KR20230102576A - Epitaxial film formation method and epitaxial film structure thereby - Google Patents

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Abstract

본 개시는 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 에어로졸 디포지션 및 열처리를 통해 간단하고 저렴하게 에피택셜 막을 형성할 수 있는 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 개시는 단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 제1다결정막을 형성하며, 상기 제1다결정막을 분위기 열처리하여 제1단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된, 에피택셜 막 구조를 개시한다.The present disclosure relates to a method for forming an epitaxial film and an epitaxial film structure according thereto, and a technical problem to be solved is a method for forming an epitaxial film simply and inexpensively through aerosol deposition and heat treatment, and an epitaxial film according thereto to provide structure. To this end, the present disclosure provides a single crystal substrate, and a first powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single crystal substrate is applied on the single crystal substrate at a rate of 100 m/s to 500 m/s. Disclosed is an epitaxial film structure manufactured by forming a first polycrystalline film by spraying through a nozzle in a vacuum at a speed of

Description

에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조{Epitaxial film formation method and epitaxial film structure thereby}Epitaxial film formation method and epitaxial film structure accordingly {Epitaxial film formation method and epitaxial film structure thereby}

본 개시(disclosure)는 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조에 관한 것이다.This disclosure relates to a method of forming an epitaxial film and an epitaxial film structure resulting therefrom.

에피택시(epitaxy) 또는 에피택셜 성장(epitaxial growth)은 결정 기판 위에 방향성을 가진 결정막이 성장하는 현상을 의미한다. 다양한 소자의 응용을 위한 결정 성장 방법 중의 하나는 호환성이 있는 결정으로 이루어진 웨이퍼 상에 얇은 결정을 성장시키는 것이다. 기판의 결정은 성장되는 물질과 같을 수도 있고 유사한 격자 구조의 다른 물질일 수도 있다. 이 과정에서 기판은 그 위에 새로운 결정이 성장되는 시드 결정이 되며, 새로운 결정은 기판과 같은 결정 구조 및 방향성을 갖게 된다.Epitaxy or epitaxial growth refers to a phenomenon in which a crystal film having a direction is grown on a crystal substrate. One of the crystal growth methods for various device applications is to grow thin crystals on wafers made of compatible crystals. The crystals of the substrate may be the same as the material being grown or may be another material with a similar lattice structure. In this process, the substrate becomes a seed crystal on which a new crystal is grown, and the new crystal has the same crystal structure and orientation as the substrate.

이와 같이 기판 웨이퍼 상에 방향성을 가진 단결정막을 성장하는 기술을 에피택셜 성장(epitaxial growth) 또는 에피택시(epitaxy)라 한다. 이는 기판 결정의 용융점보다 훨씬 낮은 온도에서 행해지며, 성장막의 표면에 적절한 원자를 공급하기 위한 다양한 방법이 사용된다. A technique for growing a single crystal film having directionality on a substrate wafer is referred to as epitaxial growth or epitaxy. This is done at a temperature much lower than the melting point of the substrate crystal, and various methods are used to supply suitable atoms to the surface of the growth film.

이러한 방법에는 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD), 용융액으로부터의 성장[액상 에피택시(liquid-phase epitaxy, LPE)], 진공에서의 원자의 증착[분자선 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE)] 등이 있다. These methods include chemical vapor deposition (CVD), growth from a melt (liquid-phase epitaxy (LPE)), and deposition of atoms in vacuum (molecular beam epitaxy (MBE)). etc.

이러한 광범위한 성장 방법으로 전자 및 광전자소자에 필요한 다양한 성질을 갖는 결정을 성장시킬 수 있다.Crystals having various properties required for electronic and optoelectronic devices can be grown using such a wide range of growth methods.

이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 개시의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.The above-described information disclosed in the background art of this invention is only for improving the understanding of the background of the present disclosure, and therefore may include information that does not constitute prior art.

본 개시에 따른 해결하고자 하는 과제는 에어로졸 디포지션 및 열처리를 통해 간단하고 저렴하게 단결정 에피택셜 막을 형성할 수 있는 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 제공하는데 있다.An object to be solved according to the present disclosure is to provide a method for forming a single crystal epitaxial film simply and inexpensively through aerosol deposition and heat treatment, and an epitaxial film structure accordingly.

본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조는 단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 다결정막을 이루는 입자의 평균 입경은 5 nm 내지 500 nm인 제1다결정막을 형성하며, 상기 제1다결정막을 분위기 열처리하여 제1단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된다.An exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure provides a single-crystal substrate, and a first powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single-crystal substrate is applied to the single-crystal substrate at 100 m/s. s to 500 m/s through a nozzle in vacuum to form a first polycrystalline film having an average particle diameter of 5 nm to 500 nm of particles constituting the polycrystalline film, and heat-treating the first polycrystalline film to form a first single crystal epitaxial It is produced by forming a film.

본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조는 단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말과 금속입자의 복합이종 분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 제1복합 이종 다결정막을 형성하며, 상기 제1복합 이종 다결정막을 분위기 열처리하여, 에피택셜 막 내에 1 nm 내지 900 nm의 평균 입경을 갖는 금속 입자가 존재하는 제1복합 이종 단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된다.An exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure provides a single crystal substrate, and a first powder and metal particles having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single crystal substrate are formed on the single crystal substrate. The heterogeneous composite powder is sprayed through a nozzle in vacuum at a speed of 100 m/s to 500 m/s to form a first composite heteropolycrystalline film, and the first composite heterogeneous polycrystalline film is heat treated in an atmosphere to form a thickness of 1 nm to 1 nm in the epitaxial film. It is prepared by forming a first composite heterogeneous single crystal epitaxial film in which metal particles having an average particle diameter of 900 nm are present.

본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조는 단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 다결정막을 이루는 입자의 평균 입경은 5 nm 내지 500 nm인 제1다결정막을 형성하며, 상기 제1다결정막 상에 상기 제1다결정막과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제2분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 제2다결정막을 형성하고, 상기 제1다결정막과 제2다결정막을 별도 또는 동시에 분위기 열처리하여 다층 단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된다.An exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure provides a single-crystal substrate, and a first powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single-crystal substrate is applied to the single-crystal substrate at 100 m/s. s to 500 m/s through a nozzle in vacuum to form a first polycrystalline film having an average particle diameter of 5 nm to 500 nm of particles constituting the polycrystalline film, and on the first polycrystalline film and the first polycrystalline film. A second powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% is sprayed through a nozzle in a vacuum at a speed of 100 m/s to 500 m/s to form a second polycrystalline film, It is manufactured by subjecting the polycrystalline film and the second polycrystalline film to separate or simultaneous atmosphere heat treatment to form a multilayer single-crystal epitaxial film.

본 개시는 에어로졸 디포지션 및 열처리를 통해 간단하고 저렴하게 단결정 에피택셜 막을 형성할 수 있는 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시는 상술한 방법으로 이종 다층의 단결정 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시는 에어로졸 디포지션 공정 중 금속 입자를 추가적으로 제공함으로써, 금속 입자가 임베디드된 단결정 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 제공할 수 있다.The present disclosure may provide a method for forming a single crystal epitaxial film simply and inexpensively through aerosol deposition and heat treatment, and an epitaxial film structure according thereto. In addition, the present disclosure may provide a method of forming a heterogeneous multi-layer single crystal epitaxial film and an epitaxial film structure according thereto. In addition, the present disclosure may provide a method of forming a single crystal epitaxial film in which metal particles are embedded and an epitaxial film structure according to the method by additionally providing metal particles during the aerosol deposition process.

도 1은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 형성 장치 및 이에 따른 에피택셜 막의 형성 방법을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막의 형성에 사용된 기판, 코팅층 및 기판 대비 코팅층의 격자불일치율을 도시한 표이다.
도 4는 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조를 도시한 확대 단면 사진이다.
도 5는 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조의 XRD (X-ray diffraction) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 본 개시에 따른 금속 입자를 포함하는 예시적 에피택셜 막 및 이의 격자 정수 변화율을 도시한 도면이다.
1 is a schematic diagram illustrating an exemplary epitaxial film forming apparatus and method of forming an epitaxial film according to the present disclosure.
2 is a schematic diagram illustrating an exemplary epitaxial film formation method and resulting epitaxial film structure according to the present disclosure.
3 is a table showing a substrate, a coating layer, and a lattice mismatch ratio of the coating layer to the substrate used in forming an exemplary epitaxial film according to the present disclosure.
4 is an enlarged cross-sectional photograph showing an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.
5 is a diagram illustrating an X-ray diffraction (XRD) analysis result of an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.
6 is a diagram illustrating an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.
7 is a diagram illustrating an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.
8 is a diagram illustrating an exemplary epitaxial film including metal particles and a lattice constant change rate thereof according to the present disclosure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 개시들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 개시의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The present disclosure is provided to more completely explain the present disclosure to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present disclosure is limited to the following examples. it is not going to be Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the disclosure to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.In addition, in the following drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of explanation, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term "and/or" includes any one and all combinations of one or more of the listed items. In addition, the meaning of "connected" in the present specification means not only when member A and member B are directly connected, but also when member A and member B are indirectly connected by interposing member C between member A and member B. do.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 개시을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present disclosure. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, “comprise, include” and/or “comprising, including” refers to a referenced form, number, step, operation, member, element, and/or group thereof. presence, but does not preclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 개시의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.In this specification, terms such as first and second are used to describe various members, components, regions, layers and/or portions, but these members, components, regions, layers and/or portions are limited by these terms. It is self-evident that These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described in detail below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present disclosure.

"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 개시의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 개시의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 개시을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.Space-related terms such as “beneath,” “below,” “lower,” “above,” and “upper” are associated with an element or feature shown in a drawing. It can be used for easy understanding of other elements or features. Terminology related to this space is for ease of understanding of the present disclosure according to various process conditions or use conditions of the present disclosure, and is not intended to limit the present disclosure. For example, if an element or feature in a figure is turned over, an element or feature described as "lower" or "below" becomes "above" or "above." Accordingly, "lower" is a concept encompassing "upper" or "below".

또한, 본 개시에서 에피택셜 막 및 에피텍셜 막 구조가 문맥에 따라 혼용되어 사용될 수 있으나, 이는 동일 막 또는 구조를 포함하는 개념이다.Also, in the present disclosure, the epitaxial film and the epitaxial film structure may be used interchangeably depending on the context, but this is a concept including the same film or structure.

도 1은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 형성 장치 및 이에 따른 에피택셜 막의 형성 방법을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating an exemplary epitaxial film forming apparatus and method of forming an epitaxial film according to the present disclosure.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 에피택셜 막 형성 장치(100)는 이송 가스 공급부(110), 분말을 보관 및 공급하는 분말 공급부(120), 분말 공급부(120)로부터 분말을 이송 가스를 이용하여 고속으로 이송하는 이송관(122), 이송관(122)으로부터의 분말을 단결정 기판(131)에 코팅/적층 또는 스프레잉하는 노즐(132), 노즐(132)로부터의 분말이 단결정 기판(131)의 표면에 충돌 및 파쇄되도록 함으로써, 일정 두께의 다결정막이 형성되도록 하는 공정 챔버(130)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the epitaxial film forming apparatus 100 according to the present disclosure includes a transport gas supply unit 110, a powder supply unit 120 for storing and supplying powder, and supplying powder from the powder supply unit 120 as a transport gas A transfer pipe 122 for transferring at high speed using a transfer pipe 122, a nozzle 132 for coating/laminating or spraying the powder from the transfer tube 122 on the single crystal substrate 131, and the powder from the nozzle 132 being applied to the single crystal substrate 131. It may include a process chamber 130 in which a polycrystalline film having a certain thickness is formed by colliding and crushing the surface of 131 .

일부 예들에서, 인시튜(in situ) 방식으로 단결정 기판(131) 상에서 단결정 에피택셜 막이 형성될 경우, 공정 챔버(130)는 히터(131)를 더 포함할 수 있다. In some examples, when a single crystal epitaxial layer is formed on the single crystal substrate 131 in an in situ manner, the process chamber 130 may further include a heater 131 .

일부 예들에서, 공정 챔버(130)로부터 다결정막이 형성된 단결정 기판(131)이 꺼내어지고, 이후 별도의 히터 디바이스 내에서 단결정 에피택셜 막이 형성될 수도 있다.In some examples, the single crystal substrate 131 on which the polycrystalline film is formed is taken out of the process chamber 130, and then a single crystal epitaxial film may be formed in a separate heater device.

일부 예들에서, 단결정 기판(131)은 실리콘 단결정 기판, 사파이어 단결정 기판, SiC 단결정 기판을 포함할 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 본 개시의 실시예에서는 단결정 기판으로서 SGGG[(Gd2.6Ca0.4)(Ga4.1Mg0.25Zr0.65)O12]가 이용되었다. In some examples, single crystal substrate 131 may include a silicon single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, or a SiC single crystal substrate. As will be described again below, in the embodiment of the present disclosure, SGGG [(Gd 2.6 Ca 0.4 )(Ga 4.1 Mg 0.25 Zr 0.65 )O 12 ] was used as the single crystal substrate.

이송 가스 공급부(110)에 저장된 이송 가스는 산소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소 또는 수소로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다. 이송 가스는 이송 가스 공급부(110)로부터 파이프(111)를 통해 분말 공급부(120)로 직접 공급되며, 유량 조절기(150)에 의해 그 유량 및 압력이 조절될 수 있다.The transfer gas stored in the transfer gas supply unit 110 may be one type or a mixture of two types selected from oxygen, helium, nitrogen, argon, carbon dioxide, or hydrogen. The transfer gas is directly supplied from the transfer gas supply unit 110 to the powder supply unit 120 through the pipe 111, and the flow rate and pressure thereof may be controlled by the flow controller 150.

분말 공급부(120)는 다량의 분말을 보관 및 공급하는데, 이러한 분말은 평균 입경의 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛일 수 있다. 분말의 입경 범위가 대략 0.1 ㎛보다 작을 경우 분말의 보관 및 공급이 어려울 뿐만 아니라, 분말 보관 및 공급 중 응집 현상으로 인해, 분말의 분사, 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄 시 0.1 ㎛보다 작은 입자들이 뭉쳐져 있는 형태인 압분체(壓粉體)가 형성되기 쉬울 뿐만 아니라 대면적의 다결정막 형성도 어려운 단점이 있다. 또한, 분말의 입경 범위가 대략 50 ㎛보다 클 경우, 분말의 분사, 충돌, 파쇄 및/또는 분쇄 시 단결정 기판을 깍아 내는 샌드블라스팅(sand blasting) 현상이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라, 일부 형성된 다결정막 내의 입자 입경이 상대적으로 크게 형성되어, 막 구조가 불안정해지고 또한 막 내부 또는 표면의 기공률이 커져서 소재 본연의 특성을 발휘하지 못할 수 있다.The powder supply unit 120 stores and supplies a large amount of powder, which may have an average particle diameter ranging from about 0.1 μm to about 50 μm. When the particle diameter range of the powder is smaller than about 0.1 ㎛, not only is it difficult to store and supply the powder, but also due to aggregation during powder storage and supply, particles smaller than 0.1 ㎛ are agglomerated during powder spraying, collision, crushing, and/or grinding. There is a disadvantage in that it is easy to form a green compact, which is in the form of a solid shape, and it is difficult to form a large-area polycrystalline film. In addition, when the particle diameter range of the powder is greater than about 50 μm, sand blasting, which cuts off the single crystal substrate during powder spraying, collision, crushing, and/or grinding, is likely to occur, as well as in some formed polycrystalline films. Since the particle diameter is relatively large, the film structure becomes unstable and the porosity inside or on the surface of the film increases, so that the original properties of the material may not be exhibited.

분말의 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛ 일 경우, 기공률(공극률)이 상대적으로 작고, 표면 마이크로 크랙 현상이 없으며, 분말 제어가 용이한 막을 얻을 수 있다. 또한, 분말의 입경 범위가 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 50 ㎛ 일 경우, 다결정막의 적층 속도가 상대적으로 높고, 반투명하며, 소재 특성 구현이 용이한 막을 얻을 수 있다.When the particle size range of the powder is about 0.1 μm to about 50 μm, a film having a relatively small porosity (porosity), no surface microcracks, and easy powder control can be obtained. In addition, when the particle size range of the powder is from about 0.1 μm to about 50 μm, a polycrystalline film having a relatively high stacking speed, being translucent, and having easy material properties can be obtained.

일부 예들에서, 분말은 취성 재료일 수 있다. 취성 재료는 잘 깨지며 늘어나지 않는 재료를 의미한다.In some instances, the powder may be a brittle material. A brittle material means a material that is brittle and does not stretch.

취성 재료는 이트륨 계열 산화물, 불화물, 질화물, Y2O3-Al2O3계열 화합물(YAG, YAP, YAM), B4C, ZrO2 또는 알루미나(Al2O3 )으로부터 선택된 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다.The brittle material is one or two selected from yttrium-based oxides, fluorides, nitrides, Y 2 O 3 -Al 2 O 3 -based compounds (YAG, YAP, YAM), B 4 C, ZrO 2 or alumina (Al 2 O 3 ). It can be a mixture of species.

일부 예들에서, 취성 재료는 이트리아(Y2O3), YAG(Y3Al5O12), 희토류 계열(Y 및 Sc을 포함하여 원자번호 57부터 71까지의 원소 계열) 산화물, 알루미나(Al2O3), 바이오 글래스, 규소(SiO2), 수산화인회석(hydroxyapatite) 또는 이산화티탄(TiO2)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다.In some examples, the brittle material is yttria (Y 2 O 3 ), YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), rare earth series (element series with atomic numbers 57 to 71, including Y and Sc) oxides, alumina (Al 2 O 3 ), bio glass, silicon (SiO 2 ), hydroxyapatite (hydroxyapatite) or titanium dioxide (TiO 2 ) It may be one or a mixture of two selected from the group consisting of.

일부 예들에서, 취성 재료는 수산화인회석, 인산칼슘, 바이오 글래스, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), 알루미나, 이산화티탄, 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 이트리아-지르코니아(YSZ, Yttria stabilized Zirconia), 디스프로시아(Dy2O3), 가돌리니아(Gd2O3), 세리아(CeO2), 가돌리니아-세리아(GDC, Gadolinia doped Ceria), 마그네시아(MgO), 티탄산 바륨(BaTiO3), 니켈 망가네이트(NiMn2O4), 포타슘 소듐 니오베이트(KNaNbO3), 비스무스 포타슘 티타네이트(BiKTiO3), 비스무스 소듐 티타네이트(BiNaTiO3), CoFe2O4, NiFe2O4, BaFe2O4, NiZnFe2O4, ZnFe2O4,MnxCo3-xO4(여기서, x는 3 이하의 양의 실수), 비스무스 페라이트(BiFeO3), 비스무스 징크 니오베이트(Bi1.5Zn1Nb1.5O7), 인산리튬알루미늄티타늄 글래스 세라믹, Li-La-Zr-O계 Garnet 산화물, Li-La-Ti-O계 Perovskite 산화물, La-Ni-O계 산화물, 인산리튬철, 리튬-코발트 산화물, Li-Mn-O계 Spinel 산화물(리튬망간산화물), 인산리튬알루미늄갈륨 산화물, 산화텅스텐, 산화주석, 니켈산란타늄, 란타늄-스트론튬-망간 산화물, 란타늄-스트론튬-철-코발트 산화물, 실리케이트계 형광체, SiAlON계 형광체, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티탄,AlON, 탄화규소, 탄화티탄, 탄화텅스텐, 붕화마그네슘, 붕화티탄, 금속산화물과 금속질화물혼합체, 금속산화물과 금속탄화물혼합체, 세라믹과 고분자의 혼합체 또는 세라믹과 금속의 혼합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 혼합물일 수 있다.In some examples, the brittle material is hydroxyapatite, calcium phosphate, bio glass, Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), alumina, titanium dioxide, zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), yttria. -Zirconia (YSZ, Yttria stabilized Zirconia), dysprosia (Dy 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), gadolinia-doped Ceria (GDC, Gadolinia doped Ceria), magnesia (MgO), barium titanate (BaTiO 3 ), nickel manganate (NiMn 2 O 4 ), potassium sodium niobate (KNaNbO 3 ), bismuth potassium titanate (BiKTiO 3 ), bismuth sodium titanate (BiNaTiO 3 ), CoFe 2 O 4 , NiFe 2 O 4 , BaFe 2 O 4 , NiZnFe 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 , MnxCo 3-x O 4 (where x is a positive real number of 3 or less), bismuth ferrite (BiFeO 3 ), bismuth Zinc Niobate (Bi 1.5 Zn 1 Nb 1.5O7 ), Lithium Aluminum Titanium Phosphate Glass Ceramic, Li-La-Zr-O Garnet Oxide, Li-La-Ti-O Perovskite Oxide, La-Ni-O Oxide, Lithium iron phosphate, lithium-cobalt oxide, Li-Mn-O spinel oxide (lithium manganese oxide), lithium aluminum gallium phosphate, tungsten oxide, tin oxide, lanthanum nickelate, lanthanum-strontium-manganese oxide, lanthanum-strontium- Iron-cobalt oxide, silicate phosphor, SiAlON phosphor, aluminum nitride, silicon nitride, titanium nitride, AlON, silicon carbide, titanium carbide, tungsten carbide, magnesium boride, titanium boride, metal oxide and metal nitride mixture, metal oxide and metal carbide It may be one type or a mixture of two types selected from the group consisting of a mixture, a mixture of a ceramic and a polymer, or a mixture of a ceramic and a metal.

일부 예들에서, 분말은 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 대략 -5% 내지 대략 +5%인 재료를 포함할 수 있다. 격자 불일치율은 아래 수식과 같이 정의될 수 있다. 여기서, 기판은 단결정 기판을 의미하고, 코팅층은 다결정막을 의미할 수 있다. 아래에서, 설명되는 막, 코팅층, 필름 등은 모두 같은 의미의 다결정 막 또는 단결정 막일 수 있다.In some examples, the powder may include a single crystal substrate and a material having a lattice mismatch rate of approximately -5% to approximately +5%. The lattice mismatch rate can be defined as the following equation. Here, the substrate may mean a single crystal substrate, and the coating layer may mean a polycrystalline film. The films, coating layers, films, etc. described below may all be polycrystalline films or single crystal films in the same sense.

Figure pat00001
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격자 불일치율이 대략 -5% 내지 대략 +5% 이내인 재료를 이용하여 다결정막을 만든 후 분위기 열처리를 하였을 경우, 결정 입자 없이 방향성을 가지는 단결정 에피택셜 막을 얻을 수 있다(도 2중 우측 상부 도면 참조). When a polycrystalline film is formed using a material having a lattice mismatch rate within about -5% to about +5% and then subjected to atmospheric heat treatment, a single crystal epitaxial film having directionality without crystal grains can be obtained (see the upper right drawing in FIG. 2). ).

격자 불일치율이 대략 -5% 내지 대략 +5% 이외인 재료를 이용하여 다결정막을 만든 후 열처리를 하였을 경우, 입자 성장을 통해 수백 nm 이상의 결정 입자를 갖는 다결정 막을 얻을 수 있다(도 2중 우측 하부 도면 참조).When a polycrystalline film is formed using a material having a lattice mismatch rate other than about -5% to about +5% and then heat treated, a polycrystalline film having crystal grains of several hundred nm or more can be obtained through grain growth (lower right in FIG. 2). see drawing).

아래의 실시예에서 다시 설명하겠지만, 분말은 Bi1.0Y1.0Gd1.0Fe4.0Ga1.0O12 또는 Bi1.0Y2.0Fe5O12을 포함할 수 있다. 여기서, Bi1.0Y1.0Gd1.0Fe4.0Ga1.0O12는 (BiYGd)3(FeGa)5O12로 표기될 수도 있다.As described again in the examples below, the powder may include Bi 1.0 Y 1.0 Gd 1.0 Fe 4.0 Ga 1.0 O 12 or Bi 1.0 Y 2.0 Fe 5 O 12 . Here, Bi 1.0 Y 1.0 Gd 1.0 Fe 4.0 Ga 1.0 O 12 may be expressed as (BiYGd) 3 (FeGa) 5 O 12 .

공정 챔버(130)는 막 형성 중에 진공 상태를 유지하며, 이를 위해 진공 유닛(140)이 연결될 수 있다. 일부 예들에서, 공정 챔버(130)의 압력은 대략 1 파스칼 내지 800 파스칼이고, 고속 이송관(122)에 의해 이송되는 분말의 압력은 대략 500 파스칼 내지 대략 2000 파스칼일 수 있다.The process chamber 130 maintains a vacuum state during film formation, and a vacuum unit 140 may be connected thereto. In some examples, the pressure of the process chamber 130 may be between approximately 1 Pascal and approximately 800 Pascals, and the pressure of the powder transported by the high-speed transfer tube 122 may be between approximately 500 Pascals and approximately 2000 Pascals.

더불어, 다결정막 형성 중 공정 챔버(130)의 내부 온도 범위는 대략 0 ℃ 내지 대략 1200 ℃일 수 있다. In addition, the internal temperature range of the process chamber 130 during the formation of the polycrystalline layer may be approximately 0 °C to approximately 1200 °C.

일부 예들에서, 단결정막 형성 중 공정 챔버(130)의 내부 온도 범위는 히터(131)에 의해 단결정 기판의 용융 온도보다 낮은 온도, 예를 들면, 대략 1000 ℃ 내지 대략 1200 ℃일 수 있다.In some examples, an internal temperature range of the process chamber 130 during formation of the single crystal film may be lower than the melting temperature of the single crystal substrate by the heater 131, for example, about 1000 °C to about 1200 °C.

한편, 상술한 바와 같이, 공정 챔버(130)와 고속 이송관(122)(또는 이송 가스 공급부(110) 또는 분말 공급부(120)) 사이의 압력 차이는 대략 1.5배 내지 대략 2000배 일 수 있다. 압력 차이가 대략 1.5배보다 작을 경우 분말의 고속 이송이 어려울 수 있고, 압력 차이가 대략 2000배보다 클 경우 분말에 의해 오히려 단결정 기판의 표면이 과도하게 식각될 수 있다.Meanwhile, as described above, the pressure difference between the process chamber 130 and the high-speed transfer pipe 122 (or the transfer gas supply unit 110 or the powder supply unit 120) may be approximately 1.5 times to approximately 2000 times. When the pressure difference is less than about 1.5 times, high-speed transfer of the powder may be difficult, and when the pressure difference is greater than about 2000 times, the surface of the single crystal substrate may be excessively etched by the powder.

이러한 공정 챔버(130)와 이송관(122)의 압력 차이에 따라, 분말 공급부(120)로부터의 분말은 이송관(122)을 통해 분사하는 동시에, 고속으로 공정 챔버(130)에 전달된다.According to the pressure difference between the process chamber 130 and the transfer pipe 122, the powder from the powder supply unit 120 is injected through the transfer tube 122 and delivered to the process chamber 130 at high speed.

또한, 공정 챔버(130) 내에는 이송관(122)에 연결된 노즐(132)이 구비되어,대략 100m/s 내지 대략 500m/s의 속도로 분말을 기재(131)에 충돌시킨다. 즉, 노즐(132)을 통한 분말은 이송 중 얻은 운동 에너지와 고속 충돌 시 발생하는 충돌 에너지에 의해 파쇄 및/또는 분쇄되면서 단결정 기판(131)의 표면에 일정 두께의 다결정막을 형성하게 된다. 일부 예들에서, 다결정막을 이루는 입자의 평균 입경은 대략 5 nm 내지 대략 500 nm일 수 있다. In addition, a nozzle 132 connected to the transfer pipe 122 is provided in the process chamber 130 to collide the powder into the substrate 131 at a speed of about 100 m/s to about 500 m/s. That is, the powder passing through the nozzle 132 is crushed and/or pulverized by kinetic energy obtained during transport and collision energy generated during high-speed collision to form a polycrystalline film having a certain thickness on the surface of the single crystal substrate 131. In some examples, the average particle diameter of the particles constituting the polycrystalline film may be about 5 nm to about 500 nm.

한편, 다결정막이 형성된 이후 분위기 열처리 공정이 수행됨으로써, 단결정 에피택셜막을 형성하게 된다. 상기 열처리는 대기 분위기에서 1000℃ 내지 1200℃의 온도로 11시간 내지 13시간 동안 수행될 수 있다. 일부 예들에서, 대기 분위기 이외에 질소 분위기 또는 아르곤 분위기가 이용될 수 있다.Meanwhile, by performing an atmosphere heat treatment process after the polycrystalline film is formed, a single crystal epitaxial film is formed. The heat treatment may be performed for 11 hours to 13 hours at a temperature of 1000 ° C to 1200 ° C in an air atmosphere. In some examples, a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere may be used in addition to an atmospheric atmosphere.

도 2는 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막 구조를 도시한 개략도이다.2 is a schematic diagram illustrating an exemplary epitaxial film formation method and resulting epitaxial film structure according to the present disclosure.

도 2에 도시된 바와 같이, 단결정 기판 위에 상술한 에어로졸 디포지션 방법에 의해 수백 nm 이하의 결정 입자를 갖는 다결정 코팅층이 제공될 수 있다.As shown in FIG. 2 , a polycrystalline coating layer having crystal particles of several hundred nm or less may be provided on a single crystal substrate by the aerosol deposition method described above.

이러한 다결정 코팅층을 분위기 열처리하였을 경우, 단결정 에피택셜 코팅층이 제공되거나 또는 다결정 코팅층이 제공될 수 있다.When such a polycrystalline coating layer is subjected to atmospheric heat treatment, a single crystal epitaxial coating layer or a polycrystalline coating layer may be provided.

일례로, 단결정 기판과 분말 사이의 격자불일치율이 대략 -5% 내지 대략 +5% 이내일 경우, 단결정 기판 상에 결정 입자 없이 방향성을 갖는 단결정 에피택셜 코팅층이 제공될 수 있다.For example, when the lattice mismatch between the single crystal substrate and the powder is within about -5% to about +5%, a single crystal epitaxial coating layer having orientation without crystal grains may be provided on the single crystal substrate.

다른 예로, 단결정 기판과 분말 사이의 격자불일치율이 대략 -5% 내지 대략 +5% 이외일 경우, 단결정 기판 상에 입자 성장을 통해 수백 nm 이상의 결정 입자를 가지는 다결정 코팅층이 제공될 수 있다.As another example, when the lattice mismatch between the single crystal substrate and the powder is other than about -5% to about +5%, a polycrystalline coating layer having crystal grains of several hundred nanometers or more may be provided on the single crystal substrate through particle growth.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예에 대해 설명한다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described.

[실시예][Example]

도 3은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막의 형성에 사용된 기판, 코팅층 및 기판 대비 코팅층의 격자불일치율을 도시한 표이다.3 is a table showing a substrate, a coating layer, and a lattice mismatch ratio of the coating layer to the substrate used in forming an exemplary epitaxial film according to the present disclosure.

도 3에 도시된 바와 같이, 단결정 기판으로서, SGGG[(Gd2.6Ca0.4)(Ga4.1Mg0.25Zr0.65)O12]가 이용되었다. 상기 SGGG 단결정 기판은 큐빅(Cubic) 결정 구조를 가지며, a=12.480Å의 격자변수(lattice parameter)를 갖는다. As shown in Fig. 3, as the single crystal substrate, SGGG [(Gd 2.6 Ca 0.4 )(Ga 4.1 Mg 0.25 Zr 0.65 )O 12 ] was used. The SGGG single crystal substrate has a cubic crystal structure and has a lattice parameter of a = 12.480 Å.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 에어로졸 디포지션 방식으로 다결정 막을 형성하기 위해 3가지 종류의 분말이 이용되었다.In addition, as shown in FIG. 3, three types of powder were used to form a polycrystalline film by an aerosol deposition method.

본 개시의 비교예를 위한 분말로서, SrTiO3 는 a=3.905Å의 격자변수를 갖는다. 단결정 기판 대비 SrTiO3 코팅층의 격자불일치율은 아래와 같이 계산된다.As a powder for a comparative example of the present disclosure, SrTiO 3 has a lattice parameter of a = 3.905 Å. The lattice mismatch ratio of the SrTiO 3 coating layer compared to the single crystal substrate is calculated as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

본 개시의 실시예를 위한 분말로서, Bi1.0Y1.0Gd1.0Fe4.0Ga1.0O12는 a=12.37Å의 격자변수를 갖는다. 단결정 기판 대비 Bi1.0Y1.0Gd1.0Fe4.0Ga1.0O12 코팅층의 격자불일치율은 아래와 같이 계산된다.As the powder for the examples of the present disclosure, Bi 1.0 Y 1.0 Gd 1.0 Fe 4.0 Ga 1.0 O 12 has a lattice parameter of a=12.37 Å. The lattice mismatch ratio of the Bi 1.0 Y 1.0 Gd 1.0 Fe 4.0 Ga 1.0 O 12 coating layer compared to the single crystal substrate is calculated as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

본 개시의 다른 실시예를 위한 분말로서, Bi1.0Y2.0Fe5O12는 a=12.75Å의 격자변수를 갖는다. 단결정 기판 대비 Bi1.0Y2.0Fe5O12 코팅층의 격자불일치율은 아래와 같이 계산된다.As a powder for another embodiment of the present disclosure, Bi 1.0 Y 2.0 Fe 5 O 12 has a lattice parameter of a = 12.75 Å. The lattice mismatch ratio of the Bi 1.0 Y 2.0 Fe 5 O 12 coating layer compared to the single crystal substrate is calculated as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 4는 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조를 도시한 확대 단면 사진이다.4 is an enlarged cross-sectional photograph showing an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, SGGG 단결정 기판 위에 (BiY)3Fe5O12 다결정 코팅층이 제공되고, 이후 대기 분위기에서 대략 1100℃에서 12시간 열처리한 결과, 단결정 에피택셜 막이 형성되었다.As shown in (a) of FIG. 4, a (BiY) 3 Fe 5 O 12 polycrystalline coating layer was provided on the SGGG single crystal substrate, and then, as a result of heat treatment at approximately 1100 ° C. for 12 hours in an air atmosphere, a single crystal epitaxial film was formed. .

그러나, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, SGGG 단결정 기판 위에 SrTiO3 다결정 코팅층이 제공되고, 이후 대기 분위기에서 대략 1100℃에서 12시간 열처리한 결과, 결정 입자가 수백 nm로 성장하여 다결정 막이 형성되었다.However, as shown in (b) of FIG. 4, as a result of providing a SrTiO 3 polycrystalline coating layer on the SGGG single crystal substrate and then heat-treating it at approximately 1100° C. for 12 hours in an air atmosphere, the crystal grains grow to hundreds of nm to form a polycrystalline film. was formed

즉, 단결정 기판과 격자 불일치율이 작은(-5% 내지 +5% 이내) 재료인 경우 단결정 막으로 성장하였고, 단결정 기판과 격자 불일치율이 큰(-5% 내지 +5% 이외) 재료인 경우 다결정 막으로 성장하였다.That is, when a material with a small lattice mismatch rate with a single crystal substrate (within -5% to +5%) is grown as a single crystal film, and a material with a large lattice mismatch rate with a single crystal substrate (other than -5% to +5%) It grew into a polycrystalline film.

도 5는 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막의 XRD(X-ray diffraction) 분석 결과를 도시한 도면이다. 도 5의 그래프에서 X축은 2θ를 의미하고, Y축은 강도(intensity a.u.)를 의미한다.5 is a diagram illustrating an X-ray diffraction (XRD) analysis result of an exemplary epitaxial film according to the present disclosure. In the graph of FIG. 5, the X-axis means 2θ, and the Y-axis means intensity a.u.

도 5의 (a)에 도시된 그래프에서와 같이, 단결정 기판 위에 수백 nm 이하의 결정 입자를 가지며 형성된 다결정 코팅층은 다수의 피크를 나타냄으로써 전형적인 다결정 막의 특징을 나타낸다. As shown in the graph shown in (a) of FIG. 5 , a polycrystalline coating layer formed on a single crystal substrate having crystal grains of several hundred nm or less exhibits a plurality of peaks, showing typical characteristics of a polycrystalline film.

도 5의 (b)에 도시된 그래프에서와 같이, 단결정 기판 위에 다결정 코팅층을 형성하고, 열처리하여 제공된 단결정 코팅층은 몇개의 피크를 나타냄을써 단결정 막의 특징을 나타낸다. 구체적으로, 결정 입자 없이 (444) 방향성을 가지는 단결정 피크가 관찰된다. 즉, 단결정 기판의 피크와 단결정 에피택셜 막의 피크가 명확하게 구분되어 나타남으로써, 단결정 에피택셜 막의 격자 불일치율이 작음을 알 수 있다.As shown in the graph shown in (b) of FIG. 5, a polycrystalline coating layer is formed on a single-crystal substrate, and the single-crystal coating layer provided by heat treatment exhibits several peaks, indicating the characteristics of a single-crystal film. Specifically, a single crystal peak having (444) orientation without crystal grains is observed. That is, since the peak of the single-crystal substrate and the peak of the single-crystal epitaxial film are clearly distinguished, it can be seen that the lattice mismatch rate of the single-crystal epitaxial film is small.

도 6은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조를 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.

도 6에 도시된 바와 같이, SGGG 단결정 기판 상에 (BiYGd)3(FeGa)5O12 제1단결정 에피택셜 막이 제공되고, 또한 제1단결정 에피택셜 막 상에 Bi1.0Y2.0Fe5O12 제2단결정 에피택셜 막이 제공될 수 있다. As shown in FIG. 6, a (BiYGd) 3 (FeGa) 5 O 12 first single crystal epitaxial film is provided on the SGGG single crystal substrate, and a Bi 1.0 Y 2.0 Fe 5 O 12 second single crystal epitaxial film is also provided on the first single crystal epitaxial film. A two-single-crystal epitaxial film may be provided.

TEM(Transmision Electron Microscope) 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1단결정 에피택셜 막과 제2단결정 에피택셜 막 사이의 경계면 역시 단결정 구조를 나타낸다.As can be seen in a TEM (Transmission Electron Microscope) photograph, the interface between the first single-crystal epitaxial film and the second single-crystal epitaxial film also exhibits a single-crystal structure.

여기서, 제1단결정 에피택셜 막과 제2단결정 에피택셜 막 사이의 결자불일치율은 아래와 같이 계산될 수 있다.Here, the crystallite mismatch rate between the first single-crystal epitaxial film and the second single-crystal epitaxial film can be calculated as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

일부 예들에서, 단결정 기판 상에 단결정 기판과 격자 불일치율이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 분사하여 제1다결정막을 형성하고, 이어서 제1다결정 막 상에 제1다결정 막과 격자 불일치율이 -5% 내지 +5%인 제2분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 분사하여 제2다결정막을 형성하며, 이후 제1,2다결정막을 분위기 열처리하여 상술한 바와 같이 제1,2단결정 에피택셜 막을 형성할 수 있다.In some examples, a first powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single crystal substrate is sprayed on a single crystal substrate at a speed of 100 m/s to 500 m/s to form a first polycrystalline film, and then a first polycrystalline film is formed. On the first polycrystalline film, a second powder having a lattice mismatch of -5% to +5% with the first polycrystalline film is sprayed at a speed of 100 m/s to 500 m/s to form a second polycrystalline film, and then the first polycrystalline film is formed. As described above, the first and second single-crystal epitaxial films may be formed by subjecting the second polycrystalline film to heat treatment in an atmosphere.

일부 예들에서, 단결정 기판 상에 단결정 기판과 격자 불일치율이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 분사하여 제1다결정막을 형성하고, 이후 제1다결정막을 분위기 열처리하여 상술한 바와 같이 제1단결정 에피택셜 막을 형성한다. 이어서, 제1다결정 막 상에 제1다결정 막과 격자 불일치율이 -5% 내지 +5%인 제2분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 분사하여 제2다결정막을 형성하며, 이후 제2다결정막을 분위기 열처리하여 상술한 바와 같이 제2단결정 에피택셜 막을 형성할 수 있다.In some examples, a first polycrystalline film is formed by spraying a first powder having a lattice mismatch ratio of -5% to +5% with the single crystal substrate on a single crystal substrate at a speed of 100 m/s to 500 m/s, and then forming a first polycrystalline film. The first polycrystalline film is subjected to atmospheric heat treatment to form a first single-crystal epitaxial film as described above. Subsequently, a second powder having a lattice mismatch ratio of -5% to +5% with the first polycrystalline film is sprayed on the first polycrystalline film at a speed of 100 m/s to 500 m/s to form a second polycrystalline film; Thereafter, the second polycrystalline film may be heat treated in an atmosphere to form a second single crystal epitaxial film as described above.

일부 예들에서, 2개의 단결정 에피택셜 막으로 이루어진 구조는 다층 단결정 에피택셜 막으로 지칭될 수도 있다.In some examples, a structure made of two single-crystal epitaxial films may be referred to as a multi-layer single-crystal epitaxial film.

도 7은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 구조를 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating an exemplary epitaxial film structure according to the present disclosure.

도 7에 도시된 바와 같이, 단결정 에피택셜 막은 금속 입자를 더 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 금속 입자는, 골드, 실버, 구리, 알루미늄 또는 니켈을 포함할 수 있다. 금속 입자의 평균 입경은 대략 1 nm 내지 대략 900 nm일 수 있다. 일부 예들에서, 금속 입자는 분말과 함께 상술한 방법과 유사하게 단결정 기판 상에 제공될 수 있다. 즉, 분말은 다결정 막을 이루고, 다결정 막 내에 금속 입자가 임베디드될 수 있다. 일부 예들에서, 분말 대비 금속 입자의 wt%는 대략 0.001wt% 내지 대략 30wt%일 수 있다. As shown in FIG. 7 , the single crystal epitaxial layer may further include metal particles. In some examples, the metal particle may include gold, silver, copper, aluminum or nickel. The average particle diameter of the metal particles may be from about 1 nm to about 900 nm. In some examples, the metal particles along with the powder may be provided on a monocrystalline substrate similarly to the method described above. That is, the powder forms a polycrystalline film, and metal particles may be embedded in the polycrystalline film. In some examples, the wt% of metal particles to powder may be between approximately 0.001 wt% and approximately 30 wt%.

더불어, 열처리 공정에 의해 다결정 막은 단결정 에피택셜 막이 될 수 있고, 이때 금속 입자는 여전히 단결정 에피택셜 막 내에 임베디드된 상태를 유지할 수 있다. 즉, 본 개시에서는 금속 입자와 분말이 에어로졸 디포지션 방식으로 단결정 기판 상에 코팅되고, 이어서 분위기 열처리를 통하여 나노 복합 구조의 단결정 에피택셜 막을 제공하게 된다. 일부 예들에서, 1 nm 내지 900 nm의 평균 입경을 갖는 금속 입자가 존재하는 단결정 에피택셜 막은 복합 이종 단결정 에피택셜 막으로 지칭될 수 있다.In addition, the polycrystalline film may become a single-crystal epitaxial film by the heat treatment process, and at this time, the metal particles may still remain embedded in the single-crystal epitaxial film. That is, in the present disclosure, a single crystal epitaxial film having a nanocomposite structure is provided by coating metal particles and powder on a single crystal substrate in an aerosol deposition method and then performing heat treatment in an atmosphere. In some examples, a single crystal epitaxial film in which metal particles having an average particle diameter of 1 nm to 900 nm are present may be referred to as a composite heterogeneous single crystal epitaxial film.

이와 같이 하여, 본 개시는 도체인 금속 나노 입자 표면과 유전체인 단결정 에피택셜 막에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 플라즈모닉 효과를 얻을 수 있다. In this way, the present disclosure provides a plasmonic effect in which free electrons on the metal surface collectively vibrate due to resonance with an electromagnetic field of a specific energy possessed by the light when light is incident on the surface of the metal nanoparticle, which is a conductor, and the single crystal epitaxial film, which is a dielectric. can be obtained.

이에 따라, 본 개시는 플라즈모닉 효과를 필요로 하는 재료, 전자, 정보통신, 환경, 에너지, 생명공학, 신약개발, 의료 등의 분야에서 광범위하게 응용될 수 있고, 특히 금속 나노 구조의 플라즈모닉 현상은 바이오센서, 가스센서, 태양전지, 발광다이오드 등에 응용될 수 있다.Accordingly, the present disclosure can be widely applied in the fields of materials, electronics, information and communication, environment, energy, biotechnology, new drug development, and medical care that require plasmonic effects, and in particular, plasmonic phenomena of metal nanostructures. It can be applied to biosensors, gas sensors, solar cells, light emitting diodes, and the like.

종래의 CVD, LPE, MBE 등의 방법 하에서는 금속 입자를 증착 입자와 함께 단결정 기판 상에 공급할 경우 금속 입자에 의해 단결정 막의 성장이 방해되어 본 개시와 같이 금속 입자가 임베디드된 단결정 에피택셜 막을 얻을 수 없었다.Under conventional methods such as CVD, LPE, MBE, etc., when metal particles are supplied on a single crystal substrate together with deposited particles, the growth of the single crystal film is hindered by the metal particles, so that a single crystal epitaxial film in which metal particles are embedded cannot be obtained as in the present disclosure. .

도 8은 본 개시에 따른 금속 입자를 포함하는 예시적 에피택셜 막 및 이의 격자 정수 변화율을 도시한 도면이다.8 is a diagram illustrating an exemplary epitaxial film including metal particles and a lattice constant change rate thereof according to the present disclosure.

도 8의 확대 사진에 도시된 바와 같이, 금속 입자의 주변인 우측 영역(A), 상부 영역(B), 하부 영역(C) 및 좌측 영역(D)에서, B에 대한 A, C, D의 격자 정수 변화율을 계산하였다. 도 8의 그래프에 도시된 바와 같이, A, C, D의 격자 정수 변화율은 각각 0.07%, -0.07%, -0.17%로 계산됨으로써, 금속 입자에 따른 격자 정수 변화가 거의 없음을 볼 수 있다. 즉, 본 개시에서는 금속 입자가 단결정 성장에 방해되지 않고, 여전히 우수한 단결정 에피택셜 막이 제공되도록 함을 볼 수 있다.As shown in the enlarged picture of FIG. 8, in the right area (A), upper area (B), lower area (C) and left area (D) around the metal particle, the lattice of A, C, and D for B The constant rate of change was calculated. As shown in the graph of FIG. 8, the lattice constant change rates of A, C, and D are calculated to be 0.07%, -0.07%, and -0.17%, respectively, so that there is almost no change in lattice constant depending on the metal particles. That is, it can be seen that the metal particles do not hinder the single crystal growth in the present disclosure, and still allow an excellent single crystal epitaxial film to be provided.

이상에서 설명한 것은 본 개시에 따른 예시적 에피택셜 막 형성 방법 및 이에 따른 에피택셜 막을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 개시은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 개시의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment for implementing an exemplary epitaxial film forming method and an epitaxial film according to the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and claims in the following claims As such, anyone skilled in the art in the field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present disclosure will say that the technical spirit of the present disclosure exists to the extent that various changes can be made.

Claims (3)

단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 다결정막을 이루는 입자의 평균 입경은 5 nm 내지 500 nm인 제1다결정막을 형성하며, 상기 제1다결정막을 분위기 열처리하여 제1단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된, 에피택셜 막 구조.A single crystal substrate is provided, and a first powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single crystal substrate is placed on the single crystal substrate in a vacuum at a speed of 100 m/s to 500 m/s. An epitaxial film structure manufactured by spraying through a nozzle to form a first polycrystalline film having an average particle diameter of 5 nm to 500 nm of particles constituting the polycrystalline film, and subjecting the first polycrystalline film to heat treatment in an atmosphere to form a first single-crystal epitaxial film. 단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말과 금속입자의 복합이종 분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 제1복합 이종 다결정막을 형성하며, 상기 제1복합 이종 다결정막을 분위기 열처리하여, 에피택셜 막 내에 1 nm 내지 900 nm의 평균 입경을 갖는 금속 입자가 존재하는 제1복합 이종 단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된, 에피택셜 막 구조.A single crystal substrate is provided, and a composite heterogeneous powder of a first powder and metal particles having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single crystal substrate is applied on the single crystal substrate at 100 m/s to 500 m / s through a nozzle in vacuum to form a first complex heterogeneous polycrystalline film, and heat-treat the first complex heteropolycrystalline film in an atmosphere to form metal particles having an average particle diameter of 1 nm to 900 nm in the epitaxial film. An epitaxial film structure prepared by forming a first composite heterogeneous single crystal epitaxial film to 단결정 기판을 제공하고, 상기 단결정 기판 상에 상기 단결정 기판과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제1분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 다결정막을 이루는 입자의 평균 입경은 5 nm 내지 500 nm인 제1다결정막을 형성하며, 상기 제1다결정막 상에 상기 제1다결정막과 격자 불일치율(lattice mismatch rate)이 -5% 내지 +5%인 제2분말을 100 m/s 내지 500 m/s의 속도로 진공 중 노즐을 통하여 분사하여 제2다결정막을 형성하고, 상기 제1다결정막과 제2다결정막을 별도 또는 동시에 분위기 열처리하여 다층 단결정 에피택셜 막을 형성하여 제조된, 에피택셜 막 구조,
A single crystal substrate is provided, and a first powder having a lattice mismatch rate of -5% to +5% with the single crystal substrate is placed on the single crystal substrate in a vacuum at a speed of 100 m/s to 500 m/s. A first polycrystalline film having an average particle diameter of 5 nm to 500 nm of particles constituting the polycrystalline film is sprayed through the nozzle, and a lattice mismatch rate with the first polycrystalline film is -5 on the first polycrystalline film. % to +5% of the second powder is sprayed through a nozzle in a vacuum at a speed of 100 m/s to 500 m/s to form a second polycrystalline film, and the first polycrystalline film and the second polycrystalline film are separated or simultaneously in an atmosphere. An epitaxial film structure prepared by heat treatment to form a multilayer single-crystal epitaxial film,
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