KR101367373B1 - 박막 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착 장치는 내부에 기판이 장입되는 챔버; 상기 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 상기 반응 가스 중 적어도 일부를 해리시켜 결정성 나노 입자를 형성하는 에너지원; 및 상기 기판 상부에 개폐 가능하게 설치되며, 상기 반응 가스 및 상기 에너지원으로부터 방출되는 열 중 적어도 하나를 기판에 대해 차단하는 기판 차단부;를 포함하며,상기 기판 차단부는 상기 기판에 박막이 증착되는 시간을 지연시키기 위하여 기판을 개폐 시키는 동작이 시간에 의존하여 행해진다.

Description

박막 제조 장치{Apparatus for manufacturing thin film}
본 발명은 박막 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정성 나노 입자로부터 결정성 박막을 형성하는 박막 제조 장치에 관한 것이다.
투명한 전도성 산화물(TCO: transparent conductive oxide) 코팅된 유리와 같은 기판 상에 저온에서 결정성 실리콘 박막을 직접 증착하는 것은 디스플레이 및 태양전지 분야에서 도전적인 과제 중 하나이다. 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 열선 화학 기상 증착(HFCVD : Hot Filament Chemical Vapor Deposition 또는 HWCVD : Hot Wire Chemical Vapor Deposition)에 의해 결정성 실리콘 막을 저온에서 증착하게 되면, 비정질 인큐베이션 레이어 및 수소와 결합된 비정질 실리콘(a-Si:H) 상이 불가피하게 발생되는 문제점이 있다. 소정량의 a-Si:H 가 증착되며, 마이크로 또는 나노 수준의 결정성 실리콘은 a-Si:H 매트릭스 사이에서 증착되기 시작한다. 따라서, 최근에는 결정성 실리콘 막은 2단계의 처리 공정에 의해 준비되는데, 첫번째로 a-Si:H 막을 증착하고, 다음으로 엑시머 레이저 어닐링(또는 그와 등가의 방법)에 의해 또는 금속 촉매로써 열적 어닐링을 수행하여 a-Si:H 막을 결정화하게 된다. 그런데, 이러한 과정은 비용이 많이 소모되는 등 효율적이지 못한 면이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막 제조 과정에서 막의 저항률을 형상시킬 수 있는 박막 제조 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는 고품위 결정성 박막을 증착할 수 있는 박막 제조 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 박막을 증착함에 있어서 비결정성 물질의 형성을 억제할 수 있는 박막 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 제조 장치는 내부에 기판이 장입되는 챔버; 상기 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 상기 반응 가스 중 적어도 일부를 해리시켜 결정성 나노 입자를 형성하는 에너지원; 및 상기 기판 상부에 개폐 가능하게 설치되며, 상기 반응 가스 및 상기 에너지원으로부터 방출되는 열 중 적어도 하나를 기판에 대해 차단하는 기판 차단부;를 포함하며, 상기 기판 차단부는 상기 기판에 박막이 증착되는 시간을 지연시키기 위하여 기판을 개폐시키는 동작이 시간에 의존하여 행해진다.
여기서, 상기 기판 차단부는 상기 챔버를 분할하는 플레이트일 수 있다.
선택적으로, 상기 기판 차단부는, 상기 기판의 상면을 차단하는 차단부 본체와 상기 차단부 본체의 측면에 일체로 형성되어 상기 기판의 측면을 차단하는 차단부 측면과 상기 차단부 본체와 상기 차단부 측면을 상기 기판에 대하여 회전시켜 기판을 개폐할 수 있는 회전축을 구비한다.
특히, 상기 차단부 본체는 평면 플레이트일 수 있다.
선택적으로, 상기 차단부 본체는 돔형 플레이트일 수 있다.
한편, 상기 가스 공급 장치는 상기 기판에 형성되는 박막의 원소를 포함하는 제 1 반응 가스와, 상기 기판상에 비결정성 물질의 형성을 억제하는 제 2 반응 가스를 제공한다.
또한, 상기 플레이트에 의해 분할된 챔버의 일부분에 작용하는 제 1 진공 펌프와, 상기 플레이트가 제거되었을 때 챔버 전체에 작용하는 제 2 진공 펌프를 추가로 구비한다.
상기 에너지원은 상기 가스 공급 장치와 상기 기판 사이에 설치된 열선 구조체를 포함한다.
또한, 상기 기판과 연결되고 상기 기판에 전기장을 형성시키는 바이어스 인가부를 추가적으로 포함한다.
한편, 상기 반응 가스는 HCl 을 포함한다.
상기 기판 차단부에 박막 증착이 지연되는 시간은 3 내지 10분이며, 보다 바람직하게는 5분이다.
본 발명에 의하면, 기판 차단부에 의해 증착 지연 시간을 제어할 수있게 되어 증착되는 물질의 입자 크기를 제어할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 의하면 제조되는 박막의 저항률을 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 증착 설비 조립체에 대한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 증착 장치에서 기판 차단부가 기판을 개폐하는 상태를 각각 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 박막 증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착 장치에서 증착된 실리콘 막의 단면의 TEM 사진이다.
도 6는 실리콘 입자자 기판 차단부에 의해 차단된 지연 시간에 따른 증착된 실리콘 막의 저항율의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 0 분 및 5분의 지연 시간에 대하여 20초동안 Cu TEM 그리드 상에 증착된 초기 구조의 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시례들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시례들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서 여러 장치, 층(또는 막) 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 상기 장치, 층(또는 막) 및 영역들의 폭이나 두께를 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 장치가 다른 장치 또는 기판 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 다른 장치 또는 기판 위에 바로 위치하거나 또는 그들 사이에 추가적인 장치가 개재될 수도 있다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 증착 장치가 채용된 박막 증착 설비 조립체에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 하나의 반응 가스 생성 장치(10) 주위에 다수의 박막 증착 장치(100)가 방사상으로 배치된다. 상기 반응 가스 생성 장치(10)에서 생성된 반응 가스는 반응 가스 공급 경로부(12)를 통하여 각 박막 증착 장치(100)에 공급된다. 상기 반응 가스 생성 장치(10)에서 하나의 박막 증착 장치(100)에 가스가 공급되고, 공급 과정이 종료된 후, 반응 가스 공급 경로부(12)는 인접한 다른 박막 증착 장치(100)에 연결되어 반응 가스를 공급하게 된다. 하나의 박막 증착 장치에 대하여 가스 공급하고 그 다음의 박막 증착 장치에 반응 가스를 공급하는 단계를 수회 실시하는 과정에서, 개별 박막 증착 장치에서 박막이 증착되는 과정이 진행되는 동안 반응 가스 공급이 별도로 이루어질 수 있게 되어 다량의 박막 증착 공정시에 대기 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 증착 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 증착 장치(100)는, 기판(140)이 장입되는 챔버(110), 챔버(110) 내에 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 장치(120), 상기 반응 가스를 해리시켜 결정성 나노 입자를 형성하는 에너지원(130) 및 상기 기판 상부에 개폐 가능하게 설치되어 반응 가스 또는 에너지원으로부터 방출되는 열을 기판에 대해 차단하는 기판 차단부(160a)를 포함한다.
박막 증착 장치(100)는 기판(140)이 놓이는 안착부(142), 기판 안착부(142)를 지지하는 지지부(144), 상기 기판(140)에 전기장을 형성하는 바이어스 인가부(150)를 추가적으로 포함한다.
가스 공급 장치(120)는 챔버(110)의 상부에 배치된다. 도시한 바와 같이, 가스 공급 장치(120)는 샤워 헤드 형상으로 될 수 있다. 가스 공급 장치(120)은 챔버(110) 상부에 배치되고 챔버(110) 내부에 상기 반응 가스를 공급한다. 가스 공급 장치(120)는 가스 도입부(122) 및 가스 분사부(124)을 포함한다.
상기 반응 가스는 챔버(110) 외부로부터 가스 도입부(122)을 통해 가스 분사 장치(120)로 유입되며, 가스 분사부(124)을 통해 챔버(110) 내부에 제공된다.
상기 가스 공급 장치(120)가 공급하는 반응 가스는 기판에 형성되는 박막의 원소를 포함하는 제 1 반응 가스를 포함하며, 필요에 따라, 기판상에 비결정성 물질의 형성을 억제하는 제 2 반응 가스를 포함한다. 상기 가스 공급 장치는 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스를 혼합하여 공급할 수도 있고, 필요에 따라 별도의 경로로 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스를 각각 공급할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 실리콘 박막을 형성하는 경우, 상기 제1 반응 가스는 SinH2n+2(여기서, n은 자연수)로 표시되는 실란계 화합물을 주체로 하는 가스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 반응 가스는 모노실란, 디실란, 트리실란, 테트라실란 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 모노실란, 디실란, 트리실란 또는 이를 포함한 혼합가스를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 반응 가스는 SinH2n+2-mFm(여기서, n, m은 자연수로 m<2n+2이며, m은 0도 포함할 수 있다.)으로 표시되는 불화실란, 예를 들어, SiH3F, SiH2F2, SiHF3, SiF4, Si2F6, Si2HF5, Si3F8 ; SinR2n+2-mHm으로 표시되는 유기실란, 예를 들어, Si(CH3)H3, Si(CH3)2H2, Si(CH3)3H 등 또는 이들의 화합물이나 혼합물을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 게르마늄 박막을 형성하는 경우, 상기 제1 반응 가스는 GenH2n+2로 표시되는 게르마늄 가스, 예를 들면 GeH4, Ge2H6; GenH2n+2-mFm으로 표시되는 불화 게르마늄 가스, 예를 들면, GeF4 등 또는 이들의 화합물이나 혼합물을 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 탄소 박막이나 탄소 나노 튜브 또는 나노 와이어를 증착하는 경우, 상기 제1 반응 가스는 탄화수소 가스, 예를 들면, CH4, C2H6, C3H8, C2H4, C2H2 등과 이외의 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 반응 가스로서 상술된 상기 가스들은 단독으로 사용될 수도 있지만, 불소, 염소 등의 반응성이 있는 가스; 도펀트(dopant)인 III족 원소를 함유한 가스, 예를 들면, B2H6, B(CH3)3 등; 도펀트인 V족 원소를 함유한 가스, 예를 들자면, PH3 등; 헬륨, 아르곤, 네온 등의 불활성 가스; 수소 및 질소 등의 별도의 가스가 추가로 도입되어 함께 사용될 수 있다. 상기 추가로 도입되는 가스는 상기 가스 공급 장치(120)를 통해 상기 제 1 반응 가스와 혼합하여 제공되거나, 별도의 가스 공급 장치(미도시)를 통해 제 1 반응 가스와 분리되어 챔버(110)로 공급될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 반응 가스는 기체 형태 또는 액체 소스를 기화시킨 증기의 형태로 챔버(110) 내부로 제공될 수 있다. 상기 제 1 반응 가스가 액체 소스를 기화시킨 증기의 형태로 제공되는 경우, 상기 증기를 챔버(110) 내부로 운반하는 운반 가스(carrier gas)가 부가적으로 사용될 수 있다. 상기 운반 가스의 예로는 수소, 질소, 헬륨, 아르곤 등 비반응성 가스가 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 가스 공급 장치(120)는 제 1 반응 가스 외에 제 2 반응 가스도 기판(140) 상에 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 반응 가스는 기체 형태 또는 액체 소스를 기화시킨 증기의 형태로 챔버(110) 내부로 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 반응 가스는 기판(140) 상에 결정성 박막이 형성되는 동안에 기상으로부터 비결정성 물질이 상기 기판(140) 상에 형성되는 것을 억제하도록 기판(140) 상에서 작용할 수 있다. 상기 제2 반응 가스는 일례로서, 염화수소 등의 17족 원소를 포함하는 화합물 가스를 포함할 수 있다. 제2 반응 가스는 Cl계, F계 등의 반응성이 강한 원소를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 반응 가스로서 상술된 상기 화합물 가스들은 단독으로 사용될 수도 있지만, 도펀트(dopant)인 III족 원소를 함유한 가스, 예를 들면, B2H6, B(CH3)3 등 ; V족 원소를 함유한 가스, 예를 들자면, PH3 등 ; 헬륨, 아르곤, 네온 등의 불활성 가스 ; 수소 및 질소 등의 가스가 추가로 도입되어 함께 사용될 수 있다. 상기 추가로 도입되는 가스는 상기 제2 반응 가스와 혼합하여 제공되거나, 별도의 가스 공급 장치(미도시)를 통해 제2 반응 가스와 분리되어 챔버(110)로 공급될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 반응 가스가 액체 소스를 기화시킨 증기의 형태로 제공되는 경우, 상기 증기를 챔버(110) 내부로 운반하는 운반 가스(carrier gas)가 부가적으로 사용될 수 있다. 상기 운반 가스의 예로는 수소, 질소, 헬륨, 아르곤 등 비반응성 가스가 사용될 수 있다.
상술된 박막 증착 장치(100)에서, 제1 반응 가스와 상기 제 2 반응 가스는 가스 공급 장치(120)를 통하여 챔버(110) 내에 공급되는 것으로 예시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스는 별도의 경로로 각각 챔버에 공급될 수 있다.
본 발명의 일실시예의 박막 증착 장치(100)에 따르면, 샤워 헤드(120)으로부터 제공된 제1 반응 가스는 챔버(110) 내에서 열선 구조체(131)에 의해 해리되어 결정성 나노 입자를 형성할 수 있다. 상기 결정성 나노 입자는 챔버(110) 내에서 상기 결정성 나노 입자(110)의 유형에 따라 음 또는 양으로 하전된 후에, 바이어스 인가부(190)에 의하여 형성된 전기장을 따라 기판(140) 상으로 유도되어, 기판(140) 상에서 결정성 박막으로 형성될 수 있다. 제 2 반응 가스는 상기 결정성 박막이 형성되는 동안, 기판(140) 상에서 비결정성 물질이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 형성하고자 하는 박막의 원소를 포함하는 상기 제 1 반응 가스를 미리 기상에서 해리하여 결정성 나노 입자를 형성함으로써, 상기 결정성 나노 입자로부터 결정성 박막을 형성하는 공정이 저온의 기판 상에서 이루어질 수 있다. 따라서, 유리 또는 고분자 기판 등 다양한 형태의 기판이 사용될 수 있다. 상기 제2 반응 가스는 상기 제1 반응 가스로부터 비정질 물질이 기판에 형성되는 것을 방지함으로써, 형성되는 상기 결정성 박막의 결정도를 증가시킬 수 있다.
한편, 에너지원(130)이 가스 공급 장치(120) 하부에 배치된다. 제1 실시예에서 에너지원(130)은 열선 구조체일 수 있다. 열선 구조체인 에너지원(130)은 텅스텐(W)과 같은 금속을 포함할 수 있으며, 격자형, 필라멘트형 등과 같은 형상을 가질 수 있다. 열선 구조체인 에너지원(130)은 전류가 인가될 경우 전기저항에 의해 열을 발생시킨다. 열선 구조체인 에너지원(130)에서 발생되는 열은 가스 공급 장치(120)로부터 제공되는 상기 제 1 반응 가스를 화학적으로 해리시킨다. 에너지원(130)은 상기 제 1 반응 가스 내의 구성 원소 간 결합을 해리시킬 수 있을 정도로 충분한 열을 발생시키도록 조절될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 반응 가스가 상기 기판(140) 상에 실질적으로 형성되는 박막의 원소를 포함하는 경우, 열선 구조체(131)는 상기 제1 반응 가스를 해리시켜 상기 결정성 나노 입자를 형성할 수 있다.
상기 에너지원은 열 또는 플라즈마를 제공하여 상기 반응 가스를 해리할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 결정성 나노 입자는 생성되는 상기 결정성 나노 입자의 유형에 따라 음 또는 양의 전하를 띠도록 하전될 수 있다. 즉, 상기 결정성 나노 입자의 하전 상태는 상기 결정성 나노 입자가 생성되는 공정 조건, 일례로서, 상기 챔버 내의 압력, 온도 등에 따라 다르게 조절될 수 있다. 다른례로서, 상기 결정성 나노 입자의 하전 상태는 에너지원(130)(도 1 참조)의 종류 및 화학 성분에 따라 다르게 조절될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판에 전기장을 형성하여 상기 하전된 결정성 나노 입자를 상기 기판으로 유도할 수 있다.
기판(140)은 기판 안착부(142) 상에 배치된다. 기판(140)의 재질은 도전성 물질, 비도전성 물질 및 고분자 물질 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 기판(140)는 유리 기판, 금속기판, 고분자 기판 또는 금속 산화물 기판 일 수 있다.
기판 안착부(142)는 챔버(110)의 하부에서 가스 공급 장치(120)와 대향하도록 위치할 수 있다. 도시한 바와 같이, 기판을 지지하는 기판 지지대는 기판(140)을 지지하는 안착부(142) 및 기판(140)을 회전 또는 상하로 승하강시킬 수 있는 지지부(144)를 포함할 수 있다. 기판 지지대는 안착부(142)에 안착된 기판(140)을 가열할 수 있는 가열 수단(미도시), 기판 또는 안착부(142)의 온도를 측정할 수 있는 열전대 및 상기 가열 수단을 냉각하기 위한 냉각 수단을 포함할 수 있다.
한편, 상기 기판 차단부(160a)는 나노 입자가 기판으로 유도되는 것을 차단하는 역할을 수행하는데, 기판 차단부는 챔버를 분할하는 형상의 플레이트일 수 있다. 이때, 상기 플레이트인 기판 차단부(160a)는 기판을 가스 공급장치(120) 및 에너지원(130)과 차단시키도록 챔버의 내부 공간을 분할하게 된다.
기판 차단부(160a)는 기판 지지대(140) 상측에 배치될 수 있다. 기판 차단부(160a)는 기판(140)과 가스 공급 장치(120) 또는 기판(140)과 열선 구조체인 에너지원(130) 사이를 차단하여 기판(140)이 가스 공급 장치(120) 또는 열선 구조체인 에너지원(130)에 노출되지 않는 시간을 제어하기 위하여 회전 또는 병진 이동에 의하여 기판(140) 상에 배치되거나 기판(140)으로부터 퇴거 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서, 기판 차단부(160a)는 가스 공급 장치(120)로부터 제공되는 반응 가스가 상기 기판(140) 상에 유입되는 것을 선택적으로 조절할 수 있다. 또한, 기판 차단부(160a)는 열선 구조체인 에너지원(130)로부터 방출되는 열이 기판에 작용하는 것을 선택적으로 차단할 수 있다. 이와 같은 기판 차단부(160a)를 이용함으로써, 기판(140) 상에 증착되는 박막의 두께를 제어할 수 있으며, 공정 초기에 정상 상태(steady state)에 이르지 못한 반응 가스가 기판(140) 상에 증착되는 것을 차단할 수 있다. 기판 차단부(160a)는 높이 조절을 위하여 상하로 승하강할 수 있도록 구성될 수 있다.
여기서, 박막 증착 과정을 살펴보면, 먼저 챔버(110) 내에 반응 가스로서 예를 들어 실란(SiH4)이 제공된다. 실란은 일례로서, 고온의 열선 구조체인 에너지원(130)이 제공한 열에 의해 기상에서 실리콘(Si)과 수소(H)로 해리될 수 있으며, 해리된 상기 기상의 실리콘이 상기 챔버 내에서 과포화되면 실리콘은 석출될 수 있다. 석출되는 실리콘은 핵생성 및 성장하여, 기상에서 실리콘 나노입자를 형성할 수 있다. 기상에서 형성되는 실리콘 나노 입자는 상기 챔버의 벽이나 다른 입자의 표면과 접촉하여 내부 전하를 교환함으로써 하전될 수 있다. 한편, 상기 실리콘 나노 입자는 고온의 기상에서 결정성 나노 입자로 용이하게 성장할 수 있다.
상기 결정성 실리콘 나노 입자는 결정성을 가지고 기판에 증착되는데, 이 과정에서 기판 차단부(160a)가 기판을 소정의 지연 시간만큼 차단하고 있으면 기판을 차단하고 있는 지연 시간만큼 결정성 실리콘 나노 입자가 기판에 증착되는 시간이 지연된다.
증착되는 상기 결정성 실리콘 나노 입자는 결정성 박막을 형성할 수 있는 시드(seed) 역할을 할 수 있다. 또, 상기 결정성 실리콘 나노 입자는 하전되어 있으므로, 상기 결정성 실리콘 나노 입자 사이 또는 상기 결정성 실리콘 나노 입자와 성장하는 표면 사이에 전기적 상호작용을 발생시켜 그 결과, 상기 결정성 실리콘 나노 입자는 규칙적인 배향을 가지며 상기 기판의 표면에 증착될 수 있다. 이 후, 상기 결정성 실리콘 나노 입자가 기판에 연속적으로 증착되어, 상기 기판 상에 결정성 실리콘 박막이 형성될 수 있다.
한편, 승하강 가능한 기판 지지대의 구조로 인하여, 기판(140)과 가스 공급 장치(120)와의 간격(D)이 조절될 수 있으며, 기판(140)과 열선 구조체인 에너지원(130)와의 간격(d1)도 조절 가능하다. 가스 공급 장치(120)와 에너지원(131)와의 간격(d2)을 조절하기 위하여, 가스 공급 장치(120) 또는 에너지원(131)이 상하로 승하강이 가능하다. 간격들(d1, d2, D)은 챔버(110)내 압력 등에 의존하여 변경될 수 있으며, 기판(140)에 전달되는 열량, 증착되는 박막의 증착 속도에 따라 조절될 수 있다.
한편, 바이어스 인가부(150)가 챔버(110)의 하부에 배치된다. 바이어스 인가부(150)는 안착부(142)에 안착된 기판(140)에 바이어스를 인가하여 기판(140)에 전기장을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기판(140)에 형성된 전기장은, 상기 제1 반응 가스가 해리되어 형성된 결정성 나노 입자가 챔버(110) 내에서 하전되는 경우, 상기 하전된 결정성 나노 입자를 기판(140) 쪽으로 유도할 수 있다. 이 경우, 상기 하전된 결정성 나노 입자는 상대적으로 큰 유속(flux)을 가지고 기판(140)에 도달할 수 있다. 그 결과, 상기 하전된 결정성 나노 입자로부터 형성되는 박막은 기판(140)과의 밀착력이 증가될 수 있으며, 상기 박막의 증착 속도가 증가될 수 있다. 그리고, 증착된 상기 박막의 결정화도가 증가될 수 있다.
추가하여, 기판 차단부(160a)에 의해 분할된 챔버(110) 내부 공간에서 가스 공급 장치(120)와 연통되는 공간에는 제 1 펌프(P1)를 챔버(110) 내부 공간으로 연결하는 제 1 진공 도관(172)이 형성된다. 기판 차단부(160a)에 의해 분할된 챔버(110)의 내부 공간에서 기판(140)과 연통되는 공간에는 제 2 펌프(P2)를 챔버(110)의 내부 공간으로 연결되는 제 2 진공 도관(174)이 형성된다.
기판 차단부(160a)가 챔버 내부 공간을 구획하고 있을 때에는 제 1 펌프(P1)이 진공 펌핑 작업을 수행하게 되며, 기판 차단부(160a)가 개방 되었을 때에는 제 2 펌프(P2)가 진공 펌핑 작업을 수행하게 된다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 증착 장치(100)는 도 2에 도시된 제1 실시예에 따른 박막 증착 장치와 비교하여 기판 차단부의 구체적인 형상면에서 차이점이 있다.
도 3a의 기판 차단부(160b)는 챔버(110) 내에 장입된 기판(140)의 상면을 차단하는 차단부 본체(160b1)와, 상기 기판 차단부 본체(160b1)의 측면에 일체로 형성되어 기판(104)의 측면을 차단하는 차단부 측면(160b2)을 구비한다. 또한, 상기 기판 차단부(160b)는 차단부 본체(160b1)와 차단부 측면(160b2)을 기판에 대하여 회전시켜 기판을 개폐할 수 있게 하는 회전축(160b3)을 구비한다.
따라서, 기판 차단부(160b)는 도 3a와 도시된 상태로 기판을 덮어서 차단한 상태로 유지할 수도 있고, 도 3b에 도시된 바와 같이 기판 차단부(160b)가 회전축(160b3)을 기준으로 회전하여 기판(140)이 노출되도록 할 수도 있다.
이 과정에서 기판 차단부(160b)는 기판에 박막이 증착되는 시간을 지연시키기 위하여 기판을 개폐 시키는 동작이 시간에 의존하여 행해지게 된다.
상기 기판 차단부(160b)에서 차단부 측면(160b2)는 차단부 본체(160b1)의 측면 전체를 둘러 형성되는 것이 아니라 상기 기판(140)을 차단하도록 기판 차단부(160b)를 회전시킬 때 차단부 측면(160b2)이 기판(140)에 간섭되지 않도록 일부가 개방된 구조이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 제 2 실시예에 따른 박막 증착 장치(100)에서는 상기 가스 공급 장치(120)의 반대편, 즉 챔버의 하측에 제 2 진공 챔버(P2)와 연통된 제 2 진공 도관(174)가 형성되어 있다.
도 4는 도 3a 및 도 3b의 제 2 실시예에 따른 박막 증착 장치에서 기판 차단부의 차단부 본체의 형상의 구조가 변형된, 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 기판 차단부(160c)는 챔버(110) 내에 장입된 기판(140)의 상면을 차단하는 차단부 본체(160c1)와, 상기 차단부 본체(160c1)의 측면에 일체로 형성되어 기판(104)의 측면을 차단하는 차단부 측면(160c2)을 구비한다. 또한, 상기 기판 차단부(160c)는 차단부 본체(160c1)와 차단부 측면(160c2)을 기판에 대하여 회전시켜 기판을 개폐할 수 있게 하는 회전축(160b3)을 구비한다.
여기서, 상기 차단부 본체(160c1)은 그 하측에 배치된 기판(140)과의 간섭을 회피하기 위하여 기판과 반대방향으로 돌출된 돔 형상의 플레이트이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치의 예로서 도 2 내지 도 4와 관련하여 박막 증착 장치(100)를 개시하였지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치는 이에 한정되지 않고, 당업자에게 자명하다면 다양한 변형예가 가능하며, 일례로서, 플라즈마 기상 증착 방법 또는 물리적 기상 증착 방법이 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 설명한다.
[실험예]
본 발명에 따른 박막 증착 장치를 이용하여 기판 차단부에 의해 소정의 지연시간동안 기판을 폐쇄하였다가 개방하는 방식으로 박막을 증착하는 실험을 하였다.
증착은 서로 나란하게 배열된 3개의 선형 텅스텐 와이어를 구비한 HWCVD 반응기를 사용하여 유리 기판(Corning Eagle XG)상에서 행해졌다. 와이어 및 기판의 온도는 각각 적외선 광학 파이로미터 및 기판에 접촉한 열전쌍에 의해 모니터링되었다. 기판과 필라멘트인 에너지원과의 거리는 2cm 이었고, 기판의 온도는 500℃ 이었으며, 와이어의 온도는 1800℃ 이었고, 압력은 13.3Pa 이었다. 수소(70 중량 % H2)에 희석된 실란(30 중량 % SiH4)이 결정성 실리콘 막의 증착을 위하여 사용되었고, 수소(95 중량 % H2)에 희석된 수소화인(5 중량 % PH3)이 전기적 특성을 측정하기 위하여 n-타입 도핑에 첨가되었다. 또한, 염화 수소(HCl, 99.99%) 가스가 챔버에 공급되었다. HCl 및 n-타입 도핑 비율은 RHCl = [HCl] / [SiH4] 및 RPH3 = [PH3] / [SiH4] 로 각각 표시되며, 여기서 괄호는 유동 속도를 나타내는데, RHCl 및 RPH3 는 각각 7.5 와 0.022 이었다.
결정성 실리콘 시드(seed) 입자가 없는 SiH4 및 HCl 의 가스 혼합체에 의해 증착된 결정성 실리콘 막에서 입자의 성장 모습을 관찰하기 위하여, 막의 단면은 포커싱된 이온 비임 (FIB, SMI3050SE, SII Nanotechnology, Japan)에 의해 준비되었다. 입자의 성장 모습은 300keV 에서 작동되는 고해상도 트랜스미션 전자 현미경 (HRTEM, JEM-3000F, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰되었다.
알려진 바에 의하면, CVD 공정 동안에 하전된 가스상 핵(nuclei)이 형성된다. 알려진 바에 의하면, 이러한 특징은 HWCVD 처리 공정에서 실리콘 증착을 하는 동안에도 나타나는 것을 확인되었다. 가스상 핵의 크기는 증착 초기에 특히 증가하게 될 것으로 예상되는데, 그 이유는 반응 챔버가 아직 정상상태(steady state)에 도달하지 못하였기 때문이다. 따라서, 필라멘트가 가열되자 마자 증착이 행해진다면, 작은 크기의 가스상 핵만이 기판에 도달하게 되어 실리콘 초기 구조를 결정하게 된다.
만약 기판 차단부로써 기판을 커버함으로써 임의의 시간 동안 증착이 지연된다면 큰 크기의 가스상 핵이 기판에 안착하게 된다. 이러한 초기 구조의 차이는 성장된 막의 품질에 영향을 미치게 된다.
증착된 막의 전기적 특성에서 초기 구조의 영향을 살펴보기 위하여, 유리 기판상에 행해지는 초기 증착은 각각 0, 3, 5, 10 분의 지연 시간 후에 20초 동안 행해졌다. 이후에 서로 다른 초기 구조를 가진 4개의 유리 기판은 동일한 증착 조건하에서 300초 동안 동시에 증착되었다.
증착된 실리콘 막의 저항률(resistivity)은 상온에서 4-포인트 탐침에 의해 측정되었다. 최고 및 최저 저항률을 갖는 실리콘 막의 밀도는 W. Wallace and W. Wu, Appl. Phys. Lett. 67, 1203 (1995), M. F. Toney and S. Brennan, J. Appl. Phys. 66, 1861 (1989), P. Bergese, E. Bontempi, and L. E. Depero, Appl. Surf. Sci. 253, 28 (2006), M. Groner, F. Fabreguette, J. Elam, and S. George, Chem. Mater. 16, 639 (2004)에서 설명된 바와 같이, X레이 반사율(XRR)에 의해 측정되었다. 상대 밀도는 Dsubstance = ρsubstance/ρreference, 의 수식에 의해 계산되는데, 여기서 ρ는 밀도를 나타낸다. 초기 구조에서 실리콘 입자의 크기를 확인하기 위하여, 실리콘 입자는 0 분 및 5분의 지연 시간 후에 20초 동안 Cu 그리드 상에 증착되었다. 실리콘 입자의 크기는 HRTEM 에 의해 관찰되었다.
도 5의 (a)는 500 oC 기판 온도와 1800 oC의 와이어 온도에서 180초 동안 증착된 실리콘 막의 대응하는 선택된 영역의 회절 패턴을 삽입한 상태의 단면 TEM 이미지이다. 도 5의 (a)의 삽입 이미지가 이격되어 있는 스팟을 보여준다는 것을 고려한다면, 실리콘 막은 대부분 결정성인 것으로 보인다. 이러한 결과는 적절한 양의 HCl을 추가함으로써 비정질상이 없는 결정성 실리콘 막이 제조된다 사실과도 부합된다.
도 5의 (a)에 도시된 각각의 밝은 스팟은 각각의 그레인의 특정한 오정렬(misorientation) 상태를 나타낸다. (111) 회절을 제외하고 어퍼쳐(aperture)가 모든 스팟을 차단하는데 사용될 때, 이러한 스팟에 대응되는 오정열 그레인은 그레인이 원뿔 형상을 가지게 되는 것을 도시하는 도 5의 (b)의 암 영역에 도시된 바와 같이 밝게 보인다. 도 5의 (b)에서 백색 그레인의 표면의 직경은 약 53.5nm 이다. 이러한 원뿔 형상 그레인은 저온 증착에서 준비되는 마이크로결정성 실리콘 막에서 일반적으로 관찰된다. 만약 HCl 이 추가되지 않으면, 원뿔 형상 그레인은 비정질 나노 결정성 실리콘의 혼합체로 구성되는 반면에 HCl 이 첨가되면 원뿔형상 그레인은 결정질 실리콘으로만 구성되었다. 도 5의 (b)의 그레인의 반각은 약 21도이다. 일반적으로, 원뿔형상 그레인은 수 나노미터의 초기 결정성 실리콘 입자로부터 시작하여 약 20 내지 40도의 반각으로 성장하게 된다.
도 6은 기판 차단부를 사용하여 기판을 커버하여 0, 3, 5, 10 분의 지연 시간 이후에 20초 동안 실리콘 시드 입자가 증착된 도 1의 조건하에서 300초 동안 증착된 실리콘 막의 저항률을 나타낸다. 모든 막의 두께는 약 170nm 이었다. 지연 시간이 0 분(즉 지연 시간이 없이) 으로 증착된 실리콘 막의 저항률은 0.32 Ω-cm 이다. 이러한 값은 HCl 없이 PECVD 또는 HWCVD 를 수행하여 증착된 실리콘 막에서 얻어지는 값인 5 ~ 50 Ω-cm 보다는 훨씬 작다.
3분, 5분 및 10분의 지연시간으로 준비된 실리콘 막의 저항률은 각각 0.21, 0.13, 및 0.16 Ω-cm 이다. 저항률은 5분의 지연시간 이후에는 새츄레이션 상태가 되었다. 지연 시간을 가지고서 형성된 실리콘 막의 저항률은 지연 시간 없이 형성된 실리콘 막의 저향률보다 일관되게 낮은 결과가 나왔다. 5분의 지연 시간으로 형성된 필름의 최고 저항률은 0.13 Ω-cm 인데, 이는 지연 시간이 없는 경우보다 2.4 배 낮은 값이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 0분과 5분의 지연 시간에 대하여 20초 동안 Cu TEM 그리드 상에 증착된 초기 구조를 도시한다. 도 7의 (c) 및 (d)는 각각 도 7의 (a) 및 (b)의 격자 이미지에 대한 확대된 사진이다. 도 7의 (a) 및 (b)의 결정성 실리콘 입자의 크기는 각각 약 10nm 및 28nm 이다. 도 7의 (a) 및 (b)의 초기 입자의 개수 밀도는 52.4/10000nm2 및 6.6/10000 nm2 이었다. 고해상도 TEM 이미지는 HCl 의 첨가에 영향을 받아 모든 실리콘 입자들이 결정성임을 확인하였다. 도 7의 (c)의 격자 이미지는 (220) 평면을 보여준다. 도 7의 (d)의 격자 이미지는 실리콘 입자가 이방결정성을 가지는 것을 보여주듯이 (220) 및 (111) 평면으로 구성된다. 그러나, 이방결정성 그레인 경계면에는 어떠한 비정질 실리콘도 발견되지 않았다. 도 7의 (b)의 약 28nm 인 입자 크기는 이방결정에 대한 것이 아니라 일방결정에 대한 것이다.
0분 및 5분의 지연 시간으로 형성된 실리콘 막의 밀도는 XRR에 의해 각각 0.87 및 0.92 인 것으로 특정되었다. 5분의 지연시간으로 형성된 막의 높은 밀도는 낮은 저항률에 관련되는 것으로 보인다.
이러한 실험을 통하여, 0 분 및 5 분의 지연 시간 후에 20초 동안 증착된 실리콘 입자의 크기는 각각 약 10nm 및 약 28 nm 인 것을 알게 되었다. 큰 실리콘 시드 입자(약 28nm)를 가진 초기 구조는 작은 실리콘 시드 입자(약 10nm)보다는 훨씬 조밀하고 낮은 저항률의 막을 생성하였다. 따라서 큰 실리콘 시드 입자에 대한 기술은 박막 트랜지스터 및 태양 전지와 같은 실리콘 장치의 저온 제조 작업에 적용될 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 반응 가스 생성 장치 12: 반응 가스 공급 경로부
100: 박막 증착 장치 110: 챔버
120: 가스 공급 장치 122: 반응가스 유입부
124: 반응 가스 분사부 130: 에너지원
140: 기판 150: 바이어스 인가부
160a, 160b, 160c: 기판 차단부 P1: 제 1 진공 펌프
P2: 제 2 진공 펌프 172: 제 1 진공 도관
174: 제 2 진공 도관

Claims (12)

  1. 내부에 기판이 장입되는 챔버;
    상기 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 가스 공급 장치;
    상기 반응 가스 중 적어도 일부를 해리시켜 결정성 나노 입자를 형성하는 에너지원; 및
    상기 기판 상부에 개폐 가능하게 설치되며, 상기 반응 가스 및 상기 에너지원으로부터 방출되는 열 중 적어도 하나를 기판에 대해 차단하는 기판 차단부;를 포함하며,
    상기 기판 차단부는 상기 기판에 박막이 증착되는 시간을 지연시키기 위하여 기판을 개폐 시키는 동작이 시간에 의존하여 행해지며,
    상기 기판 차단부는,
    상기 기판의 상면을 차단하는 차단부 본체와
    상기 차단부 본체의 측면에 일체로 형성되어 상기 기판의 측면을 차단하는 차단부 측면을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 차단부는 상기 챔버를 분할하는 플레이트인 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 차단부는
    상기 차단부 본체와 상기 차단부 측면을 상기 기판에 대하여 회전시켜 기판을 개폐할 수 있는 회전축을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 차단부 본체는 평면 플레이트인 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 차단부 본체는 돔형 플레이트인 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 장치는 상기 기판에 형성되는 박막의 원소를 포함하는 제 1 반응 가스와, 상기 기판상에 비결정성 물질의 형성을 억제하는 제 2 반응 가스를 제공하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 플레이트에 의해 분할된 챔버의 일부분에 작용하는 제 1 진공 펌프와, 상기 플레이트가 제거되었을 때 챔버 전체에 작용하는 제 2 진공 펌프를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지원은 상기 가스 공급 장치와 상기 기판 사이에 설치된 열선 구조체를 포함하는 박막 제조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 연결되고 상기 기판에 전기장을 형성시키는 바이어스 인가부를 추가적으로 포함하는 박막 제조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 HCl 를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 차단부에 박막 증착이 지연되는 시간은 3 내지 10분인 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 차단부에 박막 증착이 지연되는 시간은 5분인 것을 특징으로 하는 박막 제조 장치.
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