KR100496266B1 - 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방식으로 실리콘(Si)을 기반으로 하는 매트릭스(Matrix) 박막을 증착하는 동시에 스퍼터링(Sputtering) 방식으로 증착된 매트릭스 박막에 어븀(Er)과 같이 발광특성을 갖는 물질을 도핑함으로써 손상을 입지않으며 도핑 농도가 균일한 실리콘 나노점 박막을 얻는다. 본 발명에 따라 얻어진 실리콘 나노점 박막은 가시광 영역 뿐 아니라 장거리 통신 주파수 영역에서도 향상된 발광 특성을 가지며, 본 발명의 실리콘 나노점 박막 제조 방법은 현재의 반도체 공정 기술과 상호 연동이 가능하므로 현재의 반도체 공정으로 실리콘을 전광재료로 이용하는 나노 전광 소자의 제작을 가능하게 한다.

Description

발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치 및 방법 {Apparatus and method for manufacturing silicon nanodot film capable of emitting light}

본 발명은 실리콘 나노점 박막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 전광 소자의 전광재료로 이용되는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 연구 결과에 따르면 실리콘은 나노 크기의 클러스터로 만들면 양자 구속 효과에 의한 에너지 준위 간의 전이에 의해 발광 효율이 상당히 증대되고, 실리콘 나노점의 크기를 조절하면 발광 영역을 가시광 영역에서 근적외선 영역까지 자유롭게 조절할 수 있다고 알려졌다. 특히, 실리콘 나노점과 어븀(Erbium; Er) 원소 간의 거리가 가까워져 상호작용이 커지면 어븀(Er)을 여기하는 효율이 크게 증대되는 것으로 알려졌다.

이러한 관점에서 장거리 통신 주파수(1.54㎛) 영역에서 발광 특성을 갖고 있어 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier) 등에 활용되는 어븀(Er)을 실리콘 나노점이 형성된 박막에 도핑하면 다양한 주파수 영역에서 발광 특성을 나타내는 박막의 제조가 가능해질 것이며, 이는 커다란 파급 효과를 가져올 것으로 예상된다. 따라서 광 펌핑(optical pumping) 만으로 신호를 증폭하는 현재 장거리 통신 시스템의 단점을 보완하고 반도체 집적 기술을 이용하여 단순화된 공정으로 크기가 작은 발광 소자나 증폭기가 내장된 시스템 온 칩(SOC) 형태의 소자를 제작할 수 있을 것이다.

그러나 대표적인 반도체 물질인 실리콘은 간접 밴드 천이 과정에서 발생되는 발광으로 인해 전광소재로서의 활용에 커다란 단점을 갖고 있다. 그러므로 간접 천이 에너지 밴드갭(Indirect bandgap)을 갖는 실리콘을 전광소재로 이용하기 위해서는 실리콘에 발광물질을 효율적으로 도핑할 수 있는 방법과, 나노미터 수준의 실리콘 구조를 형성할 수 있는 기술이 확보되어야 한다.

종래에는 실리콘을 전광소재로 사용하기 위해 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 실리콘 나노점 박막을 형성한 후 익스-시투(ex-situ) 이온 주입 공정으로 어븀(Er)을 도핑하거나, 어븀(Er)이 도핑된 실리콘 타겟을 사용한 펄스형 레이저 증착법으로 어븀(Er)이 도핑된 실리콘 나노점 박막을 제조하였다. 그러나 전자의 경우에는 고에너지 가속에 의한 손상(damage)이 발생되고 도핑 농도를 균일하게 조절하기 힘든 단점이 있으며, 후자의 경우에는 타겟 제조 과정에서 불순물에 의한 오염 가능성과, 도핑 농도에 따라 각기 다른 타겟을 제조해야만 하는 등의 단점이 있어 현재 반도체 공정 기술과의 상호 연동이 어려웠다.

따라서 본 발명은 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방식으로 실리콘을 기반으로 하는 매트릭스 박막을 증착하는 동시에 스퍼터링 방식으로 증착된 박막에 발광물질을 도핑함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치는 가스 공급관 및 가스 배기구가 형성된 챔버, 상기 가스 공급관에 연결되며 상기 챔버 내부에 설치된 샤워헤드, 상기 샤워헤드와 대향되도록 위치되며 기판이 장착되는 스테이지, 상기 기판을 향해 설치된 스퍼터 건을 포함하며, 상기 샤워헤드와 상기 기판 사이에서 생성되는 플라즈마에 의해 상기 기판 상에 매트릭스 박막이 증착되는 동시에 상기 스퍼터 건으로부터 발광물질이 스퍼터링되어 상기 증착된 매트릭스 박막에 도핑되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 방법은 기판을 챔버 내의 스테이지에 위치시키는 단계와, 상기 챔버 내부로 반응가스를 주입하며 플라즈마를 생성시켜 상기 기판 상에 매트릭스 박막이 증착되도록 하는 동시에 상기 챔버 내부로 발광 특성을 갖는 물질을 스퍼터링하여 상기 증착된 매트릭스 박막에 발광 물질이 도핑되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 매트릭스 박막은 실리콘, 실리콘 산화물, 질화물 및 탄화물 중 어느 하나의 물질을 기반으로 하며, 상기 발광 물질은 한 종류 또는 한 종류 이상의 희토류 금속, 절연물 및 화합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조에 사용되는 증착 장비의 구성도이다.

챔버(10)의 상부에는 가스 공급관(1)과 연결된 샤워헤드(2)가 위치되고, 하부에는 기판(3)이 놓일 스테이지(Stage; 4)가 위치된다. 챔버(10)의 하부에는 배기펌프(5)와 연결된 가스 배기구(6)가 설치되고, 일측부에는 상기 스테이지(4)를 향하도록 스퍼터 건(7)이 설치된다.

그러면 상기와 같이 구성된 증착 장비를 이용하여 기판 상에 발광 가능한 실리콘 나노점 박막을 증착하는 과정을 설명하기로 한다.

스테이지(4) 상에 기판(3)을 위치시킨 후 가스 공급관(1)을 통해 상기 챔버(10) 내부로 반응가스를 주입하며 상부전극 역할을 하는 샤워헤드(2)와 하부전극 역할을 하는 스테이지(4)에 고주파 전력(RF Power; 8)을 인가하여 플라즈마(9)가 생성되도록 하면 생성된 플라즈마(9)가 하부로 이동하여 기판(3) 상에는 실리콘(Si)을 기반으로 하는 매트릭스(Matrix) 박막이 증착된다. 이때, 반응 가스와 기판의 온도, 압력, 플라즈마 상태 등을 조절하여 매트릭스 박막 내에 여분의 실리콘이 존재하도록 하면 이들 실리콘(Si)들이 나노점을 형성한다. 반응 가스의 상대적인 유량과 플라즈마 생성을 위한 고주파 전력의 크기에 따라 박막의 조성과 성장 속도가 상당히 큰 폭으로 변화하는데, 이를 세밀하게 조절하면 원하는 크기와 농도의 실리콘 나노점을 얻을 수 있다.

예를 들어, 압력이 0.1Torr이고, 온도가 150℃인 공정 조건에서 SiH₄ 및 O₂ 가스를 1:1의 유량비로 플로우시키며 20와트(Watt)의 고주파 전력을 인가하여 실리콘(Si)을 기반으로 하는 매트릭스 박막을 증착하고 열처리하면 실리콘 나노점이 형성된 실리콘 산화막을 얻을 수 있는데, 이 경우 실리콘 나노점의 크기는 3㎚ 정도이고, 밀도는 10¹⁷cm^-3 정도가 된다.

이와 동시에 어븀(Er)과 같은 발광물질이 부착된 타겟과 타겟에 부착된 발광물질을 스퍼터링시키기 위한 플라즈마 발생기로 이루어지는 스퍼터 건(7)으로부터 발광물질이 스퍼터링되도록 하여 기판(3) 상에 증착된 매트릭스 박막에 발광물질을 도핑시킨다. 이 때 스퍼터 건(7)의 스퍼터링 속도를 조절하면 발광물질의 도핑 농도를 조절할 수 있는데, 본 발명은 인-시투(in-situ) 방식의 단일 공정으로 발광물질의 도핑 농도를 자유로이 조절할 수 있다.

예를 들어, 발광물질로는 한 종류 또는 한 종류 이상의 희토류 금속, 절연물, 화합물 등을 사용할 수 있는데, 희토류 금속인 어븀(Er)의 경우 이르곤(Ar) 플라즈마 상태에서 0.5 내지 -5㎸의 직류(DC) 바이어스 전압을 인가하여 스퍼터링시킨다.

증착 및 도핑 과정에서 기판(3)이 놓인 스테이지(4)를 가열시켜 고온 증착이 이루어지게 하거나 회전시켜 균일한 증착이 이루어지도록 할 수 있다.

매트릭스 박막을 에너지 갭이 큰 산화물이나 질화물로 증착할 경우 전도입자의 전도성이 낮아 전자와 정공의 주입 확률이 낮아지므로 도핑된 실리콘층과 절연성의 실리콘 나노점 박막을 교대로 성장하는 초격자 구조로 제작하면 이를 극복할 수 있다. 또한, 챔버(10)에 다수의 스퍼터 건(7)을 설치하면 어븀(Er)을 비롯한 다양한 종류의 희토류 금속, 절연 물질 또는 화합물과 같은 발광물질을 동시에 도핑할 수 있다.

예를 들어, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 실리콘 카바이드 등과 같이 에너지 갭이 큰 물질에 Er, Eu, Pr. Nd, Tm 등의 가시광이나 적외선 발광을 보이는 희토류 금속을 도핑함으로써 다양한 발광 특성을 갖는 박막을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방식으로 실리콘(Si)을 기반으로 하는 매트릭스 박막을 증착하는 동시에 스퍼터링 방식으로 증착된 매트릭스 박막에 어븀(Er)과 같이 발광특성을 갖는 물질을 도핑함으로써 손상을 입지않고 도핑 농도가 균일한 실리콘 나노점 박막을 얻는다. 본 발명에 따라 얻어진 실리콘 나노점 박막은 가시광 영역 뿐 아니라 1.54㎛의 장거리 통신 주파수 영역에서도 향상된 발광 특성을 갖고 있어 실리콘을 전광재료로 이용하는 나노 전광 소자의 제작을 가능하게 하며, 본 발명의 실리콘 나노점 박막 제조 방법은 현재의 반도체 공정 기술과 상호 연동이 가능하므로 간단한 공정으로 소자의 집적도를 효과적으로 증가시킬 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조에 사용되는 증착 장비의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 가스 공급관 2: 샤워헤드

3: 기판 4: 스테이지

5: 배기펌프 6: 가스 배기구

7: 스퍼터 건 8: 고주파 전력

9: 플라즈마 10: 챔버

Claims (6)

1. 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치에 있어서,

   가스 공급관 및 가스 배기구가 형성된 챔버,

   상기 가스 공급관에 연결되며 상기 챔버 내부에 설치된 샤워헤드,

   상기 샤워헤드와 대향되도록 위치되며 기판이 장착되는 스테이지,

   상기 샤워헤드와 상기 기판 사이에 설치된 스퍼터 건을 포함하며,

   상기 가스공급관을 통해 상기 챔버 내부로 반응가스를 주입하며, 상기 샤워헤드와 상기 스테이지에 고주파 전력을 인가하여 상기 샤워헤드와 상기 기판 사이에서 생성되는 플라즈마에 의해 상기 기판 상에 매트릭스 박막이 증착되는 동시에 상기 스퍼터 건으로부터 발광물질이 스퍼터링되어 상기 증착된 매트릭스 박막에 도핑되도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버에 상기 스퍼터 건이 다수개 구비된 것을 특징으로 하는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 장치.
3. a) 기판을 챔버 내의 스테이지에 위치시키는 단계와,

   b) 가스공급관에 연결된 샤워헤드를 통해 상기 챔버 내부로 반응가스를 주입하며, 상기 샤워헤드와 상기 스테이지에 고주파 전력을 인가하는 단계와,

   c) 상기 샤워헤드와 상기 기판 사이에서 생성되는 플라즈마에 의해 상기 기판 상에 매트릭스 박막이 증착되도록 하는 동시에 상기 샤워헤드와 상기 기판 사이에 설치된 스퍼터 건으로부터 발광물질이 스퍼터링되어 상기 증착된 매트릭스 박막에 도핑되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 매트릭스 박막은 실리콘, 실리콘 산화물, 질화물 및 탄화물 중 어느 하나의 물질을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 발광 물질은 한 종류 또는 한 종류 이상의 희토류 금속, 절연물 및 화합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 희토류 금속은 어븀(Er)인 것을 특징으로 하는 발광 가능한 실리콘 나노점 박막 제조 방법.