KR100809602B1 - Method for etching of insulating layers using carbon nanotubes and formation of nanostructures thereafter - Google Patents

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변혜령
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Abstract

A method for etching insulating layers using carbon nano tubes and nano structures manufactured by the same are provided to fabricate a nano trench having a width of 0.5 to 500 nm by using the carbon nano tube whose diameter is 0.5 to 300 nm. An insulating layer is formed on an upper portion of a substrate. A carbon nano tube is formed on an upper portion of the insulating layer. A nano trench is formed in the insulating layer by using a carbothermal reduction reaction of the insulating layer on which the carbon nano tube is formed. The substrate is selected from a group consisting of a silicon wafer, sapphire, glass, quartz, metal, alumina, and plastic. The insulating layer is made of a compound containing silicon. The carbon nano tube is formed by a method selected from a group consisting of CVD(Chemical Vapor Deposition), laser ablation, arc-discharge, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), vapor phase growth, sonication method, electrolysis, and flame synthesis.

Description

탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법 및 이를 이용하여 제조된 나노 구조물{Method for etching of insulating layers using carbon nanotubes and formation of nanostructures thereafter} Method for etching of insulating layers using carbon nanotubes and formation of nanostructures thereafter}

도 1a는 산소가 주입된 화학기상증착 반응 동안 탄소 나노튜브에 의해 유도된 나노트렌치의 형성 과정의 개략도이다.FIG. 1A is a schematic diagram of a process of forming a nano trench induced by carbon nanotubes during an oxygen-implanted chemical vapor deposition reaction.

도 1b는 선 형상의 나노 트렌치를 가지는 SiO2/Si 기판의 탭핑 모드 원자힘 현미경 (tapping mode atomic force microscopy (AFM)) 사진을 도시한다.FIG. 1B shows a tapping mode atomic force microscopy (AFM) photograph of a SiO 2 / Si substrate with linear nano trenches.

도 1c는 나노트렌치의 말단에서 미반응된 탄소 나노튜브의 일부가 잔존하는 SiO2/Si 기판의 탭핑 모드 원자힘 현미경 사진을 도시한다.FIG. 1C shows a tapping mode atomic force micrograph of a SiO 2 / Si substrate with a portion of unreacted carbon nanotubes remaining at the ends of the nanotrench.

도 2a는 마스크로서 SiO2 나노트렌치를 사용하여 Cr 나노와이어 (좌측) 및 Si 나노트렌치 (우측)를 형성하는 과정의 개략도이다. 2A is a schematic diagram of a process for forming Cr nanowires (left) and Si nano trenches (right) using SiO 2 nano trenches as a mask.

도 2b 내지 2e는 Cr 나노와이어의 저배율 및 고배율의 원자힘 현미경 사진을 도시한다.2B-2E show low and high magnification atomic force micrographs of Cr nanowires.

도 2f 및 2g는 Si 나노트렌치의 저배율 및 고배율의 원자힘 현미경 사진을 도시한다.2F and 2G show low and high magnification atomic force micrographs of Si nano trenches.

본 발명은 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법과 이를 이용하여 제조된 나노 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 방법에 비하여 간단하며, 친환경적이고, 0.5 내지 500 nm 의 평균 폭을 가지는 절연층의 나노트렌치를 제조할 수 있고, 상기 절연층의 나노트렌치를 마스크로 사용하여 고밀도 집적화 소자용 나노구조물을 제공할 수 있는, 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법과 이를 이용하여 제조된 나노 구조물에 관한 것이다. The present invention relates to an etching method of an insulating layer using carbon nanotubes and a nanostructure manufactured by using the same, more specifically, simpler, more environmentally friendly, and an insulating having an average width of 0.5 to 500 nm compared to conventional methods. A method of etching an insulating layer using carbon nanotubes and a nano-manufactured using the same, which can manufacture a nano trench of a layer, and can provide a nanostructure for a high density integrated device using the nano trench of the insulating layer as a mask. It is about a structure.

반도체 제조 기술의 급속한 발달과 각종 전자 부품 소자들의 집적화에 의해 점차 작은 칩 영역에 보다 많은 회로들과 소자들을 구현하고자 하는 노력들이 가속화 되고 있다. 이렇게 반도체 소자들의 크기가 줄어들면서 해당 소자의 선폭 역시 미세하게 줄어들고 있으며, 이러한 소자들을 구성하는 나노 와이어, 반도체 기판의 나노트렌치 등의 나도 단위의 구조물의 중요성 역시 날로 증대되고 있다. Due to the rapid development of semiconductor manufacturing technology and the integration of various electronic component devices, efforts to implement more circuits and devices in a smaller chip area are being accelerated. As the size of semiconductor devices decreases, the line width of the corresponding devices is also slightly reduced, and the importance of the structure of the nado unit, such as the nanowires constituting the devices and the nano trenches of the semiconductor substrate, is also increasing day by day.

이러한 나노 구조물은 그 크기가 대단히 작기 때문에 일반적인 포토 리소그래피 공정을 통해서는 제조가 불가능한데, 이는 노광 공정에서 사용되는 노광 장비의 한계 때문이다. 즉, 빛의 회절 한계 때문에 광원의 파장 이하의 선폭을 구현하는 것이 불가능하므로 나노 크기의 선폭을 구현할 수 없다. Since these nanostructures are very small in size, they cannot be manufactured through a general photolithography process because of the limitations of the exposure equipment used in the exposure process. In other words, it is impossible to realize a line width below the wavelength of the light source due to the diffraction limit of light, so it is impossible to realize a nano size line width.

하지만, 노광 방법을 이용하는 경우에도 나노 패턴을 구현할 수 있는 기술이 있는데, 전자선 리소그래피(E-Beam Lithography) 등이 그것이다. 상기 전자선 리소그래피는 전자선을 이용하여 미세한 붓으로 그림을 그리듯 패턴을 그려 나가는 방 법을 이용하는데, 이를 통해 기존의 노광 기술로는 불가능했던 수십 나노 정도의 선폭을 구현할 수 있다. 그러나, 전자선 리소그래피에 의해 가능한 나노 구조물의 선폭이 수십 나노라는 한계를 가지기 때문에 점차 작아지는 최근의 기술에 대응하기 어려우며, 공정 속도가 대단히 느리고 장비가 고가이기 때문에 나노 구조물을 제조하기 위한 목적으로 전자선 리소그래피를 이용하는 것은 경제적이지 않다. However, even when using an exposure method, there is a technology that can implement a nano-pattern, such as electron beam lithography (E-Beam Lithography). The electron beam lithography uses a method of drawing a pattern as if it is drawing with a fine brush by using an electron beam, thereby realizing a line width of about tens of nanometers, which was impossible with conventional exposure techniques. However, since the line width of nanostructures possible by electron beam lithography has a limit of several tens of nanometers, it is difficult to cope with the recent technology that is gradually getting smaller, and because the process speed is very slow and the equipment is expensive, electron beam lithography for the purpose of manufacturing nanostructures Using is not economical.

또한, 나노 크기의 구조물을 종래의 프린팅 방식으로 제조하는 방법은 그 형상에 제약이 따르는 등 많은 문제점을 갖는다.In addition, the method of manufacturing a nano-sized structure by the conventional printing method has a number of problems, such as a constraint on its shape.

한편, 탄소 나노튜브라 함은 육각형 벌집 무늬로 결합되어 있는 탄소 원자들의 배열이 튜브 형태를 이루고 있어, 튜브의 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 물질이다. 흑연면의 결합수에 따라서 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT: single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소 나노튜브 (DWNT: double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT: multi-walled carbon nanotube) 및 다발형 탄소 나노튜브(rope carbon nanotube)로 분류된다. 1985년에 크로토(Kroto)와 스몰리(Smalley)가 탄소의 동소체(allotrope)의 하나인 풀러렌(Fullerene) (탄소 원자 60개가 모인 것: C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 일본전기회사 (NEC) 부설 연구소의 이지마(Iijima) 박사가 전기방전법 (arc-discharge)을 사용하여 흑연 음극 상에 형성시킨 탄소덩어리를 투과전자현미경 (TEM)으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소 나노튜브를 발견하여 네이처 (Nature)지에 처음으로 발표하였다. 탄소 나노튜브는 전기방전법 (arc-discharge), 레이저증착법 (laser ablation), 플라즈마강화화학기상증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 기상합성법 (vapor phase growth), 전기분해법(electrolysis), 플레임 합성법 등에 의하여 대량생산될 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 갖고 있어서, 그 응용 범위가 넓다. Carbon nanotubes, on the other hand, are arranged in a hexagonal honeycomb pattern of carbon atoms in the form of a tube, the diameter of the tube is a very small nanometer material. Single-walled carbon nanotubes (SWNT), double-walled carbon nanotubes (DWNT), and multi-walled carbon nanotubes (MWNT) depending on the number of bonds of graphite And rope carbon nanotubes. Nippon Electric Company in 1991, when Kroto and Smalley first discovered Fullerene (a collection of 60 carbon atoms: C 60 ), one of the allotrope of carbon. Dr. Iijima of the (NEC) research institute has a long, long, carbon-like carbon nanotube that analyzes the mass of carbon formed on the graphite cathode by using an arc-discharge method with a transmission electron microscope (TEM). The tube was found and published for the first time in Nature. Carbon nanotubes can be used for electro-discharge, laser ablation, plasma enhanced chemical vapor deposition, chemical vapor deposition, vapor phase growth, It can be mass-produced by electrolysis, flame synthesis, or the like. In addition, the carbon nanotubes have excellent mechanical properties, electrical selectivity, excellent field emission characteristics, high efficiency hydrogen storage medium characteristics, and thus have a wide application range.

따라서, 탄소 나노튜브의 화학 반응성에 대한 연구 및 응용은 나노 전자기술, 복합재료, 기체 저장 (gas storages), 에너지 변환 시스템, 반응 화학물 (sensitive chemical), 및 생화학 센서 용도 등의 성공적인 구현을 위해 결정적이고 근본적인 해결책이 될 수 있다. 지금까지, 탄소 나노튜브의 화학 반응에 관한 대부분의 연구는 비공유 또는 공유 커플링 반응을 통하여 유기 작용성 분자들과의 표면 테더링(surface tethering)에 집중되어 왔다. 이와 반대로, 탄소 나노튜브를 구성하는 탄소의 완전 연소를 수반하는 탄소 나노튜브의 화학 반응은 주로 이들의 높은 화학 및 열 안정성 때문에 거의 연구되지 않고 있다. Thus, research and application of the chemical reactivity of carbon nanotubes has led to the successful implementation of nanoelectronics, composites, gas storages, energy conversion systems, sensitive chemicals, and biochemical sensors. It can be a decisive and fundamental solution. To date, most of the research on the chemical reaction of carbon nanotubes has focused on surface tethering with organic functional molecules through non-covalent or covalent coupling reactions. In contrast, the chemical reactions of carbon nanotubes with complete combustion of the carbon constituting the carbon nanotubes have been little studied mainly due to their high chemical and thermal stability.

이와 같이 각종 전자 부품 소자들의 집적화 요구에 부응하기 위한 나노 스케일의 구조물 합성은 지속적으로 요구되고 있으며, 이를 해결하기 위해 탄소 나노튜브 혹은 이와 비슷한 외형적 특징을 갖는 10 nm 이하 크기의 식각 상태를 가지는 소자 혹은 나노 와이어 등을 제작하는 기술이 현재 필요로 되는 실정이다.As such, the synthesis of nanoscale structures to meet the integration requirements of various electronic component devices is continuously required. To solve this problem, devices having an etching state of 10 nm or less having carbon nanotubes or similar external features are solved. Alternatively, a technology for manufacturing nanowires is currently required.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 방법에 비하여 간단하며, 친 환경적이고, 0.5 내지 500 nm의 폭을 가지는 나노트렌치를 제조할 수 있는 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for etching an insulating layer using carbon nanotubes, which are simpler, more environmentally friendly, and capable of producing nano-trenches having a width of 0.5 to 500 nm, compared to the existing methods.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 방법을 이용하여 제조된 나노 구조물을 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a nanostructure manufactured using the above method.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above technical problem,

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer on the substrate;

상기 절연층 상부에 탄소 나노튜브를 형성하는 단계; 및Forming carbon nanotubes on the insulating layer; And

상기 탄소 나노튜브가 형성된 절연층의 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응으로 절연층에 나노트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법을 제공한다.Provided is an etching method of an insulating layer using carbon nanotubes, including forming a nano trench in the insulating layer by a carbon thermal reduction reaction of the insulating layer on which the carbon nanotubes are formed.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼, 사파이어, 유리, 석영, 금속, 알루미나, 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the substrate may be selected from the group consisting of silicon wafer, sapphire, glass, quartz, metal, alumina, and plastic.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 절연층은 규소를 포함하는 화합물로 형성될 수 있다. In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the insulating layer may be formed of a compound containing silicon.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 절연층은 산화규소, 이산화규소, 질산화규소, 및 질화규소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성될 수 있다.In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the insulating layer may be formed of one or more selected from the group consisting of silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitrate, and silicon nitride.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 레이저 어블레이션법(laser ablation), 전기방전법(arc-discharge), 플라즈마강화화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 기상합성법 (vapor phase growth), 초음파 합성법 (sonication method), 전기분해법(electrolysis) 및 플레임 합성법(flame synthesis)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다.In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes are chemical vapor deposition (CVD), laser ablation, (arc-discharge), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), vapor phase growth, sonication method, electrolysis and flame synthesis It can be formed by.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT: single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소 나노튜브 (DWNT: double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT: multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소 나노튜브(rope carbon nanotube) 및 촉매를 탄소입자로 감싸고 있는 구조체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes (SWNT), double-walled carbon nanotubes (DWNT), Multi-walled carbon nanotubes (MWNT), bundle carbon nanotubes (rope carbon nanotube) and the catalyst may be selected from the group consisting of a structure surrounding the carbon particles.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 0.5 내지 300 nm의 평균 지름을 가질 수 있다.In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may have an average diameter of 0.5 to 300 nm.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소용융 환원 반응은 산소 및 비활성기체를 주입하면서 이루어질 수 있다. In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the carbon melt reduction reaction may be made while injecting oxygen and inert gas.

또한, 상기 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.0001 내지 30 %일 수 있다.In addition, the oxygen content may be 0.0001 to 30% of the total gas volume.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소용융 환원 반응은 700 내지 1200 ℃ 의 온도에서 이루어질 수 있다. In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the carbon melt reduction reaction may be performed at a temperature of 700 to 1200 ℃.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 절연층의 나노트렌치는 0.5 내지 500 nm의 평균 폭을 가질 수 있다. In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the nano trench of the insulating layer may have an average width of 0.5 to 500 nm.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 형성 단계와 상기 탄소용융 환원 (carbothermal reduction)반응은 동시에 일어날 수 있다.In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the forming step of the carbon nanotubes and the carbon melt reduction reaction (carbothermal reduction) may occur at the same time.

또한, 상기 탄소 나노튜브의 형성 단계와 상기 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응은 산소, 수소 및 탄화수소를 동시에 주입하면서 일어날 수 있다. In addition, the forming of the carbon nanotubes and the carbonthermal reduction reaction may occur while simultaneously injecting oxygen, hydrogen, and hydrocarbons.

또한, 상기 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 2 % 일 수 있다. In addition, the oxygen content may be 0.01 to 2% of the total gas volume.

또한, 상기 탄화수소는 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌, 부탄, 프로판으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.In addition, the hydrocarbon may be one or more selected from the group consisting of methane, ethane, acetylene, ethylene, butane, propane.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 절연층이 형성된 기판 상부는 금속 혹은 전이금속 촉매로 증착될 수 있다.In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the upper portion of the substrate on which the insulating layer is formed may be deposited with a metal or transition metal catalyst.

또한, 상기 금속 혹은 전이금속 촉매는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 로듐 (Rh), 팔라듐 (Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리 (Cu) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.In addition, the metal or transition metal catalyst is nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), molybdenum (Mo), aluminum (Al), rhodium (Rh), palladium (Pd) , Gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) or an alloy thereof.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above other technical problem,

상기 절연층의 식각 방법을 이용하여 제조된 나노 구조물을 제공한다.It provides a nanostructure manufactured by using the etching method of the insulating layer.

본 발명의 일 구현예에 따른 나노 구조물에 있어서, 상기 나노 구조물은 금속/반도체 나노 와이어, 반도체용 기판의 식각 구조물, 또는 금속/반도체 나노 입자의 배열 일 수 있다.In the nanostructure according to the embodiment of the present invention, the nanostructure may be an array of metal / semiconductor nanowires, an etch structure of a semiconductor substrate, or metal / semiconductor nanoparticles.

이하 도면을 참조하여 본원 발명의 구현예를 중심으로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 측면인 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법은, As described above, the etching method of the insulating layer using carbon nanotubes, which is an aspect of the present invention,

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer on the substrate;

상기 절연층 상부에 탄소 나노튜브를 형성하는 단계; 및Forming carbon nanotubes on the insulating layer; And

상기 탄소 나노튜브가 형성된 절연층의 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응으로 절연층에 나노트렌치를 형성하는 단계를 포함한다. And forming a nano trench in the insulating layer by a carbon thermal reduction reaction of the insulating layer on which the carbon nanotubes are formed.

먼저, 기판 상부에 절연층을 형성하는 단계에 대하여 상세하게 설명한다. First, the step of forming the insulating layer on the substrate will be described in detail.

상기 기판으로는 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예를 들면, 실리콘 웨이퍼, 사파이어, 유리, 석영, 금속, 알루미나, 또는 플라스틱 등을 포함한다. The substrate is not particularly limited, and specific examples thereof include silicon wafers, sapphire, glass, quartz, metals, alumina, plastics, and the like.

상기 절연층은 규소를 포함하는 화합물이라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적인 예를 들면, 산화규소, 이산화규소, 질산화규소, 및 질화규소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 절연층이 이산화규소로 이루어지는 경우 탄소용융환원반응에 따른 나노트렌치 형성의 높은 효율성으로 더 바람직하다.The insulating layer is not particularly limited as long as it is a compound containing silicon, but may be formed of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitride, and silicon nitride. In this case, when the insulating layer is made of silicon dioxide, it is more preferable because of the high efficiency of forming the nano trench due to the carbon melt reduction reaction.

상기 절연층의 구체적인 예로 이산화규소 (SiO2)로 이루어진 절연층은, 상기 기판인 실리콘 웨이퍼에 통상적인 건조 산소 혹은 수증기를 이용한 산화법을 통하여 형성할 수 있으며, 그 두께는 특별히 제한되지 않는다. 실험실에서 SiO2는 실리콘 웨이퍼를 수 초 내지 수 십 분 동안 공기 중에서 800 내지 1200 ℃에서 소성함으로써 형성될 수 있다. 상기 SiO2 층들은 실리콘 웨이퍼의 화학적 산화반응에 의 하여 형성되며, 그 두께는 엘립소미터 (elipsometer)를 사용으로 확인할 수 있다. 본 발명은 SiO2 층들이 존재하기만 한다면 두께에 상관없이 적용되고, 그 사용 목적에 따라 SiO2 층들의 두께를 결정하면 된다.As an example of the insulating layer, the insulating layer made of silicon dioxide (SiO 2 ) may be formed by an oxidation method using dry oxygen or water vapor, which is conventionally used for the silicon wafer as the substrate, and the thickness thereof is not particularly limited. In the laboratory, SiO 2 can be formed by firing a silicon wafer at 800 to 1200 ° C. in air for several seconds to several ten minutes. The SiO 2 layers are formed by chemical oxidation of a silicon wafer, and the thickness thereof can be confirmed by using an ellipsometer. The present invention is applied regardless of the thickness as long as the SiO 2 layers are present, and the thickness of the SiO 2 layers may be determined according to the purpose of use.

이후, 상기 기판에 절연층을 형성한 후, 탄소 나노튜브를 형성하기 전에, 상기 기판 상부는 금속 혹은 전이금속 촉매로 증착될 수 있다. 상기 금속 혹은 전이금속 촉매는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 로듐 (Rh), 팔라듐 (Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 단일 금속 혹은 전이금속, 또는 코발트(Co)-니켈(Ni), 코발트(Co)-철(Fe), 니켈(Ni)-철(Fe), 코발트(Co)-니켈(Ni)-철(Fe) 등과 같이 이종 또는 삼종 합금으로도 이루어진다. Thereafter, after forming an insulating layer on the substrate, and before forming carbon nanotubes, the upper portion of the substrate may be deposited with a metal or a transition metal catalyst. The metal or transition metal catalyst is nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), molybdenum (Mo), aluminum (Al), rhodium (Rh), palladium (Pd), gold Single metal or transition metal such as (Au), silver (Ag), copper (Cu), or cobalt (Co) -nickel (Ni), cobalt (Co) -iron (Fe), nickel (Ni) -iron (Fe) ), Cobalt (Co) -nickel (Ni) -iron (Fe) and the like or also made of two or three kinds of alloys.

상기 금속 혹은 전이금속 촉매는 열증착(thermal evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법, 전자선증착(electron beam evaporation)법 혹은 수용액 상에서의 화학물질 간의 반응을 이용하여 기판 상에 수 Å 내지 수십 Å 두께로 금속 혹은 전이금속 나노 입자를 형성한다. The metal or transition metal catalyst may have a thickness of several tens to tens of thousands on the substrate by using thermal evaporation, sputtering, electron beam evaporation, or a reaction between chemicals in an aqueous solution. Form metal or transition metal nanoparticles.

이후, 상기 탄소 나노튜브는 상기 절연층이 형성된 기판 상부에 화학기상증착법, 레이저 어블레이션법, 전기방전법, 플라즈마강화화학기상증착법, 기상합성법, 초음파 합성법, 전기분해법 및 플레임 합성법으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다. 이때, 화학기상증착법(CVD)및 플라즈마강화화학기상증착법(PECVD)이 직접적인 촉매 입자와 기판의 반응으로 나노트렌치 형성의 높은 효율성을 가지기 때문에 더 바람직하다.Thereafter, the carbon nanotubes are selected from the group consisting of chemical vapor deposition, laser ablation, electrodischarge, plasma enhanced chemical vapor deposition, vapor phase synthesis, ultrasonic synthesis, electrolysis, and flame synthesis on the substrate on which the insulating layer is formed. It can be formed by the method. At this time, chemical vapor deposition (CVD) and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) are more preferable because they have a high efficiency of nanotrench formation by the direct reaction of the catalyst particles with the substrate.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 나노튜브, 이중벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브, 다발형 나노튜브 및 촉매를 탄소입자로 감싸고 있는 구조체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be selected from the group consisting of single-walled nanotubes, double-walled nanotubes, multi-walled nanotubes, bundle-type nanotubes and a structure surrounding the catalyst with carbon particles.

본 발명에 있어서, 절연층에 형성되는 나노트렌치는 상기 탄소 나노 튜브에 의하여 완전히 유도되기 때문에, 상기 탄소 나노 튜브의 궤적, 길이 및 폭에 따라서, 상기 절연층의 나노트렌치의 특징이 결정된다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소 나노튜브는 이후 형성될 나노트렌치의 폭 등과 관련하여 0.5 내지 300 nm의 평균 지름을 가지는 것이 더 바람직하다.  In the present invention, since the nano trench formed in the insulating layer is completely guided by the carbon nanotubes, the characteristics of the nano trenches of the insulating layer are determined according to the trajectory, length and width of the carbon nanotubes. Therefore, the carbon nanotubes according to the exemplary embodiment of the present invention more preferably have an average diameter of 0.5 to 300 nm in relation to the width of the nano trenches to be formed.

이어서, 상기 탄소 나노튜브가 형성된 절연층에서 나노트렌치를 형성하는 단계에 대하여 상세히 설명한다.Next, the step of forming the nano trench in the insulating layer on which the carbon nanotubes are formed will be described in detail.

상기 절연층의 나노트렌치는 탄소 나노튜브와 기판 상에 형성된 절연층 사이에서 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응으로 형성되는데, 상기 반응은 화학기상증착법(CVD), 플라즈마강화화학기상증착법(PECVD), 열화학기상증착법, 기상합성법으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다. The nano trench of the insulating layer is formed by a carbon thermal reduction reaction between the carbon nanotubes and the insulating layer formed on the substrate, the reaction is chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), It may be formed by a method selected from the group consisting of thermochemical vapor deposition, gas phase synthesis.

이때 탄소 나노튜브의 탄소(C)가 절연층을 환원하여 에칭시키기 위해서 환원제로서 역할을 한다. In this case, carbon (C) of the carbon nanotubes serves as a reducing agent to reduce and etch the insulating layer.

상기 탄소용융 환원 반응은 700 내지 1200℃, 바람직하게는 800 내지 950℃의 온도에서 이루어질 수 있는데, 상기 반응 온도가 700℃ 미만이면 탄소나노튜브 및 나노트렌치의 생성 효율이 감소하고, 1200℃ 초과하는 경우에는 고온 반응으로 인한 경제적인 손실 및 기체 폭발 위험이 있을 수 있다. The carbon melt reduction reaction may be carried out at a temperature of 700 to 1200 ℃, preferably 800 to 950 ℃, if the reaction temperature is less than 700 ℃ to reduce the production efficiency of carbon nanotubes and nano trenches, exceeding 1200 ℃ In this case, there may be economic loss and gas explosion risk due to high temperature reaction.

한편, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 탄소 나노튜브가 형성된 기판의 탄소용융 환원 반응은 산소 및 비활성기체를 주입하면서 이루어질 수 있다. 즉, 상기 용융 환원 반응시에 산소를 포함하게 되면 높은 결정성 및 열안정성을 갖는 탄소 나노튜브의 파괴가 보다 용이하게 일어나고, 동일한 온도에서 상기 절연층과 반응하는 국소적으로 한정된 반응성 탄소질 성분을 생성시킨다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the carbon melt reduction reaction of the substrate on which the carbon nanotubes are formed may be performed while injecting oxygen and an inert gas. That is, when oxygen is included in the melt reduction reaction, breakage of carbon nanotubes having high crystallinity and thermal stability occurs more easily, and a locally defined reactive carbonaceous component reacting with the insulating layer at the same temperature is obtained. Create

상기 나노트렌치 형성의 효율은 주입되는 산소의 양과 직접적으로 연관된다. The efficiency of the nanotrench formation is directly related to the amount of oxygen injected.

상기 절연층 상부에 탄소 나노튜브를 형성한 후 절연층의 탄소용융 환원반응을 유도할 경우 산소 및 비활성기체를 주입하면서 이루어질 수 있다. 이때 상기 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.0001 내지 30 %, 바람직하게는 0.0003 내지 0.01 %이다. When the carbon nanotubes are formed on the insulating layer, induction of carbon melt reduction of the insulating layer may be performed while injecting oxygen and an inert gas. At this time, the content of oxygen is 0.0001 to 30%, preferably 0.0003 to 0.01% of the total gas volume.

상기 산소의 함량이 0.0001 % 미만인 경우에는 탄소용융 환원 반응이 원활하게 발생하지 않아 나노트렌치 형성의 효율성이 급격하게 줄어들 수 있고, 30 % 초과인 경우에는 과량의 산소와 탄소 나노튜브 자체의 산화반응이 먼저 일어나기 때문에 역시 나노트렌치 형성의 효율성이 급격히 줄어들 수 있다. When the oxygen content is less than 0.0001%, the carbon melting reduction reaction may not occur smoothly, and thus the efficiency of nano trench formation may be drastically reduced. When the oxygen content is more than 30%, the oxidation reaction of excess oxygen and carbon nanotubes itself is reduced. Because it occurs first, the efficiency of nanotrench formation can also be drastically reduced.

상기 산소가 포함된 비활성기체로는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈이 사용가능하고, 바람직하게는 아르곤을 사용할 수 있다. As the inert gas containing oxygen, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon may be used, and argon may be preferably used.

본 발명의 일 구현예에 따른 절연층의 식각 방법에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 형성 단계와 상기 탄소 나노튜브가 형성된 기판의 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응은 동시에 일어날 수 있다. 즉, 기판 상에 탄소 나노튜브를 형성하기 위한 화학기상증착 시스템 내에, 산소, 수소 및 탄화수소 기체 를 주입하게 되면 기판의 절연층 상에 탄소 나노튜브가 형성되는 것과 동시에 형성된 탄소 나노튜브가 환원제의 역할을 하여 절연층의 탄소용융 환원 반응이 일어난다. 따라서, 단 시간 내에 연료 손실을 줄이면서 절연층의 나노트렌치를 형성할 수 있게 되는 잇점을 가지게 된다. In the etching method of the insulating layer according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotube formation step and the carbon melt reduction reaction of the substrate on which the carbon nanotubes are formed may occur simultaneously. That is, when oxygen, hydrogen, and hydrocarbon gas are injected into a chemical vapor deposition system for forming carbon nanotubes on a substrate, the carbon nanotubes formed at the same time as the carbon nanotubes are formed on the insulating layer of the substrate serve as a reducing agent. The carbon melt reduction reaction of the insulating layer occurs. Therefore, there is an advantage that it is possible to form the nano trench of the insulating layer while reducing fuel loss in a short time.

즉, 탄소 나노튜브 형성 및 탄소용융 환원반응을 동시에 진행시키는 경우에는 나노트렌치의 형성시에 탄소 나노튜브에 의해서만 제공되는 탄소의 양외에 추가로 탄소를 제공함으로써, 상기 절연층의 나노트렌치 형성의 효율을 증가시킬 수 있게 된다. That is, in the case where the carbon nanotube formation and the carbon melt reduction reaction are simultaneously performed, by providing carbon in addition to the amount of carbon provided only by the carbon nanotubes at the time of forming the nano trench, the efficiency of nano trench formation of the insulating layer Can be increased.

이때, 상기 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 2 %, 바람직하게는 0.03 내지 0.1 %이다. 상기의 산소 함량이 0.01% 미만인 경우에는 탄소용융 환원 반응이 원활하게 발생하지 않아 나노트렌치 형성의 효율성이 급격하게 줄어들 수 있고, 2 % 초과인 경우에는 과량의 산소와 탄화수소 기체가 반응하여 반응 중 폭발의 위험이 있다. 수소와 탄화수소의 함량은 특별히 제한되지는 않으나, 총기체 부피에 대하여 수소의 함량은 20 내지 50 %, 바람직하게는 25 내지 40 %이고, 탄화수소의 함량은 50 내지 80 %, 바람직하게는 55 내지 75 %이다. At this time, the content of oxygen is 0.01 to 2%, preferably 0.03 to 0.1% of the total gas volume. When the oxygen content is less than 0.01%, the carbon melt reduction reaction does not occur smoothly, and the efficiency of nano trench formation may be drastically reduced. When the oxygen content exceeds 2%, excess oxygen and hydrocarbon gas react to explode during the reaction. There is a risk. The content of hydrogen and hydrocarbon is not particularly limited, but the content of hydrogen is 20 to 50%, preferably 25 to 40%, and the content of hydrocarbon is 50 to 80%, preferably 55 to 75, relative to the total gas volume. %to be.

상기 탄화수소는 특별히 한정되지 않으며, 이의 구체적인 예는 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌, 부탄, 프로판으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 이때, 메탄, 에틸렌 및 아세틸렌의 사용이 나노튜브를 효율적으로 합성하기 때문에 더 바람직하게 사용될 수 있다. The hydrocarbon is not particularly limited, and specific examples thereof may be at least one selected from the group consisting of methane, ethane, acetylene, ethylene, butane, and propane. At this time, the use of methane, ethylene and acetylene may be more preferably used because it efficiently synthesizes nanotubes.

또한, 탄소 나노튜브의 형성시에 사용되는 금속 혹은 전이금속 촉매의 나노 입자도 절연층의 열 증발을 가속화 시켜서, 절연층의 효율적인 탄소용융 환원 반응에서 탄소 나노튜브의 나노트렌치로의 변환율을 증가시키는 역할을 한다. In addition, the nanoparticles of the metal or transition metal catalyst used in the formation of the carbon nanotubes also accelerate the thermal evaporation of the insulating layer, thereby increasing the conversion rate of the carbon nanotubes into the nano trenches in the efficient carbon melt reduction reaction of the insulating layer. Play a role.

즉, 강산성 처리에 의해 촉매를 제거한 탄소 나노튜브를 클로로포름에 분산시키고 나노튜브 사이의 뭉침을 막기 위해 초음파 분해와 원심분리기를 이용한 무게 분리를 수차례 반복하여 상대적으로 가벼운 탄소 나노튜브 용액만을 SiO2에 스핀코팅(spin-coating)을 통하여 분산시킨 후 화학기상증착법으로 반응을 유도하면 나노트렌치의 형성 개수가 촉매가 포함되어 있는 경우에 비해 확연히 줄어듬을 확인할 수 있다. That is, the dispersion of carbon nanotubes to remove the catalyst by acidic treatment in chloroform and the sonication to the number of the weight separation using a centrifugal separator iterations relatively light only SiO 2 carbon nanotube solution to prevent aggregation between the nanotubes After dispersion through spin-coating, the reaction is induced by chemical vapor deposition, and the number of nano trenches formed is significantly reduced compared to the case where the catalyst is included.

또한 촉매를 포함하지 않은 무정질의 탄소입자를 스핀코팅을 통하여 절연층에 분산시킨 후 탄소용융 환원반응을 유도한 경우 촉매를 포함시킨 경우에 비하여 나노 홀(hole)이나 나노 트렌치가 절연층에서 적게 생성되는 것을 관찰할 수 있었다. In addition, in the case where amorphous carbon particles containing no catalyst are dispersed in the insulating layer through spin coating, carbon melting reduction reaction is induced, and fewer nano holes or trenches are generated in the insulating layer than when the catalyst is included. Could be observed.

이는 금속 혹은 전이금속 촉매가 가지는 고유의 특성과 이들이 탄화수소와 반응하여 형성하는 흑연구조의 탄소 막, 나노튜브 혹은 무정질의 탄소 막에 의한 탄소용융환원 반응의 결과임을 확인할 수 있다. This can be confirmed that the intrinsic properties of the metal or transition metal catalyst and the result of the carbon melt reduction reaction by the carbon structure of the graphite structure, nanotube or amorphous carbon film formed by reacting with the hydrocarbon.

실례로 촉매가 있던 자리도 식각이 되어 홀(hole)이 생기거나 형성된 대부분의 나노트렌치 역시 양 끝에 어떠한 촉매를 포함하고 있지 않는 것을 쉽게 관찰할 수 있는데 이는 탄소 나노튜브로 합성되지는 않았지만 촉매에 탄소 분자들이 막을 형성한 가운데 탄소용융환원 반응으로 이들 자체가 제거된 흔적이거나 촉매와 절연 층 간의 상호작용에 의해 녹는점이 낮아져 증발된 흔적임을 알 수 있다. For example, it is easy to observe that most of the nano trenches formed with holes or formed by etching where the catalyst was present also do not contain any catalyst at both ends. As the molecules form the film, they can be traced to their removal by the carbon melt reduction reaction or evaporated due to the low melting point due to the interaction between the catalyst and the insulating layer.

본 발명에 따른 절연층의 나노트렌치의 형태적 특징은, 상기 나노트렌치가 탄소 나노튜브와 접한 절연층 사이에서의 탄소용융 환원 반응에 의해서 형성되기 때문에, 탄소 나노튜브의 원래 특징에 의해서 결정된다. 따라서, 상기 나노트렌치의 길이는 탄소 나노튜브의 길이에 대응되어 수십 마이크로 미터 까지 연장될 수 있다. The morphological characteristics of the nano trenches of the insulating layer according to the invention are determined by the original characteristics of the carbon nanotubes, since the nano trenches are formed by a carbon melt reduction reaction between the insulating layers in contact with the carbon nanotubes. Therefore, the length of the nano trench may correspond to the length of the carbon nanotubes to extend to several tens of micrometers.

또한, 상기 나노트렌치의 평균 폭은 단면 고해상도 투과 전자 현미경 (high resolution transmission electron microscopy (HRTEM))을 사용하여 측정할 수 있으며, 상기 절연층의 나노트렌치의 평균 폭은 0.5 내지 500 nm 이다. In addition, the average width of the nano trench can be measured using a cross-sectional high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), the average width of the nano trench of the insulating layer is 0.5 to 500 nm.

이하, 본 발명의 일 구현예로서, 상기 절연층이 SiO2 층인 경우를 예로 들어 절연층의 나노트렌치의 형성 단계에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, as an embodiment of the present invention, the step of forming the nano trench of the insulating layer using the case where the insulating layer is an SiO 2 layer will be described.

전술한 바와 같이, 상기 절연층인 SiO2 층의 나노트렌치 형성을 위한 주요한 구동력은 탄소 나노튜브가 환원제로서 역할을 하는 SiO2 탄소용융 환원 반응이다. 비정질의 벌크 실리카 (SiO2(s))는 하기 식 에서와 같이 SiO(g) 및 CO(g)를 방출함으로써, 1000 ℃ 이상 및 대기압 하에서 탄소 (C(s))에 의해 환원되는 것으로 알려져 있다. As described above, the main driving force for forming the nano trenches of the SiO 2 layer, which is the insulating layer, is a SiO 2 carbon melting reduction reaction in which carbon nanotubes serve as a reducing agent. Amorphous bulk silica (SiO 2 (s)) is known to be reduced by carbon (C (s)) at least 1000 ° C. and under atmospheric pressure by releasing SiO (g) and CO (g) as in the following formula: .

SiO2(s) + C(s) ↔ SiO(g) + CO(g)SiO 2 (s) + C (s) ↔ SiO (g) + CO (g)

상기 식에서, 탄소 나노튜브는 SiO2를 열적으로 환원시키기 위하여 C(s)의 역할을 한다. In the above formula, the carbon nanotubes serve as C (s) to thermally reduce SiO 2 .

도 1a과 1b는 산소가 주입된 화학기상증착 반응 동안 탄소 나노튜브에 의해 유도된 나노트렌치의 형성 과정의 개략도 및 원자힘 현미경 사진(AFM)이다. 즉, 화학기상증착 (chemical vapor deposition) 장비에 촉매가 증착된 기판을 넣고 700℃ 내지 1200 ℃ 의 온도에서 산소, 수소 및 탄화수소(메탄 또는 에틸렌 등) 기체를 동시에 주입하면 탄소 나노튜브 합성 및 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응이 일어난다. 1A and 1B are schematic and atomic force micrographs (AFM) of the formation of nano trenches induced by carbon nanotubes during an oxygen-implanted chemical vapor deposition reaction. That is, carbon nanotube synthesis and carbon melting are performed by placing a substrate on which a catalyst is deposited in a chemical vapor deposition apparatus and simultaneously injecting oxygen, hydrogen, and hydrocarbon (methane or ethylene) gases at a temperature of 700 ° C. to 1200 ° C. Carbothermal reduction reactions occur.

이 반응으로 인해 탄소 나노튜브의 합성이 진행되고, 이와 더불어 SiO2 등의 기판 표면의 환원이 일어나게 되며, 그 결과 탄소 나노튜브 자리가 식각된 형태의 SiO2 층이 형성된다. 상기 고체상의 SiO2 및 C는 상기 반응이 일어나도록 하기 위해서 서로 접촉되어야 하고, SiO2 표면과 직접 접촉하는 탄소 나노튜브 만이 상기 반응을 위해서 활성화 된다. Due to this reaction, the synthesis of carbon nanotubes proceeds, and the reduction of the surface of the substrate such as SiO 2 occurs. As a result, a SiO 2 layer is formed in which carbon nanotube sites are etched. The solid phase SiO 2 and C must be in contact with each other in order for the reaction to occur, and only carbon nanotubes in direct contact with the SiO 2 surface are activated for the reaction.

한편, 1c를 참조하면, 상기 탄소 나노튜브 및 SiO2 사이의 반응이 불완전한 경우에는 형성된 나노트렌치의 말단에서 미반응된 탄소 나노튜브의 일부가 잔존하는 것을 확인할 수 있다. 이로써 탄소 나노튜브가 상기 반응에서 환원제로서의 역할을 하는 것임을 알 수 있다. On the other hand, referring to 1c, when the reaction between the carbon nanotubes and SiO 2 is incomplete, it can be seen that a portion of the unreacted carbon nanotubes remaining at the end of the formed nano trench. It can be seen that the carbon nanotubes play a role as a reducing agent in the reaction.

본 발명의 다른 측면은 상기 절연층의 식각 방법을 이용하여 제조되는 나노 구조물에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to a nanostructure manufactured by using the etching method of the insulating layer.

상기 식각 방법을 이용하여 제조되는 절연층의 나노트렌치를 마스크로서 사 용하여, 금속/반도체 나노 와이어, 반도체용 기판의 식각 구조물, 또는 금속/반도체 나노 입자의 배열 등과 같은 나노 구조물을 제공할 수 있다. 일차원 금속 나노와이어 및 반도체용 기판의 나노트렌치 등의 제조에서 현재 중요한 문제 중의 하나는 10 nm 보다 작은 지름 또는 폭을 가지는 나노 구조체를 얻는 것인데, 본 발명에 의한 절연층의 나노트렌치를 마스크로서 사용하면 이를 구현할 수 있는 잇점이 있다.By using a nano-tren of the insulating layer prepared by using the etching method as a mask, it is possible to provide a nanostructure, such as metal / semiconductor nanowires, etching structures of a semiconductor substrate, or an array of metal / semiconductor nanoparticles. One of the important problems in the production of one-dimensional metal nanowires and nano-trenches of semiconductor substrates is to obtain nanostructures having a diameter or width smaller than 10 nm. There is an advantage to this.

본 발명에 따른 금속 나노와이어는, 전술한 방법에 따라 식각된 절연층을 마스크로서 사용하여, 그 상부에 금속을 증착하고, 이후 금속 증착된 기판을 현상 용액에 침지하여 상기 마스크로 사용된 절연층을 제거함으로써 제조된다.Metal nanowires according to the present invention, using an insulating layer etched according to the above-described method as a mask, the metal is deposited thereon, and then the insulating layer used as the mask by immersing the metal-deposited substrate in a developing solution It is prepared by removing the.

이때, 증착에 사용되는 금속으로는, Cr, GaAs, GaN, Ti, Pd, Ni, Co, Al, Ag, Pt, Au 및 Cu 중에서 어느 하나가 선택될 수 있다. 상기 금속의 증착 방법은 특별히 제한되지 않고, 통상적인 방법에 의하여 가능하다. At this time, as the metal used for the deposition, any one of Cr, GaAs, GaN, Ti, Pd, Ni, Co, Al, Ag, Pt, Au and Cu may be selected. The method for depositing the metal is not particularly limited and may be performed by a conventional method.

또한, 금속 증착을 한 후 절연층을 제거하기 위해 현상 용액에 침지하는 방법이 사용되고, 절연층을 용해할 수 있는 용액이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 산화규소 절연층의 경우 0.1 % 이상의 함량을 갖는 HF 수용액이 바람직하다. In addition, a method of dipping in a developing solution is used to remove the insulating layer after metal deposition, and any solution capable of dissolving the insulating layer may be used without limitation. For example, in the case of the silicon oxide insulating layer, an HF aqueous solution having a content of 0.1% or more is preferable.

본 발명에 따른 나노 구조물의 일 예로서, 나노전자기술에서 유용한 나노미터 스케일의 Si 기판의 식각 구조물인 나노트렌치는 상기 동일한 SiO2 나노트렌치 마스크를 사용하여 제조할 수 있다. As an example of the nanostructures according to the present invention, nanotren, which is an etch structure of a nanometer-scale Si substrate useful in nanoelectronic technology, may be prepared using the same SiO 2 nanotrench mask.

즉, SiO2 나노트렌치가 형성된 Si 기판을 KOH 수용액 등에 침지하여 Si를 식각하고, 이후 HF 수용액 등에 침지하여 SiO2 나노트렌치 마스크 층을 제거함으로써, Si 기판의 식각 구조물인 나노트렌치를 제조한다.That is, the Si substrate on which the SiO 2 nano trench is formed is immersed in a KOH aqueous solution or the like to etch Si, and then immersed in an HF aqueous solution or the like to remove the SiO 2 nano trench mask layer, thereby preparing a nano trench which is an etch structure of the Si substrate.

도 2a는 전술한 바와 같이, 마스크로서 SiO2 나노트렌치를 사용하여 Cr 나노와이어 (좌측) 및 Si 나노트렌치 (우측)를 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다. FIG. 2A schematically illustrates the process of forming Cr nanowires (left) and Si nano trenches (right) using SiO 2 nano trenches as a mask, as described above.

이하, 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

SiOSiO 22 나노트렌치의 제조 Preparation of Nano Trench

탄소 나노튜브 및 SiO2 기판의 식각을 유도하기 위해 우선 SiO2/Si 기판에 철 촉매를 증착하였다. 100 μL의 40 mM NH2OH· HCl 수용액과 10 μL의 10 mM FeCl·6H2O 수용액을 SiO2/Si 기판이 침지된 10 mL의 3차 증류수에 마이크로 파이펫을 이용하여 각각 첨가하고 3분간 반응시킨 결과, 상기 기판 위에 나노튜브의 직경 크기 (평균 : 1.7 nm)를 가지는 철 촉매가 조밀하게 형성되었다. 철 촉매가 증착된 기판 샘플은 화학기상증착기(CVD)의 석영 관 안으로 옮겨진 후 500 sccm의 H2 기체로 환원시키며 약 830 ℃까지 온도를 올렸다. 온도가 830 ℃에 이르면 O2/CH4/C2H4 기체의 밸브를 열며 이때 각각의 기체의 양(기체의 흐름)은 1.5/1000/20 sccm이었다. 온도가 900 ℃에 이르면 약 10분간 반응을 더 시키고 O2/CH4/C2H4 기체의 밸브를 잠근 후 온도를 상온까지 내리고 샘플을 꺼냈다. 본 실험은 수소, 탄화수소, 그리고 산소를 사용하여 탄소 나노튜브의 합성과 탄소용융 환원 반응을 동시에 일어나게 유도하였다. 그 결과 얻어진 잘 정제된 선 형상의 나노 트렌치를 가지는 SiO2/Si 기판을 탭핑 모드 원자힘 현미경 (tapping mode atomic force microscopy (AFM)) 사진으로 도 1b에 나타내었다. To induce the etching of carbon nanotubes and SiO 2 substrates, iron catalysts were first deposited on SiO 2 / Si substrates. 100 μL of 40 mM NH 2 OH.HCl aqueous solution and 10 μL of 10 mM FeCl 3 .6H 2 O aqueous solution were added to 10 mL of tertiary distilled water in which SiO 2 / Si substrate was immersed using a micro pipette. After reacting for 3 minutes, an iron catalyst having a diameter size (average: 1.7 nm) of nanotubes was densely formed on the substrate. The substrate sample on which the iron catalyst was deposited was transferred into a quartz tube of a chemical vapor deposition (CVD) and then reduced to 500 sccm of H 2 gas and heated up to about 830 ° C. When the temperature reached 830 ° C., the valves of the O 2 / CH 4 / C 2 H 4 gas were opened, with the amount of each gas (gas flow) being 1.5 / 1000/20 sccm. When the temperature reached 900 ° C, the reaction was further performed for about 10 minutes, the valve of O 2 / CH 4 / C 2 H 4 gas was closed, the temperature was lowered to room temperature, and the sample was taken out. This experiment induced the synthesis of carbon nanotubes and the melting reaction of carbon by using hydrogen, hydrocarbons, and oxygen. The resulting SiO 2 / Si substrate having a well-refined linear nano trench is shown in FIG. 1B in a tapping mode atomic force microscopy (AFM) photograph.

SiO2 기판의 나노트렌치는 이미 형성된 탄소 나노튜브 샘플에 탄소용융 환원 반응을 유도하여 형성시킬 수도 있다. 탄소 나노튜브의 합성은 산소 기체의 주입을 제외하고는 상기의 실험 방법과 동일하다. 이 후 탄소 나노튜브가 합성된 기판을 다시 화학기상증착기의 석영 관 안으로 옮긴 후 1000 sccm의 Ar 기체 (0.0001 %의 산소 기체 포함)를 흘려주면서 900 ℃ 까지 온도를 올리고 5분 이상 반응시킨 후 상온으로 온도를 내리면 탄소용융 환원 반응에 의해 SiO2 나노트렌치가 SiO2/Si 기판에 형성됨을 관찰할 수 있다. The nano trenches of the SiO 2 substrate may be formed by inducing a carbon melting reduction reaction on the carbon nanotube samples already formed. Synthesis of carbon nanotubes is the same as the above experimental method except for the injection of oxygen gas. Subsequently, the substrate on which the carbon nanotubes were synthesized was transferred back to the quartz tube of the chemical vapor deposition machine. After flowing 1000 sccm of Ar gas (containing 0.0001% of oxygen gas), the temperature was raised to 900 ° C. and reacted for at least 5 minutes at room temperature. When the temperature is lowered, it can be observed that the SiO 2 nano trench is formed on the SiO 2 / Si substrate by the carbon melting reduction reaction.

Cr 나노와이어의 제조Preparation of Cr Nanowires

본 발명에 따른 Cr 나노와이어는 마스크로서 SiO2 나노트렌치를 사용하여, 단순 금속 증착 (metal evaporation)에 의하여 제조되었다. Cr 나노 와이어를 제작하기에 앞서 반응 생성물 중 하나인 유기 물질 및 탄소 나노튜브를 제거하고 깨끗 한 SiO2 나노트렌치 표면을 만들기 위해 샘플을 약 800 ℃에서 공기 중에 소성하였다. 이 과정에서 형성된 얇은 SiO2 층을 제거하기 위하여 약 5 % 정도의 희석된 HF 수용액에 샘플을 약 1 분간 침지할 수 있다. Cr의 열증착은 각각, 4 및 8 nm의 타겟 두께에서 진행되고, 이후 상기 Cr 열증착된 기판을 희석된 HF 용액 (H2O:HF(50%) = 2:1 부피비)에서 1 내지 3 분 동안 반응하여 상기 SiO2 나노트렌치를 제거하였다. 그 결과, 높이가 약 4.4 nm 및 8.5 nm 를 갖는 Cr 나노와이어를 제조하게 되었다. 그 결과 얻어진 Cr 나노와이어를 도 2b 내지 2e의 저배율 및 고배율의 원자힘 현미경 (atomic force microscopy (AFM)) 사진으로 나타내었다. Cr nanowires according to the present invention were prepared by simple metal evaporation, using SiO 2 nano trenches as masks. Prior to fabricating the Cr nanowires, the samples were fired in air at about 800 ° C. to remove one of the reaction products, organic matter and carbon nanotubes, and to create a clean SiO 2 nanotrench surface. In order to remove the thin SiO 2 layer formed in this process, the sample may be immersed in about 5% diluted HF aqueous solution for about 1 minute. Thermal deposition of Cr proceeds at target thicknesses of 4 and 8 nm, respectively, and then the Cr thermally deposited substrate is subjected to 1-3 in a diluted HF solution (H 2 O: HF (50%) = 2: 1 volume ratio). The reaction was carried out for minutes to remove the SiO 2 nanotren. As a result, Cr nanowires having a height of about 4.4 nm and 8.5 nm were produced. The resulting Cr nanowires are shown in the low and high magnification atomic force microscopy (AFM) images of FIGS. 2B-2E.

Si 나노트렌치의 제조Preparation of Si Nano Trench

본 발명에 따른 Si 나노트렌치는 마스크로서 SiO2 나노트렌치를 사용하여, KOH 수용액에 의한 식각으로 제조되었다. Si 나노트렌치를 제작하기에 앞서 반응 생성물 중 하나인 유기 물질 및 탄소 나노튜브를 제거하고 깨끗한 SiO2 나노트렌치 표면을 만들기 위해 샘플을 약 800 ℃에서 공기 중에 소성하였다. 이 과정에서 형성된 얇은 SiO2 층을 제거하기 위하여 약 5 % 정도의 희석된 HF 수용액에 샘플을 약 1 분간 침지할 수 있다. 이 후 Si의 식각을 위해 샘플을 83 ℃의 45 % 조성비를 가지는 KOH 수용액에서 침지시키고 약 1 분간 반응시켰다. 이때 상기 마스크의 표면색이 백색으로 변화되거나 상기 기판으로부터 H2 기포가 대량으로 발생하지 않도록 처리 정도를 조절하여야한다. 왜냐하면, KOH 수용액과의 반응 정도가 과도한 경우, SiO2 나노트렌치 마스크도 역시 손상이 되어 Si 기판 전체가 KOH 수용액에 의해 식각될 수 있기 때문이다. 이후 Si 나노트렌치가 형성된 기판을 희석된 HF 용액 (H2O:HF(50%) = 2:1 부피비)에서 1 내지 3 분 동안 반응하여 SiO2 나노트렌치 마스크를 제거하였다. 그 결과 얻어진 Si 나노트렌치를 도 2f 및 2g의 저배율 및 고배율의 원자힘 현미경 사진으로 나타내었다. Si nano trenches according to the present invention were prepared by etching with an aqueous KOH solution, using SiO 2 nano trenches as masks. Prior to fabricating the Si nano trenches, the samples were calcined in air at about 800 ° C. to remove one of the reaction products, organic material and carbon nanotubes, and to create a clean SiO 2 nano trench surface. In order to remove the thin SiO 2 layer formed in this process, the sample may be immersed in about 5% diluted HF aqueous solution for about 1 minute. Thereafter, the sample was immersed in an aqueous KOH solution having a 45% composition ratio of 83 ° C. for etching of Si and reacted for about 1 minute. At this time, the treatment degree should be adjusted so that the surface color of the mask is changed to white or H 2 bubbles are not generated in a large amount from the substrate. This is because when the degree of reaction with the KOH aqueous solution is excessive, the SiO 2 nano trench mask may also be damaged so that the entire Si substrate may be etched by the KOH aqueous solution. Subsequently, the substrate on which the Si nano trench was formed was reacted in a diluted HF solution (H 2 O: HF (50%) = 2: 1 volume ratio) for 1 to 3 minutes to remove the SiO 2 nano trench mask. The resulting Si nano trench is shown in atomic force micrographs of low magnification and high magnification of FIGS. 2F and 2G.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다. So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

본 발명의 식각 방법에 따르면 식각을 위한 비싼 기계장비 및 복잡한 전처리 과정을 필요로 하는 기존의 방법에 비하여 경제적이고 간단하며, 또한 환경과 신체에 유독한 화학 약품을 사용하지 않아 친환경적이고, 직경이 0.5 내지 300 nm 의 탄소 나노튜브를 이용하여 기존의 방법으로는 구현하기 어려운 0.5 내지 500 nm 의 폭을 가지는 절연층의 나노트렌치를 제조할 수 있다. 또한, 상기 절연층의 나노 트렌치를 이용하여 고밀도 집적화 소자용 나노 구조물을 제공할 수 있다.According to the etching method of the present invention, it is economical and simple compared to the existing method requiring expensive mechanical equipment and complicated pretreatment process for etching, and also does not use toxic chemicals to the environment and the body, and is environmentally friendly, and has a diameter of 0.5 By using the carbon nanotubes of 300 to 300 nm it is possible to manufacture a nano trench of the insulating layer having a width of 0.5 to 500 nm difficult to implement by the conventional method. In addition, it is possible to provide a nanostructure for a high density integrated device using the nano trench of the insulating layer.

Claims (19)

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer on the substrate; 상기 절연층 상부에 탄소 나노튜브를 형성하는 단계; 및Forming carbon nanotubes on the insulating layer; And 상기 탄소 나노튜브가 형성된 절연층의 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응으로 절연층에 나노트렌치를 형성하는 단계;Forming a nano trench in the insulating layer by a carbon thermal reduction reaction of the insulating layer on which the carbon nanotubes are formed; 를 포함하는 탄소 나노튜브를 이용한 절연층의 식각 방법.Etching method of the insulating layer using a carbon nanotube comprising a. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기판이 실리콘 웨이퍼, 사파이어, 유리, 석영, 금속, 알루미나, 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법. The substrate is selected from the group consisting of silicon wafers, sapphire, glass, quartz, metals, alumina, and plastics. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절연층이 규소를 포함하는 화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. And wherein said insulating layer is formed of a compound comprising silicon. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절연층이 산화규소, 이산화규소, 질산화규소, 및 질화규소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. And the insulating layer is formed of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitrate, and silicon nitride. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소 나노튜브가 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 레이저 어블레이션법(laser ablation), 전기방전법(arc-discharge), 플라즈마강화화학기상증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 기상합성법 (vapor phase growth), 초음파 합성법 (sonication method), 전기분해법(electrolysis) 및 플레임 합성법(flame synthesis)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. The carbon nanotubes are chemical vapor deposition (CVD), laser ablation, arc-discharge, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), vapor phase A method characterized by being formed by a method selected from the group consisting of vapor phase growth, sonication method, electrolysis and flame synthesis method. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT: single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소 나노튜브 (DWNT: double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT: multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소 나노튜브(rope carbon nanotube) 및 촉매를 탄소입자로 감싸고 있는 구조체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법. The carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes (SWNT), double-walled carbon nanotubes (DWNT), multi-walled carbon nanotubes (MWNT), bundles. The method is selected from the group consisting of a type of carbon nanotube (rope carbon nanotube) and the structure surrounding the catalyst with carbon particles. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소 나노튜브가 0.5 내지 300 nm의 평균 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.The carbon nanotubes having an average diameter of 0.5 to 300 nm. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소용융 환원 반응이 산소 및 비활성기체를 주입하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.And the carbon melt reduction reaction is carried out while injecting oxygen and an inert gas. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 산소의 함량이 총 기체 부피의 0.0001 내지 30 % 인 것을 특징으로 하는 방법.The oxygen content is 0.0001 to 30% of the total gas volume. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소용융 환원 반응이 700 내지 1200 ℃ 의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.The carbon melt reduction reaction is carried out at a temperature of 700 to 1200 ℃. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절연층의 나노트렌치가 0.5 내지 500 nm의 평균 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.And the nano trench of the insulating layer has an average width of 0.5 to 500 nm. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄소 나노튜브의 형성 단계와 상기 탄소용융 환원 반응이 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.Forming the carbon nanotubes and the carbon melt reduction reaction, characterized in that at the same time occur. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 탄소 나노튜브의 형성 단계 및 상기 탄소용융 환원 반응이 산소, 수소 및 탄화수소를 동시에 주입하면서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.Forming the carbon nanotubes and the carbon melt reduction reaction occurs while simultaneously injecting oxygen, hydrogen and hydrocarbons. 제 13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 산소의 함량이 총 기체 부피의 0.01 내지 2 % 인 것을 특징으로 하는 방법.The oxygen content is 0.01 to 2% of the total gas volume. 제 13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 탄화수소가 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌, 부탄 및 프로판으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.Wherein said hydrocarbon is at least one selected from the group consisting of methane, ethane, acetylene, ethylene, butane and propane. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절연층이 형성된 기판 상부가 금속 혹은 전이금속 촉매로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.And the upper part of the substrate on which the insulating layer is formed is deposited with a metal or transition metal catalyst. 제 16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 금속 혹은 전이금속 촉매가 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 로듐 (Rh), 팔라듐 (Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.The metal or transition metal catalyst is nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), molybdenum (Mo), aluminum (Al), rhodium (Rh), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) or an alloy thereof. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조된 나노 구조물. Nanostructures made using the method of any one of claims 1 to 17. 제 18항에 있어서, The method of claim 18, 상기 나노 구조물이 금속/반도체 나노 와이어, 반도체용 기판의 식각 구조물, 또는 금속/반도체 나노 입자의 배열인 것을 특징으로 하는 나노 구조물.The nanostructure is characterized in that the nanostructure is a metal / semiconductor nanowire, an etch structure of a substrate for a semiconductor, or an array of metal / semiconductor nanoparticles.
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