KR101682307B1 - 전이금속 디칼코제나이드 대면적 성장 방법 및 상기 방법에 사용되는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라서 전이금속 칼코제나이드 박막을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전이금속 박막이 형성된 제1 기판을 준비하는 단계와; 제2 기판을 상기 제1 기판과 대향한 채 연결 부재를 이용하여 상기 제1 기판과 연결하는 단계로서, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 기체가 흐르는 통로가 형성되는 것인, 상기 연결 단계와; 상기 제1 및 제2 기판이 배치된 반응로의 온도를 반응 온도로 가열하는 가열 단계와; 상기 반응로의 일측으로부터 황 함유 가스를 흘려주어 상기 통로를 통해 흐르게 하는 단계를 포함하고, 상기 가열 단계 중에 상기 전이금속 박막의 일부가 증발하여 전이금속 가스가 제2 기판을 향해 상승하고, 이 전이금속 가스가 상기 황 함유 가스와 반응하여 상기 제2 기판의 표면에 전이금속 칼코제나이드 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전이금속 디칼코제나이드(TMD) 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 단순화된 공정을 이용하여 대면적에 걸쳐 전이금속 디칼코제나이드를 형성하는 방법 및 이 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
칼코게나이드 박막을 제조하는 기술이 알려져 있다(예컨대, 공개특허 제10-2007-80940호).
전이 금속 디칼코제나이드(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)는 원자 세 층이 단일층을 이루며 탄소 원자 한 층으로 이루어진 그래핀(Graphene)과 유사한 판상 구조를 갖는 물질이다. 준금속의 특성을 띠는 그래핀과 달리 전이 금속 디칼코제나이드는 구성 물질에 따라 n-type, p-type 혹은 ambipolar 반도체의 특성을 띤다. 또한 수 나노미터 이하의 두께를 갖기 때문에 유연 및 투명 소자에의 활용성이 높아 나노 디바이스 분야에서 촉망받는 물질이다. 그러나 전이 금속 디칼코제나이드의 연구 및 산업적 이용을 위해서는 대면적 성장기술이 필수적이다. 현재까지는 주로 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition), 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 등을 이용하여 제작하고 있으나 균일한 고품질을 가지는 대면적 2차원 반도체를 제조하기에는 어려움이 있다.
MoS2는 전이금속 디칼코제나이드의 하나로 Mo원자 한층 위아래로 S원자가 두 층, 총 원자 세 층으로 이루어져 Hexagonal 구조를 가지는 판상 구조 물질이다. MoS2는 대표적인 2차원 반도체 물질로써 전자와 정공 모두를 carrier로 이용할 수 있는 ambipolar 특성을 가지고 있으며 주로 p-type 반도체로 사용된다. MoS2의 이동도는 최대 80cm2/Vs로 보고되었으며 108이상의 높은 On-off ratio를 가지며 투명/유연 소자에 사용할 수 있는 반도체 물질로 주목 받고 있다. 또한 MoS2는 bilayer 이상일 때 indirect bandgap(1.3eV)을 가지고, monolayer에서 direct bandgap(1.9eV)을 가지면서 좋은 photoluminescence 특성을 나타내기 때문에 광전자(optoelectronic) 소자로도 사용될 수 있다. 이 밖에도 MoS2는 밸리트로닉스등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Monolayer MoS2의 합성에는 Top-down 방식과 Bottom-up 방식이 있다. Top-down 방식으로는 기계적 박리가 가장 대표적이지만 양산에 어려움이 있고, Bottom-up 방식을 통하면 공정 과정이 복잡하거나 비용이 많이 발생한다.
기존의 기술에서는 Mo 또는 MoO3와 같은 전이금속 고체분말과 황 분말을 고온에서 증발시켜 기판에서 합성하였다. 그러나 일반적인 이런 합성 방법은 균일한 대면적의 필름을 제작하는데 어려움을 가지고 있다. 특히 전이금속의 균일한 증착이 어려워 기판에 균일하게 필름을 제작할 수 없었다. 즉, 반응로에서 고체분말을 배치한 후, 이를 증발시켜 기판에 합성하는데, 기판의 위치에 따라 예컨대, 농도가 달라져, 기판 전체에 걸쳐 균일한 박막을 형성할 수 없다. 또한, 이러한 방법에 따르면, 형성된 박막의 두께가 너무 두꺼워(예컨대, 10 nm 이상), 활용도가 떨어진다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 단순한 공정을 이용하여 전이금속 디칼코제나이드를 대면적에 걸쳐 균일하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용액법이 아니라, 소위 고체법을 이용하여 전이금속 디칼코제나이드를 기판 상에 대면적으로 균일하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법을 실시하는 데에 적합하게 구성된 전이금속 디칼코제나이드 박막 형성 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 전이금속 칼코제나이드 박막을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전이금속 박막이 형성된 제1 기판을 준비하는 단계와; 제2 기판을 상기 제1 기판과 대향한 채 연결 부재를 이용하여 상기 제1 기판과 연결하는 단계로서, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 기체가 흐르는 통로가 형성되는 것인, 상기 연결 단계와; 상기 제1 및 제2 기판이 배치된 반응로의 온도를 반응 온도로 가열하는 가열 단계와; 상기 반응로의 일측으로부터 황 함유 가스를 흘려주어 상기 통로를 통해 흐르게 하는 단계를 포함하고, 상기 가열 단계 중에 상기 전이금속 박막의 일부가 증발하여 전이금속 가스가 제2 기판을 향해 상승하고, 이 전이금속 가스가 상기 황 함유 가스와 반응하여 상기 제2 기판의 표면에 전이금속 칼코제나이드 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 산화물 기판일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 전이금속 가스 및 황 함유 가스와 반응하지 않는 재료(예컨대, 산화 실리콘)로 구성될 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 제1 및 제2 기판의 측연부에서 두 기판을 연결하여, 두 연결 부재 사이에 상기 통로를 형성할 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 가열 단계는 상온으로부터 상기 반응 온도까지 가열하는 단계 및 그 반응 온도에서 일정 시간 동안 유지하는 어닐링 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 반응 온도는 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막을 증발시켜 전이금속 가스를 형성할 수 있지만 상기 전이금속 칼코제나이드 박막을 증발시키지 않는 범위 내의 온도일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 황 함유 가스는 상기 어닐링 처리 후에 상기 반응로 내부로 공급될 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 황 함유 가스는 캐리어 가스와 함께 상기 반응로 내부로 공급될 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 반응 온도에서의 상기 전이금속 가스와 황 함유 가스의 반응 시간을 제어하여, 상기 제2 기판에 형성되는 전이금속 칼코제나이드 박막의 형태를 조절할 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 전이금속 칼코제나이드 박막은 단일층으로 이루어질 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막은 Mo 박막이고, 상기 제2 기판 상의 전이금속 칼코제나이드 박막은 MoS2 박막일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치가 제공된다. 상기 장치는 반응로와; 상기 반응로 둘레에 마련되어 상기 반응로를 가열하도록 구성되는 가열 부재와; 상기 반응로 내부에 배치되는 박막 형성 유닛과, 상기 박막 형성 장치의 전체 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 박막 형성 유닛은, 전이금속 박막이 형성된 제1 기판과, 상기 제1 기판과 대향하여 그 제1 기판 상부에 마련되는 제2 기판과, 상기 제1 기판과 제2 기판을 연결하는 연결 수단을 포함하고, 상기 반응로는 외부의 가스 공급 장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 장치에 있어서, 상기 연결 수단은 상기 제1 기판과 제2 기판의 측연부에서 두 기판을 연결하여, 그 사이에 기체가 흐르는 통로를 형성하는 연결 부재일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서 제공되는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치는 반응로와; 상기 반응로 둘레에 마련되어 상기 반응로를 가열하도록 구성되는 가열 부재와; 상기 반응로 내부에 배치되는 박막 형성 유닛과, 상기 박막 형성 장치의 전체 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 박막 형성 유닛은 내부가 비어 있는 중공의 부재로 구성되고, 상기 중공의 부재 내면에는 복수의 기판을 재치할 수 있는 복수의 기판 유지부가 마련되어 있으며, 전이금속 박막이 형성된 제1 기판이 제일 하부의 기판 유지부에 유지되어 있고, 상기 제1 기판과 대향하여 그 제1 기판 상부에 하나 이상의 제2 기판이 상기 기판 유지부에 유지되어 있으며, 상기 반응로는 외부의 가스 공급 장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 장치에 있어서, 상기 기판 유지부는 상기 중공의 부재 내면에 형성되는 홈일 수 있다.
상기 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 가열 부재를 제어하여 상기 반응로를 소정의 반응 온도까지 가열하도록 구성될 수 있다.
상기 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 반응로를 상온으로부터 상기 반응 온도까지 가열하고 그 반응 온도에서 일정 시간 동안 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 반응로를 상기 반응 온도에서 유지하여, 상기 가스 공급 장치로부터 공급되는 황 함유 가스와 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막이 증발되어 형성되는 전이금속 가스가 반응하도록 함으로써, 상기 제2 기판 상에 전이금속 칼코제아니드 박막을 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 장치에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 사파이어 기판 또는 실리콘 기판일 수 있다.
상기 장치에 있어서, 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막은 Mo 박막이고, 상기 제2 기판 상의 전이금속 칼코제나이드 박막은 MoS2 박막일 수 있다.
본 발명에 따르면, 소정의 기판에 전이금속 칼코제나이드 박막을 대면적에 걸쳐 균일하게 또 얇게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 박막 형성 장치의 개략적인 구성을 보여주는 모식도이다.
도 2는 상기 박막 형성 장치에 재치되는 한 쌍의 기판의 구조를 보여주는 도면으로서, 측면도, 평면도, 정면도 형태로 그 구조를 보여준다.
도 3은 상기 장치를 이용하여 전이금속 디칼코제나이드 박막을 형성하는 열처리 과정을 시간-온도 플롯의 형태로 보여주는 도면이다.
도 4는 상기 장치를 이용하여 기판에 형성한 MoS2 박막의 표면 형태를 보여주는 현미경 사진으로서, 성장 시간에 따라 박막 형태가 달라짐을 알 수 있다.
도 5는 상기 장치를 이용하여 기판에 형성한 MoS2 박막의 Raman 그래프로서, 단일층으로 형성된 것을 보여준다.
도 2는 상기 박막 형성 장치에 재치되는 한 쌍의 기판의 구조를 보여주는 도면으로서, 측면도, 평면도, 정면도 형태로 그 구조를 보여준다.
도 3은 상기 장치를 이용하여 전이금속 디칼코제나이드 박막을 형성하는 열처리 과정을 시간-온도 플롯의 형태로 보여주는 도면이다.
도 4는 상기 장치를 이용하여 기판에 형성한 MoS2 박막의 표면 형태를 보여주는 현미경 사진으로서, 성장 시간에 따라 박막 형태가 달라짐을 알 수 있다.
도 5는 상기 장치를 이용하여 기판에 형성한 MoS2 박막의 Raman 그래프로서, 단일층으로 형성된 것을 보여준다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 기술적 구성 등에 대한 설명은 생략한다. 예컨대, 기판에 박막을 형성하는 데에 CVD, PVD 등이 이용될 수 있는데, 이러한 기법 자체는 이미 널리 알려진 구성이므로, 그 설명을 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1에는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 박막 형성 장치의 개략적인 구성이 도시되어 있으며, 도 2는 상기 박막 형성 장치에 재치되는 한 쌍의 기판의 구조를 측면도, 평면도, 정면도 형태로 보여준다.
본 발명의 박막 형성 장치(A)는 반응로(10)를 포함한다. 반응로(10)는 그 내부에서 후술하는 소정의 박막 형성 프로세스가 이루어져, 전이금속 디칼코제나이드 박막이 형성된다. 반응로(10)는 당업계에서 흔히 사용되고 있는 통상의 반응로이며, 본 발명은 그 구성과 관련하여 특별히 제한되지 않는다.
반응로(10)의 둘레에는 가열 부재(30)가 배치되어 있다. 가열 부재(30)는 반응로(10)를 가열하여, 반응로 내부에서 박막 형성 프로세스가 이루어지도록 하기 위한 것으로서, 그 구성과 관련하여 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 가열 부재는 가열 코일로 구성될 수 있다.
도시한 바와 같이, 반응로(10)의 내부에는 한 쌍의 기판과 그 기판 사이를 연결하는 브릿지부를 포함하는 박막 형성부(20)가 배치되어 있다.
도 2를 함께 참조하면, 박막 형성부(20)는 제1 기판(22)과 제1 기판(22)에 대향하도록 배치되는 제2 기판(24)과 제1 기판과 제2 기판의 측연부에서 두 기판을 상호 연결하는 브릿지부(26)를 포함한다.
본 발명의 한 가지 실시예에서 상기 기판은 사파이어 기판으로 구성된다. 즉 사파이어 기판의 경우, SiO2 기판과 달리 (0001) 면에서 입방정계(hexagonal) 결정구조를 갖고 있어서, MoS2를 결정 방향에 맞게 정렬하는 데에 유리하다. 그러나, 본 발명이 사파이어 기판에 제한되는 것은 아니며, 실리콘 기판을 이용할 수도 있다. 한편, 두 기판을 연결하는 브릿지부(26)는 예컨대, SiO2로 구성된다. 즉 SiO2는 Mo나 S와 반응하지 않으므로, 이를 이용하여 브릿지부를 구성한다. 그러나, Mo나 S와 반응하지 않는 다른 재료를 이용하여 브릿지부를 구성할 수도 있으며, 본 발명이 SiO2에 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 브릿지부의 두께(도 1에서 상하 방향)를 조절하여, 성장 박막의 특성을 제어할 수 있다. 즉, 후술하는 바와 같이, 열처리시 제1 기판 상에 형성된 전이금속 박막이 증발하면서 황과 반응하여 제2 기판에 소정의 박막을 형성한다. 이때, 제1 기판과 제2 기판 사이의 거리, 즉 브릿지부의 두께에 따라 증발된 전이 금속의 이동거리가 달라지고, 이에 따라 제2 기판에 형성되는 박막의 특성이 다르게 나타난다.
이하에서는, 상기 박막 형성 장치를 이용하여 전이금속 디칼코제나이드 박막을 대면적에 걸쳐 균일하게 형성하는 프로세스를 구체적으로 설명한다.
먼저, 제1 기판(22)에 전이금속(본 실시예의 경우, Mo)을 대면적에 걸쳐 균일하게 증착한다. 이때, CVD와 같은 스퍼터링을 이용할 수도 있고, 열증발을 이용할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 전이금속 디칼코제나이드 박막을 형성하기 위하여, 전이금속 박막을 형성한 제1 기판(22)을 미리 준비하며, 이는 본 발명의 한 가지 특징을 구성한다.
이어서, 상기 제1 기판(22)과 제2 기판(24)을 대항시킨 채 브릿지부(26)를 이용하여 두 기판을 연결한다. 이때, 제2 기판에는 제1 기판과 달리 아무런 박막이 형성되어 있지 않다. 한편, 브릿지부(26)는 후술하는 바와 같이, 기체의 흐름을 방해하지 않도록 두 기판의 측연부(side edge) 측에 배치하여, 두 브릿지 부 사이에 기체가 통과하는 통로를 형성한다.
이와 같은 방식으로 구성한 박막 형성부(20)를 반응로(10) 내부에 배치한 후, Ar+H2 가스를 흘려주면서 상온으로부터 약 500~1,000℃의 범위로 승온한다. 본 실시예의 경우, 약 750℃의 온도까지 승온하였다. 이때, Mo가 일부 증발하여, 제2 기판에 형성되는 박막의 시드(seed) 역할을 한다. 구체적으로, 분당 0.3L의 유량 조건으로 상기 가스를 흘려주면서, 약 1 시간 동안 가열하여 상기 온도까지 승온시킨 후, 등온 조건으로 약 15분 동안 어닐링 공정을 수행한다. 이러한 어닐링 처리는 잔존물을 제거하기 위한 처리이다.
이후, 750℃에서 등온 조건을 유지하면서, 가스 공급 장치(도시 생략)로부터 공급되는 Ar(캐리어 가스) 및 황 함유 가스(예컨대, H2S)를 반응록 한쪽에서 도입하여 박막 형성부(20)를 향해 흘려준다. 이때, 황 함유 가스는 예컨대, H2S 분말을 증발시켜 얻을 수 있다. 이러한 Ar+H2S 가스를 약 10분 동안 흘려주게 되면, 박막 형성부(20)의 브릿지부(26)에 의해 형성되는 상기 통로를 통해 해당 가스가 흐르게 된다.
한편, 상기한 바와 같이, 상기 가열 처리 및 어닐리 처리 중에 제1 기판(22) 상에 형성된 Mo 박막의 일부가 증발하여 제2 기판(24)을 향해 흐르게 되는데, 이 Mo 가스가 상기 Ar+H2S 가스와 반응을 일으킨다. 즉, 황과 몰리브덴이 반응하여 제2 기판(24) 상에 MoS2 박막을 형성한다. 또한, 제1 기판(22) 상의 Mo 박막도 황과 반응하여 MoS2 박막을 형성한다. 이때, 제2 기판(24)에는 비교적 얇은 MoS2 박막이 형성되지만, 제1 기판(22)에는 이보다 더 두꺼운 MoS2 박막이 형성된다. 즉, 상기한 바와 같이, 제1 기판(22)에는 미리 CVD 등에 의해 Mo 박막이 형성되어 있다. 그런데, 이러한 Mo 박막은 그 두께가 두껍고(약 10 nm 이상), 가열 처리 및 어닐링 처리 중에 Mo이 일부 증발한다 하더라도 그 두께는 여전히 두껍기 때문에, 황과 반응하여 형성된 제1 기판(22)상의 MoS2 박막 역시 두꺼워 간접 천이밴드(indirect bandgap)를 갖게 되어, 광전 소자 제작에 불리하고, 갑작스러운 MoS2의 성장으로 결정립의 크기가 작아 전하이동도가 낮아지는 등, 전기적 특성의 저하가 나타나서, 전이금속 칼코제나이드 박막으로 사용하기에는 부적절하다. 그러나, 제1 기판(22) 상의 Mo 박막이 증발하면서 발생되는 Mo 가스와 Ar+H2S 가스 중의 황과 반응하여, 제2 기판(24) 상에 형성되는 MoS2 박막은 제1 기판(22) 상에 형성되는 MoS2 박막과 비교하여 그 두께가 얇고(약 1 nm) 균질하다. 즉, 제1 기판 상의 Mo 박막이 증발하면서, 제2 기판에 MoS2 박막이 형성됨과 아울러, 제1 기판 상의 Mo 박막도 Ar+H2S 가스 중의 황과 반응하여 MoS2로 변화된다. 이에 따라, Mo의 증발은 중단되고 Mo 가스의 공급이 차단되므로, 제2 기판 상의 MoS2 박막은 제1 기판 상의 MoS2 박막보다 얇다. 이러한 메커니즘에 기초하여, 반응로의 온도는 제1 기판 상의 전이금속 박막을 증발시키기에 충분하지만, 반응에 따라 형성되는 전이금속 칼코제나이드 박막을 증발시키지는 않는 온도로 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 온도가 높을수록 MoS2의 형성에 필요한 에너지가 충분히 공급되어, 더 큰 결정립이 형성되고, 따라서 전기적 특성이 우수한 박막을 형성할 수 있다.
한편, 반응을 일으키는 시간에 따라 제2 기판 상에 형성되는 MoS2 박막의 표면 형태가 달라진다는 것을 발견하였다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 반응 시간이 짧으면, MoS2가 박막의 형태로 존재하기보다는 단결정의 형태로 분산되어 존재하게 되고(도 4의 우측 도면), 시간을 충분히 두고 반응을 일으키면, 도 4의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 전체적으로 균일한 MoS2 박막을 형성할 수 있다.
도 5는 상기 과정에 따라 제2 기판(24)에 형성한 MoS2 박막에 대해 Raman 측정을 수행한 결과를 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, Raman 결과는 MoS2 박막의 두 메인 피크 사이의 거리를 보여주는데, 이 피크 사이의 거리르 통해 MoS2 박막의 두께를 측정할 수 있다. 도시한 바와 같이, 두 피크 사이의 거리가 약 20 cm-1인데, 이는 MoS2 박막이 단일층으로 형성된 것을 보여준다. 즉, 본 발명에 따르면, MoS2 박막을 단일층의 형태로 대면적에 걸쳐 균일하게 형성할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다. 즉, 본 발명은 후술하는 청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
예컨대, 상기 실시예에서는, 박막 형성부가 한 쌍의 대향 기판과 이들 기판을 상호 연결하는 브릿지부를 포함하고 있다. 그러나, 박막 형성부의 구성은 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 박막 형성부를 내부가 빈 중공의 형태로 되어 있고 그 내면에 복수의 기판을 재치할 수 있는 홈과 같은 기판 유지부가 형성되어 있는 것으로 구성할 수 있다. 이러한 박막 형성부에 따르면, 제일 아래쪽에 전이금속 박막이 형성된 제1 기판을 상기 홈에 끼워 재치하고, 그 위의 홈에 또 다른 하나 이상의 기판을 재치할 수 있다. 이러한 경우, 상기 반응을 수행할 때마다 두 기판이 브릿지부로 연결된 박막 형성부를 반응로에 배치하는 대신에, 바닥에 제1 기판을 배치하고, 그 위에 복수의 기판을 배치하여 두면, 반응이 종료할 때마다, 제1 기판과 바로 위의 기판(전이금속 칼코제나이드 박막이 형성된 기판)을 제거하고, 다시 제1 기판을 최하부에 배치하기만 하면, 편리하게 상기 박막 형성 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 사용되는 기판으로서 사파이어 기판을 예로 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 실리콘 기판을 사용할 수도 있으며, 또한 수정(quartz) 기판, 산화 실리콘 기판을 비롯한 산화물 기판을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서, 브릿지부(연결 부재)를 산화 실리콘으로 구성하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 즉 브릿지부는 기체 등의 물질과 반응하지 않는 임의의 물질로 구성할 수 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서, 제1 기판 상에 형성한 전이금속 박막으로서 Mo 박막을 예시하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 즉, Mo 외에 다양한 전이금속 박막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 구체적으로 설명하지는 않았지만, 본 발명의 장치에는 그 장치의 전체적인 동작(예컨대, 가열 동작, 어닐링 동작, 등온 유지 동작 등)을 제어하도록 구성되는 제어 장치가 포함될 수있다. 이러한 변형예 역시 본 발명의 범위 내에 속하는 것이며, 따라서 본 발명은 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
10: 반응로
20: 박막 형성부
22: 제1 기판(전이금속 박막이 형성된 기판)
24: 제2 기판(전이금속 칼코제나이드 박막을 형성할 기판)
26: 브릿지부
30: 가열 부재
20: 박막 형성부
22: 제1 기판(전이금속 박막이 형성된 기판)
24: 제2 기판(전이금속 칼코제나이드 박막을 형성할 기판)
26: 브릿지부
30: 가열 부재
Claims (20)
- 전이금속 칼코제나이드 박막을 형성하는 방법으로서,
전이금속 박막이 형성된 제1 기판을 준비하는 단계와;
제2 기판을 상기 제1 기판과 대향한 채 연결 부재를 이용하여 상기 제1 기판과 연결하는 단계로서, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 기체가 흐르는 통로가 형성되는 것인, 상기 연결 단계와;
상기 제1 및 제2 기판이 배치된 반응로의 온도를 반응 온도로 가열하는 가열 단계와;
상기 반응로의 일측으로부터 황 함유 가스를 흘려주어 상기 통로를 통해 흐르게 하는 단계
를 포함하고,
상기 가열 단계 중에 상기 전이금속 박막의 일부가 증발하여 전이금속 가스가 제2 기판을 향해 상승하고, 이 전이금속 가스가 상기 황 함유 가스와 반응하여 상기 제2 기판의 표면에 전이금속 칼코제나이드 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 산화물 기판인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 전이금속 가스 및 황 함유 가스와 반응하지 않는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 3에 있어서, 상기 연결 부재는 상기 제1 및 제2 기판의 측연부에서 두 기판을 연결하여, 두 연결 부재 사이에 상기 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 단계는 상온으로부터 상기 반응 온도까지 가열하는 단계 및 그 반응 온도에서 일정 시간 동안 유지하는 어닐링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 반응 온도는 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막을 증발시켜 전이금속 가스를 형성할 수 있지만 상기 전이금속 칼코제나이드 박막을 증발시키지 않는 범위 내의 온도인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 황 함유 가스는 상기 어닐링 처리 후에 상기 반응로 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 황 함유 가스는 캐리어 가스와 함께 상기 반응로 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 반응 온도에서의 상기 전이금속 가스와 황 함유 가스의 반응 시간을 제어하여, 상기 제2 기판에 형성되는 전이금속 칼코제나이드 박막의 형태를 조절하는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 전이금속 칼코제나이드 박막은 단일층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막은 Mo 박막이고, 상기 제2 기판 상의 전이금속 칼코제나이드 박막은 MoS2 박막인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 방법.
- 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치로서,
반응로와;
상기 반응로 둘레에 마련되어 상기 반응로를 가열하도록 구성되는 가열 부재와;
상기 반응로 내부에 배치되는 박막 형성 유닛과,
상기 박막 형성 장치의 전체 동작을 제어하는 제어부
를 포함하고,
상기 박막 형성 유닛은,
전이금속 박막이 형성된 제1 기판과,
상기 제1 기판과 대향하여 그 제1 기판 상부에 마련되는 제2 기판과,
상기 제1 기판과 제2 기판을 연결하는 연결 수단
을 포함하고,
상기 반응로는 외부의 가스 공급 장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치 - 청구항 12에 있어서, 상기 연결 수단은 상기 제1 기판과 제2 기판의 측연부에서 두 기판을 연결하여, 그 사이에 기체가 흐르는 통로를 형성하는 연결 부재인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
- 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치로서,
반응로와;
상기 반응로 둘레에 마련되어 상기 반응로를 가열하도록 구성되는 가열 부재와;
상기 반응로 내부에 배치되는 박막 형성 유닛과,
상기 박막 형성 장치의 전체 동작을 제어하는 제어부
를 포함하고,
상기 박막 형성 유닛은 내부가 비어 있는 중공의 부재로 구성되고,
상기 중공의 부재 내면에는 복수의 기판을 재치할 수 있는 복수의 기판 유지부가 마련되어 있으며,
전이금속 박막이 형성된 제1 기판이 제일 하부의 기판 유지부에 유지되어 있고,
상기 제1 기판과 대향하여 그 제1 기판 상부에 하나 이상의 제2 기판이 상기 기판 유지부에 유지되어 있으며,
상기 반응로는 외부의 가스 공급 장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치. - 청구항 14에 있어서, 상기 기판 유지부는 상기 중공의 부재 내면에 형성되는 홈인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
- 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 가열 부재를 제어하여 상기 반응로를 소정의 반응 온도까지 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
- 청구항 16에 있어서, 상기 제어부는 상기 반응로를 상온으로부터 상기 반응 온도까지 가열하고 그 반응 온도에서 일정 시간 동안 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
- 청구항 15에 있어서, 상기 제어부는 상기 반응로를 전이금속과 황의 반응 온도에서 유지하여, 상기 가스 공급 장치로부터 공급되는 황 함유 가스와 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막이 증발되어 형성되는 전이금속 가스가 반응하도록 함으로써, 상기 제2 기판 상에 전이금속 칼코제아니드 박막을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
- 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 사파이어 기판 또는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
- 청구항 19에 있어서, 상기 제1 기판 상의 전이금속 박막은 Mo 박막이고, 상기 제2 기판 상의 전이금속 칼코제나이드 박막은 MoS2 박막인 것을 특징으로 하는 전이금속 칼코제나이드 박막 형성 장치.
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