KR101027315B1 - 나노 와이어의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노 와이어의 제조방법을 개시한다. 상기 방법은 실리콘 기판을 진공 상태의 챔버 안에 제공하는 기판 제공단계, 상기 진공 상태의 챔버 안에 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)를 투입하고 상기 진공 상태의 챔버에 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성단계, 및 상기 플라즈마를 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각함으로써 실리콘 나노 와이어를 형성하는 플라즈마 식각단계를 포함한다.
나노, 와이어, 진공, 플라즈마, 식각
Description
본 발명은 나노 분야에 관한 것으로, 특히 나노 와이어의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 나노 구조물은 차세대 반도체 기반 광전자 소자로서의 응용과 나노소자 개발의 핵심 소재, 태양열을 이용한 전하 저장 물질로 인식되어 최근 연구자들의 많은 관심의 대상이 되고 있다. 반도체 소재를 기반으로 한 나노미터 크기의 구조물 형성은 플라즈마 증강 화학기상증착법(plasma chemical vapor-deposition), 스퍼터링(sputtering)법, 이온주입(ion implantation)법 등 다양한 방법들이 이용된다. 그 중 플라즈마 증강 화학기상증착법(plasma chemical vapor-deposition)은 자기-조립 성장 기법(self-assemble growth method)을 기반으로 하며, 반응기의 압력, 온도, 플라즈마 조건 등의 성장조건 조절을 통해 반도체 나노구조물을 형성한다.
다양한 반도체 나노 구조물 중 나노 와이어(nano wire)는 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 대체로 10nm 미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백 nm지름의 나노와이어를 포함해서 일컫는다. 이러한 반도체 나노 와이어 는 탑-다운(top-down) 방식 또는 바톰-업(bottom-up) 방식으로 제조될 수 있다. 그러나, 현재 연구되거나 사용되는 대부분의 반도체 나노 와이어는 바톰-업(bottom-up) 방식 또는 패턴(lithography)공정을 거쳐 제작되고 있다.
대한민국 특허 공개 제2007-0109462호에는 바톰-업(bottom-up) 방식을 이용한 실리콘 나노 와이어의 제조방법이 개시되어 있다. 실리콘 기판상에 원하는 위치에 구덩이를 패터닝하고 구덩이의 바닥에 금속을 증착하며 실리콘 기판 위에 소정 두께의 알루미늄 막을 증착한다. 그런 다음, 상기 알루미늄 막을 양극산화시킴으로써 원하는 위치에 금속이 노출되도록 원통형 구멍이 형성된 알루미늄 산화막을 형성하여 원통형 구멍을 통해 수직형 나노 와이어를 성장시킨다. 상기 방법과 같이 대부분의 반도체 나노 와이어의 제조방법은 마스크(mask)의 사용 또는 패터닝(lithography)공정이 필수적으로 필요하고, 이에 따라 매우 정밀한 조절이 요구되며 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마스크의 제작 및 패터닝공정이 필요없이 넓은 면적을 통한 고 종횡비(high aspect ratio)의 반도체 나노 와이어의 제조방법 및 이에 따른 반도체 나노 와이어를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면 실리콘 기판을 진공 상태의 챔버 안에 제공하는 기판 제공단계, 상기 진공 상태의 챔버 안에 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)를 투입하고 상기 진공 상태의 챔버에 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성단계, 및 상기 플라즈마를 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각함으로써 실리콘 나노 와이어를 형성하는 플라즈마 식각단계를 포함하는 실리콘 나노 와이어의 제조방법을 제공한다.
상기 챔버는 상기 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)로부터 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성부와 상기 실리콘 기판을 올려놓는 척부를 포함하며 상기 전원은 상기 플라즈마 생성부에 전원을 인가하는 제1전원 및 상기 척부에 전원을 인가하는 제2전원을 포함할 수 있다.
상기 제2전원은 5 내지 60 W 일 수 있다. 바람직하게는, 20 내지 40 W 일 수 있다.
상기 플라즈마 생성단계에서 투입되는 산소(O2) 대 육플루오린화 황(SF6)의 비는 0.7 내지 2.5 일 수 있다. 바람직하게는, 0.8 내지 1.5 일 수 있다.
상기 플라즈마 식각단계는 50초 내지 600초 동안 진행될 수 있다. 바람직하게는, 60초 내지 150초 동안 진행될 수 있다.
상기 실리콘 기판은 상온으로 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면 상기 방법에 의해 제조된 실리콘 나노 와이어를 제공한다.
상기 실리콘 나노 와이어는 직경이 100 nm 이하일 수 있다. 상기 실리콘 나 노 와이어는 종횡비(aspect ratio)가 40:1 이상일 수 있다.
마스크 없이 고 종횡비를 가진 나노 와이어를 형성할 수 있다. 극 저온이 아닌 온도에서 넓은 면적을 통해 고 종횡비의 나노 와이어를 쉽게 형성할 수 있다. 마스크가 필요없고 극 저온 조건이 요구되지 않으므로 나노 와이어의 생산단가를 획기적으로 절감할 수 있다. 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)의 비, 플라즈마 식각 시간, 바이어스 전력 등의 조건 조절을 통해 다양한 길이의 나노 와이어를 형성할 수 있다.
미래의 고성능 센서 제작 및 고효율 태양전지 제작에 적용이 가능하고, 미세 반도체 소자 제작 등에 응용할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 나노 와이어의 제조방법에 이용되는 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 나노 와이어 제조방법에 이용되는 장치(100)는 제1전원부(110), 안테나(120), 챔버(130), 제2전원부(140) 및 냉각부(150)를 포함한다.
제1전원부(110)는 안테나(120)에 전원을 공급한다. 안테나(120)는 제1전원부(110)로부터 전원을 공급받아 높은 전류가 흐르게 되며 챔버(130) 내로 들어간 가스의 원자에 다양한 충돌현상을 유도함으로써 이온화(ionization), 여기(excitation) 등을 유발시킨다.
챔버(130)는 플라즈마 생성부(131) 및 척(chuck)(133)을 포함한다. 플라즈마 생성부(131)는 챔버(130)내 공간으로서, 진공상태에서 플라즈마 생성부(131) 안으로 들어간 가스가 플라즈마로 형성되며, 플라즈마 내에는 여러 입자 예컨대, 중성자, 래디컬(radical), 양이온, 음이온, 광자들이 존재하게 된다. 여기서, 가스로서는 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)를 이용한다. 척(133)은 그 위에 시료를 올려 놓아 플라즈마 생성부(131)내 만들어진 플라즈마(SF6/O2) 내 여러 입자들이 척(133) 위에 놓여진 시료를 에칭한다.
제2전원부(140)는 척(133)에 바이어스 전력(bias power)을 공급한다.
냉각부(150)는 내부에 냉각성분으로 상온의 질소가스, 극저온의 액체 질소(-196℃) 및 증류수를 포함하여 냉각성분을 적절하게 배합하여 챔버(130)내로 투입하여 챔버(130)내 온도를 조절한다.
여기서는, 유도결합형 플라즈마(inductively coupled plasma) 장치를 이용할 수 있다. 유도결합형 플라즈마(inductively coupled plasma) 장치는 플라즈마 밀도를 제어하는 전원과 기판에 입사하는 이온에너지를 제어하는 전원이 분리되어 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 나노 와이어의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 기판을 진공상태의 챔버(130) 내 척(133) 위에 제공한다(S210).
그런 다음, 진공상태의 챔버(130) 내 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)를 투입하고, 제1전원부(110) 및 제2전원부(140)에 전원을 인가하여 챔버(130) 내 플라즈마(SF6/O2)를 형성한다(S220). 척(133)은 냉각부(150)로부터 조절에 의해 배합된 냉각성분이 투입되어 비 극저온 온도가 아닌 적절한 온도 조건이 유지된다. 여기서, 극저온은 -70℃ 이하의 온도를 말한다. 본 실시예에서 척은 상온으로 유지된다. 하지만, 실리콘 기판의 온도를 낮춤으로써 더 넓은 범위의 조건에서 안정적으 로 실리콘 나노 와이어의 형성이 가능하다. 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)은 챔버(130) 내로 일정한 전체 유량(90 sccm)을 유지하면서 투입될 수 있다.
제1전원부(110)는 RF-전력(RF-power)으로 600W을 유지할 수 있다. 챔버(130) 내 압력은 30 내지 60 mTorr로 유지될 수 있다. 바람직하게는 30 내지 40 mTorr로 유지될 수 있다. 제2전원부(140)를 통해 인가되는 바이어스 전력은 60W이하에서 다양할 수 있다.
그런 다음, 챔버(130) 내 척(133) 위에 실리콘 기판을 S220에서 형성된 플라즈마를 이용하여 식각(etching)한다(S230). 식각 시간은 600 s 이하에서 다양할 수 있다. 실리콘 기판을 식각처리하여 남아있는 실리콘 기판 성분은 직경이 나노 크기의 와이어 형태를 띠게 되어 나노 와이어가 자발적 성장을 한다(S240).
도 3은 본 실시예에 따라 식각된 실리콘 기판의 표면을 시간에 따라 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 20초 동안 식각되었을 때는 실리콘 기판이 식각되어 낮은 언덕이 생긴 모양이다. 시간이 증가함에 따라, 실리콘 기판 표면의 거칠기는 증가한다. 40초가 경과되었을 때는 실리콘 기판에 형성된 언덕의 높이가 더욱 증가한다.
플라즈마(SF6/O2)에서 육플루오린화 황(SF6)은 실리콘 기판을 식각하는 활성 플루오르 라디칼(F*)의 원천인 반면, 산소(O2)은 식각된 실리콘 기판 표면에 보호막 층을 씌우는 활성 산소 라디칼(O*)의 원천이다. 실리콘 기판이 활성 플루오르 라디칼(F*)의 식각에 의해 생긴 결과인 SiF x 은 산소(O2)와의 반응으로부터 SiO x F y 보호막층을 형성한다. 시간이 지남에 따라, 실리콘 기판 표면의 거칠기는 증가하고 형성된 표면의 구조물은 더욱 이방성이 된다. 동시에, 구조물의 측벽에서, SiO x F y 보호막층이 형성된다. 이는 플라즈마(SF6/O2)로 인한 이온 충격이 구조물의 측벽상에서 일어나지 않아 측벽은 에칭되지 않기 때문이다. 이는 큰 종횡비(high-aspect ratio)의 나노 와이어를 형성하게 한다. 여기서, 나노 구조물 또는 구조물은 실리콘 기판이 식각되어 형성되는 구조물을 말하고, 플라즈마(SF6/O2) 식각을 통해 최종 형성되는 나노 와이어와 함께 사용될 수 있다.
도 4는 본 실시예에 의해 제조된 나노 와이어의 시간에 따른 평균 높이를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 60초의 초기단계에서, 나노 구조물들의 평균 높이는 2.19 μm에 달한다. 140초에서 4.77 μm인 최대 높이에 도달하고 더 이상 스스로 지탱할 수 없어 꼭대기로부터 매우 큰 종횡비 나노 구조물들의 붕괴로 인하여 4.1 μm로 감소된다. 처리 시간이 600초까지는 큰 종횡비 나노 구조물이 형성된다. 따라서, 처리 시간은 50 초 내지 600 초 일 수 있다. 바람직하게는 60초 내지 150 초일 수 있다. 여기서, 처리 시간은 대부분 플라즈마를 이용한 식각에 소요되는 시간일 수 있다.
도 5는 본 실시예에 의해 제조된 나노 와이어의 바이어스 전력에 따른 평균 높이를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 10W에서 나노 구조물의 평균 높이는 420 nm이다. 20W에서 나노구조물의 평균 높이는 3.24 μm에 도달한다. 바이어스 전력이 30 W로 증가하는 경우, 4.77 μm 평균 높이의 나노 구조물이 형성된다.
지나치게 긴 플라즈마 처리에서 얻어진 결과들에 유사하게 형성된 나노 구조물의 평균 높이는 바이어스 전력이 증가함에 따라 최대를 나타낸다. 바이어스 전력이 60W인 경우 나노 구조물의 평균 높이는 4.1 μm로 감소한다. 따라서, 바이어스 전력은 5 내지 60 W일 수 있다. 바람직하게는 10 내지 50 W일 수 있다. 더욱 바람직하게는 20 내지 40 W일 수 있다.
도 6은 본 실시예에서 바이어스 전력에 대한 활성 플루오르 라디칼(F*) 및 활성 산소 라디칼(O*)의 광자 측정(photon count)을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 0 에서 40 W까지 바이어스 전력이 증가함에 따라 활성 플루오르 라디칼(F*) 및 활성 산소 라디칼(O*)로부터 광자 측정은 증가한다. 따라서, 바이어스 전력의 증가는 보호막층 형성 및 수직방향의 식각에 동일한 영향를 가짐을 확인할 수 있다. 40W 이후에 활성 산소 라디칼(O*)로부터 광자 측정이 바이어스 전력이 증가함에 따라 감소하는데, 이것은 보호막층 형성이 어려워졌다는 것을 보여준다.
도 7은 본 실시예에서 산소(O2) 대 육플루오린화 황(SF6)비에 따른 나노 구조물의 평균 높이를 보여주는 그래프이다. 여기서, 척(133)은 공정 내내 상온으로 유지되고, 실리콘 기판도 상온으로 유지된다.
도 7을 참조하면, O2/SF6 ≤ 0.64인 경우, 나노 구조물들은 관찰되지 않는다. 이는 산소(O2)의 부족 때문이며, SiO x F y 보호막층은 쉽게 형성될 수 없다. O2/SF6 = 0.8인 경우, 나노 구조물들의 측벽상의 에칭을 위한 이온 충격 및 보호막화 사이의 최적의 균형에 기인하여 3.52 μm의 평균 높이인 고 종횡비 나노구조물 들이 형성된다. O2/SF6 = 1인 경우, 나노 구조물의 평균 높이는 최대인 4.77 μm에 도달한다. 육플루오린화 황(SF6) 농도의 감소는 실리콘의 에칭율 및 구조물의 평균 높이를 감소시킨다. O2/SF6 ≥ 2.6인 경우, 산소(O2)에 의한 보호막층의 형성은 플루오르(F)에 의한 에칭을 압도하고, 나노 구조물은 더 이상 관찰되지 않는다. 따라서, 산소(O2) 대 육플루오린화 황(SF6)비는 0.7 내지 2.5 일 수 있다. 바람직하게는 0.8 내지 1.5 일 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1.2 일 수 있다.
여기서, 실리콘 기판의 공정 온도에 따라 산소(O2) 대 육플루오린화 황(SF6)비는 다양할 수 있다. 예컨대, 상온에서는 O2/SF6 가 높고 좁은 범위에서 고 종횡비의 나노 와이어를 형성할 수 있으며, -50℃ 이하의 저온에서는 O2/SF6 가 상온 보다 훨씬 넓은 범위에서 고 종횡비의 나노 와이어를 형성할 수 있다. 따라서, 실리콘 기판의 공정 온도가 낮아질수록 고 종횡비 나노 와이어를 형성할 수 있는 산소(O2) 대 육플루오린화 황(SF6)비의 범위는 더 넓어진다.
도 8은 본 실시예에 의해 제조된 나노 와이어의 주사전자현미경(SEM) 사진를 보여준다.
도 8을 참조하면, 넓은 면적에 걸쳐 약 100nm 직경의 실리콘 나노 와이어가 고 종횡비(>40:1)를 가지고 동일한 길이로 형성된 것을 확인할 수 있다.
본 실시예를 통하여 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)의 비, 플라즈마 식각 시간 및 바이어스 전력을 조절하여 다양한 나노 와이어를 형성할 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 나노 와이어의 제조방법에 이용되는 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 나노 와이어의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 실시예에 따라 식각된 실리콘 기판의 표면을 시간에 따라 보여주는 도면이다.
도 4는 본 실시예에 의해 제조된 나노 와이어의 시간에 따른 평균 높이를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 실시예에 의해 제조된 나노 와이어의 바이어스 전력에 따른 평균 높이를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 실시예에서 바이어스 전력에 대한 활성 플루오르 라디칼(F*) 및 활성 산소 라디칼(O*)의 광자 측정(photon count)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 실시예에서 산소(O2) 대 육플루오린화 황(SF6)비에 따른 나노 구조물의 평균 높이를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 실시예에 의해 제조된 나노 와이어의 주사전자현미경(SEM) 사진를 보여준다.
Claims (14)
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- 실리콘 기판을 진공 상태의 챔버 안에 제공하는 기판 제공단계;상기 진공 상태의 챔버 안에 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)를 투입하고 상기 진공 상태의 챔버에 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성단계; 및상기 플라즈마를 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각함으로써 실리콘 나노 와이어를 형성하는 플라즈마 식각단계를 포함하고,상기 챔버는 상기 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)로부터 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성부와 상기 실리콘 기판을 올려놓는 척부를 포함하며 상기 전원은 상기 플라즈마 생성부에 전원을 인가하는 제1전원 및 상기 척부에 전원을 인가하는 제2전원을 포함하는 것이며,상기 제2전원은 5 내지 60 W 인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 와이어의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제2전원은 20 내지 40 W 인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 와이어의 제조방법.
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- 실리콘 기판을 진공 상태의 챔버 안에 제공하는 기판 제공단계;상기 진공 상태의 챔버 안에 육플루오린화 황(SF6) 및 산소(O2)를 투입하고 상기 진공 상태의 챔버에 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성단계; 및상기 플라즈마를 이용하여 상기 실리콘 기판을 식각함으로써 실리콘 나노 와이어를 형성하는 플라즈마 식각단계를 포함하고,상기 실리콘 기판은 상온으로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 와이어의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 상온은 상온의 질소가스 및 극저온의 액체 질소를 이용하여 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 와이어의 제조방법.
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