KR20200076688A - 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체 - Google Patents

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Abstract

측벽(3) 및 2 개의 단부 벽(4)에 의해 형성되는 성막 챔버(2)를 포함하는 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1)가 제공된다. 조립체는, 성막 챔버(2) 내부에 마이크로파를 발생하도록 구성된 마이크로파 발생기(5), TE-모드 도파관에 대한 종단을 생성하고 성막 챔버(2) 내부에 수용되며, 도체 물질로 이루어지고 마이크로파 방사선을 반사하는 전자기 종단 벽(8), 및 유전체 물질로 이루어지고, 실리콘 나노 구조체의 성장을 수행하는 기판이 수용되는 기판-캐리어 지지부(9)를 포함한다. 기판-캐리어 지지부는 종단 벽(8) 위에 그리고 성막 챔버(2) 내부에 배치된다.

Description

실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체
본 발명은 저온(<250℃)에서 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체에 관한 것이며, 따라서 CMOS 집적 회로로 구성된 기판과 호환된다.
본 출원은 2017년 9월 22일에 출원된 이탈리아 특허 출원 제102017000106479호에 대해서 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 참조로 포함된다.
한동안 실리콘 나노 와이어(SiNWs, silicon nanowires)는 다양한 초 고감도 센서의 제조를 위한 주요 후보로 여겨져 왔다. 실제로, SiNWs는 치수가 작고 표면적 부피 비율이 커서 감도가 높은 것이 특징이다. 이러한 특성은 SiNWs의 전도도(conductivity)가 소량으로 대전된(charged) 분자 또는 입자와의 접촉에 의해 상당량 변한다는 것을 의미한다. 이같은 중요한 특성을 이용함으로써, 다양한 나노 센서 장치는 DNA, 특정 단백질, 소분자, 금속 이온 및 화학 종, 및 단일 바이러스 입자의 제어를 비롯해 다양한 생물학적 및 화학적 목적에서의 검출에 적합하다.
일반적으로, 실리콘 나노 구조의 성장은 VLS(증기-액체-고체)로 알려진 과정을 통해 이루어진다. VLS라는 명칭은, 증기 상태의 실리콘이 촉매 금속의 액적(droplet of catalyst metal)을 통한 액체 상태를 거쳐, 종국적으로는 고체 상태로 종결되는 과정을 본 공정이 수반한다는 사실을 지칭한다.
이러한 공정에 따르면, 기판은 10 나노미터 정도의 금속 박막으로 덮여 있으며, 일단 적절하게 가열되면 액화하여 작은 액적(droplet)을 형성한다. 요구되는 온도는, 감소된 나노미터 단위 치수로 인해 일반적으로 금속의 용융 온도보다 훨씬 낮다. 액적의 치수는 가열 속도에 따라 달라지며(가열 속도가 빠를수록 액적이 작아짐), 10 나노미터에서 수백 나노미터까지 다양할 수 있다. 이와 같이 처리된 기판은 실레인(SiH4, Silane) 또는 사염화규소(SiCl4, Silicon tetrachloride)와 같은 실리콘을 포함하는 전구체 가스에 노출되는데, 이 가스는 금속 표면과 접촉하여 분해되고, 이는 촉매 역할을 한다. 금속은 공융점(eutectic)보다 높은 온도에 있기 때문에, 실리콘은 금속 내에서 용해된다.
이에 후속하는 기체상 실리콘의 공급에 의해 촉매 금속의 액적이 실리콘으로 과포화되고, 액적의 하부 계면에서 기판을 향해 침전된다. 공정이 계속되면 액적(droplet)에 포함된 메니스커스(meniscus)와 함께 와이어가 성장하며, 이는 실리콘-금속 합금으로 이루어지고, 성장 단계에서 구조체 상단 끝에 남아 있게 된다.
전자관련 활용분야에 있어, 촉매 물질의 선택은 필수적이다. 특히, 금속은 결정질 실리콘과 반응하여 집적 회로의 전자 거동을 손상시킬 수 있는 재결합(recombination) 상태를 야기하지 않도록 하여야 한다.
그러나, 상술한 바와 같은 VLS 공정은 SiNWs가 성장하는 기판이 집적 회로일 때 적용될 수 없다. 실제로, VLS 공정에서 성장 온도는 실리콘과 합금된 금속의 공융 온도보다 100도 정도 높다. 이와 관련하여, Ag-Si 합금의 공융 온도는 850 ℃이고 Sn-Si 합금의 공융 온도는 232 ℃ 인 것을 고려하는 것이 유용하다. 은 또는 주석은 전자 재결합에 영향을 미치지 않는 실리콘에서의 결함 형성을 야기한다.
당업자에게 명백한 바와 같이, VLS 공정에서의 성장 온도는 CMOS 집적 회로와 호환될 수 없다. 실제로, 집적 회로가 전기 연결에 필요한 금속 층으로 완성된 경우, 최대 허용 온도는 약 200 ℃이다. 따라서 전체 칩을 VLP 성막을 활성화하기에 충분한 온도로 가열하면 집적 회로 구성 요소가 손상될 위험이 있다.
그러므로, 집적 회로 자체를 손상시키지 않으면서 집적 회로를 기판으로서 사용하여 SiNWs의 VLS 성장 공정을 수행할 필요가 있다.
본 발명의 발명자는 SiNWs가 성장하는 동안 기판이 CMOS 집적 회로로 구성된 기판과 호환되는 온도(<250℃)로 가열되는 것을 보장하는 것과 같은 기술적 특성을 갖는 해결책을 고안하였다.
특히, 본 발명에서는 성막 공정의 촉매인 나노미터 단위의 액적만이 더 높은 온도로 가열되어, 기판을 호환 가능한 온도(200 ℃ 이하)로 유지한다.
본 발명은 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체에 관한 것으로서, 그 주요 특성은 청구항 1에 기재되어 있고, 바람직한 특성 및/또는 보조 특성은 청구항 2 내지 7에 기재되어 있다.
첨부된 도면의 도움으로 비제한적인 예시로서 하기 실시예가 제시된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 상세 확대도이다.
도 3은 본 발명의 조립체로 제조된 샘플의 SEM 이미지이다.
도 4는 고온계(pyrometer)에 의한 이미지에 의해 형성된 서셉터(susceptor) 물질로 이루어진 종단 벽의 가열 과정의 증거를 보여주는 이미지이다.
도 1에서, 도면부호 1은 본 발명에 따른 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체를 전체적으로 나타낸다.
조립체(1)는 원통형의 측벽(3) 및 측벽(3)을 폐쇄하도록 배치된 2 개의 단부 벽(4a, 4b)에 의해 형성되는 성막 챔버(2)를 포함한다. 측벽(3) 및 2 개의 단부 벽(4a, 4b)은 스틸(steel)로 이루어진다. 조립체(1)는, 예를 들어 2.45GHz의 마그네트론(magnetron) 상용 발생기와 같은 마이크로파 발생기(5)를 포함하고, 이는 성막 챔버(2) 내부의 마이크로파 발생에 유용하며, 그 일부만 도시된다. 특히, 마이크로파 발생기(5)는 성막 챔버(2)에서 진공 밀폐를 보장하면서 마이크로파의 통과를 허용하기 위해 석영(quartz)으로 이루어진 상단 벽(4a)을 향한다.
측벽(3)에는, 실리콘 전구체 가스를 성막 챔버(2)로 도입하기 위해 (단순한 설명을 위해 상세히 설명되지 않는 공지의) 시스템에 연결되도록 구성된 2 개의 개구(6)가 형성되고, 성막 챔버(2) 내에 0.1 내지 100 mbar 범위의 저기압(depression)을 생성하도록 하는 (단순한 설명을 위해 상세히 설명되지 않는 공지의) 진공 펌프에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 개구(7)가 형성된다.
도 2에 도시 된 바와 같이, 본 발명에 따른 조립체(1)는 도체 물질로 이루어지고, 마이크로파 방사선을 반사하고 성막 챔버(2) 내부에 수용된 전자기 종단 벽(8)을 포함한다. 여기 및 아래에서, "전자기 종단 벽"은 TE-모드 도파관의 종단을 나타내는 것과 같은 반사 전도성 벽을 의미한다.
바람직하게는, 전자기 종단 벽(8)은 예를 들어 그라파이트(graphite)와 같은 서셉터 물질로 이루어진다. 이 경우, 전자기 종단 벽(8)은 또한 샘플의 제 1 레벨 히터를 나타내는 기능을 가진다. 실제로, 그라파이트는 고주파 유도에 의해 가열된다.
본 발명에 따른 조립체(1)는, 유전체 물질로 이루어지고, SiNWs의 성장을 수행하는 (예를 들어, 전자 회로와 같은) 기판(S)이 수용되는 기판-캐리어 지지부(9)를 포함한다. 도 2에 도시 된 바와 같이, 기판-캐리어 지지부(9)는 노출 표면이 마이크로파 발생기(5)와 대면하도록 전자기 종단 벽(8) 위에 배치된다.
유전체 물질로 이루어진 기판-캐리어 지지부(8)는 공정 온도를 견딜 수 있고, 실레인(silane)의 화학적 반응성을 견딜 수 있어야 한다.
바람직하게는, 기판-캐리어 지지부(9)는 세라믹, 예를 들어 질화 붕소(boron nitride)로 이루어질 수 있다.
특히, 기판-캐리어 지지부(9)는 접선 전기장(tangential electric field)이 무효화(annulled)되는 전도성 종단 벽(8)으로부터 촉매 금속의 액적이 성막되는 기판을 이격시키는 목적을 갖는다. 유전체 물질의 존재로 인해, 0 이외의 전기장이 존재하면 금속 액적의 가열이 가능하다.
실제로, 마이크로파 주파수에서 소위 "표피 효과(skin effect)"에 따라 금속 물질 표면의 전도만이 활성화된다. 예를 들어, 2.45GHz의 주파수에서, 알루미늄의 전도는 방사(radiation)에 노출된 표면으로부터 미크론 단위의 깊이(예컨대 1 미크론 또는 한자리 수의 미크론)에서만 발생한다.
더욱이, 두껍고 전도도 높은 챔버의 벽은, 표면에서의 방사(radiation)의 접선 전기장을 무효화함으로써 이상적인 금속과 같은 우수한 근사치로 동작한다.
다시 말해서, 본 발명의 조립체는 제어된 환경 및 전구체 가스 흐름을 갖는, 스틸(steel)로 이루어진 원통형 챔버 내로 마이크로파를 이송함으로써 SiNWs의 성막을 수행하도록 구성된다. 특히, 당업자에게 명백하고 용이하게 구현할 수 있는 바와 같이, 성막 챔버(2)의 크기는 발생기 마이크로파의 주파수에서 제 1 전자기 TE 모드의 전파(propagation)를 유발하여, 모든 구역에서 필드(field)의 균일성을 보장하도록 선택되어야 한다.
마지막으로, 성막 조건은 마이크로파로 인해 플라즈마가 점화되지 않도록 하여야 한다. 실제로, 가스의 이온화를 생성하는 플라즈마는 비정질 물질(amorphous material)의 성막을 생성하여, 결정질 나노 구조, 특히 나노 와이어의 성장을 억제하거나 방해한다. 또한 이 예방책은 당업자의 일반적인 기술의 일부이다.
본 발명에 따른 성막 조립체의 특징적 요소는, 유전체 물질로 이루어지고, 종단 벽(8)의 표면으로부터 분리된 위치에서 SiNWs의 성장을 수행하는 지지부를 유지하도록 구성된 기판-캐리어 지지부(9)의 존재에 있다. 이와 같이 유전체 물질의 존재로 인해 촉매 금속의 나노미터 단위의 액적 층은 말단 전도성 표면으로부터 이격되고, 접선 전기장은 널(null) 값이 아니다. 접선 전기장의 작용 하에서, 금속 액적은 EM 에너지를 흡수하고 가열되며, 예를 들어 금속 액적보다 낮은 전도도를 갖는 실리콘으로 이루어진 기판은 더 적게 가열된다.
원칙적으로, 집적 회로 중 중간 정도의 도핑을 갖는 실리콘으로 만들어진 회로 기판은, 마이크로파의 주파수에서 유전체로 간주될 수 있으며, 따라서 금속 액적 층과 전자기 종단 벽(8) 사이의 분리를 제공한다. 그러나, 이러한 분리는 집적 회로에서 일반적으로 사용되는 기판의 두께 감소로 인해 줄어들기 때문에, 기판-캐리어 지지부(9)의 존재에 의해 제공되는 분리보다 훨씬 덜 효과적이다.
나노 와이어의 성장이 수행되는 기판(예를 들어, CMOS 칩) 표면 상의 금속 연결 층은 더 두꺼운 금속 층에 의해 차폐(screened)될 수 있다. 예를 들어 은으로 이루어지고 두께가 200-300 nm 사이인 금속 층은 전자기장에 의해 유도된 전류를 견딜 수 있고, 반사하며, 따라서 가열되지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 조립체는 예를 들어 은과 같이 더 두껍고 전도도 높은 금속 층으로 기판의 일부를 덮음으로써 해당 부분의 가열을 방지한다. 실제로, 이러한 금속 층의 존재는 전자기 에너지의 흡수를 감소시키며, 전자기 에너지가 더 크게 반사된다.
가열을 줄임으로써, 하부 구조에 대한 손상을 피할 뿐만 아니라, 해당 영역에서의 성장을 피할 수 있고, 이는 성막된 영역의 선명도를 정확하게 한다.
본 발명의 조립체로 획득된 실시예를 이하에서 설명한다.
250 미크론 두께와 1.0.0 방향을 가진 1cm2의 플로팅 존 타입 실리콘 기판이 사용되었다. 실리콘 기판을 RCA 용액으로 세정했다. 이어서, 실리콘 기판을 300 ℃에서 습식 공정으로 산화시켰다.
성막 챔버 외부에서 5 nm의 주석이 성막되었다.
이어서, 매우 작은 액적을 확보하기 위해 급속 가열 방식을 사용하여 압력 1x10-6 mbar의 진공 챔버에서 기판을 450 ℃로 가열하였다. 최종 경화(hardening)는 8분 내에 달성되었다. 온도는 기판의 하부와 접촉하는 열전대(thermocouple)로 측정되었다.
200 ℃에서 천천히 냉각(30분)한 후, 450W의 전력을 사용하여 마이크로파 조사에 의해 기판의 표면을 가열하였다. 서셉터 재료로 덮인 종단 벽 부분을 가열하는 것에 의해, 기판이 200 ℃의 온도에 있는 동안 712 ℃의 온도에 도달한다. 도 4를 참조한다.
이 측정을 위해, 방출 계수(coefficient of emissivity)는 정지 상태에서 열전대 및 고온계에 의해 측정된 T를 비교하여 얻은 0.3과 동일한 값으로 선택되었다.
냉각 후, 샘플을 3 mbar의 챔버 내 압력으로 4.5 sccm의 순수한 SiH4의 흐름에 노출시켰다. 그런 다음 마이크로파 발생기를 250W의 전력으로 가동했다.
플라즈마가 활성화되지 않도록 반사 계수를 75 %로 증가시키기 위해 전자기 커플링(electromagnetic coupling)을 조정하였다.
이러한 조건에서 485 ℃의 액적 온도는 Si-Sn 합금의 공융점보다 높은 것으로 추정되었다.
마이크로파의 효과는 공융점 T를 넘어서 Sn 액적의 가열을 야기하고, 결과적으로 SiNWs의 성장의 VLP 메커니즘을 유발하는 것이었다. 그림 3은 250W의 전력과 450 ℃의 추정 T로 획득된 나노 와이어를 도시한다. 이 샘플은 직경이 10nm이고 Si 와이어의 상단에 금속 액적이 균일하게 존재하는 일정한 나노 와이어의 성장을 보여준다. 전력을 증가시킴으로써, 액적을 덮는 과량의 물질이 성막되는 것으로 밝혀졌다.
본 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 SiNWs의 성막을 위한 조립체는 높은 생산 수준을 갖는 센서의 제조를 위한 매우 광범위한 공정에서의 사용이 가능하며, 따라서 비용을 억제한다.
CMOS 회로에 통합된 센서의 생산을 위한 기술의 가용성은 제어 및 판독 회로에 직접 연결된 센서의 생산을 가능하게 하며, 필요하다면 또한 센서로부터 제어 무선 기지국으로 정보를 전송하기 위한 회로에 직접 연결된 센서의 생산도 가능하게 한다.
본 발명으로 인해, 센서가 기후 조건이나 오염물을 모니터링하도록 주변 환경에 분산될 수 있고, 또는 생체 센서가 환자와 직접 접촉하거나 이식 가능하도록 한다.
특히, 본 발명의 조립체는 CMOS 기술이 통합된 화학 및 생체 센서의 제조, 배터리 제조 및 광전지 제조에 유리하게 적용된다.

Claims (9)

  1. 측벽(3) 및 2 개의 단부 벽(4)에 의해 형성되는 성막 챔버(2)를 포함하는 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1)로서,
    상기 성막 챔버(2) 내부에서 마이크로파를 발생하도록 구성된 마이크로파 발생기(5);
    TE-모드 도파관을 위한 종단(termination)을 생성하고 상기 성막 챔버(2) 내부에 수용되고, 도체 물질로 이루어지고 마이크로파 방사선을 반사하는 전자기 종단 벽(8); 및
    유전체 물질로 이루어지고, 실리콘 나노 구조체의 성장을 수행하는 기판이 수용되는 기판-캐리어 지지부(9)를 포함하고,
    상기 기판-캐리어 지지부(9)는 상기 종단 벽(8) 위에 그리고 상기 성막 챔버(2) 내부에 배치되는,
    실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 종단 벽(8)은 서셉터(susceptor) 물질로 이루어지는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 종단 벽(8)은 그라파이트(graphite)로 이루어지는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측벽(3)과 상기 2 개의 단부 벽(4)은 스틸(steel)로 이루어지는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측벽(3)에는 2 개의 개구(6, 7)가 형성되고,
    상기 2 개의 개구(6, 7)는 시스템 및 진공 펌프에 연결되도록 구성되고,
    상기 시스템은 가스를 상기 성막 챔버(2)로 도입하고,
    상기 진공 펌프는 상기 성막 챔버(2) 내에 0.1 내지 100 mbar 범위의 저기압(depression)을 생성하는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판-캐리어 지지부(9)는 세라믹으로 이루어지는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 기판-캐리어 지지부(9)는 질화 붕소(boron nitride)로 이루어지는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1)는 성막이 일어나는 기판(S) 상에 배치된 금속층을 포함하고,
    상기 금속층은 나노 와이어의 성장을 원하지 않는 기판(S)의 표면을 덮도록 배치되는, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    마이크로파 여기(microwave excitation)를 통한 성막 조건이 플라즈마가 점화되지 않도록 하는 것인, 실리콘 나노 구조체의 성막을 위한 조립체(1).
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