KR101076675B1

KR101076675B1 - 박막 특성을 개선할 수 있는 스퍼터링 증착 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101076675B1
Application number: KR1020090086386A
Authority: KR
Inventors: 조용수; 최홍락
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-10-26
Also published as: KR20110028790A

Abstract

본 발명에 따라서 진공 챔버 내부를 소정의 진공 상태로 만들기 위한 펌핑 시스템, 스퍼터링 타겟, 상기 타겟에 대향되게 배치되어, 상기 타겟으로부터 나오는 물질이 증착되어 박막이 형성되는 플렉서블 기판, 가스 유입구가 마련된 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내부에 플라스마를 발생시키는 플라스마 생성기를 포함하는 스퍼터링 증착 장치가 제공되는데, 상기 장치는 상기 진공 챔버 내부에 제공되는 플렉서블 기판의 양단에 스트레스를 인가하여 상기 플렉서블 기판이 휘어지도록 구성된 스트레스 인가 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

박막 특성을 개선할 수 있는 스퍼터링 증착 방법 및 장치{SPUTTERING DEPOSITION METHOD AND APPARATUS CAPABLE OF IMPROVING THIN FILM PROPERTIES}

본 발명은 스퍼터링 증착 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인장력(tension)에 대한 저항성을 개선한 박막을 증착할 수 있는 스퍼터링 방법 및 장치에 관한 것이다.

기판에 박막을 증착하기 위하여 스퍼터링 방법이 널리 채용되고 있다. 현재까지 박막 증착 기술은 유리 혹은 Si 기판 위에 화학적 증착(CVD), 물리적 증착(PVD), 엣칭 공법들을 이용하여 개발되었다. 그러나, 차세대 기술로 주목 받는 플렉서블 소자에서는 기존 소자에서 사용되고 있는 여러 요소를 직접적으로 적용하여 활용할 수 없는 문제점이 존재한다.

일반적으로 플렉서블 소자에의 적용이 연구되고 있는 플라스틱 기판 위에 증착된 유전체(dielectric) 혹은 부동태층(passivation layer)으로 활용되는 산화물 혹은 질화물 박막의 기계적 특성은 인장력보다 압축력에 더욱 높은 저항성을 보인다.

이러한 특징은 플렉서블 기판 상에 증착되는 산화물 혹은 질화물 물질의 기본적인 성질에도 기인하지만, 그외에도 인장력과 압축력의 작용이 기판과 박막층에 다르게 작용하기 때문이다. 인장력이 작용하게 되면 박막 자체에 크랙이 발생하게 되며, 이는 소자의 직접적인 파괴로 이어져 성능 및 신뢰성을 저하시킨다.

반면에, 압축력은 기판과 박막 사이의 접착력과 가장 밀접한 관계를 가지고 있다. 박막과 기판 사이의 박리길이를 확인하였을 때, 박막의 박리 현상은 최소 10㎛ 이상의 길이를 가지며 발생한다. 이러한 박리 현상은 일반적인 클린룸(clean room)에서 확인하기 힘든 결점이며, 따라서 이러한 결과를 바탕으로 박막과 플렉서블 기판 사이에서는 인장력이 압축력보다 더욱 중요하게 작용하는 요소라고 판단할 수 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 플렉서블 기판에 인장력에 대해 높은 신뢰성을 갖는 박막을 증착할 수 있는 스퍼터링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 플렉서블 기판에 증착되는 박막의 투과율을 개선하고 크랙 발생을 억제할 수 있는 스퍼터링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 진공 챔버 내부를 소정의 진공 상태로 만들기 위한 펌핑 시스템, 스퍼터링 타겟, 상기 타겟에 대향되게 배치되어, 상기 타겟으로부터 나오는 물질이 증착되어 박막이 형성되는 플렉서블 기판, 가스 유입구가 마련된 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내부에 플라스마를 발생시키는 플라스마 생성기를 포함하는 스퍼터링 증착 장치가 제공되는데, 상기 장치는 상기 진공 챔버 내부에 제공되는 플렉서블 기판의 양단에 스트레스를 인가하여 상기 플렉서블 기판이 휘어지도록 구성된 스트레스 인가 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 사이에 상기 플렉서블 기판을 안착시켜 유지하도록 구성된 한 쌍의 홀더를 포함하고, 상기 한 쌍의 홀더 중 적어도 하나에는 거리 조절부가 제공된다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 거리 조절부를 이용하여 홀더 사이의 거리를 좁혀 상기 플렉서블 기판이 스퍼터링 타겟을 향해 휘어지도록 구성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 플렉서블 기판이 소정의 곡률 반경을 갖고 상기 스퍼터링 타겟을 향해 휘어지도록 스트레스를 인가하도록 구성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 곡률 반경을 변화시키면서 상기 스트레스를 인가할 수 있도록 구성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 거리 조절부를 이용하여 상기 홀더 사이의 거리를 원상태로 복귀시키면, 상기 기판의 양단에 가해진 스트레스를 해제하여 그 기판을 원래의 편평한 상태로 복귀시키도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 플렉서블 기판에 박막을 증착하는 스퍼터링 증착 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 상기 플렉서블 기판을 거리 조절이 가능 한 스트레스 인가 수단에 안착시키는 단계와; (b) 상기 스트레스 인가 수단의 거리를 조절하여 상기 기판의 양단에 스트레스를 인가하여, 상기 기판이 소정의 곡률 반경을 갖고 휘어지도록 하는 단계와; (c) 상기 휘어진 플렉서블 기판 상에 박막을 증착하는 단계와; (d) 상기 박막 증착 후, 상기 스트레스 인가 수단의 거리를 조절하여, 상기 기판에 가해진 스트레스를 해제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 사이에 상기 플렉서블 기판을 안착시켜 유지하도록 구성된 한 쌍의 홀더를 포함하고, 상기 한 쌍의 홀더 중 적어도 하나에는 거리 조절부가 제공될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 거리 조절부를 이용하여 홀더 사이의 거리가 좁혀 상기 플렉서블 기판이 스퍼터링 타겟을 향해 휘어지도록 할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 곡률 반경을 변화시키면서 상기 스트레스를 인가할 수 있도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래의 스퍼터링 증착 장치와는 달리, 스트레스 인가 수 단이라는 독특한 구성을 이용하여 스퍼터링 증착을 수행한다. 스트레스 인가 수단을 이용하여 증착 전에 플렉서블 기판을 소정의 곡률 반경을 갖도록 휘게 한 후 증착 공정을 수행하게 되면, 인장력에 대해 높은 저항성을 갖는 박막을 증착할 수 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 박막 증착과 관련하여 당업계에서 이미 널리 알려진 구성에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 아무런 어려움 없이 이해 및 구현할 수 있을 것이다.

종래 기술에서 설명한 바와 같이, 플렉서블 기판에 증착된 박막은 압축력과 달리 인장력에 대해 저항성이 낮다. 따라서, 플렉서블 소자의 특성상 반복되는 휨 작용 등으로 인해 인장력이 박막에 가해지게 되면, 박막에 크랙이 발생하여 소자의 성능을 떨어뜨리게 된다.

본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 인장력에 대해 높은 저항성을 갖는 박막 증착에 대해 연구를 하였다. 본 발명자는 경질의 기판과 달리 플렉서블 기판의 특성에 대해 주목을 하였다. 예컨대, 경질의 디스플레이와 달리 플렉서블 디스플레이의 경우 굽힘 상태를 가정하고, 기판 자체가 플렉서블한 특성을 갖고 있 다.

이러한 플렉서블 기판의 특성에 주목하여, 본 발명자는 플렉서블 기판을 휜 상태에서 박막을 증착하는 방법을 개발하였다. 기존의 박막 증착 공정은 기판을 편평하게 한 상태에서 이루어진다. 그러나, 본 발명에서는 박막 증착 전에 플렉서블 기판을 휘게 하여 인장력 혹은 압축력을 인가한 다음에 박막 증착 공정을 수행하고, 증착 과정이 종료된 후 스트레스를 제거하는 공정을 포함하는 스퍼터링 박막 공정을 제안한다.

도 1에는 본 발명에 따라 스퍼터링 박막 증착을 수행하기 위한 장치의 개략도가 도시되어 있다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 스퍼터링 박막 증착 장치는 플렉서블 기판에 스트레스를 인가하는 스트레스 인가 수단(60)을 제외하고는 종래의 스퍼터링 박막 장치와 동일하다는 것을 알 수 있다. 즉 박막 과정이 수행되는 챔버 내부에 진공을 유도하기 위한 펌핑 시스템(10), 소정의 가스를 투입하기 위한 가스 유입구(20), 플렉서블 기판(40)에 소정 물질을 증착하기 위한 타겟(30), 타겟에서 플라스마를 발생시키는 역할을 하는 RF 파워 발생기(40), 타겟(30)으로부터 나오는 원자가 증착되는 플렉서블 기판(50)을 포함한다. 이러한 스퍼터링 박막 장치는 이미 널리 알려진 구성이므로, 그 구성에 대한 설명은 생략한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 플렉서블 기판(50)에 대해 스트레스를 인가하여 기판을 타겟(30)을 향해 볼 록하게 휘게 하는 기판 벤딩 시스템, 즉 스트레스 인가 수단(60)을 더 포함한다. 박막을 증착하기 전에, 스트레스 인가 수단(60)을 구동하여, 플렉서블 기판의 좌우에서 압력을 인가하여 플렉서블 기판(40)을 소정의 곡률 반경을 갖도록 휘게 한다. 후술하는 바와 같이, 곡률 반경, 즉 기판의 휨 정도에 따라 다른 특성이 관찰되는데, 스트레스 인가 수단(60)의 스트레스 인가를 조절하여, 기판의 휨을 조절한다.

도 2를 참조하여, 스트레스 인가 수단(60)의 구성을 좀 더 구체적으로 설명한다. 도 2는 스트레스 인가 수단(60)을 이용하여 기판을 휘게 한 상태에서 기판(50)에 박막이 증착된 상태를 보여준다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 스트레스 인가 수단(60)은 일종의 마이크로미터와 유사한 동작 원리를 갖고 있다. 즉 스트레스 인가 수단(60)은 한 쌍의 홀더(62)를 포함하고 있으며, 이 홀더(62) 사이에 플렉서블 기판(50)을 안착하여 그 기판을 안정적으로 유지하도록 구성된다. 홀더(62)는 L자 형태로 이루어져 있으며, 기판을 홀더 사이에 유지하였을 때에는 기판의 양단부가 L자형 홀더의 수직벽과 접촉하게 된다. 한편, 홀더(62) 중 적어도 한 쪽의 홀더에는 도면에는 도시하지 않은 거리 조절 기구(예컨대, 마이크로미터와 같은 나사 조절부)가 설치되어 있다. 이 거리 조절 기구를 조절하여, 홀더(62) 사이의 거리를 좁히게 되면, 그 힘에 의해 기판이 휘어지면서 기판의 양단부가 도면에 도시한 바와 같이, L자형 홀더의 수평벽에 안착되고, 이 상태에서 증착 공정을 수행하게 된다.

한편, 거리 조절 기구를 조절하여 홀더 사이의 거리를 조절하게 되면, 이에 따라 기판의 곡률 반경에 변화가 생기게 된다. 곡률 반경의 변화는 가해진 스트레인으로 계산이 가능하며, 이에 따라 샘플에 가해진 스트레스를 수치적으로 계산할 수 있게 된다. 한편, 모든 증착 공정이 완료된 후에는 상기한 과정을 반대로 수행하여, 즉 거리 조절 기구를 반대로 조작하여 플렉서블 기판(50)에 가해진 스트레스를 제거하면 된다.

플렉서블 기판(50)으로는 PES, PET, PI 등을 사용할 수 있는데, 본 실시예에서는 PES 기판을 사용하였다. 일정한 베이스 압력(1.0×10^-5~1.0×10^-6Pa)과 스퍼터링 압력(1.0~2.0×10^-3Pa)에서, RF 파워 발생기(40)를 50W에서 100W까지 변경하면서 최적의 증착 조건을 확인하였다. 증착 조건 확인 후, 플렉서블 기판(50)의 곡률 반경을 23.5 mm에서 10.0 mm까지 변경하면서 ZnO 박막을 증착하였으며, 각각의 곡률 반경에 대한 물리적, 광학적 특성을 확인하였다.

도 2는 서로 다른 프리-벤딩 스트레스 하에서 증착한 ZnO 박막의 XRD 패턴을 보여준다. 즉 동일한 공정 온도(대략 실온) 및 AC 파워 100W에서 서로 다른 프리-벤딩 반경(10.0~23.5 mm)을 갖도록 스트레스가 인가된 플렉서블 기판에 증착된 ZnO 박막에 대한 XRD 패턴을 측정한 결과, PES 기판에서 (002) 방향의 피크가 유리하게 확인되었으며, (103) 방향의 피크가 프리-벤딩 스트레스가 증가함에 따라(즉 곡률 반경이 감소함에 따라) 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 즉 각각의 물질은 일정한 위치(2θ)에서 각각의 방향성을 가지며 성장하게 되는데, (002), (103) 방향은 박막이 성장한 방향성을 의미하는 것으로서, 각각의 방향성을 가지는 박막이 성장되었다는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 증착 과정에서, 미리 인가된 스트레스가 박막의 결정화 거동에 영향을 미친다는 것을 의미한다.

도 3은 서로 다른 프리-벤딩 곡률 반경을 갖는 ZnO 박막 샘플에 대하여 투과율 변화를 측정한 결과를 보여주는 도면이다. 증착 전에 플렉서블 기판에 스트레스를 가한 경우, 스트레스를 가하지 않은 경우와 비교하여, 400~550nm의 파장 범위에서 투과율이 증가하는 양태를 확인할 수 있다. 도 3에서 19 mm, 18 mm, 17 mm는 20 mm의 샘플의 좌우 거리를 본 발명에 따라 스트레스를 인가하여, 그 거리를 각각 1, 2, 3 mm씩 감소시킨 것을 의미한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 효과를 보여주는 도면으로서, 서로 다른 프리-벤딩 스트레스 하에서 증착된 ZnO 박막의 크랙 밀도를 보여준다. 도 4에서, pre-bending distance는 좌우 길이가 20 mm인 샘플의 양단에 본 발명에 따라 스트레스를 인가하여, 각각 해당하는 거리로 구부린 것을 의미한다. 편평한 샘플을 좌우에서 스트레스를 인가하면, 가운데 부분이 수직 방향, 즉 타겟 방향으로 볼록하게 휘면서 곡률반경을 나타내게 된다. 좌우의 변경 거리가 증가할수록(pre-bending distance가 감소할수록), 즉 샘플에 가해지는 스트레스가 증가할수록, 곡률반경이 감소하게 된다. 한편, 도 4에서 x축의 bending distance는 20 mm 샘플에서 좌우의 수축 거리를 나타내는 지표로서, 완성된 샘플의 좌우 수축 거리를 의미한다. bending distance가 증가할수록 곡률반경이 감소하며, 샘플에 작용하는 스트레스도 더 크다.

실험과정에서, 20 mm×20mm 크기의 PES 기판에 소정의 스트레스를 가해 휘게 한 후, 일정한 공정온도(대략 실온)와 100W의 파워로 ZnO 타겟을 사용하여 RF 스퍼터링을 통해 상기 기판에 박막을 증착하였다. 변화하는 벤딩 곡률 반경(5.5~23.5mm)에서 박막의 크랙 발생을 광학 현미경을 통해 관찰하였다. 휨 방향은 외측 X 축 방향으로 한정하였다. 기판에 가한 벤딩 스트레스가 증가할수록 모든 샘플에서 크랙의 발생은 증가하는 경향을 보이고 있다. 그러나, 프리-벤딩 스트레스가 증가하는 경우 샘플의 최초 발생 지점이 점점 높은 벤딩 스트레스에서 형성되고, 크랙 밀도도 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 4에서 pre-bending distance가 19 mm에서 17 mm로 갈수록 최초로 보이는 점이 약 4 mm에서 약 8mm까지 증가하는 모습을 보이는데, 이는 샘플에 최초로 발생하는 크랙이 더욱 나중에 확인되었음을 의미한다(크랙이 발생하는데 필요한 스트레스가 더욱 커졌음을 의미). 이는 보호막으로서 성능이 향상되었다고 판단할 수 있다. 또한 pre-bending distance가 19 mm에서 17 mm로 갈수록 크랙 밀도도 감소하는 경향을 확인할 수 있는데, 이는 발생하는 크랙의 빈도가 감소하였다는 것을 의미하며, 이 또한 보호막으로서 성능이 향상되었다고 판단할 수 있다. 정리하면, 박막의 증착전 플렉서블 기판에 가해진 벤딩 스트레스가 증착 후 박막의 크랙 발생을 억제하는 역할을 하고 있는 것으로 보인다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 예컨대, 거리 조절 기구를 수동으로 조작하는 것으로 예시하였으나, 이러한 거리 조절 기구는 그러한 동작을 수행하도록 미리 프로그램된 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 제어 장치에 연결되어, 온오프 동작으로 미리 정해진 크기만큼 스트레스를 가하고 또 증착 공정 후 자동으로 스트레스를 해제하여, 상기한 실시예와 동일한 동작 및 효과를 발휘하도록 구성될 수도 있으며, 이러한 구성 역시 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

도 1은 본 발명에 따라 스퍼터링을 수행하기 위한 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 스트레스 인가 수단의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 3은 여러 프리-벤딩 스트레스를 가한 상태에서 증착한 ZnO 박막의 XRD 패턴을 보여주는 도면이다.

도 4는 여러 프리-벤딩 스트레스를 가한 상태에서 증착한 ZnO 박막의 자외선 투과율을 보여주는 도면이다.

도 5는 여러 프리-벤딩 스트레스를 가한 상태에서 증착한 Zno 박막의 크랙 밀도를 보여주는 도면이다.

Claims

삭제
진공 챔버 내부를 소정의 진공 상태로 만들기 위한 펌핑 시스템, 스퍼터링 타겟, 상기 타겟에 대향되게 배치되어, 상기 타겟으로부터 나오는 물질이 증착되어 박막이 형성되는 플렉서블 기판, 가스 유입구가 마련된 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내부에 플라스마를 발생시키는 플라스마 생성기를 포함하는 스퍼터링 증착 장치에 있어서,

상기 진공 챔버 내부에 제공되는 플렉서블 기판의 양단에 스트레스를 인가하여 상기 플렉서블 기판이 휘어지도록 구성된 스트레스 인가 수단을 포함하고,

상기 스트레스 인가 수단은 사이에 상기 플렉서블 기판을 안착시켜 유지하도록 구성된 한 쌍의 홀더를 포함하고, 상기 한 쌍의 홀더 중 적어도 하나에는 거리 조절부가 제공되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 거리 조절부를 이용하여 홀더 사이의 거리를 좁혀 상기 플렉서블 기판이 스퍼터링 타겟을 향해 휘어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 플렉서블 기판이 소정 의 곡률 반경을 갖고 상기 스퍼터링 타겟을 향해 휘어지도록 스트레스를 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 곡률 반경을 변화시키면서 상기 스트레스를 인가할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 거리 조절부를 이용하여 상기 홀더 사이의 거리를 원상태로 복귀시키면, 상기 기판의 양단에 가해진 스트레스를 해제하여 그 기판을 원래의 편평한 상태로 복귀시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 장치.
플렉서블 기판에 박막을 증착하는 스퍼터링 증착 방법에 있어서,

(a) 상기 플렉서블 기판을 거리 조절이 가능한 스트레스 인가 수단에 안착시키는 단계와;

(b) 상기 스트레스 인가 수단의 거리를 조절하여 상기 기판의 양단에 스트레스를 인가하여, 상기 기판이 소정의 곡률 반경을 갖고 휘어지도록 하는 단계와;

(c) 상기 휘어진 플렉서블 기판 상에 박막을 증착하는 단계와;

(d) 상기 박막 증착 후, 상기 스트레스 인가 수단의 거리를 조절하여, 상기 기판에 가해진 스트레스를 해제하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 사이에 상기 플렉서블 기판을 안착시켜 유지하도록 구성된 한 쌍의 홀더를 포함하고, 상기 한 쌍의 홀더 중 적어도 하나에는 거리 조절부가 제공되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 거리 조절부를 이용하여 홀더 사이의 거리가 좁혀 상기 플렉서블 기판이 스퍼터링 타겟을 향해 휘어지도록 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 스트레스 인가 수단은 상기 곡률 반경을 변화시키면서 상기 스트레스를 인가할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 증착 방법.