KR20220158515A - 스프레이 코터 및 이를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터 - Google Patents

스프레이 코터 및 이를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터 Download PDF

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KR20220158515A
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Abstract

본 개시에 따른 스프레이 코터는, 적어도 하나의 분사 노즐이 구비되어 코팅 재료를 분사하도록 구성된 분사 노즐부, 상기 분사 노즐부가 장착된 이송 블록을 적어도 평면 방향으로 구동시키며 상기 분사 노즐부의 위치를 제어하는 분사 노즐 이송부, 상기 분사 노즐부의 아래에 위치하며, 코팅 대상이 되는 기판을 안착시키도록 구성된 기판 안착부, 코팅 전의 기판 또는 코팅 후의 기판이 수용되는 기판 캐리어, 상기 기판 캐리어로부터 상기 코팅 전의 기판을 인출하여 상기 기판 안착부에 제공하거나, 상기 기판 안착부로부터 상기 코팅 후의 기판을 인출하여 상기 기판 캐리어에 적재하도록 구성된 로봇 암을 포함한다.

Description

스프레이 코터 및 이를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터{SPRAY COATER AND THIN FILM TRANSISTOR FABRICATED USING THE SAME}
본 개시는 분사 도포 방식의 박막성형을 위한 스프레이 코터 및 이를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
스프레이 코터는 분무를 이용한 코팅 방법을 수행하는 장비로서, 도포액을 안개 형태의 미스트로 만들어 대상 기재의 표면에 도포하는 시스템을 갖추고 있다. 스프레이 코터 시스템은 장비가 고도화·다양화되면서 터치 패널의 투명 도전막 등 낱장의 박막 코팅부터 태양 전지의 부재, 반도체의 포토레지스트 도포까지 폭넓은 용도로 활용될 수 있다.
스프레이 코터 시스템은 적은 양을 분사해도 원하는 두께를 조절할 수 있기 때문에 경제적이며, 기재 표면의 단차, 요철, 굴곡의 형상에도 균일한 두께로 도포 가능하고, 사각형 및 다각형의 기재에 박막 도포가 용이할 뿐만 아니라 원통형의 기재도 코팅이 가능한 특징을 갖는다.
그러나 대상 기재의 로딩(loading) 및 언로딩(unloading)이 수작업으로 이루어지는 경우 작업 속도가 느리거나 정밀한 제어가 어려운 문제가 있었다. 또한 대상 기재에 서로 다른 물질로 구성된 복수의 막을 순차 도포하기 위해서는 공정 조건이 다른 챔버 환경을 설정하고 종류가 다른 재료를 사용하여 도포해야 하는 번거로움이 있었다.
본 개시의 일 측면은 자동제어 방식으로 대상 기판의 로딩 및 언로딩이 가능하고, 복수의 재료를 사용하여 복수의 막을 순차 도포하기에 적합한 스프레이 코터를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
일 실시예에 따른 스프레이 코터는, 적어도 하나의 분사 노즐이 구비되어 코팅 재료를 분사하도록 구성된 분사 노즐부, 상기 분사 노즐부가 장착된 이송 블록을 적어도 평면 방향으로 구동시키며 상기 분사 노즐부의 위치를 제어하는 분사 노즐 이송부, 상기 분사 노즐부의 아래에 위치하며, 코팅 대상이 되는 기판을 안착시키도록 구성된 기판 안착부, 코팅 전의 기판 또는 코팅 후의 기판이 수용되는 기판 캐리어, 및 상기 기판 캐리어로부터 상기 코팅 전의 기판을 인출하여 상기 기판 안착부에 제공하거나, 상기 기판 안착부로부터 상기 코팅 후의 기판을 인출하여 상기 기판 캐리어에 적재하도록 구성된 로봇 암을 포함한다.
상기 기판 안착부는, 승강하면서 상기 기판을 수직 방향으로 이동시키는 수직 이동 홀더와, 상기 기판을 아래에서 지지하도록 구성된 지지판을 더 포함할 수 있다.
상기 수직 이동 홀더는, 상기 분사 노즐부의 아래에서 적어도 수직 방향으로 이동 가능한 홀더 몸체, 및 상기 홀더 몸체로부터 한 쌍이 연장되어 상기 기판을 상기 지지판에 안착시키거나 상기 지지판으로부터 들어올리도록 구성된 홀더 암을 포함할 수 있다.
상기 홀더 암은 상기 지지판의 가장자리에 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
상기 홀더 암은 상기 기판을 하부에서 지지하는 하면 지지 부분과 상기 기판을 측방에서 지지하는 측면 지지 부분을 포함할 수 있다.
상기 홀더 암은 한 쌍의 상기 하면 지지 부분을 포함하고, 상기 한 쌍의 하면 지지 부분 사이의 거리는 상기 지지판의 수평 방향 폭보다 더 넓게 형성될 수 있다.
온도 제어수단을 더 포함한 가열판을 더 포함할 수 있다.
상기 가열판은 상기 기판의 온도를 300 내지 500℃의 범위 내로 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 로봇 암은 수평 다관절 로봇을 포함할 수 있다.
상기 스프레이 코터는, 상기 분사 노즐부, 분사 노즐 이송부, 및 기판 안착부를 수용하는 분사 챔버, 및 상기 로봇 암을 수용하는 로드락 챔버를 포함하고, 상기 분사 챔버와 로드락 챔버는 개폐 가능한 챔버 게이트를 통해 서로 연통하도록 구성될 수 있다.
상기 로드락 챔버는 상기 기판 캐리어를 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 분사 챔버는 서로 인접하면서 서로 폐쇄된 복수 개의 서브 분사 챔버를 포함하고, 상기 복수 개의 서브 분사 챔버 각각은 분사 노즐부, 분사 노즐 이송부, 및 기판 안착부를 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 복수 개의 서브 분사 챔버 각각과 상기 로드락 챔버는 개폐 가능한 챔버 게이트를 통해 서로 연통하도록 구성될 수 있다.
상기 분사 챔버와 상기 로드락 챔버는 대기압 환경, 질소(N2) 환경 또는 진공 환경을 포함할 수 있다.
상기 분사 노즐부는 주입되는 전구체 용액(precursor)에 암모늄 아세테이트 (Ammonium Acetate)(CH3CO2NH4)가 포함될 수 있다.
스프레이 코팅 시에 사용하는 프리커서를 정제하는 프리커서 정제부를 더 포함할 수 있다.
상기 프리커서는 Nitride based precursor: M(NO3), Acetylacetonate based precursor: M(CH3COCH2COCH3), 또는 Acetate based precursor: M(CH3COO-)를 포함하거나, 상기 프리커서에 암모늄 아세테이트(ammonium acetate)가 첨가될 수 있다.
여기서, M은 metal의 약자로, In, Zn, Ga, Tin으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
상기 프리커서는 농도가 0.2M 이하일 수 있다.
상기 로드락 챔버에 인접하여 UV/O3 또는 Ar/O2 플라즈마 처리를 수행할 수 있는 플라즈마 처리부를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 상기 스프레이 코터를 이용하여 제조될 수 있다.
상기 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 IGZO, IGTO, ITZO, IGZTO, IGO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 SiO2, SiNx, ZrOx, AlOx, ZrAlOx 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 절연층이 게이트 절연층 또는 TFT 보호층으로 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 박막 제조방법은 상기한 스프레이 코터를 이용하여 강유전성(Ferroelectric) HZO (HfZrO) 박막 또는 ZrOx, AlOx 및 강유전성 ZrOx/HZO/AlOx 박막을 제조할 수 있다.
실시예들에 따른 스프레이 코터는 로봇 암을 이용하여 자동제어 방식으로 대상 기판의 로딩 및 언로딩이 가능하다.
또한 복수의 분사 챔버를 구비하여 서로 독립적으로 코팅 공정을 진행함으로써 복수의 재료를 사용하여 복수의 막을 대상 기판에 순차 도포할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 기판 안착부를 도시한 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 작동 과정을 단계별로 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 작동 과정을 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 챔버 게이트의 변형예를 도시한 정면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 9의 (a)는 분무 열분해에 의한 IGZO 막을 증착하는 모습을 도시한 개략도이고, 도 9의 (b)는 BG IGZO TFT의 단면을 도시한 개략도이며, 도 9의 (c)는 채널 폭과 길이가 각각 50 μm 및 10μm 인 제조 후 TFT의 광학 이미지를 나타낸 것이다.
도 10의 (a)는 포화 이동성(saturation mobility)을 갖는 IGZO TFT의 전달 곡선(transfer curve)을 나타낸 것이고, 도 10의 (b)는 IGZO TFT의 출력 곡선(output curve)을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
명세서 전체에서, "포함한다" 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. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 평면도이며, 도 3은 스프레이 코터의 기판 안착부를 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 스프레이 코터(100)는 코팅 재료를 분사하도록 구성된 분사 노즐부(120)와 이 분사 노즐부(120)의 위치를 제어하는 분사 노즐 이송부(130), 그리고 분사 노즐부(120)의 아래에 위치하는 기판 안착부(140)를 포함한다. 분사 노즐 이송부(130)와 기판 안착부(140)는 베이스 스테이지(미도시) 상에 장착되어 설치될 수 있다.
분사 노즐부(120)는 적어도 하나의 분사 노즐(121)이 구비될 수 있으며, 분사 노즐(121)은 노즐 홀더(123)에 삽입되어 고정될 수 있다. 또한 분사 노즐(121)은 코팅 재료 저장 용기(미도시)로부터 연결된 재료 공급관(126)을 통해 코팅에 필요한 코팅 재료를 공급받을 수 있다.
분사 노즐 이송부(130)는 분사 노즐부(120)가 장착된 제1 이송 블록(131)을 포함하고, 일례로 분사 노즐부(120)는 노즐 홀더(123)가 제1 이송 블록(131)에 고정됨으로써 제1 이송 블록(131)에 장착될 수 있다. 제1 이송 블록(131)은 제2 이송 블록(134) 상에 제공된 가이드 레일을 따라 제1 방향(도면의 y축 방향)으로 왕복운동 하도록 제어될 수 있다. 또한 제2 이송 블록(134)은 제1 방향으로 길게 연장되고, 양쪽 끝의 하부에 각각 제3 이송 블록(135)이 제공되어 상기 베이스 스테이지 상에 제공된 가이드 레일을 따라 제2 방향(도면의 x축 방향)으로 왕복운동 하도록 제어될 수 있다. 따라서 분사 노즐부(120)는 이송 블록들(131, 134, 135)에 의해 적어도 평면 방향(도면의 x-y 평면)으로 구동되면서 코팅 공정을 위해 요구되는 위치가 제어될 수 있다. 또한, 분사 노즐부(120)는 사용자에 의해 수직 방향(도면의 z축 방향)으로 이동되어 기판(20)과 분사 노즐(121) 사이의 거리를 임의로 조절할 수 있다.
기판 안착부(140)는 분사 노즐부(120)의 아래에서 코팅 대상이 되는 기판(20)이 안착되도록 구성될 수 있다. 여기서 기판(20)은 글래스(glass) 기판일 수 있으며, 다른 예로 실리콘 웨이퍼 기판, 플라스틱 기판 등 분사 공정에 적용되는 모든 종류의 기판을 포함할 수 있다. 기판 안착부(140)는 분사 노즐부(120)의 아래에서 코팅 대상이 되는 기판(20)이 안착되고 지지되도록 수직 이동 홀더(141)와 지지판(145)을 포함할 수 있다. 수직 이동 홀더(141)는 기판(20)보다 더 큰 폭을 가지며 양쪽에서 기판(20)을 홀딩하여 수직 이동시킬 수 있고, 지지판(145)에는 필요한 온도로 제어할 수 있도록 온도 제어수단이 더 구비된 가열판으로 구성되어 분사 공정 동안 기판(20)을 지지할 수 있다. 가열판으로 구성된 지지판(145)은 일례로 상온에서 최대 600℃까지의 온도범위에서 제어될 수 있으며, 스프레이 코팅 시에 균일한 박막을 형성하기 위하여 기판(20)의 온도를 300 ~ 500 ℃ 사이로 유지할 수 있다.
수직 이동 홀더(141)는 분사 노즐부(120)의 아래에서 승강하면서 기판(20)을 지지판(145)에 안착시키거나 지지판(145)으로부터 들어올리도록 구성될 수 있다.
수직 이동 홀더(141)는 홀더 몸체(142)와 이로부터 연장된 한 쌍의 홀더 암(143)을 포함할 수 있다. 홀더 몸체(142)는 분사 노즐부(120)의 아래에서 적어도 수직 방향(도면의 z축 방향)으로 이동 가능하도록 구성되고, 한 쌍의 홀더 암(143)은 지지판(145)의 양쪽 가장자리 외측에서 이들 가장자리에 평행한 방향(도면의 x축 방향)으로 연장될 수 있다. 또한 한 쌍의 홀더 암(143)은 기판(20)을 하부에서 지지하는 하면 지지 부분(143a)과 기판(20)을 측방에서 지지하는 측면 지지 부분(143b)을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 지지판(145)의 y축 방향 폭은 한 쌍의 홀더 암(143)의 하면 지지 부분(143a)의 y축 방향 이격 거리보다 더 작게 이루어져 한 쌍의 홀더 암(143)이 지지판(145)을 기준으로 위아래로 이동될 수 있다. 기판(20)의 y축 방향 폭은 지지판(145)의 y축 방향 폭 및 한 쌍의 홀더 암(143)의 하면 지지 부분(143a)의 y축 방향 이격 거리보다 더 크게 이루어질 수 있으며, 한 쌍의 홀더 암(143)의 측면 지지 부분(143b)의 y축 방향 이격 거리보다는 더 작게 이루어질 수 있다. 따라서 한 쌍의 홀더 암(143)이 기판(20)을 장착한 상태에서 지지판(145)을 z축 방향으로 지나게 되면 기판(20)은 지지판(145) 상에 안착될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 스프레이 코터(100)는 기판(20)을 들어올려 로딩할 수 있는 로봇 암(151)과 이 로봇 암(151)의 일측에 위치하여 기판(20)을 수용하는 기판 캐리어(161)를 포함할 수 있다.
로봇 암(151)은 일례로 수평 다관절 로봇, 즉 SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)를 포함할 수 있다. 수평 다관절 로봇은 일반적으로 1 개의 선형 (수직) 운동과 2 개의 회전운동으로써 공간상의 어떠한 지점에 도달할 수 있다. 즉, 수평 다관절 로봇을 포함하는 로봇 암(151)은 수직 요소인 베이스에 고정된 2 개의 수평관절 세그먼트와 1 개의 선형 수직운동 축을 가질 수 있다. 그리고 로봇 암(151)의 선형 수직운동 축의 말단에는 핸들링 스트립(152)이 고정되어 기판(20)을 들어올리거나 안착시킬 수 있다.
따라서 로봇 암(151)은 기판 캐리어(161)로부터 코팅 전의 기판(20)을 인출하여 기판 안착부(140)에 제공하거나, 기판 안착부(140)로부터 코팅 후의 기판(20)을 인출하여 기판 캐리어(161)에 적재하는 작동을 구현할 수 있다. 기판 캐리어(161)는 코팅 전의 기판(20)과 코팅 후의 기판(20)을 수용할 수 있으며, 선택에 따라 하나의 기판 캐리어(161)에 구역을 달리하여 코팅 전후의 기판(20)을 구분 적재하거나 서로 다른 복수의 기판 캐리어(161)에 각각 코팅 전의 기판(20)과 코팅 후의 기판(20)을 구분하여 개별로 적재할 수 있다.
한편, 상기한 구성들을 갖는 스프레이 코터(100)는 복수의 서로 구분된 챔버를 포함하고, 이들 구성들이 각 챔버에 수용되도록 구성될 수 있다.
일례로, 본 실시예에 따른 스프레이 코터(100)는 분사 챔버(110), 로드락(load-lock) 챔버(150)를 포함할 수 있다. 분사 챔버(110)에는 분사 노즐부(120), 분사 노즐 이송부(130) 및 기판 안착부(140)가 수용될 수 있다. 로드락 챔버(150)에는 로봇 암(151)과 기판 캐리어(161)가 함께 수용될 수 있다.
여기서 분사 챔버(110)와 로드락 챔버(150)는 개폐 가능한 챔버 게이트(156)를 통해 서로 연통하도록 구성될 수 있다. 일례로, 로봇 암(151)을 이용하여 기판(20)을 로딩할 때에는 챔버 게이트(156)가 개방되어 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)이 챔버 게이트(156)를 통해 드나들도록 할 수 있다. 이 때 챔버 게이트(156)는 로봇 암(151)의 로딩 및 언로딩 작동 시 자동으로 개폐되도록 제어될 수 있다.
이러한 분사 챔버(110)와 로드락 챔버(150)는 대기압 환경 또는 진공 환경을 포함할 수 있다. 즉, 분사 챔버(110)와 로드락 챔버(150)가 모두 대기압 환경에서 작동되거나, 또는 모두 진공 환경에서 작동될 수 있다. 또한 분사 노즐부(120)는 주입되는 전구체 용액에 암모늄 아세테이트 (Ammonium Acetate)(CH3CO2NH4) 안정제가 포함되도록 할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 작동 과정을 단계별로 개략적으로 도시한 사시도이다.
수직 이동 홀더(141)는 지지판(145)의 상부에 위치하고, 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)은 지지판(145)의 상부에서부터 수직 방향으로 하강하면서 기판(20)을 수직 이동 홀더(141)의 홀더 암(143)에 놓이도록 전달할 수 있다(도 4의 step 1 및 2 참조).
수직 이동 홀더(141)의 홀더 암(143)은 홀더 몸체(142)로부터 양쪽에서 한 쌍이 연장되므로 가운데가 비어 있고, 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)은 좁고 긴 편부재로 이루어지므로 한 쌍의 홀더 암(143) 사이에서 서로 간섭되지 않으며 기판(20)을 홀더 암(143)에 안착시키고 빠질 수 있다(도 4의 step 3 참조).
이렇게 기판(20)을 전달받은 수직 이동 홀더(141)는 다시 수직 방향으로 하강하면서 기판(20)을 지지판(145) 상에 지지되도록 안착시킬 수 있다. 이후 수직 이동 홀더(141)를 계속 하강시키면 홀더 암(143)은 지지판(145)을 지나서 더 아래쪽으로 하강하게 되고, 기판(20)은 지지판(145)에 지지된 상태로 유지될 수 있다(도 4의 step 4 및 5 참조).
분사 노즐(121)이 구동되어 지지판(145) 상에 위치한 기판(20)의 상부로 이동되어 코팅 공정이 수행될 수 있다. 이 때, 수직 이동 홀더(141)는 지지판(145)으로부터 더욱 후방으로 이동되어 코팅 공정에 의한 영향을 받지 않도록 할 수 있다. 지지판(145)은 그 위에 안착된 기판(20)의 온도를 상승시킨 상태에서 분사 노즐(121)로 분사 코팅시킬 수 있다(도 4의 step 6 참조).
코팅이 완료된 기판(20)은 설정된 경화 또는 레벨링 시간 후에 수직 이동 홀더(141)가 다시 진입하여 상승하면서 지지판(145)으로부터 기판(20)을 분리시킬 수 있다(도 4의 step 7 및 8 참조).
지지판(145)으로부터 기판(20)이 분리되면 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)이 다시 진입하여 기판(20)을 수직 이동 홀더(141)의 홀더 암(143)으로부터 수거해 갈 수 있다(도 4의 step 9 및 10 참조).
도 5는 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 작동 과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5는 로봇 암(151)을 이용하여 기판(20)을 수직 이동 홀더(141)에 안착시키는 과정을 나타낸 것이다.
본 실시예에 따른 스프레이 코터(100)에서 로봇 암(151)은 코팅 대상이 되는 기판(20)을 기판 캐리어(161)로부터 인출하여 분사 챔버(110) 내로 반송시킬 수 있다. 로봇 암(151)이 수용되는 로드락 챔버(150)와 분사 챔버(110)는 서로 폐쇄되어 있으며, 챔버 게이트(156)를 통해서 서로 연통되어 있다. 챔버 게이트(156)는 일례로 슬라이딩 도어(157)가 아래로 열리고 위로 닫히며 챔버 게이트(156)를 개방 및 폐쇄할 수 있다.
도 5를 참조하면, 슬라이딩 도어(157)가 열리면서 챔버 게이트(156)가 개방되면, 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)이 챔버 게이트(156)를 통해 분사 챔버(110) 내부로 인입될 수 있다. 이 때 분사 챔버(110) 내에서 수직 이동 홀더(141)는 핸들링 스트립(152)의 하부에 위치하고, 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)은 수직 방향(도면의 z축 방향)으로 하강하면서 기판(20)을 수직 이동 홀더(141)의 홀더 암(143)에 놓이도록 전달할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 스프레이 코터의 챔버 게이트의 변형예를 도시한 정면도이다.
도 6을 참조하면, 본 변형예에서는 로드락 챔버(150)와 분사 챔버(110)를 구분하는 챔버 월(155)에 챔버 게이트(156')가 형성되고 이러한 챔버 게이트(156')에 좌우로 여닫을 수 있는 좌우 슬라이딩 도어(157')가 설치될 수 있다. 좌우 슬라이딩 도어(157')는 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)의 구동과 연동되어 개폐가 제어될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 스프레이 코터(200)는 분사 챔버(210, 220, 230), 로드락 챔버(250)를 포함하고, 분사 챔버(210, 220, 230)는 복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230), 일례로 3개의 서브 분사 챔버(210, 220, 230)를 포함할 수 있다. 복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230)는 서로 인접하면서 서로 폐쇄되도록 구성될 수 있으며, 복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230) 각각은 분사 노즐부(120), 분사 노즐 이송부(130), 및 기판 안착부(140)를 수용하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 분사 챔버를 서로 인접한 복수의 서브 분사 챔버로 구성함으로써 본 실시예에 따른 스프레이 코터(200)는 클러스터 형의 스프레이 코터로 구성될 수 있다.
복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230)는 로드락 챔버(250)를 중심으로 서로 인접하도록 배치될 수 있다. 그리고 로봇 암(151)을 수용하고 있는 로드락 챔버(250)는 복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230) 각각과 개폐 가능한 챔버 게이트(156)를 통해 서로 연통하도록 구성될 수 있다. 따라서 로봇 암(151)의 핸들링 스트립(152)은 각각의 챔버 게이트(156)를 통해 들고나면서 각 서브 분사 챔버(210, 220, 230)에 기판(20)을 제공하거나 인출시킬 수 있다.
일례로, 복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230)는 게이트 절연막용 분사 챔버(210), 산화물 반도체용 분사 챔버(220), 및 페시베이션용 분사 챔버(230)를 포함할 수 있다. 게이트 절연막용 분사 챔버(210)는 일례로 SiO2, SiNx, ZrOx, AlOx, ZAO, LaZrO, HfOx 등의 게이트 절연막(Gate Insulator, GI)을 기판(20)에 증착할 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 산화물 반도체용 분사 챔버(220)는 일례로 IGZO, IGTO, IZTO, ZnO, LaZnO, InOx 반도체를 기판(20)에 증착할 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 또한 페시베이션용 재료의 일례로서, SiO2, SiNx, AlOx, ZrOx, AlOx/ZrOx, ZrOx/AlOx, YOx을 선택적으로 포함할 수 있다.
따라서 하나의 기판(20)을 로봇 암(151)을 이용하여 복수의 서브 분사 챔버(210, 220, 230)에 순차적으로 로딩 및 언로딩 하며 코팅 공정을 수행함으로써 다층(multilayer) 박막을 형성할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 스프레이 코터를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 스프레이 코터(300)는 프리커서 정제부(310), 플라즈마 처리부(320), 분사 챔버(330, 340, 350), 및 로드락 챔버(305)를 포함할 수 있다. 여기서 분사 챔버(330, 340, 350)는 복수의 서브 분사 챔버(330, 340, 350), 일례로 3개의 서브 분사 챔버(330, 340, 350)를 포함할 수 있다.
프리커서 정제부(310)에는 스프레이 코팅에 사용하는 프리커서(precursor)를 정제하는 장치가 구비될 수 있고, 플라즈마 처리부(320)에는 UV/O3, Ar/O2 플라즈마 처리 장비가 구비될 수 있다. 복수의 서브 분사 챔버(330, 340, 350)는 서로 인접하면서 서로 폐쇄되도록 구성될 수 있으며, 복수의 서브 분사 챔버(330, 340, 350) 각각은 분사 노즐부, 분사 노즐 이송부, 및 기판 안착부를 수용하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 프리커서 정제부(310), 플라즈마 처리부(320), 및 서브 분사 챔버(330, 340, 350)를 서로 인접한 복수의 챔버로 구성함으로써 본 실시예에 따른 스프레이 코터(300)는 클러스터 형의 스프레이 코터로 구성될 수 있다.
플라즈마 처리부(320), 및 복수의 서브 분사 챔버(330, 340, 350)는 로드락 챔버(305)를 중심으로 서로 인접하도록 배치될 수 있다. 그리고 로봇 암을 수용하고 있는 로드락 챔버(305)는 플라즈마 처리부(320) 및 복수의 서브 분사 챔버(330, 340, 350) 각각과 개폐 가능한 챔버 게이트를 통해 서로 연통하도록 구성될 수 있다. 따라서 로봇 암의 핸들링 스트립은 각각의 챔버 게이트를 통해 들고나면서 각 플라즈마 처리부(320)와 서브 분사 챔버(330, 340, 350)에 기판을 제공하거나 인출시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 스프레이 코터(300)에서 스프레이 코팅 시에 프리커서로 Nitride based precursor: M(NO3), Acetylacetonate based precursor: M(CH3COCH2COCH3), 또는 Acetate based precursor: M(CH3COO-)를 사용할 수 있으며, 프리커서에 (M은 metal의 약자 (예, In, Zn, Ga, Tin 등)) ammonium acetate를 첨가할 수 있다. 이러한 프리커서는 프리커서 정제부(310)에서 정제될 수 있으며, 스프레이 코팅 시에 균일한 박막을 형성하기 위하여 노즐에 주입되는 프리커서의 농도가 0.2M 이하일 수 있다.
이상 설명한 스프레이 코터를 이용하여 IGZO, IGTO, ITZO, IGZTO, IGO 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다. 또한 SiO2, SiNx, ZrOx, AlOx, ZrAlOx 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 절연층이 게이트 절연층 또는 TFT 보호층으로 사용되어 상기 박막 트랜지스터가 제조될 수 있다. 또한 상기 스프레이 코터를 이용하여 강유전성 (Ferroelectric) HZO (HfZrO) 박막을 제조할 수 있으며, ZrOx, AlOx 및 강유전성 ZrOx/HZO/AlOx 박막을 제조할 수 있다.
이하에서는 예시적인 실시예를 통해 스프레이 코터를 이용하여 박막 트랜지시터(TFT, thin film transistor)를 제작하고, 이렇게 제작된 박막 트랜지시터의 전기적 특성을 측정한 결과를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로 한정되는 의도는 아니다.
실시예 1. IGZO TFT의 제작
상기 도 7을 참조하여 설명한 스프레이 코터를 이용하여 하부 게이트, 상부 접촉 IGZO TFT를 제작하였다. DC 스퍼터링에 의해 40 nm 몰리브덴 (Mo) 막을 유리 기판에 증착하고 게이트 전극으로 패터닝 하였다. 지르코늄 산화물 (ZrOx) 박막은 3500rpm에서 30 초 동안 스핀 코팅하여 패터닝된 Mo 백플레인에 증착되었다. 250℃ 핫 플레이트에서 5 분간 경화시킨 후 UV/O3 처리를 200 초간 진행하였다. 이 과정을 두 번 반복하여 40nm의 ZrOx 막을 얻은 다음 350℃에서 2 시간 동안 에어 퍼니스(air furnace)에서 어닐링하였다.
IGZO 층은 산화물 반도체용 분사챔버 (220)에서 증착되며, 350, 400, 425, 450℃ 가열판에서 분무 열분해에 의해 증착되었다. ~12nm의 IGZO 막을 형성하기 위해 0.1M의 IGZO 전구체 용액을 연속 8주기 동안 분무하였다. 분사 노즐과 기판 사이의 거리는 10cm로 유지되었고 분사 유속은 약 3ml/min이었다. 5 분간 경화 후 포토 리소그래피로 패터닝하고 습식 에칭하여 활성 아일랜드(active island)를 형성하였다.
활성 아일랜드 형성 후, 비아 홀을 사용하여 패터닝하여 게이트 컨택 패드를 개방하였다. 40nm 몰리브덴 (Mo) 막은 스퍼터링에 의해 증착되고 게이트 절연막 상에 소스/드레인 전극으로 패터닝 되었다. 전기적 특성화를 위해 50μm/10μm의 채널 폭/길이 비율을 사용하였다. 커피 링이 없는 IGZO 막을 증착하기 위하여 350, 400, 425, 450℃ 가열판에서 분무 열분해하였다. 도 8의 (a)는 분무 열분해에 의한 IGZO 막을 증착하는 개략도를 나타낸다. 도 8의 (b)는 BG IGZO TFT의 단면 개략도를 나타내며 도 8의 (c)는 채널 폭과 길이가 각각 50 μm 및 10μm 인 제조 후 TFT의 광학 이미지를 나타낸다.
실시예 2. IGZO TFT의 전기적 특성의 측정
실시예 1에서 제작된 IGZO TFT 의 전기적 특성을 측정하기 위해 Agilent 4156C 반도체 매개 변수 분석기를 사용하였다.
포화 이동성 (μsat), 임계 전압 (VTH) 및 임계 값 이하 스윙 (SS) 형태의 IGZO의 40 개 TFT의 전기적 성능에 대한 표준 편차가 있는 통계 요약을 하기 표 1에 나타냈다.
[표 1]
Figure pat00001
도 9의 (a)는 포화 이동성(saturation mobility)을 갖는 IGZO TFT의 전달 곡선(transfer curve)을 나타낸다. 표 1 및 도 9의 (a)를 참조하면, 350℃에서 증착 된 IGZO TFT는 8.50cm2V-1s-1의 포화 이동성 (μsat), 1.74V의 임계 전압 (VTH), 90mV/dec의 서브 임계 값 스윙 (SS)을 보여준다. 반면, 400, 425, 450℃에서 증착된 IGZO TFT의 경우, μsat 41.38, 55.58, 60.00cm2V-1s-1, VTH 1.36, 0.30, 0.20V 및 SS 85, 81, 85mV/dec의 특성을 각각 나타낸다. 도 9의 (b)는 IGZO TFT의 출력 곡선(output curve)을 나타낸다. 이러한 출력 곡선은 낮은 VDS에서 전류 밀림없이 명확한 pinch-off 및 saturation 동작을 보여주는데, 이는 IGZO와 금속 전극 (S/D) 사이의 우수한 옴 접촉(ohmic contact)을 의미한다. 증착 온도 (350, 400, 425, 450℃)에 따른 포화 영역 (VGS = 5V 및 VDS = 5V)의 드레인 전류는 각각, 60, 230, 490, 508 μA이며, Ion/Ioff는 각각 107, 108, 108 이었다. 증착 온도가 올라감에 따라, IGZO 박막의 결정성이 향상되어 더 높은 이동성 특성을 나타냈다.
실시예 3. Ferroelectric TFT의 제작
상기 도 7을 참조하여 설명한 스프레이 코터를 이용하여 하부 게이트, 상부 접촉 Ferroelectric TFT를 제작하였다. DC 스퍼터링에 의해 40 nm 몰리브덴 (Mo) 막을 유리 기판에 증착하고 게이트 전극으로 패터닝 하였다. Ferroelectric 특성을 위하여 지르코늄 산화물 (ZrOx) / 하프늄 지르코늄 산화물 (HZO) / 알류미늄 산화물 (AlOx) 삼중스택구조로 증착하였다. 게이트 절연막용 분사챔버(210)에서 증착되며, 350℃ 가열판에서 5nm ZrOx, 30nm HZO, 5nm AlOx 순서로 연속적으로 패터닝된 Mo 백플레인에 증착된다. 각각의 최적화된 두께를 형성하기 위해, 0.1M의 ZrOx, AlOx 전구체 용액을 연속 2주기 동안 분무하였으며, 0.1M의 HZO 전구체 용액을 연속 12주기 동안 분무하였다. 분사 노즐과 기판 사이의 거리는 12cm로 유지되었고 분사 유속은 약 3ml/min이었다. 삼중스택구조 증착 후 650℃에서 3분 동안 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing)를 진행하였다.
ZnO 층은 산화물 반도체용 분사챔버 (220)에서 증착되며, 350℃ 가열판에서 분무 열분해에 의해 증착되었다. 30nm의 ZnO 막을 형성하기 위해 0.2M의 ZnO 전구체 용액을 연속 6주기 동안 분무하였다. 분사 노즐과 기판 사이의 거리는 10cm로 유지되었고 분사 유속은 약 3ml/min이었다. 5 분간 경화 후 포토 리소그래피로 패터닝하고 습식 에칭하여 활성 아일랜드(active island)를 형성하였다.
활성 아일랜드 형성 후, 비아 홀을 사용하여 패터닝하여 게이트 컨택 패드를 개방하였다. 40nm 몰리브덴 (Mo) 막은 스퍼터링에 의해 증착되고 게이트 절연막 상에 소스/드레인 전극으로 패터닝 되었다.
표 2는 채널 폭 20μm에서 채널 길이 (3, 6, 8, 10μm)에 따른 삼중스택구조 (ZrOx/HZO/AlOx) Ferroelectric TFT의 특성을 나타낸다. 채널길이가 3, 6, 8, 10으로 증가함에 따라, μlin 75.18, 64.46, 73.22, 73.66cm2/Vs, VTH -0.05, 0.25, 0.25, 0.4V 및 SS 180, 190, 190, 200mV/dec.의 특성을 각각 나타낸다. 또한, 메모리 윈도우의 특성인 히스테리시스 (VH)의 특성은 각각 3.55, 2.75, 2.75, 2.75V의 특성을 나타낸다.
[표 2]
Figure pat00002
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 스프레이 코터
110: 분사 챔버
120: 분사 노즐부
121: 분사 노즐
123: 노즐 홀더
126: 재료 공급관
130: 분사 노즐 이송부
131, 134, 135: 제1, 제2, 제3 이송 블록
140: 기판 안착부
141: 수직 이동 홀더
142: 홀더 몸체
143: 홀더 암
145: 지지판
150: 로드락 챔버
151: 로봇 암
152: 핸들링 스트립
156: 챔버 게이트
157: 슬라이딩 도어
161: 기판 캐리어
20: 기판

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 분사 노즐이 구비되어 코팅 재료를 분사하도록 구성된 분사 노즐부;
    상기 분사 노즐부가 장착된 이송 블록을 적어도 평면 방향으로 구동시키며 상기 분사 노즐부의 위치를 제어하는 분사 노즐 이송부;
    상기 분사 노즐부의 아래에 위치하며, 코팅 대상이 되는 기판을 안착시키도록 구성된 기판 안착부;
    코팅 전의 기판 또는 코팅 후의 기판이 수용되는 기판 캐리어; 및
    상기 기판 캐리어로부터 상기 코팅 전의 기판을 인출하여 상기 기판 안착부에 제공하거나, 상기 기판 안착부로부터 상기 코팅 후의 기판을 인출하여 상기 기판 캐리어에 적재하도록 구성된 로봇 암
    을 포함하는 스프레이 코터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 안착부는, 승강하면서 상기 기판을 수직 방향으로 이동시키는 수직 이동 홀더와, 상기 기판을 아래에서 지지하도록 구성된 지지판을 더 포함하는, 스프레이 코터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수직 이동 홀더는,
    상기 분사 노즐부의 아래에서 적어도 수직 방향으로 이동 가능한 홀더 몸체; 및
    상기 홀더 몸체로부터 한 쌍이 연장되어 상기 기판을 상기 지지판에 안착시키거나 상기 지지판으로부터 들어올리도록 구성된 홀더 암을 포함하는, 스프레이 코터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀더 암은 상기 지지판의 가장자리에 평행한 방향으로 연장된, 스프레이 코터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀더 암은 상기 기판을 하부에서 지지하는 하면 지지 부분과 상기 기판을 측방에서 지지하는 측면 지지 부분을 포함하는, 스프레이 코터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 홀더 암은 한 쌍의 상기 하면 지지 부분을 포함하고,
    상기 한 쌍의 하면 지지 부분 사이의 거리는 상기 지지판의 수평 방향 폭보다 더 넓게 형성된, 스프레이 코터.
  7. 제 2 항에 있어서,
    온도 제어수단을 더 포함한 가열판을 더 포함하는 스프레이 코터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열판은 상기 기판의 온도를 300 내지 500℃의 범위 내로 유지하도록 구성된, 스프레이 코터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 로봇 암은 수평 다관절 로봇을 포함하는, 스프레이 코터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐부, 분사 노즐 이송부, 및 기판 안착부를 수용하는 분사 챔버; 및
    상기 로봇 암을 수용하는 로드락 챔버를 포함하고,
    상기 분사 챔버와 로드락 챔버는 개폐 가능한 챔버 게이트를 통해 서로 연통하도록 구성된, 스프레이 코터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 로드락 챔버는 상기 기판 캐리어를 수용하도록 구성된, 스프레이 코터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 분사 챔버는 서로 인접하면서 서로 폐쇄된 복수 개의 서브 분사 챔버를 포함하고,
    상기 복수 개의 서브 분사 챔버 각각은 분사 노즐부, 분사 노즐 이송부, 및 기판 안착부를 수용하도록 구성된, 스프레이 코터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수 개의 서브 분사 챔버 각각과 상기 로드락 챔버는 개폐 가능한 챔버 게이트를 통해 서로 연통하도록 구성된, 스프레이 코터.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 분사 챔버와 상기 로드락 챔버는 대기압 환경, 질소(N2) 환경 또는 진공 환경을 포함하는, 스프레이 코터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐부는 주입되는 전구체 용액(precursor)에 암모늄 아세테이트 (Ammonium Acetate)(CH3CO2NH4)가 포함되는, 스프레이 코터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    스프레이 코팅 시에 사용하는 프리커서를 정제하는 프리커서 정제부를 더 포함하는, 스프레이 코터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 프리커서는 Nitride based precursor: M(NO3), Acetylacetonate based precursor: M(CH3COCH2COCH3), 또는 Acetate based precursor: M(CH3COO-)를 포함하거나,
    상기 프리커서에 암모늄 아세테이트(ammonium acetate)가 첨가된, 스프레이 코터.
    여기서, M은 metal의 약자로, In, Zn, Ga, Tin으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 프리커서는 농도가 0.2M 이하인, 스프레이 코터.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 로드락 챔버에 인접하여 UV/O3 또는 Ar/O2 플라즈마 처리를 수행할 수 있는 플라즈마 처리부를 더 포함하는, 스프레이 코터.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 스프레이 코터를 이용하여 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 IGZO, IGTO, ITZO, IGZTO, IGO 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 반도체 박막 트랜지스터.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제조된 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 SiO2, SiNx, ZrOx, AlOx, ZrAlOx 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 절연층이 게이트 절연층 또는 TFT 보호층으로 사용된 산화물 반도체 박막 트랜지스터.
  23. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 스프레이 코터를 이용하여 강유전성(Ferroelectric) HZO (HfZrO) 박막 또는 ZrOx, AlOx 및 강유전성 ZrOx/HZO/AlOx 박막을 제조하는 박막 제조방법.
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