1. 서론저번에 공부한 증착공정에 이어서 이번에는 기상 증착의 3요소에 대하여 알아보았다. 2. 본론2.1) CVD type별한 요소를 바꿀경우 다른 요소 또한 변화가 발생하며, 이러한 변화를 통해 조화롭게 설정하여야 한다. Plasma-Assisted CVD(PCVD)는 반응물을 plasma 형태로 만들어주거나, 원료 물질에 에너지를 공급해주는 운반체를 plasma로 만들어주는 경우 두 가지 형태가 존재한다. 대부분 운반 기체를 Plasma로 만들어 에너지를 전달해주는 역할을 수행하며, Target reactant가 에너지를 받을 경우 고체에서 기체로 상변이하게 된다. 물리기상증착(PVD)법을 사용할 때도 플라즈마가 적용되는 경우가 있으며, 이는 Sparkling PVD 또는 Sparkling deposition이라 부른다.
고체 무기합성화학강의노트1. 서론이번 의견서를 통해 알아보고자 하는 것은 한 가지 이상의 기체물질을 원료로 사용하여 분말을 합성하는 방법인 기상반응법에 대하여 알아보려고 한다.2. 본론2.1 증착공정증착 : 반도체 기판, 즉 실리콘 기판 위에 박막을 성장시키는 것박막 : 유리, 세라믹 또는 반도체 등의 기판 위에 형성된 매우 얇은 피막박막을 성장시키는 방법은 크게1) CVD2) PVD3) ALD로 나뉜다.1) CVD (chemical vapor deposition) : 화학기상증착법형성하고자 하는 박막재료를 구성하는 원소를 포함하는 가스를 기판위에 공급하여 기상 또는 기판 표면에서의 열분해, 광분해, 산화환원반응, 치환 등의 화학적 반응으로 박막을 기판 표면에서 형성하는 방법이다.CVD는 크게 가스배분장치, 반응기, 펌프장치로 구성된다. CVD는 반응기의 압력, 화학반응의 에너지원, 반응기벽의 온도, 반응온도, 반응기의 형상, 반응원료에 따라 다양하게 분류되어진다. 보통의 CVD 공정에서는, 상온의 반응기체(일반적으로 이송기체에 의해 농도가 낮아진다)가 반응챔버내로 유입된다.[CVD공정에서 사용되는 5가지 기본적인 화학반응]1. 열분해 : 보통 산소없이 열을 이용하여 혼합물을 분해한다.2. 광분해 : 원자와 원자 사이의 결속을 깨뜨리는 에너지로, 복사에너지를 이용하여 혼합물을 분해한다.3. 환원법 : 분자와 수소를 반응시킴으로써 발생하는 화학적 반응4. 산화작용 : 원자 또는 분자를 산소와 반응시키는 화학반응5. 산화환원반응 : 반응물 간의 전자 이동으로 일어나는 반응. 산화와 환원이 동시에 일어난다.[CVD의 반응단계]증착존으로 가스가 이동하여 박막 전구체가 만들어지면, 표면으로 박막 전구체가 흡착되어 표면으로 전구체가 확산되고, 표면반응들 후에 박막이 형성된다.CVD는 원료가스를 분해하는 분해원에 따른 방법들이 있다.1. thermal CVD2. PECVD (Plasma Enhancde CVD)3. APCVD (Atmospheric Pressure CVD)4. LPCVD (Low Pressure CVD)이중 PECVD가 가장 많이 사용되고 있다.CVD의 장점① 저온공정② 불순물의 분포와 농도 조절가능③ 두께 조절가능(수~수십nm)④ 열역학적 평형반응에 가까움⑤ 반응가스 선택 가능⑥ 절연체위에도 증착가능⑦ 대량 생산 가능⑧ Step coverage가 좋음⑨ 기판의 in-situ etching이 가능CVD의 단점① 반응 변수가 많음② 위험한 가스의 사용③ 장치가 복잡2) PVD (Physics Vapor Deposition) 물리적 기상 증착법증착하고자 하는 박막과 같은 재료를 진공 중에서 증발 또는 스퍼터링을 시켜 기판위에 증착시키는 기술증착기법으로는 열증발법, 전자빔증발법, 스퍼터링법으로 나눌 수 있다.※ 이 기법은 진공상태에서 진행해야 한다. 진공상태가 아니라면 위에 떠다니는 먼지나 다른 입자들도 박막과정에 증착될 수 있기 때문스퍼터링1. 열증발법 : 증착시키고자 하는 물질을 보트에 올려두고 보트를 가열함으로써 증착물질을 증발시켜 기판에 증착하는 방식이다. 기본적으로 단원소 물질을 증착하고자 할 때 주로 사용된다.2. 전자빔증발법 : 열증발법과 거의 동일한 방식으로 물질을 증착시킨다. 차이점은 보트의 가열에 의한 열전달이 아니라 전자빔을 이용하여 증착물질을 가열하고 증발시킨다는 점이다.3. 스퍼터링법 : 높은 에너지의 입자를 타겟(증착하고자 하는 물질)에 조사하였을 때, 타겟의 구성원자가 타겟표면에서 방출되는 현상을 이용항 타겟의 물질을 증착한다.플라즈마 발생에 의해서 타겟으로 입사되는 아르곤이온이 발생되며, 이 아르곤 이온이 타겟과 충돌하여 타겟 내부의 원자와 충돌함으로써 타겟으로부터 외부로 타겟 원자가 방출된다.이 원자가 기판으로 전달되어 막이 증착되게 된다.[CVD와 PVD의 비교]CVDPVD정의반응기체의 화학적 반응에 의해기판에 증착하는 방법물리적인 힘에 의해 대상물질을기판에 증착하는 방법장점좋은 피복성을 가지고 있다.(우수한 투습방지 효과)메커니즘이 단순하며, 안전한 공정을 구현 가능하고 저온공정이다.단점상대적인 고온공정과, 공정 중 발생되는 파티클 문제, 장비가 복잡하다.박막의 치밀성 및 접합성이 떨어진다. 단일층으로 재료보호 성능이 떨어진다. (투습특성 매우부족)3) ALD(Atomic Layer Deposition)기존의 PVD와 CVD방식은 박막의 벽과 바닥의 증착막 두께가 달라지는 박막도포성이 상대적으로 낮아, 기판 표면에 존재하는 마이크로미터 이하 크기의 파티클 등을 충분히 도포하지 못했다. 따라서 이러한 한계점을 극복하기위해 등장하였다.ALD는 원자층 증착법이라고도 불린다.ALD 금속이 포함된 원료와 반응가스를 교차하여 주입함으로써 박막을 성장시키는 방법이다. 원료와 가스를 반응시켜 원자단위 박막을 성장시키고, 이를 되풀이하여 박막 두께를 조절한다.* 참조 : Xiao-hong zhang. (2007). High-Performance Pentacene Field-Effect Transistors Using Al2O3 Gate Dielectrics Prepared by Atomic Layer Deposition (ALD). Organic Electronics, 8(6), 718?726. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.orgel.2007.06.009위의 사진은 ALD기술을 이용하여 진행한 연구논문에서 발췌한 것이다. 이러한 증착기술을 통해 전기적 성능을 개선시키고 높은 성능의 Pentacene OFET를 합성시키게 되었다는 연구를 발견하게 되었다.+）Pentacene OFET란유기 반도체 소재로 만들어진 유기 필드 효과 트랜지스터(Organic Field-Effect Transistor)이다. 이러한 트랜지스터는 전기적 신호를 조절하는 데 사용되며 주로 유기 반도체 소자로 구성된다. Pentacene OFET는 펜타신을 활용하여 만들어지며, 펜타신은 고성능 유기 반도체 소재 중 하나로, 전기 전송 특성이 우수하고, 박막 트랜지스터를 포함한 다양한 전자 소자에서 사용된다. 이러한 OFET는 반도체 기반 전자 기기 및 플렉서블 전자 기기 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다.[ALD의 장점]1. 박막의 두께가 자유롭게 조정이 가능하여 박막을 매우 얇게 만들 수 있다.2. 매우 우수한 흡착력을 가지고 있다.3. 다양한 조성이 원자층 수준에서 쉽게 조절이 가능하여 증창시 조성농도 변화도 유도가 가능하여 기존의 재료 선택 한계가 극복 가능하다.4. 플라스틱 기반을 가지고 있는 기판에 대해 우수한 도포성과 낮은 공정온도를 가지고 있어 Flexible Display에 실용화 가능성 높일 수 있다.최근 투명하고 휘어지는 디스플레이 수요가 증가하면서 OLED기반의 투명유연유연소자에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다고 한다. ALD는 속도 및 비용, 온도나 챔퍼 크기 등에 많은 제약을 받기 때문에 아직 상용화되지는 못했지만, 플렉시블 디스플레이의 상용화와 함께 더 발전될 것이라고 예상된다.4) 하이브리드 물리-화학 기상증착(HPCVD)실질적으로 물리기상증착 후 화학기상증착을 진행한다는 표현이 더 맞다고 생각한다. 예를 들어 SiC라는 생성물이 기상반응을 통해 생성되기 어려울 때, substrate 표면에 Si를 먼저 코팅시키는 물리기상증착 과정을 거친 뒤, 완전히 실리콘이 금속 substrate 표면에 코팅된 상태에서 다양한 탄소 공급원을 기화시켜 증착기 내부로 공급해주면 탄소가 기반+Si coating된 표면에서 화학기상증착이 발생하여 SiC가 결과적으로 substrate의 표면에 코팅되는 결과를 얻을 수 있다.+) 운반체의 경우 불활성 기체를 사용하거나, Feed 내의 물질과 반응하여 반응에 필요한 반응물을 화학반응을 통해 내놓는 경우에도 사용한다. 이러한 운반체(Carrier gas)의 대표적 예시로 Argon, Helium, Hydrogen이 있으며, 각각의 운반체는 각기 다른 모멘텀과 열확산도, 물질확산 등의 다양한 특성이 있기 때문에 반응물의 성질과 운반체의 상호작용을 고려하여 선정해야 한다. 높은 열확산도, 빠른 분자속도를 가진 헬륨과 같은 운반체는 반응기 바깥으로 나가는 중간체 형성에 유리하기 때문에 증착속도를 낮추는 효과를 가진다. 입자 크기나 화학적 조성, 전기적 저항성에 대한 운반체의 영향은 여러 실험으로부터 발견할 수 있었다.
