KR20100111117A - 박막소자의 제조방법 및 이로부터 제조된 박막소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막소자의 제조방법 및 이로부터 제조된 박막소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 박막소자의 제조방법은 예비기판 상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 산화물로 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 산화물로 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 상에 박막 적층체를 형성하는 단계; 상기 박막 적층체 상에 영구기판을 접합하는 단계; 상기 예비기판 상에 레이저를 조사하여 상기 희생층을 분해하는 단계; 및 상기 전극층으로부터 상기 예비기판을 분리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 레이저 리프트 오프시 산소 확산(diffusion)에 의한 물성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극층은 기존 금속전극에 비하여 열 전도도가 낮아, 열의 발산을 현저하게 줄일 수 있어 희생층의 열 축적에 의한 분해를 보다 쉽게 할 수 있다. 이에 따라, 우수한 물성을 갖는 박막소자를 제조할 수 있다.
박막소자, 페로브스카이트 구조, 희생층, 전극층, 레이저 리프트 오프.
Description
본 발명은 박막소자의 제조방법 및 이로부터 제조된 박막소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 리프트 오프 공정을 간소화시킬 수 있는 박막소자의 제조방법 및 우수한 물성을 갖는 박막소자에 관한 것이다.
박막 전사기술은 박막 트랜지스터(TFT)와 같은 전자소자 및 유기 EL소자와 같은 광학소자 등의 박막소자에서 널리 활용되고 있다.
박막 전사기술은 예비 기판 상에 필요한 박막을 형성한 후에, 영구 기판 상에 전사하여 원하는 박막 소자를 제조하는 기술을 통칭한다. 이러한 박막 전사기술은 성막에 사용되는 기판의 조건과 박막소자에 사용되는 기판의 조건이 상이한 경우에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
예를 들어, 기능부를 구성하는 박막의 형성에 비교적 고온 공정이 요구되지만, 소자에 사용되는 기판이 낮은 내열성을 갖거나, 융점 및 융점이 낮은 경우에, 박막 전사기술은 매우 유익하게 활용될 수 있다. 특히, 플렉서블 박막 소자의 경우에도 활용의 유익성이 매우 크다.
플렉서블 소자는 유연성이 요구되므로 폴리머와 같은 유기물 기판을 사용하고, 그 상면에 기능부를 구성하는 박막을 유기박막으로 채용하고 있다. 그러나, 유기박막으로 구현된 기능부는 고성능을 보장하기 어려우므로, 무기물로서 플렉서블 소자의 기능부를 구현할 필요가 있다. 이 경우, 고온의 증착 공정이 유기물인 플렉서블 기판에 직접 적용되기 어려우므로, 다른 예비기판 상에 반도체와 같은 무기물로 형성된 박막을 성장시킨 후 이를 유기물 기판에 전사하는 박막 전사기술이 사용된다.
한편, 일반적으로 박막 전사기술은 커트-앤-페이스트(Cut & paste)공정이 요구된다. 보다 구체적으로, 피전사체인 박막소자를 도너 기판(donor substrate)으로부터 분리시키기 위해 억셉터 기판(acceptor substrate)을 적층시킨 후에 레이저 리프트 오프(LLO) 공정을 이용하여 도너 기판으로부터 분리한다. 그러나, 레이저 리프트 오프 공정의 경우 레이저에 의해 제거되는 희생층이 필요하며, 희생층 상에 원하는 조건을 만족시키는 소자재료가 형성되어야 한다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전체적인 공정을 간소화하면서 우수한 물성의 박막소자를 얻기 위한 박막소자의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로써, 본 발명의 일 실시형태는 예비기판 상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 산화물로 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 산화물로 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 상에 박막 적층체를 형성하는 단계; 상기 박막 적층체 상에 영구기판을 접합하는 단계; 상기 예비기판 상에 레이저를 조사하여 상기 희생층을 분해하는 단계; 및 상기 전극층으로부터 상기 예비기판을 분리하는 단계를 포함하는 박막소자의 제조방법을 제공한다.
상기 예비기판은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성단계에 적용되는 온도보다 높은 것을 사용할 수 있다.
상기 희생층은 에너지 밴드갭이 상기 예비기판의 에너지 밴드갭 보다 낮은 것을 사용할 수 있다.
상기 제1 산화물은 LaMnO3, LaAlO3, MgSiO3, (Ca,Na)(Nb,Ti,Fe)O3, (Ce,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O6, NaNbO3, SrTiO3, (Na,La,Ca)(Nb,Ti)O3, Ca3(Ti,Al,Zr)9O20, (Ca,Sr)TiO3, CaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Ba,Sr)TiO3, BaTiO3, KTaO3 및 (Bi,La)FeO3로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 제2 산화물은 BSR인 것이 바람직하다.
상기 박막 적층체는 유전체층, 자성체층, 절연층 및 도전층 중 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
상기 박막 적층체는 PZT, PLZT, SBT, SBTN, BIT, BLT, PMN-PT 및 PZN-PT로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 영구기판은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성 단계에 적용되는 온도보다 낮은 것을 사용할 수 있고, 상기 영구 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
상기 박막소자는 박막 트랜지스터, 압전 소자, 태양 전지 및 바이오 센서 중 어느 하나일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로써, 본 발명의 다른 실시형태는 영구 기판; 상기 영구 기판 상에 형성된 박막 적층체; 및 상기 박막 적층체 상에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 산화물 전극층을 포함하는 박막소자를 제공한다.
상기 영구기판은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성단계에 적용되는 온도보다 낮은 것을 사용할 수 있고, 상기 영구기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
상기 박막 적층체는 유전체층, 자성체층, 절연층 및 도전층 중 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
상기 박막 적층체는 PZT, PLZT, SBT, SBTN, BIT, BLT, PMN-PT 및 PZN-PT로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 전극층은 BSR을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막소자의 제조방법에 따르면, 희생층 및 전극층이 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물로 형성됨에 따라, 레이저 리프트 오프시 산소 확산(diffusion)에 의한 물성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극층은 기존의 금속 전극에 비하여 열 전도도가 낮아, 열의 발산을 현저하게 줄일 수 있어 희생층의 비정질화를 가속화시킬 수 있다. 이에 따라, 우수한 물성을 갖는 박막소자를 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시형태에 따른 박막소자의 제조방법을 개략적으로 나타내는 공정별 단면도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 레이저의 투과가 가능한 예비기판(10)을 마련한 후, 상기 예비기판(10) 상에 페로브스카이트 구조(ABO3)를 갖는 제1 산화물로 희생층(20)을 증착한다. 상기 예비기판은 레이저의 투과가 가능한 것으로, 레이저의 파장에 해당하는 에너지보다 큰 밴드갭을 가지는 것이 바람직하다.
상기 예비기판(10)은 특정 기능소자를 형성하기 위한 박막 형성에 적합한 기판일 수 있다. 예를 들어, 원하는 박막이 고온 증착 조건이 요구되는 경우에 내열성을 가지는 물질로 이루어진 기판일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 예비기판(10)은 유리전이온도 또는 융점이 박막 적층체의 형성단계에 적용되는 온도보다 높은 것을 사용할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 실리카(SiO2), 석영(quartz), 유리(glass) 지르코니아(ZrO2)등의 단단한(rigid) 기판을 사용할 수 있다.
상기 희생층(20)은 레이저 조사에 의하여 결정질이 비정질화되어 분해 가능한 것으로, 상기 예비기판(10)의 에너지 밴드갭 보다 낮은 에너지 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 구조(ABO3)를 갖는 제1 산화물이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 명세서에서 사용되는 “제1 산화물”이라는 용어는 희생층(20)을 형성하는 물질을 의미한다.
상기 제1 산화물은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 LaMnO3, LaAlO3, MgSiO3, (Ca,Na)(Nb,Ti,Fe)O3, (Ce,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O6, NaNbO3, SrTiO3, (Na,La,Ca)(Nb,Ti)O3, Ca3(Ti,Al,Zr)9O20, (Ca,Sr)TiO3, CaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Ba,Sr)TiO3, BaTiO3, KTaO3 및 (Bi,La)FeO3로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 바람직하게는 Pb(Zr,Ti)O3 또는 (Pb,La)(Zr,Ti)O3를 포함하는 것이다.
상기 희생층(20)은 졸겔(sol-gel)법, 고주파 스퍼터(RF sputter), MOCVD방법을 통하여 증착될 수 있다.
다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 희생층 상에 페로브스카이트 구조(A’B’O3)를 갖는 제2 산화물로 전극층(30)을 형성한다. 본 발명의 명세서에서 사용되는 “제2 산화물”이라는 용어는 전극층(30)을 형성하는 물질을 의미한다.
상기 제2 산화물은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, BSR[(BaxSr1-x)RuO3] 인 것이 바람직하다.
상기 전극층(30)은 통상의 알려진 PVD, CVD 또는 ALD 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 전극층(30)은 상기 희생층(20)과 같이 페로브스카이트 구조(A’B’O3)를 갖는 산화물로 형성되어, 희생층(20)과 전극층(30)은 유사한 격자상수를 갖는다.
도 2는 도 1b의 A영역을 확대하여 나타낸 것으로, 상기 희생층(20) 및 상기 전극층(30)의 경계면을 개략적으로 나타낸 확대단면도이다. 이를 참조하면, 상기 희생층(20) 및 전극층(30)을 형성하는 산화물은 페로브스카이트 구조를 갖고, 유사한 격자 상수를 갖는다.
보다 구체적으로, 상기 전극층(30)을 형성하는 BSR은 Ba/Sr비에 따라 격자상수가 0.397 내지 0.409nm를 나타내고, 희생층(20)을 형성하는 PZT의 격자상수는 약 0.404nm를 나타낸다. 이에 따라, 후술하는 희생층의 제거공정인 레이저 리프트 오프시 산소 확산(diffusion)에 의한 물성 저하를 방지할 수 있고, 열의 발산을 다른 금속물질에 비하여 현저하게 줄일 수 있다. 또한, 상기 전극층(30)상에 형성되는 박막 적층체의 결정성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 전극층(30) 상에 박막 적층체(40)를 형성한다. 본 발명에서 박막 적층체는 원하는 박막 소자에 따라 복수의 층으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 특정 기능소자를 형성하는 상기 박막 적층체는 유전체층, 자성체층, 절연층 또는 도전층을 포함할 수 있다.
박막 적층체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, PZT(Lead zirconium titanate: Pb(ZrxTi1-x)O3, 0<x<1), PLZT(lanthanum-doped lead zirconate titanate: PbyLa1-y(ZrxTi1-x)O3, SBT(Strontium bismuth tantalite: SrBi2Ta2O9), SBTN(Strontium barium tantalate noibate), BIT(bismuth titanate Bi4Ti3O12), BLT(bismuth lanthanum titanate: Bi4-xLaxTi3O12), PMN-PT(Lead magnesium niobate-lead titanate) 및 PZN-PT(Lead zinc niobate-lead titanate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체층을 포함할 수 있고, PZT 또는 PLZT를 포함하는 것이 바람직하다.
박막 적층체의 형성에 따라 본 발명에 따른 박막 소자는 다양한 형태의 소자일 수 있으며, 바람직하게는 플렉서블 소자일 수 있다. 이에 한정되지 않으나, 예를 들면, 박막 트랜지스터(TFT), 압전 소자, 태양 전지 및 광 센서 등의 광전 변환 소자일 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 박막 적층체(40)는 유전체층(41) 및 전극층(42)을 순차적으로 형성한 구조로 예시되어 있다. 상기 유전체층(41)은 졸겔법으로 코팅하여 형성할 수 있고, 상기 전극층(42)은 스퍼터를 이용하여 증착될 수 있다. 상기 전극층(42)은 금속전극 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물로 된 전극층일 수 있다.
상기 박막 적층체(40)는 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 산화물로 된 전극층(30)상에 증착되기 때문에 결정성이 우수하다. 즉, 종래의 금속 전극에 증착되는 경우보다 결정성이 향상되며, 최종 박막 소자의 물성이 향상된다. 상기 박막 적층체(40)가 PZT 또는 PLZT로 된 유전층을 포함하는 경우 전극층(30)과 같은 구조와 비슷한 격자 상수를 가짐으로써, 보다 우수한 물성의 소자를 얻을 수 있다.
박막 적층체(40)가 증착되면, 열처리를 통하여 상기 전극층(30)과 박막 적층체(40)를 접합시킨다.
다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 박막 적층체(40) 상에 영구기판(50)을 접합시킨다. 본 명세서에서 사용되는 “영구기판”이라는 용어는 전사체로 제공되는 기판으로서 박막 소자를 구성하는 기판에 해당된다.
상기 영구기판(50)은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성에 적용되는 온도보다 낮은 것을 사용할 수 있다. 상기 영구 기판(50)은 고분자 물질로 이루어진 플렉서블 기판일 수 있다.
다음으로, 도 1e에 도시된 바와 같이, 전극층(30)이 형성되지 않은 방향으로 예비기판(10)에 레이저를 조사한다. 예비기판(10)에 레이저를 조사하면, 예비기판상에 형성된 희생층(20)은 결정질이 비정질화 되어 분해된다.
상기 레이저의 종류 및 그 조사하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 레이저의 종류는 예비기판(10)과 희생층(20)의 밴드갭(Band gap) 사이의 에너지를 가지는 레이저를 이용할 수 있으며, 예를 들면, 엑시머 레이저(excimer laser, 126 nm, 146 nm, 157 nm, 172 nm, 175 nm, 193 nm, 248 nm, 282nm, 308 nm, 351 nm, 222 nm, 259 nm) 또는 Nd-YAG 레이저(266 nm, 355 nm)를 이용할 수 있다. 상기 희생층(20)이 PLZT로 형성된 경우에는 248 nm 파장의 엑시머 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물로 형성된 희생층(20) 및 전극층(30)은 구조 및 격자 상수가 유사하고, 금속 물질보다 열전도도가 낮기 때문에 레이저 리프트 오프 동안 열전도를 낮출 수 있어서, 희생층(20)의 비정질화를 가속화 시킬 수 있다. 즉, 희생층은 열 축적에 의하여 분해가 촉진되고, 박막 분리를 보다 쉽게 할 수 있다.
상기 레이저 조사에 의하여 상기 희생층(20)이 분해되면, 상기 전극층(30)으로부터 상기 예비기판(10)을 분리한다. 이에 따라 도 1f에 도시된 바와 같이, 전극층(30), 박막 적층체(40) 및 영구기판(50)을 포함하는 박막소자가 제조된다.
본 발명에 따른 박막소자의 제조방법은 다양한 박막소자에 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 박막 적층체의 형성에 비교적 고온 공정이 요구되지만, 박막소자에 사용되는 기판이 낮은 내열성을 갖거나 유리전이 온도 또는 융점이 낮은 경우에 본 발명에 따른 박막소자의 제조방법은 매우 유익하게 활용될 수 있다. 특히, 플렉서블 박막 소자의 경우에 활용의 유익성이 매우 크다.
본 발명의 다른 실시형태는 도 1f에 도시된 바와 같이, 영구 기판(50); 상기 영구 기판 상에 형성된 박막 적층체(40); 및 상기 박막 적층체 상에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 산화물로 된 전극층(30)을 포함하는 박막소자를 제공한다. 상기 박막소자는 상술한 박막소자의 제조방법에 의하여 형성될 수 있으며, 영 구기판(50), 박막 적층체(40) 및 전극층(30)의 구체적인 특성은 상술한 바와 같다.
상기 박막소자는 박막 적층체의 종류에 따라 다양한 형태의 소자일 수 있으며, 바람직하게는 플렉서블 소자일 수 있다. 이에 한정되지 않으나, 예를 들면, 박막 트랜지스터(TFT), 압전 소자, 태양 전지 및 광 센서 등의 광전 변환 소자일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시형태에 따른 박막소자의 제조방법을 개략적으로 나타내는 공정별 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 박막소자의 제조방법 중 희생층 및 전극층의 경계면의 일부를 개략적으로 나타낸 확대단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 예비기판 20: 희생층
30: 전극층 40: 박막 적층체
50: 영구기판
Claims (16)
- 예비기판 상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 산화물로 희생층을 형성하는 단계;상기 희생층 상에 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 산화물로 전극층을 형성하는 단계;상기 전극층 상에 박막 적층체를 형성하는 단계;상기 박막 적층체 상에 영구기판을 접합하는 단계;상기 예비기판 상에 레이저를 조사하여 상기 희생층을 분해하는 단계; 및상기 전극층으로부터 상기 예비기판을 분리하는 단계를 포함하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 예비기판은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성단계에 적용되는 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 희생층은 에너지 밴드갭이 상기 예비기판의 에너지 밴드갭 보다 낮은 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 산화물은 LaMnO3, LaAlO3, MgSiO3, (Ca,Na)(Nb,Ti,Fe)O3, (Ce,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O6, NaNbO3, SrTiO3, (Na,La,Ca)(Nb,Ti)O3, Ca3(Ti,Al,Zr)9O20, (Ca,Sr)TiO3, CaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Ba,Sr)TiO3, BaTiO3, KTaO3 및 (Bi,La)FeO3로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2 산화물은 BSR인 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 박막 적층체는 유전체층, 자성체층, 절연층 및 도전층 중 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 박막 적층체는 PZT, PLZT, SBT, SBTN, BIT, BLT, PMN-PT 및 PZN-PT로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 영구기판은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성단계에 적용되는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 영구 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 박막소자는 박막 트랜지스터, 압전 소자, 태양 전지 및 바이오 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막소자의 제조방법.
- 영구 기판;상기 영구 기판 상에 형성된 박막 적층체; 및상기 박막 적층체 상에 형성된 페로브스카이트 구조를 갖는 제2 산화물로 된 전극층을 포함하는 박막소자.
- 제11항에 있어서,상기 영구기판은 유리전이온도 또는 융점이 상기 박막 적층체의 형성단계에 적용되는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 박막소자.
- 제11항에 있어서,상기 영구 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 박막소자.
- 제11항에 있어서,상기 박막 적층체는 유전체층, 자성체층, 절연층 및 도전층 중 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막소자.
- 제11항에 있어서,상기 박막 적층체는 PZT, PLZT, SBT, SBTN, BIT, BLT, PMN-PT 및 PZN-PT로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막소자.
- 제11항에 있어서,상기 전극층은 BSR을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막소자.
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