KR20110139201A - 광기전력 및 기타 저온 화학적 증착 공정을 위한 규소 박막의 불소 분자 에칭 - Google Patents
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Abstract
광기전력 제품에 사용되는 비정질 및 미세결정질 규소 박막을 세척하기 위한 개선된 기술이 제공된다. 더 구체적으로는, 광기전력 제품에 사용되는 박막을 세척하기 위한 불소 분자의 이용 방법, 및 이로써 형성된 장치가 기술된다.
Description
본 발명은, 광기전력 제품에 사용하기 위한 비정질 및 미세결정질 규소 박막의 새로운 세척 방법, 및 이로써 형성된 장치에 관한 것이다.
광기전력 장치 제작에 사용하기 위한 비정질 및 미세결정질 규소 박막의 세척 방법은, 액정 디스플레이(LCD) 및 반도체 장치에 사용되는 방법으로부터 채택될 수 있다. 이러한 장치의 제작은, 280℃ 초과의 챔버 온도를 필요로 하며, 전형적으로 몇몇 다른 유형의 박막의 적층을 포함한다. 예를 들어, 규소 박막에 더하여, SiO2, Si3N4, SiOxNy, 금속 및 금속 옥사이드 필름이 형성될 수 있다. 이들의 제조 조건의 범위 내에서는, 불소 분자가 비-규소 필름과 신속히 반응하지 못한다. 따라서, 불소 분자를 사용해서는 비-규소 필름을 편리하게 세척할 수 없다. 챔버 온도를 상기 제조 온도보다 높게 증가시키는 것이 반응성에 도움이 될 수 있지만, 관련되는 시간 및 에너지로 인해 경제적이지 못할 것이다.
불소 분자를 사용하는 것과 관련된 온도 문제를 극복하도록, 상기 박막을 제거하기 위해 불소 라디칼을 사용하는 것이 수행되었다. 불소 라디칼은, 불소 라디칼을 생성하기 위한 불소 분자 또는 불소-함유 기체(예컨대, NF3 또는 SF6)의 동일 반응계(in situ) 활성화 또는 외부 원격 플라즈마 공급원(RPS) 활성화에 의해 생성된다. 불소 라디칼을 사용하는 경우, 챔버 세척이 달성될 수 있는 속도는 상기 불소-함유 기체의 활성화 속도 및 효율에 의존한다. 따라서, 상기 세척 단계는, 총 제작 사이클의 상당한 부분을 구성하여, 제조 용량을 감소시키고 과도한 장비 필요성을 초래한다. 또한, 불소-함유 기체의 활성화에 필요한 장비, 특히 RPS 유닛은 이러한 제작 공정에 상당한 지출을 부가할 수 있고, 고질적인 고장 지점임이 알려져 있으며, 이로써 상기 제작 공정을 위한 효과적인 가동시간(uptime)을 감소시킨다.
또한, 동일 반응계 또는 RPS 활성화에 의해 생성된 불소 라디칼은 너무 반응성이며 아주 선택적이지는 않아서, 밀봉부, RF 발생기, 및 상기 제조 챔버 내부 또는 이와 관련된 기타 중요한 장비를 손상시킨다. 또한, RPS 및 동일 반응계 활성화는 필수적으로, 제한된 공급원에서 일어나며, 이때 불소 라디칼의 분포는 매우 이방성(anisotropic)이다. 이는, 반응 챔버 내에서 도달하기 더 힘든 장소를 세척하기 위해, 소위 "과-에칭(overetch)"(즉, 세척을 위한 라디칼 생성 시간이 화학량론적으로 요구되는 것보다 훨씬 과도함)이 필요하게 만든다.
미국 특허 제 6,880,591 호(고토(Goto) 등)는, 규소 공정의 챔버 세척에 불소 분자가 사용될 수 있음을 인식하고 있지만, 고온 체제에 초점을 맞추고 있으며, LCD 디스플레이 공정을 목적으로 하고 있다. 특히, 고토 등은, LCD 생산에 사용되는 온도보다 훨씬 과도한 온도(즉, 280℃ 내지 400℃, 바람직하게는 약 450℃)로 불소 분자에 사용함을 제안하고 있다. 이러한 고온은, 고토 등의 방법에서 허용되는 낮은 불소 분압(예컨대, 1 mbar 미만)을 보상하기 위해 선택된 것으로 생각된다. 불소 분자를 사용하는 세척이 완전히 효과적이지는 않으며 동일 반응계 및/또는 RPS 활성화와 커플링되어야 함을 고토 등이 발견한 것에 주목한다.
또한, 불소 분자 이외의 불소-함유 기체, 예컨대 NF3, SF6, 및 CxFy 화합물은 500℃ 미만의 온도에서의 규소 필름용 세척제, 또는 900℃ 미만의 온도에서의 상업적 제품의 세척제로 효과적이지 않음에 주목한다.
또한, MEMS 장치의 제작은 박막 광기전력 산업을 위한 지침을 제공하였다. 일반적으로, MEMS 제작에서, 불소 분자를 사용하는 목적은, 규소 매트릭스로부터의 SiO2 및 Si3N4와 같은 화합물로부터 제조된 장치를 방출하는 것이다. 특히, 저온(예컨대, 실온) 및 비교적 고압(예컨대, 250 mbara)에서 불소 분자를 사용하여 에칭함으로써, 매트릭스를 구성하는 규소 필름이, 불소 분자와 상비 구성요소간의 임의의 해로운 반응 없이 완전히 제거될 수 있다. 그러나, 고온에서는, 다른 화합물 대비 규소에 대한 불소의 선택도가 감소하며, 따라서 승온에서는 불소 분자의 유용성이 감소된다(문헌[Arana et al., "Isotropic etching of silicon in fluorine gas for MEMS micromachine" J. Micromech. Microeng., vol 17, 384-392, 2007] 참조).
당분야에서는, 광기전력 제품용 비정질 및 미세결정질 규소 박막의 세척 장치 및 방법에 대한 개선이 필요하다.
본 발명은, 광기전력 제품에 사용되는 비정질 및 미세결정질 규소 박막의 세척을 위한 개선된 기술 및 장치를 제공한다. 더 구체적으로, 본 발명은, 전술된 단점을 극복하고 박막 세척을 위해 불소 분자를 사용하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은, 광기전력 제품용 규소 박막을 에칭하기 위한 불소 분자의 사용에 관한 것이다. LCD 및 MEMS 공정과 관련된 전술된 단점을 피할 수 있다. 특히, 박막 광기전력 장치의 제작 공정이 박막 트랜지스터 LCD 장치의 제작 공정보다 더 낮은 온도에서 수행된다. 예를 들어, 광기전력 공정은 전형적으로 50℃ 내지 300℃에서 수행된다. 불소 분자는 이러한 온도 범위 내에서 규소와 잘 반응한다. 본 발명에 따르면, 분해 온도 및 1 bmara 내지 1000 mbara의 분압에서 불소 분자를 사용하면, 세척을 촉진시키고, 이에 따라 생산성을 향상시킨다. MEMS 제작에 사용되는 것보다 낮은 압력이 효과적으로 사용될 수 있다.
광기전력 공정은 소량-도핑된 규소 필름의 침착만을 수반하고, 보다 저온에서 불소 분자에 의해 불량하게 에칭되는 필름의 침착은 필요로 하지 않기 때문에, 세척 및 에칭 공정이 효과적으로 수행될 수 있다. 특히, 비-규소 필름이 존재하지 않기 때문에, 불소 라디칼을 형성하기 위한 활성화가 필요하지 않다. 이는, 불소 라디칼을 생성하기 위한 활성화 장비가 필요하지 않음을 의미하며, 이로써 주요 장비의 비용이 감소되어 광기전력 패널의 제작 비용이 감소된다.
본 발명의 방법은 수많은 방식으로 수행될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 불소는, 세척할 박막 중의 규소에 대한 화학량론적 과량으로 초기 정적 분압에서 챔버에 도입된다. 과량의 불소는, 유한하고 상업적으로 바람직한 시간 내에 세척이 완료되도록 한다. 다른 실시양태에서, 불소는, 박막을 완전히 세척하는데 필요한 화학량론적 양과 거의 동일한 양으로 초기 정적 분압에서 챔버에 도입된다. 이러한 실시양태에서, 상기 박막은 두께가 매우 감소될 수 있으며, 이는, 다른 침착 사이클을 허용하기 위해 흔히 허용가능하다. 반복적인 사이클에 이러한 실시양태를 사용하는 경우, 사이클 시간에 대해 여전히 상업적으로 실행가능하게 최소량의 불소를 사용하여, 정상 상태 세척이 생성된다. 추가의 실시양태에서는, 불소가 초기 분압에서 챔버에 도입되고, 추가적인 불소가 고정적인 또는 가변적인 속도로 첨가된다. 일정하거나 변하는 압력으로 챔버를 유지하기 위해 진공 펌프가 사용될 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 이용가능한 불소 분자의 분압은 변하고 온도가 고정될 경우 반응 속도가 다를 것이기 때문에, 사용자-특이적 방안(recipe)에 따라 반응 속도가 달라질 수 있다. 다르게는, 이러한 실시양태가, 비교적 높고 일정한 분압을 유지하면서 세척이 수행되게 함으로써, 일정한 세척 속도를 달성한다.
[실시예]
본 발명에 따라 실험을 수행하였다. 데이터를 수집하였으며, 결과를 도 1에 도시하였다. 이러한 실험은, 불소 분자를 사용하여 200℃에서 2 μm의 규소 샘플을 세척하는 것으로 구성되었다. 2 μm의 규소 필름을 알루미늄 하부 층(이는, 200℃ 및 1000 mbara 미만에서 불소 분자에 의해 뚜렷하게 에칭되지는 않음) 상에 침착하였다. 상기 규소 박막 샘플의 일부를 사파이어 디스크(이것 역시, 200℃ 및 1000 mbara 미만에서 불소 분자에 의해 뚜렷하게 에칭되지는 않음)로 덮었다. 이러한 실험은, 다양한 분압 및 200℃에서 규소 필름을 불소 분자에 노출시키고, 이후 규소 필름 샘플을 반응 챔버에서 제거하는 것으로 이루어졌다. 상기 사파이어 디스크를 제거하고, 에칭 속도를 결정하기 위해, 에칭된 표면과 비-에칭된 표면의 높이 차를 프로파일 측정계(profilometer)로 측정하였다.
수집된 데이터를 도 1에 도시하였으며, 이로부터, 챔버 압력을 증가시키면, 200℃에서 세척 또는 에칭 속도가 증가됨이 분명하다. 본 발명의 결과를 공지된 세척 방법과 비교하면, 본 발명의 방법이 뛰어난 것으로 판명된다. 예를 들어, 몇몇 시판되는 규소계 박막 광기전력 공정은 200℃ 또는 그 근처에서 조작되며, 2 μm의 평균 장치 두께를 갖는 방식을 사용한다. 이러한 공정에서, 공정 챔버는 각각의 기판 침착 후에 세척되며, 완료까지의 세척 시간은 5 내지 20분 걸린다. 본 발명에 따른 방법의 데이터는, 8.54 Å/초·mbara의 에칭 속도가 달성될 수 있음을 보여주며, 이는, 39 mbara의 일정한 분압 및 200℃의 온도로 유지되는 불소 분자를 사용하여 60초 내에 2 μm의 필름이 성공적으로 세척될 수 있음을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 세척 속도는, 동일 반응계 또는 RPS 활성화에 의존하는 현재 이용가능한 세척 방법보다 5 내지 20배 더 빠르다.
추가의 예로서, 몇몇 상업적인 박막 공정은, 상기 실시예와 필적하는 속도로 규소 필름의 침착한 후에 단지 매일 세척한다. 이러한 세척 단계는 완료까지 100 내지 240 분 걸릴 수 있다. 본 발명에 따른 실험 결과는, 100 mbara의 일정한 분압 및 200℃의 온도로 유지되는 불소 분자를 사용하여 20분 내에 100 μm 두께의 필름이 성공적으로 세척될 수 있음을 나타낸다. 이러한 에칭 속도는, 동일 반응계 또는 RPS 활성화에 의존하는 현재 이용가능한 세척 방법보다 5 내지 12배 더 빠른 것이다.
본 발명은, 선행 기술에 비해 많은 이점을 제공한다. 특히, 임의의 설정 온도에서 불소 분자와 규소 필름의 반응 속도가 챔버 내의 불소의 분압에만 의존하기 때문에, 불소-함유 기체를 사용하는 동일 반응계 또는 RPS 세척보다 몇십배 이상 빠른 세척 속도를 달성하도록, 상기 분압을 조절할 수 있다. 또한, 불소 분자는 불소 라디칼보다 규소 필름의 에칭에 덜 반응성이고 보다 선택적이며, 따라서 밀봉부, RF 발생기 및 제조 챔버와 관련된 다른 중요한 장비를 덜 손상시킨다. 또한, 불소 분자는 챔버 내에서 이의 분포가 완전히 이방성이며, 따라서 화학량론적으로 반응할 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태 및 변화는 전술된 설명에 비추어 숙련자에게 용이하게 자명할 것으로 예상되며, 이러한 실시양태 및 변화 역시, 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (16)
- 에칭제로서 불소 분자를 사용하는 것을 포함하는, 광기전력 장치에 사용하기 위한 규소 박막을 에칭하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
50℃ 내지 300℃의 온도 및 1 mbara 내지 1000 mbara의 분압에서 에칭을 수행하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 불소 분자를, 초기 정적(static) 분압에서, 상기 규소 박막을 에칭하는데 필요한 양보다 화학량론적으로 과량으로 에칭 챔버에 도입하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 불소 분자를, 초기 정적 분압에서, 상기 규소 박막을 에칭하는데 필요한 화학량론적 양으로 에칭 챔버에 도입하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
정상 상태 세척을 달성하고 상업적으로 실행가능한 불소 분자의 최소량을 사용하기 위해, 반복적인 에칭 사이클을 수행하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 불소 분자를, 초기 정적 분압에서, 상기 규소 박막을 에칭하는데 필요한 화학량론적 양 미만으로 에칭 챔버에 도입하고, 추가적인 불소 분자를 일정하거나 가변적인 속도로 첨가하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
200℃의 온도 및 1 mbara 내지 1000 mbara의 분압에서 에칭을 수행하는, 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 분압이 1 mbara 내지 350 mbara인, 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 분압이 39 mbara인, 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 분압이 100 mbara인, 방법. - 제 1 항에 있어서,
에칭 속도가 8Å/초·mbara 초과인, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 규소 박막이, 60초 미만 내에 2 μm가 완전히 제거되는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 규소 박막이, 20분 미만 내에 100 μm가 완전히 제거되는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 에칭 동안 상기 규소 박막의 에칭 속도를 제어하기 위해 상기 불소 분자의 분압을 조절하는, 방법. - 에칭제로서 불소 분자를 사용하여 에칭된 규소 박막.
- 에칭제로서 불소 분자를 사용하여 에칭된 규소 박막을 갖는 광기전력 장치.
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