KR20150135583A - Method of manufacturing wavy semiconductor nanowires and wavy semiconductor nanowires thereby - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing wavy semiconductor nanowires, and wavy semiconductor nanowires manufactured thereby and, more specifically, to a method for manufacturing wavy semiconductor nanowires, which repeatedly performs the processes of forming patterns of a semiconductor and then etching the same, and coating a polymer on the side of an etched semiconductor substrate to etch the same again, so as to finally produce wavy semiconductor nanowires, and to wavy semiconductor nanowires manufactured thereby. According to the present invention, resonance with respect to the wavelength of a broadband is possible by forming wavy semiconductor nanowires formed on a semiconductor substrate to be spaced apart from each other, and the absorption of light in a region of wide wavelength is possible through such phenomenon. Therefore, the wavelength of the broadband can be absorbed when the semiconductor nanowires are used for solar cells, photodetectors, nanoantennas, etc.

Description

물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어 {Method of manufacturing wavy semiconductor nanowires and wavy semiconductor nanowires thereby}The present invention relates to a method of manufacturing a wavy semiconductor nanowire and a wavy semiconductor nanowire,

본 발명은 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체의 패턴을 형성한 후 식각하며, 식각된 반도체 기판의 측면에 고분자 코팅을 하여 다시 식각하는 공정을 반복적으로 수행하여 최종적으로는 물결형상 반도체 나노와이어를 제조하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a wavy semiconductor nanowire and a wavy semiconductor nanowire fabricated by the method, and more particularly, Like semiconductor nanowires are manufactured by repeatedly performing a step of re-etching the wavy semiconductor nanowires, and finally, the wavy semiconductor nanowires are manufactured.

최근 태양전지 분야의 기술이 급격히 발전함에 따라 에너지 변환효율의 한계성에 대한 인식이 명확해지면서 여러 가지 해결 방안이 제시되고 있는데, 주로 한계 기술을 극복하기 위한 중요한 기술들이 나노 기술과 밀접한 관련이 있으며, 차세대 에너지 문제를 해결하기 위한 대안으로서 나노 기술을 이용한 태양전지의 연구개발이 추진되고 있다. 나노 구조를 이용한 태양전지를 제작하면 공정적인 부분의 가격인하 및 고온까지의 광범위한 범위에서 효율 증가를 가져 올 수 있어서 차세대 태양광 소자로써 연구의 가치가 매우 크다. 실리콘계 단결정 및 다결정질 실리콘 태양전지는 가장 널리 쓰이고 있으며 가격 대비 효율 향상을 위한 연구가 많이 진행되어 왔고 현재도 진행 중이다. 태양전지는 광전 변환을 이용하는 소자로써 효율 향상을 위해서는 최대한 많은 빛을 흡수시킬 수 있는 것이 핵심이다.
Recently, as the technology in the field of solar cell has rapidly developed, the recognition of the limit of energy conversion efficiency has become clear, and various solutions have been suggested. Important technologies for overcoming the limit technology are closely related to nanotechnology, Research and development of solar cells using nanotechnology are being pursued as an alternative to solve the next generation energy problem. The fabrication of solar cells using nanostructures can result in cost reductions in the fair portion and increased efficiency over a wide range from high temperatures to the next generation of photovoltaic devices. Silicon-based monocrystalline and polycrystalline silicon solar cells are the most widely used, and many studies have been carried out to improve the cost efficiency. Photovoltaic cells use photoelectric conversion. In order to improve efficiency, it is essential to absorb as much light as possible.

각 응용에 맞게 나노와이어 소자가 동작하려면 기본적으로 나노와이어와 나노와이어의 양 끝단에 전기적 성질을 측정하거나 변화시키기 위한 전극 구조물이 필요하다. 이러한 나노와이어 소자의 제작은 접근 방식에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, 기존의 반도체 공정, 특히 극미세사진식각 공정 등을 이용하여 실리콘 등의 재료를 식각하여 원하는 위치에 나노와이어 소자를 직접 제작하는 탑다운(top-down)방식과 나노와이어를 VLS(Vapor-Liquid Solid) 성장법 등을 이용하여 합성한 후 특정 위치에 정렬하여 나노와이어 소자를 제작하는 바텀업(bottom-up) 방식이 있다.
For nanowire devices to work properly for each application, an electrode structure is needed to basically measure or change electrical properties at both ends of the nanowire and nanowire. These nanowire devices can be classified into two types according to the approach. By etching the materials such as silicon by using the conventional semiconductor process, especially ultra fine photolithography process, the nanowire device can be directly Bottom-up method in which nanowires are synthesized using a top-down method, a Vapor-Liquid Solid (VLS) growth method, and the like, have.

종래의 바텀업(bottom-up) 방식의 나노와이어 소자 제조 방법 중 VLS 성장법은 Si, ZnO, GaN, InP, metal 등 대부분의 반도체 및 금속 물질의 나노와이어 성장에 이용되고 있습니다. 그러나, 나노와이어를 성장시킨 후 나노와이어 소자로 제작하기 위해서는 제조된 나노와이어를 원하는 위치에 정렬한 후 전극 등의 추가 구조물을 제작해야 하는 문제점이 있다.
Among the conventional bottom-up nanowire device fabrication methods, VLS growth method is used for nanowire growth of most semiconductor and metal materials such as Si, ZnO, GaN, InP, and metal. However, in order to fabricate a nanowire device after growing the nanowire, there is a problem in that additional nanowires, such as electrodes, must be manufactured after aligning the manufactured nanowires to desired positions.

상기 정렬을 위한 나노와이어의 위치제어는 나노와이어 소자 응용을 위해 전기영동과 같은 방법을 통해 나노와이어를 원하는 위치에 정렬시키는 방법 또는 유체채널을 이용한 유체 유동으로 나노와이어를 정렬시키는 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 방법들을 사용하더라도 나노와이어가 놓일 정확한 위치를 제어하기가 매우 어렵고, 정렬과정을 거치더라도 수율이 낮은 문제점이 있다. 또한, 정렬된 나노와이어의 전기적 컨택을 위한 추가적인 전극 구조물은 고가의 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 공정을 통해 제작되고 있어 나노와이어 소자의 생산성 향상에 걸림돌로 작용하고 있다.
The position control of the nanowire for the alignment uses a method of aligning the nanowire to a desired position through a method such as electrophoresis for nanowire device application or a method of aligning the nanowire with fluid flow using a fluid channel. However, even using these methods, it is very difficult to control the precise position where the nanowire is to be placed, and there is a problem that the yield is low even if the alignment process is performed. Further, an additional electrode structure for electrical contact of the aligned nanowires is manufactured through an expensive e-beam lithography process, thereby obstructing the improvement of the productivity of the nanowire device.

한국 등록특허 제 10-137779호는 나노와이어 배열은 기판 및 기판으로부터 근본적으로 수직으로 확장된 다수의 나노와이어를 포함하고, 여기에서 각각 의 나노와이어는 전체 길이에 따라 균일한 화학적 조성을 가지며, 나노와이어의 굴절률은 나노와이어 클래딩(cladding)의 굴절률의 최소한 두 배가 되는 수직 방향의 반도체 나노와이어의 광 흡수 및 필터링 특성을 제안하였다. Korean Patent No. 10-137779 discloses a nanowire array comprising a substrate and a plurality of nanowires extending essentially vertically from the substrate wherein each nanowire has a uniform chemical composition along its entire length, Has proposed the optical absorption and filtering characteristics of a semiconductor nanowire in the vertical direction that is at least twice the refractive index of the nanowire cladding.

다만, 한국 등록특허 제 10-137779호의 탑다운(top-down) 방식의 나노와이어 소자 제조 방법은 실리콘을 식각하여 직접 나노와이어를 제조하는 것으로, 탑다운(top-down) 방식을 통해 원하는 위치에 원하는 크기로 나노와이어를 제작할 수 있다는 장점이 있지만, 형성된 나노와이어는 단일의 일정한 지름을 가지게 된다. 태양전지는 광전 변환을 이용하는 소자로써 효율 향상을 위해서는 최대한 많은 빛을 흡수시킬 수 있는 것이 핵심이지만, 실리콘 나노와이어는 굴절률이 상대적으로 크므로 입사된 빛의 일부는 전하를 생성시키지 못하고 다시 반사되며, 또한 제한적인 빛의 흡수율을 갖는 문제점이 있다.
Korean Patent No. 10-137779 discloses a top-down nanowire device manufacturing method in which nanowires are directly manufactured by etching silicon, and the nanowires are formed in a desired position through a top-down method. While the advantage of being able to make nanowires of the desired size, the formed nanowires have a single, constant diameter. Solar cells are devices that use photoelectric conversion. In order to improve efficiency, it is essential to absorb as much light as possible. However, since silicon nanowires have a relatively large refractive index, some of the incident light can not generate charges, There is also a problem of having limited absorption of light.

상기와 같은 실리콘 나노와이어의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 발명자들은 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어를 제안한다.
In order to solve the above-described problems of the silicon nanowires, the inventors of the present invention propose a method of manufacturing a wavy semiconductor nanowire and a wavy semiconductor nanowire manufactured thereby.

한국 등록특허 제 10-137779호Korean Patent No. 10-137779

본 발명은 반도체 나노와이어의 표면을 물결형상의 요철구조로 형성하여 광대역의 파장에 대하여 공명현상이 가능한 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어를 제공하는데 목적이 있다.
The present invention aims to provide a method for manufacturing a wavy semiconductor nanowire having a surface of a semiconductor nanowire formed into a wave-like concavo-convex structure and capable of resonance with a broadband wavelength, and a wavy semiconductor nanowire produced by the method .

또한, 광대역의 파장에 대하여 공명현상이 가능하여 넓은 파장의 영역에 대하여 빛의 흡수가 가능하게 되며, 이러한 특성을 이용하여 빛 흡수의 효율을 향상시킨 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어를 제공하는데 목적이 있다.
Also, a method of manufacturing a wavy-shaped semiconductor nanowire capable of absorbing light over a wide wavelength region by resonance with a wide-band wavelength and improving the efficiency of light absorption by using such a characteristic, Shaped semiconductor nanowires.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, In order to achieve the above object,

반도체 기판의 일면에 패턴을 형성한 후, 형성된 패턴을 따라 반도체 기판을 식각하는 단계(단계 1);A step of forming a pattern on one surface of the semiconductor substrate and etching the semiconductor substrate along the formed pattern (step 1);

상기 단계 1에서 식각된 반도체 기판의 식각부의 측면에 고분자 물질을 코팅하는 단계(단계 2);  Coating the side of the etched portion of the semiconductor substrate etched in Step 1 with a polymeric material (Step 2);

상기 단계 2에서 고분자로 코팅된 식각부의 하부를 식각하는 단계(단계 3);Etching the lower portion of the etched portion coated with the polymer in Step 2 (Step 3);

상기 단계 2의 고분자 코팅과 상기 단계 3의 식각을 반복 수행하여 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어를 제조하는 단계(단계 4); 및Repeating the polymer coating of step 2 and the etching of step 3 to produce a microscale wavy semiconductor wire (step 4); And

상기 단계 4의 반도체 와이어를 습식식각하여 물결형상의 반도체 나노와이어를 제조하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법을 제안한다.
And a step (step 5) of wet-etching the semiconductor wire of the step 4 to produce a wavy-shaped semiconductor nanowire (step 5).

본 발명은, 상기 방법으로 제조된 물결형상 반도체 나노와이어를 제안한다.
The present invention proposes a wavy semiconductor nanowire fabricated by the above method.

본 발명에 따르면, 반도체 기판상에 서로 이격하여 형성되는 물결형상의 반도체 나노와이어를 형성하여 광대역의 파장에 대하여 공명현상이 가능하며, 이러한 현상을 통해 넓은 파장의 영역에 대하여 빛의 흡수가 가능하여 물결형상의 반도체 나노와이어를 이용하여 태양전지, 광검출기 및 나노안테나 등에 사용할 경우, 광대역의 파장을 흡수할 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, wave-shaped semiconductor nanowires are formed on a semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other to enable resonance with respect to a broadband wavelength, and light can be absorbed over a wide wavelength region When wave-shaped semiconductor nanowires are used for a solar cell, a photodetector, a nano-antenna, etc., it is possible to absorb a broadband wavelength.

도 1은 본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법의 단계 1에서 기판의 상부에 패턴이 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법의 단계 1에서 건식식각을 통해 기판이 식각된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법의 단계 2에서 식각부의 측면에 고분자 코팅이 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법의 단계 4에서 형성된 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법의 단계 5에서 형성된 물결형상 반도체 나노와이어를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 물결형상 반도체 나노와이어를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 반도체 나노와이어 또는 반도체 기판의 파장에 따른 광 흡수율을 측정한 그래프이다.FIG. 1 is a view showing a state where a pattern is formed on an upper part of a substrate in step 1 of a method of manufacturing a wavy-type semiconductor nanowire according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a state in which a substrate is etched by dry etching in step 1 of a method of manufacturing a wavy-shaped semiconductor nanowire according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing a state where a polymer coating is formed on a side surface of the etching part in step 2 of the method of manufacturing a wavy-type semiconductor nanowire according to the present invention.
4 is a view showing a micro-scale wavy semiconductor wire formed in step 4 of the method of manufacturing a wavy-shaped semiconductor nanowire according to the present invention.
FIG. 5 is a view showing a wavy-shaped semiconductor nanowire formed in step 5 of the method for manufacturing a wavy-shaped semiconductor nanowire according to the present invention.
6 is a view showing the micro scale semiconductor wafers manufactured in Example 1 of the present invention.
7 is a view showing the wavy semiconductor nanowires manufactured in Example 1 of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the light absorptance of the semiconductor nanowire or semiconductor substrate prepared in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 according to wavelengths.

본 발명은 반도체 나노와이어의 표면을 물결형상의 요철구조로 형성하여 광대역의 파장에 대하여 공명현상이 가능하며, 넓은 파장의 영역에 대하여 빛의 흡수가 가능하게 되어, 이러한 특성을 이용하여 빛 흡수의 효율을 향상시킨 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 물결형상 반도체 나노와이어를 제공하는데 목적이 있다.
In the present invention, the surface of a semiconductor nanowire is formed into a wave-like concavo-convex structure, resonance can be performed with respect to a broadband wavelength, light can be absorbed over a wide wavelength region, Like semiconductor nanowire with improved efficiency and a wavy semiconductor nanowire produced by the method.

반도체 기판의 일면에 패턴을 형성한 후, 형성된 패턴을 따라 반도체 기판을 식각하는 단계(단계 1);A step of forming a pattern on one surface of the semiconductor substrate and etching the semiconductor substrate along the formed pattern (step 1);

상기 단계 1에서 식각된 반도체 기판의 식각부의 측면에 고분자 물질을 코팅하는 단계(단계 2);Coating the side of the etched portion of the semiconductor substrate etched in Step 1 with a polymeric material (Step 2);

상기 단계 2에서 고분자로 코팅된 식각부의 하부를 식각하는 단계(단계 3);Etching the lower portion of the etched portion coated with the polymer in Step 2 (Step 3);

상기 단계 2의 고분자 코팅과 상기 단계 3의 식각을 반복 수행하여 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어를 제조하는 단계(단계 4);Repeating the polymer coating of step 2 and the etching of step 3 to produce a microscale wavy semiconductor wire (step 4);

상기 단계 4의 반도체 와이어를 습식식각하여 물결형상의 반도체 나노와이어를 제조하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법을 제안한다.
And a step (step 5) of wet-etching the semiconductor wire of the step 4 to produce a wavy-shaped semiconductor nanowire (step 5).

이하, 본 발명에 따른 금속 나노 와이어 투명전극의 제조 방법은 도면을 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for manufacturing a transparent metal nanowire electrode according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 반도체 기판의 일면에 패턴을 형성한 후, 형성된 패턴을 따라 반도체 기판을 식각한다.In the method of manufacturing a wavy-shaped semiconductor nanowire according to the present invention, the step 1 may include forming a pattern on one surface of a semiconductor substrate, and then etching the semiconductor substrate along the formed pattern.

도 1및 도 2를 참조하면, 상기 반도체 기판(10)은 실리콘 웨이퍼를 이용할 수 있다. 상기 반도체 기판(10)은 실리콘 웨이퍼뿐만 아니라 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인듐포스파이드(InP), 징크옥사이드(ZnO), 징크세레나이드(ZnSe) 중 어느 하나의 반도체 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 1 and 2, the semiconductor substrate 10 may be a silicon wafer. The semiconductor substrate 10 may be a semiconductor material of any one of germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), zinc oxide (ZnO), and zinc selenide (ZnSe) But is not limited thereto.

또한, 상기 반도체 기판(10)은 두께가 1mm 이상으로 형성되는 것이 바람직하며, 반도체 기판(10)의 두께가 1mm 미만일 경우, 반도체 기판(10)을 통해 제조되는 반도체 나노와이어의 길이가 충분하지 않을 수 있다. 상기 반도체 기판(10)을 1차적으로 식각하기 위하여, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 및 포토리소그래피(photolithography) 중 어느 하나의 방법뿐만 아니라, 패턴을 형성하기 위한 어떤 방법이든지 사용할 수 있으나, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 패턴(20)을 형성하는 것이 바람직하다. The thickness of the semiconductor substrate 10 is preferably 1 mm or more. When the thickness of the semiconductor substrate 10 is less than 1 mm, the length of the semiconductor nanowires formed through the semiconductor substrate 10 is not sufficient . In order to primarily etch the semiconductor substrate 10, any method of forming a pattern as well as a method of electron beam lithography (e-beam lithography) and photolithography may be used, it is preferable to form the pattern 20 through a photolithography process.

상기 패턴(20)을 형성한 후, 건식식각(dry-etching) 방법을 통해 도트(dot) 형상을 가진 다수의 돌출부를 형성한다. 상기 돌출부는 추후 공정을 통해 형성될 반도체 와이어의 상부 일부를 형성할 수 있다. 이때 반도체 기판은 상기 건식식각(dry-etching) 공정에 의해 반도체에 수직한 방향뿐만 수직한 방향 이외의 방향으로 반도체 기판의 일부가 식각될 수 있다.
After the pattern 20 is formed, a plurality of dot-shaped protrusions are formed through a dry-etching method. The protrusion may form an upper portion of the semiconductor wire to be formed through a subsequent process. At this time, a portion of the semiconductor substrate may be etched in a direction other than the direction perpendicular to the semiconductor by the dry-etching process.

본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 식각된 반도체 기판의 식각부의 측면에 고분자 물질을 코팅한다. In the method of manufacturing the wavy semiconductor nanowire according to the present invention, the step 2 is a step of coating a side surface of the etched portion of the semiconductor substrate etched in the step 1 with a polymer material.

도 3을 참조하면, 상기 고분자 물질(40)로는, C4F8, nCF2, SiOxFy 중 어느 하나 이상의 고분자 물질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 고분자 물질(40)은 실리콘을 건식식각(dry-etching)할 때 사용되는 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)의 기체와 반응하지 않는 고분자 물질로, 상기 고분자 물질(40)의 코팅은 식각부의 측면에 형성되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3, the polymer material 40 may be formed of any one of C 4 F 8 , nCF 2 , and SiO x F y . In this case, the polymer material (40) is sulfur hexafluoride (SF 6), carbon tetrafluoride (CF 4) and a polymeric material which does not react with the gas of oxygen (O 2) that is used to dry etching (dry-etching) the silicon The coating of the polymer material 40 is preferably formed on the side surface of the etching part.

상기 고분자 물질(40)이 식각부(30)에 형성되지 않을 경우, 이후 수행될 식각부(30)를 식각하는 공정에 의해 식각부(30)의 측면이 식각되어 반도체 와이어가 형성되지 않을 수 있으며, 상기 고분자 물질(40)이 식각부(30)의 하부에 형성될 경우, 식각부(30)의 하부가 식각되지 않아 반도체 나노와이어를 제조할 수 없다.
If the polymer material 40 is not formed on the etching part 30, the side surface of the etching part 30 may be etched by a process of etching the etching part 30 to be performed thereafter, If the polymer material 40 is formed on the lower portion of the etching portion 30, the lower portion of the etching portion 30 is not etched so that the semiconductor nanowire can not be manufactured.

본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 고분자로 코팅된 식각부의 하부를 식각한다.In the method of fabricating the wavy-shaped semiconductor nanowire according to the present invention, the step 3 etches the lower part of the etched part coated with the polymer in the step 2.

식각부(40)의 측면은 고분자 물질(40)로 코팅되어 있으며, 상기 식각은 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)를 이용하여 건식식각의 방법으로 식각될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The side surface of the etching part 40 is coated with a polymer material 40. The etching is performed by dry etching using sulfur hexafluoride (SF 6 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ), and oxygen (O 2 ) But is not limited thereto.

상기 식각이 습식식각(wet-etching)으로 수행될 경우, 상기 식각부는 식각부의 하부 기판(10)과 수직한 방향으로 식각됨과 동시에 상기 기판(10)과 수직하지 않은 방향도 식각하게 되므로, 반도체 와이어가 형성되지 않고 끊어질 수 있어 수직한 방향으로 식각되는 식각특성이 우수한 건식식각으로 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 건식식각은 기판과 수직한 방향으로 식각되는 식각특성이 습식식각에 비해 비교적 우수하며, 상기 기판에 수직한 방향으로 식각되는 것뿐만 아니라, 상기 기판과 수직하지 않은 방향으로 일부 식각되며, 이러한 특성을 이용하여 물결형상의 와이어를 형성할 수 있다.
When the etching is performed by wet-etching, the etching portion is etched in a direction perpendicular to the lower substrate 10 of the etching portion, and at the same time, a direction not perpendicular to the substrate 10 is also etched. It is preferable to perform the dry etching with an excellent etching property that is etched in the vertical direction. At this time, the dry etching has an etching characteristic that is etched in a direction perpendicular to the substrate, is relatively superior to wet etching, and is etched not only in a direction perpendicular to the substrate but also in a direction not perpendicular to the substrate, By using these characteristics, a wavy wire can be formed.

이때, 상기 물결형상의 와이어의 물결형상은 상기 건식식각시 사용되는 기체인 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)의 비율을 조절하여 제어될 수 있으며, 상기 비율은 10:4:1 내지 10:5:1의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. In this case, the wavy shape of the wire of the wave shape can be controlled by controlling the ratio of gas, sulfur hexafluoride (SF 6), carbon tetrafluoride (CF 4) and oxygen (O 2) used in the dry etching, the The ratio is preferably in the range of 10: 4: 1 to 10: 5: 1.

상기 비율이 10:4:1 미만일 경우, 상기 식각부의 식각공정이 제대로 수행되지 않으며, 상기 비율이 10:5:1를 초과할 경우, 상기 식각부가 과다하게 식각되어 이후 형성될 마이크로 스케일의 반도체 와이어가 충분한 두께를 가지지 못하게 된다.
If the ratio is less than 10: 4: 1, the etching process of the etching portion is not properly performed. If the ratio is more than 10: 5: 1, the etching portion is excessively etched, Will not have sufficient thickness.

본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상기 단계 4는 상기 단계 2의 고분자 코팅과 상기 단계 3의 식각을 반복 수행하여 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어를 제조한다.In the method for fabricating a wavy semiconductor nanowire according to the present invention, the step 4 is repeatedly performed by the polymer coating of the step 2 and the etching of the step 3 to produce a micro-scale wavy semiconductor wire.

도 4를 참조하면, 상기 단계 4의 공정은 단계 2의 고분자 코팅과 상기 단계 3의 식각을 반복 수행 기판의 하부로 더욱 깊이 식각하는 것이 가능하며, 반복적인 공정을 수행함으로 인하여 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어(50) 표면에 물결형상(wavy)의 굴곡진 표면을 형성하는 것이 가능하다. Referring to FIG. 4, the process of Step 4 can further etch the polymer coating of Step 2 and the etching of Step 3 to a lower portion of the substrate repeatedly. Since the repetitive process is performed, the micro- It is possible to form a wavy curved surface on the surface of the semiconductor wire 50.

이때, 상기 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어(50)는 단계 3의 식각을 수행하는 데 있어서, 식각을 수행하는 시간 및 건식식각에 사용되는 기체의 비율을 조절하여 상기 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어의(50) 길이 및 물결형상(wavy)의 요철(凹凸)정도를 결정할 수 있다.
At this time, in performing the etching of step 3, the micro-scale wavy semiconductor wire 50 controls the time for performing the etching and the ratio of the gas used for the dry etching, It is possible to determine the length of the groove 50 and the degree of the concavity and convexity of the wavy shape (wavy).

본 발명에 따른 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법에 있어서, 상기 단계 5는 상기 단계 4의 반도체 와이어를 습식식각하여 물결형상의 반도체 나노와이어를 제조한다.In the method of fabricating a wavy-shaped semiconductor nanowire according to the present invention, the step 5 is a step of wet-etching the semiconductor wire of the step 4 to produce a wave-like semiconductor nanowire.

도 5를 참조하면, 상기 단계 5는, 상기 마이크로 스케일의 반도체 나노와이어가 형성된 기판을 가열하여 상기 마이크로 스케일의 반도체 나노와이어의 표면에 산화막을 형성시키는 단계(단계 a); 및Referring to FIG. 5, in step 5, the substrate on which the microscale semiconductor nanowires are formed is heated to form an oxide film on the surfaces of the microscale semiconductor nanowires (step a); And

상기 단계 a의 기판을 식각용액에 담지시켜 상기 마이크로 스케일의 반도체 나노와이어의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 단계(단계 b);를 포함할 수 있다.
And a step (b) of supporting the substrate of step a) in the etching solution to remove the oxide film formed on the surface of the microscale semiconductor nanowires (step b).

상기 단계 a 및 단계 b의 공정을 반복적으로 수행하여 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어(50)의 두께를 축소시켜 물결형상(wavy)의 반도체 나노와이어(60)를 제조한다. 이때, 상기 단계 4에서 형성된 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어(50) 표면의 물결형상은 반도체 나노와이어(60)에 그대로 유지되어 물결형상(wavy)의 반도체 나노와이어(60)가 제조된다.
The steps a) and b) are repeatedly performed to reduce the thickness of the microscale wavy semiconductor wire 50 to produce a wavy semiconductor nanowire 60. At this time, the wavy shape of the surface of the microscale wavy semiconductor wire 50 formed in the step 4 is maintained in the semiconductor nanowire 60 to produce a wavy semiconductor nanowire 60 .

상기 단계 5의 단계 a 에서 실리콘(Si) 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우, 상기 실리콘(Si) 기판의 표면에 산화실리콘(SiO2)이 형성되며, 상기 산화실리콘(SiO2)을 제거하여 식각공정이 수행된다. 이때, 상기 산화실리콘(SiO2)을 제거하기 위한 식각액으로 불산(HF)이 사용될 수 있으며, 반도체 기판(10)의 종류에 따라 식각액은 바뀔 수 있다. When a silicon (Si) wafer is used as the substrate in the step a), silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the surface of the silicon (Si) substrate, and the silicon oxide (SiO 2 ) . At this time, hydrofluoric acid (HF) may be used as an etchant for removing the silicon oxide (SiO 2 ), and the etchant may be changed depending on the type of the semiconductor substrate 10.

그러나, 상기 산화막의 두께가 일정 두께 이상으로 형성되기 어려워 한번의 공정으로 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어를 물결형상 반도체 나노와이어로 형성시키기 힘들기 때문에 상기 단계 a 및 단계 b의 공정을 반복적으로 수행하여 물결형상 반도체 나노와이어를 제조할 수 있다. 또한, 상기 습식식각은 기판의 전체적인 부분을 비교적 일정한 두께로 식각하므로, 마이크로 스케일의 물결형상 반도체 와이어의 물결형상의 표면은 물결형상 반도체 나노와이어에서 여전히 존재하게 된다.
However, since the thickness of the oxide film is difficult to be formed over a certain thickness, it is difficult to form micro-scale wavy semiconductor wirings by a single step in the form of wavy semiconductor nanowires, so that the above steps a and b are repeatedly performed Wave-shaped semiconductor nanowires can be manufactured. In addition, the wet etch etches the entire portion of the substrate to a relatively constant thickness, so that the wavy surface of the micro-scale wavy semiconductor wire still exists in the wavy semiconductor nanowire.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예 및 실험예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and experimental examples. The following examples and experimental examples are provided to illustrate the present invention, but the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

단계 1: 세척된 실리콘 기판 위에 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 패턴을 형성한다. 나노 크기의 패턴은 기판 위에 형성하는 것이 어렵기 때문에, 각각의 패턴은 지름을 4 um의 크기를 갖도록 형성한다. 패턴끼리는 서로 간격을 가지도록 이격되게 형성한다. 패턴이 형성된 기판과 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)가 각각 10 : 4 : 1의 비율로 혼합된 기체를 진공챔버에서 5초 동안 반응시켜 기체에 노출된 기판의 부분을 식각시킨다.
Step 1: A pattern is formed on the cleaned silicon substrate using photolithography. Since nano-sized patterns are difficult to form on a substrate, each pattern is formed to have a diameter of 4 um. The patterns are formed so as to be spaced apart from each other. The substrate on which the pattern was formed and the gas mixed with sulfur hexafluoride (SF 6 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ) and oxygen (O 2 ) in a ratio of 10: 4: 1 were reacted in a vacuum chamber for 5 seconds, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; substrate.

단계 2: 상기 단계 1에서 식각된 식각부의 측면을 고분자 물질인 C4F8로 코팅한다.
Step 2: The side of the etched portion etched in Step 1 is coated with C 4 F 8 , which is a polymer material.

단계 3: 상기 단계 2에서 식각부의 측면이 고분자 물질로 코팅된 기판과 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)가 10 : 4 : 1의 비율로 혼합된 기체를 진공챔버에서 4초 동안 반응시켜 고분자 물질이 코팅되지 않은 식각부의 하부를 추가적으로 식각시킨다.
Step 3: carbon tetrafluoride the second step the substrate and the sulfur hexafluoride coating the etched side surface of a polymer material in (SF 6), (CF 4 ) and oxygen (O 2) of 10: 4: the gas mixture at a ratio of 1: 1 Is reacted in a vacuum chamber for 4 seconds to further etch the lower portion of the etched portion where the polymer material is not coated.

단계 4: 상기 단계 2 및 상기 단계 3의 공정을 반복적으로 20번 수행하여 마이크로 스케일의 요철형상 반도체 와이어를 제조한다.
Step 4: The steps of the step 2 and the step 3 are repeatedly carried out 20 times to produce micro scale unevenly shaped semiconductor wires.

단계 5: 상기 단계 4의 기판을 1100°C의 온도에서 1시간 동안 가열하여 상기 마이크로 스케일의 요철형상 반도체 와이어의 표면에 실리콘 산화막을 형성하며, 이후 상기 기판을 불산(HF)을 포함하는 20°C ~ 25°C 의 식각용액에 30분 동안 담지시켜 상기 실리콘 산화막을 제거한다. 상기 단계 5의 공정을 7번 반복적으로 수행하여 요철형상 반도체 나노와이어를 제조한다.
Step 5: The substrate of step 4 is heated at a temperature of 1100 ° C for 1 hour to form a silicon oxide film on the surface of the microscale uneven semiconductor wire, and then the substrate is heated to 20 ° C to 25 ° C for 30 minutes to remove the silicon oxide film. The process of step 5 is repeated seven times to produce concave-convex semiconductor nanowires.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

상기 단계 1 및 단계 3에서 육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)가 각각 10 : 4 : 1의 비율로 혼합된 기체를 진공챔버에서 3분 동안 반응시키는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 요철형상 반도체 나노와이어를 제조하였다.
The gas mixture of sulfur hexafluoride (SF 6 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ) and oxygen (O 2 ) in the ratio of 10: 4: 1 in the above step 1 and step 3 was reacted in a vacuum chamber for 3 minutes , The concave-convex semiconductor nanowires were produced in the same manner as in Example 1.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

상기 단계 4의 공정을 반복적으로 10번 수행한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 요철형상 반도체 나노와이어를 제조하였다.
Unevenly shaped semiconductor nanowires were prepared in the same manner as in Example 1, except that the step 4 was repeated 10 times.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

단계 1: 세척된 실리콘 기판 위에 나노임프린트　리소그래피(Nanoimprint lithography, NIL)를 이용하여 패턴을 형성한다. 각각의 패턴은 지름을 50nm 의 크기를 갖도록 형성한다. 패턴끼리는 서로 간격을 가지도록 이격되게 형성한다. 단계 1의 공정을 통해 실리콘 기판상에 탑다운(top-down)방식으로 형성된 단일지름을 가진 실리콘 나노와이어를 제조하였다.
Step 1: A pattern is formed on the cleaned silicon substrate by using Nanoimprint lithography (NIL). Each pattern is formed to have a diameter of 50 nm. The patterns are formed so as to be spaced apart from each other. Silicon nanowires having a single diameter formed in a top-down manner on a silicon substrate through the process of Step 1 were prepared.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

실리콘 기판에 아무런 공정을 수행하지 않고, 실리콘 기판을 벌크(bulk) 형태로 제작하였다.
A silicon substrate was produced in a bulk form without any process being performed on the silicon substrate.

<실험예 1> 요철형상 반도체 나노와이어의 특성분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Characteristic Analysis of Unevenly Conductive Semiconductor Nanowires

도 8에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에서 제조된 요철형상 실리콘 나노와이어, 실리콘 나노와이어 또는 실리콘 기판의 특성을 분석하고자 제조된 요철형상 실리콘 나노와이어, 실리콘 나노와이어 또는 실리콘 기판의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션 방법을 통해 측정하였다.
As shown in FIG. 8, uneven silicon nano wire, silicon nano wire, or silicon nano wire manufactured to analyze characteristics of the uneven silicon nano wire, silicon nano wire, or silicon substrate manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention The absorption rate of the silicon substrate according to the wavelength was measured by a simulation method.

비교예 2의 방법에서 실리콘 기판에 아무런 공정을 수행하지 않고, 광흡수 소자에 사용될 경우, 약 0.6 이하의 흡수율을 가져 광 흡수 효율이 매우 낮음을 알 수 있다. In the method of Comparative Example 2, when the silicon substrate is used for a light absorbing device without any process, the light absorbing efficiency is very low because the light absorbing efficiency is about 0.6 or less.

또한, 비교예 1의 방법에서 일반적으로 형성되는 단일지름을 가진 실리콘 나노와이어는 비교예 2의 방법의 실리콘 기판에 비해서는 매우 높은 것을 알 수 있었다. It was also found that the silicon nanowires having a single diameter generally formed in the method of Comparative Example 1 are much higher than those of the silicon substrate of the method of Comparative Example 2. [

다만, 실시예 1의 방법에 의해 제조된 요철형상 실리콘 나노와이어의 경우, 약 650nm 이하의 파장에서 대부분 비교예 1의 실리콘 나노와이어보다 높은 광흡수율을 나타내었다. 약 480nm~500nm의 범위에서 비교예 1의 광 흡수율이 다소 높게 측정되었으나, 약 0.1 의 광흡수율 차이로 그 차이가 그리 크지 않고, 대부분의 범위에서 실시예 1의 방법에 의해 제조된 요철형상 실리콘 나노와이어의 광 흡수율이 높게 측정된 것을 알 수 있었다.
However, in the case of the concave-convex silicon nanowire fabricated by the method of Example 1, the light absorbance was largely higher than that of the silicon nanowire of Comparative Example 1 at a wavelength of about 650 nm or less. The light absorptance of Comparative Example 1 was measured to be somewhat high in the range of about 480 nm to 500 nm, but the difference in light absorptance of about 0.1 was not so significant, and in most of the ranges, It was found that the light absorption rate of the wire was measured to be high.

결과적으로, 반도체 기판상에 서로 이격하여 형성되는 물결형상의 반도체 나노와이어를 형성하여 광대역의 파장에 대하여 공명현상이 가능하며, 이러한 현상을 통해 넓은 파장의 영역에 대하여 빛의 흡수가 가능하여 물결형상의 반도체 나노와이어를 이용하여 태양전지, 광검출기 및 나노안테나 등에 사용할 경우, 광대역의 파장을 흡수할 수 있는 효과가 있다.
As a result, wavy semiconductor nano wires formed on the semiconductor substrate are formed to be spaced apart from each other, so that resonance can be achieved with respect to a wide band of wavelengths. By this phenomenon, light can be absorbed over a wide wavelength region, A semiconductor nanowire is used for a solar cell, a photodetector, a nano antenna, and the like, it is possible to absorb a broadband wavelength.

10: 기판
20: 패턴
30: 식각부
40: 고분자 물질
50: 마이크로 스케일 반도체 와이어
60: 반도체 나노와이어10: substrate
20: Pattern
30:
40: polymer material
50: Microscale semiconductor wire
60: Semiconductor nanowire

Claims (9)

반도체 기판의 일면에 패턴을 형성한 후, 형성된 패턴을 따라 반도체 기판을 식각하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 식각된 반도체 기판의 식각부의 측면에 고분자 물질을 코팅하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 고분자로 코팅된 식각부의 하부를 식각하는 단계(단계 3);
상기 단계 2의 고분자 코팅과 상기 단계 3의 식각을 반복 수행하여 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어를 제조하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4의 반도체 와이어를 습식식각하여 물결형상의 반도체 나노와이어를 제조하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
A step of forming a pattern on one surface of the semiconductor substrate and etching the semiconductor substrate along the formed pattern (step 1);
Coating the side of the etched portion of the semiconductor substrate etched in Step 1 with a polymeric material (Step 2);
Etching the lower portion of the etched portion coated with the polymer in Step 2 (Step 3);
Repeating the polymer coating of step 2 and the etching of step 3 to produce a microscale wavy semiconductor wire (step 4); And
(Step 5) of wet-etching the semiconductor wire of step 4 to produce a wavy semiconductor nanowire (step 5).
제 1항에 있어서,
상기 반도체 기판은,
실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein:
Wherein the step of forming the wavy-shaped semiconductor nanowire includes the step of forming the wavy-shaped semiconductor nanowire.
제 1항에 있어서,
상기 단계 1의 패턴은,
포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the pattern of step 1,
Wherein the semiconductor nanowire is formed using a photolithography process.
제 1항에 있어서,
상기 단계 2의 고분자 물질은,
C4F8, nCF2, SiOxFy 중 어느 하나의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
The polymeric material of step 2,
C 4 F 8 , nCF 2 , and SiO x F y .
제 1항에 있어서,
상기 단계 3의 식각은,
육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)를 포함하는 기체를 이용하여 건식식각의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the etching of step 3,
Wherein the etching is performed by a dry etching method using a gas containing sulfur hexafluoride (SF 6 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ), and oxygen (O 2 ).
제 5항에 있어서,
상기 식각은,
육불화황(SF6), 사불화탄소(CF4) 및 산소(O2)의 비율이 10:4:1 내지 10:5:1의 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The etching may be performed,
Wherein the ratio of sulfur hexafluoride (SF 6 ), carbon tetrafluoride (CF 4 ) and oxygen (O 2 ) is in the range of 10: 4: 1 to 10: 5: 1. Way.
제 1항에 있어서,
상기 단계 5는,
상기 마이크로 스케일의 반도체 나노와이어가 형성된 기판을 가열하여 상기 마이크로 스케일의 반도체 나노와이어의 표면에 산화막을 형성시키는 단계(단계 a); 및
상기 단계 a의 기판을 식각용액에 담지시켜 상기 마이크로 스케일의 반도체 나노와이어의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 단계(단계 b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step 5,
Heating the substrate on which the microscale semiconductor nanowires are formed to form an oxide film on the surface of the microscale semiconductor nanowires (step a); And
(B) supporting the substrate of step (a) in an etching solution to remove an oxide film formed on a surface of the microscale semiconductor nanowires (step b).
제 7항에 있어서,
상기 단계 a 및 단계 b의 공정을 반복적으로 수행하여 마이크로 스케일의 물결형상(wavy) 반도체 와이어를 물결형상(wavy)의 반도체 나노와이어로 제조하는 것을 특징으로 하는 물결형상 반도체 나노와이어의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step a) and the step b) are repeatedly performed to produce a micro scale wavy semiconductor wire as a wavy semiconductor nanowire.
제 1항의 방법으로 제조된 물결형상 반도체 나노와이어.
A wavy semiconductor nanowire fabricated by the method of claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111964794A (en) * 2020-08-26 2020-11-20 中国科学院微电子研究所 High-absorption nano-structure thermopile and manufacturing method thereof

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