KR100640595B1 - 높은 파티클 밀도를 가지는 균일한 나노파티클 모노레이어필름의 형성방법 및 그 나노파티클 모노레이어 필름을구비하는 소자 - Google Patents

높은 파티클 밀도를 가지는 균일한 나노파티클 모노레이어필름의 형성방법 및 그 나노파티클 모노레이어 필름을구비하는 소자 Download PDF

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Abstract

1012 입자/cm2 이상의 파티클 밀도를 가질 뿐만이 아니라 기판의 전면에 균일하게 나노파티클 모노레이어 필름을 형성할 수 있는 방법 및 그에 따른 나노파티클 모노레이어 필름을 제공한다. 본 발명에 따른 나노파티클 모노레이어 필름의 제조방법에서는 먼저 기판을 준비한 다음, 상기 기판 상에 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기와 타측 말단 작용기로서 CH3기를 구비하는 화합물을 사용하여 표면 수정층(surface modifying layer)을 형성한다. 그리고, 화학적으로 합성된 나노파티클(chemically synthesized nanopaticles)을 포함하는 증착 용액을 표면 수정층 상에 가한 다음에, 소정의 시간 동안 상기 결과물을 방치하는 큐어링 공정을 진행하여 표면 수정층과 증착 용액의 계면 상에 상기 표면 수정층의 CH3기와 판-데르 발스 인력으로 결합한 나노파티클 모노레이어 필름이 형성되도록 한다. 그리고, 잔류하는 증착 용액은 제거되도록 기판을 스핀한다.
나노파티클, 모노레이어, SAM, 스핀 코팅

Description

높은 파티클 밀도를 가지는 균일한 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법 및 그 나노파티클 모노레이어 필름을 구비하는 소자{Forming method for an uniform nanoparticle based monolayer film with high particle density and a device comprising the nanoparticle based monolayer film}
도 1은 종래의 스핀 코팅법을 사용하여 형성된 Ag 나노파티클 모노레이어 필름의 파티클 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 기판의 화학적으로 수정된 패턴된 영역에 나노파티클이 화학적으로 결합되는 것을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법을 공정 순서에 따라 순차적으로 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 표면 수정층을 형성하는데 사용되는 화합물의 화학식을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법에 사용되는 캡핑막에 둘러쌓여 있는 나노파티클을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 Co 나노파티클 모노레이어 필름에 대한 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 FePt 나노파티클 모노레이어 필름에 대한 SEM 사진이다.
본 발명은 물질막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노파티클 모노레이어 필름(naonparticle based monolayer film)의 형성방법에 관한 것이다.
고성능 전자 소자를 제조하기 위한 한 가지 방안으로서 최근 나노파티클 필름이 주목을 받고 있다. 예를 들어, 단일 전자 트랜지스터(single electron transistor), 플로팅 게이트 전계 효과 트랜지스터와 같은 고성능의 반도체 소자, 그리고 고용량의 자기 기록 매체(magnetic recording media) 등을 제조하는데 있어서 나노파티클로 형성된 필름을 이용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 연구 내용들중에서, 근본적인 이슈가 되는 있는 것 중의 하나는 1012 입자/cm2 이상의 높은 파티클 밀도를 가진 나노파티클 모노레이어 필름을 형성하는 것이다. 또한, 이러한 높은 파티클 밀도를 가진 나노파티클 모노레이어 필름을 8인치 또는 12인치 웨이퍼와 같이 표면적이 넓은 기판의 전면에 균일하게 형성하는 것도 이슈 중의 하나이다. 높은 파티클 밀도를 가지는 모노레이어 필름을 넓은 기판에 균일하게 형성하는 것은, 전술한 고성능의 반도체 소자 등을 경제적으로 대량 생산하는데 있어서 필수적으로 요구되는 기술이라고 할 수 있다.
홍(Y. K. Hong) 등에 의한 논문 "Controlled two-dimensional distribution of nanoparticles by spin-coating method"(Applied Physics Letters, vol.80, No.5, 4 February 2002, pp.844-846) 에는 스핀-코팅법을 이용하여 나노파티클 필름을 형성하는 방법이 도시되어 있다. 이 논문에 의하면, 먼저 톨로엔 및 에탄올 용매에 Co 및 Ag의 나노파티클이 분산되어 있는 콜로이드 용액을 Si 또는 SiO2 웨이퍼 상에 가한다. 그리고, 소정의 RPM으로 웨이퍼를 회전시키는 스핀-코팅법을 사용하여, 상기 콜로이드 나노파티클(colloidal nanoparticles)이 상기 막의 넓은 부분으로 펼쳐지도록 함으로써, Si 또는 SiO2 웨이퍼의 넓은 영역에 균일한 나노파티클 필름을 증착할 수 있다. 상기 논문에 의하면, 콜로이드 용액의 파티클 농도를 변화시킴으로써 나노파티클 필름을 형성하는 파티클 밀도를 제어할 수 있다.
그런데, 상기 논문에 개재된 스핀 코팅법에 의한 나노파티클 필름의 형성방법에 의하면 몇 가지 단점(disadvantages)이 있다.
우선, 형성할 수 있는 나노파티클 모노레이어 필름의 파티클 밀도에 한계가 존재한다. 예를 들어, 도 1에는 콜로이드 용액의 몰랄 농도(molar concentration)에 따른 20nm크기의 Ag파티클의 파티클 밀도를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 이 그래프는 상기 홍 등의 논문에 개시되어 있는 것이다. 도 1을 참조하면, Si 기판이나 SiO2 기판에서 콜로이드 용액의 파티클 농도를 증가시키면 파티클 밀도도 증가하는 것을 알 수 있다. 하지만, 상기 논문에 의하면, 콜로이드 용액의 몰랄 농도를 더 증가시키는 경우에는, 보다 높은 파티클 밀도를 가진 나노파티클의 모노레이어가 형성되는 것이 아니라 3차원의 나노파티클 클러스터가 형성되어 버린다. 즉, 모노레이어가 아닌 듀얼레이어 또는 멀티레이어의 나노파티클 필름이 형성된다. 즉, 홍 등의 논문에 개재된 스핀 코팅법을 사용하여 형성할 수 있는 나노파티클 모노레이어 필름의 파티클 밀도의 상한은 약 5.6×1010/cm2 이다.
또한, 상기 논문에 의하면 균일한 나노파티클 필름이 증착되도록 하기 위해서는 콜로이드 용액이 반드시 기판의 표면을 젖게 해야 한다(wet the surface of the substrate). 그러므로, 상기 논문에 개재된 스핀 코팅법은 적용 범위가 한정적이다. 즉, 홍 등의 논문에 개재되어 있는 스핀 코팅법을 적용하기 위해서는 콜로이드 용액에 의하여 기판의 표면이 젖게 되는 것을 보장할 수 있어야 하기 때문에, 적용 가능한 기판의 종류 및 이에 따른 콜로이드 용액의 용매 종류가 한정적이다.
히로요시 코다마(Hiroyoshi Kodama) 등에 의한 논문 "Disk substrate deposition techniques for monodisperse chemically synthesized FePt nanoparticle media"(Applied Physics Letters, Vol.83, No.25, 22 December 2003, pp. 5253-5255)에는 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 FePt 합금의 필름을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 이 논문에 의하면, 먼저 로봇에 의하여 기판을 클린 챔버(clean chamber)로 이동시킨다. 그리고, 상기 클린 챔버를 밀봉한 다음 헥산(hexane)으로 가득채우는데, 이것은 헥산의 끊는 점이 낮기 때문에 FePt 파티클의 용매로 사용되는 헥산의 휘발을 방지하기 위해서이다. 그리고, FePt 파티클이 분산되어 있는 헥산 용액을 기판에 가한 다음에 스핀 코터의 회전력을 증가시킴 으로써 FePt 파티클이 기판의 전면에 고르게 증착되도록 한다. 마지막으로, 상기 클린 챔버에 질소 가스를 주입하면서 상기 클린 챔버의 분위기를 질소 분위기로 바꾼다.
그런데, 상기 논문에서는 FePt 합금 필름을 형성하는 것에 대해서는 언급하고 있지만, FePt 합금의 모노레이어에 대해서는 아무런 언급을 하고 있지 않다. 또한, 전술한 공정을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, FePt 합금 필름을 형성하기 위해서는 제조 설비가 상당히 복잡할 뿐만이 아니라 비용이 상당히 소요된다.
나노파티클 모노레이어 필름을 형성하는 다른 방법은 씨아오민 양(Xiaomin Yang) 등에 의한 미합중국 특허출원 특허출원공개번호 US 2004/0071924A1, Magnetic recording media having chemically modified patterned substrate to assemble self organized magnetic arrays(2004년 4월 15일 공개, 양수인 Seagate Technology LLC, 이하, 'Seagate 특허'라고 한다)에 개시되어 있다. Seagate 특허에 의하면, 먼저 기판에 로킹 패턴(locking pattern)을 형성하여 패턴 영역을 한정한 다음, 패턴 영역 에 셀프-어셈블 모노레이어(Self-Assembled Monolayer, SAM)를 사용하여 표면 수정층(Surface Modifying Layer, SML)을 형성함으로써 패턴된 영역을 화학적으로 수정한다(chemically modifying). 그리고, 상기 화학적으로 수정된 패턴 영역에 나노파티클을 증착함으로써, 상기 나노파티클이 상기 패턴 영역에 자기 조립(self-assembly)되어서 상기 기판에 화학적으로 결합되도록 한다.
상기 Seagate 특허는 다음과 같은 특징이 있다.
첫째, 나노파티클층을 형성하는 기판 상의 영역의 패터닝된 소정의 영역에 한정된다. 즉, 기판의 전 영역이 아니라 패턴 영역에만 나노파티클층을 형성한다. 그러므로, 상기 Seagate 특허는 선패터닝 및 후증착(post-patterning deposition) 공정에 한정될 뿐이며, 선증착 및 후패터닝 공정(post-deposition patterning)에는 적용할 수 없다.
둘째, Seagate 특허에서는 SML이 나노파티클에 직접 화학적으로 결합한다. 도 2를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, FePt 나노파티클이 바인더(binder)(도 2의 O- 에 해당)를 개재하고서 화학적으로 직접 결합되어 있다. SML이 나노파티클과 직접 결합하기 위해서는 SML은 필수적으로 2개의 작용 말단기(functional end group)를 가지고 있어야 한다. 2개의 작용 말단기 중에서 하나는 기판과 결합하기 위한 것이고, 다른 하나는 나노파티클과 결합하기 위한 것이다. 따라서, 비록 Seagate 특허에서는 작용 말단기의 일 예로서 CH3가 개시되어 있지만, CH3를 작용기로 가지는 화합물은 SML을 형성하는 물질로 사용할 수 없다. 왜냐하면, CH3기는 금속 표면에 대해서는 어떠한 친화력(affinity)도 나타내지 않기 때문이다. 그리고, Seagate 특허의 어디에도 CH3기가 FePt와 같은 금속 물질의 나노파티클에 결합한다는 것이 개시되어 있지 않다.
그리고, 상기 Seagate 특허에서는 SML과 나노파티클과의 직접적인 화학 결합을 이용하기 때문에 나노파티클 모노 레이어만이 아니라 바이레이어 및 멀티레이어의 경우에도 적용이 가능하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 1012파티클/cm2 이상의 높은 파티클 밀도를 가지고 균일한 나노파티클 모노레이어 필름의 제조방법 및 이 필름을 포함하는 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 종래의 간단한 제조 설비를 사용하여 대량 생산이 가능하여 경제적인 나노파티클 모노레이어 필름의 제조방법 및 이 필름을 포함하는 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 소정의 패턴된 영역 뿐만이 아니라 기판의 전면에 형성할 수 있는 나노파티클 모노레이어 필름의 제조방법 및 이 필름을 포함하는 소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법은 먼저 기판을 제공하고, 상기 기판의 표면을 화학적으로 수정한다. 상기한 기판의 표면에 대한 화학적 수정 단계는 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기와 타측 말단 작용기로서 CH3기를 구비하는 화합물을 사용하여 표면 수정층(surface modifying layer) 예컨대, 셀프 어셈블 모노레이어(self-assembled monolayer)를 상기 기판 상에 형성함으로써 수행한다. 그리고, 화학적으로 합성된 나노파티클(chemically synthesized nanopaticles)을 포함하는 증착 용액을 상기 셀프 어셈블 모노레이어 상에 가한 다음에, 소정의 시간 동안 상기 결과물을 큐어링함으로써 상기 기판 상에 상기 표면 수정층의 CH3기와 판-데르 발스 인력으로 결합한 나노파티클 모노레이어 필름을 형성한다. 계속해서, 상기 기판 상의 나노파티클 모노레이어 필름만 잔류시키고, 여분의 증착 용액은 제거되도록 상기 기판을 스핀한다.
상기 셀프 어셈블 모노레이어는 상기 기판의 패턴된 영역에만 형성할 수 있을 뿐만이 아니라 본 실시예에서는 상기 기판의 전면에 형성하는 것도 가능하다. 그리고, 본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 증착 용액은 계면 활성제를 포함하고, 상기 계면 활성제는 상기 나노파티클의 응집(flocculation)을 방지하도록 상기 나노파티클을 둘러싸는 코팅층을 형성하며, 상기 계면 활성제는 상기 CH3기와 판 데르 발스 인력에 의하여 결합될 수 있다. 그리고, 상기 계면 활성제는 탄소를 주로 하는 물질일 수있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 소자는 나노파티클 모노레이어 필름을 포함하는 소자이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되어 있는 표면 수정층 예컨대 셀프 어셈블 모노레이어로서, 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기와 타측 말단 작용기로서 CH3기를 구비하는 화합물을 사용하여 형성한 셀프 어셈블 모노 레이어 및 상기 셀프-어셈블 모노 레이어의 CH3기와 판-데르 발스 인력으로 결합하도록 상기 셀프-어셈블 모노레이어 상에 형성되어 있는 나노파티클 모노레이어 필름을 포함한다.
상기한 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 나노파티클 모노레이어 필름은 나노파티클 및 상기 나노파티클을 둘러싸는 계면 활성제를 포함하고, 상기 판-데르 발스 인력은 상기 셀프-어셈블 모노레이어의 일단에 포함되어 있는 CH3기와 상기 나노파티클 모노레이어 필름의 계면 활성제 사이에 작용하는 인력일 수 있다.
상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기는 -OH, -CHO, -COOH, -SH, -CONH 및 NH2으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 작용기일 수 있다. 상기 표면 수정층을 형성하는 화합물에 구비된 상기 말단 작용기들은 알킬 체인의 양측 말단들에 각각 결합된 것일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시될 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 예시적으로 제공되어지는 것들이다. 도면에 있어서, 층의 두께 및/또는 영역들의 크기 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노파티클 모노레이어의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도가 공정 순서에 따라 순차적으로 도시되어 있다.
도 3a를 참조하면, 먼저 기판(10)을 준비한다. 기판(10)은 실리콘, 실리콘 저매늄, SiC 등의 반도체 기판, 자기 기록 매체(magnetic recording media)를 제조하기 위한 디스크 기판, 또는 유리 기판 등의 단일 기판이거나 상기 단일 기판 상에 하나 이상의 물질막 또는 물질막 패턴이 형성되어 있는 복합 기판일 수 있다. 후자의 경우에, 상기 물질막 또는 물질막 패턴은 Au, Ag 등의 금속 물질, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘산화질화물 등과 같은 절연 물질, 고유전 물질, 폴리실리콘이나 금속 실리사이드 물질, 유리 또는 ITO 등의 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 기판(10)은 단결정 실리콘 기판(12)과 그 상부에 형성되어 있는 실리콘 산화막(14)을 포함할 수 있다. 도 3a에는 기판(10)에 어떠한 패턴도 형성되어 있지 않아서 기판(10)의 상면이 평평한 것으로 도시되어 있지만, 기판(10)의 최상부 예컨대 실리콘 산화막(14)에는 트렌치와 같은 소정의 패턴이 형성되어 있을 수 있다.
도 3b를 참조하면, 통상의 물질막 증착 방법을 사용하여 기판(10) 상에 표면 수정층(chemically modifying layer, 20)을 형성한다. 표면 수정층(20)은 최소한 2개의 작용기를 가지는 화합물로 형성되는데, 그 중 하나의 작용기는 기판(10)의 상면에 노출된 물질과 화학 결합을 할 수 있는 물질이고 다른 하나는 -CH3기이다. 전자의 작용기는 기판(10)의 상면에 노출된 물질의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 예컨대, 금속이 기판(10)의 상면에 노출된 경우에 상기 작용기는 SH일 수 있다. 그리고, 실리콘산화물이 노출된 경우에 상기 작용기는 COOH, 실레인 또는 NH2일 수 있다. CH3는 후술하는 나노파티클을 구성하는 물질과 화학적 친화성이 없기 때문에 나노파티클과 화학 결합을 하지 않는다. 표면 수정층(20)을 형성하는데 사용할 수 있는 화합물에 대한 예는 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다.
표면 수정층(20)을 형성하는 한 가지 방법은 기판(10) 상의 전 영역 또는 패턴된 소정의 영역 상에 셀프 어셈블 모노레이어(self-assembled monolayer)를 증착하는 것이다. 셀프 어셈블 모노레이어는 예컨대 알킬실록세인(alkylsiloxanes), 알킬실레인(alkylsilanes) 및 알킬타이올(alkylthiols)로 이루어진 군에서 선택된 화합물로 형성할 수 있다. 그리고, 셀프 어셈블 모노레이어는 그것의 일단에는 OH, -CHO, -COOH, -SH, -CONH, 및 NH2 중에서 선택된 하나의 작용기가 결합되어 있는 화합물이고, 다른 일단에는 CH3 가 결합되어 있는 화합물일 수 있다.
도 3c를 참조하면, 표면 수정층(20)이 형성된 기판(10)을 스핀 코팅을 위한 기판 지지대(100) 상에 위치시킨 다음에, 포팅(potting)법 등과 같은 통상적인 용액 도포 방법을 사용하여 표면 수정층(20) 상에 화학적으로 합성된 나노파티클(chemically synthesized nanoparticles)을 함유하고 있는 증착 용액(30)을 가한다. 증착 용액(30)은 기판(10) 상의 전면에 가하는 것이 바람직한데, 이 증착 용액(30)은 나노파티클 모노레이어 필름을 형성하고자 하는 물질의 나노파티클이 소정의 용매에 고르게 분산되어 있는 용액이다.
증착 용액(30)을 구성하는 나노파티클은 100nm 이하의 직경을 가지는 미세한 입자인데, 바람직하게는 30nm 이하의 직경을 가지는 입자이다. 그리고, 이러한 나노파티클은 균일한 입자 크기를 가지는 것이 바람직한데, 예컨대 평균 입자 크기의 ±15% 범위 이내에 모든 나노파티클이 분포하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 나노파티클의 종류에는 특별한 제한이 없다. 다만, 나노파티클은 표면 수정층(20)의 일단에 결합되어 있는 작용 기 보다 구체적으로는 CH3기와는 직접적으로 화학 결합을 하지 않는 화학 물질이다. 예컨대, 나노파티클은 Au, Ag, Fe, Ni, Fe, Pd, Pt, Co 및 이들의 합금 등과 같은 금속으로 이루어진 군에서 선택된 물질일 수 있다. 또는, 나노파티클은 CdS, CdSe 및 PbSe 등과 같은 반도체 물질로 이루어진 군에서 선택된 물질일 수 있다. 그리고, 증착 용액(30)의 용매는 n-헥산, 클로로포름, 톨우엔, 탈이온수 또는 에탄올 등 일 수 있다.
나노파티클이 용매에 고르게 분산되도록 나노파티클의 주위에는 캡핑막이 형성되어 있다. 이를 위하여 캡핑막은 나노파티클이 응집되거나 침전되는 것을 방지 또는 완화시키는 역할을 할 수 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 캡핑막은 표면 수정층(20)의 비결합 단부 즉 CH3기와 판데르 발스 결합을 이루는 화합물로 형성된다. 예컨대, 캡핑막은 탄소가 주가되는 물질로 형성된 코팅막(carbon based coating film)일 수 있으며, 이러한 코팅막은 계면 활성제(surfactant)에 의하여 형성될 수 있다. 도 5에는 나노파티클(32)의 주위를 계면 활성제(34)가 둘러싸서 코팅막을 형성하고 있는 모습이 도식적으로 도시되어 있다.
도 3d를 참조하면, 증착 용액(30)에 덮여 있는 상기 결과물을 소정의 시간 동안 방치하는 큐어링 공정을 실시한다. 큐어링 공정은 증착 용액(30) 중에서 표면 수정층(20)과 접하는 부분에 나노파티클 모노레이어 필름(30a)이 형성되도록 하기 위한 것이다. 나노파티클 모노레이어 필름(30a)은 표면 수정층(20)의 CH3기와 나노파티클(도 5의 32 참조)을 둘러싸는 캡핑막을 형성하는 계면 활성제(도 5의 34참조) 간의 판 데르 발스 인력에 의하여 생성된다. 즉 CH3기는 나노파티클에 대해서는 어떠한 화학적 친화성도 없지만, 계면 활성제와는 판 데르 발스 인력에 의하여 결합되기 때문에, 상기한 계면 활성제는 결국 나노파티클의 화학적 성질을 수정하는 파티클 수정막(particle modifying film)으로서의 역할을 한다.
이러한 판 데르 발스 결합을 위하여, 상기 큐어링 공정은 약 3 25분, 바람직하게는 약 3-10분 동안 실시한다. 큐어링 시간이 짧을 경우에는 파티클 밀도가 낮은 서브 모노레이어 필름이 형성될 수 있고, 큐어링 시간이 길 경우에는 더블레이어 필름이나 멀티레이어 필름이 형성될 수 있기 때문에 큐어링 시간을 적절하게 조절하는 것이 중요하다. 본 실시예에 의하면, 큐어링 공정의 결과 약 1012 입자/cm2 이상의 높은 밀도를 가지는 나노파티클 모노레이어 필름(30a)이 표면 수정층(20)과 증착 용액(30)의 계면에 형성된다.
계속해서, 큐어링 시간이 지나면, 나노파티클 모노레이어 필름(30a)만 남기고 잔류하는 증착 용액(30)은 제거될 수 있도록 소정의 시간 동안 소정의 회전 속도로 상기 기판(10)을 회전시키는 스핀 공정을 실시한다. 이러한 스핀 공정은 나노파티클 모노레이어 필름(30a)이 되지 않아서 그 상부에 잔류하는 증착 용액(30)을 기판(10)으로부터 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 스핀 공정은 약 5,000 7,000RPM으로 약 20 300초 동안 상기 스핀 공정을 실시할 수 있다. 스핀 공정에서는 잔류하는 증착 용액(30)만 제거될 수 있도록 회전 속도를 적절하게 선택하는 것이 중요하다.
잔류하는 증착 용액(30)이 제거된 결과물은 도 3e에 도시되어 있다. 도 3e를 참조하면, 캡핑막(34)으로 둘러 쌓여 있는 나노파티클(32)로 형성된 나노파티클 모노레이어 필름(30a)이 표면 수정층(20) 상에 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 기판 및 그 상부의 실리콘 산화막으로 구성된 기판 상에 형성된 코발트 나노파티클 모노레이어 필름 및 FePt 나노파티클 모노레이어 필름에 대한 SEM 사진이 각각 도시되어 있다. 도 6 및 도 7은 모두 옥타데실트리클로로실레인(Octadecyltrichlorosilane), 즉 CH3-(CH2)17SiCl3을 사용하여 기판의 표면을 화학적으로 수정하는 표면 수정층을 형성하였으며, 큐어링 공정은 400초, 스핀 공정은 6,000RPM으로 30초 동안 수행하여 나노파티클 모노레이어 필름을 형성한 경우이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 나노파티클 모노레이어 필름이 기판의 전면에 상당히 균일한 밀도로 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 6에 의하면, 모노레이어 필름을 형성하는 코발트 입자의 밀도가 약 1×1012 입자/cm2 이며, 도 7에 의하면 모노레이어 필름을 형성하는 FePt 입자 밀도는 약 2.42×1012 입자/cm2 이다. 결과적으로, 본 발명에 의하면 1012 입자/cm2 이상의 높은 파티클 밀도를 가지는 나노파티클 모노레이어 필름을 기판의 전면에 균일한 밀도로 형성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따라서 형성된 나노파티클 모노레이어 필름은 패턴된 영역 만이 아니라 기판의 전면에 형성하는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명의 제조방법에 따라 형성된 나노파티클 모노레이어 필름은 선패터닝 후증착 공정이 적용되는 소자 뿐만이 아니라 선증착 후패터닝 공정이 적용되는 반도체 소자의 제조 공정에도 적용이 가능하다. 예컨대, 패터닝된 나노파티클 모노레이어 필름을 채널층으로 이용하는 단일 전자 트랜지스터(single electronic transistor)나 플로팅 게이트로 이용하는 플래쉬 소자 등에 본 발명은 응용이 가능하다.
본 발명에 의하면, 1012파티클/cm2 이상의 높은 파티클 밀도를 가지고 나노파티클 모노레이어 필름을 기판의 전면에 균일하게 형성하는 것이 가능하며, 그 상부에 나노파티클 모노레이어 필름이 형성되는 하부막의 종류나 나노파티클 물질의 종류에 제한 없이 여러 가지 물질에 대하여 나노파티클 모노레이어 필름을 형성할 수 있기 때문에 응용 범위가 넓다.
또한, 본 발명에 의하면, 스핀 코팅 장치와 같은 기존의 제조 설비를 사용하기 때문에 설비 투자에 대한 부담이 없을 뿐만이 아니라 경제적으로 대량의 나노파티클 모노레이어 필름을 형성할 수가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 패턴된 영역 만이 아니라 기판의 전면에 균일한 파티클 밀도를 가지는 나노파티클 모노레이어 필름을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래와 같이 패턴된 영역에 나노파티클 모노레이어 필름을 형성하여 제조하는 자기 기록 소자 만이 아니라 선증착 후패터닝 공정이 요구되는 소자에도 적용할 수 있기 때문에 반도체 소자 등 여러 가지 소자에 응용이 가능하다.

Claims (25)

  1. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 표면 수정층(surface modifying layer)을 형성하되, 상기 표면 수정층은 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기와 타측 말단 작용기로서 CH3기를 구비하는 화합물을 사용하여 형성하는 단계;
    화학적으로 합성된 나노파티클(chemically synthesized nanopaticles)을 포함하는 증착 용액을 상기 표면 수정층 상에 가하는 단계;
    소정의 시간 동안 상기 결과물을 큐어링하여 상기 기판 상에 상기 표면 수정층의 CH3기와 판-데르 발스 인력으로 결합한 나노파티클 모노레이어 필름을 형성하는 단계; 및
    상기 기판 상의 나노파티클 모노레이어 필름만 잔류시키고, 여분의 증착 용액은 제거되도록 상기 기판을 스핀하는 단계를 포함하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 큐어링 단계는 대기 조건하에서 3-25분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스핀 단계는 2,000-10,000rpm으로 20-300초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면 수정층의 형성 단계에서는 상기 표면 수정층을 상기 기판의 전면에 형성하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 표면 수정층은 셀프 어셈블 모노레이어인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어의 형성방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 셀프-어셈블 모노레이어는 알킬실록세인, 알킬실레인 및 알킬타이올로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 금(Au), 은(Ag), 실리콘(Si), 실리콘산화물(SiO), 유리 또는 ITO로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 증착 용액의 용매는 n-헥산, 클로로포름, 톨로엔, 물 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노파티클은 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 나노파티클은 CdS, CdSe 또는 PbSe인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 증착 용액은 계면 활성제를 포함하고,
    상기 계면 활성제는 상기 나노파티클의 응집(flocculation)을 방지하도록 상기 나노파티클을 둘러싸는 코팅막을 형성하고, 상기 계면 활성제는 상기 CH3기와 판 데르 발스 인력에 의하여 결합하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 계면 활성제는 탄소를 주로 하는 물질인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 나노파티클은 직경이 10-30nm인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 나노파티클은 상기 나노파티클 평균 직경의 15% 이하의 범위 내에 분포되는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어 필름의 형성방법.
  15. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있는 표면 수정층으로서, 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기와 타측 말단 작용기로서 CH3기를 구비하는 화합물로 형성되어 있는 표면 수정층; 및
    상기 표면 수정층의 CH3기와 판-데르 발스 인력으로 결합하도록 상기 표면 수정층 상에 형성되어 있는 나노파티클 모노레이어 필름을 포함하는 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 표면 수정층은 셀프 어셈블 모노레이어인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어의 형성방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 셀프-어셈블 모노레이어는 알킬실록세인, 알킬실레인 및 알킬타이올로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 소자.
  18. 제15항에 있어서, 상기 나노파티클 모노레이어 필름은 나노파티클 및 상기 나노파티클을 둘러싸는 계면 활성제를 포함하고, 상기 판-데르 발스 인력은 상기 표면 수정층의 일측 말단 작용기인 CH3기와 상기 나노파티클 모노레이어 필름의 계면 활성제 사이에 작용하는 인력인 것을 특징으로 하는 소자.
  19. 제15항에 있어서, 상기 나노파티클 모노레이어 필름을 구성하는 나노파티클은 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 소자.
  20. 제15항에 있어서, 상기 나노파티클 모노레이어 필름을 구성하는 나노파티클은 CdS, CdSe 또는 PbSe인 것을 특징으로 하는 소자.
  21. 제15항에 있어서, 상기 표면 수정층 및 상기 모노레이어 필름은 상기 기판의 전면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소자.
  22. 제1항에 있어서, 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기는 -OH, -CHO, -COOH, -SH, -CONH 및 NH2으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 작용기인 것을 특징으로 하는 나노파티클 모노레이어의 형성방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 표면 수정층을 형성하는 화합물에 구비된 상기 말단 작용기들은 알킬 체인의 양측 말단들에 각각 결합된 것을 특징으로 하는 나노 파티클 모노레이어의 형성방법.
  24. 제15항에 있어서, 상기 기판을 형성하는 물질과 화학적으로 결합하는 일측 말단 작용기는 -OH, -CHO, -COOH, -SH, -CONH 및 NH2으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 작용기인 것을 특징으로 하는 소자.
  25. 제15항에 있어서, 상기 표면 수정층을 형성하는 화합물에 구비된 상기 말단 작용기들은 알킬 체인의 양측 말단들에 각각 결합된 것을 특징으로 하는 소자.
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