KR100702531B1

KR100702531B1 - 나노와이어 소자 및 제조방법

Info

Publication number: KR100702531B1
Application number: KR1020060025126A
Authority: KR
Inventors: 이국녕; 성우경; 정석원; 김원효; 신규식
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-04-02

Abstract

본 발명의 나노와이어 소자는 제1실리콘 기판에서 트랜스퍼를 위해 릴리즈된 나노와이어, 제2기판의 상부에 트랜스퍼된 상기 나노와이어, 상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 전극 및 나노와이어소자, 상기 전극의 상부에 형성되어 분석 대상물에 노출되는 것을 방지하는 절연층, 상기 나노와이어의 표면에 형성된 산화막, 상기 산화막의 표면에 유기 실란기로 이루어진 유기 실란층 및 상기 유기 실란층 상부에 형성되어 분석 대상물에 감응하는 수용기를 포함한다.

따라서, 본 발명은 나노와이어 릴리즈 과정에서 발생되는 스트레스 영향을 최소화하여 나노와이어 트랜스퍼 시 나노와이어의 소실 및 위치변화를 방지할 수 있어 나노와이어 소자의 양산성을 향상시킬 수 있으며, 나노와이어 소자 제조에서 필수적인 나노와이어 배열 및 정렬을 용이하게 하는 이점이 있다. 이로 인하여 본 발명은 향후, 나노와이어 바이오센서뿐 아니라, 나노와이어 FET, 플렉시블 디스플레이 등의 분야에 용이하게 적용 가능한 이점이 있다.

나노와이어 소자, 점착제 패턴, 나노와이어 릴리즈, 나노와이어 트랜스퍼.

Description

나노와이어 소자 및 제조방법{Nanowire device and fabricating method for the same}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노와이어의 사시도,

도 2a 내지 2f는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노와이어 제조 공정도,

도 3a 내지 3c는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노와이어 소자 제조 공정도,

도 4a 내지 4c는 본 발명의 제2실시예에 따른 나노와이어 소자 제조 공정도,

도 5a 및 5b는 본 발명의 제3실시예에 따른 나노와이어 소자 제조 공정도,

도 6a 내지 6e는 본 발명의 제4실시예에 따른 나노와이어 소자 제조 공정도,

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 나노와이어 소자의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300: 제1실리콘 기판 310: 나노와이어

400, 500, 600, 700: 제2기판 410: 제1열산화막

420, 510, 610: 점착제 패턴 430, 520, 620, 720: 전극

본 발명은 나노 와이어 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수 나노에서 수백 나노미터 직경의 미세 나노와이어가 제조된 기판에서 타 기판으로 전사시키는데 효과적인 방법과 상기 방법을 적용하여 제작된 나노와이어 소자를 제공한다.

나노와이어(nano wire)는 수십 대 일의 큰 종횡비(aspect ratio)를 가지는 나노 스케일의 구조로서 이러한 나노와이어가 적용된 소자는 그 응용에 따라 FET와 같이 각종 전자소자의 핵심부품인 트랜지스터로 이용될 수 있고 화학센서 및 바이오센서 등으로 다양하게 이용될 수 있다.

상기와 같은 나노와이어 소자가 각 응용에 맞게 동작하려면 기본적으로 나노와이어와 나노와이어의 양 끝단에 전기적 성질을 측정하거나 변화시키기 위한 전극 구조물이 필요하다.

이러한 나노와이어 소자의 제작은 접근 방식에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있는데 하나는 기존의 반도체 공정 특히 극미세 사진 식각 공정 등을 이용하여 실리콘 등의 재료를 식각하여 원하는 위치에 나노와이어 소자를 직접 제작하는 톱-다운(top-down)방식과 나노 와이어를 VLS(Vapor-Liquid Solide) 성장법 등을 이용하여 합성한 후 특정 위치에 정렬하여 나노와이어 소자를 제작하는 바텀-업(bottom-up)방식이 있다.

종래의 톱-다운 방식은 실리콘을 식각하여 직접 나노와이어를 제작하는 것 으로, 수 나노미터에서 수십 나노미터의 직경을 갖는 나노와이어를 형성하려면 극미세 패턴의 제작이 필요하므로 전자빔 리소그라피(E-beam lithography)등 극미세 패턴형성 공정을 이용한다. 이러한 톱-다운 방식은 나노와이어를 원하는 위치에 원하는 크기로 제작할 수 있는 장점이 있지만, 전자빔 리소그라피와 같은 고가의 장비를 이용해야 하므로 생산속도가 매우 느려 상용화에 어려움이 있다.

또한, 톱-다운 방식으로 제작된 나노와이어의 특성이 자기정렬방식에 의해 제작된 나노와이어에 비하여 불균일하며, 전기적인 소자로 역할하도록 하기 위해서는 나노와이어가 절연체 위에 제작되어야 하므로 소이 기판(SOI wafer)을 사용해야 하는 단점이 있다.

그리고, 종래의 바텀-업 방식의 VLS 성장법은 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 인화인듐(InP), 금속(metal) 등 대부분의 반도체, 금속 물질의 나노와이어 성장에 이용되고 있으며 나노와이어 분야에서 가장 많이 연구되고 있는 방법이다.

그러나, 나노와이어를 성장시킨 후 나노와이어 소자로 제작하기 위해서는 제조된 나노와이어를 원하는 위치에 정렬하는 과정을 거쳐야 하며, 그 후 전극 등의 추가 구조물을 제작하여야 한다.

상기 정렬을 통한 나노와이어의 위치제어는 나노와이어 소자 응용을 위하여 전기영동과 같은 방법, 자기조립(Self-assembly) 방법을 통해 나노와이어를 원하는 위치에 정렬시키는 방법 또는 유채 채널을 이용한 유체 유동으로 나노와이어를 정렬시키는 방법을 사용한다.

그러나, 이러한 방법들을 사용하더라도 나노와이어가 놓일 정확한 위치를 제어하기가 매우 어렵고, 정렬과정을 거치더라도 수율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 정렬된 나노와이어의 전기적 컨택을 위한 전극 구조물은 주로 고가의 전자빔 리소그라피를 통해 제작되고 있어서 나노와이어 소자의 생산성 향상에 걸림돌로 작용하고 있으며, 개별적으로 나노와이어 소자를 제작하기 때문에 수율이 낮으며 대량생산이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 나노와이어 소자의 제조방법에 있어서 나노와이어 소실 없이 타 기판의 의도한 위치에 정확히 트랜스퍼 될 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 나노와이어를 타 기판으로 전사하기 위한 릴리즈 공정에 있어서, 나노와이어에 가해지는 스트레스를 최소화하여 나노와이어의 휨 현상을 방지하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노와이어 소자에 트랜스퍼되는 나노와이어 수를 조절할 수 있으며, 이를 반복적으로 수행함으로써 나노와이어 소자의 집적도를 향상시킬 수 있는 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 나노와이어 소자 제조방법에 있어 서, 제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계(S1), 제2기판에 점착제 패턴을 형성하는 단계(S2), 상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계(S3), 상기 점착제 패턴을 제거하는 단계(S4), 상기 제2기판상에 전극 배선을 형성하는 단계(S5)를 포함한다.

본 발명에 있어서, 제2기판은 실리콘, 수정, 세라믹, 유리 및 폴리머(polymer) 중 어느 하나를 적용하며, S2 단계에 있어서 점착 패턴은 제2기판의 특성에 따라 기판 자체를 가공하거나, 점착 특성이 있는 물질을 제2기판상에 추가하여 형성할 수 있으며, S4 단계에 있어서 추가하여 형성된 상기 점착제 패턴은 산소 플라즈마를 이용한 건식 식각공정으로 제거하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 S3 단계와 S4 단계의 사이에 상기 나노와이어 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 있어서 다른 나노와이어 소자 제조방법은 제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계(S11), 핫 엠보싱 공정하여 제2기판에 점착제 패턴을 형성하는 단계(S12), 상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계(S13) 및 상기 제2기판상에 전극 배선을 형성하는 단계(S14)를 포함한다.

본 발명에 있어서, 제2기판은 플렉시블 기판 또는 점성 기판이며, S23 단계와 S24 단계의 사이에 상기 나노와이어 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 있어서 또 다른 나노와이어 소자 제조방법은 제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계(S21), 제2기판에 점착제 패턴을 형성하는 단계 (S22), 상기 나노와이어 패턴을 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계(S23), 상기 점착제 패턴을 제거하는 단계(S24), 상기 제2기판의 상부에 금속 물질을 증착하는 단계(S25), 상기 제2기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계(S26), 상기 절연층을 패터닝하여 금속 물질을 노출시키는 단계(S27), 노출된 상기 금속 물질을 식각하여 나노와이어를 노출시키는 단계(S28), 노출된 상기 나노와이어 표면을 활성화하는 단계(S29) 및 활성화된 상기 나노와이어 표면에 화학적 기능기를 형성하는 단계(S30)를 포함한다.

본 발명에 있어서, S29 단계는 황산 또는 산소 플라즈마를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제2기판에 점착제 패턴을 형성하기 전에 정렬용 표식 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계는 상기 제1실리콘 기판의 릴리즈된 나노와이어가 형성된 면과 상기 제2기판의 점착제 패턴이 형성된 면을 접착시키는 단계(S31) 및 상기 제1실리콘 기판과 상기 제2기판에 열과 압력을 가하는 단계(S32)를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계는 실리콘 기판에 제1열산화막을 형성하는 단계(S41), 상기 실리콘 기판을 식각하여 칼럼 구조를 형성하는 단계(S42), 칼럼 구조가 형성된 상기 실리콘 기판을 식각하여 지지기둥 구조물 및 나노와이어 구조물을 형성하는 단계(S43), 상기 제1열산화막을 제거하는 단계(S44), 상기 실리콘 기판에 제2열산화막을 형성하는 단계 (S45) 및 상기 제2열산화막을 제거하는 단계(S46)를 포함하며, S46 단계는 불산 증기를 이용하여 제거한다.

본 발명에 있어서, S44 단계의 제1열산화막 제거는 S46단계의 제2열산화막 제거시 같이 제거될 수도 있으며, 불산 증기를 이용하여 제거하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 방법으로 제조된 나노와이어 소자는 제1열산화막의 상부에 형성된 나노와이어, 상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 전극, 상기 전극의 상부에 형성되어 노출되는 것을 방지하는 절연층, 상기 나노와이어의 표면에 형성된 산화막, 상기 산화막의 표면에 유기 실란기로 이루어진 유기 실란층 및 상기 유기 실란층 상부에 형성되어 분석 대상물에 감응하는 수용기를 포함한다.

앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조방법은 우선 응용될 분야에 적합한 도 핑 농도를 갖는 제1실리콘 기판을 이용하여 나노와이어를 제작한다.

이때, 나노와이어 제작은 제1실리콘기판에 포토리소그라피(photo lithography)공정과 실리콘 건식 및 습식 식각 공정으로 직경이 수백 미크론에서 수 미크론 정도의 나노와이어 패턴을 얻은 후 이를 실리콘 열산화 공정과 산화막 제거공정으로 직경 수십 나노 크기의 나노와이어를 용이하게 제작할 수 있다.

한편, 제2기판상에는 나노와이어 소자를 제작하기 위하여 정렬용 표식 패턴을 미리 형성하는 공정을 수행한다. 또한 트랜스퍼 용 점착제를 기판 전체에 코팅하거나 이를 특정 부분에만 형성하여 점착제 패턴을 형성하는 공정을 수행한다.

이때, 정렬용 표식 패턴은 나노와이어 소자를 제조함에 있어서, 트랜스퍼된 나노와이어가 너무 작아 식별하기 어려우므로 전극 형성 등의 후속 공정 시 정렬 표식자 역할을 수행한다.

제2기판은 적용하고자하는 응용에 따라, 기판 자체가 점착 특성을 갖는 플렉시블 기판(flexible substrate) 또는 점성 기판(sticky substrate) 등을 사용하거나, 실리콘, 수정, 세라믹, 유리 및 폴리머(polymer) 등을 사용할 수 있으며, 제 2 기판을 실리콘으로 적용할 경우, 열 산화막이 형성된 실리콘 기판이나 기타 절연막이 형성된 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

점착제 패턴을 형성하는 공정은 감광제를 사용한 포토리소그라피 공정을 수행하거나, 피디엠에스(PDMS)등과 같은 고분자 물질을 사용한 핫 엠보싱 공정을 수행하거나, 열경화성 고분자물질을 사용한 임프린팅 공정을 수행하여 점착제 패턴을 형성할 수 있다.

이후, 나노와이어가 형성된 제1실리콘 기판과 정렬용 표식 패턴 및 점착제 패턴이 형성된 제2기판을 서로 대향하여 밀착시킨 후, 열과 압력을 가하여 나노와이어를 제2기판에 점착시킨다.

이때, 열과 압력은 나노와이어의 트랜스퍼 효율이 높은 조건으로 제2기판의 재질에 따라 결정될 수 있다.

제2기판의 점착제 패턴상에 나노와이어가 부착되면, 점착제 패턴을 제거한 후 순차적으로 나노와이어 소자의 전기적 컨택을 위하여 전극을 증착하는 공정을 수행한다. 점착제 패턴의 제거는 산소 플라즈마를 이용하며, 패턴이 제거된 후에도 트랜스퍼된 나노와이어는 기판과의 점착 또는 증착된 전극에 의해 소실되거나 위치가 변할 염려가 없다.

즉, 본 발명은 나노와이어를 제2기판에 전사하는 공정에 있어서, 종래와 달리 제2기판상에 나노와이어를 전사시키기 위하여 정렬용 표식 패턴 및 점착제 패턴을 미리 형성한 후, 형성된 패턴상에 나노와이어를 전사시키고 순차적으로 전극을 형성함으로써 의도한 위치에만 나노와이어를 트랜스퍼함으로 인하여 나노와이어의 수를 조절할 수 있으며, 제2기판상에 이를 반복적으로 수행함으로써 나노와이어 소자의 집적도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

[제1실시예]

도 1 내지 도 4c는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노와이어 소자 제조방법에 관한 도면이다.

이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 제1실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조방법은 우선 응용될 분야에 적합한 도핑 농도를 갖는 실리콘 기판을 이용하여 도 1과 같이 릴리즈된 나노와이어를 제작한다.

도 1과 같이 실리콘 기판(300)에 제작된 나노와이어(310)는 지지구조물(320)에 의하여 지지되어 있다. 도 1과 같은 실리콘 기판(300)에 제작된 나노와이어(310)는 도 2a 내지 2f에 개시된 바와 같은 공정을 거쳐 제작되며, 도 1의 1-1'부분의 제조공정을 도시한 것이다.

이를 상세히 설명하면, 결정구조가 (100) 방향인 제1실리콘 기판(300)을 열산화하여 제1열산화막(330)을 형성하고, 포토리소그라피 공정을 수행하여 패턴을 형성한 후, 제1열산화막(330)의 일부를 제거한다.

이후, 제1실리콘 기판(300)을 deep-RIE공정하여 이방성식각하면, 칼럼 구조(340)가 형성되며, 칼럼 구조(340)의 식각 깊이는 후술하는 나노와이어의 트랜스퍼 공정시 용이한 정도의 깊이로 조절할 수 있다.

다음으로 형성된 칼럼 구조(340)에 수산화 칼륨(KOH)등의 실리콘 식각용액을 이용하여 제1실리콘 기판(300)을 이등방 식각한다. 이때, 제1실리콘 기판은 (100)결정 방향의 식각 특성으로 인하여 나노와이어(310)의 단면이 역삼각형 구조(350) 로 형성되게 된다.

이후, 잔여 제1열산화막(330)을 제거한 후, 수십 나노미터(nm) 크기의 직경을 가지는 실리콘 나노와이어를 제조하기 위하여 제1실리콘 기판(300)을 2차 열산화하여 제2열산화막(360)을 형성한다.

마지막으로 제2열산화막(350)을 제거함으로써 수 내지 수십 나노미터 크기의 직경과 수 내지 수백 마이크로미터 길이의 실리콘 나노와이어(310)를 제작한다.

이때, 상기 제1열산화막 또는 제2열산화막을 불산 증기(HF vapor)을 이용하여 제거할 수 있으며, 이로 인하여 본 발명은 트랜스퍼될 나노와이어를 릴리즈함에 있어서 나노와이어의 소실을 최소화할 수 있으며, 나노와이어에 가해지는 스트레스를 최소화하여 결국, 나노와이어의 휨현상 및 위치 변화를 감소시켜 나노와이어의 트랜스퍼가 용이하도록 할 수 있게 된다.

그리고, 나노와이어의 한쪽 끝단이나, 양쪽 끝단은 지지기둥구조물(320)에 의하여 분리되지 않고 지지되어 있으며, 지지기둥 구조물과 나노와이어의 연결부분의 폭은 나노와이어의 폭보다 좁게 형성시키거나 같게 형성시킬 수 있다.

그리고, 도 3a에 나타난 바와 같이, 나노와이어(310)가 제조된 제1실리콘 기판(300)과 나노와이어 소자를 제조하기 위한 제2기판(400)을 대향되게 준비한다.

제2기판(400)은 적용하고자하는 분야에 따라, 기판 자체가 점착 특성을 갖는 플렉시블 기판(flexible substrate) 또는 점성 기판(sticky substrate) 등을 사용하거나, 실리콘, 수정, 세라믹, 유리 및 폴리머(polymer) 등을 사용할 수 있다.

제2기판(400)이 실리콘일 경우, 제2기판상에 절연막을 형성할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에서는 제2기판(400)을 실리콘 기판을 사용하였으며, 제2실리콘 기판을 열산화하여, 제3열산화막(410)을 형성하고, 제3열산화막(410)의 상부에 감광제(PR)를 도포한 후, 포토리소그라피 공정을 수행하여 나노와이어를 전사하기 위한 점착제 패턴(420)을 형성하였다.

제2기판에 정렬용 표식 패턴(도시하지 않음)을 형성한 후, 점착제 패턴(420)을 형성할 수도 있다.

정렬용 표식 패턴은 점착제 패턴 형성 및 나노와이어 트랜스퍼, 전극 형성공정 등을 수행함에 있어서 정렬 표식자의 역할을 수행하여 공정을 용이하게 하며, 정렬용 표식 패턴을 이용하여 나노와이어 트랜스퍼 공정을 반복적으로 수행할 경우, 나노와이어 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다.

이후, 나노와이어(310)가 형성된 제1실리콘 기판(300)과, 점착제 패턴(420)이 형성된 제2기판(400)을 서로 대향하여 밀착시킨 후, 열과 압력을 가하여 나노와이어(310)를 제2기판(400)에 점착시킨 후, 순차적으로 나노와이어의 전기적 컨택을 위하여 전극(430)을 형성하는 공정을 수행한다.

이때, 열과 압력은 제2기판의 점착제 패턴 재질에 따라 결정될 수 있으며, 전극(430)을 형성하는 공정은 전극형성 물질인 금속을 증착하여 형성할 수 있다.

그리고, 금속의 증착 전 나노와이어 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하기 위한 식각공정을 추가적으로 수행할 수 있다. 자연 산화막을 제거하기 위한 식각공정은 불산 증기(HF vapor)를 이용하여 제거할 수 있다.

다음으로, 점착제 패턴(420)을 제거하는 공정을 수행하며 점착제 패턴의 제 거는 산소 플라즈마를 이용하며, 패턴이 제거된 후에도 트랜스퍼된 나노와이어(310)는 제2기판(400)과의 점착 또는 형성된 전극(430)에 의해 소실되거나 위치가 변할 염려가 없다.

즉, 본 발명은 트랜스퍼될 나노와이어를 릴리즈함에 있어서, 종래와 달리 불산 증기를 사용하여 산화막을 제거하여 나노와이어의 소실을 최소화하였으며, 스트레스를 최소화하여 릴리즈된 나노와이어의 휨현상을 방지하였다.

이로 인하여 본 발명은 나노와이어의 트랜스퍼를 더욱 용이하게 하여 나노와이어 소자 제조의 대량생산이 가능하게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 릴리즈된 나노와이어를 타기판에 전사하는 공정에 있어서, 나노와이어를 기판 이동하기 위한 점착 패턴을 미리 형성하여 선별적으로 나노와이어를 트랜스퍼시키고 순차적으로 전극을 형성함으로 인하여 나노와이어의 수를 조절할 수 있으며, 제2기판상에 이를 반복적으로 수행함으로써 나노와이어 소자의 집적도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

[제2실시예]

본 발명의 제2실시예에 따른 나노와이어 소자 제조방법은 나노와이어를 전사시키기 위한 제2기판의 준비과정이 제1실시예와 상이하다.

본 발명의 제2실시예에 따른 제2기판은 임프린팅(imprinting) 공정을 수행함으로써 점착제 패턴을 형성한다.

이후, 도 4a 내지 4c를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4a에 나타난 바와 같이 본 발명의 제2실시예의 나노와이어를 제작하는 공정은 본 발명의 제1실시예와 동일하다. 따라서 본 발명의 제1실시예와 같이 제1실리콘 기판(300)에 제작된 나노와이어(310)는 지지구조물(320)에 의하여 지지된다.

한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 제2기판(500)은 임프린팅 공정을 수행하여 점착제 패턴(510)을 형성한다.

제2실시예의 제2기판(500)은 실리콘, 수정, 세라믹, 유리 및 폴리머(polymer) 등을 사용할 수 있으며, 제2기판을 실리콘으로 적용할 경우, 절연막이 형성된 실리콘 기판을 사용할 수도 있으며, 제2기판상에 나노와이어 트랜스퍼용 점착제 패턴을 형성하기 위하여 패턴 형성 물질은 열가소성 폴리머 예를 들어 PMMA(polymethyl methacrylate)등과 같은 물질이 적용될 수 있다.

본 발명의 제2실시예에서는 제2기판(500)을 실리콘 기판을 적용하여 제2기판상부에 열가소성 폴리머인 PMMA를 코팅한 후, 나노 크기의 구조물을 갖는 스템프로 압착하여 상기 PMMA에 스템프의 패턴을 형성하는 임프린팅 공정을 수행함으로써, 도 5a에 나타난 바와 같은 PMMA 점착제 패턴(510) 을 형성한다.

제2기판에 정렬용 표식 패턴(도시하지 않음)을 형성한 후, 점착제 패턴(510)을 형성할 수도 있다.

본 발명의 제2실시예는 임프린팅 공정을 통해 점착제 패턴을 형성함으로써 반도체 노광 공정에서 빛의 회절 현상에 의해 발생되는 선폭의 한계를 해결할 수 있으며, 경제적으로 나노 패턴 즉, 점착제 패턴을 비교적 빠른 속도로 제작할 수 있다.

점착제 패턴(510)이 형성된 제2기판(500)과 제1기판(300)을 서로 대향하여 밀착시킨 다음 열과 압력을 가함으로써 도 4b와 같이 제2기판(500)에 나노와이어(310)를 점착시킨다. 이때, 상기 열과 압력은 열가소성 폴리머의 종류에 따라 달리 설정될 수 있다.

이후, 산소 플라즈마를 이용하여 점착제 패턴을 제거하는 공정을 수행한 후, 나노와이어 소자의 전기적 컨택을 위하여 전극을 형성하는 공정을 수행한다.

이때, 전극을 형성하는 공정은 금속 물질을 증착하여 형성하며, 상기 전극을 형성하는 공정을 수행하기 전에 나노와이어 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하기 위하여 불산 증기를 이용한 식각공정을 추가적으로 수행할 수 있다.

도 4c는 제2기판에 나노와이어(310)가 트랜스퍼된 후 전극(520)이 형성된 것을 나타낸 것이다. 제2실시예 또한 제1실시예와 같이 점착제 패턴이 제거된 후에도 트랜스퍼된 나노와이어는 기판과의 점착 또는 증착된 전극에 의해 소실되거나 위치가 변할 염려가 없다.

본 발명의 제2실시예는 반도체 노광공정에서 빛의 회절 현상에 의한 선폭 한계를 해결할 수 있으며, 미리 형성된 점착 패턴상에 나노와이어를 전사시키고 전극을 형성함으로써 상기 실시예1과 같이 나노와이어의 트랜스퍼 효율 및 집적도를 높 일 수 있는 장점이 있다.

[제3실시예]

본 발명의 제3실시예에 따른 나노와이어 소자 제조방법은 나노와이어를 전사시키기 위한 제2기판의 준비과정이 제1실시예 및 제2실시예와 상이하다.

본 발명의 제3실시예에 따른 제2기판은 핫 엠보싱(hot embossing) 공정을 수행함으로써 점착제 패턴을 형성한다.

이후, 도 5a 내지 5b를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5a에 나타난 바와 같이 본 발명의 제3실시예에의 나노와이어를 제작하는 공정은 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예와 동일하다. 따라서 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예와 같이 제1실리콘 기판(300)에 제작된 나노와이어(310)는 지지구조물(320)에 의하여 지지된다.

한편, 본 발명의 제3실시예에 따른 제2기판(600)은 핫 엠보싱 공정을 수행하여 점착제 패턴(610)을 형성한다.

본 발명의 제3실시예에서는 제2기판을 기판 자체가 점착 특성을 가지는 플렉시블 기판(flexible substrate) 또는 점성 기판(sticky substrate)등으로 형성할 수 있으며, 본 발명의 제3실시예에서는 제2기판(600)을 플렉시블 기판, 더욱 상세하게는 PDMS(polydimethylsilioxine)를 적용한다.

본 발명의 제3실시예에서 제2기판(600)에 점착제 패턴(610)을 형성하는 공정은 패턴이 형성된 실리콘 금형을 제2기판인 플렉시블 기판과 서로 밀착하게 위치시 킨 후 가열하여 패턴을 모사하고, 냉각하여 서로 분리시키면 제2기판(600)에 실리콘 금형에 형성된 패턴과 동일한 패턴이 형성되어 도 5a와 같이 제2기판(600)자체에 점착제 패턴(610)이 형성되며, 제1실시예 및 제2실시예와 동일하게 정렬 표식 패턴(도시하지 않음)을 제 2 기판에 형성할 수도 있다.

따라서, 도 5a와 같이 나노와이어(310)가 형성된 제1실리콘 기판(300)과 점착제 패턴이 형성된 제2기판(600)을 서로 대향하여 밀착시킨 후, 열과 압력을 가함으로써 제2기판에 나노와이어가 점착된다. 이때, 열과 압력은 제2기판의 종류에 따라 달리 설정될 수 있다.

이후, 도 5b에 도시된 바와 같이 나노와이어 소자의 전기적 컨택을 위하여 전극(620)을 형성하는 공정을 수행할 수 있다.

본 발명의 제3실시예는 점착을 가진 물질인 기판내에 점착제 패턴(610)이 형성되므로 제1실시예 및 제2실시예와는 달리 별도의 점착제 패턴 제거공정이 불필요하며, PDMS등의 기판이 적용되는 바이오 소자 또는 광소자 분야에 적용 가능한 이점이 있다.

또한, 미연에 형성된 점착 패턴 없이도 나노와이어가 점착 특성을 갖는 제2기판상에 트랜스퍼되어 고정될 수 있으므로 공정이 대폭 축소될 수 있어 플렉서블 디스플레이에 적용가능한 FET 소자 응용으로 용이하게 이용될 수 있으며 대량생산 에 유리하다.

[제4실시예]

본 발명의 제4실시예는 상기의 본 발명의 나노와이어 소자 제조방법을 바이오 센서로 적용한 일예를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도 6a 내지 6e를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 제시된 방법으로 열산화막(710)이 형성된 제2기판(700)상에 나노와이어(720)를 전사한 후, 전극(730)을 증착한다. 전극은 금속 물질로써 금(Au)을 증착함으로써 단층으로 형성하거나, 티탄(Ti)을 증착한 후, 금(Au)을 증착한 다층구조로 형성할 수 있다.

이후, 증착된 전극을 포함한 기판의 전면에 절연층(740)을 증착한 후, 패터닝하여 하부에 존재하는 전극의 일부를 노출시킨 후, 상기 노출된 전극의 일부를 습식 식각하여 나노와이어의 일부 영역(750)을 노출시킨다.

이때, 전극(730)의 상부에는 자연스럽게 절연층(740) 보호막이 형성되어 전극의 전기적 절연역할을 수행하여 향후 소자의 노이즈 발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 도 6a 내지 6e는 전극의 증착 공정 후, 절연층을 증착하고 절연층의 패터닝 및 전극을 식각하여 전극(730)의 형성 및 절연층(740) 보호막을 형성하는 공정을 도시하였으나, 금속 물질을 증착한 후 식각하여 전극을 형성한 후, 형성된 전극의 상부에 절연층을 증착하고 패터닝하여 절연층 보호막을 형성할 수도 있다.

바이오 센서의 경우, 전해질 용액이 검사시료로 사용되므로 본 발명의 제4실시예에 따른 나노와이어 소자를 바이오 센서로 적용할 경우 전극의 상부에 형성된 절연층 보호막이 전해질 용액과 전극이 접하는 것을 방지함으로써 전해질 용액에 의한 노이즈를 감소시키고 전해질 용액에서 있을 수 있는 검출 대상 물질이 나노와이어에서 감지되어 나오는 신호만을 용이하게 검출할 수 있도록 하여 센서의 감도를 향상시킬 수 있게 된다.

다음으로, 노출된 나노와이어의 표면을 개질하여 센서로 적용하기 위해서 노출된 나노와이어 표면을 활성화한 후 나노와이어 표면에 검출 대상 분자를 특이적으로 인지하도록 적절한 화학적 기능기를 도입함으로써 바이오 센서로 적용될 수 있다.

나노와이어 표면의 활성화는 황산(H₂SO₄) 또는 산소 플라즈마(O₂ plasma)를 이용하며, 나노와이어의 표면에는 형성된 산화막(760)의 상부에 유기실란층(770) 및 수용기(780)가 형성되어 시료로서 준비한 전해질 용액에 포함되어 있는 분석 대상물, 예를 들어 단백질을 고정화된 수용체로 포착하고 검출할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제4실시예를 통해 제작된 바이오 센서를 나타낸 도면이다.

도 7에 나타난 바와 같이 제2기판(700)상에 열산화막(710), 나노와이어(720), 전극(730) 및 절연층(740)이 형성되어 있으며, 상기 나노와이어의 표면은 화학 기능기 도입으로 표면 개질되어 있다.

나노와이어의 개질된 표면에는 산화막(760)유기 실란층(770) 및 수용기(780) 가 형성되어 있어, 시료로서 준비한 전해질 용액에 포함되어 있는 분석 대상물(790), 예를 들어 단백질을 고정화된 수용체로 포착하고 검출할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 나노와이어의 소자 제작 시 나노와이어의 배열 및 정렬이 용이하며 나노와이어 및 나노와이어 소자의 공정 수율을 향상시킬 수 있으며, 이로 인하여 대량생산이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 나노와이어의 릴리즈 및 트랜스퍼 시, 소실을 방지하고 나노와이어에 가해지는 스트레스를 최소화할 수 있어 나노와이어의 휨 현상 및 나노와이어의 위치 변화를 억제할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 정렬용 표식자 패턴을 기준으로 릴리즈된 나노와이어를 제2기판상에 이동시키는 과정을 반복함으로써 집적도가 높은 나노와이어 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 실리콘, 세라믹, 유리 웨이퍼 기판 및 폴리머 기판이나 기타 재질의 플렉시블한 기판 모두에 적용 가능하여, 나노와이어 바이오 센서 뿐만 아니라 나노와이어 FET, 플렉시블 디스플레이 등의 다양한 분야에 용이하게 적용가능하며, 이로 인하여 상기 분야의 나노와이어 소자 양산화에 유리한 효과가 있다.

Claims

제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계(S1);

제2기판에 점착제 패턴을 형성하는 단계(S2);

상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계(S3);

상기 점착제 패턴을 제거하는 단계(S4); 및

상기 제2기판상에 전극 배선을 형성하는 단계(S5)

를 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 S2 단계는 포토 리소그라피 공정 혹은 임플란팅 공정을 적용하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제2기판은 실리콘, 수정, 세라믹, 유리 및 폴리머(polymer) 중 어느 하나인 나노와이어 소자 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 S4 단계에 있어서,

상기 점착제 패턴은 산소 플라즈마를 이용한 건식 식각공정으로 제거하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 S3 단계와 S4 단계의 사이에 상기 나노와이어 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계를 더 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계(S11);

핫 엠보싱 공정하여 제2기판에 점착제 패턴을 형성하는 단계(S12);

상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계(S13); 및

상기 제2기판상에 전극 배선을 형성하는 단계(S14)

를 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 6 항에 있어서,

상기 제2기판은 플렉시블 기판 또는 점성 기판인 나노와이어 소자 제조방법.
제 6 항에 있어서,

상기 S23 단계와 S24 단계의 사이에 상기 나노와이어 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계를 더 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계(S21);

제2기판에 점착제 패턴을 형성하는 단계(S22);

상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계(S23);

상기 점착제 패턴을 제거하는 단계(S24);

상기 제2기판의 상부에 금속 물질을 증착하는 단계(S25);

상기 제2기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계(S26);

상기 절연층을 패터닝하여 금속 물질을 노출시키는 단계(S27);

노출된 상기 금속 물질을 식각하여 나노와이어를 노출시키는 단계(S28);

노출된 상기 나노와이어 표면을 활성화하는 단계(S29); 및

활성화된 상기 나노와이어 표면에 화학적 기능기를 형성하는 단계(S30)

를 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 9 항에 있어서,

상기 S29 단계는

황산 또는 산소 플라즈마를 이용하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 1항, 제 6 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2기판에 점착제 패턴을 형성하기 전에 정렬용 표식 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 1 항, 제 6 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 나노와이어를 상기 점착제 패턴으로 트랜스퍼시키는 단계는,

상기 제1실리콘 기판의 릴리즈된 나노와이어가 형성된 면과 상기 제2기판의 점착제 패턴이 형성된 면을 접착시키는 단계(S31); 및

상기 제1실리콘 기판과 상기 제2기판에 열과 압력을 가하는 단계(S32)

를 포함하는 나노와이어 소자 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 S31 단계와 상기 S32 단계를 반복하여 수행하는 나노와이어 소자 제조 방법.
제 1 항, 제 6 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1실리콘 기판에 릴리즈된 나노와이어를 형성하는 단계는

실리콘 기판에 제1열산화막을 형성하는 단계(S41);

상기 실리콘 기판을 식각하여 칼럼 구조를 형성하는 단계(S42);

칼럼 구조가 형성된 상기 실리콘 기판을 식각하여 지지기둥 구조물 및 나노와이어 구조물을 형성하는 단계(S43);

상기 제1열산화막을 제거하는 단계(S44);

상기 실리콘 기판에 제2열산화막을 형성하는 단계(S45); 및

상기 제2열산화막을 제거하는 단계(S46)

를 포함하는 나노와이어소자 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 지지기둥 구조물은 상기 나노와이어의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝과 연결된 나노와이어소자 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 S46 단계는 불산 증기를 이용하여 제거하는 나노와이어 소자 제조방법.
제1열산화막의 상부에 트랜스퍼된 나노와이어;

상기 나노와이어와 전기적으로 연결된 전극;

상기 전극의 상부에 형성되어 노출되는 것을 방지하는 절연층;

상기 나노와이어의 표면에 형성된 산화막;

상기 산화막의 표면에 유기 실란기로 이루어진 유기 실란층; 및

상기 유기 실란층 상부에 형성되어 분석 대상물에 감응하는 수용기

로 이루어진 나노와이어 소자.