KR100933560B1 - 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법 - Google Patents
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Abstract
나노팁(nanotips)의 형성과 형상조절은 전계효과 디스플레이(field emission display, FED)의 전계방출 소자로 최근 큰 관심을 받고 있으며, 원자력 현미경(atomic force microscope, AFM)을 포함한 주사탐침현미경(Scanning Probe MicroScope, SPM)과 같은 측정분야의 핵심원천기술로 많은 연구가 진행되었다. 본 발명은 패턴화된 실리콘 나노팁의 제작방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching, DRIE) 공정을 2회 연속 실시하여 패턴화된 실리콘 나노팁 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법은 감광성막 도포단계와, 감광성막 성형단계와, 제1차심도반응성 이온 식각단계를 포함한다. 상기 감광성막 도포단계는 실리콘기판의 일면에 감광성막을 형성하기 위하여 감광성막을 도포하는 단계이다. 상기 감광성막 성형단계는 자외선을 상기 감광성막에 선택적으로 노광시켜서 상기 감광성막을 일정한 형상으로 성형하는 단계이다. 그리고 상기 제1차심도반응성 이온 식각단계는 증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하는 단계이다.
나노팁, 스캘럽, 식각, 증착, 실리콘
Description
나노팁(nanotips)의 형성과 형상조절은 전계효과 디스플레이(field emission display, FED)의 전계방출 소자로 최근 큰 관심을 받고 있으며, 원자력 현미경(atomic force microscope, AFM)을 포함한 주사탐침현미경(Scanning Probe MicroScope, SPM)과 같은 측정분야의 핵심원천기술로 많은 연구가 진행되었다. 본 발명은 패턴화된 실리콘 나노팁의 제작방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching, DRIE) 공정을 2회 연속 실시하여 패턴화된 실리콘 나노팁 제작 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 그 전기적, 기계적 특징 때문에 최근 다양한 분야에 이용되고 있으며, 특히 나노팁 형태로 전계에미터(field emitter)로 사용되고 있다. 이러한 나노팁의 제작방법으로는 탄소나노튜브 성장법과, 전자빔을 이용한 나노팁 제작방법과, 심도 반응성 이온 식각에 의한 나노팁 제작방법 등이 있다.
그러나 탄소나노튜브 성장법을 이용한 나노팁은 대부분 잔디나 수염 모양으로 형성되어 규칙적이지 않으며 패턴화하기 어렵다.
또한, 전자빔을 이용한 나노팁 제작은 국부적으로 원하는 모양과 높이의 팁을 마스크 없이 제작할 수 있어 효과적인 전자 방출원(electron source) 제작 방법이지만 비용이 많이 들고 제작 시간이 오래 걸려서 제작 중 세심한 주의를 요한다는 문제점이 있었다.
그리고 심도 반응성 이온 식각에 의한 나노팁 제작방법은 반응성 이온 식각(reactive ion etching : RIE)을 이용하여 마이크로 입자들을 실리콘 전면에 생성시킨 후 이를 마스킹 물질로 심도 반응성 이온 식각으로 나노팁을 제작하였다. 그러나 이러한 종래의 심도 반응성 이온 식각에 의한 나노팁 제작방법은 마이크로 입자들이 기판 위에 불규칙적으로 증착되기 때문에 나노팁의 생성 위치가 불규칙적이다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 패턴화된 규칙적인 나노팁을 제작할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 단순하며 모놀리식(monolithic) 실리콘 공정과 통합가능하여 여러 분야에 쉽게 적용할 수 있는 나노팁을 제작할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법은 감광성막 도포단계와, 감광성막 성형단계와, 제1차심도반응성 이온 식각단계를 포함한다. 상기 감광성막 도포단계는 실리콘기판의 일면에 감광성막을 형성하기 위하여 감광성막을 도포하는 단계이다. 상기 감광성막 성형단계는 자외선을 상기 감광성막에 선택적으로 노광시켜서 상기 감광성막을 일정한 형상으로 성형하는 단계이다. 그리고 상기 제1차심도반응성 이온 식각단계는 증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하는 단계이다.
본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 일실시예로 상기의 실리콘 나노팁 제작방법은 감광성막 제거단계와, 제2차심도반응성 이온 식각단계를 더 포함한다. 상기 감광성막 제거단계는 잔여 감광성막을 제거하기 위한 단계이다. 그리고 상기 제2차심도반응성 이온 식각단계는 증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 단계이다.
상기의 실리콘 나노팁 제작방법은 열산화단계를 더 포함하는 것이 가능하다. 상기 열산화단계는 상기 나노팁이 형성된 후 상기 나노팁을 산화실리콘 나노팁으로 형성하기 위하여 열산화시키는 단계이다.
또는, 상기 실리콘 나노팁 제작방법은 열산화단계와, 열산화막제거단계를 더 포함하는 것이 가능하다. 이 경우 상기의 열산화단계는 상기 제2차심도반응성 이온 식각단계 이전에 상기 실리콘기판의 일면을 열산화시키는 단계이다. 그리고 상기의 열산화막제거단계는 상기 실리콘기판의 일면에 형성된 열산화막을 제거하기 위한 단계이다.
본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 일실시예로 상기의 실리콘 나노팁 제작방법은 유전체 박막층 형성단계와, 건식식각단계와, 감광성막 제거단계와, 잔여 유전체 박막층 제거단계와, 제2차심도반응성 이온 식각단계를 더 포함한다. 상기 유전체 박막층 형성단계는 상기 감광성막 도포단계 이전에 상기 실리콘의 일면에 유전체 박막층을 형성하기 위한 단계이다. 상기 건식식각단계는 상기 감광성막 성형단계 이후에 반응성 이온으로 상기 유전체 박막을 상기 감광성막의 일정한 형상으로 성형하기 위한 단계이다. 상기 감광성막 제거단계는 잔여 감광성막을 제거하기 위한 단계이다. 상기 잔여 유전체 박막층 제거단계는 제1차심도반응성 이온 식각단계 이후 잔여 유전체 박막층을 제거하는 단계이다. 상기 제2차심도반응성 이온 식각단계는 증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하는 단계이다.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브나 전자빔이나 마이크로 입자를 이용하여 마이크로 나노팁을 제작하는 기존 방법과 달리 미세 패턴을 심도 반응성 이온 식각으로 실리콘 기판에 전사하고 감광막 제거 후 다시 심도 반응성 이온 식각을 수행하여 실리콘 나노팁을 제작한다. 이로 인하여 공정이 단순하고 공정들이 모놀리식 실리콘 공정과 통합가능하여 측정·디스플레이·표면 개질 등 여러 분야에 쉽게 적용가능하고 감광막 패턴에 따라 규칙적인 패턴화된 실리콘 나노팁을 제작할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
본 발명에서는 패턴화된 실리콘 나노팁을 제작하기 위해 사진공정, 막 도포 공정, 심도 반응성 이온 식각공정, 열산화막 성장공정 등 기본적인 반도체 제조공정 기술들을 근간으로 한다. 심도 반응성 이온 식각공정은 일명 보쉬(Bosch) 공정이라고 불리며 C4F8 가스 등과 같은 증착가스에 의한 보호용 폴리머 증착과 SF6 가스 등과 같은 식각가스에 의한 폴리머 및 실리콘 식각을 반복적으로 수행하여 실리콘을 수직방향으로 식각할 수 있는 공정이다. 이 공정의 결과로 측벽에 미세 물결무늬의 스캘럽이 형성된다. 나노팁은 심도 반응성 이온 식각공정을 통해 측벽에 증착된 폴리머막이 식각방지 역할을 하여 생성되며 공정 결과로 표면에 스캘럽이 형성되어 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 일실시예의 공정도이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시예에서 심도반응성 이온식각의 공정도이다.
도 1에 따른 나노팁의 제작방법은 감광성막 도포단계와, 감광성막 성형단계와, 제1차심도반응성 이온 식각단계와, 감광성막 제거단계와, 제2차심도반응성 이온 식각단계를 포함한다.
감광성막 도포단계는 실리콘기판(10)의 일면에 감광성막(20)을 도포하는 단계이다(도 1의 a). 감광성막 도포단계에 의하여 실리콘기판(10)의 일면에 감광성막(20)이 형성된다.
감광성막 성형단계는 상기 감광성막(20)이 일정한 형상으로 성형 되도록 감광성막(20)에 자외선, X-선 또는 전자빔을 선택적으로 노광시켜 원하는 패턴으로 형성하는 사진공정 과정이다. 감광성막 성형단계에 의하여 감광성막(20)은 일정한 형상의 감광성막(21)으로 성형된다(도 1의 b).
제1차심도반응성 이온 식각단계는 실리콘기판(10)에 나노팁을 형성하기 위하여 심도반응성 이온으로 실리콘기판(10)을 식각하여 스캘럽(3)을 형성하는 단계이다(도 1의 c). 스캘럽(3)을 형성하기 위한 심도반응성 이온 식각단계의 구체적인 과정은 도 2에 도시된 바와 같다. 실리콘기판(10)의 일면에 예를 들면 SF6 등과 같은 식각가스(2)를 분사하여 RF 전원을 인가하면 SF6의 식각가스(2)가 플라즈마 상태로 전이되어 실리콘기판(11)이 식각된다(도 2의 a). 실리콘기판(11)이 식각된 후 C4F8 등과 같은 증착가스(4)를 분사하여 RF 전원을 인가하면 실리콘기판(11)의 식각부에 보호용 폴리머층(5)이 증착된다(도 2의 b). 식각부에 다시 상기 식각가스(2)를 분사하여 RF전원을 인가하면 식각부의 바닥면의 보호용 폴리머층(5)은 제거되어 실리콘기판(11)은 다시 식각된다(도 2의 c). 도 2의 d 및 e와 같이 상기의 과정을 반복해서 수행하면 실리콘기판(11)에는 깊이 방향으로 물결무늬의 스캘럽(3)이 형성된다.
감광성막 제거단계는 실리콘기판(11)의 일면에 잔존 된 감광성막(21)을 제거하는 단계이다(도 1의 d). 식각가스(2)가 계속해서 분사되어 플라즈마 이온화되면 감광성막(21)도 식각된다. 감광성막 제거단계는 미처 식각되지 못하여 잔존한 감광성막(21)을 제거하는 과정이며, 이는 일반적인 감광성막 제거 방법에 의한다.
제2차심도반응성 이온 식각단계는 감광성막(21)이 제거된 실리콘기판(11)에 도 2의 과정을 반복해서 수행한다(도 1의 e). 제2차심도반응성 이온 식각단계에 의하여 실리콘기판(11)에 식각 및 증착과정이 되풀이되면 나노팁(12)이 형성된다.
도 3은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 다른 실시예의 공정도이다. 도 3에 따른 나노팁의 제작방법은 감광성막 도포단계와, 감광성막 성형단계와, 제1차심도반응성 이온 식각단계를 포함한다.
감광성막 도포단계(도 3의 a)와, 감광성막 성형단계(도 3의 b) 및 제1차심도반응성 이온 식각단계(도 3의 c)는 도 1의 실시예와 동일하다.
다만, 도 1의 실시예에서는 제1차심도반응성 이온 식각단계 및 제2차심도반응성 이온 식각단계의 사이에 감광성막 제거단계를 추가하였다. 도 1의 실시예에서 설명한 바와 같이 제1차심도반응성 이온 식각단계에서 감광성막(21) 또한 식각되어 두께가 얇아진다. 제1차심도반응성 이온 식각단계를 계속 진행하면 감광성막(21)이 제거되어 결국 실리콘기판에 나노팁이 형성된다(도 3의 d).
도 4는 도 1에 도시된 실시예에 따라 제작한 실물의 전자현미경 사진으로써, 도 4a 및 도 4b는 나노팁을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예의 공정도이다. 도 5에 따른 나노팁의 제작방법은 도 1의 실시예에서 열산화단계를 더 포함한다.
즉 감광성막 도포단계 내지 제2차심도반응성 이온 식각단계(도 5의 a 내지 e)는 도 1의 실시예와 동일하다.
열산화단계는 제작된 실리콘 나노팁(12)을 열산화시켜 산화실리콘 나노팁(14)을 형성하는 단계(도 5의 f)이다.
도 6은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예 의 공정도이다. 도 6에 따른 나노팁의 제작방법은 유전체 박막층 형성단계와, 감광성막 도포단계와, 감광성막 성형단계와, 건식식각단계와, 감광성막 제거단계와, 제1차심도 반응성 이온 식각단계와, 유전체 박막 제거단계와, 제2차심도반응성 이온 식각단계를 포함한다.
유전체 박막층 형성단계는 실리콘기판(10)의 일면에 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등과 같은 유전체 박막(30) 또는 금속박막을 증착하는 단계이다(도 6의 a).
감광성막 도포단계 및 감광성막 성형단계(도 6의 b 및 c)는 도 1의 상기의 과정과 동일하다. 상기의 과정에 의하여 실리콘기판(10)의 일면에 유전체 박막층(30)이 형성되며, 상기 유전체 박막층(30)의 일면에 일정한 형상으로 성형 된 감광성막(21)이 형성된다.
건식식각단계는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등과 같은 유전체 박막(30) 또는 금속박막에 반응성 이온을 전사하여 상기의 감광성막(21)의 패턴으로 유전체 박막(31) 또는 금속박막을 식각하는 단계이다(도 6의 d). 건식식각단계에 의하여 실리콘기판(10)의 일면에 일정한 형상으로 성형 된 유전체박막(31) 및 감광성막(21)이 형성된다.
감광성막 제거단계 및 제1차심도 반응성 이온 식각단계(도 6의 e 내지 f)는 도 1의 단계와 동일하다.
유전체 박막 제거단계는 식각된 실리콘기판(11)의 일면에 잔존하는 유전체 박막(31) 또는 금속박막을 제거하는 단계이다(도 6의 g).
제2차심도반응성 이온 식각단계는 패턴화된 실리콘 나노팁을 제작하기 위한 최종 단계이다(도 6의 h). 이는 도 1의 실시예와 동일하다.
도 7은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 다른 실시예의 공정도이다. 도 7에 따른 나노팁의 제작방법은 유전체 박막층 형성단계(도 7의 a)와, 감광성막 도포단계(도 7의 b)와, 감광성막 성형단계(도 7의 c)와, 건식식각단계(도 7의 d)와, 감광성막 제거단계(도 7의 e)와, 제1차심도 반응성 이온 식각단계(도 7의 f)는 도 6의 실시예와 동일하다. 또한, 제2차심도 반응성 이온 식각단계(도 7의 g)는 도 7의 제2차심도 반응성 이온 식각단계(도 6의 h)와 동일하다.
도 7의 실시예에서는 도 6의 실시예와 달리 제1차심도반응성 이온 식각단계(도 6의 f) 및 제2차심도반응성 이온 식각단계(도 6의 h)의 사이의 유전체 박막 제거단계(도 6의 g)가 생략되었다. 도 6의 실시예에서 설명한 바와 같이 제1차심도반응성 이온 식각단계에서 유전체 박막(31) 또한 식각되어 두께가 얇아진다. 제1차심도반응성 이온 식각단계를 계속 진행하면 유전체 박막(31)이 제거되어 결국 실리콘기판에 나노팁이 형성된다(도 7의 g).
도 8은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예의 공정도이다. 도 8에 따른 나노팁의 제작방법은 감광성막 도포단계와, 감광성막 성형단계와, 제1차심도반응성 이온 식각단계와, 감광성막 제거단계와, 열산화단계와, 열산화막제거단계와, 제2차심도반응성 이온 식각단계를 포함한다.
즉 도 8에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 동일하나, 감광성막 제거단계(도 8의 d)와 제2차심도반응성 이온 식각단계(도 8의 g)의 사이에 열산화단계와, 열산화막제거단계를 더 포함한다.
감광성막 도포단계 내지 감광성막 제거단계(도 8의 a 내지 d)에 의하여 일면이 일정한 형상으로 식각된 실리콘기판(11)이 형성된다.
열산화단계는 실리콘기판(11)의 일면을 열산화시키는 단계이다(도 8의 e). 상기 단계에 의하여 실리콘기판(17)의 일면에는 실리콘 열산화막(16)이 형성된다.
열산화막제거단계는 열산화단계에 의하여 형성된 열산화막(16)을 제거하는 단계이다(도 8의 f). 열산화막제거단계에 의하여 실리콘기판에 형성된 스캘럽은 제거된다.
제2차심도반응성 이온 식각단계는 도 1에 도시된 실시예의 과정과 동일하다(도 8의 g). 상기의 식각단계에 의하여 실리콘기판은 식각되어 스캘럽이 새로이 형성된다. 따라서 본 실시예에서 형성된 실리콘기판(19)에는 나노팁(18)의 일부분에만 스캘럽이 형성된다.
도 9는 도 8에 도시된 실시예에 따라 제작한 실물의 전자현미경 사진이다. 실리콘 열산화막을 제거한 후 제2차심도반응성 이온 식각을 수행하면 열산화막이 제거된 부분에는 나노팁이 생성되지 않는다. 이러한 공정을 이용하면 나노팁의 일면에는 스캘럽이 제거되어 매끈한 면이 형성되고, 또 다른 일면에는 스캘럽이 형성되거나(그림 9의 b), 또는 일면에 매끈한 면과 스캘럽이 함께 형성될 수 있다(그림 9의 c).
도 1은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 일실시예의 공정도,
도 2는 도 1에 도시된 실시예에서 심도반응성 이온식각의 공정도,
도 3은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 다른 실시예의 공정도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법에 의하여 제작된 나노팁의 전자현미경 사진,
삭제
도 5는 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예의 공정도,
도 6은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예의 공정도,
도 7은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예의 공정도,
도 8은 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법의 또 다른 실시예의 공정도,
도 9는 본 발명에 따른 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법에 의하여 제작된 나노팁의 전자현미경 사진이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
1 : 심도 반응성 이온 2 : 식각가스
3 : 스캘럽 4 : 증착가스
10 : 실리콘기판 20 : 감광성막
30 : 유전체박막
Claims (5)
- 실리콘기판의 일면에 감광성막을 형성하기 위하여 감광성막을 도포하는 단계와,자외선을 상기 감광성막에 선택적으로 노광시켜서 상기 감광성막을 일정한 형상으로 성형하는 단계와,증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 제1차심도반응성 이온 식각단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법.
- 제1항에 있어서,잔여 감광성막을 제거하기 위한 감광성막 제거단계와,증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 제2차심도반응성 이온 식각단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법.
- 제2항에 있어서,상기 제2차심도반응성 이온 식각단계 후 상기 나노팁을 산화실리콘 나노팁으로 형성하기 위하여 열산화시키기 위한 열산화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법.
- 제2항에 있어서,상기 제2차심도반응성 이온 식각단계 이전에 상기 실리콘기판의 일면을 열산화시키기 위한 열산화단계와,상기 실리콘기판의 일면에 형성된 열산화막을 제거하기 위한 열산화막제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법.
- 제1항에 있어서,상기 감광성막 도포단계 이전에 상기 실리콘의 일면에 유전체 박막층을 형성하기 위한 유전체 박막층 형성단계와,상기 감광성막 성형단계 이후에 반응성 이온으로 상기 유전체 박막을 상기 감광성막의 일정한 형상으로 성형하기 위한 건식식각단계와,잔여 감광성막을 제거하기 위한 감광성막 제거단계와,제1차심도반응성 이온 식각단계 이후 잔여 유전체 박막층 제거단계와,증착가스와 식각가스를 사용하여 상기 실리콘기판의 일면에 나노팁을 형성하기 위한 제2차심도반응성 이온 식각단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 실리콘 나노팁 제작방법.
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