[논문]유리 기판을 이용한 비정질 실라콘 박막의 결정화

김필규; 문승재; 정성호

문제 정의

본 연구에서는 가시광선 영역의 레이저를 이용하여 유리 기판 위에 다결정질 실리콘을 성장시키는 공정에 대한 연구결과를 보고한다. 특히, 기판으로 유리를 사용할 경우, 유리 내부의 불순물이 실리콘 박막 내부로 확산되어지는 현상을 방지하는 방법에 대해 설명하고, 불순물과 결정화의 상호관계에 대한 실험결과를 제시하였다.
공정에 대한 연구결과를 보고한다. 특히, 기판으로 유리를 사용할 경우, 유리 내부의 불순물이 실리콘 박막 내부로 확산되어지는 현상을 방지하는 방법에 대해 설명하고, 불순물과 결정화의 상호관계에 대한 실험결과를 제시하였다.

제안 방법

1은 본 실험에 사용한 실험장치를 보여주고 있는데, 시편의예열(preheating)을 위해 Nd:YV04 연속 레이저(파장 = 532 nm, Gaussian, 최대출력 = 8 W)가 사용되었으며 결정화를 유도하기 위해 예열용 레이저 조사에 바로 이어 Nd:YAG 펄스 레이저(파장 = 532 nm, 펄스폭 = 5 ns)가 사용되었다. Nd;YVO레이저의 조사 시간은 셔터를 이용해 제어하며,Nd:YV04 레이저와 Nd:YAG 레이저 빔 사이의 시간은 시간지연 발생기 (delay generator)로 제어하였다. 시편에 조사되는 레이저 빔은 집속 길이가 각각 400mm 및 50mm 인 볼록렌즈와 원통형 렌즈 두 개를 사용하여 집속하였으며 실제 집속된 Nd:YVO₄ 레이저 빔의 크기는 약 216m x 15/zm이며, Nd:YAG 레이저 빔 크기는 약 420//m X 2000m이다.
시편에 조사되는 레이저 빔은 집속 길이가 각각 400mm 및 50mm 인 볼록렌즈와 원통형 렌즈 두 개를 사용하여 집속하였으며 실제 집속된 Nd:YVO₄ 레이저 빔의 크기는 약 216m x 15/zm이며, Nd:YAG 레이저 빔 크기는 약 420//m X 2000m이다. 레이저 조사가 완료된 시편의 표면 형상은 전자현미경 이용하여 측정하였으며, 라만 분광기를 이용하여 성장된 폴리실리콘 그레인 (grain)의 결정도를 평가하였다.
본 실험에서는 레이저 결정화 실험을 위한 시편으로 100nm 두께를 갖는 비정질 실리콘 박막을 700/zm 두께의 파이렉스 유리 기판 위에 Plasim-Enhanced Chemical Vapor DepositioiKPECVD)와 Low Pressure Chemical Vapor Deposition(LPCVD)의 두 가지 다른 방법으로 증착하였다. 증착된 비정질실리콘은 이차 이온 질량 분석기(SIMS; Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 박막의 순도, 즉 이물질 농도를 측정하였다.
본 연구에서와 같은 레이저 유도 결정화는 상변화(@hase transformation)에 근거한 공정으로 실리콘박막이 용융된 후 상대적으로 낮은 온도를 갖는 액상 실리콘의 가장자리에서부터 결정화가 시작되어서 가장 높은 온도를 갖는 중심방향으로 결정이 성장되도록 유도한다. 따라서 이러한 공정에 적합하도록 레이저빔 내 에너지가 균일하게 분포되는 것이요구된다.
700/zm 두께의 파이렉스 유리 기판 위에 Plasim-Enhanced Chemical Vapor DepositioiKPECVD)와 Low Pressure Chemical Vapor Deposition(LPCVD)의 두 가지 다른 방법으로 증착하였다. 증착된 비정질실리콘은 이차 이온 질량 분석기(SIMS; Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 박막의 순도, 즉 이물질 농도를 측정하였다. Fig.

대상 데이터

증착된 비정질실리콘은 이차 이온 질량 분석기(SIMS; Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 박막의 순도, 즉 이물질 농도를 측정하였다. Fig. 1은 본 실험에 사용한 실험장치를 보여주고 있는데, 시편의예열(preheating)을 위해 Nd:YV04 연속 레이저(파장 = 532 nm, Gaussian, 최대출력 = 8 W)가 사용되었으며 결정화를 유도하기 위해 예열용 레이저 조사에 바로 이어 Nd:YAG 펄스 레이저(파장 = 532 nm, 펄스폭 = 5 ns)가 사용되었다. Nd;YVO레이저의 조사 시간은 셔터를 이용해 제어하며,Nd:YV04 레이저와 Nd:YAG 레이저 빔 사이의 시간은 시간지연 발생기 (delay generator)로 제어하였다.
Nd;YVO레이저의 조사 시간은 셔터를 이용해 제어하며,Nd:YV04 레이저와 Nd:YAG 레이저 빔 사이의 시간은 시간지연 발생기 (delay generator)로 제어하였다. 시편에 조사되는 레이저 빔은 집속 길이가 각각 400mm 및 50mm 인 볼록렌즈와 원통형 렌즈 두 개를 사용하여 집속하였으며 실제 집속된 Nd:YVO₄ 레이저 빔의 크기는 약 216m x 15/zm이며, Nd:YAG 레이저 빔 크기는 약 420//m X 2000m이다. 레이저 조사가 완료된 시편의 표면 형상은 전자현미경 이용하여 측정하였으며, 라만 분광기를 이용하여 성장된 폴리실리콘 그레인 (grain)의 결정도를 평가하였다.

성능/효과

5(b) 에서 보듯이 520cm' 위치에서 라만 신호가 분명하게 나타나는 것을 통해 우수한 결정성을 갖고 있음을 알 수 있다. Fig. 4의 LPCVD 시편의 경우와 라만 분광측정에서 결정성이 관찰되지 않은 반면, 비정질 실리콘의 증착과정에서 불순물의 농도를 약100배-1000배(불순물의 농도 : 1016 또는 10 정도까지 감소시켰을 경우 Fig. 5에서 보는 바와 같이 결정성이 관찰되었는데, 이는 위에서 설명한 것처럼 불순물 농도를 감소시킴으로써 결정화 씨앗의 개수가 줄어들고 따라서 결정화된 그레인들이 성장할 수 있는 공간이 더 많이 확보됨으로 인해 수 마이크로 크기의 그레인 성장이 가능하게 된 것으로 판단된다.
본 연구결과는 유리를 기판으로 사용하는 비정질 실리콘의 결정화 공정에서 비정질 실리콘 박막의 불순물 농도를 제어하는 것이 그레인 성장에 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다. 그러나 PECVD공정으로 증착된 시편의 경우에도 Fig.
본 연구에서는 일반 유리를 기판으로 사용하는 비정질 실리콘의 레이저 유도 결정화에 대한 실험을 통해, 유리 기판 내부에 존재하는 불순물이 비정질 실리콘 박막으로 확산된다는 것과 불순물의 농도에 따라 최종적으로 생성된 다결정질 실리콘의 품질이 크게 좌우된다는 것을 확인하였다. 불순물을 다량 함유하고 있는 비정질 실리콘의 경우 작은 크기의 그레인만이 성장되고 결정성이 거의 관찰되지 않는 반면, 불순물의 농도를 감소시킬 경우 그레인이 수 마이크로미터 크기까지 성장하였으며 높은 결정성을 보이는 것을 확인하였다.
불순물을 다량 함유하고 있는 비정질 실리콘의 경우 작은 크기의 그레인만이 성장되고 결정성이 거의 관찰되지 않는 반면, 불순물의 농도를 감소시킬 경우 그레인이 수 마이크로미터 크기까지 성장하였으며 높은 결정성을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 비정질 실리콘의 결정화에 유리 기판을 사용할 경우 유리 기판으로부터 확산되는 금속성 불순물을 제어하는 것이 원하는 크기 및 품질의 그레인을 성장시키는 데 핵심적이라는 것을 알 수 있었다.
불순물을 다량 함유하고 있는 비정질 실리콘의 경우 작은 크기의 그레인만이 성장되고 결정성이 거의 관찰되지 않는 반면, 불순물의 농도를 감소시킬 경우 그레인이 수 마이크로미터 크기까지 성장하였으며 높은 결정성을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 비정질 실리콘의 결정화에 유리 기판을 사용할 경우 유리 기판으로부터 확산되는 금속성 불순물을 제어하는 것이 원하는 크기 및 품질의 그레인을 성장시키는 데 핵심적이라는 것을 알 수 있었다.

후속연구

5(a)에서 볼 수 있듯이 여전히 불순물로 보이는 이물질들이 관측되며 수 마이크로미터 이상의 크기로 그레인을 성장시키는 것이 매우 힘든 것을 알 수 있다. 따라서 유리 기판 위에 결정성이 우수하며수 마이크로미터 이상 크기의 그레인을 성장시키기 위해서는 비정질 실리콘의 증착과정에서 불순물이 최소화 될 수 있도록 기판 및 공정을 최적화 할 필요가 있으며, 기판으로 파이렉스 보다 불순물 함량이 낮은 디스플레이급 유리 기판을 사용하거나 증착공정 중에 유리 기판에서 비정질 실리콘 박막으로의 불순물 확산을 억제시키기 위한 방안으로 유리 기판 위에 SiO₂와 같은 확산억제 층(diffusion barrier)을 추가하는 방법 등을 통해 가능하다고 사료된다.

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