KR20090008056A - 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 또는 다결정 실리콘형성 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치 - Google Patents

마이크로 히터를 이용한 나노 구조 또는 다결정 실리콘형성 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 소모가 현저히 저감되고 대면적화가 가능한 마이크로 히터 유닛 또는 어레이를 이용하여, 탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어 또는 산화아연 나노 와이어의 나노 구조를 성장시키거나, 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환하는 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정 실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 별도의 고온 공정 장치 없이도 국부적으로 탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어, 산화아연 나노 와이어 등의 나노구조 또는 다결정 실리콘을 특히 적은 전력 소모 및 대면적으로 형성할 수 있다.
마이크로히터, 유닛, 어레이, 전력절감, 나노구조, 다결정실리콘

Description

마이크로 히터를 이용한 나노 구조 또는 다결정 실리콘 형성 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정 실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치{Method for forming nanostructure or poly silicone using microheater, nanostructure or poly silicone formed by the method and electronic device using the same}
본 발명은 전력 소모가 획기적으로 절감되고 대면적화가 가능한 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 또는 다결정 실리콘 형성 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정 실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치에 관한 것이다.
종래에 나노 구조나 다결정 실리콘을 형성하는 기술로서 엑시머 레이저 어닐링(ELA) 법이나, 급속 열 어닐링(RTA) 법, 금속 유도 측면 결정화(MILC) 법이 알려져 있다.
그런데, 상기 엑시머 레이저 어닐링 법은 제품 대형화 시 결정화의 균일도가 저조하고, 제조 비용이 높다는 문제가 있다. 또한, 급속 열 어닐링 법은 유리 기판의 수축 및 팽창의 문제점이 있고, 금속 유도 측면 결정화법은 금속 오염 잔유물의 문제점이 있다.
한편, 마이크로 히터는 전력 인가에 의하여 기판상에서 국부적으로 고온 발 열하는 것으로서, 탄소나노튜브 트랜지스터, 저온 다결정 실리콘이나 박막 트랜지스터, 백라잇유닛용 티이 필드 방출 소스 등과 같이 고온 제조 공정 또는 고온 작동 공정이 요구되는 각종 전자 장치에 응용될 수 있는 가능성이 있다.
그러나, 종래의 마이크로 히터는 그 구동에 소모되는 전력 자체가 크고, 또한, 어레이화에 적합한 구조가 아닐 뿐만 아니라 복수 개가 집적되는 경우에는 더욱 큰 전력 소모를 가져올 수밖에 없어서, 위와 같은 고온 제조 공정 또는 각종 전자 장치에 응용하는 것이 실질적으로 불가능하였다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 별도의 고온 공정 장치 없이도 국부적으로 탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어, 산화아연 나노 와이어 등의 나노구조 또는 다결정 실리콘을 특히 적은 전력 소모 및 대면적으로 형성할 수 있는 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정 실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 기판; 상기 기판상에서 상기 기판과 이격하여 존재하고, 2개 이상이 직렬 반복 연결 가능한 가열 요소 유닛; 및 상기 기판과 상기 가열 요소 유닛 사이에 존재하고, 상기 가열 요소 유닛의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하는 하나의 지지체;로 이루어진 마이크로 히터 유닛에 전력 인가 시 발생하는 상기 가열 요소 유닛으로부터의 발열을 이용하여, 탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어 또는 산화아연 나노 와이어의 나노 구조를 성장시키거나, 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 또는 다결정 실리콘의 형성 방법에 의하여 달성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛 간의 열전달을 감소하기 위하여, 상기 지지체가 상기 가열 요소 유닛에 대한 지지를 유지하는 한도에서, 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛이 접하는 접촉 영역의 면적을 감소시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 가열 요소 유닛은 제 1 영역 및 상기 제 1 영역의 폭 보다 큰 폭의 제 2 영역을 가지되 상기 제 1 영역의 사이에 상기 제 2 영역이 개재되도록 하며, 상기 지지체는 상기 가열 요소 유닛의 제 2 영역의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하고 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛의 제 2 영역이 접하는 부분인 접촉 영역의 면적이 상기 제 2 영역의 면적 이하가 되도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 접촉 영역의 폭이 0.1~100㎛이고, 바람직하게는 2~3㎛가 되도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 제 2 영역의 폭은 0.1~100㎛가 되도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 제 1 영역의 폭은 0.1~30㎛가 되도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 기판으로 유리 기판을 사용한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 가열 요소 유닛 2개는 2개의 제 2 영역 사이에서 제 1 영역이 브릿지를 이루도록 직렬 연결하고, 상기 브릿지를 이루는 제 1 영역의 총 길이는 5~150㎛가 되도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 가열 요소 유닛 2개의 각 지지체들 사이에 위치한 기판을 일부 식각 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 마이크로 히터 유닛의 가 열 요소가 2개 이상 직렬 연결됨으로써 상기 마이크로 히터 유닛이 2개 이상 직렬 연결된 마이크로 히터 어레이를 이용한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 탄소나노튜브 또는 산화아연 나노 와이어는 상기 가열 요소 유닛의 일부분 상에 존재하는 촉매층으로부터 성장시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 기판의 일부분 상에 열 흡수층을 형성하고, 상기 열흡수층 상에 촉매층을 형성하며, 상기 촉매층으로부터 상기 탄소나노튜브 또는 산화아연 나노 와이어를 성장시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 형성 방법에서, 상기 질화갈륨 나노 와이어를 상기 가열 요소 유닛의 일부분 상에서 형성하거나, 또는 상기 기판의 일부분 상에 존재하는 열 흡수층 상에서 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법에서, 상기 기판상에 비정질 실리콘을 형성하고, 상기 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환시킨다.
본 발명의 목적은, 상기 나노 구조 또는 다결정 실리콘을 포함하는 전자 장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전자 장치는, 상기 나노 구조 또는 다결정 실리콘 형성에 이용된 마이크로 히터 유닛 또는 어레이를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전자 장치는, 상기 다결정 실리콘 및 마이크로 히터 어레이를 포함하는 트랜지스터로서, 상기 마이크로 히터 어레이의 직렬 연결된 가열 요소 유닛들과 직교하도록 드레인 및 소스 전극 층이 기판상에 존재하 며, 상기 가열 요소 유닛의 하방 측의 상기 드레인 및 소스 전극 층 상에는 다결정 실리콘이 존재한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 트랜지스터는 그 상부에 절연막이 증착된 박막 트랜지스터이다.
본 발명에 따르면, 별도의 고온 공정 장치 없이도 국부적으로 탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어, 산화아연 나노 와이어 등의 나노구조 또는 다결정 실리콘을 특히 적은 전력 소모 및 대면적으로 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 또는 다결정 실리콘 형성 방법, 이에 따라 형성된 나노 구조 또는 다결정 실리콘 및 이들을 이용하는 전자 장치에 대하여 상술한다.
본 발명에 있어서, "나노 구조"란 질화갈륨 나노 와이어(GaN nano-wire) 또는 산화아연 나노 와이어(ZnO nano-wire) 등의 나노 와이어 또는 탄소나노튜브(CNT)를 의미한다.
본 발명에 있어서, "마이크로 히터"란 특별히 마이크로 히터 유닛 또는 마이크로 히터 어레이와 같이 명시하지 않는 한, 마이크로 히터 유닛 또는 마이크로 히터 어레이를 통칭하는 것으로 사용된다.
본 발명에서는 나노 구조나 다결정 실리콘 형성을 위하여 국부적으로 고온으로 발열할 수 있는 마이크로 히터를 이용하되, 특히, 상기 마이크로 히터로서 전력 소모가 감소된 마이크로 히터를 사용한다.
전력 소모가 감소된 마이크로 히터 구성을 위하여, 2개 이상이 직렬로 연결될 수 있는 개별 마이크로 히터의 유닛(단위) 구조를 기본으로 하고, 이를 2개 이상 직렬 연결하여 어레이화 한다.
상기 개별 마이크로 히터의 유닛 구조는 2개 이상이 직렬 반복 연결 가능한 가열 요소 유닛 및 상기 가열 요소 유닛을 지지하는 하나의 지지체로 구성된다.
상기 개별 마이크로 히터 유닛은 적어도 2개 이상이 직렬 연결되어 어레이화되는데, 이와 같이 적어도 2개 이상이 일단 직렬 연결된다면 그 직렬 연결된 어레이는 다시 병렬 연결되어도 무방하다. 그러나, 2개의 개별 마이크로 히터 유닛이 바로 병렬 연결되어 어레이를 형성하는 경우 히터 어레이 부위 별로 전류값이 불균일하게 되고 전력 분할에 따라 전력 소비량도 높아져 어레이화하기 어렵다.
나아가, 본 발명에서는 상기 개별 마이크로 히터 유닛에서 가열 요소 유닛과 지지체 간 열전달이 일어나는 영역의 면적을 감소, 바람직하게는 지지를 유지하는 한도에서 최소화시키면 개별 마이크로 히터 구동에 소모되는 전력을 절감할 수 있으며, 이와 같이 전력 소모가 절감되는 유닛들이 특히 직렬로 어레이 화 되면 전체 마이크로 히터 어레이에 소모되는 전력을 현저히 줄일 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 유닛의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 마이크로 히터 유닛의 평면도이다.
도 1a를 참조하면, 마이크로 히터 유닛(100)은 기판(10)으로부터 이격한 상태로 가열 요소 유닛(20)이 존재한다.
가열 요소 유닛(20)은 2개 이상이 직렬로 반복하여 연결될 수 있는 형상을 구비한다. 즉, 도 1a를 다시 참조하면, 가열 요소 유닛(20)은 제 1 영역(21)이 상기 제 1 영역(21)과 구분되는 제 2 영역(25)을 사이에 두는 대칭 형상을 가진다. 여기서, 상기 제 1 영역(21)은 다른 가열 요소 유닛(20)의 제 1 영역(21)과 연결되는 브릿지 부분이며, 상기 제 2 영역(25)은 지지체(30)에 의하여 지지 되는 영역이다. 참고로, 후술하는 도 2에는 마이크로 히터 유닛(100)이 2개 이상 직렬로 반복 연결되어 있는 것이 나와 있다.
이와 같이 마이크로 히터 유닛(100)은 지지체(30)에 의하여 가열 요소 유닛(20) 중 일부에서 지지 되고, 나머지 부분은 직렬 반복 연결 가능한 형상을 구비한다. 이에 따라 마이크로 히터 유닛(100)은 2개 이상이 직렬 반복 연결 가능하게 된다.
가열 요소 유닛(20)은 몰리브덴이나 텅스텐, 탄화실리콘 등으로 이루어지며, 전력 인가에 의하여 통상 가시광선이나 적외선 형태인 복사열을 방출한다.
앞서 설명한 바와 같이, 지지체(30)는 가열 요소 유닛(20)의 제 2 영역(25)의 하부에서 상기 가열 요소 유닛(20)을 지지하는데, 이때 상기 지지체(30)와 상기 지지체(30)에 의하여 지지 되는 제 2 영역(25)이 서로 접촉하는 부분인 접촉 영역(35)의 면적은 가능한 감소 되도록 조절된다.
접촉 영역(35) 면적이 작을수록 지지체(30)와 가열 요소 유닛(20) 간에 일어나는 열전달이 감소 되고, 이에 따라 마이크로 히터 유닛(100) 구동에 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.
이러한 관점에서 접촉 영역(35) 면적은 0이 되는 것이 가장 이상적이다. 그러나 접촉 영역(35) 면적이 지나치게 작은 경우에 지지체(30)에 의한 지지 자체가 어려워져 구조적 안정성을 확보할 수 없다. 따라서, 접촉 영역(35) 면적은 지지체(30)가 가열 요소 유닛(20)의 지지를 유지할 수 있는 최소한의 면적 이상이 되도록 하여야 한다.
도 1b를 참조하면, 제 1 영역의 폭(W1)과 제 2 영역의 폭(W2) 및 접촉 영역의 폭(W3)이 각각 나타나 있다. 참고로, 도 1 a 및 1b에서는 제 2 영역(25)과 접촉 영역(35)이 원형으로 도시되어 있지만, 식각에 따라서는 상기 제 2 영역(25)이나 접촉 영역(35)의 형상이 원형이 아닌 사각형 내지 기타 다른 형상이 될 수 있다. 상기 각 형상에서 폭은 그 형상의 세로 방향 길이이며, 원형인 경우 직경이 곧 폭이 된다.
각 영역의 폭을 구체적으로 설명하면, 제 2 영역의 폭(W2)은 제 1 영역의 폭(W1) 보다 큰 것이 바람직하다.
그 이유는 지지체(30)의 식각과 특히 접촉 영역(35)의 식각을 용이하게 하기 위하여는, 제 2 영역의 폭(W2)을 제 1 영역의 폭(W1) 보다 크도록 할 필요가 있기 때문이다. 또한, 상기 제 1 영역의 폭(W1)은 상기 제 2 영역의 폭(W2)보다 작아야 상기 제 1 영역의 발광 및 발열이 상기 제 2 영역보다 더욱 커질 수 있기 때문이다. 이러한 기술 구성은 발광 및 발열 위치의 조절을 가능하게 한다.
이와 같이 본 발명에서는 제 1 영역과 제 2 영역을 구분하고, 제 1 영역에서는 발광 및 발열을 크게 하고 지지체에 의하여 지지 되는 제 2 영역에서는 발광 및 발열을 작게 하되, 발광 및 발열이 작은 제 2 영역에서의 열전달 면적을 또한 최소화함으로써, 불필요한 전력 낭비를 줄이고 인가된 전력이 제 1 영역의 고온 히팅에 효율적으로 사용되도록 할 수 있다.
한편, 접촉 영역의 폭(W3)은 제 2 영역의 폭(W2) 보다 적다. 접촉 영역의 면적은 앞서 설명한 바와 같이 지지를 유지하는 최소 면적 이상인 범위 내에서는 감소 되는 것이 바람직하므로, 접촉 영역의 면적은 제 2 영역의 면적보다 작고, 이에 대응하여 접촉 영역의 폭(W3)도 제 2 영역의 폭(W2) 보다 적다.
참고로, 제 2 영역의 폭(W2)이 제 1 영역의 폭(W1)과 같은 것을 생각할 수 있는데, 이 경우에는, 발광 및 발열이 나는 부위 차이가 없으므로 열전달 면적이 극히 감소 되어야 하면서도 지지를 유지하여야 한다. 이를 위하여, 적은 접촉 영역 면적을 가지는 지지체를 가열 요소 유닛의 폭 방향 중간 지점에서 길이 방향을 따라 거의 직선을 이루도록 형성하여야 한다.
이상에서, 상기 접촉 영역의 폭(W3)은 특히 0.1~100㎛인 것이 바람직하다. 상기 접촉 영역의 폭(W3)이 100㎛를 초과하는 경우 열전달 면적이 커지게 되어 전력 절감 효과가 떨어진다. 상기 접촉 영역의 폭(W3)이 0.1㎛ 미만인 경우 지지 자체가 어려울 수 있다. 상기 전력 소모와 지지체 유지를 위한 더욱 바람직한 접촉 영역의 폭(W3)은 2~3㎛이다.
한편, 상기 제 2 영역의 폭(W2)은 0.1~100㎛이고, 상기 제 1 영역의 폭(W1)은 0.1~30㎛으로 한다.
본 발명에서는 상기 기판의 재질로서 실리콘 웨이퍼가 아닌 특히 유리를 사 용하는 것이 매우 바람직하다.
즉, 실리콘 웨이퍼는 히팅 시 복사열(가시광선이나 IR)을 그대로 흡수하여 깨져버리므로 고온 히팅이 어렵지만 유리와 같이 복사열을 투과하는 경우에는 고온 히팅이 가능하다.
이와 같이 고온 히팅 수행이 가능한 유리 기판은 본 발명의 마이크로 히터 유닛 내지 그 어레이에 특히 적합하다. 본 발명의 히터에서는 유리 기판의 온도가 예컨대 50℃ 이하로 유지되면서 국부 위치에서 600~2000℃의 온도의 히팅이 수행될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 유닛(100) 2개가 직렬로 연결된 마이크로 히터 어레이(200)의 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터(100) 유닛 3개가 직렬로 연결된 마이크로 히터 어레이(300)의 사시도이다.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 히터 유닛(100) 2개는 2개의 가열 요소 유닛(20)의 제 2 영역(25)들 사이에서 제 1 영역(21)이 브릿지를 이루도록 서로 연결되어 있다. 도 2a를 참조하면, 상기 브릿지를 이루는 제 1 영역의 총 길이는 L로 표현되고 그 길이는 5~150㎛로 한다. 이러한 직렬 마이크로 히터 어레이(200, 300)에는 DC 전류가 인가된다.
본 발명에서는 적어도 2개 이상의 마이크로 히터 유닛이 직렬로 연결됨으로써 전력 소모를 크게 줄일 수 있으며, 나아가, 유닛이 적어도 2개 이상 직렬 연결된 어레이가 상호 병렬로 연결되는 어레이 구조도 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 실제 SEM 사진이다. 도 3의 마이크로 히터 어레이는 1500℃ 이상의 온도로 가열된 것이며 이러한 고온 공정을 거쳤음에도 불구하고 안정적인 형상을 나타내고 있다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 제조 방법을 측면(4a, 4c, 4d) 및 평면(4b)을 중심으로 설명하는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 기판(10)상에서 가열 요소 층(20)이 이후 지지체(30)로 식각될 희생층을 사이에 두고 형성된다.
상기 가열 요소 층(20)으로서 Mo, W, SiC 등을 증착하고, 상기 희생층으로서 열전달율이 작은 SiOx 등을 증착한다.
도 4b를 참조하면, 상기 가열 요소 층(20)은 2개 이상의 직렬 연결이 가능한 형상을 가지는 각 가열 요소 유닛 예컨대, 제 2 영역(25)이 사이에 개재된 제 1 영역(21)을 가지는 가열 요소 유닛이 2개 이상 직렬 연결된 어레이로 배열되도록 패터닝된다. 상기 패터닝은 건식이나 습식 등 통상의 방법으로 식각하는 것에 의하여 수행한다.
도 4c를 참조하면, 상기 희생층을 습식(등방성) 식각하며, 이에 따라 희생층은 지지체(30) 형상을 갖추게 된다. 여기서, 바람직하게는 상기 식각 시간을 조절하여 지지체(30)와 가열 요소 유닛(20)의 접촉 영역의 면적이 감소 되도록 식각을 수행한다.
도 4d를 참조하면, 지지체(30) 사이의 기판(10)은 필요에 따라 지지체 사이 영역(15)에서 더 식각될 수 있다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 CCD 카메라 사진 및 인프라스코프 사진으로서, 이 사진들로부터 국부 영역에서 고온 히팅이 수행된 것을 알 수 있다. 참고로, 도 5의 어레이에 있어서 브릿지를 이루는 제 1 영역의 길이(L)는 5㎛, 제 1 영역의 폭(W1)은 50㎛, 원형인 제 2 영역의 폭(W2)은 100㎛, 원형인 접촉 영역의 폭(W3)은 100㎛이다.
도 6은 본 발명의 마이크로 히터 어레이 중 개별 유닛에 있어서의 지지체 접촉 영역의 폭(W3)에 따른 각각의 발광 지점을 나타내는 I-V 그래프이다.
도 6을 참조하면, 지지체의 접촉 영역의 폭(W3)에 따라서 발광 지점이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 각 발광 지점에서 히터 전류×히터당 전압을 통하여 얻어지는 전력 소모를 대비하면, 접촉 영역의 폭(W3)이 작은 경우(5㎛)의 전력 소모가 큰 경우(20㎛)의 전력 소모보다 더 작음을 확연히 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 CCD 카메라 사진이다. 참고로, 도 7의 어레이에 있어서 브릿지를 이루는 제 1 영역의 길이(L)는 30㎛, 제 1 영역의 폭(W1)은 10㎛, 원형인 제 2 영역의 폭(W2)은 30㎛, 원형인 접촉 영역의 폭(W3)은 3㎛이다.
도 7을 참조하면, 총 751개의 히터 유닛(750개의 브릿지)이 배열되어 있으며, 각 줄은 모두 직렬로 배열되어 있다. 전체 사이즈는 4.5×1.3mm이며, 소모 전력은 0.07W(7mA ×10V)에 불과하여 전력 소모가 획기적으로 절감된 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 마이크로 히터 유닛 또는 이를 포함하는 마이크로 히터 어레이는 전력 소모가 매우 적다. 본 발명에서는 전력 소모가 극히 적어 대면적화가 가능한 상기 마이크로 히터 유닛 내지 어레이에서의 가열 요소의 국부적 발열을 이용하여, 나노 구조를 형성하거나 다결정 실리콘을 형성한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 가열 요소 상에 나노 구조를 형성하는 과정을 XX' 단면(도 2 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
먼저, 기판(10)상에 이후 지지체(30)가 될 희생 층을 형성하고, 상기 희생 층 상에 가열 요소 층(20)을 형성하며, 2개 이상이 직렬 반복 연결 가능한 가열 요소 유닛이 형성되도록 상기 가열 요소 층을 패터닝하는 것은 도 2에서 설명한 바와 같다.
여기서는 상기 패터닝된 가열 요소 층(20) 상에 원하는 위치에서 탄소나노튜브나 산화아연 나노 와이어 성장을 위한 촉매층(40)을 더 형성한다(도 8a 참조). 한편, 질화갈륨 나노 와이어 성장을 위하여는 특별히 촉매층(40)을 별도로 형성할 필요가 없다.
이어서, 도 2에서도 설명한 바와 같이, 상기 기판상에 상기 가열 요소 유닛이 이격하여 형성되고, 상기 가열 요소 유닛의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하는 하나의 지지체가 형성되도록 희생층을 식각한다. 여기서, 바람직하게는 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛 간의 열전달을 감소하기 위하여, 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛이 접하는 접촉 영역의 면적을 감소시키되, 상기 접촉 영역의 면적이 상기 지지체가 상기 가열 요소 유닛에 대한 지지를 유지하는 한도 즉, 상기 지지체가 상기 가열 요소 유닛에 대한 지지를 유지하는 최소 면적 이상이 되도록 하여 마이크로 히터 유닛을 제조한다(도 8b 참조).
다음으로, 상기 마이크로 히터 유닛을 챔버에 넣은 후 전력을 인가한다. 챔버는 상온 분위기를 유지한다. 탄소나노튜브 성장을 위하여는 아세틸렌(C2H2)과 아르곤(Ar)을 투입하고, 질화갈륨 나노 와이어 성장을 위하여는 염화갈륨과 암모니아(NH3)를 투입한다. 산화아연 나노 와이어 성장을 위하여는 아연과 산소 소스를 투입한다.
상기 전력을 인가받은 가열 요소는 고온 발열하여 통상 가시 광선이나 적외선 형태인 복사열을 방출한다. 약 500℃ 이상의 온도가 되면 탄소나노튜브, 산화아연 나노 와이어, 질화갈륨 나노 와이어 등이 성장하여 나노 구조가 형성된다(도 8c 참조).
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 가열 요소 아래에 나노 구조가 형성되는 과정을 XX' 단면(도 2 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
먼저 기판(10) 상에 열흡수층(60)을 형성하고, 상기 열흡수층(60) 상에 촉매(40)를 형성한다(도 9a 참조). 도 8a에서도 설명한 바와 같이, 탄소나노튜브나 산화아연 나노 와이어 성장을 위하여 촉매층(40)을 형성하지만, 질화갈륨 나노 와이어 성장을 위하여는 특별히 촉매층(40)을 별도로 형성할 필요가 없다.
상기 기판(10)의 나머지 부위, 상기 열흡수층(60), 상기 촉매(40)를 커버하도록 이후 지지체(30)가 될 희생층을 증착하고, 이어서 가열 요소(20)를 증착한다 (도 9b 참조).
다음으로, 가열 요소(20)를 패터닝하고 상기 희생층을 식각한다(도 9c 참조). 이 부분의 과정은 도 8b에서 설명한 바와 같다.
다음으로, 마이크로 히터 어레이를 챔버에 넣고 전력을 인가하고 가열 요소를 고온 발열시켜 나노 구조를 형성한다(도 9d 참조). 이 부분의 과정도 도 8c에서 설명한 바와 같다.
도 9e는 기판(10)을 제외한 나머지 마이크로 히터 어레이의 구성 즉 가열 요소(10)와 지지체(30)를 제거한 것을 나타낸다. 이에 따라 원하는 위치에 나노 구조가 형성되게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이에서 다결정 실리콘을 형성하는 과정을 XX' 단면(도 2 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
먼저 기판(10) 상에 비정질 실리콘 층(70)을 형성하고(도 10a 참조), 이어 이후 지지체(30)가 될 희생층을 형성하고, 가열 요소 층(20)을 형성한다(도 10b 참조). 상기 가열 요소 층(20)과 비정질 실리콘 층(70)의 거리는 약 1㎛ 정도이다.
이어서, 가열 요소(20)를 패터닝하고 상기 희생층을 식각한다(도 10c 참조). 이 부분의 과정은 도 8b에서 설명한 바와 같다.
다음으로, 마이크로 히터 어레이를 챔버에 넣고 전력을 인가하고 가열 요소를 고온 발열시킨다(도 10d 참조). 이 부분의 과정은 도 8c에서 설명한 바와 같다.
상기 가열 요소로부터 고온 발열에 의하여 비정질 실리콘(70)은 다결정 실리콘(75)으로 변하게 된다. 도 10e는 기판(10)을 제외한 나머지 마이크로 히터 어레 이의 구성 즉 가열 요소 (10)와 지지체(3)를 제거한 것을 나타낸다. 이후, 이를 이용하여 통상의 방법으로 박막 트랜지스터(TFT)나 태양 전지(solar cell) 등을 제조할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 형성한 것을 나타내는 개략도이다.
도 11을 참조하면, 기판상에서 가열 요소 층(20)과 직교하도록 드레인 및 소스 전극(80) 층이 형성되어 있다. 상기 드레인 및 소스 전극 층(80) 중 가열 요소 층(20)의 중심 하방에는 비정질 실리콘 층(90)이 형성되어 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 과정을 YY' 단면(도 11 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
먼저 기판(10) 상에 드레인 및 소스 전극 층(80)을 형성하고 패턴한 후, 비정질 실리콘 층(90)을 증착 및 패턴한다(도 12a 참조). 참고로, n-type의 경우, n+ 증착후, n-type을 증착한다.
다음으로, 이후 지지체(30)가 될 희생층을 형성하고, 가열 요소(20)를 형성한다(도 12b 참조).
다음으로, 가열 요소(20)를 패터닝하며, 상기 희생층을 식각한 후(도 12c 참조), 마이크로 히터 어레이를 챔버에 넣고 전력을 인가하고 가열 요소를 고온 발열시킨다(도 12d 참조).
상기 가열 요소로부터 고온 발열에 의하여 비정질 실리콘(90)이 다결정 실리 콘(95)으로 변하게 된다(도 12e 참조).
히터를 꺼주게 되면 에어 갭 저온 다결정 실리콘 트랜지스터(air gap LTPS transistor)가 형성된다. 또한, 이에 절연막을 증착하게 되면 통상의 박막 트랜지스터(TFT)의 형성도 가능하다.
도 13a 내지 13d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용하여 형성된 탄소나노튜브를 나타내는 SEM 사진들이다. 참고로, 도 13은 마이크로 히터 어레이가 동작하는 상태에서 C2H2/Ar 200/200sccm, 8 torr 압력에서 탄소나노튜브를 10분간 성장시킨 것이다.
도 13a을 참조하면, 어레이에서 모두 탄소나노튜브가 성장되어 있음을 확인할 수 있다. 도 13b 내지 13d의 확대 사진은 탄소나노튜브가 아주 잘 성장하였음을 나타낸다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용한 다결정 실리콘 변환을 나타내는 SEM 사진들(도 14a 및 14b) 및 광학현미경 사진(도 14c)이다. 참고로, 도 14a에서 가열 요소와 비정질 실리콘 간의 거리는 대략 1㎛이다.
도 14a의 마이크로 히터 어레이를 동작시켜 온도가 상승함에 따라, 도 14b에 나타난 바와 같이 가열 요소로부터 발광 현상이 나타난다. 도 14c는 발광 상태에서 약 1시간 정도 동작시킨 후의 광학현미경 사진을 나타낸 것으로서, 히터 주변이 미세하게 바뀌어 있음을 보여주는데 이는 다결정 실리콘이 형성되었음을 나타내는 것 이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 전력 소모가 획기적으로 저감되고, 이에 따라 대면적화에 매우 유리한 마이크로 히터 유닛 내지 어레이를 이용하므로, 적은 전력 소모로 대면적의 나노 구조 또는 다결정 실리콘을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 나노 구조 또는 다결정 실리콘 형성 시 기판온도가 상온 근처가 되도록 할 수 있으므로, 나노 구조 또는 다결정 실리콘을 유리기판, 플라스틱 기판 등에 구현가능하다. 특히 본 발명에 의하면 질화 갈륨 LED 등을 글라스 상에서 구현할 가능성이 있게 된다. 이와 같이 본 발명은 시스템 온 글라스(SOG), 시스템 온 플라스틱(SOP)의 기반기술이 될 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 유닛의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 마이크로 히터 유닛의 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 유닛 2개가 직렬로 연결된 어레이의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 유닛 3개가 직렬로 연결된 어레이의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 실제 SEM 사진이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 제조 방법을 측면(4a, 4c, 4d) 및 평면(4b)을 중심으로 설명하는 도면이다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 CCD 카메라 사진 및 인프라스코프 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이 중 개별 유닛에 있어서의 지지체 접촉 영역의 폭(W3)에 따른 각각의 발광 지점을 나타내는 I-V 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 CCD 사진이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 가열 요소 상에 나노 구조 형성 과정을 XX' 단면(도 2 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
도 9a 내지 9e는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이의 가열 요소 아래에 나노 구조 형성 과정을 XX' 단면(도 2 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
도 10a 내지 10e는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이에서 다결정 실리콘을 형성하는 과정을 XX' 단면(도 2 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 나타내는 개략도이다.
도 12a 내지 12e는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 제조 과정을 YY' 단면(도 11 참조)을 중심으로 표현한 모식도이다.
도 13a 내지 13d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용하여 형성된 탄소나노튜브를 나타내는 SEM 사진들이다.
도 14a 내지 14c는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이를 이용한 다결정 실리콘 변환을 나타내는 SEM 사진들 및 광학현미경 사진이다.
*주요 도면 부호의 설명*
10 : 기판 15 : 지지체 사이 영역
20 : 가열 요소 유닛 21 : 제 1 영역
25 : 제 2 영역 30 : 지지체
35 : 접촉 영역 40 : 촉매
50 : 나노 구조 60 : 열 흡수층
70, 90 : 비정질 실리콘 75, 95 : 다결정 실리콘
80 : 드레인 및 소스 전극 100 : 마이크로 히터 유닛
200, 300 : 마이크로 히터 어레이
W1 : 제 1 영역의 폭 W2 : 제 2 영역의 폭
W3 : 접촉 영역의 폭 H : 발열(적외선 또는 가시광선 형태)

Claims (18)

  1. 기판; 상기 기판상에서 상기 기판과 이격하여 존재하고, 2개 이상이 직렬 반복 연결 가능한 가열 요소 유닛; 및 상기 기판과 상기 가열 요소 유닛 사이에 존재하고, 상기 가열 요소 유닛의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하는 하나의 지지체;로 이루어진 마이크로 히터 유닛에 전력 인가 시 발생하는 상기 가열 요소 유닛으로부터의 발열을 이용하여,
    탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어 또는 산화아연 나노 와이어의 나노 구조를 성장시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛 간의 열전달을 감소하기 위하여, 상기 지지체가 상기 가열 요소 유닛에 대한 지지를 유지하는 한도에서, 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛이 접하는 접촉 영역의 면적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 요소 유닛은 제 1 영역 및 상기 제 1 영역의 폭 보다 큰 폭의 제 2 영역을 가지되 상기 제 1 영역의 사이에 상기 제 2 영역이 개재되도록 하며, 상 기 지지체는 상기 가열 요소 유닛의 제 2 영역의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하고 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛의 제 2 영역이 접하는 부분인 접촉 영역의 면적이 상기 제 2 영역의 면적 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판으로 유리 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 히터 유닛의 가열 요소 유닛이 2개 이상 직렬 연결됨으로써 상기 마이크로 히터 유닛이 2개 이상 직렬 연결된 마이크로 히터 어레이의 상기 가열 요소 유닛들로부터의 발열을 이용하여, 탄소나노튜브, 질화갈륨 나노 와이어 또는 산화아연 나노 와이어의 나노 구조를 성장시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 요소 유닛의 일부분 상에 촉매층을 형성하고, 상기 촉매층으로부터 상기 탄소나노튜브 또는 산화아연 나노 와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 일부분 상에 열 흡수층을 형성하고, 상기 열 흡수층 상에 촉매층을 형성하며, 상기 촉매층으로부터 상기 탄소나노튜브 또는 산화아연 나노 와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 요소 유닛의 일부분 상에서 질화갈륨 나노 와이어를 성장시키거나, 또는 상기 기판의 일부분 상의 열 흡수층 상에서 질화갈륨 나노 와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 나노 구조 형성 방법.
  9. 기판; 상기 기판상에서 상기 기판과 이격하여 존재하고, 2개 이상이 직렬 반복 연결 가능한 가열 요소 유닛; 및 상기 기판과 상기 가열 요소 유닛 사이에 존재하고, 상기 가열 요소 유닛의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하는 하나의 지지체;로 이루어진 마이크로 히터 유닛에 전력 인가 시 발생하는 상기 가열 요소 유닛으로부터의 발열을 이용하여,
    비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 다결정 실리콘의 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛 간의 열전달을 감소하기 위하여, 상기 지지체가 상기 가열 요소 유닛에 대한 지지를 유지하는 한도에서, 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛이 접하는 접촉 영역의 면적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 다결정 실리콘의 형성 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열 요소 유닛은 제 1 영역 및 상기 제 1 영역의 폭 보다 큰 폭의 제 2 영역을 가지되 상기 제 1 영역의 사이에 상기 제 2 영역이 개재되도록 하며, 상기 지지체는 상기 가열 요소 유닛의 제 2 영역의 하부에서 상기 가열 요소 유닛을 지지하고 상기 지지체와 상기 가열 요소 유닛의 제 2 영역이 접하는 부분인 접촉 영역의 면적이 상기 제 2 영역의 면적 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 다결정 실리콘의 형성 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판으로 유리 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 다결정 실리콘의 형성 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로 히터 유닛의 가열 요소 유닛이 2개 이상 직렬 연결됨으로써 상기 마이크로 히터 유닛이 2개 이상 직렬 연결된 마이크로 히터 어레이의 상기 가열 요소 유닛들로부터의 발열을 이용하여, 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 다결정 실리콘의 형성 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로 히터 유닛의 기판상에 형성한 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 히터를 이용한 다결정 실리콘의 형성 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 나노 구조 또는 제 9 항 내지 제 14 중 어느 한 항에 따른 다결정 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 나노 구조 또는 다결정 실리콘 형성에 이용된 마이크로 히터 유닛 또는 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 다결정 실리콘 및 마이크로 히터 어레이를 포함하는 트랜지스터로서,
    상기 마이크로 히터 어레이의 직렬 연결된 가열 요소 유닛들과 직교하도록 드레인 및 소스 전극 층이 기판상에 존재하며,
    상기 가열 요소 유닛의 하방 측의 상기 드레인 및 소스 전극 층 상에는 다결정 실리콘이 존재하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 상부에 절연막이 증착된 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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