KR20170034027A - 무촉매 방식 가변경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무촉매 방식으로 경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속촉매를 사용하지 않고 패터닝 및 식각 공정을 통하여 사파이어 기판 또는 화합물 박막 상부에 위치 선택적으로 수평 또는 경사 구조로 나노 구조물을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무촉매 방식으로 경사각을 갖는 나노 구조물을 성장 방법은, M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 나노 마스크층을 형성하기 전에 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법을 개시하고 있다.
본 발명에 따른 무촉매 방식으로 경사각을 갖는 나노 구조물을 성장 방법은, M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 나노 마스크층을 형성하기 전에 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법을 개시하고 있다.
Description
본 발명은 무촉매 방식 가변경사각 갖는 나노 구조물 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속촉매를 사용하지 않고 패터닝 및 식각 공정을 통하여 사파이어 기판 또는 화합물 박막 상부에 위치 선택적으로 수평 또는 경사 구조로 나노 구조물을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
나노 기술은 나노 물질을 다루는 분야로, 나노선, 나노 벨트, 나노 리본 및 나노 막대 등의 나노 물질은 최근 수년간 연구계의 가장 큰 관심을 이끌어오고 있다. 이들 나노 물질은 우수한 전기적, 광학적, 기계적, 열적 특성을 지니기 때문에 화학 및 바이오센서를 위시하여 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), 발광다이오드(light emitting diode, LED), 논리회로(logic circuit) 등과 같은 다양한 종류의 나노 디바이스들의 기초 빌딩 블록이 된다.
나노선을 포함하는 나노 기술은 급속히 연구 영역이 팽창되고 있어, 이제는 물리, 화학, 바이오, 공학 등 거의 모든 과학 영역으로 그 범위를 넓혀가고 있으며, 특히 반도체 나노선은 그 중에서 가장 주목받고 있는 분야라 할 수 있다. 반도체 나노선은 그 합성 과정에서 크기, 계면특성 및 전자적 특성을 조절할 수 있고, 이렇게 합성된 나노선을 이용하여 다량의 병렬조립(parallel assembly)이 가능하다. 그렇기 때문에 반도체 나노선은 나노 디바이스를 구현할 수 있는 가장 확실한 소재로 인식되고 있다.
기존의 기판 수직형 반도체 나노선을 성장시키는 기술에는 성장 매커니즘 관점에서 바라봤을 경우 VLS(vaporliquid-solid) 성장법, VS(vapor-solid) 성장법, 전기화학증착법(Electrochemical Deposition), 용액 성장법(Solution Growth), SEG(Epitaxial Growth) 방법 등 여러 가지 방법이 있다.
그 중 나노선을 성장시키는 방법으로 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장법이 주로 이용되었는데, VLS 성장법은 나노 클러스터(nano-cluster) 또는 나노 규모의 방울로 이루어진 촉매 물질에 반응 물질을 흡착시켜 1차원으로 성장시키는 기술이다. 따라서 종래에는 단결정으로 잘 성장된 실리콘 기판 위에 금속 촉매를 증착하고 VLS 성장법을 이용하여 나노선을 성장시키는 방법이 주로 이용되었다. 한국특허 제10-2007-0087146호 등에서도 나노와이어를 성장시키기 위한 초기단계에서 금속촉매를 이용한 VLS 방법을 이용하고 있다.
그러나, VLS를 이용한 나노와이어 성장시 요구되는 금속촉매는 나노와이어 내부를 오염시켜 순도를 떨어뜨리고, 결과적으로 나노와이어의 품질을 저하시키고, 나노와이어의 성장과는 별도로 상기 금속촉매를 증착시키기 위한 별도 공정이 요구되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 나노 구조물 성장 초기 단계에서 금속촉매를 사용하지 않고, 대신에 화합물 핵을 증착시켜 나노 구조물의 성장 기초로 이용함으로써 공정을 보다 간소화하고, 금속촉매 사용으로 인해 발생하는 오염을 방지하여 고품질의 나노 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법에 있어서,
M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위인 경우, 상기 소정의 각도는, 제1 각도 범위일 수 있다.
또한, 상기 방법은, 상기 나노 마스크층을 형성하기 전에 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 마이크로미터 범위인 경우, 상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성될 수 있다.
상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위인 경우, 상기 소정의 각도는 제2 각도 범위일 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법에 있어서,
M-면 사파이어 기판 상부에 GaN 박막층을 형성하는 단계; 상기 GaN 박막층 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 GaN 박막층을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 GaN 박막층의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 GaN 박막층 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 GaN 박막층이 반극성인 경우, 상기 소정의 각도는, 제1 각도 범위일 수 있다.
또한, 상기 GaN 박막층이 비극성인 경우, 상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 방법은, 상기 GaN 박막층을 형성하기 전에, 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 GaN 박막층이 반극성인 경우, 상기 소정의 각도는, 제2 각도 범위일 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법에 있어서,
R-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 R-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 R-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 나노 구조물 성장 초기 단계에서 사용되는 금속촉매로 인한 나노 구조물 내부의 오염문제를 방지할 수 있다.
또한, 상기 금속촉매의 증착, 성장 및 크기 조절 등의 단계가 수행될 필요가 없으므로 공정을 간소화시킬 수 있고 비용 측면에서도 경제적이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 질화 처리 단계를 더 포함하는 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 질화 처리된 사파이어 기판 표면의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각기 다른 조건에서 성장된 나노 구조물의 SEM 이미지이다.
도 5는 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 질화 처리 단계를 더 포함하는 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 8은 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물의 응용 방법을 예시한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 질화 처리 단계를 더 포함하는 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 질화 처리된 사파이어 기판 표면의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각기 다른 조건에서 성장된 나노 구조물의 SEM 이미지이다.
도 5는 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 질화 처리 단계를 더 포함하는 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 8은 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물의 응용 방법을 예시한 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 나노 구조물 성장 방법을 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 명세서 전반에서 사용되는 용어인 "나노 구조물" 은 나노 샤프트(nanoshaft), 나노 필라(nanopillar), 나노 니들(nanoneedle), 나노 로드, 나노 와이어 및 나노 튜브(예를 들어, 단일벽 나노 튜브, 또는 다중벽 나노 튜브)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 연장된 유사 치수의 다른 구조, 및 그것으로부터 다양하게 기능화되고 파생된 근모(fibril) 형태, 예를 들어, 실(thread), 단사(yarn), 직물(fabric) 형태의 나노 섬유(nanofiber)를 포함할 수 있다.
또한, 나노 구조물은 다양한 단면 모양, 예를 들어, 직사각형, 다각형, 정사각형, 타원형, 또는 원형 모양을 가질 수 있다. 따라서, 나노 구조물은 원통형 및/또는 콘형 3 차원 모양을 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 복수의 나노 구조물은 예를 들어 서로에 대해 실질적으로 병렬형(parallel), 아치형(arcuate), 정현형(sinusoidal) 등일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물을 성장시키기 위한 방법은, M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S110), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시키는 단계(S120), 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S130), 상기 화합물 핵(14)을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물(15)을 형성하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
먼저, S110 단계에서는 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성한다.
상기 나노 구조물(15)을 성장 시키기 위한 기판은 사파이어, Si, SiC, ZnO, MgAl2O4, MgO, Ga2O3, LiAlO2, LiGaO2 등을 포함할 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 본 발명에 따른 목적을 달성하기 위하여 결정면이 M-면인 사파이어 기판(11) 또는 결정면이 R-면인 사파이어 기판을 기준으로 설명한다.
상기 나노 마스크층(13)은 온도 약 1000~1100℃ 범위에서 수행될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.
상기 나노 마스크층(13)은 산화실리콘(SixOy), 질화실리콘(SixNy) 등을 포함할 수 있다. 상기 나노 마스크층(13) 형성은 일반적으로 이용되는 박막 증착 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링, 이온빔 증착법, 플라즈마 증착법 또는 화상 기상 증착 등을 이용하여 증착시킬 수 있다.
S120 단계에서는 패터닝 공정 및 식각 공정을 이용하여 형성된 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시킨다. 이는 궁극적으로 상기 나노 구조물(15)을 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에서 위치 선택적으로 성장시키기 위함이다.
우선, 패터닝 공정은 포토 레지스트(photoresist, 감광액)를 상기 나노 마스크층 표면에 코팅하고, 노광기를 이용하여 원하는 패턴을 코팅된 포토 레지스트에 전사한 후, 현상액(developer)으로 현상을 하면 패턴이 형성된다. 보다 구체적으로는, 포토 레지스트는 빛을 조사하면 화학 변화를 일으키는 수지를 말하며, 자외선 영역에서 가시광선영역 파장까지의 빛에 반응하여 용해, 응고 등의 변화를 일으킨다. 빛이 조사된 부분만 고분자가 불용화하여 포토 레지스트가 남는 감광성 수지를 네가(Negative)형 포토 레지스트, 빛이 조사된 부분만 고분자가 가용화하여 포토 레지스트가 사라지는 감광성 수지를 포지(Positive)형 포토 레지스트라 한다.
상기 패터닝 공정 및 식각 공정을 통해, 나노 구조물(15)을 형성시키고자 하는 부분을 고려하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시킨다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 노출된 부분의 단위 크기는 수 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위를 포함할 수 있다. 다만, 반드시 상기 범위에 국한되는 것은 아니다.
S130 단계에서는 상기 S120 단계를 통해 상기 M-면 사파이어 기판(11)이 외부로 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성한다.
상기 화합물 핵(14)은 화학 기상 증착법 등을 이용하며, 온도 약 1000 ~ 1100℃, 압력 약 100~300torr, 시간 약 10초 범위에서 수행될 수 있고, 캐리어 가스는 N2 가스가 이용될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.
종래 기술에서는 금속촉매를 증착시켜 그로부터 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방법을 이용하여 나노 구조물을 성장시켰으나, 상기 나노 구조물을 나노 소자에 적용하기 위해서는 높은 순도가 요구되는데, 금속촉매는 그 자체로 불순물일 수 밖에 없다는 문제점과 금속촉매는 성장시키고자 하는 나노 구조물과 다른 물질이므로 금속촉매를 성장시키는 공정과 나노 구조물을 성장시키는 공정을 별도로 수행해야하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 나노 구조물을 성장 기초로 화합물 핵 증착시키고 이를 나노 구조물의 성장 기초로 이용함으로써 상기의 문제점을 해결할 수 있다.
S140 단계에서는 상기 화합물 핵(14)을 기초로 나노 구조물(15)을 성장시킨다. 상기 나노 구조물(15)은 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 표면으로부터 수직 방향으로 제1 각도 범위를 이루며 성장한다. 상기 제1 각도는 바람직하게는 약 58.4도이고, 상기 제1 각도 범위는 약 55도 내지 62도 범위를 포함할 수 있다.
상기 나노 구조물(15)은 화학 기상 증착법 등을 이용하며, 온도 약 1000~1100℃, 압력 약 100~500torr, 시간 약 300초, SiH4 가스 약 100nmol/min 범위에서 수행될 수 있고, 캐리어 가스는 H2가 이용될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.
상기 나노 구조물(15)을 이루는 화합물은 Ⅱ-Ⅳ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, Ⅳ-Ⅵ족 화합물 또는 이들의 혼합물 또는 금속산화물을 포함할 수 있다.
나아가, Ⅱ-Ⅳ족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물을, Ⅲ-Ⅴ족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물을, Ⅳ-Ⅵ족 화합물은 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물을 각각 포함할 수 있다. 또한, 금속산화물은 TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, Wo3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO2, Y2O3, ZrSiO4을 포함할 수 있다.
상기 S110 단계 내지 S140 단계에서는 상기 나노 구조물(15)이 제1 각도 범위를 이루며 형성되는 것을 개시하였으나, 상기 나노 구조물은 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 질화 처리 유무, 패터닝 및 식각 공정에 의한 기판의 노출된 부분의 단위 크기(구멍 각각의 크기) 등의 조건에 따라 성장하는 형태 및 기판과 이루는 각도 범위가 달라질 수 있다. 그에 대하여 이하에서 보다 상세히 검토한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물(15) 성장 방법에서 질화 처리 단계를 더 포함하여, 나노 구조물(15)을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
M-면 사파이어 기판(11) 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계(S210), 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S220), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시키는 단계(S231, S232), 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S240), 상기 화합물 핵(14)으로부터 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면에 대하여 수평 방향 또는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면으로부터 수직 방향으로 제2 각도를 이루는 나노 구조물(151, 152)을 형성하는 단계(S251, S252)를 포함할 수 있다.
먼저, S210 단계에서는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 고온에서 NH3 가스를 이용한 질화 처리를 통하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면을 R-면 요철구조로 개질한다. 상기 R-면 요철구조는 이 후 단계에서 나노 구조물(15)이 소정의 각도를 이루며 성장할 수 있는 기초를 제공한다.
상기 질화 처리는 온도 약 1000~1100℃, 압력 약 100~300torr, 시간 약 300초 범위에서 수행될 수 있고, 캐리어 가스는 H2가 이용될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.
상기 질화 처리는 물질의 표면에 질화물을 만들어 내식성, 내마모성, 피로 강도 등을 향상시키는 가공법을 의미한다. 본 발명에서는 NH3 가스를 이용한 가스질화법을 이용하였으나, 반드시 그에 국한되는 것은 아니고 액체질화법을 이용할 수도 있다.
S220 단계는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 과정으로서, 상기 S110 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
S231 및 S232 단계는 상기 S120 단계와 마찬가지로 패터닝 및 식각 공정을 수행하나, 나노 구조물(15)의 형태 및 성장 각도를 조절하기 위하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)이 노출된 부분의 단위 크기를 조절할 수 있다. S231 단계와 같이 상기 노출된 부분의 단위 크기가 수 마이크로미터 범위로 형성되는 경우에는, 나노 구조물(151)은 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 표면에 대하여 수평 방향으로 성장한다. 한편, S231 단계와 같이 상기 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위로 형성되는 경우에는, 나노 구조물(152)은 상기 M-면 사파이어 기판의 표면으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위를 이루며 성장한다. 상기 제2 각도는 바람직하게는 약 31.6도이고, 상기 제2 각도 범위는 약 28도 내지 35도를 포함할 수 있다.
S240 단계는 상기 M-면 사파이어 기판(11)이 외부로 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 과정으로서, 상기 S130 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
S251 및 S252 단계는 S140 단계와 마찬가지로 상기 화합물 핵(14)을 기초로 나노 구조물(151, 152)을 성장시키는 과정을 수행하나, 상기 S231 또는 S232 단계에서 조절한 M-면 사파이어 기판(11)이 노출된 부분의 단위 크기 범위에 따라 상기 나노 구조물(151, 152)은 다른 형태 및/또는 다른 구조로 성장할 수 있다.
S231 단계와 동일한 방법을 수행하였다면, 상기 나노 구조물(151)은 S251 단계에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 M-면 사파이어 기판(11)에 대하여 수평 방향으로 성장할 수 있다. 한편, S232 단계와 동일한 방법을 수행하였다면, 상기 나노 구조물(152)은 S252 단계에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 표면으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위를 이루며 성장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각기 다른 조건에서 성장된 나노 구조물의 SEM 이미지이다.
도 4(a)는 상기 도 2에서 개시된 과정 중 S231 단계 및 S251 단계를 거쳐 상기 M-면 사파이어 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물 이미지이다.
도 4(b)는 상기 도 2에서 개시된 과정 중 S232 단계 및 S252 단계를 거쳐 상기 M-면 사파이어 기판으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위에서 형성된 나노 구조물 이미지이다.
도 4(c)는 상기 도 1에서 개시된 과정을 거쳐 상기 M-면 사파이어 기판으로부터 수직 방향으로 제1 각도 범위에서 형성된 나노 구조물 이미지이다.
도 5는 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성되고, 그 단면이 사다리꼴 형태인 나노 구조물을 도시한 것이다.
상기 도 5(a)는 본 발명의 일 실시예 중에서 상기 S251 단계를 통해 M-면 사파이어 기판(11)에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 5(b)는 해당 나노 구조물에 대한 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물을 성장시키기 위한 방법은, M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성하는 단계(S610), 상기 GaN 박막층(12) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S620), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 GaN 박막층(12)을 선택적으로 노출시키는 단계(S630), 상기 GaN 박막층(12)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S640), 상기 화합물 핵(14)을 기초로 상기 GaN 박막층(12) 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물(151, 152)을 형성하는 단계(S651, S652)를 포함할 수 있다.
S610 단계에서는 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성한다.
상기 GaN 박막층(12)의 결정면의 방향에 따른 극성의 종류(10-10(비극성) 또는 10-13(반극성) 등) 등의 조건에 따라 형성되는 나노 구조물(151, 152)의 형태, 구조 및 기판과 이루는 각도 범위가 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 GaN 박막층(12)의 결정면이 10-10(비극성)이 되도록 성장시키기 위해서는 온도 약 900 ~ 1100℃에 도달하자마자 GaN 박막층 성장과정을 수행하고, 결정면이 10-13(반극성)이 되도록 성장시키기 위해서는 온도 약 900 ~ 1100℃에 도달한 뒤 해당 온도를 5 ~ 10분 정도 유지시킨 후에 GaN 박막층 성장과정을 수행하여 각각 형성시킬 수 있다. 이는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면이 고온에서 표면에너지가 변화되기 때문이다.
상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-10(비극성)인 경우에는 상기 나노 구조물(151)은 상기 GaN 박막층(12) 표면에 대하여 수평 방향으로 성장하며, 그 단면은 상기 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 사다리꼴 형태로 성장할 수 있다.
상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-13(반극성)인 경우에는 상기 나노 구조물(152)은 상기 GaN 박막층(12) 표면으로부터 수직 방향으로 제1 각도 범위에서 성장할 수 있다.
S620 단계는 상기 GaN 박막층(12) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 과정으로서, 상기 S110 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
S630 단계는 상기 나노 마스크층(13)에 대하여 패터닝 및 식각 공정을 수행하여 상기 GaN 박막층(12)을 선택적으로 노출시키는 과정으로서, 상기 S120 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
S640 단계는 상기 GaN 박막층(12)이 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 성장시키는 과정으로서, 상기 S130 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
S651 단계 및 S652 단계는 상기 화합물 핵(14)으로부터 나노 구조물(151, 152)을 성장시키는 과정으로서, 상기 S251 단계 및 S252 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-10(비극성)이면 S651 단계로 진행될 수 있고, 상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-13(반극성)이면 S652 단계로 진행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법에서 질화 처리 단계를 더 포함하여, 나노 구조물(15)을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
M-면 사파이어 기판(11) 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면에 R-면 요철구조(도 3 참조)를 형성하는 단계(S710), 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성하는 단계(S710), 상기 GaN 박막층(12) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S720), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 GaN 박막층(12)을 선택적으로 노출시키는 단계(S730), 상기 GaN 박막층(12)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S740), 상기 화합물 핵(14)을 기초로 상기 GaN 박막층(12) 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물(15)을 형성하는 단계(S750)를 포함할 수 있다.
S710 단계에서는 고온에서 NH3 가스를 이용한 질화 처리를 통하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면을 R-면 요철구조로 개질하는 과정으로서, 상기 S210 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
S720 단계에서는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성하는 과정으로서, 상기 S610 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 GaN 박막층(12)은 S610 단계에서 형성된 결정면 방향이 10-10 또는 10-13인 GaN 박막층(12)과 달리 S720 단계에서 형성되는 질화 처리의 효과로 GaN 박막층(12)은 11-22(반극성)의 결정면을 가진다.
S730 단계 내지 S760 단계는 각각 상기 S620 단계 내지 S652(또는 S651) 단계와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 GaN 박막층의 결정면 방향(11-22)에 의하여 S760 단계에서 형성되는 나노 구조물(15)은 상기 GaN 박막층(12)으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위로 성장한다.
도 8은 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 8(a)는 사파이어 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물의 개략적으로 나타낸 것이고, 도 8(b)는 해당 나노 구조물에 대한 SEM 이미지이다.
R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 방법으로서, R-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계, 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 R-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계, 상기 R-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계, 상기 화합물 핵으로부터 상기 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있는 것으로서, 이상에서 살펴본 M-면 사파이어 기판을 이용하여 나노 구조물을 형성하는 방법과 동일하다. 다만, 도 8(a) 또는 도 8(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 나노 구조물은 그 단면의 상부가 뾰족한 삼각형 형태로 성장될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물의 응용 방법을 예시한 것이다.
도 9(a) 또는 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물은 그 상부에 고품질 반도체 층을 형성하여, 다양한 광소자 또는 전자 소자에 활용할 수도 있다.
또한, 도 9(c)에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따라 사파이어 기판 또는 GaN 박막층에 대하여 수평 성장된 나노 구조물을 트랜지스터 제작에 활용할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: M-면 사파이어 기판
12: GaN 박막층
13: 나노 마스크층
14: 화합물 핵
15: 기판으로부터 수직 방향으로 제1 각도로 형성된 나노 구조물
151: 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물
152: 기판으로부터 수직 방향으로 제2 각도로 형성된 나노 구조물
12: GaN 박막층
13: 나노 마스크층
14: 화합물 핵
15: 기판으로부터 수직 방향으로 제1 각도로 형성된 나노 구조물
151: 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물
152: 기판으로부터 수직 방향으로 제2 각도로 형성된 나노 구조물
Claims (11)
- M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계;
상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계;
상기 화합물 핵을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위인 경우,
상기 소정의 각도는, 제1 각도 범위인 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방법은,
상기 나노 마스크층을 형성하기 전에 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 마이크로미터 범위인 경우,
상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위인 경우,
상기 소정의 각도는, 제2 각도 범위인 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- M-면 사파이어 기판 상부에 GaN 박막층을 형성하는 단계;
상기 GaN 박막층 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 GaN 박막층을 선택적으로 노출시키는 단계;
상기 GaN 박막층의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계;
상기 화합물 핵으로부터 상기 GaN 박막층 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 GaN 박막층이 반극성인 경우,
상기 소정의 각도는, 제1 각도 범위인 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 GaN 박막층이 비극성인 경우,
상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 방법은,
상기 GaN 박막층을 형성하기 전에, 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 GaN 박막층이 반극성인 경우,
상기 소정의 각도는, 제2 각도 범위인 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- R-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 R-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계;
상기 R-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계;
상기 화합물 핵으로부터 상기 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 나노 구조물.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020150132182A KR101759255B1 (ko) | 2015-09-18 | 2015-09-18 | 무촉매 방식 가변경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150132182A KR101759255B1 (ko) | 2015-09-18 | 2015-09-18 | 무촉매 방식 가변경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20170034027A true KR20170034027A (ko) | 2017-03-28 |
| KR101759255B1 KR101759255B1 (ko) | 2017-07-18 |
Family
ID=58495728
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020150132182A KR101759255B1 (ko) | 2015-09-18 | 2015-09-18 | 무촉매 방식 가변경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법 |
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| KR20070087146A (ko) | 1999-04-08 | 2007-08-27 | 퀄컴 인코포레이티드 | Ｃｄｍａ 무선통신 시스템에서의 채널 추정 |
| KR20100015799A (ko) | 2007-03-23 | 2010-02-12 | 노파르티스 아게 | 차폐 또는 코팅된 구리염의 황반 변성의 치료를 위한 용도 |
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| KR101691906B1 (ko) * | 2010-09-14 | 2017-01-02 | 삼성전자주식회사 | Ⅲ족 질화물 나노로드 발광 소자 제조방법 |
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- 2015-09-18 KR KR1020150132182A patent/KR101759255B1/ko active IP Right Grant
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| KR101759255B1 (ko) | 2017-07-18 |
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