Research for flexible displays consists of display methods, substrates and thin-film transistors(TFTs) for flexibility. Among them, a key technology for flexible displays is flexible TFTs that make high-performance display. Flexible TFTs are divided into organic, amorphous Si and polycrystalline Si TFTs. Many researchers are interested in poly-Si flexible TFTs due to high-field effect mobility.
Fabricating methods of poly-Si TFTs on plastic substrates consist of the direct-fabrication process and the layer transfer technology. The maximum temperature in the direct-fabrication process on plastic substrates must be lower than plastic glass transition temperature at 150℃, the point at which the substrate loses its thermal and mechanical integrity. Since temperature of the conventional process for poly-Si TFTs is higher than 400℃, it is too difficult to apply conventional process to fabricating poly-Si TFTs on plastic substrates.
In order to obtain the poly-Si TFTs on flexible substrates with the conventional process, the layer transfer technology has been developed. The main thesis of the layer transfer technology that poly-Si TFTs are fabricated on chemically and thermally durable mother-substrates using conventional process and then transferred onto a plastic substrates.
In this thesis, the muscovite mica is chosen as the mother-substrates for layer transfer technology. The advantages of mica substrates are chemically and thermally durable in moderately and easily cleaved into thin-plates. However, there are several problems in the process of fabricating TFTs on the mica substrates. First, deposited films on mica substrates are easily delaminated because the mica substrates have poor adhesion between films. Second, thermo-mechanical stress induced by the differences of the coefficient of thermal-expansion can be relaxed because thermo-mechanical stress makes thin-film failure such as film delaminations and cracks which often occur. Last, the surface of mica substrates must be protected from chemicals and heat in order to fabricate poly-Si TFTs. Therefore, a buffer layer composed to $Ti/Ta/SiO_2$ is applied to solve the problems.
Ti films as the adhesion layer are selected for enhancing interface adhesion between mica substrate and deposited films. Ta films acting the protective layer are selected for protecting mica substrate against chemicals and heat. $SiO_2$ films at the top of the buffer layer as the isolation layer are used for electrical insulation and barrier of contamination between poly-Si and Ti/Ta bi-layer.
As poly-Si TFTs processed at low-temperature can be fabricated on the mica substrates with the buffer layer, this study does not change any fabrication process and facilities for the conventional process. In addition, poly-Si TFTs can be easily separated from mother-substrates, and then transferred to PES substrates.
21세기 정보 디스플레이의 발전은 현재의 사물을 현실감 있게 보여주는 표현성과 언제 어디서나 정보를 접할 수 있는 휴대성과 편리성을 지향한다. 특히 휴대성과 편리성은 디스플레이를 종이와 같이 접고 말어 휴대가 가능한 플렉서블 디스플레이의 연구로 나타나고 있다.
플렉서블 디스플레이를 구성하는 핵심기술은 플렉서블 기판, 플렉서블 디스플레이용 표시방식 그리고 플렉서블 박막소자(이하 플렉서블 소자) 제조기술로 분류된다. 플렉서블 기판에 제조되는 플렉서블 소자는 고화질, 고성능의 플렉서블 디스플레이의 연구에 핵심적인 기술이다. 현재 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 유기물을 이용한 플렉서블 소자가 연구되고 있다. 이 중 다결정 실리콘 플렉서블 소자는 높은 전계이동효과, 소자 크기감소 그리고 구동회로를 패널에 실장할 수 있으므로 디스플레이의 고성능화, 소형화가 가능한 장점으로 주목받고 있다. 최근 다결정 실리콘 플렉서블 소자의 연구는 플라스틱 기판상에 직접 소자를 제조하는 직접제조법과 유리 또는 실리콘 기판에 제작된 소자를 플렉서블 기판으로 옮기는 기판전이기술이 차세대 기술로 주목받고 있다.
직접제조법을 이용한 다결정 실리콘 소자 제작은 전체공정이 플라스틱 내열온도인 150℃ 이하에서 이루어져야 한다. 그리고 플라스틱 기판은 약 20~80ppm/℃의 열팽창계수와 취약한 내화학성을 고려해야 한다. 현재 유리기판을 기반으로 하는 소자제작 온도는 400℃ 이상으로 취약한 내열성을 지니는 플라스틱 기판에는 적합지 않으므로 엑시머 레이저를 이용한 저온결정화기술로 소자제조온도를 낮추고 있다. 그리고 플라스틱 기판이 열과 화학약품에 직접 노출되는 것을 방지하기 위한 버퍼층과 기판의 열변형에 의한 alignment기술이 요구된다. 그럼에도 불구하고 플라스틱 기판을 이용한 소자제작공정은 기존의 유리기판을 기반으로 하는 소자제작공정을 유지할 수 없어 공정비용의 감소를 기대할 수 없다. 최근 플라스틱 기판을 이용한 소자제조공정의 난이도로 인하여 유리기판에 제조된 다결정 실리콘 소자를 플라스틱 기판으로 전이하는 기판전이기술을 개발하고 이를 적용하려 하고 있다.
기판전이 기술을 이용한 소자제작기술은 내열, 내화학성을 갖는 기판위에 저온결정화법을 이용하여 다결정 실리콘 소자를 제작하고 기판과 소자영역을 분리한 뒤, 소자영역을 플라스틱 기판으로 전이하는 공정을 기반으로 한다. 기판전이기술을 이용한 소자제작은 기존 소자제작공정을 그대로 적용할 수 있으므로 저렴한 공정비용과 플라스틱 기판이 갖는 공정 한계성을 극복할 수 있는 장점이 있다. 그리고 플라스틱기판으로 전이된 소자는 유연하며 높은 전계이동 효과를 갖기 때문에 기존의 디스플레이와 동등한 수준의 영상구현이 가능할 것으로 예측된다. 그러나 기판전이 기술은 기판과 소자를 분리하는 분리막 형성기술이 추가로 요구되는 단점이 있고 공정비용의 상승이 발생할 수 있으므로, 보다 쉬운 분리막 형성기술의 연구가 요구된다.
본 실험은 분리막 형성의 추가공정 없이 쉽고 저렴하게 기판전이기술을 구현하기 위해 운모(Mica)라는 새로운 기판을 도입하였다. 운모는 단결정의 층상구조를 갖는 물질로 물리적으로 판상 분리가 가능하므로 기판전이기술에 적합할 것으로 판단된다.
운모를 이용한 실험을 통하여 10ppm/℃의 열팽창계수를 갖고 박막증착시 계면접착력이 좋지 못함을 확인하였다. 그리고 열과 화학약품에 동시에 노출될 때 표면손상의 문제점을 확인하였다. 따라서 본 실험은 다결정 실리콘과 운모기판간의 급격한 열팽창계수로 인한 열적-기계적 응력을 완화하고 운모의 물성에 따른 문제점과 소자제작의 안정성 확보를 목적으로 Ti, Ta, $SiO_2$를 버퍼물질로써 선택하였다. Ti는 운모가 갖는 충분치 못한 접착력개선을 위해 선택하였다. Ta는 확산방지막(Diffusion barrier)의 역할과 소자제조공정의 화학약품으로 인한 Ti와 운모기판의 손상을 막는 보호층(protective layer)으로 선택하였다. 그리고 $SiO_2$ 를 중성층(Isolation layer)로 다결정 실리콘층의 절연과 오염을 방지하였다. 최종적으로 유리나 실리콘 웨이퍼에 적용하는 기존 소자제조공정을 버퍼층을 적용한 운모기판의 적용하고 소자를 제작하였다. 이와 같이 제조된 소자는 유연한 운모기판의 특성으로 플렉서블 소자의 직접적용이 가능했으며 추가공정 없이 물리적으로 모기판과 소자를 분리하여 플렉서블 기판으로 전이가 가능함을 확인하였다.
