KR20070115175A - Method for forming nano rods using a chemical vapour deposition apparatus for fabricating nano rods and nano rods or nano wires manufacturing the same - Google Patents

Method for forming nano rods using a chemical vapour deposition apparatus for fabricating nano rods and nano rods or nano wires manufacturing the same Download PDF

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Abstract

A method for forming nano rods using a chemical vapor deposition apparatus for fabricating nano rods is provided to produce nano devices with a large-size, uniform monolayer and multilayer structure. A chemical vapor deposition apparatus(200) for fabricating nano rods includes a mixed gas reaction heat source part(11) which supplies a heat source for causing a reaction of the reaction gases containing reactant gases, and a nano material-forming heat source part(12) which supplies a heat source for growing nano particles as a base so as to grow nano rods on the substrate through the reaction gases, in order to inject a gasified semiconductor material into a chamber to form nano rods on a substrate(21), wherein the chamber is divided into a reactant gasification region(C1), a mixed gas reaction region(C2), and a nano material-forming region(C3) affected by the each heat source part. A method for forming nano rods using the chemical vapor deposition apparatus includes the steps of: forming nano particles by temperature of a heat source supplied by the nano material-forming heat source part while the reaction gases pass over the substrate; subsequently forming a seed layer; and forming vertically upward nano rods on the seed layer spontaneously.

Description

나노막대제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 형성방법 및 그 방법에 의해 제조된 나노막대 또는 나노선{Method for forming nano rods using a chemical vapour deposition apparatus for fabricating nano rods and nano rods or nano wires manufacturing the same} Method for forming nano rods using a chemical vapor deposition apparatus for fabricating nano rods and nano rods or nano wires manufacturing the same}

도 1은 일반적인 화학증착설비의 개략적인 구조도이다.1 is a schematic structural diagram of a general chemical vapor deposition facility.

도 2는 일반적인 화학증착설비에서 제조된 박막 형성 개략도이다.2 is a schematic view of forming a thin film manufactured in a general chemical vapor deposition facility.

도 3은 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치의 개략적인 구조도이다.3 is a schematic structural diagram of a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a nanorod according to the present invention.

도 4a 및 도 4c는 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치에서 제조된 나노구조의 형성과정을 순차적으로 나타낸 공정도들이다.4A and 4C are process diagrams sequentially illustrating a process of forming a nanostructure manufactured in a nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치를 이용하여 제조된 나노막대의 성장온도별 나노막대 형성과정을 나타낸 전자현미경사진을 나타낸 것이다.Figure 5 shows an electron micrograph showing the process of forming the nano-rods by the growth temperature of the nano-rods prepared using the nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 성장온도별 고해상도 XRD 그림을 나타낸 것이다.Figure 6 shows a high-resolution XRD of the growth temperature according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 반응원료기체화 열원부10: reaction raw material gasification heat source part

11 : 혼합가스반응 열원부11: mixed gas reaction heat source part

12 : 나노구조물질형성 열원부12: nanostructure material formation heat source

20 : 지지대20: support

21: 기판21: substrate

22: 반도체재료22: semiconductor material

30 : 반응기30: reactor

31 : 가스관31: gas pipe

40 : 박막40: thin film

41 : 나노파우더,41: nano powder,

42: 종자층42: seed layer

43: 나노막대43: nanorod

본 발명은 나노막대 혹은 나노소자(Nano device)제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 또는 나노선 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 나노막대 또는 나노선에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a nanorod or nanowire using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a nanorod or a nano device, and a nanorod or nanowire manufactured by the method.

특히, 본 발명은 나노선(Nano Wires)이나 나노막대(Nano Rods)를 이용한 나노 소자 구현하고자 촉매(catalyst)나 템플릿(templet)을 이용하지 않고 선택적인 반도체를 성장(Growth)시키는 반도체 나노소자(Nano device) 제조용 화학증착장치 를 이용한 나노막대 형성방법에 관한 것이고, 화학증착 방법의 성장모드를 변화시킬 수 있는 반도체 소자 제작용 화학증착장치에 별도의 열원을 사용하여 반도체 나노소자제작용 나노구조의 반도체를 형성시키는 영역을 가지는 나노막대제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 형성방법에 관한 것이다.In particular, the present invention provides a semiconductor nano device that grows a selective semiconductor without using a catalyst or a template to implement a nano device using nano wires or nano rods. Nano device) The present invention relates to a method for forming a nanorod using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a semiconductor device, and to using a separate heat source for a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a semiconductor device capable of changing the growth mode of the chemical vapor deposition method. The present invention relates to a method of forming a nanorod using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a nanorod having a region for forming a semiconductor.

반도체 소자 제조공정에서 에피층(epilayer)을 성장시키는 방법으로는 그 층의 원료가 되는 가스를 사용하는 화학증착 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition), VPE(Vapor Phase Epitaxy)라고 불리우며, VPE는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부와 차단된 반응기(30)내에 반응가스를 가스관(31)을 통하여 혼합가스 반응 열원부(11)에 의한 열을 공급받을 수 있는 영역으로 공급하고, 지지대(20)상에 위치된 기판(21)에 반응가스를 통과시키며 흘리면서 열에 의한 분해와 그 반응을 통해 상기 기판(21)상에 결정을 성장시키는 것으로서, 반응가스의 원료형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE, HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE, MOVPE) 또는 MOCVD 기술 등으로 분류할 수 있다.A method of growing an epilayer in a semiconductor device manufacturing process is called chemical vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), or vapor phase epitaxy (VPE) using a gas that is a raw material of the layer. As shown in the drawing, the reaction gas is supplied into the reactor 30, which is cut off from the outside, into a region capable of receiving heat by the mixed gas reaction heat source unit 11 through the gas pipe 31, and on the support 20. By growing and passing the reaction gas through the positioned substrate 21, crystals are grown on the substrate 21 through thermal decomposition and the reaction, and according to the raw material type of the reaction gas, hydride VPE (HVPE) , Halide VPE, metal organic VPE, MOCVD or MOCVD technology.

특히, HVPE와 같이 박막의 재료가 반응가스가 아닌 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 반응할 수 있는 가스를 가스관(31)내에 주입시키고 반도체 재료(22)를 놓아 반응원료기체화 열원부(10)에 의한 열을 공급받을 수 있는 영역(C1)에 통과시켜 반응가스를 생성시키고 이 영역의 열원의 온도를 조절하여 가공하고자 하는 물질을 도 2에 도시된 바와 같은, 기판(21)상에 박막을 단층 또는 다층구조로 생성시키는 설비 기술로서, 이는 주로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 및 실리콘계 이종접합 에피텍 셜층을 제조하는 집적회로 제조공정 기술에 활용되고 있다.In particular, when the material of the thin film, such as HVPE, is not a reaction gas, as shown in FIG. 1, a gas capable of reacting is injected into the gas pipe 31 and the semiconductor material 22 is placed to heat the reactant gasification heat source 10. A material to be processed is formed by passing a reaction gas through a region C1 through which heat can be supplied) and controlling a temperature of a heat source of the region, as shown in FIG. As a facility technology for producing a single layer or a multi-layer structure, it is mainly used in the integrated circuit manufacturing process technology for manufacturing a III-V compound semiconductor and a silicon-based heterojunction epitaxial layer.

도 1은 일반적인 수평형(horizontal) 화학증착장치(100)의 반응기(30)로서, 기판(21)이 놓여 있는 영역의 혼합가스 반응 열원부(11)의 열원으로 반응기(30)에 투입된 반응기체 및 기판(21)의 온도를 상승시켜 반응기체와 시료가 반응되도록 하는 화학증착장치로서 수직형(vertical) 화학증착장치도 이에 해당된다.1 is a reactor 30 of a typical horizontal chemical vapor deposition apparatus 100, a reactor body introduced into the reactor 30 as a heat source of the mixed gas reaction heat source unit 11 in the region where the substrate 21 is placed. And a vertical chemical vapor deposition apparatus that increases the temperature of the substrate 21 to allow the reactant to react with the sample.

이러한 설비를 이용하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(21)위에 박막(40)을 성장시키기 위한 화학증착법의 조건은 기판상의 박막의 성장에 여러가지로 영향을 준다.Using this facility, as shown in FIG. 2, the conditions of the chemical vapor deposition method for growing the thin film 40 on the substrate 21 have various effects on the growth of the thin film on the substrate.

상기 화학증착장치(100)에 있어서, 기판(21)위에 박막(40)을 성장시키기 위한 화학증착법의 조건은 반응개스의 분압과 온도에 따른 성장률(growth rate)의 의존성에 따라 성장모드가 변화한다. 반응개스의 분압과 온도에 따른 성장률(growth rate) 의존성의 성장모드는 표면 반응 제한(surface reaction limit) 또는 이종 핵화(heterogeneous nucleation)와 개스 확산 제한(gas diffusion limit) 또는 동종 핵화(homogeneous nucleation)로 분류되며, 상기 박막(40)의 성장은 표면 반응 제한 모드를 이용한 성장법이라고 할 수 있다.In the chemical vapor deposition apparatus 100, the growth mode changes depending on the dependence of the growth rate on the partial pressure of the reaction gas and the temperature of the chemical vapor deposition method for growing the thin film 40 on the substrate 21. . The growth mode dependence of growth rate dependence on the partial pressure and temperature of the reaction gas is either surface reaction limit or heterogeneous nucleation and gas diffusion limit or homogeneous nucleation. The growth of the thin film 40 may be referred to as a growth method using a surface reaction limiting mode.

그러나, 상기한 바와 같이 기판(21)상에 박막(40)대신에 나노막대를 형성하려면 별도의 공정이 필요하며 이에 대한 연구가 계속적으로 진행되고 있는 실정이다.However, as described above, in order to form the nanorods on the substrate 21 instead of the thin film 40, a separate process is required, and the research on this is ongoing.

최근 나노선(Nano Wires)이나 나노막대(Nano Rods)를 이용한 나노 소자 구현 하고자 금속촉매(catalyst)나 템플릿(templet) 층을 이용하여 여러 가지 성장법을 이용하여 선택적으로 반도체를 나노선 또는 나노막대를 성장(Growth)시키고 있다. 그러나 반도체 소자내 불순물의 함유나 복잡한 공정이 필요한 문제점이 있었다.In order to implement nano devices using nano wires or nano rods, semiconductors may be selectively selected by using various growth methods using metal catalysts or template layers. Is growing. However, there has been a problem that a complicated process or the inclusion of impurities in the semiconductor device is required.

본 발명의 목적을 상기한 바와 같은 종래기술에 있어서의 문제점을 개선하기 위하여 제안된 것으로, 장치내에 별도의 나노막대형성 영역을 구비하고 별도의 나노막대형성 열원부를 구비함으로써 기판상에 나노막대를 형성할 수 있도록 하는 나노막대제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 형성방법을 제공함에 있는 것이다.The object of the present invention has been proposed to improve the problems in the prior art as described above, by forming a nanorod on a substrate by having a separate nanorod forming region and a separate nanorod forming heat source in the device. The present invention provides a method for forming nanorods using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing nanorods.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 챔버내에 기체화된 반도체재료를 주입하여 기판상에 나노막대들을 형성하기 위하여 반응원료 기체를 포함한 반응개스들이 반응을 일으키도록 하기 위한 열원을 공급하는 혼합가스반응 열원부 및 상기 기판상에 상기 반응개스들을 통해 나노막대들을 성장시키기 위하여 베이스로서 나노입자를 성장시키는 위한 열원을 공급하는 나노물질형성 열원부를 포함하여 이루어지며, 상기 챔버는 상기 각각의 열원부에 의해 공급된 열원에 의해 영향을 받는 혼합가스반응 영역 및 나노물질형성 영역으로 구분된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 형성방법에 있어서, 상기 나노물질형성 열원부에 의해 공급된 열원의 온도에 의해 상 기 기판위로 반응가스가 통과되면서 나노입자가 형성되며 이후 종자층이 형성되고, 상기 종자층을 토대로 수직상방으로 나노막대들이 자발적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 형성방법이 제공된다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, by injecting a gasified semiconductor material into the chamber to react the reaction gas containing the reaction raw material gas to form nanorods on the substrate A chamber comprising a mixed gas reaction heat source unit for supplying a heat source for supplying the heat source and a nanomaterial forming heat source unit for supplying a heat source for growing the nanoparticles as a base to grow the nanorods through the reaction gases on the substrate; In the nano-rod forming method using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a nano-rod, characterized in that divided into a mixed gas reaction region and a nano-material forming region affected by the heat source supplied by each of the heat source portion, the nano-material On the substrate by the temperature of the heat source supplied by the forming heat source portion As the reaction gas passes, nanoparticles are formed, and then a seed layer is formed, and nanorods are formed by using a chemical vapor deposition apparatus for producing nanorods, wherein the nanorods are spontaneously formed vertically based on the seed layer. do.

바람직하게는, 상기 나노물질형성 열원부에 의해 공급된 열원의 온도는 상기 혼합가스반응 열원부에 의해 공급된 열원의 온도보다 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the temperature of the heat source supplied by the nanomaterial forming heat source unit is maintained at a temperature lower than the temperature of the heat source supplied by the mixed gas reaction heat source unit.

또한 바람직하게는, 상기 기판상에 나노입자가 형성되는 과정은 상압(대기압)에서 상기 나노물질형성 열원부에 의해 열원이 공급되어 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 됨으로써 성장과정중 소결과정(sintering process)이 진행되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the process of forming the nanoparticles on the substrate is a sintering process during the growth process by supplying a heat source by the nanomaterial forming heat source at atmospheric pressure (atmospheric pressure) to saturate the partial pressure of the reaction gases. process) is performed.

또한 바람직하게는, 상기 기판상에 나노입자가 형성되는 과정은 상압-100torr의 압력범위내에서 상기 나노물질형성 열원부에 의해 공급된 열원에 의해 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 되도록 열처리과정(annealing process)이 진행되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the process of forming nanoparticles on the substrate may be a heat treatment process such that the partial pressure of the reaction gases is saturated by a heat source supplied by the nanomaterial forming heat source unit within a pressure range of atmospheric pressure-100torr ( Annealing process) is characterized in that the progress.

또한 바람직하게는, 상기 나노물질형성 열원부는 저항가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the nano-material forming heat source portion is characterized by using a resistance heating heater.

또한 바람직하게는, 상기 나노물질형성 열원부는 RF 히팅 코일 히터를 사용하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the nano-material forming heat source is characterized in that using the RF heating coil heater.

또한 바람직하게는, 상기 혼합가스반응 열원부의 온도범위는 900 ∼ 1050℃이고, 상기 나노물질형성 열원부의 온도범위는 600∼750℃인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the temperature range of the mixed gas reaction heat source portion is 900 to 1050 ° C, and the temperature range of the nanomaterial forming heat source portion is 600 to 750 ° C.

또한 바람직하게는, 상기 나노막대가 생성되는 성장시간이 30분에서 6시간인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the growth time during which the nanorods are generated is characterized in that from 30 minutes to 6 hours.

또한 바람직하게는, 상기 기판은 Al2O3, Si, SiC, GaN, ZnO중 하나가 사용된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the substrate is characterized in that one of Al 2 O 3 , Si, SiC, GaN, ZnO is used.

또한 바람직하게는, 상기 기판상에 형성된 나노막대는 GaN, Si, SiC, ZnO, SiGe, GaAs, InP, InGaN, AlGaN, AlN 중 하나인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the nanorod formed on the substrate is one of GaN, Si, SiC, ZnO, SiGe, GaAs, InP, InGaN, AlGaN, AlN.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 나노물질을 형성하기 위한 열원을 공급하는 별도의 나노물질형성 열원부를 구비한 나노막대제조용 화학증착장치에 있어서, GaClx기체와 NH3기체를 상기 별도의 나노물질형성 열원부로부터 열원이 공급되는 별도의 나노물질형성 영역에서 600∼750℃의 온도범위로 30분에서 6시간 동안 반응시켜 기판상에 나노막대를 형성하는 것을 특징으로 한다.In another aspect of the present invention, in the nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus having a separate nano-material forming heat source for supplying a heat source for forming a nano-material, the GaClx gas and NH 3 gas to the separate nano-material forming heat source It is characterized in that the nanorods are formed on the substrate by reacting for 30 minutes to 6 hours in a temperature range of 600 ~ 750 ℃ in a separate nanomaterial forming region supplied with a heat source.

또한 바람직하게는, 상기 나노막대는 나노입자 형성단계; 종자층 형성단계;를 거쳐 상기 종자층을 베이스로 하여 수직상방으로 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the nanorods are nanoparticle forming step; Seed layer forming step; characterized in that sequentially formed in the vertical direction based on the seed layer.

또한 바람직하게는, 상기 반응원료는 Ga금속 혹은 Ga기체인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the reaction raw material is characterized in that the Ga metal or Ga gas.

또한 바람직하게는, 상기 반응원료는 TMGa(Trimethyl Gallium)금속 혹은 TMGa기체인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the reaction raw material is TMGa (Trimethyl Gallium) metal or TMGa gas.

이하 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치를 이용한 나노막대 형성방법을 부도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of forming a nanorod using the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치의 개략적인 구조도이고, 도 4a 및 도 4c는 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치에서 제조된 나노구조의 형성과정을 순차적으로 나타낸 공정도들이다.Figure 3 is a schematic structural diagram of a nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus according to the present invention, Figures 4a and 4c is a process chart sequentially showing the formation of the nanostructures produced in the nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus according to the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 나노막대(Nano rod) 또는 나노소자(Nano device) 제조용 화학증착장치(200)에 있어서, 외부와 차단된 반응 기(30)내에 반응가스를 가스관(31)을 통하여 혼합가스 반응 열원부(11)영역을 통과시키거나, 특히, HVPE 와 같이 박막의 재료가 반응가스가 아닌 경우, 도 3과 같이 반응할 수 있는 가스를 가스관(31)내에 주입시키고, 반도체 재료(22)를 놓아 반응원료기체화 열원부(10) 영역(C1)을 통과시켜 반응가스를 생성시키고, 이 영역에서 열원부(10)의 열원의 온도를 조절하고, 가공하고자 하는 물질을 혼합가스반응 열원부(11)의 열이 주입되는 영역(C2)에 통과시켜면, 고온에서 해리된 반응개스는 박막을 형성하고자 하는 온도와 분압이 형성되어 박막을 이루고자하는 표면반응제한 성장모드가 된다.3 and 4, in the chemical vapor deposition apparatus 200 for manufacturing a semiconductor nanorod or a nano device according to the present invention, a reaction gas is introduced into the reactor 30 blocked from the outside. A gas that can react through the mixed gas reaction heat source portion 11 region through the gas pipe 31 or, in particular, when the thin film material such as HVPE is not a reactive gas, as shown in FIG. 3, is introduced into the gas pipe 31. And the semiconductor material 22 is placed to pass the reaction raw material gasification heat source portion 10 region C1 to generate a reaction gas, in which the temperature of the heat source of the heat source portion 10 is adjusted and processed. If a substance is passed through the region C2 into which heat of the mixed gas reaction heat source unit 11 is injected, the reaction gas dissociated at a high temperature forms a temperature and partial pressure to form a thin film, thereby limiting the surface reaction to form a thin film. It is a growth mode.

이렇게 형성된 반응가스들이 혼합가스반응 열원부(11)로부터 공급되는 열원의 온도를 조절하여 통과된 반응가스들은 나노구조가 형성되는 별도의 열원장치인 나노구조물질형성 열원부(12)의 열이 공급되는 영역(C3)에서 혼합가스반응 열원부(11)에 의해 공급되는 온도보다 온도를 낮게 변화시키면, 이전 반응영역(C2)에서 운반된 반응가스들이 반응개스의 분압이 나노구조 물질형성 열원부(12)영역(C3)에서의 온도로 인해 포화(supersaturation)상태가 된다.The reaction gases formed by adjusting the temperature of the heat source supplied from the mixed gas reaction heat source unit 11 are thus supplied with heat from the nanostructure material forming heat source unit 12, which is a separate heat source device in which the nanostructure is formed. When the temperature is lower than the temperature supplied by the mixed gas reaction heat source unit 11 in the region C3, the partial pressure of the reaction gas is increased by the reaction gas carried in the previous reaction region C2. 12) The temperature in region C3 leads to a supersaturation state.

상기 혼합가스는 예를 들면, Ga 금속과 The mixed gas is, for example, Ga metal and HClHCl 기체의 반응에 의해 생기는 Caused by the reaction of gases GaClxGaClx 기체와 Gas and NH3NH3 기체를 말한다.Say gas.

도 4a를 참조하면, 나노선 또는 나노막대성장하기 위한 형성과정을 볼 수 있는데, 반응개스의 분압과 온도를 이용하여 동종핵화가 되도록 조건을 만들어주면 기판(21)위에 나노 크리스탈 또는 나노 파우더(41)가 성장되 며, 이러한 나노파우더(41)로부터 성장 과정중 소결과정(sintering process)이 수행되며 , 재 결정화가 이루어져 종자층(42)이 형성된다(도 4b참조). 나노 크리스탈 또는 나노 파우더는 모두 나노입자로 통칭하기로 한다.Referring to Figure 4a, or can be seen in the formation process to route or growing nanorods, by using the partial pressure and temperature of the reaction gas to create a condition such that the homogeneous nucleation main surface substrate 21 is nanocrystalline or nano-powder (41 over ) Is grown, and a sintering process is performed during the growth process from the nanopowder 41 . Recrystallization is performed to form a seed layer 42 (see FIG. 4B). Nanocrystals or nanopowders are collectively referred to as nanoparticles.

한편, 상기 소결과정대신에 종자층(42)형성을 위한 열처리 과정(annealing process)이 수행될 수도 있다. Meanwhile, an annealing process for forming the seed layer 42 may be performed instead of the sintering process .

상기 종자층(42)의 형성은 그때의 온도 및 시간에 따라 나노입자(Nano particle) 및 결정경계(grain boundary)의 크기를 조절하게 된다. 재결정화된 나노입자(Nano particle) 및 결정경계(grain boundary)의 크기에 따라 나노선 및 나노막대(43)가 성장된다(도 4c 참조).Formation of the seed layer 42 is to control the size of the nanoparticles (grain nanoparticles) and the grain boundary (grain boundary) according to the temperature and time at that time. Nanowires and nanorods 43 are grown according to the size of the recrystallized nanoparticles and grain boundaries (see FIG. 4C).

다시 설명하면, 반응개스의 분압이 포화 상태가 되면 화학 증착 형태가 이종핵화에서 동종핵화로 성장 모드가 변화하게 되며, 상기 기판(21)위에 박막(40)이 아닌 나노입자(nanoparticle)가 성장된다. 즉, 상기 화학증착장치(200)에서 지지대(20)에 위치한 기판(21)위로 반응가스를 통과시키게 되면 상기 도 2에 도시된 바와 같은 박막(40)이 성장되지 않고 나노 입자가 형성되며 이후 종자층(42)이 형성되고 그 위에 선택적으로 나노 막대(43)가 자발적으로 형성되어, 단층 및 다층구조의 나노소자가 제작된다.In other words, when the partial pressure of the reaction gas is saturated, the growth mode is changed from heteronuclearization to homonuclearization, and nanoparticles are grown on the substrate 21 instead of the thin film 40. . That is, when the reaction gas passes through the substrate 21 positioned on the support 20 in the chemical vapor deposition apparatus 200, the thin film 40 as shown in FIG. 2 is not grown and nanoparticles are formed. A layer 42 is formed and optionally a nanorod 43 is spontaneously formed to fabricate single and multi-layered nanodevices.

상기 도 3은 일반적인 수평형(horizontal) 화학증착장치를 나타낸 개략도이며, 이는 반응로 전체를 가열하는 hot wall 형을 의미한다. 또한 수직형(vertical) 화학증착장치에도 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.3 is a schematic view showing a typical horizontal chemical vapor deposition apparatus, which means a hot wall type for heating the entire reactor. The technique of the present invention can also be applied to vertical chemical vapor deposition apparatus.

발광다이오드 제작용 화학증착 장치인 MOCVD와 같이 반도체 시료만 가열하기위하여 SiC, BN 히터 및 유도가열하는 cold wall 형의 화학증착장치에도 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.The technique of the present invention can be applied to a SiC, BN heater and induction heating cold wall type chemical vapor deposition apparatus such as MOCVD, which is a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a light emitting diode.

상기 나노막대제조용 화학증착장치(200)에 있어서, 상기 나노물질형성 열원부(12)는 저항가열 히터 혹은 RF 히팅 코일 히터를 사용한다.In the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200, the nanomaterial forming heat source portion 12 uses a resistance heating heater or an RF heating coil heater.

실시예Example

반응기(30)에 반응가스를 가스관(31)을 통하여 혼합가스가 반응하는 열원부(11)에서 비교적 높은 온도인 800 ∼ 1200℃의 온도범위, 바람직한 온도범위 900 ∼ 1050℃에서 개스의 반응을 활성화시키고, 나노구조가 형성되는 별도의 열원부(12)의 온도를 600∼750℃의 온도범위, 바람직한 온도범위 650 ∼ 700℃에서 나노구조 물질형성시킨다. 성장시간은 성장온도에 따라 성장률의 변화로 성장온도에 따라 최적의 성장시간이 다른 것으로 확인할 수 있었으며, 나노막대가 생성되는 성장온도 범위는 30분에서 6시간 사이이며, 바람직한 성장시간은 2시간에서 5시간이다 이는 나노구조 물질 형성 열원장치에서 혼합가스 반응 열원부(11)의 온도보다 온도를 낮게 하여 동종 핵화(homogeneous nucleation) 과정을 유발시켜 나노막대 또는 나노선과 동종의 물질인 나노 파우더(Nano powder) 또는 나노 파티클(Nano particle)을 생성시킨 후에 기판 위에 선택적으로 나노 막대를 자발적으로 형성시키는 방법이다.In the heat source unit 11 where the mixed gas reacts with the reaction gas to the reactor 30 through the gas pipe 31, the gas reaction is activated at a temperature range of 800 to 1200 ° C., a preferable temperature range of 900 to 1050 ° C. The nanostructure material is formed at a temperature range of 600 to 750 ° C and a preferred temperature range of 650 to 700 ° C. The growth time can be confirmed that the optimum growth time is different according to the growth temperature due to the change of growth rate according to the growth temperature. The growth temperature range of the nanorods is between 30 minutes and 6 hours, and the preferred growth time is from 2 hours. This is 5 hours. The temperature is lower than the temperature of the mixed gas reaction heat source unit 11 in the nanostructure-forming heat source device, causing a homogeneous nucleation process to produce a nano powder, which is the same material as the nanorods or nanowires. Or spontaneously forming nanorods on a substrate after generating nanoparticles.

상기 혼합가스는 예를 들면, Ga 금속과 HCl 기체의 반응에 의해 생기는 GaClx 기체와 NH3 기체를 말한다. 그러나 이에 제한되지는 않으며 이하 열거하는 여러가지 물질들이 사용될 수 있음은 물론이다. The mixed gas refers to, for example, GaClx gas and NH3 gas generated by the reaction of Ga metal and HCl gas . However, the present invention is not limited thereto, and various materials listed below may be used.

도 5는 본 발명에 따른 성장온도별 나노막대 형성 전자현미경사진으로서 성장온도가 증가함에 따라 GaN 종자층(600℃)이 형성되기 시작하여 이후 그 종자층을 베이스로 하여 GaN나노 막대가 생성되기 시작하는 것을 확인하였다. 성장온도가 700℃이상으로 성장하였을 때 GaN 나노막대가 생성되지않고 GaN 박막이 성장되었다.5 is a nano-rod formation electron micrograph according to the growth temperature according to the present invention GaN seed layer (600 ℃) begins to form as the growth temperature increases, after which the GaN nano bar is generated based on the seed layer It was confirmed that. When the growth temperature was grown above 700 ℃, GaN thin films were grown without GaN nanorods.

물론 도 5를 통해보면, 가장 바람직한 상태는 사진에서 보면, 665℃에서 형성되어 실제 나노막대로 사용될 수 있을 것이다. 그러나 이 온도는 한정적인 것은 아니다.Of course, looking at Figure 5, the most preferred state can be seen in the picture, formed at 665 ℃ can be used as a real nanorods. However, this temperature is not limited.

도 6은 본 발명에 따른 성장온도별 고해상도 XRD 그림으로서 성장온도가 증가함에 따라 GaN(0002)에 해당되는 XRD (X-Ray Diffraction) 회절 강도가 증가하고 있는 것을 확인하였다. 6 is a high-resolution XRD of the growth temperature according to the present invention corresponding to GaN (0002) as the growth temperature increases It was confirmed that XRD (X-Ray Diffraction) diffraction intensity was increasing.

상기 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노막대제조용 화학증착장치를 이 용한 나노막대 형성방법에 의하면, 혼합가스반응 열원부의 온도보다 낮은 온도를 유지시킬 수 있는 별도의 열원장치인 나노구조물질형성 열원부를 가지는 장치로서 반응개스의 분압이 포화상태가 되면 화학증착형태가 이종핵화에서 동종핵화로 성장모드가 변화하게 되며, 기판위에 박막이 아닌 나노입자가 성장되고 이후 종자층이 형성되어 그 위에 선택적으로 나노막대가 자발적으로 형성될 수 있으므로, 대면적이고 균일한 단층 및 다층구조의 나노소자를 제작할 수 있는 효과가 있는 우수한 발명인 것이다.As described above, according to the nanorod forming method using the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus according to the present invention, a nanostructure material forming heat source that is a separate heat source device that can maintain a temperature lower than the temperature of the mixed gas reaction heat source portion When the partial pressure of the reaction gas is saturated, the growth mode changes from heteronuclearization to homonuclearization, and nanoparticles, not thin films, are grown on the substrate, and then a seed layer is formed. Since the nanorods can be spontaneously formed, it is an excellent invention having the effect of fabricating large and uniform monolayer and multi-layered nanodevices.

본 발명은 상기한 바람직한 실시 예를 중심으로 기술하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술분야에 익숙한 기술자라면 첨부되는 특허청구범위를 토대로 하여 다양하게 변형실시가 가능할 것이다.Although the present invention has been described based on the above-described preferred embodiment, the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art will be able to perform various modifications based on the appended claims.

Claims (22)

챔버내에 기체화된 반도체재료를 주입하여 기판(21)상에 나노막대들(42)을 형성하기 위하여 반응원료 기체를 포함한 반응개스들이 반응을 일으키도록 하기 위한 열원을 공급하는 혼합가스반응 열원부(11) 및 상기 기판(21)상에 상기 반응개스들을 통해 나노막대들을 성장시키기 위하여 베이스로서 나노입자를 성장시키는 위한 열원을 공급하는 나노물질형성 열원부(12)를 포함하여 이루어지며, 상기 챔버는 상기 각각의 열원부(10,11,12)의해 영향을 받는 반응원료기체화 영역(C1), 혼합가스반응 영역(C2) 및 나노물질형성 영역(C3)으로 구분된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법에 있어서,Mixed gas reaction heat source unit for supplying a heat source for injecting gasified semiconductor material into the chamber to form the nanorods 42 on the substrate 21 to react the reaction gases including the reaction raw material gas ( 11) and a nanomaterial-forming heat source portion 12 for supplying a heat source for growing nanoparticles as a base to grow nanorods through the reaction gases on the substrate 21, the chamber being For manufacturing nanorods, the reaction source gasification zone (C1), mixed gas reaction zone (C2) and nanomaterial formation zone (C3) are affected by each of the heat source portions (10, 11, 12). In the method of forming a nano-rod using the chemical vapor deposition apparatus 200, 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원의 온도에 의해 상기 기판(21)위로 반응가스가 통과되면서 나노입자(41)가 형성되며 이후 종자층(42)이 형성되고, 상기 종자층(42)을 토대로 수직상방으로 나노막대(43)들이 자발적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.As the reaction gas passes through the substrate 21 by the temperature of the heat source supplied by the nanomaterial forming heat source unit 12, nanoparticles 41 are formed, and then a seed layer 42 is formed. Nanorod forming method using the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200, characterized in that the nanorod 43 is spontaneously formed in the vertical direction based on (42). 제 1 항에 있어서, 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원의 온도는 상기 혼합가스반응 열원부(11)에 의해 공급된 열원의 온도보다 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막 대 형성방법.The method of claim 1, wherein the temperature of the heat source supplied by the nano-material forming heat source unit 12 is maintained at a temperature lower than the temperature of the heat source supplied by the mixed gas reaction heat source unit (11). Nano-rod forming method using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing a rod (200). 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 나노입자가 형성되는 과정은 상압(대기압)에서 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 열원이 공급되어 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 됨으로써 성장과정중 소결과정(sintering process)이 진행되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The process of claim 1, wherein the nanoparticles are formed on the substrate 21 by supplying a heat source by the nanomaterial-forming heat source unit 12 at atmospheric pressure (atmospheric pressure) to saturate the partial pressure of the reaction gases. A method of forming a nanorod using the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus, characterized in that the sintering process (sintering process) during the growth process. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 나노입자가 형성되는 과정은 상압-100torr의 압력범위내에서 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원에 의해 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 되도록 열처리과정(annealing process)이 진행되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.According to claim 1, wherein the process of forming nanoparticles on the substrate 21 is the partial pressure of the reaction gas by the heat source supplied by the nanomaterial forming heat source portion 12 in the pressure range of atmospheric pressure-100torr Method of forming a nano bar using the nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus characterized in that the heat treatment (annealing process) is carried out to be saturated. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노물질형성 열원부(12)는 저항가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The nano-material forming heat source unit 12 is a nano-rod forming method using a nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200, characterized in that using a resistance heating heater. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노물질형성 열원부(12)는 RF 히팅 코일 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The nano-material forming heat source unit 12 is a nano-rod forming method using a nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200, characterized in that using the RF heating coil heater. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합가스반응 열원부(11)의 온도범위는 900 ∼ 1050℃이고, 상기 나노물질형성 열원부(12)의 온도범위는 600∼750℃인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 1, wherein the temperature range of the mixed gas reaction heat source portion 11 is 900 ~ 1050 ℃, the temperature range of the nano-material forming heat source portion 12 is 600 ~ 750 ℃ Nanorod forming method using a chemical vapor deposition apparatus (200). 제 1 항 또는 제 3항에 있어서, 상기 나노막대(43)가 생성되는 성장시간이 30분에서 6시간인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 1 or 3, wherein the growth time of the nano-rods 43 is generated is 30 minutes to 6 hours, characterized in that the nano-rods forming method using the chemical vapor deposition apparatus 200 for manufacturing nano-rods. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)은 Al2O3, Si, SiC, GaN, ZnO중 하나가 사용된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형 성방법.The method of claim 1, wherein the substrate (21) is one of Al 2 O 3 , Si, SiC, GaN, ZnO, characterized in that the nano-rod forming method using a chemical vapor deposition apparatus (200) for nanorod manufacturing. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 형성된 나노막대(43)는 GaN, Si, SiC, ZnO, SiGe, GaAs, InP, InGaN, AlGaN, AlN 중 하나인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 1, wherein the nano-rods 43 formed on the substrate 21 is one of GaN, Si, SiC, ZnO, SiGe, GaAs, InP, InGaN, AlGaN, AlN chemistry for manufacturing nano-rods. Nanorod forming method using a deposition apparatus (200). 제 1 항 내지 제 3항 및 제 5항 내지 제 10항중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 나노막대(43).A nanorod (43), characterized in that produced by the method of any one of claims 1 to 3 and 5 to 10. 나노물질을 형성하기 위한 열원을 공급하는 별도의 나노물질형성 열원부(12)를 구비한 나노막대제조용 화학증착장치(200)에 있어서, GaClx기체와 NH3기체를 상기 별도의 나노물질형성 열원부(12)로부터 열원이 공급되는 나노물질형성 영역(C3)에서 600∼750℃의 온도범위로 30분에서 6시간 동안 반응시켜 기판(21)상에 나노막대(43)를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.In the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200 having a separate nanomaterial forming heat source portion 12 for supplying a heat source for forming nanomaterials, the GaClx gas and NH3 gas are separated into the nanomaterial forming heat source portion ( In the nano-material forming region (C3) to which the heat source is supplied from 12) in the temperature range of 600 ~ 750 ℃ react for 30 minutes to 6 hours to form a nano-rod 43 on the substrate 21 Nanorod forming method using a chemical vapor deposition apparatus 200 for manufacturing a rod. 제 12 항에 있어서, 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원의 온도는 반응개스가 공급되는 인접한 열원부에 의해 공급된 열원의 온도보다 낮은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.13. The nanorod of claim 12, wherein the temperature of the heat source supplied by the nanomaterial-forming heat source unit 12 is maintained at a temperature lower than the temperature of the heat source supplied by the adjacent heat source unit to which the reaction gas is supplied. Nanorod forming method using a chemical vapor deposition apparatus for manufacturing (200). 제 12 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 나노입자가 형성되는 과정은 상압(대기압)에서 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 열원이 공급되어 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 됨으로써 성장과정중 소결과정(sintering process)이 진행되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The process of claim 12, wherein the nanoparticles are formed on the substrate 21 by supplying a heat source by the nanomaterial-forming heat source unit 12 at atmospheric pressure (atmospheric pressure) so that partial pressures of the reaction gases are saturated. A method of forming a nanorod using the nanorod manufacturing chemical vapor deposition apparatus, characterized in that the sintering process (sintering process) during the growth process. 제 12 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 나노입자가 형성되는 과정은 상압-100torr의 압력범위내에서 상기 나노물질형성 열원부(12)에 의해 공급된 열원에 의해 상기 반응개스들의 분압이 포화상태가 되도록 열처리과정(annealing process)이 진행되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The process of claim 12, wherein the process of forming nanoparticles on the substrate 21 is such that partial pressure of the reaction gases is increased by a heat source supplied by the nanomaterial-forming heat source unit 12 within a pressure range of atmospheric pressure-100torr. Method of forming a nano bar using the nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus characterized in that the heat treatment (annealing process) is carried out to be saturated. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 나노물질형성 열원부(12)는 저항가열 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The nano-material forming heat source unit 12 is a nano-rod forming method using a nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200, characterized in that using a resistance heating heater. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 나노물질형성 열원부(12)는 RF 히팅 코일 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The nano-material forming heat source unit 12 is a nano-rod forming method using a nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus 200, characterized in that using the RF heating coil heater. 제 12 항에 있어서, 상기 기판(21)은 Al2O3, Si, SiC, GaN, ZnO중 하나가 사용된 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 12, wherein the substrate 21 is one of Al 2 O 3 , Si, SiC, GaN, ZnO, characterized in that the nano-rod forming method using a chemical vapor deposition apparatus 200 for manufacturing a nano-rod. 제 12 항에 있어서, 상기 기판(21)상에 형성된 나노막대(43)는 GaN, Si, SiC, ZnO, SiGe, GaAs, InP, InGaN, AlGaN, AlN 중 하나인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 12, wherein the nanorod 43 formed on the substrate 21 is one of GaN, Si, SiC, ZnO, SiGe, GaAs, InP, InGaN, AlGaN, AlN chemistry for manufacturing a nano-rod. Nanorod forming method using a deposition apparatus (200). 제 12 항에 있어서, 상기 나노막대(43)는 The method of claim 12, wherein the nanorods 43 나노입자(41) 형성단계;Forming nanoparticles 41; 종자층(42) 형성단계;를 거쳐 상기 종자층(42)을 베이스로 하여 수직상방으로 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.Seed layer (42) forming step; through the seed layer (42) based on the nano-rod manufacturing method using a nano-rod manufacturing chemical vapor deposition apparatus characterized in that it is formed sequentially in the vertical direction. 제 1 항 또는 제 12항에 있어서, 상기 반응원료는 Ga금속 혹은 Ga기체인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 1 or 12, wherein the reaction raw material is a nano-rod forming method using a chemical vapor deposition apparatus (200) for producing a nano-rod, characterized in that the Ga metal or Ga gas. 제 1항 또는 제 12항에 있어서, 상기 반응원료는 TMGa(Trimethyl Gallium)금속 혹은 TMGa(Trimethyl Gallium) 기체인 것을 특징으로 하는 나노막대제조용 화학증착장치(200)를 이용한 나노막대 형성방법.The method of claim 1 or 12, wherein the reaction raw material is a nano-rod forming method using a chemical vapor deposition apparatus (200) for producing a nano-rod, characterized in that the TMGa (Trimethyl Gallium) metal or TMGa (Trimethyl Gallium) gas.
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