KR100854227B1 - method of growing carbon nanotube on Si wafer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 상면에 금속 촉매를 도포, 패터닝하는 단계와, 실리콘 웨이퍼에 열 에너지를 가해 금속 촉매를 응집(agglomerate)시키는 단계와, 실리콘 웨이퍼의 표면을 플라즈마 공정을 통해 식각하는 단계와, 실리콘 웨이퍼가 놓여지는 챔버에 카본 함유 가스를 주입하여 카본 나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법을 개시함으로써, 반도체 소자의 제조 공정에 카본 나노튜브의 기본 성장 모드를 이용할 때, 실리콘 웨이퍼와 금속 촉매간 반응으로 형성되는 규소 화합물로 인한 제약을 극복하기 위하여 카본 나노튜브의 성장 방식을 팁 성장 모드로 적용하여 반도체 소자의 제조 공정을 효과적으로 적용할 수 있도록 하는 것이다.The present invention comprises the steps of applying and patterning a metal catalyst on the upper surface of the silicon wafer, agglomerate the metal catalyst by applying thermal energy to the silicon wafer, etching the surface of the silicon wafer through a plasma process, By incorporating a carbon-containing gas into a chamber in which a silicon wafer is placed to grow a carbon nanotube, a method of growing a carbon nanotube of a silicon wafer is disclosed, thereby utilizing a basic growth mode of carbon nanotubes in a semiconductor device manufacturing process. In this case, in order to overcome the limitation caused by the silicon compound formed by the reaction between the silicon wafer and the metal catalyst, the growth method of the carbon nanotubes is applied to the tip growth mode so that the manufacturing process of the semiconductor device can be effectively applied.
Description
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 반도체 소자의 제조 공정에서의 카본 나노튜브의 성장 방식을 설명하기 위한 도면.1A to 1C are diagrams for explaining a growth method of carbon nanotubes in a manufacturing process of a general semiconductor device.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법을 설명하기 위한 도면.2a to 2d are views for explaining a carbon nanotube growth method of a silicon wafer according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 실리콘 웨이퍼 200 : 금속 촉매100
300 : 카본 나노튜브 40 : 규소 화합물300: carbon nanotube 40: silicon compound
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 반도체 소자의 제조 공정에 응용되고 있는 카본 나노튜브의 성장 방식 을 기본 성장 모드(base growth mode)에서 팁 성장 모드(tip growth mode)로 변화시켜 실리콘 웨이퍼 상에 카본 나노튜브를 효과적으로 성장시킬 수 있는 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for growing carbon nanotubes of a silicon wafer, and more particularly, to a method of growing a carbon nanotube applied to a manufacturing process of a semiconductor device in a base growth mode and a tip growth mode. The present invention relates to a carbon nanotube growth method of a silicon wafer capable of effectively growing carbon nanotubes on a silicon wafer by changing to a growth mode).
일반적으로, 카본 나노튜브(carbon nanotube)는 하나의 카본(탄소) 원자에 이웃하는 세 개의 카본 원자가 결합되어 있으며, 카본 원자간의 결합에 의해서 육각 환형이 이루어지고, 이들이 벌집형태로 반복된 평면이 말려 원통형 튜브를 이룬 물질이다.In general, carbon nanotubes are bonded to three carbon atoms adjacent to one carbon (carbon) atom, and hexagonal rings are formed by bonding between carbon atoms, and the planes in which they are repeated in a honeycomb form are curled. It is a material consisting of a cylindrical tube.
특히, 카본 나노튜브는 최근에 발견된 속이 빈 튜브 형태를 지니고 있으며, 이러한 카본 나노튜브는 전기적, 화학적, 물리적, 기계적 소자를 만드는데 매우 유용하다. In particular, carbon nanotubes have the form of hollow tubes recently discovered, which are very useful for making electrical, chemical, physical and mechanical devices.
따라서, 전기 소자, 화학적, 물리적, 기계적 센서, 수소 저장 장치, 필드 에미티드 디바이스(Field Emitted Device : FED)와 같은 다양한 적용분야에 대해 연구가 진행되고 있다.Accordingly, research is being conducted on various applications such as electric devices, chemical, physical and mechanical sensors, hydrogen storage devices, and field-emitting devices (FEDs).
또한, 카본 나노튜브는 직경이 수십 Å 내지 수십 nm이며, 길이는 직경의 수십 배에서 수천 배가 넘는다. In addition, carbon nanotubes have a diameter of several tens of micrometers to several tens of nanometers, and the length is several tens to thousands of times the diameter.
카본 나노튜브 합성에 관한 많은 연구가 이루어지고 있는 것은, 이와 같은 형상학적인 특성과 화학적 결합에서 비롯되는 우수한 열적, 기계적, 전기적 특성 때문이다. Much research is being done on carbon nanotube synthesis because of its morphological properties and excellent thermal, mechanical and electrical properties resulting from chemical bonding.
위와 같은 특성을 이용할 경우, 기존 소재로는 기술적 한계에 부딪혔던 많은 제품들을 개발해 낼 수 있을 뿐만 아니라, 이미 개발된 제품에 지금까지는 나타나지 않았던 특성을 부여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.By using the above characteristics, it is expected that not only the existing materials can develop many products that have hit technical limitations, but also give the already developed products characteristics that have not been shown so far.
그리고, 카본 나노튜브의 합성 방법으로는 아크 방전법(Arc discharge), 레이저 기화법(Laser evaporation), CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 촉매적 합성법, 플라즈마(plasma) 합성법 등 다양한 방법들이 제시되고 있다.In addition, various methods such as arc discharge, laser evaporation, chemical vapor deposition (CVD), catalytic synthesis, and plasma synthesis have been proposed as methods for synthesizing carbon nanotubes. .
따라서, 반도체 소자의 제조 공정, 예를 들어, FED의 제조 공정에 카본 나노튜브를 이용하는 연구가 활발하게 진행 중이다. Therefore, research using carbon nanotubes in the manufacturing process of a semiconductor element, for example, the FED, is actively progressing.
현재 반도체 소자의 제조 공정에 이용되는 카본 나노튜브의 성장 방법은 기본 성장 모드를 적용하고 있다.Currently, the carbon nanotube growth method used in the semiconductor device manufacturing process employs a basic growth mode.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 반도체 소자의 제조 공정에서의 카본 나노튜브의 성장 방식을 설명하기 위한 도면이다.1A to 1C are diagrams for describing a growth method of carbon nanotubes in a manufacturing process of a general semiconductor device.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 일정한 두께와 길이를 갖는 실리콘 웨이퍼(실리콘 기판)(10) 상면에 금속 촉매(Metal Catalyst)를 옮겨놓을 수 있도록 평탄하게 한다.First, as shown in FIG. 1A, the metal catalyst is planarized so as to transfer a metal catalyst onto the upper surface of the silicon wafer (silicon substrate) 10 having a constant thickness and length.
그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(10)의 상면에 금속 촉매(20)를 도포한다.As shown in FIG. 1B, a
실리콘 웨이퍼(10)에 도포되는 금속 촉매(20)는 회로 설계 공정에서 설계된 회로에 따른 패턴이 패터닝되도록 도포한다.The
그리고, 금속 촉매(20)가 도포된 실리콘 웨이퍼(10)를 챔버형 CVD 리액터(Reactor)에 넣고, 챔버형 CVD 리액터(이하 "챔버"라 칭한다)로 카본 함유 가스 를 주입한다. 이때, 챔버는 고온을 유지하는 것이 바람직하다.Then, the silicon wafer 10 coated with the
챔버내로 주입된 카본 카스와 금속 촉매(20)가 화학 반응을 일으키면서 카본 나노튜브(30)가 수직 방향으로 성장한다.As the carbon casing and the
이때, 상기 카본 나노튜브(30)는 일 방향으로만 성장한다.At this time, the carbon nanotubes 30 grow only in one direction.
그리고, 실리콘 웨이퍼(10) 상면에 성장된 카본 나노튜브(30)의 길이를 디스차지(discharge)를 통해 적절하게 조절한다.In addition, the length of the carbon nanotubes 30 grown on the upper surface of the
그러나, 이와 같이 기본 성장 모드가 적용되는 카본 나노튜브(30)의 성장 방식은 실리콘 웨이퍼(10)와 금속 촉매(20)간의 반응으로 금속 촉매(20) 하부의 실리콘 웨이퍼(10)에 규소 화합물(silicide)(40)이 형성되는 문제가 있다.However, the growth method of the carbon nanotubes 30 to which the basic growth mode is applied is a reaction between the
따라서, 실리콘 웨이퍼(10)와 금속 촉매(20)간의 반응으로 형성되는 규소 화합물(40)로 인하여 반도체 소자의 제조에 제약이 발생하게 된다.Therefore, the silicon compound 40 formed by the reaction between the silicon wafer 10 and the
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 반도체 소자의 제조 공정에 카본 나노튜브의 기본 성장 모드를 이용할 때, 실리콘 웨이퍼와 금속 촉매간 반응으로 형성되는 규소 화합물로 인한 제약을 극복하기 위하여 카본 나노튜브의 성장 방식을 팁 성장 모드로 적용하여 반도체 소자의 제조 공정을 효과적으로 적용할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the above problems, and overcomes the limitation due to the silicon compound formed by the reaction between the silicon wafer and the metal catalyst when the basic growth mode of carbon nanotubes is used in the manufacturing process of the semiconductor device. In order to provide a carbon nanotube growth method of a silicon wafer that can be applied to the growth method of the carbon nanotubes in a tip growth mode in order to effectively apply a semiconductor device manufacturing process.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법은, 실리콘 웨이퍼의 상면에 금속 촉매를 도포하고 패터닝하는 단계와, 실리콘 웨이퍼에 열 에너지를 가해 금속 촉매 패턴을 응집(agglomerate)시키는 단계와, 실리콘 웨이퍼의 표면을 식각하는 단계와, 실리콘 웨이퍼가 놓여지는 챔버에 카본 함유 가스를 주입하여 카본 나노튜브를 성장시키는 단계를 포함한다.Carbon nanotube growth method of a silicon wafer according to an aspect of the present invention for achieving the above object, the step of applying and patterning a metal catalyst on the upper surface of the silicon wafer, applying a thermal energy to the silicon wafer to agglomerate the metal catalyst pattern (agglomerate), etching the surface of the silicon wafer, and injecting a carbon-containing gas into the chamber in which the silicon wafer is placed to grow carbon nanotubes.
본 발명에 따른 금속 촉매를 응집시키는 단계는, 실리콘 웨이퍼는 챔버에 넣고, 섭씨 400도 이상으로 가열할 수 있다.In the step of agglomerating the metal catalyst according to the present invention, the silicon wafer may be placed in a chamber and heated to 400 degrees Celsius or more.
본 발명에 따른 식각하는 단계는, 금속 촉매가 도포되지 않은 실리콘 웨이퍼의 표면에서부터 10 Å의 두께로 식각할 수 있다.In the etching step according to the present invention, the metal catalyst may be etched to a thickness of 10 mm from the surface of the silicon wafer not coated.
본 발명에 따른 카본 함유 가스는, 아세틸렌(C2H2) 및 에틸렌(C2H4) 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 가스일 수 있다.The carbon-containing gas according to the present invention may be any one of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ) or a mixed gas thereof.
본 발명에 따른 카본 나노튜브는, 응집된 금속 촉매가 상측 끝부분에 놓여지는 팁 형태로 성장하는 것일 수 있다.Carbon nanotubes according to the present invention, the aggregated metal catalyst may be grown in the form of a tip placed on the upper end.
이하, 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세 설명한다.Hereinafter, a carbon nanotube growth method of a silicon wafer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼의 카본 나노튜브 성장 방법을 설명하기 위한 도면이다.2A to 2D are views for explaining a method of growing carbon nanotubes of a silicon wafer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 일정한 두께와 길이를 갖는 실리콘 웨이퍼(실리콘 기판)(100)의 상면을 금속 촉매(Metal Catalyst)를 옮겨놓을 수 있도록 평탄하게 한다.As shown in FIG. 2A, the top surface of the silicon wafer (silicon substrate) 100 having a constant thickness and length is flattened to displace the metal catalyst.
그리고, 실리콘 웨이퍼(100)의 상면에 금속 촉매(200)를 도포하여 금속 촉매 패턴을 형성한다. 이때, 실리콘 웨이퍼(100)에 도포되는 금속 촉매(200)는 회로 설계 공정에서 설계된 회로에 따른 패턴이 패터닝되도록 기판 전면 도포 후 패터닝하는 방법으로 형성할 수 있다. 또한, 금속 촉매(200)는 알루미늄(Al), 코발트(Co) 및 철(Fe) 등과 같은 금속이 사용됨이 바람직하다.In addition, the
도 2b에 도시된 바와 같이, 금촉 촉매(200)가 도포된 실리콘 웨이퍼(100)에 섭씨 400도 이상의 열 에너지로 가열하여 금속 촉매(200)를 응집시킨다(agglomeration). 도포된 금속 촉매 패턴의 응집은 환경에 따라, 패턴의 박막 상태에 따라 대기상의 용융점 이하에서도 이루어질 수 있으며, 가능한한 온도를 낮추어 용융점 이하에서 진행하는 것이 바람직하다.As illustrated in FIG. 2B, the
이때, 금속 촉매(200)가 도포된 실리콘 웨이퍼(100)를 챔버(챔버형 CVD 리액터)에 놓고, 챔버를 이용하여 열 에너지를 가열할 수 있다.At this time, the silicon wafer 100 coated with the
그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 플라즈마 공정을 통해 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 식각(etching)한다. As illustrated in FIG. 2C, the surface of the
이때, 실리콘 웨이퍼(100)가 식각되는 두께는 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에서부터 10 Å로 형성되는 것이 바람직하다.In this case, the thickness of the
즉, 실리콘 웨이퍼(100)를 플라즈마 공정을 통해 표면을 식각하여 금속 촉 매(200)가 도포된 영역을 팁(tip) 형태로 형성한다.That is, the surface of the
그리고, 챔버 내에 카본 함유 가스를 주입하여 응집된 금속 촉매(200')와 카본 함유 가스간 화학 반응을 일으키도록 한다. 이때, 챔버는 고온을 유지하는 것이 바람직하다.Then, a carbon-containing gas is injected into the chamber to cause a chemical reaction between the aggregated metal catalyst 200 'and the carbon-containing gas. At this time, the chamber is preferably maintained at a high temperature.
이때, 카본 함유 가스는 아세틸렌(C2H2) 및 에틸렌(C2H4) 등과 같은 CH기 가스가 사용될 수 있다.In this case, the carbon-containing gas may be a CH group gas such as acetylene (C2H2) and ethylene (C2H4).
도 2d에 도시된 바와 같이, 챔버 내로 주입된 카본 카스와 금속 촉매(200)가 화학 반응을 일으키면서 카본 나노튜브(300)가 팁 형태로 수직 방향으로 성장한다.As shown in FIG. 2D, the
이때, 카본 나노튜브(300)는 일 방향으로만 성장한다.At this time, the
도 2d에 도시된 바와 같이, 금속 촉매(200)를 응집시켜, 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 식각한 이후에 카본 함유 가스와 금속 촉매(200')를 화학 반응시키면, 카본 나노튜브(300)가 금속 촉매(200')를 상측 끝부분에 놓여지는 팁 형태로 성장하게 된다.As illustrated in FIG. 2D, after the
따라서, 실리콘 웨이퍼(100)와, 금속 촉매(200)간 반응으로 인한 규소 화합물이 금속 촉매 패턴이 있는 미세한 영역을 제외하고는 주변 영역에 형성되지 않음으로, 반도체 소자의 제조 공정 등에 카본 나노튜브를 효과적으로 이용할 수 있다.Therefore, the silicon compound due to the reaction between the
그리고, 실리콘 웨이퍼(100) 상면에 성장된 카본 나노튜브(300)의 길이를 디스차지(discharge)를 통해 적절하게 조절한다.In addition, the length of the
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes are possible within the technical spirit of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반도체 소자의 제조 공정에 카본 나노튜브의 기본 성장 모드를 이용할 때, 실리콘 웨이퍼와 금속 촉매간 반응으로 형성되는 규소 화합물로 인한 제약을 극복할 수 있다.As described above, according to the present invention, when using the basic growth mode of the carbon nanotubes in the manufacturing process of the semiconductor device, it is possible to overcome the limitation due to the silicon compound formed by the reaction between the silicon wafer and the metal catalyst.
그리고, 본 발명에 따르면, 반도체 소자의 제조 공정에 사용되는 카본 나노튜브의 성장 방식을 팁 성장 모드로 적용하여 반도체 소자의 제조 공정을 효과적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the growth method of the carbon nanotubes used in the manufacturing process of the semiconductor device is applied in the tip growth mode, thereby effectively applying the manufacturing process of the semiconductor device.
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