[논문]CVD를 이용한 실리콘 나노와이어 성장

장준형; 윤동화

CVD를 이용한 실리콘 나노와이어 성장
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장준형 (고려대학교 화공생명공학과) , 윤동화 (고려대학교 화공생명공학과)

이 실험은 간단한 가열로(heating furnace)를 이용 thermal CVD(chemical Chemical Depositin) 방법을 사용하여, 촉매를 사용하지 않고 실리콘 나노와이어(Si nanowire)를 합성하는 방법에 대해서 연구한 것이다. 굴곡도(roughness)가 큰 알루미나(($Al_{2}O_{3}$) 기판을 사용하여 금(Au)과 같은 촉매를 사용하지 않고 실리콘 나노와이어를 성장시켜 대략 20nm 전후의 지름을 가진 실리콘 나노와이어를 성장시킬 수 있었다. 이 방법은 금을 촉매로 이용하는 방법에 비하여 기판위에 증착되어 성장된 실리콘 나노와이어가 직전성을 가지지 못하고 꼬여있어서 나노와 이어의 분산 과저에서 어려움이 존재하지만 촉매를 사용하지 않기 때문에 성장된 나노와이어에서 촉매를 제거해야하는 어려움을 생략할 수 있고, 기판 위에 촉매를 seeding 하는 작업을 거치지 않고도 20nm 정도의 실리콘 나노와이어를 성장시킬 수 있는 간단한 방법이다.

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문제 정의

본 연구에서는 간단한 가열로(Heating furnace)를 이용, Thermal CVD 방법으로 촉매를 이용하지 않고 붕소(B)가 도핑된 실리콘 나노와이어를 성장시켜 보았다.

제안 방법

본 연구에서는 가열로(Heating furnace)를 이용, Thermal CVD 방법으로 촉매를 사용하지 않고 직접 알루미나(Al2O₃) 기판위에 붕 소(B)가 도핑된 실리콘 나노와이어를 성장시켜 보았다.
우선 처음에 SiO의 증발온도가 1100 ~ 1400C임을 알고 SiO + BO 의 투입량을 0.25g 이며초기 가열로의 온도를 1200C 성장 시간(1200C까지 온도 증가 이후 유지시간)을 30분, 60분, 90분, 120분으로 각각 설정하였다.

성능/효과

각각의 경우에 성장된 실리콘 나노와이어의 굵기는 대략 20nm 전후로 큰 차이를 보이지 않았지만, 성장시간이 증가할수록 기판위에 성장된 실리콘 나노와이어의 서로 꼬여있는 정도가 더욱 심해지는 것을 관찰할 수 있었고, 이렇게 성장된 실리콘 나노와이어를 에탄올 상에 분산 (dispersion)시켜서 직선 형태상의 나노와이어를 얻고자 할 경우 꼬여있는 실리콘 나노와이어를 풀어주기 위하여 분산과정의 시간이 더욱 길어지게 되었다.
가진다. 따라서 이런 거친 표면이 일반적인 촉매를 이용할 때의 금입자가 seed의 역할을 하는 것과 마찬가지로 알루미나 표면의 거친 입자들이 seed 의 역할을 할 것으로 예상 선택하였고 실제 매끈한 표면을 가진 실리콘 기판(Si wafer)을 이용하여 실리콘 나노와이어를 성장시켰을 경우 성장이 잘 되지 않는 것을 관찰할 수 있었다.
시간이 증가함에 따라 성장된 실리콘 나노와이어의 색깔이 점차 회색으로 변하는 것을 관찰한 후 성장 온도가 1400℃로 높인 이후 성장 시간을 4시간으로 하여 와이어를 성장시켜 보았더니 성장된 와이어의 층이 더욱 두꺼워짐과 동시에 성장된 실리콘 나노와이어의 색깔이 거의 순수한 실리콘 나노와이어의 색깔인 회색으로 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.
이번 연구에서는 단지 붕소(B)가 도핑된 실리콘 나노와이어를 성장 시켜 보는 것에 만족하였지만, 이번 연구를 통하여 알루미나(Al2O₃) 기판 위에 나노와이어를 성장시키는데 있어서 단지 원료로 사용되어진 SiO와 BO의 증발온도인 11001 보다 더 높은 충분한 온도를 가하고, 2시간 이상 정도의 충분한 시간 동안 가열해줄 경우 실리콘 나노와이어의 색깔이 SiO의 색깔일 암갈색이 아닌 순수한 실리콘의 색깔인 회색에 가깝게 나타났고 이는 높은 온도와 오랜 시간동안 성장을 진행시킬 경우 무한정 주입되는 수소(H2)에 의하여 SiO와 BO에 포함된 산소(O)가 반응하여 수증기를 생성 산소가 제거되게 되어 보론이 도핑된 순수한 실리콘 나노와이어가 얻어질 것으로 생각되어진다.
하지만 이 실험과정을 통하여 의문점이 하나 생기게 되었는데, 각각의 경우 투입된 원료가 모두 소비되었지만 성장시간이 길어짐에 따라 기판 위에 성장된 실리콘 나노와이어 층의 두께가 점차 증가하는 것을 육안을 통해서 관찰할 수 있을 정도였고, 시간의 증가에 따라 원래 원료인 SiO의 색깔인 암갈색에서 순수한 Si의 색깔에 가까운 회색에 가깝게 성장된 나노와이어의 색깔이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다.

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