마이크로크리스탈 실리콘 기술 동향§ˆ이크로크리스탈... · 2012-06-14 · 마이크로크리스탈 실리콘 기술 동향 2010년 제11권 제2호 17 (a) (b)

기술특집

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Ⅰ. 서 론

마이크로크리스탈 실리콘 (microcrystalline silicon, mc-Si

는 μc-Si) 박막은 1980년 Vepřek 등이 로우 방 을

이용하여 증착에 성공한 이후, 많은 심 속에 연구가 되

어 왔다 [1]. 특히 비정질 실리콘 (amorphous silicon, a-Si)

박막의 낮은 이동도 외부 원에 의한 열화 상

(Staebler-Wronski effect)에 한 문제가 끊임없이 제기되

어 오는 가운데, 이를 체할 소재에 한 요구가 증하

고 있다. 마이크로크리스탈 실리콘은 원자들이 규칙 으

로 배열된 결정상의 입자가 포함된 박막을 비정질 박막과

유사한 공정조건에서 얻을 수 있다는 장 때문에 연구자

들 사이에서는 높은 하이동도를 기 할 수 있는 온증

착 박막 소자용 소재로서 공정, 물성, 미세구조 등 다방면

으로 연구가 이루어져 오고 있다. 그러나 유리 기 등을

상으로 하는 온공정에서는 결정상을 형성하기 해 다

량의 수소를 원료기체에 첨가해 주어야 하는데, 이로 인해

박막 증착 속도가 하게 감소하고, 박막 내 잔류 응력이

격히 증가하며, 표면거칠기가 더 악화되는 등의 여러 가

지 부작용이 보고됨으로써 박막태양 지 이외의 상용 소자

에 리 용되기에는 많은 한계를 드러내고 있다 [2~4].

이 에서는 마이크로크리스탈 실리콘 박막의 특성과

문제 , 그리고 최근의 연구동향에 하여 간략하게 소개

하고자 한다. 일단 본론에 앞서 마이크로크리스탈과 나노

크리스탈 등의 용어에 해 잠시 언 할 필요가 있다.

기에는 마이크로크리스탈과 다결정 (polycrystalline, poly-Si)

이란 용어가 구분 없이 쓰 다. Veprek 등이 처음 시도하

던 것은 수소 라즈마를 사용하여 다결정 실리콘 박막

을 증착하고자 하 던 것인데, 수십 나노미터 크기의 결

정입자를 찰함으로써 이를 마이크로크리스탈이라 칭하

다 [5~7]. 이후, 차 grain과 grain boundary로 구성된 다

결정 실리콘과 구분하기 해서 비정질 matrix 안에 결정

입자들이 분산되어 있는 형태의 박막을 따로 마이크로크

리스탈 실리콘이라 부르기 시작하 다 [8,9].

한편, 나노크리스탈 실리콘 (nc-Si)은 원래 기장을 사

용하여 단결정 실리콘 웨이퍼에 수 나노미터 직경의 기공

을 형성한 다공성 실리콘 (porous silicon)을 지칭하 으

나, 일부 연구자들은 마이크로크리스탈 실리콘 그 내

부의 결정입자 크기가 수~수십 나노미터 정도에 해당하

는 것들을 구분해서 나노크리스탈이라 부르기 시작하

다 [10,11]. 90년 후반 들어 양자 (quantum dot)을 이용

한 자소자의 개발 등 나노기술 분야가 두되면서, 결

정질 는 비정질 매트릭스 (matrix) 내에 2차상 (second

phase)로 존재하는 수 나노미터 크기의 실리콘 결정입자

들을 통칭하여 나노크리스탈이라 부르게 되었다 [12,13]. 이

에서는 편의상, 부피분율 (volume fraction), 결정 크기

는 입자 간 상호 여부에 상 없이, 용융-재결정화

를 거치지 않고 바로 증착된 (as-deposited) 박막 결정

상의 실리콘 입자를 포함하는 것들을 통칭해서 마이크로

크리스탈 실리콘 (μc-Si)이라 부르도록 하겠다.

홍 완 식 (서울시립대학교 나노과학기술학과)

마이크로크리스탈 실리콘 기술 동향

마이크로크리스탈 실리콘 기술 동향❙

2010년 제11권 제2호❙ 15

[그림 2] μc-Si 형성 mechanism 중 수소 식각

모델 [14]

Ⅱ. Growth Mechanism

라즈마를 이용하여 증착된 μc-Si의 growth mechanism

에 해서는 1991년 Matsuda에 의해 세 가지 모델로 정

리되었다 [14].

1. 표면 확산 모델 (Surface Diffusion Model)

표면 확산 모델은 결정상의 생성이 박막이 성장하는

표면에서의 구체 (precursor)들의 평균 확산 거리 (mean

diffusion length)에 의해 좌우된다는 것이다. [그림 1]에

표면 확산 모델의 개념도를 나타내었다.

라즈마 내에 수소 원자의 농도가 충분히 높으면, 성

장하는 박막 표면은 부 실리콘 원자들과 결합된 수소로

덮이게 될 것이다 (hydrogen termination). 이러한 수소

원자들 일부는 자기들끼리 재결합하여 수소 기체로

되어 빠져나가게 되는데 이는 발열 반응이므로 박막 표

면을 국부 으로 가열하게 된다 (local heating). Hydrogen

termination과 local heating의 두 가지 상은 성장 표면에

흡착된 SiH3 precursor들의 확산 거리를 증가시켜, strain

energy를 최소화할 수 있는 최 의 치(energetically

favorable site), 즉, 규칙 인 배열을 찾아갈 수 있도록 도

와 다.

[그림 1] μc-Si 형성 mechanism 중 표면 확산 모델 [14]

2. 수소 식각 모델 (Etchign Model)

수소 식각 모델은 μc-Si 박막의 성장 속도가 라즈마

내 수소 함량 증가에 따라 격히 감소하는 상을 설명

하기 해 제안되었다. [그림 2]에 식각 모델의 개념도를

나타내었다.

실리콘-수소 결합은 실리콘-실리콘 결합보다 더 낮은

에 지 상태에 있으므로, 성장하는 박막 표면에 공 된

수소원자는 이미 형성되어 있는 실리콘network에 침투하

여, 우선 으로 느슨한 실리콘-실리콘 결합을 끊고 실리

콘 원자와 신 결합한다. 이 과정에서 SiH4 등의 기체상

(gas phase)이 생성되어 식각 작용이 일어난다. 이 게 해

체된 결합의 자리에는 다시 새로운 precursor가 도달하여

안정 인 결합을 시도한다. 즉, 확률 으로 볼 때 약하고

불안정한 실리콘-실리콘 결합은 규칙 으로 배열된 안정

한 결합에 비해 수소원자에 의해 식각이 일어날 확률이

더 높으므로, 느슨하고 불규칙한 결합이 선택 식각에

의해 차 단단하고 규칙 인 결합으로 체되어 나간다

는 이론이다.

3. 화학적 어닐링 모델 (Chemical Annealing Model)

Chemical annealing은 기본 으로 수소 식각 모델과 유

사하나, 수소 라즈마 내에서의 실리콘 박막의 식각률이

식각 모델에서 측한 것보다는 낮게 나오는 상을 설명

하기 해 제안되었다. [그림 3]에 화학 어닐링 모델의

개념도를 나타내었다.

불규칙한 네트워크 (random network)를 형성한 실리콘

원자들이 규칙 으로 재배열하기 해서는 일부 결합들

의 길이 (bond length)가 조 씩 늘어나거나 어드는 형

태로 재배치가 일어나야 한다. 이 때, 국부 으로 결합 길

이 결합 각도의 변형이 일어남에 따라 응력이 될

수 있다. 박막 표면 아래로 침투한 수소원자는 이러한 실

리콘 결합들의 일부를 실리콘-수소 결합으로 치환하거나

는 실리콘-수소 결합에서 수소를 빼앗아 수소 기체 분

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[그림 3] μc-Si 형성 mechanism 중 화학적 어닐링 모델 [14]

[그림 4] ELA 에너지 밀도에 따른 mc-Si 박막의 AFM 분석

결과; (a) 증착 직후, (b) 350 mJ/cm2, (c) 450 mJ/cm2,

(d) 500 mJ/cm2 [17]

자가 되어 빠져나감으로써 보다 유연한 (flexible) 구조를

만들게 된다 (structural relaxation). 이러한 작용들은 결과

으로 local strain energy를 낮추어 결정상 형성을 돕게

된다.

Matsuda는 실험을 통하여, 이상에서 언 한 세 가지 모

델 에서 표면 확산 모델이 μc-Si 박막의 성장을 가장

잘 설명해 다는 것을 입증하 다. 그러나 다른 두 모델

에서 제시한 상들도 동시에 부분 으로 같이 일어나는

것으로 알려져 있다.

Ⅲ. 실리콘 박막의 Crystallinity

1. 결정화도 개선을 위한 연구 동향

박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT)의 활성층

(active layer) 는 태양 지의 흡수층 (absorber layer) 등

에 응용하기 한 μc-Si 박막 연구에 있어서 일차 인

심사항은 얼마나 크게 그리고 얼마나 많이 결정상을 형

성시킬 수 있느냐 하는 것이다. 결정화도를 높이기 한

시도로는 thermal annealing, laser annealing, layer-by-

layer growth, seed layer 등이 있다 [15~24].

(1) Thermal Annealing

유리기 는 μc-Si 박막에 손상을 주지 않을 정도의

낮은 온도 범 ( <400°C)에서의 annealing은 박막 내

micro-void를 제거하여 박막의 도(specific gravity)를 높

여 주지만, 새로운 결정의 nucleation 는 grain growth를

일으키기에는 공 되는 열에 지가 무 으므로, 속

이온 등의 매작용을 (metal-induced crystallization) 활용

하지 않는 한 grain size나 결정화도에 향을 미치지 못

한다 [16]. 분 기 기체 (ambient gas) 등의 공정 조건에 따

라 grain size와 결정화도 사이에 서로 trade-off 작용이 있

을 수 있다는 결과도 발표되고 있다 [15].

(2) Laser Annealing

증착 직후의 mc-Si 박막은 일반 으로 최 25 nm 정

도의 grain size와 약 70% 정도의 결정 부피 분율

(crystalline volume fraction)을 갖는다. 이러한 박막에

Excimer laser annealing (ELA)을 실시하여 약 500 nm 정

도의 grain size와 90% 정도의 결정화도를 얻었다는 연구

결과들이 보고되고 있다 [17,20,21]. [그림 1]은 조사된 이

에 지에 따른 μc-Si 박막 표면의 변화를 atomic

force microscopy (AFM)으로 찰한 결과를 보여 다.

증착 직후의 μc-Si 박막을 활성층으로 사용하여

polyethylene naphthalate (PEN) 기 에 제작한 TFT의

계효과이동도 (field effect mobility)는 약 1 cm2/Vsec를

나타내었으나, ELA 처리를 한 mc-Si 박막의 이동도는 50

cm2/Vsec 수 으로 증가하 다 [21].

그러나 이러한 효과를 나타내기 해 필요한 이

의 에 지 도 (energy density)는 [그림 4]에서 보듯이

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2010년 제11권 제2호❙ 17

(a)

(b)

[그림 5] 서로 다른 수소분압 하에서의 공정 시간 (tA, tB)

변화에 따른 layer-by-layer μc-Si 박막의 특성. 원기호는 LBL-1

샘플, 사각형 기호는 LBL-2 샘플을 각각 나타낸다. (a) 평균

결정 크기, (b) 결정상의 부피 분율(결정화도) [19]

500 mJ/cm2에 달하는데, 이는 일반 으로 a-Si 박막을 용

융-재결정화 하여 온다결정 실리콘 박막 (low temperature

polycrystalline silicon, LTPS)을 만들 때 쓰이는 것과 동

등 는 그 이상의 수 이다. 즉, 이 방법은 재 쓰이고

있는 ELA-LTPS 공정에 비해 특별히 부각되는 장 이라

고 할 수 있는 것이 없다.

한 laser energy density가 증가할수록 grain size는 커

지지만 표면조도 (surface roughness) 역시 크게 증가하는

것으로 알려져 있으며, PEN 기 에 제작된 TFT의

on/off ratio는 략 103에 불과하 다.

(3) Layer-by-Layer Growth

Layer-by-Layer (LBL) 방법은 앞서 II-(3) 에서 언

하 던 chemical annealing(CA) mechanism을 이용하는

것이다. 수 나노미터의 박막을 증착한 후, 해리된 원자 상태

의 수소를 흘려 으로써 이 수소원자들이 박막 내부로 침

투하여 Si-H 결합을 형성, 결정핵이 생성될 때 (nucleation)

수반되는 strain energy를 감소시켜 μc-Si 박막을 성장시

키는 방법이다 [22~24]. 수소 뿐 아니라 헬륨에 의한

chemical annealing 효과도 보고되고 있다 [25].

LBL 성장법은 주로 화학기상증착법 (chemical vapor

deposition, CVD)에 의한 박막공정에서 주로 시도되었으

나, 물리 기상증착법 (physical vapor deposition, PVD)에

도 많이 응용되고 있다 [18]. [그림 5]에 magnetron

sputtering 장비를 사용하여 layer-by-layer 법으로 증착한

μc-Si 박막의 평균 grain size와 결정화도의 변화를 나타

내었다. 이 그림에서 tA는 공정 가스 내 수소 분압을 93%

로 하여 증착한 시간, tB는 수소 분압을 10%로 하여 증착

한 시간, LBL-1은 tA를 50 로 고정하고 tB를 6~50 로

변화시켜 가며 증착한 박막, LBL-2는 tB는 13 로 고정시

키고 tA를 20~100 로 변화시켜 가며 증착한 박막을 각각

나타낸다. 최 grain size 12 nm 80%의 결정화도를

보이고 있는데 이는 CVD 법으로 증착한 박막과 유사한

수 이다.

일반 으로 CVD에 의한 μc-Si 박막 증착에서는 공정

가스 에 수소를 충분히 넣어 주기만 한다면 생성되는

결정의 크기나 결정상의 부피분율이 LBL 방법에 의한 결

과와 크게 차이가 나지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서

LBL 방법은 CVD법보다는 PVD 법으로 박막을 증착할

때 더 유용한 방법이라고 할 수 있다.

(4) Seed Layer

Seed layer를 사용하는 방법은 실리콘 결정입자를 사용

하는 homogeneous seeding과 속이온 등의 매를 사용

하는 heterogeneous seeding 방법이 있다 [19,26~28].

같은 실리콘 조성의 seed를 만들기 해서는 기 온도

가 400°C 이상으로 충분히 높거나 공정 가스 내 수소의

첨가량 ( 는 수소희석비, hydrogen dilution ratio)도 100

이상으로 충분히 커야 한다. 한 앞서 언 한 layer-

by-layer growth와 유사한 mechanism에 의해 결정상의

nucleation이 이루어지므로, seed의 존재 여부와 증착된

박막의 결정화도 사이의 상 계가 명확하게 드러나지

않는다. [그림 6]에는 실리콘 seed layer의 유무에 따른

Hot-Wire CVD (HWCVD) μc-Si 박막 표면의 AFM 사

진을 비교하 다.

[그림 6]에서 보이듯이 silicon seed layer는 grain size에

는 향을 주지 못하고 신 결정상의 부피분율을 증가시

킨다. 그러나 Raman spectrum 등의 분석 결과에 의하면,

seed layer의 효과는 수소희석비를 증가시키는 것에 비해

미미한 수 에 그치는 것으로 보고되고 있다.

얇은 속층 에 증착된 실리콘 박막은 500°C 부근의

온도에서 annealing을 통해 결정화할 수 있다는 사실은

오래 부터 알려져 있다 [29~32]. Nickel, cobalt, aluminum,

gold, silver 등의 원소가 이러한 효과를 나타내는 것으로

❙기술특집❙

18❙인포메이션 디스플레이

(a) (b)

[그림 6] Hot-Wire CVD 방법으로 증착한 μc-Si 박막의 AFM

사진. (a) 유리기판 위에 바로 증착, (b) 12 nm 두께의 실리콘

seed layer 형성 후 증착 [19][그림 7] Protocrystalline silicon에서의 medium range order [35]

보고되고 있다. 뿐만 아니라 nickel이나 cobalt의 silicide

박막도 seed layer의 역할을 할 수 있다고 보고되었다 [27].

그런데 이상의 연구 결과들은 부분 높은 온도에서 공정

에서 진행된 결과이므로 기존의 PECVD μc-Si 공정온도

이하에서 용하기는 어려움이 있다.

2. Protocrystalline Silicon

서론에서 언 한 바와 같이 μc-Si의 단 하나는

증착 속도가 무 느리다는 이다. 한 수소를 많이 첨

가하여 증착한 μc-Si 박막은 높은 내부 응력을 갖게 되

어 기 이 휘어지거나 (substrate bending), 박막이 벗겨지

는 (delamination) 등의 상이 일어난다. 이러한 문제

들을 해결하기 해 라즈마 공정을 연구하다 심을 갖

게 된 것이 비정질에서 결정질로의 phase transition이 일

어나는 경계에서의 물질로서, 이를 paracrystalline 는

protocrystalline silicon (pc-Si)이라 한다 [33,34].

A-Si 박막에서의 short-range order(SRO), c-Si에서의

long-range order(LRO)와 비하여 pc-Si는 medium-range

order(MRO)를 갖고 있다는 것이 여러 가지 분석 기법

simulation에 의해 밝 졌다 [35]. [그림 7]에서 보듯이

MRO란 원자 배열이 1-6 nm 정도의 범 에서 규칙성을

갖는 것으로서, 비정질 실리콘이 갖는 continuous random

network(CRN)에서는 결합 길이나 결합 각도가 평균값

( 는 다이아몬드 결정구조에서의 값)에서 조 씩 벗어

나 있는데 반해 이러한 산포가 최소화되어 있는 상태를

가리킨다.

TEM을 통해서는 규칙 으로 배열된 결정격자를 확인

할 수 있지만, [그림 8-a]에 보이는 것처럼 Raman

spectroscopy나 X-ray diffraction을 통해서는 (부피 분율

이 어느 정도 이상 되더라도) 결정상의 특성 peak이 찰

되지 않는다. 그 이유는 원자들의 배열은 topology 상으

로는 규칙 인 격자 배열을 하고 있지만 주변 비정질

matrix와의 boundary로부터의 응력이 작용하므로 elastic

strain에 의해 실제로는 원자들이 자기 치로부터 조 씩

벗어나 있게 되기 때문이라고 설명될 수 있다 [38]. 이러한

샘 에 annealing을 실시하면 strain이 완화되어 [그림

8-b]에서 보이는 바와 같이 뚜렷한 결정질의 특성 peak이

나타난다 [39].

[그림 7]의 TEM 사진에서 보이는 입자의 크기가 수 나

노미터 수 이기 때문에, 최근 들어서는 pc-Si 이라는 용

어를 따로 쓰기보다는 개 나노크리스탈 실리콘이라 부

른다.

pc-Si와 유사한 물질로서 polymorphous silicon (pm-Si)

이 있다 [36,37,40]. 비정질 matrix 내에 작은 결정 입자들이

분산되어 있는 형태는 pc-Si와 같지만, pm-Si를 증착할

때는 공정가스를 다량의 수소에 희석하는 신, 라즈마

공정 조건을 조 하여 기 표면이 아닌 극 사이 gas

volume에서 기상반응이 일어나 powder 형태의 작은 입자

들을 형성하게끔 하는 것이다. pc-Si는 다량의 수소가 들

어가므로 내부 응력이 높아져 두꺼운 박막을 증착하기가

어려운 반면, pm-Si는 기상반응을 통해 형성된 입자를 기

에 떨어뜨리는 방식이므로 박막 두께의 제한을 훨씬

마이크로크리스탈 실리콘 기술 동향❙

2010년 제11권 제2호❙ 19

[그림 9] 수소희석비 R = [H2]/[SiH4] = 14에서 증착된 박막의

단면 TEM 사진 [19]

[그림 8] pc-Si 박막의 Raman spectra, (a) 증착 직후, (b) 진공상태에서 600°C, 1시간 annealing 후.

(1),(2),(3)은 각각 130W, 80W, 40W의 RF power에서 증착된 박막을 나타낸다 [39].

덜 받게 되어 박막 태양 지 등의 소재로서 심을 받고

있다. 그러나 공정 도우가 매우 좁으며, 다른 박막과

층하여 소자를 제작할 때 cross contamination adhesion

하 등의 문제 이 생길 수 있다.

3. Amorphous/Crystalline Anomalous Nucleation

(Cone Kinetics Model)

μc-Si 박막의 nucleation mechanism에 해서는 앞의

II장에서 제시한 모델 이외에도 다양한 인자들이 작용하

여 여러 가지 특이한 박막 성장 거동이 나타난다. 이러한

특이 상들은 기 과의 계면 부근에 incubation layer 존

재, 이차상 (second phase) 핵생성에 뒤이은 원추형의 성

장, 박막 표면에 나타나는 dome 형태의 surface morphology

등으로 요약될 수 있는데, 이를 설명하기 해서 cone

kinetics model이 제안되었다 [41~44].

Cone kinetics model에 따르면 기 의 종류와 증착 공

정 조건에 따라서, 비정질 박막이 증착되는 도 원추형

의 결정상이 형성되거나, 반 로 결정질 박막 증착 원

추형의 비정질상이 나타나는 상이 찰된다. 이러한 원

추형의 2차상 inclusion은 일정한 심각을 가지고 성장

하는데, 비정질 matrix에 nc-Si inclusion이 성장하는 경우

는 약 40°, 결정질 matrix에 a-Si inclusion이 성장하는 경

우는 약 27°로 보고되었다 [42,43]. 한 기 표면에서 바

로 성장이 시작되는 것이 아니라 어느 정도 비정질 박막

이 성장한 이후에 핵 생성이 시작되므로 증착 기에는

수-수십 나노미터 정도의 비정질 incubation layer가 형성

되는데, 이의 정확한 두께는 공정 가스 내의 수소희석비

에 향을 받는 것으로 알려져 있다. 비정질 박막 내에서

원추형으로 성장하는 μc-Si 박막의 단면 TEM 사진을

[그림 9]에 나타내었다 [19].

이러한 원추형의 inclusion은 구형 입자 (spherical

particle)의 일부분으로서 성장이 진행됨에 따라 구의 형

태를 유지하고자 하므로 박막 표면에서는 dome의 형태

로 돌출된 구조를 갖는다. [그림 10]은 dome 형태의

surface morphology를 갖는 박막의 AFM 사진을 보여

다 [42,45].

❙기술특집❙

20❙인포메이션 디스플레이

(a)

(b) (c)

[그림 10] 비정질 matrix에서 성장하는 원추형 nc-Si

이차상 입자; (a) 박막 표면의 AFM 사진, 스캔영역 5µm x

5µm, (b) Dome 형태의 surface morphology를 나타내는

nc-Si 입자의 단면 개념도, (c) 3가지 다른 방향으로의

AFM 표면 profile 및 Z0와 R 값을 구하기 위한 fitting data [42,45]

[그림 11] Schematic diagram of two-phase growth of silicon films on an amorphous substrate [41]

[그림 11]에는 유리기 과 같은 비정질 기 에서

a-Si와 nc-Si의 두 가지 phase가 혼합된 박막이 성장하는

경우에 공정 조건에 따른 phase diagram을 나타내었다 [41]. 박막의 구체 인 morphology는 수평축에 나타낸 이

차상의 nucleation rate 수직축에 나타낸 matrix와

inclusion의 상 인 growth rate에 따라 좌우된다. 수소

희석비가 높은 경우는 diagram의 쪽에 치하게 되어

aspect ratio가 매우 큰 column 형태의 morphology를 나타

내게 되고, 수소 희석비가 감소함에 따라 diagram에서 시

계방향으로 morphology가 변화하여 결정상의 크기

가 작아지면서 등방성으로 바 게 된다.

Ⅳ. 박막 증착 공정

앞에서 논의한 바와 같이 μc-Si 박막을 증착하기 해

서는 silane (SiH4) 등의 원료 기체를 다량의 수소에 희석

해 주어야 하므로 증착 속도가 매우 낮아져서, 실제 TFT

의 active layer나 태양 지의 absorption layer로써 상용화

하는 데는 생산성 측면에서 매우 불리하다. 일반 으로

13.56 MHz를 사용하는 PECVD 방법으로 우수한 특성의

박막을 증착하기 해서는 증착 속도를 0.2 Å/sec 수 까

지 낮추어야 하는 것으로 보고되고 있다 [3]. 따라서 증착

속도를 높이기 해서는 다음과 같은 방법들이 제안되고

있다.

1. 플라즈마 여기 주파수

PECVD 증착법에서 라즈마 여기 주 수를 95 MHz

수 까지 증가시킴으로써 증착 속도가 약 4배가량 개선

마이크로크리스탈 실리콘 기술 동향❙

2010년 제11권 제2호❙ 21

되는 것으로 알려져 있다 [46]. 그러나 주 수가 증가하면

reactor의 크기에 따라 resonance가 일어나, 공 된 RF

power가 내부에서 정상 (standing wave)를 형성하므로

면 uniformity는 떨어지게 된다 [47].

2. High-density Plasma Source

Inductively-coupled plasma (ICP) CVD나 electron

cyclotron resonance (ECR) CVD 등 high density plasma

를 발생시킬 수 있는 plasma source를 이용하면 증착 속

도를 크게 높일 수 있다. High density plasma를 발생시키

는 기본 인 개념은 이온화 작용에 의해 기체 분자에서

해리된 자들이 가속될 때, 이들의 경로를 조 하여 가

능한 한 많은 성 기체 분자들과 충돌하게끔 함으로써

이온화율을 높이는 것이다. 일반 인 평 극형 라즈

마 (capacitively-coupled plasma, CCP)에서의 plasma

density가 1010 cm-3 정도인 데 비해 high density plasma에

서는 략 두 자릿수 정도 높아진다.

증착 속도는 략 0.8 nm/sec 안 의 값이 보고되고 있

으나 정도의 증착 속도가 보고되고 있으나, 역시 재 디

스 이 산업에서 요구하고 있는 형기 에는 응하

기 힘들다 [48,49].

3. 촉매화학기상증착법

매화학기상증착법 (catalytic chemical vapor deposition,

Cat-CVD)는 hot-wire chemical vapor deposition(HWCVD)

라고도 불리며, reactor 내부의 고온으로 가열된 filament

에서 원료기체를 분해시켜 반응성이 높은 radical을 생성

하고 이들이 기 표면에서 반응하도록 하여 박막을 증착

하는 방법이다.

Cat-CVD에서는 라즈마를 사용하지 않고 filament에

서 직 열분해가 일어나기 때문에, 라즈마를 사용하는

방법에서는 공정가스의 이온화율이 1% 미만에 불과한

데 비해 cat-CVD 법에서는 주입된 기체의 약 60-70%가

분해되므로 원료기체의 이용효율이 월등히 높고 따라서

증착 속도를 매우 빠르게 할 수 있다. 한 reactor 체가

가열되는 low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD)

와는 달리 filament만 가열되기 때문에 기 온도를 낮게

유지할 수 있다.

Cat-CVD 법으로는 약 2 nm/sec 정도의 증착 속도가

보고되고 있으며, 상용화된 장비로는 재 730 mm x 920

mm 기 에 응할 수 있는 크기까지 개발되어 있다.

4. 중성입자빔 증착법

성입자빔이란 자를 공 할 수 있는 성입자변환

기에 라즈마에서 발생된 이온을 충돌시켜 Auger

neutralization에 의해 하를 띄지 않은 입자로 만든 것이

다 [50,51]. [그림 12]에 성입자빔 발생 장치의 개념도를

나타내었다 [52]. 이러한 성입자빔은 기장에 의해 가

속이 되지 않으므로 박막 성장 표면의 damage를 최소화

할 수 있어 결정상을 포함하는 박막을 빠른 속도로 증착

하는 데 유리하다. 재 국가핵융합 연구소 등을 심으로

장비 개발 공정 개발을 한 연구가 활발하게 진행되고

있다.

[그림 12] 중성입자빔 발생장치의 개념도 [52]

Ⅳ. 결 론

마이크로크리스탈 실리콘 박막은 매우 다양한 공정 방

법에 의해 매우 다양한 형태 (configuration)으로 만들어

질 수 있고, 그에 따라 매우 다양한 물성을 나타낼 수 있

다. 높은 하이동도 light soaking에 한 안정성 등의

장 에도 불구하고 낮은 증착 속도, 높은 잔류 응력과 표

면거칠기, 그리고 공정조건 변화에 따라 물성이 민감하게

반응하는 등의 단 이 산업 으로 리 사용되는 데 있어

걸림돌이 되고 있다. 따라서 앞으로 이 소재에 한 물리

, 구조 특성의 심도있는 이해와 더불어, 재 사용되

는 비정질 실리콘과 같은 process archtecture를 공유하면

서 생산성이나 안정성 측면에서 충분히 경쟁력 있는 박막

❙기술특집❙

22❙인포메이션 디스플레이

제조 공정을 연구 개발하는 것이 시 한 과제라고 할 수

있다.

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저 자 약 력

홍 완 식

∙U.C.Berkeley 공학석사

∙U.C.Berkeley 공학박사

∙ 1995년 6월~1999년 11월 : Lawrence Ber-

keley National Laboratory Staff Scientist

∙ 1999년 12월~2002년 2월: 삼성전자 AMLCD

사업부 책임연구원

∙ 2002년 3월~2006년 2월 : 세종대학교 전

자공학과 부교수

∙ 2006년 3월~현재 : 서울시립대학교 나노과학기술학과 교수

∙관심분야 : 박막공정, TFT, 나노결정LED, Radiation detector