KR100878281B1 - 나노 제조 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 3차원 나노구조의 신속하고 신뢰성 있는 제조 방법이 제공된다. 본 발명에서는 잘 정렬된 다중 레벨 나노구조를 생성하기 위한 간단한 방법이 기술되며, 이러한 방법은 조사 소스(radiation source)에 대한 선택적 노출로 블록 코폴리머 템플릿을 패터닝함으로써 달성된다. 다중 레벨을 갖는 3차원 집적 나노크기의 매체, 장치 및 시스템을 생성하기 위해 다중 크기의 최종 리소그래픽 템플릿의 처리가 후 제조 공정(post-fabrication) 단계와 함께 행해질 수 있다.
나노 구조, 제조 방법, 조사 소스, 블록 코폴리머, 탬블릿, 리소그래피

Description

나노 제조{NANOFABRICATION}
본 발명은 나노 범위 구조의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 표면 상의 기능화된 나노 범위 구조에 관한 것이다.
유용한 나노 크기 장치의 제조는 용이하지 않다. 다공성 산화 알루미늄 (상표명 AnoporeTM), 이온-추적-에칭 마이카(ion-track-etched mica)에 기초한 접근 방법 및 기타 다른 접근 방법이 시도되어 왔다. 이러한 접근 방법의 예는 Electroanalytical Chemistry, A.J. Bard 및 I. Rubinstein, Eds., 21, (1999), 1-74에 실린 Mitchell 등의 "Template-Synthesized Nanomaterials in Electrochemistry"; J. App. Phys., 86, (1999), 5141에 실린 Strijkers 등의 "Structure and Mangetization of Arrays of Electrodeposited Co Wires in Anodic Alumina"; Chem. Mater., 12, (2000), 2068-2069에 실린 Han 등의 "Preparation of Noble Metal Nanowires Using Hexagonal Mesoporous Silica SBA-15"; Science, 261, (1993), 1316에 실린 Whitney 등의 "Fabrication and Magnetic Properties of Arrays of Metallic Nanowires"; "Nanopost arrays and process for making same"이란 발명의 명칭으로 Tonucci 등에게 부여된 미국 특허 제 6,185,961호; "Arrays of semi-metallic bismuth nanowires and fabrication techniques therefor"란 발 명의 명칭으로 Chien 등에게 부여된 미국 특허 제 6,187, 165호에 개시되어 있다. 이들 접근 방법에 따른 재료는 측방향에서 패터닝하고/패터닝하거나 집적하는 것이 매우 어렵거나 불가능하다. 준비가 가능한 기타 다른 장치는 "Method for creating and testing a combinatorial array employing individually addressable electrodes"란 발명의 명칭으로 Warren 등에게 부여된 미국 특허 제 6,187,164호에 개시된 바와 같이 그 크기가 큰 것이다.
최근, 삼성과 히타치와 같은 회사들이 표준형(prototype) 전계 방출 (field emission: FE) 디스플레이를 제조하는데 전계 방출 소스로서 탄소 나노튜브를 사용하고 있다. 탄소 나노 튜브 재료에 기초한 FE 장치는 App. Phys. Lett., 78, (2001) 1294에 실린 Wang 등의 "Flat panel display prototype using gated carbon nanotube field emitters"에 개시되어 있다. 이러한 FE 장치는 수용가능한 가능한 전계 방출을 제공하지만, 그 제조가 어렵다.
App. Phys. Lett., 78, (2001), 990에 실린 Lohau 등의 "Writing and reading perpendicular magnetic recording media patterned by a focused ion beam" 및 pp. Phys. Lett., 78, (2001), 784에 실린 Koike 등의 "Magnetic block array for patterned magnetic media"에 개시된 순차 기록 공정(serial writing processes)이 자기 매체를 패터닝하는데 사용될 수 있다. 상기 Lohau 등에 기술된 바와 같이, IBM의 Almaden 리서치 센터의 연구자들은 100Gb/in2 기억 밀도를 갖는 패터닝된 매체를 만들어내는 제조 기법을 사용하였다. 이 기법은 미립상의 Co70Cr18Pt12 필름 매체 내에 트렌치를 형성하기 위해 집속된 Ga+ 이온빔을 사용하 였다. 상술한 순차 기록 공정은 느려서 높은 처리량의 제조에는 그다지 적합하지 않다.
열전(thermoelectric: TE) 냉각 장치의 효율성은 지난 40여년간 크게 증가되지 않고 있으며, 현재 최상의 재료로 이루어진 성능 계수(ZT)는 1 미만이다. Bi 및 Bi2Te3와 같은 반금속 재료가 최고의 ZT 값을 가지며, 현재 말로우(Marlow) 및 멜코(Melcor)와 같은 회사들에 의해 제조되는 상업적 TE 제품의 제조에 사용되고 있다.
나노 범위 어레이를 측방향에서 패터닝함으로써, 3차원 나노구조의 신속하고 신뢰성 있는 제조 방법이 제공된다. 잘 정렬된 다중 레벨 나노구조를 생성하기 위한 간단한 방법이 본 발명에서 기술되며, 이러한 방법은 조사 소스(radiation source)에 대한 선택적 노출로 블록 코폴리머 템플릿(block copolymer template)을 패터닝함으로써 달성된다. 다중 레벨을 갖는 3차원 집적 나노크기의 매체, 장치 및 시스템을 생성하기 위해 다중 크기의 최종 리소그래픽 템플릿의 처리가 후 제조 공정(post-fabrication) 단계와 함께 행해질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 본 발명은 측방향으로 패터닝된 어레이를 제조하는(preparing) 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 도전성 또는 반도전성 기반(예를 들어, 금과 같은 금속)의 일부를 블록 코폴리머 필름(예를 들어, 메틸메타크릴레이트 및 스티렌으로 이루어진 블록 코폴리머)으로 코팅하는 단계; 복합 구조를 형성하도록 상기 코폴리머의 상부에 도전층을 위치시키는 단계; 제2 성분의 영 역 내에 나노 범위 구멍을 형성하도록 상기 복합 구조의 일부로부터 제1 성분의 일부를 제거하는 단계; 상기 제2 성분을 가교시키는 단계; 및 상기 나노 범위 구멍의 일부를 소정 재료로 적어도 부분적으로 충전하는 단계를 포함하며, 상기 코폴리머의 하나의 성분은 상기 코폴리머의 다른 성분과 매트릭스 형태로 나노 범위 실린더를 형성한다.
기판은 리소그래피 방법으로 패터닝될 수 있는 도전성 또는 반도전성 영역을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제 1 성분은 상기 기판의 도전성 부분에 적어도 부분적으로 겹치는 상기 기판의 일부로부터 제거될 수 있다. 기판은 예를 들어 적어도 1시간 동안 전계로 가열하여 수직으로 배향될 수 있다. 제 1 성분 중의 일부는 상기 복합 구조의 일부를 자외선 조사, 전자빔, 또는 오존에 노출시킴으로써 제거될 수 있다. 제 1 성분의 일부는 해당 성분을 열화시키고, 상기 복합 구조의 일부를 열화된 성분을 선택적으로 제거하는 약품(agent)으로 처리함으로써 제거될 수 있다. 나노 범위 구멍의 일부는 전기화학적 퇴적(deposition)으로 충전될 수 있다. 나노 범위 구멍 중 일부와 제 2 성분의 표면은 소정 재료로 충전시키기 전에 표면활성제에 침적될 수 있다. 전류를 제어하여 상기 구멍 내에 퇴적된 재료의 양을 결정할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 본 명세서에 개시되는 방법에 의해 제조되는 어레이를 제공할 수 있다. 본 발명의 어레이는 기판, 상기 기판 상의 폴리머 필름; 및 상기 기판에 수직으로 배열된, 필름 형태로 된 적어도 한 세트의 평행한 금속(예를 들어, 금, 구리 또는 니켈) 또는 반금속 실린더를 포함할 수 있다. 실린더는 코발트 또는 니켈과 같은 자성 재료를 포함할 수 있다. 자기 어레이(magnetic array)는 자기 기록 매체 또는 자기저항 장치 또는 거대 자기저항 장치를 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 전계 방출 장치를 제조기 위해, 상기 어레이에 비자성 금속이 사용될 수 있다. 이러한 어레이의 일부 실시예에서, 적어도 한 세트의 실린더는 n형 재료를 포함하고 적어도 또 다른 세트의 실린더는 p형 재료를 포함한다. 이러한 어레이는 열전 냉각기를 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 실린더는 또한 자선 및 비자성 재료로 이루어지는 교대층(alternating layers)을 포함하는데, 여기서 상기 교대층은 실린더의 길이를 따라 실질적으로 규칙적인 교대가 이루어져야 할 필요는 없다. 이러한 어레이에서, 실린더 세트는 원이나 삼각형과 같이 실질적으로 규칙적인 기하학적 형태로 구성될 수 있다. 물론, 본 명세서에 개시된 장치에서는 불규칙한 형태도 또한 적용될 수 있다. 이러한 어레이 중 일부에서는, 한가지 타입의 실린더가 소정의 자화 방향을 가지며, 또 다른 타입의 실린더가 반대 자화 방향을 갖는다. 일부 실시예에서는, 적어도 한 세트의 실린더가 예를 들어 상기 필름의 상부에서 도전성 접촉에 의해 또 다른 세트의 실린더와 전기적 접촉을 이룬다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "수직으로 배향된(vertically-oriented)"이라는 용어는 코폴리머 필름을 지칭하는 경우 상기 필름이 연관되는 표면에 실질적으로 수직하거나 또는 상기 필름 표면 자체에 실질적으로 수직한 구멍의 축을 갖는 실린더형 구멍을 구비한 필름을 의미한다. 새로운 재료는 실린더가, 예를 들어 평행한, 실질적으로 동일한 방향으로 배향되는 한, 수직으로 배향된 또 는 수직과 소정 각도로 배향된 실린더형 구멍을 가질 수 있다. 이들 실린더는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 직경 단면이 원형을 가질 수 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "나노 크기(nanoscale)"이라는 용어는 본 명세서에 기술된 코폴리머 분자의 자기 조립(self-assembly) 방법을 사용하여 얻어지는 어레이의, 예를 들어, 특정 사이즈 범위 지칭한다. 예를 들어, 구멍 직경, 와이어 직경, 와이어 길이, 및 어레이의 주기는 나노 크기 범위 내, 즉 약 1 나노미터에서 1000 나노미터 이상까지의 범위 내에 있을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "나노 와이어(nano wire)"라는 용어는 어레이 구멍 내에 형성되는 나노 크기 재료를 지칭한다. 이 용어는 재료의 종횡비가 높을 값을 가질 필요가 있다는 것을 암시하는 것은 아니며, 일부 실시예에 있어서, 어레이에 퇴적될 재료가 낮은 종횡비를 가질 수 있다. "나노 와이어"는 또한 반드시 전기적으로 도전성일 필요는 없지만 나노 어레이 내에 존재하는 경우 유용한 재료를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "다중 레벨(multilevel)"이라는 용어는 다중의, 독립적인 리소그래피 레벨에 의해 구성될 수 있는 구조를 지칭하는데, 그 중 적어도 한 레벨은 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름(diblock copolymer film)으로 생성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "다중층(multilayer)"이라는 용어는 하나 이상의 재료를 포함하는 단일 리소그래피층 내의 구조 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "와이어"라는 용어는 폭과 길이를 갖는 도전성 재료를 지칭하는데, 그 종횡비(즉, 폭에 대한 길이의 비율)는 적어도 2:1이다. 이 용어는 낮은 종횡비를 갖는 도전성 재료를 지칭하는 "도트(dot)"라는 용어와는 구별된다.
달리 정의되지 않는 경우, 본 명세서에 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 통상적으로 이해할 수 있는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기술된 방법 및 재료와 균등하거나 유사한 방법 및 재료가 본 발명을 실시하거나 테스트하는데 사용될 수 있지만, 적절한 방법 및 재료가 이하에서 기술된다. 본 명세서에서 언급되는 모든 간행물, 특허출원, 특허, 및 기타 참조 자료는 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다. 불일치가 있는 경우, 용어 정의를 포함하여 본 발명의 명세서에 따른다. 또한, 재료, 방법, 및 실시에는 단지 예시에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 기술되는 기법과 시스템은 많은 잇점을 포함한다. 예를 들어, 새로운 필름 내에 극도로 높은 밀도로 인해 자기 실린더(magnetic cylinder)가 차세대 자기 데이터 기억 응용 장치에 대해 본 발명의 시스템을 사용할 수 있는데, 가능한 데이터 기억 밀도는 1000Gbit/in2를 초과한다. 예를 들어 금과 같은 금속 필름 상에서 자성 금속의 잘 제어된 사이즈 및 이격 거리는 또한 차세대 거대 자기 저항 자계 감지 장치를 설계하는 수단을 제공한다.
본 발명의 공정은 병렬적인, 증감이 가능하여(scalable), 순차 기록에 기초한 나노 제조 기법에서 겪게 되는 속도 제한에 얽매이지 않는다. 본 발명의 기법은 간단하고, 신속하며, 비용 절약이 가능하다는 점에서 제조하기가 쉽다. 본 발 명의 기법은 산업계에서 쉽게 채택할 수 있으며, 다른 제조 공정과 호환가능하다.
본 명세서에 기술되는 기법은 코폴리머 템플릿을 자기 조립함으로써 나노 제조의 일반적인 용도를 상당히 증진시킨다. 나노 제조 기법은 간단하고, 신속하며, 비용 절약이 가능하다는 점에서 제조하기가 쉽다. 본 발명의 나노 제조 기법은 산업계에서 쉽게 채택할 수 있으며, 다른 산업의 미세 제조 공정과 호환가능하다. 예를 들어, 측방향 패터닝은 칩상의 전자회로 제조에 본 발명 시스템의 사용 가능성을 제공한다. 칩 내에 나조 구조를 집적하고, 상기 나노 구조를 임의 위치에서 다른 칩 소자(elements)와 인터페이스 하는 것이 본 명세서에 기술되는 방법을 통해 가능하다.
예를 들어, 본 발명의 3차원 구조는 전자적 전계 방출 어레이(electronic field-emission array)를 설계하는 수단을 제공한다. 이러한 어레이는 현재 입수 가능한 평판 패널 디스플레이보다 더 밝고, 더 높은 해상도를 가지며, 값이 더 싸고, 두께가 더 얇으며, 더 유연한 평판 패널 디스플레이에 사용될 수 있다. 트랜지스터형 장치(transistor-like device), 스핀 극성 전자 방출기(spin-polarized electron emitter), 및 전계 방출에 기초한 기타 기지의 장치와 같은 기타 다른 전계 방출 전자 장치(field emission electron device)가 사용 가능하다.
예를 들어, 3차원 구조는 또한 다단 냉각(multistage cooling)을 갖는 냉각 장치를 포함하여 고체상태의 열전 냉각 장치를 설계하는 수단을 제공한다. 기타 응용 장치로는, 예를 들어, 자기저항 센서, 고용량 자기 데이터 기억장치, 스마트 매체, 스핀 공학(spintronics), 화학 감지 장치, 분자생물학적 진단 센서 어레이, 설계자(designer) "미세저항(micromagnetic)" media, 및 분자 전자공학(molecular electronics)이 포함된다.
도 1은 나노 다공성 어레이를 생성하는데 사용되며, 후속적으로 나노 와이어 어레이를 생성하는데 사용될 수 있는 노출 공정의 개략도이다.
도 2a는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름을 생성하는데 사용될 수 있는 선택적 노출 공정을 측면에서 본 개략도이다.
도 2b는 측방향으로 패터닝된(여기서는 삼각형 형상) 이중 블록 코폴리머 필름을 생성하는데 사용될 수 있는 선택적 노출 공정을 평면에서 본 개략도이다.
도 3은 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름을 생성하고, 후속적으로 측방향으로 패터닝된 나노 구조(여기서는 삼각형 형상의 나노 구조)를 생성하는데 사용될 수 있는 선택적 노출 공정의 개략도이다.
도 4는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 다중 레벨 나노 구조의 사시도이다.
도 5는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 다중 레벨 나노 구조의 평면도이다.
도 6은 2 세트의 나노 와이어를 포함하는, 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 전계 방출 어레이의 사시도이다.
도 7은 개별적으로 어드레스 가능한 4 세트의 나노 와이어를 포함하는, 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 전계 방출 어레이의 평면도이다.
도 8 A는 표면을 덮는 수직으로 배향된 이중 블록 코폴리머 필름을 구비한 전극 패턴을 보여주는 샘플의 광학적 이미지(5배)의 평면도이다.
도 8 B는 나노 구멍을 형성하도록 전자빔 패터닝하고 코폴리머 성분을 제거한 후의 도 8 A로부터의 샘플의 광학적 이미지(5배)의 평면도이다.
도 8 C는 나노 와이어가 샘플 상에 전착(electrodeposition)된 후에 도 8 (B)로부터의 샘플의 광학적 이미지(5배)의 평면도이다.
도 8 D는 도 8 C로부터의 샘플의 광학적 이미지(5배)의 확대 평면도이다.
도 9는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 단일 단계 열전 냉각기의 사시도이다.
도 10은 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 4개 와이어를 구비한, 거대 자기저항 (GMR) 장치의 사시도이다.
도 11a는 나노 와이어 전착 전에 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 4개 와이어를 구비한, 자기저항 장치의 광학적 이미지(10배)의 평면도이다.
도 11b는 나노 와이어 전착 후에 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 4개 와이어를 구비한, 자기저항 장치의 광학적 이미지(10배)의 평면도이다.
도 12a는 도 11b에 도시된 4개 와이어를 구비한 장치의 거대 자기저항 장치를 장치 온도의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 12b는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 수직으로 배향된 나노 와이어의 스캐닝 전자 미세 그래프(scanning electron micrograph: SEM) 이미지이다.
도 13 A는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 자기 전자적 수송 나노 장치(magneto-electrnic transport nanodevice)의 특정 구성을 측면에서 본 개략도이며, 여기서 전류 유입(current in) 전극 및 전류 유출(current out) 전극은 모두 기판 레벨 상에 존재한다.
도 13 B는 측방향으로 패터닝된 이중 블록 코폴리머 필름으로부터 생성되는 자기 전자적 수송 나노 장치(magneto-electrnic transport nanodevice)의 또 다른 특정 구성을 측면에서 본 개략도이며, 여기서 전류 유입(current in) 전극은 기판 레벨 상에, 전류 유출(current out) 전극은 상부 상호 접속 레벨 상에 존재한다.
도 13 C는 도 13 A 및 도 13 B의 장치에 사용되는 자기 전자적 나노 요소의 3가지 상이한 타입을 측면에서 본 개략도이다.
도 14a는 패터닝된 수직 매체를 보여주는 패터닝된 매체의 특정 실시예의 평면도이다.
도 14b는 커스텀화된 패터닝된 수직 매체를 보여주는 패터닝된 매체의 추가 특정 실시예의 평면도이다.
도 15 A 내지 E는 나노 크기 이중 블록 코폴리머 템플릿에 의해 제조되는 하부 및 상부 나노 구조를 구비한 금속 전극을 인터페이스하는 방법의 개략도이다.
16 A 내지 C는 다양한 자계 배향을 갖는 도 11b에 도시된 장치에 대한 자기 저항 장치의 연속 그래프이다.
도 17은 도 13에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 장치의 미세 사진이다.
도 18은 도 17에 도시된 장치를 통과하는 전자 수송의 자기저항 장치의 그래프이다.
도 19는 도 6에 도시된 바와 같이 구성된 장치로부터의 전계 방출 테스트 샘플의 미세 사진이다.
도 20은 도 19도에 도시된 장치로부터, 진공 내의 코발트 와이어 어레이로부터 이루어진 전자적 전계 방출 장치의 그래프이다.
도 21도은 도 19로부터의 특정 전계 방출 테스트 샘플을 50배 확대한 미세 사진이다.
도 22는 특정 배향에서, 전계가 0일 때의 정규화된 MR 응답 대 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 기타 다른 특징과 장점은 이하의 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백히 이해될 수 있다.
다음에서는 횡방향으로 패턴을 가진 블록 코폴리머 템플릿을 사용하여 3차원 장치를 제조하는 공정 기술에 관하여 개시한다. 상기 방법에 있어서, 코폴리머 필름은 선택 영역을 방사원(radiation source)에 노출시킴으로써 횡방향으로 패턴을 갖게 된다. 이로써 멀티-스케일 리소그래피 템플릿, 즉 전체 횡방향 범위가 임의의 원하는 설계로 한정된 일정한 어레이의 나노 크기 구멍이 생성된다. 횡방향 설 계의 치수는 나노 크기에서 마이크로스케일 범위까지로 될 수 있다. 패턴 어레이 템플릿은 멀티레벨, 3차원 집적 나노 크기 미디어, 장치, 및 시스템을 생성하도록 적절하게 맞추어진 사전 및 사후 제조 단계와 결합된다. 상기 방법은 나노 크기 기능 요소를 칩 상의 임의의 원하는 위치에 집적할 수 있고, 기능 요소를 다른 칩 구성품과 실질적인 방식으로 집적할 수 있다. 이로써 자체 조립된 코폴리머 템플릿의 범용성이 현저하게 진전된다.
일반적인 준비 기술
본 명세서에 개시된 방법은 표면 상에 일정한 물질 어레이를 형성하는데 따른 것이다. 예를 들면, 말단 대 말단이 동등하게 연결된 두 개의 화학적으로 성질이 다른 폴리머로 구성되는 2중 블록 코폴리머는 폴리머 체인을 포함하는 구성품의 체적비에 따라 잘 정렬된 구(sphere), 실린더 또는 라멜리(lamellae) 어레이로 자체 조립될 수 있다. 자체 조립체에 외부 필드(예를 들면, 전계 또는 자계, 또는 온도 또는 응축 경사도)를 실행시켜 유용한 필름으로 되고, 배향이 충분하게 긴 범위에 걸침으로써 애스펙트비가 적어도 2:1 또는 3:1의 신장된 나노 와이어 어레이가 생성될 수 있다. 수직으로 배향된, 원통형 상을 갖는 2중 블록 코폴리머 필름이 형성된다. 사용될 수 있는 여러 개의 적합한 2중 블록 코폴리머 중에서, 70/30(체적비) 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 2중 블록 코폴리머가 예로 될 수 있다. 폴리머의 다른 실린더 구성 요소는, 예를 들면, 폴리부타디엔, 폴리카프로락탄, 및 용매 내에 용해될 수 있는 다른 물질일 수 있다. 다른 매트릭스 구성 요소는 폴리부타디엔 및 실린더 구성 요소를 제거하는데 사용되는 제재와 반응하지 않는 다른 물질을 포함할 수 있다.
블록 코폴리머는 먼저 퇴적, 예를 들면, 용액으로부터 금속 기판, 반도체 기판, 또는 절연 기판과 같은 기판 상에 스펀-카스트(spun-cast)된다. 기판은 단단하거나 또는 유연할 수 있다. 얇은 금속막으로 적어도 부분적으로 코팅된 기판, 반도체 기판, 및 리소그래피 방식으로 설계된 얇은 금속맏 전극 패턴으로 적어도 부분적으로 코팅된 반도체 기판이 특히 관심의 대상이다. 적합한 기판에는 실리콘 웨이퍼 또는 칩과 같은 실리콘 및 카폰과 같은 폴리머 기판이 포함되고, 이들 기판 각각은 기판 표면의 적어도 일부분을 도체 물질 또는 반도체 물질로 코팅함으로써 도체 또는 반도체로 제조될 수 있다. 금속 기판 중에서, 특정 응용을 위하여 금속의 산화는 퇴적될 물질의 퇴적 속도보다 빨라서는 안된다.
예를 들면, 본 명세서에 개시된 장치 용도의 기판 및 기술은 도전성을 가질 필요없는 기초 물질 상에 코팅 층 또는 불연속 표면 층으로 될 수 있다. 사용된 기판 양은 전착을 사용하여 기능 물질을 퇴적할 때 기판이 전극으로 사용될 수 있는 임의의 양으로 될 수 있다. 다른 물질 퇴적 방법을 사용하는 경우, 기판의 성질 및 양은 제한되지 않는다. 코팅 또는 표면층으로 존재하는 실시예에서의 기판은 기초 기판에 종래의 리소그래피 기술 또는 도전성 물질을 표면 상에 퇴적하는 다른 공지된 방법에 의하여 가해질 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 기판은 예를 들어 금과 같은 금속을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 기판은 기초 물질 상에 금으로 코팅하거나 또는 퇴적시킬 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 기판은 예를 들면 실리콘 산화물을 포함하는 세 미 금속 산화물일 수 있다. 일부 실시예에서 기판을 물로 세척한 다음 순한 산 및/또는 베이스로 린스할 수 있지만, 특정의 제조 방법은 필요하지 않다.
말단 대 말단이 동등하게 연결된 두 개의 화학적으로 성질이 다른 폴리머로 구성되는 2중 블록 코폴리머는 폴리머 체인을 포함하는 구성품의 체적비에 따라 잘 정렬된 구(sphere), 실린더 또는 라멜리(lamellae) 어레이로 자체 조립될 수 있다. 주 구성 요소의 체적비가 약 0.7(예를 들면, 약 0.65 내지 약 0.80)인 경우, 임의의 코폴리머는 주 구성 요소의 매트릭스 내에 매입된 부 구성 요소의 육각형 실린더 어레이로 자체 조립된다. 2중 블록 코폴리머의 부 구성 요소의 몰비는 실린더가 형성되듯이 미세상으로 형성될 수 있도록 약 0.20 내지 약 0.35 범위에 걸칠 수 있다. 주 구성 요쇼의 체적비가 약 0.9인 경우, 부 구성 요소는 구를 형성하고, 이는 배향 필드, 예를 들면, 전계가 인가될 때 매우 얇은 실린더로 기다랗게 될 수 있다.
A-B 및 A-C 2중 블록 코폴리머와 같은 2중 블록 코폴리머 혼합물은 상이한 유형, 예를 들면, B 및 C 실린더를 형성하는데 사용될 수 있다. A-B-C 3중 블록 코폴리머와 같은 보다 높은 블록 코폴리머 또한 사용될 수 있다. 코폴리머의 분자 중량은 실린더 직경이 상이하도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 약 1.5백만 분자 중량 단위(달톤) 범위의 분자 중량 코폴리머는 약 70nm의 실린더 직경으로 될 수 있다. 약 20,000 달톤 범위의 분자 중량은 약 14nm의 실린더 직경으로 될 수 있다. 약 4백만 달톤의 분자 중량은 약 100nm의 실린더 직경으로 될 수 있고, 약 15 킬로달톤의 분자 중량은 약 1.0nm의 실린더 직경으로 될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 교차 결합될 수 있는 구성 요소를 포함하는 블록 코폴리머를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 구성 요소는 다른 구성 요소를 제거하기 전이나 또는 제거하는 도중에 교차 결합될 수 있으므로, 코폴리머에 구조상으로 일체로 추가될 수 있다. 상기 구성 요소는 매트릭스 구성 요소라고 할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 매트릭스 구성 요소는 체적으로 코폴리머의 주 구성 요소이다. 적합한 매트릭스 구성 요소는 폴리스티렌, 폴리부타디엔, 폴리다이메틸실록산, 및 다른 폴리머를 포함한다. 제거하려는 구성 요소는 코어 구성 요소라고 지칭될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 코어 구성 요소는 체적으로 코폴리머의 부 구성 요소이다. 적합한 코어 구성 요소는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부타디엔, 폴리카프로락탄 또는 포토레지스트를 포함한다.
일반적으로, 코어 구성 요소는 매트릭스 물질과는 상이하게 열화되거나 또는 분해될 수 있는 물질일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 스티렌 및 메틸메타크릴레이트의 블록 코폴리머가 사용될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 메틸메타크릴레이트 블록은 부 구성 요소를 구성한다. 예를 들면, 폴리스티렌/폴리메틸메타크릴레이트의 70/30(체적비) 2중 블록 코폴리머가 사용될 수 있다. 알킬/알킬, 알킬/아릴, 아릴/아릴, 하이드로필릭/하이드로필릭, 하이드로필릭/하이드로포빅, 하이드로포빅/하이드로포빅, 양극 또는 음극으로 전하/양극 또는 음극으로 전하, 비전하/양극 또는 음극으로 전하, 또는 비전하/비전하와 같은 임의의 블록 코폴리머가 사용될 수 있다. 필름 두께는 원하는 바에 따라, 예를 들면, 약 0.5nm 내지 약 10cm, 또는 약 1nm 내지 약 1cm, 또는 약 5nm 내지 약 1000nm으로 변경시킬 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 필름 두께는 약 10nm 내지 약 200마이크론 사이, 또는 약 1마이크론 내지 200마이크론 혹은 약 25mil까지 변경시킬 수 있다.
지향성 자체 조립체, 즉 예를 들면 전계, 자계, 열 변화도 또는 응축 변화도에 의하여 지향되는 자체 조립체를 사용하여 코폴리머의 배향을 실행할 수 있다. 실린더의 수직 배향은, 예를 들면, 어닐링 조건 하에서의 전계 정렬, 또는 제어식 계면 조건을 사용하는 자체-배향에 의하여 실행될 수 있다.
전계-유도 배향을 위하여, 코폴리머 블록의 상이한 화학적 구성 요소로 인하여 코폴리머 도메인의 절연 상수가 상이해 질 수 있다. 절연 상수의 약 0.1% 차이는 특정의 배향, 예를 들면, 수직 배향시킬 수 있다. 전계에 있어서, 실린더, 형상이 이방성인 절연체 몸체와 결합된 배향 의존 편광 에너지는, 예를 들면, Morkved 외의 "Local control of microdomain orientation in diblock copolymer thin films with electric fields" Science, 273, (1996), 931; Thurn-Albrecht 외의 "Overcoming Interfacial Interactions with Electric Fields" Macromolecules, 33, (2000) 3250-53; Amundson 외의 "Alignment of lamellar block-copolymer microstructure in an electric-field. 1. Alignment kinetics," Macromolecules 26, (1993), 2698; 및 Amundson 외의 "Alignment of lamellar block-copolymer microstructure in an electric-field. 2. Mechanisms of alignment," Macromolecules 27, (1994), 6559에 개시된 바와 같이 실린더를 전계 라인과 평행으로 정렬시킨다.
기판과 평행인 충분하게 강한 필드 하에서, 임의의 표면 유도 조직 정렬은 극복될 수 있고, 1마이크론 두께의 샘플을 완전하게 관통하여 연장되는 기판과 수직을 이룰 수 있는 필드와 평행으로 배향된 원통형 마이크로도메인이 생성된다. 얇은 필름 내 마이크로상의 배향을 특징으로 하도록 산란 실험이 용이한 수단이다. 측면에서 보았을 때, 기판과 수직을 이루어 배향된 원통형 기판은 횡방향으로 단속적이다. 따라서, 한정된 입사각으로 측정된 산란 패턴은 두 개의 적도 브래그 피크로 구성되는 강력한 이방성이다.
전계를 사용하여 폴리머 필름을 배향시키는 일부 실시예에 있어서, 제거가능한 도전층을 두 개의 전극 사이에 필름을 개재시킨 상태로 코폴리머 필름의 상단 상에 위치시킨다. 예를 들면, 도전층은 스핀 코팅에 의하여 퇴적된 다음, 어닐링 후 예를 들면 용매 화학적 또는 물리적 에칭에 의하여 제거될 수 있다. 대안으로서, "스핀-온" 희생층이 가해진 다음, 증발, 스퍼터링, 또는 스핀-온된 금속층이 가해진다. 어닐링 후, 희생층은 용매, 화학적 또는 물리적 에칭에 의하여 제거될 수 있다. 상기 도전층은 금속, 또는 반도체 물질일 수 있고, 선택적으로는 전체 필름 표면과 접촉될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 구리, 금 또는 다른 금속이 코폴리머 필름 상의 도전층으로 사용될 수 있다.
알루미늄화 KAPTON®과 같은 금속층이 또한 사용될 수 있다. 금속층은 배향, 예를 들면 수직 배향이 실행될 때 균일한 필름면의 형성을 촉진할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 금속 도전층만을 코폴리머 필름과 직접 접촉시 켜 사용함으로써 도전층을 제거할 때 들러 붙거나 또는 찢어지기 때문에 코폴리머층에 손상을 입힐 수 있다. 알루미늄화 Kapton®은 Kapton®층이 코폴리머 필름과 직접 접촉되는 Kapton®층과 일치되는 알루미늄층이다. Kapton®층은 반드시 두꺼워야 알루미늄층과 필름의 타단쪽의 기판 사이에 형성된 전계를 간섭하지 않는다. 다른 금속 및 다른 폴리머 물질은 전계-유도 수직 배향을 위한 금속층을 형성하도록 사용될 수 있다.
코폴리머 내의 분자를 유동화(mobilize)시키기 위해서, 샌드위치 구조가 코폴리머의 유리 천이 온도 위에서 가열될 수 있다. 다음에는 전압이 기판과 도전층 사이에 적용되어 상기 유동화된 코폴리머 필름을 통해 전기장을 형성한다. 전기장 세기는 적어도 5V/mm이고, 예로서 적어도 10V/mm이다.
코폴리머가 재조립되게 하기에 충분한 시간 동안, 예로서, 30분 이상, 60분 이상, 1.5 시간 이상, 2 시간 이상, 또는 3 시간 이상 필름을 이러한 상태로 유지한 후에, 코폴리머 필름 조립체는 코폴리머의 유리 천이 온도 아래의 온도로 냉각된다. 배향 필드(orienting field), 예로서, 전기장은 냉각이 일어난 후에 바람직하게 꺼진다. 이 시점에서 도전층 및 임의의 관련 추가적인 층이 폴리머로부터 제거된다. 이제 필름은 또 다른 코폴리머 성분의 매트릭스 내에 함몰된 하나의 코폴리머 성분의 실린더의 정렬된(ordered) 어레이를 포함한다. 자기 조립은 블록의 평행 배향을 발생시키어, 한 성분은 실린더를 형성하는데, 실린더 축은 실질적으로 서로 평행한데, 즉 모두 기판의 표면에 대해 수직하거나 필름 표면 자체에 대해 실 질적으로 수직하다. 실린더는 바람직하게는 실질적으로 기판 표면으로부터 필름의 표면까지 연장된다. 실린더는 약 5nm로부터 약 100nm의 범위의 직경을 갖는다. 필름 내의 실린더형 영역의 주기(L)는 실린더의 중심축 사이의 거리이고, 코폴리머의 분다 중량(2/3 자승)에 비례한다. 마이너(miner) 성분의 몰 비율(mole fraction)이 0.2 내지 0.35이고 실린더가 육각형으로 패킹된 실시예에서, 주기는 실린더의 직경을 한정한다. 주기는 예로서 약 1.0 내지 약 70nm의 범위일 수 있으나, 이러한 범위 밖에 있을 수도 있다.
다른 실시예에서, 코폴리머의 분자를 유동화시키기 위해서 가열이 아닌 방법이 사용된다. 예로서, 코폴리머를 유리 천이 온도로 가열하기보다, 오히려 여러 가지 방법 중의 임의의 방법으로 유리 천이 온도를 낮출 수 있다. 예로서, 분자를 유동화시키고 이동되게 하고 자기 조립되게 하기 위해서 코폴리머에 초임계 CO2 등 가소제, 용매 또는 초임계 유체를 첨가할 수 있다. 배향 필드가 적용되고, 가소제, 용매 또는 초임계 유체가 분자를 비유동화(immobilize)시키기 위해서 제거된다. 그 후에, 배향 필드는 제거되지만, 비유동화된 분자는 그 배향을 유지한다.
전기장을 사용하여 배향하면 넓은 범위의 필름 두께가 준비될 수 있고, 따라서 넓은 범위의 나노 와이어 종횡비가 생성되게 한다. 나노 와이어 종횡비는 예로서 약 0.05:1 내지 약 10,000:1, 또는 약 0.1:1 내지 약 5,000:1, 또는 약 1:1 내지 약 500:1, 또는 약 2:1 내지 약 10,000:1, 또는 약 2:1 내지 5,000:1, 또는 약 2:1 내지 500:1, 또는 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 수 있다. 확장된 어레 이 내의 그러한 큰 종횡비 와이어는 예로서 형상 이방성을 통해 충분히 큰 자기 보자력을 형성하는 데에 유용하다.
제어된 인터페이스 상호 작용을 사용하는 배향은 비교적 얇은 이중 블록 필름에 적합하다. 예로서, 약 100nm보다 작거나, 또는 약 60nm보다 작거나, 또는 약 40nm보다 작다. 그러한 방법에 따라서, 기판은 예비 처리되어 코폴리머 이중 블록 필름에 "중성" 표면을 제공한다. 수소 부동화(Hydrogen-passivated) 실리콘, 또는 랜덤 코폴리머 브러시로 코팅된 실리콘은 적합한 예시적 중성 표면이다. 얇은 이중 블록 필름은 이 표면 위에 스핀-캐스트(spun-cast)되고 어닐링될 수 있다. 실린더는 충분히 얇은 이중 블록 필름, 예로서 약 100nm보다 작은 필름 내의 외부 필드로부터 방향성을 가진 자기 조립 없이 수직으로 자기-배향될 것이다.
그러한 방법은 매우 평평한 막 표면을 형성하고 제조를 단순화할 것인데, 왜냐하면 상부 전극의 에플리케이션 및 후속적 제거가 엄격하게 요구되지 않기 때문이다. 울트라-하이(ultra-high) 밀도 자기 데이터 기억은 코발트보다 큰 고유 이방성을 가진 자기 재료가 사용되면 달성될 수 있다. (예로서, FePt). 얇은 막 상의 높은 패턴 해상도는 래터럴 패터닝을 위해 전자 빔을 사용하여 가능하다.
배향 후에 얻어진 코폴리머의 표면은 형성된 상태로 여러 가지 에플리케이션을 위해 사용될 수 있다. 어떤 애플리케이션을 위해서, 수직 배향된 코폴리머 필름의 표면은 바람직하게는 실질적으로 평탄하다. 실질적으로 평탄한 표면을 생성하는 그러한 어레이 및 기법은 발명의 명칭이 "자기 어레이"이고 2000년 3월 22일자로 출원된 미국 예비 특허 출원 제60/191,340호와 발명의 명칭이 "나노 실린더 어레 이"이고 2001년 3월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/814,891호에 기술되었고, 각각의 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 기술되었다. 예로서, 판독 장치가 자기 어레이 상에서 신속히 통과하는 자기 데이터 기억 애플리케이션을 위해서, 표면은 바람직하게는 평탄하다. 판독 또는 기록 헤드가 어레이 상에서 통과하는 임의의 에플리케이션은 높은 평활성을 요구할 수 있다. 데이터 기억 및 검색 애플리케이션을 위한 자기 어레이의 평활도는 바람직하게는 약 0.5 내지 약 5.0 nm의 범위에 있다. 수직 배향 코폴리머 필름의 표면은 수직 배향 단계가 수행되기 전에 전도층에 적용된 탄성 중합체 또는 가교결합된 탄성 중합체 등 추가적인 재료를 사용하여 평탄하게 될 수 있다. 예로서, 가교결합된 폴리디알킬실록산, 가교결합된 폴리디아릴실록산, 또는 가교결합된 폴리알킬-아릴실록산, 가교결합된 폴리디메틸실록산을 포함하는 가교결합된 실리콘 등 추가적 재료가 전도층에 적용될 수 있거나, 어떤 실시예에서는 상기한 바와 같이 추가적 층에 적용될 수 있다. 전도층 및/또는 임의의 관련 추가적 층에는 추가적 탄성 중합체 재료로 코팅되고, 층들은 코폴리머 필름관 접촉되어 위치된다. 수직 배향은 상기와 같이 수행되고, 층들은 수직 배향 코폴리머 필름의 표면으로부터 제거된다. 따라서 표면은 추가적 탄성 중합체 재료 없이 형성된 표면보다 더 평탄하게 될 수 있다.
다음에, 기판 관련 코폴리머의 마이너(minor) 성분{또는 어떤 실시예에서는 메이저(major) 성분}이 제거된다(이중 블록 코폴리머의 어느 성분도 "마이너" 또는 "메이저"일 수 있으며, 성분들은 또한 동일하게 존재할 수 있다). 마이너 성분의 제거는 예로서 조사(자외선광, x-레이 조사, 감마 조사, 가시광, 또는 열, 또는 전 자 빔, 또는 마이너 성분을 선택적으로 열화시키는 임의의 다른 조사 소스)에 대해 노출시킴으로써 달성된다. 예로서 오존, 또는 에타놀 등 용매를 포함하는 반응성 산소 종(species) 등 열화제 또는 분해제가 또한 사용될 수 있다. 자외선이 예로서 코어 성분으로서의 폴리메틸메타크릴레이트를 열화시키는 데에 사용될 수 있다. 에타놀이 예로서 폴리부타디엔을 열화시키는 데에 사용될 수 있다.
이러한 처리 다음에는 분해 부산물을 제거하기 위해 화학적 세척(rinse)이 뒤따를 수 있고, 나노미터의 수십배의 범위의 기공 크기를 가진 다공성 재료를 통상적으로 생성한다. 임의의 잔여 성분을 제거하는 단계는 용매로 세척하기를 포함하여 액체로 처리하기, 또는 산(acid) 또는 기(base) 등 잔여 성분과 바람직하게 반응하는 재료로 처리하기를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 잔여 열화된 성분과 반응하도록 사용된 재료는 예로서 아세트산의 희석 형태일 수 있다. 지금 제거된 코폴리머 성분에 의해 앞에서 채워진 부피는 이제는 막의 두께를 통해 연장되는 실린더형 공간을 포함한다. 나머지 부피는 나머지 코폴리머 성분에 의해 점유되고 매트릭스라고 지칭된다.
어떤 실시예에서, 옵션으로서 코폴리머 필름의 성분을 가교결합시키는 것이 바람직할 수도 있다. 에너지 소스 또는 약품(agent)에 의해 열화되지 않은 성분을 가교결합시키면 막에 구조적 강도를 더할 수 있다. 어떤 실시예에서, 코폴리머 성분은 다른 코폴리머 성분의 열화와 동시에 가교결합된다. 조사는 이중 블록 코폴리머의 매트릭스 성분을 옵션으로서 또한 바람직하게 가교결합시키고 실질적으로 비유동화할 수 있어서, 매트릭스는 실린더형 빈 공간이 형성된 후에도 어레이 구조를 유지한다. 결과적으로 형성되는 전체적 구조는 나노 기공성 어레이 템플릿이다. 예로서, 폴리스티렌(PS) 매트릭스 내의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 실린더의 경우에, 자외선 조사는 PS를 가교결합시키는 동안에 PMMA를 열화시킨다. 코폴리머의 초기 형태(morphology)가 열화의 전체 프로세스를 통해서 유지되는 것이 바람직하다. 한 성분 또는 다른 성분을 제거하는 다른 방법(예로서, 화학적 방법)이 사용될 수 있다. "마이너" 또는 "메이저" 성분이 제거 또는 유지될 수 있다. 기공의 크기는 일반적으로 수직으로 배향된 코폴리머 필름의 실린더형 영역의 기공의 크기와 동일하며, 따라서, 기공의 직경은 약 5nm 내지 약 100nm 이상의 범위에 있을 수 있고, 주기는 약 5.0 내지 70nm의 범위에 있을 수 있다.
그 후에, 결과적으로 형성된 기공은 예로서 금속 재료, 비금속 재료, 반도체, 및/또는 자기 재료로 적어도 부분적으로 채워진다. 기능적 재료의 퇴적은 예로서 전착(electrodeposition), 화학 기상 증착, 무전해(electroless) 퇴적, 표면 화학, 화학적 흡착, 및 화학적으로 구동된 층별(layer-by-layer) 퇴적에 의해 수행될 수 있다. 약 30nm보다 큰 깊이를 가진 기공 내에 재료를 퇴적시키기 위해서, 전착이 바람직한 방법인데, 왜냐하면 그것이 재료를 기공의 바닥에 퇴적시키는 구동력을 제공하기 때문이다. 예로서, 이중 블록 코폴리머의 막으로부터 도출된 나노 크기의 템플릿의 기공 내의 전착은 나노 와이어의 어레이를 제공하기 위해 고도로 제어된 방법으로 큰 종횡비 기공을 채우는 편리한 수단을 제공한다.
어레이의 자기 성질에 의존하는 그러한 애플리케이션을 위해서, 나노 와이어는 적어도 어떤 자기 재료를 포함한다. 자기 재료는 코발트, 니켈, 철, 및 이러한 재료의 하나 이상을 함유하는 합금, 그 자기성이 측정 가능한 재료를 포함한다. 어레이의 자기 성질에 의존하는 애플리케이션을 위해서, 나노 와이어는 적어도 어떤 자기 재료를 포함한다. 자기 재료는 자기성이 측정 가능한 재료이고, 코발트, 니켈, 철, 희토류 자기 재료를 포함하는 합금(철-백금 합금, 또는 PERMALLOY®, Ni81Fe19의 화학량을 가진 철 및 니켈의 합금 등)을 포함하는 자기 금속, 및 철 산화물과 결합된 스트론튬 또는 바륨 등 세라믹 재료를 포함하는 자기 비금속을 포함할 수 있다. 테트라시아노에틸렌 등 유기 자석이 또한 자기 재료로서 이용될 수 있다. 자기 시스템 역시 구리, 금, 은 및 이와 유사한 것 등 비자성 금속을 포함하여 비자성인 재료를 함유할 수 있다.
자기 재료는 또한 자기 금속 및 비자성 재료의 교대층의 퇴적에 의해 자기 나노 와이어로서 준비될 수 있다. 그러한 교대층은 옵션으로서, 또한 어떤 실시예에서는 바람직하게, 규칙적으로 교대할 수 있고, 규칙성은 그러한 재료의 규칙적으로 교대하는 양을 포함할 수 있다. 예로서, 자기 나노 와이어는 자기 금속, 비자성 재료, 자기 금속; 또는 비자성 재료, 자기 금속, 비자성 재료로 교대하는 재료의 적어도 3개의 층을 포함할 수 있다. 교대층은 옵션으로서, 또한 어떤 실시예에서는 바람직하게, 비규칙적으로 교대할 수 있다. 더욱 상세한 사항이 "자기 다중층 및 대형 자기 저항성: 기초 및 산업적 응용(Springer Series in Surface Sciences, No 37)", Uwe Hartmann(편집인), 370 페이지, (Springer-Verlag, 2000)에 주어졌는데, 그것은 본 명세서에 참조로서 합체되었다. 코발트/구리 교대 다중층이 유용한 것으 로 발견되었다.
자성 재료는 일반적으로 소정의 보자력(coercivity)을 갖도록 선택되며, 소망의 응용에 따라 좌우된다. 예를 들어, 코발트 나노 와이어를 이용함으로써 상기 보자력은 대략 7000 Oe 이하의 범위를 가질 수 있다. 적절한 제조 조건 하에서, 코발트 나노 와이어 어레이의 수직 보자력은 원통형의 이방성(anisotropy) 및 싱글 마그네틱 도메인의 크기보다 작은 직경을 갖는 나노 와이어로 인해 300K에서 1.7 kOe를 초과할 수 있다. 보자력은 소정의 전착 조건, 구멍의 직경, 및 첨가제를 선택함으로써 보다 작은 값으로 조절될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기술한 기술을 이용함으로써(기판과 직각이고 와이어 축과 평행인 필드가 인가됨), 실온에서 대략 800 Oe의 수직 보자력을 설정할 수 있다. 희토류 자성 소재를 첨가함으로써 보다 높은 보자력을 얻을 수 있다.
자성 소재는 또한 자석의 두께, 일반 금속의 두께, 및 다중층 나노 와이어의 직경을 조정함으로써 조절되는 자기저항성(magnetoresistive)을 가질 수 있다. 이들 장치는 소위 "자이언트" 자기저항성 장치로서, 민감한 자계 센서이고, 자기저항성이 자계의 변화에 의해 극적으로 변화한다. 불규칙 다층화를 이용한 "2상" 장치를 의도적으로 만들 수도 있다. 예를 들면, 두꺼운 자성층, 얇은 일반 금속층, 및 얇은 자성층이 순서대로 나노 와이어에 적층되어 2상 장치의 설계에 유용한 어레이를 형성하도록 한다.
다른 실시예에서, 장치를 통과하는 전류를 증가시킴으로써 작은쪽 자성층의 자화 상태를 역전시킬 수 있다. 스핀편극(spin-polarized) 전자 흐름은 보다 넓은 자성 영역을 형성하고 작은 쪽 자석으로 주입된다. 이러한 전류는 작은 쪽 자석에 자화를 일으키는 토크를 가하며 자화의 방향을 역전시킬 수 있다. 자화의 변화는 측정된 저항의 불연속 변화에 의해 일반적으로 수반된다. 이것은 전류를 이용한 "기록 및 판독"이 가능하도록 한다. 대용량의 전류로 "기록"을 할 수 있고, 소용량의 전류로 "판독"을 할 수 있다. 이러한 개념은 phys. Rev. Lett.,84, (2000), 3149에 실린 Katine 등의 "Current-driven magnetization reversal and spin-wave excitations in Co/Cu/Co pillars"에 기재되어 있다. 자성 소재의 최적 전착은 자성 소재가 전착되는 표면과 직각인 소재의 자성 축 정렬을 포함할 수 있다.
어레이의 자성과 무관한 이러한 적용에 대하여, 주로 금속, 반금속(예를 들어 Bi 및 BiTe를 포함), 및 전착될 수 있는 임의의 반도체를 포함하는 임의의 다른 전착 가능 소재가 이용될 수 있다. 자성 소재의 최적의 전착은 자성 소재가 전착되는 표면과 대략 평행하거나 비스듬하게 각도를 이루는 소재의 자성 축 정렬을 포함할 수 있다.
전술한 기술은 도 1에 개략적으로 도시되었으며, 기판 상의 배향된 이중 블록 코폴리머 필름을 나타낸다. 기판 상의 어두운 영역은 이중 블록 코폴리머의 구성 요소 중 하나를 나타내고, 근처의 밝은 영역은 이중 블록 코폴리머의 다른 구성 요소를 나타낸다. 코폴리머 필름의 상부 표면은 여기에서 완전 평면으로 도시된다. 이러한 조건은 기술적으로 반드시 필요한 것은 아니지만 일부 응용에서 바람직할 수 있다. 대략 편평한 필름 표면의 형성을 바람직하게 포함하는 이러한 응용은 코폴리머 상단에 다른 폴리머를 이용하는 방법에 이용될 수 있다. 예를 들어, 폴리디메틸실록산이 코폴리머 필름의 표면에 전착되어 코폴리머 필름 위에 대략 평면을 형성하도록 한다.
특정한 응용에서, 기능성 소재의 전착 후에 기판 표면으로부터 매트릭스 소재가 제거되는 것이 바람직하다. 다른 응용에서, 매트릭스 소재는 전착 후에도 존재하여 나노 와이어 어레이에 구조적 안정성을 제공하거나 추가의 후제조인 리소그래피 단계가 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 매트릭스 소재의 제거는 어레이를 약품 처리하여 전술한 바와 같이 나노 와이어에 대하여 매트릭스 소재를 선택적으로 열화시킴으로써 이루어질 수 있다.
선택적인 노출
본 명세서에 설명된 임의의 실시예의 방법은 다중 레벨 통합 기술에서 3차원 나노 단위의 부재를 형성하기 위해 폴리머 필름으로부터 소재를 제거하는 방사원에 대한 이중 블록 코폴리머 템플릿의 선택적인 노출에 따른다. 특히 각각의 특정 장치 구성이 알맞게 구성된 특정의 다중 레벨 처리 단계가 사용되어 복잡한 통합을 달성하도록 한다. 리소그래피의 패터닝된 이중 블록 레벨에는 간단한 제품이 필요한 반면, 전후 제조 리소그래피 단계에는 복잡한 통합 제품이 필요할 수 있다. 나노구조 제조의 모든 경우에 대한 공통적인 기술은 선택적인 코폴리머 패터닝 기술이다.
이 처리는 예를 들어 방사원에 대한 노출에 의한 선택적인 특정 영역의 변경 또는 나노 범위 구멍 코폴리머 템플릿의 위치를 포함한다. 코폴리머 구성 요소의 선택적인 열화를 위한 적절한 방사원은 예를 들어 자외선, 전자 빔, 또는 이중 블 록 코폴리머의 구성 요소를 효과적으로 열화시킬 수 있는 다른 방사원을 포함한다. 이러한 처리는 도 2a에 개략적으로 도시되며, 코폴리머 필름 상에 조사되는, 표면상에서 수직으로 배향된 이중 블록 코폴리머 필름의 측면도를 나타낸다. 상기 방사는 필름으로부터 소재를 제거하여 실린더를 형성하고, 노출이 선택적으로 이루어지므로 실린더를 포함하는 필름의 영역 및 그렇지 않은 영역이 생긴다. 도 2b는 동일한 필름의 평면도로서, 이 경우에 삼각형 형상으로 필름 표면상에 조사되어 하부에 놓인 표면의 특성에 따라 전착이 잠재적으로 수행될 수 있는 영역을 형성하는 것을 명백하게 나타낸다. 도 3은 동일한 처리 및 그에 따른 템플릿을 나타내며, 도면을 단순화하기 위해 필름의 매트릭스 구성 요소를 생략한 것이다.
자외선을 이용한 응용에 있어서, 어레이의 표면에 걸쳐 공간적인 선택을 위해 자외선 마스크 또는 자외선 프로젝션이 이용될 수 있다. 전자 빔을 포함하는 응용에 있어서, 공간적인 선택을 위해 조준된 전자 빔 기록기 또는 다른 전자 빔 광원이 이용될 수 있다. 표면상에 조사되는 노출 패턴은 하부에 놓인 표면상의 필름의 형상과 관계되거나 또는 그에 따르거나, 또는 그러한 형상과 관계없을 수도 있다. 예를 들면, 하부에 놓이는 표면이 전극 패턴을 갖는 경우, 상기 전극 패턴의 위치에 의한 이중 블록 노출 패턴의 위치의 구체적인 정렬은 장치 제조에 필수가 될 수 있다. 최종 어레이는 측방향으로 패터닝된 것으로 한다.
일단 패터닝된 나노 범위 구멍 어레이 템플릿이 형성되면, 나노 범위 부재를 형성하기 위해 구멍 내부에 소망의 재료를 위치시키도록 표면 선택 소재 전착 방법이 사용될 수 있다. 방사에 노출된 영역의 집합이 되는 영역에만 나노 와이어가 존재하게 되고, 이 영역은 코폴리머 필름의 표면 아래에 놓이는 전극을 포함한다.
전기화학적 증착 방법의 새로운 이용은 다양한 응용을 가능하게 한다. 예를 들어 화학적 증착, 전착, 표면 화학처리, 표면 흡착, 및 화학적 적층을 포함하는 다른 표면 선택 재료 증착 기술이 이용될 수 있다. 전기화학적 증착의 경우, 전기화학적 증착을 하는 동안 여러 전압에서 상이한 전극이 유지될 수 있어서 선택된 전극에 증착을 허용 또는 금지하며, 이러한 기술을 "프로그램된 증착"이라고 칭한다. 특히, 하부에 놓인 전극이 별도로 구분될 수 있기 때문에 하나의 전극(또는 전극의 군)은 하나의 재료가 증착되기 적절한 전위로 유지되고, 다른 전극은 이러한 재료가 증착될 수 없는 전위로 유지된다. 이러한 방법은 재료의 다양성을 확장시켜서 동일한 칩 상에 상이한 유형의 나노 와이어가 증착될 수 있게 한다.
이러한 유형의 나노 제조에 대한 예시를 도 4에 나타내었으며, 전술한 개념을 이용하여 형성된 다중 레벨 구조의 개략적인 다이어그램이다. 도 4에서는 도면을 간단하게 하기 위해 코폴리머의 매트릭스 구성 요소를 생략하였다. 기판은 표면상에 종래의 리소그래피에 의해 형성될 수 있는 박막(thin film) 전극을 포함한다. 측방향 패터닝은 소망의 전극 패턴을 하부에 놓고 제1 소재를 전착하여 도시한 바와 같이 제1 나노 와이어를 형성함으로써 등록되어 수행된다. 제1 소재의 전착에 사용된 것과 상이한 전위의 전극에 제2 소재를 후속적으로 전착함으로써 도시한 바와 같이 제2 나노 와이어가 형성된다. 제1 및 제2 소재는 특성이 상이할 수 있으며, 특히 장치의 기능적인 측면에서 그러하다. 제1 및 제2 소재는 금속 또는 반금속이어서 전위의 감소, 반금속 유형(예를 들어 "n"형 또는 "p"형 반금속, 메탈 로이드 또는 반도체 소재), 및 다른 유용한 특성과 같은 특성이 필름의 상이한 위치에서 다양화될 수 있다.
대안적으로, 측방향 패터닝 및 후속하는 제1 소재의 전착이 도시한 바와 같이 제1 나노 와이어를 형성한다. 상이한 위치에서, 다른 측방향 패터닝 및 임의의 전극 전위에서의 후속하는 제2 소재의 전착은 제2 나노 와이어를 형성한다. 필름 표면상에의 전착된 사후 레벨 접속으로서 공지된 후속 리소그래피는 나노 와이어 세트 간에 접속을 형성하고, 간단하거나 복잡한 회로를 형성할 수 있도록 한다.도 5는 3차원 구조와 같은 다른 예시의 평면도로서, 이중 블록 코폴리머의 매트릭스 구성 요소를 하층(레벨 1), 중층(레벨 2), 및 상층(레벨 3)의 이들 상이한 레벨 상의 구성 요소의 전기적인 접속을 형성하는 전기적인 접속 사이의 관계를 강조하는 것이다.
일부 응용에서는 상호 접속 및 통합의 목적을 위해 상위 레벨의 리소그래피를 후속적으로 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 실시예를 도 13의 A 및 B에 나타내며, 자기 전자적 수송 나노 장치의 2개의 기본 구성을 나타낸다. 이들 장치는 자성 감지 및 "스핀공학"의 목적으로, phys. Rev. Lett.,84, (2000), 3149에 실린 Katine 등의 "Current-driven magnetization reversal and spin-wave excitations in Co/Cu/Co pillars"에 기재된 것처럼, 이방성 자기저항성, 자이언트 자기저항성, 또는 스핀편극 전류 스위칭 자기저항성을 이용한다. 이들은 자기 데이터 기억 판독 헤드 기술, 자기 RAM, 및 자기 감지 응용과 관련이 있다. 도 13 A는 제1 구성을 나타내며, "전류 입력" 및 "전류 출력" 전극은 기판 레벨 상에 있고, 이들 2개 전극 사이의 상호 접속은 상위의 상호 접속 레벨 상에 있다. 도 13 B는 제2 구성을 나타내며, "전류 입력" 전극은 기판 레벨 상에 있고 "전류 출력" 전극은 상위 상호 접속 레벨 상에 있다. 이들 구성의 특정 조합 또한 회로 설계에 가능하다는 것은 명백하다.
도 13에 도시한 구성의 장치가 만들어지고 이러한 장치의 현미경 사진을 도 17에 나타내었다. 검게 패터닝된 영역이 나노 와이어의 위치이다. 도 17에 나타낸 장치를 통해 전자 수송의 자기저항성 측정이 수행되었고 이것을 도 18에 나타내었다.
또한, 나노 와이어 자체는 예를 들면, Cu/Co 다중층을 생성하기 위하여, 2 성분 바스(two-component bath)로 전착(electrodeposition)을 사용하여, 또는 연속 전착에 의하여 다중층으로 될 수 있다. 다중층 나노 와이어의 임의 실시예가 도 13c에 도시된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 자기 나노 와이어는 주로 코발트, 니켈, 철, 및 이들 금속을 포함하는 합금을 포함하는 자기 재료를 사용하여 생성되고, 이방성 자기저항 응용 장치에 유용하다. 다증층 자기 나노 와이어는 개별 나노 와이어 내의 자기 재료와 비-자기 재료의 층을 대체로 규칙적으로 교대시킴으로써 제조되며(예를 들면, Co/Cu 교대층), 거대한 자기저항 응용 장치에 유용하다. 비대칭 자기 헤테로 구조는 스핀 극성 전류 변환 자기저항(spin-polarized current switching magnetoresistance)에 유용한, 대체로 불규칙적으로 교대하는 자기 재료와 비-자기 재료의 층을 사용하여 제조된다.
선택적 영역이 노출된 직후, 폴리머 필름(polymer film)은 3개의 분명한 상 태의 폴리머, 즉 1) 분해 부산물, 2) 불용성 성분, 및 3) 비노출 영역의 순수한, 배향 이중블록 코폴리머(virgin, oriented diblock copolymer)를 포함한다. 이들 3 상태의 공존은 부가적인 제조 다양성을 제공한다. 용매 또는 조사의 선택에 의하여, 노출된 실린더만, 또는 대신에, 노출된 실린더 및 이중 블록 코폴리머의 비-노출 영역을 제거하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 초산이 노출 영역으로부터 분해된 폴리머 조각을 제거하기 위하여 사용될 수 있지만, 매트릭스 성분에 영향을 미치지 않는다. 초산과 같은 작용제(agent)는 순수한, 비노출 이중 블록 코폴리머로부터 재료를 제거하지도 않는다. 필요하면, 순수한 영역으로부터 재료의 제거는 다른 작용제 예를 들면, 톨루엔(toluene)으로 처리함으로써 달성될 수 있다. 필요하면, 비노출 이중 블록 코폴리머의 제거는 처리의 개별 단계, 예를 들면, 나노 와이어가 구멍에서 제조된 후에 발생하도록 선택될 수 있다.
또한 양 폴리머가 제조 목적을 위하여 사용될 수 있는 고체 불용성 필름을 랜더링하여, 고-조사량 과-노출에 대하여, 양 폴리머가 가교(crosslink)될 수 있다는 것을 아는 것도 관련 사항이다. 상기한 실시예에서, 이중 블록 코폴리머의 어떠한 성분도 제거될 수 없다. 상기한 영역은 추가 용매 처리로부터 기판을 보호하는, 견고한 장벽으로서 사용될 수 있다. 노출 및 용매 프로토콜의 다른 조합의 사용은 나노 구조의 제조를 위하여 여기에서 설명되는 일반적인 절차의 일반적인 사용을 매우 촉진시킨다.
데이터 기억 응용 장치에서, 자기 어레이의 패터닝이 도 14a에 도시된 바와 같이, 패턴화된 수직 자기 매체를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 각 세트의 나 노 와이어는 비노출 이중 블록 코폴리머에 의하여 다른 세트의 나노 와이어와 구별된다. 임의 세트의 나노 와이어 내의 모든 개별 나노 와이어는 "1" 이나 "0"의 데이터 비트에 대응하는, 상향이나 하향의 동일한 자화 방향을 갖고 있다.
자기 어레이의 자기 변환(switching) 작용이 이용될 수 있는 다른 응용 장치에서, 여기서 설명되는 측방향으로 패터닝된 어레이가 유용하다. 자기 나노 와이어의 자화 변환 영역은 이웃하는 나노 와이어 때문에 경험하는 자기 이극성 상호 작용에 의하여 실질적으로 변경될 수 있고, 따라서 나노 와이어가 서로 또는 필름의 비자기 영역에 나노 와이어의 노출을 최대화하거나 또는 최소화하는 원형, 삼각형, 십자형 또는 스타형, 또는 다른 형으로 발견되는지에 의존한다. 자기 나노 와이어의 어레이의 측방향 크기 및 형상은 그 변환 작용에 극적으로 영향을 미칠 것이다. 이것은 자기 히스테리시스(hysteresis) 곡선 및 상기한 와이어를 이용하는 장치의 자기저항으로 관찰될 수 있다. 패턴화된 이중 블록 템플릿을 사용하여 "디자이너 마이크로 자기 매체(designer micromagnetic media)"을 생성할 수 있다. 이 디자이너 매체는 특정 임계 전계에서 불연속 변화를 요구하는 자기 전송 장치 기술에서 또는 자계에서 단계적 변화를 이용하는 다른 응용 장치에 사용될 수 있다. 상기한 실시예의 일부가 삼각형 및 원형 세트의 나노 와이어를 나타내는 도 14b에 예시된다. 설계된 장치의 불연속 변환 작용은 특정 응용 장치를 위하여 향상될 수 있다.
애플리케이션(Applications)
여기서 설명되는 3차원 나노 구조는 디스플레이 기술, 냉각 기술, 자기-전자 기술, 데이터 기억 기술, 센서 기술, 생체 분자(biomolecular) 어레이 기술, 분자 전자(molecular electronic) 기술, 도파관(waveguide) 기술, 및 다른 기술을 포함하는 기술에 이용될 수있다. 여기서 제시된 기술은 개괄적이고 다양한 조사(research) 재료 시스템을 향상시킨다.
전계 방출 애플리케이션(Field Emission Applications)
전계 방출 디스플레이(FEDs: Field emission dsiplays)는 고 휘도, 저 출력 소비, 및 평면-패널 설계를 제공한다. 상기 디스플레이는 인광성 스크린(phosphorescent screen) 및 전계 이미터(field emitter)의 주소지정가능한 어레이(addressable array)를 포함할 수 있다. 유효한 전계 방출 디스플레이는 저 임계 전압에서 전계 방출을 가능하도록 고 종횡비 나노 크기 금속 팁(nanoscale metal tips)(예를 들면, 대략 20:1, 또는 대략 35:1, 또는 대략 50:1로부터 대략 10000:1까지)을 요구한다. 상당히 큰 전류 밀도를 얻기 위하여, 바람직하게 이미터는 고 밀도 어레이로 배열된다. 디스플레이 화소를 형성하기 위하여, 상기 어레이는 바람직하게 각 화소가 전자적으로 주소지정가능한, 나노 세트로 측방향으로 패턴화된다. 이들 세트는 원하는 응용 장치에 따라, 하나로부터 10, 20, 30 또는 그 이상의 나노 와이어를 포함할 수 있다.
본 발명은 간단한 방법 및 개선된 배향으로 팁 어레이를 제조하는 능력을 제공한다.
여기서 설명되는 방법에 의하여 생성되는 초고밀도, 측방향으로 패턴화된 어레이는 고 해상도, 저 출력, 얇고 플렉시블한 디스플레이 장치에 성공적으로 이용 될 수 있다. 여기서 설명된 기법에 의하여 생성되는 나노 와이어의 고 종횡비는 방출용 임계 전압을 충분히 낮출 수 있어 각 전계 방출 장치에 대한 출력 소비가 상당히 감소된다. 상기 장치는 텔레비젼 및 비디오 스크린, 컴퓨터 모니터 스크린, 및 시계, GPS 장치 및 LED 또는 LCD 디스플레이를 일반적으로 사용하는 임의의 다른 장치와 같은 다수의 다른 디스플레이 장치에 유용하다. 상기한 전계 방출 어레이의 얇음은 상기한 장치의 설계를 현재 사용되는 장치보다 더 얇게 할 수 있도록 한다. 여기서 설명되는 기술로 제조되는 디스플레이 장치는 현재 사용되는 장치보다 에너지 소비의 임의의 레벨에서 더욱 밝게 된다. 플렉시블 기판을 사용할 가능성은 여기서 설명되는 기법으로 제조되는 디스플레이 장치의 사용을 더욱 확장한다. 다른 디스플레이 응용 장치는 작용 특성에 관한 다른 중요 사항을 요구하는데, 예를 들면, 옥외 디스플레이는 고 휘도를 요구할 수 있고, 비디오 디스플레이는 고 해상도를 요구할 수 있다.
여기서 설명되는 방법에 따라 생성되는 전계 방출 어레이의 한 예가 상기한 어레이의 사시도인 도 6에 도시된다. 기판은, 종래의 리소그래피에 의하여 생성되는, 그 표면에 전극을 갖고 있다. 이중 블록 코폴리머는 상기에서 설명된 바와 같이, 예를 들면, 스핀 결합에 의하여 기판 상에 퇴적된다. 수직 배향, 선택적 조사, 화학 처리, 및 전착은 이 경우에, 2개의 분명한 전극 상에 퇴적되는 나노 와이어 세트를 생성케 한다. 전계 방출 응용 장치를 위하여, 바람직하게 나노 와이어의 단부는 필름 표면에 또는 근처에 있다. 이것은 당업자에 알려진 수단(예를 들면, 산소 플라즈마에 의하여 에칭되는 반응 이온)에 의하여, 상기 필름의 표면의 일부분의 제거에 뒤따르는, 와이어를 더 작은 범위까지 성장(예를 들면, 상기 필름 두께의 90%)시키거나 또는 와이어를 실질적으로 전체 필름 두께에 성장(즉, 전착)시킴으로써 달성될 수 있다. 또한, 매트릭스 성분이 명쾌함을 위하여 도 6에서 삭제된다.
도 6의 구조에 다른 장치가 제조되고, 이 장치의 현미경 사진이 도 19에 도시된다. 이중 블록 템플릿이 도 19의 상부 좌측에 20x 확대로 원형 영역 내에 패턴화되어 도시된다. 동일한 영역은 250nm 코발트 나노 와이어가 원형 영역 내에 -1V에서 성장된 후, 그러나 도 19의 상부 우측에서 20x 확장으로 전기적 장치가 제조되기 전에 도시된다. 동일한 영역은 전기적 장치가 제조되며 또한 샘플이 도 19의 하부(5x 확장에서 하부 좌측, 20x 확장에서 하부 우측)에서 소실된 지점까지 방출 전류를 이르게 한 후에 도시된다. 도 20은 도 19에 도시된 어레이로부터 제조된 전자적 전계 방출 장치의 그래프를 도시한다. 큰 전류 밀도 및 저 임계치가 얻어진다. 도 21은 상기한 샘플을 각각 소멸하기 전 및 소멸시킨 후, 상부 우측 및 하부 좌측의 도 19로부터의 이미지의 확대 상세도이다.
상기 전극은 이 경우, 전압 V1 및 V2로 개별적으로 주소지정가능하다. 이 적용된 전압은 각 나노 와이어 세트로부터 방출 전류를 제어[즉, "온(on)" 및 "오프(off)"함]하기 위하여 원하는 대로 개별적으로 변경된다. 광 스크린은 디스플레이를 생성시키도록 상기 나노 와이어 세트를 위치시킬 수 있다. 도 7은 4개의 개별 주소지정가능한 나노 와이어 세트를 갖는, 유사한 장치의 평면도를 도시한다. 나노 와이어는 기판 상에만 퇴적될 수 있다는 것을 아는 것이 중요한데, 여기서 1) 코폴리머는 상기 코폴리머의 한 성분을 기판 표면까지 아래로 분해시키는 조사에 노출되고, 2) 상기 분해된 성분의 나머지가 기판 표면으로부터 제거되고, 3) 상기 기판 표면은 전착을 허용하는 전기적 접촉을 갖고 있다.
열전 냉각 애플리케이션(Thermoelectric Cooling Applications)
또한 고체 상태 냉각 장치가 여기서 설명되는 기술을 이용하여 설계될 수 있다. 현재, 최상의 상업적으로 사용가능한 열전 냉각 장치는 대략 0.1의 장점의 열전 숫자를 갖고 있다. 여기서 설명되는 기술은 2.0에 근접하거나 또는 초과하는 장점의 열전 숫자를 갖는 장치, 예를 들면, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.5, 1.7, 1.8, 1.11, 2.0 또는 그 이상의 단위의 숫자를 갖는 장치를 제조할 수 있다.
도 9는 여기서 설명되는 방법에 따라 제조될 수 있는 단일 단계 열전 냉각기의 사시도이다. 기판은 그 표면 내에 또는 그 표면 상에 미리 패턴화된 전극을 갖고 있다. 패턴화된 이중 블록 코폴리머 층은 여기서 설명되는 바와 같이, 기판 상에 생성된다. 또한, 상기 코폴리머의 매트릭스 성분은 명료함을 위하여 도 9에서 삭제된다. 2 타입의 나노 와이어는 프로그램된 전착에 의하여 퇴적된다. 도시된 실시예에서, 이 기술에서 잘 알려진 "n형" 재료로부터 만들어지는 "n형" 나노 와이어가 한 전극에 퇴적되고, 또한 이 기술에서 잘 알려진 "p형" 재료로부터 만들어지는 "p-type" 나노 와이어가 다른 전극에 퇴적된다. 또한 상부층 금속 상호 연결은 전기화학적으로 퇴적된다. 상기 장치는 이 장치를 통하는 전류를 통하여 작동되어, 상부 플레이트(top plate)가 차게되고 전극 및 기판은 따뜻하게 된다. 상기 상부 플레이트는 예를 들면, 전자 장치용 히트 싱크(heat sink)로서 사용될 수 있다. 또한 다단 냉각기가 이 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 또한 가열 장치가 상기한 목적을 위하여 상기 장치의 간단한 개조에 의하여 제조된다.
자기 데이터 기억 애플리케이션
차세대 자기 데이터 기억 기술은 데이터를 기억하기 위해 마찬가지로 수직형 자기 매체를 활용할 것이다. 현재의 기술은 자기 기억 소자가 기판 표면을 따라 놓이는 횡방향 자기 매체를 이용한다. 단위 면적당 보다 많은 소자를 패킹하기 위하여 기본 소자의 크기가 축소되지 않으면 안된다. 그러나, 이로 인해 이들 영역이 축소됨에 따라 초상자성(superparamagnetism)의 개시를 표시하는 블록킹 온도도 저하되기 때문에 문제가 생긴다. 블록킹 온도는 높게 유지되어야 하면, 그렇지 않으면 각 소자의 기억된 자화 상태(magnetizaion state)는 열화되고 데이터가 상실될 것이다.
블록킹 온도를 실질적으로 저하시키지 않고 자기 매체 소자의 치수를 감축하는 한 가지 방법은 형상 및 체적을 활용하는 것, 즉 높은 종횡비(예를 들면, 약 20:1 또는 약 35:1 또는 약 50:1 내지 약 10,000:1)를 갖는 작은 실린더 형상의 물체를 만드는 것이다. 다른 모든 고려 사항은 동일하며, 직경이 10nm이고 길이가 500nm인 실린더 형상의 자석은 직경이 10nm이 구형 자석보다 훨씬 높은 블록킹 온도를 가질 것이다. 자기 실린더의 가장 높은 공간적 패킹 밀도는 수직 방향 육각형의 조밀하게 패킹된 배열 상태의 실린더의 경우에 얻어진다.
벌크(bulk) 상태에서, 순수한 코발트는 보자력이 비교적 낮은 연질 강자성체 이며 자기 데이터 기억용 재료로서 반드시 이상적인 것은 아니다. 그러나, 특정 코발트 합금은 최근의 자기 매체 애플??이션에 유용한 것이 되게 하는 엔지니어링 처리된 보자력을 포함하는 "설계자(designer)" 자기 특성을 갖는다. 이들 코발트 합금은 해당 이온을 함유하는 특정 도금조로부터 전착될 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술은 차세대 가지 데이터 기억용으로 유용한 어레이를 형성하는 데 이용될 수 있다. 그러한 어레이의 표면 평활도가 중요할 수 있으므로, 기판 표면 상에 평활도가 높은 필름을 제조하기 위해 보조적 폴리머를 활용하는 것이 바람직하다고 생각된다. 평활도가 높은 필름은 "Nanocylinder Arrays"란 발명의 명칭으로 2001년 3월 22일에 출원되어 동시 계류중인 미국 특허출원 번호 제09/814,891호에 기재되어 있는 바와 같이, 디블록 코폴리머 필름 상에 폴리디메틸실록산을 침적함으로써 제조될 수 있다. 상기 특허 출원은 그 전체가 참고로서 본 명세서에 포함된다.
엔지니어링 처리 자기저항(magnetoresistance) 애플리케이션
자성-전자(magneto-eectronic) 장치는 자기 감지 응용(예를 들면, 자기 데이터 기억) 및 "스핀트로닉스(spintronics)"(예를 들면, MRAM)에 이용될 수 있다. 적절히 선택된 나노 크기의 자기 아키텍처는 나노미터 스케일에서 자기적 상호작용이 변화될 수 있기 때문에 향상된 성능을 가져올 수 있다. 본 명세서에 설명된 기술은 여러 가지 유용한 자성-전자 구성을 갖는 장치를 창출하는 데 이용될 수 있다.
지난 10년간에 걸쳐 거대 자기저상성(giant magnetoresistive; GMR) 특성을 활용함으로써 자기 감지용으로 현재 이용되고 있는 재료가 개발되었다. 이들 재료는 다양한 아키텍처를 갖지만, 일반적으로 자성 금속층에 접촉한 비자성 금속의 층을 구비한 다층 재료이다. 자기 층간-교환-커플링(magnetic interlayer-exchange-coupling) 및 전자 스핀-의존형 스캐터링(electron spin-dependent scattering)은 자계에 대해 저항의 민감성으로 유돤다. 이들 시스템의 구조를 재료 엔지니어링에 의해 조절하면 자기저항 특성을 애플리케이션에 대해 최적화시킬 수 있다. 하드디스크 구동 기술에서의 GMR 판독 헤드는 중요한 상업적 애플리케이션의 하나이다. 이들 엔지니어링 처리된 시스템은 보다 나은 재료 및 새로운 재료 아키텍처와 함께 발전할 것으로 기대된다.
본 명세서에 설명된 기술을 이용하여 제조된 자기 어레이는 GMR형 작용을 나타낸다. 그러나 이들 어레이의 아키텍처는 이제까지 제조된 다른 것과는 현저히 상이하다. GMR 장치 설계를 위해 중요한 고려 사항은 템플릿에 와이어가 매립되어 있는지 여부가 아니고, 기판과 자기 나노 와이어 사이에 전기적 접촉이 있다는 것이다. 따라서, 와이어는 조작성(operability)에 앞서 매트릭스 재료를 제거할 필요 없이 GMR 장치를 위한 필름 두께 미만으로 성장될 수 있다(즉, 전착된다).
GMR 장치의 최적 성능에 대해 핵심적으로 중요한 것은, 예를 들면 직경이 11 나노미터인 실린더로 만들어진 25.4 나노미터 주기의 어레이와 같은 매우 작은 치수의 규칙적 어레이를 형성하는 능력이다. 또한 본 명세서에 설명된 제조 공정은 실린더의 높이에 대한 양호한 제어를 가능하게 하고, 성장함에 따라 실린더 재료를 다층화할 수 있도록 한다. 이들 새로운 처리의 고려 사항은 공지된 제조 공정을 이용하여 달성할 수 없었던 크기 스케일로 새로운 기하학적 아키텍처를 형성할 수 있게 하였다. 본 명세서에 설명된 제조 공정에서 재료의 구조를 조정함으로써 새로운 유형의 GMR 재료가 가능하다.
GMR 장치의 특정 실시예가 도 10에 예시되어 있다. 상기 장치는 전극이 패터닝된 기판 상에 본 명세서에 기재된 자기 나노 어레이를 제조함으로써 만들어진다. 이 특정한 자기저항 장치는 "횡방향 수소(lateral transport)" 구성으로 되어 있다(수송 전류는 자기 나노 와이어의 존재에 의해 영향을 받지만 그 길이를 따라 와이어를 통과하도록 되어 있지 않다). 또한 코폴리머 매트릭스 성분은 명확한 도시를 위해 도 10에서 삭제되어 있다. 이러한 장치용 나노 와이어는, 도 13c에 관해 전술한 바와 같이, 비대칭 자기 헤테로 구조인 것이 바람직하다. 도 13c는 주어진 나노 와이어 세트에서 모든 세 가지 형태가 사용되는 것을 의미하는 것이 아니고, 한 세트에서 이들 형태 중 어느 하나가 사용될 수 있음을 의미한다.
스마트 매체 애플리케이션(smart media applications)
"스마트 매체"란 특별한 방식으로 이 분위기를 감지하여 측정 가능한 반응을 발생하는 매체이다. 이것은, 예를 들면, 용액 중에 특정 형태의 분자가 존재하는 것으로 검출되면 장치가 전류를 발생하는 화학적 센서일 수 있다. 패터닝된 스마트 매체의 임의의 전기적 버전은 동일 칩 상에서 다른 신호 처리와 일체화될 수 있다. 또 다른 예는 화학적 분위기, 온도 환경, 광학적 자극, 또는 다른 형태의 자극의 변화를 감지하면 변색되는 감지 매체(sensing medium)이다. 이중 블록 시스템이 횡방향으로 패터닝되어 있기 때문에 많은 수의 명확한 감지 소자를 갖는 어레 이가 제조된다. 각 소자는 온-칩 회로 내에 집적되는 국소화 변환기(localized transducer)이다.
현재, 본 명세서에 설명된 기술은 약 1.2×1012소자/in2의 나노소자 밀도를 갖는 나노 와이어 어레이를 제조하는 데 이용될 수 있다. 이것은 궁극적으로 1조(tera) 비트/in2를 초과하는 기억 용량을 갖는 데이터 기억 기술을 가능하게 한다. 1비트의 데이터가 1군의 자기 나노 와이어의 자화에서 부호화되는 고밀도 매체의 패터닝 버전이 창출된다. 본 명세서에 설명되는 패터닝된 디블록 유도된 장치는 높은 기억 밀도로 간단히 제조할 수 있는 경로를 제공한다.
전기화학적 센서 애플리케이션
이들 센서는 당뇨병이 있는 사람들을 위한 휴대형 글루코오스 검출을 포함하는 광범위한 애플리케이션에 이용된다. 본 명세서에서 제시되는 나노 기공형(nanoporous) 템플릿은 "마이크로전극"의 어레이로서 전기화학적 감지용 장치를 만드는 데 편리하게 이용된다. 전기화학 관련 문헌에서의 "마이크로전극"이라는 용어는 전기화학적으로 활성인 종류를 전극 방향으로 반경방향(radial) 확산을 유발하는 전극의 형상을 의미한다. 마이크로전극의 작용은 평면형 전극의 작용과는 현저히 상이하다. 본 명세서에서 설명되는 나노 기공성 폴리머 템플릿 나노전극 어레이는 빠른 감응, 낮은 검출 한계 및 크기 또는 템플릿와의 분자적 상호반응에 기초한 분자 선택성에 대한 가능성을 제공한다. 횡방향 패터닝 발명은 이 목적의 나노 기공성 템플릿의 용도를 발전시키는데, 그 이유는 예비 패터닝된 박막 전극 세트 정상에 패터닝된 디블록 템플릿을 이용하여 몇 개의 명확한 마이크로전극 어레이가 동일 칩 상에 구성되기 때문이다.
생체분자(biomolucule) 어레이 애플리케이션
DNA 유전자 발현 연구 및 다른 진단 애플리케이션용으로 조합형 칩이 구성된다. 본 명세서에 설명된 나노 기공성 폴리머 템플릿은 새로운 형태의 생체분자 연구 능력을 가능하게 할 생체분자의 부착에 이용되는 금속 또는 산화실리콘으로 충전되고 패터닝된다. 그러한 구조의 패터닝된 버전은 매우 유용하다. 횡방향 패터닝을 위한 또 다른 애플리케이션은 나노 스케일로 분자를 분류하기 위한 구조체를 형성하는 것이다.
분자형 전자 애플리케이션
전자 장치로서 특정 형태의 분자 및 소형 콜로이드 군집(colloidal cluster)이 이용된다. 그 목표는 특정 형태의 말단기, 방향족 고리 및 측면 기를 이용하여 분자를 합성함으로써 전자적 기능성(예를 들면, 정류, 스위칭, 네거티브 차분 저항)을 "설계해 넣는" 것이다. 공지의 기술을 이용하여 전기적 특성화를 위해 이들 분자를 인터페이싱 하는 것은 지극히 새로운 일이다.
그러나, 새로운 패터닝된 나노 기공성 템플릿은 특정 형태의 전자적으로 적절한 분자의 특성화를 위한 실제적 숙주 기판(host substrate)으로 사용될 수 있다. 디블록 템플릿은 예비 패터닝된 금(gold) 전극 정상의 영역에 패터닝된다. 그 결과 각 기공(pore)의 저면에 있는 전자적 분자의 자체 조립된 단일층(monolayer)이 얻어진다. 카운터 전극은 분자층 정상에 전기화학적으로 침 적되며 전술한 패터닝된 상호접속을 이용하여 접촉이 이루어진다. 이러한 제조 스킴은 대상 분자를 편리하게 전기적으로 특성화할 수 있게 한다.
광자형 밴드갭(photonic-bandgap) 구조 애플리케이션
광자형 밴드갭 결정은 주기적으로 변조하는 유전 상수를 갖는 광학적 물질이다. 주기성 구조의 결과로서 전송 특성은 입사광 주파수에 의존하게 되며, 특정 주파수에서는 전송되지 않는다(분산 관계식 □(k)는 비선형이고 Brillouin 구역 경계에서 제로의 도함수를 갖는다, k=□/a, 여기서 a는 결정 격자 주기임). 이들 물질을 이용하여, 일정 범위의 장치를 전자 장치와 유사하게 구성할 수 있다. 디블록 코폴리머 시스템이 충분히 긴 범위의 어레이 수준으로 만들어질 수 있으면, 그것들은 평면형 광자형 결정 웨이브가이드(waveguide) 및 다른 광자형 결정 장치를 제조하기 위한 특수 형상으로 패터닝될 수 있다. 광자형 웨이브가이드는 광섬유에 비해 훨씬 작은 회전 반경을 가질 수 있다. 그와 같은 웨이브가이드는 온-칩 광학적 구성 요소를 상호 접속하는 데 이용될 수 있다.
나노 와이어에 대한 전기 접속
패터닝된 이중블록 코폴리머 템플릿(patterned diblock copolymer template)에 의해 나노 와이어에 대한 전기 접속이 만들어질 수 있다. 이것은 상기 템플레이팅 처리를 다른 전처리단계 및 후처리단계와 통합함으로써 달성된다.
전기적 나노구조를 사용하는 데 있어 중요한 단계는 이러한 나노구조에 적절한 전기적 인터페이스를 만드는 것이다. 도 15에는, 본 발명의 일 실시예가 실현되어 있다. 첫째, 전극봉이 적절한 리소그래픽 기술에 의해 상기 기판 상에 미리 패 터닝된다. 둘째, 이중블록 코폴리머 필름이 퇴적된다. 최종적으로 통상의(광 또는 전자빔) 레지스트가 퇴적된다. 이중블록 코폴리머의 실린더는 여기에 기술된 기술에 의해 배향될 수 있다.
상기 상부 레지스트의 선택영역은 리소그랙픽하게 노출되며, 화학적 현상(chemical development)에 의해 제거된다. 이어서, 상기 노출된 금속층(#2)은 금속에칭에 의해 제거된다. 만일 상기 이중블록 필름이 전 단계에서 노출되지 않았다면, 이 시점에서 자외선(UV) 또는 전자빔에 노출된다. 상기 구조는 도 15의 B에 도시되어 있다.
그리고 나서, 상기 이중블록 필름은 아세트산 또는 다른 적절한 현상액으로 화학적으로 현상되어 나노 다공성 템플릿으로 된다. 원한다면, 상기 나노 다공성 템플릿의 표면은 산소와 함께 반응성 이온 에칭(reactive ion etch)을 사용하여 세척될 수 있다. 이러한 구조가 도 15의 C에 도시되어 있다.
그리고 나서, 나노 와이어 또는 다른 적절한 나노 구조가 상기 다공성 템플릿의 기공에 퇴적다. 상부 전기적 접촉을 달성하기 위하여, 상기 퇴적은 상기 상부층과 전기적 접속이 만들어질 때까지 계속될 수 있다. 여기에 논의된 대로, 목표하는 적용예에 따라 소망하는 다양한 다른 나노구조가 상기 기공에 퇴적될 수 있다. 이러한 구조가 도 15의 D에 도시되어 있다.
전계 방출 어레이와 같은 어떤 적용예에서는, 상기 상부층에 대한 전기적 접촉은 요망되지 않는다. 오히려, 상기 절연된 상부 금속층은 3극 진공관 전계 방출 장치 구조에 있어 전기 게이트로 사용된다. 다른 적용예에서는, 도 15 E에 도시된 바와 같이, 금속 접촉면(#2)은 상기 와이어를 통한 접촉을 완전하게 하기 위하여 상기 침전된 나노 와이어 상에 놓일 수 있다.
도 15에 기술된 상기 집적안은 패터닝된 나노 다공성 템플릿에 의해 만들어진 여러 가지 집적구성 및 인터페이스 나노 구조 중 단지 하나를 나타낸다. 패터닝된 이중블록 코폴리머를 통한 나노 제조공정은 다른(전 도는 후)처리단계와 쉽게 병합될 수 있으며, 상기 패턴이 이전의 리소그래픽 패턴을 사용하여 만들어지도록 행해질 수 있다.
다른 제조안이 다음과 같이 기술될 수 있다. 첫째, 전극봉이 적절한 리소그래픽 기술에 의해 상기 기판 상으로 사전 패터닝(prepatterning)된다. 둘째, 이중블록 코폴리머 필름이 침전된다. 그 다음, 상기 이중블록 실린더가 배향되고, 소망하는 패턴으로 리소그래픽하게 노출된 후, 나노 다공성 템플릿으로 현상된다. 그리고 나서, 나노 와이어 또는 다른 적절한 나노 구조가 상기 나노 다공성 템플릿의 기공으로 침전된다.
상부 전기 접촉 또는 비접촉 전극봉을 달성하기 위하여, 적절한 리소그래픽 노출 및 현상, 상기 나노 와이어의 상부로부터 열화부(예컨대, 산소)를 제거하기 위해 수행된 이온 에칭, 그런 다음, 접촉영역에 금속 전극봉의 침전이 이루어진다.
다음의 적용예는 청구항에 기술된 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
적용예
다음의 적용예는 어떤 실시예의 특별한 속성과 장점을 설명한다.
적용예 1: 전계 방출 어레이의 프로토타입
도 8 A 내지 D는 본 발명에 의해 구축된 전계 방출 어레이의 프로토타입의 10배 확대 광학 이미지이다. 도 8 A에서는, 상기 실리콘 기판은, 통상의 리소그래피를 사용하여 1 마이크로미터 두께를 가지며 상기 전면을 덮고 있는 수직으로 지향된 이중블록 코폴리머 필름(폴리스티렌(polystyrene)/폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 체적비가 70/30)으로 골드 패터닝되었다. 제 8b도는 정방형으로의 전자빔 패터닝 및 아세트산 현상 후의 동일 샘플의 이미지이다. 상기 내측 정방형은 나노 다공성 템플릿이였다. 상기 외측 정방형은 방사선에 의도적으로 과다노출하여 만들어진, 상호교차연결된 폴리스티렌/폴리메틸메타크릴레이트의 고체필름이였다. 도 8 C는 500nm 길이의 코발트 와이어가 상기 템플릿에 전기 침전된 후의 상기 동일 샘플의 이미지이다. 상기 코발트는 상기 이미지에서 검다. 제 8d도는 상기 전착된 영역의 확대도이다. 상기 나노 와이어는 금속 하부를 가진 상기 나노 다공성 템플릿 영역에만 퇴적된다 것을 주목하는 것이 중요하다.
적용예 2: 프로토타입 자기저항장치
도 11a 및 도 11b는 발명자에 의해 만들어진 프로토타입 4-와이어 자기저항장치의 10배 확대 광학 이미지이다. 수직의 자기 나노 와이어의 어레이가, 4-프로브(probe) 레지스터 패턴으로 사전에 골드 패터닝된 박막 상에 놓인다. 이 장치는, 스캐터링 인터페이스가 수십 나노미터 척도에서 기하학적으로 주기적인 "평면에서의 전류(current-in-plane)"(CIP) 기하에서 스핀-종속 스캐터링(spin-dependent scattering)을 조사하기 위하여 사용된다. 도 11a는 적용예 1에 기술된 바와 같이 마련된 광학적으로 투명한 이중블록 코폴리머 필름층으로 덮힌 패터닝된 전극봉 하 부층을 가진 기판의 이미지이다.
상기 4-프로브 레지스터 패턴은, 실리콘 기판 상의 PMMA 레지스트를 사용하는 표준 전자빔 리소그래피에 의하여 폭 2㎛, 길이 100㎛로 형성되었다. 상기 박막 레지스터는 1nm의 Cr 점착층 상에 20nm 두께의 골드층을 포함한다. 분자량 42,000 달톤(Dalton)을 가지는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 체적으로 30%를 가지는, P(S-β-MMA)로 지칭된 폴리(스티렌-베타-메틸메타크릴레이트) 이중블록 코폴리머의 1.1 ㎛ 필름이 상기 기판의 패터닝된 면 상으로 스핀 코팅되었다. 상기 코폴리머 미세상(microphase)이 폴리스티렌(PS) 메트릭스의 PMMA 실린더의 6각형 어레이로 분리된다. 가해진 전기장 하에서 유리전이온도(glass transition temperature)보다 높은 180℃에서 박막을 어닐링하는 것은 상기 PMMA 실린더를 상기 필름 표면에 수직되게 배향하여 큰 종횡비로 상기 나노 구조를 제조하는 것을 가능하게 한다. 그 다음, 상기 샘플은 정방형의 형상으로 상기 샘플에 가해지는 전자빔에 노출되었다(면적당 투여량 50μC/cm2, 사용된 빔에너지 및 전류는 각각 20kV와 2000pA). 일반적으로, 대략 1 마이크론의 이중블록 필름의 경우, 상기 노출량은 상기에 기술된 바와 같이 가속 전압 및 빔전류와 함께 약 20μC/cm2 에서 약 200μC/cm2 까지 변동할 수 있다. 최적의 투여량은 대략 80μC/cm2 인 것으로 판별되었다. 그 다음, 상기 샘플은 아세트산을 사용하여 화학적으로 현상되었다. 상기 최초의 코폴리머는 비노출 영역에 잔존한다.
코발트 나노 와이어는, 표면활성제로서 첨가된 60ml의 메타놀과 함께, 96 그 램의 CoSO4ㆍ7H2O 과 13.5 그램의 H3BO3을 300ml의 순수한 H 2O 내에서 혼합하여 3.7의 전해질 pH 로 함으로써 마련된 침전 수조로부터 상기 골드패턴의 상부에 있는 기공에 침전되었다. 상기 Co는 포화 칼로멜(calomel) 기준 전극봉에 대하여 -1.0V의 감소된 위치에너지로 전기 도금되었다. 상기 나노 와이어는 길이가 500nm 이였다. 도 11b는 나노 와이어 전기침전 후의 상기 동일 샘플의 이미지이다.
구조 정보는 미소각 엑스레이 스캐터링(Small Angle X-ray Scattering, SAXS)과 전계 방출 스캔 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM)을 수행하여 얻어졌다. 상기 SAXS 데이터는 주기 21.7mm를 가지는 수직인 나노 와이어 배향을 확인해준다. 상기 샘플은 둘로 나눠졌다. 그리고 FESEM은 상기 나노 와이어 어레이의 단면을 검사하기 위하여 사용되었다. 상기 나노 와이어의 직경은 주기 21.8nm 로 대략 11nm 인 것으로 판명되었다. 이러한 축척에 있어, 상기 개별적인 자기 나노 와이어는 평형상태에서 단자구(single domain)여야 하며, 상기 와이어 간의 간격이 상기 스핀 방산 길이보다 작으므로, 흥미로운 자기저항(MagnetoResistance, MR) 효과를 나타낸다.
적용예 3: 거대 자기저항 장치 및 측정
적용예 2에서 준비된 상기 4-와이어 자기저항 장치는 측정용으로 사용되었다. 상기 자기 코발트 나노 와이어 어레이는, 주기 24nm를 가진 6각형의 격자에 배치된, 직경 24nm, 길이 500nm의 와이어로 구성되어 있다. 상기 장치의 구조는 미소각 엑스레이 스캐터링 측정에 의해 확인되었다. 상기 자기장의 방향은 상기 나노 아이어 축에 평행하다. 이러한 어레이의 단면 스캐닝 전자 현미경 사진(Scanning Electron Micrograph, SEM) 이미지가 도 12b에 도시되어 있다. 상기 GMR 비가 2K 및 300K 사이에서 온도의 함수로서 도 12a에 도시되어 있다. 2K에서 취해진 데이터는 가장 큰 크기 곡선을 나타내고, 300K에서 취해진 데이터는 가장 작은 크기 곡선을 나타내며, 중간의 온도들은 온도의 순서에 일치한 크기를 가지면서 중간의 값들을 가진다.
자기장의 방향 및 온도의 함수로서 다른 GMR 비가 도 16 A 내지 C에 도시되어 있다. 상기 자기저항은 [R(H)-R(50kOe)/R(50kOe)]로서 정의된다. 다시, 2K에서 취해진 데이터는 가장 큰 크기 곡선을 나타내고, 300K에서 취해진 데이터는 가장 작은 크기 곡선을 나타내며, 중간의 온도들은 온도의 순서에 일치한 크기를 가지면서 중간의 값들을 가진다. 상기 "수직" 방향(제16a도)에서, 상기 전계는 Au 필름의 평면(Co 나노 와이어에 평행)과 상기 전류방향에 수직이다. 상기 "가로" 방향(제16b도) 및 상기 "세로" 방향(제16c도)에서, 상기 전계는 상기 골드필름의 평면(상기 Co 와이어에 수직)에 있으나, 상기 전류방향에 각각 수직하거나 평행하다. 상기 3가지 방향에 대한 상기 MR 곡선에 대한 서로 다른 형상 및 값들은, 본 시스템에 이방성 자기저항(Anisotropic MagnetoResistance, AMR) 및 거대 자기저항(Giant MagnetoResistance, GMR) 스캐터링 시스템이 공존한다는 증거를 제공한다.
상기 Co 와이어의 MR 거동은 또한 골드필름 두께 및 Co 나노 와이어 길이의 함수로서 조사되었다. 7.5, 10 및 20 nm 두께의 골드필름이 500nm의 Co 나노 와이 어와 함께 연구되었다. 또한, 20nm의 골드필름 두께를 가지며, 100nm 및 500nm의 길이를 가지는 Co 나노 와이어의 샘플이 준비되었다. MR 거동은 나노 와이어의 길이에 주로 의존하는 것으로 판명되었다. 다양한 골드필름 두께와 Co 나노와이어 길이에 대비하여, 제로 전계에서 수직방향에 대한 정규화된 MRmax의 도표가 제22도에 도시되어 있다. 상기 특징들은 MR의 온도종속성은 상기 Co 나노 와이어 길이에 강하게 의존하지만, 상기 골드필름 두께에는 그리 강하게 의존하지 않다는 것을 명확하게 나타낸다. 각 데이터 집합은 비교를 위해 2K 값에 대하여 정규화되어 있다.
다른 실시예들
비록 본 발명이 상기 상세한 설명과 연결되어 설명되었지만, 이전의 설명은 본 발명을 설명하기 위한 것이지, 첨부된 청구항들의 범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 다른 관점들, 이점들 및 변형예들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있음이 이해되어야 한다.

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  25. 자기 데이터 기억 장치에 있어서,
    다중층 나노 구조를 포함하고,
    상기 다중층 나노 구조의 나노 와이어가 적어도 20:1의 종횡비(aspect ratio)를 가지며,
    상기 다중층 나노 구조는,
    적어도 일부가 도전성 또는 반도전성(semiconductive)을 갖는 기판 표면;
    상기 도전성 또는 반도전성 기판 표면으로부터 연장되는 적어도 한 세트의 나노 와이어; 및
    상기 세트 내의 상기 나노 와이어 중 적어도 일부의 대향 단부와 접촉하는 적어도 하나의 도전성 또는 반도전성 층
    을 포함하고,
    상기 나노 와이어의 일단부는 상기 도전성 또는 반도전성 기판 표면과 전기적 통신이 이루어지고,
    상기 적어도 하나의 도전성 또는 반도전성 층은 상기 세트 내의 나노 와이어 중 적어도 일부와 전기적 통신이 이루어지며,
    상기 기판은 리소그래피 방식으로 패터닝되고, 복수의 서로 독립적인 도전성 또는 반도전성 표면 영역을 구비하고,
    상기 복수의 서로 독립적인 도전성 또는 반도전성 표면 영역 중 적어도 일부가 각각 개별 세트의 나노 와이어와 전기적 통신이 이루어지고,
    적어도 일부 세트는 다른 세트의 자기적 특성과는 상이한 자기적 특성을 갖도록 변형될 수 있는, 자기 데이터 기억 장치.
  26. 자성 전자 장치(magneto-electronic device)에 있어서,
    다중층 나노 구조를 포함하고,
    상기 다중층 나노 구조의 나노 와이어는 자성 재료를 포함하고,
    상기 다중층 나노 구조는,
    적어도 일부가 도전성 또는 반도전성(semiconductive)을 갖는 기판 표면;
    상기 도전성 또는 반도전성 기판 표면으로부터 연장되는 적어도 한 세트의 나노 와이어; 및
    상기 다중층 나노 구조는 상기 세트 내의 나노 와이어 중 적어도 일부의 대향 단부와 접촉하는 적어도 하나의 도전성 또는 반도전성 층
    을 포함하고,
    상기 나노 와이어의 일단부는 상기 도전성 또는 반도전성 기판 표면과 전기적 통신이 이루어지고,
    상기 적어도 하나의 도전성 또는 반도전성 층은 상기 세트 내의 나노 와이어 중 적어도 일부와 전기적 통신이 이루어지며,
    상기 기판은 리소그래피 방식으로 패터닝되고, 복수의 서로 독립적인 도전성 또는 반도전성 표면 영역을 구비하고,
    상기 복수의 서로 독립적인 도전성 또는 반도전성 표면 영역 중 적어도 일부가 각각 개별 세트의 나노 와이어와 전기적 통신이 이루어지고,
    상기 도전성 또는 반도전성 층은 복수 세트 내의 나노 와이어 중 적어도 일부와 전기적 통신이 이루어지는, 자성 전자 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 나노 와이어가 비대칭 자기 헤테로 구조(asymmetric magnetic heterostructure)를 포함하는 자석식 전자 장치.
  28. 전기 접속을 다중층 나노 구조와 인터페이스하는 방법에 있어서,
    적어도 일부가 도전성 또는 반도전성인 기판 표면 상에 이중 블록 코폴리머(diblock copolymer)를 준비하는 단계;
    서로 평행하고 상기 표면에 대해 수직으로 배향되는 나노 범위 실린더(nanoscopic cylinder)를 형성하도록 상기 이중 블록 코폴리머를 배향시키는 단계;
    상기 코폴리머 내에 패터닝된 나노 다공성 어레이를 형성하도록 상기 배향된 코폴리머로부터 하나의 성분 중 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    상기 나노 구멍의 적어도 일부를 소정 재료로 적어도 부분적으로 충전하는 단계
    를 포함하는 인터페이스 방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 코폴리머를 배향시키기 전에 금속층의 적어도 일부 상에 레지스트층을 적층하는 단계를 추가로 포함하는 인터페이스 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 배향된 코폴리머로부터 하나의 성분 중 적어도 일부를 제거하는 것이 조사(radiation)에 노출함으로써 수행되는 인터페이스 방법.
  31. 제 28항에 있어서,
    상기 나노 구멍의 적어도 일부를 적어도 부분적으로 충전하는데 사용되는 상기 소정 재료는 자성 재료를 포함하는 인터페이스 방법.
  32. 자기 수송 장치(magnetotransfer device)에 있어서,
    적어도 하나의 전극을 포함하는 기판 표면; 및
    상기 표면으로부터 수직으로 연장되며, 상기 적어도 하나의 전극과 전기적으로 통신하는 자성 나노 와이어로 이루어지는 어레이
    를 포함하고,
    상기 나노 와이어로 이루어지는 어레이는 수십 나노미터 단위로 주기적으로 배열되는
    자기 수송 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 어레이 내의 와이어 간의 간격은 규칙적인 자기 전송 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 와이어 간의 간격은 스핀 확산 길이(spin diffusion length) 이하인 자기 전송 장치.
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