KR100324645B1 - Thickness Control of Thin Films Using Viscosity Changes in Solution - Google Patents
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Abstract
본 발명은 졸-겔법(sol-gel)에 의해 박막을 제조하는 방법에 있어서, 졸의 가수 분해 과정에서 일어나는 현상인 졸의 시간에 따른 점도 변화를 이용하는 것을 포함하는 박막의 두께 조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the thickness of a thin film, comprising using a viscosity change with time of a sol, which is a phenomenon occurring in a hydrolysis process of a sol in a sol-gel method. .
본 발명을 이용하여 통상의 졸-겔법에 의해 코팅되는 두께의 200 % 이상까지 단 한번의 공정으로 두껍게 코팅할 수 있고, 또한 박막의 두께를 10 nm 수준으로 정밀하게 조절할 수 있다.Using the present invention, it is possible to coat thickly in a single step up to 200% or more of the thickness coated by a conventional sol-gel method, and also to precisely control the thickness of the thin film to a level of 10 nm.
본 발명을 이용하여 두껍고 정확한 두께의 박막이 요구되는 광학 소자, 전자 소자 등을 용이하게 제조할 수 있다.By using the present invention, an optical device, an electronic device, and the like, which require a thin film of a thick and precise thickness, can be easily manufactured.
Description
본 발명은 졸-겔법에 의해 박막을 제조하는 방법에 있어서, 졸의 가수 분해 과정에서 일어나는 현상인 졸의 시간에 따른 점도 변화를 이용하는 것을 포함하는 박막의 두께 조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for adjusting the thickness of a thin film, comprising using a change in viscosity with time of a sol, which is a phenomenon occurring in a hydrolysis process of a sol in a method of manufacturing a thin film by a sol-gel method.
보다 구체적으로, 본 발명은 통상의 졸-겔법에 의해 코팅되는 두께의 200 % 이상까지 단 한번의 공정으로 두껍게 코팅할 수 있고, 또한 박막의 두께를 10 nm 수준으로 정밀하게 조절할 수 있는 박막의 두께 조절 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention can be thickly coated in a single step up to 200% or more of the thickness coated by a conventional sol-gel method, and also the thickness of the thin film that can precisely control the thickness of the thin film to a level of 10 nm. It is about a control method.
박막 제조 공정은 전자, 광학 소자의 제조에 필수적인 요소이며, 그 방법으로는 스퍼터링(sputtering), 화학 증착(chemical vapor deposition), 레이저 증착(laser ablation), 졸-겔법 등이 있다. 고가의 장비가 필요한 스퍼터링, 화학 증착법, 레이저 증착법과 비교하여 비교적 간단한 장비로 박막을 제조하는 졸-겔법은 경제성이 뛰어나 많은 연구가 진행되고 있다.The thin film manufacturing process is an essential element for the production of electronic and optical devices, and the method includes sputtering, chemical vapor deposition, laser ablation, and sol-gel method. Compared to sputtering, chemical vapor deposition, and laser deposition, which require expensive equipment, the sol-gel method for manufacturing a thin film with relatively simple equipment has been widely studied due to its excellent economic efficiency.
특히 광학 소자는 광섬유와의 접속을 위하여 두꺼운 박막이 필수적으로 요구되며, 유전체를 이용한 전자 소자는 박막이 두꺼울수록 유전율이 커지기 때문에 필요에 따라 두꺼운 박막이 요구된다.In particular, an optical device requires a thick thin film to be connected to an optical fiber, and an electronic device using a dielectric requires a thick thin film as necessary because the dielectric constant increases as the thin film becomes thicker.
졸-겔법에 의하여 산화물 박막을 제조할 수 있다는 가능성은 1939년에 제안되었다. 그 이후로 가장 큰 기술적 문제는 박막의 두께를 조절하는 것이었으며 특히 두꺼운 박막을 얻는 것이 큰 과제였다. 이러한 문제는 용액 제조, 액상 박막의 균일한 코팅(coating), 건조 공정 및 치밀한 공정과 관계된다.The possibility of producing oxide thin films by the sol-gel method was proposed in 1939. Since then, the biggest technical problem has been to control the thickness of the thin film, especially to obtain a thick film. These problems relate to solution preparation, uniform coating of liquid thin films, drying processes and dense processes.
졸-겔법에 의하여 산화물 박막을 제조하는 방법은 크게 담금법과 회전법으로 구분된다.The method for producing an oxide thin film by the sol-gel method is largely divided into a immersion method and a rotation method.
졸-겔법에 의한 박막 제조 방법 중 제일 먼저 사용된 것은 담금법이며, 이러한 공정은 1959년에 상업화되었다. 그 당시에 숏트 글래스 테크놀로지즈, 캄파니 (Schott Glass Technologies, Inc.)는 4미터 x 5미터 크기의 창유리에 담금법을 이용하여 TiO2박막을 코팅하였다.The first method of thin film manufacturing by the sol-gel method is the immersion method, which was commercialized in 1959. At that time, Shot Glass Technologies, Inc. coated TiO 2 thin films by immersion on a 4 meter by 5 meter windowpane.
담금법을 도 1에 간략하게 도시하였다. 코팅할 용액이 적절한 용기에 담겨져 있고, 모터에 의해 작동되는 상승 하강 장치에 기판이 매달려 있다. 용액에 담겨진 시료를 서서히 끌어올려 코팅하는 기술이다. 용액의 청결도나 주변 환경의 청결도에 따라 박막의 질이 달라진다. 탱크와 모터는 진동 방지 장치 위에 장착하여 용액의 표면이 완전하게 정지되어 있어야 한다. 시료를 끌어올리는 동안에 용액이 조금만 출렁거려도 시료에 가로줄 무늬가 생긴다. 모토 또한 최상의 제품이어야 하고 절대적으로 서서히 부드럽게 움직여야 한다.The immersion method is briefly shown in FIG. The solution to be coated is contained in a suitable container, and the substrate is suspended in a lifting device driven by a motor. It is a technique of slowly lifting and coating a sample contained in a solution. The quality of the thin film depends on the cleanliness of the solution and the cleanliness of the surrounding environment. The tank and motor should be mounted on an anti-vibration device so that the surface of the solution is completely stopped. Even a slight squeak of the solution while pulling up the sample results in horizontal stripes on the sample. The motto should also be the best product and move absolutely smoothly.
다른 코팅 방법과 비교하여 담금법의 장점은 기판의 크기나 모양에 관계없고, 저렴한 가격으로 장치를 설비할 수 있으며, 용액의 청결도를 용이하게 유지할 수 있고, 용액의 특성에 그다지 민감하지 않고, 코팅 분위기 조절이 쉽다는 것이다. 반면, 담금법의 단점은 상대적으로 많은 용액이 필요하며, 용액이 비싸고 화학적으로 불안정할 경우 경제적 손실이 크고, 용액의 오염 때문에 다층 박막을 코팅하기 곤란하고, 기판의 양면이 코팅되기 때문에 한쪽 면만 코팅해야 하는 경우에는 코팅 공정이 복잡해진다. 무엇보다도 담금법에 의하여 코팅할 경우 시료 전체를 통하여 두께가 불균일하여 광학 소자용 박막으로 사용하기 부적절하다.The advantages of the immersion method in comparison with other coating methods are that regardless of the size or shape of the substrate, it is possible to install the device at a low price, to easily maintain the cleanliness of the solution, not very sensitive to the characteristics of the solution, and the coating atmosphere It is easy to adjust. On the other hand, the drawback of the immersion method is that a relatively large amount of solution is required, and if the solution is expensive and chemically unstable, the economic loss is large. In this case, the coating process becomes complicated. Above all, when coating by immersion method, the thickness is uneven throughout the sample, which is not suitable for use as an optical device thin film.
회전법은 포토리지스터(photoresistor)를 실리콘 기판에 코팅하는 전자 산업의 기술을 응용하는 것으로서, 여러가지 제한 요소가 있기는 하지만 빠르고 효율적이며 편리한 방법이다.The rotation method is an application of the electronic industry's technology of coating a photoresistor on a silicon substrate, and is a fast, efficient and convenient method although there are various limitations.
회전법을 도 2에 간략하게 도시하였다. 기판은 모터에 의해 회전하는 회전판(turn-table)에 부착된다. 용액은 기판의 상부에서 떨어뜨린다. 이 공정은 기본적으로 세 단계로 이루어진다. 첫째, 충분한 용액을 기판에 떨어뜨린다. 기판은 정지해 있을 수도 있고, 천천히 또는 빠르게 회전하고 있을 수도 있다. 용액은 대체로 기판의 가운데 부분에 떨어뜨린다. 용액을 기판의 중앙에서 기판 바깥쪽으로 이동하며 떨어뜨리기도 하고, 반대로 기판 바깥쪽에서 기판 안쪽으로 이동하며 떨어뜨릴 수도 있다. 두 번째는 회전판의 회전 속도를 가속하는 단계이다. 이때 용액 막이 원심력에 의하여 중앙 부위에서 바깥쪽으로 퍼져 나간다. 세 번째는 용매의 증발과 졸의 겔화에 의하여 용액 막이 굳어져 고형화되는 단계이다.The rotation method is briefly shown in FIG. The substrate is attached to a turn-table that is rotated by a motor. The solution is dropped at the top of the substrate. This process basically consists of three steps. First, enough solution is dropped onto the substrate. The substrate may be stationary or may be rotating slowly or rapidly. The solution is usually dropped in the middle of the substrate. The solution may be dropped from the center of the substrate to the outside of the substrate and, conversely, from the outside of the substrate to the inside of the substrate. The second step is to accelerate the rotation speed of the rotating plate. At this time, the solution membrane is spread out from the center by centrifugal force. The third step is to solidify the solution membrane by evaporation of the solvent and gelation of the sol.
이 회전법의 장점은 큰 기판을 코팅할 경우에도 소량의 용액만 필요하고, 공정이 매우 빠르고, 다층 박막을 코팅하기에 적절하며, 시판되는 많은 장치를 쉽게 사용할 수 있다는 것이다. 반면에 단점으로는 원형 기판에 적절하나 다른 모양일 경우에는 공기와 용액의 흐름을 부드럽게 하기 위한 적절한 조치가 필요하며, 정밀한 용액의 특성이 요구되고, 청결 상태를 유지하기 어려우며, 8 인치 이상의 대형 기판을 균일하게 코팅하기가 곤란하다는 것을 들 수 있다.The advantage of this rotation method is that even when coating a large substrate, only a small amount of solution is required, the process is very fast, suitable for coating a multilayer thin film, and many commercially available devices can be easily used. On the other hand, the disadvantage is that it is suitable for circular substrates, but other shapes require appropriate measures to smooth the flow of air and solution, require precise solution properties, are difficult to maintain clean, large substrates of 8 inches or more It is mentioned that it is difficult to coat uniformly.
상기와 같은 담금법, 회전법에 의한 졸-겔법을 이용하여 전자, 광학 소자를 제조하려 할 때, 공정과 관련된 가장 큰 문제는 박막의 두께를 조절하는 것이며 특히 두꺼운 박막을 얻는 것이 큰 과제이다.When attempting to manufacture electronic and optical devices using the sol-gel method by the above immersion and rotation methods, the biggest problem associated with the process is to control the thickness of the thin film, particularly to obtain a thick thin film.
담금법이 회전법에 비해 상대적으로 두꺼운 박막을 얻을 수 있으나, 박막의 균일도가 좋지 않아, 미세한 규격이 요구되는 전자, 광학 소자에는 이용하기 부적절하다.Although the immersion method can obtain a relatively thin film compared to the rotation method, the uniformity of the thin film is not good, it is inappropriate for use in electronic and optical devices that require a fine specification.
한편, 전자, 광학 소자 제작에 이용하는 대표적인 코팅 방법인 회전법을 이용하면, 균일한 두께의 코팅막이 형성되지만, 단 한번 코팅으로 얻을 수 있는 박막의 두께는 보통 200∼300 nm일 뿐만 아니라, 두께를 미세하게 조절하여 원하는 두께로 코팅하기가 쉽지 않다.On the other hand, if the coating method of the typical coating method used for electronic and optical device fabrication is used, a coating film having a uniform thickness is formed, but the thickness of the thin film that can be obtained by coating only once is usually 200 to 300 nm, Fine adjustment is not easy to coat to the desired thickness.
통상 회전법을 사용할 경우 두꺼운 박막을 코팅하기 위하여 2∼3회 반복 코팅할 수도 있으나, 용액의 표면 장력에 의하여 박막의 표면이 갈라지는 문제가 흔히 발생한다. 회전법을 이용할 경우 일반적으로 회전 속도를 변화시켜 두께를 조절하기도 하지만, 두께 재현성이 나쁘며, 회전 속도가 60 rpm인 경우 두께가 300 nm 정도이고, 회전 속도를 빨리 할수록 박막의 두께가 점점 더 얇아지게 된다.In general, when the rotary method is used, the coating may be repeated two or three times to coat a thick thin film. However, the surface of the thin film may be cracked due to the surface tension of the solution. In the case of the rotation method, the thickness is generally controlled by changing the rotation speed, but the thickness reproducibility is poor, and when the rotation speed is 60 rpm, the thickness is about 300 nm, and the faster the rotation speed, the thinner the film becomes. do.
본 발명에서는 이러한 문제점을 감안하여, 박막 두께를 통상적으로 얻어지는 두께보다 200 % 이상까지 두껍게 단 한번의 공정으로 코팅할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 두께를 10 nm 수준의 정밀도를 조절할 수 있는 것을 목적으로 한다.In view of the above problems, the present invention aims to not only coat a thin film to 200% or more thicker than a conventionally obtained thickness, but also to control a desired thickness of 10 nm. .
도 1은 박막의 두께 조절 방법 중의 하나인 담금법(dip coating)을 개략적으로 보여주는 도면.1 is a view schematically showing a dip coating method of one of the thickness control method of the thin film.
도 2는 박막의 두께 조절 방법 중의 하나인 회전법(spin coating)을 개략적으로 보여주는 도면.FIG. 2 is a view schematically showing a spin coating which is one of the thickness control methods of a thin film. FIG.
도 3은 본 발명의 겔화 진행중 졸의 점도 변화에 따른 박막의 두께 변화 도표.3 is a thickness change chart of the thin film according to the viscosity change of the sol during the gelation process of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1-1, 2-4 : 모터1-1, 2-4: Motor
1-2 : 시편1-2: Psalms
1-3, 2-1 : 용액1-3, 2-1: solution
2-2 : 기판2-2: Substrate
2-3 : 회전판2-3: rotating plate
상기와 같은 본 발명의 목적은 졸의 가수 분해 과정에서 일어나는 현상인 졸의 시간에 따른 점도 변화를 이용함으로써 달성된다.The object of the present invention as described above is achieved by using a viscosity change with time of the sol, which is a phenomenon that occurs during the hydrolysis of the sol.
따라서, 본 발명은 졸-겔법에 의해 박막을 제조하는 방법에 있어서, 졸의 가수 분해 과정에서 일어나는 현상인 졸의 시간에 따른 점도 변화를 이용하는 것을 포함하는 박막의 두께 조절 방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to a method for adjusting the thickness of a thin film, comprising using a viscosity change with time of a sol, which is a phenomenon occurring in a hydrolysis process of a sol in a method of manufacturing a thin film by a sol-gel method.
본 발명을 이용함으로써 통상의 졸-겔법에 의해 코팅되는 두께의 200 % 이상까지 단 한번의 공정으로 두껍게 코팅할 수 있고, 또한 박막의 두께를 10 nm 수준으로 정밀하게 조절할 수 있다.By using the present invention, it is possible to coat thickly in a single step up to 200% or more of the thickness coated by a conventional sol-gel method, and also to precisely control the thickness of the thin film to a level of 10 nm.
이하 본 발명의 용액 점도 변화를 이용한 박막의 두께 조절 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the thickness control method of the thin film using the solution viscosity change of the present invention will be described in detail.
먼저 용액(solution)인 졸의 점도 변화 원리를 설명한다. 졸은 제조하고자 하는 박막의 원료 물질의 종류에 따라 다르지만, 아다치(Tatsuhiko Adachi, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 99 (1988) p. 118-128) 등의 보고에 의하면, 1 몰(mol)의 원료 물질에 대하여 물 (H2O)이 최소 2 몰 부터, 많게는 30 몰 이상까지 혼합된다.First, the principle of viscosity change of a sol as a solution is explained. The sol depends on the type of raw material of the thin film to be manufactured, but it is reported that Adachi (Tatsuhiko Adachi, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 99 (1988) p. 118-128) et al. Water (H 2 O) is mixed from at least 2 moles and up to 30 moles or more with respect to the raw material of.
졸은 가수 분해에 의하여 겔이 되기 때문에, 물의 함량이 많을수록 졸이 겔화되는 시간이 단축되며, 통상 3 시간에서 100 시간 이상까지 소요된다. 순수한 물의 점도는 0.01 포아즈(poise)이며, 겔의 점도는 104포아즈이므로 졸의 이론적인 최소 점도는 순수한 물의 점도인 0.01 포아즈가 되며, 졸의 이론적인 최대 점도는 겔화 직전의 점도인 104포아즈가 된다. 또한 모든 졸의 물의 함량이 이론적인 요구값 이상만 되면, 겔화가 되는 시간의 차이가 있을 뿐 결국은 겔이 된다. 즉 졸은 겔화가 진행되면서 점도가 0.01 포아즈에서 104포아즈까지 증가하게 된다.Since the sol becomes a gel by hydrolysis, the higher the water content, the shorter the time for the sol to gel, and usually takes from 3 hours to 100 hours or more. Since the viscosity of pure water is 0.01 poise and the viscosity of the gel is 10 4 poise, the theoretical minimum viscosity of the sol becomes 0.01 poise, which is the viscosity of pure water, and the theoretical maximum viscosity of the sol is the viscosity immediately before gelling. 10 4 Become Poise. In addition, if the water content of all the sol is more than the theoretical requirements, there is a difference in the time of gelation, eventually the gel. That is, as the sol gels, the viscosity increases from 0.01 poise to 10 4 poise.
한편 졸의 점도와 박막 두께의 정성적인 관계는 다음과 같다. 용액에 미치는 외력(σO), 용액과 기판의 표면 장력에 의한 장력(σSL), 기체와 기판의 계면에 작용하는 장력(σSV), 두께(t), 점도(η), 기타 물질 및 환경상수(A), 및 가중치(n)의 상관 관계는 정성적으로 다음 수학식 1과 같이 표현된다.On the other hand, the qualitative relationship between sol viscosity and thin film thickness is as follows. External force on the solution (σ O ), tension due to the surface tension of the solution and the substrate (σ SL ), tension on the interface between the substrate and the substrate (σ SV ), thickness (t), viscosity (η), other materials, The correlation between the environmental constant A and the weight n is qualitatively expressed as in Equation 1 below.
즉 정성적으로, 박막의 두께(t)는 점도(η)가 크면 두꺼워지고, 외력(σO)이 크면 얇아지며, 용액의 표면 장력(σSL)이 크면 두꺼워진다. 따라서 용액에 미치는 외력(σO), 용액과 기판의 계면에 작용하는 장력(σSL), 기체와 기판의 계면에 작용하는 장력(σSV), 물질 및 환경상수(A)가 일정할 때 용액의 점도를 변화시키면 박막의 두께를 조절할 수 있다.In other words, qualitatively, the thickness t of the thin film becomes thick when the viscosity η is large, becomes thin when the external force σ O is large, and becomes thick when the surface tension σ SL of the solution is large. Therefore, when the external force on the solution (σ O ), the tension on the interface between the solution and the substrate (σ SL ), the tension on the interface between the gas and the substrate (σ SV ), the material and the environmental constant (A) are constant By changing the viscosity of the thin film can be adjusted.
본 발명은 상기한 점도 변화, 즉 졸이 겔화될 때까지 점도가 점진적으로 증가하는 현상과, 점도의 변화에 따라 박막의 두께가 달라지는 현상을 이용하여, 통상의 졸-겔법에 의해 코팅되는 두께의 200 % 이상까지 두껍게 코팅하고, 또한 박막의 두께를 10 nm 수준으로 정밀하게 조절할 수 있다.The present invention utilizes the above-described viscosity change, that is, a phenomenon in which the viscosity gradually increases until the sol gels, and the thickness of the thin film varies according to the viscosity change, and thus the thickness of the thickness coated by a conventional sol-gel method. Thick coating up to 200% or more, and also the thickness of the thin film can be precisely adjusted to the level of 10 nm.
보다 구체적으로 본 발명은 기존의 두께 한계인 200∼300 nm보다 200 % 이상두꺼운 600∼800 nm의 박막을 코팅하고, 기존의 200∼300 nm 영역에서부터 본 발명의 600∼800 nm 두께까지 연속적으로 박막 두께를 10 nm 두께 차이로 정밀하게 조절하는 방법이다.More specifically, the present invention coats 600-800 nm thin film 200% thicker than the existing thickness limit of 200-300 nm, and the thin film continuously from the existing 200-300 nm region to 600-800 nm thick of the present invention. It is a method of precisely adjusting the thickness by 10 nm thickness difference.
이하에서는 본 발명에 의해 구현된 두꺼운 박막 형성 및 두께 정밀 조절 방법의 대표적인 실시예를 설명한다.Hereinafter, a representative embodiment of the thick thin film formation and thickness precise control method implemented by the present invention will be described.
<실시예><Example>
SiO2의 원료 물질인 테오스 (TEOS, tetraethoxysilane) 1 몰, 건조 첨가제인 디메틸포름아마이드(DMF) 2 몰, 메틸알콜 (CH3OH) 2 몰, 물 4 몰, 염산 0.05 몰을 잘 섞어 혼합 용액을 제조하였다. 아세톤, 메틸알콜, 증류수로 깨끗하게 세척한 실리콘 기판을 회전판에 부착하였다. 혼합 용액을 주사기로 채취한 다음, 기판 전체를 혼합 용액이 충분히 적시도록 용액을 떨어뜨렸다. 기판의 회전판을 회전시켜 혼합 용액을 균일한 두께로 기판에 코팅시켰다. 코팅된 기판을 건조시킨 후, 500 ℃으로 열처리하여 비정질 SiO2박막을 얻었다. 혼합 용액을 겔화될 때까지 시간별로 코팅, 건조, 열처리하였다.Raw material Teos (TEOS, tetraethoxysilane) 1 mol, dry additives in dimethylformamide (DMF) 2 mol of methyl alcohol (CH 3 OH) 2 mol, mixed with water, 4 molar hydrochloric acid 0.05 mol well mixed solution of a SiO 2 Was prepared. The silicon substrate washed with acetone, methyl alcohol and distilled water was attached to the rotating plate. The mixed solution was taken with a syringe, and then the solution was dropped so that the entire substrate was sufficiently wetted with the mixed solution. The rotating plate of the substrate was rotated to coat the mixed solution with a uniform thickness. The coated substrate was dried and then heat treated at 500 ° C. to obtain an amorphous SiO 2 thin film. The mixed solution was coated, dried and heat treated hourly until gelled.
코팅된 각 시편의 반쪽 부분에 포토리지스터를 코팅한 후 100 ℃에서 열처리하여 포토리지스터를 경화시켰다. 시편의 반쪽이 포토리지스터가 코팅된 시편을 산화물 식각 용액에 담그어 포토리지스터가 코팅되지 않은 반쪽 부분에 노출된 SiO2박막을 식각하였다. 시편을 세척한 후, 포토리지스터를 아세톤으로 제거한 후 또다시 세척하여 SiO2박막이 반쪽 부분만 코팅된 시편을 얻었다. 이 시편을 알파-스텝 500 표면 분석기(Alpha-step 500 surface profiler, Tencor Instrument, USA)로 두께를 측정하였다.A photoresist was coated on half of each coated specimen and then heat treated at 100 ° C. to cure the photoresistor. One half of the specimen was immersed in a photoresist-coated specimen in an oxide etching solution to etch the SiO 2 thin film exposed on the half portion of the photoresist uncoated. After washing the specimen, the photoresist was removed with acetone and washed again to obtain a specimen in which only one half of the SiO 2 thin film was coated. The specimens were measured for thickness with an Alpha-step 500 surface profiler (Tencor Instrument, USA).
도 3은 본 발명을 이용한 실시예 결과를 보여준다. 도면에서 가로축은 졸을 제조하여 겔화될 때까지의 시간 경과이다. 본 실험의 경우에는 160시간 경과 후에 겔화가 완료되었다. 세로축은 단 한번의 코팅으로 실리콘 기판 위에 코팅된 실리카 박막의 두께이다.Figure 3 shows the results of the embodiment using the present invention. In the figure, the abscissa is the passage of time until the sol is prepared and gelated. In this case, gelation was completed after 160 hours. The vertical axis is the thickness of the silica thin film coated on the silicon substrate with only one coating.
도면으로부터 알 수 있듯이, 졸은 100 시간이 경과될 때까지는 박막의 두께가 300 nm 정도로 큰 변화가 없지만 100 시간 경과 후부터는 두께가 점점 증가하여 160 시간 경과 후에는 800 nm에 이른다. 이것은 졸의 점도가 100 시간까지는 큰 변화가 없지만 100 시간 이후부터 점진적으로 증가하고 있음을 보여준다. 그러므로 졸이 100 시간 경과 이후부터 160 시간 사이에 적절한 시간을 택하면 박막의 두께를 300 nm에서 800 nm까지 자유롭게 조절할 수 있음을 알 수 있다.As can be seen from the figure, the thickness of the sol does not change as much as about 300 nm until 100 hours have elapsed, but the thickness gradually increases after 100 hours and reaches 800 nm after 160 hours. This shows that the viscosity of the sol does not change significantly up to 100 hours but gradually increases after 100 hours. Therefore, it can be seen that the thickness of the thin film can be freely adjusted from 300 nm to 800 nm if the sol is properly selected between 100 hours and 100 hours.
졸이 100 시간 경과 이후부터 160 시간 사이에, 시간당 코팅 박막의 두께 변화율은 구간에 따라 약 5∼30 nm/시간이다. 즉 10 nm의 두께 증가에 걸리는 시간이 구간에 따라 약 20∼120 분이 걸린다. 이 시간 차이는 회전법에 의한 코팅 공정상 충분히 구분지을 수 있는 시간 간격이므로, 박막의 두께를 10 nm 수준의 정밀도로 충분히 조절할 수 있게 된다. 예를 들면, 졸이 용액 혼합 후 125 시간 경과 후에 코팅된 박막보다 126시간 경과 후에 코팅된 박막이 10 nm 정도 더 두껍게 된다.From 100 hours after the sol has elapsed to 160 hours, the thickness change rate of the coated thin film per hour is about 5-30 nm / hour depending on the interval. That is, it takes about 20 to 120 minutes to increase the thickness of 10 nm depending on the interval. This time difference is a time interval that can be sufficiently distinguished in the coating process by the rotation method, it is possible to sufficiently control the thickness of the thin film with a precision of 10 nm level. For example, after 126 hours after the sol has been mixed with the solution, the coated film becomes about 10 nm thicker after 126 hours.
한편 졸의 점도가 증가하기 시작하는 시간이나, 졸의 겔화가 완료되는 시간,그리고 최대 코팅 두께 등은, 졸을 제조하는 방법, 졸의 원료 종류, 졸의 원료 혼합비율 등에 따라 달라지며, 특히 최대 코팅 두께는 본 발명의 점도 조절법을 사용하지 않을 경우와 비교하여 수백 % 이상 두껍게 조절할 수도 있다.On the other hand, the time at which the viscosity of the sol starts to increase, the time at which the sol gel is completed, and the maximum coating thickness depend on the method of making the sol, the type of raw material of the sol, the mixing ratio of the raw material of the sol, and the like. The coating thickness may be adjusted to be several hundred percent or more thick as compared with the case of not using the viscosity control method of the present invention.
본 발명에 의하면 졸-겔법에 의해 박막을 제조하는 방법에 있어서, 졸의 가수 분해 과정에서 일어나는 현상인 졸의 시간에 따른 점도 변화를 이용함으로써 박막의 두께를 조절할 수 있다.According to the present invention, in the method for producing a thin film by the sol-gel method, the thickness of the thin film can be controlled by using a viscosity change with time of the sol, which is a phenomenon occurring in the hydrolysis process of the sol.
구체적으로, 통상의 졸-겔법에 의해 코팅되는 두께의 200 % 이상까지 두껍게 단한번의 공정으로 코팅할 수 있고, 또한 박막의 두께를 10 nm 수준으로 정밀하게 조절할 수 있다.Specifically, up to 200% or more of the thickness coated by a conventional sol-gel method can be thickly coated in a single process, and the thickness of the thin film can be precisely controlled to a level of 10 nm.
따라서 본 발명을 이용하여, 광섬유와 접속을 위하여 두꺼운 박막이 필수적으로 요구되며 또한 그 두께가 정확해야 하는 박막 광학 소자를 졸-겔법에 의하여 경제적으로 제작할 수 있다. 또한 유전체를 이용한 전자 소자는 박막이 두꺼울수록 유전율이 커지기 때문에, 높은 유전율이 필요한 전자 소자의 제작에도 이용될 수 있다.Therefore, using the present invention, a thin film optical element, which is required for a thin film and is precisely required for connection with an optical fiber, can be economically manufactured by the sol-gel method. In addition, since an electronic device using a dielectric material has a larger dielectric constant as the thin film is thin, the electronic device may be used to manufacture an electronic device requiring a high dielectric constant.
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