KR20060014803A - 금속 흡착법을 이용한 고체 결정 표면의 형태 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 흡착법을 이용하여 균일한 단원자 계단(monoatomic step)을 가지는 고체 결정 표면을 형성하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 고체 결정 표면의 형태 제어 방법은, 상기 고체 결정의 양단에 직류 전압을 인가하여 소정의 온도로 가열하는 단계; 및 직류전압 인가를 유지하면서 상기 소정의 온도로 가열된 고체 결정의 표면에 금속원자를 소정의 증착 속도로 증착함으로써 고체 결정의 표면에 단원자 계단(monoatomic step)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
금속 흡착법, 단원자 계단, 실리콘, REM, 단결정
Description
도 1은 종래의 방법에 따라 Si(111) 표면에 DC 전류를 인가하고 1260℃의 온도로 어닐링하여 얻은 실리콘 표면의 형태를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따라 고체 결정 표면의 형태를 제어하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법의 원리를 설명한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고체 결정 표면의 형태 변화를 시간의 순서에 따라 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법에서 시간의 경과에 따른 단원자 계단 사이의 평균 거리의 변화를 나타내는 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
10.....시료 결정 20.....금속 증착기
30.....전자빔 40.....초고진공 챔버
본 발명은 금속 흡착법(metal adsorption)을 이용한 고체 결정 표면의 형태 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 흡착법을 이용하여 균일한 단원자 계단(monoatomic step)을 가지는 고체 결정 표면을 형성하는 방법에 관한 것이다.
나노기술의 중요성이 점차 부각되면서, 원자수준에서의 고체 결정의 표면 반응과 그 구조에 관한 많은 연구가 과거부터 진행되고 있다. 특히, 원자적 수준에서 잘 정의되고 안정한 고체 결정의 표면형태구조를 형성하고 제어하는 기술을 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 실리콘(Si)이나 Ge, GaAs 등과 같은 고체 결정의 표면을 특정한 형태의 원자 계단 구조로 만들기 위하여 의도적으로 표면 형태를 제어하려는 시도는 거의 없었다. 이렇게, 고체 결정의 표면을 원하는 형태의 원자 계단 구조로 제어하는 기술은, 향후 나노 크기의 물체를 제조하는데 있어서 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
고체 결정의 표면을 미세하게 제어하는 종래의 기술 중 하나는, Jiri L. Vasat 등에 의한 "Thermal annealing process for producing silicon wafers with improved surface characteristics"(미국특허 제6,743,495호, 2004년 6월 1일)에 개시되어 있다. 상기 미국특허는 주로 실리콘 결정의 표면에 발생하는 결함(defect)을 제거하기 위한 것이다. 상기 미국특허에 의하면, 실리콘웨이퍼의 표면을 약 1100℃의 온도로 H2, HF, HCl 분위기에서 노출시켜 세척한 후, 세척된 실리콘 웨이퍼의 표면을 다시 약 1100℃의 온도로 단원자 희소가스(monoatomic noble gas)를 포함하는 분위기 또는 진공에 노출시킴으로써 실리콘웨이퍼 표면의 결함을 제거한다. 그러나, 상기 미국특허는 실리콘웨이퍼의 표면을 원자적 수준에서 깨끗하게 만들 수는 있지만, 원하는 형태의 원자계단을 제어하는 것은 불가능하다.
실리콘 결정의 표면을 원하는 형태의 원자계단으로 제어하기 위한 방법으로는, A. V. Latyshev 등의 "Transformations on clean Si(111) stepped surface during sublimation" (Surface Science Vol.213, 1989년 4월 2일, pp.157-169)에 개시되어 있다. 상기 방법에 의하면, 초고진공(약 10-10 torr) 하에서 실리콘 결정에 직접 AC 또는 DC 전류를 인가하여 약 1260℃의 고온으로 어닐링(thermal annealing)할 경우, 실리콘 결정의 표면 원자들의 이동을 유도하여 비교적 균일한 원자계단을 얻을 수 있었다. 상기 방법은, 반도체 내부의 전류와 전압이 일정하게 유지됨과 동시에 전자의 이동이 활발하고 온도가 매우 높을 때, 원자가 이동(migrate)하게 되는 현상(즉, 전자 이동(electromigration))을 이용하는 것이다.
도 1은 상기와 같은 방법에 따라 Si(111) 표면에 DC 전류를 인가하고 1260℃로 어닐링함으로써 얻어지는 실리콘 표면의 형태이다. 도 1에 도시된 바와 같이, DC 전류를 이용하여 실리콘 표면을 고온으로 가열할 경우 비교적 균일한 원자계단을 얻을 수 있었다.
그러나, 상기 방법에 따르면, 일반적으로, 1000℃ 정도의 온도에서는 실리콘 결정표면의 원자계단이 스텝업(step-up) 방향으로 평행 이동하기 시작하지만, 원자 계단의 이동방향과 크기를 임의로 정확히 제어할 수는 없다. 또한, 1000℃ 이하의 온도에서는 실리콘의 승화(Si sublimation)가 억제되어 표면 형태 구조가 안정되게 유지되므로, 원하는 형태의 원자계단을 제어하지 못하였다. 그러나, 종래와 같이 1200℃ 이상의 고온에서 열처리를 수행할 경우, 실리콘 표면에서 실리콘의 증발 또는 승화로 인해 균일한 원자계단을 얻기가 매우 어렵고, 비교적 균일한 원자계단을 얻기 위해서는 수 시간 정도의 상당히 긴 반응시간이 요구된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 원자수준에서 청결한 결정 표면을 갖는 실리콘 등과 같은 고체 결정 표면의 형태 구조를 초고진공 환경하에서 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 비교적 낮은 온도와 짧은 반응시간으로도 실리콘 등과 같은 고체 결정의 표면이 균일한 원자계단을 갖도록 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 유형에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법은, 상기 고체 결정의 양단에 직류 전압을 인가하여 소정의 온도로 가열하는 단계; 및 직류전압 인가를 유지하면서 상기 소정의 온도로 가열된 고체 결정의 표면에 금속원자를 소정의 증착 속도로 증착함으로써 고체 결정의 표면에 단원자 계단(monoatomic step)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 고체 결정의 가열 온도는 700 ~ 1000 ℃ 의 범위에 있으며, 상기 금속원자의 증착 속도는 0.001ML/min ~ 1.000ML/min 의 범위 내에 있다. 이때, 금속원자의 증착은 대략 10-9 ~ 10-11 torr의 진공상태에서 이루어진다. 여기서, 금속원자는 Au, Ti, Ni, Co, Cu, V, Re, Mo 및 Pt 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속원자인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 고체 결정은 반도체의 단결정이다.
또한, 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법은, 고체 결정 표면에 단원자 계단을 형성한 후, 고체 결정 표면에 증착된 금속원자를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따라 고체 결정 표면의 형태를 제어하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 구조 제어는, 예컨대, 초고진공 반사전자현미경(ultra high vacuum reflection electron microscope; UHV-REM)의 진공 챔버(40) 내에서 이루어질 수 있다. 상기 진공 챔버(40) 내에는 시료 결정 기판(10) 및 상기 시료 결정 기판(10)에 전압을 인가하기 위한 DC 전원(15)이 장착되어 있다. 또한, 상기 시료 결정 기판(10)에 금속원자를 증착하기 위한 금속 증착기(20)와 상기 금속 증착기(20)에 전압을 인가하기 위한 히터전원(25)이 설치된다. 비록 도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 시료 결정 기판(10)을 가열하기 위한 핫플레이트(hot plate)가 더 포함될 수도 있다. 또한, 상기 시료 결정(10)의 표면에서 반사된 전자빔에 의해 형성되는 영상 및 회절패턴을 관찰 및 분석하기 위한 형광판(35)이 더 설치된다. 따라서, 상기 형광판(35)을 통해 시료 결정(10) 표면의 미세한 형태 변화를 실시간으로 확인하는 것이 가능하다. UHV-REM을 통한 미세 표면의 실시간 관찰은 이미 공지된 것이므로 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략한다.
상기와 같이 구성된 초고진공 챔버(40) 내에서, 본 발명에 따라 고체 결정 표면의 형태를 제어하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 초고진공 챔버(40) 내부를 대략 10-10 torr 정도의 진공 상태로 유지하고, 시료 결정(10)에 DC 전압을 인가하여 약 700 ~ 1000 ℃ 의 온도로 가열한다. 이때, 상술한 핫플레이트를 이용하여 시료 결정(10)을 가열할 수도 있다. 그런 후, 금속 증착기(20)를 통해 상기 시료 결정(10)의 표면에 금속원자를 증착한다. 금속원자의 증착 속도는 단원자 계단의 균일도 등을 고려하여 적절히 변화시킬 수 있지만, 0.001ML/min ~ 1.000ML/min 의 범위 내에 있는 것이 적당하다. 여기서, 시료 결정(10)의 표면에 증착할 수 있는 금속으로는, Au, Ti, Ni, Co, Cu, V, Re, Mo 또는 Pt 를 사용할 수 있다. 특히, 금(Au)을 사용하는 것이 적당하다. 또한, 상기 시료 결정(10)의 양단에 인가되는 DC 전압의 크기는 고체시료의 종류에 따라 달라지며, 통상적으로 상기 고체시료 표면을 700℃ 이상의 온도로 가열가능한 범위이면 적용가능하다. 구체적으로 실리콘 단결정의 경우 DC 전압의 크기가 10∼100V인 것이 바람직하다.
종래의 기술에서 설명한 바와 같이, 1000℃ 이하의 온도에서는 고체의 표면 에서 승화(Si sublimation)가 억제되어 표면 형태 구조가 안정되게 유지되므로, 원하는 형태의 원자계단을 제어하지 못하였다. 그러나, 본 발명에서와 같이 금속원자들을 증착하게 되면, 결정 표면이 열역학적으로 불안정하게 된다. 따라서, 시료 결정(10)에 DC 전압을 인가하면서 금속원자를 증착시키면 상술한 전자 이동(electromigration) 현상에 따라 결정 표면의 원자들이 일정한 방향으로 이동(migrate)하기 시작한다. 그 결과, 도 3에 예시적으로 도시한 바와 같이, 결정 표면의 불균일한 계단들이 일정한 방향으로 움직이기 시작하면서, 어느 정도 시간이 흐른 후에는 결정의 표면에 매우 균일하고 매끄러운 단원자 계단이 형성된다. 이러한 본 발명에서는, 시료 결정(10)의 표면에 증착된 금속원자에 의해 원자의 이동이 촉진되기 때문에, 시료 결정의 종류, 가열 온도 및 금속원자의 증착 속도에 따라 대략 1 ~ 1000초 정도면 균일하고 매끄러운 단원자 계단을 얻을 수 있다.
한편, DC 전압의 인가 방향이 반대가 되면, 전류가 반대 방향으로 흐르게 되면서 계단의 이동 방향도 반대가 될 것이다. 이 경우, 도 3과 같은 방향으로 계단이 형성되어 있다면, 균일한 단원자 계단이 불균일한 계단(step bunch)으로 바뀌게 된다. 반면, 도 3의 반대 방향으로 계단이 형성되어 있다면, 불균일한 원자 계단이 균일한 단원자 계단으로 바뀌게 된다. 따라서, 고체 결정의 양단에 인가되는 DC 전압의 인가 방향을 조절함으로써 원자 계단의 형성 방향 및 원자 계단의 상태 등을 적절히 제어하는 것이 가능하다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 이러한 전자이동 현상이 1200℃ 정도의 매우 높은 온도에서 발생하였으나, 본 발명에서는, 금속원자를 고체 결정의 표면에 증착함으로써 1000℃ 이하의 낮은 온도에서도 전자이동 현상이 발생하게 되었다. 따라서, 본 발명에서는, 높은 온도로 인한 고체 표면의 승화 또는 증발 현상이 발생하지 않으므로, 더욱 미세하고 잘 제어된 단원자 계단을 형성하는 것이 가능하다. 더욱이, 본 발명에서는 DC 전압만을 이용하여 원자 계단을 항상 같은 방향으로 이동시키므로 단원자 계단의 폭을 임의로 제어하는 것이 가능하다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고체 결정 표면의 형태 변화를 시간의 순서에 따라 도시한 것이다. 제 1 실시예는 앞서 설명한 UHV-REM의 초고진공 챔프(40) 내에서 시료의 표면에 전자빔을 입사시켜 실시간으로 시료 표면의 변화를 관찰하면서 수행되었다. 시료는, 계단간의 거리가 약 100nm에 해당하는 절단각(miscut angle)을 가지는 (111) 실리콘 단결정으로 된 표준 웨이퍼를 8mm×1mm×0.3mm 의 크기로 잘라서 사용하였다. 이때, 원자 계단이 시료의 긴 면에 대해 수직으로 형성되도록 절단 방향을 배치하였다. 시료의 홀더는 시료에 직접 전류를 흘릴 수 있도록 특별히 제작되었다. 한편, 본 실시예에서는 (111) 표면의 실리콘 단결정을 사용하였으나, (100) 표면이나 (110) 표면과 같이 굴절률이 작은 평면을 표면으로 하는 결정을 사용하는 것도 가능하다.
이러한 상태에서, 먼저, 전자현미경의 초고진공 챔버(40) 내에서 실리콘 시료를 1260℃ 의 온도로 수분간 고온 열처리하여 표면을 깨끗이 하였다. 이와 같이, 원자수준에서 깨끗한 시료에 DC 전압을 인가하여 약 860℃의 온도로 가열하면서, 0.018ML/min의 속도로 시료의 표면에 금(Au)을 증착하였다. 그 결과, 실리콘 결정의 표면이 도 4a에서 도 4d의 순서로 변화한다. 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 시간이 흐름에 따라 시료 표면의 원자 계단이 점차 균일하게 되었다. 도 4d는 금을 증착하기 시작한지 약 50초 후의 표면 상태로서, 도 4a 내지 도 4c와 같은 불균일한 원자 계단이 매우 균일한 단원자 계단으로 바뀌었음을 알 수 있다. 종래의 방법에서는, 비교적 균일한 단원자 계단을 형성하는데 길게는 수 시간 정도가 필요하였으나, 본 발명에는 단지 50초만에 그 보다 균일한 단원자 계단을 형성할 수 있었다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법에서 시간의 경과에 따른 단원자 계단 사이의 평균 거리의 변화를 나타내는 그래프이다. 제 1 실시예에서와 같이 (111) 실리콘 단결정을 약 860℃의 온도에서 가열하면서 0.018ML/min의 속도로 금을 증착할 경우, 시간의 경과에 따라 단원자 계단 사이의 평균 거리(W)가 증가하고 있다. 이는 시간이 경과할수록 결정의 표면이 더욱 매끄럽게 된다는 것을 의미한다. 도 5에 표시된 바와 같이, 시간을 x축, 단원자 계단 사이의 평균 거리를 y축으로 할 때, 대략 y ~ x0.47 의 관계가 성립한다. 따라서, 금속원자의 증착 시간을 조절함으로써 단원자 계단 사이의 평균 거리를 임의로 제어하는 것이 가능하다.
이렇게 해서 고체 결정 표면의 형태를 임의로 조절한 다음에는, 필요에 따라 상기 고체 결정 표면에 증착되어 있는 금속원자를, 예컨대, 에칭 등을 통해 제거할 수 있다.
상술한 실시예에서는 실리콘 단결정을 사용하였으나, 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법은 실리콘에만 한정되는 것은 아니다. 실리콘 이외에, 예컨대, 게르마늄(Ge)이나 GaAs 와 같은 반도체의 단결정 표면을 제어하는 것도 가능하며, 또한 다른 종류의 고체 단결정에도 충분히 적용될 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법에 대하여 상세히 설명하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 원자적 수준에서 고체 표면의 형태 구조를 제어하는 것이 가능하다. 특히, 본 발명에 따르면, 비교적 낮은 온도와 짧은 반응시간으로도 고체 결정 표면이 균일한 원자계단을 갖도록 제어할 수 있다. 따라서, 균일한 원자계단을 갖는 고체 결정 표면을 형성하는데 시간과 비용을 절감할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따라 균일한 원자계단을 갖는 고체 결정 표면을 형성함으로써, 매우 매끄럽게 평탄화된 결정 표면을 얻을 수 있으며, 또한 결정 표면의 오염물이 제거되어 원자적 수준에서 청결한 결정 표면을 얻을 수 있다. 이렇게 표면 처리된 결정을 이용할 경우, 매우 우수한 특성의 소자들을 제조하는 것이 가능하다. 예컨대, 단원자 계단의 수가 많을수록 에피택셜 성장(epitaxial growth)이 매우 잘 이루어진다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고체 결정 표면의 형태 제어 방법은, 향후 나노 크기의 물체를 제조하는데 있어서 매우 유용하게 활용될 수도 있다.
Claims (12)
- 고체 결정의 양단에 직류 전압을 인가하여 소정의 온도로 가열하는 단계; 및직류전압 인가를 유지하면서 상기 소정의 온도로 가열된 고체 결정의 표면에 금속원자를 소정의 증착 속도로 증착함으로써 고체 결정의 표면에 단원자 계단(monoatomic step)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 1 항에 있어서,고체 결정의 가열 온도는 700 ~ 1000 ℃ 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 금속원자의 증착 속도는 0.001ML/min ~ 1.000ML/min 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 금속원자의 증착 시간은 1 ~ 1000초 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 금속원자의 증착 시간을 조절함으로써 단원자 계단 사이의 평균 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 금속원자의 증착은 대략 10-9 ~ 10-11 torr의 진공상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 금속원자는 Au, Ti, Ni, Co, Cu, V, Re, Mo 및 Pt 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속원자인 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 고체 결정은 단결정인 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 금속원자가 증착되는 고체 결정의 표면은 (111) 표면, (100) 표면 또는 (110) 표면 중 하나인 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 고체 결정이 실리콘 단결정이고, 고체 결정의 양단에 인가되는 직류 전압의 크기는 10∼100V의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 고체 결정의 양단에 인가되는 직류 전압의 방향을 조절함으로써 단원자 계단의 형성 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,고체 결정 표면에 단원자 계단을 형성한 후, 고체 결정 표면에 증착된 금속원자를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 결정 표면의 형태 제어 방법.
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