KR20110098829A - 미세 구조물의 증착 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

압전체(11)의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극(12, 13)을 갖는 표면 탄성파 소자(10)와, 표면 탄성파 소자의 표면에 2 이상의 물질(A, B)을 진공 증착 가능한 진공 증착 장치(20)와, 표면 탄성파 소자의 전극간에 고주파 전압을 인가하는 고주파 인가 장치(30)를 구비하고, 상기 고주파 전압의 인가에 의해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시킨 상태에서 복수의 박막층을 구성하고, 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착한다.

Description

미세 구조물의 증착 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DEPOSITION OF MICROSTRUCTURE}
본 발명은 미세 구조물을 소정 위치에 형성하는 미세 구조물의 증착 장치 및 방법에 관한 것이다.
풀러렌(C60)은 탄소 동위체의 하나로서, 그 분자를 구성하는 탄소 원자의 골격이 정오각형과 정육각형의 조합으로 이루어지는 폐다면체 구조이다. 이와 같은 풀러렌이나 카본나노튜브 등의 기능성 분자는 여러 가지 기능을 갖는 것이 알려져 있다.
그러나, 기능성 분자 등의 분자 사이즈는 매우 작아(풀러렌의 경우, 직경 약 1㎚), 그 위치를 정확하게 제어하는 것이 매우 어렵다. 이 때문에 이와 같은 미세 구조물을 소정의 위치에 형성하는 위치 제어 수단으로서, 본 발명의 출원인들은 앞서 특허 문헌 1을 창안해 출원하였다.
한편, 그 외의 미세 구조물의 위치 제어 수단으로서, 특허 문헌 2, 3이 개시되어 있다.
특허 문헌 1은 미세 구조물의 위치나 미세 구조물을 형성하는 구성 요소간의 상대 위치를 고정밀도로 제어하는 것을 목적으로 하여, 도 1에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 기판(1)의 표면에 표면 탄성파의 정재파(2)를 발생시키고, 그 정재파에 의해 미세 구조물의 재료(양자점(3))가 부착하는 위치, 즉 미세 구조물의 위치를 설정하는 것이다. 한편 도 1에서 참조 번호 4는 전극이다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개 2006-332227호 공보, "미세 구조물 제작 방법 및 장치" 특허 문헌 2: 일본 특허공개 2008-260073호 공보, "미세 구조체의 배열 방법 및 미세 구조체를 배열한 기판, 및 집적회로 장치 및 표시 소자" 특허 문헌 3: 일본 특허 제4192237호 공보, "나노 구조의 형상 제어 방법"
그러나 특허 문헌 1에 개시된 방법 및 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
(1) 형성되는 미세 구조물의 위치가 기판의 표면 상태에 의해 크게 좌우된다.
(2) 고주파의 전원으로의 반사가 많아, 진공중에서 기판으로의 고주파 전송 효율이 낮다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 기판 표면 상태의 영향을 저감하여 미세 구조를 소정 위치에 형성할 수 있고, 또한 기판에 효율적으로 고주파를 전송할 수 있는 미세 구조물의 증착 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 압전체의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극을 갖는 표면 탄성파 소자와, 이 표면 탄성파 소자의 표면에 2 이상의 물질을 진공 증착 가능한 진공 증착 장치와, 표면 탄성파 소자의 상기 전극간에 고주파 전압을 인가하는 고주파 인가 장치를 구비하고, 상기 고주파 전압의 인가에 의해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시킨 상태에서, 복수의 박막층을 구성하고, 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 복수의 박막층은 표면 탄성파 소자의 표면 전체에 풀러렌의 층을 증착에 의해 형성하고, 계속해서 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착한다.
또한, 상기 진공 증착 장치는 표면 탄성파 소자를 수용하고 내부를 소정 진공도로 진공 감압 가능한 진공 챔버와, 이 진공 챔버 내에 고주파 전류를 도입하는 진공 커넥터를 갖고, 상기 고주파 인가 장치는 소정 주파수의 고주파 전압을 발생하는 고주파 발생 장치와, 임피던스 정합된 입력 도전막과 접지 도전막을 갖고 표면 탄성파 소자에 고주파 전압을 입력하는 소자 홀더와, 임피던스 정합된 중심 도체와 쉴드 금속을 갖고 고주파 발생 장치로부터 진공 커넥터를 통해 소자 홀더까지 고주파 전압을 전파시키는 동축 케이블을 구비한다.
또한, 상기 입력 도전막과 접지 도전막은 절연 기판상에 NiCr 박막과 Au 박막을 개재하여 도금되고, 또한 상기 고주파가 그 표면에서 내부로 침투하는 표피 깊이보다 두꺼운 Cu 막인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의하면, 압전체의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극을 갖는 표면 탄성파 소자를 진공 챔버 내에 수용하고 소정 진공도로 진공 감압하고, 상기 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고, 이 상태에서 표면 탄성파 소자에 복수의 박막층을 구성해 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 복수의 박막층은 표면 전체에 풀러렌의 층을 증착시키고, 계속해서 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착한다.
또한, 상기 풀러렌의 층은 기판 온도 실온∼200℃, 증착 레이트 0.6∼1.7 Å/min, 증착 두께 30Å∼10㎚로 증착한다.
또한, 상기 표면 탄성파 소자는 인접하는 전극간의 거리가 500∼900㎚, 중심 주파수가 850∼900 ㎒인 SAW(Surface Acoustic Wave) 디바이스인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세 구조물의 증착에 있어서, 고주파 전압의 주파수를 순차적으로 높여, 표면 탄성파의 상기 정재파를 순차적으로 고차 모드로 변화시키고, 그 정재파의 마디에 해당하는 위치에 미세 구조물을 증착하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 장치 및 방법에 따르면, 표면 탄성파 소자, 진공 증착 장치 및 고주파 인가 장치를 구비하고, 압전체의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극을 갖는 표면 탄성파 소자를 진공 챔버 내에 수용하고 소정 진공도로 진공 감압하고, 상기 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고, 이 상태에서 복수의 박막층을 구성함으로써, 표면 전체에 균질한 박막층을 형성할 수 있다.
특히, 이 상태에서 표면 탄성파 소자의 표면 전체에 풀러렌을 증착시킴으로써, 풀러렌의 확산 거리를 크게 해 풀러렌 클러스터를 균일하게 분산시켜 표면 전체에 균질한 풀러렌층을 형성할 수 있다.
풀러렌(C60)은 기능성 분자이며, 풀러렌 분자는 분자끼리가 반데르발스 결합(van der Waals binding)하므로, 압전 기판상에 풀러렌을 몇 층 흡착시킴으로써 큰 확산 거리를 얻을 수 있다.
따라서, 계속해서 상기 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고, 이 상태에서 풀러렌층 위에 미세 구조물(예를 들면 Ag)을 증착함으로써, 고주파 전압에 의한 정재파의 특정 위치(예를 들면 마디부)에 미세 구조물을 증착할 수 있다.
따라서, 기판(표면 탄성파 소자)의 표면 상태의 영향을 저감하여 미세 구조를 소정 위치에 형성할 수 있다.
또한, 임피던스 정합된 입력 도전막과 접지 도전막을 갖고 표면 탄성파 소자에 고주파 전압을 입력하는 소자 홀더와, 임피던스 정합된 중심 도체와 쉴드 금속을 갖고 고주파 발생 장치로부터 진공 커넥터를 통해 소자 홀더까지 고주파 전압을 전파시키는 동축 케이블을 구비하므로, 소자 홀더 및 동축 케이블에서 전원으로의 고주파의 반사를 극소로 할 수 있어, 기판(표면 탄성파 소자)에 효율적으로 고주파를 전송할 수 있다.
도 1은 특허 문헌 1의 미세 구조물 제작 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 클라드니 도형(Chladni's figures)의 설명도이다.
도 3은 빗살형 전극(Inter Digital Transducer)의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 의한 미세 구조물의 증착 장치의 전체 구성도이다.
도 5는 실험에 사용한 표면 탄성파 소자의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 소자 홀더의 평면도이다.
도 7은 소자 홀더와 표면 탄성파 소자의 결선도이다.
도 8은 실험에서 얻어진 기판 표면의 SEM상이다.
도 9a는 고주파 전압을 인가해 기판에 풀러렌을 증착한 경우의 기판 표면의 SEM상이다.
도 9b는 고주파 전압을 인가해 기판에 풀러렌을 증착한 경우의 기판 표면의 SEM상인데, 도 9a와는 다른 기판 표면 영역에서의 SEM상이다.
도 10a는 도 9a, 도 9b에 나타낸 기판에 있어서, 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고, 그 상태에서 풀러렌층 위에 Ag을 증착한 경우의 기판 표면의 SEM상이다.
도 10b는 도 9a, 도 9b에서 나타낸 기판에 있어서, 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고, 그 상태에서 풀러렌층 위에 Ag을 증착한 경우의 기판 표면의 SEM상인데, 도 10a와는 다른 기판 표면 영역에서의 SEM상이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부재 번호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 발명자들은 나노 스케일 물질과 같은 미세 구조물의 위치 제어 수단으로서 표면 탄성파(SAW)를 이용하는 것에 착안하였다.
도 2는 클라드니 도형의 설명도이다. 클라드니 도형이란 분말(5)을 금속판(6) 등에 뿌리고 거기에 정재파(2)를 발생시키면 정재파 마디의 위치에 분말(5)이 모여 도형이 그려지는 현상을 말한다.
클라드니 도형은 매크로 스케일의 현상이지만, 나노 스케일 물질에 있어서도 정재파(2)의 배(antinode)와 마디(node) 위치에서의 물질의 확산 길이가 다르면, 표면 탄성파를 이용한 정재파를 발생시킴으로써 위치 분포가 변화할 가능성이 있어 물질 위치 제어 기술로서 이용할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 예비적인 실험으로서, 압전 소자인 니오브산리튬(LiNbO3) 기판상에 인접하는 전극간의 거리가 100㎛의 빗살형 전극(Inter Digital Transducer; IDT)를 제작하고, 입자 사이즈가 2∼3㎛ 또는 20∼30㎛인 실리콘 분말을 분산시킨 후, 기판 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시켜 산포에 대한 영향을 광학 현미경으로 관찰하였다.
또한 그때, 고주파의 주파수나 입력 신호의 강도를 변화시킴으로써 실리콘 분말의 거동이 변화하는 것을 확인하여, 표면 탄성파에 의한 기판상의 물질에 대한 영향이 있는 것이 밝혀졌다.
그러나, 이러한 예비 실험의 결과는 미립자의 형상의 편차나 실리콘 분말의 대전 등 여러 가지 불확정한 요인을 생각할 수 있다. 또한, 빗살형 전극에의 고주파 도입 경로에서의 전송 손실 문제 등 불명확한 점이 있어, 이들 문제를 명확하게 할 필요가 있었다.
이하, 본 출원에서 "압전 기판"이란 전압을 인가하면 변형을 일으키는 압전성을 갖는 기판을 의미한다. 또한, "표면 탄성파"란 탄성체의 표면 부근에만 에너지가 집중해 전파하는 탄성파를 의미한다.
도 3은 빗살형 전극의 모식도이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 압전 기판(1) 상에 빗살형 전극(7)을 제작하고 고주파 교류 전원(8)에 의해 전계를 인가하면, 압전 기판(1)의 내부로 들어간 전계에 의해 압전 효과가 일어나기 때문에 표면 부근이 변형되어, 표면 탄성파가 발생한다.
압전 기판(1)에 의해 전달되는 표면 탄성파의 음속 v는 다음 식(1)에 의해 결정되고, 표면 탄성파를 발생시키기 위해 필요한 주파수 f는 전극(7)간의 거리 λ에 의존한다. 도 2에 있어서 λ는,
v=fλ … (1)
빗살형 전극(7)의 각 부분은 동상(同相)으로 진동하기 때문에, 전극 부분이 배, 전극 사이가 마디가 되는 정재파(2)가 발생한다. 이 경우, 도 2에 나타내는 바와 같이, 거리 λ는 압전 효과에 의해 발생하는 전술한 표면 탄성파의 파장이 되고, λ/2는 정재파(2)의 배와 배의 거리가 된다. 한편, 도 2에서 부호 A는 정재파(2)의 진폭을 나타낸다.
"전기 기계 결합 계수 K"는 압전 물질에서의 정전 에너지 Ui와 탄성 에너지 Ua 사이의 변환 성능을 나타낸다. 정전 에너지 Ui와 탄성 에너지 Ua에 대해 다음 식 (2)가 성립된다.
K=(Ua/Ui)0.5 … (2)
여기에서 K2는 레일리파(Rayleigh wave)에 대해 수정의 경우 약 0.1[%], 탄탈산리튬의 경우 약 0.75[%]이고, 전단 수평(Shear Horizontal; SH)파에 대해서는 탄탈산리튬의 경우 약 7.6[%]이다.
본 발명에서는 미세 구조물(나노 스케일 물질)의 위치 제어를 목적으로 하여, 현상을 사이즈 다운하기 위해 필요한 고주파에 대응한 증착 장치를 제작하고, 위치 제어의 스케일에 알맞은 확산 거리를 갖는 물질을 선택해 실험을 실시하였다.
도 4는 본 발명에 의한 미세 구조물의 증착 장치의 전체 구성도이다.
도 4에 있어서, 본 발명의 증착 장치는 표면 탄성파 소자(10), 진공 증착 장치(20) 및 고주파 인가 장치(30)를 구비한다.
표면 탄성파 소자(10)는 압전체(11)의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극(12, 13)을 갖는다.
압전체(11)는 수정, LiNbO3, LiTaO3 등의 압전체로 형성된 평판이다. 또한, 전극(12, 13)은, 바람직하게는, 간격이 일정하게 설정된 빗 형상의 대향 전극이다. 이 표면 탄성파 소자(10)는 고주파 전자 장치의 하나인 SAW 디바이스와 유사한 구조를 갖고 있다.
따라서, 표면 탄성파 소자(10)로서 인접하는 전극간의 거리가 500∼900㎚, 중심 주파수가 850∼900㎒의 SAW 디바이스를 이용할 수 있다.
진공 증착 장치(20)는 표면 탄성파 소자(10)의 표면에 2 이상의 물질(A, B)을 진공 증착할 수 있게 되어 있다. 물질(A, B)은 후술하는 예에서는 풀러렌(C60)과 은(Ag)이지만, 그 외의 금속 또는 반도체라도 무방하다.
진공 증착 장치(20)는 표면 탄성파 소자(10)를 수용해 내부를 소정 진공도로 진공 감압 가능한 진공 챔버(22)와, 진공 챔버(22) 내에 고주파 전류를 도입하는 진공 커넥터(24)를 갖는다.
진공 증착 장치(20)에서의 증착은 가열 증착, 스퍼터링, 각종 CVD(Chemical Vapor Deposition) 혹은 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 중 어느 것이라도 된다. 또한, 진공 증착 장치(20)는 표면 탄성파 소자(10)의 표면을 세정하기 위한 이온 스퍼터링 기능을 겸하는 것이 좋다.
또한, 본 형태에 있어서, 진공 증착 장치(20)는 기판 히터(26)를 더 구비하여, 기판(표면 탄성파 소자(10))을 원하는 온도까지 가열할 수 있게 되어 있다.
고주파 인가 장치(30)는 표면 탄성파 소자(10)의 한 쌍의 전극(12, 13)에 고주파 전압을 인가한다.
고주파 인가 장치(30)는 고주파 발생 장치(32), 증폭기(33), 소자 홀더(34) 및 동축 케이블(36)을 구비한다.
고주파 발생 장치(32)는 소정 주파수(예를 들면 100㎒∼30㎓ 사이의 주파수)의 고주파 전압을 발생한다.
증폭기(33)는 발생한 고주파 전압을 증폭한다. 한편, 증폭기(33)는 생략할 수도 있다.
소자 홀더(34)는 임피던스 정합된 입력 도전막(미도시)과 접지 도전막(미도시)을 갖고, 표면 탄성파 소자(10)에 고주파 전압을 입력한다.
동축 케이블(36)은 임피던스 정합된 중심 도체(미도시)와 쉴드 금속(미도시)을 갖고, 고주파 발생 장치(32)로부터 진공 커넥터(24)를 통해 소자 홀더(34)까지 고주파 전압을 전파시킨다.
전술한 장치를 이용하여 본 발명의 미세 구조물의 증착 방법에서는,
(A) 압전체(11)의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극(12, 13)을 갖는 표면 탄성파 소자(10)를 진공 챔버(22) 내에 수용하고 소정 진공도로 진공 감압한다. 표면 탄성파 소자(10)는 인접하는 전극간의 거리가 500∼900㎚, 중심 주파수가 850∼900㎒의 SAW 디바이스인 것이 좋다.
(B) 다음으로, 전극(12, 13)간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자(10)의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시킨다.
(C) 이 상태에서 표면 탄성파 소자(10)의 표면 전체에 풀러렌을 증착시킨다. 이 풀러렌의 증착은 기판 온도 실온∼200℃, 증착율 0.6∼1.7 Å/min, 증착 두께 30Å∼10㎚인 것이 좋다.
(D) 계속해서, 풀러렌층의 고주파 전압에 의한 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착한다.
전술한 전극(12, 13)간에 고주파 발생 장치(32)로부터 소정 주파수의 고주파 전압을 인가하면, 전극(12, 13)간에는 그 주파수에 부합한 표면 탄성파의 정재파(2)가 발생한다.
이 정재파(2)는 1차 모드로 한정되지 않는다. 정재파(2)의 차수는 고주파 전압의 주파수, 전극(12, 13)간의 거리 및 기판(표면 탄성파 소자(10)) 표면(형성면)에서의 표면 탄성파의 전파 속도에 의해 결정된다.
따라서, 예를 들면 가변 설정이 용이한 고주파 전압의 주파수를 조절함으로써 정재파(2)의 차수는 임의로 설정 가능하다.
예를 들면, 고주파 전압의 주파수를 순차적으로 높여 표면 탄성파의 정재파(2)를 순차적으로 고차 모드로 변화시키고, 정재파(2)의 마디에 해당하는 위치에 미세 구조물을 증착할 수 있다.
전극(12, 13)에서 표면 탄성파의 파의 위상이 π(180°)만큼 어긋난 경우, 전극(12, 13)간에서의 정재파의 배와 마디의 위치는 고정 위치가 된다. 또한, 형성면의 연직 방향 변위는 마디에서 제로이지만, 이 마디로부터 멀어짐에 따라 형성면의 변위는 커진다.
즉, 형성면은 정재파(2)에 기인해, 그 부위에 따라 연직 방향의 공간적 상태가 다르다. 연직 방향의 변위가 가장 작은 부위(정재파의 마디에 상당하는 부위)는 다른 부위와 비교해 공간적 상태가 안정되어 있으므로, 증기화한 재료가 부착하기 쉽다. 이에 대해 공간적 상태가 안정되지 않은 부위는 증기화한 재료가 부착하기 어려운 특징이 있다.
상술한 본 발명의 장치 및 방법에 의하면, 표면 탄성파 소자(10), 진공 증착 장치(20) 및 고주파 인가 장치(30)를 구비하고, 압전체(11)의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극(12, 13)을 갖는 표면 탄성파 소자(10)를, 진공 챔버(22) 내에 수용하고 소정 진공도로 진공 감압하고, 전극(12, 13)간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자(10)의 표면에 표면 탄성파의 정재파(2)를 발생시키고, 이 상태에서 복수의 박막층(예를 들면, 풀러렌의 박막층 또는 크기가 풀러렌과 동일한 정도 이상인 분자의 박막층)을 구성함으로써, 표면 전체에 균질한 박막층을 형성할 수 있다.
특히, 이 상태에서 표면 탄성파 소자(10)의 표면 전체에 풀러렌을 증착시킴으로써, 풀러렌의 확산 거리를 크게 해 풀러렌 클러스터를 균일하게 분산시켜 표면 전체에 균질한 풀러렌층을 형성할 수 있다.
풀러렌(C60)은 기능성 분자이며, 풀러렌 분자는 분자끼리가 반데르발스 결합하므로, 압전 기판상에 풀러렌을 몇 층 흡착시킴으로써 큰 확산 거리를 얻을 수 있다.
따라서, 계속해서 전극(12, 13)간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자(10)의 표면에 표면 탄성파의 정재파(2)를 발생시키고, 이 상태에서 풀러렌층 위에 미세 구조물(예를 들면 Ag)을 증착함으로써, 고주파 전압에 의한 정재파의 특정 위치(예를 들면 마디부)에 미세 구조물을 증착할 수 있다.
따라서, 기판(표면 탄성파 소자(10))의 표면 상태의 영향을 저감하여 미세 구조를 소정 위치에 형성할 수 있다.
또한, 임피던스 정합된 입력 도전막과 접지 도전막을 갖고 표면 탄성파 소자에 고주파 전압을 입력하는 소자 홀더(34)와, 임피던스 정합된 중심 도체와 쉴드 금속을 갖고 고주파 발생 장치로부터 진공 커넥터를 통해 소자 홀더까지 고주파 전압을 전파시키는 동축 케이블(36)을 구비하므로, 소자 홀더(34) 및 동축 케이블(36)에서, 전원으로의 고주파의 반사를 극소로 할 수 있어, 기판(표면 탄성파 소자(10))에 효율적으로 고주파를 전송할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
제1 실시예
(실험 방법)
(1) 증착 장치의 고주파 대응
본 발명에서의 실험은 모두 고진공도의 진공 챔버(22) 내에서 행하였다. 나노 스케일의 표면 탄성파 발진시에 증착을 행하기 위해서는 진공 챔버(22) 내에 외부로부터 소정 주파수(최대 3㎓ 정도)의 고주파를 도입할 필요가 있다. 따라서, 고주파 대응의 진공 커넥터(24)와, 고주파에 대응하도록 설계·가공한 소자 홀더(34)를 사용하였다.
도 5는 실험에 사용한 표면 탄성파 소자(10)의 회로 구성을 나타내는 도면이다. 도 5에 있어서, 표면 탄성파 소자(10)는 압전체(11), 전극(12, 13) 및 반사기(14)(리플렉터)를 갖는다. 전극(12, 13)은 빗살형 전극(IDT)이며, 전극(12, 13)의 사이에 표면 탄성파를 발생시키게 되어 있다. 반사기(14)는 표면 탄성파에 의한 진동을 높이는 기능을 갖는다.
본 실시예에 있어서, 표면 탄성파 소자(10)는 상하에 한 쌍이 마련되고, 한 쪽(예를 들면 아래쪽)에서 발생한 표면 탄성파를 다른 쪽(예를 들면 위쪽)으로 전파시키고, 또한 이것들을 공진시키게 되어 있다.
한편, 이와 같은 표면 탄성파 소자(10)는 SAW 디바이스로서 시판되고 있다.
도 6은 소자 홀더(34)의 평면도이다. 도 6에 있어서, 참조 부호 34a는 입력 도전막, 34b는 접지 도전막, 34c는 절연 기판(유리)이다. 입력 도전막(34a)과 접지 도전막(34b)은 사용하는 고주파가 그 표면에서 내부로 실질적으로 침투하는 표피 깊이보다 충분히 두꺼운 Cu 막으로서, 절연 기판(34c) 상에 NiCr 박막(미도시)과 Au 박막(미도시)을 개재하여 도금되어 있다. 한편, Cu 막은 Au 막이라도 무방하다.
일반적으로, 임의 물질의 표피 깊이 d(고주파의 강도가 1/e가 되는 깊이)는 다음 식 (3)으로 구해진다.
d=1/(πfμσ)0.5 … (3)
여기에서, f는 주파수[Hz], μ는 투자율(透磁率), σ는 전기 전도율이다.
동의 경우, μ=4π×10-7 [H/m], σ=5.82×107 [S/m]이며, 발진 주파수가 f=880㎒의 경우, 표피 깊이 d는 약 2.2㎛가 된다. 따라서, 상기 "충분히 두꺼운 Cu 막"으로서 막의 두께를 약 20㎛ 정도 이상으로 함으로써, 고주파의 누설을 거의 없앨 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, Cu 막의 두께를 약 80㎛로 하고, NiCr 박막(두께 약 10㎚)과 Au 박막(두께 약 100㎚)을 개재하여 Cu 막을 도금하였다. NiCr 박막과 Au 박막을 개재한 이유는 절연 기판(유리)에 Cu 막을 직접 도금해도 박리하기 쉽기 때문에, 절연 기판(유리)에 도금 가능한 NiCr 박막과 동 도금이 가능한 Au 박막을 중간층으로 한 것이다.
또한, 소자 홀더(34)의 크기(폭 약 20㎜, 길이 약 25㎜)와 Cu 막의 두께(약 80㎛)는 입력 도전막(34a)과 접지 도전막(34b)에 의한 임피던스가 전원측 및 기판측과 정합하도록 설정하였다.
도 7은 소자 홀더(34)와 표면 탄성파 소자(10)의 결선도이다. 도 7에서 참조 부호 12a는 전극(12)의 입력 단자, 13a는 전극(13)의 입력 단자, 15는 접지 단자, 17(굵은 선)은 본딩선(Au선)이다.
이 예에서는 본딩선(17)에 의해 입력 단자(12a)와 입력 도전막(34a), 입력 단자(13a)와 접지 도전막(34b), 및 접지 단자(15)와 접지 도전막(34b)을 전기적으로 접속하고 있다.
또한, 전술한 동축 케이블(36)의 중심 도체가 입력 도전막(34a)의 한 쪽(예를 들면 우측)에 전기적으로 접속되고, 또한 동축 케이블(36)의 쉴드 금속이 접지 도전막(34b)에 전기적으로 접속된다.
이 구성에 의해, 소자 홀더(34) 및 동축 케이블(36)에서 고주파의 누설과 전원으로의 반사를 큰 폭으로 저감할 수 있어, 기판(표면 탄성파 소자(10))에 효율적으로 고주파를 전송할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 스펙트럼 애널라이저(미도시)를 구비하고, 스펙트럼 애널라이저를 동축 케이블에 의해 입력 도전막(34a)의 다른 쪽(예를 들면 좌측)과 접지 도전막(34b)에 전기적으로 접속해, 표면 탄성파 소자(10)에 표면 탄성파가 발생한 것을 검출할 수 있도록 검출 수단을 개량하였다.
(2) 확산 거리의 추정
빗살형 전극을 이용해 표면 탄성파를 발생시켜 미세 구조물(나노 스케일 물질)의 위치 변화를 관찰하려면, 압전 기판상에서의 흡착 물질의 확산 거리가 빗살형 전극 간격의 1/3 정도일 필요가 있다. 풀러렌 분자는 분자끼리가 반데르발스 결합하는 것이 알려져 있어, 압전 기판상에 풀러렌을 1∼3층 흡착시킴으로써 큰 확산 거리가 얻어진다고 생각된다. 따라서 압전 기판인 LiNbO3 기판상에 풀러렌을 증착해 표면상에서의 확산 거리를 추정하였다. 이때 기판 온도와 증착율을 파라미터로서 변화시켰다.
제2 실시예
(3) SAW 디바이스를 발진시킨 실험
간격 1㎛ 정도의 빗살형 전극을 구비하고 있는 표면 탄성파를 사용한 필터로서 시판되는 표면 탄성파 디바이스(이하, "SAW 디바이스"라고 한다)를 이용해 실험을 실시하였다. SAW 디바이스는 빗살형 전극을 고유 진동수로 공명시켜 주파수 필터로서 이용되기 때문에, 전극간에 안정적인 표면 탄성파의 정재파를 발생시킬 수 있다. 수정 기판의 SAW 디바이스(무라타 제작소 제품)와, 수정 기판보다 전기 기계 결합 계수가 큰 탄탈산리튬 기판의 SAW 디바이스(히타치 미디어일렉트로닉스 제품)로 실험을 실시하였다. SAW 디바이스의 가열은 텅스텐선에 의한 통전 가열로 행하고, 온도는 알루멜 크로멜(Alumel-chromel) 열전대를 소자 홀더(34)에 부착하여 측정하였다.
(실험 결과)
＜확산 거리의 추정＞
증착 후에 관찰한 SEM상으로부터 클러스터 사이의 평균적인 거리를 구하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 이 실험 결과로부터, 외관상의 확산 거리는 100∼200㎚ 정도이며, 기판과의 흡착 에너지는 클러스터 간격의 온도 변화로부터 약 0.06 eV라고 추정했다. 따라서, 인접하는 전극 간격이 확산 거리의 2배 정도이면, 표면 탄성파에 의한 영향을 관찰할 수 있다는 것을 알았다.
증착율
 기판 온도
50℃ 200℃
~1 Å/min 127.5㎚ 213.4㎚
2~3 Å/min - 124.5㎚
제3 실시예
＜수정 기판의 SAW 디바이스에 의한 실험＞
인접하는 전극간의 거리가 900㎚ 정도이고, 중심 주파수가 868㎒인 수정 기판의 SAW 디바이스를 여진시켜 풀러렌을 진공 증착하였다.
고주파는 고주파 발생 장치(32)(RF 발진기)에서 17 dBm으로 출력하고, 증폭기(33)(파워업)로 30 dBm(101.3배)로 증폭하여 빗살형 전극(12, 13)에 인가하였다.
풀러렌의 직경이 약 1㎚인 것으로부터, 흡착 에너지와의 비교를 행하기 위해, RF 발진기로부터의 출력치를 이용해 빗살형 전극 부분의 단위 면적(1 나노평방미터)에 대한 1초당 탄성파의 에너지를 산출한 결과, 2.52×104[eV/㎚2]였다. 따라서, 기판상에서 풀러렌 분자의 평균 체류 시간이 10-6[sec] 정도이면, 흡착 에너지와 거의 같아져, 기판의 진동에 의해 흡착 물질이 확산하기 쉬워지는 것을 예상할 수 있다.
풀러렌의 증착 조건은 200㎚ 이상의 확산 거리가 예상된 기판 온도 200℃, 증착율 0.6∼0.8 Å/min, 증착 두께 30Å으로 행하였다. 또한, 표면 탄성파 발진의 확인은 증착 챔버 내에 마련한 안테나로 수신하고 스펙트럼 애널라이저로 검출하였다.
도 8은 이 실험에서 얻어진 기판 표면의 SEM상이다.
도 8의 기판상에서 풀러렌의 클러스터는 거의 균일하게 분포하고 있고, 클러스터간의 거리도 LiNbO3 기판상에서 보였던 것보다 훨씬 짧은 것을 알 수 있다. 그 원인으로는, 수정 기판의 최종적인 표면 처리가 불분명하기 때문에 오염 등에 의한 불균일 핵형성이 일어난 것으로 생각된다. 따라서, 이 SEM상으로부터 표면 탄성파의 영향에 대해 판단하는 것은 어렵다고 생각해, 보다 전기 기계 결합 계수가 큰 Li계 기판을 사용하는 SAW 디바이스를 기판으로서 이용하기로 하였다. 또한, 증착 챔버 내에서의 고주파의 전송 손실이 있다고 생각되었기 때문에, 도입 경로에 대해 다시 개량을 행하였다.
전술한 도 6의 소자 홀더(34)와 도 7의 결선은 개량 후의 구성이다.
제4 실시예
＜탄탈산리튬(LiTaO3) 기판의 SAW 디바이스에 의한 실험＞
인접하는 전극간의 거리가 500㎚ 정도이고 중심 주파수가 881㎒인 LiTaO3 기판의 SAW 디바이스를 여진시켜 풀러렌의 증착 실험을 행하였다.
당초, 고주파의 출력이 17 dBm, 기판 온도 200℃의 조건에서 실험을 시도했지만, 빗살형 전극의 파손 등의 문제가 생겼기 때문에, 고주파의 출력을 7 dBm(1/10), 기판 온도를 실온으로 해 실험을 행하였다.
수정 디바이스 때와 마찬가지로, 단위 면적당 탄성파의 에너지를 산출한 결과, 1초당 1.34×105[eV/㎚2]로서, 수정에서 실험했을 때보다 약간 떨어지지만, 고주파 도입 경로의 개량에 의해 샘플 근처까지 동축 케이블로 전송하는 것이 가능해졌기 때문에, 보다 큰 진폭을 제공하는 것이 예상되었다.
지금까지 풀러렌의 증착율은 1.7 Å/min 정도였고, 증착량을 바꾸어 관측을 행했지만, 증착량이 50Å의 경우에는 클러스터의 분포에 명확한 영향이 관측되지 않아, 증착량과 고주파의 투입 파워를 높인 경우에 대해 실험을 실시하였다. 또한, 표면 탄성파 발진의 확인은, 전술한 바와 같이, 검출의 확실성을 더하기 위해 SAW 디바이스의 아웃풋측으로부터 동축 케이블을 이용해 전송하고, 스펙트럼 애널라이저로 검출하였다.
도 9a와 도 9b는 고주파 전압을 인가해 기판에 풀러렌을 증착한 경우의 기판 표면의 SEM상이다. 한편, 도 9a와 도 9b는 기판상의 다른 영역에서의 SEM상이다.
증착 조건은 기판 온도 실온, 증착율 1.7 Å/min, 풀러렌막의 증착량 5㎚, 고주파 인가 7 dBm로 하였다.
도 9a와 도 9b에 있어서, 풀러렌의 클러스터가 기판 및 전극의 전면에 거의 균일하게 분산되어, 표면 전체에 균질한 풀러렌층이 형성되고 있는 것을 알 수 있다.
도 10a와 도 10b는 도 9a와 도 9b에서 나타낸 기판을 이용하고 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고, 이 상태에서 풀러렌층 위에 Ag을 증착한 경우의 기판 표면의 SEM상이다. 한편, 도 10a와 도 10b는 기판상의 다른 영역에서의 SEM상이다.
미세 구조물의 증착 조건은 기판 온도 실온, 증착율 1.7 Å/min, 풀러렌막의 두께 5㎚, Ag막의 두께 2㎚, 고주파 인가는 7 dBm로 하였다.
도 10a와 도 10b에서, Ag의 미세 구조가 고주파 전압에 의한 정재파의 특정 위치(입력 전극(12)의 마디부)에만 증착되어 있고, 기판(표면 탄성파 소자(10)) 표면 및 전극 표면과의 상호 작용을 저감하여 미세 구조를 소정 위치에 형성할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
전술한 본 발명에 의하면, 고주파 발생 장치(32)에서 발생한 고주파는, 전송 케이블(36)과 진공 커넥터(24)를 경유해 진공 챔버(22) 내로 들어가, 다시 도파로(소자 홀더(34))를 경유해 SAW 디바이스(10)에 도달하여, 그곳에서 표면 탄성파의 정재파(2)를 발생시킨다. 정재파(2)가 발생하는 것은 스펙트럼 애널라이저로 검출한다.
정재파(2)가 발생한 상태에서 2층의 진공 증착을 행한다. 이때, 첫번째 층에 풀러렌 등의 큰 분자를 이용하고, 두번째 층에 원하는 재료를 이용한다.
정재파에 의해 기판에 표면 에너지가 높은 점이 형성되고, 거기에 증착 미립자가 모여 나노 구조를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않고, 특허 청구 범위의 기재 및 특허 청구 범위의 기재와 균등한 의미, 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.

Claims (9)

  1. 압전체의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극을 갖는 표면 탄성파 소자와,
    상기 표면 탄성파 소자의 표면에 2 이상의 물질을 진공 증착 가능한 진공 증착 장치와,
    표면 탄성파 소자의 상기 전극간에 고주파 전압을 인가하는 고주파 인가 장치를 구비하고,
    상기 고주파 전압의 인가에 의해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시킨 상태에서, 복수의 박막층을 구성하고, 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 표면 탄성파 소자의 표면 전체에 풀러렌의 층을 증착에 의해 형성하고, 계속해서 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진공 증착 장치는, 표면 탄성파 소자를 수용하고 내부를 소정 진공도로 진공 감압 가능한 진공 챔버와, 상기 진공 챔버 내에 고주파 전류를 도입하는 진공 커넥터를 갖고,
    상기 고주파 인가 장치는, 소정 주파수의 고주파 전압을 발생하는 고주파 발생 장치와,
    임피던스 정합된 입력 도전막과 접지 도전막을 갖고 표면 탄성파 소자에 고주파 전압을 입력하는 소자 홀더와,
    임피던스 정합된 중심 도체와 쉴드 금속을 갖고 고주파 발생 장치로부터 진공 커넥터를 통해 소자 홀더까지 고주파 전압을 전파시키는 동축 케이블을 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력 도전막과 접지 도전막은, 절연 기판상에 NiCr 박막과 Au 박막을 개재하여 도금되고, 또한 상기 고주파가 그 표면에서 내부로 침투하는 표피 깊이보다 충분히 두꺼운 Cu 막인 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 장치.
  5. 압전체의 표면에 간격을 두고 위치하는 적어도 한 쌍의 전극을 갖는 표면 탄성파 소자를 진공 챔버 내에 수용하고 소정 진공도로 진공 감압하고,
    상기 전극간에 고주파 전압을 인가해 표면 탄성파 소자의 표면에 표면 탄성파의 정재파를 발생시키고,
    이 상태에서, 표면 탄성파 소자에 복수의 박막층을 구성하고, 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 박막층은, 표면 전체에 풀러렌의 층을 증착시키고, 계속해서 상기 정재파의 특정 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 풀러렌의 층은 기판 온도 실온∼200℃, 증착율 0.6∼1.7 Å/min, 증착 두께 30Å∼10㎚로 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 표면 탄성파 소자는 인접하는 전극간의 거리 500∼900㎚, 중심 주파수 850∼900㎒의 SAW 디바이스인 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 미세 구조물의 증착에서, 고주파 전압의 주파수를 순차적으로 높여, 표면 탄성파의 상기 정재파를 순차적으로 고차 모드로 변화시키고, 상기 정재파의 마디에 해당하는 위치에 미세 구조물을 증착하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물의 증착 방법.
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