KR100434272B1 - 탄소나노튜브의 수평성장 방법 - Google Patents

탄소나노튜브의 수평성장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열화학기상증착법을 사용한 탄소나노튜브의 수평성장 방법에 관한 것으로, 본 발명은 알루미나 기판 위에 이산화규소 절연막을 형성하는 제 1단계; 상기 절연막 위에 소정의 촉매층을 패터닝하는 제 2단계; 상기 패터닝한 촉매 위에 몰리브덴, 니오듐, 파라듐 및 텅스텐으로 이루어진 그룹중 하나를 선택하여 이를 이용해 소오스 및 드레인 전극을 형성시키고, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이에 게이트 전극을 형성시키는 제 3단계; 상기 단계들을 거친 결과 생성물을 700 내지 900℃의 온도를 유지하는 열화학기상증착 장치의 반응로에 넣은 후, 탄화수소 반응 가스를 포함하는 운반가스를 흘려주어 노출된 촉매 패턴 위치에서 탄소나노튜브를 성장시키는 제 4단계를 포함하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법을 제공하며, 본 발명의 방법에 따라 수득된 탄소나노튜브는 FET(Field Effect Transistor), 터널링 트랜지스터(Tunneling Transistor) 소자, SET(Single Electron Transistor) 또는 콘도 공명(Kondo Resonance)을 이용한 콘도(Kondo)소자로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

탄소나노튜브의 수평성장 방법{METHOD FOR DEVELOPING CARBON NANOTUBE HORIZONTALLY}
본 발명은 탄소나노튜브의 합성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열화학기상증착법을 사용한 탄소나노튜브의 수평성장 방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브의 네 가지 결정 구조를 가진다. 이들 네 가지 결정 구조는 각기 독특한 특성으로 많은 관심을 끌어왔다.
상기 결정 구조 중에서 탄소나노튜브는 1991년 이지마(Iijima)에 의해 두 흑연봉 사이의 아크 방전을 통하여 생성되었고, 그 이후에 다양한 방법에 의해서 합성되고 있으며, 그 특성 및 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 탄소나노튜브는 나노미터 크기의 구조로서 탄력성, 강도, 유연성 등 독특한 특징으로 인하여 산업의 여러 분야에 응용되고 있으며, 상기 특성 외에도 새로이 발견되고 있는 특수한 성질들이 있어서 새로운 신소재로서 많은 주목을 받고 있다.
또한, 탄소 나노 튜브는 일차원 양자선(one-dimensional Quantum Wire)구조를 가지며, 일차원에서의 양자 수송(quantum transport) 현상 및 반도체성을 가질 수 있음으로 인한 트랜지스터 채널로의 응용 등 매우 흥미로운 전기적 특성을 갖고 있다고 알려져 있다.
특히, 근접탐침기술(proximal probe)과 미세 전자선묘사(electron-beam lithography) 등이 결합되어 나노크기의 개별전자소자들을 제작할 수 있었고, 최근에는 개별분자들을 통한 전기적 접촉과 분자들의 전기전도도의 측정이 가능해졌다.
상기 탄소나노튜브가 가지는 특성들을 사용하기 위해서는 재현성을 가지는나노 튜브 제조 공정이 선행되어야 하지만, 현재는 나노 튜브를 제조한 후 하나씩 일일이 조작하여 원하는 위치에 가져다 놓는 방식을 취하기 때문에 전자 소자나 고집적소자의 실현 가능성이 없다.
또한, 현재의 탄소나노튜브 합성기술은 '수직성장 기술'로 이는 촉매의 패턴이 형성되어 있는 기판에서, 기판에 수직한 방향으로 잘 정렬된 형상의 탄소나노튜브를 성장시키는 것으로, 이와 같은 수직 성장 기술은 이미 상당히 많이 보고되고 있다.
그러나, 수직 성장 기술은 신기능성을 가지는 나노미터 크기의 소자로 이용되기에는 수직 배향된 탄소나노튜브의 길이가 충분하지 않다는 한계가 있다. 이에 따라 나노 튜브의 수평 성장에 대한 선행보고가 있었으나, 대부분 수직 성장이나 무작위 방향으로의 성장을 수반하므로 재현성이 있는 구조를 얻기가 매우 어렵다. 그 이유는 카본 나노 튜브는 촉매가 되는 금속의 표면으로부터 성장하므로 노출된 촉매의 모든 표면에서 무작위로 성장하기 때문이다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명자들은 특정한 위치에서 선택적으로 수평성장시키는 기술을 이용한 테라비트급 메모리 과제를 연구하여, 반도체성을 가진 탄소나노튜브 또는 전도성의 탄소나노튜브가 선택적인 위치에서 성장할 수 있는 '탄소나노튜브 수평성장법'(출원번호 00-41012 (00.7.18))을 제안하였다.
본 발명의 목적은 상기 본 발명자들의 선행 특허출원에서 성장방지막으로 쓰이는 물질을 몰리브덴, 니오븀, 팔라듐 및 텅스텐으로 이루어진 그룹에서 선택되는어느 하나인 금속으로 하여, 성장방지막으로서의 역할 외에도 전극으로서의 역할을 동시에 수행하도록 하여 상기 선행 기술을 개선하려는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 1 실시예를 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 2 실시예를 나타낸 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 3 실시예를 나타낸 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 4 실시예를 나타낸 구성도이다.
*도면의 주요부에 대한 설명*
2: 절연막 14: 소오스 전극
4: 버퍼층 16: 드레인 전극
6: 촉매층 20: 탄소나노튜브
12: 게이트 전극
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미나 기판 위에 이산화규소 절연막을 형성하는 제 1단계; 상기 절연막 위에 소정의 촉매층을 패터닝하는 제 2단계; 상기 패터닝한 촉매 위에 몰리브덴, 니오듐, 파라듐 및 텅스텐으로 이루어진 그룹중 하나를 선택하여 이를 이용해 소오스 및 드레인 전극을 형성시키고, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이에 게이트 전극을 형성시키는 제 3단계; 상기 단계들을 거친 결과 생성물을 700 내지 900℃의 온도를 유지하는 열화학기상증착 장치의 반응로에 넣은 후, 탄화수소 반응 가스를 포함하는 운반가스를 흘려주어 노출된 촉매 패턴 위치에서 탄소나노튜브를 성장시키는 제 4단계를 포함하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법을 제공한다.
상기 탄소나노튜브를 합성하는 제 2단계의 촉매층은 니켈, 철, 코발트 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 선행 특허출원에서는 탄소 나노튜브패턴 제작시 성장 방지막으로 실리콘 산화막을 증착시키고 탄소 나노튜브가 원하지 않는 방향으로 성장하는 것을 방지하는 벽을 채용하였고, 이외에 전극으로 사용되는 금속층이 촉매층과 함께 사용하였다. 그러나, 본 발명에서는 소오스, 드레인, 게이트 전극으로 몰리브덴, 니오븀, 팔라듐 및 텅스텐으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나를 사용하여 성장방지막으로서의 역할과 전극으로서의 역할을 동시에 수행하도록 설계 제작하였다.
또한, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 게이트 전극은 소오스 및 드레인전극과 동일한 높이인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브를 합성하는 상기 제 2단계에서 절연막 위에 추가로 버퍼층을 형성시키는 후 버퍼층 위에 소정의 촉매층을 패터닝하는 것을 제공한다.
또한, 상기 제 4단계의 게이트 전극은 소오스와 드레인 사이의 버퍼층 정도의 높이인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브를 합성하는 상기 제 2단계에서 절연막 위에 추가로 버퍼층을 형성시킨 후 버퍼층 및 절연막 위에 촉매를 패터닝하는 것을 제공한다.
또한, 상기 게이트 전극 내부 버퍼층 위에 촉매층을 패터닝하여 상기 소오스와 드레인 전극 내부 촉매층과 상기 게이트 전극 촉매층 높이를 상기 버퍼층 높이만큼 차이나게 하여, 상기 두 촉매층에서 각각 성장하는 탄소나노튜브를 만나지 않도록 성장시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브를 합성하는 상기 제 2단계에서 추가로 건식 에칭 방법으로 탄소나노튜브 성장 가이드를 형성시킨 후 탄소나노튜브 성장 가이드 내부에 소정의 촉매를 패터닝하는 것을 제공한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 1 실시예를 나타낸 구성도로서, 게이트 전극을 탄소 나노튜브 양옆에 붙인 예이다. 몰리브덴, 니오븀, 팔라듐 및 텅스텐으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나를 전극 및 성장 방지막으로 사용할 수 있다. 소오스와 드레인 전극 아래에 촉매로 사용되는 촉매층이 있는데, 촉매로는 보통 니켈, 철, 코발트 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 게이트 전극은 소오스와 드레인 전극 사이의 양옆에 설치되어 있고, 열화학기상증착법으로 게이트 전극 사이에 탄소나노튜브를 합성시킨다. 따라서, 게이트 전극 사이로 탄소 나노튜브가 합성될 수 있도록 간격 등 기하학적인 모양을 설계해야 한다. 게이트 전극에 의한 전기장이 충분히 생성되면서 탄소 나노튜브의 성장을 조절할 수 있도록 게이트 전극 간격을 좁고 긴 구조로 설계하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 2 실시예를 나타낸 구성도로서, 게이트 전극 구조가 바닥에 위치한 경우이다. 이때 촉매층의 수직 높이가 게이트 전극보다 위에 위치하여야 하므로 높이 조절 및 기판의 절연막과의 부착력을 증진시키는 버퍼층을 촉매층 밑에 위치시킨다.
탄소 나노튜브는 탄성이 좋으므로 전기장에 의해 휠 수도 있다. 이때 휘는 정도는 탄소 나노튜브의 종류 및 길이 등에 따라 다르다. 최대 수십 나노미터 정도까지 휠 수 있으나 일반적으로 수 나노미터 정도 휠 것으로 예상된다. 따라서, 도 1의 구조에서 탄소 나노튜브가 성장하는 촉매의 폭보다 게이트 전극 사이의 거리가 수십 나노미터 이상 크게 설계한다. 도 2의 경우에는, 필요에 따라 얇은 절연막을게이트 전극 위에 증착시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 3 실시예를 나타낸 구성도로서, 탄소나노튜브를 게이트로 사용하는 구조를 도시하였다.
게이트 전극 내부 버퍼층 위에 촉매층을 패터닝하여 소오스와 드레인 전극 내부 촉매층과 상기 게이트 전극 촉매층 높이를 버퍼층 높이만큼 차이나게 하여, 상기 두 촉매층에서 각각 성장하는 탄소나노튜브를 만나지 않도록 성장시키는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브를 합성함에 있어서 전극면에 수직하게 성장시키는 것이 가능할 수 있지만, 반도체성을 갖게 하면서 원하는 위치로부터 반대편의 촉매층까지 성장하게 하는 것은 매우 어려운 합성이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수평성장 방법의 제 4 실시예를 나타낸 구성도인 도 4에서와 같이, 탄소 나노튜브의 성장을 이끌어 줄 수 있는 성장 가이드로서의 역할을 하는 길을 촉매층과 촉매층 사이에 만들고 탄소나노튜브를 합성할 수 있다. 탄소나노튜브 성장 가이드는 RIE(Reactive Ion Etching) 등의 건식 에칭(dry etching)을 이용하여 매우 정밀하게 만들 수 있다. 성장가이드 양 끝단에 촉매를 증착시키고 그 위에 전극을 증착시킨다. 게이트 전극은 가이드 옆으로 길게 위치한다. 게이트 전극은 도 4와 같이 절연막 표면에 위치할 수도 있고 게이트 전극도 촉매층같이 에칭된 자리에 놓여 있어서 촉매층이나 나노튜브와 수평위치에서 전기장을 가해줄 수도 있다.
본 발명에 따른 열화학기상법에 의해 수평으로 합성된 탄소나노튜브는 상기선행 특허출원의 성장방지막으로 쓰이는 물질을 몰리브덴, 니오븀, 팔라듐 또는 텅스텐 금속으로 하여, 성장방지막으로서의 역할 외에도 전극으로서의 역할을 동시에 수행하였다. 따라서, 상기 선행 특허출원의 공정 단계를 줄이는 효과와 더불어 FET(Field Effect Transistor), 터널링 트랜지스터(Tunneling Transistor) 소자를 제공한다. 또한, 게이트 전극으로 탄소나노튜브를 두 개 이상 위치시킬 경우, 게이트-바이어스(gate-bias)에 따라서 SET(Single Electron Transistor) 또는 콘도 공명(Kondo Resonance)을 이용한 콘도(Kondo)소자를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 알루미나 기판 위에 이산화규소 절연막을 형성하는 제 1단계;
    상기 절연막 위에 소정의 촉매층을 패터닝하는 제 2단계;
    상기 패터닝한 촉매 위에 몰리브덴, 니오듐, 파라듐 및 텅스텐으로 이루어진 그룹중 하나를 선택하여 이를 이용해 소오스 및 드레인 전극을 형성시키고, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이에 게이트 전극을 형성시키는 제 3단계;
    상기 단계들을 거친 결과 생성물을 700 내지 900℃의 온도를 유지하는 열화학기상증착 장치의 반응로에 넣은 후, 탄화수소 반응 가스를 포함하는 운반가스를 흘려주어 노출된 촉매 패턴 위치에서 탄소나노튜브를 성장시키는 제 4단계를 포함하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 게이트 전극은 소오스 및 드레인전극과 동일한 높이인 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2단계에서 절연막 위에 추가로 버퍼층을 형성시키는 후 버퍼층 위에 소정의 촉매층을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 4단계의 게이트 전극은 소오스와 드레인 사이의 버퍼층 정도의 높이인 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2단계에서 절연막 위에 추가로 버퍼층을 형성시킨 후 버퍼층 및 절연막 위에 촉매를 패터닝하는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 게이트 전극 내부 버퍼층 위에 촉매층을 패터닝하여 상기 소오스와 드레인 전극 내부 촉매층과 상기 게이트 전극 촉매층 높이를 상기 버퍼층 높이만큼 차이나게 하여, 상기 두 촉매층에서 각각 성장하는 탄소나노튜브를 만나지 않도록 성장시키는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2단계에서 추가로 건식 에칭 방법으로 탄소나노튜브 성장 가이드를 형성시킨 후 탄소나노튜브 성장 가이드 내부에 소정의 촉매를 패터닝하는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 수평 성장 방법.
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