KR20050000460A - 대면적 비정질 실리콘의 결정화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유리 기판 등의 절연막 위에 있는 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화하는데 있어서, 집속된 고에너지의 자외선을 열원으로 사용하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 비정질 실리콘을 결정화할 때 집속된 자외선(Ultra violet ray)을 국소 영역에 조사하여, 기판의 손상 없이 비정질 실리콘을 순간적으로 녹였다가 냉각 시킴으로 결정화하는 방법과 집속된 자외선으로 비정질 실리콘을 가열하여 금속 유도 결정화를 포함하는 고상 결정화가 일어나는 온도에서 단시간의 열처리를 함으로 다결정 실리콘을 형성하는 방법과 기판의 이동을 이용하여 순차적으로 기판 위의 비정질 실리콘 박막을 결정화 시키는 것이 본 발명의 주된 적용이라 할 수 있다.
Description
본 발명은 비정질 실리콘의 결정화 방법에 관한 것이다. 다결정 실리콘을 이용한 트랜지스터 소자는 대부분 능동행렬 액정디스플레이(AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)의 능동소자와 전기발광(electro-luminescence)소자의 스위칭 소자 및 주변회로에 사용된다. 이때, 반도체 활성층으로 사용되는 다결정 실리콘의 제작은 직접 증착법 [Janget al., Vacuum Vol. 51, 769(1998)], 고상결정화 방법 [Girginoudi et al., J. Appl. Phys. Vol. 84, 1968(1998)], 또는 레이저 열처리방법[J. S. Im and H. J. Kim, Appl. Phys. Lett. Vol. 64, 2303(1994)]을 이용한다. 이 중 직접 증착법을 제외한 방법들은 모두, 기판 위에 형성된 비정질 실리콘을 열처리 함으로 상전환을 유도하여 다결정 실리콘을 얻게 된다. 이 때, 비정질 실리콘이 용융되었다가 냉각되면서 결정화 될 경우 구조적, 전기적으로 우수한 박막 특성을 갖는 다결정 실리콘을 얻을 수 있다. 그러나 이를 위해서는 비정질 실리콘이 용융될 수 있는 고온 열처리가 필수적인데, 이 같은 고온 열처리는 공정상 많은 문제를 유발하고 특히, 유리기판의 사용을 막으므로 대면적 공정의 가장 큰 걸림돌로 작용한다. 한편, 레이저 열처리 방법은 국소부위에 고출력의 에너지를 전달하여 순간적으로 비정질 실리콘의 용융과 냉각에 의한 결정화가 이루어지기 때문에 유리 기판의 사용이 가능하고 상기된 다결정 실리콘을 얻는 가장 보편적인 방법으로 여겨지고 있다. 그렇지만 레이저 장비에 기인하는 박막 특성의 불균일성과 고가의 유지비로 인해 현재 이를 대체하고자 하는 기술이 다각적으로 연구되고 있다. 전통적으로 다결정 실리콘을 만들기 위한 비정질 실리콘의 가열에는 적외선 영역의 열원이 많이 사용되었으나, 근래 들어, 보다 효과적으로 비정질 실리콘 박막을 가열 시키기 위해 자외선을 이용한 열처리 방법에 대한 연구가 활발해지고 있다.[R. Singhet al., Appl. Surf. Sci. Vol. 168, 198(2000)] 파장 365 nm 내외에서 첨두값(peak value)을 갖고 근자외선(200 nm 이상)에서 근 적외선(1 um 이하) 사이의 분광도를 갖는 램프를 이용하면 유리나 석영기판에서의 흡수는 거의 없이 비정질 실리콘 박막에서 강한 흡수가 일어남으로 그 만큼 효과적으로 비정질 실리콘 박막을 가열 시킬 수 있다.[S. J. Parket al., The 3rd Korea-Japan Joint Symposiumon Photovoltaics, pp65-70 (2000), K. H. Kimet al., J. Non-Cryst. Solids Vol. 299, 83(2002)], 또한, 자외선은 박막의 가열에 의해서 뿐만 아니라, 비정질 실리콘 내의 결합에 직접 관여하여 다결정 실리콘으로의 상전환을 유도하는 활성화 에너지를 낮춘다. [R. Singhet al., IEEE Tran. Elec. Dev. Vol. 45, 643(1998)]. 이러한 효과들은 이미 비정질 실리콘 박막의 고상 결정화와 금속유도 결정화에 적용되어 일반적인 텅스텐 할로겐 램프에 의한 열처리 보다 효과적인 것으로 보고 되었다. [L. Rezaeeet al., Crystalline Solids Vol. 303, 232(2002)].
본 발명은 비정질 실리콘 박막을 결정화 하는데 있어서 레이저, 텅스텐 할로겐 램프 어레이 등 고가의 장비와 유지비가 필요한 종래의 열처리 방법을 사용하지 않고 양질의 다결정 실리콘 박막을 단 시간 내에 얻는 것과 이러한 방법의 대형기판으로의 적용을 목적으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사를 이용한 열처리 방법을 사용하여 비정질 실리콘을 결정화 하는 공정을 나타내는 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시 예로 유리 기판 위에 형성된 비정질 실리콘의 두께에 따라 변화하는 흡수 분광 그래프.
도 3은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사를 이용한 결정화 방법 사용시 박막의 온도 변화를 나타낸 모식도.
도 4는 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 국부적으로 결정화된 다결정 실리콘 박막과 비정질 실리콘 경계면의 광학현미경 사진.
도 5는 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사와 시료의 이동에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 광학 현미경 사진
도 6은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 용융되었다가 결정화된 다결정 실리콘 박막의 광학 현미경 사진.
도 7은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 금속유도 결정화된 다결정 실리콘의 주사 전자현미경 사진
도 8은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 결정화된 다결정 실리콘박막의 라만 산란 특성.
도 9는 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도 특성.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11. 비정질 실리콘 박막. 12. 절연기판
13. 자외선 램프. 14. 타원형 반사경
41. 다결정 실리콘 박막
51. 비정질 실리콘 영역 61. 다결정 실리콘 영역
66. 다결정실리콘 그레인 영역 67. 그레인 경계영역
71. 막대모양의 결정립
본 발명은, 유리, 석영 등의 절연기판 또는 절연막이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 비정질 실리콘을 형성하는 단계와, 근자외선 영역을 포함하는 열원의 빛을 집속하는 단계와 비정질 실리콘을 집속된 열원에 노출시킴으로 박막을 가열하여 국부적으로 결정화시키는 단계와 국부적으로 집속된 빛이 기판의 이동에 의해 비정질 실리콘을 주사하여 전 면적을 결정화 시키는 단계로 구성된다. 도 1은 본 발명의 실시 단계를 보여주는 모식도이다.
여기서 근자외선 영역이라 함은 파장 300 nm ~ 380 nm의 빛을 말한다. 이 같은 근자외선 영역의 빛은 일반적인 자외선 램프로부터 얻어지는데, 박막 트랜지스터 정보디스플레이 소자 제작에 사용되는 유리기판과 석영(quartz)기판에는 흡수되지 않고 90% 이상이 투과되지만, a-Si층에서는 강하게 흡수된다. 도 2는 유리 기판 위에 형성된 비정질 실리콘 박막의 파장에 따른 흡수도를 나타내는 것으로 근자외선 영역에서의 흡수는 비정질 실리콘 박막의 두께(50 nm, 200 nm, 300 nm)에 따라 크게 영향을 받지 않으나 박막의 두께가 두꺼워 질수록 가시광 영역에서의 흡수가 커지는 것을 확인 할 수 있다. 이 같은 결과는 본 발명에 의해 비정질 실리콘을 결정화 할 때, 결정화가 되는 실리콘 박막의 두께에 영향을 덜 받으므로 보다 손 쉽게 공정을 수행할 수 있으며 종국에는 생산성 향상을 갖고 올 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명에 의해 비정질 실리콘 박막을 결정화 시키는 데 있어서, 유리기판의 손상온도인 600oC 이상의 고온 열처리를 통해 박막을 결정화 시키면서도 유리기판에 손상을 주지 않고 대면적 가공이 가능한 것은 국소적인 부분에 단 시간의 고온 열처리를 가하기 때문이다. 도 3은 본 발명에 의한 실시 예로 램프(13)와 반사경(14) 그리고 가열되는 기판의 온도 변화를 모식적으로 나타낸 것이다. 자외선 램프에서 나오는 빛과 열은 타원형 반사경에 의해 집속되어 라인 빔의 형태로 기판 위로 조사되는데, 이 때 집속되는 빔의 폭은 작게는 1 um 에서 크게는 30 mm 내외로 한정된다. 빔의 폭이 1 mm 이하일 경우엔 비정질 실리콘 박막의 고온가열을 유도하여 용융 후 재결정화에 적용될 수 있으며, 이른바 연속측면고상화(sequential lateralsolidification)를 시현할 수 있으며, 상기의 빔 보다 폭이 클 경우엔, 용융되지 않고 고상에서의 측면 에피성장(epitaxial growth)을 시현할 수 있다. 특히, 순차적인 빔 조사 전에 비정질 실리콘의 일부분을 다결정 실리콘화 한 후 집속된 빔을 조사할 경우 그 다결정 실리콘으로부터의 에피성장을 유도할 수 있다. 본 발명의 실시 예로 램프 폭이 25 mm 인 900 W 급의 UV램프를 사용하여 시료를 고정시키고 집속되는 부분의 온도변화를 측정한 결과, 대기 중에서 950oC 까지 상승하였다. 측정의 용이함을 위해 램프의 빛과 열이 집속되는 폭을 20 mm 내외로 조절하였던 것을 감안하면, 그보다 더 작은, 예를 들어 1 mm 내외의 폭으로 집속되는 부분의 온도는 최소 950oC 이상으로 상승할 것으로 예측되며 이는 고온 열처리에 의한 양질의 다결정 실리콘 박막의 형성을 가능케 한다. 이와 더불어 UV 램프 외에 집속된 전자빔이나 이온빔 또는 가시광을 포함하는 적외선(IR) 빔도 유사한 효과를 갖고 온다.
도 4는 상기에 언급한 방법을 사용하여 국부적인 결정화를 유도한 시료의 광학사진이다. 800oC 에서 5초 동안 노출하여 유리기판(12) 위에 있는 50 nm 두께의 비정질 실리콘(11)을 결정화 하였다. 시료기판의 이동 없이 결정화를 유도하여 빛과 열이 집속된 15 mm 내외만 고상결정화에 의해 다결정 실리콘(51)으로 변하였으며, 그 외 영역은 비정질 실리콘(61)인 상태로 남아있는 것을 확인할 수 있는데, 짧은 시간의 열처리에 의해 결정화 되었기 때문에 두께 0.7 mm인 유리 기판이 아무런 손상도 받지 않음을 알 수 있다. 본 발명을 이용해 보다 커다란 시료의 결정화를 위해서는램프하우스 또는 시료기판의 이동으로 구현 가능하다. 도 5는 본 발명의 실시 예로 제작된 유리기판(12) 위의 다결정 실리콘 박막으로 속도조절이 가능한 이송장치 위에 시료를 위치 시키고, 램프하우스의 아래로 시료를 통과시켜 비정질 실리콘 박막을 결정화 하였다. 이 때, 사용된 시료의 크기는 폭 2 cm 길이 10 cm 였으며, 길이 방향으로 1.5 mm/s의 속도로 주사하였다. 비정질 실리콘 기판이 이송장치에 의해 램프의 빛과 열이 집속되어 라인 빔 형태로 조사되는 부분에 도달하게 되면 도 4 에서 설명한 대로 라인 빔에 노출된 비정질 실리콘 부분이 먼저 결정화 되며 기판이 이동함에 따라 순차적으로 결정화가 진행된다. 이 같은 일이 반복적으로 진행되어 라인 빔에 주사된 비정질 실리콘 박막 전체가 결정화된다. 도 5에서 중앙의 다결정 실리콘 영역(51)과 함께, 라인 빔에 노출되지 않은 외곽의 비정질 실리콘 영역(61)을 확인 할 수 있다. 도 4와 도 5에 언급된 방법은 본 발명을 기판의 크기에 상관없이 적용할 수 있음을 상기시킨다.
한편, 빛과 열을 집속하여 비정질 실리콘 박막을 조사함에 있어서 형성되는 라인 빔의 폭을 줄이거나, 램프의 출력을 높이면 비정질 실리콘 박막을 용융 시킬 수 있을 만큼의 온도까지 상승시킬 수 있다. 이 때, 결정화를 하고자 하는 비정질 실리콘 박막을 수백 um 크기를 갖는 작은 섬(island)으로 만들 경우 결정화 시 박막에 야기되는 스트레스를 감소시킬 수 있으므로 기판으로부터 박막이 박리되는 것을 방지할 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시 예로 비정질 실리콘 박막이 용융되었다가 결정화된 시료의 광학 현미경 사진이다. 비정질 영역이 남아있지 않고 완전히 다결정 실리콘(41)으로 변하였으며, 1 um 이상 되는 결정립들(66)로 이루어진결정경계면(67)이 확연히 보이고 있다.
본 발명에 의한 결정화는 도 4, 도 5, 도 6에 언급된 고상결정화와 용융 후 결정화 방법뿐만 아니라 니켈, 코발트 등을 결정화에 이용하는 금속 유도 결정화에도 이용될 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시 예로 니켈을 사용하여 금속유도 결정화된 다결정 실리콘 박막으로 박막 전체가 다결정 실리콘(41)으로 변하였으며 그 내부는 니켈을 이용한 금속유도 결정화에서 나타나는 특징적인 막대모양의 결정립(71)이 관측되고 있다. 이는 본 발명에 의한 결정화 방법에 의해 형성된 다결정 실리콘의 미세구조는 기존의 열처리 방법에 의한 것과 유사하다는 것을 의미한다.
도 8은 본 발명에 의해 고상결정화된 다결정 실리콘 박막의 라만 산란 특성이다. 평균적으로 결정화도는 95% 이상이며, 피크의 위치는 518 cm-1내외의 값을 나타낸다. 또한 도 9에 나타난 것과 같이 본 발명에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도는 상온에서 10-5~10-6S/cm 의 값을 나타내며, 그 활성화 에너지는 0.5 eV 내외의 값을 가지므로 본 발명에 의한 다결정 실리콘은 전기전자소재의 반도체 활성층으로 사용하기에 손색이 없다.
본 발명은 비정질 실리콘 박막을 결정화 하여 다결정 실리콘 박막을 만드는 데 필요한 에너지를 공급하는 새로운 방법과 그로 인하여 결정화된 양질의 다결정 실리콘에 관한 것으로, 기존의 고온 급속열처리 방법에 의한 결정화 시 야기되는 기판크기의 한계를 극복하며, 가열로(furnace)를 이용한 결정화 방법 시 필요한 장시간의 열처리를 극복하여 박막의 구조와 전기적 특성 등이 균일한 다결정 실리콘 박막을 만들 수 있기 때문에 보다 저렴한 가격과 짧은 시간 동안에 대량의 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 기술이다. 또한 이 같은 장점은 현재 고가의 설비 및 유지비를 필요로 하는 레이저 열처리에 의한 결정화 방법을 본 기술로 대체 가능하게 한다. 본 발명에 의한 다결정 실리콘은 평판디스플레이, 태양전지, 반도체 소자 등의 제작에 응용될 수 있다.
Claims (13)
- 절연 기판 위에 비정질 실리콘을 형성하는 단계;상기의 비정질 실리콘을 결정하기 위하여 자외선(UV) 영역의 빛을 집속시켜 비정질 실리콘에 조사하여 상기의 비정질 실리콘의 일부가 액상으로 변화하는 단계; 상기의 액상이 상기의 비정질 실리콘의 일부로부터 순차적으로 형성되면서 동시에 다른 부분에서는 액상이 고상으로 순차적으로 변화되면서 결정화가 일어나는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 절연기판 상에 비정질 실리콘을 형성하는 단계;상기의 비정질 실리콘을 결정화하기 위하여 자외선(UV) 영역의 빛을 집속시켜 비정질 실리콘에 조사하여 상기의 비정질 실리콘의 일부가 가열되어 고체상태에서 결정질로 변화하는 단계; 상기의 가열된 영역이 상기의 비정질 실리콘의 일부로부터 순차적으로 형성되면서 결정화된 실리콘이 핵으로 작용하여 상기의 비정질 실리콘이 다결정 실리콘으로 결정화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘을 결정화하기 위하여 라인 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,대면적의 비정질 실리콘을 결정화 하기 위하여 조사되는 빔에 대해 비정질 실리콘이 주사(scanning)되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 1항에 있어서,비정질 실리콘이 녹았다가 고상화 되면서 연속적으로 결정화 되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기의 비정질 내 혹은 표면에 금속을 포함시켜 상기의 비정질 실리콘이 금속 유도 결정화 되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 6 항에 있어서,결정화를 위한 금속이 니켈 혹은 코발트인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘 표면의 일부에 금속을 증착시켜 상기의 비정질 실리콘을 금속유도 결정화 하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘을 결정화하기 위하여 자외선(UV) 영역의 빛을 조사 대신에 전자빔 혹은 가시광을 포함하는 적외선(IR)빔을 이용하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘이 패터닝(patterning)된 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘을 가열하기 위한 빔(beam)의 폭이 1 um 에서 30 mm인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘을 가열하기 위한 빔(beam)의 조사 전에 비정질 실리콘의 일부에 다결정 실리콘을 형성하는 단계와 상기의 다결정 실리콘으로부터 결정화가 진행되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법
- 제 1항 내지 제 2항의 어느 한 항에 있어서,상기의 비정질 실리콘을 가열하여 결정화하기 위한 자외선(UV) 영역의 빛에 가시광선 혹은 적외선 영역의 빛이 포함된 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020030040966A KR20050000460A (ko) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | 대면적 비정질 실리콘의 결정화 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020030040966A KR20050000460A (ko) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | 대면적 비정질 실리콘의 결정화 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20050000460A true KR20050000460A (ko) | 2005-01-05 |
Family
ID=37216472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020030040966A KR20050000460A (ko) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | 대면적 비정질 실리콘의 결정화 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20050000460A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100622241B1 (ko) * | 2005-02-23 | 2006-09-14 | 삼성에스디아이 주식회사 | 파장 에너지 공급장치가 장착된 진공증착 시스템 및 이를 이용한 박막 결정화 촉진방법 |
| WO2010030068A1 (en) * | 2008-09-09 | 2010-03-18 | Kyunghee University Industrial & Academic Collaboration Foundation | Method for phase transition of amorphous material |
| KR101137734B1 (ko) * | 2005-04-06 | 2012-04-25 | 삼성전자주식회사 | 다결정 실리콘 박막의 제조방법 및 이를 갖는 박막트랜지스터의 제조방법 |
| KR101221125B1 (ko) * | 2006-11-28 | 2013-01-18 | 엘지디스플레이 주식회사 | 박막 트랜지스터의 제조방법 및 박막 트랜지스터 어레이기판의 제조방법 |
-
2003
- 2003-06-24 KR KR1020030040966A patent/KR20050000460A/ko not_active Application Discontinuation
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