KR20150113392A - Method of manufacturing metal oxide thin-layer having spinel structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부온도계수 서미스터(negative temperature coefficient thermistor, NTC 서미스터)로 이용되는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a metal oxide thin film having a spinel structure, and more particularly, to a method for producing a metal oxide thin film having a spinel structure used as a negative temperature coefficient thermistor (NTC thermistor) .
일반적으로, 온도 센서의 일종인 서미스터(thermistor)는, 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 현상을 이용한 부온도계수(NTC) 서미스터와, 일정 온도를 넘게 되면 급격하게 저항이 증가하는 현상을 이용한 정온도계수(positive temperature coefficient, PTC) 서미스터로 구분된다.In general, a thermistor, which is a kind of temperature sensor, is composed of a negative temperature coefficient (NTC) thermistor using a phenomenon in which the resistance decreases as the temperature increases and a resistance And a positive temperature coefficient (PTC) thermistor.
특히, NTC 서미스터는 넓은 온도 범위에서 저항이 지수적으로 감소하는 반도체 성질을 갖기 때문에 다양한 기술 분야에 널리 이용되고 있다. NTC 서미스터는 스피넬 구조를 갖는 천이금속 산화물을 기반으로 하고, 이러한 NTC 서미스터로 이용되는 물질은 NiO, MnO4, Co3O4 등을 들 수 있다.In particular, NTC thermistors are widely used in a variety of technical fields because they have a semiconductor property whose resistance exponentially decreases over a wide temperature range. The NTC thermistor is based on a transition metal oxide having a spinel structure, and the materials used for the NTC thermistor include NiO, MnO 4 , and Co 3 O 4 .
NTC 서미스터는 박막 형태로 제조되어 이용되고 있고, 상기 박막을 형성하는 데에는 전자빔 증착법(electron-beam evaporation), 상온 진공 분말 분사법(aerosol deposition), 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition), RF 스퍼터링법(RF sputtering) 등과 같은 방법이 주로 이용된다.The NTC thermistor is manufactured in the form of a thin film and is used for forming the thin film by electron-beam evaporation, room temperature vacuum powder deposition, pulsed laser deposition, RF sputtering RF sputtering) are mainly used.
그러나 상기와 같은 방법들로 박막 형태의 NTC 서미스터를 제조하기 위해서는 고진공의 장비가 필요하고, 약 1000℃ 이상의 고온 공정이 수반되거나 증착 속도가 매우 느리기 때문에 상업적으로 생산하는데 부적합하다는 단점이 있다.
However, in order to manufacture a thin film type NTC thermistor by the above-described methods, high-vacuum equipment is required, and it is disadvantageous in that it is not suitable for commercial production because it involves a high-temperature process of about 1000 ° C or more or a deposition rate is very low.
본 발명의 일 목적은 비진공 조건에서 용이하게 박막 형태의 NTC 서미스터를 제조하는, 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a metal oxide thin film having a spinel structure, which easily manufactures a thin film NTC thermistor in a non-vacuum condition.
일 측면으로서, 본 발명은 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법에서, 산화 니켈과 산화 망간을 포함하는 전구체 용액과 유기 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하고, 상기 혼합 용액을 기판에 코팅하여 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층을 베이킹하여 시드층을 형성한 후에, 상기 시드층을 400℃ 초과 800℃ 이하의 온도에서 결정화시켜 금속 산화물 박막을 형성한다.In one aspect, the present invention provides a method for producing a metal oxide thin film having a spinel structure. In the above manufacturing method, a precursor solution containing nickel oxide and manganese oxide is mixed with an organic solvent to prepare a mixed solution, the mixed solution is coated on a substrate to form a coating layer, and the coating layer is baked to form a seed layer Thereafter, the seed layer is crystallized at a temperature higher than 400 DEG C and 800 DEG C or lower to form a metal oxide thin film.
일 실시예에서, 상기 시드층의 결정화는 410℃ 내지 510℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, crystallization of the seed layer may be performed at 410 ° C to 510 ° C.
일 실시예에서, 상기 시드층을 형성하는 단계에서, 7℃/분 내지 13℃/분의 속도로 온도를 상승시킬 수 있다.In one embodiment, in forming the seed layer, the temperature may be raised at a rate of 7 [deg.] C / min to 13 [deg.] C / min.
일 실시예에서, 상기 시드층을 형성하는 단계의 승온 속도는 10℃/분일 수 있다.In one embodiment, the rate of temperature rise in the step of forming the seed layer may be 10 ° C / min.
일 실시예에서, 상기 시드층을 형성하는 단계는, 380℃ 내지 420℃까지 승온될 수 있다.In one embodiment, the step of forming the seed layer may be heated to 380 to 420 占 폚.
일 실시예에서, 상기 전구체 용액에서, 산화 니켈의 니켈과 산소의 원자비는 1:1이고, 산화 망간의 산소와 망간의 원자비는 1:1.5이며, 상기 금속 산화물 박막은 니켈-망간 산화물(NiMn2O4)을 포함할 수 있다.In one embodiment, in the precursor solution, the atomic ratio of nickel to oxygen in the nickel oxide is 1: 1, the atomic ratio of oxygen to manganese in the manganese oxide is 1: 1.5, and the metal oxide thin film is nickel- NiMn 2 O 4 ).
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 박막을 형성하는 단계 전에, 상기 시드층 상에 상기 혼합 용액을 이용하여 코팅층을 형성하고, 상기 시드층 상의 코팅층을 베이킹하는 단계를 더 수행할 수 있다.In one embodiment, before forming the metal oxide thin film, a step of forming a coating layer on the seed layer using the mixed solution, and baking the coating layer on the seed layer may be further performed.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 박막은 니켈-망간 산화물(NiMn2O4)으로 구성될 수 있다.In one embodiment, the metal oxide thin film may be composed of nickel-manganese oxide (NiMn 2 O 4 ).
일 실시예에서, 상기 전구체 용액은 산화 구리(CuO)를 더 포함하고, 이때, 상기 금속 산화물 박막은 니켈-망간-구리 산화물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the precursor solution further comprises copper oxide (CuO), wherein the metal oxide thin film may comprise nickel-manganese-copper oxide.
일 실시예에서, 상기 금속 산화물 박막은 니켈-망간-구리 산화물((1-x)NiMn2O4-(x)CuO, 여기서, 0.2 ≤ x ≤ 0.4 임)을 포함할 수 있다.
In one embodiment, the metal oxide thin film may comprise nickel-manganese-copper oxide ((1-x) NiMn 2 O 4 - (x) CuO, where 0.2 x 0.4).
본 발명에 따르면, 스피넬 구조의 니켈-망간 산화물을 포함하는 금속 산화물 박막을 비진공 조건에서 단순한 공정을 통해서 제조할 수 있어 제조비용을 낮추고 상업적으로 이용할 수 있다.
According to the present invention, a metal oxide thin film containing a nickel-manganese oxide having a spinel structure can be produced through a simple process in a non-vacuum condition, thereby lowering the manufacturing cost and making it commercially available.
도 1은 본 발명에 따른 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 결정화 공정의 온도에 따른 박막의 XRD 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 FS-SEM 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막 내부의 TEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막 표면의 TEM 사진 및 SAED 사진이다.
도 6은 결정화 공정의 온도에 따른 박막의 FE-SEM 사진들이다.
도 7은 금속 산화물 박막을 이용하여 샘플 소자를 형성하는 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 8은 산화 구리 함량에 따른 니켈-망간-구리 산화물의 저항률을 나타낸 그래프이다.
도 9는 산화 구리 함량에 따른 니켈-망간-구리 산화물의 온도 변화에 따른 저항을 나타낸 그래프이다.1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a metal oxide thin film having a spinel structure according to the present invention.
2 is an XRD graph of a thin film according to the temperature of the crystallization process.
FIG. 3 is an FS-SEM photograph of the metal oxide thin film prepared according to Example 1 of the present invention, and FIG. 4 is a TEM photograph of the inside of the metal oxide thin film produced according to Example 1 of the present invention.
5 is a TEM photograph and a SAED photograph of the surface of a metal oxide thin film produced according to Example 1 of the present invention.
Fig. 6 is FE-SEM photographs of thin films according to the temperature of the crystallization process.
7 is a process diagram for illustrating a process of forming a sample element using a metal oxide thin film.
8 is a graph showing the resistivity of nickel-manganese-copper oxide with respect to the content of copper oxide.
FIG. 9 is a graph showing the resistance of nickel-manganese-copper oxide according to the content of copper oxide with temperature change.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprises" or "having" is intended to designate the presence of stated features, elements, etc., and not one or more other features, It does not mean that there is none.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
도 1은 본 발명에 따른 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a metal oxide thin film having a spinel structure according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막을 제조하기 위해 전구체 용액을 준비하고(단계 S100), 상기 전구체 용액과 유기 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조한다(단계 S200).Referring to FIG. 1, a precursor solution is prepared for preparing a metal oxide thin film having a spinel structure according to the present invention (Step S100), and a mixed solution is prepared by mixing the precursor solution and an organic solvent (Step S200).
전구체 용액은 금속 산화물 박막을 구성하는 금속 산화물의 전구체(precursor)를 포함한다. 금속 산화물의 전구체는 금속 산화물을 구성하는 금속을 포함하는 화합물일 수 있다.The precursor solution includes a precursor of the metal oxide constituting the metal oxide thin film. The precursor of the metal oxide may be a compound containing a metal constituting the metal oxide.
금속 산화물 박막은 스피넬 구조를 갖는 니켈-망간 산화물(NiMn2O4)을 포함한다. 이때, 전구체는 산화 니켈 및 산화 망간을 포함할 수 있다. 이때, 산화 니켈의 니켈과 산소의 원자비는 1:1이고, 산화 망간의 산소와 망간의 원자비는 1:1.5일 수 있다. 금속 산화물의 구조 및 원자비에 따라서, 상기 전구체의 원자비를 조절할 수 있다.The metal oxide thin film includes a nickel-manganese oxide (NiMn 2 O 4 ) having a spinel structure. At this time, the precursor may include nickel oxide and manganese oxide. At this time, the atomic ratio of nickel and oxygen of nickel oxide is 1: 1, and the atomic ratio of oxygen and manganese oxide is 1: 1.5. Depending on the structure and atomic ratio of the metal oxide, the atomic ratio of the precursor can be controlled.
이와 달리, 금속 산화물 박막이 니켈-망간 산화물 외에 도핑된 금속 산화물을 더 포함하는 경우, 상기 전구체와 함께 도핑을 위한 금속 산화물을 전구체 용액에 첨가할 수 있다. 일례로, 금속 산화물 박막에는 산화 구리나 산화 코발트 등이 도핑될 수 있다. 이때, 상기 전구체 용액은 산화 니켈 및 산화 망간과 함께 산화 구리 또는 산화 코발트를 더 포함할 수 있다. 금속 산화물 박막은 산화 구리나 산화 코발트와 같은 금속 산화물이 도핑됨으로써 니켈-망간 산화물의 결정화 온도를 낮출 수 있다. Alternatively, if the metal oxide thin film further comprises a doped metal oxide in addition to the nickel-manganese oxide, a metal oxide for doping with the precursor may be added to the precursor solution. For example, the metal oxide thin film may be doped with copper oxide, cobalt oxide, or the like. At this time, the precursor solution may further include copper oxide or cobalt oxide together with nickel oxide and manganese oxide. The metal oxide thin film may be doped with a metal oxide such as copper oxide or cobalt oxide to lower the crystallization temperature of the nickel-manganese oxide.
유기 용매는 상기 전구체들과 금속유기화합물(metal organic compound)을 형성한다. 유기 용매의 예로서는, 메탄올(methanol), 아세트산(acetic acid), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 부틸아세테이트(butylacetate) 등을 이용할 수 있다. 일례로, 부틸 아세테이트를 유기 용매로 이용함으로써 고순도의 전구체 용액을 제조할 수 있다.The organic solvent forms a metal organic compound with the precursors. Examples of the organic solvent include methanol, acetic acid, ethylene glycol, and butylacetate. For example, by using butyl acetate as an organic solvent, a high-purity precursor solution can be prepared.
상기 전구체 용액과 상기 유기 용매를 혼합하고 교반함으로써, 상기 혼합 용액을 제조할 수 있다. 상기 혼합 용액은 전구체와 유기 용매가 결합된 금속유기화합물을 포함할 수 있다.The mixed solution may be prepared by mixing and stirring the precursor solution and the organic solvent. The mixed solution may include a metal organic compound in which a precursor and an organic solvent are combined.
이어서, 상기 혼합 용액으로 실리콘 기판 상에 코팅층을 형성한다(단계 S300). Next, a coating layer is formed on the silicon substrate with the mixed solution (step S300).
상기 코팅층은 상기 혼합 용액을 이용하여 스핀 코팅(spin coating), 담금 코팅(dip coating), 스프레이(spray), 롤 코팅(roll coating), 슬롯-다이 코팅(slot-die coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 등의 방법으로 형성할 수 있다. 일례로, 상기 혼합 용액을 실리콘 기판에 전체적으로 적하시킨 후, 그 위에서 스핀 코터를 회전시킴으로써 얇고 균일한 상기 코팅층을 형성할 수 있다. The coating layer may be formed by spin coating, dip coating, spray coating, roll coating, slot-die coating, ink-jet printing (ink coating) -jet printing) or the like. For example, the coating solution may be thinly and uniformly formed by dripping the mixed solution onto the silicon substrate as a whole, and rotating the spin coater thereon.
상기 코팅층의 두께는 상기 코팅층을 형성하는 방법, 상기 혼합 용액의 특성, 예를 들어 몰농도(molarity)나 점도 등에 따라 조절될 수 있다.The thickness of the coating layer can be controlled according to the method of forming the coating layer and the properties of the mixed solution, for example, molarity or viscosity.
한편, 상기 코팅층은 질화 실리콘막이 형성된 실리콘 기판 상에 형성할 수 있다. 즉, 상기 코팅층은 상기 질화 실리콘막 상에 형성될 수 있다. 상기 코팅층을 형성하기 전에, 상기 질화 실리콘막이 형성된 실리콘 기판을 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol) 및/또는 증류수 등으로 세정될 수 있다.Meanwhile, the coating layer may be formed on a silicon substrate having a silicon nitride film formed thereon. That is, the coating layer may be formed on the silicon nitride film. Before forming the coating layer, the silicon substrate having the silicon nitride film formed thereon may be cleaned with acetone, ethanol, and / or distilled water.
상기 코팅층을 베이킹(baking)하여 시드층을 형성한다(단계 S400).The coating layer is baked to form a seed layer (step S400).
상기 코팅층의 베이킹 공정은 380℃ 내지 420℃의 온도에서 수행될 수 있다. 다만, 상온(room temperature)에서 상기 코팅층을 형성한 후에 상온에서부터 7℃/분 내지 13℃/분의 속도로 온도를 상승시켜 상기 온도 범위에 도달하도록 조절한다. 상기 베이킹 공정을 통해서 금속유기화합물의 열분해(pyrolysis)되어, 비정질 상태의 금속 산화물을 포함하는 시드층이 형성된다.The baking process of the coating layer may be performed at a temperature of 380 ° C to 420 ° C. However, after the coating layer is formed at room temperature, the temperature is increased from room temperature to 7 ° C / min to 13 ° C / min to reach the temperature range. The metal organic compound is pyrolysed through the baking process to form a seed layer containing an amorphous metal oxide.
상기 베이킹 공정의 온도가 380℃ 미만에서 수행되는 경우에는, 상기 금속유기화합물의 열분해가 일어나지 않거나 부분적으로만 일어날 수 있어 결정화를 위한 시드(seed)가 불충분하게 형성되는 문제점이 있다. 또한, 상기 베이킹 공정의 온도가 420℃를 초과하는 경우에는, 베이킹 공정에서 과도한 응력(stress) 및 미세균열(microcrack)이 발생하여 시드층의 형성에 악영향을 줄 수 있다.If the temperature of the baking step is lower than 380 ° C, the metal organic compound may not be thermally decomposed or may only partially occur, resulting in insufficient formation of a seed for crystallization. If the temperature of the baking step is higher than 420 ° C, excessive stress and microcracks may occur in the baking step, which may adversely affect the formation of the seed layer.
동시에, 승온 속도가 7℃/분보다 느리면, 승온에 소요되는 시간이 지나치게 길어져 전체적인 공정 시간이 길어지고, 승온 속도가 13℃/분보다 빠르면 상기 코팅층에서 금속유기화합물의 일부가 순간적으로 증발하여 제거되면서 시드층이 형성되므로 후속 공정인 결정화 공정에서 결정성이 낮아지고 응력 및 미세균열에 의해 박막의 표면이나 내부에 많은 기공들이 발생하여 박막 표면이 갈라지는 문제가 발생한다. 따라서 상기 코팅층의 베이킹 공정을 위한 승온 속도를 상온에서부터 7℃/분 내지 13℃/분으로 조절함으로써 상기 실리콘 기판에 전체적으로 매끄러운 표면을 갖는 박막을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 베이킹 공정의 온도가 400℃로 설정되는 경우, 승온 속도가 10℃/분인 경우에 공정 시간 및 시드층의 표면을 모두 안정적으로 제어할 수 있다.At the same time, if the temperature raising rate is slower than 7 캜 / minute, the time required for raising the temperature becomes excessively long and the whole process time becomes long. If the temperature raising rate is faster than 13 캜 / minute, a part of the metal organic compounds evaporate instantaneously The crystallization is lowered in the subsequent crystallization process and many pores are generated on the surface or inside of the thin film due to stress and microcracks, resulting in a problem of cracking of the thin film surface. Therefore, a thin film having a smooth surface as a whole can be formed on the silicon substrate by controlling the rate of temperature increase for baking the coating layer from room temperature to 7 ° C / min to 13 ° C / min. Preferably, when the temperature of the baking step is set to 400 占 폚, both the processing time and the surface of the seed layer can be stably controlled when the temperature raising rate is 10 占 폚 / min.
한편, 상기에서 설명한 바와 같이 시드층을 형성한 후에는, 상기 시드층 상에 상기 혼합 용액을 이용하여 다시 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 질화 실리콘막 상에 바로 형성된 시드층을 "1차 시드층"이라고 하면, 상기 1차 시드층 상에 상기 혼합 용액을 이용하여 코팅층을 형성하고, 이 코팅층을 베이킹하여 2차 시드층을 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 2차 시드층 상에는 3차 시드층도 형성할 수 있고, 제조하고자 하는 금속 산화물 박막의 최종 두께를 고려하여 코팅층을 형성하고 이를 베이킹하는 공정을 복수 회 실시할 수 있다.On the other hand, after forming the seed layer as described above, the coating layer may be formed on the seed layer using the mixed solution. A seed layer directly formed on the silicon nitride film is referred to as a "primary seed layer ", a coating layer is formed on the primary seed layer using the mixed solution, and the coating layer is baked to form a secondary seed layer . In addition, a tertiary seed layer can be formed on the secondary seed layer, and a coating layer can be formed in consideration of the final thickness of the metal oxide thin film to be manufactured and baked.
한 번에 후박한 두께, 예를 들어 약 100 nm 이상의 코팅층을 제조하는 경우에는, 실리콘 기판에 전면적으로 균일한 두께의 코팅층을 형성하기 어렵고 이의 베이킹 공정에서 코팅층 내부의 금속유기화합물이, 표면에 비해, 분해되기 어려운 문제가 있다. 따라서 한 번에 형성하는 코팅층의 두께를 약 50 nm 이하로 하여 형성하고 이를 베이킹하는 공정을 복수 회 실시하여 상기 코팅층의 두께를 조절하는 것이 바람직하다.It is difficult to form a coating layer having uniform thickness over the entire surface of the silicon substrate when the coating layer is thick at a time, for example, about 100 nm or more. In the baking process, the metal organic compound in the coating layer , There is a problem that it is difficult to decompose. Accordingly, it is preferable that the thickness of the coating layer formed at one time is set to about 50 nm or less, and the step of baking the same is repeated a plurality of times to control the thickness of the coating layer.
상기 시드층을 열처리(annealing)하여 결정화 공정을 수행한다(단계 S500).The seed layer is annealed to perform a crystallization process (step S500).
상기 시드층을 구성하는 분해된 금속유기화합물들, 즉 시드가 결정화되어 금속 산화물을 형성함으로써, 상기 시드층은 상기 금속 산화물 박막으로 변환될 수 있다. 상기 결정화 공정은 400℃ 초과 800℃ 이하의 온도에서 수행된다.The seed layer may be converted into the metal oxide thin film by decomposing the decomposed metal organic compounds, i.e., the seed, crystallizing to form the metal oxide constituting the seed layer. The crystallization process is performed at a temperature of more than 400 ° C but not more than 800 ° C.
상기 결정화 공정의 온도가 400℃ 이하인 경우에는, 결정화가 일어나지 않아 실질적으로 시드층의 특성을 그대로 갖는 비정질 박막만으로 존재하거나 부분적인 결정화에 의해 직경이 약 3 nm 이하의 소수의 미세 결정립들만이 부분적으로 생성되어 금속 산화물 박막의 특성이 거의 나타나지 않는 문제점이 있다. 또한, 상기 결정화 공정의 온도가 800℃ 초과인 경우에는, 공정 온도에 이르게 하는데 소요되는 시간이 길어져 전체적인 공정 시간이 증가하고 고온 장비를 마련해야 하는 등의 경제성이 낮다. 따라서 상기 결정화 공정의 온도는 400℃ 초과 800℃ 이하의 온도 범위에서 수행되고, 바람직하게는 410℃ 내지 650℃에서 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 결정화 공정의 온도는 410℃ 내지 510℃일 수 있다. 이와 같이, 상기 결정화 공정의 온도가 500℃ 내외의 온도에서 수행됨으로써 ROIC(Read-out Integrated Circuit) 기판 상 제조 공정 등에 용이하게 이용될 수 있다.When the temperature of the crystallization process is 400 ° C or lower, crystallization does not occur, and only the amorphous thin film having substantially the characteristics of the seed layer is present, or only a small number of microcrystals having a diameter of about 3 nm or less are partially And the characteristics of the metal oxide thin film are hardly displayed. Further, when the temperature of the crystallization process is higher than 800 ° C., the time required for reaching the process temperature becomes longer, which increases the overall process time and lowers the economical efficiency such as the provision of high-temperature equipment. Therefore, the temperature of the crystallization process is performed in a temperature range of 400 ° C to 800 ° C, preferably 410 ° C to 650 ° C. More preferably, the temperature of the crystallization process may be from 410 ° C to 510 ° C. As described above, the crystallization process is performed at a temperature of about 500 ° C., so that it can be easily used in a manufacturing process on a ROIC (read-out integrated circuit) substrate.
상기에서 설명한 바에 따르면, 종래에 1,000℃ 이상의 고온의 진공 조건에서 제조하던 것과 달리, 스피넬 구조의 니켈-망간 산화물을 포함하는 금속 산화물 박막을 500℃ 내외의 저온 비진공 조건에서 단순한 공정을 통해서 제조할 수 있어 제조비용을 낮추고 상업적으로 이용할 수 있다.
According to the above description, a metal oxide thin film containing a nickel-manganese oxide having a spinel structure is manufactured through a simple process under a low-temperature non-vacuum condition at about 500 ° C. Which can lower the manufacturing cost and be commercially available.
이하에서는, 실시예들 및 비교예들, 이에 따라 제조된 샘플들 및 비교 샘플들을 통해서 본 발명에 따른 금속 산화물 박막의 제조 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a method for producing a metal oxide thin film according to the present invention will be described in more detail through examples and comparative examples, samples thus prepared, and comparative samples.
실시예 1: NiMnExample 1: NiMn 22 OO 44 의 제조Manufacturing
출발물질로서 농도 0.5 mol/L의 EMOD 용액(상품명, 일본 고순도화학(Kojundo), 일본)을 이용하고 NiO와 MnO1.5를 포함하는 전구체 용액에, 부틸아세테이트(butylacetate)를 첨가하여 0.2 mol/L 농도의 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 약 1시간동안 교반한 후, 교반된 혼합 용액을 스핀 코터를 이용하여 질화 실리콘막이 형성된 실리콘 기판 상에 코팅하여 코팅층을 형성하였다. 상기 코팅층을 형성하기 전에, 질화 실리콘막이 형성된 실리콘 기판은 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol) 및 증류수 각각으로 10분씩 초음파 세정하였다.Butyl acetate (butylacetate) was added to a precursor solution containing NiO and MnO 1.5 at a concentration of 0.2 mol / L using an EMOD solution (trade name: Kojundo, Japan) as a starting material at a concentration of 0.5 mol / Was prepared. After the mixed solution was stirred for about 1 hour, the mixed solution was coated on a silicon substrate having a silicon nitride film formed thereon by a spin coater to form a coating layer. Before forming the coating layer, the silicon substrate on which the silicon nitride film was formed was ultrasonically washed with acetone, ethanol and distilled water for 10 minutes each.
상기 코팅층은 상기 혼합 용액 0.5 mL를 세정된 실리콘 기판 상에 도포하고 상기 스핀 코터를 1000 rpm에서 약 30초간 회전시켜 형성하였다. 이어서, 상기 코팅층이 형성된 실리콘 기판을 핫-플레이트(hot-plate) 상에 배치시키고 10℃/분의 승온 속도로 400℃까지 가열하여 베이킹(baking) 공정을 수행하여 1차 시드층을 형성하였다. 상기 1차 시드층 상에 다시 코팅층을 형성하고 베이킹 공정을 수행하여 2차 시드층을 형성한 후, 상기 2차 시드층 상에 3차 시드층을 형성하였다.The coating layer was formed by coating 0.5 mL of the mixed solution on a cleaned silicon substrate and rotating the spin coater at 1000 rpm for about 30 seconds. Subsequently, the silicon substrate on which the coating layer was formed was placed on a hot-plate, heated to 400 ° C at a heating rate of 10 ° C / min, and baked to form a first seed layer. A coating layer is formed on the first seed layer and a baking process is performed to form a second seed layer, and then a third seed layer is formed on the second seed layer.
상기 1차, 2차 및 3차 시드층들에 튜브 전기로(tube furnace)에서 500℃에서 약 1시간 동안 열처리 공정을 수행하여 본 발명의 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막(샘플 1)을 제조하였다.
The first, second and third seed layers were subjected to a heat treatment process in a tube furnace at 500 ° C for about 1 hour to prepare a metal oxide thin film (sample 1) according to Example 1 of the present invention Respectively.
실시예 2, 3 및 4Examples 2, 3 and 4
열처리 공정의 온도를 600℃, 700℃ 및 800℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막을 제조하는 방법과 동일한 공정으로 실시예 2, 3 및 4에 따른 금속 산화물 박막(샘플 2, 3 및 4)을 제조하였다.
The metal oxide thin films according to Examples 2, 3 and 4 (samples (samples) according to Examples 1, 2 and 3 were prepared in the same manner as the method for producing the metal oxide thin film according to Example 1 except that the temperature of the heat treatment process was set to 600 캜, 700 캜, 2, 3 and 4).
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1에서 설명한 것과 실질적으로 동일한 혼합 용액을 제조하여 0.5 mL를 세정된 실리콘 기판 상에 도포하고 스핀 코터를 1000 rpm에서 약 30초간 회전시켜 비교예 1에 따른 박막(비교샘플 1)을 제조하였다.
A mixed solution substantially the same as that described in Example 1 was prepared, 0.5 mL was applied on a cleaned silicon substrate, and the spin coater was rotated at 1000 rpm for about 30 seconds to prepare a thin film according to Comparative Example 1 (Comparative Sample 1) .
비교예 2Comparative Example 2
열처리 공정의 온도를 400℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막을 제조하는 방법과 동일한 공정으로 비교예 2에 따른 박막(비교샘플 2)을 제조하였다.
A thin film according to Comparative Example 2 (Comparative Sample 2) was produced in the same manner as in the method of producing the metal oxide thin film according to Example 1, except that the temperature of the heat treatment step was set at 400 캜.
박막의 결정성 분석Crystallinity analysis of thin films
실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 박막의 결정성을 확인하기 위해서 XRD (X-ray Diffraction) 분석을 하였고, 그 결과를 도 2에 나타낸다. XRD 분석은 D/Max-2500V/PC (상품명, Rigaku, 일본) 장비를 이용하였다.XRD (X-ray diffraction) analysis was performed to confirm the crystallinity of the thin films prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, and the results are shown in Fig. XRD analysis was performed using D / Max-2500V / PC (trade name, Rigaku, Japan).
또한, 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막을 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 FE-TEM(Field Emission Transmission Electron Microscope)으로 촬영하였다. FE-TEM은 JEM-4010 (상품명, Jeol, 일본) 장비를 이용하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타낸다.Further, the metal oxide thin film produced according to Example 1 was photographed by SEM (Scanning Electron Microscope) and FE-TEM (Field Emission Transmission Electron Microscope). The FE-TEM was equipped with JEM-4010 (trade name, Jeol, Japan). The results are shown in Fig. 3 and Fig.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막을 SAED (Selected Area Electron Diffraction) 분석을 하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.
In addition, SAED (Selected Area Electron Diffraction) analysis was performed on the metal oxide thin film produced according to Example 1. The results are shown in Fig.
도 2는 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 박막의 XRD 그래프이다.2 is an XRD graph of a thin film prepared according to Examples and Comparative Examples.
도 2에 도시된 500℃에서 결정화한 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막에 대한 회절각(2θ)에 따른 강도(intensity, 단위 a.u)를 살펴보면, 약 35° 및 약 37°에서 회절 피크가 나타남을 알 수 있다. 약 35°에서 나타난 회절 피크를 통해 (311) 방향으로 성장한 스피넬 구조를, 약 37°에서 나타난 회절 피크를 통해서 (222) 방향으로 성장한 스피넬 구조의 금속 산화물 박막이 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to the intensity (unit au) according to the diffraction angle (2?) Of the metal oxide thin film according to Example 1 crystallized at 500 ° C. shown in FIG. 2, a diffraction peak appears at about 35 ° and about 37 ° Able to know. It can be seen that the spinel structure grown in the (311) direction through the diffraction peak at about 35 ° is formed to have the spinel structure of the metal oxide thin film grown in the (222) direction through the diffraction peak shown at about 37 °.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 니켈-망간 산화물의 FS-SEM 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막 내부의 TEM 사진이다. 도 4의 금속 산화물 박막의 내부는 질화 실리콘막과 접촉하는 부분의 금속 산화물 박막을 의미한다.FIG. 3 is an FS-SEM photograph of the nickel-manganese oxide prepared according to Example 1 of the present invention, and FIG. 4 is a TEM photograph of the inside of the metal oxide thin film produced according to Example 1 of the present invention. The inside of the metal oxide thin film in Fig. 4 means a metal oxide thin film in a portion in contact with the silicon nitride film.
도 3에 도시된 단면 사진을 보면, 500℃에서 열처리된 금속 산화물 박막이 실리콘 기판 상의 질화 실리콘막 상에 약 110 nm의 두께로 형성된 것을 알 수 있다. 상기 금속 산화물 박막은 전반적으로 균일하게 형성되고, 그 내부에 기공 없이 높은 밀도로 증착됨을 알 수 있다. 도 4에 도시된 사진을 보면, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 내부에는 직경이 약 20 nm 이상의 큰 결정립이 형성된 것을 알 수 있다.3, it can be seen that the metal oxide thin film heat-treated at 500 ° C is formed to a thickness of about 110 nm on the silicon nitride film on the silicon substrate. It can be seen that the metal oxide thin film is uniformly formed over the entire surface, and the metal oxide thin film is deposited at a high density without pores therein. 4, large grains having a diameter of about 20 nm or more are formed in the metal oxide thin film manufactured according to the first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막 표면의 TEM 사진 및 SAED 사진이다. 도 5의 SAED 사진을 통해서 금속 산화물 박막을 구성하는 니켈-망간 산화물은 다결정질임을 알 수 있고, (311) 방향과 (400) 방향으로 성장한 것을 알 수 있다. 도 5에 도시된 TEM 사진을 보면, 직경이 약 2 nm 내지 3 nm인 미세 결정립이 형성된 것을 알 수 있다. 도 4에서 확인되는 큰 결정립은 베이킹 공정을 통해서 시드층의 내부에 형성된 시드가 열처리 공정에서 성장하므로, 도 5에서 확인되는 미세 결정립보다 상대적으로 큰 크기로 금속 산화물 박막의 내부에 형성된 것으로 볼 수 있다.5 is a TEM photograph and a SAED photograph of the surface of a metal oxide thin film produced according to Example 1 of the present invention. It can be seen from the SAED picture of FIG. 5 that the nickel-manganese oxide constituting the metal oxide thin film is polycrystalline and grown in the (311) direction and the (400) direction. It can be seen from the TEM photographs shown in FIG. 5 that microcrystalline grains having a diameter of about 2 nm to 3 nm are formed. 4, since the seeds formed in the seed layer through the baking process grow in the heat treatment process, they can be seen to be formed in the metal oxide thin film with a relatively larger size than the microcrystalline grains found in FIG. 5 .
이와 관련하여, 도 2의 XRD 그래프에서 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 회절 피크의 강도는 직경이 2 nm 내지 3 nm인 다수의 미세 결정립에 의해서 낮게 나오지만, 도 5에서 나타나는 바와 같이 결정질 상태로 치밀하게 형성됨을 확인할 수 있다.In this connection, the intensity of the diffraction peak of the metal oxide thin film produced according to Example 1 in the XRD graph of FIG. 2 is lowered by a large number of microcrystal grains having a diameter of 2 nm to 3 nm, As shown in FIG.
다시 도 2를 참조하면, 600℃에서 결정화한 실시예 2에 따른 금속 산화물 박막에 대한 그래프에서는, 추가적으로 약 43°에서 회절 피크가 나타남을 알 수 있고, 이를 통해 (400) 방향으로 성장한 스피넬 구조의 금속 산화물 박막이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 약 35°에서의 회절 피크의 강도가, 실시예 2에 따라 제조된 금속 산화물 박막이 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막에 비해서 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이를 통해서, 결정화 공정의 온도가 600℃인 경우, 500℃인 경우에 비해 더 많은 결정립이 생성되고, 결정립의 크기도 더 커진 것을 알 수 있다.Referring again to FIG. 2, in the graph of the metal oxide thin film according to Example 2 crystallized at 600 ° C, a diffraction peak appears at an additional angle of about 43 °, indicating that the spinel structure grown in the (400) It can be confirmed that the metal oxide thin film is formed. It can also be seen that the strength of the diffraction peak at about 35 DEG has a larger value than that of the metal oxide thin film prepared according to Example 2, compared with the metal oxide thin film prepared according to Example 1. [ As a result, it can be seen that, when the temperature of the crystallization process is 600 ° C., more crystal grains are generated and the crystal grain size is larger than that at 500 ° C.
700℃에서 결정화한 실시예 3 및 800℃에서 결정화한 실시예 4에 따른 금속 산화물 박막 각각에서는, 약 35°, 약 37° 및 약 43°에서 회절 피크뿐만 아니라 약 29.5°에서 회절 피크가 나타남을 알 수 있다. 이를 통해 (220) 방향으로 성장한 스피넬 구조의 금속 산화물 박막이 형성된 것을 확인할 수 있고, 결정화 온도가 600℃에서 700℃ 및 800℃로 증가하면서 더 많은 결정립이 생성되고, 결정립의 크기도 커지는 것을 알 수 있다. 다만, 결정화 공정의 온도가 800℃인 경우에는 결정화 공정의 온도가 700℃인 경우의 XRD 그래프의 경향이 실질적으로는 동일함을 알 수 있다.In each of the metal oxide thin films according to Example 4 crystallized at 700 ° C and crystallized at 800 ° C according to Example 4, diffraction peaks appear at about 29.5 ° as well as at diffraction peaks at about 35 °, about 37 °, and about 43 ° Able to know. As a result, it can be seen that a metal oxide thin film having a spinel structure grown in the (220) direction is formed, and it is found that as the crystallization temperature is increased from 600 ° C to 700 ° C and 800 ° C, more crystal grains are formed and the crystal grain size becomes larger have. However, when the temperature of the crystallization process is 800 ° C, the tendency of the XRD graph when the temperature of the crystallization process is 700 ° C is substantially the same.
상기에서 살펴본 바와 같이, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 분석 결과에 따르면, 약 32°에서 나타나는 실리콘 기판에 의한 회절 피크와 29.5°, 35°, 37° 및 43°에서의 회절 피크 이외에 다른 회절 피크는 관찰되지 않음을 알 수 있다. 이를 통해서, 실리콘 기판 상에 단일상(single phase)의 니켈-망간 산화물이 성장하였음을 알 수 있다. 니켈-망간 산화물에 의한 회절 피크의 강도가 실리콘 기판의 회절 피크의 강도보다 낮은 것은, 실리콘 기판의 두께가 금속 산화물 박막의 두께보다 얇고 결정립 크기가 작기 때문으로 볼 수 있다.As described above, according to the results of the analysis of the metal oxide thin films prepared according to Examples 1 to 4, it was confirmed that the diffraction peak at 29.5 °, 35 °, 37 ° and 43 °, It can be seen that no diffraction peaks other than the peak are observed. From this, it can be seen that a single phase of nickel-manganese oxide has grown on the silicon substrate. The reason why the intensity of the diffraction peak due to the nickel-manganese oxide is lower than the intensity of the diffraction peak of the silicon substrate is that the thickness of the silicon substrate is smaller than the thickness of the metal oxide thin film and the grain size is small.
반면, 비교예 1 및 2에 따른 박막의 XRD 그래프에서는 실리콘 기판에 의한 회절 피크 외의 회절 피크는 나타나지 않은 것을 알 수 있다. 즉, 혼합 용액을 코팅한 코팅층에는 결정화된 금속 산화물이 포함되지 않고, 시드층을 400℃에서 열처리하더라도 결정화가 일어나지 않은 상태인 비정질 상태의 박막으로 존재함을 알 수 있다.On the other hand, in the XRD graph of the thin film according to Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the diffraction peaks other than the diffraction peak due to the silicon substrate are not shown. That is, it can be seen that the coating layer coated with the mixed solution does not contain the crystallized metal oxide and exists as an amorphous thin film in which crystallization does not occur even when the seed layer is heat-treated at 400 ° C.
도면으로 도시하지는 않았으나, 시드층의 열처리 온도를 410℃에서부터 490℃ 사이에서 10℃ 간격으로 수행한 결과, 시드층에서 결정화가 일어나기 시작하는 온도는 약 410℃임을 알 수 있었다.
Although not shown in the drawings, the annealing temperature of the seed layer was varied from 410 ° C. to 490 ° C. at intervals of 10 ° C. As a result, it was found that the temperature at which crystallization started to occur in the seed layer was about 410 ° C.
도 6은 결정화 공정의 온도에 따른 박막의 FE-SEM 사진들이다.Fig. 6 is FE-SEM photographs of thin films according to the temperature of the crystallization process.
도 6에서, (a)는 비교예 1에 따라 제조된 박막의 표면 사진이고, (b)는 비교예 2에 따라 제조된 박막, (c)는 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막, (d)는 실시예 4에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 표면 사진이다.6 (a) is a photograph of the surface of the thin film prepared according to Comparative Example 1, (b) is a thin film prepared according to Comparative Example 2, (c) is a metal oxide thin film prepared according to Example 1, d) is a photograph of the surface of the metal oxide thin film prepared according to Example 4. Fig.
도 6의 (a)를 참조하면, 상기 혼합 용액이 실리콘 기판 상에 코팅된 코팅층의 표면은 그물과 같은 형태로 보이는 것을 알 수 있다. 사진에서 흰색 선으로 보이는 부분은, 상기 혼합 용액이 다른 부분에 비해 상대적으로 많이 뭉쳐져 있는 부분이다. 도 6의 (b)를 참조하면, 베이킹 공정 및 400℃에서 열처리 공정이 수행됨으로써 상기 흰색 선이 거의 없어진 것을 확인할 수 있다. 또한, 흰색 선으로 구획되는 면적이 (a)와 비교할 때, 넓어진 것을 알 수 있다. 특히, 베이킹 공정을 10℃/분의 승온 속도로 400℃까지 점점 올리면서 수행하여 박막 표면이 매끄러운 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 (a), it can be seen that the surface of the coating layer coated with the mixed solution on the silicon substrate looks like a net. The white line in the photograph indicates that the mixed solution is a relatively large portion of the solution as compared with the other portions. Referring to FIG. 6 (b), it can be confirmed that the white line is almost eliminated by performing the baking process and the heat treatment process at 400 ° C. Further, it can be seen that the area divided by the white line is wider as compared with (a). Particularly, the baking process is carried out at a temperature raising rate of 10 ° C / min while gradually raising to 400 ° C, which shows that the thin film surface is smooth.
이와 비교하여, 도 6의 (c)에서는, (b)에서의 흰색 선으로 구획되는 면적보다 더 넓어진 것, 즉, 흰색 선이 거의 없어진 것을 확인할 수 있고, (d)에서는 흰색 선이 거의 없다. 즉, 500℃ 및 800℃로 열처리 공정을 수행함으로써 많은 결정립이 생성됨을 알 수 있다.
In contrast, in FIG. 6C, it can be confirmed that the area wider than the area partitioned by the white line in FIG. 6B, that is, the white line is almost eliminated, and in FIG. That is, it can be seen that many crystal grains are produced by performing the heat treatment process at 500 ° C and 800 ° C.
실시예 5: (0.8)NiMnExample 5: (0.8) NiMn 22 OO 44 -(0.2)CuO 제조- (0.2) CuO production
질화 실리콘막이 형성된 실리콘 기판은 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol) 및 증류수 각각으로 10분씩 초음파 세정하여 세정된 실리콘 기판을 준비하였다. 출발물질로서 농도 0.5 mol/L의 EMOD 용액(상품명, 일본 고순도화학(Kojundo), 일본)을 이용하고 NiO, MnO1.5 및 CuO를 포함하는 전구체 용액에, 부틸아세테이트(butylacetate)를 첨가하여 제조된 0.2 mol/L 농도의 혼합 용액을 이용하여 상기 실리콘 기판 상에 코팅층을 형성하였다.The silicon substrate on which the silicon nitride film was formed was ultrasonically washed with acetone, ethanol and distilled water for 10 minutes to prepare a cleaned silicon substrate. (0.2) prepared by adding butylacetate (butylacetate) to a precursor solution containing NiO, MnO 1.5 and CuO by using an EMOD solution (trade name: Kojundo, Japan) as a starting material at a concentration of 0.5 mol / mol / L was used to form a coating layer on the silicon substrate.
상기 코팅층은 상기 혼합 용액 0.5 mL를 세정된 실리콘 기판 상에 도포하고 상기 스핀 코터를 1000 rpm에서 약 30초간 회전시켜 형성하였다. 이어서, 상기 코팅층이 형성된 실리콘 기판을 핫-플레이트(hot-plate) 상에 배치시키고 10℃/분의 승온 속도로 400℃까지 가열하여 베이킹(baking) 공정을 수행하여 1차 시드층을 형성하였다. 상기 1차 시드층 상에 다시 코팅층을 형성하고 베이킹 공정을 수행하여 2차 시드층을 형성한 후, 상기 2차 시드층 상에 3차 시드층을 형성하였다.The coating layer was formed by coating 0.5 mL of the mixed solution on a cleaned silicon substrate and rotating the spin coater at 1000 rpm for about 30 seconds. Subsequently, the silicon substrate on which the coating layer was formed was placed on a hot-plate, heated to 400 ° C at a heating rate of 10 ° C / min, and baked to form a first seed layer. A coating layer is formed on the first seed layer and a baking process is performed to form a second seed layer, and then a third seed layer is formed on the second seed layer.
상기 1차, 2차 및 3차 시드층들에 튜브 전기로(tube furnace)에서 500℃에서 약 12시간 동안 열처리 공정을 수행하여 본 발명의 실시예 5에 따라 금속 산화물 박막(샘플 5)을 제조하였다.
The first, second and third seed layers were subjected to a heat treatment process in a tube furnace at 500 ° C for about 12 hours to prepare a metal oxide thin film (Sample 5) according to Example 5 of the present invention Respectively.
실시예 6 내지 9Examples 6 to 9
CuO의 함량을 제외하고는 실시예 5의 방법과 실질적으로 동일한 공정을 통해 실시예 6, 7, 8 및 9에 따라 금속 산화물 박막을 제조하였다. 실시예 6 내지 9에 따라 제조된 금속 산화물 박막(샘플 6, 7, 9 및 9) 각각은 하기와 같은 조성으로 제조되었다.
A metal oxide thin film was prepared according to Examples 6, 7, 8 and 9 through substantially the same process as that of Example 5 except for the content of CuO. Each of the metal oxide thin films (Samples 6, 7, 9 and 9) prepared according to Examples 6 to 9 was produced in the following composition.
실시예 6에 따라 제조된 금속 산화물 박막: (0.75)NiMn2O4-(0.25)CuOThe metal oxide thin film prepared according to Example 6: (0.75) NiMn 2 O 4 - (0.25) CuO
실시예 7에 따라 제조된 금속 산화물 박막: (0.7)NiMn2O4-(0.3)CuOThe metal oxide thin film prepared according to Example 7: (0.7) NiMn 2 O 4 - (0.3) CuO
실시예 8에 따라 제조된 금속 산화물 박막: (0.65)NiMn2O4-(0.35)CuOThe metal oxide thin films prepared according to Example 8 were: (0.65) NiMn 2 O 4 - (0.35) CuO
실시예 9에 따라 제조된 금속 산화물 박막: (0.6)NiMn2O4-(0.4)CuO
The metal oxide thin film prepared according to Example 9: (0.6) NiMn 2 O 4 - (0.4) CuO
샘플 소자의 제조Fabrication of sample devices
도 7은 금속 산화물 박막을 이용하여 샘플 소자를 형성하는 공정을 설명하기 위한 공정도이다. 도 7의 (a)와 같이 실리콘 기판(SU) 상에 실시예 5에 따라 제조된 금속 산화물 박막(MOL)을 포함하는 샘플 5를 준비한 후, 도 7의 (b)와 같이 패터닝 및 이온 밀링하였다. 이어서, 도 7의 (c)와 같이 금속 산화물 박막 패턴(MOP)과 연결된 전극 패드(EP)를 형성함으로써 샘플 소자 1을 제조하였다.7 is a process diagram for illustrating a process of forming a sample element using a metal oxide thin film. 7A, a sample 5 including a metal oxide thin film (MOL) prepared according to Example 5 was prepared on a silicon substrate SU, and then patterned and ion milled as shown in FIG. 7B . Then, an electrode pad EP connected to the metal oxide thin film pattern (MOP) was formed as shown in FIG. 7 (c).
샘플 소자 1을 제조한 것과 실질적으로 동일한 공정을 통해서, 샘플 6, 7, 8 및 9의 금속 산화물 박막 각각을 이용하여 샘플 소자 2, 3, 4 및 5를 제조하였다.
또한, 샘플 소자 1을 제조한 것과 실질적으로 동일한 공정을 통해서, 샘플 1의 금속 산화물 박막을 이용하여 샘플 소자 6을 제조하였다.
Further, a sample element 6 was prepared using the metal oxide thin film of
박막의 특성 평가: 저항률 및 TCRCharacterization of Thin Films: Resistivity and TCR
상기와 같이 제조된 샘플 소자 1 내지 6 각각을 이용하여 약 25℃~30℃의 실내온도(room temperature)에서의 저항률을 측정하였고, 온도 변화에 따른 저항률 변화를 측정하였다. 또한, TCR(Temperature Coefficient of Resistance)을 계산하였다. 그 결과를 도 8, 도 9 및 하기 표 1에 나타낸다.The resistivity at room temperature of about 25 ° C to 30 ° C was measured using each of the
(단위: Ωㆍ㎝)Resistivity
(Unit: Ω · cm)
(단위: %/K)TCR
(Unit:% / K)
도 8은 산화 구리 함량에 따른 니켈-망간-구리 산화물의 저항률을 나타낸 그래프이다. 표 1 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 산화물 박막(샘플 소자 6)의 실내 온도에서의 저항률은 약 1033.5 Ωㆍ㎝인 반면, 실시예 5 내지 9에 따라 제조된 금속 산화물 박막(샘플 소자 1 내지 5)의 저항률은 약 13.86 Ωㆍ㎝, 12.01 Ωㆍ㎝, 8.92 Ωㆍ㎝, 8.01 Ωㆍ㎝ 및 6.81 Ωㆍ㎝인 것을 알 수 있다. 즉, 산화 구리가 니켈-망간 산화물에 도핑됨으로써 저항이 1/100 수준으로 낮아지는 것을 알 수 있다. 산화 구리의 함량이 증가할수록 저항은 낮아짐을 알 수 있다.8 is a graph showing the resistivity of nickel-manganese-copper oxide with respect to the content of copper oxide. Referring to Table 1 and FIG. 8, the resistivity at room temperature of the metal oxide thin film (sample element 6) prepared according to Example 1 of the present invention is about 1033.5? 占 ㎝ m, The resistivities of the metal oxide thin films (
도 9는 산화 구리 함량에 따른 니켈-망간-구리 산화물의 온도 변화에 따른 저항을 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing the resistance of nickel-manganese-copper oxide according to the content of copper oxide with temperature change.
도 9와 함께 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 5 내지 9에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 저항률은 80℃~85℃에서, 4.51 Ωㆍ㎝, 0.99 Ωㆍ㎝, 0.9 Ωㆍ㎝, 1.76 Ωㆍ㎝ 및 1.83 Ωㆍ㎝인 것을 알 수 있다. 25℃에서 55℃의 온도 구간에서는 산화 구리의 함량이 많을수록 저항률은 낮은 값을 갖는 경향을 보이지만, 실시예 7에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 저항률은 35℃ 이상의 온도에서는 가장 낮은 저항률을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 55℃에서 85℃의 온도 구간에서는 실시예 6에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 저항률이 실시예 5 뿐만 아니라 실시예 8 및 9에 따라 제조된 금속 산화물 박막의 저항률보다도 낮아지는 것을 확인할 수 있다.9, the resistivities of the metal oxide thin films prepared according to Examples 5 to 9 of the present invention were 4.51? Cm, 0.99? 1.76? 占 ㎝ m and 1.83? 占 ㎝ m. The resistivity of the metal oxide thin film prepared according to Example 7 tends to be lowest at a temperature of 35 ° C or higher in the temperature range of 25 ° C to 55 ° C, . It is also confirmed that the resistivity of the metal oxide thin film produced according to Example 6 is lower than that of the metal oxide thin film prepared according to Examples 8 and 9 in the temperature range of 55 ° C to 85 ° C .
TCR 값을 참조하면, 본 발명의 실시예 5 내지 9에 따라 제조된 금속 산화물 박막은 실내 온도에서 약 -4.57 %/K 내지 -1.41 %/K의 값을 가지고 약 80℃~85℃에서 약 -3.05 %/K 내지 -1.09 %/K의 값을 가짐을 알 수 있다.Referring to the TCR values, the metal oxide thin films prepared according to Examples 5 to 9 of the present invention have a value of about -4.57% / K to -1.41% / K at room temperature, It can be seen that it has a value of 3.05% / K to -1.09% / K.
특히, 샘플 소자 2 및 5의 경우, 실내 온도에서 측정한 TCR과 약 80℃~85℃에서 측정한 TCR의 변화를 볼 때, 온도가 증가한 경우에 TCR 값이 감소하긴 했지만 그 차이가 대략 0.02 %/K정도에 불과함을 알 수 있다. 실내 온도보다 높은 온도에 놓이더라도 TCR 값이 크게 차이가 없으므로, 온도 변화에 민감한 전기 장치나 광학 장치 등에 널리 이용되기에 적합함을 알 수 있다. 또한, 샘플 소자 1 및 4의 경우에는 온도가 증가한 경우, 오히려 TCR 값이 증가하고 그 차이가 대략 0.24 %/K 및 0.81 %/K임을 알 수 있다.In particular, in the case of the
Claims (10)
상기 혼합 용액을 기판에 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;
상기 코팅층을 베이킹하여 시드층을 형성하는 단계; 및
상기 시드층을 400℃ 초과 800℃ 이하의 온도에서 결정화시켜 금속 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
Preparing a mixed solution by mixing a precursor solution containing nickel oxide and manganese oxide with an organic solvent;
Coating the mixed solution on a substrate to form a coating layer;
Baking the coating layer to form a seed layer; And
And crystallizing the seed layer at a temperature higher than 400 ° C and 800 ° C or lower to form a metal oxide thin film.
410℃ 내지 510℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein forming the metal oxide thin film comprises:
Wherein the annealing is performed at a temperature ranging from 410 < 0 > C to 510 < 0 > C.
7℃/분 내지 13℃/분의 속도로 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
2. The method of claim 1, wherein forming the seed layer comprises:
Wherein the temperature is raised at a rate of 7 DEG C / min to 13 DEG C / min.
4. The method of manufacturing a metal oxide thin film according to claim 3, wherein the step of forming the seed layer has a temperature increase rate of 10 DEG C / min.
380℃ 내지 420℃까지 승온되는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
4. The method of claim 3, wherein forming the seed layer comprises:
Wherein the temperature is raised from 380 to 420 캜.
상기 금속 산화물 박막은 니켈-망간 산화물(NiMn2O4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein in the precursor solution, the atomic ratio of nickel and oxygen of the nickel oxide is 1: 1, the atomic ratio of oxygen to manganese is 1: 1.5,
Wherein the metal oxide thin film comprises nickel-manganese oxide (NiMn 2 O 4 ).
상기 금속 산화물 박막을 형성하는 단계 전에, 상기 시드층 상에 상기 혼합 용액을 이용하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 시드층 상의 코팅층을 베이킹하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Forming a coating layer on the seed layer using the mixed solution before forming the metal oxide thin film; And
And baking the coating layer on the seed layer. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
니켈-망간 산화물(NiMn2O4)으로 구성된 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the metal oxide thin film
Nickel-manganese oxide (NiMn 2 O 4 ).
상기 금속 산화물 박막은 니켈-망간-구리 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the precursor solution further comprises copper oxide (CuO)
Wherein the metal oxide thin film comprises nickel-manganese-copper oxide.
니켈-망간-구리 산화물((1-x)NiMn2O4-(x)CuO, 여기서, 0.2 ≤ x ≤ 0.4 임)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피넬 구조의 금속 산화물 박막의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal oxide thin film
Nickel-manganese-copper oxide ((1-x) NiMn 2 O 4 - (x) CuO, where 0.2 x 0.4).
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