플라스틱 기판에 나노결정 실리콘(nc-Si) 및 실리콘 나이트라이드(SiN x ) 박막을 적용하는 것은 플렉서블 디스플레이 장치와 웨어러블 전자기기에서 핵심 기술 중 하나이다. 플렉서블 기판 위에 전자 회로를 제작하려면, 대개 기판 재료의 유리전이점(glass transition point)보다 실질적으로 낮은 공정 온도를 요구하는 박막 증착 기술이 필요하다. 촉매 화학기상증착(Cat-CVD) 기법은 저온에서 전자 소자 수준의 무기질 박막을 얻기 위한 최적의 후보 중 하나이다. 지름 0.4–0.7 mm의 얇은(필라멘트) 필라멘트가 유일하게 가열되는 구성이며, 그 결과 기판이 직접 가열되지 않도록 하여 열 부담을 줄인다. 또한 소스 가스는 필라멘트에 접촉하는 과정에서 에너지 높은 라디칼로 분해되어 소스-박막 전환 효율을 향상시킨다. 필라멘트의 구성은 다양한 방식으로 변경될 수 있어 여러 종류의 박막에 대한 특정 요구사항을 수용할 수 있다. 필라멘트와 기판 사이의 거리, 세그먼트 수, 세그먼트 간 연결 방식(직렬 또는 병렬), 필라멘트 간 이격거리, 필라멘트의 총 길이를 변화시켜 100ºC 미만의 온도에서 nc-Si 및 SiN x 박막을 성장시켰다. 그러나 이러한 모든 인자들은 공정 온도에만 영향을 미치는 것이 아니라 기판 표면에서의 열 프로파일에도 영향을 준다. 본 연구에서는 다양한 필라멘트 구성으로 인해 형성되는 열 프로파일이 기판 전반에 걸친 박막의 균일성(막 두께 및 전기적 특성 측면)에 미치는 영향을 조사하였다. 그림 1은 Cat-CVD 시스템의 샤워헤드-필라멘트 어셈블리의 개략도를 보여준다. 필라멘트를 병렬로 배치한 경우, 전력이 필라멘트를 가열하기 위해 전기 피드스루(electrical feed-through)로 공급되며, 그 지점에 몰리브덴 고정구 한 쌍이 부착된다. 필라멘트 사이의 간격은 8 mm 간격으로 조절할 수 있다. 필라멘트를 직렬로 배치한 경우에는 샤워헤드 주변에 최대 8개의 절연 기둥을 장착할 수 있다. 이 기둥을 기계적 지지대로 사용하면, 필라멘트는 하나의 피드스루에서 다른 피드스루까지 임의의 기하학적 패턴으로 연장될 수 있다. 병렬 배치는 필라멘트로부터의 복사열에 의한 기판의 자기 가열을 최소화하는 면에서 직렬 배치보다 더 유리하였다. 필라멘트 조각 2개만 사용하고 필라멘트 간 이격거리 56 mm, 필라멘트-기판 거리 5 cm를 적용했을 때, 공정 온도는 100°C로 낮아졌으며 생성된 박막은 양호한 막 두께 균일성과 부착성을 보였다. 그림 2에 나타낸 바와 같이, 두 개의 점 열원(two point heat sources)을 이용한 2-D 단면 시뮬레이션 결과 필라멘트-기판 간격이 1.7 cm보다 작을 때 기판 표면의 온도 프로파일은 두 개의 최대값(maxima)을 나타냈다. 이 거리를 초과하면 온도 프로파일은 중심에 단일 열원이 있는 것처럼 거동하였다. 필라멘트-기판 간격이 8.5 cm보다 클 경우, 지름 100 mm 기판에서 온도 분포는 균일해졌다. 지름 100 mm의 원형 기판에서 기판 전반의 균일성을 조사하기 위해 10 mm 간격으로 막 두께를 측정하였다. 56 mm의 필라멘트 간 이격거리가 가장 낮은 표준편차를 보였으며, 필라멘트 사이 영역에서 막 두께가 균일하였다. 그러나 nc-Si의 비저항과 SiN x 의 항복 전계 강도는 필라멘트 구성과의 상관관계가 거의 나타나지 않았다. 표준편차는 56 mm 간격에서 최저값을 보였지만, 비저항과 항복 전계 강도의 등고선(contour) 플롯은 필라멘트 배열의 기하학적 구조보다 반응기 형상의 비대칭성에 의해 더 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

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