KR20220041978A - 영역 선택적 원자층 증착방법 및 그에 의해 제조된 박막 - Google Patents

영역 선택적 원자층 증착방법 및 그에 의해 제조된 박막 Download PDF

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KR20220041978A
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Abstract

본 발명의 일실시예는 패턴을 갖는 원자층 증착방법은, 기판의 표면에 원료전구체의 흡착을 방지하는 유기분자박막을 형성하는 단계; 상기 유기분자박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계; 상기 기판의 목표 영역에만 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 목표 영역 중에 상기 마스크 패턴 사이에 노출된 유기분자박막을 영역 선택적으로 분해시키는 단계; 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 및 상기 패턴을 갖는 마스크를 기판으로부터 제거하는 단계; 를 포함하는 영역 선택적 원자층 증착방법을 제공한다.

Description

영역 선택적 원자층 증착방법 및 그에 의해 제조된 박막{Method of areal selective atomic layer deposition and thin film manufactured by the same}
본 발명은 원자층 증착방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영역 선택적 원자층 증착방법 및 그에 의해 제조된 박막에 관한 것이다.
반도체 소자, 집적 회로, 태양 전지, 액정표시장치(Liquid Crystal Display), 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED) 등 다양한 분야에서 금속, 반도체 또는 절연체 박막이 사용된다.
박막을 형성하기 위한 방법으로는, 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD) 또는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)이 널리 사용되어 왔다. PVD 또는 CVD에서는 기판의 온도에 의하여 그 위에 증착되는 박막의 특성이 크게 좌우되는데, 이는 표면에서의 열 에너지에 의하여 화학반응 및 표면이동(surface migration) 특성이 결정되기 때문이다. 일반적으로 우수한 특성의 박막을 증착하기 위해서는 표면에 큰 에너지를 제공하여야 하나, 표면에 제공될 수 있는 에너지에는 제작되는 제품의 열 부담(thermal budget)에 의한 한계가 존재한다.
따라서 증착시 반응 메커니즘을 제어하는 ALD 방법을 사용하여 상대적으로 낮은 온도에서 양질의 박막을 증착하는 법에 대한 관심이 증가하고 있다.
원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)이란 단원자층이 화학적으로 부착되는 현상을 이용한 나노 박막 증착 기술로서, 기판 상에 산화물 또는 금속 박막을 원자층의 단위로 증착할 수 있어 상대적으로 얇은 두께로 원자의 구성을 변화시키며 적층할 수 있는 특징을 가진다.
ALD 공정에서는, 기판의 표면 환경을 단계적으로 조절하여 자체포화된 단위 원자막 원료를 형성하며, 그 표면에서 반응이 이루어진다. 자체포화된 원료 형성이라는 특성에 의하여, ALD에 의하면 원자 단위의 두께 조절이 가능하고, 원료전구체의 표면이동에 의하여 매우 복잡한 형상의 표면을 형성하는 경우에도 완벽한 균질(conformal) 박막의 증착을 가능하게 한다. 또한, ALD에서는 기체상 반응(gas phase reaction)을 최소화하기 때문에 입자 형성을 최소화할 수 있으며, 증착되는 박막의 밀도가 높고, 증착 온도를 낮출 수 있다.
원자층 증착법의 이러한 장점으로 인해 박막 형성 공정에 중요하게 사용되고 있으며, 특히, 유연기판 등 열에 약한 기판에 대해 증착을 수행하는 경우, 기존 ALD 공정에서 보다도 저온에서 공정이 이루어지는 증착 방법을 제안할 필요가 있다.
또한, 최근 박막의 사용 목적에 따라 영역 선택적으로 증착을 수행하여 패턴을 형성하는 공정이 필요한 경우가 증가하고 있다.
종래에는 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분은 차폐하고 필요한 부분을 남기는 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의해 패턴을 형성하였는데, 포토리소그래피는 포토레지스트를 패턴하는 과정에서 화학적 용액이 필요하여 오염의 위험이 있고, 여러 단계를 거쳐야 하여 비용이 많이 들어 그 활용성에 문제점이 있었다.
따라서, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 수행하지 않고도 원자층 증착법으로 패턴이 형성된 박막을 제조할 수 있는 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-2006-0021096호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 영역 선택적 원자층 증착방법 및 그에 의해 제조된 박막을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 패턴을 갖는 원자층 증착방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 본 발명의 일실시예는 패턴을 갖는 원자층 증착방법은, 기판의 표면에 원료전구체의 흡착을 방지하는 유기분자박막을 형성하는 단계; 상기 유기분자박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계; 상기 기판의 목표 영역에만 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 목표 영역 중에 상기 마스크 패턴 사이에 노출된 유기분자박막을 영역 선택적으로 분해시키는 단계; 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 및 상기 패턴을 갖는 마스크를 기판으로부터 제거하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유기분자박막은 실란(silane), 포스폰산(phosphonic acid), 설폰산(sulfonic acid), 티올(thiol) 또는 카복실산(Carboxylic acid)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유기분자박막을 형성하는 단계는 스핀 코팅(spin coating), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 분자층 증착법(Molecular Layer Deposition, MLD), 액상증착법 또는 플라즈마 중합(plasma polymerization)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴을 갖는 마스크는 섀도우마스크 또는 포토마스크일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴을 갖는 마스크는 상기 유기분자박막이 형성된 기판을 부분적으로 차폐시킴으로써, 레이저 조사 영역 중에 차폐되지 않은 기판 영역에 있는 유기분자박막 만을 분해하고, 레이저 조사 영역 중에 차폐되지 않은 기판 영역만 온도를 상승시켜서 영역 선택적으로 원자층이 형성되도록 하여 원하는 패턴을 갖는 원자층 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저는 자외선, 가시광선, 적외선, x선 또는 감마선일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저의 파장, 강도, 펄스 또는 가간섭성(cogerence)을 조절하여 각각 상이한 유기분자, 원료전구체 및 반응체의 분해 또는 반응을 유도할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원료전구체 가스를 공급하여, 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 원료전구체를 영역 선택적으로 화학 흡착시키는 단계; 상기 기판 상에 화학 흡착되지 않은 원료전구체를 제거하는 단계; 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 반응체 가스를 공급하여, 상기 반응체를 상기 화학 흡착된 원료전구체와 반응시켜서 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 및 상기 원료전구체와 반응하지 않은 반응체를 제거하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 원료전구체 가스는 금속원소 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 반응체 가스는 산소, 질소 또는 황을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 를 1회 이상 반복 수행할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 영역 선택적 원자층 증착방법에 의해 제조된 박막을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 패턴을 갖는 마스크를 도입하여 직접적으로 패턴을 형성함으로써 포토리소그래피(Photolithography) 공정 없이 다양한 패턴을 갖는 원자층 박막을 형성할 수 있으며, 기존 패터닝 공정인 photolithography 공정보다 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
레이저를 통해 기판의 온도를 국부적으로 상승시킴으로써 고온 공정이 어려운 다양한 유연기판 등에도 적용할 수 있다.
조사하는 레이저의 파장, 파워, 펄스 등의 조건 변경을 통해서 다양한 전구체 및 반응체의 분해 및 반응를 유도하여 다양한 소재 증착이 가능하다.
레이저가 조사된 부분의 표면을 개질을 통해 전구체의 흡착을 유도하여 영역선택적으로 다양한 소재를 증착할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 영역 선택적 원자층 증착방법의 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 영역 선택적 원자층 증착방법의 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착방법을 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 영역 선택적 원자층 증착방법의 순서도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영역 선택적 원자층 증착방법은, 기판의 표면에 원료전구체의 흡착을 방지하는 유기분자박막을 형성하는 단계(S100); 상기 유기분자박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계(S200); 상기 기판의 목표 영역에만 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 목표 영역 중에 상기 마스크 패턴 사이에 노출된 유기분자박막을 영역 선택적으로 분해시키는 단계(S300); 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계(S400); 및 상기 패턴을 갖는 마스크를 기판으로부터 제거하는 단계(S500); 를 포함한다.
첫째 단계에서, 기판의 표면에 원료전구체의 흡착을 방지하는 유기분자박막을 형성한다(S100).
상기 기판은 유리 기판, 구부러짐이 가능한 유연한 기판 및 반도체 기판 중 어느 하나의 기판일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
특히, 유연 소재 기판은 고온에 약해서 기존의 물리기상증착법(PVD) 또는 화학기상증착법(CVD)으로 박막을 형성 하기 위해 기판을 고온에서 가열하는 경우에는 변형을 일으킬 수 있는데, 본 발명에서는 비교적 저온으로 가능한 원자층 증착법을 사용하며, 필요에 따라 레이저로 부분적으로 가온시킴으로써 유연 기판이 견딜 수 있는 저온에서도 박막 형성이 가능하여 기판을 보호할 수 있다.
상기 유기분자박막은 자기조립(Self-Assembly) 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자기조립(Self-Assembly) 특성을 갖는 물질은 나노입자 계면활성제 또는 블록 공중합체를 포함할 수 있다.
다시 예를 들어, 상기 자기조립(Self-Assembly) 특성을 갖는 물질은 실란(silane), 포스폰산(phosphonic acid), 설폰산(sulfonic acid), 티올(thiol) 또는 카복실산(Carboxylic acid)을 포함할 수 있다.
다시 예를 들어, 상기 자기조립(Self-Assembly) 특성을 갖는 물질은 헥사메틸다이실라잔(Hexamethyldisilazane, HMDS), 테트라메틸다이실라잔 (Tetramethyldiilazane, TMDS), 메틸트라이클로로실란(methyltrichlorosilane), 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane), 부틸트리클로로실란(butyltrichlorosilane), 3-클로로프로필트리클로로실란(3-chloropropyltrichlorosilane), 3-브로모프로필트리클로로실란(3-Bromopropyltrichlorosilane), 트리클로로(3,3,3-트리플루오로프로필)실란(trichloro(3,3,3-Trifluoropropyl)silane), 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸-트리클로로실란, 펜에틸트리클로로실란, 4-(클로로메틸)페닐트리클로로실란, 2-(4-클로로설포닐페닐)에틸트리클로로실란, 페릴렌 테트라카복실산 (perylene tetracarboxylic acid, PTCA), 헥사노익산, 헵타노익산, 옥탄산, 노나노익산, 데카노익산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 아라키딕산, 12-아미노도데카노익산,1,11-운데칸디카르복시산, 메틸포스폰산, 페닐포스폰산, 옥타데실포스폰산, 및 3-머캅토프로필포스폰산, 폴리스티렌설폰산 또는 옥타데칸티올(octadecanethiol)을 포함할 수 있다.
상기 유기분자박막은 상기 자기조립(Self-Assembly) 특성을 갖는 물질들의 복합층일 수도 있고, 서로 다른 자기조립(Self-Assembly) 특성을 갖는 물질들이 적층되어 형성될 수도 있다.
상기 자기조립 특성을 갖는 물질은 비교적 긴 알킬기와 그 말단에 기판 (substrate) 표면과 상호 작용하여 공유결합 할 수 있는 작용기(functional group)를 갖는 분자들이 분자들끼리 2차원적으로 정렬하는 자기조립(self-assembly) 현상을 통해 기판 표면에 박막을 형성하게 된다.
상기 유기분자박막은 박막을 형성하는 분자의 작용기를 선택적으로 다양하게 변화시킬 수 있고 또한 그 조절도 가능하며, 기판 표면과의 결합도 강하여 막의 안정성도 뛰어나며 원하는 경우 쉽게 제거할 수도 있다.
상기 유기분자박막을 형성하는 단계는, 스핀 코팅(spin coating), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 분자층 증착법(Molecular Layer Deposition, MLD), 액상증착법 또는 플라즈마 중합(plasma polymerization)에 의해 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 유기분자박막을 형성하는 단계는 분자층증착법에 의해 수행될 수 있다.
둘째 단계에서, 상기 유기분자박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 마스크를 도입한다(S200).
상기 패턴을 갖는 마스크는 상기 유기분자박막이 형성된 기판을 부분적으로 차폐시킴으로써, 레이저 조사 영역 중에 차폐되지 않은 기판 영역에 있는 유기분자박막 만을 분해하고, 레이저 조사 영역 중에 차폐되지 않은 기판 영역만 온도를 상승시켜서 영역 선택적으로 원자층이 형성되도록 하여 원하는 패턴을 갖는 원자층 박막을 형성하도록 할 수 있다.
상기 패턴을 갖는 마스크는 기존의 패턴 도입을 위해 이용하던 포토리소그래피(photolithography) 공정을 대체한 수단일 수 있다.
상기 패턴을 갖는 마스크는 예를 들어, 포토리소그래피에 사용되는 포토 마스크(photomask) 또는 섀도우마스크(shadow mask)일 수 있다. 포토리소그래피(photolithography) 공정 대신 쉐도우 마스크를 이용하면 원자층 박막 형성 시 제조 비용이 절감되고 대량 생산에 유리할 수 있다.
상기 유기분자박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계는 예를 들어, 기판 위에 일정 거리를 유지하여 포토 마스크를 위치시켜 수행될 수 있고, 또는 쉐도우 마스크를 위치시켜서 수행될 수 있다. 여기서 포토 마스크는 유리재질에 금속으로 패턴이 그려진 것일 수 있고, 쉐도우 마스크는 금속 또는 유리 재질로 제작된 마스크 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 원하는 패턴으로 제작된 쉐도우 마스크를 도입하여 기판에 패터닝할 수 있다.
셋째 단계에서, 상기 기판의 목표 영역에만 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 목표 영역 중에 상기 마스크 패턴 사이에 노출된 유기분자박막을 영역 선택적(area selective)으로 분해시킬 수 있다(S300).
상기 상기분자박막이 분해된 영역은 활성화되어 다른 물질과 반응이 일어날 수 있게 된다.
상기 레이저는 자외선, 가시광선, 적외선, x선 또는 감마선일 수 있다.
예를 들어, 상기 유기분자박막이 헥사메틸다이실라잔인 경우, 275nm UV 레이저를 사용하여 10J/cm2의 세기로 100usec의 펄스로 20초간 기판에 조사하여, 레이저가 조사된 영역의 헥사메틸다이실라잔을 분해시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 레이저의 파장, 강도, 펄스 또는 가간섭성(cogerence)을 조절하여 각각 상이한 유기분자의 분해를 유도할 수 있다.
상기 레이저는 목표한 영역에만 조사되고, 상기 목표한 영역은 기판의 전부 또는 일부 영역일 수 있다. 또한, 상기 레이저는 마스크로 차단되지 않아 외부로 노출된 유기분자박막에만 조사될 수 있다.
상기 '영역 선택적'은 원하는 패턴이 형성된 박막을 형성하기 위해, 기판 상의 일부 영역을 선택하는 동시에 마스크로 차단되지 않아 레이저가 조사될 수 있는 영역을 선택하는 것일 수 있으며, 상기 영역 선택적인 레이저 조사로 목표한 패턴의 원자층 박막을 bottom up 방식으로 제조할 수 있다.
상기 레이저는 영역 선택적으로 조사될 수 있으며, 상기 레이저가 조사된 유기분자박막 만이 영역 선택적으로 분해되어, 이후의 단계에서 유기분자박막이 분해된 부분에서만 원자층 박막이 형성될 수 있다.
넷째 단계에서, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성할 수 있다(S400).
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 영역 선택적 원자층 증착방법의 모식도이다.
도2를 참조하면, 상기 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계는, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원료전구체 가스를 공급하여, 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 원료전구체를 영역 선택적으로 화학 흡착시키는 단계(도2(b)); 상기 기판 상에 화학 흡착되지 않은 원료전구체를 제거하는 단계(도2(c)); 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 반응체 가스를 공급하여, 상기 반응체를 상기 화학 흡착된 원료전구체와 반응시켜서 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계(도2(d)); 및 상기 원료전구체와 반응하지 않은 반응체를 제거하는 단계(도2(e)); 를 포함한다.
먼저, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원료전구체 가스를 공급하여, 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 원료전구체를 영역 선택적으로 화학 흡착시킨다(도2(b)).
상기 원료전구체는 금속원소 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속원소는 Zr, Ti, Hf, Al, Zn 또는 In를 포함할 수 있다.
또한 예를 들어, 상기 원료전구체는 아미노 화합물, 염화화합물, 알콕시화합물 또는 알킬화합물을 포함하는 금속 또는 세라믹일 수 있다.
상기 레이저의 파장, 강도, 펄스 또는 가간섭성(coherence)을 조절하여 각각 상이한 원료전구체 및 반응전구체의 분해를 유도하여 반응시킬 수 있다.
또한, 상기 레이저의 파장, 강도 펄스 또는 가간섭성(coherence)을 조절하여 유기분자박막이 형성된 기판의 표면개질을 통해 원료전구체 및 반응전구체의 흡착을 유도하여 반응시킬 수 있다.
예를 들어, 400nm 파장 및 10 J/cm2이상의 조건을 갖는UV 레이저를 조사하면 Trimethylaluminium 등의 원료전구체를 영역 선택적으로 화학흡착 시킬 수 있다.
다음으로, 상기 기판 상에 화학 흡착되지 않은 원료전구체를 제거한다(도2(c)).
불활성 가스를 사용하여 퍼지(perge)시킴으로서 화학흡착 하지 않은 원료 원료전구체 물질, 즉 원료전구체 가스 및 물리흡착한 원료전구체를 제거할 수 있다.
상기 불활성 가스는 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 반응체 가스를 공급하여, 상기 반응체를 상기 화학 흡착된 원료전구체와 반응시켜서 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성한다(도2(d)).
상기 반응체 가스는 산소, 질소 또는 황을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 반응체 가스는 H2O, O3, NH3, H2S를 포함할 수 있다.
반응체 가스를 공급하면서, 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하여 상기 반응체가 상기 원료전구체와 반응할 수 있는 온도까지 상승시키면, 상기 반응체가 마스크 패턴 사이에 노출된 기판 상에 흡착된 원료전구체와 반응하여 마스크 패턴 사이에 노출된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 원료전구체와 반응하지 않은 반응체를 제거한다(도2(e)).
불활성 가스를 사용하여 퍼지(perge)시킴으로서 원료전구체와 반응하지 않은 반응전구체를 제거할 수 있다.
원자층 증착방법(ALD)는 기체상태의 원료전구체(source precursor)를 기판 표면에 화학흡착(chemisorption)시키고, 물리흡착(physisorption)된 잉여 원료전구체 분자는 펌핑(pumping) 및 퍼지(purge)를 통한 자체포화(self-limiting) 공정을 통해 제거하며, 그 결과 단위 원자층으로 형성된 원료전구체를 반응전구체(reactant precursor)와 반응시켜 원하는 박막을 형성하는 증착법으로, 최근 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
ALD 공정에서는, 기판의 표면 환경을 단계적으로 조절하여 자체포화된 단위 원자막 원료를 형성하며, 그 표면에서 반응이 이루어진다. 자체포화된 원료 형성이라는 특성에 의하여, ALD에 의하면 원자 단위의 두께 조절이 가능하고, 원료전구체의 표면이동에 의하여 매우 복잡한 형상의 표면을 형성하는 경우에도 완벽한 균질(conformal) 박막의 증착을 가능하게 한다. 또한, ALD에서는 기체상 반응(gas phase reaction)을 최소화하기 때문에 입자 형성을 최소화할 수 있으며, 증착되는 박막의 밀도가 높고, 증착 온도를 낮출 수 있다.
원료전구체 가스를 공급하면서, 박막을 형성하고자 하는 기판에 레이저를 조사하여 원료전구체가 화학흡착할 수 있는 온도까지 올리면, 상기 원료전구체가 가열된 기판상에 영역 선택적으로 화학흡착될 수 있다. 상기 기판은 패턴을 갖는 마스크가 도입되어 있기 때문에 마스크로 차폐된 부분은 레이저가 조사되지 않아 온도가 낮아 원료전구체가 흡착되지 않고, 마스크가 개방되어 기판이 노출된 부분에 상기 원료전구체가 흡착될 수 있다.
또한 필요에 따라, 상기 레이저로 상기 기판의 일부 면적에만 선택적으로 조사하여, 원자층 형성이 필요한 부분에만 국부적으로 온도를 증가시켜서 상기 기판의 일부분에만 원료전구체를 영역 선택적으로 화학흡착시키고, 최종적으로 상기 기판의 일부분에만 원자층 증착 박막을 형성할 수도 있다.
또한 필요에 따라, 상기 레이저로 상기 기판의 일부 면적에만 선택적으로 조사하여, 원자층 형성이 필요한 부분에만 기판의 표면 개질을 유도하여 상기 기판의 일부분에만 원료전구체를 영역 선택적으로 화학흡착시키고, 최종적으로 상기 기판의 일부분에만 영역 선택적으로 원자층 증착 박막을 형성할 수도 있다.
다섯째 단계에서, 상기 패턴을 갖는 마스크를 기판으로부터 제거한다(S500).
상기 마스크를 제거하는 단계는 공지된 섀도우마스크 또는 포토마스크 제거 방법에 의해 수행될 수 있다
추가적으로, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 를 1회 이상 반복 수행할 수 있다.
즉, 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원료전구체 가스를 공급하여, 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 형성된 원자층 박막 상에 원료전구체를 영역 선택적으로 화학 흡착시키는 단계; 상기 기판 상에 화학 흡착되지 않은 원료전구체를 제거하는 단계; 상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 반응체 가스를 공급하여, 상기 반응체를 상기 화학 흡착된 원료전구체와 반응시켜서 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 및 상기 원료전구체와 반응하지 않은 반응체를 제거하는 단계; 를 1회 이상 반복 수행할 수 있다.
상기 반복 횟수가 증가할수록 최종생성물인 원자층 증착 박막의 두께는 두꺼워지게 되며, 사용 목적에 따라 적절한 두께를 선택해서 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 영역 선택적 원자층 증착방법에 의해 제조된 패턴을 갖는 박막을 설명한다.
본 발명의 원자층 박막은 패턴을 갖는 마스크를 도입하여 bottom up 방식으로 마스크 패턴이 차폐하지 않은 노출된 기판 상에 제조되었으므로, 기존의 포토리소그래피 공정을 수행하지 않아 신뢰성이 우수할 수 있다.
또한, 본 발명의 원자층 박막은 제조목적에 따라 선택적으로 기판 상에 일부분에만 패턴을 가질 수도 있다.
예를 들어, 상기 패턴을 갖는 박막은TiN, WN, TaN 등의 금속 질화막이나, W 등의 금속 박막, Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, TiO2등과 같은 금속 산화막이나 ZnS, InS, MoS2등과 같은 금속황화막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예
먼저, 기판 상에 원료전구체의 흡착을 방지하는 헥사메틸다이실라잔 박막을 분자층증착법으로 형성하였다. 다음으로, 상기 헥사메틸다이실라잔 박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 섀도우마스크를 도입하였다. 다음으로, 275nm UV 레이저를 사용하여 10J/cm2의 세기로 100usec의 펄스로 20초간 기판에 조사하여, 레이저가 조사된 영역의 헥사메틸다이실라잔을 분해시켰다. 다음으로, 50℃ 내지 100℃의 온도가 되도록 UV 레이저를 조사하면서 원료전구체인 트리메틸알루미늄 가스를 공급하여 상기 헥사메틸다이실라잔이 분해되어 노출된 기판 상에 트리메틸알루미늄을 화학 흡착시켰다. 다음으로, 질소기체를 이용하여 기판 상에 화학 흡착되지 않은 트리메틸알루미늄을 퍼지하였다. 다음으로, 50℃ 내지 100℃의 온도가 되도록 UV 레이저를 조사하면서 오존을 공급하여 상기 오존을 상기 트리메틸알루미늄과 반응시켜서 영역 선택적으로 산화알루미늄 박막을 형성하였다. 다음으로, 질소기체를 이용하여 반응하지 않은 오존을 퍼지하였다. 다음으로, 마스크로부터 기판을 제거하여 영역 선택적 산화알루미늄 박막을 제조하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 패턴을 갖는 마스크를 도입하여 직접적으로 패턴을 형성함으로써 포토리소그래피(Photolithography) 공정 없이 다양한 패턴을 갖는 원자층 박막을 형성할 수 있으며, 기존 패터닝 공정인 photolithography 공정보다 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
레이저를 통해 기판의 온도를 국부적으로 상승시킴으로써 고온 공정이 어려운 다양한 유연기판 등에도 적용할 수 있다.
조사하는 레이저의 파장, 파워, 펄스 등의 조건 변경을 통해서 다양한 전구체 및 반응체의 분해 및 반응를 유도하여 다양한 소재 증착이 가능하다.
레이저가 조사된 부분의 표면을 개질을 통해 전구체의 흡착을 유도하여 영역선택적으로 다양한 소재를 증착할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 기판의 표면에 원료전구체의 흡착을 방지하는 유기분자박막을 형성하는 단계;
    상기 유기분자박막이 형성된 기판 상에 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계;
    상기 기판의 목표 영역에만 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 목표 영역 중에 상기 마스크 패턴 사이에 노출된 유기분자박막을 영역 선택적으로 분해시키는 단계;
    상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 패턴을 갖는 마스크를 기판으로부터 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기분자박막을 형성하는 단계에서,
    상기 유기분자박막은 실란(silane), 포스폰산(phosphonic acid), 설폰산(sulfonic acid), 티올(thiol) 또는 카복실산(Carboxylic acid)을 포함하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기분자박막을 형성하는 단계는 스핀 코팅(spin coating), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 분자층 증착법(Molecular Layer Deposition, MLD), 액상증착법 또는 플라즈마 중합(plasma polymerization)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계에서,
    상기 패턴을 갖는 마스크는 섀도우마스크 또는 포토마스크인 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패턴을 갖는 마스크를 도입하는 단계에서,
    상기 패턴을 갖는 마스크는 상기 유기분자박막이 형성된 기판을 부분적으로 차폐시킴으로써, 레이저 조사 영역 중에 차폐되지 않은 기판 영역에 있는 유기분자박막 만을 분해하고, 레이저 조사 영역 중에 차폐되지 않은 기판 영역만 온도를 상승시켜서 영역 선택적으로 원자층이 형성되도록 하여 원하는 패턴을 갖는 원자층 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저의 파장, 강도, 펄스 또는 가간섭성(cogerence)을 조절하여 각각 상이한 유기분자, 원료전구체 및 반응체의 분해 또는 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원료전구체 가스를 공급하여, 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 원료전구체를 영역 선택적으로 화학 흡착시키는 단계;
    상기 기판 상에 화학 흡착되지 않은 원료전구체를 제거하는 단계;
    상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 반응체 가스를 공급하여, 상기 반응체를 상기 화학 흡착된 원료전구체와 반응시켜서 상기 마스크 패턴 사이에 노출되어 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 원료전구체와 반응하지 않은 반응체를 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 원료전구체를 영역 선택적으로 화학 흡착시키는 단계에서,
    상기 원료전구체 가스는 금속원소 또는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계에서,
    상기 반응체 가스는 산소, 질소 또는 황을 포함하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 목표 영역에만 온도가 증가하도록 레이저를 조사하면서 원자층증착법(ALD)을 수행하여, 상기 유기분자박막이 분해된 기판 상에 영역 선택적으로 원자층 박막을 형성하는 단계; 를 1회 이상 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 영역 선택적 원자층 증착방법.
  11. 제1항의 영역 선택적 원자층 증착방법에 의해 제조된 박막.
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