KR100365727B1 - 탄소 나노 튜브를 이용한 금속 나노 세선 형성 방법 - Google Patents

탄소 나노 튜브를 이용한 금속 나노 세선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래 리쏘그래피 공정의 제약을 극복할 수 있는 탄소 나노 튜브를 이용한 나노 세선 형성 방법에 관한 것으로, 탄소 나노튜브를 이온 빔에 대한 마스크로 이용하여 수 ㎚ 내지 수십 ㎚의 선폭을 갖는 금속 세선을 제조한다. 예로서, 실리콘산화막 위에 Ti막 및 Au막을 균일하게 증착하고, Au 금속층 위에 탄소 나노튜브를 분산시킨 후 Ar+이온을 표면에 수직하게 충돌시켜 탄소 나노튜브로 덮이지 않은 금속층은 식각하고, 표면에는 탄소 나노튜브로 덮인 금속 세선만을 잔류시킨 다음, 원자력 현미경을 이용하여 금속 나노 세선을 덮고 있는 탄소 나노 튜브를 제거함으로써 금속 나노세선을 형성하는 방법을 제공한다. 탄소 나노 튜브는 직경이 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도이므로, 이때 형성된 금속 세선의 폭은 탄소 나노튜브의 폭에 따라 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도가 된다.

Description

탄소 나노 튜브를 이용한 금속 나노 세선 형성 방법{Fabrication method for metal nano-wires by using carbon nanotube mask}
본 발명은 고집적 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 탄소 나노 튜브와 Ar+이온 밀링 반응을 이용하여 금속 나노 세선을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 초고집적, 초고속의 소자 구현을 위해 소자의 소형화가 요구되고 있다. 이에 따라, 저비용, 고효율, 고순도의 나노 구조 제작 기술의 개발이 시급하다.
테라비트(Tera bit)급의 정보 저장을 위해서는 소자의 크기가 나노미터(nanometer) 수준으로 소형화되어야 하는데 이를 위해서는 나노 패턴, 나노 세선, 나노점 등을 형성하는 나노 공정 기술의 개발이 선행되어야 한다.
UV나 X-ray 혹은 전자선을 이용하는 전통적인 리소그래피(lithography) 방법들은 초점 한계나 마스크 물질의 제약, 또는 과다한 노광 공정 시간등의 문제점을 안고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 종래 리소그래피 공정의 제약을 극복할 수 있는 탄소 나노 튜브를 이용한 나노 세선 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1 내지 도5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 금속 나노 세선 형성 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
10: 실리콘 기판 11: SiO2산화막
12: Ti 박막 13: Au 박막
14: 탄소 나노튜브
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 식각대상막 상에 탄소나노튜브를 형성하는 제1 단계; 상기 탄소나노튜브를 식각마스크로 상기 탄소나노튜브로 덮이지 않은 상기 식각대상막을 식각하는 제2 단계; 및 상기 탄소나노튜브를 제거하는 제3 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명은 탄소 나노튜브를 이온 빔에 대한 마스크로 이용하여 수 ㎚ 내지수십 ㎚의 선폭을 갖는 금속 세선을 제작하는 방법에 관한 것으로, 실리콘산화막 위에 Ti막 및 Au막을 균일하게 증착하고, Au 금속층 위에 탄소 나노튜브를 분산시킨 후 Ar+이온을 표면에 수직하게 충돌시켜 탄소 나노튜브로 덮이지 않은 금속층은 식각하고, 표면에는 탄소 나노튜브로 덮인 금속 세선만을 잔류시킨 다음, 원자력 현미경을 이용하여 금속 나노 세선을 덮고 있는 탄소 나노 튜브를 제거함으로써 금속 나노세선을 형성하는데 특징이 있다. 탄소 나노 튜브는 직경이 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도이므로, 이때 형성된 금속 세선의 폭은 탄소 나노튜브의 폭에 따라 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도가 된다.
이하, 첨부된 도면 도1 내지 도5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 금속 나노 세선 형성 방법을 상세하게 설명한다.
먼저 도1에 도시한 바와 같이 Si(100) 기판, 즉 실리콘기판(10) 위에 열적 산화(thermal oxidation)에 의해 200 ㎚ 두께의 SiO2산화막(11)을 형성하고, 얇은 Ti 박막(12)을 1㎚ 내지 2㎚ 두께로 형성한다. Ti 박막(12)은 전자선 증발기 (electron beam evaporator)를 이용하여 증착하며, 이때의 진공도는 1x10-6Torr, 증착 속도는 0.01 ㎚/sec 내지 0.02 ㎚ /sec가 되도록 한다.
다음으로 열증발기를 이용하여 도2에 도시한 바와 같이 Ti 박막(12) 상에 Au 박막(13)을 증착한다. Au 박막(13)과 Ti 박막(12) 전체의 두께는 10 ㎚ 정도가 되도록 한다. Au 박막(13) 은 약 1x10-6Torr 진공도에서 0.05 ㎚/sec 정도의 속도로 증착한다.
이어서 도3에 도시한 바와 같이 Au 박막(13) 상에 CHCl3을 용매로 하는 탄소 나노 튜브의 분산액(suspension)을 약 2000 rpm의 속도로 회전 코팅(spin coating) 하여 탄소 나노 튜브(14)를 균일하게 입힌다. 이후 원자력 현미경 (Atomic Force Microscope : AFM)을 이용하여 탄소나노튜브(14)가 균일하게 분산되었는지 관찰한다. 이때, 이미징(imaging)을 위해 AFM 탐침에 가해지는 힘은 1 pN 내지 10 pN 정도이다.
다음으로 도4에 도시한 바와 같이 균일하게 증착된 탄소 나노 튜브(14)를 이온빔에 대한 마스크로 이용한 식각 공정을 실시한다. 즉, 300 eV 에너지의 Ar+이온 빔을 실리콘 기판(10) 표면에 수직하게 입사시킨다. 이때, 진공도는 2.5 x 10-4Torr, 반응 시간은 1분, Ar+이온의 전류량은 10 mA가 되도록 한다. 이러한 식각과정에서, 탄소 나노 튜브(14)는 식각되지 않고 탄소 나노 튜브(14)로 덮이지 않은 Au 박막(13) 부분과 그 하부의 Ti 박막(12)만 식각되어 탄소 나노튜브(14)로 덮인 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 폭의 금속 나노 세선을 형성한다. 이와 같이 탄소 나노 튜브(14)와 금속막의 상대적인 식각 속도의 차이를 이용하여 탄소 나노튜브로 덮인 금속 나노 세선을 얻을 수 있다.
이어서 식각이 완료된 실리콘 기판(10) 상부 표면을 AFM의탐침(cantilevers)으로 주사(scan)하면 금속 세선을 덮고 있는 탄소 나노 튜브는 쉽게 제거되고, 결과적으로 폭이 수 ㎚ 내지 수십 ㎚인 금속 나노 세선만이 남게 된다. 탄소나노튜브를 제거하기 위해서는 AFM 탐침에 1 nN 내지 10 nN 정도의 힘을 가하고 주사한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 수 ㎚ 내지 수십 ㎚의 폭을 갖는 탄소 나노 튜브를 이온빔에 대한 마스크로 이용하여 수 ㎚ 내지 수십 ㎚의 선폭을 갖는 금속 나노 세선을 형성할 수 있다. 이와 같은 본 발명은 초고집적도를 요구하는 나노미터 수준의 반도체 소자 제작에 응용 가능하며, 금속 뿐 아니라, 반도체나 초전도체 등의 다양한 물질에 응용 가능하다. 또한 본 발명은 종래의 UV나 x-선 또는 전자빔 리소그패피 방법들에 비하여 초점 한계, 마스크 물질의 제약, 또는 과다한 노광 공정 시간 등의 문제점이 없을 뿐만 아니라 공정이 간단하여 비용 및 시간을 크게 절감시킬 수 있으며, 금속 세선의 선폭도 훨씬 감소시킬 수 있다. 그리고, 반도체나 초전도체 등의 다양한 재료에도 적용이 가능하여 나노 세선 제조 분야에 크게 기여할 수 있다.

Claims (7)

  1. 패턴 형성 방법에 있어서,
    식각대상막 상에 탄소나노튜브를 형성하는 제1 단계;
    상기 탄소나노튜브를 식각마스크로 상기 탄소나노튜브로 덮이지 않은 상기 식각대상막을 식각하는 제2 단계; 및
    상기 탄소나노튜브를 제거하는 제3 단계
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 식각대상막 상에 탄소나노튜브 분산액을 도포하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    이온빔으로 식각하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 AFM으로 스캔하여 제거하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    CHCl3을 용매를 스핀코팅하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 식각대상막은,
    실리콘 산화막 형성이 완료된 실리콘 기판 상부에 차례로 증착된 Ti막 및 Au막인 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 AFM의 탐침에 1 nN 내지 10 nN의 힘을 인가하여 상기 탄소나노튜브 위
    를 주사함으로써 상기 탄소나노튜브를 제거하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
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