KR20080099545A - 에칭 가스를 이용한 나노막대 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에칭 가스를 이용하여 나노 구조체의 하나인 나노막대를 제조하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 HVPE법으로 기판상부에 나노 막대를 성장시키면서 에칭 가스의 유량을 조절하여 공급함으로써 기판 상부에서 성장하는 나노막대의 길이와 직경을 조절하여 원하는 나노막대를 얻을 수 있는 에칭 가스를 이용한 나노막대 제조장치 및 그 제조방법을 제공한다.
나노 구조체, 나노 막대, 에칭 가스

Description

에칭 가스를 이용한 나노막대 제조장치 및 그 제조방법{Nano-Wire Manufacturing Equipement and Manufacturing Method Using Etching Gas}
도1은 종래의 HVPE법을 이용한 나노 구조체 제조장치의 한 실시예를 나타낸 도면.
도2는 도1의 나노 구조체 제조장치를 이용하여 제조되는 나노막대가 시간의 흐름에 따라 변화되는 과정을 나타낸 도면.
도3은 본 발명에 따른 에칭 가스를 이용하여 HVPE법으로 나노막대를 제조하는 장치의 한 실시예를 나타낸 도면.
도4는 도3의 에칭 가스를 이용한 나노막대 제조장치를 이용하여 제조되는 나노막대가 시간의 흐름에 따라 변화되는 과정을 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200 : 반응로 110,210 : 제1가스 주입관
120,220 : 제2가스 주입관 130,230 : 용기
140,240 : 기판 홀더 150,250 : 배기구
160,260 : 전기로 170,270 : 기판
280 : 에칭 가스 주입관 A : 나노막대
B : 나노막대가 융합된 박막
본 발명은 에칭 가스를 이용하여 나노 구조체의 하나인 나노막대를 제조하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 HVPE법으로 기판상부에 나노 막대를 성장시키면서 에칭 가스의 유량을 조절하여 공급함으로써 기판 상부에서 성장하는 나노막대의 길이와 직경을 조절하여 원하는 나노막대를 얻을 수 있는 에칭 가스를 이용한 나노막대 제조장치 및 그 제조방법을 제공한다.
질화갈륨을 기반으로 하는 반도체 재료는 매우 큰 직접 천이형 에너지띠 간격을 가지고 있어 UV에서부터 청색에 이르는 영역까지 빛을 낼 수 있는 광소자재료로 큰 관심을 모으고 있으며, 에피탁시(epitaxy) 형태로 성장시켜 사용하고 있다.
상기와 같이 반도체 재료를 에피탁시 형태로 성장시키는 대표적인 방법으로는 금속 유기화학 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자 빔 켜쌓기(Molecular Beam Epitaxy;MBE)법 및 하이드라이드 베이퍼 페이즈 에피탁시(Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE)법 등이 사용되고 있다.
상기 MOCVD 또는 MBE법은 고품질의 반도체 에피탁시를 성장시키는데 매우 유리한 장점을 가지고 있으나 반도체 재료를 제조하기 위한 비용이 많이 들뿐만 아니 라 반도체 재료의 성장속도가 느리다는 단점이 있다.
또한, HVPE법은 상대적으로 켜쌓기 성장 필름(epitaxy grown film)의 특성이 떨어지지만 저렴한 가격으로 반도체 재료를 제조할 수 있고, 반도체 재료의 성장속도가 빨라 질화갈륨 후막과 같은 Ⅲ-족 원소로 구성된 후막의 제조에 유리하다.
상기 질화갈륨 후막은 실리콘과는 달리 단결정을 성장시키기 어렵기 때문에 웨이퍼 형태의 동일한 물질(질화갈륨) 기판을 사용하지 못하고, 사파이어 기판 등을 주로 사용하고 있다. 상기와 같은 이종 기판에 질화물 반도체를 성장시킬 경우에는 격자 및 열팽창 계수의 차이가 심하여 박막의 결정성이 매우 저하되고 품질이 저하된다는 문제점이 있었다.
그러나, 질화갈륨으로 제조되는 나노 구조체의 하나인 질화갈륨 나노막대는 질화갈륨 후막에 비하여 쓰레딩 디스로케이션(threading dislocation), 적층결함(stacking fault) 등의 여러 가지 결합이 존재하지 않기 때문에 비방사 재결합(nonradiative recombination)으로 인한 효율 감소가 일어나지 않는다. 또한, 나노막대를 기판 대용으로 사용하여 나노막대 상부에 고품질의 질화갈륨 박막을 형성하는 방법이 이미 알려져 있는 등 나노막대는 여러 가지 소자에 응용이 가능한 고기능의 나노 구조체이다.
도1은 상기 HVIP법을 이용하여 나노 구조체를 제조하는 종래 장치의 한 실시예를 나타낸 것으로서, 반응로(100)에 할리드 가스(Halide gas)가 주입되는 제1가 스 주입관(110)과, NH3 등의 V-족 원소를 포함하는 기체가 주입되는 제2가스 주입관(120)이 형성되며, 상기 제1가스 주입관(110) 중간에는 Ga 등의 Ⅲ-족를 담기 위한 용기(130)가 설치된다. 또한, 상기 반응로(100) 내부에는 사파이어 등의 기판(170)을 안치하기 위한 기판 홀더(140)가 설치되며, 타측에는 반응가스들을 배기시키기 위한 배기구(150)가 형성된다. 또한, 상기 반응로(100) 외벽에는 전기로(160)가 설치되어 반응로(100)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성된 종래의 나노 구조체 제조장치를 이용하여 나노 구조체의 하나인 나노막대를 제조하는 방법은, 먼저 기판 홀더 상부에 사파이어로 형성된 기판을 설치한 후, 상기 용기에 Ⅲ-족 원소인 Ga을 담는다. 다음에 전기로를 작동시켜 기판의 온도를 300 ~ 700℃로 유지하고, 상기 용기를 통과하는 제1가스 주입관을 통해 할리드 가스를 주입하여 용기속의 Ga과 혼합되면서 기판 상부로 투입되도록 한다. 다음에 300 ~ 700℃ 온도로 모기판이 유지되는 상태에서 제2가스 주입관(120)를 통해 NH3 가스를 주입한다. 상기와 같이 제1가스 주입관을 통해 기판 상부로 투입된 Ga은 제2가스 주입관을 통해 주입된 NH3 가스와 반응하여 기판 상부에 질화갈륨 나노막대를 성장시킨다.
그러나, 상술한 나노막대의 우수한 장점에도 불구하고 종래의 HVPE법을 이용한 나노 구조체 제조장치를 이용하여 나노막대를 성장시킬 경우에는 도2에 도시된 바와 같이 초기(a)에는 사파이어 기판(170) 상부에 나노막대(A)가 형성되나, 제1가스와 제2가스를 주입되면 될 수록 중기(b)에는 나노막대의 길이와 함께 직경 또한 성장하기 때문에 원하는 직경보다 큰 직경을 갖는 나노막대로 성장하고, 말기(c)에는 성장하는 나노막대들의 직경이 증가하여 상호 융합되므로 결국에는 박막(B)이 되는 현상이 자주 발생한다는 문제점이 있었다.
즉, 패턴화되지 않은 이종의 일반적인 기판상부에서는 나노막대의 직경과 길이 그리고 밀도 등을 조절하는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 나노 구조체 제조장치의 일측에 기판 상부에서 성장하는 나노막대의 직경, 길이 그리고 밀도를 조절할 수 있는 에칭 가스를 주입하기 위한 에칭 가스 주입관을 더 형성하고, 시간의 경과에 상관없이 원하는 나노막대를 얻을 수 있는 나노막대 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 에칭 가스의 유량을 조절하여 반응로 내부 또는 기판의 온도를 일일이 조절함이 없이 원하는 나노 막대를 제조할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기로가 외부에 설치된 반응로와, 그 반응로에 설치되는 Ⅲ족 원소를 포함하는 물질을 담는 용기를 구비한 불활성 가스 주입관과, V-족 원소를 포함하는 기체를 투입하는 가스 주입관과, 나노 구조체를 성장시키는 기판을 안치시키기 위한 기판 홀더 및 반응로에서 반응한 가스들을 배출하는 배기구로 구성된 나노 구조체 제조장치에 있어서, 상기 반응로의 일측에 에칭 가스를 에칭 가스 주입관이 더 형성된 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용 한 나노 막대 제조장치를 제공한다.
또한, 상기 나노 막대 제조장치를 이용하여 나노 막대를 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도3은 본 발명에 따른 HVPE법을 이용하여 나노 구조체를 제조하기 위한 장치의 한 실시예를 나타낸 것으로, 반응로(200)에 할리드 가스(Halide gas)와 같은 불활성 가스가 주입되는 제1가스 주입관(210)과, NH3 등의 V-족 원소를 포함하는 기체가 주입되는 제2가스 주입관(220)이 형성되며, 상기 제1가스 주입관(210) 중간에는 Ga 등의 Ⅲ-족를 담기 위한 용기(230)와, 상기 제1가스 주입관(210)과 제2가스 주입관(220)이 형성된 반응로 내부로 에칭 가스를 주입하기 위한 에칭 가스 주입관(280)이 설치된다. 또한, 상기 반응로(200) 내부에는 기판홀더(240) 상부에 사파이어 등의 기판(270)을 안치하며, 에칭 가스 주입관 일단에는 유량조절수단을 구비하여 간단한 조작에 의해 주입되는 에칭 가스의 유량을 조절할 수 있도록 한다.
또한, 타측에는 반응 가스들을 배기시키기 위한 배기구(250)가 형성된다. 또한, 상기 반응로(200) 외벽에는 전기로(260)가 설치되어 반응로(200)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성된 나노막대 제조장치를 이용하여 질화갈륨 기반의 나노 나노막대를 제조하는 방법은, 먼저 기판 홀더(240) 상부에 사파이어, SiC, Si, GaAs 등으로 형성된 기판(270)을 설치한 후, 상기 용기(230)에 Ⅲ-족 원소인 Ga를 담는다.
다음에, 전기로를 작동시켜 반응로 내부 주변 기판 온도를 V-족 원소를 포함하는 기체인 NH3 가스의 분해가 잘 일어나고, GaCl과의 반응도를 높게 유지할 수 있는 온도인 700 ~ 1200℃로 유지하고, 기판의 온도는 나노막대가 성장할 수 있는 300 ~ 700℃로 유지한다.
다음에, 상기 용기(230)를 통과하는 제1가스 주입관(210)을 통해 할리드 가스를 주입하여 용기속의 Ga와 반응하면서 기판(270) 상부로 투입되도록 한다. 다음에 상기한 온도로 기판이 유지된 상태에서 제2가스 주입관(220)을 통해 V-족 원소인 NH3를 투입한다.
상기와 같이 제1가스 주입관을 통해 기판 상부로 투입된 Ga 원소는 제2가스 주입관을 통해 주입된 V-족 원소와 반응하여 기판 상부에 Ⅲ-V족의 분자식을 갖는 나노막대를 성장시킨다.
이때, 시간이 경과함에 따라 나노막대의 크기와 직경이 함께 성장하게 되므로 에칭 가스 주입관을 통해 에칭 가스를 주입한다. 그리고 상기 기판 상부에서 성장하는 나노막대의 직경의 성장속도에 따라 에칭 가스 유량 조절수단을 조절하여 주입되는 에칭 가스의 유량을 조절함으로써 일정한 직경을 갖는 나노막대를 성장시 킬 수 있다. 이때, 에칭 가스로는 HCl 가스가 사용된다.
상기 도3의 나노막대 제조장치를 사용하여 나노막대를 성장시킬 경우, 도4에 도시된 바와 같이 사파이어 등의 기판(270) 상부에 초기(d)에는 일정한 직경과 크기를 갖는 나노막대(A)가 성장하고, 제1가스와 제2가스가 주입되는 시간이 경과되어 중기(e)와 말기(f)로 갈수록 나노막대의 크기와 직경이 성장하게 되나 에칭가스 주입관을 통해 에칭가스가 주입되면서 나노막대의 성장하는 직경만큼을 에칭하게 되므로 길이방향으로만 성장하여 원하는 크기의 나노막대를 얻을 수 있다. 이때, 직경의 성장속도보다는 길이의 성장속도가 빠르기 때문에 에칭가스에 의해 직경과 크기가 모두 같은 두께로 에칭되더라도 상대적으로 크기는 성장을 계속하게 되어 일정한 직경을 갖는 원하는 크기의 나노막대를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 고안의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 종래의 나노 구조체 제조장치의 일측에 기판 상부에서 성장하는 나노막대의 직경, 길이 그리고 밀도를 조절할 수 있는 에칭 가스 를 주입하기 위한 에칭 가스 주입관을 더 형성하여 나노막대의 성장속도에 따라 에칭 가스의 주입되는 유량을 조절함으로써 나노막대의 성장시간의 경과에 상관없이 원하는 크기의 나노막대를 얻을 수 있는 나노막대 제조장치를 제공할 수 있다.
또한, 나노막대의 성장조건에서 질화갈륨 나노막대를 성장시키기 위한 가스들의 주입에 따라 에칭 가스의 유량을 조절하여 원하는 직경을 갖는 나노막대를 반응로 내부 또는 기판의 온도를 일일이 조절함이 없이 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 전기로가 외부에 설치된 반응로와, 그 반응로에 설치되는 Ⅲ족 원소를 포함하는 물질을 담는 용기를 구비한 불활성 가스 주입관과, V-족 원소를 포함하는 기체를 투입하는 가스 주입관과, 나노 구조체를 성장시키는 기판을 안치시키기 위한 기판 홀더 및 반응로에서 반응한 가스들을 배출하는 배기구로 구성된 나노 구조체 제조장치에 있어서,
    상기 제조장치의 일측에 에칭 가스를 주입하는 에칭 가스 주입관이 더 형성된 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 가스 주입관은,
    외측 일단에 유량을 조절하기 위한 유량조절수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대 제조장치.
  3. HVPE법을 이용한 나노막대 제조방법에 있어서,
    나노막대를 성장시킴과 동시에 에칭 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 HCl 가스인 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법
  5. 제 1 항의 나노막대 제조장치를 이용하여,
    기판 홀더 상부에 기판을 설치하고 용기에 Ⅲ-족 원소를 담는 단계와;
    전기로를 작동시켜 반응로 내부의 온도를 700 ~ 1200℃로 유지하는 단계와;
    상기 기판의 온도를 나노막대의 성장온도인 300 ~ 700℃로 유지하는 단계와;
    상기 용기를 통과하는 제1가스 주입관을 통해 불활성 가스를 주입하여 용기속의 Ⅲ-족 원소와 반응하면서 기판 상부로 투입되도록 하는 단계와;
    제2가스 주입관을 통해 V-족 원소를 포함하는 가스를 투입하는 단계와;
    상기 에칭 가스 주입관을 통해 에칭 가스를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 불화성 가스는 할리드 가스인 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 V-족 원소를 포함하는 기체는 NH3인 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 Ⅲ-족 원소는 Ga인 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 HCl 가스인 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 에칭 가스 주입시 나노막대 직경의 성장속도에 따라 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭 가스를 이용한 나노막대의 제조방법.
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