KR20090009612A - 스퍼터링을 통한 무기절연막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제 1 진공도를 갖는 챔버와, 상기 챔버 내부에 위치하며 불순물이 도핑된 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 중 어느 하나로 이루어진 타겟과, 상기 타겟에 대응하여 제 1 간격 이격하여 위치한 기판과, 상기 챔버 내부에 공급되는 반응가스를 구비한 스퍼터를 이용하여, 상기 기판과 상기 타겟 사이에 플라즈마를 형성함으로써 상온(통상 24℃) 내지 150℃의 온도범위에서 상기 타겟으로부터 튀어나온 입자를 상기 기판에 증착시키는 것을 특징으로 하는 무기절연막 형성방법을 제공한다.
무기절연막, 스퍼터, 실리콘질화막, 실리콘산화막, 플라스틱, 저온공정

Description

스퍼터링을 통한 무기절연막 형성방법{Method of forming inorganic insulating layer by sputtering}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 스퍼터링(sputtering)을 이용한 상온 내지 150℃의 온도범위에서 무기절연막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
근래 들어 사회가 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 대량의 정보를 처리 및 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 최근에는 특히 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 박막트랜지스터(Thin Film Transistor : TFT)형 액정표시장치(TFT-LCD)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube : CRT)을 대체하고 있다.
액정표시장치의 화상구현원리는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하는 것으로, 주지된 바와 같이 액정은 분자구조가 가늘고 길며 배열에 방향성을 갖는 광학적 이방성과 전기장 내에 놓일 경우에 그 크기에 따라 분자배열 방향이 변 화되는 분극성질을 띤다. 이에 액정표시장치는 액정층을 사이에 두고 서로 마주보는 면으로 각각 화소전극과 공통전극이 형성된 어레이 기판(array substrate)과 컬러필터 기판(color filter substrate)을 합착시켜 구성된 액정패널을 필수적인 구성요소로 하며, 이들 전극 사이의 전기장 변화를 통해서 액정분자의 배열방향을 인위적으로 조절하고 이때 변화되는 빛의 투과율을 이용하여 여러 가지 화상을 표시하는 비발광형 디스플레이 소자이다.
최근에는 특히 화상표현의 기본단위인 화소(pixel)를 행렬 방식으로 배열하고 스위칭 소자를 각 화소에 배치시켜 독립적으로 제어하는 능동행렬방식(active matrix type)이 해상도 및 동영상 구현능력에서 뛰어나 주목받고 있는데, 이 같은 스위칭 소자로 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor : TFT)를 사용한 것이 잘 알려진 TFT-LCD(Thin Firm Transistor Liquid Crystal Display device) 이다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 분해사시도이다. 도시한 바와같이, 일반적인 액정표시장치는 액정층(30)을 사이에 두고 어레이 기판(10)과 컬러필터 기판(20)이 대면 합착된 구성을 갖는데, 이중 하부 위치한 어레이 기판(10)은 제 1 투명기판(12) 및 이의 상면으로 종횡 교차 배열되어 다수의 화소영역(P)을 정의하는 복수개의 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16)을 포함하며, 이들 두 배선(14, 16)의 교차지점에는 박막트랜지스터(Tr)가 구비되어 각 화소영역(P)에 마련된 화소전극(18)과 일대일 대응 접속되어 있다.
또한 상기 어레이 기판(10)과 마주하는 상부의 컬러필터 기판(20)은 제 2 투명기판(22) 및 이의 내면으로 상기 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16) 그리고 박 막 트랜지스터(T) 등의 비표시영역을 가리도록 각 화소영역(P)을 둘러싸는 격자 형상의 블랙매트릭스(25)가 형성되어 있으며, 이들 격자 내부에서 각 화소영역(P)에 대응되게 순차적으로 반복 배열된 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴(26a, 26b, 26c)을 포함하는 컬러필터층(26)이 형성되어 있으며, 상기 블랙매트릭스(25)와 적, 녹 ,청색 컬러필터층(26)의 전면에 걸쳐 투명한 공통전극(28)이 마련되어 있다.
그리고 도면상에 명확하게 도시되지는 않았지만, 이들 두 기판(10, 20)은 그 사이로 개재된 액정층(30)의 누설을 방지하기 위하여 그 가장자리 따라 실링제 등으로 봉함되고 있으며, 각 기판(10, 20)과 액정층(30)의 사이에는 액정의 분자배열 방향에 신뢰성을 부여하는 배향막이 각각 개재되며, 각 기판(10, 20)의 적어도 하나의 외측면에는 편광판이 부착된다.
더불어 전술한 구조를 갖는 액정패널 배면으로는 백라이트(back-light)가 구비되어 빛을 공급하는 바, 게이트배선(14)으로 박막트랜지스터(T)의 온(on)/오프(off) 신호가 순차적으로 스캔 인가되어 선택된 화소영역(P)의 화소전극(18)에 데이터배선(16)의 화상신호가 전달되면 이들 사이의 수직전계에 의해 그 사이의 액정분자가 구동되고, 이에 따른 빛의 투과율 변화로 여러 가지 화상을 표시할 수 있다.
한편, 이 같은 액정표시장치를 구성하는 상기 어레이 기판(10)의 제조 방법에 대해 살펴보면, 금속물질로 이루어진 구성요소 예를들면 게이트 배선(14) 및 게이트 전극(미도시), 데이터 배선(16)과 소스 및 드레인 전극(미도시), 화소전극(18) 등은 스퍼터를 이용하여 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성되고 있으며, 무 기절연물질과 반도체 물질로 이루어진 구성요소 예를들면 게이트 절연막(미도시)과 보호층(미도시)과 반도체층(미도시)은 CVD(chemical vapor deposition) 장치를 통해 화학적 기상 증착법에 의해 형성되고 있다.
이 같은 제조 방법 중 특히 CVD 장치를 통한 무기절연물질 또는 반도체 물질의 증착은 통상적으로 300℃ 이상의 고온의 분위기를 요구하고 있다.
일반적인 액정표시장치의 경우 상기 어레이 기판(10)과 컬러필터 기판(20)의 모체가 되는 제 1 및 제 2 절연기판(12, 22)은 전통적으로 그 유리전이 온도가 600℃ 정도인 유리 기판이 사용되기에 CVD 장치를 이용하여 무기절연물질 또는 반도체 물질의 증착 공정을 진행하거나 또는 스퍼터 장치를 이용하여 금속물질을 증착하거나 별 문제되지 않는다.
하지만, 최근 들어 노트북이나 PDA(personal digital assistant)와 같은 소형의 휴대용 단말기가 널리 보급됨에 따라 이들에 적용 가능하도록 유리보다 가볍고 경량임과 동시에 유연한 특성을 지니고 있어 파손위험을 저감시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 액정패널이 요구되고 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 최근에는 액정패널을 이루는 제 1 및 제 2 절연기판을 투명한 플라스틱 재질의 기판을 이용하여 제조하려는 시도가 진행되고 있다.
하지만, 플라스틱 기판을 이용한 액정패널은, 액정패널의 제조 특성상 특히 스위칭 소자인 박막 트랜지스터가 형성되는 어레이 기판의 제조에는 200℃ 이상의 고온을 필요로 하는 고온 공정이 많아 내열성 및 내화학성이 유리기판 보다 떨어지 는 플라스틱 기판으로 상기 어레이 기판을 제조하는 데에는 어려움이 있다.
특히, CVD 장치를 이용하여 무기절연물질과 반도체 물질을 기판 상에 화학적 기상 증착하는 경우, 그 요구되는 온도가 최소 300℃가 되므로 상기 플라스틱 재질의 변형 및 손상을 유발시킴으로써 제품화에 많은 어려움을 겪고 있으며, 설령 제품화 한다고 하더라도 이러한 기판 자체의 변형 및 손상에 의해 표시품질 또한 저하되는 문제가 발생하고 있다.
최근에 반도체층에 있어서는 유기 반도체 물질이 개발되어 기판 상에 상온에서 코팅하여 형성하는 것이 제안되고 있어 반도체층의 형성에서는 전술한 문제를 해결하게 되었지만, 무기절연물질의 경우 여전히 CVD 장치를 이용한 화학적 기상 증착법을 이용할 수밖에 없으며 이러한 고온의 공정 온도를 요구하는 CVD 공정 진행에 의해 여전히 플라스틱 재질로 이루어진 기판의 변형 및 손상을 초래하고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 200℃정도의 유리 온도를 갖는 플라스틱 재질로 이루어진 기판에 대해서도 상기 기판의 변형 및 손상없이 무기절연물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 무기절연물질의 증착 방법 및 이를 이용한 액정표시장치의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 무기절연막 형성방법은, 제 1 진공도를 갖는 챔버와, 상기 챔버 내부에 위치하며 불순물이 도핑된 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 중 어느 하나로 이루어진 타겟과, 상기 타겟에 대응하여 제 1 간격 이격하여 위치한 기판과, 상기 챔버 내부에 공급되는 반응가스를 구비한 스퍼터를 이용하여, 상기 기판과 상기 타겟 사이에 플라즈마를 형성함으로써 상온(통상 24℃) 내지 150℃의 온도범위에서 상기 타겟으로부터 튀어나온 입자를 상기 기판에 증착시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 진공도는 0.4Pa 내지 0.6Pa이다.
상기 불순물은 붕소(B) 또는 인(P) 중 하나이며, 상기 도핑되는 불순물의 농도는 1ppm 내지 999ppm인 것이 바람직하다.
상기 제 1 간격은 110cm 내지 150cm 인 것이 바람직하다.
상기 반응가스는 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 포함하며, 상기 챔버로 투입되는 아르곤(Ar)의 유량은 50sccm 내지 150sccm이며, 질소(N2)는 50sccm 내지 250sccm인 것이 특징이며, 상기 반응가스는 산소(O2), 암모니아(NH3), 수소(H2) 중 적어도 하나를 더욱 포함하며, 이때 상기 챔버로 투입되는 수소(H2)의 유량은 1sccm 내지 50sccm 인 것이 특징이다.
상기 스퍼터에 인가되는 파워는 1.5KW 내지 7KW이며, 이때 상기 스퍼터에 인 가되는 파워밀도는 0.92 내지 5.2 인 것이 바람직하다.
상기 무기절연막은 질화실리콘막 또는 산화실리콘막인 것이 특징이다.
상기 스퍼터는 DC 타입, AV 타입, RF 타입 중에서 선택되는 하나이며, 상기 스퍼터가 AC 타입인 경우 70KHz의 주파수를 갖는 파워가, RF 타입인 경우 13.56MHz의 주파수를 갖는 파워가 인가되는 것이 특징이다.
상기 기판은 유리기판 또는 플라스틱 기판인 것이 바람직하다.
본 발명은 상온 내지 150℃ 정도의 공정 온도를 갖는 스퍼터를 이용하여 기판 상에 무기절연막을 형성하는 방법을 제공함으로써 200℃ 정도에서 유리전이 온도를 갖는 플라스틱을 베이스 기판으로 하여 상기 기판의 변형이나 손상없이 액정표시장치용 어레이 기판 또는 컬러필터 기판을 제조 할 수 있는 장점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2a, 2b, 2c는 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터를 이용한 무기절연물질의 증착공정을 도시한 것으로 각각 RF스퍼터, AC스퍼터, DC스퍼터를 이용한 무기절연물질의 증착 공정을 도시한 도면이다.
우선, 스퍼터링(sputtering)의 원리에 대해 간단히 설명한다.
도면을 참조하면, 스퍼터링(sputtering)의 원리는 스퍼터(SPT)의 챔버 내에 서 타겟(TG) 표면을 높은 에너지의 입자로 충돌시켜 그 충격으로 타겟(TG)의 입자(원자)가 튀어나오게 한 후, 상기 튀어나온 타겟 입자(원자)를 상기 타겟(TG)과 마주하도록 위치시킨 기판(ST)에 증착되도록 한 것이다.
스퍼터링(sputtering)을 위한 높은 에너지의 입자를 만들기 위해서 가장 효과적인 방법으로는 타겟(TG) 표면에 기체 중에서 일부의 기체원자(또는 분자)들이 이온화 되어 +이온과 -전자로 분리되는 플라즈마 상태를 형성하는 것이다. 이때 상기 플라즈마 형성을 위해서 소정 범위의 진공도를 갖는 진공 챔버(미도시)와 반응가스와 서로 이격하여 전위차를 발생시키는 전극을 필요로 하고 있다. 이때 상기 타겟(TG)이 안착되는 백킹플레이트(backing plate)(BP)에 인가되는 전압의 종류에 따라 도면에 나타낸 바와 같이 RF 전압이 인가되면 RF 스퍼터링(sputtering), AC 전압이 인가되면 AC 스퍼터링(sputtering), DC 전압이 인가되면 DC 스퍼터링(sputtering)으로 나뉘게 된다.
이때 주로 기판(ST)이 위치하는, 즉 기판(ST)이 안착되는 쉬츠(SH) 부분이 그라운드(ground, 접지) 전압이 되며, 도 2a의 도시한 DC 스퍼터링(sputtering)의 경우 상기 타겟(TG)이 위치하는 백킹플레이트(BP)에 음(negative)전압을 인가하며, 도 2b에 도시한 AC스퍼터링(sputtering)의 경우, 상기 백킹플레이트(BP)에 음(negative)전압과 양(positive)전압을 교대하여 인가하며, 도 2c에 도시한 바와 같이 RF 스퍼터링(sputtering)의 경우 상기 백킹플레이트(BP)에 RF 전압을 인가한다.
이때 상기 백킹플레이트(BP) 배면에는 자기장 형성을 위해 스캔타입 또는 고 정방식의 마그네틱(MG)이 구성됨으로써 자기장을 형성하여 플라즈마의 밀도를 증가시키는 역할을 하고 있다.
전술한 바와 같은 스퍼터링(sputtering)은 인라인 방식(In-line Type)과 클러스터 방식(cluster type)이 있는데, 인라인 방식은 연속으로 이루어진 각각의 챔버를 통과하여 공정을 진행하며, 한 개의 공정 챔버 내에서 여러 개의 타겟(TG)을 장착하여 증착하는 방식으로 공정 챔버 내에 버퍼 챔버를 구성하여 여러 개의 물질을 동시에 증착할 수 있는 장점을 갖는다. 한편 클러스터 방식은 다각형 형태를 갖는 이동실에서 각각의 챔버에 기판을 이송하는 방식이며 각각의 챔버는 독립적으로 운영되며 이로 인해 장비의 가동률이 증가하고 증착 시 기판의 이동없이 마그네틱이 직선왕복 운동하는 방식으로 사용 가능하므로 타겟의 활용률을 향상시키는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서의 기판 상에 무기절연막을 형성하는데 사용되는 타겟(TG) 물질로는 주로 실리콘(Si) 또는 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)이 되고 있다. 이 경우 실리콘(Si)으로 이루어진 타켓(TG)은 주로 DC, AC, RF 스퍼터링(sputtering) 모두에 이용할 수 있으며, 상기 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)으로 이루어진 타겟(TG)은 주로 RF스퍼터링(radio frequency sputtering)의 경우에 사용될 수 있다.
표 1은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 무기절연막(일례로 질화실리콘막(SiNx))을 기판 상에 형성하기 위한 공정 조건을 일례로 나타낸 것이다. 표 1에 제시된 조건에서 기판 상에 스퍼터링(sputtering)을 통해 무기절연물질을 증착한 경우, 증착된 무기절연막의 막특성이 종래의 CVD장치를 통해 고온(300℃ 내지 450℃)에서 무기절연물질을 증착하여 얻은 무기절연막과 유사한 특성을 갖게 됨을 알 수 있었다.
<표 1>
파라미터 DC 타입 AC 타입 RF 타입
타겟 Si Si Si, SiO2, SiNx
주파수 - 70KHz 13.56MHz
파워 1.5 - 7KW 3-6KW 3-6KW
파워 밀도 2.0 5.2 0.92
압력 0.4 - 0.6Pa 0.4 - 0.6Pa 0.4 - 0.6Pa
N2 100sccm 100sccm 100sccm
H2 1 - 50sccm 1 - 50sccm -
공정온도 120℃ 120℃ 120℃
타겟과 기판간 거리 110 - 150cm 110 - 150cm 110 - 150cm
박막 두께 300 - 1000Å 300 - 1000Å 300 - 1000Å
상기 표1에 제시된 파라미터는 기판 상에 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착되는 무기절연물질의 특성에 관여하는 것으로 이들 파라미터에 대해 전술한 조건을 토대로 스퍼터링(sputtering) 공정을 진행 시 양호한 즉 CVD 장치에 의해 고온(300℃ 내지 450℃)에서 형성된 무기절연막과 거의 유사한 막특성을 갖는 무기절연막이 형성되었다.
본 발명에 있어 스퍼터링(sputtering)에 의한 질화실리콘(SiNx) 또는 산화실리콘(SiO2)의 무기절연막 형성에 이용되는 타겟을 이루는 물질은 주로 실리콘(Si)이 이용되고 있으며, 상기 실리콘(Si)은 순수 실리콘이 아닌 붕소(B) 또는 인(P)이 도핑된 실리콘(Si)을 사용하는 것이 최종적으로 기판 상에 증착된 상기 무기절연막의 막특성이 향상됨을 실험적으로 알 수 있었다. 이때 RF 스퍼터링(sputtering)을 진행하는 경우 불순물이 도핑된 실리콘 타겟에 있어 도핑되는 불순물의 농도는 수 ppm에서 수백 ppm(1ppm 내지 999ppm) 정도가 되는 것이 바람직하다. 또한 DC 또는 AC 스퍼터링(sputtering)을 진행하는 경우 상기 불순물을 포함하는 실리콘 재질의 타겟은 그 비저항이 0보다는 크고 10-3ohm·cm 이하인 것이 바람직하며, 이 경우 불순물 즉 붕소(B) 또는 인(P)의 도핑 농도는 1 ppm 내지 200ppm인 것이 바람직하다.
또한 타겟 물질은 RF 스퍼터링(sputtering)을 진행할 경우 상기 붕소(B) 또는 인(P)이 도핑된 실리콘(Si) 이외에 산화실리콘(SiO2) 및 질화실리콘(SiNx)을 이용할 수 있다. DC 및 AC 스퍼터링(sputtering) 진행시도 상기 산화실리콘(SiO2) 및 질화실리콘(SiNx)을 타겟 물질로 할 수 있으나, 이 경우 그 특성이 저하됨을 실험적으로 알 수 있었다.
한편, 반응가스로는 질화실리콘(SiNx)의 무기절연막을 기판상에 형성하는 경우 주로 아르곤(Ar)과 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 이용하는 것이 플라즈마 형성 및 이온의 가속성 및 증착속도 등에 있어 우수하였다. 표1의 파라미터로서는 아르곤(Ar) 이외에 질소(N2) 및 수소(H2)만이 언급되고 있지만, 암모니아(NH3)를 상기 질소(N2)와 수소를 대신하여 사용할 수도 있으며, 나아가 질소(N2), 수소(H2), 암모니아(NH3)와 아르곤(Ar)으로 이루어진 혼합가스를 이용할 수도 있다. 또한, 산화실리콘(SiO2)의 무기절연막을 형성하는 경우, 상기 혼합가스에 산소(O2)가 더욱 추가되며, 이 경우 암모니아(NH3)와 수소(H2) 등은 제외될 수 있다.
이들 혼합가스의 혼합비를 적절히 조절함으로써 기판에 증착되는 무기절연막 예를들어 질화실리콘막(SiNx)(혹은 산화실리콘막(SiO2)) 내의 실리콘(Si)과 질소(N2)(혹은 산소(O2))의 조성비와 상기 무기절연막의 유전율 및 굴절율을 가변시킬 수 있다.
그 외의 파워와 파워밀도, 챔버내 진공도 등은 챔버내의 플라즈마 형성에 관여하는 파라미터가 되며, 챔버내 온도 및 기판과 타겟 간의 거리 등은 상기 플라즈마 형성에 관여하는 파라미터와 더불어 기판에 증착되는 무기절연막의 증착 속도 및 막특성 관여하는 파라미터가 된다.
본 발명에 따른 기판상에 무기절연막을 형성하기 위한 스퍼터링의 진행은 1.5KW 내지 7KW의 파워를 공급하며, 이때 파워 밀도는 0.92 내지 5.2 정도의 크기를 갖도록 하며, 챔버내 진공도는 0.4Pa 내지 0.6Pa을 유지하며, 챔버내 공정온도는 상온(통상적으로 24℃) 내지 150℃의 범위를 가지며, 타겟과 기판간의 이격거리는 110cm 내지 150cm 정도가 되도록 한 상태에서 진행하는 것이 바람직하다. 또한 반응가스의 경우 아르곤은 50sccm 내지 150sccm, 질소는 50sccm 내지 250sccm, 수소는 1sccm 내지 50sccm의 범위에서 가변시키며 상기 스퍼터의 챔버 내부로 유입시키는 것이 바람직하다. 또한 AC 스퍼터링의 경우 주파수는 70KHz, RF 스퍼터링의 경우 주파수는 13.56MHz인 것을 이용하였다.
도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 기판 상에 형성된 무기절연막의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 이는 표 1에 제시된 파라미터 중 선택된 하나의 범위내에서 스퍼터링(sputtering)을 진행하여 기판 상에 형성된 질화실리콘막(SiNx)에 대해 분석한 것이다.
XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)는 분석하고자 하는 시료에 x선을 조사하면 그 시료의 각각의 구성 원자들이 들어온 x선을 흡수하여 전자를 방출하게 되는데, 이때 전자는 들어간 x선의 에너지에서 전자의 결합에너지를 뺀 나머지의 운동에너지를 가지고 튀어나오게 되며, 이러한 운동에너지를 검출함으로써 그 전자의 결합에너지를 얻을 수 있고, 이 결합에너지는 원소마마 특정값을 가지고 있으므로 그 시료의 구성 성분을 알 수 있다. 또한 전자의 방출 시에 주위환경 즉 다른 원자와의 결합여부나 결합의 형태 등에 따라 약간씩의 결합에너지 움직임이 존재하며 이로부터 화학결합의 형태를 알 수 있다.
도시한 바와 같이 실리콘(Si)과 질소(N2)가 40 - 60% 사이에서 일정한 % 비율로 유지됨을 알 수 있으며, 이러한 조성비는 CVD(chemical vapor deposition)를 이용하여 무기절연막을 형성한 경우와 거의 유사한 결과를 나타내고 있다. 통상적으로 질화실리콘막(SiNx)인 경우 질소(N2)/실리콘(Si)의 조성비가 0.7 내지 1.33의 범위를 갖는 것이 막특성이 양호하며 본 발명에 따른 무기절연막의 경우 실리콘(Si) 대비 질소(N2)의 비율이 0.9 정도가 됨으로 양호한 막질 및 특성을 가짐을 알 수 있다. 상기 질소(N2) 대 실리콘(Si)의 조성비는 본 발명의 경우 혼합가스의 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 비를 적절히 조절함으로써 가변시킬수 있다.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된 무기절연막의 질소(N2) 함량비 증가에 따른 굴절율, 유전율, 투과율 변화를 각각 도시한 그래프로서 무기절연막의 두께는 1000Å인 것을 측정하였다. 이때 상기 투과율은 550nm의 단파장에 대한 것을 나타내었다.
무기절연막 내의 질소(N2)함량의 %가 증가할수록 굴절율과 유전율을 거의 비례하여 증가하는 반면 투과율은 반비례하여 감소함을 알 수 있다.
따라서 기판상에 증착되는 무기절연막의 특성은 이를 형성하기 위한 스퍼터(sputter) 챔버 내에 투입되는 혼합가스에 있어 아르곤(Ar)과 질소(N2)와 산소(O2)의 투입 유량 조절을 통해 그 상기 혼합가스 내의 함량비 및 상기 혼합가스의 챔버내 농도를 적절히 조절함으로써 가변시킬 수 있으며, 상기 무기절연막 내의 질소(N2)의 함량비를 적절히 조절함으로써 디스플레이 특성에 맞는 특성을 갖는 무기절연막을 형성할 수 있다.
도 5a, 5b, 5c 5d는 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 기판상에 증착된 무기절연막의 표면상태를 전자현미경(atomic force microscope : AFM)으로 측정한 것을 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 스퍼터링(sputtering)에 의해 기판상에 증착된 무기절연물질의 표면 요철 상태는 그 RMS(root mean square)값이 0.9nm 내지 1.5nm 범위를 가짐을 보이고 있으며, 이는 그 표면 요철 상태가 매우 양호한 상태를 가지고, 따라서 기판 전반에 대한 표면 균일성이 우수한 수준임을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 기판 상에 증착된 무기절연막의 질소(N2) 유량 증가에 따른 증착속도를 나타낸 그래프이다. 이때 상기 그래프는 스퍼터의 파워는 3KW, 아르곤(Ar)은 100sccm의 조건에서 측정한 것이다.
그 중앙부에서의 증착 속도가 전체적으로 30Å/min - 60Å/min 정도 빠르게 진행되지만 이는 CVD 장치를 이용한 증착의 경우도 마찬가지이므로 문제되지 않는다. 한편, 그래프를 살펴보면 질소(N2)의 유량을 증가시킴에 따라 그 증착 속도는 그 중앙부와 에지부에 상관없이 감소됨을 알 수 있으며, 여전히 중앙부와 에지부의 증착속도는 거의 일정한 차이를 가짐을 알 수 있다. 질소(N2)의 유량을 50sccm에 맞출 경우 그 증착속도는 중앙부와 에지부를 평균하여 대략 500Å이 되며, 이 증착속도는 비록 CVD 장치를 이용한 무기절연막의 평균적인 증착속도인 500Å/min 내지 2000Å/min 대비 떨어지지만 300Å/min보다 큰 정도이면 양산성 측면에서는 충분하므로 문제되지는 않는다.
도 7은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 무기절연물질의 보호층(질화실리콘막(SiNx))을 형성한 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 어레이 기판 내의 박막트랜지스터 소자 특성을 측정한 I-V특성 커브이다.
종래의 CVD장치를 이용하여 증착한 보호층을 포함하는 박막트랜지스터의 I-V커브와 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착한 무기절연물질의 보호막을 포함하는 어레이 기판의 박막트랜지스터의 I-V 커브 특성이 거의 유사함을 알 수 있다. 조금 더 상세히는 실질적으로 본 발명의 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된 보호층을 갖는 어레이 기판의 박막트랜지스터의 경우가 문턱전압(Vth)이 더 낮음을 알 수 있으며, 이는 구동전압을 낮추게 됨으로써 전력 소비를 저감시키는 장점을 갖게 된다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된 무기절연물질의 보호층을 갖는 액정표시장치용 어레이 기판에 있어 박막트랜지스터의 게이트 전극에 Vgl(박막트랜지스터의 스위칭을 확실하게 진행시키기 위해 인가시키는 전압)을 가변시키며 인가 시 발생하는 크로스 토크 발생 빈도를 나타낸 그래프이다.
액정표시장치용 어레이 기판에 있어 보호층에 기인하여 나타날 수 있는 불량 중 하나는 크로스 토크이며, 본 발명에 의해 스퍼터링(sputtering)에 의해 무기절연물질을 증착하여 형성한 보호층을 포함하는 어레이 기판의 경우, 그래프에 도시한 바와 같이 Vgl을 가변시키며 측정한 결과 크로스 토크는 2%미만으로 발생함으로 알 수 있으며, 이는 종래의 CVD 장치를 이용한 무기절연물질의 보호층 형성한 어레이 기판의 크로스 토크 발생 빈도(1% 내지 2% 수준임)와 같은 수준이 되고 있다.
이러한 모든 점을 고려해 볼 때, 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)에 의한 무기절연물질의 증착에 의해 기판상에 형성된 무기절연물질은 그 특성 종래의 일반적인 CVD 장치를 이용한 화학기상증착에 의해 형성된 무기절연막과 유사하거나 또는 일부(문턱전압의 크기)에 있어서 더 좋은 장점을 가짐을 알 수 있다.
따라서, 액정표시장치의 제조에 있어 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 이용한 무기절연물질의 증착을 실시함으로써 그 특성의 저하없이 상온(통상 240℃) 내지 200℃의 범위내에서의 공정이 가능하며 그 유리 온도가 200℃인 플렉서블한 특성을 갖는 플라스틱 기판을 이용하여 액정표시장치를 제조할 수 있도록 한 것이 본 발명의 가장 특징적인 것이라 할 것이다.
한편, 본 발명에 따른 저온에서의 스퍼터링(sputtering)을 이용한 무기절연물질의 증착을 통한 무기절연막의 형성은 전술한 플라스틱을 이용한 액정표시장치용 어레이기판의 제조에만 한정하여 적용되는 것이 아니라, 유기전계발광 소자용 기판 및 컬러필터 기판에도 적용될 수 있다.
일례로 컬러필터 기판의 경우, 블랙레진 물질을 이용하여 블랙매트릭스를 형성하고 있으며, 적, 녹 ,청색이 착색된 컬러 레지스트로써 컬러필터층을 형성하고 있으며, 이러한 레진 또는 레지스트 물질로 이루어진 블랙매트릭스와 컬러필터층은 고온에 노출시 녹아내린다든지 아니면 외적 변형이 발생하며, 투명전극이 상기 블랙매트릭스 또는 상기 컬러필터층과 접촉하며 형성되는데, 이들 컬러필터층과 투명전극은 접착력이 좋지 않으므로 상기 투명전극이 벗겨지는 등의 문제가 발생하고 있다. 따라서 접착력 향상을 위해 무기절연막을 형성함으로써 이를 해결할 수 있으며, 동시에 이 경우 그 공정온도는 상온(통상 24℃) 내지 150℃정도가 되므로 기존의 CVD를 이용한 무기절연막 형성 시 요구되는 공정온도인 300℃ 내지 450℃보다 낮으므로 상기 컬러필터층의 외적 변형을 방지할 수 있다.
또 다른 일례로서 컬러필터층을 어레이 기판에 형성하는 것을 특징으로 하는 COT 구조 액정표시장치의 경우, 어레이 기판상에 박막트랜지스터와 화소전극과 컬러필터층이 모두 형성되어야 하며, 이때 박막트랜지스터와 연결된 화소전극은 최상층에 형성하는 것이 일반적이므로 박막트랜지스터 형성 후, 그 상부로 컬러필터층을 형성하고 상기 컬러필터층 상부에 화소전극을 형성하고 있는데, 이도 역시 화소전극과 컬러필터층간의 접착력이 좋지 않으므로 상기 컬러필터층 상부로 저온의 분위기에서 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통한 무기절연막을 형성한 후 화소전극을 형성할 수 있다. 이 경우 또한 고온에의 노출에 의한 컬러필터층의 변형 등을 방지할 수 있는 장점을 갖게 된다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 분해사시도.
도 2a, 2b, 2c는 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터를 통해 무기절연물질을 증착하는 것을 도시한 것으로 각각 RF스퍼터, AC스퍼터, DC스퍼터를 통한 무기절연물질의 증착 공정을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 기판 상에 형성된 무기절연막의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된 무기절연막의 질소(N2) 함량비 증가에 따른 굴절율, 유전율, 투과율 변화를 각각 도시한 그래프.
도 5a, 5b, 5c, 5d는 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 기판 상에 증착된 무기절연막의 표면상태를 전자현미경(atomic force microscope : AFM)으로 측정한 것을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 기판 상에 증착된 무기절연막의 질소(N2) 유량 증가에 따른 증착속도를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)을 통해 무기절연물질의 보호층(질화실리콘막(SiNx))을 형성한 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 어레이 기판 내의 박막트랜지스터 소자 특성을 측정한 I-V특성 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된 무기절연물질의 보호층을 갖는 액정표시장치용 어레이 기판에 있어 박막트랜지스터의 게이트 전극에 Vgl(박막트랜지스터의 스위칭을 확실하게 진행시키기 위해 인가시키는 전압)을 가변시키며 인가시 발생하는 크로스 토크 발생 빈도를 나타낸 그래프.

Claims (15)

  1. 제 1 진공도를 갖는 챔버와, 상기 챔버 내부에 위치하며 불순물이 도핑된 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 중 어느 하나로 이루어진 타겟과, 상기 타겟에 대응하여 제 1 간격 이격하여 위치한 기판과, 상기 챔버 내부에 공급되는 반응가스를 구비한 스퍼터를 이용하여, 상기 기판과 상기 타겟 사이에 플라즈마를 형성함으로써 상온(통상 24℃) 내지 150℃의 온도범위에서 상기 타겟으로부터 튀어나온 입자를 상기 기판에 증착시키는 것을 특징으로 하는 무기절연막 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 진공도는 0.4Pa 내지 0.6Pa인 무기절연막 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물은 붕소(B) 또는 인(P) 중 하나인 무기절연막 형성방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도핑되는 불순물의 농도는 1ppm 내지 999ppm인 무기절연막 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 간격은 110cm 내지 150cm 인 무기절연막 형성방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스는 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 포함하는 무기절연막 형성방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 챔버로 투입되는 아르곤(Ar)의 유량은 50sccm 내지 150sccm이며, 질소(N2)는 50sccm 내지 250sccm인 것이 특징인 무기절연막 형성방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 반응가스는 산소(O2), 암모니아(NH3), 수소(H2) 중 적어도 하나를 더욱 포함하는 것이 특징인 무기절연막 형성방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 챔버로 투입되는 수소(H2)의 유량은 1sccm 내지 50sccm 인 것이 특징인 무기절연막 형성방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터에 인가되는 파워는 1.5KW 내지 7KW인 무기절연막 형성방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스퍼터에 인가되는 파워밀도는 0.92 내지 5.2 인 무기절연막 형성방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기절연막은 질화실리콘막 또는 산화실리콘막인 무기절연막 형성방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터는 DC 타입, AV 타입, RF 타입중 어느 하나인 무기절연막 형성방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 스퍼터가 AC 타입인 경우 70KHz의 주파수를 갖는 파워가, RF 타입인 경우 13.56MHz의 주파수를 갖는 파워가 인가되는 것이 특징인 무기절연막 형성방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판 또는 플라스틱 기판인 무기절연막 형성방법.
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