MoS2을 합성하기 위한 다양한 성장 방법 중 화학기상증착법 (Chemical Vapor Deposition: CVD)은 원료가 되는 가스를 주입하여 에너지 (열/ 플라즈마) 를 통해 화학반응을 일으켜 만들어진 생성물이 기판 표면에 쌓여서 얇은 막을 형성시키도록 하는 방법이다. 이는 고품질의 박막을 얻을 수 있고 균일하고 크기 제어가 가능하도록 제작할 수 있어 추후 플렉시블 기기에 적용하기 위한 TFT 소자로서 MoS2 박막을 효과적으로 성장시킬 수 있다.
화학기상증착법으로 MoS2를 성장시키는 방법은 석영 (quartz)으로 만들어진 챔버 (Chamber)에서 고온으로 Mo와 S를 합성하여 MoS2를 성장시킬 수 있다.
그림 3.1.3은 CVD를 통해 MoS2 박막을 성장시키는 여러 가지 방법들이 제시되
어있다. Molybdenum Trioxide (MoO3)와 Sulfur를 합성하기 위해 기판을 MoO3
와 Sulfur를 나란히 두는 방법이 있고 (그림 3.1.3 (a)), 위치에 따라 나뉘는 down-stram (그림 3.1.3 (b)), up-stram (그림 3.1.3 (c)) 방법도 있다. 또 한 가 지의 방법은 원하는 기판에 e-beam evaporation 방법을 사용하여 먼저 Mo 필름 을 증착시키고 CVD 방법으로 Sulfur와 Mo 필름을 합성시켜 황화 (sulfurization) 시키는 방법이 있다. (그림 3.1.3 (d))
그림 3.1.3 CVD를 통해 MoS2 박막을 성장시키는 여러 가지 방법
본 실험에서는 e-beam evaporation으로 Mo 필름을 사파이어 기판에 증착 한 뒤 CVD로 황화시키는 방법으로 MoS2 박막을 성장시켰다. 이 방법은 Mo 필름을 리소그래피 (Lithography) 방법을 이용해 패터닝 (patterning)하 여 MoS2 박막의 성장 위치 제어는 물론이고 이를 이용해 MoS2 배열구조를 제작하여 TFT 소자에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
Mo를 패터닝 없이 기판 전체 면적에 증착한 후 성장시키면 위치에 따라 두께 가 다르게 성장이 되며, 무분별한 위치에 성장이 되기 때문에 도메인 모양, 크기 및 성장 위치를 제어할 수 없다. 따라서 TFT 소자에 적용하기에는 어려움이 있
다. 이를 해결하기 위해, 성장 위치 및 크기, 모양을 제어할 수 있는 리소그래피 (Lithiography) 공정을 이용하여 사파이어 기판에 Molybdenum을 패터닝 해서 실험을 진행하였다. [30-31] 그림 3.1.4는 Molybdenum을 리소그래피 공정으로 패터닝 한 후 CVD 공정으로 sulfurization 하여 MoS2 박막을 성장하는 과정의 모식도이다. 사파이어 기판에 Spin Coater 장비로 Negative PR을 증착하고 PR 을 건조하기 위해 Soft Bake를 진행하였다. 그런 다음 Mask aligner 장비를 이 용하여 UV에 노광시킨 후 Post-Exposure Bake를 진행한 뒤 Developer 용액을 통해 PR을 제거했다. 리소그래피 과정이 끝난 후 E-beam evaporation 장비를 사용하여 Molybdenum을 1nm의 두께만큼 증착했고, Acetone 용액을 이용하여 Photo Resist 제거를 위해 Lift-off 과정을 진행하였다.
그림 3.1.4 Molybdenum 패터닝 및 CVD 성장 과정 모식도
그림 3.1.5 MoS2 성장을 위한 CVD 개략도
Mo가 패터닝 된 Sapphire 기판을 CVD챔버 중앙에 두고 sulfurization을 위해 Sulfur 파우더를 세라믹 도가니에 0.8g 넣어 챔버 외곽에 있는 Cold-Zone에 위치시켰 다. 챔버 내부를 고진공 상태로 만들고 불활성 가스 아르곤 (Argon: Ar)을 100sccm 세기로 주입했고 sulfur가 일정 비율로 flow 하기 위한 환경을 조성해 주었다. 챔버 내부의 압력을 설정한 후 680℃까지 온도를 올려주어 열을 가해주었고 일정한 성장 시간을 유지하여 MoS2 박막을 성장하였다. 그림 3.1.5는 MoS2 박막 성장을 위한 CVD 개략도이다.
그림 3.1.6 CVD를 통해 성장 된 MoS2의 (a) Optical 및 (b) SEM 이미지
그림 3.1.6은 성장 된 MoS2 박막의 광학 현미경 이미지 및 SEM 이미지이다.
Molybdenum을 패터닝 하여 성장시킨 MoS2는 패터닝 한 위치에 필름 형태로 성장 한 것을 확인할 수 있다. 이는 배열구조로 TFT에 적용하기 위해 원하는 모양과 크 기를 제어해 성장시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.