KR20030047574A - Method and apparatus of manufacturing polycrystalline silicon thin film - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다결정 실리콘 박막의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)과 열선 화학 기상 증착법(HWCVD)를 적절하게 사용하여 크기가 크고 균일한 입자와 높은 전자 이동도를 갖는 다결정 실리콘 박막을 제조하기 위한 다결정 실리콘 박막의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film, and more particularly, by using plasma chemical vapor deposition (PECVD) and hot ray chemical vapor deposition (HWCVD) as appropriate, large and uniform particles and high electron transfer. A manufacturing method and apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film for producing a polycrystalline silicon thin film having a drawing.
일반적으로 액정 표시기(LCD)와 같은 평판 표시기의 기판이나 유리 기판 등의 기판(substrate)에 구동 회로나 박막 트렌지스터를 형성하는데 박막(thin film)을 많이 사용하고 있다. 이러한 박막은 현재 비정질 실리콘을 이용하여 제조하고 있으나 최근 들어 고품격의 대구경 화면을 고속으로 작동시킬 수 있도록 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 대체하는 방법이 많이 개발되고 있다. 또한, 별도의 구동 IC를 제작하지 않고 기판위에 직접 구동 회로를 구성하는 COG(Chip On Glass) 방법이 개발되어 공정 및 비용이 절감되는 효과를 얻고 있다.In general, a thin film is used to form a driving circuit or a thin film transistor on a substrate of a flat panel display such as a liquid crystal display (LCD) or a substrate such as a glass substrate. Such thin films are currently manufactured using amorphous silicon, but recently, many methods for replacing amorphous silicon with polycrystalline silicon have been developed in order to operate a high quality large-diameter screen at high speed. In addition, a COG (Chip On Glass) method for constructing a driving circuit directly on a substrate without fabricating a separate driving IC has been developed, thereby reducing the process and cost.
비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 제조하는 방법중 하나로 현재 가장 많이 사용되는 제조 방법으로 ELA(Excimer Laser Annealing) 방법이 있다. 이 방법은 기판 위에 전공정에서 비정질 실리콘을 증착시킨 다음 후공정으로 엑시머 레이저를 사용하여 비정질 실리콘을 용융시켜 결정화하게 된다. 하지만, 상기 ELA 방법은 현실적으로 다결정 막의 재현성과 공정 마진 확보에 대한 어려움이 대두되고 있으며, 고가의 광학 장치를 구비해야 하기 때문에 제조 단가가 높아지게 되는 문제점이 있다.One of the methods for manufacturing amorphous silicon from polycrystalline silicon is the most commonly used manufacturing method is ELA (Excimer Laser Annealing) method. In this method, amorphous silicon is deposited on a substrate in a previous step and then crystallized by melting an amorphous silicon using an excimer laser in a subsequent step. However, the ELA method has a problem of increasing the reproducibility of the polycrystalline film and securing process margins in reality, and there is a problem in that the manufacturing cost increases because an expensive optical device must be provided.
종래의 또 다른 다결정 실리콘 제조 방법으로 금속 유도 결정화법(MIC: Metal Induced Crystallization) 방법이 있다. 상기 MIC는 비정질 실리콘막에 적정량의 전이 금속을 소량 증착시켜 전계를 인가하거나 또는 인가하지 않은 상태에서 어닐링 등의 방법으로 에너지를 공급하여 결정화하는 방법이다. 하지만 이러한 MIC 방법은 전이 금속에 의한 실리콘 박막의 오염이 심각한 문제로 대두되고 있다.Another conventional polycrystalline silicon manufacturing method is a metal induced crystallization (MIC) method. The MIC is a method of crystallizing a small amount of transition metal on an amorphous silicon film by supplying energy by annealing or the like with or without applying an electric field. However, in this MIC method, the contamination of the silicon thin film by the transition metal is a serious problem.
또 다른 종래의 다결정 실리콘 제조 방법으로 재결정화 과정을 거치지 않고 절연 기판 상에 직접 다결정 실리콘 박막을 증착하는 방법이 많이 연구되고 있다. 하지만, 이 방법은 다결정 실리콘 박막 제조에 요구되는 온도가 유리 기판에 적용하기 어려운 600℃ 이상인 경우가 있고, 또한 그레인의 크기 및 전자 이동도 등의 특성이 재결정화를 하는 기존의 방법에 비해 현저하게 떨어지는 문제가 발생하게 되었다.In another conventional polycrystalline silicon manufacturing method, a method of depositing a polycrystalline silicon thin film directly on an insulating substrate without undergoing recrystallization has been studied. However, in this method, the temperature required for the production of polycrystalline silicon thin film may be at least 600 ° C., which is difficult to apply to a glass substrate, and the characteristics such as grain size and electron mobility are remarkably compared with conventional methods of recrystallization. Falling problems have arisen.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 진공 챔버 내부에 PECVD와 HWCVD를 구비하고, 이들 증착기의 사용 순서를 적절하게 조합하는 방법으로 기판상에 결정 성장의 시드(seed)로 작용할 실리콘 섬(islands)을 형성한 다음 이 실리콘 섬을 중심으로 일정한 결정 성장이 이루어지게 함으로써, 입자가 크면서도 균일하고 높은 전자 이동도를 갖는 다결정 실리콘 박막을 얻을 수 있는 다결정 실리콘 박막의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of this point, and includes a silicon island that will serve as a seed of crystal growth on a substrate by a method of combining PECVD and HWCVD in a vacuum chamber and properly combining the order of use of these evaporators. By forming islands) and then causing constant crystal growth around the silicon islands, there is provided a method and apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film, in which a polycrystalline silicon thin film having large particles and uniformity and high electron mobility can be obtained. Its purpose is to.
도 1은 본 발명에 따르는 다결정 실리콘 박막의 제조 장치를 나타내는 단면도,1 is a cross-sectional view showing an apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention;
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
10 : 진공 챔버 11 : 공간부10 vacuum chamber 11 space part
12 : 주입구 13 : 배출구12: inlet 13: outlet
20 : 히터 30 : PECVD20: heater 30: PECVD
31 : 전극 32 : 절연체31 electrode 32 insulator
33, 43 : 전원부 40 : HWCVD33, 43: power supply 40: HWCVD
41 : 전열선 42 : 전극41: heating wire 42: electrode
100 : 기판100: substrate
이를 실현하기 위한 본 발명에 따르는 다결정 실리콘 박막의 제조 방법은, 진공 챔버 내부에서 PECVD와 HWCVD를 이용하여 기판상에서 결정 성장의 시드(seed)로 작용할 실리콘 섬(islands)을 형성하고 이 실리콘 섬을 중심으로 결정 성장이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.The method for producing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention for realizing this forms a silicon island which will act as a seed of crystal growth on a substrate by using PECVD and HWCVD in a vacuum chamber and centers the silicon island. As a result, crystal growth is achieved.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 실리콘 섬을 형성하는 과정은 PECVD로 진행하고, 이 실리콘 섬의 결정을 성장시키는 과정은 HWCVD로 진행하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the process of forming the silicon island is characterized in that the PECVD, the process of growing the crystal of the silicon island is characterized in that the HWCVD.
또한, 상기 실리콘 섬을 형성하는 과정은 PECVD로 진행하고, 이 실리콘 섬의 결정을 성장시키는 과정은 PECVD와 HWCVD를 함께 사용하여 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the process of forming the silicon island is carried out by PECVD, and the process of growing the crystal of the silicon island is characterized by using a combination of PECVD and HWCVD.
또한, 상기 실리콘 섬을 형성하는 과정은 HWCVD로 진행하고, 이 실리콘 섬의 결정을 성장시키는 과정은 PECVD로 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the process of forming the silicon island is characterized in that the HWCVD process, the process of growing the silicon island crystal is characterized in that the PECVD process.
또한, 상기 실리콘 섬을 형성하는 과정은 저온 HWCVD로 진행하고, 이 실리콘 섬의 결정을 성장시키는 과정은 고온 PECVD로 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the process of forming the silicon island is characterized in that the low-temperature HWCVD, the process of growing the silicon island crystal is characterized in that the high-temperature PECVD.
또한, 본 발명에 따르는 다결정 실리콘 박막의 제조 장치는, 반응 소스의 주입 및 배출이 가능하고 일정한 내부 공간을 갖는 개폐가능한 진공 챔버와, 이 진공챔버 내부에 구성되어 기판의 지지 및 예열시켜 주는 히터와, 상기 진공 챔버 내에서 플라즈마 생성 및 전열시켜 주는 PECVD 및 HWCVD로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention includes an openable vacuum chamber capable of injecting and discharging a reaction source and having a constant internal space, a heater configured to support and preheat a substrate in the vacuum chamber; In addition, the plasma chamber is characterized in that the PECVD and HWCVD to generate and heat transfer.
또한, 상기 HWCVD는 전열선이 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the HWCVD is characterized in that the heating wire is made of tungsten or tungsten alloy.
또한, 상기 텅스텐 합금에는 토륨이 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the tungsten alloy is characterized in that the thorium is contained.
또한, 상기 다결정 실리콘 박막의 제조 장치는 청구항 제 2 항 내지 청구항 제 5 항의 제조 순서에 따라 HWCVD와 PECVD의 작동 순서를 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon thin film is characterized by controlling the operation order of HWCVD and PECVD according to the manufacturing order of claim 2 to claim 5.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and effect of the present invention will be described.
첨부도면 도 1은 본 발명에 따르는 다결정 실리콘 박막의 제조 장치를 나타내는 단면도이다. 여기서, 도면부호 10은 진공 챔버를, 100은 기판(substrate)를 나타낸다.1 is a cross-sectional view showing an apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention. Here, reference numeral 10 denotes a vacuum chamber and 100 denotes a substrate.
본 발명에 따르는 제조 장치는 내부에 소정의 공간부(11)를 갖는 진공 챔버(10)와, 이 진공 챔버(10) 내에서 상기 기판(100)을 지지하여 예열시켜 주는 히터(20)와, 상기 기판(100)의 상부에 순차적으로 설치되는 PECVD(30) 및 HWCVD(40)로 이루어져 있다.The manufacturing apparatus according to the present invention includes a vacuum chamber 10 having a predetermined space 11 therein, a heater 20 for supporting and preheating the substrate 100 in the vacuum chamber 10, It consists of PECVD 30 and HWCVD 40 sequentially installed on top of the substrate 100.
여기서, 상기 진공 챔버(10)는 상하면에 각각 반응 소스[사이렌(SiH4)과 수소(H2)의 혼합물]를 외부에서 공급받고 다시 반응후 외부로 배출이 가능하도록 주입구(12) 및 배출구(13)가 형성되어 있다. 이러한 반응 소스는 기판(100)상에서 필요로 하는 실리콘을 제공해 주는 공급원으로 사용된다. 또한, 상기 진공 챔버(10)는 내부에서 플라즈마 진공 증착과 열선 화학 증착이 가능하도록 약 5 × 10-5Torr 의 압력에 견딜 수 있게 제작하여 사용하게 된다.Here, the vacuum chamber 10 is supplied with a reaction source (a mixture of siren (SiH 4 ) and hydrogen (H 2 )) on the upper and lower surfaces, respectively, from the inlet 12 and the outlet port so as to be discharged to the outside after the reaction again. 13) is formed. This reaction source is used as a source to provide the silicon needed on the substrate 100. In addition, the vacuum chamber 10 may be manufactured and used to withstand a pressure of about 5 × 10 −5 Torr to enable plasma vacuum deposition and hot wire chemical vapor deposition therein.
히터(20)는 진공 챔버(10) 내부에 바닥으로부터 소정의 높이만큼 이격되도록 설치되어 있으며, 그 상부에는 상기 기판(100)이 놓여지게 된다. 이러한 히터(20)는 상기 기판(100)이 항상 정해진 위치, 바람직하기로는 공간부(11)의 중앙 위치에 오도록 지지해 주는 역할과 함께 기판(100)의 재질에 따라 소정의 온도, 예를 들어 글래스인 경우 150 ∼ 350℃로 기판(100)을 예열시켜 증착 효과를 높여 주게 된다.The heater 20 is installed in the vacuum chamber 10 to be spaced apart from the bottom by a predetermined height, and the substrate 100 is placed thereon. The heater 20 supports the substrate 100 to be always at a predetermined position, preferably at a center position of the space 11, and at a predetermined temperature, for example, depending on the material of the substrate 100. In the case of glass, the substrate 100 is preheated at 150 to 350 ° C. to increase the deposition effect.
PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)(30)는 외부에서 전원을 공급받아 진공 챔버(10) 내부에서 플라즈마를 발생시켜 주게 되며, 이렇게 발생된 플라즈마는, 본 발명에 따르는 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에 따라서, 실리콘 섬을 형성하거나 이미 형성된 실리콘 섬을 결정화하는데 이용된다. 이러한 PECVD(30)는 상기 진공 챔버(10)의 상부에 절연재(32)에 의해 절연이 이루어지도록 설치된 전극(31)과, 이 전극(31)에 전원을 공급해 주는 통상의 전원부(33)로 이루어져 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 PECVD(30)는 예를 들어 설명하기 위한 것으로, 플라즈마를 발생시킬 수 있는 구조라면 어떤 구조로 이루어진 것이라도 사용이 가능하다. 이와 같이 이루어진 PECVD(30)는 후술하게 될 HWCVD(40)와의 작동 순서, 즉 본 발명에 따르는 다결정 실리콘 박막의 제조 방법에 따라 작동 순서가 정해지게 된다.Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) 30 is supplied with power from outside to generate plasma in the vacuum chamber 10, and the plasma is generated according to the method of manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention. , To form silicon islands or to crystallize already formed silicon islands. The PECVD 30 is composed of an electrode 31 provided to be insulated by an insulating material 32 on the vacuum chamber 10, and a general power supply unit 33 for supplying power to the electrode 31. have. In a preferred embodiment of the present invention, the PECVD (30) is for illustration, for example, as long as the structure capable of generating a plasma can be used in any structure. The PECVD 30 made as described above is determined in accordance with the operation order of the HWCVD 40 which will be described later, that is, the method of manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention.
HWCVD(Hot Wire Chemical Vapor Desposition)(40)는 전열선(41)으로부터 발생된 열원을 이용하여 상술한 PECVD(30)와 마찬가지로 반응소스에 포함된 기체 실리콘으로부터 기판(100) 상에 실리콘 섬(islands)을 형성하거나 이미 형성된 실리콘 섬을 결정화하는데 사용된다. 이러한 HWCVD(40)는 히터(20)의 상부에 설치된 전열선(41)과, 이 전열선(41)의 양단에 전원공급을 위해 설치된 한쌍의 전극(42)과, 이 전극(42)에 전원을 인가해 주는 전원부(43)로 이루어져 있다. 특히, 상기 전열선(41)으로는 반응 소스의 분쇄 및 전자 공급원으로 작용하는 것으로 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 텅스텐 합금에는 고온에서의 안정성(텅스텐 원자의 증발 방지)을 위해 토륨이 함유된 것을 사용하는 것이 바람직하다.Hot Wire Chemical Vapor Desposition (HWCVD) 40 utilizes a heat source generated from the heating wire 41 to form silicon islands on the substrate 100 from gaseous silicon contained in the reaction source, similar to the above-described PECVD 30. Or to crystallize already formed silicon islands. This HWCVD 40 is applied to the heating wire 41 installed on the heater 20, a pair of electrodes 42 provided for supplying power to both ends of the heating wire 41, and the electrode 42 is supplied with power. It is composed of a power supply 43. In particular, the heating wire 41 is preferably used as a source of pulverization and electron source of the reaction source, made of tungsten or tungsten alloy, for the stability of the tungsten alloy at high temperature (to prevent evaporation of tungsten atoms) It is preferable to use those containing thorium.
이하, 상술한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르는 다결정 박막 제조 장치를 이용하는 제조 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a manufacturing method using the polycrystalline thin film production apparatus according to the present invention made as described above is as follows.
본 발명에 따르는 제조 방법은 상술한 다결정 실리콘 박막의 제조 장치를 통해 이루어지게 되며, 크게 두가지 과정으로 대별된다.The manufacturing method according to the present invention is made through the apparatus for producing a polycrystalline silicon thin film described above, and is roughly divided into two processes.
첫번째는 반응 소스에 함유된 실리콘 입자를 기판(100) 상에서 결정 성장의 시드(seed)로 작용할 수 있도록 하는 실리콘 섬을 형성하는 과정이다. 이 과정은 상기 진공 챔버(10)의 내부에 일정한 압력으로 주입구(12)를 통해 반응소스(사일렌과 수소)를 주입하면서 이와 함께, 상기 PECVD(30) 또는 HWCVD(40) 중 선택된 어느 하나를 작동시켜 반응 소스에 함유된 실리콘을 기판(100)에 증착시켜 실리콘 섬(islands)를 형성하게 된다. 물론, 이때 반응 소스의 양은 박막의 두께에 따라 공급량을 달리하여 공급하게 된다.The first is to form silicon islands that allow the silicon particles contained in the reaction source to act as seeds for crystal growth on the substrate 100. This process injects a reaction source (sylene and hydrogen) through the inlet 12 at a constant pressure inside the vacuum chamber 10, and together with any one selected from the PECVD 30 or HWCVD 40 In operation, silicon contained in the reaction source is deposited on the substrate 100 to form silicon islands. Of course, the amount of the reaction source is supplied by varying the supply amount according to the thickness of the thin film.
두번째는 상기 실리콘 섬을 성장시켜 다결정으로 결정화 시켜 주는 과정이다. 이 과정 또한 상술한 첫번째 과정과 마찬가지로 PECVD(30) 또는 HWCVD(40) 중 선택된 어느 하나나 이들 두가지를 전부 사용하여 증착이 이루어지게 된다. 이에 따라 상기 기판(100)에서는 실리콘 섬을 중심으로 해서 그 주변에 일정한 결정 성장 방향으로 결합하면서 입자가 크고 균일한 박막을 형성시켜 주게 된다.Secondly, the silicon island is grown and crystallized into polycrystal. This process is also performed by using either or both of PECVD 30 or HWCVD 40 as in the first process described above. Accordingly, the substrate 100 forms a thin and uniform thin film while bonding in a constant crystal growth direction around the silicon island.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 초기에 실리콘 섬을 형성시키는 제 1과정과 각 실리콘 섬을 중심으로 단결정 그래인(전체적으로는 다결정)을 형성시키는 제 2과정은 여러가지 방법으로 가능하며 그 예를 표 1과 같이 나타내었다.In a preferred embodiment of the present invention, the first process of initially forming silicon islands and the second process of forming single crystal grains (polycrystals as a whole) around each silicon island are possible in a number of ways. As shown.
여기서, 상기한 표 1에서 보는 바와 같이, 제 1 과정은 플라즈마로 증착 효과를 얻는 PECVD(30) 뿐만 아니라 전자 공급원인 HWCVD(40)으로도 똑같은 효과를 얻을 수 있는데, HWCVD(40)를 사용하는 경우 실리콘 섬의 밀도를 낮게 하면서 기판에 접착이 용이하도록 실리콘을 다결정으로 성장시켜 주는 제 2과정보다 낮은 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.Here, as shown in Table 1, the first process can obtain the same effect not only PECVD (30) to obtain the deposition effect by plasma, but also HWCVD (40) as an electron source, using the HWCVD (40) In this case, it is preferable to perform at a lower temperature than the second process of growing silicon into polycrystals to facilitate adhesion to a substrate while lowering the density of silicon islands.
이상에서 본 바와 같이 본 발명은 PECVD와 HWCVD를 이용하여 기판에 박막을 형성함으로써 다음과 같은 효과를 얻게 된다.As described above, the present invention obtains the following effects by forming a thin film on a substrate using PECVD and HWCVD.
1) 크기가 크고 높은 전자 이동도를 갖는 균일한 다결정 실리콘 박막을 얻을 수 있게 된다.1) A uniform polycrystalline silicon thin film having a large size and high electron mobility can be obtained.
2) 단순한 제조 장치를 이용하여 안정적인 다결정 실리콘 박막을 얻을 수 있다.2) A stable polycrystalline silicon thin film can be obtained using a simple manufacturing apparatus.
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