very slow. In addition, in order to deposit on a substrate having relatively low heat resistance, the deposition rate should be lower than that of a substrate having high heat resistance, and the deposition rate should be further lowered to obtain a high quality thin film. Therefore, the importance of a technique capable of high speed deposition in a low temperature range is becoming more important.
본 발명은 다양한 소재의 기판 위에 양질의 박막을 고속으로 증착할 수 있는 실리콘 박막의 저온 고속 증착 방법 및 장치를 제공하고자 한다.The present invention is to provide a method and apparatus for low temperature and high speed deposition of a silicon thin film capable of rapidly depositing a high quality thin film on a substrate of various materials.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 방법은, ⅰ) 기판을 세척하여 기판 표면의 이물질을 제거하고, ⅱ) 기판을 챔버 내부에 장착하고, ⅲ) 냉각 유체를 이용하여 기판을 냉각시키고, ⅳ) 챔버를 가열하여 기판과 챔버 사이에 온도 구배를 형성하고, ⅴ) 챔버 내부로 실리콘 소스 가스를 주입 후 실리콘 소스 가스를 가열 및 열분해하여 기판 위에 실리콘 박막을 증착하는 단계들을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a low-temperature, high-speed deposition method of a silicon thin film may include: i) cleaning a substrate to remove foreign substances from the surface of the substrate, ii) mounting the substrate inside the chamber, and iii) using a cooling fluid. Iii) heating the chamber to form a temperature gradient between the substrate and the chamber, iii) injecting a silicon source gas into the chamber, and heating and pyrolysing the silicon source gas to deposit a silicon thin film on the substrate. .
챔버 내부에 기판과 접촉하는 기판 냉각부를 설치하고, 챔버의 외부로부터 기판 냉각부에 냉각 유체를 공급하여 기판을 냉각시킬 수 있다.The substrate cooling unit may be provided in contact with the substrate in the chamber, and the substrate may be cooled by supplying a cooling fluid to the substrate cooling unit from the outside of the chamber.
온도 구배를 형성하는 단계 및 박막을 증착하는 단계에서도 기판 냉각부에 냉각 유체를 지속적으로 공급할 수 있다.In the step of forming a temperature gradient and depositing a thin film, the cooling fluid may be continuously supplied to the substrate cooling unit.
냉각 유체의 유량 및 실리콘 소스 가스의 압력에 비례하여 온도 구배를 높일 수 있다. 실리콘 박막을 증착하는 단계에서, 기판과 실리콘 소스 가스의 온도 차이 는 100℃ 내지 200℃의 범위에 속할 수 있으며, 기판의 온도는 0℃ 내지 600℃의 범위에 속할 수 있다.The temperature gradient can be increased in proportion to the flow rate of the cooling fluid and the pressure of the silicon source gas. In the step of depositing the silicon thin film, the temperature difference between the substrate and the silicon source gas may be in the range of 100 ℃ to 200 ℃, the temperature of the substrate may be in the range of 0 ℃ to 600 ℃.
기판은 실리콘, 유리, 석영, 알루미나 및 플라스틱 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 실리콘 소스 가스는 헬륨 가스 또는 수소 가스에 희석된 모노실란 가스를 포함할 수 있다.The substrate may be made of any one of silicon, glass, quartz, alumina and plastic. The silicon source gas may comprise a monosilane gas diluted with helium gas or hydrogen gas.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치는, ⅰ) 실리콘 소스 가스를 공급받는 챔버, ⅱ) 챔버에 설치되어 챔버를 가열하는 챔버 가열부, ⅲ) 챔버의 내부에 장착되며, 실리콘 박막이 증착될 기판을 지지하는 기판 지지부, ⅳ) 기판과 접촉하도록 기판 지지부에 설치되며, 챔버의 외부로부터 냉각 유체를 제공받아 기판을 냉각시키는 기판 냉각부, 및 ⅴ) 챔버 가열부 및 기판 냉각부와 연결되어 챔버와 기판의 온도를 각각 제어하는 제어부를 포함한다.A low temperature high speed deposition apparatus of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention, iii) a chamber for supplying a silicon source gas, ii) a chamber heating unit installed in the chamber to heat the chamber, iii) mounted inside the chamber, A substrate support for supporting a substrate on which a silicon thin film is to be deposited; (iii) a substrate support provided in contact with the substrate, the substrate cooling part for cooling the substrate by receiving a cooling fluid from the outside of the chamber, and iii) a chamber heating part and a substrate cooling part. It is connected to the unit and includes a control unit for controlling the temperature of the chamber and the substrate, respectively.
기판 냉각부는, ⅰ) 기판과 접촉하며 냉각 유체를 제공받아 순환시키는 순환 관부, ⅱ) 순환 관부와 챔버의 외부를 연결하여 순환 관부로 냉각 유체를 공급하는 제1 관부, 및 ⅲ) 제1 관부를 둘러싸 제1 관부와 함께 이중관을 구성하며, 순환 관부와 챔버의 외부를 연결하여 냉각에 사용된 냉각 유체를 배출하는 제2 관부를 포함할 수 있다.The substrate cooling unit includes: iii) a circulating pipe part contacting the substrate and receiving and circulating a cooling fluid; ii) a first pipe part connecting the circulation pipe part to the outside of the chamber to supply cooling fluid to the circulation pipe part, and iii) a first pipe part. The double pipe may be configured together with the surrounding first pipe part, and may include a second pipe part which connects the circulation pipe part and the outside of the chamber to discharge the cooling fluid used for cooling.
기판 냉각부는, 제2 관부를 둘러싸며 내부를 진공으로 유지하는 보호 관부를 더 포함할 수 있다.The substrate cooling unit may further include a protection tube unit surrounding the second tube unit and maintaining the inside in a vacuum.
기판 지지부는 순환 관부를 수용하는 내부 공간을 형성하며, 기판보다 작은크기의 개구부가 형성된 상면을 포함할 수 있다.The substrate support part may form an inner space for accommodating the circulation pipe part, and may include an upper surface having an opening smaller than the substrate.
화학기상증착(CVD)법을 이용하여 기판 위에 실리콘 박막을 증착시킬 때, 기판을 냉각시킴에 따라 기판과 챔버 사이에 큰 온도 구배를 형성할 수 있다. 따라서 저온의 기판 위에 양질의 실리콘 박막을 고속으로 증착할 수 있으며, 플라스틱과 같이 내열 특성이 매우 낮은 기판도 용이하게 적용할 수 있으므로 다양한 소재의 기판 위에 실리콘 박막을 형성할 수 있다.When depositing a silicon thin film on a substrate using chemical vapor deposition (CVD), a large temperature gradient can be formed between the substrate and the chamber as the substrate is cooled. Therefore, a high quality silicon thin film can be deposited on a low temperature substrate at high speed, and a substrate having very low heat resistance such as plastic can be easily applied to form a silicon thin film on a substrate of various materials.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 저온 고속 증착 장치 중 기판과 기판 지지부 및 기판 냉각부를 나타낸 단면도이다.1 is a perspective view illustrating a low temperature high speed deposition apparatus of a silicon thin film according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a substrate, a substrate support unit, and a substrate cooling unit of the low temperature high speed deposition apparatus of FIG. 1.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치(100)는 챔버(10), 챔버 가열부(12), 기판 지지부(14), 기판 냉각부(16) 및 제어부(18)를 포함한다.1 and 2, the low-temperature, high-
챔버(10)는 석영관으로 제조될 수 있다. 챔버(10)의 내부에는 기판(20)이 위치하며, 실리콘 박막 증착을 위한 실리콘 소스 가스가 챔버(10) 내부로 공급된다. 실리콘 소스 가스는 헬륨(He) 가스 또는 수소(H2) 가스에 희석된 모노실란(SiH4) 가스를 포함할 수 있다.The
챔버 가열부(12)는 챔버(10)의 외주면을 둘러싸는 저항 열선으로 구성될 수 있다. 챔버 가열부(12)는 챔버(10)에 주입된 실리콘 소스 가스를 가열 및 열분해함으로써 기판(20) 위에 실리콘 박막이 증착되도록 하는 역할을 한다. 실리콘 박막이 증착되는 과정에서 실리콘 소스 가스는 일정한 온도를 유지한다.The
기판 지지부(14)는 챔버(10) 내부에 설치된다. 기판 지지부(14)는 소정의 내부 공간을 가지는 박스 모양으로 형성되며, 그 상면(141)에 기판(20)보다 작은 크기의 개구부(142)를 형성할 수 있다. 기판(20)은 개구부(142)가 형성된 기판 지지부(14)의 상면(141)에 위치한다. 따라서 기판(20)의 가장자리는 기판 지지부(14)에 의해 지지되는 반면, 기판(20)의 중앙부는 뜬 상태를 유지할 수 있다.The
기판(20)은 세척 과정에 의해 표면 이물질이 제거된 것이 사용되며, 실리콘, 유리, 석영, 알루미나 및 플라스틱 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 실리콘, 유리, 석영, 알루미나 및 플라스틱은 서로 다른 내열 특성을 가지는데, 제1 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치(100)에서는 내열 특성이 상이한 다양한 종류의 기판(10)을 용이하게 적용할 수 있다.The
기판 냉각부(16)는 기판(20)의 저면과 접촉하도록 기판 지지부(14) 내부에 설치되며, 챔버(10)의 외부로부터 냉각 유체를 공급받아 기판(20)을 냉각시킨다. 기판(20)은 냉각 유체에 의해 냉각되어 챔버(10)와의 사이에 큰 온도 구배를 형성 하게 된다. 기판 지지부(14)와 기판 냉각부(16) 모두 챔버(10)의 내벽과 거리를 두고 위치한다.The
기판 냉각부(16)는, 기판 지지부(14)의 내부에 위치하여 기판(20)과 접촉하며 냉각 유체를 제공받아 순환시키는 순환 관부(161)와, 순환 관부(161)와 챔버(10) 외부를 연결하여 순환 관부(161)로 냉각 유체를 공급하는 제1 관부(162)와, 순환 관부(161)와 챔버(10) 외부를 연결하여 냉각에 사용된 냉각 유체를 챔버(10) 외부로 배출시키는 제2 관부(163)를 포함할 수 있다.The
이때, 제2 관부(163)는 제1 관부(162)를 둘러싸도록 형성되어 제1 관부(162)와 함께 이중관의 형태를 취할 수 있다. 이 경우, 제2 관부(163)가 제1 관부(162)를 챔버(10)로부터 격리시키는 보호관의 기능을 하여 제1 관부(162)로 공급되는 냉각 유체의 열 손실을 최소화할 수 있으며, 기판 냉각부(16)의 구성을 단순화할 수 있다.In this case, the
제1 관부(162)와 제2 관부(163)는 냉각기(22)에 연결된다. 냉각기(22)는 제2 관부(163)로부터 배출된 냉각 유체를 냉각시켜 이를 제1 관부(162)로 공급한다. 냉각 유체로는 공기 또는 물이 사용될 수 있다. 도 1에서는 순환 관부(161)가 원형의 고리 모양으로 형성된 경우를 도시하였으나, 기판 냉각부(16)의 구성은 도시한 예에 한정되지 않으며 다양하게 변형 가능하다.The
제어부(18)는 챔버 가열부(12) 및 기판 냉각부(16)와 연결되어 실리콘 소스 가스와 기판(20)의 온도를 각각 제어한다. 즉, 제어부(18)는 챔버 가열부(12)의 작동을 제어하여 챔버(10)의 온도 및 챔버(10)에 주입된 실리콘 소스 가스의 온도를 제어한다. 또한, 제어부(18)는 냉각기(22)와 연결되어 순환 관부(161)로 공급되는 냉각 유체의 온도를 제어한다. 따라서 실리콘 소스 가스와 냉각 유체의 온도 차이를 용이하게 조절할 수 있다.The
기판 냉각부(16)에 의해 기판(20)이 냉각됨에 따라 챔버(10)와 기판(20) 사이에 큰 온도 구배(ΔT)가 형성된다. 온도 구배는 냉각 유체의 유량 및 실리콘 소스 가스의 압력에 비례한다.As the
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치 중 기판 냉각부를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a substrate cooling unit in a low temperature high speed deposition apparatus of a silicon thin film according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참고하면, 제2 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치에서 기판 냉각부(16')는 전술한 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서 제2 관부(163)를 둘러싸는 보호 관부(164)를 더 포함한다. 보호 관부(164)는 순환 관부(161)의 내부와 연결되지 않으며, 냉각기(22)(도 2 참조)와도 연결되지 않는다. 보호 관부(164)는 그 내부를 진공으로 유지할 수 있다.Referring to FIG. 3, the
이와 같이 제2 관부(163)와 챔버(10) 사이에 진공의 보호 관부(164)를 설치함에 따라, 가열된 실리콘 소스 가스와 제1 관부(162) 사이의 열교환을 방지할 수 있다. 따라서 기판(20)의 온도가 챔버(10) 내부의 온도에 연동하여 상승하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.As such, by installing the vacuum
다음으로, 전술한 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치를 이용한 실리콘 박막의 증착 방법에 대하여 설명한다.Next, the deposition method of the silicon thin film using the low temperature high speed vapor deposition apparatus of the above-mentioned silicon thin film is demonstrated.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 방법을 나타낸 공정 순서도이다.4 is a process flowchart showing a low temperature high speed deposition method of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 방법은, 기판(20)을 세척하여 기판(20) 표면의 이물질을 제거하는 제1 단계(S10)와, 세척된 기판(20)을 챔버(10) 내부의 기판 냉각부(16) 위에 장착하는 제2 단계(S20)와, 기판 냉각부(16)에 냉각 유체를 공급하여 기판(20)을 냉각시키는 제3 단계(S30)와, 챔버 가열부(12)를 구동하여 챔버(10)를 가열함으로써 기판(20)과 챔버(10) 사이에 온도 구배를 형성하는 제4 단계(S40)와, 챔버(10) 내부로 실리콘 소스 가스를 주입하고 실리콘 소스 가스를 가열 및 열분해함으로써 기판(20) 위에 실리콘 박막을 증착하는 제5 단계(S50)를 포함한다.Referring to FIG. 4, in the low-temperature high-speed deposition method of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention, the first step (S10) of cleaning the
제1 단계(S10)에서 기판(20)의 세척은 기판(20) 표면에 존재하는 이물질, 특히 금속 이물질을 제거하기 위한 것으로서, 기판(20)을 아세톤 용액, 메탄올 용액 및 이소프로필알콜 용액에 각각 1분 이상 세척 후 증류수로 2분 이상 세척하여 기판 표면의 이물질을 제거한다.In the first step S10, the cleaning of the
만일 제1 단계(S10)의 세척을 거치지 않고 기판을 챔버에 장착하는 경우, 기판 표면에 잔류하는 이물질, 특히 금속 이물질에 의해 실리콘 박막이 고르게 형성되지 않으며, 실리콘 와이어와 같은 불규칙적인 구조물이 형성될 수 있다. 따라서 고품질의 실리콘 박막 형성을 위해서는 반드시 기판(20)을 세척하는 제1 단계(S10)를 거쳐야 한다.If the substrate is mounted in the chamber without undergoing the cleaning of the first step S10, the silicon thin film may not be uniformly formed by the foreign matter remaining on the surface of the substrate, in particular, the metal foreign matter, and an irregular structure such as silicon wire may be formed. Can be. Therefore, in order to form a high quality silicon thin film, the first step S10 of cleaning the
냉각 유체는 제4 단계(S40) 및 제5 단계(S50)에서도 지속적으로 공급되어 기판(20)이 일정한 온도를 유지하도록 한다. 제3 단계(S30) 내지 제5 단계(S50)에서, 제어부(18)를 이용하여 냉각 유체의 온도와 유량을 조절함으로써 기판(20)의 온도를 제어할 수 있다. 냉각 유체의 온도가 낮고 유량이 클수록 기판(20)의 온도를 낮출 수 있으며, 기판(20)과 챔버(10) 사이의 온도 구배를 크게 할 수 있다.The cooling fluid is continuously supplied in the fourth step S40 and the fifth step S50 so that the
이때, 제1 관부(162)는 제2 관부(163) 또는 제2 관부(163)와 보호 관부(164)로 둘러싸여 챔버(10)의 내부와 열적으로 분리되어 있으므로, 냉각 유체의 열손실을 최소화할 수 있다.In this case, since the
제5 단계(S50)에서, 실리콘 소스 가스는 헬륨(He) 가스 또는 수소(H2) 가스에 희석된 모노실란(SiH4) 가스일 수 있다.In a fifth step S50, the silicon source gas may be a monosilane (SiH 4 ) gas diluted in helium (He) gas or hydrogen (H 2 ) gas.
제5 단계(S50) 초기에 챔버(10)로 주입되는 실리콘 소스 가스는 찬 상태인데, 실리콘 소스 가스의 압력이 높을수록 기판(20)과 실리콘 소스 가스의 열전달 효과가 증대되므로 기판(20)의 온도를 낮출 수 있다. 따라서 제5 단계(S50) 초기에 실리콘 소스 가스의 압력을 높여 기판(20)과 챔버(10) 사이의 온도 구배를 더욱 크게 할 수 있다. 챔버(10)에 주입된 실리콘 소스 가스는 챔버 가열부(12)에 의해 서서히 가열되어 열분해된다.The silicon source gas injected into the
챔버(10) 내부에서 가열 및 열분해된 실리콘 소스 가스는 기판(20)과 챔버(10) 사이에 형성된 온도 구배를 따라 열역학 및 유체역학적인 구동력에 의해 고온부(챔버(10))에서 저온부(기판(20))로 빠르게 이동하면서 저온부인 기판(20) 위에 치밀한 구조를 이루며 고속으로 증착된다. 따라서 기판(20) 위에 고속으로 양질의 실리콘 박막을 형성할 수 있다.The silicon source gas heated and pyrolyzed in the
제5 단계(S50)에서, 기판(20)과 실리콘 소스 가스의 온도 차이는 100℃ 내지 200℃일 수 있으며, 기판(20)의 온도는 0℃ 내지 600℃일 수 있다.In a fifth step S50, the temperature difference between the
기판(20)과 실리콘 소스 가스의 온도 차이가 100℃ 미만이면, 기판(20)과 챔버(10) 사이의 온도 구배가 충분하지 않으므로 고속 증착 효과를 얻기 어려워진다. 반면, 기판(20)과 실리콘 소스 가스의 온도 차이가 200℃를 초과하면, 챔버(10)가 과열되거나 실리콘 박막이 과도하게 증착되어 실리콘 박막의 치밀성과 물리적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 냉각 유체의 압력과 실리콘 소스 가스의 압력이 과대해지므로 전체적인 시스템 안정성이 저하될 수 있다. 기판(20)과 실리콘 소스 가스의 온도 차이는 160℃로 설정할 수 있다.If the temperature difference between the
기판(20)의 온도가 0℃ 미만이면, 양질의 실리콘 박막을 증착하기 어려워진다. 반면, 기판(20)의 온도가 600℃를 초과하면, 기판(20)과 챔버(10) 사이에 충분한 온도 구배를 형성하기 어려우며, 기판(20)의 온도 상승에 의해 기판(20)으로 사용 가능한 소재가 한정될 수 있다.If the temperature of the
이와 같이 본 실시예에 따르면, 화학기상증착(CVD)법을 이용하여 실리콘 박막을 증착시킬 때, 기판(20)을 냉각시킴에 따라 기판(20)과 챔버(10) 사이에 큰 온도 구배를 형성한다. 따라서 저온의 기판(20) 위에 양질의 실리콘 박막을 고속으로 증착할 수 있으며, 플라스틱과 같이 내열 특성이 매우 낮은 기판(20)도 용이하게 적용할 수 있으므로 다양한 소재의 기판(20) 위에 실리콘 박막을 형성할 수 있다.As described above, according to the present exemplary embodiment, when the silicon thin film is deposited by chemical vapor deposition (CVD), a large temperature gradient is formed between the
도 5는 도 1에 도시한 실리콘 박막 증착 장치를 구동하여 기판의 실제 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating a result of measuring actual temperatures of a substrate by driving the silicon thin film deposition apparatus illustrated in FIG. 1.
실험을 위해 냉각 유체로서 상온의 공기를 80psi의 압력으로 기판 냉각부에 공급하여 기판을 냉각하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, 챔버의 온도가 높을수록 기판의 온도도 함께 높아지지만, 기판과 챔버는 대략 160℃의 온도 차이를 그대로 유지한다. 이때, 더 큰 유량의 공기나 냉각수를 냉각 유체로 사용하거나, 실리콘 소스 가스의 압력을 높이면 기판의 온도를 더욱 낮출 수 있다. 도 5에 나타낸 결과는 50Torr의 챔버 압력에서 측정한 결과이다.For experiments, the substrate was cooled by supplying air at room temperature as a cooling fluid at a pressure of 80 psi to the substrate cooling unit. As shown in FIG. 5, the higher the temperature of the chamber, the higher the temperature of the substrate, but the substrate and the chamber maintain a temperature difference of approximately 160 ° C. as it is. In this case, a larger flow rate of air or cooling water may be used as the cooling fluid, or a higher pressure of the silicon source gas may further lower the temperature of the substrate. The result shown in FIG. 5 is the result measured at the chamber pressure of 50 Torr.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 아래에 설명하는 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명이 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the embodiments described below are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following embodiments.
(실시예)(Example)
챔버 내부의 압력을 50Torr로 조절하고, 냉각 유체로서 상온의 공기를 80psi의 압력으로 기판 냉각부에 주입하여 기판 지지부와 기판을 냉각시켰다. 기판으로는 300nm SiO2/Si 기판을 사용하였다. 기판을 냉각시키는 동시에 챔버를 550℃에서 700℃에 이르기까지 50℃ 간격으로 가열하여 기판과 챔버 사이에 온도 구배를 형성하였다. 그 후 헬륨가스에 희석된 모노실란 가스를 분당 50ml(50sccm)로 챔버에 주입하면서 기판 위에 실리콘 박막을 증착하였다.The pressure inside the chamber was adjusted to 50 Torr, and the substrate support and the substrate were cooled by injecting air at room temperature as a cooling fluid to the substrate cooling unit at a pressure of 80 psi. A 300 nm SiO 2 / Si substrate was used as the substrate. While cooling the substrate, the chamber was heated at 50 ° C. intervals from 550 ° C. to 700 ° C. to form a temperature gradient between the substrate and the chamber. Then, a silicon thin film was deposited on the substrate while injecting monosilane gas diluted in helium gas into the chamber at 50 ml per minute (50 sccm).
(비교예)(Comparative Example)
챔버의 온도를 조절하여 기판과 챔버 사이에 온도 구배를 형성하지 않은 것을 제외하고 실시예와 동일한 방법을 실시하여 기판 위에 실리콘 박막을 증착하였 다.A silicon thin film was deposited on the substrate in the same manner as in Example except that the temperature gradient was not formed between the substrate and the chamber by adjusting the temperature of the chamber.
도 6은 실시예 및 비교예에 따라 기판 위에 형성된 실리콘 박막의 주사 전자 현미경 사진이다.6 is a scanning electron micrograph of a silicon thin film formed on a substrate according to Examples and Comparative Examples.
도 6의 (a)는 650℃(챔버)/490℃(기판)의 온도 구배 조건에서 증착된 실시예의 실리콘 박막을 나타낸다. (b)는 온도 구배 없이 챔버와 기판 모두 490℃의 조건에서 증착된 비교예의 실리콘 박막을 나타낸다. (c)는 700℃(챔버)/555℃(기판)의 온도 구배 조건에서 증착된 실시예의 실리콘 박막을 나타낸다. (d)는 온도 구배 없이 챔버와 기판 모두 555℃의 조건에서 증착된 비교예의 실리콘 박막을 나타낸다. 실시예와 비교예 모두 증착 시간은 15분이다.6 (a) shows the silicon thin film of the embodiment deposited under a temperature gradient of 650 ° C. (chamber) / 490 ° C. (substrate). (b) shows the silicon thin film of Comparative Example deposited at 490 ° C. for both chamber and substrate without temperature gradient. (c) shows the silicon thin film of the Example deposited at the temperature gradient conditions of 700 ° C (chamber) / 555 ° C (substrate). (d) shows the silicon thin film of the comparative example deposited on both the chamber and the substrate at 555 ° C. without temperature gradient. In both the Examples and the Comparative Examples, the deposition time was 15 minutes.
도 6을 참고하면, 온도 구배가 형성된 조건에서 증착된 실시예(a와 c)의 경우, 수 내지 수십 마이크로미터 두께(3.22㎛ 내지 89.1㎛)의 실리콘 박막이 형성되었다. 반면, 같은 시간 동안 온도 구배가 없는 조건에서 증착된 비교예(b와 d)의 경우, 수백 나노미터 두께(272nm 내지 636nm)의 얇은 실리콘 박막이 형성되었다.Referring to FIG. 6, in the embodiments (a and c) deposited under a temperature gradient, a silicon thin film having a thickness of several to several tens of micrometers (3.22 μm to 89.1 μm) was formed. On the other hand, in the case of Comparative Examples (b and d) deposited in the absence of a temperature gradient for the same time, a thin silicon film of several hundred nanometers thick (272nm to 636nm) was formed.
위의 결과로부터 기판과 챔버 사이에 온도 구배를 형성한 실시예에서 실리콘 박막의 증착 속도가 102배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.In one embodiment a temperature gradient between the substrate and the chamber, from the results of the above example, the deposition rate of the silicon thin film can be confirmed that at least 10, up twice.
도 7은 실시예 및 비교예에 따라 기판 위에 형성된 실리콘 박막의 증착 속도를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing deposition rates of silicon thin films formed on substrates according to Examples and Comparative Examples.
도 7에서 A1, A2 및 A3는 650℃(챔버)/490℃(기판)의 온도 구배 조건에서 실리콘 박막을 증착한 실시예의 경우이며, 성장 시간에 따른 실리콘 박막의 두께를 나타낸다. B1과 B2는 온도 구배 없이 챔버와 기판 모두 490℃의 조건에서 실리콘 박막을 증착한 비교예의 경우이며, 11분의 성장 시간에서 측정한 실리콘 박막의 두께를 나타낸다. 이때, B1은 헬륨가스에 희석된 모노실란 가스를 사용한 경우이고, B2는 수소가스에 희석된 모노실란 가스를 사용한 경우이다. 헬륨가스를 사용한 경우가 동일 조건에서 수소가스를 사용한 경우보다 빠른 증착 속도를 나타낸다.In FIG. 7, A1, A2, and A3 are examples of an embodiment in which a silicon thin film is deposited under a temperature gradient of 650 ° C. (chamber) / 490 ° C. (substrate), and shows the thickness of the silicon thin film according to growth time. B1 and B2 are the case of the comparative example in which the silicon thin film was deposited at 490 ° C. in both the chamber and the substrate without a temperature gradient, and represents the thickness of the silicon thin film measured at a growth time of 11 minutes. At this time, B1 is a case where monosilane gas diluted in helium gas is used, and B2 is a case where monosilane gas diluted in hydrogen gas is used. The use of helium gas shows a faster deposition rate than the use of hydrogen gas under the same conditions.
도 6의 결과와 동일하게 도 7의 결과에서도 기판과 챔버 사이에 온도 구배를 형성한 실시예에서 실리콘 박막의 증착 속도가 비교예보다 102배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.As in the result of FIG. 6, in the example in which the temperature gradient is formed between the substrate and the chamber, the deposition rate of the silicon thin film increased by 10 2 times or more than the comparative example.
또한, B1과 B2의 결과로부터 헬륨가스에 희석된 모노실란 가스를 사용한 경우에서 수소가스에 희석된 모노실란 가스를 사용한 경우보다 증착속도가 10배 정도 증가한 것을 확인할 수 있다. 따라서 온도 구배의 조절뿐만 아니라 희석 가스의 종류에 따라서도 실리콘 박막의 증착 속도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be seen from the results of B1 and B2 that the deposition rate of the monosilane gas diluted in helium gas was increased by about 10 times compared to the case of using monosilane gas diluted in hydrogen gas. Therefore, it can be seen that the deposition rate of the silicon thin film can be controlled not only by adjusting the temperature gradient but also by the type of the dilution gas.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing a low temperature high speed deposition apparatus of a silicon thin film according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치 중 기판과 기판 지지부 및 기판 냉각부를 나타낸 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a substrate, a substrate support unit, and a substrate cooling unit in the low temperature high speed vapor deposition apparatus of the silicon thin film illustrated in FIG. 1.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치 중 기판 냉각부를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a substrate cooling unit in a low temperature high speed deposition apparatus of a silicon thin film according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막의 저온 고속 증착 방법을 나타낸 공정 순서도이다.4 is a process flowchart showing a low temperature high speed deposition method of a silicon thin film according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 1에 도시한 실리콘 박막의 저온 고속 증착 장치를 구동하여 기판의 실제 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating a result of measuring actual temperature of a substrate by driving a low temperature high speed deposition apparatus of the silicon thin film illustrated in FIG. 1.
도 6은 실시예 및 비교예에 따라 기판 위에 형성된 실리콘 박막의 주사 전자 현미경 사진이다.6 is a scanning electron micrograph of a silicon thin film formed on a substrate according to Examples and Comparative Examples.
도 7은 실시예 및 비교예에 따라 기판 위에 형성된 실리콘 박막의 증착 속도를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing deposition rates of silicon thin films formed on substrates according to Examples and Comparative Examples.
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Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |