KR101248927B1 - 광학식 열원을 포함하는 기판처리장치 및 이를 이용한 저온폴리 실리콘의 증착 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 일정한 반응공간을 형성하며, 내부에 기판안치대를 포함하는 챔버; 상기 기판안치대 상부에 설치되는 플라즈마 발생원; 싱기 기판안치대 상부에 설치되며, 상기 플라즈마 발생원의 주변에 설치되는 광학식 열원; 상기 챔버의 외부에 위치하며, 상기 플라즈마 발생원에 연결되는 제 1 전원공급부; 상기 챔버의 외부에 위치하며, 상기 광학식 열원에 연결되는 제 2 전원공급부를 포함하는 기판처리장치와 이를 이용하여 저온 폴리 실리콘을 증착하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 발생원과 광학식 열원을 기판의 대향면 상에 배치할 수 있어 2가지 에너지원을 동시에 사용하여 기판에 폴리 실리콘 박막을 증착할 수 있으며, 광학식 열원을 적절히 사용함으로써 저온 폴리 실리콘의 막질을 개선할 수 있다. 따라서 종래처럼 레이저 어닐링 등의 별도의 결정화 공정을 위해 기판을 다른 챔버로 이동시킬 필요가 없어 공정속도가 크게 향상된다.

폴리 실리콘, LTPS, 광학식 열원, 램프히터

Description

광학식 열원을 포함하는 기판처리장치 및 이를 이용한 저온 폴리 실리콘의 증착 방법{Substrate processing apparatus comprising optical heat source and deposition method of low temperature poly silicon using the same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판처리장치의 구성도

도 2는 토로이드형 안테나의 구성을 나타낸 단면도

도 3은 챔버의 리드에 설치된 윈도우 및 토로이드형 안테나의 배치형태를 예시한 평면도

도 4는 챔버 측벽에도 램프히터 모듈을 설치한 모습을 나타낸 도면

도 5는 램프히터 모듈의 주변에 냉각유로가 형성된 모습을 나타낸 도면

도 6a 내지 도 6c는 램프히터를 이용한 여러 가지 가열패턴을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110 : 챔버 112 : 챔버 리드(lid)

120 : 기판안치대 130 : 토로이드형 안테나

140 : 윈도우 150 : 램프히터 모듈

152 : 램프히터 154 : 램프히터 하우징

156 : 반사판 160 : 제1 전원공급부

170 : 제2 전원공급부 180 : 배기구

190 : 냉각유로

본 발명은 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)의 제조를 위하여 기판을 처리하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 플라즈마와 광학식 열원을 함께 이용하는 기판처리장치와 이를 이용하여 폴리 실리콘 박막을 증착하는 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 상부기판 및 하부기판의 사이에 충진되는 액정층을 포함하며, 이러한 TFT-LCD는 구동 드라이브IC 및 회로기판과 연결되어 하나의 모듈로서 완성된다.

종래에는 기판에 박막트랜지스터(TFT)의 액티브층(반도체층)을 형성할 때 비정질 실리콘을 주로 이용하였는데, 비정질 실리콘의 경우 전자이동도가 낮아 대화면 TFT-LCD를 제조하는데 어려움이 있었다.

또한 구동 드라이브 IC에는 주로 폴리 실리콘이 액티브층으로 이용되기 때문에 TFT-LCD 모듈을 제조하기 위해서는 TFT-LCD와 구동 드라이브 IC를 별도로 제조한 후 이들을 다시 연결하여야 하므로 제조공정이 복잡하고 집적도 면에서 불리한 단점이 있었다.

따라서 최근에는 이러한 단점들을 극복하는 방안으로서, 박막트랜지스터의 액티브층을 폴리 실리콘으로 형성하는 방법이 많이 사용되고 있다.

폴리 실리콘은 비정질 실리콘에 비하여 전자이동도가 수백 배 이상 크기 때문에 대화면 TFT-LCD의 제조에 적합할 뿐만 아니라 TFT 및 구동드라이브 IC를 동일한 기판에 형성할 수 있기 때문에 제조공정의 단순화는 물론 집적도 면에서 크게 유리한 장점이 있다.

폴리 실리콘 박막을 형성하는 방법에는 폴리 실리콘을 기판에 직접 증착하는 방법과 일단 비정질 실리콘을 먼저 증착한 후에 이를 폴리 실리콘으로 결정화하는 방법이 있다.

전자의 방법은 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD)법을 이용하여 약 600℃ 이상의 고온환경에서 증착시키는 방법이다. 이 방법이 간편하기는 하지만 일반적인 유리기판은 이 정도의 고온에 장시간 노출될 경우 쉽게 변형되기 때문에 쿼츠 등과 같은 고가 재질의 기판을 이용하여야 하는 문제점이 있다.

후자의 방법은 기판에 비정질 실리콘을 먼저 증착한 후에 이를 결정화하는 방법으로서, 비정질 실리콘의 증착공정이 통상 400℃ 내외에서 진행되기 때문에 기판의 손상이나 변형을 피할 수 있어 이러한 방법으로 형성되는 폴리 실리콘을 통상 저온 폴리 실리콘(Low Temperature Poly Silicon, LTPS)이라 칭한다.

이때 비정질 실리콘층을 결정화하는 방법으로는, 반응로(furnace) 속에서 로 가열법을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 고상결정화(Solid Phase Crystallization, SPC)법, 엑시머 레이저를 순간 조사함으로써 비정질 실리콘층을 1400도 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.

그러나 이러한 방법들은 기판에 비정질 실리콘을 증착하고 이를 다시 폴리 실리콘으로 결정화하는 과정을 순차적으로 거쳐야 하고, 증착과정과 결정화 과정이 별도의 챔버에서 진행되므로 생산성에 근본적인 한계를 가지고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 동일 챔버에서 비정질실리콘의 증착과 폴리 실리콘으로의 결정화를 동시에 진행하여 폴리 실리콘의 증착 공정을 단순화하고 공정시간을 줄임으로써 생산성을 높이는 것을 목적으로 한다.

또한, 증착되는 폴리 실리콘의 막질을 개선하기 위한 장치와 이에 따른 증착방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 일정한 반응공간을 형성하며, 내부에 기판안치대를 포함하는 챔버; 상기 기판안치대 상부에 설치되는 플라즈마 발생원; 싱기 기판안치대 상부에 설치되며, 상기 플라즈마 발생원의 주변에 설치되는 광학식 열원; 상기 챔버의 외부에 위치하며, 상기 플라즈마 발생원에 연결되는 제 1 전원공급부; 상기 챔버의 외부에 위치하며, 상기 광학식 열원에 연결되는 제 2 전원공급부를 포함하는 기판처리장치를 제공한다.

상기 기판안치대의 상부는 챔버 리드인 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 발생원은 유도결합형 플라즈마 발생장치인 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 유도결합형 플라즈마 발생장치는, 토로이드형 코어; 내부에 상기 토로이드형 코어를 포함하는 한편, 중앙에 개방부를 가지며, 상기 개방부의 내주면이 상기 토로이드형 코어를 관통하는 안테나 하우징; 상기 제 1 전원공급부에 연결되는 한편 상기 토로이드형 코어에 감기는 유도코일을 포함하는 안테나모듈로 구성될 수 있으며, 이때 상기 안테나 하우징의 내부는 대기압이고 상기 안테나 하우징의 외부는 상기 챔버의 반응공간인 것이 바람직하다.

상기 안테나 모듈은2개 이상일 수 있다.

상기 챔버의 상부 또는 측벽에는 투명재질의 윈도우가 설치될 수 있으며, 이때 상기 광학식열원은 상기 윈도우의 외측에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 광학식 열원은, 램프히터 상기 램프히터를 포괄하면서 지지하는 램프하우징 상기 램프하우징의 내측에 위치하는 반사판을 포함할 수 있으며, 이때 상기 램프히터는 할로겐 램프 또는 적외선 램프가 이용된다.

또한 상기 광학식 열원은, 램프히터; 상기 램프히터를 포괄하면서 지지하는 램프하우징; 상기 램프하우징의 내측에 위치하는 반사판을 포함하는 램프히터 모듈로 구성될 수 있으며, 이러한 램프히터 모듈은 2개 이상이 설치될 수 있다.

상기 광학식 열원의 주변에는 냉각유로가 형성될 수 있다.

상기 플라즈마 발생원과 상기 광학식 열원은 각각 다수 개 설치되며, 상기 다수의 플라즈마 발생원과 상기 다수의 광학식 열원은 상기 챔버의 리드에 설치되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 단계; 상기 광학식 열원을 OFF하고, 플라즈마를 형성하고, 실리콘 함유가스를 공급하여, 상기 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계; 상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법을 제공한다.

상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계의 이후에는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃의 온도로 소정시간 가열하는 증착 후 열처리 단계를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 증착 후 열처리 단계는 1분 내지 20분 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 기판은 증착 전에 500 내지 680℃ 의 온도를 유지할 수 있다.

또한 본 발명은, 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 단계; 플라즈마를 형성하고 실리콘 함유가스를 공급하여 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 초기 증착단계; 상기 광학식 열원을 OFF하고, 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 메인 증착단계; 상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 플라즈마를 OFF하는 단계를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법을 제공한다.

상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고 플라즈마를 OFF하는 단계의 이후에는, 다시 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500내지 680℃의 온도로 소정시간 가열하는 증착 후 열처리단계를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 증착 후 열처리 단계는 1분 내지 20분 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 기판은 초기증착 시에 500 내지 680℃의 온도를 유지한다.

상기 초기 증착단계에서 증착되는 막의 두께는 5Å 이상 30Å 이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 단계; 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이 하로 가열하고, 기판상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계; 상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 광학식 열원과 플라즈마를 OFF하는 단계를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법을 제공한다.

상기 기판은 증착 전에 500 내지 680℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 이하의 온도로 소정시간 가열하는 단계; 플라즈마를 형성하고 실리콘 함유가스를 공급하여 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 초기 증착단계; 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하고, 기판상에 폴리 실리콘을 증착하는 메인 증착단계; 상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 광학식 열원과 플라즈마를 OFF하는 단계를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법을 제공한다.

상기 기판은 초기증착 시에 500 내지 680℃ 이하의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 초기 증착단계에서 증착되는 막의 두께는 5Å 이상 30Å 이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 플라즈마를 형성하고, 실리콘 함유가스를 공급하여, 상기 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계; 상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계; 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680 ℃ 의 온도로 소정시간 동안 가열하는 증착 후 열처리 단계를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법을 제공한다.

이때 상기 플라즈마를 형성하고, 실리콘 함유가스를 공급하여, 상기 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 증착 후 열처리 단계는 1 내지 20분 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 이하의 온도로 가열하면서, 플라즈마를 형성하고 실리콘 함유가스를 공급하여 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 초기 증착단계; 상기 광학식 열원을 OFF하고, 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 메인 증착단계; 상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계; 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 이하의 온도로 소정시간 동안 가열하는 증착 후 열처리 단계를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법을 제공한다.

상기 메인 증착단계에서는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 초기 증착단계에서 증착되는 막의 두께는 5Å 이상 30Å 이하인 것이 바람직하다.

상기 증착 후 열처리 단계는 1 내지 20분 동안 이루어지는 것이 바람직하 다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

1. 저온 폴리 실리콘 증착을 위한 기판처리장치

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판처리장치, 보다 구체적으로는 저온 폴리 실리콘의 증착장치를 나타낸 것으로서, 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(110)의 내부에 기판(s)을 안치하는 기판안치대(120)가 설치되며, 챔버 리드(112)에는 플라즈마 발생에 필요한 RF전력을 공급하는 토로이드형 안테나(130)와 기판(s)을 가열하는 램프히터 모듈(150)이 설치된다. 챔버(110)의 하부에는 잔류가스를 배출하는 배기구(180)가 설치된다.

종래의 플라즈마 발생원은 균일한 플라즈마를 형성하기 위하여 평판 전극 형태를 가지거나, 나선형 코일이나 복수의 코일을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성되며, 이들은 통상 기판이 안착되는 기판안치대(120)의 상부 또는 챔버리드(112) 상부에 위치한다.

이러한 플라즈마 발생원에 고주파 전원을 통해서 고주파 전력이 인가되면, 플라즈마 발생원 주변에 전기장이 형성되거나, 유도된 자기장에 의한 전기장이 형성된다.

그런데 챔버리드(112)의 상부에 플라즈마 발생원이 위치하면, 종래에는 챔버리드(112)에 상기 플라즈마 발생원 외에 별도의 에너지 공급원을 추가하기는 어 려웠다. 이는 추가되는 에너지 공급원이나 부대설비가 플라즈마 발생원에서 발생하는 전자기 에너지가 챔버내부로 전달되는 것을 방해하기 때문이다.

그러나 본 발명의 실시예에서는 도 1에서와 같이 토로이드형 안테나(130)를 설치함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 즉, 토로이드형 안테나(130)에 의하여 발생된 시변자기장에 의한 유도 전기장은 토로이드형 안테나(130)가 설치된 챔버 리드(112)의 하부에 형성되고, 챔버 리드(112)의 다른 부분에 미치는 영향이 없기 때문에 챔버 리드(112)에 추가적인 에너지 공급원을 설치하는 것이 가능해진다.

본 발명의 실시예에서는 이러한 토로이드형 안테나(130)와 램프히터 모듈(150)을 기판의 상부에 설치한다. 또한 챔버리드(112)에는 상기 램프히터 모듈(150)의 빛을 통과시킬 수 있는 사파이어, 쿼츠(quartz) 등과 같은 투명재질의 윈도우(140)를 설치한다.

이러한 윈도우(140)는 토로이드형 안테나(130)가 설치되지 않은 영역에 설치되며, 윈도우(140)와 챔버리드(112)의 사이에는 진공시일이 형성되어야 함은 물론이다.

토로이드형 안테나(130)는 제1 전원공급부(160)에 연결되고, 램프히터 모듈(150)은 제2 전원공급부(170)에 연결된다.

토로이드형 안테나(130)는 페라이트 또는 아이언 파우더(iron powder) 재질의 토로이드형 코어에 유도코일을 연결한 것으로서, 토로이드형 코어는 유도코일에서 발생한 유도자기장의 자속(磁束)경로를 제공할 뿐만 아니라 챔버 내부에 위치함으 로써 RF전력의 손실을 최소화하여 챔버 내부에 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 역할을 한다.

도 2를 참조하여 토로이드형 안테나(130)의 구성을 보다 구체적으로 살펴보면, 토로이드형 코어(132), 상기 토로이드형 코어(132)를 고정하는 한편 플라즈마로부터 격리시키는 안테나 하우징(131), 상기 안테나 하우징(131)의 내부에서 상기 토로이드형 코어(132)와 결합하는 유도코일(139), 상기 안테나 하우징(131)의 상부에 결합하는 안테나 커버(137) 등으로 구성된다.

안테나 하우징(131)은 챔버 내부에서 공정가스와 접하는 부분이므로 내열성 및 내산화성이 뛰어난 알루미늄, 세라믹 또는 SUS 재질로 제작되며, 전체적으로 U형의 단면을 가진다. 또한 안테나 하우징(131)에는 토로이드형 코어(132)의 개방부로 삽입되는 안테나 개방부(150)가 형성된다.

안테나 하우징(131)의 내부는 플라즈마의 발생을 방지하기 위하여 대기압 상태를 유지하고, 안테나 하우징(131)의 외부는 고진공 상태인 챔버 내부 공간이므로 안테나 하우징(131)에는 진공시일이 설치되어야 한다.

안테나 개방부(150)의 내주면에는 원통형의 토로이드 고정단(133)이 형성되며, 토로이드형 코어(132)는 상기 토로이드 고정단(133)에 끼워져 고정된다.

안테나 하우징(131)의 측벽에는 냉매유로(135)가 형성되는데, 냉매유로(135)의 일단에는 냉매유입포트(136a)가 결합되고, 타단에는 냉매유출포트(136b)가 결합된다. 상기 냉매유입포트 및 냉매유출포트(136a,136b)는 각각 냉매유입관/유출관(미도시)을 통해 외부의 냉매저장부와 연결된다.

상기 냉매유로(135)를 지나는 냉매는 액체 또는 기체 중에서 임의로 선택될 수 있으나, 액체냉매인 경우에는 액체가 안테나 하우징(131)의 내부로 누설되지 않도록 냉매유로(135)가 폐경로로 제작되어야 한다.

안테나 하우징(131)의 상부에 결합하는 안테나 커버(137)는 하우징 내부의 토로이드형 코어(132)를 외부와 격리시켜 오염을 방지하며, RF전원공급단자(138a)와 접지단자(138b)가 설치된다.

상기 RF전원공급단자(138a)와 접지단자(138b)는 안테나 하우징(131)의 내부에서 토로이드형 코어(132)에 감긴 유도코일(139)의 일단 및 타단과 각각 연결되며, 안테나 하우징(131)의 외부에서 제1 전원공급부(160)에 연결된 전원공급라인과 연결된다.

한편, 안테나 하우징(131)이 알루미늄 등 도전성 재질이므로, 유도코일(139)이나 전원공급라인이 안테나 하우징(131)과 절연될 수 있도록, 안테나 커버(137)는 절연재질로 제작된다.

안테나 하우징(131)의 상부에서 돌출되는 하우징 걸림턱(134)은 토로이드형 안테나(130)를 챔버 리드(112)에 고정하기 위한 것이며, 하우징 걸림턱(134)의 주변부에는 볼트를 이용하여 챔버리드(112)에 고정하기 위한 관통홀(134a)이 형성된다.

안테나 하우징(131)과 챔버리드(112)의 사이에도 진공시일이 형성되어야 함은 물론이다.

도 1에는 2개의 토로이드형 안테나(130)가 도시되어 있으나, 토로이드형 안 테나의 개수는 챔버의 크기 또는 공정특성에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 도 1에 도시된 것처럼 하나의 제1 전원공급부(160)에 연결되지 않고 각 토로이드형 안테나(130)가 서로 독립적인 전원에 연결될 수도 있다.

또한 각 토로이드형 안테나(130)는 개방부의 방향을 임의로 조절할 수 있으며, 제1 전원공급부(160)에서 공급하는 RF전력의 세기는 10kHz에서 13.56MHz 범위가 적당하다.

한편 챔버리드(112)에 램프히터 모듈(150)을 설치하면 짧은 시간에 높은 에너지를 기판(s)에 공급할 수 있으므로 플라즈마만을 이용하는 경우에 비하여 폴리 실리콘의 증착속도와 박막특성을 크게 향상시킬 수 있다.

램프히터 모듈(150)은 램프히터(152), 상기 램프히터(152)를 지지하는 한편 챔버리드(112)에 고정되는 램프히터 하우징(154), 램프히터 하우징(154)의 내측에 설치되는 반사판(156)을 포함하여 윈도우(140)의 일 측에 설치된다.

램프히터(152)는 할로겐 램프, 적외선 램프 등을 사용하며, 하나의 램프히터 모듈(150)에 한 개만 설치될 수도 있고 2개 이상 설치될 수도 있다.

기판(s)의 전면에 열에너지를 균일하게 공급하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 챔버리드(112)에서 토로이드형 안테나(130)가 설치되지 않은 대부분의 영역에 램프히터 모듈(150)을 설치하는 것이 바람직하다.

또한 기판(s)에 보다 균일한 열에너지를 공급하기 위해서는 챔버리드(112)뿐만 아니라 도 4에 도시된 바와 같이 챔버(110)의 측벽에도 램프히터 모듈(150)을 설치할 수 있다.

이 경우에도 램프히터 모듈(150)이 설치되는 챔버측벽의 해당 영역에는 투명재질의 윈도우(140)가 설치되어야 하며, 램프히터 모듈(150)은 상기 윈도우(140)의 외측에 설치된다.

다만, 램프히터(152)의 빛이 기판(s)을 향할 수 있도록 램프히터 모듈(150)의 정면이 수직면에 대하여 소정의 각도를 가지도록 경사지게 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 램프히터 모듈(150)은 짧은 시간에 기판(s)을 가열하기 위한 것이므로 상기 램프히터(152)는 적외선 램프 또는 할로겐 램프에 한정되지 않으며 다른 종류의 광학식 열원으로 대체될 수도 있다.

도 5는 램프히터 모듈(150)에서 발생한 열이 토로이드형 안테나(130)로 전달되는 것을 차단하기 위하여, 램프히터 모듈(150)의 주변에 냉각유로(190)를 형성한 모습을 나타낸 것이다.

일반적으로 자성체는 큐리온도 이상으로 가열되면 자성을 상실하는데, 램프히터(152)는 650℃ 이상의 고온으로 발열하므로 강자성체인 페라이트 재질의 토로이드에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이와 같이 냉각유로(190)를 형성하여 토로이드형 안테나(130)가 고온에 의해 열화되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

2. 저온 폴리 실리콘의 증착방법

이하에서는 전술한 장치를 이용하여 저온 폴리 실리콘을 증착하는 방법을 설명한다.

이 방법은 플라즈마를 발생시켜 기판(s)에 실리콘을 증착하기 전에 광학식 열원을 사용하여 기판의 표면온도를 순간적으로 상승시키는 것에 특징이 있다. 제한된 짧은 시간 동안에 광학식 열원에 의해서 기판의 표면온도를 상승시킨 후에 플라즈마에 의해서 소스물질을 활성화시켜 기판에 비정질 실리콘을 증착함과 동시에 곧바로 결정화를 유도하여 초기 증착막이 폴리 실리콘이 되도록 하는데 특징이 있다.

또한 증착되는 폴리 실리콘의 결정립의 크기를 증가시켜 보다 높은 전계이동도를 가지도록 박막특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 경우 동일 챔버 내에서 저온 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서, 개략적으로는 SiH₄, Si₂H₆ 등의 Si함유물질을 챔버 내부로 분사하고 토로이드형 안테나(130)에 RF전력을 공급하여 소스물질을 해리시키는 단계, Si활성종이 기판에 증착하는 단계, 증착된 실리콘이 결정화하는 단계, 토로이드형 안테나(130)의 전원연결을 차단하고 잔류물질을 배기시키는 단계 등의 순서로 증착 공정이 진행된다.

이상의 증착 공정에서 기판가열이 어떠한 패턴으로 진행되는지에 따라 여러 가지 방법으로 나뉘어질 수 있다.

제1 방법

저온 폴리 실리콘을 증착하는 제1 방법은 토로이드형 안테나(130)에 RF전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키기 전에 램프히터(152)를 이용하여 기판(s)의 표면온도를 500 내지 680℃ 사이로 짧은 시간 가열시키는 점에 특징이 있다.

즉, 제1 방법은 기판(s)을 미리 가열한 이후에 토로이드형 안테나(130)에 RF전력을 공급하고 Si함유물질을 공급하여 본격적인 증착공정을 진행하는 방법이다.

상기 제1 방법은 [표 1]에 도시된 바와 같이 다시 여러 가지 방법으로 나뉘어질 수 있다.

[표 1]

구 분	증착 전단계		증착 단계		증착 후단계
	램프히터	안테나	램프히터	안테나	램프히터	안테나
A	ON	OFF	OFF	ON	OFF	OFF
B	ON	OFF	ON	ON	OFF	OFF
C	ON	OFF	OFF	ON	ON	OFF

이후에는 램프히터(152)를 일단 오프시키고, 증착이 완료되어 토로이드형 안테나(130)에 대한 전원공급을 차단시킨 이후에 다시 램프히터(152)를 켜서 증착된 실리콘 층을 열처리하는 방법(C) 등이 있다.

상기 실시예에서는 기판 상에 비정질 실리콘이 증착되자마자 폴리 실리콘으로 결정화되도록 적어도 일정시간 동안 기판(s)의 표면온도를 램프히터(152)를 이용하여 가열한다.

램프히터(152)로 유리기판이나 하부막이 손상되거나 변형이 일어나는 온도까지 가열하되, 그 가열시간은 짧게 하여 상기 손상이나 변형이 일어나지 않도록 한다. 바람직하게는 약500 내지 680℃까지 짧은 시간동안 램프히터(152)를 이용하여 가열한다.

램프히터(152)를 이용하여 기판의 표면을 가열하는 시간은 기판의 표면상태에 따라 달라질 수 있다. 또한 램프히터(152)의 온도에 따라서 고온으로 올라갈수록 가열시간은 줄어들고, 낮은 온도로 가열할수록 가열시간이 늘어날 수 있다.

따라서 방법(A)의 경우에는 도 6a의 그래프와 같이 일정시간 동안 상기 온도영역에서 고온상태를 유지하다가 가열이 중단되는 패턴을 가지게 된다.

방법(B)의 경우에는 도 6b의 그래프와 같은 가열패턴을 가지는데, 즉, 증착 전단계에서는 기판의 표면온도를 소정시간 동안 500 내지 680℃ 사이의 고온을 유지하지만 일단 토로이드형 안테나(130)를 전원에 연결하여 증착공정이 개시된 이후에는 램프히터(152)를 조절하여 기판의 표면온도를 약 400℃ 이하로 유지시키고, 증착공정이 완료된 후에는 램프히터(152)에 의한 가열을 중단하는 패턴을 가지게 된다.

방법(C)의 경우에는 램프히터(152)를 이용하여 도 6c의 그래프와 같은 가열패턴을 가지는데, 즉, 증착 전단계에서는 기판의 표면온도를 소정시간 동안 500 내지 680℃ 사이의 고온을 유지하지만 증착공정이 개시된 이후에는 램프히터(152)를 이용한 가열을 중단하고, 증착공정이 완료된 이후에 다시 증착된 박막 상에 소정 시간동안 500 내지 680℃ 사이의 고온을 유지하여 열처리를 한다. 증착공정 전후 단계에서 가열시간이나 가열온도는 달라질 수 있다.

예를 들어 증착 후 열처리 단계는 1분 내지 20분 정도 유지되는 것이 바람직하다.

상기 방법(A),(B),(C)의 경우에 증착단계를 초기증착(pre-deposition)단계와 메인 증착단계로 구분하여 증착 전단계에서부터 초기 증착단계까지 500 내지 680℃ 사이의 고온을 유지하는 것도 가능하다.

초기 증착단계는 실리콘 박막이 수~수십 Å 이내의 두께, 바람직하게는 5~30Å의 두께로 증착되는 동안 가열한다. 메인 증착단계에서는 기판의 온도를 상기 가열온도 이하로, 바람직하게는 400℃ 이하로 유지시킨다.

이와 같이 하여, 초기 증착되는 씨드레이어(seed layer)가 고온에서 증착되도록 하면 증착되는 폴리 실리콘의 막 특성을 향상시킬 수 있다.

제2 방법

본 발명의 실시예에 따라 저온 폴리 실리콘을 증착하는 제2 방법은 Si증착단계의 이전에는 램프히터(152)를 오프시켜 놓고, 토로이드형 안테나(130)에 대한 전원공급을 하면서 램프히터(152)를 켜서 기판(s)을 가열하는 방법이다.

이 방법은 증착 전에 기판(s)을 미리 가열하지 않더라도 기판(s)의 열적 변형이나 손상 없이 램프히터(152)를 이용하여 기판의 표면온도를 짧은 시간 내에 상승시킬 수 있기 때문에 가능한 것이다.

이러한 제2 방법은 [표 2]에 도시된 바와 같이, 증착 후단계에 기판(s)을 램프히터(152)로 가열하는 방법이다.

[표 1]

구 분	증착 전단계		증착 단계		증착 후단계
	램프히터	안테나	램프히터	안테나	램프히터	안테나
D	OFF	OFF	OFF	ON	ON	OFF
E	OFF	OFF	ON	ON	ON	OFF

이 중에서 방법(D)는 토로이드형 안테나(130)의 전원공급을 차단할 때, 램프히터(152)로 증착된 박막을 500 내지 680℃ 사이의 고온으로 가열하여 소정 기간동안 열처리한다.

장시간의 가열은 기판이나 증착된 박막에 손상을 가할 수 있으나, 적절한 시간동안의 열처리는 증착된 폴리 실리콘의 막질을 개선할 수 있다.

방법(E)의 경우는 증착단계에서부터 램프히터(152)를 이용하여 400℃ 이하의 온도에서 가열을 진행하다가 증착공정이 완료된 이후 다시 증착된 박막 상에 소정시간 동안 500 내지 680℃ 사이의 고온을 유지하여 열처리를 한다.

상기 방법(D)와 방법(E)의 경우 증착 후단계에서 기판(s)을 가열하되, 가열시간은 500 내지 680℃ 사이의 범위에서 선택되는 온도에서 가열하며, 가열온도가 높은 경우는 가열시간이 줄어들 수 있고, 가열온도가 낮은 경우에는 가열시간이 늘어날 수 있다.

이러한 증착 후 열처리시간은 1분 내지 20분 정도 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 증착단계를 초기증착(pre-deposition) 단계와 메인 증착단계로 구분 하여 증착전 단계에서부터 초기 증착단계까지 500 내지 680℃ 사이의 고온을 유지하는 것도 가능하다. 초기 증착단계는 실리콘 박막이 수~수십 Å 이내 증착되는 동안 가열한다. 바람직하게는 5~30Å 의 박막이 증착되는 동안 가열한다.

또한, 상기 제 1 방법과 제 2 방법을 혼합하여, 폴리 실리콘을 증착하는 단계 전후로 램프히터(152)를 이용하여, 기판 표면을 초기 가열하고, 증착된 표면을 열처리할 수도 있다.

이와 같은 처리를 통해서 증착되는 폴리 실리콘의 막질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 발생원과 광학식 열원을 기판의 대향면 상에 배치할 수 있기 때문에 2가지 에너지원을 동시에 사용하여 기판에 폴리 실리콘 박막을 증착할 수 있으며, 광학식 열원을 적절히 사용함으로써 저온 폴리 실리콘의 막질을 개선할 수 있다.

또한 광학식 열원에 의해서 박막 증착 이전에 기판의 표면온도를 특정온도까지 가열할 수 있으므로 박막증착 초기에 비정질 실리콘을 폴리 실리콘으로 결정화하는 것이 가능해진다.

또한 상기 폴리 실리콘으로 결정화된 초기 박막이 씨드레이어(seed layer)가 되어 이후 증착되는 실리콘이 결정화되기 쉬운 구조가 된다. 따라서 종래처럼 레이저 어닐링 등의 별도의 결정화 공정을 위해 기판을 다른 챔버로 이동시킬 필요 가 없어 공정속도가 크게 향상된다.

Claims (34)

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14. 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서,

    증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 단계;

    상기 광학식 열원을 OFF하고, 플라즈마를 형성하고, 실리콘 함유가스를 공급하여, 상기 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계;

    를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계의 이후에는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 증착 후 열처리 단계를 더 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
16. 삭제
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 기판은 증착 전에 500 내지 680℃ 의 온도를 유지하는 폴리 실리콘 증착 방법
18. 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서,

    증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 단계;

    플라즈마를 형성하고 실리콘 함유가스를 공급하여 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 초기 증착단계;

    상기 광학식 열원을 OFF하고, 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 메인 증착단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 플라즈마를 OFF하는 단계;

    를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고 플라즈마를 OFF하는 단계의 이후 에는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 증착 후 열처리단계를 더 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
20. 삭제
21. 제 18 항에 있어서,

    상기 기판은 초기증착 시에 500 내지 680℃ 의 온도를 유지하는 폴리 실리콘 증착 방법
22. 제 18 항에 있어서,

    상기 초기 증착단계에서 증착되는 막의 두께는 5Å 이상 30Å 이하인 폴리 실리콘 증착 방법
23. 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으 로서,

    증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 가열하는 단계;

    상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하고, 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 광학식 열원과 플라즈마를 OFF하는 단계;

    를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 기판은 증착 전에 500 내지 680℃ 의 온도를 유지하는 폴리 실리콘 증착 방법
25. 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서,

    증착 전에 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 이하의 온도로 소정시간 가열하는 단계;

    플라즈마를 형성하고 실리콘 함유가스를 공급하여 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 초기 증착단계;

    상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하고, 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 메인 증착단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 광학식 열원과 플라즈마를 OFF하는 단계;

    를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
26. 제 25 항에 있어서,

    상기 기판은 초기증착 시에 500 내지 680℃ 의 온도를 유지하는 폴리 실리콘 증착 방법
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 초기 증착단계에서 증착되는 막의 두께는 5Å 이상 30Å 이하인 폴리 실리콘 증착 방법
28. 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으로서,

    플라즈마를 형성하고, 실리콘 함유가스를 공급하여, 상기 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계 이후에, 광학식 열원을 이용하여 상기 기판을 500 내지 680℃ 의 온도로 소정시간 동안 가열하는 증착 후 열처리 단계

    를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
29. 제 28 항에 있어서,

    상기 플라즈마를 형성하고, 실리콘 함유가스를 공급하여, 상기 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 단계는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하는 과정을 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
30. 삭제
31. 기판 상부에 플라즈마를 형성하여 저온에서 폴리 실리콘을 증착하는 방법으 로서,

    광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 이하의 온도로 가열하면서, 플라즈마를 형성하고 실리콘 함유가스를 공급하여 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 초기 증착단계;

    상기 광학식 열원을 OFF하고, 기판 상에 폴리 실리콘을 증착하는 메인 증착 단계;

    상기 실리콘 함유가스의 공급을 차단하고, 상기 플라즈마를 OFF하는 단계;

    상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 500 내지 680℃ 이하의 온도로 소정시간 동안 가열하는 증착 후 열처리 단계;

    를 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
32. 제 31 항에 있어서,

    상기 메인 증착단계에서는, 상기 광학식 열원을 이용하여 기판을 400℃ 이하로 가열하는 과정을 포함하는 폴리 실리콘 증착 방법
33. 제 31 항에 있어서,

    상기 초기 증착단계에서 증착되는 막의 두께는 5Å 이상 30Å 이하인 폴리 실리콘 증착 방법
34. 제 15 항, 제18항, 제 28항, 제 31 항 중 어느 하나에 있어서,

    상기 증착 후 열처리 단계는 1 내지 20분 동안 이루어지는 폴리 실리콘 증착 방법

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