무결점 박막 제조의 단초 - 송도 접착/코팅 전시회

[아이팍스]

무결점 박막 제조의 단초

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2010-01-22

전자 디바이스에서 반도체 박막을 제조하기 위해 원자 층은 거의 완벽한 결정 시트로 성장되어야만 한다. 그러나, 몇몇 물질은 매끈한 결정을 성장시키지만 대부분의 경우 박막 제조에서 심각한 문제로 고려되는 결함(defect)을 형성하게 된다.

최근 코넬대 연구진은 Science에 원자가 박막으로 어떻게 자체적으로 정렬되는지에 대한 연구 결과를 보고하였다. 그들은 원자보다 크지만, 원자와 같은 거동을 하기에 충분히 작은 입자를 이용하여 층간 결정 성장(layer-by-layer crystalline growth) 조건을 재구성하였다.

입자는 크고 충분히 느리게 움직이기 때문에 어떻게 거동하는지를 실시간으로 관찰할 수 있다. 연구진은 광학 현미경을 이용하여 유체에 현탁된 마이크로 크기의 실리카 입자가 어떻게 결정으로 형성되는지를 정확히 관찰할 수 있었다. 또한 그들은 한번에 입자 하나씩을 제어할 수 있었는데, 이를 통해 매끄러운 결정 성장을 유도할 수 있는 조건을 테스트할 수 있었다. 결론적으로 그들은 입자의 임의 거동이 결정 성장에 있어 가장 중요한 인자라는 것을 알 수 있었다.

원자로 박막을 성장시키는데 있어 주된 문제는 원자는 얇은 시트로 결정화되기 보다는 둔덕을 형성한다는 점이다. 원자가 매질에 증착됨에 따라 섬(islands)으로 불리는 작은 결정을 초기에 형성하기 때문에 위와 같은 현상이 발생한다. 보다 많은 원자가 결정 상부에 적층되면 원자는 가장자리(dge)로 이동하기 보단 섬의 상부에 머무르는 경향이 발생한다. 이는 거친 지점을 형성하여 완벽한 박막 형성을 불가능하게 만드는 원인이다.

기존 이론에 따르면 섬의 상부에 위치한 원자는 가장자리로 굴러 떨어지지 않도록 다른 원자로부터 당김 에너지를 느낀다고 말한다. 콜로이드 시스템에선 입자 사이의 결합을 짧게 만듦으로써 이러한 당김을 제거할 수 있다. 그러나, 입자는 여전히 섬의 가장자리에 위치하지 못하게 된다. 개개 입자를 조절할 수 있는 광학 집게를 이용한 추가 분석을 통해 연구진은 입자가 결정 섬을 이동하는데 얼마만큼의 시간이 소요되는지를 측정하였다. 입자는 유체에 현탁되어 있기 때문에, 임의 거동과 같은 브라운 운동(Brownian motion)을 하게 된다.

입자는 한 지점에서 다른 곳으로 이동 확산되기 때문에, 섬의 가장자리로 이동하는 입자간의 거리는 섬 위의 한 지점에서 다른 곳으로 이동할 때보다 3배 정도 길다고 연구진은 말한다. 브라운 거동에서 입자는 위와 같은 거리를 거쳐야 하기 때문에 가장자리로 이동하기 위해선 9배나 큰 시간이 소요된다. 이러한 시간 차이는 섬 가장자리에 장벽이 여전히 존재하는 것에 대한 이유이다.

포논(phonons)으로 불리는 하부의 결정 진동은 입자를 밀어내는 경향이 있기 때문에 결정 박막에서 원자는 브라운 입자와 유사한 방식으로 움직이게 된다. 원자간의 결합뿐 아니라 이와 같은 임의 거동은 결정 가장자리의 장벽에 기여하기 때문에 결정 박막에서 거침이 발생한다는 것을 알 수 있었다.

연구진이 밝혀낸 원리가 원자 수준에 적용될 수 있다면 과학자들은 컴퓨터 및 휴대폰의 전자 소자 제조에 사용되는 박막 성장을 보다 원활하게 조절할 수 있을 것으로 예상된다.

[그림]
1. 시간에 따라 상이한 지점에서 측정된 섬 성장 실험 과정.
2. 결정 섬 위와 근처에서 확산되는 원자 모식도. 녹색 입자는 가장자리에서 장벽을 만남. 오렌지 색의 입자는 위치를 이동하면서 보다 작은 장벽을 만나게 됨. 1은 깨어진 결합을, 2는 형성될 결합을 의미함. 가장자리 근처에서 원자는 결합을 형성할 수 있는 이웃을 만나지 못함.

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http://www.physorg.com/news183304231.html