KR101602412B1 - 나노 마스크를 이용한 소자의 표면처리 방법 - Google Patents

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Abstract

나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법에 대해 개시된다. 개시된 표면 처리 방법은 구조체 및 나노 입자들 사이에 정전기적 인력이 작용하도록 하여 구조체 표면에 나노 입자를 용이하게 결합하도록 하여 건식 식각 공정에 의해 구조체 표면에 굴곡 형상을 형성할 수 있다.

Description

나노 마스크를 이용한 소자의 표면처리 방법{Surface Treatment Method of a Device using Nano Mask}
본 발명의 실시예는 소자 표면 처리 방법에 관한 것으로, 나노 입자를 이용하여 소자 표면에 소정의 요철 형상을 형성하도록 식각하는 공정을 포함하는 나노 마스크를 이용한 소자 표면처리 방법에 관한 것이다.
태양 전지와 같은 광전소자 또는 LED와 같은 발광소자는 광을 받아들이는 수광 또는 광을 방출하는 발광을 목적으로 한 것으로, 광경로 상에서의 광손실을 최대한 줄여서 수광 또는 발광 효율을 향상시키는 것은 중요한 문제이다.
예를 들어, 태양 전지에서는 외부의 광을 내부로 받아들이는 과정에서 소자와 외부 대기 사이 계면에서의 광반사가 발생하는 경우 입사광 자체가 감소하므로 소자의 효율이 감소하게되며, LED에서 내부에서 발생한 광을 외부로 추출하는 과정에서 소자 표면에서 반사가 발생하는 경우 광추출 효율이 크게 감소하게된다.
따라서, 소자 표면에서의 광반사를 억제하기 위한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 입사하는 광의 반사를 억제하고, 투과량을 증가시키고자 하는 경우, AR(anti-reflection) 코팅을 고려할 수 있다. 예를 들어, 레이저 간섭 리소그래피(LIL: Laser interference lithography) 공정이나 이빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정에 의해 소자 표면에 반사 억제 패턴을 형성할 수 있다. 그러나, 레이저 간섭 리소그래피 공정이나 이빔 리소그래피 공정의 경우 시간 및 비용이 많이 들어 효율이 떨어진다.
그리고, 임프린팅 공정을 고려할 수 있으나, 임프린팅 공정의 경우 템플릿을 한번 제작하고 나면 임의로 바꿀 수 없는 단점이 있고, 템플릿을 제작하는 비용이 많이 드는 단점이 있어 소자 표면 형상 제어에 한계가 있다.
본 발명의 실시예에서는 간단하며, 저비용으로 용이하게 소자의 표면 형상을 제어하여, 광의 반사도를 조절할수 있는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법을 제공하자 한다.
소자의 표면 처리 방법에 있어서,
제 1극성의 표면을 지닌 구조체를 마련하는 단계;
상기 구조체에 제 2극성의 표면을 지닌 나노 입자를 공급하여 상기 구조체 표면에 상기 나노 입자를 결합시키는 단계; 및
상기 구조체 표면을 건식 식각 공정에 의해 식각하여 상기 구조체 표면에 굴곡 구조를 형성시키는 단계;를 포함하는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법을 제공한다.
상기 나노 입자는 금속 나노 입자 또는 SiO2 비드를 포함할 수 있다.
상기 나노 입자의 직경은 5nm 내지 2㎛ 범위일 수 있다.
상기 건식 식각은 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching), 플라즈마 식각, 마그네트론식각, 자기장지지반응성 이온식각(MERIE), ECR(Electron Cyclotron Resonance) 또는 Helicon 공정으로 실시할 수 있다.
상기 구조체는 아민기 또는 알데하이드기를 부착하여 표면 처리를 할 수 있 다.
상기 구조체는 Si, Ge, GaN, GaAs, SiO2, Si3N4 또는 Al2O3 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 간단한 방법으로 소자 표면의 형상을 제어할 수 있는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
실시예에서는 화학적 또는 정전기적 인력 및 척력을 이용하여 소자 표면에 소정 형상 및 분포를 지닌 마스크를 형성하고, 마스크 및 소자 표면을 건식 식각 공정에 의해 식각하여 소자 표면에 다양한 형태의 굴곡 구조를 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 실시예에 의한 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법을 나타낸 도면이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 구조체(11) 표면이 제 1극성을 지니도록 표면처리를 한다(도 1a). 그리고, 나노 입자(12) 표면이 제 2극성을 지니도록 표면 처리를 한다(도 1b). 제 2극성을 지니도록 표면처리 된 나노 입자(12)를 제 1극성을 지닌 구조체(11) 표면에 공급하여 구조체(11) 표면에 나노 입자(12)를 코팅한다(도 1c). 다음으로 구조체(11) 표면에 형성된 나노 입자(12)를 식각 마스크로 하여 건식 식각 공정에 의해 나노 입자(12) 및 구조체 표면(11)을 식각한다. 식각 공정에 의하여 구조체(11) 표면에서 나노 입자(12)가 위치하는 영역의 식각 정도에 비해 나노 입자(12)가 위치하지 않는 영역의 식각 정도의 차이에 의해 구조체(11) 표면에는 굴곡 구조(13)가 형성된다(도 1d).
구조체(11)는 광소자, 반도체 소자의 기판 또는 그 상부에 형성될 수 있는 물질층일 수 있으며, 예를 들어 태양 전지와 같은 광소자나 발광 소자의 기판일 수 있다. 구초체(11)를 형성하는 물질은 특별히 제한이 없으며, 절연성 물질, 반도체 물질 및 전도성 물질들이 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어 Si, Ge, GaN, GaAs, SiO2, Si3N4 또는 Al2O3 등일 수 있다.
나노 입자(12)는 다양한 종류의 미세 입자 구조의 물질들이 사용될 수 있으며, 예를 들어 Au, Ag, Al, Ni, Pt, Ru 또는 Ir 등의 금속 나노 입자/파우더나 SiO2 비드(bead)와 같은 비금속 나노 입자/파우더를 포함한다. 나노 입자(12)의 종류 및 크기는 원하는 굴곡 구조(13)에 따라 선택될 수 있으며, 이는 적용되는 소자의 종류 및 용도에 따라 선택적으로 조절할 수 있다. 나노 입자(12)의 직경은 수 nm 내지 수 ㎛ 범위로 형성된 것일 수 있으며, 예를 들어 5nm 내지 2㎛ 범위로 형성된 것일 수 있다.
굴곡 구조(13)는 그 단면이 요철 형상의 패턴들을 지닌 것으로 나방눈(moth eye) 구조라고도 불린다. 굴곡 구조(13)의 형상은 나노 입자(12)의 형태, 크기, 분 산 밀도, 식각 시간 등에 따라 선택적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 나노 입자(12)의 크기를 조절함으로써 굴곡 구조(13)의 단위 패턴의 직경을 조절할 수 있고, 나노 입자(12)의 분산도를 조절함으로써 굴곡 구조의 단위 패턴들 사이의 간격을 조절 할 수 있다.
실시예에 있어서, 제 1극성 및 제 2극성은 (+) 또는 (-)일 수 있으며, 제 1극성이 (+)인 경우, 제 2극성은 (-)이며, 제 1극성이 (+)인 경우, 제 2극성은 (-) 일 수 있다. 나노 입자(12)의 표면이 제 2극성을 지니므로, 나노 입자(12)들 사이에는 척력이 작용하여 분산이 잘되며, 나노 입자(12)들과 구조체(11) 사이에는 정전기적 인력이 작용하여 나노 입자(12)들이 구조체(11) 상에 용이하게 형성될 수 있다. 구조체(11)의 표면이 제 1극성을 지니고, 나노 입자(12) 표면이 제 2극성을 지니도록 하기 위한 공정에는 제한이 없다. 그리고, 건식 식각 방법에는 제한이 없으며, 예를 들어 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching), 플라즈마 식각, 마그네트론식각, 자기장지지반응성 이온식각(MERIE), ECR(Electron Cyclotron Resonance), Helicon 등을 사용할 수 있다.
제조예
먼저 구조체(11) 표면을 제 1극성으로 표면처리 하는 공정을 설명한다. 구조체(11), 예를 들어 GaN 기판을 용액이 포함된 용기 내에 담근다. 여기서 용액은 구조체(11) 표면을 제 1극성으로 형성하기 위한 것으로, 예를 들어 아민기(amine group) 또는 알데하이드기(aldehyde group)를 포함한 것일 수 있다. 아민기를 코팅 하고자 하는 경우, 용액은 예를 들어 3-3-aminopropyl trimethoxysilane을 포함할 수 있다. 그리고, 구조체(11)를 용액 내에 수분 내지 수시간 동안 담근 후 구조체(11)를 꺼내어 건조시킨다. 이 때, 선택적으로 섭씨 약 100도 내지 200 사이의 열을 가할 수 있다. 이에 따라 구조체(11) 표면은 아민기가 형성되며, 이는 물속에서 (+)극성을 나타낸다.
참고로 구조체(11) 표면을 (-) 극성으로 처리하고자 하는 경우에는, 예를 들어, Glutaradehyde 용액 속에 수분 내지 수시간 담근 후 꺼낸 뒤 건조시키면 구조체(11) 표면이 (-) 극성을 지니게 된다.
이와 같은 표면 처리 방법은 아민(+) 또는 알데하이드(-)기를 붙이는 것에 제한되지 않으며, 구조체(11) 표면을 (+) 또는 (-)로 표면 처리 할 수 있는 방법이면 제한없이 사용할 수 있다.
다음으로 나노입자(12) 표면을 제 2극성, 예를 들어 (-) 표면을 지니도록 형성하기 위하여 표면처리하는 공정을 설명한다.
용기 내에 나노 입자/파우더를 포함하는 수용액과 나노 입자 표면을 (-) 극성으로 처리할 수 있는 수용액을 포함하는 용액을 마련한다. 사용하고자 하는 나노 입자의 수하물을 포함하는 용액을 마련할 수 있으며, 예를 들어 Au 나노 입자를 사용하고자 하는 경우 용액은, D.I water 내에 AuCl3(3수하물)(Gold(III) chloride trihydrate)에 구연산나트륨(2수화물)(Sodium citrate tribasic dihydrate)을 포함하는 것일 수 있다. 용액을 수분 내지 수시간 교반하면, 표면에 (-) 극성이 형성된 나노입자(12)를 형성할 수 있다. 참고로, SiO2 파티클을 사용했을시 (+) 코팅이 가능하며, 특히 금속의 경우 (+) 이온 상태로 존재하므로 수용액 내에서 금속 (+)이온으로 사용할 수 있다.
(+) 표면 처리된 구조체(11) 표면에 (-) 표면 처리된 나노 입자를 반응시키면, 상기 도 1c에 나타낸 바와 같이, 구조체(11) 표면에 나노 입자(12)가 형성된 구조를 얻을 수 있다. 나노 입자(12)는 구조체(11) 표면에 형성되는 밀도는 구조체(11) 표면에 나노 입자(12)의 공급양을 조절하면 용이하게 변경시킬 수 있다.
도 2는 GaN 구조체 표면에 Au 나노 입자를 형성한 후에 나타낸 SEM 이미지이다.
도 2를 참조하면, Au 나노 입자는 흰색 반점으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 구조체 표면에 부착되는 나노 입자의 부착 밀도 값은 임의로 제어할 수 있다.
구조체 표면의 굴곡 구조의 단위 패턴의 크기 및 밀도는 나노 파티클의 크기, 밀도, 건식 식각 시간 등을 조절하면 제어가능하다. 이를 확인하기 위하여 나노 파티클의 농도를 조절하거나 식각 시간을 조절하여 구조체 표면에 굴곡 구조를 형성하였다.
도 3a 및 도 3b는 나노 파티클의 농도를 조절한 뒤, 건식 식각을 진행하여 구조체 표면에 굴곡 구조를 형성한 것을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 3b의 경우, 구조체 표면에 형성된 나노 입자의 밀도가 도 3a의 구조체에 형성된 나노 입자의 밀도에 비해 훨씬 높았으며, 건식 식각을 진행하여 형성된 굴곡 구조의 단위 패턴의 양이 월등히 많은 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 건식 식각 시간을 조절하여 굴곡 구조를 형성한 구조체 표면에 대한 SEM 이미지이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 에칭 시간의 차이에 따라 구조체 표면의 굴곡 구조의 크기 및 형태에 큰 차이가 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 건식 식각에 의해 구조체 표면의 에칭 두께를 달리한 경우의 파장에 따른 반사율 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서 A0는 에칭하지 않은 GaN 구조체의 표면 반사율을 나타낸 것이며, A1은 500nm 두께를 에칭한 GaN 구조체의 표면 반사율을 나타낸 것이며, A2는 2마이크로미터 두께를 에칭한 GaN 구조체의 표면 반사율을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 에칭 두께가 두꺼울수록 표면 반사율은 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
도 6은 GaN 구조체 표면 상에 밀도를 조절하여 Au 나노 파티클을 형성한 경우의 파장에 따른 반사율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상대적으로 나노 파티클의 밀도가 큰 GaN 구조체(high-density)가 나노 파티클의 밀도가 작은 GaN 구조체(low density)보다 표면 반사율이 낮으며, 두가지 경우 모두 식각하지 않은 GaN 구조체(as grown)에 비해 표면 반사율이 낮은 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 실시예에 의한 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 GaN 구조체 표면에 Au 나노 입자를 형성한 후에 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3a 및 도 3b는 구조체 표면의 나노 파티클의 농도를 조절한 뒤 건식 식각을 진행한 뒤의 굴곡 구조를 형성한 구조체 표면에 대한 SEM 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는 건식 식각 시간을 조절하여 굴곡 구조를 형성한 구조체 표면에 대한 SEM 이미지이다.
도 5는 건식 식각에 의해 구조체 표면의 에칭 두께를 달리한 경우의 파장에 따른 반사율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 GaN 구조체 표면 상에 밀도를 조절하여 Au 나노 파티클을 형성한 경우의 파장에 따른 반사율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 구조체 12... 나노 입자
13... 굴곡 구조

Claims (6)

  1. 소자의 표면 처리 방법에 있어서,
    제 1극성의 표면을 지닌 구조체를 마련하는 단계;
    상기 구조체에 제 2극성의 표면을 지닌 나노 입자를 공급하여 상기 구조체 표면에 상기 나노 입자를 결합시키는 단계; 및
    상기 구조체 표면을 건식 식각 공정에 의해 식각하여 상기 구조체 표면에 굴곡 구조를 형성시키는 단계;를 포함하며,
    상기 나노 입자의 표면은 상기 나노 입자를 구성하는 물질의 수하물을 포함하는 용액을 이용하여 제 2극성을 지니도록 표면처리되는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 입자는 금속 나노 입자 또는 SiO2 비드를 포함하는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 나노 입자의 직경은 5nm 내지 2㎛ 범위인 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 건식 식각은 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching), 플라즈마 식각, 마그네트론식각, 자기장지지반응성 이온식각(MERIE), ECR(Electron Cyclotron Resonance) 또는 Helicon 공정으로 실시하는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구조체는 아민기 또는 알데하이드기를 부착하여 표면 처리를 하는 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구조체는 Si, Ge, GaN, GaAs, SiO2, Si3N4 또는 Al2O3 인 나노 마스크를 이용한 소자의 표면 처리 방법.
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