KR101091973B1 - 열전 박막의 형성 방법 및 열전 박막 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전박막 제조 장치 및 열전 박막의 형성 방법을 제공한다. 이 장치는 열전박막 제조 장치는 처리 영역을 형성하는 처리 용기, 처리 용기의 내부에 배치된 기판 홀더, Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 담고 있는 제1 버블러, Te(t-Bu)2 전구체를 담고 있는 제2 버블러, 제1 버플러에서 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 제2 버플러에서 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 처리 용기에 운송하는 운송관, 및 운송관을 통하여 처리 용기의 내부에 배치되어 기화된 전구체들을 기판에 제공하는 가스 분배 플레이트를 포함한다. Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체는 상기 기판 상에 Bi2Te3 박막을 형성한다.

Description

열전 박막의 형성 방법 및 열전 박막 제조 장치{FORMING METHOD OF THERMOELCTRIC THIN FILM AND MANUFACTURING APPARATUS OF THERMOELCTRIC THIN FILM}
본 발명의 열전소자 박막에 관한 것으로, 더 구체적으로, Bi2Te3에 관한 것이다.
열전효과는 1821년 토마스 지백(Thomas Seebeck)에 의하여 발견되었으며, 1950년대에 들어서 반도체 재료의 발견과 함께 산업에 널리 적용되고 있는 기술로 발전되어 왔다.
지백(Seebeck)은 비스무스(bismuth) 와 구리(copper)를 연결하고 그 안에 나침반을 배치하였다. 이 장치에서 비스무스의 한쪽을 뜨겁게 가열하면 온도차이로 인하여 반시계 방향으로 전류가 유도되며, 이 유도전류로 인하여 발생하는 자기장이 아래의 나침반에 영향을 미쳐 나침반의 방향이 변화하는 것으로 열전효과를 처음으로 규명하였다. 이후 1950년대에 들어서면서 반도체 재료의 발견과 더불어 산업에 널리 적용되고 있는 기술이며 가장 광범위하게 사용되는 물질은 Bi2Te3를 이용한 열전소자이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 낮은 온도에서 용이하게 증착할 수 있는 열전박막의 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 낮은 온도에서 용이하게 증착할 수 있는 열전박막 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전박막의 형성방법은 기판 홀더를 가열하고 기판 홀더에 기판을 장착하는 단계, Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 기화시키는 단계, Te(t-Bu)2 전구체를 기화시키는 단계, 상기 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 처리용기 내부로 유동시키는 단계, 가스 분배 플레이트를 통하여 상기 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 기판에 유동시키는 단계, 및 상기 기판 상에 Bi2Te3가 증착되는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전박막 제조 장치는 처리 영역을 형성하는 처리 용기, 상기 처리 용기의 내부에 배치된 기판 홀더, Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 담고 있는 제1 버블러, Te(t-Bu)2 전구체를 담고 있는 제2 버블러, 상기 제1 버플러에서 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 제2 버플러에서 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 처리 용기에 운송하는 운송관, 및 상기 운송관을 통하여 상기 처리 용기의 내부에 배치되어 기화된 전구체들을 기판에 제공하는 가스 분배 플레이트를 포함한다. 상기 Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체는 상기 기판 상에 Bi2Te3 박막을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 박막은 Bi 전구체보다 분해가 빨리 일어나는 Te 전구체를 사용해야 2:3 비율을 조절할 수 있다. 또한, Te(t-Bu)2 전구체의 분해 온도와 Bi(C2H5)2 전구체의 분해온도의 차이는 섭씨 약 50도를 유지한다. 이에 따라, 증착되는 열전 박막은 Bi2Te3의 조성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 박막의 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에서 설명하는 열전 박막 제조 장치를 이용하여 측정한 C-H 최대 흡수를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Bi2Te3 박막의 증착 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 박막의 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 열전박막 제조 장치는 처리 영역을 형성하는 처리 용기(110), 상기 처리 용기(110)의 내부에 배치된 기판 홀더(122), Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 담고 있는 제1 버블러(162), Te(t-Bu)2 전구체를 담고 있는 제2 버블러(164), 상기 제1 버플러(162)에서 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 제2 버플러(164)에서 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 처리 용기(110)에 운송하는 운송관(152,154,156), 및 상기 운송관(152,154,156)을 통하여 상기 처리 용기(110)의 내부에 배치되어 기화된 전구체들을 기판(124)에 제공하는 가스 분배 플레이트(132)를 포함한다. 상기 Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체는 상기 기판(124) 상에 Bi2Te3 박막을 형성한다.
상기 처리 용기(110)는 금속성 재질로 형성될 수 있고, 원통 형상일 수 있다. 상기 처리 용기(110)는 가스 유입구(118) 및 가스 배출구(119)를 포함할 수 있다. 상기 가스 유입구(118)는 질소 가스, 아르곤 가스, 및 수소 가스 중에서 적어도 하나를 상기 처리 용기(110)에 공급할 수 있다. 또한, 상기 처리 용기(110)는 처리 용기 가열부(112)를 포함할 수 있다. 상기 처리 용기 가열부(112)는 상기 처리 용기(110)의 외부를 감싸고 있다. 따라서, 상기 처리 용기 가열부(112)는 상기 처리 용기(110)를 상온 내지 섭씨 400 도로 유지할 수 있다. 상기 처리 용기(110)는 서로 마주보는 제1 유전체 창문(114) 및 제2 유전체 창문(116)을 포함할 수 있다. 상기 제1 유전체 창문(114)의 외측에서는 FT-IR(Fourier Transform Infra-Red) 소소(160)가 배치될 수 있다. 한편, 상기 제2 유전체 창문(116)의 외측에는 IR 센서(162)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 처리 용기(110)에 측정 가스 또는 전구체가 공급되고, 상기 측정 가스 또는 전구체의 의한 적외선의 흡수 스텍트럼은 상기 IR 센서(162)를 통하여 관측될 수 있다.
상기 기판 홀더(122)는 가열 수단을 포함할 수 있다. 상기 기판 홀더(122)는 기판(124)을 장착할 수 있다. 상기 가열 수단에 의하여 상기 기판 홀더(122)의 온도는 섭씨 300 도 내지 섭씨 400 도의 범위에서 유지될 수 있다.
상기 제1 버블러(162)는 Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 포함할 수 있다. 상기 제1 버블러(162)는 온도 유지 수단(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 케리어 가스를 이용하여 상기 Bi(C2H5)2 전구체를 상기 처리 용기(110)에 공급할 수 있다. 상기 제1 버블러(162)의 온도는 섭씨 20 도일 수 있다. 상기 제1 케리어 가스는 아르곤 가스 또는 질소 가스 일 수 있다. 상기 제1 케리어 가스는 제1 케리어 가스 공급부(163)가 제공할 수 있다.
상기 제2 버블러(164)는 Te(t-Bu)2 전구체를 포함할 수 있다. 상기 제2 버블러(164)는 온도 유지 수단(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 제2 버블러(164)의 온도는 섭씨 30 도일 수 있다. 제2 케리어 가스를 이용하여 상기 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 처리 용기(110)에 공급할 수 있다. 상기 제2 케리어 가스는 아르곤 가스 또는 질소 가스 일 수 있다. 상기 제2 케리어 가스는 제2 케리어 가스 공급부(165)가 제공할 수 있다.
운송관(152,154,156)은 상기 제1 버블러(162)에 연결된 제1 운송관(154) 및 상기 제2 버블러(164)에 연결된 제2 운송관(156), 상기 제1 운송관(154) 및 상기 제2 운송관(156)이 결합하여 상기 가스 분배 플레이트(132)에 연결하는 제3 운송관(152)을 포함할 수 있다. 상기 운송관(152,154,156)은 상기 가스 분배 플레이트(132)의 온도와 동일한 온도로 가열될 수 있다. 상기 운송관(152,154,156)의 온도는 섭씨 40도일 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트(132)는 상기 제3 운송관(152)을 통하여 공급된 Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 기판(124)에 공급할 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(132)는 공정 균일성을 유지하고, 전구체들이 혼합되도록 버퍼 영역 및 상기 버퍼 영역과 연결된 복수의 홀들을 포함할 수 있다. 상기 홀들은 상기 기판에 Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체를 공급한다. 상기 가스 분배 플레이트(132)의 온도는 온도 유지 수단(134)을 이용하여 조절될 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(132)의 온도는 섭씨 40 도 일 수 있다. 상기 온도 유지 수단(134)은 상기 가스 분배 플레이트(132)의 주위에 있는 냉각 블록 및 상기 냉각 블록 내부에서 흐르는 액체 냉매일 수 있다. 상기 액체 냉매는 상기 가스 분배 플레이트(132)를 이미 설정된 온도로 유지할 수 있다.
가스 분배 플레이트(132)는 RF 전력이 인가될 수 있다. 상기 RF 전력은 RF 전력부(140)에서 공급될 수 있다. 상기 RF 전력부(140)는 RF 전원 및 임피던스 매칭 네트워크를 포함할 수 있다. 상기 RF 전력부(140)는 상기 처리 용기(110)에 수고 가스를 공급하고 플라즈마를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 처리 용기(110)의 측벽에 부착된 오염물이 세정될 수 있다.
상기 기판(124)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 기판(124) 상에 Bi2Te3 박막이 형성될 수 있다. 상기 Bi2Te3 박막은 Bi 전구체보다 분해가 빨리 일어나는 Te 전구체를 사용해야 2:3 비율을 조절할 수 있다.
도 2는 도 1에서 설명하는 열전 박막 제조 장치를 이용하여 측정한 C-H 최대 흡수를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 기판 홀더(122)에 기판(124)은 제거되고, 처리 용기(110)는 처리 용기 가열부(112)에 의하여 섭씨 300 내지 400 도의 범위에서 조절된다. 상기 제1 버플러(162)는 Bi(C2H5)2 전구체를 상기 처리 용기(110)에 공급하고, 상기 제2 버플러(164)는 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 처리 용기(110)에 공급한다. 상기 Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체는 순차적으로 상기 처리 용기(110)에 공급된다.
예를 들어, 상기 Bi(C2H5)2 전구체가 상기 처리용기(110)에 공급된 경우, 상기 FT-IR 소스(160)는 파장에 따라 스캔하면서, 적외선을 방출하고, 상기 IR 센서(162)는 상기 처리 용기(110)를 통과한 적외선을 파장에 따라 측정한다. 상기 Bi(C2H5)2 전구체의 C-H peak을 상기 처리 용기(110)의 온도에 따라 측정하였다. 또한, 상기 Te(t-Bu)2 전구체의 C-H peak을 상기 처리 용기(110)의 온도에 따라 측정하였다.
이에 따라, 상기 처리 용기(110) 내부에서, 상기 Te(t-Bu)2 전구체의 분해 온도가 상기 Bi(C2H5)2의 분해 온도 보다 약 섭씨 50 가량 낮았다. 따라서, 대략 섭씨 350 도 근처에서 기판에 증착되는 Bi-Te의 조성비는 2:3을 유지할 수 있었다. 상기 기판의 온도는 증착 압력 등에 약간의 변화는 있을 수 있으나, 섭씨 350 도를 기준으로 섭씨 50 도 범위 내에 있었다. Bi-Te 박막의 조성비는 상기 기판의 온도를 변경하여 변경될 수 있다.
이하에서는 Bi2Te3 박막의 증착 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Bi2Te3 박막의 증착 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 열전박막의 형성 방법은 기판 홀더를 가열하고 기판 홀더에 기판을 장착하는 단계(S110), Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 기화시키는 단계(S120), Te(t-Bu)2 전구체를 기화시키는 단계(S130), 상기 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 처리용기 내부로 유동시키는 단계(S140), 가스 분배 플레이트를 통하여 상기 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 기판에 유동시키는 단계(S150), 및 상기 기판 상에 Bi2Te3가 증착되는 단계(160)를 포함한다.
상기 기판 또는 상기 기판 홀더의 온도는 섭씨 300 도 내지 섭씨 400 도이고, 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 바람직하게는 상기 기판의 온도는 섭씨 350도일 수 있다.
열전박막의 형성 방법은 상기 처리용기에 수소 가스(H2) 및 아르곤 가스(Ar) 중에서 적어도 하나를 포함하는 세정 가스를 공급하고, 상기 가스 분배 플레이트에 RF 전력을 인가하여 상기 처리 용기를 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 세정 가스는 수소 가스, 질소 가스, 및 아르곤 가스 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 수소 가스는 전구체에 포함된 탄소와 결합하여 휘발성 가스로 배출될 수 있다. 상기 세정 공정은 복수의 기판이 처리된 후에 실시되거나, 하나의 기판이 처리된 후에 실시될 수 있다.
상기 Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 담고 있는 제1 버블러의 온도는 섭씨 20 도이고, 상기 Te(t-Bu)2 전구체를 담고 있는 제2 버블러의 온도는 섭씨 30 도일 수 있다. 상기 제1 버블러에 공급되는 제1 케리어 가스는 아르곤 가스일 수 있다. 상기 제2 버블러에 공급되는 제2 케리어 가스는 아르곤 가스일 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트의 온도는 섭씨 40 도 이고, 상기 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 Te(t-Bu)2 전구체는 처리용기 내부로 유동시키는 유체관의 온도는 섭씨 40 도일 수 있다.
상기 Bi(C2H5)2 전구체(precusor) 및 상기 Te(t-Bu)2 전구체의 운송 가스(Carrier Gas)는 질소 가스 또는 아르곤 가스일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 도핑 물질을 포함하는 가스가 상기 처리 용기에 공급될 수 있다. 상기 도핑 물질은 전구체를 통하여 제공되거나 또는 외부에서 직접적으로 가스 유입구를 통하여 공급될 수 있다. 상기 도핑 물질은
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 처리 용기, 112: 처리 용기 가열부
122: 기판 홀더, 124: 기판
132: 가스 분배 플레이트, 134: 온도 유지 수단
162: 제1 버블러, 164: 제2 버블러

Claims (10)

  1. 기판 홀더를 가열하고 기판 홀더에 기판을 장착하는 단계;
    Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 기화시키는 단계;
    Te(t-Bu)2 전구체를 기화시키는 단계;
    상기 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 처리용기 내부로 유동시키는 단계;
    가스 분배 플레이트를 통하여 상기 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 상기 기판에 유동시키는 단계; 및
    상기 기판 상에 Bi2Te3가 증착되는 단계를 포함하고,
    상기 기판 또는 상기 기판 홀더의 온도는 섭씨 330 도 내지 섭씨 370 도이고, 상기 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 열전박막의 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 처리용기에 수소 가스(H2) 및 아르곤 가스(Ar) 중에서 적어도 하나를 포함하는 세정 가스를 공급하고, 상기 가스 분배 플레이트에 RF 전력을 인가하여 상기 처리 용기를 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막의 형성 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 담고 있는 제1 버블러의 온도는 섭씨 20 도이고, 상기 Te(t-Bu)2 전구체를 담고 있는 제2 버블러의 온도는 섭씨 30 도 인 것을 특징으로 하는 열전박막의 형성 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 분배 플레이트의 온도는 섭씨 40 도 이고, 상기 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 Te(t-Bu)2 전구체를 처리용기 내부로 유동시키는 운송관의 온도는 섭씨 40 도 인 것을 특징으로 하는 열전박막의 형성 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 Bi(C2H5)2 전구체(precusor) 및 상기 Te(t-Bu)2 전구체의 운송 가스(Carrier Gas)는 질소 가스 또는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 열전박막의 형성 방법.
  7. 처리 영역을 형성하는 처리 용기;
    상기 처리 용기의 내부에 배치된 기판 홀더;
    Bi(C2H5)2 전구체(precusor)를 담고 있는 제1 버블러;
    Te(t-Bu)2 전구체를 담고 있는 제2 버블러;
    상기 제1 버플러에서 기화된 Bi(C2H5)2 전구체 및 상기 제2 버플러에서 기화된 Te(t-Bu)2 전구체를 처리 용기에 운송하는 운송관; 및
    상기 운송관을 통하여 상기 처리 용기의 내부에 배치되어 기화된 전구체들을 기판에 제공하는 가스 분배 플레이트를 포함하고,
    상기 Bi(C2H5)2 전구체 및 Te(t-Bu)2 전구체는 상기 기판 상에 Bi2Te3 박막을 형성하고.
    상기 기판 홀더 상에 배치된 기판 또는 상기 기판 홀더의 온도는 섭씨 330 도 내지 섭씨 370 도이고, 상기 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 열전박막 제조 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 가스 분배 플레이트에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 RF 전력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 제조 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 가열부를 포함하고, 상기 기판 홀더는 섭씨 300 도 내지 섭씨 400 도로 유지되는 것을 특징으로 하는 열전박막 제조 장치.
  10. 삭제
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003109975A (ja) * 2001-09-28 2003-04-11 Suzuki Motor Corp Ｂｉ２Ｔｅ３単結晶薄膜及びその製造方法

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