KR20070010612A - 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법 - Google Patents

마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법 Download PDF

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Abstract

마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착 방법은, 타겟 전극에 촉매금속으로 제조된 타겟을 고정하는 단계, 마그네트론 스퍼터 장치의 진공 챔버 내에 주 가스와 주 가스 양의 0.1% 내지 10%의 보조 가스로 이루어진 불활성 가스를 인입하는 단계, 타겟 전극에 파워를 인가하는 단계, 불활성 가스를 플라즈마 상태로 방전시킴으로써 타겟 전극으로부터 스퍼터링되는 입자를 타겟 전극에 대향하도록 배치된 기판에 증착시키는 단계를 포함한다.
마그네트론 스퍼터링, 촉매금속, 증착

Description

마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법{Method for deposing catalytic metal using magnetron sputter device}
도 1은 디씨 마그네트론 스퍼터 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착 방법을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착 과정을 보여주는 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
240: 디씨 마그네트론 스퍼터 장치 241: 디씨 파워
242: 타겟 전극 243: 타겟
244: 타겟에서 떨어져 나온 중성 원자 245: 기판
246: 이동식 마그네트론
본 발명은 촉매금속의 증착 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매금속을 이용한 다결정 실리콘(Poly Silicon) 형성을 위해 비정질 실리콘(Amorphous Silicon: a-Si) 상에 촉매금속을 미량으로 증착하는 방법에 관한 것이다.
반도체나 액정표시 장치를 제조하는 과정은 디씨 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 비정질 실리콘(a-Si) 박막 위에 촉매금속을 증착하고 고온 또는 고전압을 인가하여 비정질 실리콘으로부터 결정화된 다결정 실리콘을 형성하는 금속유도결정화(Metal Induced Crystallization : MIC) 또는 전계-금속유도 결정화(Field Effect Metal Induced Crystallization : FE-MIC) 과정을 거치게 된다.
금속유도 결정화(MIC) 방법은 촉매금속을 비정질 실리콘 상부에 증착한 후 도가니(Furnace) 또는 급속열처리(Rapid Thermal Annealing :RTA)를 통하여 비정질 실리콘의 상을 변화시켜 결정화하는 기술이다. 전계-금속유도 결정화(FE-MIC) 방법은 비정질 실리콘 상부에 촉매금속을 증착한 후 촉매금속에 고전압의 직류전압을 인가하여 발생되는 주울열을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 기술이다. 이때 비정질 실리콘 상부에 증착된 금속은 실리콘이 증착되는데 촉매 역할을 하게 된다.
이 두 종류의 결정화 방법을 사용하면 촉매금속의 증착량에 따라 형성되는 결정 크기(Grain Size) 가 달라지고 결정층의 전기적 특성도 달라진다. 일반적으로 촉매금속의 양이 많아질 경우 결정화 단계에서 촉매금속을 중심으로 성장하는 결정크기(Grain Size)가 상호간섭에 의해 작아지거나 촉매금속의 잔류로 인해 누설전류(Leakage)가 커져 소자의 전기적 특성을 헤치는 결과를 초래하게 된다.
　종래의 스퍼터 장치는 일반적으로 분자량이 큰 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 방전 가스로서 사용하였다. 그런데 아르곤(Ar) 또는 제논(Xe) 등의 분자량이 큰 가스(Gas)는 플라즈마의 밀도를 높이는 경향이 있으므로 촉매금속의 증착량을 미세하게 제어하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 한국 특허 공개 번호 제 2003-0058335호에 개시된 바와 같이 분자량이 작은 헬륨(He) 가스를 방전 가스로 사용하는 증착 방법이 있다. 그러나 방전 가스로 하나의 불활성 기체를 단독으로 사용하는 경우 마그네트론 스퍼터 장치의 높은 초기 방전 전압으로 인해 유리기판 전면에 고르지 못한 증착 특성을 보이는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마그네트론 스퍼터 장치의 증착 조건을 달리하여 초기 방전 전압을 낮춤으로써 촉매금속이 미세한 두께로 고르게 증착되도록 하는 촉매금속의 증착 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착 방법은, 타겟 전극에 촉매금속으로 제조된 타겟을 고정하는 단계, 마그네트론 스퍼터 장치의 진공 챔버 내에 주 가스와 주 가스 양의 0.1% 내지 10%의 보조 가스로 이루어진 불활성 가스를 인입하는 단계, 타겟 전극에 파워를 인가하는 단계, 불활성 가스를 플라즈마 상태로 방전시킴으로써 타겟 전극으로부터 스퍼터링되는 입자 를 타겟 전극에 대향하도록 배치된 기판에 증착시키는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증착 방법에 사용되는 마그네트론 스퍼터 장치의 일 실시예인 디씨 마그네트론 스퍼터 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 디씨 마그네트론 스퍼터 장치는 진공챔버(100)의 상부에 타겟 전극으로서 음극(120)을 설치하고 타겟 전극의 배면에 마그네트론(110)을 설치한다. 타겟 전극(120)의 전면에는 증착 물질인 촉매금속으로 제조된 타겟(130)을 고정하고 타겟에 대응하는 하부에는 증착 물질이 증착되는 기판(150)을 고정하는 홀더(160)가 구비된다.
이와 같은 디씨 마그네트론 스퍼터 장치는 타겟(130) 후면에 설치된 마그네트론(110)에 의해 진공 챔버(100) 내부의 전자(144)가 자기장(142)에 의해 구속되고 플래밍의 왼손법칙에 근거하여 전자(144)가 회전운동을 함으로서 플라즈마의 이온화 효율을 증가시켜 단시간에 많은 타겟(130) 물질이 증착 되도록 한다.
마그네트론에 의한 증착 효율을 높이기 위하여 다양한 기하학적 배열을 갖는 마그네트론이 설계되고 있는데 많이 사용되고 있는 형태 중의 하나가 도 1에 도시된 바와 같은 판형 마그네트론이다. 한편, 증착되는 막의 균일도를 높이고 타겟의 고른 사용을 위하여 이동식 마그네트론이나 이동식 타겟을 사용하기도 한다.
이러한 스퍼터링 방식은 다른 방법에 비해 많은 면적을 동시에 증착시킬 수 있으며, 다른 스퍼터링 방식에 비하여 10배 이상의 스퍼터링 효율을 가지며, 기판의 가열 온도를 낮출 수 있다. 그러나 미량의 촉매금속 증착을 요구하는 프로세스에는 적합하지 않다. 더구나 분자량이 큰 아르곤(Ar)이나 제논(Xe)과 같은 불활성 가스를 방전 가스로 사용하면 아르곤 양이온이나 제논 양이온의 충돌에 의해 타겟으로부터 많은 증착 물질이 나오게 되므로 촉매금속을 미세하게 증착시키는데 어려움이 있다.
또한, 분자량이 적은 불활성 가스, 예를 들어 네온(Ne) 또는 헬륨(He) 가스 등을 이용할 경우 증착효율을 저하시켜 증착되는 촉매금속의 양을 미세하게 제어할 수 있으나, 헬륨(He) 가스의 경우 진공 펌프에 의한 압력조절이 어렵고, 헬륨(He) 또는 네온(Ne) 가스를 이용하더라도 방전 개시 전압이 높아 일시적으로 높은 전압이 타겟(130)에 가해짐으로써 부분적으로 증착효율이 높아져서 촉매금속을 균일하 게 증착하기 어렵다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디씨 마그네트론 증착 챔버를 포함하는 증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 증착 장치(200)는 적재부(210), 히팅 챔버(220), 제1 버퍼 챔버(230), 증착 챔버(240), 제 2 버퍼 챔버(250), 냉각 챔버(260) 및 적하부(270)로 구성될 수 있다. 이러한 구성을 가지는 증착 장치(200) 내에서 증착이 이루어지는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 세정된 다수의 기판(미도시)을 적재부(210)에 운송하고, 적재부(210)에 적재된 기판은 히팅챔버(220)로 들어가 소정의 온도로 가열된다. 가열된 기판(미도시)은 제 1 버퍼 챔버(230)를 거쳐 증착 챔버(240)로 운반된다. 증착 챔버(240)에서 증착 공정이 완료된 기판은 제 2 버퍼 챔버(250)를 거쳐 냉각 챔버(260)에서 온도를 낮춘다. 연속하여 기판은 적하부(270)로 운반되어 다음 공정을 위해 대기하는 상태가 된다. 기판을 증착 장치(200)의 적재부(210)에서 적하부(270)까지 연속적으로 움직이도록 하고 기판(150)의 상부에 증착 공정을 진행한다. 상술한 증착 장치(200)에서 실제적으로 증착 공정이 이루어지는 부분은 증착 챔버(240)이며, 증착 챔버(240)의 진공도와 증착 챔버내에 주입하는 불활성 가스의 종류와 기판의 움직이는 속도에 따라 증착량이 달라질 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 증착 챔버(240) 내에서 본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착되는 것을 보여주는 도면이다. 도 3의 경우 이동식 마그네트론(246)을 구비한 스퍼터 장치를 이용한 증착 챔버(240)를 보여주고 있다.
도 2에서 상술한 증착 장치(200)에서 증착 챔버(240) 내부에는 불활성 가스로서 2가지 가스의 혼합 가스를 주입한다. 혼합 가스를 글로우 방전(glow discharge)시켜 플라즈마 상태로 여기시킨 후, 타겟(243)이 고정된 타겟 전극(242)에 높은 전압(241)을 인가한다. 플라즈마 상태로 여기된 혼합 가스는 타겟(243)이 고정된 타겟 전극(242)에 의해 유도되어 고속으로 타겟(243)의 표면에 충돌하게 된다. 이로 인해, 타겟(243)의 표면으로부터 떨어져 나온 중성원자의 집단인 증착가스(244)가 챔버(240) 내로 퍼지기 시작한다. 이때, 일측에서 타측으로 증착 챔버(240)의 내부를 움직이는 기판(245)의 표면에 증착가스가 증착된다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착 방법은 챔버에 유입되는 가스를 혼합함으로서 방전 개시 전압을 낮추어 기판(245)전면에 고른 증착 특성을 얻을 수 있다. 이때 사용되는 혼합 가스의 주 가스로는 헬륨(He), 네온(Ne), 또는 니트로겐(N2) 등이 사용될 수 있으며, 보조 가스로는 아르곤(Ar), 니트로겐(N2), 또는 제논(Xe) 등이 사용될 수 있다. 따라서, 상술한 주 가스와 보조 가스의 가능한 조합으로 이루어진 혼합 가스가 방전 가스로 사용될 수 있다. 즉, 헬륨(He)-아르곤(Ar), 헬륨(He)-니트로겐(N2), 네온(Ne)-아르곤(Ar), 니트로겐(N2)-아르곤(Ar), 헬륨(He)-제논(Xe) 등의 조합이 가능하다.
헬륨(He)-아르곤(Ar), 헬륨(He)-니트로겐(N2), 네온(Ne)-아르곤(Ar)을 혼합하는 경우 보조 가스로서의 아르곤(Ar) 및 니트로겐(N2)가스의 비율은 주 가스인 헬륨(He) 및 네온(Ne)의 0.1% ~ 10% 이내로 하고, 헬륨(He)-제논(Xe)을 혼합하는 경 우에는 보조 가스로서의 제논(Xe)의 비율을 헬륨(He)의 0.1% ~ 10% 이내로 한다. 이러한 혼합 비율은 바람직하게는 보조 가스의 양이 주 가스 양의 0.1% ~ 1%가 되도록 한다. 본 실시예에 따른 촉매금속의 증착 방법에 사용되는 주 가스의 유량은 100sccm ~ 500sccm의 범위를 가질 수 있다. 그러나 주 가스의 유량은 기판의 크기에 따라 증착 챔버의 크기가 변동되면 증착 챔버의 크기에 따라 증가 또는 감소될 수 있다.
　방전 개시 전압의 강하 특성은 네온(Ne)-아르곤(Ar) 혼합의 경우 가장 크게 나타나고 이 현상을 패닝효과라고 한다.
네온(Ne)-아르곤(Ar) 혼합 기체의 경우 방전 개시 전압이 낮아지는 이유는 다음과 같다. 아르곤(Ar)이 이온화하는 과정은 주로 두 가지 과정으로 이루어진다. 첫 번째 이온화 과정은 수학식 1과 같다.
Ar＋e－→Ar＋＋2e－
수학식 1의 반응에 의해 아르곤(Ar)이 전자와 충돌하여서 이온화한다. 다음에는 수학식 2에 의해서 우선 네온(Ne)이 준 안정 상태 Ne*으로 들뜬 상태가 된다.
Ne＋e－→Ne*(16.6 eV)＋e－
이어서 수학식 3과 같이 준 안정 상태의 네온(Ne)에 의해 아르곤(Ar)이 이온화된다.
Ne*(16.6 eV)＋Ar → Ne＋Ar＋(15.8 eV)＋e－
준 안정 상태인 네온(Ne)의 들뜬 상태 전압은 16.6 eV로 아르곤(Ar)의 이온화 전압 15.8 eV보다 조금 높다. 이 차이가 작기 때문에 수학식 3에 의한 마지막 반응이 일어나기 쉽다. 다른 혼합 가스도 이와 유사한 방법으로 방전 개시 전압이 낮아진다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매금속의 증착 과정을 보여주는 흐름도이다.
타겟 전극에 촉매금속으로 제조된 타겟을 고정하고(S410), 마그네트론 스퍼터 장치의 진공 챔버(240) 내에 주 가스와 보조 가스가 혼합된 불활성 가스를 인입한다(S420). 타겟으로 사용되는 촉매금속으로는 니켈(Ni), 철(Fe), 또는 코발트(Co) 등을 사용할 수 있다. 방전 가스로 주입되는 혼합 가스의 종류 및 혼합 비율은 도 3에서 상술한 바와 같다.
타겟 전극에 파워를 인가하면(S430), 진공 챔버(240) 내의 불활성 가스가 플라즈마 상태로 여기되어 타겟이 고정된 타겟 전극에 의해 유도되고 고속으로 타겟(243)의 표면에 충돌하게 된다(S440). 이로 인해, 타겟(243)의 표면으로부터 떨어져나온 중성원자의 집단인 증착 가스가 증착 챔버(240)의 내부를 일측에서 타측으로 움직이는 기판(245)의 표면에 증착 가스가 증착된다(S450).
이상에서는 디씨 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법을 위주로 설명하였으나 디씨 마그네트론 스퍼터 장치가 아닌 디씨 스퍼터 장치 또는 RF 스퍼터 장치를 이용하는 촉매금속의 증착 방법에도 상술한 혼합 방전 가스에 의한 증착 조건이 적용될 수 있음은 당업자에게 있어 자명하다. 또한 고정식 디씨 마그네트론 스퍼터 장치뿐만 아니라 이동식 디씨 마그네트론 스퍼터 장치 또는 타겟 이동식 마그네트론 스퍼터 장치의 경우에도 본 발명이 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 촉매금속의 증착 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 전술한 바와 같은 증착 조건이 구비된 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 촉매금속을 증착하게 되면 방전 개시 전압을 낮추게 됨으로써 비정질 실리콘 층이 형성된 기판의 전 면적에 대해 Å 이하의 미량의 촉매금속을 균일하게 증착할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 결정화 공정이 진행된 후 결정층의 표면에 반응하지 않은 촉매금속이 존재하지 않기 때문에 소자의 동작특성을 개선할 수 있다는 장점도 있다.

Claims (16)

  1. 타겟 전극과 그 배면에 위치한 마그네트론을 구비하는 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법에 있어서,
    상기 타겟 전극에 상기 촉매금속으로 제조된 타겟을 고정하는 단계;
    상기 마그네트론 스퍼터 장치의 진공 챔버 내에 제 1 가스와 제 1 가스 양의 0.1% 내지 10%의 제 2 가스로 이루어진 불활성 가스를 인입하는 단계;
    상기 타겟 전극에 파워를 인가하는 단계; 및
    상기 불활성 가스를 플라즈마 상태로 방전시킴으로써 상기 타겟 전극으로부터 스퍼터링되는 입자를 상기 타겟 전극에 대향하도록 배치된 기판에 증착시키는 단계를 포함하는 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스는
    헬륨(He), 네온(Ne), 또는 니트로겐(N2) 중 어느 하나인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 가스는
    아르곤(Ar), 니트로겐(N2), 또는 제논(Xe) 중 어느 하나인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스는 헬륨(He)이고 상기 제 2 가스는 아르곤(Ar)인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스는 헬륨(He)이고 상기 제 2 가스는 니트로겐(N2)인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스는 네온(Ne)이고 상기 제 2 가스는 아르곤(Ar)인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스는 니트로겐(N2)이고 상기 제 2 가스는 아르곤(Ar)인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스는 헬륨(He)이고 상기 제 2 가스는 제논(Xe)인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 불활성 가스를 인입하는 단계에서
    상기 제 2 가스의 양은 상기 제 1 가스의 양의 0.1% 내지 1%인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 가스의 유량은
    100sccm 이상 500sccm 이하인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 마그네트론은
    상기 타겟 전극의 배면에 평행하게 이동하는 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟은
    상기 기판과 일정한 간격을 유지하면서 상기 기판에 평행하게 이동하는 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟 전극에 인가되는 파워는
    DC 파워인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟 전극에 인가되는 파워는
    RF 파워인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매금속은
    니켈(Ni)인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매금속은
    니켈(Ni), 철(Fe), 또는 코발트(Co) 중 어느 하나인 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 촉매금속의 증착 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101348010B1 (ko) * 2012-03-20 2014-01-08 한국산업기술대학교산학협력단 기판 배선전극 형성방법 및 이에 의해 제조된 기판

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