KR100491972B1 - 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 크게 흡수하지 않고 투과할 수 있는 기재위에서 반도체 나노막대를 성장시키고 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 기재에서 분리시킴으로써 크기가 균일한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있도록 한 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 산화아연 나노막대 및 기타 나노막대에 특정 파장을 가지는 레이저 빔을 조사시켜 나노막대와 기재의 선택흡수에 의해 발생하는 열팽창 차이로 인한 응력을 이용하여 기재와 나노막대를 분리시킴으로써 고밀도 고효율의 나노소자 개발에 적용할 수 있도록 한 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 레이저를 크게 흡수하지 않고 투과할 수 있는 기재위에 반도체 나노막대를 성장시키고 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 기재에서 분리시킴으로써 크기가 균일한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있는 방법으로서, 레이저가 크게 흡수되지 않고 투과할 수 있는 기재위에 성장된 반도체 나노막대를 레이저를 이용하여 분리시키는 본 발명의 방법에 의하면 두께가 균일하고 길이가 일정한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다.

Description

레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법{Semiconductor nanorods separated by laser irradiation and their separation method}

본 발명은 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 레이저를 크게 흡수하지 않고 투과할 수 있는 기재위에서 반도체 나노막대를 성장시키고 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 기재에서 분리시킴으로써 크기가 균일한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있도록 한 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 산화아연 나노막대 및 기타 나노막대에 특정 파장을 가지는 레이저 빔을 조사시켜 나노막대와 기재의 선택흡수에 의해 발생하는 열팽창 차이로 인한 응력을 이용하여 기재와 나노막대를 분리시킴으로써 고밀도 고효율의 나노소자 개발에 적용할 수 있도록 한 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법에 관한 것이다.

한편, 본 발명은 반도체 나노막대를 기재로부터 분리시키는 방법으로서, 더 상세하게는 레이저를 크게 흡수하지 않고 투과할 수 있는 기재 위에 반도체 나노막대를 성장시키고 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 기재로부터 분리시킴으로서, 크기가 균일한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있는 나노막대 분리방법에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 기재와 성장층을 분리시키는 기술은 GaN을 이용한 초박형 수직구조 LED를 개발하기 위해서 레이저 기술을 이용하여 3~4 미크론 두께의 GaN 박막을 사파이어 기재로부터 떼어내고, 상기 박막의 상하부면에 금속 전극층을 만들기 위해서 발전된 기술이다. 그 동안 제록스사를 비롯한 여러 관련회사들은 레이저로 조각시편의 GaN 박막을 사파이어 기재로부터 분리하려는 연구를 지속하고 있다. 한편, 오리올사에서는 조각시편이 아닌 2인치 웨이퍼 전체를 분리하는 양산형 기술을 개발한 바가 있다.

상기와 같이 레이저를 이용한 기재와 성장층의 분리 방법은 주로 사파이어 기재위에 성장된 GaN 박막에 대한 연구가 대부분이었고, 나노막대에 대한 시도는 전무한 실정이다. 또한 레이저 방법 이외에 기재 분리에 대한 다른 방법은 입자크기가 100, 30 그리고 10mm의 SiC 분말을 사용하여 래핑(lapping)을 한 후 입자 크기가 30, 10, 3mm인 다이아몬드로 연마하여 사파이어 기판을 제거하는 방법이 있었는데, 이 방법을 사용하는 경우 기계적 연마에 의한 GaN 후박에 크랙(crack)이 생기는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 빔을 크게 흡수하지 않고 투과시킬 수 있는 기재상에 반도체 나노막대를 성장시키고 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 기재에서 분리시킴으로써 크기가 균일한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있도록 한 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 즉, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 산화아연 나노막대 및 기타 나노막대에 특정 파장을 가지는 레이저 빔을 조사시켜 나노막대와 기재의 선택흡수에 의해 발생하는 열팽창 차이로 인한 응력을 이용하여 기재와 나노막대를 분리시킴으로써 고밀도 고효율의 나노소자 개발에 적용할 수 있도록 한 반도체 나노막대를 제공하는데 있다.

한편, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 기재위에 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 분리시킴으로써 나노막대의 손상없이 균일한 크기를 가지는 나노막대를 대량으로 생산할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

다른 한편, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 단일 나노소자 및 복합 나노소자의 집적화를 통해 고효율, 고집적, 복합기능의 나노소자의 개발을 가능하게 할 수 있는 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법은, 레이저를 흡수하지 않고 투과시키는 기재위에서 나노막대를 성장시키는 성장단계와; 상기 성장단계에서 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 상기 기재에서 분리시키는 단계를 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기재위에서 성장되는 나노막대의 재질은 레이저를 흡수하는 재질인 ZnO, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, Ge 및 카본나노튜브 중의 어느 하나이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기재의 재질은 레이저를 흡수하지 않고 투과시키는 재질인 유리, 석영(quartz), 실리콘, GaAs, InP 및 산화물 중의 어느 하나이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저의 파장 에너지는 상기 나노막대의 밴드갭과 상기 기재의 밴드갭 사이에 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 따른 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법은, 도 1에 도시한 바와 같이 레이저(1)를 이용하여 기재(3)와 나노막대(10)의 밴드갭 차이에 의하여 발생하는 단파장(UV) 영역에 대한 선택적 흡수로 인하여 기재(3)와 나노막대(10) 계면에서 열팽창 계수 차이로 인한 응력이 발생하고 이러한 열응력에 의해서 기재(3)와 나노막대(10)를 분리시키는 방법에 대한 것이다.

예를 들어, 밴드갭이 9.9eV인 사파이어 기재(3)는 248nm 영역에 대한 레이저 파장을 투과시키지만 산화아연 나노막대(10)는 밴드갭이 3.4eV 이므로 레이저 파장을 흡수한다. 이러한 흡수된 에너지는 열에너지로 바뀌어 사파이어 기재(3)와 산화아연 나노막대(10) 계면에서 열팽창계수 차이에 의한 응력을 발생시키는데, 이러한 응력으로 인하여 사파이어 기재(3)와 산화아연 나노막대(10)가 분리된다.

도 1에 도시한 바와 같은 본 발명 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법의 구체적인 프로세스에 있어서, 사파이어 기재(3)위에 산화아연 나노막대(10)를 유기금속화학증착법으로 증착시키고, 증착시킨 산화아연 나노막대(10)를 에폭시(7)를 이용하여 실리콘 기재(5)위에 접착시킨다. 이를 248nm의 파장을 가지는 엑시머 레이저(1)로 단일 샷의 에너지 밀도를 200mJ/cm²에서부터 1J/cm²까지 변화시켜 가면서 기재(3)와 나노막대(10)를 분리한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기와 같이 기재(3)와 나노막대(10)의 분리시, 200mJ/cm² ~ 1J/cm²의 범위내에서 나노막대(10)가 손상없이 기재로부터 분리되었고, 엑시머 레이저(1)의 에너지 밀도가 200mJ/cm²미만에서는 기재(3)과 나노막대(10)의 분리가 이루어지지 않았다.

본 발명에 사용가능한 나노막대는 기재의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 지닌 모든 나노막대가 가능하고, 기재와 나노막대의 밴드갭 에너지의 중간에 해당하는 파장을 가지는 레이저를 조사시켜 해당 기재와 나노막대를 분리하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서 나노막대를 구성하는 재질로는 ZnO, GaN, Si, InP InAs, GaAs, Ge 및 카본나노튜브 등을 들 수 있다.

한편, 본 발명은 다양한 증착법을 이용하여, 전술한 바와 같이 기재 위에 수직 내지는 일방향, 바람직하게는 수직으로 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 나노막대와 기재의 선택흡수에 의해 발생하는 열에너지 차이로 인한 응력을 이용하여 기재와 나노막대를 분리시킬 수 있는데, 그 과정을 도 1 내지 도 3을 참조하여 보다 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

유기금속화학증착법을 이용하여 사파이어 기재(3)위에 산화아연 나노막대(10) 및/또는 자성체/산화아연 나노막대를 성장시킨다(S10).

S10 단계에서 성장시킨 산화아연 나노막대(10) 및 자성체/산화아연 나노막대에 대하여 KrF(248 nm) 엑시머 레이저(1)를 이용하여 (100mJ/cm², 5Hz)에 해당하는 레이저(빔)(1)을 사파이어 기재(3)에 다양한 각도로 조사한다(S20). 이때 레이저 에너지 밀도는 200mJ/cm²로 한다.

상기와 같이 레이저(빔)(1)을 사파이어 기재(3)에 조사하였을 때, 특히 레이저(빔)(1)을 사파이어 기재(3)에 수직으로 조사하였을 때, 사파이어 기재(3)와 산화아연 나노막대(10)가 분리되기 시작하는 것을 광학현미경(×100)으로 관찰할 수 있다(S30). 그리고, 산화아연 나노막대(10)가 사파이어 기재(3)로부터 분리되기 시작하였을 때의 산화아연 나노막대(10)에 대하여 주사전자현미경(SEM)을 이용해 기재(3)와 산화아연 나노막대(10)의 계면을 관찰할 수 있는데, 이를 도 2에 나타내 보였다. 또한, 레이저 빔이 조사되는 부분과 조사되지 않는 부분에 대하여 SEM을 이용해 분석하고 레이저 빔의 에너지 밀도를 일정하게 유지하면서, 단지 레이저 빔의 크기를 변화시키면서 나노막대의 손상없이 기재로부터 분리되는 최적의 조건을 산출할 수 있다.

참고로, 사파이어 기재(3)를 분리시키기 전의 산화아연 나노막대(10)의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 2a에 나타내 보였고, 사파이어 기재(3)와 분리된 산화아연 나노막대(10)의 SEM 사진을 도 2b에 나타내 보였다.

이로써 본 발명에 따르면 다양한 기재 예를 들면 유리, 석영(quartz), 실리콘, GaAs, InP, 산화물 등 위에 수직 내지는 일방향으로 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 나노막대의 손상없이 균일한 크기를 가지는 나노막대를 기재로부터 분리하여 획득할 수 있다(S40). 본 발명에 사용가능한 나노소재는 수직 내지는 일방향으로 성장되어 있는 것이면 모든 종류의 나노소재가 사용가능하며, 그의 구체적인 종류로는 ZnO, GaN, Si, Inp 및 자성체 나노막대 등을 들 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법은, 레이저 빔을 크게 흡수하지 않고 투과시킬 수 있는 기재위에서 반도체 나노막대를 성장시키고 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 기재에서 분리시킴으로써 크기가 균일한 나노막대를 대량으로 생산할 수 있도록 하는 이점을 제공한다. 즉, 본 발명은 산화아연 나노막대 및 기타 나노막대에 특정 파장을 가지는 레이저 빔을 조사시켜 나노막대와 기재의 선택흡수에 의해 발생하는 열팽창 차이로 인한 응력을 이용하여 기재와 나노막대를 분리시킴으로써 고밀도 고효율의 나노소자 개발에 적용할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.

그리고, 본 발명은 기재위에 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 분리시킴으로써 나노막대의 손상없이 균일한 크기를 가지는 나노막대를 대량으로 생산할 수 있는 이점을 제공한다.

또한, 본 발명은 단일 나노소자 및 복합 나노소자의 집적화를 통해 고효율, 고집적, 복합기능의 나노소자의 개발을 가능하게 할 수 있는 이점을 제공한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 나노막대/기재의 분리에 대한 제조 개념도이고;

도 2a는 본 발명의 실시예에 있어서 나노막대가 기재로부터 분리되기 전의 주사전자현미경(SEM) 사진 도면.

도 2b는 본 발명의 실시예에 있어서 산화아연 나노막대가 기재로부터 분리된 후의 주사전자현미경(SEM) 사진 도면.

도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법의 공정 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...레이저(빔)

3...사파이어 기재

5...실리콘 기재

7...에폭시

10...산화아연 나노막대

Claims (4)

1. 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법에 있어서,

   레이저를 흡수하지 않고 투과시키는 기재위에서 나노막대를 성장시키는 단계;

   상기 단계에서 성장된 나노막대를 레이저를 이용하여 상기 기재에서 분리시키는 단계를 포함하고,

   상기 기재위에서 성장되는 나노막대의 재질은 레이저를 흡수하는 재질인 ZnO, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, Ge 및 카본나노튜브 중의 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 기재의 재질은 레이저를 흡수하지 않고 투과시키는 재질인 유리, 석영(quartz), 실리콘, GaAs, InP 및 산화물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 레이저의 파장 에너지는 상기 나노막대의 밴드갭과 상기 기재의 밴드갭 사이에 있는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용하여 기재로부터 나노막대를 분리시키는 방법.