KR20030056328A - 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법 및 이에이용되는 레이저 기화 증착 장비 - Google Patents

어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법 및 이에이용되는 레이저 기화 증착 장비 Download PDF

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Abstract

어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이(Er-doped silicon nano dot array) 제조 방법 및 이에 이용되는 레이저 기화 증착(laser ablation) 장비를 제공한다. 본 발명의 일 관점에 의한 제조 방법은, 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟(target)을 준비하고, 타겟의 표면에 대향되게 실리콘 기판을 도입한 후, 타겟에 레이저 광을 조사하여 실리콘 영역으로부터 기화된 실리콘 및 어븀 영역으로부터 기화된 어븀을 포함하는 플룸(plum)을 생성시켜, 플룸으로부터 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착한다. 어븀이 도핑된 실리콘막을 패터닝한다.

Description

어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법 및 이에 이용되는 레이저 기화 증착 장비{Method of manufacturing er-doped silicon nano-dot array and laser ablation apparatus used therein}
본 발명은 전광 소자(optoelectronic device)에 관한 것으로, 특히, 실리콘계 전광 소자에 적용될 수 있는 어븀(Er)이 도핑(doping)된 실리콘(silicon) 나노점 어레이(nano-dot array) 제조 방법 및 이에 이용되는 레이저 기화 증착 장비(laser ablation apparatus)에 관한 것이다.
간접 천이 에너지 밴드 갭(indirect energy band gap)을 갖는 실리콘을 전광 소재로 사용하기 위해서는 실리콘에 발광 물질을 도핑할 수 있는 효율적인 방법의 개발이 요구되고 있으며, 또한, 나노미터(nanometer) 수준의 실리콘 구조를 형성하는 방법의 개발이 요구되고 있다.
실리콘에 도핑될 효과적인 발광 물질로는 어븀(Er)이 거론되고 있으며, 어븀(Er)이 도핑된 실리콘은 1.54㎛에서의 발광 피크(photoluminescence(PL) peak)를 가지고 있어 실리콘계 전광 소자의 관점에서 주목되고 있다. 이러한 어븀이 도핑된 실리콘을 이용하여 전광 소자를 제조하기 위해서는, 먼저, 어븀이 효과적으로 도핑된 실리콘막을 제조하는 방법이 개발되어야 하며, 또한, 이러한 어븀이 도핑된 실리콘막을 나노미터 수준으로 패턴화하는 방법이 개발되어야 한다.
현재까지 어븀이 도핑된 실리콘막을 형성하는 데 레이저 기화 증착법(laser ablation)을 이용하고자하는 다양한 시도가 이루어지고 있다. 이러한 레이저 기화 증착법을 이용하기 위해서는 어븀이 도핑된 실리콘막의 증착을 위한 타겟(target)이 요구된다. 예를 들어, 타겟을 어븀 산화물(Er2O3) 분말과 실리콘 분말을 섞은 후 이를 소결하여 제조하는 방안이 제시되고 있다. 그럼에도 불구하고, 소결로 타겟을준비하는 것은 불순물의 오염이 발생할 가능성이 높다.
그런데, 전광 소자 등으로 이용될 경우, 높은 발광 효율을 얻기 위해서는, 즉, 어븀이 도핑된 실리콘막의 전광 효율의 증대를 위해서는 불순물의 오염을 방지하여 보다 높은 순도로 어븀이 도핑된 실리콘막을 제조할 수 있는 방안이 요구된다. 따라서, 보다 높은 순도를 제공할 수 있는 타겟을 도입하는 것이 요구되고 있다.
한편, 어븀이 도핑된 실리콘막을 전광 소자로 이용하기 위해서는, 어븀이 도핑된 실리콘막을 패턴화하는 것이 필요하다. 이때, 효율이 높은 전광 소자를 제조하기 위해서는 어븀이 도핑된 실리콘 구조물이 나노미터 수준의 선폭을 가지고 이러한 나노미터 수준의 구조물이 균일하게 배열되도록 어븀이 도핑된 실리콘막을 패턴화하는 것이 유리하다. 따라서, 이러한 어븀이 도핑된 실리콘막을 나노미터 수준의 어레이(array)로 패터닝하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 불순물에 의한 오염이 최대한 방지될 수 있어 어븀이 도핑된 실리콘막을 고순도로 제조할 수 있으며, 이러한 어븀이 도핑된 실리콘막을 나노미터 수준의 구조물들의 균일한 배열(array)로 패턴화할 수 있는 어븀이 도핑된 실리콘 어레이 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 방법에 이용되는 레이저 기화 증착 장비를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 어븀이 도핑된 실리콘 나노점 어레이 제조 방법에 이용되는 레이저 기화 증착 장비의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 어븀이 도핑된 실리콘 나노점 어레이 제조 방법에 이용되는 증착 장비에 채용되는 소오스 타겟(source target)의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 어븀이 도핑된 실리콘 나노점 어레이 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
100: 실리콘 기판, 200: 어븀이 도핑된 실리콘막,
300: 블록 중합체막(block copolymer layer),
300': 형틀,400: 식각 마스크.
상기의 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟을 준비하는 단계와, 상기 타겟의 표면에 대향되게 실리콘 기판을 도입하는 단계와, 상기 타겟에 레이저 광을 조사하여 상기 실리콘 영역으로부터 기화된 실리콘 및 상기 어븀 영역으로부터 기화된 어븀을 포함하는 플룸(plum)을 생성시켜 상기 플룸으로부터 상기 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계, 및 상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 패터닝하는 단계를 포함한다.
상기 레이저 광은 상기 타겟의 상기 실리콘 영역 및 어븀 영역을 교번적으로 조사될 수 있다.
상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계는 산소 분위기 하에서 수행될 수 있다.
상기의 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟을 준비하는 단계와, 상기 타겟의 표면에 대향되게 실리콘 기판을 도입하는 단계와, 상기 타겟에 레이저 광을 조사하여 상기 실리콘 영역으로부터 기화된 실리콘 및 상기 어븀 영역으로부터 기화된 어븀을 포함하는 플룸(plum)을 생성시켜 상기 플룸으로부터 상기 실리콘 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계, 상기 어븀이 도핑된 실리콘막 상에 두 종류의 폴리머(polymer)의 블록 중합체막(block copolymer layer)을 형성하는 단계와, 상기 블록 중합체막에 상 분리(phase separation)를 유도하는 단계와, 상기 블록 중합체막의 상 분리된 부분들 중 어느 상을 선택적으로 제거하여 상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 노출하는 홀(hole)들을 가지는 형틀을 형성하는 단계와, 상기 형틀의 상기 홀들을 채우는 금속막을 형성하는 단계와, 상기 형틀을 선택적으로 제거함으로써 상기 금속막을 패터닝하여 식각 마스크를 형성하는 단계, 및 상기 식각 마스크에 의해서 노출되는 어븀이 도핑된 실리콘막 부분을 선택적으로 식각하여 상기 실리콘 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘의 점들을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 레이저 광은 상기 타겟의 상기 실리콘 영역 및 어븀 영역을 교번적으로 조사된다.
상기 블록 중합체막은 폴리 스티렌(poly styrene)과 폴리 메틸메타크릴레이트(poly methylmethacrylate)의 블록 중합체로 이루어질 수 있다.
상기 블록 중합체막에 상 분리(phase separation)를 유도하는 단계는 상기 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 블록 중합체막을 상기 두 종류의 폴리머들의 유리 전이 온도 이상으로 어닐링(annealing)하는 단계, 및 상기 어닐링 중에 상기 블록 중합체막에 전기장을 인가하여 상기 전기장의 방향에 평행하게 상기 폴리머들의 마이크로 도메인(micro domain)들이 실린더(cylinder) 형태로 배열되게 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 형틀을 형성하는 단계는 상기 실린더 형태로 배열된 폴리 메틸메타크릴레이트 부분을 열화시키고 동시에 상기 실린더 형태로 배열된 폴리 스티렌 부분을가교(cross linking)시키는 단계와, 상기 열화된 폴리 메틸메타크릴레이트 부분을 선택적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 폴리 메틸메타크릴레이트 부분의 열화 및 상기 폴리 스티렌 부분의 가교는 ?? 자외선(deep ultraviolet)의 조사에 의해서 이루어질 수 있다.
상기 금속막은 알루미늄을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 데 이용되는 레이저 기화 증착 장비를 제공한다. 상기 장비는 챔버 내에 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟과, 상기 타겟의 표면에 대향되게 도입되는 실리콘 기판과, 상기 레이저 광이 상기 실리콘 영역 및 상기 어븀 영역에 교번적으로 조사되게 상기 타겟을 회전시키는 타겟 회전축, 및 상기 타겟의 상기 실리콘 영역으로부터 실리콘 및 상기 어븀 영역으로부터 어븀을 기화시켜 플룸(plum)을 생성시키는 레이저 광을 상기 챔버 외부로부터 조사하는 레이저 발생기를 포함한다.
상기 타겟의 상기 어븀 영역은 상기 실리콘 영역 내에 포함된다. 상기 타겟의 상기 어븀 영역은 다각형의 영역, 예컨대, 사각형의 영역일 수 있다.
상기 레이저 광은 상기 타겟의 회전으로 상기 실리콘 영역 및 상기 어븀 영역에 교번적으로 조사되기 위해서 적어도 상기 어븀 영역의 사각형의 모서리 영역에 포커스(focus)된다.
상기 타겟은 실리콘 디스크(disc)의 표면 중심부에 사각형 어븀 판이 설치된 것일 수 있다.
상기 레이저 발생기는 266㎚의 레이저 광을 발생하는 Nd:야그(YAG) 레이저일 수 있다.
본 발명에 따르면, 초 고진공하에서 어븀이 도핑된 실리콘 박막을 고효율, 고순도로 제작할 수 있다. 이에 따라, 실리콘을 전광 재료로 이용하는 실리콘 나노 전광 소자 제작에 응용 가능하게 된다. 폴리머 공중합체의 규칙적인 배열과 실리콘의 선택적인 식각 반응을 이용하여 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이를 형성할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 반도체 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 다른 층이 개재되어질 수 있는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 어븀이 도핑된 실리콘 박막을 증착할 때 불순물에 의해서 어븀이 도핑된 실리콘 박막이 오염되는 것을 최대한 방지할 수 있다. 이를 위해서, 본 발명의 실시예에서는 새로운 타겟을 이용하는 레이저 기화 증착법을 이용하는 방법을 제시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 어븀이 도핑된 실리콘 나노점 어레이 제조 방법에 이용되는 레이저 기화 증착 장비의 일례를 개략적으로 나타내고, 도 2는 도 1의 레이저 기화 증착 장비에 채용되는 소오스 타겟(source target)의 일례를 개략적으로 나타낸다. 도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 어븀이 도핑된 실리콘 나노점 어레이 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 실리콘 기판(도 1의 100) 상에 어븀이 도핑된 실리콘막(200)을 형성한다. 이때, 실리콘 기판(100)은 전도성을 가지는 것이 전광 소자에 적용되기에 바람직하다. 어븀이 도핑된 실리콘막(200)을 실리콘 기판(100) 상에 증착하기 위해서 레이저 기화 증착법을 이용할 수 있다. 이때, 어븀이 도핑된 실리콘막(200)의 증착을 위한 레이저 기화 증착 장비는 도 1에 도시된 바와 같이 준비될 수 있다.
구체적으로, 레이저 기화 증착 장비는 초 고진공으로 유지될 수 있는 챔버(chamber:1100) 내에 타겟(1300)이 도입되고, 타겟(1300)의 표면에 대향되게 실리콘 기판(1500)이 도입된다. 실리콘 기판(1500)은 척부(chuck part:1600)에 의해서 지지되며, 척부(1600)는 상세히 도시되지는 않았으나 기판(1500)을 가열하기 위해 설치된 히터(heater)를 구비한다. 척부(1600)에는 척 회전축(1450)이 연결되어 공정 중에 척부(1600)를 회전시켜 기판(1500)이 회전되도록 한다. 타겟(1300)은 타겟 회전축(1410)에 연결되어 챔버(1100) 내에 도입되며, 타겟 회전축(1410)은 타겟(1300)을 회전시키는 구동력을 제공한다.
타겟(1300)에 레이저 광을 조사하는 레이저 발생기(1200)가 챔버(1100) 외부에 도입될 수 있다. 레이저 광은 레이저 발생기(1200)에서 발생되어 거울(mirror:1230) 및 렌즈(lens:1250)에 의해서 경로 및 포커스(focus)가 조절되어 타겟(1300) 상에 조사된다. 이러한 레이저 광이 타겟(1300) 상에 조사되기 위해서 챔버(1100)의 벽면에는 레이저 광이 투과될 창(도시되지 않음)이 도입될 수 있다. 이때, 레이저 발생기(1200)는 대략 266㎚의 레이저 광을 발생시킬 수 있는 Nd:야그(YAG) 레이저를 이용할 수 있다.
한편, 타겟(1300)은 어븀이 도핑된 실리콘막(도 3의 200)을 증착하기 위해서, 실리콘 영역(1350)과 어븀 영역(1310)을 포함하여 이루어져 준비된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 타겟(1300)은 실리콘 영역(1350) 내에 다각형, 예컨대, 사각형의 어븀 영역(1310)을 구비하도록 준비된다. 이러한 어븀 영역(1310)은 순수한 어븀으로 이루어지는 것이 바람직하고, 실리콘 영역(1350)은 순순한 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 타겟(1300)을 준비하는 가장 간단한 방법을 예를 들면, 실리콘 디스크(Si-disc:1350)의 중심부에 어븀 판(1310)을 부착하는 방법이 제시될 수 있다.
어븀이 도핑된 실리콘막(200)은 레이저 광이 상기한 바와 같은 타겟(1300)의 실리콘 영역(1350)과 어븀 영역(1310)을 교번적으로 조사함으로써 증착될 수 있다. 이러한 레이저 광의 조사는 오프 센터(off-center)로 포커스하고, 예를 들어, 초기에 레이저 광을 상기한 어븀 영역(1310)의 사각형의 모서리 영역에 포커스하고 타겟(1300)을 회전시킴으로써 이루어진다. 이와 같이 하면, 포커스된 레이저 광은 타겟(1300)의 회전에 의해서 실리콘 영역(1350)과 어븀 영역(1310)을 교번적으로 조사하게 된다.
이러한 레이저 광의 타겟(1300)에의 조사에 의해서, 타겟(1300)으로부터 기화되는 플룸(plum:1700)이 생성된다. 플룸(1700)에는 상기한 실리콘 영역(1350)으로부터 기화된 실리콘 종(species) 또는 어븀 영역(1310)으로부터 기화된 어븀 종들이 포함되게 된다. 한편, 이러한 레이저 기화를 진행할 때, 챔버(도 1의 1100) 내에는 산소 분위기 하로 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기한 플룸(1700) 내에는 산소 화학종(oxygen chemical species)들이 함께 포함되어 있을 수 있다.
이러한 플룸(1700)은 타겟(1300)의 표면에 대향되게 도입된 실리콘 기판(도 1의 1500) 상으로 이동하여 증착되게 된다. 이때, 실리콘 기판(1500)은 척부(1600)에 구비된 히터(도시되지 않음)에 의해서 상온 보다 높은 온도로 가열된 상태일 수 있으며, 따라서, 고온 증착이 가능하다. 한편, 실리콘 기판(1500)은 척 회전축(1450)에 의해서 제공되는 회전 구동력에 의해서 회전될 수 있어, 상기한 증착이 실리콘 기판(1500) 전체에 걸쳐 균일하게 진행될 수 있다.
이와 같이 형성되는 어븀이 도핑된 실리콘막(도 2의 200)은 그 형성 과정 중에 원하지 않는 불순물이 개입되는 것을 효과적으로 배제할 수 있어 매우 높은 순도로 구현될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 어븀이 도핑된 실리콘막(200)을 위한 소오스 타겟으로 어븀 영역(1310)과 실리콘 영역(1350)을 포함하는 타겟(1300)을 이용하고 있다. 이러한 타겟(1300)의 어븀 영역(1310)은 실질적으로 어븀만으로 이루어지고, 실리콘 영역(1350)은 실질적으로 실리콘만으로 이루어지므로, 불순물이 타겟(1300) 내에 개입될 확률을 최소화할 수 있다. 즉, 순도가 높은 어븀 디스크로 어븀 영역(1310)을 이루고 순도가 높은 실리콘 판으로 실리콘 영역(1350)을 이룰 경우, 이러한 타겟(1300)으로부터 기화되어 생성되는 플룸(1700)에 불순물이 개입되는 것이 근원적으로 방지된다. 따라서, 이러한 플룸(1700)으로부터 증착되는 어븀이 도핑된 실리콘막(200)에 불순물이 함유되는 것이 최대한 방지될 수 있다. 따라서, 어븀이 도핑된 실리콘막(200)이 높은 순도를 구현하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에서의 어븀이 도핑된 실리콘막(200)은 어븀의 도핑 농도를 타겟(1300)에서의 실리콘 영역(1350)과 어븀 영역(1310)의 상대적인 면적 비를 조절하여 조절할 수 있다. 레이저 광이 실리콘 영역(1350)과 어븀 영역(1310)을 교번적으로 조사하므로, 상기한 바와 같은 상대적인 면적 비에 따라 기화되는 어븀 및 실리콘의 상대적인 양이 변화될 수 있다. 이러한 기화되는 어븀 및 실리콘 양의 상대적인 양의 변화는 결국 증착되는 어븀이 도핑된 실리콘막(200)에서의 어븀의 농도와 연관된다. 따라서, 타겟(1300)의 조절에 의해서 어븀이 도핑된 실리콘막(200)에서의 어븀의 도핑 농도를 제어하는 것이 가능하다.
이와 같이 고순도의 어븀이 도핑된 실리콘막(200)을 구현할 수 있으므로, 이러한 어븀이 도핑된 실리콘막(200)을 이용하여 전광 소자를 형성할 경우 전광 소자의 높은 발광 효율을 얻을 수 있다.
도 4 및 도 5는 블록 중합체막(block copolymer layer:300)을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.
구체적으로, 어븀이 도핑된 실리콘막(200) 상에 두 종류의 폴리머(polymer)의 블록 중합체막(300)을 형성한다. 예를 들어, 폴리 스티렌(poly styrene)과 폴리 메틸메타크릴레이트(poly methylmethacrylate)가 블록 중합된 블록 중합체막(300)을 어븀이 도핑된 실리콘막(200) 상에 도포한다. 이때, 이러한 블록 중합체막(300)의 도포는 스핀 코팅(spin coating) 등으로 이루어질 수 있으며, 대략 1㎛ 정도의 두께로 블록 중합체막(300)이 도포될 수 있다. 이때, 폴리머들에 대한 용제로는 톨루엔(toluene) 등이 이용될 수 있다.
블록 중합체막(300)은 어븀이 도핑된 실리콘막(200)을 패터닝하기 위한 식각 마스크를 형성하는 데 형틀을 제공하기 위해서 도입된다. 즉, 블록 중합체(300)를 이루는 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트 중의 어느 하나의 폴리머, 예컨대, 폴리 메틸메타크릴레이트의 마이크로 도메인(micro domain)들이 선택적으로 제거됨으로써 형틀이 이루어진다.
따라서, 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 상대적인 양 또는 이들의 분자량(molecular weight), 이들의 부피 분율(volume fraction), 분산도(dispersity) 등에 따라, 형틀이 제공하는 홀(hole)들의 크기 등이 변화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 주로 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 상대적인 부피 비에 따라 형틀이 제공할 수 있는 홀들의 크기 등이 변화되므로, 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 상대적인 부피 비를 조절하여 형틀의 홀의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 상대적인 부피 비를 대략 7:3 정도로 조절할 수 있다.
형틀을 형성하기 위해서 준비되는 블록 중합체막(300)을 도포한 후, 블록 중합체막(300)을 이루는 폴리머들의 마이크로 도메인들을 실린더(cylinder) 형태로 배열시키기 위해서 블록 중합체막(300)에 전기장을 도 4에 도시된 바와 같이 인가한다. 전기장은 실리콘 기판(100)에 대향되게 블록 중합체막(300) 상에 도입되는 전극(400)과 실리콘 기판(100) 사이에 형성되며, 이러한 전기장에 의해서 블록 중합체막(300)의 폴리머들의 마이크로 도메인들은 전기장의 방향에 평행하게 실린더 형태로 배열된다. 이때, 인가되는 전기장은 대략 30 내지 40 V/㎛ 일 수 있다.
이러한 전기장의 인가는 블록 중합체막(300)을 이루는 폴리머들의 유리 전이 온도(glass transition temperature) 이상의 온도로 블록 중합체막(300)을 어닐링(annealing)하는 과정 중에 수행된다. 예를 들어, 대략 105℃ 정도의 폴리 스티렌의 유리 전이 온도 및 대략 115℃ 정도의 폴리 메틸메타크릴레이트의 유리 전이 온도 이상의 온도인 대략 165℃ 정도로 어닐링을 대략 24 시간 동안 수행한다.
블록 중합체막(300)을 이루는 폴리머들은 이러한 유리 전이 온도 이상으로 어닐링되는 동안 전기장에 의해 구동되어 전기장 방향에 평행하게 움직이게 된다. 이러한 전기장의 인가에 의해서 블록 중합체막(300)을 이루는 폴리머들의 마이크로 도메인들은 전기장의 방향에 평행하게 실린더 형태로 배열되게 된다. 이후에, 전극(400) 등을 제거하여 전기장을 제거하기 이전에 블록 중합체막(300)을 상온으로 냉각시키면 이러한 배열된 마이크로 도메인들의 구조가 도 5에 도시된 바와 같이 고정되게 된다. 이에 따라, 블록 중합체막(300)은 실린더 형태로 배열된 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어지는 부분(350)과 실린더 형태로 배열된 폴리 스티렌으로 이루어지는 부분(310)으로 상 분리(phase separation)된 상태로 된다. 이러한 폴리머들의 실린더 형태로 배열된 부분들(310, 350)은 폴리머들 각각의 마이크로 도메인들에 의해서 이루어지므로, 대략 수십 ㎚ 내지 수 ㎚ 정도의 폭을 가질 수 있다.
도 6은 블록 중합체막(300)으로부터 형틀(300')을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.
구체적으로, 폴리머들 각각의 마이크로 도메인들이 실린더 형태로 배열된 블록 중합체막(300)으로부터 어느 한 종류의 폴리머를 제거하여 형틀(300')을 형성한다. 예를 들어, 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트로 이루어지는 블록 중합체막(300)에 ?? 자외선(deep violet)을 조사하여, 마이크로 도메인이 실린더 형태로 배열된 폴리 스타일엔 부분(310)에서는 가교(cross linking)를 유도하고, 마이크로 도메인이 실린더 형태로 배열된 폴리 메틸메타크릴레이트 부분(350)에서는 열화(degradation)를 유도한다. ?? 자외선 노출(대략 25J/㎠ 도즈(dosage))은 폴리 메틸메타크릴레이트 도메인들을 열화시킴과 동시에 폴리 스티렌 도메인들을 가교시키게 된다. 이후에, 아세트산(acetic acid) 등으로 블록 중합체막(300)을 린스(rinse)하면, 열화된 마이크로 도메인이 실린더 형태로 배열된 폴리 메틸메타크릴레이트 부분(350)은 아세트산에 의해서 선택적으로 제거되고, 가교된 폴리 스티렌 부분(310)은 잔존하게 된다. 이에 따라, 가교된 폴리 스티렌 부분(310)으로 이루어지는 형틀(300')이 형성된다.
형틀(300')은 선택적으로 잔존하는 가교된 폴리 스티렌 부분(310)으로 이루어지므로, 폴리 메틸메타크릴레이트 부분(350)이 위치하던 부분에는 실린더 형태의 관통 홀(305)들이 배열되게 된다.
도 7은 홀(305)들을 채우는 금속막(400)을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.
구체적으로, 형틀(300')의 홀(305)들을 채우는 금속막(400)을 증착한다. 이때, 금속막(400)은 알루미늄 등으로 이루어질 수 있다. 금속막(400)의 증착은 열 기화 증착법(thermal evaporation)으로 수행될 수 있다. 이때, 금속막(400)은 형틀(300')의 상측 표면을 노출할 수 있다.
도 8은 형틀(300')을 제거하여 식각 마스크(etch mask:400)를 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.
구체적으로, 반응성 이온 식각(RIE:Reactive Ion Etch)을 이용하여 형틀(300')을 식각하여 제거하여 금속막(400)을 잔존시켜 식각 마스크(400)를 형성한다. 반응성 이온 식각은 형틀(300')을 이루는 잔존하는 폴리 스티렌을 선택적으로 식각하여 제거한다. 이때, 식각 가스로는 산화성 가스, 예컨대, 산소 가스(O2)를 이용할 수 있다. 반응성 이온 식각은 상기한 바와 같이 잔존하는 폴리 스티렌을 제거하기 위해 도입되므로 상대적으로 낮은 파워(power)에서 수행될 수 있다. 식각 마스크(400)는 잔존하는 금속막(400)으로 이루어지므로, 형틀(300')이 차지하던 어븀이 도핑된 실리콘막(200) 부분을 노출하게 된다.
도 9는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점(200') 어레이를 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.
구체적으로, 식각 마스크(400)에 의해서 노출되는 어븀이 도핑된 실리콘막(200) 부분을 선택적으로 식각 제거하여 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점(200')들의 어레이를 형성한다. 이러한 식각은 반응성 이온 식각으로 수행될 수 있으며, 이때, 반응 가스는 육불화 황 가스(SF6)를 이용할 수 있다. 이러한 식각은 하부의 실리콘 기판(100)이 노출될 때까지 진행될 수 있다.
어븀이 도핑된 실리콘 나노 점(200')은 식각 마스크(400)에 의해서 가려져 식각으로부터 보호되는 부분이므로, 그 크기 또는 선폭은 나노미터 크기일 수 있다. 식각 마스크(300)의 각 패턴의 크기는 결국, 블록 중합체막(300)의 배열된 마이크로 도메인의 폴리 메틸메타크릴레이트 부분(350)의 선폭 정도가 된다. 또한, 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점(200')들 간의 간격은 결국 배열된 마이크로 도메인의 폴리 스티렌 부분(310)의 선폭 정도가 된다. 따라서, 블록 중합체막(300)을 형성할 때의 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 분자량과 부피비에 따라 이러한 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점(200')의 크기 및 간격을 조절 또는 변화시킬 수 있다.
도 10은 식각 마스크(400)를 제거하는 단계를 개략적으로 나타낸다.
구체적으로, 식각 마스크(400)를 제거하여 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점(200') 어레이를 완성한다. 식각 마스크(400)를 이루는 알루미늄은 HF 용액에 의해서 선택적으로 제거될 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 어븀이 도핑된 실리콘 박막을 고효율 및 고순도로 제작할 수 있다. 또한, 이러한 어븀이 도핑된 실리콘 박막을 나노미터 크기로 균일하게 배열되는 나노 점들로 패터닝할 수 있다. 따라서, 이러한 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이를 실리콘 전광 소자의 제조에 효과적으로 응용할 수 있다.

Claims (20)

  1. 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟을 준비하는 단계;
    상기 타겟의 표면에 대향되게 실리콘 기판을 도입하는 단계;
    상기 타겟에 레이저 광을 조사하여 상기 실리콘 영역으로부터 기화된 실리콘 또는 상기 어븀 영역으로부터 기화된 어븀을 포함하는 플룸(plum)을 생성시켜 상기 플룸으로부터 상기 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계; 및
    상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어븀 영역은 상기 실리콘 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광은 상기 타겟의 상기 실리콘 영역 및 어븀 영역을 교번적으로 조사되는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계는
    산소 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  5. 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟을 준비하는 단계;
    상기 타겟의 표면에 대향되게 실리콘 기판을 도입하는 단계;
    상기 타겟에 레이저 광을 조사하여 상기 실리콘 영역으로부터 기화된 실리콘 또는 상기 어븀 영역으로부터 기화된 어븀을 포함하는 플룸(plum)을 생성시켜 상기 플룸으로부터 상기 실리콘 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계;
    상기 어븀이 도핑된 실리콘막 상에 두 종류의 폴리머(polymer)의 블록 중합체막(block copolymer layer)을 형성하는 단계;
    상기 블록 중합체막에 상 분리(phase separation)를 유도하는 단계;
    상기 블록 중합체막의 상 분리된 부분들 중 어느 상을 선택적으로 제거하여상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 노출하는 홀(hole)들을 가지는 형틀을 형성하는 단계;
    상기 형틀의 상기 홀들을 채우는 금속막을 형성하는 단계;
    상기 형틀을 선택적으로 제거함으로써 상기 금속막을 패터닝하여 식각 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 식각 마스크에 의해서 노출되는 어븀이 도핑된 실리콘막 부분을 선택적으로 식각하여 상기 실리콘 기판 상에 어븀이 도핑된 실리콘의 점들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리콘 영역은 상기 어븀 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 광은 상기 타겟의 상기 실리콘 영역 및 어븀 영역을 교번적으로 조사되는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 어븀이 도핑된 실리콘막을 증착하는 단계는
    산소 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 블록 중합체막은 폴리 스티렌(poly styrene)과 폴리 메틸메타크릴레이트(poly methylmethacrylate)의 블록 중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 블록 중합체막에 상 분리(phase separation)를 유도하는 단계는
    상기 폴리 스티렌과 폴리 메틸메타크릴레이트의 블록 중합체막을 상기 두 종류의 폴리머들의 유리 전이 온도 이상으로 어닐링(annealing)하는 단계; 및
    상기 어닐링 중에 상기 블록 중합체막에 전기장을 인가하여 상기 전기장의 방향에 평행하게 상기 폴리머들의 마이크로 도메인(micro domain)들이 실린더(cylinder) 형태로 배열되게 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 형틀을 형성하는 단계는
    상기 실린더 형태로 배열된 폴리 메틸메타크릴레이트 부분을 열화시키고 동시에 상기 실린더 형태로 배열된 폴리 스티렌 부분을 가교(cross linking)시키는 단계; 및
    상기 열화된 폴리 메틸메타크릴레이트 부분을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리 메틸메타크릴레이트 부분의 열화 및 상기 폴리 스티렌 부분의 가교는 ?? 자외선(deep ultraviolet)의 조사에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 금속막은 알루미늄을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 어븀이 도핑된 실리콘 나노 점 어레이 제조 방법.
  14. 챔버 내에 상호 구분되는 실리콘 영역 및 어븀 영역을 포함하는 표면을 가지는 타겟;
    상기 타겟의 표면에 대향되게 도입되는 실리콘 기판;
    상기 레이저 광이 상기 실리콘 영역 및 상기 어븀 영역에 교번적으로 조사되게 상기 타겟을 회전시키는 타겟 회전축; 및
    상기 타겟의 상기 실리콘 영역으로부터 실리콘 및 상기 어븀 영역으로부터 어븀을 기화시켜 플룸(plum)을 생성시키는 레이저 광을 상기 챔버 외부로부터 조사하는 레이저 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 타겟의 상기 어븀 영역은 상기 실리콘 영역 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 타겟의 상기 어븀 영역은 다각형의 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 타겟의 상기 어븀 영역은 사각형의 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 레이저 광은 상기 타겟의 회전으로 상기 실리콘 영역 및 상기 어븀 영역에 교번적으로 조사되기 위해서 적어도 상기 어븀 영역의 사각형의 모서리 영역에 포커스(focus)되는 것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 타겟은 실리콘 디스크(disc)의 표면 중심부에 사각형 어븀 판이 설치된것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 발생기는 266㎚의 레이저 광을 발생하는 Nd:야그(YAG) 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 기화 증착 장비.
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