KR101117261B1 - 절연체 박막 내에 반도체 물질 양자점들을 형성하는 장치 및 방법 - Google Patents
절연체 박막 내에 반도체 물질 양자점들을 형성하는 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
결정화된 반도체 물질(원소, 화합물)을 절연체 박막내에 플라즈마 이온주입하여 별도의 열처리(Annealing) 과정 없이 결정화된 반도체 양자점들을 형성하는 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치 및 방법에 의하면, 진공조 내의 시료 장착대 위에 시료를 위치시키고, 진공조의 내부를 진공상태로 유지한다. 그리고, 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급한다. 우선, 절연체 박막 증착을 위한 제1 증착원에 제1 전력을 인가하여, 박막증착을 위한 플라즈마를 발생하게 되면, 제1 증착원으로부터 스퍼터링되는 물질의 절연체 박막이 증착된다. 이후에, 반도체 원소 또는 화합물의 이온 발생을 위한 제2 증착원에 제2 전력을 인가하여 이온주입을 위한 플라즈마 이온들을 발생시키고, 제2 증착원으로부터 스퍼터링되는 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 기 형성된 절연체 박막에 플라즈마 이온주입시켜 반도체 물질의 양자점을 형성한다.
Description
본 발명은 반도체 원소 플라즈마 이온주입 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 물질(원소, 화합물)을 절연체 박막내에 플라즈마 이온주입하여 별도의 열처리(Annealing) 과정 없이 결정화된 반도체 양자점들을 만들 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 한 진공조 내에서 절연체 박막의 증착과 동기화된 펄스 마그네트론 증착원과 고전압 펄스를 이용함으로써, 결정화시키기 어려운 게르마늄을 플라즈마 이온주입하여 게르마늄 양자점을 절연체 박막에 고르게 분포시키며, 또한 별도의 열처리 과정 없이 결정화된 양자점을 얻는 것을 목적으로 한다.
절연체 박막에 고르게 분포되어 있는 양자점의 쓰임은 크게 2 가지로 구분지어 설명할 수 있으며. 양자점 태양전지(Quantum dots photovoltaic)의 쓰임이 그 첫 번째이다. 이는 현재 상용화되고 있는 실리콘을 기반으로 하는 태양전지의 가장 큰 문제점인 실리콘 띠 간격에만 의하는 낮은 광흡수(Shockley-Queissar limit)를 극복할 수 있으며, 이는 대한민국 공개특허번호 10-2010-0027016에서와 같이 양자점을 이용하여 양자점의 크기를 조절하면 에너지 띠간격(Band gap)을 조절할 수 있으며, 이는 좁은 파장대를 넘어선 넓은 파장대역의 광 흡수를 할 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, "A.J. Nozik / Physica E 14 (2002) 115 - 120"에서 주장하듯 하나의 광자(Photon)가 한 쌍의 전자와 홀을 만드는 것이 아니라 뜨거운 이온화된 전자와 전공(Hot electrons and hot holes)에 의해 여러 개의 전자와 홀을 생성한다는 원리이며, 이는 또한 최소값의 전도대(Conduction band)와 최대값의 가전자대(Valance band)의 파동함수가 다름으로 인해 발생하는 열적동요(Phonon)로 잃어버리는 에너지 손실도 막을 수 있으므로 높은 광전환 효율을 가질 수 있다는 장점이 있다.
이와 같이 이온주입으로 양자점을 만드는 기술의 일예로서, 게르마늄 이온을 높은 에너지(수십 내지 수백 keV)로 가속하여 재료의 표면에 주입시키는 기술이 있다. 게르마늄 이온주입 기술은 재료의 표면 이하 수천 Å까지 게르마늄 이온이 주입된 층을 형성할 수 있으나, 반도체 웨이퍼에의 불순물 도핑을 목적으로 개발된 이온빔 방식의 이온주입 장비를 이용하는 방법으로서, 이온원으로부터 이온을 추출한 후 가속시켜 이온빔의 형태로 시료에 입사시키게 되며, 균일한 이온주입을 위해서 이온빔을 흔들어 주어야 한다. 이와 같이 이온빔 형태로 이온을 주입하는 방법은 이온주입하고자 하는 시료 모든 부분을 이온빔으로 주사해야 하며, 공정시간이 길어 질뿐 아니라, 그 장비 또한 매우 복잡하여 실제 이온주입 분야에의 응용을 어렵게 하는 요인이라 할 수 있다.
뿐만 아니라, 지금까지 절연체 박막에 결정화되어 있는 양자점들을 만들기 위해서 많이 쓰이는 방법 중 하나는 "Stranski-Krastanov growth" 방법이 있다. 이 방법에 의하면, 양자점들을 만들 때, 증착한 후 적어도 600 ~ 1100℃ 온도에서의 오랜 시간의 열처리 공정을 필요로 하는 단점이 있다. 따라서 별도의 열처리 과정 없이 절연체 박막에 크기와 분포가 일정한 양자점들을 만들 수 있는 방안이 절실히 요구된다.
본 발명의 목적은 반도체 물질(원소, 화합물)을 절연체 박막내에 플라즈마 이온주입하여 별도의 열처리(Annealing) 과정 없이 결정화된 반도체 양자점들을 형성하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 반도체 물질(원소, 화합물)을 절연체 박막내에 플라즈마 이온주입하여 별도의 열처리(Annealing) 과정 없이 결정화된 반도체 양자점들을 형성하는 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치 및 방법에 의하면, 진공조 내의 시료 장착대 위에 시료를 위치시키고, 진공조의 내부를 진공상태로 유지한다. 그리고, 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급한다. 우선, 절연체 박막 증착을 위한 제1 증착원에 제1 전력을 인가하여, 박막증착을 위한 플라즈마를 발생하게 되면, 제1 증착원으로부터 스퍼터링되는 물질의 절연체 박막이 증착된다. 이후에, 반도체 원소 또는 화합물의 이온 발생을 위한 제2 증착원에 제2 전력을 인가하여 이온주입을 위한 플라즈마 이온들을 발생시키고, 제2 증착원으로부터 스퍼터링되는 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 기 형성된 절연체 박막에 플라즈마 이온주입시켜 반도체 물질의 양자점을 형성한다.
절연체 박막 증착시에, 진공조 내부의 사용가스 압력을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하고, 리액티브 가스의 분압을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하며, 제1 전력은, 밀도가 1W/cm2 ~ 20W/cm2의 값을 갖는다. 또한 제2 전력은, 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 높은 전력을 인가할 수 있는 펄스 직류 전력이며, 펄스 직류 전력은, 밀도가 10 W/cm2 ～ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ～ 1 msec의 펄스폭을 갖는다. 또한, 제3 전력은, 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 시료 측으로 가속시키며 펄스 직류 전력에 동기화된 음의 고전압 펄스이다.
본 발명에 의하면, 마그네트론 스퍼터링과 리액티브 증착으로 절연체 박막을 만든 다음, 동기화된 펄스 마그네트론 증착원과 고전압 펄스를 이용하여 반도체 물질을 효율적으로 균일하게 절연체 박막에 이온주입할 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인하여 발생되는 반도체 물질 이온의 운동에너지에 의한 자기 열처리 효과로 별도의 열처리 없이 결정화된 반도체 물질의 양자점을 만들 수 있는 이점이 있다.
도1은 본 발명에 따라 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치의 구성을 도시한 도면.
도2는 본 발명에 따른 이온주입 장치의 마그네트론 증착원에 인가되는 펄스 직류 전력과 시료에 인가되는 고전압 펄스의 시간에 대한 동기화 개념을 보여주는 도면.
도3은 본 발명의 실시예에 따라 펄스 인가 Hz에 따른 게르마늄의 결정화 정도를 나타낸 라만분광계(Raman spectroscopy) 데이터를 도시한 도면.
도4는 본 발명의 실시예에 따라 100Hz(도4a)와 200Hz(도4b)로 이온주입한 시편을 XPS로 분석한 Depth profile 결과를 보여주는 도면.
도5는 본 발명의 실시예에 따라 100Hz(도5a)와 200Hz(도5b)로 이온주입시의 XPS Ge 2p3/2 스펙트럼 데이터를 보여주는 도면.
도6은 본 발명의 실시예에 따라 SiO2에 게르마늄을 이온주입하여 HRTEM(High Resolution Transmittance Electron Microscopy) cross section으로 확인한 결정화된 게르마늄 양자점들을 보여주는 도면.
도2는 본 발명에 따른 이온주입 장치의 마그네트론 증착원에 인가되는 펄스 직류 전력과 시료에 인가되는 고전압 펄스의 시간에 대한 동기화 개념을 보여주는 도면.
도3은 본 발명의 실시예에 따라 펄스 인가 Hz에 따른 게르마늄의 결정화 정도를 나타낸 라만분광계(Raman spectroscopy) 데이터를 도시한 도면.
도4는 본 발명의 실시예에 따라 100Hz(도4a)와 200Hz(도4b)로 이온주입한 시편을 XPS로 분석한 Depth profile 결과를 보여주는 도면.
도5는 본 발명의 실시예에 따라 100Hz(도5a)와 200Hz(도5b)로 이온주입시의 XPS Ge 2p3/2 스펙트럼 데이터를 보여주는 도면.
도6은 본 발명의 실시예에 따라 SiO2에 게르마늄을 이온주입하여 HRTEM(High Resolution Transmittance Electron Microscopy) cross section으로 확인한 결정화된 게르마늄 양자점들을 보여주는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따라 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따라 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치는, 그 내부가 진공 상태를 유지하는 진공조(10)와, 절연체 박막 증착을 위한 제1 증착원(예컨대 하프늄 마그네트론 증착원(24))과, 반도체 물질(원소, 화합물) 이온 발생을 위한 제2 증착원(예컨대 게르마늄 마그네트론 증착원(26))과, 진공조(10) 내의 제1 및 제2 증착원(24,26)에 대향하는 위치에 설치되어 시료(12)가 장착되는 시료 장착대(13)와, 제1 증착원(24)에 제1 전력을 인가하여, 제1 증착원(10)으로부터 스퍼터링되는 제1 물질(예컨대 하프늄)의 플라즈마 이온들을 시료(12)의 표면에 이온주입시켜 절연체 박막(Dielectric thin film)을 증착하도록 동작하는 제1 전원공급수단과, 제2 증착원(26)에 제2 전력을 인가하여, 제2 증착원(26)으로부터 스퍼터링되는 제2 반도체 물질(예컨대 게르마늄)의 플라즈마 이온들을 형성된 절연체 박막에 이온주입시켜 제2 반도체 원소(게르마늄)의 양자점을 형성하도록 동작하는 제2 전원공급수단을 포함한다.
일실시예에 있어서, 절연체 박막 증착시에, 진공조(10) 내부의 사용가스 압력을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하고, 리액티브 가스의 분압을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하며, 제1 전력의 밀도가 1W/cm2 ~ 20W/cm2의 값을 갖도록 한다. 이때 사용가스는 플라즈마를 발생시키기 위한 가스로서, 불활성 기체를 사용하며 예를 들어 아르곤, 네온 중 어느 하나를 사용하며, 리액티브 가스로서는 산소나 질소 등을 사용한다. 바람직하게, 절연체 박막은 1,200Å으로 증착하며, HfO2, SiO2, Si3N4, MgO, CaO, SrO, ZrO2, BaO, TiO2, Ta2O3, Y2O3, Al2O3, Gd2O3, La2O3 중 어느 하나를 사용한다. 또한, 제1 전력은, DC(Direct Current) 전력(201)을 사용하고, 이 경우 제1 전력공급수단은 DC 전원부(23)이다.
상기 절연체 박막은 단일층(Single-layer)으로 구성할 수 있고, 또한 다층(Multi-layer)으로 구성할 수도 있다. 만약 다수의 제2 반도체 물질을 사용하는 경우, 하나의 층(단일층)에 다수의 제2 반도체 물질의 양자점을 형성할 수 있고, 다수의 층(다층)에 서로 다른 제2 반도체 물질의 양자점을 형성할 수도 있다. 일실시예에 있어서, 단일층 또는 다층에 적어도 두 개의 제2 반도체 물질을 이온주입하는 경우에는, 이온주입 도즈(Dose)량으로 양자점의 크기와 결정화 정도를 조절할 수 있다. 또한, 다층 절연체 박막의 양자점 크기를 조절함에 있어서는, 층마다 양자점의 크기를 다르게 할 수 있다. 일실시예에 있어서, 다층 절연체 박막의 양자점 크기를 조절할 때, 이온주입시 시편 인가 바이어스 크기를 조절하여 표면에서 깊이 방향으로 이온주입 깊이를 변화시키고, 그 이온주입 시간에 따른 도즈(Dose)량으로 양자점의 크기를 조절한다. 상기에서 제2 반도체 물질의 양자점을 형성함에 있어서, 많은 양의 이온주입시 양자점을 넘어선 양자 우물(Quantum well)을 만들 수 있다.
일실시예에 있어서, 제2 반도체 물질은, Ge, Si, Se, Te 중 적어도 하나의 반도체 원소를 사용할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제2 반도체 물질은, 화합물 반도체인 4-4족 SiC 등, 3-5족 화합물 반도체인 AlP, AlAs, AlN, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InN, InAs, InSb 등, 2-5족 화합물 반도체인 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdSe 등, 4-5족 화합물 반도체인 PbS, PbSe, PbTe 등에서 적어도 하나의 반도체 화합물을 사용할 수 있다.
증착된 절연체 박막에 제2 반도체 물질을 이온주입할 때, 제2 전력은 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 높은 전력을 인가할 수 있는 펄스 직류 전력(202)을 사용하고, 이 경우 제2 전원공급수단은 펄스 직류 전원부(25)이다. 일실시예에 있어서, 펄스 직류 전력(202)은, 밀도가 10 W/cm2 ～ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ～ 1 msec의 펄스폭을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치는, 시료 장착대(13)에 제3 전력을 제공하는 제3 전원공급수단을 더 포함한다. 일실시예에 있어서, 제3 전력은, 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 시료(12) 측으로 가속시키며 펄스 직류 전력(202)에 동기화된 고전압 펄스(301)이고, 제3 전원공급수단은 고전압 펄스 전원부(31)이다. 일실시예에 있어서, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 인가되는 펄스 직류 전력(202)에 동기화된 고전압 펄스(301)는, 펄스 직류 전력(202)과 동일한 주파수인 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수를 갖고, 1 usec ～ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ～ -100 kV의 음(-)의 펄스 고전압을 갖는다.
이처럼 제2 반도체 물질(예컨대 게르마늄)을 이온주입할 때 게르마늄 마그네트론 증착원(26)을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동시키는 이유는, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도, 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 전력을 인가할 수 있으므로 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 표면에 고밀도의 게르마늄 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 표면으로부터 방출되는 게르마늄 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 다량의 게르마늄 이온들은 시료(12)에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(301)에 의하여 시료 쪽으로 가속되며 절연체 박막에 효과적으로 주입되면서 게르마늄이 가지고 있는 운동에너지(Kinetic energy)로 인한 자기 열처리(Self annealing) 현상으로 별도의 열처리 없이 결정화된 게르마늄 양자점을 얻을 수 있다.
상기 진공조(10) 내부의 가스 압력은 0.5 mTorr ～ 5 mTorr를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명에 따른 이온주입 장치는, 진공조(10)에 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(35)와, 가스 공급부(35)에 의해 공급되는 가스의 압력(또는 유량)을 조절하기 위한 가스 조절부(36)를 더 구비한다.
일실시예에 있어서, 상기 시료(12)는 실리콘 웨이퍼 시료이며, 시료(12)가 장착되는 시료 장착대(13)는 진공조(10)에 전기적으로 절연되어 장착된다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 진공조(10) 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 더 구비하여, 제2 반도체 물질의 이온화율을 증가시키고 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 작동 압력을 일반적인 마그네트론 증착원보다 낮출 수 있다. 일실시예에 있어서, 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단은, 진공조(10) 내에 장착되어 RF 펄스를 방사하여 유도결합 플라즈마를 발생시키는 RF 안테나(11)와, RF 안테나(11)에 RF 전력을 인가하는 RF 전원부(21)와, RF 전원부(21)와 RF 안테나(11)와의 RF 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭부(22)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 제2 반도체 물질의 이온주입시 발생되는 X-Ray를 차폐시키기 위한 납판(20)을 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 진공조(10) 둘레에 일정하게 위치시켜 진공조(10) 내에서의 플라즈마 밀도를 균일하게 하며, 진공조(10)로 빠져나가는 플라즈마를 막아주는 자석(30)을 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 이온주입시, 이온주입 전압과 전류를 측정 및 모니터링하기 위한 수단을 더 포함할 수도 있다. 이 수단은, 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들이 주입될 때 전류 및 전압을 측정하기 위한 펄스 전류 측정부(32) 및 펄스 전압 측정부(33)와, 측정된 전류 및 전압을 모니터링하기 위한 모니터링부(34)를 포함한다.
이처럼 본 발명에 따른 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치는, 하나의 진공조(10) 내에서 연속공정으로 절연체 박막 증착과 반도체 물질을 플라즈마 이온주입 가능하게 하는 것으로서, 마그네트론 스퍼터링과 리액티브 증착으로 절연체 박막을 만든 다음, 동기화된 펄스 마그네트론 증착원과 고전압 펄스를 이용하여 반도체 물질을 효율적으로 균일하게 절연체 박막에 이온주입할 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인하여 발생되는 반도체 물질 이온의 운동에너지에 의한 자기 열처리 효과로 별도의 열처리 없이 결정화된 반도체 물질의 양자점을 만들 수 있다.
본 발명에 따른 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치의 원리는 다음과 같다.
진공조(10)는 진공 펌프(38) 및 진공 밸브(39)에 의하여 소정의 진공도를 유지하며, 진공조 접지부(40)를 통해 접지된다.
먼저, 진공조(10) 내부에 위치한 전도성 시료 장착대(13)에 시료(12)를 장착한 후, 진공 펌프(38)를 이용하여 진공조(10) 내부의 진공도를 고진공 영역까지 배기한다. 이후, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스(일실시예에 있어서, 아르곤, 네온 등)를 가스 조절부(36)를 통해 인입시켜 진공조(10) 내부의 압력을 맞추어 주며, 또한 절연체 박막을 증착하기 위해서 산소 가스를 리액티브 가스로 넣어준다.
산소와 아르곤의 상대 분압에 의해 모재로 하는 박막 절연체의 특성이 변하므로, 일실시예에 있어서 산소의 분압을 0.5 mTorr ～ 5 mTorr의 압력으로 조절한다. 그 이유는, 진공조(10) 내부의 산소 가스 압력이 0.5 mTorr 이하의 낮은 압력에서는 하프늄 마그네트론 증착원(24)에서 스터터링된 이온과 원자들이 리액티브 산소의 부족으로 인해 장착 시료(12)에 절연체 박막이 생기지 않으며, 순수 하프늄 박막이 증착되기 때문이다. 또한 산소 분압이 5 mTorr 이상에서는 과도한 리액티브 산소로 인해 하프늄 마그네트론 증착원(24)의 스퍼터링 수율이 떨어지므로 절연체 박막의 증착 속도가 매우 느리게 되며, 하프늄 마그네트론 증착원(24)에 절연막이 생성되어 아크가 발생할 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같이 사용가스 인입후 진공조(10) 내부의 압력이 안정화되면, RF 전원부(21)와 RF 매칭부(22)를 통하여 진공조(10) 내부에 장착된 RF 안테나(11)에 RF 전력을 인가하여 사용가스의 유도결합 플라즈마(하프늄 DC 플라즈마(14))를 발생시킨다. 일실시예에 있어서, 13.56 MHz, 200 Watt의 유도결합 플라즈마를 발생시키는데, 이는 스퍼터된 하프늄 원소의 이온화를 높여 리액티브 가스와의 반응을 촉진시켜 우수한 성질의 절연체 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 마그네트론 증착원의 작동 압력보다 낮은 압력에서 플라즈마가 발생되는 것을 가능하게 한다. 유도결합 플라즈마를 이용하는 방법 외에도, 필라멘트 방전을 이용하거나, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수도 있다. 일실시예에 있어서, 진공조(10)에 채워진 가스를 플라즈마 상태로 변화시키기 위한 RF 안테나(11)는 진공조(10) 내의 일측에 설치되며, 경우에 따라서는 수정유리(Quartz)나 알루미나 등의 유전체를 경계로 하여 진공조(10) 외부에 설치될 수도 있다. RF 전원부(21)는 시료(12)에 대한 박막 절연체 증착 및 이온주입이 가능하도록 하기 위하여 RF 안테나(11)에 RF 전력을 공급한다. 그리고, RF 전원부(21)와 RF 안테나(11) 간에는 전력 손실을 방지하기 위하여 둘 간에 전기적으로 매칭 작용을 하는 RF 매칭부(22)가 연결된다.
이렇게 유도결합 플라즈마를 발생시킨 후, 진공조(10)에 장착된 하프늄 마그네트론 증착원(24)에 DC 전력(201)을 걸어준다. 이때 하프늄 마그네트론 증착원(24)에 걸어주는 DC 전력은, 일실시예에 있어서 1 W/cm2 ~ 20 W/cm2 정도를 걸어준다. 1 W/cm2 이하에서는 작업 분압에 따라 다르겠지만 플라즈마 발생이 어려울 뿐만 아니라, 절연체 박막의 증착 속도가 너무 느리게 되며, 20 W/cm2 이상에서는 하프늄 마그네트론 증착원(24)이 너무 가열되어 냉각 속도를 제어하기 어려울 뿐만 아니라, 리액티브 가스에 비해 스퍼터되는 증착원 이온과 원자가 많으므로 절연체 박막의 화학량론(Stoichiometry)을 맞추기가 어렵게 된다.
이와 같이 절연체 박막을 형성한 후, 게르마늄 이온주입을 하기 위해 리액티브 가스를 제외하고 새롭게 아르곤 가스를 진공조(10) 내부로 인입시켜, 진공조 내부의 압력을 예컨대 0.5 mTorr ～ 5 mTorr의 압력으로 조절한다. 그 이유는, 진공조(10) 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr 이하의 낮은 압력에서는 플라즈마의 발생이 어려운 반면, 5 mTorr 이상의 높은 압력에서는 게르마늄 플라즈마 이온주입시 가속되는 게르마늄 이온과 주위 가스입자들과의 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 게르마늄 이온의 에너지 손실이 매우 심하기 때문이다.
이처럼 사용가스 인입후 진공조(10) 내부의 압력이 안정화되면, 진공조(10)에 장착된 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 펄스 직류 전원부(25)로부터의 펄스 직류 전력(202)을 인가하여 게르마늄 마그네트론 증착원(26)을 작동시킴과 동시에, 시료 장착대(13)에 고전압 펄스 전원부(31)로부터의 고전압 펄스(301)를 인가하여 게르마늄 플라즈마 이온주입 공정을 수행한다. 고전압 펄스 전원부(31)에 의하여 공급되는 고전압 펄스(301)는 시료(12)가 장착되는 시료 장착대(13)에 인가되며, 이는 결과적으로 시료(12)에 인가되는 것이다. 그리고, 진공조(10) 내에 설치되는 시료 장착대(13)는 진공조(10)에 대하여 전기적으로 절연되어 있다. 시료 장착대(13)는 시료(12) 상면에만 게르마늄 이온이 대면적으로 균일하게 주입되도록 플레이트 모양인 것이 바람직하다. 하지만 필요에 따라서는 3차원적인 모형에서도 이온주입이 가능하다는 장점이 있다. 시료 장착대(13)의 재질은 고전압 펄스(301)를 인가할 수 있는 전도성의 재질이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 예컨대 구리 또는 스테인레스 스틸로 구성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일실시예에 있어서, 고전압 펄스 전원부(31)에 의하여 공급되는 고전압 펄스(301)는, -1kV ~ -100kV 사이의 전압을 인가한다.
시료(12)에 음(-)의 직류 고전압(301)이 가해지면 게르마늄 마그네트론 증착원(26)으로부터 발생된 게르마늄 플라즈마로부터 이온이 추출되어 시료(12)를 향하여 가속되어 이온주입이 이루어지는데, 특히 시료 장착대(13)에 인가하는 음(-)의 고전압 펄스(301)는, 도2에 도시된 바와 같이 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 인가하는 펄스 직류 전력(202)과 동기화시켜 같은 주파수로 작동되도록 한다. 그 이유는 다음과 같다.
펄스 직류 전력(202)에 의하여 게르마늄 마그네트론 증착원(26)이 작동(Pulse-on)되는 순간 게르마늄 마그네트론 증착원(26)으로부터 스퍼터링되는 게르마늄 원소는 고밀도의 플라즈마에 의하여 이온화되며, 이와 같이 발생된 게르마늄 이온들은 전도성 시료 장착대(13)에 인가되는 음(-)의 고전압 펄스(301)에 의하여 시료(12)로 가속되어 시료(12)의 표면에 이온주입되므로 반드시 동기화가 이루어져야 한다. 한편, 게르마늄 플라즈마 이온주입시의 이온주입 전압 및 전류는 펄스 전압 측정부(33)와 펄스 전류 측정부(32)를 이용하여 플라즈마 이온주입 공정 모니터링부(34)에서 측정될 수 있다.
상기에서, 게르마늄 플라즈마 이온주입 공정시, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 인가되는 펄스 직류 전력(202)의 밀도는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 10 W/cm2 ～ 10 kw/cm2의 값을 갖도록 한다. 그 이유는 10 W/cm2 이하의 낮은 펄스 직류 전력으로는 게르마늄 마그네트론 증착원(26)으로부터 이온화율이 높은 고밀도의 게르마늄 플라즈마 발생이 어려운 반면, 10 kw/cm2 이상의 값을 이용하기에는 현실적으로 펄스 직류 전원부(25)의 제작에 어려움이 많기 때문이다. 일실시예에 있어서, 펄스 직류 전력(202)의 작동 주파수 및 펄스폭은, 1 Hz ～ 10 kHz의 펄스 주파수와 10 usec ～ 1 msec의 펄스폭을 갖도록 한다. 그 이유는 1 Hz 이하의 낮은 주파수로는 게르마늄 플라즈마 이온주입 공정 시간이 너무 많이 소요되므로 경제적인 가치가 감소하며, 또한 10 kHz 이상의 높은 주파수로 작동하는 펄스 직류 전원부(25)의 제작에도 어려움이 많기 때문이다. 펄스폭의 경우, 10 usec 이하의 짧은 펄스폭으로 작동하게 되면 고밀도 게르마늄 플라즈마의 발생이 충분하지 않으므로 발생된 게르마늄 원소의 이온화율이 낮으며, 1 msec 이상의 긴 펄스폭을 이용하면 높은 펄스 전력으로 인하여 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 아크가 발생할 확률이 높아 공정이 불안정하기 때문이다.
또한, 시료 장착대(13)에 인가되는 음(-)의 고전압 펄스(301)의 작동 주파수, 펄스폭 및 음(-)의 펄스 고전압은, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 인가되는 펄스 직류 전력(202)과 동일한 주파수인 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수를 동기화시켜 이용하여야 하며, 펄스폭은 1 usec ～ 200 usec, 음(-)의 펄스 고전압은 -1 kv ～ -100 kV의 값을 이용한다. 그 이유는 펄스폭의 경우, 1 usec 이하의 짧은 펄스폭으로는 게르마늄 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200 usec 이상의 긴 펄스로 작동하면 시료 장착대(13)에 인가되는 음(-)의 펄스 고전압에 의한 플라즈마 쉬스(Sheath)가 너무 많이 팽창하여 진공조(10)의 벽에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 시료 장착대(13)에 고전압이 인가되는 시간이 길어짐에 따라 아크가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 또한, -1 kV 이하의 낮은 전압으로는 시료(12)의 표면에 게르마늄 이온이 주입되는 깊이가 너무 낮은 단점이 있으며, 또한 -100 kV 이상의 고전압 펄스 전원부(31)의 제작에도 현실적으로 많은 어려움이 따르기 때문이다.
본 발명에 따른 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 형성하는 장치의 특징은 다음과 같다.
박막증착을 위한 증착원으로 흔히 이용되고 있는 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 게르마늄 스퍼터링 타겟을 장착하여 그 작동을 펄스 직류 전원(202)을 이용한 펄스 모드로 작동하고, 이와 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(301)를 시료(12)에 인가함으로써 펄스 모드의 게르마늄 마그네트론 증착원(26)으로부터 발생된 게르마늄 이온을 효과적으로 가속하여 시료(12)의 표면에 이온주입을 할 수 있다. 이처럼 게르마늄 마그네트론 증착원(26)을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동할 경우, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 펄스 전력을 인가할 수 있으므로 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 표면에 고밀도의 게르마늄 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 게르마늄 마그네트론 증착원(26)의 표면으로부터 방출되는 게르마늄 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 게르마늄 원소의 이온들은 시료(12)에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(301)에 의하여 시료(12) 쪽으로 가속되며, 시료(12)의 표면에 효과적으로 게르마늄 이온이 주입된다. 또한, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)과 시료(12) 사이에 RF 안테나(11)를 장착하여 RF 전력을 인가할 경우, 유도결합 플라즈마(게르마늄 펄스 플라즈마(15))를 발생시킴으로써 방출된 게르마늄 원소의 이온화율을 한층 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 마그네트론 증착원의 작동 압력보다 낮은 압력에서의 작동이 가능하게 함으로써, 게르마늄 플라즈마 이온주입시 가스 입자와의 충돌을 최소화하여 게르마늄 플라즈마 이온주입을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 게르마늄 플라즈마 이온주입 실험을 다음과 같이 크게 2개의 과정으로 실시하였다. 첫 번째는 절연체 박막을 증착하는 과정이고, 두 번째는 증착된 절연체 박막에 게르마늄 이온을 주입하는 과정이다.
각각의 마그네트론 증착원(24,26)으로는 직경 75 mm, 두께 6 mm의 순도 99.999% 하프늄 타겟과 게르마늄 타겟을 이용하였으며, 시료(12)로는 실리콘 웨이퍼와 불소 함유 산화주석 투명전도막(FTO glass)을 이용하였다.
절연체 박막을 형성하는 첫 번째 단계로, 약 20 mm × 20 mm 크기의 실리콘 웨이퍼와 12.5 mm × 12.5 mm 크기의 불소 함유 산화주석 투명전도막을 전도성 시료 장착대(13)에 장착한 후, 진공조(10)를 9×10-6 Torr의 진공도로 배기한 후, 아르곤 가스와 산소 가스를 인입시켜 진공조(10) 내부의 아르곤 압력을 3 mTorr로 유지하였다. 곧 이어, RF 안테나(11)에 13.56 MHz, 200 Watt의 RF 전력을 인가하여 유도결합 플라즈마(하프늄 DC 플라즈마(14))를 발생시키고, 20 분간의 14 W/cm2의 타겟 파워의 리액티브 마그네트론 스퍼터링 증착으로 약 1,200Å정도의 절연체 박막을 만든다.
두 번째 단계는 게르마늄을 절연체 박막에 이온주입하는 단계로, 아르곤 가스를 진공조(10) 내로 인입시켜 2 mTorr 정도의 아르곤 압력을 유지한 다음 게르마늄 마그네트론 증착원(26)에 펄스 직류 전력(202)을 인가하여 게르마늄 마그네트론 증착원(26)을 작동시켰다. 이때 인가한 펄스 직류 주파수를 100 Hz, 펄스폭을 130 usec로 했을 때, 전압은 -0.95 kV, 평균 전류는 62 mA로, 이는 평균 전력이 약 1.4 W/cm2 인 펄스 전력이 된다. 또한 전압은 -0.95 kV, 평균 전류는 110 mA로, 200 Hz 주파수와 130 usec의 펄스폭으로 했을 때, 평균 전력이 약 2.4 W/cm2의 파워를 가지므로 평균 전력으로 보면 게르마늄 타겟에서 게르마늄 이온화가 되기 어려운 파워이지만, 게르마늄 마그네트론 증착원(26)이 가지는 최고 파워(Peak power)는, 펄스 직류 주파수를 100 Hz, 펄스폭을 130 usec로 했을 때 약 100 W/cm2이며, 주파수를 200 Hz, 펄스폭을 130 usec로 했을 때 약 190 W/cm2의 전력을 가지므로 게르마늄은 충분히 이온화되면서 평균 전력이 낮아 타겟의 냉각이 용이해진다.
또한, 상기한 방법으로 게르마늄 마그네트론 증착원(26)을 작동시킴과 동시에, 실리콘 웨이퍼와 불소 함유 산화주석 투명전도막 시료(12)에 음(-)의 고전압 펄스(301)를 인가함으로써 게르마늄 플라즈마 이온주입 공정을 20분간 행하였다. 실험시 이용된 고전압 펄스값은, -60 kV, 20 usec로 하였으며, 주파수는 게르마늄 마그네트론 증착원(26)과 동일한 각각 100 Hz와 200 Hz로 하여 동기화시켰다. 또한, 130 usec의 게르마늄 마그네트론 증착원용 펄스 직류 전력(202)이 인가된 후, 약 110 usec 후에 시료(12)에 20 usec의 고전압 펄스(301)가 인가되도록 함으로써, 게르마늄 플라즈마 이온 밀도가 충분히 높은 상태에서 게르마늄 플라즈마 이온주입이 이루어지도록 하였다.
상기의 2단계에 걸친 실험 방법으로 절연체 박막에 게르마늄 플라즈마 이온주입된 실리콘 웨이퍼와, 불소 함유 산화주석 투명전도막 시료를 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 게르마늄의 이온주입 깊이와 이온주입된 게르마늄의 화학적 상태 그리고 절연체 박막의 화학량론을 확인하였으며, 라만분광계(Raman spectroscopy)로 이온주입된 게르마늄의 결정화 정도를 측정하여 보았다.
도4a에 도시된 바와 같이 100 Hz로 이온주입된 시편은 게르마늄이 원자분율로 약 4퍼센트 이온주입되어진 것을 확인할 수 있으며, 도4b에 도시된 바와 같이 200 Hz로 이온주입된 시편은 약 8퍼센트의 게르마늄 원자분율로 이온주입되어진 것을 확인할 수 있으며, 이는 타겟 펄스 전력의 주파수를 2배 증가시키면 이온주입되는 양이 2배로 증가됨을 확인할 수 있다. 또한 그 이온주입된 깊이는 표면에서 깊이 방향으로 각각 약 1000 Å과 1500 Å인 것을 알 수 있으며, 이는 더 많은 양의 게르마늄이 이온주입되면서 발생하는 운동에너지와 그로 인해 발생되는 열에너지에 의해 더 깊이 이온주입되어진 것을 확인할 수 있다. 도4a는 도3에서 측정한 100 Hz 시편을 XPS로 분석한 Depth profile 결과이며, 이는 표면에서 깊이 방향으로 약 1000 Å 정도까지 이온주입된 게르마늄이 존재함을 알 수 있으며, 도4b 역시 200 Hz로 이온주입한 시편을 XPS로 분석한 Depth profile 결과이며, 도4a와 비교해 볼 때 Hz가 커짐에 따라 이온주입된 게르마늄의 양이 표면에서 깊이 방향으로 약 1500 Å 까지 됨을 알 수 있다.
또한 이는 도5a 및 도5b에서도 게르마늄의 이온주입 깊이를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 원소와 결합하지 않은 순수 게르마늄임을 알 수 있는 1217.00 eV의 결합 에너지를 갖는 XPS Ge 2p3/2 스팩트라 데이터로 확인할 수 있다. 마지막으로 도3에 도시된 바와 같이 100 Hz로 절연체 박막에 이온주입된 게르마늄은 결정화되지 않고 비정질 상태로 존재함을 알 수 있으며, 200 Hz로 이온주입된 게르마늄은 별도의 열처리 없이도 결정화가 이루어졌음을 확인할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명이 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
10: 진공조 11: RF 안테나
12: 시료 13: 시료 장착대
14: 하프늄 DC 플라즈마 15: 게르마늄 펄스 플라즈마
20: 납 차폐 21: RF 전원부
22: RF 매칭부 23: DC 전원부
24: 하프늄 마그네트론 증착원 25: 펄스 직류 전원부
26: 게르마늄 마그네트론 증착원 30: 자석
31: 고전압 펄스 전압부 32: 펄스 전류 측정부
33: 펄스 전압 측정부 34: 모니터링부
35: 가스 공급부 36: 가스 조절부
37: 가스 밸브 38: 진공 펌프
39: 진공 밸브 40: 진공조 접지부
12: 시료 13: 시료 장착대
14: 하프늄 DC 플라즈마 15: 게르마늄 펄스 플라즈마
20: 납 차폐 21: RF 전원부
22: RF 매칭부 23: DC 전원부
24: 하프늄 마그네트론 증착원 25: 펄스 직류 전원부
26: 게르마늄 마그네트론 증착원 30: 자석
31: 고전압 펄스 전압부 32: 펄스 전류 측정부
33: 펄스 전압 측정부 34: 모니터링부
35: 가스 공급부 36: 가스 조절부
37: 가스 밸브 38: 진공 펌프
39: 진공 밸브 40: 진공조 접지부
Claims (30)
- 반도체 양자점을 형성하는 장치로서,
그 내부가 진공 상태를 유지하는 진공조;
절연체 박막 증착을 위한 제1 증착원;
반도체 원소 또는 화합물의 이온 발생을 위한 제2 증착원;
상기 진공조 내의 상기 제1 및 제2 증착원에 대향하는 위치에 설치되어 시료가 장착되는 시료 장착대;
상기 제1 증착원에 제1 전력을 인가하여, 상기 제1 증착원으로부터 스퍼터링되는 제1 물질의 절연체 박막을 증착하도록 동작하는 제1 전원공급수단; 및
상기 제2 증착원에 제2 전력을 인가하여, 상기 제2 증착원으로부터 스퍼터링되는 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 형성된 절연체 박막에 제2 이온주입시켜 상기 제2 반도체 물질의 양자점을 형성하도록 동작하는 제2 전원공급수단을 포함하는 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 절연체 박막 증착시에,
상기 진공조 내부의 사용가스 압력을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하고,
리액티브 가스의 분압을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하며,
상기 제1 전력은, 밀도가 1W/cm2 ~ 20W/cm2의 값을 갖는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 사용가스는, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스로서, 아르곤, 네온 중 어느 하나이며,
상기 리액티브 가스는, 산소 또는 질소인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 절연체 박막은, 1,200Å으로 증착되며,
상기 제1 물질은, HfO2, SiO2, Si3N4, MgO, CaO, SrO, ZrO2, BaO, TiO2, Ta2O3, Y2O3, Al2O3, Gd2O3, La2O3 중 어느 하나인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 절연체 박막은, 단일층(single-layer)으로 구성되는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 절연체 박막은, 다층(multi-layer)으로 구성되는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제6항에 있어서,
다층 절연체 박막의 양자점 크기를 조절함에 있어서, 층마다 양자점의 크기를 다르게 하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제6항에 있어서,
다층 절연체 박막의 양자점 크기를 조절함에 있어서, 상기 제2 이온주입시 시편 바이어스 크기를 조절하여 표면에서 깊이 방향으로 이온주입 깊이를 변화시키고, 그 이온주입 시간으로 양자점의 크기를 조절하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 반도체 물질은, Ge, Si, Se, Te 중 적어도 하나의 반도체 원소인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 반도체 물질은, 화합물 반도체인 4-4족 SiC, 3-5족 화합물 반도체인 AlP, AlAs, AlN, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InN, InAs, InSb, 2-5족 화합물 반도체인 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdSe, 4-5족 화합물 반도체인 PbS, PbSe, PbTe 중 적어도 하나의 반도체 화합물인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 두 개의 상기 제2 반도체 물질을 상기 제2 이온주입하는 경우, 이온주입 도즈(dose)량으로 양자점의 크기와 결정화 정도를 조절하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 물질의 양자점을 형성함에 있어서, 상기 제2 이온주입시 양자점을 넘어선 양자 우물(quantum well)을 만드는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항, 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전력은, 펄스 직류 전력이며,
상기 펄스 직류 전력은, 밀도가 10 W/cm2 ～ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ～ 1 msec의 펄스폭을 갖는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 시료 장착대에 제3 전력을 제공하는 제3 전원공급수단을 더 포함하며,
상기 제3 전력은, 상기 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 상기 시료 측으로 가속시키며 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 고전압 펄스인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제14항에 있어서,
상기 고전압 펄스는, 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수와, 1 usec ～ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ～ -100 kV의 음(-)의 펄스 고전압을 갖는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항, 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진공조에 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 및
상기 가스 공급부에 의해 공급되는 가스의 압력을 조절하기 위한 가스 조절부를 더 포함하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항, 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 이온주입시 발생되는 X-Ray를 차폐시키기 위한 납판을 더 포함하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항, 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진공조 둘레에 일정하게 위치시켜 상기 진공조 내에서의 플라즈마 밀도를 균일하게 하며, 상기 진공조로 빠져나가는 전자를 막아주는 자석을 더 포함하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항, 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시료 장착대는, 상기 진공조에 전기적으로 절연되어 장착되는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제1항 내지 제8항, 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 더 구비하여, 상기 제2 반도체 물질의 이온화율을 증가시키고 상기 제2 증착원의 작동 압력을 낮추되,
상기 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단은,
상기 진공조 내에 장착되어 RF 펄스를 방사하여 상기 유도결합 플라즈마를 발생시키는 RF 안테나;
상기 RF 안테나에 RF 전력을 인가하는 RF 전원부; 및
상기 RF 전원부와 상기 RF 안테나와의 RF 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭부를 포함하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 제20항에 있어서,
상기 제2 이온주입시, 이온주입 전압과 전류를 측정 및 모니터링하기 위한 수단을 더 포함하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 장치.
- 반도체 양자점 형성 방법으로서,
진공조 내의 시료 장착대 위에 시료를 위치시키는 단계;
상기 진공조의 내부를 진공상태로 유지하는 단계;
상기 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급하는 단계;
절연체 박막 증착을 위한 제1 증착원에 제1 전력을 인가하여, 박막증착을 위한 플라즈마 이온들을 발생하는 단계;
상기 제1 증착원으로부터 스퍼터링되는 제1 물질의 절연체 박막을 증착하는 단계;
반도체 원소 또는 화합물의 이온 발생을 위한 제2 증착원에 제2 전력을 인가하여 이온주입을 위한 플라즈마 이온들을 발생하는 단계; 및
상기 제2 증착원으로부터 스퍼터링되는 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 기 형성된 절연체 박막에 제2 이온주입시켜 상기 제2 반도체 물질의 양자점을 형성하는 단계를 포함하는 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제22항에 있어서,
상기 절연체 박막 증착시에,
상기 진공조 내부의 사용가스 압력을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하고,
리액티브 가스의 분압을 0.5mTorr ~ 5mTorr로 유지하며,
상기 제1 전력은, 밀도가 1W/cm2 ~ 20W/cm2의 값을 갖는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제22항에 있어서,
상기 절연체 박막은, 1,200Å으로 증착되며,
상기 제1 물질은, HfO2, SiO2, Si3N4, MgO, CaO, SrO, ZrO2, BaO, TiO2, Ta2O3, Y2O3, Al2O3, Gd2O3, La2O3 중 어느 하나인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제22항에 있어서,
상기 절연체 박막은, 단일층(single-layer) 또는 다층(multi-layer)으로 구성되는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제25항에 있어서,
다층 절연체 박막의 양자점 크기를 조절함에 있어서, 층마다 양자점의 크기를 다르게 하되,
다층 절연체 박막의 양자점 크기를 조절함에 있어서, 상기 제2 이온주입시 시편 바이어스 크기를 조절하여 표면에서 깊이 방향으로 이온주입 깊이를 변화시키고, 그 이온주입 시간으로 양자점의 크기를 조절하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제22항에 있어서,
상기 제2 반도체 물질은, Ge, Si, Se, Te 중 적어도 하나의 반도체 원소를 사용하거나, 화합물 반도체인 4-4족 SiC, 3-5족 화합물 반도체인 AlP, AlAs, AlN, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InN, InAs, InSb, 2-5족 화합물 반도체인 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdSe, 4-5족 화합물 반도체인 PbS, PbSe, PbTe 중 적어도 하나의 반도체 화합물를 사용하는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전력은, 펄스 직류 전력이며,
상기 펄스 직류 전력은, 밀도가 10 W/cm2 ～ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ～ 1 msec의 펄스폭을 갖는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제28항에 있어서,
상기 시료 장착대에 제3 전력을 제공하는 단계를 더 포함하며,
상기 제3 전력은, 상기 제2 반도체 물질의 플라즈마 이온들을 상기 시료 측으로 가속시키며 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 고전압 펄스인, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
- 제29항에 있어서,
상기 고전압 펄스는, 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 1 Hz ～ 10 kHz의 주파수와, 1 usec ～ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ～ -100 kV의 음(-)의 펄스 고전압을 갖는, 절연체 박막 내에 반도체 물질을 플라즈마 이온주입시켜 양자점을 만드는 방법.
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