KR102049806B1 - 특정 파장의 광원 및 반응성 가스를 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법 및 장치 - Google Patents

특정 파장의 광원 및 반응성 가스를 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법은, 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 대상물을 제공하는 단계; 상기 메인 챔버 내부에 식각용 가스를 주입하는 단계; 상기 특정 파장의 광원을 상기 대상물의 표면에 입사하는 단계; 및 상기 대상물의 온도를 제어하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 의하면 종래의 CMP 공정에 의한 평탄화에서 발생하는 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 줄일 수 있다. 또한, 표면 거칠기를 개선하고 전기 전도도를 향상시킴으로써 LED 소자의 효율 증대 및 고출력화가 가능하다.

Description

특정 파장의 광원 및 반응성 가스를 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE PLANARIZATION OF OBJECT USING LIGHT SOURCE OF SPECIFIC WAVELENGTH AND REACTIVE GAS}
본 발명은, 특정 파장의 광원을 이용한 표면 평탄화 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 특정 파장의 광원 및 식각용 반응성 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 대상물의 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 ultraflat plastic film using dressed-photon-phonon-assisted selective etching of nanoscale structures, Takahashi Yasui et al., Advances in Optical Technologies (2014)
이에, 본 발명의 일 측면에 따르면 특정 파장의 광원을 이용한 표면 평탄화 방법 및 장치가 제공된다. 구체적으로, 대상물의 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 방법에 있어서, 특정 파장의 광원 및 Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나의 식각용 반응성 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.
본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법은, 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 대상물을 제공하는 단계; 상기 메인 챔버 내부에 식각용 가스를 주입하는 단계; 상기 특정 파장의 광원을 상기 대상물의 표면에 입사하는 단계; 및 상기 대상물의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 식각용 가스는, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원의 파장은, 적어도 상기 식각용 가스의 종류에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 광원이 입사되는 대상물의 표면 전체의 온도가 균일하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 대상물의 표면의 거칠기를 모니터링 하는 단계; 및 상기 모니터링 결과에 기초하여 상기 대상물의 온도를 다시 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 대상물이 부착된 가열판에 연결된 전극을 통해 가열함으로써 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 빔 정형 렌즈(beam shaping lens)를 이용하여 균일한 분포를 갖도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 가시광선 파장대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대상물은 ITO, FTO, ZnO, TiO2, SnO2, AZO(Aluminium doped ZnO) 및 GZO(Gallium doped ZnO) 중 적어도 하나의 물질로 구성되는 박막을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 특정 파장의 광원을 상기 대상물의 표면에 입사하는 단계는, 상기 박막을 구성하는 물질의 그레인 크기의 감소로 인하여 박막 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지 지속될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대상물은 실리콘(Si), Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체, 옥사이드(oxide) 물질 또는 유기물 중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 실현하기 위한 또 다른 실시예에 따른 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하기 위한 장치는, 상기 대상물이 제공되는 메인 챔버; 상기 메인 챔버 내부에 식각용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부; 상기 특정 파장의 광원을 입사하기 위한 광원 출력부; 및 상기 대상물의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부를 포함하되, 상기 온도 제어부는 상기 광원이 입사되는 대상물의 표면 전체의 온도가 균일하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 온도 제어부는 상기 대상물의 표면이 평탄화되는 동안 상기 대상물의 표면의 거칠기를 모니터링하기 위한 모니터부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 장치는 상기 광원이 균일한 분포를 갖도록 형성하기 위한 빔 정형 렌즈(beam shaping lens)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 특정 파장의 광원을 이용한 표면 평탄화 방법 및 장치에 의하면, 대상물(예를 들어, ITO, FTO, ZnO, TiO2, SnO2, AZO(Aluminium doped ZnO) 및 GZO(Gallium doped ZnO) 등의 산화물이나 유기물 중합체) 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 방법에 있어서, 특정 파장의 광원(예를 들어, ITO 박막의 경우 532 nm의 레이저를 이용함) 및 할로겐 화합물로 이루어진 식각용 반응성 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 평탄화를 수행한다. 이에 따라, 종래의 CMP 공정에 의한 평탄화에서 발생하는 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 줄일 수 있고, 표면 거칠기를 개선하고 전기 전도도를 향상시킴으로써 LED 소자의 효율 증대 및 고출력화가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면 ITO, FTO와 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 특정 파장의 광원을 이용한 대상물 표면 평탄화 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 특정 파장의 광원을 이용한 대상물 표면 평탄화 장치를 도시한 도면이다.
도 3a은 일 실시예에 따른 평탄화 방법을 이용하는 경우, 시간에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 평탄화 방법을 이용하는 경우, 약 100 ℃의 온도 제어 환경에서 시간에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3c는 대상물의 온도 조건에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 평탄화 방법을 이용하는 경우, ITO 박막 표면의 시간에 따른 변화를 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도면들이다.
도 5는 약 150 ℃의 온도 제어 환경에서 ITO 박막 표면의 시간에 따른 변화를 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도면들이다.
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 특정 파장의 광원을 이용한 대상물 표면 평탄화 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 본 발명은 대상물의 표면 돌출부에서 dressed photon phonon(DPP)의 상호작용을 이용하여 표면의 평탄화를 수행한다. 이 과정에서 반응성 가스 환경에 노출된 대상물에 적절한 파장의 광선을 입사하면, 가스가 분해되고 라디컬(radical)을 생성하면서 표면의 돌출부를 선택적으로 식각함으로써 평탄화가 수행된다.
실시예에 따른 평탄화 공정에 앞서, 메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 대상물을 제공하는 단계가 수행된다(S10). 대상물은 ITO 또는 FTO 박막과 같은 그레인(grain) 구조를 갖는 옥사이드(oxide) 물질일 수 있고, 실리콘(Si), Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체, 유기물 중합체를 포함할 수도 있다. 이는 예시일 뿐이며, 본 실시예에 따른 광원을 이용한 평탄화 방법은 다양한 재료에 적용될 수 있으므로 대상물은 특정한 물질에 한정되지 않는다. 예를 들어, 다이아몬드와 같이 물리적인 평탄화가 어려운 소재에 대하여도 평탄화가 가능하며, 이 경우 활성화 가스로서 O2 가스가 이용될 수 있다.
도 2를 참조하면 메인 챔버(10)가 도시되어 있는데, 평탄화가 필요한 대상물이 제공되는 격리된 장소로서, 식각용 가스가 주입된 내부 환경에서 광원을 이용하여 대상물의 표면의 돌기를 제거하는 평탄화 공정이 수행된다. 평탄화 공정을 위해 대상물은 메인 챔버(10)의 리액터(reactor) 안에 고정된다. 실시예에 따라 메인 챔버(10)는 10 mTorr 에서 760 Torr까지의 압력 조절 범위를 가질 수 있고, 일반적으로 1 내지 2 Torr 압력 하에서 공정이 수행될 수 있다. 메인 챔버(10)는 내부 압력 및 진공도를 측정하기 위한 진공 게이지를 추가적으로 구비할 수 있다.
공정이 시작되면, 상기 메인 챔버 내부에 식각용 가스를 주입하는 단계가 수행된다(S20). 이후, 메인 챔버 내부는 할로겐 화합물로 구성된 식각용 가스(예를 들어, Cl2 가스) 환경이 조성된다. 식각용 가스는 반응성 기체로서, 광원과 함께 대상물의 표면을 평탄화 할 수 있는 할로겐 화합물 기체를 포함한다. 예를 들어 Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스 밸브(21)를 열면 가스 주입부(20)를 이용하여 식각용 가스가 주입될 수 있다. 가스 주입부(20)는 식각용 가스를 일정한 압력으로 메인 챔버에 주입하기 위한 레귤레이터를 포함할 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 있다. 일 실시예에서, 상기 식각용 가스가 메인 챔버에 주입되는 유량을 조절하기 위해 가스 유량 조절 장치가 추가적으로 이용될 수 있다.
다음으로, 특정 파장의 광원을 상기 대상물의 표면에 입사하는 단계가 수행된다(S30). 도 2에 도시된 바와 같이 광원 출력부(30)를 이용하여 특정 파장의 광원을 사출한다. 여기서 광원의 파장은 평탄화 하고자 하는 대상물의 종류, 식각용 가스의 종류 등에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 대상물이 ITO 박막이고 식각용 가스로서 Cl2 가스를 이용하는 경우 532 nm와 같은 가시광선을 이용하여 평탄화 공정을 수행할 수 있다. 이 경우, 532 nm 레이저에 의해 Cl2 가 분해되면서 입사광의 에너지가 증가하고, Cl 라디컬(radical)과 ITO 의 상호작용에 의해 식각(etching)이 수행된다.
일 실시예에서, 상기 광원의 파장은 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.
광원 출력부(30)에서 사출된 광원은 농도 필터(31)를 통과하면서 사용자가 원하는 수준의 광량으로 조절될 수 있다. 이후에 광원은 평판-오목렌즈(32)와 평판-볼록 렌즈(33)를 통과한다.
농도 필터(31)를 통과한 레이저 광원(예를 들어, 2 mm)이 후술하는 회절광학소자(diffractive optical element)의 일종인 빔 정형 렌즈(35)를 거쳐 사각형의 균일한 분포를 갖기 위해서는, 빔 정형 렌즈(35)의 스펙에 맞는 사이즈(예를 들어, 5 mm)의 평행광(collimated laser beam)이 요구된다.
레이저 빔의 사이즈를 확장시키는 동시에 평행광으로 만들어주기 위해 평판-오목렌즈(32, plano-concave lens) 및 평판-볼록렌즈(33, plano-convex lens) 세트가 이용될 수 있다. 평판-오목렌즈(32)는 빔의 발산을 통해 빔 크기를 확장시키는 역할을 하며, 평판-볼록렌즈(33)는 확장된 빔을 일정 크기의 평행광으로 변환시켜주는 역할을 수행한다.
이어, 상기 광원은 도 2에 도시된 거울(34)에 의해 메인 챔버(10)에 입사되는 방향이 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 거울은 2축 틸팅 가능하며 광선의 방향을 조절하여 리액터 내 대상물(100)의 평탄화가 필요한 지점에 입사될 수 있도록 한다. 이에 따라 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등 종래의 물리적 평탄화 공정과 달리 나노미터(nm) 단위의 미세한 조정이 가능하다.
일 실시예에서, 상기 광원이 균일한 분포를 갖도록 형성하기 위한 빔 정형 렌즈(35, beam shaping lens)를 더 포함할 수 있다. 빔 정형 렌즈(35)는 가우시안(Gaussian) 분포의 강도(intensity)를 갖는 레이저 빔을 사각형의 균일한 분포를 갖도록 변환해준다. 이에 따라, 평탄화 공정에서 레이저가 조사되는 위치에 따라 평탄화가 상이하게 수행되는 문제점을 해결하여 레이저가 조사된 영역 전체에서 동일하게 평탄화가 수행되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 가시광선의 파장, 굵기, 세기 등의 변수에 따라서 대상물의 평탄화 정도가 달라질 수 있으므로, 사용자는 상기 광원 조절 장치들(30 내지 35)을 이용하여 평탄화 공정에 적합한 특성을 갖는 가시광선을 획득할 수 있다.
상기 광원은 개구를 통하여 메인 챔버(10) 내부로 입사된다. 메인 챔버(10)는 평탄화가 필요한 소자가 제공되는 격리된 장소로서, 식각용 가스가 주입된 내부 환경에서 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물(100) 표면의 돌기를 제거하는 평탄화 공정이 수행된다. 일 실시예에서, 상기 개구는 투명한 쿼츠(quartz) 재질의 윈도우를 포함하며 윈도우를 통해 가시광선이 입사된다. 상기 윈도우의 크기는 시료의 크기에 비례하여 설정될 수 있다.
대상물의 표면에 특정 파장의 광선이 입사되면, 표면의 돌출부에서 dressed photon phonon(DPP)의 상호작용이 일어나면서 평탄화 공정이 수행된다. 식각용 가스 환경에 노출된 대상물에 적절한 파장의 광선을 입사하면, 가스가 분해되고 라디컬(radical)을 생성하면서 표면의 돌출부를 선택적으로 식각함으로써 평탄화가 이루어진다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 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 3a을 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 공정 개시 후 60분이 경과한 시점에서 약 71% 이상 감소하였다는 것을 알 수 있다. 종래의 실험에서는 가시광선을 이용한 ITO 박막 평탄화 공정을 수행하여 거칠기 정도를 약 20% 감소시켰으나, 본 실시예에 따라 대상물의 온도를 제어함으로써 보다 뛰어난 평탄화 효과를 얻을 수 있었다.
추가적으로, 상기 대상물의 온도를 제어하는 단계가 수행될 수 있다(S40). 실험을 통해 평탄화 공정에서 온도의 제어가 매우 중요한 변수로서 작용한다는 것을 알 수 있었다. 예를 들어, 532 nm 레이저와 Cl2 가스에 의해 ITO 박막의 광화학적 식각 반응이 일어날 때, 레이저에 의해 만들어진 Cl 라디컬과 ITO가 반응하여 표면에 InClx, SnClx 와 같은 비휘발성 부산물들(non-volatile byproducts)이 생성되는데, 상온에서는 이 부산물들이 쉽게 탈착되지 않아 지속적인 표면 평탄화 공정을 방해하며, 평탄화 균일도 또한 낮아진다는 문제가 있었다. 이에, 비휘발성 부산물의 탈착을 촉진하여 공정 속도와 평탄화 균일도를 향상시키기 위해서는 대상물(기판)을 가열하여 온도를 제어하는 장치가 요구된다.
도 2를 참조하면 온도 제어부(40)를 이용하여 대상물(100)이 부착된 가열판에 연결된 전극을 통해 가열하는 방식으로 온도를 상승시킬 수 있다. 여기서 상기 광원이 입사되는 대상물(100)의 표면 전체의 온도가 균일하도록 제어할 수 있다.
도 3b는 약 100 ℃의 온도 제어 환경에서 시간에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다(나머지 실험조건은 도 3a와 동일함). 도 3a의 그래프에서는 연마 균일도의 표준편차가 0.31 nm로 측정되었으나, 도 3b의 그래프에서는 연마 균일도의 표준편차가 0.11 nm로 향상되었으며, 표면의 RMS roughness 값이 약 65% 이상 감소하여 거칠기가 향상되었음을 알 수 있다.
도 3c는 대상물(기판)의 온도 조건에 따른 ITO 박막 표면의 거칠기 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3c의 그래프에 도시되어 있듯이, 대상물의 온도를 100℃에서 150℃로 변화시킨 경우 최적의 상태에서 RMS roughness는 1.55 nm 에서 0.72 nm 로 낮아졌고, 최소값을 갖게 되는 평탄화 공정 시점은 약 60분에서 약 10분으로 크게 단축되었다. 즉 온도 최적화에 따라 거칠기의 개선은 물론 공정 속도도 크게 향상시킬 수 있었다.
실험에 따르면, 대상물의 온도에 따라 광원에 의해 평탄화되는 정도가 상이하기 때문에, 대상물의 표면 전체가 균일하게 평탄화되기 위해서는 표면 전체의 온도를 비슷한 수준으로 유지하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 온도 제어부(40)는 대상물에 부착된 별도의 온도 센서를 통해 대상물(100)의 특정 지점의 온도를 실시간으로 모니터링 할 수 있고, 이에 따라 상이한 위치에 연결된 복수의 전극을 제어하여 표면 전체의 온도가 균일하게 유지되도록 할 수 있다.
상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 대상물의 표면의 거칠기를 모니터링 하는 단계 및 상기 모니터링 결과에 기초하여 상기 대상물의 온도를 다시 제어하는 단계를 포함할 수 있다(S50). 이를 위해, 상기 온도 제어부(40)는 상기 대상물의 표면이 평탄화되는 동안 표면의 거칠기 정도(RMS roughness)를 모니터링하기 위한 모니터부를 포함할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 평탄화 방법을 이용하는 경우, ITO 박막 표면의 시간에 따른 변화를 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 결과를 나타낸 도면들이다. 도 4의 (a)~(e)에서 알 수 있듯이, 0~60분에 걸쳐 평탄화 공정을 수행함에 따라 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. 다시 도 3을 참조하면, 공정 시작 후 60분까지는 거칠기 값이 계속 감소하다가, 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(예를 들어, 도 3의 실험 조건에서는 60분까지)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.
한편, 이 경우에도 대상물의 온도환경의 최적의 온도로 제어했을 때, 더 향상된 거칠기 값을 얻을 수 있다. 도 5의 (a)~(c)를 참조하면, 150℃의 온도환경에서 약 10분간 평탄화 공정을 수행한 경우, Bare ITO (RMS roughness=5.61 nm) 대비 거칠기 값이 87% 향상 되었다는 것을 알 수 있다.
일 실시예에서, 평탄화 공정이 끝난 후 메인 챔버(10)로 N2 가스가 주입되고 펌프 및 가스 스크러버를 이용하여 N2 가스를 다시 외부로 배출하는 추가적인 과정이 수행될 수 있다. 이는 펌프를 이용하여 식각용 가스를 외부로 배출한 이후에도 메인 챔버(10) 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, 대상물의 표면의 미세한 돌기를 제거하는 평탄화 공정에 있어서, 특정 파장의 광선 광원 및 할로겐 화합물로 이루어진 식각용 가스를 이용하여 비접촉 방식으로 평탄화를 수행함으로써, ITO 박막 소자 등 시료의 스크래치 또는 오염 등의 부작용을 최소화할 수 있다. 또한 공정 난이도가 낮아 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 줄일 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술은 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 실험 결과, DPP(dressed photon-phonon) 평탄화를 통해 ITO의 전하 이동도가 Bare ITO 대비 4%에서 최대 28%까지 향상되는 것을 확인하였고, 결과적으로 높은 투과도를 유지하면서도 전기 전도도/전하 이동도 향상이 가능하므로 저전력 고속 트랜지스터 구현할 수 있다.
또한, 평탄화된 ITO를 유기 태양전지 분야에 응용할 경우, 평탄화된 ITO 전극의 전하 이동도 향상에 따른 개방 회로 전압 (VOC) 증가시킬 수 있고, DPP 평탄화 ITO 기반 OPV 경우, 절대 효율 0.53%까지 향상시킬 수 있다(상대 효율 22.1% 향상).
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.
1: 평탄화 장치
10: 메인 챔버
20: 가스 주입부
21: 가스 밸브
30: 광원 출력부
31: 농도 필터
32: 평판-오목렌즈
33: 평판-볼록렌즈
34: 거울
35: 빔 정형 렌즈
40: 온도 제어부
100: 대상물

Claims (14)

  1. 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법으로서,
    메인 챔버 내부에 평탄화하고자 하는 대상물을 제공하는 단계;
    상기 메인 챔버 내부에 식각용 가스를 주입하는 단계;
    상기 특정 파장의 광원을 상기 대상물의 표면에 입사하는 단계; 및
    상기 대상물의 온도를 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 대상물의 표면의 거칠기를 모니터링 하는 단계; 및
    상기 모니터링 결과에 기초하여, 상기 대상물의 온도를 다시 제어하는 단계를 포함하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 식각용 가스는, Cl2, Br2, CF4, SF6, HBr 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원의 파장은, 적어도 상기 식각용 가스의 종류에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 광원이 입사되는 대상물의 표면 전체의 온도가 균일하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 대상물의 온도를 제어하는 단계는, 상기 대상물이 부착된 가열판에 연결된 전극을 통해 가열함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 빔 정형 렌즈(beam shaping lens)를 이용하여 균일한 분포를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 가시광선 파장대역을 갖는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 대상물은 ITO, FTO, ZnO, TiO2, SnO2, AZO(Aluminium doped ZnO) 및 GZO(Gallium doped ZnO) 중 적어도 하나의 물질로 구성되는 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 특정 파장의 광원을 상기 대상물의 표면에 입사하는 단계는, 상기 박막을 구성하는 물질의 그레인 크기의 감소로 인하여 박막 표면의 거칠기가 다시 증가하기 직전까지 지속되는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 대상물은 실리콘(Si), Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체, 옥사이드(oxide) 물질 또는 유기물 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하는 방법.
  12. 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하기 위한 장치로서,
    상기 대상물이 제공되는 메인 챔버;
    상기 메인 챔버 내부에 식각용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부;
    상기 특정 파장의 광원을 입사하기 위한 광원 출력부; 및
    상기 대상물의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부를 포함하되,
    상기 온도 제어부는 상기 대상물의 표면이 평탄화되는 동안 상기 대상물의 표면의 거칠기를 모니터링하기 위한 모니터부를 구비하고, 상기 광원이 입사되는 대상물의 표면 전체의 온도가 균일하도록 제어하되, 모니터링 결과에 기초하여 상기 대상물의 온도를 다시 제어하는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하기 위한 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광원이 균일한 분포를 갖도록 형성하기 위한 빔 정형 렌즈(beam shaping lens)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 특정 파장의 광원을 이용하여 대상물의 표면을 평탄화하기 위한 장치.
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