KR102013787B1 - 가시광선 광원을 이용한 ito 박막의 표면 평탄화 방법 및 장치 - Google Patents

가시광선 광원을 이용한 ito 박막의 표면 평탄화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법은, 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 ITO 박막을 제공하는 단계; 식각용 가스를 레귤레이터를 통해 주입하는 단계; 가스 유량 조절 장치를 이용하여 상기 식각용 가스의 유량을 조절하는 단계; 상기 조절된 식각용 가스를 상기 메인 챔버의 제1 개구에 주입하는 단계; 콜리메이션 렌즈를 통해 가시광선을 입사하는 단계; 농도 필터를 이용하여 상기 가시광선의 광량을 조절하는 단계; 빔 익스팬더를 이용하여 상기 가시광선의 굵기를 조절하는 단계; 상기 조절된 가시광선을 상기 메인 챔버의 제2 개구에 입사하는 단계; 메인 챔버 내부에서, 상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 ITO 박막의 표면을 평탄화하는 단계; 및 펌프를 이용하여 상기 메인 챔버 내의 식각용 가스를 외부로 배출하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 의하면, ITO 박막 소자 등 시료의 스크래치 또는 오염 등의 부작용을 최소화할 수 있고 공정 난이도가 낮아 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄일 수 있다.

Description

가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE PLANARIZATION OF ITO THIN FILM USING VISIBLE LIGHT SOURCE}
본 발명은, 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가시광선 광원 및 할로겐 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 ITO와 같이 그레인 경계가 있는 다결정 물질 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 방법 및 장치에 관한 것이다.
ITO(Indium Tin Oxide)는 산화 인듐에 약 5~10%의 주석(Sn)이 첨가된 물질로서, 전기를 통하게 하는 전도성을 가지면서도 투명하다는 특징이 있다. 일반적으로, 금속과 같은 전도성 물질은 가시광을 투과시키지 못하고 흡수 또는 반사하는데 비해, ITO는 90% 이상의 가시광을 투과시킬 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해, ITO는 2000년대 이후 디스플레이 패널 또는 LED의 전극을 구성하는 물질로서 널리 이용되고 있다.
반도체 소자에 ITO를 증착하기 위해 일반적으로 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하는데, 이는 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속하여 타깃에 충돌시켜 목적의 원자를 분출, 그 근방에 있는 기판상에 막을 만드는 방식이다. 이와 같이 증착된 ITO 박막은 비결정질 구조를 가지고 있으며 상업적으로 판매되고 있는 제품들은 약 2~10 nm (rms) 정도의 표면 거칠기를 가지고 있다. 이러한 ITO 박막의 표면 거칠기는 소자의 누설 전류 및 LED 등의 발광 효율에 직간접적으로 영향을 미치게 된다.
ITO 박막의 표면을 평탄화 하는 일반적인 방법으로서 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 방법이 이용되는데, 이는 슬러리라 불리는 연마제를 사용하여 시료의 표면을 물리적/화학적 방식으로 연마하는 평탄화 방법으로서 표면 거칠기의 감소에는 효과가 있으나, ITO 박막 등의 시료와 직접적인 접촉이 이루어져야 하기 때문에 기판 표면에 스크래치가 생기거나 연마제 등의 오염(contamination)이 발생할 확률이 높다는 문제점이 있다. 또한, 복잡한 구조의 디바이스를 제작하는 경우에는 시료 표면의 높낮이가 균일하지 않기 때문에, 이러한 경우에는 CMP 방식을 이용하여 평탄화 하기 어렵다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, ITO 박막이 증착된 기판의 일부 영역을 가열하고 기판 전체를 플라즈마 식각(etching)함으로써, 그 외 영역과의 식각 속도 차이를 이용하여 평탄화를 진행하는 방식 등이 고안되었으나, 이 방법은 기판 내부의 온도차이를 이용하기 때문에 나노미터(nm) 단위의 미세한 평탄화 작업에는 적합하지 않다는 문제가 있었다.
또한, ITO 박막의 내부 결정은 그레인(grain) 구조를 가지기 때문에, 구조적인 특성상 평탄화의 지속 시간 등에 있어서 제약이 있는바 이를 고려한 비접촉식 평탄화 방법이 요구되었다.
공개특허공보 제10-2015-0102685호
Realization of an atomically flat surface of diamond using dressed photon-phonon etching, Takahashi Yasui et al., Journal of Physics D: Applied Physics 45 (2012)
이에, 본 발명의 일 측면에 따르면 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법 및 장치가 제공된다. 구체적으로, ITO 박막 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 방법에 있어서, 가시광선 광원 및 Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나의 식각용 가스를 이용하는 비접촉식 평탄화 방법과 이를 수행하기 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, CMP와 같은 종래의 평탄화 방법에 비해 시료의 스크래치 또는 오염 등의 부작용을 최소화하는 동시에, 나노미터(nm) 단위의 미세한 제어가 가능한 비접촉식 평탄화 방법 및 이를 수행하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법은, 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 ITO 박막을 제공하는 단계; 식각용 가스를 레귤레이터를 통해 주입하는 단계; 가스 유량 조절 장치를 이용하여 상기 식각용 가스의 유량을 조절하는 단계; 상기 조절된 식각용 가스를 상기 메인 챔버의 제1 개구에 주입하는 단계; 콜리메이션 렌즈를 통해 가시광선을 입사하는 단계; 농도 필터를 이용하여 상기 가시광선의 광량을 조절하는 단계; 빔 익스팬더를 이용하여 상기 가시광선의 굵기를 조절하는 단계; 상기 조절된 가시광선을 상기 메인 챔버의 제2 개구에 입사하는 단계; 메인 챔버 내부에서, 상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 ITO 박막의 표면을 평탄화하는 단계; 및 펌프를 이용하여 상기 메인 챔버 내의 식각용 가스를 외부로 배출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 식각용 가스는, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가시광선의 파장은, 적어도 상기 식각용 가스의 종류에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 ITO 박막의 표면을 평탄화하는 단계는, 상기 ITO 박막의 그레인 크기의 감소로 인하여 ITO 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지 지속될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메인 챔버의 제2 개구는, 쿼츠(quartz) 재질의 윈도우를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 실현하기 위한 또 다른 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 장치는, 일정한 압력의 식각용 가스를 주입하기 위한 레귤레이터; 상기 식각용 가스의 유량을 조절하기 위한 가스 유량 조절 장치; 가시광선을 평행하게 입사하기 위한 콜리메이션 렌즈; 상기 가시광선의 광량을 조절하기 위한 광원 농도 필터; 상기 가시광선의 굵기를 조절하기 위한 빔 익스팬더; 제공되는 ITO 박막 표면이 평탄화 되는 메인 챔버로서, 상기 조절된 식각용 가스를 주입하기 위한 제1 개구, 및 상기 조절된 가시광선을 입사하기 위한 제2 개구를 포함하는 메인 챔버; 및 평탄화 작업 이후, 상기 식각용 가스를 상기 메인 챔버로부터 외부로 배출하기 위한 펌프를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 식각용 가스는, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가시광선의 파장은, 적어도 상기 식각용 가스의 종류에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 장치는, 상기 ITO 박막의 그레인 크기의 감소로 인하여 ITO 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지 ITO 박막을 평탄화하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메인 챔버의 제2 개구는, 쿼츠 재질의 윈도우를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법 및 장치에 의하면, ITO 박막 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 방법에 있어서, 가시광선 광원 및 할로겐 화합물로 이루어진 식각용 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 평탄화를 수행한다. 이에 따라, ITO 박막 소자 등 시료의 스크래치 또는 오염 등의 부작용을 최소화할 수 있고 공정 난이도가 낮아 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 가열 등의 수단을 이용하지 않고, 가시광선을 입사하는 방식을 채택하였으므로 나노미터(nm) 단위의 정교한 평탄화가 가능하며, 대면적의 표면뿐만 아니라 소자 측면의 평탄화도 동시에 수행 가능하므로, 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄임으로써 결과적으로 LED 소자의 효율 증대 및 고출력화가 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면 ITO와 같이 그레인 경계가 있는 다결정 물질은 물론, 실시예에 따라 실리콘(Si), Ⅲ-Ⅳ 화합물과 같은 반도체, 옥사이드(oxide) 물질 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 유기 물질 등 다양한 재료에 대하여도 3차원 평탄화가 가능하므로 각종 디바이스의 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법을 이용하는 경우, 시간에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 평탄화 방법을 수행하기 이전의 ITO 박막 표면을 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3b는 상기 실시예에 따른 평탄화 방법을 수행한 이후의 ITO 박막 표면을 원자간력 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 4c는 일정 시간 동안 ITO 박막 표면을 평탄화하는 빛의 세기에 따라, ITO 박막 표면을 원자간력 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 도면들이다.
도 5은 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
이하에서, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 상기 평탄화 장치는 레귤레이터(10), 가스 유량 조절 장치(20), 콜리메이션 렌즈(collimation lens; 30), 광원 농도 필터(40), 빔 익스팬더(beam expander; 50), 제1 개구(62) 및 제2 개구(64)를 포함하는 메인 챔버(60), 및 펌프(70)를 포함한다.
일 실시예에서, 레귤레이터(10)는 ITO 박막 표면을 평탄화 하기 위한 식각용 가스를 일정한 압력으로 메인 챔버(60)에 주입하기 위해 이용될 수 있다. 실시예에서, 식각용 가스의 압력에 따라 광원에 의한 ITO 소자의 평탄화 정도가 달라질 수 있으므로, 사용자는 광원의 세기 또는 ITO 소자의 질량 등의 변수를 고려하여 식각용 가스의 압력을 조정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 식각용 가스는 가시광선 광원과 함께 ITO 박막 표면을 평탄화 할 수 있는 할로겐 화합물 기체 중 하나로서, 예를 들어 Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 등일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 일 실시예에 따른 실험(예시적으로, 도 2, 도 3a-3b, 도 4a-4c에 도시된 실험 결과)에 있어서 Cl2 가스를 이용하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
가스 유량 조절 장치(20)는 상기 식각용 가스(예를 들어, Cl2 가스)가 메인 챔버(60)에 주입되는 유량을 일정하게 조절하기 위해 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 식각용 가스의 유량에 따라 평탄화 공정의 최적 조건이 달라질 수 있으므로, 사용자는 평탄화 공정에 영향을 미치는 다른 변수를 고려하여 식각용 가스의 유량을 조절할 수 있다.
상기 압력 및/또는 유량이 조절된 식각용 가스는 제1 개구(62)를 통해 메인 챔버(60)에 주입될 수 있다. 메인 챔버(60)는 평탄화 작업을 수행하고자 하는 ITO 박막 소자가 제공되는 격리된 장소로서, 가시광선에 의한 식각이 진행되는 리액터(reactor)를 포함하며, 공정을 통해 상기 리액터에 고정된 ITO 박막 소자의 표면의 돌기를 제거하게 된다.
이하에서는, 콜리메이션 렌즈(collimation lens), 농도 필터, 빔 익스팬더(beam expander)를 통해 가시광선이 메인 챔버(60) 내부로 입사되는 과정을 각 구성요소에 대한 설명과 함께 개시한다.
일 실시예에서, 상기 가시광선의 파장은, 적어도 상기 식각용 가스의 종류(예를 들어, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나)에 기초하여 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 가시광선은 식각용 가스의 해리 에너지(dissociation energy)보다 낮은 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 식각용 가스가 Cl2인 경우, 중심 파장이 494 nm 이상인 가시광선이 평탄화에 이용될 수 있으며, 다른 예로서 식각용 가스가 Br2인 경우에는 중심 파장인 623 nm 이상인 가시광선이 이용될 수 있다.
본원발명을 구현하기 위한 일 실험예에서는 식각용 가스로서 Cl2 가스를 이용하였으며, 시중에서 구하기 용이한 중심 파장 532 nm인 가시광선 레이저를 이용하여 ITO 박막 평탄화 공정을 수행하였다.
도 1을 참조하면, 콜리메이션 렌즈(30)는 다방향으로 방사되는 가시광선 광원으로부터 일정한 방향으로 입사되는 평행 광선속을 얻기 위한 광학 장치이다. 콜리메이션 렌즈(30)를 통해 획득한 평행 가시광선은, 농도 필터(40)를 통과하면서 사용자가 원하는 수준의 광량으로 조절될 수 있고, 이어 빔 익스팬더(50)를 통과하면서 사용자가 원하는 수준의 광선 굵기로 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 가시광선의 파장, 굵기, 세기 등의 변수에 따라서 ITO 박막 소자의 평탄화 정도가 달라질 수 있으므로, 사용자는 상기 광원 조절 장치들(30 내지 50)을 이용하여 평탄화 공정에 적합한 특성을 갖는 가시광선을 획득할 수 있다.
이어, 농도 및 크기가 조절된 가시광선은 도 1에 도시된 거울에 의해, 메인 챔버(60)에 입사되는 방향이 조절될 수 있다. 실시예에서, 상기 거울은 2축 틸팅 가능하며, 가시광선의 방향을 조절하여 리액터 내 ITO 소자 중 평탄화가 필요한 지점에 입사될 수 있도록 한다.
상기 가시광선은 제2 개구(64)를 통하여 메인 챔버(60) 내부로 입사된다. 메인 챔버(60)는 평탄화가 필요한 ITO 박막 소자가 제공되는 격리된 장소로서, 식각용 가스가 주입된 내부 환경에서 가시광선을 이용하여 ITO 박막 표면의 돌기를 제거하는 평탄화 공정이 수행된다. 실시예에 따라, 메인 챔버는 10 mTorr 에서 760 Torr까지의 압력 조절 범위를 가질 수 있고, 일반적으로 1 내지 2 Torr의 압력하에서 공정이 수행될 수 있다.
평탄화 공정을 위해 ITO 박막 소자는 메인 챔버(60)의 리액터(reactor)에 고정된다. 일 실시예에서, 상기 메인 챔버(60)의 제2 개구(64)는 투명한 쿼츠(quartz) 재질의 윈도우를 포함하며 윈도우를 통해 가시광선이 입사된다. 상기 윈도우는 시료의 크기에 비례하며, 바람직하게는 1인치 내지 15인치의 크기일 수 있다. 전술한 바와 같이, 가시광선 광원은 렌즈(30)를 이용하여 집광하거나, 빔 익스팬더(50)를 이용하여 시료(ITO 박막 소자)에 맞는 크기로 조절할 수 있으며, 농도 필터(40)를 이용하여 광출력을 조절하거나 직접 주입전류를 변화시킬 수도 있다.
전술한 바와 같이, 평탄화를 원하는 부위에 따라 거울을 이용하여 가시광선의 방향을 조절할 수 있으며, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 또는 고온 가열 후 평탄화 등 종래의 물리적 평탄화 공정과 달리 나노미터(nm) 단위의 미세한 조정이 가능하다.
평탄화 공정이 수행되는 시료의 대표적인 예로서, 그레인 경계가 있는 다결정 물질인 ITO(Indium Tin Oxide)가 소개되었지만, 이에 한정되지 않으며 실시예에 따라 실리콘(Si), Ⅲ-Ⅳ 화합물과 같은 반도체, 옥사이드(oxide) 물질 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 유기물질 등 다양한 재료에 대하여도 평탄화가 가능하다. 나아가, 실시예에 의하면 다이아몬드와 같이 물리적인 평탄화가 어려운 소재에 대하여도 평탄화가 가능하며, 이 경우 활성화 가스로서 O2 가스가 이용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법을 이용하는 경우, 시간에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서는, 식각용 가스로 Cl2 가스를 이용하였으며 가시광선 광원은 532 nm의 중심 파장을 갖는 것으로 설정되었다.
도 2를 참조하면, Cl2 환경에서 가시광선을 이용하여 ITO 박막의 표면을 평탄화하는 공정을 진행한 결과, 최초 거칠기 값이 5.5 nm 이상이었던 ITO 박막 표면의 거칠기 정도(RMS roughness)가 시각 t에서 4 nm 이하로 20% 넘게 감소하였다는 것을 알 수 있다. 도 3a는 평탄화 공정을 거치지 않은 최초의 ITO 박막 표면을 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 결과를 나타내고 있으며, 도 3b는 평탄화 공정을 수행한 이후의 ITO 박막 표면을 원자간력 현미경으로 관찰한 결과를 나타내고 있다(스케일은 500 nm이다). 도면에서 볼 수 있듯이, 거칠었던 ITO 박막의 표면이 평탄화 공정 이후에 매끄럽게 개선되었음을 알 수 있다.
주목해야 할 점은, 가시광선에 의한 ITO 박막의 평탄화 공정 시간이 길어짐에 따라 거칠기의 정도가 다시 악화된다는 것이다. ITO(Indium Tin Oxide)의 결정이 그레인(grain) 구조로 이루어져 있기 때문에, 가시광선에 의한 식각이 계속되면 그레인 크기가 줄어들어 결과적으로 표면이 다시 거칠어지기 때문이다. 따라서, 시각 t까지는 평탄화 공정 시간이 길어질수록 거칠기 값은 계속 감소하다가, t 이후에는 그레인 크기 감소로 인해 다시 거칠기 값이 증가한다(즉, 표면 거칠기가 악화된다).
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 실시예에 따르면, 상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 ITO 박막의 표면을 평탄화하는 단계는, 상기 ITO 박막의 그레인 크기의 감소로 인하여 ITO 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지(도 2의 시각 t)만 지속되는 것이 바람직하다. ITO 표면의 거칠기가 최소화 되는 시각 t는, 식각용 가스의 종류, 압력, 유량, 가시광선의 파장, 광량, 굵기, 시료의 크기 및 식각되는 면적 등에 따라 달라질 수 있는바 특정 수치로 한정하지 않으며, 실험을 통해 최적의 값을 얻을 수 있다.
이와 같이, ITO 결정이 그레인 구조이기 때문에 나타나는 문제점은 가시광선의 세기에 따라서도 유사하게 나타난다. 도 4a를 참조하면, 가시광선 레이저가 입사되기 이전의 ITO 박막의 표면을 원자간력 현미경으로 관찰한 결과를 나타내고 있다(스케일은 300 nm이다). 도 4b는 532 nm의 파장을 갖는 가시광선을 10 W/cm2 의 세기로 30분 간 입사하였을 때 ITO 박막의 표면을 원자간력 현미경으로 관찰한 결과를 나타내고 있다. 도 4a와 비교하면 ITO 박막 표면의 돌기가 식각되어 거칠기가 개선되었음을 확인할 수 있다.
한편 도 4c를 참조하면, 532 nm의 동일한 파장을 갖는 가시광선을 100 W/cm2 의 세기로 30분 간 입사하였을 때의 결과를 나타내고 있다. 도 4b에 비하면, ITO 박막의 그레인 크기가 감소하여 오히려 거칠기가 다시 증가하였음을 알 수 있다. 따라서, 가시광선의 세기가 너무 강해질 경우에도 표면의 거칠기가 악화되므로, 적정한 세기의 가시광선을 적정한 시각 t까지 입사하여 최적의 결과를 얻을 것이 요구된다.
유사하게, 시각 t에서 ITO 박막의 거칠기가 최소가 되는 가시광선의 세기는, 식각용 가스의 종류, 압력, 유량, 가시광선의 파장, 광량, 굵기, 시료의 크기 및 식각되는 면적 등에 따라 달라질 수 있는바 특정 수치로 한정하지 않으며, 실험을 통해 최적의 값을 얻을 수 있다.
도 1을 참조하면, 평탄화 공정이 끝난 이후에 펌프(70)를 이용하여 메인 챔버(60) 내의 식각용 가스를 외부로 배출한다. 실시예에서, 상기 펌프(70)는 로터리 펌프(회전 펌프)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 동력을 이용하여 메인 챔버 내부의 기체를 외부로 배출할 수 있는 임의의 유형의 펌프일 수 있다.
실시예에 따라서, 메인 챔버(60) 및 펌프(70) 사이에는, 리액터 내부의 압력을 조절하기 위한 추가적인 압력 조절 장치와 밸브가 더 포함될 수 있고, 또 다른 실시예에서, 펌프(70)로 추출한 식각용 가스는 가스 스크러버를 통해 외부로 배출될 수 있다.
일 실시예에서, 평탄화 공정이 끝난 후 메인 챔버(60)로 N2 가스가 주입되고 펌프(70) 및 가스 스크러버를 이용하여 N2 가스를 다시 외부로 배출하는 추가적인 과정이 수행될 수 있다. 이는 펌프를 이용하여 식각용 가스를 외부로 배출한 이후에도 메인 챔버(60) 내부에 잔존하고 있는 식각용 가스(예를 들어, Cl2 가스)를 완전히 제거하여 메인 챔버를 개봉할 때 사용자가 Cl2 등의 식각용 가스를 흡입하는 위험을 제거하기 위함이다.
전술한 실시예들에 따르면, ITO 박막 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 공정에 있어서, 가시광선 광원 및 할로겐 화합물로 이루어진 식각용 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 평탄화를 수행함으로써, ITO 박막 소자 등 시료의 스크래치 또는 오염 등의 부작용을 최소화할 수 있고 공정 난이도가 낮아 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 가열 등의 수단을 이용하지 않고, 가시광선을 입사하는 방식을 채택하였으므로 나노미터(nm) 단위의 정교한 평탄화가 가능하며, 대면적의 표면뿐만 아니라 소자 측면의 평탄화도 동시에 수행 가능하므로, 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄임으로써 결과적으로 LED 소자의 효율 증대 및 고출력화가 가능하다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 일 실시예에 따른 가시광선 광원을 이용한 ITO 박막의 표면 평탄화 방법에 대하여 설명하도록 한다.
실시예에 따른 평탄화 공정에 앞서, 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 ITO 박막을 제공하는 단계가 수행된다(S10). 메인 챔버는 평탄화가 필요한 ITO 박막 소자가 제공되는 격리된 장소로서, 식각용 가스가 주입된 내부 환경에서 가시광선을 이용하여 ITO 박막 표면의 돌기를 제거하는 평탄화 공정이 수행된다. 평탄화 공정을 위해 ITO 박막 소자는 메인 챔버(60)의 리액터(reactor) 안에 고정된다. 실시예에 따라 메인 챔버는 10 mTorr 에서 760 Torr까지의 압력 조절 범위를 가질 수 있고, 일반적으로 1 내지 2 Torr 압력 하에서 공정이 수행될 수 있다. 메인 챔버(60)는 내부 압력 및 진공도를 측정하기 위한 진공 게이지를 추가적으로 구비할 수 있다.
공정이 시작되면, 레귤레이터를 통해 식각용 가스가 주입하는 단계가 수행된다(S20). 레귤레이터는 ITO 박막 표면을 평탄화 하기 위한 식각용 가스를 일정한 압력으로 메인 챔버에 주입하기 위해 이용될 수 있다. 식각용 가스의 유량에 따라 평탄화 공정의 최적 조건이 달라질 수 있으므로, 사용자는 평탄화 공정에 영향을 미치는 다른 변수를 고려하여 식각용 가스의 유량을 조절할 수 있음은 전술한 바와 같다.
일 실시예에서, 상기 식각용 가스는 Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 등 가시광선 광원과 함께 ITO 박막을 식각할 수 있는 할로겐 화합물 기체 중 하나일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
이어, 가스 유량 조절 장치를 이용하여 상기 식각용 가스의 유량을 조절하는 단계가 수행된다(S30). 가스 유량 조절 장치는 상기 식각용 가스(예를 들어, Cl2 가스)가 메인 챔버에 주입되는 유량을 조절하기 위해 이용될 수 있다.
이어, 상기 조절된 식각용 가스를 상기 메인 챔버의 제1 개구에 주입하는 단계가 수행된다(S40). 이후, 메인 챔버 내부는 할로겐 화합물로 구성된 식각용 가스(예를 들어, Cl2 가스) 환경이 조성된다.
다음으로, 식각을 위한 가시광선이 메인 챔버 내부로 입사되는 과정이 수행된다. 먼저, 가시광선 광원을 콜리메이션 렌즈(collimation lens)를 통과시킴으로써 평행 광선속을 얻을 수 있다(S50).
일 실시예에서, 상기 가시광선의 파장은, 적어도 상기 식각용 가스의 종류(예를 들어, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나)에 기초하여 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 가시광선은 식각용 가스의 해리 에너지(dissociation energy)보다 낮은 에너지를 가져야 함은 전술한 바와 같다. 예를 들어 식각용 가스가 Cl2인 경우, 중심 파장이 494 nm 이상인 가시광선이 평탄화에 이용될 수 있으며, 다른 예로서 식각용 가스가 Br2인 경우에는 중심 파장인 623 nm 이상인 가시광선이 이용될 수 있다.
이어, 상기 평행 가시광선은 농도 필터를 통과하여 광량이 조절될 수 있다(S60). 이어서, 빔 익스팬더(beam expander)를 통과하면서 사용자가 원하는 수준의 광선 굵기로 조절될 수 있다(S70). 전술한 바와 같이, 가시광선의 파장, 굵기, 세기 등의 변수에 따라서 ITO 박막 소자의 평탄화 정도가 달라질 수 있으므로, 사용자는 상기 광원 조절 장치들(콜리메이션 렌즈, 농도 ?터, 빔 익스팬더 등)을 이용하여 평탄화 공정에 적합한 특성을 갖는 가시광선을 획득할 수 있다.
상기 조절된 가시광선은 제2 개구를 통하여 메인 챔버 내부로 입사된다(S80). 일 실시예에서, 가시광선은 2축 틸팅 가능한 거울에 의해 방향이 조절되어 리액터 내 ITO 소자 중 평탄화가 필요한 지점에 입사될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 개구는 투명한 쿼츠(quartz) 재질의 윈도우를 포함하며, 상기 윈도우를 통해 가시광선이 입사될 수 있다. 상기 윈도우는 시료의 크기에 비례하며, 바람직하게는 1인치 내지 15인치의 크기일 수 있다.
전술한 바와 같이, 평탄화를 원하는 부위에 따라 거울을 이용하여 가시광선의 방향을 조절할 수 있으며, CMP 등의 물리적 평탄화 공정과 달리 나노미터(nm) 단위의 미세한 조정이 가능하다.
평탄화 공정이 수행되는 대표적인 예로서 ITO 박막 소자가 소개되었지만, 이에 한정되지 않으며, 실시예에 따라 실리콘(Si), Ⅲ-Ⅳ 화합물과 같은 반도체, 옥사이드(oxide) 물질 또는 포토레지스트(photoresist)와 같은 유기물질 등 다양한 재료에 대하여도 평탄화가 가능하다. 나아가, 실시예에 의하면 다이아몬드와 같이 물리적인 평탄화가 어려운 소재에 대하여도 평탄화가 가능하며, 이 경우 활성화 가스로서 O2 가스가 이용될 수 있다.
평탄화 공정이 끝난 이후에 펌프를 이용하여 메인 챔버 내의 식각용 가스를 외부로 배출하는 단계가 수행된다(S100). 실시예에서, 상기 펌프는 로터리 펌프(회전 펌프)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 동력을 이용하여 메인 챔버 내부의 기체를 외부로 배출할 수 있는 임의의 유형의 펌프일 수 있다.
일 실시예에서, 평탄화 공정이 끝난 후 메인 챔버로 N2 가스가 주입되고 펌프를 이용하여 N2 가스를 다시 외부로 배출하는 추가적인 단계가 수행될 수 있다. 이는 펌프로 식각용 가스를 외부로 배출한 이후에도 메인 챔버내부에 잔존하고 있는 식각용 가스(예를 들어, Cl2 가스)를 완전히 제거하여 메인 챔버를 개봉할 때 사용자가 Cl2 등의 식각용 가스를 흡입하는 위험을 제거하기 위함이다.
상기 ITO 박막 표면 평탄화 방법에 따르면, ITO 박막 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 공정에 있어서, 가시광선 광원 및 할로겐 화합물로 이루어진 식각용 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 평탄화를 수행함으로써, ITO 박막 소자 등 시료의 스크래치 또는 오염 등의 부작용을 최소화할 수 있고 공정 난이도가 낮아 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 나노미터(nm) 단위의 정교한 평탄화가 가능하며, 대면적의 표면뿐만 아니라 소자 측면의 평탄화도 동시에 수행 가능하므로, 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄임으로써 결과적으로 LED 소자의 효율 증대 및 고출력화가 가능하다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 레귤레이터
20: 가스 유량 조절 장치
30: 콜리메이션 렌즈
40: 농도 필터
50: 빔 익스팬더
60: 메인 챔버
62: 제1 개구
64: 제2 개구
70: 펌프

Claims (10)

  1. 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 대상물을 제공하는 단계;
    식각용 가스를 메인 챔버의 제1 개구에 주입하는 단계;
    가시광선을 상기 메인 챔버의 제2 개구에 입사하는 단계; 및
    메인 챔버 내부에서, 상기 주입된 식각용 가스와 상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 대상물의 표면을 평탄화하는 단계를 포함하되,
    상기 가시광선의 파장은 적어도 상기 식각용 가스의 종류에 기초하여 결정되며, 상기 가시광선은 상기 식각용 가스의 해리 에너지(dissociation energy)보다 낮은 에너지를 갖는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 식각용 가스는, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상물은 그레인(grain) 구조를 가지고,
    상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 대상물의 표면을 평탄화하는 단계는,
    상기 대상물의 그레인 크기의 감소로 인하여 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지 지속되는 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버의 제2 개구는, 쿼츠 재질의 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 방법.
  6. 일정한 압력의 식각용 가스를 주입하기 위한 레귤레이터;
    상기 식각용 가스의 유량을 조절하기 위한 가스 유량 조절 장치;
    가시광선을 평행하게 입사하기 위한 콜리메이션 렌즈;
    상기 가시광선의 광량을 조절하기 위한 광원 농도 필터;
    상기 가시광선의 굵기를 조절하기 위한 빔 익스팬더;
    제공되는 대상물의 표면이 평탄화 되는 메인 챔버로서, 상기 조절된 식각용 가스를 주입하기 위한 제1 개구, 및 상기 조절된 가시광선을 입사하기 위한 제2 개구를 포함하는 메인 챔버; 및
    평탄화 작업 이후, 상기 식각용 가스를 상기 메인 챔버로부터 외부로 배출하기 위한 펌프를 포함하고,
    메인 챔버 내부에서, 상기 주입된 식각용 가스와 상기 입사된 가시광선을 이용하여 상기 대상물의 표면을 평탄화하되,
    상기 가시광선의 파장은 적어도 상기 식각용 가스의 종류에 기초하여 결정되며, 상기 가시광선은 상기 식각용 가스의 해리 에너지(dissociation energy)보다 낮은 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 식각용 가스는, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 하나인 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 장치.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 대상물은 그레인 구조를 가지고,
    상기 장치는, 상기 대상물의 그레인 크기의 감소로 인하여 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지 대상물을 평탄화하도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 메인 챔버의 제2 개구는, 쿼츠 재질의 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가시광선 광원을 이용한 대상물의 표면 평탄화 장치.
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