KR100980563B1 - 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치 및 나노 구조체 제조방법 - Google Patents

기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치 및 나노 구조체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판의 온도를 조절하여 나노 구조체를 제조하는 장치 및 나노 구조체의 제조방법에 있어서, 반응로 내부의 가스 유동을 방해하지 않으면서도 국소적으로 기판의 온도를 조절함으로써 재현성 있게 고품질의 나노 구조체를 제조하는 장치 및 방법을 제공한다.
나노 구조체, 나노 구조체 제조장치

Description

기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치 및 나노 구조체 제조방법{Nano-Structures Manufacturing Equipement Having Partly Controllable Substrate in Temperature and Manufacturing Method of Nano-Structures}
본 발명은 기판의 온도를 국소적으로 조절하여 나노 구조체를 제조하는 장치 및 나노 구조체의 제조방법에 있어서, 반응로 내부의 가스 유동을 방해하지 않으면서도 국소적으로 기판의 온도를 조절함으로써 재현성 있게 고품질의 나노 구조체를 제조하는 장치 및 방법을 제공한다.
질화갈륨을 기반으로 하는 반도체 재료는 매우 큰 직접 천이형 에너지띠 간격을 가지고 있어 UV에서부터 청색에 이르는 영역까지 빛을 낼 수 있는 광소자재료로 큰 관심을 모으고 있으며, 에피탁시(epitaxy) 형태로 성장시켜 사용하고 있다.
상기와 같이 반도체 재료를 에피탁시 형태로 성장시키는 대표적인 방법으로는 금속 유기화학 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자 빔 켜쌓기법(Molecular Beam Epitaxy;MBE) 및 하이드라이드 베이퍼 페이즈 에피탁시법(Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE) 등이 사용되고 있다.
상기 MOCVD 또는 MBE법은 고품질의 반도체 에피탁시를 성장시키는데 매우 유 리한 장점을 가지고 있으나 반도체 재료를 제조하기 위한 비용이 많이 들뿐만 아니라 반도체 재료의 성장속도가 느리다는 단점이 있다.
또한, HVPE법은 상대적으로 켜쌓기 성장 필름(epitaxy grown film)의 특성이 떨어지지만 저렴한 가격으로 반도체 재료를 제조할 수 있고, 반도체 재료의 성장속도가 빨라 질화갈륨 후막과 같은 Ⅲ-족 원소로 구성된 후막의 제조에 유리하다.
도1은 상기 HVPE법을 이용하여 나노 구조체를 제조하는 종래 장치의 한 실시예를 나타낸 것으로서, 반응로(100)에 불활성 가스에 의해 수송되는 할리드 가스(Halide gas)가 주입되는 제1가스 주입관(110)과, NH3 등의 V-족 원소를 포함하는 기체가 주입되는 제2가스 주입관(120)이 형성되며, 상기 제1가스 주입관(110) 중간에는 Ga 등의 Ⅲ-족를 담기 위한 용기(130)가 설치된다. 또한, 상기 반응로(100) 내부에는 사파이어 등의 기판(A)을 안치하기 위한 기판 홀더(140)가 설치되며, 타측에는 반응가스들을 배기시키기 위한 배기구(150)가 형성된다. 또한, 상기 반응로(100) 외벽에는 전기로(160)가 설치되어 반응로(100)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성된 종래의 나노 구조체 제조장치를 이용하여 나노 구조체를 제조하는 방법은, 먼저 기판 홀더 상부에 사파이어로 형성된 기판을 설치한 후, 상기 용기에 Ⅲ-족 원소인 Ga를 담는다. 다음에 전기로를 작동시켜 기판의 온도를 400 ~ 600℃로 유지하고, 상기 용기를 통과하는 제1가스 주입관을 통해 할리드 가스를 주입하여 용기속의 Ga와 반응하면서 기판 상부로 투입되도록 한다. 다음에 상기한 온도로 모기판이 유지되는 상태에서 제2가스 주입관(120)를 통해 NH3 가스를 주입한다. 상기와 같이 제1가스 주입관을 통해 기판 상부로 투입된 Ga은 제2가스 주입관을 통해 주입된 NH3 가스와 반응하여 기판 상부에 질화갈륨 나노 구조체를 성장시킨다. 이때, 기판의 성장온도에 따라 박막, 나노로드, 나노 튜브, 포러스 재료 등의 구조를 갖도록 형성할 수도 있다.
상기와 같이 종래의 나노 구조체 제조장치를 이용하여 나노 구조체를 제작하기 위해서는 상기와 같은 장치를 이용하여 기판의 온도를 400 ~ 600℃로 유지해야하고, 상기 반응로 내부의 온도를 400 ~ 600℃로 유지한 상태에서 나노 구조체를 제조하여야 하기 때문에, 상대적으로 낮은 온도로 인하여 5족 원소를 제공하는 NH3 가스의 분해가 잘 일어나지 않고, 제1가스관으로 주입되는 할리드 가스와 용기에 담긴 갈륨이 반응하여 생성되는 GaCl과의 반응도가 떨어진다는 문제점이 있었다.
다음에, 도2는 상기 HVPE법을 이용하여 나노 구조체를 제조하는 종래 장치의 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 상기 도1과 같이 반응로(100), 제1가스 주입관(110), 제2가스 주입관(120), 용기(130), 기판(A), 기판 홀더(140), 배기구(150) 및 전기로(160)를 구비하며, 반응로(100) 후단에 카운터 플로우 가스(Counter flow Gas)를 주입할 수 있는 카운터 플로우 가스 주입관(170)을 더 형상한 구성을 가지고 있다. 즉, 상기 카운터 플로우 가스 주입관(170)을 통해 카운터 플로우 가스를 주입하여 반응로 내부에 카운터 플로우를 발생시킴으로써 반응로 내부 전체의 온도를 낮추지 않고도 기판의 온도는 400 ~ 600℃로 유지되어 나노 구조체가 형성될 수 있도록 하는 장치이다.
그러나, 상기 나노 구조체 제조장치는 후단에 형성된 플로우 가스 주입관을 통해 주입되는 카운터 플로우 가스와 전단에 형성된 제1가스 주입관 및 제2가스 주입관을 통해 주입된 할리드 가스 및 V-족 원소를 포함하는 가스들이 만나면서 와류가 발생함에 따라 기판 상부에 나노 구조체가 제대로 형성되지 않고, 그 와류 현상의 불규칙성으로 인하여 기판 상부에 형성되는 나노 구조체의 재현성이 없다는 문제점이 있었다.
또한, 카운터 플로우 가스의 영향으로 기판만이 아닌 기판 주변의 온도도 하강하는 문제가 발생되므로 기판 위에서 NH3와 GaCl 가스들의 반응도가 떨어지게 된다는 문제점도 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 도1과 같은 나노 구조체 제조장치의 기판 홀더에 기판의 온도를 국소적으로 조잘하기 위한 기판 온도 조절수단을 설치함으로써, 반응로 내부의 온도에 상관없이 기판 홀더에 안치된 기판의 온도만을 나노 구조체의 형성온도로 낮추도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 기판 홀더에 설치된 기판온도 조절수단을 이용하여 기판의 온도를 국소적으로 조절함으로써 반응로 내부에서 제1가스 주입관과 제2가스 주입관을 통해 유입되는 가스의 유동에 방해 요인이 발생되지 않도록 하고, 반응로 내부의 온도는 5족 원소를 제공하는 NH3 가스의 분해가 잘 일어나고 할리드 가스와 용기에 담기 갈륨이 반응하여 생성되는 GaCl의 반응도를 높게 유지함으로써 고품질의 나노 구조체를 재현성 있게 형성할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치는, 기판을 안치하기 위한 기판 홀더를 갖는 나노 구조체 제조장치에 있어서, 상기 기판 홀더는 기판의 온도를 국소적으로 조절 하기 위하여 상기 기판 홀더의 내부에 형성된 공동과; 상기 공동에 온도조절용 유체를 공급하기 위한 유체 주입관으로 구성된 기판 온도 조절 수단을 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조 방법은, 기판 홀더 상부에 기판을 설치하고 용기에 Ⅲ-족 원소를 담는 단계와; 전기로를 작동시켜 반응로 내부의 온도를 700 ~ 1200℃로 유지하는 단계와; 상기 반응로 내부의 온도를 상기와 같이 유지한 상태에서, 기판온도 조절수단을 이용하여 기판의 온도를 나노 구조체 성장 온도로 유지하는 단계와; 상기 용기를 통과하는 제1가스 주입관을 통해 불활성 가스에 의해 수송되는 할리드 가스를 주입하여 용기속의 Ⅲ-족 원소와 반응하면서 기판 상부로 투입하는 단계와; 제2가스 주입관을 통해 V-족 원소를 포함하는 가스를 투입하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 하나 이상 존재한다.
첫째, 나노 구조체 제조장치의 기판 홀더에 기판온도 조절수단을 설치함으로써, 반응로 내부의 온도에 상관없이 기판 홀더에 안치된 기판의 온도만을 나노 구조체의 성장온도로 낮출 수 있다.
둘째, 기판 홀더에 설치된 기판온도 조절수단으로 기판의 온도를 국소적으로 조절함으로써 반응로 내부에서 제1가스 주입관과 제2가스 주입관을 통해 유입되는 가스의 유동에 방해 요인이 발생되지 않도록 하고, 반응로 내부의 온도는 5족 원소를 제공하는 NH3 가스의 분해가 잘 일어나고 GaCl과의 반응도를 높게 유지함으로써 고품질의 나노 구조체를 재현성 있게 형성할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도3은 본 발명에 따른 HVPE법을 이용하여 나노 구조체를 제조하기 위한 장치의 한 실시예를 나타낸 것으로, 진공상태로 유지되는 반응로(200)에 불활성 가스에 의해 수송되는 할리드 가스(Halide gas)가 주입되는 제1가스 주입관(210)과, NH3 등의 V-족 원소를 포함하는 기체가 주입되는 제2가스 주입관(220)이 형성되며, 상기 제1 가스 주입관(210) 중간에는 Ga 등의 Ⅲ-족를 담기 위한 용기(130)가 설치된다. 또한, 상기 반응로(200) 내부에는 사파이어 등의 기판(A)을 안치하며 기판의 온도를 국소적으로 조절할 수 있는 기판온도 조절수단이 설치된다. 이때, 상기 국소조절 온도 수단으로는 외부로부터 가스, 액체 등의 유체를 순환시키기 위해 기판 홀더(240) 내부에 공동(241)을 형성하고, 상기 기판 홀더(240)의 내부 공동(241)에 연결되어 외부 공기를 주입하기 위한 유체 주입관(250)을 설치한다. 또한, 상기 기판 홀더(240)에 전기적 냉각장치를 설치하여 기판의 온도를 조절할 수도 있다.
또한, 타측에는 반응 가스들을 배기시키기 위한 배기구(260)가 형성되며, 상기 반응로(200) 외벽에는 전기로(270)가 설치되어 반응관(200)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.
상기 기판 온도 조절수단을 이용한 기판의 국소적 온도조절은, 전기로에 의해서 기판과 그 주위가 열적 평형 상태에 있다고 가정하고 기판 주변의 온도에 거의 영향을 주지 않으면서 기판의 온도만을 반응로 내부의 온도에 대해 최대 500oC 까지 낮출 수 있다.
다음에, 도4는 상기 기판 홀더(240)에 형성된 내부 공동(241)으로 유체 주입관을 통해 순환되는 유체 흐름의 한 실시예를 나타낸 것이다.
상기와 같이 구성된 나노 구조체 제조장치를 이용하여 질화갈륨 기반의 나노 구조체를 제조하는 방법은, 먼저 기판 홀더(240) 상부에 사파이어, SiC, Si, GaAs 등으로 형성된 기판(A)을 설치한 후, 상기 용기에 Ⅲ-족 원소인 Ga를 담는다.
다음에, 전기로를 작동시켜 반응로 내부 기판 주변 온도를 V-족 원소를 포함하는 기체인 NH3 가스의 분해가 잘 일어나고, GaCl과의 반응도를 높게 유지할 수 있는 온도인 700 ~ 1200℃로 유지한다.
다음에, 상기 반응로(200) 내부의 온도를 상기와 같이 유지한 상태에서, 상기 유체 주입관(250)를 통해 유체를 기판 홀더(240)의 내부 공동(241)에 순환시켜 기판의 온도를 100 ~ 700℃로 유지한다.
다음에, 상기 용기(130)를 통과하는 제1가스 주입관(110)을 통해 불활성 가스에 의해 수송되는 할리드 가스를 주입하여 용기속의 Ga와 반응하면서 기판(A) 상부로 투입되도록 한다. 다음에 상기한 온도로 기판이 유지된 상태에서 제2가스 주입관(220)을 통해 V-족 원소인 NH3를 투입한다.
상기와 같이 제1가스 주입관을 통해 기판 상부로 투입된 Ga 원소는 제2가스 주입관을 통해 주입된 V-족 원소와 반응하여 기판 상부에 Ⅲ-V족의 분자식을 갖는 나노 구조체를 성장시킨다.
이때, 기판의 성장온도를 조절하여 Ⅲ-V족의 분자식을 갖는 박막, 나노로드, 나노 튜브, 포러스 재료 등을 형성할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명은 HVPE법을 사용한 나노 구조체를 제조하는 장치 및 방법에 대해 설명하고 있으나, 상기 나노 구조체 장치 이외에도 나노 구조체를 제조하기 위해 기판을 안치하기 위한 기판홀더를 갖는 모든 나노 구조체 제조장치에 적 용하여 기판의 온도를 국소적으로 조절할 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 고안의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
도1은 종래의 HVPE법을 이용한 나노 구조체 제조장치의 한 실시예를 나타낸 도면.
도2는 종래의 HVPE법을 이용한 나노 구조체 제조장치의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도3은 본 발명에 따른 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 기판 온도 조절수단을 갖는 나노 구조체 제조장치의 한 실시예를 나타낸 도면.
도4는 도3의 나노 구조체 제조장치를 구성하는 기판 홀더 내부의 냉각 가스경로를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200 : 반응로 110,210 : 제1가스 주입관
120,220 : 제2가스 주입관 130,230 : 용기
140,240 : 기판 홀더 150,260 : 배기구
160,270 : 전기로 170 : 카운터 플로우 가스 주입관
241 : 내부 공동 250 : 유체 주입관
A : 기판

Claims (11)

  1. 기판을 안치하기 위한 기판 홀더를 갖는 나노 구조체 제조장치에 있어서, 상기 기판 홀더는,
    상기 기판의 온도를 상기 기판의 주변 기체의 온도에 비해 낮게 유지시키는 기판 온도 조절 수단을 포함하며, 상기 기판 온도 조절 수단은,
    상기 기판 홀더의 내부에 형성된 공동과;
    상기 공동에 유체를 공급하여 순환시키며 상기 공급된 유체의 양을 조절함으로써 상기 기판의 온도를 조절하기 위한 유체 주입관으로 구성되는데,
    상기 유체 주입관으로 주입되는 유체는 가스이며,
    반응로 내부의 온도를 700 ~ 1200℃로 유지한 상태에서 상기 기판의 온도를 100 ~ 700℃로 유지하며,
    상기 기판 온도 조절 수단은 상기 유체 주입관으로 주입되는 유체의 양을 조절하여 박막, 나노로드, 나노튜브 및 포러스 재료 중 어느 하나를 제조하는 것을 특징으로 하는 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 온도 조절수단은,
    상기 기판 홀더의 하단에 설치된 전기적 냉각장치인 것을 특징으로 하는 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 기판 홀더 상부에 기판을 설치하고, 제1 가스 주입관의 내부에 설치된 용기에 Ⅲ-족 원소를 담는 단계와;
    전기로를 작동시켜 반응로 내부의 온도를 700 ~ 1200℃로 유지하는 단계와;
    상기 기판 홀더의 내부에 형성된 공동과 상기 공동에 유체를 공급하는 유체 주입관으로 구성된 기판 온도 조절 수단을 이용하여 상기 기판의 온도를 상기 기판의 주변 기체의 온도에 비해 낮게 유지하는 단계와;
    상기 제1 가스 주입관을 통해 할리드 가스를 주입하여 상기 용기속의 Ⅲ-족 원소와 반응하여 생성되는 가스를 상기 기판의 상부로 투입되도록 하는 단계와;
    제 2가스 주입관을 통해 V-족 원소를 포함하는 기체를 상기 반응로 내부로 투입하는 단계를 포함하며,
    상기 기판 온도 조절 수단은, 상기 공동에 유체를 공급하여 순환시키며 상기 공급된 유체의 양을 조절함으로써 상기 기판의 온도를 100 ~ 700℃로 유지시키며,
    상기 Ⅲ-족 원소는 Ga이고, 상기 V-족 원소를 포함하는 기체는 NH3이며, 상기 유체는 가스이며,
    상기 기판 온도 조절 수단은 상기 유체 주입관으로 주입되는 유체의 양을 조절하여 박막, 나노로드, 나노튜브 및 포러스 재료 중 어느 하나를 제조하는 것을 특징으로 하는 나노 구조체 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 기판을 안치하기 위한 기판 홀더를 갖는 나노 구조체 제조장치에 있어서, 상기 기판 홀더는,
    상기 기판의 온도를 상기 기판의 주변 기체의 온도에 비해 낮게 유지시키는 기판 온도 조절 수단을 포함하며, 상기 기판 온도 조절 수단은,
    상기 기판 홀더의 내부에 형성된 공동과;
    상기 공동에 유체를 공급하여 순환시키며 상기 공급된 유체의 양을 조절함으로써 상기 기판의 온도를 조절하기 위한 유체 주입관과;
    상기 기판 홀더의 하단에 설치된 전기적 냉각장치를 포함하며,
    상기 유체 주입관으로 주입되는 유체는 가스이며,
    반응로 내부의 온도를 700 ~ 1200℃로 유지한 상태에서 상기 기판의 온도를 100 ~ 700℃로 유지하며,
    상기 기판 온도 조절 수단은 박막, 나노로드, 나노튜브 및 포러스 재료 중 어느 하나를 제조하는 것을 특징으로 하는 기판의 국소적 온도 조절이 가능한 나노 구조체 제조장치.
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