KR100633494B1 - 미세 구조 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

미세 구조를 형성하는 방법이 설명된다. 본 방법은, 기판상에 시드 물질을 증착하는 단계와, 시드 물질로부터 나노튜브를 성장시키는 단계와, 나노튜브를 미세 구조 물질에 매립시키기 위하여 기판상에 미세 구조 물질을 증착하는 단계와, 미세 구조를 방출하기 위하여 기판을 분리하는 단계를 포함한다. 그 결과 생성되는 미세 구조는 몸체부와, 그 몸체부에 매립된 나노튜브를 포함한다.
미세, 나노튜브, 증착, 성장, 팁

Description

미세 구조 형성 방법{METHOD FOR FORMING A MICROSTRUCTURE}
본 발명은 일반적으로 미세 구조(microstructure)에 관한 것이고, 특히 검경(microscopy) 및 데이터 저장을 포함하는 응용을 위한 탄소 나노튜브 팁(carbon nanotube tip)을 결합한 미세 구조에 관한 것이다.
원자력 검경(Atomic Force Microscopy; AFM)은 주지된 형태의 주사 탐침 검경(Scanning Probe Microscopy; SPM)이다. 종래에 AFM은 표면 화상화(surface imaging), 나노미터 규모의 분석 및 조작 응용 분야에서 사용되었다. AFM에서 화상화는, 캔틸레버(cantilever)의 일단에 위치한 팁(tip) 형태의 센서와 화상화될 샘플간에 발생하는 힘을 감지함으로써 얻어진다. 이하에서는 편의상 상기 팁과 캔틸레버의 결합을 팁 조립체라고 부를 것이다. 팁은, 고도의 국부적으로 제한된 상호 작용을 제공하기 위한 상당히 신뢰할 수 있는 수단이다. 이러한 특성은 나노기술 분야에서 하나의 응용 분야를 개척하였다. 예를 들어, "P. Vettiger" 등이 기술한 "The Millipede - More than one thousand tips for future AFM data storage (IBM Journal of Research and Development. Vol. 44 No. 3, May 2000)"에서, 종래 메모리 소자에 비하여 작은 폼 팩터(form factor), 고용량, 저전력 및 저비용을 제공하는 AFM 탐침 기술에 기초한 데이터 저장 장치가 설명되었다. 이러한 저장 장 치에서 얻을 수 있는 저장 밀도는 팁의 내구성 및 품질에 의존한다. 따라서, 비용 효율이 높은 공정을 통하여 이러한 팁에 최적의 내구성 및 품질을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한 이러한 센서의 고도로 집적된 어레이(array)를 생성하는 것이 바람직할 것이다.
종래의 AFM 장치에서, 팁 조립체는 장치의 공간 해상도를 좌우하며, 장치의 소유 총비용(total cost of ownership; TCO)의 상당 부분을 차지한다. 팁 조립체의 캔틸레버는 전형적으로 수제이거나 일괄적으로 미세 제작된다(batch microfabricated). 장치에서, 캔틸레버의 일단은 고정되고 다른 일단은 자유로운 상태이다. 팁은 자유로운 일단에 위치한다. 동작시, 캔틸레버는 팁과 탐침되는 샘플의 표면간의 상호작용력의 감지를 가능하게 한다. 이러한 장치에 의하여 행해지는 표면 관찰은 샘플 표면 토포그래피(topography)와 팁의 모양의 함수이다. 노이즈를 최소화하기 위해서, 팁을 최대한 날카롭게 하는 것뿐만 아니라, 팁의 종횡비(aspect ratio)를 최대한 높이는 것이 바람직하다. 팁의 종횡비는 팁의 원뿔각(cone angle)의 역함수이다. 그러나, 팁의 종횡비가 증가할수록, 팁은 더욱 파손되거나 마모되기 쉬워진다. 통상, 팁의 모양은 팁의 강인성과 화상화 품질간의 절충에 의하여 결정된다.
종래의 팁 조립체의 일 예는 집적 실리콘 팁을 구비하는 미세 제조 캔틸레버를 포함한다. 수제 캔틸레버에 비해서는 제조 비용을 절감할 수 있으나, 본 기술은 여전히 상대적으로 고가이다. 더욱이, 실리콘 팁은 통상적인 동작 중 마모되기 쉽다. 팁의 마모는 일관되지 않은 화상화 결과를 가져올 수 있다. 또한, 팁의 마 모에 의하여 팁이 장비의 소모품이 됨으로써, 정기적인 팁 모니터링의 필요와 교체 시간 비용을 발생시킨다. 이러한 모니터링과 팁 교체의 필요를 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
WO 99/56176은 끝을 씌운 캔틸레버(tipped cantilever)를 제조하는 방법을 개시하는데, 상기 방법은 기판에 팁 형태의 인덴트(indent)를 형성하는 단계와, 상기 팁 형태의 인덴트를 채우고 상기 기판의 적어도 일부를 덮는 포토레지스트 층을 퇴적하는 단계와, 포토레지스트의 밖으로 끝을 씌운 캔틸레버를 형성하기 위하여 포토리쏘그래피에 의하여 상기 포토레지스트 층을 구조화하는 단계를 포함한다. 본 방법은 상술된 실리콘 기술보다 낮은 비용으로 플라스틱 캔틸레버를 일괄적으로 미세 제작하는 데에 적합하다.
"G. Genolet" 등이 기술한 "Soft, entirely photoplastic probes for scanning force microscopy (Review of Scientific Instruments, vol. 70, no. 5, 1999년 5월, 2398-2401쪽)"에서, 전체가 주사 탐침 검경용 플라스틱 물질로 된 탐침이 개시되어 있다. 캔틸레버를 형성하는 데에는 폴리머가 사용된다. 상기 폴리머는 전통적인 실리콘 기술에 의하여 얻기 어려운 기계적 특성을 제공한다. 상기 제조 공정은, 상기 집적된 팁과 레버가 하나의 포토리쏘그래피 단계에서 정해지는 일괄 공정이다.
"R. Stevens" 등이 기술한 "Improved fabrication approach for carbon nanotube probe devices (Applied Physics Letters, vol. 77, no. 21, 2000년 11월 20일)"은 탄소 나노튜브 탐침 장치의 간단하고 효율적인 제조를 위한 개선된 공정 을 개시한다. 상기 공정은 두 단계를 요한다. 우선, 나노튜브 카트리지가 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 생성된다. 이어서, 상기 나노튜브가 전기장을 이용하여 상기 카트리지로부터 장치로 전송된다.
탄소 나노튜브가 탑재된 실리콘 및/또는 실리콘 질화물 팁은, 예를 들어 PIEZOMAX Technologies Inc.로부터 구매 가능하다. 나노튜브는 성장되고, 이어서 이러한 팁에 수동으로 탑재된다. 부착된 나노튜브의 길이는, 교차로 이루어지는 단축 및 재검사 단계의 연속에 의하여 반복적으로 조절된다. 이러한 순차적인 생산 공정은 시간 소모적이고 고가일 뿐만 아니라 일괄 제조에 적합하지 않다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 더욱이, 팁 조립체의 강인성은 나노튜브와 팁간의 결합에 의하여 좌우된다.
일반적으로, 현존하는 제한을 갖는 상술된 종래 기술에 따라 생산된 팁 조립체의 품질 및 내구성은, 현재 이러한 장치에 대하여 예상되는 응용 분야를 위한 최적의 수준에 미치지 못한다. 또한, 종래의 방법을 통한 이러한 팁 조립체의 재현성(reproducibility)은, 추가적인 비용을 부담하지 않고는 달성하기 어렵다. 따라서, 상술된 바와 같이, 최적의 품질, 내구성 및 다용도성을 갖춘 팁 조립체를 저비용으로 제조할 수 있도록 하는 미세 구조를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따르면, 미세 구조(microstructure)를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 기판상에 시드 물질(seed material)을 퇴적(depositing)하는 단계와, 상기 시드 물질로부터 나노튜브를 성장시키는 단계와, 상기 기판상에 미세 구조 물 질을 퇴적함으로써 상기 나노튜브를 미세 구조 물질 내에 매립하는 단계와, 상기 미세 구조를 방출(release)하기 위하여 상기 기판을 분리(detaching)하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 미세 구조의 방출 전에 상기 미세 구조 물질을 형상화(shapping)하는 단계를 더 포함한다. 상기 미세 구조 물질은 폴리머, 유전체, 금속, 및 폴리실리콘 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 기판은 실리콘, 유리, 석영, 세라믹, 및 플라스틱 중 하나로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 시드 물질은 제1 및 제2 선구 물질(precursor material)의 교차층(alternating layers)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 제1 선구 물질은 풀러렌 물질(fullerene material)이고, 상기 제2 선구 물질은 장 감지 물질(field sensitive material)일 수 있다. 상기 풀러렌 물질은 카본 60(Carbon 60) 및 카본 82(Carbon 82) 중 하나일 수 있고, 상기 장 감지 물질은 Ni, Co, Fe 및 Mo 중 하나일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 풀러렌 물질은 카본 60이고, 상기 장 감지 물질은 니켈을 포함한다. 바람직하게는, 상기 나노튜브를 성장시키는 단계는, 상기 기판을 진공 조건에서 가열하는 단계 및 상기 기판에 장(field)을 인가하는 단계를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 진공 조건은 10-5mbar 이상의 산소 압력을 포함한다. 바람직하게는, 상기 가열하는 단계는, 상기 기판의 온도를 섭씨 900 내지 1000도까지 상승시키는 단계를 포함한다. 상기 인가되는 장은 자기장을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 자기장은 상기 기판의 표면에 수직으로 인가된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 자기장은 50가우스 이상이다. 추가적 또는 선택적으로, 상기 인가되는 장은 전기장일 수 있다. 바람직하게는, 상기 전기장은 상기 기판의 표면에 수직으로 인가된다. 바람직하게는, 상기 분리하는 단계는, 캔틸레버 물질의 퇴적 전에 상기 기판의 표면상에 희생층(sacrificial layer)을 퇴적하는 단계와, 상기 미세 구조 물질의 퇴적 후에 상기 희생층을 전해액에 담그는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 희생층은 애노드 서브층(anode sub-layer) 및 캐쏘드 서브층(cathode sub-layer)을 포함한다. 상기 애노드 서브층은 Al, Zn, Cr, Fe 및 Co 중 하나를 포함할 수 있고, 상기 캐쏘드 서브층은 귀금속(noble metal)을 포함한다. 상기 캐쏘드 서브층은 Au, Pd, Pt, Ag 및 Cu 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 시드 물질을 증착하는 단계는, 상기 기판상에 포토레지스트층을 퇴적하는 단계와, 상기 레지스트층에 개구(aperture)를 형성하는 단계와, 상기 시드 물질을 상기 개구에 의하여 정해지는 상기 기판상의 장소에 위치시키기 위하여 상기 기판을 레지스트층으로 마스킹하는 단계와, 잉여 시드 물질을 제거하기 위하여 상기 레지스트층을 제거하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 개구를 형성하는 단계는, 상기 레지스트층에 공동(cavity)을 생성하기 위하여 상기 레지스트층을 언더 에칭(under-etching)하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 미세 구조 물질을 수용하기 위한 주형(mold)을 생성하기 위하여 기판에 팁의 형상(image)을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 팁의 형상을 형성하는 단계는, 상기 기판상에 포토레지스트층을 증착하 는 단계, 상기 포토레지스트층에 개구를 형성하는 단계, 및 상기 팁의 형상을 생성하기 위하여 상기 포토레지스트층 밑의 상기 기판을 언더 에칭하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 시드 물질을 증착하는 단계는, 상기 시드 물질을 상기 팁의 상의 정점(apex)에 위치시키기 위하여 상기 기판을 상기 레지스트층으로 마스킹하는 단계 및 잉여 시드 물질을 제거하기 위하여 상기 레지스트층을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 형태에 의하면, 몸체부와, 상기 몸체부에 매립된 나노튜브를 포함하는 미세 구조가 제공된다.
상기 몸체부는 나노튜브가 매립된 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 포함하는데, 상기 나노튜브는 상기 빔의 일단으로부터 측면으로 연장된다. 마찬가지로 또는 추가적으로, 상기 몸체부는, 나노튜브가 매립되어 있고 측면으로 연장되는 팁을 포함할 수 있는데, 상기 나노튜브는 상기 팁의 정점(apex)으로부터 연장된다. 상기 몸체부는 폴리머, 유전체, 금속 및 폴리실리콘 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명이 상술된 바와 같은 미세 구조를 포함하는 미세 기계 감지기(micromechanical sensor)를 포함한다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 저장 매체 표면상의 데이터를 판독하거나 저장 매체 표면상에 데이터를 기록하는 이러한 감지기의 어레이를 포함하는 데이터 저장 장치도 포함한다.
본 발명에서의 나노튜브는 팁 물질에 매립되므로, 본 발명은 본 명세서에서 설명된 종래의 팁 조립체보다 강한 팁 조립체를 제공할 수 있다는 장점을 갖는다. 또 다른 장점은, 상기 나노튜브는 분석되는 표면에 더 작은 정점 반경(apex radius)을 제공하므로, 화상화 해상도를 크게 개선할 수 있다는 점이다. 또한, 상기 나노튜브는 더 높은 높이 대 너비 비를 제공하므로, 더 거친 표면의 화상화가 가능하다. 또한, 상기 나노튜브는 전기적 복원력(electrical resilience)을 가지며, 그에 의하여 팁 조립체에 추가적인 강인성과 개선된 접촉력을 제공할 수 있다. 또한, 나노튜브는 거대 분자(macromolecule)로서, 생화학적 성질의 분자와 같은 다른 분자로서 팁 기능을 할 경우에 예측 가능한 플랫폼을 제공함으로써, 화학적 및 생물학적 주사 탐침 감지기의 제조를 가능하게 한다.
바람직하게는, 상기 감지기는 팁의 정점부로부터 연장되는 나노튜브 다발을 포함한다. 바람직하게는, 상기 다발은 팁의 정점부로부터 돌출된다. 상기 캔틸레버 빔은 포토플라스틱 물질, 금속 및 폴리실리콘 중 하나일 수 있다.
본 발명은 또한 저장 매체 표면상의 데이터를 판독하고 저장 매체 표면상에 데이터를 기록하는 상술된 바와 같은 감지기의 어레이를 포함하는 데이터 저장 장치를 포함한다.
아래의 바람직한 실시예의 설명을 숙독하면, 본 발명의 다른 장점이 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가, 아래의 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1a-1j는 본 발명에 따른 미세 구조를 제조하는 방법의 단계를 도시하는 도면.
도 2a-2i는 본 발명에 따른 미세 구조를 제조하는 또 다른 방법의 단계를 도시하는 도면.
도 3은 팁 어레이(an array of tips)를 포함하는 로컬 탐침 저장 장치의 블록도.
본 발명에 따른 미세 구조를 제조하는 방법의 일 예가 도 1을 참조하여 설명된다. 도 1의 방법은 주조 가능한 물질로 형성된 팁에 매립된 탄소 나노튜브 결정을 구비하는 미세 기계 캔틸레버 팁 조립체의 형태의 미세 구조의 제조를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 상기 방법은, 나노튜브가 매립된 다른 미세 구조의 제조에 동일하게 적용될 수 있다는 점이 이해될 수 있을 것이다.
우선 도 1a에서, 최초로 포토레지스트 물질의 층(2)이 기판(1)상에 퇴적된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판(1)은 실리콘으로 형성된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 기판(1)은 유리, 석영, 세라믹, 플라스틱 및 이와 유사한 물질을 포함하는 다른 물질로 형성될 수도 있다. 다른 적절한 물질은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 포토레지스트층(2)은 스핀 코팅(spin coating)에 의하여 퇴적된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 포토레지스트층(2)은 물리 기상 증착이나 화학 기상 증착과 같은 다른 기술에 의하여 퇴적될 수도 있다. 레지스트층(2)에 지름이 약 300nm인 개구(3)가 개방됨으로써, 밑에 있는 기판(1)의 실리콘이 노출된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 개구(3)는 포토리쏘그래피에 의하여 개방된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 서, 개구(3)를 개방시키기 위한 다른 기술이 사용될 수도 있을 것이다.
도 1b에서, 이어서 원추형 공동(conical cavity; 4)이 레지스트층(2) 밑의 기판(1)에 형성된다. 공동(4)은 실질적으로, 생성될 감지기의 팁의 형상(image)이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 공동(4)은 레지스트층(2) 밑의 기판(1)을 언더 에칭함으로써 형성된다. 이러한 언더 에칭을 제공하기 위하여 등방성 또는 이방성 플라즈마 에칭이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 공동(4)을 형성하기 위한 다른 기술이 사용될 수도 있다.
도 1c에서, 이어서 나노튜브 시드층(5)이 레지스트층(2)상에 퇴적된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 시드층(5)은 열 증착(thermal evaporation)에 의하여 퇴적된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 시드층(5)은, 물리 기상 증착 또는 화학 기상 증착과 같은 다른 기술에 의하여 퇴적될 수도 있다.
기판(1)이 실리콘으로 형성되는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 보호층이 적어도 공동(4)의 정점(apex)에 배치된다. 상기 보호층은 시드층(5)을 구성하는 물질이 기판(1)으로 확산되는 것을 방지한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 보호층은 실리콘 이산화물로 형성된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 보호층은 몰리브덴으로 형성된다.
시드층(5)은 C60, C70, C82 또는 C116과 같은 풀러렌 분자를 포함하는 제1 선구 물질(precursor material)과, 촉매를 포함하는 제2 선구 물질을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1 선구 물질은 풀러렌 분자 C60을 포함하고, 상기 촉매는 Ni, Co, Fe, Mo 중 선택된 하나 이상의 금속과 같은 자성 물질을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1 및 제2 선구 물질은 교차로 적층된다. 바람직하게는, 각 선구 물질의 5 내지 10개의 층이 이러한 방식으로 엇갈려 배치된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각 선구 물질층은 5 내지 30nm의 두께를 갖는다. 시드층(5)이 퇴적되는 동안, 레지스트층(2)은, 시드층(5)의 일부를 펠릿(pellet; 6) 형태로 공동(4)의 정점으로 인도하는 섀도우 마스크로서 작용한다. 따라서, 시드 물질 국부화와 같은 나노튜브 성장 제어를 위한 조건과 마이크론 규모의 결함(defect)의 존재는 공동(4)의 정점에서 최적화된다.
상기 선구 물질의 증착(evaporation)은 약 10-9토르의 압력에서 수행된다. 이러한 증착의 제어는 상기 선구 물질의 퇴적 속도를 모니터링하기 위한 인 시투 밸런스(in situ balance)를 갖춘 전기기계적 셔터를 통하여 달성된다. 이렇게 증착을 제어함으로써 상기 기판(1)로부터의 거리에 따라 층의 두께가 감소하도록 할 수 있다. 이렇게 두께를 감소시킴으로써 수율이 증가된다. 또한, 두께를 감소시킴으로써 성장하는 나노튜브 결정의 팁 방향으로 운반될 촉매를 감소시킬 수 있다. 일부 촉매, 예를 들어 니켈의 증착은 기술적으로 어렵다. 이러한 어려움 때문에, 제조 공정을 위한 최소 필요량만을 이용하는 것이 바람직하다. 따라서, 층을 얇게 함으로써 촉매의 양을 감소시킬 수 있다. 상기 결정의 성장은 펠릿(6)의 기저에서 시작되므로, 기판(1)으로부터 먼 층으로부터의 물질 운반의 감소는, 상기 층의 두께를 감소시킴에 따라 달성된다.
도 1d에서, 이어서 레지스트층(2)이 제거되며, 그에 의하여 시드 층(5)의 대부분이 제거된다. 그러나, 펠릿(6)은 공동(4)의 정점에 남는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 레지스트층(2)은 습식 또는 건식 에칭에 의하여 제거된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 레지스트층(2)을 제거하기 위한 다른 기술이 사용될 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 펠릿(6)은 300nm 정도의 지름을 갖는다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 시드 펠릿(6)은 그보다 크거나 작은 지름을 가질 수도 있다.
도 1e에서, 이어서 나노튜브 결정(7)이 공동(4)의 정점의 펠릿(6)으로부터 성장한다. 결정(7)은 나노튜브 다발, 또는 더욱 바람직하게는 단일의 나노튜브를 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 진공 조건에서 자기장 또는 전기장 또는 자기장과 전기장의 결합하에서 기판(1)을 가열함으로써 결정(7)의 성장이 활성화된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 기판(1)은 실질적으로 불활성 가스 분위기에서 가열될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판(1)은 섭씨 900 내지 950도로 가열된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 진공 조건은 10-6mbar 이상의 산소 압력에 의하여 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 가열은 기판(1)의 면에 수직으로 인가되는 50가우스 이상 범위의 자기장하에서 수행된다. 결정(7)은 인가되는 자기장의 방향으로 성장하여, 기판(1)의 면에 수직인 방향으로 연장된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 기판(1)의 면에 수직인 방향으로의 결정(7) 의 성장을 촉진시키기 위하여, 결정(7)의 성장은 기판(1)의 면에 수직으로 연장되는 전기장하에서 수행된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 결정(7)의 성장은, 약 3 내지 30분간 수직 자기장하에서 10-6토르의 진공에서 섭씨 950도로 상기 기판을 가열함으로써 촉진된다.
일반적으로, 적은 범위의 가열 시간에 의하여 적절한 성장이 얻어질 수 있다. 가열을 오래하더라도 결과가 상당히 개선되지는 않는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 10-6토르의 진공이 사용될 수도 있다.
펠릿(6)의 부피가 나노튜브 결정(7)의 성장에 수반되는 선구 물질의 총량을 결정한다. 따라서, 펠릿(6)은 나노튜브 결정 물질이 공급되는 선구 물질의 공급원을 제공한다. 펠릿(6)에서의 물질 공급의 선정에 따라서, 나노튜브 결정(7)의 성장에 사용되는 상이한 선구 물질의 양과 위치가 선정된다. 따라서, 선구 물질의 분자의 이동은 펠릿(6) 내로 제한되며, 이로써 성장 및 위치를 더욱 명확히 할 수 있다. 선구 물질의 상대적 농도는 나노튜브 결정(7)의 성장에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 선구 물질을 펠릿(6)으로 제한함으로써, 상기 두 선구 물질간의 비율을 더욱 명확히 할 수 있다.
인가되는 장이 강할수록, 결정으로 성장할 수 있는 펠릿(6)이 커지는데, 이는 제2 선구 물질을 인도하는 힘이 더 강하기 때문이다. 펠릿(6)의 모양은 원 또는 사각형일 필요는 없다. 다른 모양도 가능하다. 그러나, 대칭의 이유로 인하여 원형이 바람직하다. 다발은 단일의 나노튜브에서 수백만의 나노튜브까지 가능하다.
나노튜브 결정(7)의 위치를 제어할 수 있도록 결정핵형성 장소(nucleation site)가 기판(1)상에 위치될 수 있다. 상기 결정핵형성 장소는, 예를 들어 텅스텐과 같은 물질을 레지스트층(2)을 통하여 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 레지스트층(2)은 섀도우 효과(shadowing effect)를 가지므로, 선구 물질을 위한 증착기로부터 충분히 멀리 위치된 결정핵형성 물질을 위한 증착기는, 자동적으로 펠릿(6) 근처에 결정핵형성 장소를 생성한다. 펠릿(6)의 교차하는 선구 물질층의 측면 부정합(lateral misalignment)을 방지하기 위하여, 선구 물질을 위한 증착기들을 최대한 서로와 가깝게 배치하는 것이 바람직하다.
앞서 지적된 바와 같이, 풀러렌과 촉매 물질이 순차적으로 증착됨으로써 소망하는 필렛(6) 구조를 생성하는 것을 보장하기 위하여, 증착 속도를 모니터링하기 위한 인 시투 석영 결정 마이크로-밸런스(in situ quartz crystal micro-balance)와 결합된 전기기계적 셔터링이 사용될 수 있다. 이러한 기술은 개구(3)와 기판(1)의 상대적인 위치에 의하여 결정되는 장소에 펠릿(6)을 생성한다. 기판(1)의 선택은 풀러렌 및 촉매 물질의 선택에 의하여 영향받을 수 있다.
실리콘 웨이퍼상에 스퍼터링된 경막 형태의 실리콘 이산화물 또는 몰리브덴으로 된 기판(1)에 의하여 무난한 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판 상에 C60 및 니켈의 교차층으로 된 펠 릿(6)을 퇴적한 후, 10분 내지 한시간 사이의 선택된 시간 동안 10-6mbar의 진공에서 섭씨 950도로 가열한다. 열처리 중 기판 표면에 수직인 방향의 자기장을 기판에 인가함으로써, 나노튜브(7)의 성장이 기판 표면에 수직으로 향하게 된다. 약 1.5테슬라 세기의 자기장이면 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 전기장, 전자기장 또는 자기장의 인가는 단일벽(single-walled) 탄소 나노튜브의 자기 조립(self assembly) 및 조직화(organization)의 방향을 지시한다. 전기장은 교류장 또는 직류장일 수 있다. 전자기장은 레이저와 같이 광에 가까운 장일 수도 있다. 또한, 성장 중에 원자력 또는 반데르발스(Van der Waals) 힘이 인가될 수도 있다.
제2 선구 물질의 이동 방향은 인가되는 장에 의존한다. 따라서, 장과 제2 선구 물질은 협력하여, 제2 선구 물질이 장에 의하여 이동될 수 있도록 한다. 이러한 특성은, 제2 선구 물질이 자성을 갖거나, 전하를 갖거나, 이들 모두를 갖거나, 인가되는 장에 의하여 영향을 받아 이동력을 발휘하는 다른 어떤 특성을 갖기 때문일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 생성된 나노튜브 다발(7)은 전형적으로 40 내지 900nm의 지름과, 2마이크론까지의 길이를 갖는다. 본 나노튜브는 기판에 수직인 일직선의 다발을 형성하는 일직선의 단일벽(single-wall) 탄소 나노 튜브이다. 상기 다발의 벽 지름(wall diameter)은 실질적으로 균일하며 1.4 내지 2.3nm의 범위이다. 벽 지름과 다발 지름(bundle diameter)간에는 음의 상관관계가 있는데, 작은 지름의 다발에서는 큰 벽 지름이 많은 반면, 큰 지름의 다발에서는 작은 벽 지름이 많다. 전형적인 다발은, 종단이 완만하고, 길이가 약 750nm, 지름이 약 20 내지 100nm이며, 그 내부의 각 나노튜브의 지름이 약 1.6nm이다. 이러한 나노튜브에는 실질적으로 불균일성(inhomogeneity)이나 결함(defect)이 없다. 이러한 주목할만한 구조적 완벽성은 상술된 나노튜브 성장 기술을 이용하여 생성된 나노튜브의 특징이다. 본 기술의 보다 상세한 설명은 동 출원인에 의하여 출원되었으며 내부 참조 번호가 CH9-2001-0071인 특허 출원에서 제공된다.
도 1f에서, 희생층(8)이 기판(1)상에 퇴적된다. 희생층(8)은 물리 기상 증착 또는 화학 기상 증착을 포함하는 다양한 기술 중 어느 것에 의해서도 퇴적될 수 있다.
희생층(8)은 상이한 산화 환원 전위(oxido-reduction potential)를 갖는 두 가지 도전성 전극 물질을 포함한다. 희생층(8)을 구성하는 두 가지 물질의 퇴적은, 이들 사이에 전기적 콘택이 존재하도록 수행된다. 상기 물질들은 함께 갈바닉 전지(galvanic cell)를 형성하는데, 각 물질이 전지의 서로 다른 전극을 형성한다. 산화 환원 전위가 높은 전극이 캐쏘드를 형성하고 산화 환원 전위가 낮은 전극이 애노드를 형성한다. 상기 전지는 충분한 전기화학적 전위를 가지므로, 희생층(8)이 적절한 전해질에 담겨졌을 때 상기 물질 중 하나가 전해 에칭(electro-etching)된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 생성될 감지지와 함께 캐쏘드가 방출되지 않도록, 우선 캐쏘드가 퇴적되고 이어서 애노드가 상기 캐쏘드상에 퇴적된다. 상기 전극들은 금속 또는 도핑된 반도체로 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 캐쏘드는 기판(1)에 의하여 제공될 수도 있다.
전극은 금속으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 캐쏘드는 Au, Pd, Pt, Ag, Cu 또는 이와 유사한 귀금속을 포함할 수 있고, 애노드는 Al, Zn, Cr, Fe, Co 또는 이와 유사한 금속으로부터 선택된 금속이거나, 도핑된 반도체일 수 있다.
전해 에칭의 효율을 최대로 하기 위해서는, 애노드와 캐쏘드의 산화 환원 전위간의 차이가 최대한 커야 한다. 애노드를 에칭하거나 애노드의 에칭을 향상시키기에 충분한 전위를 가진 갈바닉 전지를 형성하기 위하여 전해질은 액상 또는 기상 형태로 도입될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 전해질은 애노드 물질을 에칭하는 것으로 알려진 산성 용액이다. 애노드 및 캐쏘드는 매우 얇지만(약 10nm의 범위), 고도의 제어가 가능하고 신속한 언더 에칭을 제공한다.
이러한 희생층 방출 기술의 상세한 설명은 동 출원인에 의하여 출원되었으며 내부 참조 번호가 CH9-2000-0081인 특허 출원에서 제공된다. 주형으로부터 미세 구조를 방출하기 위하여 상술된 희생층 방출 기술을 사용함으로써 얻는 이점은, 상기 기술이 미리 구조화된 기판으로부터 미세 구조를 방출하기에 적합하다는 점이다.
도 1g에서, 이어서 캔틸레버 물질층(9)이 희생층(8)상에 증착된다. 캔틸레버 물질(9)은 물리 기상 증착 또는 화학 기상 증착을 포함하는 다양한 기술 중 어느 것에 의해서도 증착될 수 있다. 도 1h에서, 이어서 캔틸레버 물질이 형상화(shaping)된다. 도 1i에서, 이어서 캔틸레버의 몸체부(10)가 캔틸레버층(9)상에 퇴적된다. 이어서 상기 몸체부가 형상화된다. 도 1h 및 1i을 참조하여 상술된 형상화하는 단계는 리쏘그래피, 습식 에칭 및 플라즈마 에칭을 포함하는 다양한 기술 중 어느 것에 의해서도 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 몸체부(10)와 캔틸레버층(9)은 동일한 캔틸레버 물질로 형성된다. 이러한 캔틸레버 물질은 폴리머, 유전체, 금속, 또는 폴리실리콘과 같은 다양한 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 캔틸레버 물질은 SU-8과 같은 광-구조화가 가능한 폴리머(photo-structurable polymer)를 포함한다.
도 1j에서, 이어서 기판(1)을 전해질에 담그고 상술된 바와 같이 희생층(8)을 전해 에칭함으로써 완성된 캔틸레버(11)가 기판(1)으로부터 방출된다. 이러한 방출 공정은 나노튜브 결정(7)의 일단을 노출시키며 캔틸레버층(9) 및 몸체(10)에 영향을 주지 않는다. 희생층(8)의 두께는 나노튜브 결정(7)의 길이와 기계적 특성을 결정한다. 나노튜브 결정(7)의 횡적 기계적 강도는 길이 및 종횡비에 의존한다.
상술된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 캔틸레버(11)의 방출을 위하여 희생층(8)이 사용되었다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 다른 방출 기술이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기판(1)로부터 캔틸레버(11)를 당길 때 부착력이 상실되도록 함으로써 방출할 수도 있다. 나노튜브 결정(7)의 길이는 희생층(8)의 두께에 의하여 조절될 수 있다. 그러나, 선택적으로, 희생층(8)과 캔틸레버 물질(9) 사이에 (도시되지 않은) 버퍼층을 퇴적함으로써 나노 튜브 결정(7)의 길이를 조절할 수도 있다. 이어서, 캔틸레버가 들어 올려진 후에 상기 버퍼층이 제거된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 버퍼층은 에칭에 의하여 제거되며, 캔틸레버(11)는 에칭제에 의하여 영향받지 않는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 버퍼 층은 생략되며 캔틸레버가 들어 올려진 후 상기 캔틸레버를 에칭제에 의하여 얇게 하여 매립된 나노튜브 결정(7)을 노출시킨다.
본 발명에 따른 미세 구조를 제조하는 방법의 또 다른 예가 도 2를 참조하여 설명된다. 도 2의 방법은 도 1을 참조하여 상술된 방법의 변형이다. 또한, 도 2의 방법은 다시 주조 가능한 물질에 매립된 탄소 나노튜브를 구비한 미세 기계 캔틸레버 팁 조립체의 형태의 미세 구조의 제조를 참조하여 설명된다. 그러나, 도 2의 방법은 나노튜브가 매립되어 있는 다른 미세 구조의 제조에 동일하게 응용할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
도 2a에서, 다시 포토레지스트층(2)이 기판(1)상에 퇴적된다.
도 2b에서, 다시, 예를 들어 레지스트층(2)을 노광 및 현상함으로써 개구(3)가 레지스트층(2)에 형성된다. 그러나, 이번에는, 개구(3)는 레지스트층(2)에서 목 모양의 개구를 가진 공동을 형성하도록 언더 에칭된다.
도 2c에서, 도 1을 참조하여 상술된 섀도우 마스킹을 사용함으로써 펠릿(6)이 레지스트층(2)의 목 모양의 입구를 통하여 기판(1)상에 퇴적된다.
도 2d에서, 이어서 레지스트층(2)이 기판(2)으로부터 제거되며 펠릿(6)은 기판(2)상에 남는다.
도 2e에서, 이어서 도 1을 참조하여 상술된 기술에 따라 나노튜브 결정(7)이 성장된다.
도 2f에서, 이어서 캔틸레버 물질층(9)이 기판(1)상에 퇴적되어, 나노튜브 결정(7)을 감싼다. 바람직하게는, 캔틸레버 물질(9)은 스핀 코팅(spin coating)에 의하여 기판(1)상에 퇴적된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 캔틸레버 물질은 SU-8과 같은 광-구조화가 가능한 폴리머이다.
도 2g에서, 이어서 캔틸레버 물질(9)이 기판(1)상에서 구조화된다.
도 2h에서, 캔틸레버 물질(9)이, 그 내부에 매립된 나노튜브와 함께, 기판(1)로부터 방출된다. 상기 캔틸레버 물질(9)의 방출은, 예를 들어 도 1을 참조하여 상술된 방출 기술 중 하나에 의하여 달성될 수 있을 것이다. 도 1을 참조하여 상술된 희생층 방출 기술이 사용되는 경우, 바람직하게는, 도 2a를 참조하여 설명된 레지스트층(2)을 퇴적하는 단계 전에, 희생층이 기판(1)상에 퇴적된다.
도 2i에서, 이전에 기판(1)과 접했던 캔틸레버 물질의 면을 얇게 하여, 나노튜브 결정(7)의 일단을 노출시킨다. 결정(7)의 다른 단은 캔틸레버 물질(9)에 매립된 채로 남는다.
도 3에서, 상술된 방법에 따라 제조된 캔틸레버가 로컬 탐침 데이터 저장 장치(21)를 위한 2차원 캔틸레버 감지기 어레이(20)에 응용될 수 있다. 이러한 장치(21)에서, 감지기 어레이(20)는, 표면(22)에 평행한 직교 방향들로 저장 표면(22)에 대하여 주사된다. 표면(22)에 형성되는 기록된 데이터를 나타내는 인덴테이션(indentation)은, 어레이(20)의 팁(23)이 표면(22)에 주사될 때 상기 팁에 의하여 감지된다. 동일하게, 팁(23)에 에너지가 가해져서 표면(22)에 인덴테이션을 형성함으로써 표면(22)에 데이터를 기록할 수 있다. 이러한 저장 장치(21)의 보다 상세한 설명은 앞서 언급된 Vettigar 등이 기술한 저서에서 제공된다. 본 방 법에 따라 제조된 캔틸레버 감지기는 수십 나노미터에 불과한 지름을 갖는 팁을 구비하며, 이러한 팁은 종래의 팁보다 훨씬 높은 종횡비를 제공하므로, 이러한 저장 장치에 특히 유용하다. 더 두꺼운 폴리머막을 사용할 때 폴리머에 생성된 인덴트(indent)의 크기가 더 커지지는 않을 것이다(두꺼운 폴리머막은 향상된 리드백 감도(read back sensitivity)를 의미한다). 화상화에 있어서, 나노튜브의 마모가 해상도에 영향을 미치지는 않을 것이며, 따라서 저장 밀도가 개선될 것이다. 또한, 나노튜브 결정의 열 전도도는 실리콘 팁보다 좋다.
본 발명의 바람직한 실시예가 검경 및 데이터 저장 응용을 위한 미세 구조를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 다른 응용 분야를 위한 미세 구조에 동일하게 적용될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명은 장 방사 팁(field emission tip)과 같은 전하 방사 미세 구조에 동일하게 적용될 수 있다. 이러한 팁은 디스플레이 장치를 포함하는 다른 응용 분야에 사용될 수 있을 것이다.

Claims (31)

  1. 미세 구조(microstructure)를 형성하는 방법에 있어서,
    기판상에 시드 물질(seed material)을 퇴적(depositing)하는 단계와,
    상기 시드 물질로부터 나노튜브(nanotube)를 성장시키는 단계와,
    상기 나노튜브를 미세 구조 물질 내에 매립하기 위하여 상기 기판상에 상기 미세 구조 물질을 퇴적하는 단계와,
    상기 미세 구조를 방출(release)하기 위하여 상기 기판을 분리(detaching)하는 단계를 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세 구조의 방출 전에 상기 미세 구조 물질을 형상화(shaping)하는 단계를 더 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 시드 물질은 제1 및 제2 선구 물질(precursor material)의 교차층(alternating layers)을 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 선구 물질은 풀러렌 물질(fullerene material)을 포함하고, 상기 제2 선구 물질은 장 감지 물질(field sensitive material)을 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노튜브를 성장시키는 단계는
    상기 기판을 진공 조건에서 가열하는 단계와,
    상기 기판에 장(field)을 인가하는 단계를 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서, 상기 인가되는 장은 자기장 또는 전기장을 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 미세 구조 물질의 퇴적 전에 상기 기판의 표면상에 희생층(sacrificial layer)을 퇴적하는 단계를 더 포함하고,
    상기 기판을 분리하는 단계는, 상기 미세 구조 물질의 퇴적 후에 상기 희생층을 전해질에 담그는 단계를 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 희생층은 애노드 서브층(anode sub-layer)과 캐쏘드 서브층(cathode sub-layer)을 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제1항에 있어서, 상기 시드 물질을 퇴적하는 단계는
    상기 기판상에 포토레지스트층을 퇴적하는 단계와,
    상기 레지스트층에 개구(aperture)를 형성하는 단계와,
    상기 시드 물질을 상기 개구에 의하여 정해지는 상기 기판상의 장소에 위치시키기 위하여 상기 기판을 레지스트층으로 마스킹(masking)하는 단계와,
    잉여 시드 물질을 제거하기 위하여 상기 레지스트층을 제거하는 단계를 포함하는 미세 구조 형성 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 개구를 형성하는 단계는 상기 레지스트층에 공동(cavity)을 생성하기 위하여 상기 레지스트층을 언더 에칭(under-etching)하는 단계를 포함하는 미세 구조 형성 방법.
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