KR100198932B1 - 산화아연 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물리적인 증착법으로 소정 기판(1) 상에 소정 크기의 입자를 가진 산화아연 박막을 형성하는 제1단계 : 및 상기 산화아연 박막이 형성된 기판(1)을 소정 시간 동안 가열한 후 냉각시켜 열적 충격에 의해 상기 산화아연 박막의 취약한 입자 경계가 깨어지도록 하여 양자구슬을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법에 관한 것으로, 제품의 특성 및 제조 수율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법
제1도는 열적 충격에 의한 양자구슬이 형성되기 전 산화아연(ZnO) 박막의 단면도.
제2도는 투과 전자 현미경으로 본 ZnO 양자구슬을 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판
본 발명은 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 저차원의 반도체(특히, 양자 우물(Quantum Well - 2차원), 양자 선(Quantum Wire - 1차원), 양자구슬(Quantum Dot - 0차원))에 관하여 연구가 활발히 진행되고 있다.
양자구슬에 관한 연구에 있어서, 일반적으로, 양자구슬의 크기가 작으면 작을수록 전사 상태 밀도(Density of Electric States)가 감소하며, 밴드 갭 에너지(Band Gap Energy)가 증가한다. 또한 많은 양자구슬을 함유한 재료에는 큰 값의 제3차 비선형 감쇄율(x3)을 나타내게 된다.
이러한 대부분의 물질들은 스퍼터링(Sputtering), 스모크(Smoke) 등의 물리적인 방법이나, 졸-젤(Sol-Gel), 콜로이드(Coloid) 등의 화학적 방법 또는, 최근의 리소그래피와 재서장(Lithography and Regrowth)을 이용한 방법도 사용되고 있다. 이중, 특히 산화물 반도체(Ⅱ-Ⅳ족)인 ZnO 양자구슬은 주로 용액 속에서 콜로이드 상태나 졸-젤의 방법 등의 화학적 방법으로 제조되어 왔다.
그러나 종래에는 ZnO 구슬을 전술한 바와 같은 화학적 방법으로 제조하기 때문에 제조 과정중 오염될 소지가 높은 문제점을 내포하고 있다. 또한 이러한 방법으로 만든 산화아연(ZnO) 양자 구슬은 균일한 크기의 양자 구슬을 만들기 힘들뿐만 아니라, 대부분의 산화아연(ZnO) 양자 구슬이 서로 뭉쳐 있어 잘 분산된 양질의 산화아연(ZnO) 양자 구슬을 함유한 박막을 만들기가 힘들다.
따라서, 본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 물리적인 방법을 사용하여 양질의 박막을 형성할 수 있어 제품의 특성 및 제조 수율을 향상시키는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조방법에 있어서, 물리적인 증착법으로 기판 상에 5 내지 10nm 크기의 그레인을 갖는 산화아연 박막을 형성하는 제1단계 : 진공하에서 산화아연 박막을 가열하는 제2단계 : 및 열적 충격에 의해 상기 산화아연 박막의 그레인 경계가 깨져 양자의 구슬이 형성되도록, 가열된 상기 산화아연 박막을 공냉시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
제1도는 열적 충격에 의한 양자구슬이 형성되기 전 산화아연(ZnO) 박막의 단면도로서, 도면에서 '1'은 기판을 나타낸다.
본 실시예는 먼저, 물리적인 증착방법인 스퍼터링을 수행하기 전에 스퍼터(Sputter)의 챔버(Chamber) 진공도를 10-6Torr 정도로 강하시킨 다음, 아르곤(Ar)가스를 4×10-3Torr 까지 재충전시킨다. 100W, 13.6MHz의 고주파(R.F. : Radio Frequency) 전력원을 사용하여 글로우 방열(Glow Discharge)을 발생시켜 ZnO 박막을 7 내지 10nm 두께(a)를 가질 때까지 성장시킨다. 이때 형성되는 박막은 제1도에 도시된 바와 같이 5 내지 10nm 크기의 그레인 크기(Grain Size)(b)를 가지며, 육각 비러자이트(Hexagonal Wurtzite) 결정구조를 가지고, 또한 c-축 방향으로 주상(Columnar)으로 성장한다.
이어서, 이렇게 성장된 박막을 10-6이하의 진공도를 갖는 석영관에 넣고 400℃의 온도하에서 1시간 동안 가열한 다음, 석영관을 깨면서 공냉시킨다. 이 상태에서 박막은 취약한 그레인 경게(Grain Boundary)를 따라 깨어짐으로써 양자구슬이 형성된다. 제2도는 이렇게 하여 제조된 ZnO 양자구슬을 투과 전자 현미경으로 본 도면이다. ZnO 양자구슬의 크기는 5 내지 10nm의 지름을 가지며, 전자 회전 링 패턴(Electron Diffaction Ring pattern)에 의해 판명된 구조 역시 육각 비러자이트였다.
계속해서, 상기 시편을 스피너에 놓고 PMMA(polymethylmethacrylate) 용액이나 콜로디온(Collodion) 용액을 스핀 코팅시켜 100℃의 온도 하에서 1시단 동안 오븐에서 열경화(Curting)시켜 ZnO 양자구슬 박막 제조를 완료한다.
이러한 방법은 육각 구조(Hexagonal Structure)의 주사 방향으로 성장하는GaAs 등과 같은 반도체의 양자구슬의 제조에도 적용할 수 있다.
참고적으로, 본 일실시예에서는 ZnO의 매우 얇은 박막을 형성하기 위해서 스퍼터를 사용하였다. 또한, 본 실시예에서 증착원인 ZnO 원판은 99.9%의 순도를 가지며, 그 크기는 지름 100mm, 두계 2.5mm이다, 박막이 증착될 기판(1)으로는 용융 실리카(Fused Silica)를 사용하였다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 제품의 특성 및 제조 수율을 향상시킬 수 있는 특유의 효과가 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법에 있어서, 물리적인 증착법을 기판 상에 5 내지 10nm 크기의 그레인을 갖는 산화아연 박막을 형성하는 제1단계 : 진공하에서 상기 산화아연 박막을 가열하는 제2단계 : 및 열적 충격에 의해 상기 산화아연 박막의 그레인 경계가 깨져 양자구슬이 형성되도록, 가열된 상기 산화아연 박막을 공냉시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계의 물리적인 증착법은 스퍼터링 증착법임을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1단계는, 상기 스퍼터링 증착시 스퍼터 챔버의 진공도를 강하시킨 다음 아르곤(Ar) 가스를 충전시키는 단계와, 고주파 전력원을 사용하여 글로우 방열(Glow Discharge)을 발생시켜 산화아연 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 챔버의 진공도가 4×10-3Torr가 될 때까지 상기 아르곤 가스를 충전시키는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 고주파 전력원은 100W, 13.6MHz의 고주파 전력원인 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1단계에서 상기 산화아연 박막은 5 내지 10nm 크기의 그레인 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1단계에서 상기 산화아연 박막은 육각 비러자이트 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2단계에서, 상기 산화아연 박막이 형성된 기판을 10-6이하의 진공도를 갖는 석영관에 넣고 적어도 400℃의 온도하에서 가열하는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판의 전체구조 상에 계속해서, PMMA(Poly methylmethacrylate) 용액 또는 콜로디온(Collodion) 용액을 스핀 코팅한 후, 열경화(Curting)시키는 제4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제4단계는 100℃의 온도 하에서 1시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 기판은 용융 실리카(Fused Silica) 기판인 것을 특징으로 하는 산화아연(ZnO) 양자구슬을 함유한 박막 제조 방법.
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