KR20070115176A - 나노막대제조용 화학증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노막대제조용 화학증착장치(200)에 관한 것으로, 챔버내에 기체화된 반도체재료를 주입하여 기판(21)상에 나노막대들(42)을 형성하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)에 있어서, 상기 장치(200)는 반응원료 기체를 포함한 반응개스들이 반응을 일으키도록 하기 위한 열원을 공급하는 혼합가스반응 열원부(11) 및 상기 기판(21)상에 상기 반응개스들을 통해 나노막대들을 성장시키기 위하여 베이스로서 나노입자를 성장시키는 위한 열원을 공급하는 나노물질형성 열원부(12)를 포함하여 이루어지며, 상기 챔버는 상기 각각의 열원부(11,12)의해 영향을 받는 혼합가스반응 영역(C2) 및 나노물질형성 영역(C3)으로 구분된 것을 특징으로 한다.
나노막대, 화학증착장치, 챔버, VPE

Description

나노막대제조용 화학증착장치{Chemical Vapour Deposition Apparatus for fabricating nano rods}
도 1은 일반적인 화학증착설비의 개략적인 구조도이다.
도 2는 일반적인 화학증착설비에서 제조된 박막 형성 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치의 개략적인 구조도이다.
도 4a 및 도 4c는 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치에서 제조된 나노구조의 형성과정을 순차적으로 나타낸 공정도들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반응원료기체화 열원부
11 : 혼합가스반응 열원부
12 : 나노구조물질형성 열원부
20 : 지지대
21: 기판
22: 반도체재료
30 : 반응기
31 : 가스관
40 : 박막
41 : 나노파우더,
42: 종자층
43: 나노막대
본 발명은 나노막대 혹은 나노소자(Nano device)제조용 화학증착장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 나노선(Nano Wires)이나 나노막대(Nano Rods)를 이용한 나노 소자 구현하고자 촉매(catalyst)나 템플릿(templet)을 이용하지 않고 선택적인 반도체를 성장(Growth)시키는 반도체 나노소자(Nano device) 제조용 화학증착장치에 관한 것이고, 확학증착 방법의 성장모드를 변화시킬 수 있는 반도체 소자 제작용 화학증착장치에 별도의 열원을 사용하여 반도체 나노소자제작용 나노구조의 반도체를 형성시키는 영역을 가지는 나노막대제조용 화학증착장치에 관한 것이다.
반도체 소자 제조공정에서 에피층(epilayer)을 성장시키는 방법으로는 그 층의 원료가 되는 가스를 사용하는 화학증착 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition), VPE(Vapor Phase Epitaxy)라고 불리 우며, VPE는 도 1에 도시된 바 와같이, 외부와 차단된 반응기(30)내에 반응가스를 가스관(31)을 통하여 혼합가스 반응 열원부(11)영역으로 공급하고, 지지대(20)상에 위치된 기판(21)에 반응가스를 통과시키며 흘리면서 열에 의한 분해와 그 반응을 통해 상기 기판(21)상에 결정을 성장시키는 것으로서, 반응가스의 원료형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE, HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE, MOVPE) 또는 MOCVD 기술 등으로 분류할 수 있다.
특히, HVPE와 같이 박막의 재료가 반응가스가 아닌 경우 도 1에 도시된 바와 같이 반응할 수 있는 가스를 가스관(31)내에 주입시키고 반도체 재료(22)를 놓아 반응원료기체화 열원장치(10)영역(C1)을 통과시켜 반응가스를 생성시키고 이 영역(C1)의 열원의 온도를 조절하여 가공하고자 하는 물질을 도 2에 도시된 바와 같은, 기판(21)상에 박막(40)을 단층 또는 다층구조로 생성시키는 설비 기술로서, 이는 주로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 및 실리콘계 이종접합 에피텍셜층을 제조하는 집적회로 제조공정 기술에 활용되고 있다.
도 1은 일반적인 수평형(horizontal) 화학증착장치(100)의 반응기(30)로서, 기판(21)이 놓여 있는 영역의 혼합가스 반응 열원부(11)의 열원으로 반응기(30)에 투입된 반응기체 및 기판(21)의 온도를 상승시켜 반응기체와 시료가 반응되도록 하는 화학증착장치로서 수직형(vertical) 화학증착장치도 이에 해당된다.
이러한 설비를 이용하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(21)위에 박막(40)을 성장시키기 위한 화학증착법의 조건은 기판상의 박막의 성장에 여러가지로 영향을 준다.
상기 화학증착장치(100)에 있어서, 기판(21)위에 박막(40)을 성장시키기 위한 화학증착법의 조건은 반응개스의 분압과 온도에 따른 성장률(growth rate)의 의존성에 따라 성장모드가 변화한다. 반응개스의 분압과 온도에 따른 성장률(growth rate) 의존성의 성장모드는 표면 반응 제한(surface reaction limit) 또는 이종 핵화(heterogeneous nucleation)와 개스 확산 제한(gas diffusion limit) 또는 동종 핵화(homogeneous nucleation)로 분류되며, 상기 박막(40)의 성장은 표면 반응 제한 모드를 이용한 성장법이라고 할 수 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 기판(21)상에 박막(40)대신에 나노막대를 형성하려면 별도의 공정이 필요하며 이에 대한 연구가 계속적으로 진행되고 있는 실정이다.
최근 나노선(Nano Wires)이나 나노막대(Nano Rods)를 이용한 나노 소자 구현하고자 금속촉매(catalyst)나 템플릿(templet) 층을 이용하여 여러 가지 성장법을 이용하여 선택적으로 반도체를 나노선 또는 나노막대를 성장(Growth)시키고 있다. 그러나 반도체 소자내 불순물의 함유나 복잡한 공정이 필요한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적을 상기한 바와 같은 종래기술에 있어서의 문제점을 개선하기 위하여 제안된 것으로, 장치내에 별도의 나노막대형성 영역 및 열원을 공급하는 열원부를 구비함으로써 기판상에 나노막대를 적절히 형성할 수 있도록 하는 나노막대 제조용 화학증착장치를 제공함에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 챔버 내에 기체화된 반도체재료를 주입하여 기판상에 나노막대들을 형성하는 나노막대제조용 화학증착장치에 있어서, 상기 장치는 반응원료 기체를 포함한 반응개스들이 반응을 일으키도록 하기 위한 열원을 공급하는 혼합가스반응 열원부 및 상기 기판상에 상기 반응개스들을 통해 나노막대들을 성장시키기 위하여 베이스로서 나노입자를 성장시키는 위한 열원을 공급하는 나노물질형성 열원부를 포함하여 이루어지며, 상기 챔버는 상기 각각의 열원부 의해 영향을 받는 혼합가스반응 영역 및 나노물질형성 영역으로 구분된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 반응원료 기체는 반응원료를 기체화시키기 위한 영역에 열원을 공급하는 반응원료기체화 열원부를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 나노물질형성 열원부에 의해 공급된 열원의 온도는 상기 혼합가스반응 열원부에 의해 공급된 열원의 온도보다 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 기판상에 나노입자가 성장되는 과정은 상압(대기압)에서 상기 나노물질형성 열원부에 의해 열원이 공급되어 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 됨으로써 성 과정중 소결과정(sintering process)이 진행되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 기판상에 나노입자가 성장되는 과정은 상압-100torr의 압력범위내에서 상기 나노물질형성 열원부에 의해 공급된 열원에 의해 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 되도록 열처리과정(annealing process)이 진행되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 나노물질형성 열원부는 저항가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 나노물질형성 열원부는 유도가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 반응원료는 Ga금속 혹은 Ga 기체인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 반응원료는 TMGa(Trimethyl Gallium)금속 혹은 TMGa(Trimethyl Gallium)기체인 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치를 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치의 개략적인 구조도이고, 도 4a 및 도 4c는 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치에서 제조된 나노구조의 형성과정을 순차적으로 나타낸 공정도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 나노막대(Nano rod) 또는 나노소자(Nano device) 제조용 화학증착장치(200)에 있어서, 외부와 차단된 반응기(30)내에 반응가스를 가스관(31)을 통하여 혼합가스 반응 열원부(11)영역을 통과시키거나, 특히, HVPE 와 같이 박막의 재료가 반응가스가 아닌 경우 도 3과 같이 반응할 수 있는 가스를 가스관(31)내에 주입시키고, 반도체 재료(22)를 놓아 반응원료기체화 열원부(10) 영역(C1)을 통과시켜 반응가스를 생성시키고, 이 영역에서 열원부(10)의 열원의 온도를 조절하고, 가공하고자 하는 물질을 혼합가스반응 열원부(11)의 열이 주입되는 영역(C2)에 통과시켜면, 고온에서 해리된 반응개스는 박막을 형성하고자 하는 온도와 분압이 형성되어 박막을 이루고자하는 표면반응제한 성장모드가 된다.
이렇게 형성된 반응가스들이 혼합가스반응 열원부(11)로부터 공급되는 열원의 온도를 조절하여 통과된 반응가스들은 나노구조가 형성되는 별도의 열원장치인 나노구조물질형성 열원부(12)의 열이 공급되는 영역(C3)에서 혼합가스반응 열원부(11)에 의해 공급되는 온도보다 온도를 낮게 변화시키면, 이전 반응영역(C2)에서 운반된 반응가스들이 반응개스의 분압이 나노구조 물질형성 열원부(12)영역(C3)에서의 온도로 인해 포화(supersaturation)상태가 된다.
상기 혼합가스는 예를 들면, Ga 금속과 HCl 기체의 반응에 의해 생기는 GaClx 기체와 NH3 기체를 말한다.
도 4a를 참조하면, 나노선 또는 나노막대성장하기 위한 형성과정을 볼 수 있는데, 반응개스의 분압과 온도를 이용하여 동종핵화가 되도록 조건을 만들어주면 기판(21)위에 나노 크리스탈 또는 나노 파우더(41)가 성장되 며, 이러한 나노파우더( 41)로부터 성장 과정중 소결과정(sintering process)이 수행되며 , 재 결정화가 이루어져 종자층(42)이 형성된다(도 4b참조). 나노 크리스탈 또는 나노 파우더는 모두 나노입자로 통칭하기로 한다.
한편, 상기 소결과정대신에 종자층(42)형성을 위한 열처리 과정(annealing process)이 수행될 수도 있다.
상기 종자층(42)의 형성은 그때의 온도 및 시간에 따라 나노입자(Nano particle) 및 결정경계(grain boundary)의 크기를 조절하게 된다. 재결정화된 나노입자(Nano particle) 및 결정경계(grain boundary)의 크기에 따라 나노선 및 나노막대(43)가 성장된다(도 4c 참조).
다시 설명하면, 반응개스의 분압이 포화 상태가 되면 화학 증착 형태가 이종핵화에서 동종핵화로 성장 모드가 변화하게 되며, 상기 기판(21)위에 박막(40)이 아닌 나노입자(nanoparticle)가 성장된다. 즉, 상기 화학증착장치(200)에서 지지대(20)에 위치한 기판(21)위로 반응가스를 통과시키게 되면 상기 도 2에 도시된 바와 같은 박막(40)이 성장되지 않고 나노 입자가 형성되며 이후 종자층(42)이 형성되고 그 위에 선택적으로 나노 막대(43)가 자발적으로 형성되어, 단층 및 다층구조의 나노소자가 제작된다.
상기 도 3은 일반적인 수평형(horizontal) 화학증착장치를 나타낸 개략도이며, 이는 반응로 전체를 가열하는 hot wall 형을 의미한다. 또한 수직형(vertical) 화학증착장치에도 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.
발광다이오드 제작용 화학증착 장치인 MOCVD와 같이 반도체 시료만 가열하기위하여 SiC, BN 히터 및 RF 히팅 코일 히터로 가열하는 cold wall 형의 화학증착장치에도 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.
상기 나노막대제조용 화학증착장치(200)에 있어서, 상기 나노물질형성 열원부(12)는 저항가열 히터 혹은 RF 히팅 코일 히터를 사용한다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치는, 혼합가스반응 열원부의 온도보다 낮은 온도를 유지시킬 수 있는 별도의 열원장치인 나노구조물질형성 열원부를 가지는 장치로서 반응개스의 분압이 포화상태가 되면 화학증착형태가 이종핵화에서 동종핵화로 성장모드가 변화하게 되며, 기판위에 박막이 아닌 나노입자가 성장되고 이후 종자층이 형성되어 그 위에 선택적으로 나노막대가 자발적으로 형성될 수 있으므로, 대면적이고 균일한 단층 및 다층구조의 나노소자를 제작할 수 있는 효과가 있는 우수한 발명인 것이다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예를 중심으로 기술하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술분야에 익숙한 기술자라면 첨부되는 특허청구범위를 토대로 하여 다양하게 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. 챔버내에 기체화된 반도체재료를 주입하여 기판(21)상에 나노막대들(42)을 형성하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)에 있어서,
    상기 장치(200)는
    반응원료 기체를 포함한 반응개스들이 반응을 일으키도록 하기 위한 열원을 공급하는 혼합가스반응 열원부(11) 및 상기 기판(21)상에 상기 반응개스들을 통해 나노막대들을 성장시키기 위하여 베이스로서 나노입자를 성장시키는 위한 열원을 공급하는 나노물질형성 열원부(12)를 포함하여 이루어지며,
    상기 챔버는 상기 각각의 열원부(11,12)의해 영향을 받는 혼합가스반응 영역(C2) 및 나노물질형성 영역(C3)으로 구분된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응원료 기체는 반응원료를 기체화시키기 위한 영역(C1)에 열원을 공급하는 반응원료기체화 열원부(10)를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원의 온 도는 상기 혼합가스반응 열원부(11)에 의해 공급된 열원의 온도보다 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 나노입자가 성장되는 과정은 상압(대기압)에서 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 열원이 공급되어 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 됨으로써 성장과정중 소결과정(sintering process)이 진행되어 이루어진 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 나노입자가 성장되는 과정은 상압-100torr의 압력범위내에서 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원에 의해 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 되도록 열처리과정(annealing process)이 진행되어 이루어진 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노물질형성 열원부(12)는 저항가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노물질형성 열원부(12)는 유도가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응원료는 Ga금속인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응원료는 TMGa(Trimethyl Gallium)금속 혹은 TMGa(Trimethyl Gallium)기체인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)은 상기 나노물질형성 열원부(12)에 위치된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200).
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