KR101177057B1 - 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법 - Google Patents

상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법에 관한 것으로서, 특히 상압 플라즈마 화학기상 증착장치의 챔버 내에 설치된 기판에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막이 증착되도록 원료 가스를 투입하면서 상압으로 유지시키는 제 1공정과; 상압으로 유지된 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키고, 일정 온도를 유지하면서 상기 원료 가스의 반응성을 통해 상기 기판 상에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막을 증착하는 제 2공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용하여 실리콘 박막을 증착시 실리콘 소스로는 SiH4 또는 Si2H6 가스를 사용하고 반응가스로는 GeF4를 사용하며, 베이스 가스로는 Ar, He을 사용하고, 상압의 증착 압력에서 고주파의 플라즈마를 생성시켜 실리콘 박막을 성장시킴으로써 고품질의 실리콘 박막을 고속 성장시킬 수 있다.

Description

상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법{HIGH SPEED DEPOSITION METHOD OF AMORPHOUS AND CRYSTALLINE SIGE THIN FILM BY REACTIVE ATMOSPHERIC PRESSURE CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명은 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법에 관한 것으로서, 상세하게는 상압플라즈마화학기상장치를 이용하여 실리콘 박막을 증착시 실리콘 소스로는 SiH4 또는 Si2H6 가스를 사용하고 반응가스로는 GeF4를 사용하며, 베이스 가스로는 Ar, He을 사용하고, 상압의 증착 압력에서 고주파의 플라즈마를 생성시켜 실리콘 박막을 성장시키도록 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법에 관한 것이다.
최근 신재생에너지 분야의 박막태양전지 관련기술의 발전 방향은 고품질의 박막을 얼마나 저가에 대면적의 박막을 제조하느냐인데, 즉 이는 대면적의 저가의 기판에 고속성장 시키는 기술이 차세대 박막태양전지의 제조 기술의 핵심이 될 수 있다.
특히, 증착 공정은 반도체 소자 제조의 재현성 및 신뢰성에 있어서 개선이 요구되는 필수적인 공정으로 졸겔(sol-gel) 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법, 전기도금(electro-plating) 방법, 진공증발(evaporation) 방법, 화학기상 증착(chemical vapor deposition) 방법, 분자 빔 에피탁시(molecule beam epitaxy) 방법 등이 있다.
그 중 화학기상 증착 방법은 다른 증착 방법보다 웨이퍼 상에 형성되는 박막의 스텝 커버리지(step coverage), 균일성(uniformity) 및 양산성등 같은 증착 특성이 우수하기 때문에 가장 보편적으로 사용되고 있다.
APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등이 있다.
한편, 저가의 기판을 채용하기 위해서는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)이 적용되며, 해당 기술을 통해 증착된 비결정질 실리콘 박막이 AMTFT-LCD 등 디스플레이의 스위칭 소자로서 폭 넓게 활용되고 있으나, 디스플레이의 성능이 향상됨에 따라 스위칭 소자 또한 높은 이동도를 갖는 결정질 박막을 요구하고 있다.
그러나, PECVD를 통해 직접 증착된 결정질 실리콘 박막의 경우 낮은 균일도 및 이동도로 인해 대량생산에 적용되지 못하고 있는 실정이다.
PECVD는 원료가스를 열분해법이 아닌 플라즈마의 물리적인 힘을 이용하여 원료가스를 분해하여 저온증착하는 기술이라면 원료가스의 화학반응을 활용하여 저온에서 박막을 증착시키는 APCVD, 즉 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 증착이 있다.
APCVD는 SiH4 혹은 Si2H6를 원료 가스로 하여 F계(F2, GeF4, SiF4 등)가스를 도입하여 이들의 산화환원 반응을 이용하여 500도 이하에서 결정질 박막을 직접 증착시키는 방법이다.
상기의 APCVD는 원스텝으로 높은 결정성의 결정계 박막성장이 가능하나 불소계 가스를 사용하고 있어 불소라디컬이 갖는 에칭성 때문에 증착속도가 낮은 단점이 있다.
이를 태양전지에 활용할 경우 태양전지가 10% 이상의 변환효율을 얻기 위해서는 흡수층 박막두께가 2㎛ 이상의 두께가 필요하며, 이를 위해서는 30분 이상의 증착 시간이 필요하기 때문에 박막형 태양전지에 해당 기술을 적용시키기 위해서는 박막의 증착속도를 더욱 빠르게 할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용하여 실리콘 박막을 증착시 실리콘 소스로는 SiH4 또는 Si2H6 가스를 사용하고 반응가스로는 GeF4를 사용하며, 베이스 가스로는 Ar, He을 사용하고, 상압의 증착 압력에서 고주파의 플라즈마를 생성시켜 실리콘 박막을 성장시킴으로써 실리콘 박막의 성장 속도를 상대적으로 빠르게 하여 박막형 태양전지에 해당 기술을 적용하도록 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
상압 플라즈마 화학기상 증착장치의 챔버 내에 설치된 기판에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막이 증착되도록 원료 가스를 투입하면서 상압으로 유지시키는 제 1공정과; 상압으로 유지된 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키고, 일정 온도를 유지하면서 상기 원료 가스의 반응성을 통해 상기 기판 상에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막을 증착하는 제 2공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 원료 가스는 실리콘 소스 가스로는 SiH4 또는 Si2H6가 사용된다.
여기에서 또한, 상기 원료 가스는 반응가스로는 GeF4가 사용된다.
여기에서 또, 상기 원료 가스는 베이스 가스로는 Ar 또는 He가 사용된다.
여기에서 또, 상기 원료 가스는 SiH4 또는 Si2H6: GeF4의 가스비 100~20%의 조건하에서 수행되어 상기 실리콘게르미늄 박막 내에 Ge의 농도를 10% 내외로 유지시킨다.
여기에서 또, 상기 제 2공정은 증착온도 400~500℃, 전극거리 0.1 ~1㎜, 플라즈마 주파수 40MHz, 플라즈마 파워 600~800W 조건하에서 수행된다.
여기에서 또, 상기 기판은 유리 기판 또는 실리콘 웨이퍼가 사용되고, 유리기판의 경우 유기물 및 파티클 제거를 위해 아세톤, 에탄올, 메탄올에서 각각 5분의 초음파세척을 한 기판을 사용하며, 실리콘 웨이퍼는 RCA 세척을 한 기판을 증착 직전에 1% HF를 통해 자연산화막을 제거한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법에 따르면, 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용하여 실리콘 박막을 증착시 실리콘 소스로는 SiH4 또는 Si2H6 가스를 사용하고 반응가스로는 GeF4를 사용하며, 베이스 가스로는 Ar, He을 사용하고, 상압의 증착 압력에서 고주파의 플라즈마를 생성시켜 실리콘 박막을 성장시킴으로써 고품질의 실리콘 박막을 고속 성장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용된 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 개략적으로 나타낸 개요도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 4는 증착시간에 따른 (a) 박막의 두께 및 (b) Raman spectroscopy에 의해 측정된 결정성 변화 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용된 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 개략적으로 나타낸 개요도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법을 설명하기 위한 공정도이며, 도 3은 본 발명에 따른 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법에 실리콘게르마늄 박막이 증착된 모습을 나타낸 사진이고, 도 4는 증착시간에 따른 (a) 박막의 두께 및 (b) Raman spectroscopy에 의해 측정된 결정성 변화 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법은, 상압 플라즈마 화학기상 증착장치(1)의 챔버(10) 내에 설치된 기판(20)에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막(30)이 증착되도록 원료 가스를 투입하면서 상압(1기압)으로 유지시키는 제 1공정(S100)과, 상압으로 유지된 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키고, 일정 온도를 유지하면서 원료 가스의 반응성을 통해 기판(20) 상에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막(30)을 증착하는 제 2공정(S110)으로 이루어진다.
이때, 원료 가스는 실리콘 소스 가스로는 SiH4 또는 Si2H6가 사용되고, 반응가스로는 GeF4가 사용되며, 베이스 가스로는 Ar 또는 He가 사용되는 데, Ge의 에너지갭은 0.6 eV, Si은 1.1eV로 Ge의 광흡수율이 Si비해 높기 때문에 실리콘게르마늄 박막(30)에서 Ge의 조성비가 증가할수록 광흡수율이 증가하나 Ge이 Si의 가전전자대 하부에 형성시키는 P-like한 결함으로 결함을 최소화하면서 광흡수율을 최대로 할 수 있는 실리콘게르마늄 박막(30) 내부의 Ge 농도는 10% 내외로 유지하도록 SiH4 또는 Si2H6: GeF4의 가스비가 100~20%인 것이 바람직하다.
또한, 제 1공정(S100)에서 기판(20)은 유리 기판 또는 실리콘 웨이퍼가 사용되고, 유리기판의 경우 유기물 및 파티클 제거를 위해 아세톤, 에탄올, 메탄올에서 각각 5분의 초음파세척을 한 기판을 사용하며, 실리콘 웨이퍼는 RCA 세척을 한 기판을 증착 직전에 1% HF를 통해 자연산화막을 제거한다.
또, 제 1공정(S100)은 상압을 유지하기 위하여 실리콘 소스 가스와 반응가스는 유량 제어기인 MFC(Mass Flow Meter)를 통해 조절하고, 베이스 가스는 수동 밸브로 조절한다.
그리고, 제 2공정(S110)은 증착온도 400~500℃, 상압 플라즈마 화학기상 증착장치(1) 전극(40)의 거리 0.1 ~1㎜, 플라즈마 주파수 40MHz, 플라즈마 파워 600~800W 조건하에서 수행되는 데, 바람직하게는 전극거리 0.2mm, 플라즈마 파워 750W, 증착온도 450℃의 조건하에서 수행된다.
또한, 전극을 고정시킨 상태에서 기판(20)을 일방향으로 슬라이딩시켜 실리콘게르마늄 박막(30)을 증착시킨다.
한편, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법은 도 4와 같이 다음과 같은 효과를 갖는다.
도 4는 증착시간에 따른 (a) 박막의 두께 및 (b) Raman spectroscopy에 의해 측정된 결정성 변화 그래프이다. 박막의 성장속도는 6.4 nm/s로 성장시킨 막에서 검토한 전 시간 영역에서 결정성 막이 성장되었으며 결정성은 ~80%로 높은 결정성의 박막 제작이 가능하다. 약 1000nm의 결정성 박막(~80%)을 제작하는데 2분내에 증착이 가능함을 알 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 챔버 20 : 기판
30 : 박막

Claims (7)

  1. 상압 플라즈마 화학기상 증착장치의 챔버 내에 설치된 기판에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막이 증착되도록 원료 가스를 투입하면서 상압으로 유지시키는 제 1공정과;
    상압으로 유지된 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키고, 일정 온도를 유지하면서 상기 원료 가스의 반응성을 통해 상기 기판 상에 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막을 증착하는 제 2공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 가스는,
    실리콘 소스 가스로는 SiH4 또는 Si2H6가 사용되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 원료 가스는,
    반응가스로는 GeF4가 사용되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 가스는,
    베이스 가스로는 Ar 또는 He가 사용되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 원료 가스는,
    SiH4 또는 Si2H6: GeF4의 가스비 100~20%의 조건하에서 수행되어 상기 실리콘게르미늄 박막 내에 Ge의 농도를 10% 내외로 유지시키는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2공정은,
    증착온도 400~500℃, 전극거리 0.1 ~1㎜, 플라즈마 주파수 40MHz, 플라즈마 파워 600~800W 조건하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    유리 기판 또는 실리콘 웨이퍼가 사용되고, 유리기판의 경우 유기물 및 파티클 제거를 위해 아세톤, 에탄올, 메탄올에서 각각 5분의 초음파세척을 한 기판을 사용하며, 실리콘 웨이퍼는 RCA 세척을 한 기판을 증착 직전에 1% HF를 통해 자연산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 비결정질 및 결정질 실리콘게르마늄 박막의 고속증착방법.
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