KR101491113B1 - 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응 챔버의 내부 공간을 기판이 안착되는 성장 영역부와 소스 물질을 기화시키는 기화 영역부로 각각 분리하고, 성장 영역부의 온도는 상대적으로 저온으로 제어하고 기화 영역부의 온도는 상대적으로 고온으로 제어함으로써, 소스 물질의 기화를 통한 반응 물질이 고온에서 형성된 후 저온 상태인 기판에 나노 로드로 증착 성장하게 되어 기판에 대한 손상 없이 단결정 구조를 갖는 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 열 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

Description

고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치{Thermal Chemical Vapor Deposition System for Low Temperature Growth of Oxide-based Nanorods}
본 발명은 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반응 챔버의 내부 공간을 기판이 안착되는 성장 영역부와 소스 물질을 기화시키는 기화 영역부로 각각 분리하고, 각 영역부를 저온 및 고온으로 독립적으로 제어함으로써, 저온 상태에서 기판에 대한 손상 없이 단결정 구조를 갖는 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 열 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
나노 기술은 원자, 분자 수준에서 물질을 물리적 혹은 화학적으로 제어하여 유용한 구조와 기능을 발현시키는 기술로, 이를 통해 종래와는 전혀 다른 원리의 디바이스를 구현할 수 있으며, 그 활용 가능성이 무궁무진할 것으로 기대되고 있다. 나노 기술은 향후 과학기술의 핵심적인 분야가 될 것으로 예상되고 있으며, 다른 기술들에 비해 기반이나 속도 면에서 훨씬 급속하게 성장하고 있다.
이와 함께, 물질의 나노 구조를 이용하여 새로운 전자소자나 광소자 등의 기능소자를 개발하려는 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 나노 분말, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 로드, 나노 복합체 등 나노미터 크기의 구조물에서는 기존의 박막이나 벌크 형태에서와는 전혀 다른 광학적, 전기적, 자기적, 유전적 특성이 발현된다. 이러한 특성을 이용해 저전력으로 동작 효율을 높이거나, 기능소자의 성능을 향상시키려는 다양한 시도가 이루어지고 있다.
종횡비가 큰 1차원 나노 구조체는 넓은 표면적을 가질 수 있고 전위 밀도가 작고 결정성(crystallinity)이 높으며 나노 크기에 의한 양자크기 효과와 같은 물리적 특성을 지니기 때문에, 전자소자와 반도체 발광소자, 광소자뿐만 아니라, 환경관련 소재에 응용될 수 있고, 특히 반도체 나노 구조체의 경우, 단일 전자 트랜지스터 소자뿐만 아니라, 새로운 광소자 재료로 응용이 가능하다.
특히, ZnO, ITO와 같은 산화물 나노 로드는 광학 및 전기적 특성이 우수하기 때문에, 발광 다이오드(LED)와 같은 광전자 소자, 전자 소자, 디스플레이 투명 전극 및 투명 센서로서 크게 각광을 받고 있다.
최근에는 질화갈륨(GaN) 발광 다이오드(LED)에 이러한 산화물 나노 로드를 적용하여 광추출 효율을 개선한다거나 또는 산화물 나노 로드를 기판 위에 버퍼층으로 활용하여 수직형 발광 다이오드 연구 개발에 활용되고 있다.
도 1은 일반적인 질화갈륨(GaN) 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
일반적인 GaN LED 소자(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 GaN 기판(10) 상에 n형 클래드층(20), 활성층(30) 및 p형 클래드층(40)을 순차적으로 에피택셜 성장시키는 방식으로 구성된다. 이들 클래드층(20,40)과 활성층(30)은 LED 소자의 발광 구조물을 구성한다. p형 클래드층(40)의 상부에는 ITO 전극층(50)이 형성되고, ITO 전극층(50)의 상부에 ZnO와 같은 산화물 나노 로드(60)를 성장시키는 방식으로 구성된다. 이러한 나노 로드(60)는 광을 산란시킴으로써 LED 소자의 외부 광자 효율을 증가시키는 역할을 하며, 또한 매우 균일한 분포로 크기 및 밀도가 조절되어 성장되기 때문에, 광 출사면의 표면 거칠기가 균일하게 되어 LED 소자의 외부 광자 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이때, n형 클래드층(20) 및 p형 클래드층(40)은 1000℃ 내지 1100℃ 정도의 온도에서 형성되고, 활성층(30)은 상대적으로 저온인 620℃ 내지 720℃ 정도의 온도에서 형성된다.
산화물 나노 로드(60)를 형성하기 위해서는 금속 촉매를 이용한 Vapor-Liquid-Vapor (VLS) 메카니즘을 갖는 방법이 주로 사용되고 있는데, VLS 방법에 사용되는 액상 촉매는 금(Au)과 같은 금속 클러스터를 들 수 있으며, 기상(vaporization)을 형성시키기 위해서는 금속 산화물과 그래파이트(garphite)를 함께 고온에서 열처리시켜 산화물을 환원시키는 방법이 주로 사용되어져 왔다.
그러나, 이러한 VLS 방법은 실험실 단위에서 수행할 수 있는 것으로, 산업 현장에서 대량 생산을 위한 방식으로는 적합하지 않다. 산화물 나노 로드를 형성하기 위한 대량 생산 방식으로는 현재 열 화학 기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition, Thermal CVD)이 거의 유일한 방식으로 사용되고 있다.
이러한 열 화학 기상 증착법을 이용하여 산화물 나노 로드를 형성하는 경우, 증착 방식의 특성상 700℃ 이상, 바람직하게는 900℃ 이상의 고온에서 소스 물질을 기화시켜야만 고품위 산화물 나노 로드를 성장시킬 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 GaN LED 소자(1)의 경우, 활성층(30)이 620℃ 내지 720℃ 정도의 온도에서 형성되므로, 이 이상의 온도에서는 활성층(30)이 손상되기 때문에, 이러한 열 화학 기상 증착법을 이용하여 산화물 나노 로드를 형성하는 것이 매우 어려워 널리 사용되지 못한다는 문제가 있었다.
한편, 특정 조건에 따라서는 600℃ 이하의 저온에서도 열 화학 기상 증착법을 이용하여 산화물 나노 로드를 형성시킬 수는 있지만, 이 경우 형성되는 산화물 나노 로드는 고품위를 유지할 수 없다. 예를 들면, 600℃ 이하의 저온에서 형성되는 산화물 나노 로드는 다결정(poly-cristal) 구조를 가지게 되며, 단결정(single-cristal) 구조를 갖지 못한다. 따라서, 단결정 구조를 갖는 고품위 산화물 나노 로드를 형성하기 위해서는 전술한 바와 같은 700℃ 이상의 고온에서 열 화학 기상 증착법을 수행해야 하는데, 이 경우 증착 과정에서 활성층(30)의 손상이 수반되므로, 이러한 열 화학 기상 증착법은 그 우수한 특성에도 불구하고 그 사용 범위가 크게 제한되고 있는 실정이다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응 챔버의 내부 공간을 기판이 안착되는 성장 영역부와 소스 물질을 기화시키는 기화 영역부로 각각 분리하고, 성장 영역부의 온도는 상대적으로 저온으로 제어하고 기화 영역부의 온도는 상대적으로 고온으로 제어함으로써, 소스 물질의 기화를 통한 반응 물질이 고온에서 형성된 후 저온 상태인 기판에 나노 로드로 증착 성장하게 되어 기판에 대한 손상 없이 단결정 구조를 갖는 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 열 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응 챔버의 기화 영역부와 성장 영역부 사이에 완충 영역부를 형성하고, 완충 영역부의 온도를 기화 영역부의 온도 및 성장 영역부의 온도 사이로 설정함으로써, 반응 챔버 내부 공간에서 온도 구배 및 분압 차이를 완충하여 더욱 안정적으로 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 열 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 내부에 반응 가스 및 캐리어 가스가 공급될 수 있도록 양측에 가스 주입구 및 배기구가 각각 형성되고, 내부 공간의 일측에 기판이 배치되는 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버의 내부 공간을 영역별로 부분 가열하는 제 1 히터 및 제 2 히터를 포함하고, 상기 반응 챔버는 상기 가스 주입구와 인접하게 위치하도록 형성되며, 영역 내부에 소스 물질이 배치되고 상기 소스 물질이 기화되도록 상기 제 1 히터에 의해 제 1 온도로 가열되는 기화 영역부와, 상기 기화 영역부와 이격되도록 상기 배기구와 인접하게 형성되며, 영역 내부에 상기 기판이 배치되고 상기 제 2 히터에 의해 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 가열되는 성장 영역부를 포함하고, 상기 기화 영역부에서 기화된 소스 물질이 상기 반응 가스와 반응하여 반응 물질을 생성하고, 상기 반응 물질이 상기 캐리어 가스에 의해 이동하여 상기 기판에 나노 로드로 증착 성장하는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
이때, 상기 반응 챔버는 상기 기화 영역부와 성장 영역부 사이에 위치하도록 형성되며, 영역 내부 공간이 별도의 제 3 히터에 의해 상기 제 1 온도와 제 2 온도 사이의 제 3 온도로 가열되는 완충 영역부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 완충 영역부의 영역 내부에는 상기 제 3 히터의 가열에 의해 기화되도록 상기 소스 물질이 배치될 수 있다.
또한, 상기 완충 영역부는 상기 기화 영역부에 인접한 위치에서 상기 성장 영역부에 인접한 위치로 갈수록 각 위치에서의 가열 온도가 점진적으로 하강하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 완충 영역부는 상기 기화 영역부와 성장 영역부 사이에 다수개 형성되고, 다수개의 상기 완충 영역부는 상기 기화 영역부로부터 상기 성장 영역부에 인접하게 위치할수록 해당 가열 온도가 순차적으로 하강하도록 형성될 수 있다.
또한, 다수개의 상기 완충 영역부 중 적어도 어느 하나 이상의 영역 내부에는 상기 제 3 히터의 가열에 의해 기화되도록 상기 소스 물질이 배치될 수 있다.
또한, 상기 소스 물질은 파우더 또는 필라 구조를 갖는 In, Zn, Sn, Al 중 어느 하나와, 그래파이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐리어 가스는 Ar 또는 N2 가스를 포함하고, 상기 반응 가스는 O2 가스를 포함하며, 상기 반응 가스는 상기 캐리어 가스와 함께 상기 반응 챔버 내부로 주입될 수 있다.
또한, 상기 제 2 온도는 400℃ ~ 650℃ 로 설정될 수 있다.
또한, 상기 제 1 온도는 700℃ 이상으로 설정될 수 있다.
본 발명에 의하면, 반응 챔버의 내부 공간을 기판이 안착되는 성장 영역부와 소스 물질을 기화시키는 기화 영역부로 각각 분리하고, 성장 영역부의 온도는 상대적으로 저온으로 제어하고 기화 영역부의 온도는 상대적으로 고온으로 제어함으로써, 소스 물질의 기화를 통한 반응 물질이 고온에서 형성된 후 저온 상태인 기판에 나노 로드로 증착 성장하게 되어 기판에 대한 손상 없이 단결정 구조를 갖는 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 반응 챔버의 기화 영역부와 성장 영역부 사이에 완충 영역부를 형성하고, 완충 영역부의 온도를 기화 영역부의 온도 및 성장 영역부의 온도 사이로 설정함으로써, 반응 챔버 내부 공간에서 온도 구배 및 분압 차이를 완충하여 더욱 안정적으로 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 완충 영역부를 다수개 형성함으로써, 반응 챔버 내부 공간의 온도 구배를 다단계 방식으로 좀더 정밀하게 완충 제어할 수 있고, 이에 따라 더욱 우수한 품질의 고품위 나노 로드를 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 질화갈륨(GaN) 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치의 구성을 개념적으로 도시한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치의 나노 로드 성장 원리를 개념적으로 도시한 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치의 또 다른 형태를 개념적으로 도시한 개념도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치를 통해 저온 상태로 성장된 나노 로드에 대한 실험 결과 사진을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치의 구성을 개념적으로 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치의 나노 로드 성장 원리를 개념적으로 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치의 또 다른 형태를 개념적으로 도시한 개념도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치를 통해 저온 상태로 성장된 나노 로드에 대한 실험 결과 사진을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치는 기판 위에 고품위 산화물 나노 로드를 성장시킬 수 있는 장치로서, 증착 대상 기판(300)이 내부 공간에 배치되는 반응 챔버(100)와, 반응 챔버(100)의 내부 공간을 영역별로 부분 가열하는 제 1 히터(210) 및 제 2 히터(220)를 포함하여 구성되며, 제 3 히터(230)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 히터(210,220,230)는 별도의 제어부(500)를 통해 각각 독립적으로 온도 제어될 수 있다.
반응 챔버(100)는 일반적인 열 화학 기상 증착 장치와 마찬가지로 내부에서 증착 과정이 일어날 수 있도록 밀폐 구조로 형성되며, 내부 공간에 반응 가스 및 캐리어 가스가 공급될 수 있도록 양측에 가스 주입구(101) 및 배기구(102)가 형성된다. 즉, 가스 주입구(101)를 통해 캐리어 가스 및 반응 가스가 반응 챔버(100)의 내부 공간으로 유입된 후, 배기구(102)를 통해 배출되는 방식으로 연속적으로 캐리어 가스 및 반응 가스가 공급된다.
이때, 가스 주입구(101)는 도 2에 도시된 바와 같이 반응 챔버(100)의 상단측에 형성되고, 배기구(102)는 반응 챔버(100)의 하단측에 형성되는 것이 바람직하다. 가스 주입구(101)를 통해 유입되는 반응 가스는 후술하는 소스 물질(400)과 반응하여 새로운 반응 물질(R1)을 생성할 수 있는 기체가 적용되는데, 본 발명의 일 실시예에 따라 산소(O2)가 적용될 수 있다. 이러한 반응 가스는 반응 챔버(100) 내부 공간의 전체 영역에 확산되며 소스 물질(400)과 반응한다.
캐리어 가스는 가스 주입구(101)를 통해 일정 흐름을 갖도록 유입되어 전술한 반응 물질(R1)을 운반하는 기능을 수행한다. 즉, 캐리어 가스는 가스 주입구(101)로부터 배기구(102)를 향해 유동하는 흐름을 가지며, 이러한 캐리어 가스의 흐름을 통해 반응 물질(R1)이 이동하며 기판(300)에 증착 성장된다.
이러한 반응 챔버(100)에는 도 2에 도시된 바와 같이 기화 영역부(110)와, 성장 영역부(120)가 형성될 수 있고, 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이에 완충 영역부(130)가 형성될 수 있다.
기화 영역부(110)는 가스 주입구(101)와 인접한 위치에 형성되고, 영역 내부에 소스 물질(400)이 배치되며, 별도의 제 1 히터(210)에 의해 제 1 온도(T1)로 가열된다. 제 1 히터(210)의 가열에 의해 소스 물질(400)이 기화되고, 기화된 소스 물질(400)은 반응 가스와 반응하여 반응 물질(R1)을 생성한다. 이때, 제 1 온도(T1)는 기화된 소스 물질(400)과 반응 가스가 반응하여 생성된 반응 물질(R1)이 고품위, 즉 단결정 구조를 갖도록 설정된다.
성장 영역부(120)는 기화 영역부(110)와 이격되게 위치하도록 배기구(102)와 인접한 위치에 형성되고, 영역 내부에 기판(300)이 배치되며, 별도의 제 2 히터(220)에 의해 제 1 온도(T1)보다 낮은 제 2 온도(T2)로 가열된다. 이때, 제 2 온도(T2)는 기판(300)에 손상을 주지 않을 정도의 온도로 설정된다.
이러한 구조에 따라 기화 영역부(110)에서는 소스 물질(400)이 기화된 후 반응 가스와 반응하여 반응 물질(R1)이 생성되고, 이러한 반응 물질(R1)은 캐리어 가스에 의해 이동 운반되어 성장 영역부(120)의 기판(300)에 증착되며, 연속된 증착을 통해 나노 로드(310)로 성장하게 된다. 이때, 기화 영역부(110)에서의 가열 온도는 반응 물질(R1)이 전술한 바와 같이 단결정 구조를 갖도록 제 1 온도(T1)로 설정되고, 성장 영역부(120)에서의 가열 온도는 기판(300)에 손상을 주지 않을 정도로 상대적으로 저온인 제 2 온도(T2)로 설정된다. 따라서, 반응 물질(R1)이 단결정 구조를 가지며 기판(300)에 대한 손상 없이 기판(300)에 증착 성장된다. 즉, 고품위 산화물 나노 로드(310)가 저온 상태에서 기판(300)에 증착 성장된다.
이때, 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 완충 영역부(130)가 더 형성될 수 있다. 완충 영역부(130)는 영역 내부 공간이 별도의 제 3 히터(230)에 의해 제 1 온도(T1)와 제 2 온도(T2) 사이의 제 3 온도(T3)로 가열되도록 형성된다. 이러한 완충 영역부(130)의 영역 내부에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제 3 히터(230)의 가열에 의해 기화되도록 소스 물질(400)이 배치될 수 있으며, 소스 물질(400)은 기화 영역부(110)에 배치된 소스 물질(400)과 동일하게 적용되는 것이 바람직하다.
이러한 완충 영역부(130)에 의해 반응 챔버(100) 내부에서 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이의 급격한 온도 구배가 완충됨과 동시에 일정 포화 압력을 유지시킬 수 있어 반응 물질(R1)이 기판(300) 측으로 더욱 원활하게 이동할 수 있고, 이에 따라 기판(300)에 나노 로드(310)가 더욱 균일하고 안정적으로 증착 성장될 수 있다.
좀 더 자세히 살펴보면, 일반적인 열 화학 기상 증착 장치는 700℃ 이상의 고온에서 기화된 소스 물질이 반응 가스와 결합한 후, 기판에 나노 로드로 증착 성장되는 방식으로 구성되는데, 이러한 고온에서는 종래 기술에서 설명한 바와 같이 기판에 손상을 줄 수 있기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치는 반응 챔버(100)의 내부 공간을 기판(300)이 안착되는 영역, 즉 성장 영역부(120)와, 소스 물질(400)을 기화시키는 영역, 즉 기화 영역부(110)를 각각 분리하는 방식을 통해 기판(300)에 대한 손상없이 나노 로드(310)로 증착 성장되도록 구성된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 기화 영역부(110)에서는 제 1 히터(210)의 가열에 의해 소스 물질(400)이 기화되고, 기화된 소스 물질(400)은 가스 주입구(101)로 주입된 반응 가스와 반응하여 반응 물질(R1)을 생성한다. 이와 같이 생성된 반응 물질(R1)은 캐리어 가스를 통해 성장 영역부(120)로 이동하며, 성장 영역부(120)에 안착된 기판(300)에 나노 로드(310)로 증착 성장한다.
이때, 기화 영역부(110)의 가열 온도인 제 1 온도(T1)는 700℃ 이상, 바람직하게는 900℃ 이상으로 설정되는 것이 바람직하며, 이를 통해 소스 물질(400)의 기화 및 반응 가스와의 반응이 활발하고 안정적으로 발생된다.
또한, 성장 영역부(120)의 가열 온도인 제 2 온도(T2)는 기판(300)에 손상이 발생되지 않을 정도의 온도로 400℃ 내지 650℃ 정도의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 종래 기술에서 설명한 바와 같이 GaN LED 소자의 활성층 형성 온도인 620℃ 내지 720℃ 정도의 온도보다 낮은 범위로서, 활성층에 대한 손상이 방지된다.
다시 말하면, 기화 영역부(110)에서 고온으로 소스 물질(400)을 기화시켜 반응 물질(R1)을 생성하고, 이러한 반응 물질(R1)을 캐리어 가스를 통해 기판(300)이 안착된 성장 영역부(120)로 이동시키는데, 이때, 성장 영역부(120)의 가열 온도는 상대적으로 저온 ㅅ상태로 유지함으로써, 기판(300)에 대한 손상 없이 단결정 구조의 고품위 나노 로드를 증착 성장시킬 수 있다.
이때, 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이가 이격된 상태로 유지되고, 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이에 급격한 온도 구배가 발생하므로, 기화 영역부(110)에서 생성된 반응 물질(R1)이 성장 영역부(120)로 이동하는 과정에서 에너지를 잃어 기판(300)에까지 안정적으로 이동하지 못해 나노 로드(310)의 증착 성장 효율이 매우 낮을 수 있다. 또한, 반응 챔버(100) 내부 공간에서 급격한 온도 구배에 의해 해당 온도 제어가 매우 어려울 수 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있도록 본 발명의 일 실시예에 따라 완충 영역부(130)를 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이에 형성한다. 완충 영역부(130)는 급격한 온도 구배를 완충하는 효과를 나타낼 뿐만 아니라 각 영역부(110,120)에서의 분압 차이를 완충하며, 반응 챔버(100) 내의 일정 포화 압력을 유지시켜주는 기능을 수행한다.
이때, 완충 영역부(130)에도 소스 물질(400)이 배치되고, 완충 영역부(130)의 소스 물질(400) 또한 제 3 히터(230)의 가열에 의해 제 3 온도(T3) 상태에서 기화 영역부(110)와 마찬가지로 기화된다. 기화된 소스 물질(400)은 반응 가스와 반응하여 새로운 반응 물질(R2)을 생성하게 되는데, 이때 생성된 반응 물질은 기화 영역부(110)에서 생성된 반응 물질과는 차이가 있다. 즉, 완충 영역부(130)에서 생성된 반응 물질(R2)은 상대적으로 입자수가 적고 낮은 에너지를 가지게 되며, 이에 따라 대부분 완충 영역부(130) 영역 내부에서 그대로 낙하하게 되고 상승하지 못하며, 따라서, 캐리어 가스를 통해 성장 영역부(120)로 이동하지 못하고 반응 챔버(100)의 바닥에 남아있게 된다.
좀 더 자세히 살펴보면, 반응 챔버(100) 전체 압력은 외부에서 주입된 캐리어 가스와 반응 가스에 의해 조절될 수 있는데, 이와 달리 각 영역부(110,120,130)에서 형성되는 분압은 이상기체방정식 PV = nRT 에 의해 결정된다.
부피 V가 일정할 때, 온도 T와 압력 P는 비례하므로, 각 영역부에서의 분압 크기는 온도와 마찬가지 크기로 형성된다. 즉, 기화 영역부(110)에서의 분압 P1이 가장 크고, 완충 영역부(130)에서의 분압 P2가 그 다음, 성장 영역부(120)에서의 분압 P3가 가장 작게 형성된다.
분압이 크다는 것은 단위부피당 입자수가 많다는 것을 의미하므로, 기화 영역부(110)에서 기화된 소스 물질(400)의 입자수가 많고, 이에 따라 반응 물질(R1)의 입자수 또한 상대적으로 많다. 이에 반해, 완충 영역부(130)에서는 기화된 소스 물질(400)의 입자수 및 반응 물질(R2)의 입자수가 상대적으로 적다.
또한, 완충 영역부(130)에서의 가열 온도(T3)가 기화 영역부(110)에서의 가열 온도(T1)보다 낮기 때문에, 기화된 소스 물질(400) 및 반응 물질(R1)은 상대적으로 낮은 에너지를 갖는다.
이러한 이유에 의해 완충 영역부(130)에서 생성된 반응 물질(R1) 들은 캐리어 가스를 통해 성장 영역부(120)로 이동하지 못하고, 해당 영역 내부에서 그대로 낙하하며 바닥에 남아있게 된다.
이러한 원리에 따라 완충 영역부(130)에서 발생하는 반응 물질(R2)은 실질적으로 나노 로드(310)로 직접 성장하는 것이 아니라 기화 영역부(110)에서 발생한 반응 물질(R1)이 원활하게 성장 영역부(120)로 이동하여 나노 로드(310)로 성장하도록 돕는 기능을 수행한다. 이는 전술한 바와 같이 온도 구배 및 분압 차이를 완충하는 기능 등을 통해 수행된다.
따라서, 성장 영역부(120)의 기판(300) 상에는 완충 영역부(130)에서 발생한 상대적으로 낮은 에너지를 갖는 반응 물질(R2)은 제외되고 기화 영역부(110)에서 발생한 높은 에너지 상태의 반응 물질(R1)만 도달하여 나노 로드(310)로 성장하게 되므로, 단결정 구조를 갖는 고품위의 나노 로드(310)를 기판(300)의 손상 없이 균일하고 안정적으로 성장시킬 수 있다. 이러한 나노 로드(310)는 고온의 기화 영역부(110)에서 생성된 반응 물질(R1)에 의해 성장한 것이므로, 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 완충 영역부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 하나 구비된 형태로 형성될 수도 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 2개 구비된 형태로 형성될 수도 있다. 도 4에는 완충 영역부(130)가 2개 구비된 형태로 도시되었으나, 이러한 방식으로 다수개 구비될 수 있다.
즉, 완충 영역부(130)는 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이에 위치하도록 다수개 형성될 수 있으며, 다수개의 완충 영역부(130)는 기화 영역부(110)로부터 성장 영역부(120)에 인접하게 위치할수록 해당 가열 온도가 순차적으로 하강하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 완충 영역부(130,130')가 2개 형성된 경우, 기화 영역부(110)에 인접한 완충 영역부(130)는 제 3 히터(230)에 의해 T3-1 온도로 가열되고, 성장 영역부(120)에 인접한 완충 영역부(130')는 또 다른 제 3 히터(230')에 의해 T3-1 온도보다 낮은 T3-2 온도로 가열되도록 형성될 수 있다.
이러한 구조를 통해 기화 영역부(110)와 성장 영역부(120) 사이의 온도 구배를 좀더 다단계로 분할하여 완충할 수 있어 온도 구배에 대한 완충 기능을 더욱 정밀하게 수행할 수 있다.
이때, 다수개의 완충 영역부(130,130') 중 적어도 어느 하나 이상의 영역 내부에는 제 3 히터(230)의 가열에 의해 기화되는 소스 물질(400)이 배치된다. 즉, 다수개의 완충 영역부(130,130') 모두의 영역 내부에 소스 물질(400)이 배치될 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 성장 영역부(120)에 인접한 완충 영역부(130')에는 소스 물질(400)이 배치되지 않는 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우, 소스 물질(400)이 배치되지 않은 완충 영역부(130')는 분압 차이를 완충하는 기능보다는 온도 구배를 완충하는 기능을 집중 수행하게 된다.
또한, 소스 물질(400)은 도 4에 도시된 바와 같이 기화 영역부(110)와 완충 영역부(130)에 하나의 일체형으로 동시에 배치될 수도 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 기화 영역부(110)와 완충 영역부(130)에 각각 독립적으로 배치될 수도 있다.
아울러, 완충 영역부(130)가 도 3에 도시된 바와 같이 하나 구비되는 형태로 형성된 경우, 다수개 완충 영역부(130)를 통한 다단계 분할 방식의 온도 구배 완충 기능을 수행할 수 있도록 기화 영역부(110)에 인접한 위치에서 성장 영역부(120)에 인접한 위치로 갈수록 각 위치에서의 가열 온도가 점진적으로 하강하도록 형성될 수 있다.
한편, 소스 물질(400)은 파우더 또는 필라 구조를 갖는 In, Zn, Sn, Al 중 어느 하나와, 그래파이트(graphite,C)로 적용될 수 있으며, 캐리어 가스는 반응 물질과 반응하지 않도록 Ar 또는 N2 가스로 적용될 수 있고, 반응 가스는 O2 가스로 적용될 수 있다.
예를 들어, GaN LED 소자로 적용되는 기판에 산화 아연(ZnO) 나노 로드를 형성하는 경우, 소스 물질(400)은 Zn과 그래파이트(C)가 혼합된 형태로 적용된다. 이러한 소스 물질(400)이 기화 영역부(110)에서 기화되면서 반응하여 ZnC를 이루고, ZnC는 반응 가스 O2와 반응하여 CO2 및 ZnO를 생성하게 된다. 이와 같이 생성된 ZnO가 캐리어 가스 Ar과 함께 성장 영역부(120)로 이동하여 기판(300)에 나노 로드(310)로 증착 성장하게 된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치를 통해 이러한 산화 아연 나노 로드를 증착 성장한 실험 결과를 나타낸 사진으로, 도 5에 나타난 사진은 T1: 900℃, T2: 580℃, T3: 700℃로 설정하고, 각 영역부(110,120,130) 사이의 거리를 3cm로 유지한 조건에서 나타난 실험 결과이다. 도 6에 나타난 사진은 T1: 830℃, T2: 600℃, T3: 700℃로 설정하고, 각 영역부(110,120,130) 사이의 거리를 3cm로 유지한 조건에서 나타난 실험 결과이다.
이러한 실험 결과 사진에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 화학 기상 증착 장치를 통해 성장 영역부(120)의 온도가 상대적으로 저온인 상태에서 기판(300)에 대한 손상없이 안정적으로 나노 로드(310)가 증착 성장됨을 알 수 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 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 반응 챔버 101: 가스 주입구
102: 배기구 110: 기화 영역부
120: 성장 영역부 130: 완충 영역부
210: 제 1 히터 220: 제 2 히터
230: 제 3 히터 300: 기판
400: 소스 물질 500: 제어부

Claims (10)

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  2. 삭제
  3. 내부에 반응 가스 및 캐리어 가스가 공급될 수 있도록 양측에 가스 주입구 및 배기구가 각각 형성되고, 내부 공간의 일측에 기판이 배치되는 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버의 내부 공간을 영역별로 부분 가열하는 제 1 히터 및 제 2 히터를 포함하고,
    상기 반응 챔버는
    상기 가스 주입구와 인접하게 위치하도록 형성되며, 영역 내부에 소스 물질이 배치되고 상기 소스 물질이 기화되도록 상기 제 1 히터에 의해 제 1 온도로 가열되는 기화 영역부와,
    상기 기화 영역부와 이격되도록 상기 배기구와 인접하게 형성되며, 영역 내부에 상기 기판이 배치되고 상기 제 2 히터에 의해 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 가열되는 성장 영역부와,
    상기 기화 영역부와 성장 영역부 사이에 위치하도록 형성되며, 영역 내부 공간이 별도의 제 3 히터에 의해 상기 제 1 온도와 제 2 온도 사이의 제 3 온도로 가열되는 완충 영역부를 포함하고,
    상기 완충 영역부의 영역 내부에는 상기 제 3 히터의 가열에 의해 기화되도록 상기 소스 물질이 배치되며,
    상기 기화 영역부에서 기화된 소스 물질이 상기 반응 가스와 반응하여 반응 물질을 생성하고, 상기 반응 물질이 상기 캐리어 가스에 의해 상기 완충 영역부를 거쳐 상기 성장 영역부로 이동하여 상기 기판에 나노 로드로 증착 성장하는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 완충 영역부는 상기 기화 영역부에 인접한 위치에서 상기 성장 영역부에 인접한 위치로 갈수록 각 위치에서의 가열 온도가 점진적으로 하강하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 완충 영역부는 상기 기화 영역부와 성장 영역부 사이에 다수개 형성되고, 다수개의 상기 완충 영역부는 상기 기화 영역부로부터 상기 성장 영역부에 인접하게 위치할수록 해당 가열 온도가 순차적으로 하강하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    다수개의 상기 완충 영역부 중 적어도 어느 하나 이상의 영역 내부에는 상기 제 3 히터의 가열에 의해 기화되도록 상기 소스 물질이 배치되는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스 물질은 파우더 또는 필라 구조를 갖는 In, Zn, Sn, Al 중 어느 하나와, 그래파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 Ar 또는 N2 가스를 포함하고, 상기 반응 가스는 O2 가스를 포함하며, 상기 반응 가스는 상기 캐리어 가스와 함께 상기 반응 챔버 내부로 주입되는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  9. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 400℃ ~ 650℃ 로 설정되는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 700℃ 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 고품위 나노 로드 성장이 가능한 열 화학 기상 증착 장치.

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