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KR100287362B1 - 이온빔을이용한산화물기판표면의전처리방법및이를이용한질화물박막형성방법 - Google Patents

이온빔을이용한산화물기판표면의전처리방법및이를이용한질화물박막형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지를 가지는 반응성 이온입자를 기판표면에 조사함으로써, 산화물 기판표면을 질화물로 개질시키는 방법이며, 이렇게 표면개질된 기판에 성장하는 박막의 성질을 변화시킬 수 있으며, 결정성등 그 특성이 뛰어난 박막을 형성할 수 있다. 특별히 예를 들면, 종래의 열처리로 이루어지는 기판처리에 의해서는 고품위 GaN박막을 형성하기에는 Al2O3기판이 한계를 가지고 있었으나, Al2O3기판에 본 발명에 의한 이온빔 표면처리를 하여 우선 기판상에 AlN을 형성시키고, 그 위에 GaN을 증착시키므로써 물성이 우수한 고품위 GaN박막을 형성시킬 수 있다.

Description

이온빔을 이용한 산화물 기판표면의 전처리 방법 및 이를 이용한 질화물박막 형성방법{PRETREATMENT OF SINGLE CRYSTAL CERAMIC SURFACE BY REACTIVE ION IRRADIATION AND THIN FILM GROWTH ON MODIFIED SUBSTRATE}
본 발명은 기판과 증착물질 사이의 격자간 거리의 차이를 줄여 고품위의 박막형성을 가능하게 하는 산화물기판 표면 전처리방법 및 그를 이용한 박막형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 기판과 증착되는 박막은 서로간에 격자 상수가 틀리며, 이러한 격자상수의 차이로 인하여 기판에 박막을 증착시키면 격자크기에 차이가 나서 박막이 적층성장(epitaxial growth)되지 않고 대부분의 경우 다결정의 형태로 성장하므로, 고품위 박막을 형성하기 어렵다. 특히 기판을 가열하여 유기금속 화합물을 분해시키고 유기금속을 증착시키는 유기화학 기상증착(chemical vapor deposition)의 경우에는 박막의 층과 기판의 격자구조는 아주 밀접한 관계가 있으며, 이때 기판 표면은 증착되는 물질의 성장에 많은 영향을 미치게 된다.
박막성장은 주로 기판위에서의 핵형성, 성장한 핵의 성장, 방향성 등에 따라 영향을 받게 되는데 이때 핵형성은 초기 기판의 형태, 그리고 방향성은 초기 기판의 주 방향성에 많이 영향을 받는다. 따라서 기판에 박막을 형성하는 경우, 초기 기판의 형태는 제조하려는 박막에 가장 큰 영향을 미친다.
본 발명의 목적은 초기 박막 형성에 영향을 미치는 기판의 표면처리에 관한 방법을 제공한다. 즉, 기판에 박막을 증착시키는 공정에 있어서, 기판과 박막의 격자간에 거리의 차이로 인해 고품위 박막을 형성하기 어려우므로 기판과 증착물질 사이의 격자간의 차이를 줄일 수 있도록 기판을 표면처리하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 위와 같이 개질을 위한 전처리가 수행된 표면상에 결정성등이 뛰어난 고품위 박막을 형성시키는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 산화물 기판표면을 개질하기 위한 전처리방법에 이용하는 표면 처리 장치의 개략도이다.
도 2a는 본 발명에 의하여 단결정 Al2O3기판위에 N2 +이온 빔을 조사하여 형성한 시편에 대한 NlsXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 표면분석 스펙트럼을 도시한다.
도 2b는 단결정 Al2O3기판을 질소분위기하에서 1040℃에서 5분간 질화처리하여 형성되는 종래기술에 의한 시편의 NlsXPS 표면분석 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의하여 성장한 GaN(200)에 대한 이중결정 X-선 분산 스펙트럼(XRD)을 종래의 방법에 의하여 성장한 GaN의 수치와 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 표면개질이 수행된 기판상에 형성된 GaN에 대한 10 K에서의 발광(發光) 정도를 종래방법에 의하여 형성된 GaN의 발광정도와 비교한 그래프이다.
본 발명은 초기 박막 형성에 영향을 미치는 기판의 표면처리에 관한 발명으로, 더 구체적으로는, 진공 상태하에, 증착시키려는 물질에 따라 선택된 반응성 가스를 산화물 표면에 직접 불어 넣어 주면서, 에너지를 가진 N2 +이온 입자를 이 표면에 조사하여 산화물 표면을 질화물로 표면 개질하는 방법과 이를 이용한 박막형성방법에 관한 것이다.
도 1을 참고로 본 발명인 표면 개질 방법을 수행하기 위한 이온빔 조사장치에 관하여 간단히 설명하면, 먼저 도 1에 표시된 장치의 구성은 이온 빔을 생성하는 이온원(Ion source), 에너지를 가진 조사되는 이온의 양을 조절하고 측정하기 위한 이온 빔 전류 측정기(Amperemeter, A), 이온을 이용하여 표면처리를 하고자 하는 물질을 놓는 시료 집게(sample holder)로 이루어져 있으며, 또한 이온빔의 발생을 쉽게 하기 위한 진공조를 구성하는 진공 펌프장치와 진공도를 측정하는 계기들을 추가로 구비하고 있다.
도 2a는 Al2O3기판에 N2 +이온빔을 1×1016/cm2양 만큼 조사하므로써 이루어지는 본 발명에 의한 반응성 이온 조사에 의하여 Al2O3기판 표면을 표면 처리한 후 XPS(X-ray Photoemission spectroscopy)에 의하여 표면 화학 분석을 한 스펙트럼을 도시하고 있으며, 도면중 396.02 eV 결합에너지 위치에 있는 피크는 기판위에 생성된 AIN중의 질소에 해당하는 피크이며, 398.45 eV에서 나타나는 피크는 표면에 존재하는 알루미늄과 결합하지 않은 질소의 피크를 나타낸다. 괄목할만한 변화는 402.4 eV에 형성된 AlON의 질소 피크로서 질소가 알루미나 기판의 산소와 결합하여 형성된 것이다.
도 2b는 Al2O3의 단결정 기판을 상압 수평 유기화학증착장치에서 1 slm의 질소 유량과 1020℃의 질소가스 분위기 하에서 5분간 질화처리한 후, 표면에 생성된 질화물에 대한 XPS 표면화학분석을 한 스펙트럼을 나타내며, 이 도면에 나타나듯이 397.5 eV에 나타난 질소에 대한 피크로부터 상당한 양의 질소가 표면에 흡착하여 있음을 알수 있으며, 394.23 eV 피크 위치에 있는 질소는 AlN중의 질소로서 질소의 일부가 AlN으로 변한 것을 알 수 있다. 상기 XPS 질소 결합에너지 분석에서 알수 있듯이, 본 발명에 의하여 Al2O3기판을 이온빔 처리하므로써 질소분위기에서 질화처리한 것보다 표면에 더 많은 양의 질화 알루미늄(AlN)을 형성하였으며, 이렇게 표면에 형성된 질화물은 그 위에 형성되는 다른 종류의 질화물 박막형성에 중대한 역할을 할 것이라 생각된다.
도 3은 유기화학 기상증착(Chemical Vapor Deposition)에 의하여 GaN를 형성한 후 이에 대한 이중결정 x-ray회절의 결과로서 GaN(200)방향의 피크인데, 표면 처리하지 않은 기판위에 형성된 GaN는 결정성이 적게 형성된 것을 볼 수 있고, 본 발명을 따르는 이온빔조사에 의한 표면처리를 한 Al2O3기판위에 형성된 GaN는 결정성이 상대적으로 아주 크다는 것을 볼 수 있으며, 이로써, 본 발명에 의하여 표면개질된 기판위에 박막을 성장하면 결정성이 향상된다는 것을 알 수가 있다. 이러한 박막형성된 물질의 결정성 변화는 물성의 변화와도 깊은 연관을 가진다.
도 4는 이러한 물성변화의 일종으로서의 발광 능력을 종래기술에 의한 (GaN)박막과 비교한 것이다. 도 4는 절대온도 10K에서의 발광 능력을 비교한 것으로서 3.4 eV 에너지위치에서 특성 발광 피크가 형성되는데, 약한 피크가 표면개질을 하지 않은 기판위에 형성한 GaN의 발광 정도인데 반하여, 본 발명에 의한 표면개질을 한 기판위에 성장한 GaN의 경우 발광 강도가 훨씬 강한 것을 보여주고 있으며, 반치폭(full width at half maximum)이 감소되므로써 GaN박막의 결정성이 개선됨을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에 의하여 표면개질한 표면위에 성장된 박막의 경우의 물성특성이 표면처리하지 않은 것에 비하여 월등히 우수함을 알 수 있다.
진공 상태하에, 증착시키려는 물질에 따라 선택된 반응성 가스를 산화물 표면에 직접 불어 넣어 주면서, 에너지를 가진 반응성 이온 입자를 이 표면에 조사하여 산화물 표면을 질화물로 표면 개질하면, 그 표면에 생성된 질화물에 대한 XPS 표면화학분석과 특성 발광 실험에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하여 표면 개질된 기판위에 형성된 박막은 표면처리 하지 아니하는 종래기술에 의한 기판상에 형성되는 박막에 비하여 그 결정성등의 물성특성이 월등하게 우수해진다.

Claims (5)

  1. 산화물 기판에 반응성가스를 주입하면서 100∼10000eV의 에너지를 가지는 반응성 N2 +이온빔을 일정량만큼 조사하여 상기 기판 표면을 질화물로 표면 개질하는 기판 표면 전처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화물 기판은 Al2O3기판이고, 상기 반응성 이온빔은 1keV의 에너지를 가지는 N2 +이온빔이며, 상기 표면 개질에 의하여 기판상에 형성되는 질화물은 AlN인 것을 특징으로 하는 기판 표면 전처리 방법.
  3. 산화물 기판에 반응성가스를 주입하면서 100∼10000eV의 에너지를 가지는 반응성 N2 +이온빔을 일정량만큼 조사하여 상기 기판 표면을 질화물로 개질시키는 기판 표면 전처리 단계와,
    상기 표면 개질된 기판상에 증착기법에 의하여 상기 단계에서 표면상에 형성된 중간 질화물과 다른 종류의 질화물 박막을 형성시키는 단계로 이루어지는 박막증착방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 산화물 기판은 Al2O3이고, 상기 반응성 이온빔은 1keV의 에너지를 가지는 N2 +이온빔이며, 상기 표면의 전처리에 의하여 기판상에 형성되는 중간질화물은 AlN, 상기 질화물박막은 GaN박막인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 증착기법은 유기화학 증착기법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 분자선 증착기법(Molecular Beam Epitaxy), 개량플라즈마 CVD 및 열증착, 이온빔스퍼터링, 고주파스퍼터링, 직류스퍼터링과 같은 물리 증기증착기법으로 구성되는 군에서 선택되는 하나의 증착기법인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
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