KR100945251B1

KR100945251B1 - 형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법 및 단결정나노구조체 제작장치

Info

Publication number: KR100945251B1
Application number: KR1020070098242A
Authority: KR
Inventors: 최시경; 김현정
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2010-03-03
Also published as: KR20090032761A; US20090084310A1

Abstract

본 발명은 다양한 형태의 물질을 진공 시스템 내부에서 그 타겟부재의 온도, 상기 타겟부재에 가해지는 인가 전압, 펄스 폭, 타겟부재의 기화 후 전구체의 종류 등의 변수에 따라서 원하는 형태의 나노 구조로 변화가능한 형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법 및 단결정 나노구조체 제작장치에 관한 것이다.

본 발명의 나노 구조는 각각이 저장 매체의 단위로 사용될 수 있어, 고밀도의 저장 매체를 생산할 수 있고, 금속이나 반도체의 나노 사이즈에서 나타나는 특정한 전기적, 물리적 특성을 이용하여 다양한 디바이스의 소형화가 가능하다.

펄스 인가 증발 방법(Pulse induced evaporation method), 형태조절(morphology control), 단결정, 나노구조, 나노와이어, 나노튜브, 나노로드, 상변화 메모리, 칼코게나이드, 하니컴구조(honey-comb structure), 상하부 기판 근접방식

Description

형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법 및 단결정 나노구조체 제작장치{single crystal nano-structures manufacturing method capable of the synthesis of morphology controlled and device thereof}

본 발명은 다양한 형태의 물질을 시스템 내부에서 그 타겟부재의 온도, 상기 타겟부재에 가해지는 인가 전압, 펄스 폭, 타겟부재의 기화 후 전구체의 종류 등의 변수에 따라서 온도 조절이 가능한 기판 위에 원하는 형태의 나노 구조로 형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법 및 단결정 나노구조체 제작장치에 관한 것이다.

메모리 산업계에서는, 현재 주로 사용되고 있는 디램(DRAM)이나 플래시 메모리보다 더 빠르고 더 작은 회로 선폭을 가지면서 비휘발성 메모리인 차세대 반도체 메모리의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 차세대 메모리는 상변화 메모리(PRAM), 강유전체 메모리(FRAM), 마그네틱 메모리 (MRAM)등이 대표적이다.

상변화 메모리와 강유전체 메모리 등과 같은 메모리는 성능, 공정, 속도 등의 면에서 최적의 메모리로서 각광받고 있으며, 정보 저장의 집적도를 높이려는 노력이 계속되고 있다.

현재 반도체 양산 공정에 사용중인 ArF 광원을 이용한 리소그래피 공정은 향후 반도체 소자의 최소 선폭이 22㎚에 이르게 될 것으로 예상되는 2012년경에는 실질적인 한계에 도달할 것으로 예상되고 있다.

칼코게나이드 물질(Ge-Sb-Te alloys)들은 열 인가에 따라 결정질과 비정질 상간의 가역적인 상변화를 일으키기 때문에 전기, 광 정보 저장 매체로서 널리 이용되고 있다.

다양한 삼성분계(ternary) Ge-Sb-Te의 조성 중에서 Ge₂Sb₂Te₅(GST) 조성이 빠른 결정질로의 상변화 시간(<100ns), 상온에서 높은 열 안정성, 결정질과 비정질간의 완전한 가역적인 상변화와 같은 많은 이점을 가지고 있기 때문에 많이 이용되고 있다.

따라서, GST를 이용한 상변화메모리는 현재 메모리들의 한계성을 대체할 수 있는 가능성을 지닌 메모리다. 하지만 GST 셀(cell)을 서브리소그래피 길이치수(sublithography length scales)로 크기 조절하는데 한계성이 있다.

GST 셀 크기를 줄이는 것은 초기 결정질에서 비정질로의 상변화에 요구되는 리셋전류(reset current)를 줄이는 매우 중요한 사항으로서, 이는 곧 전력 소비와 직결되는 문제이다.

리소그라피(Lithography) 공정에 의한 탑다운 (top-down) 방식은 공정 후에 표면 손상에 의해서 셀(cell) 특성이 손상될 가능성이 크다. 또한 공정 후에 열처리를 한다고 하여도, 열처리 후에는 셀이 다른 특성을 나타낼 수도 있다.

기존의 탑다운(top-down) 방식의 증착을 통한 칼코게나이드 박막의 제작을 벗어난 나노 구조 제작을 위한 버텀업(bottom-up) 방식만이 디바이스의 크기 줄이는데 있어서 핵심적인 요소가 될 수 있다.

따라서 나노와이어, 나노튜브, 나노로드 등과 같은 나노 구조의 제어, 성장은 서브리소그래피 사이즈(sublithographic size)와 독특한 기하학적 배열(unique geometry)로 인해 작은 크기의 메모리 제어에 큰 가능성을 제시할 것이다.

이러한 나노 구조 성장방법은, 1960년대 초반에 환원 분위기에서 화학적 반응을 이용하거나, 재료의 증발과 응축을 이용하여 마이크로 미터 크기의 결정 휘스커, 특히 금속 휘스커를 만드는데 많은 노력이 이루어졌으며, 그 이후로 나노 크기의 휘스커를 만드는 많은 다양한 방법들이 연구되어 왔다.

나노 크기의 휘스커를 만드는 방법에는, 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition: CVD), 레이져 어블레이션(laser ablation), 기상 증발 (vapor phase evaporation) 등이 있다.

상기 화학 기상 증착법은 박막 성장에 가장 효율적인 방법으로, 일반적인 화학 기상 증착법은 불순물을 촉매로 사용하여 나노선을 합성하는데 응용되었다. 초기에는 금속 휘스커를 성장시키는데 사용되었고, 그 이후에 Si, Ge, GaAs, InP 등의 휘스커를 만드는데 적용되었다.

이런 실험에서 액상을 형성하는 물질(촉매)이 항상 사용되었고, 나노크기의 입자가 나노선의 끝부분에서 관찰되었다. 이것은 VLS(Vapor Liquid Solid) 성장 기구의 중요한 증거가 된다.

그리고 상기 레이져 어블레이션은, 엑시머 레이져 (excimer laser) 어블레이션을 사용하여 타겟부재을 이온 빔으로 증발시키는 방법으로, 역시 처음에는 박막 제조를 위해 사용되었다. 최근에 고온 가열로 내에서 증발시키는 방법과 융합되어 단일벽(single-walled) CNT(Carbon NanoTube)나 BN(Boron Nitirde) 나노튜브를 만드는데 사용되었다.

이 방법을 사용한 박막 성장과 나노크기 물질 성장의 다른 점은, 전자가 레이져로 타겟을 직접 때려서 증착이 기판 위에서 바로 일어나는 반면, 후자는 기판이 없고 제거된 원자들이 스스로 일차원 나노 구조체를 만든다는 것이다.

또, 상기 기상 증발은, 기상을 거쳐서 마이크로 크기의 휘스커를 만드는 것으로, 이러한 시도는 1960년대에 널리 이루어졌다. 그 결과로써, 많은 종류의 금속 그리고 산화물 휘스커가 만들어졌다. 이런 휘스커는 물질을 단순히 물리적으로 승화시키거나, 휘발성 금속 할로겐화물의 환원을 통해서 만들어졌다.

최근에는 기상 증발을 통해 다양한 나노 크기의 물질들을 대량으로 합성하는데 성공하였다.

또, 지난 수십년간 나노 구조를 제작하는 많은 방법들이 고려되었는데 그 중에서도 양자점(quantum dot), IV, III-V 형태의 반도체 나노와이어, 금속 산화물 나노구조를 성장하는 새로운 방법, 칼코게나이드계 나노 구조를 성장하는 방법으로 이용되고 있는 것이 VLS(Vapor-liquid-Solid)방법이다.

VLS 성장에서는 제한된 영역에서 결정을 특정 방향으로 성장시키기 위해서 이차상으로 불리는 불순물 혹은 촉매가 의도적으로 사용된다. 성장 과정에서 촉매는 액상 방울 형태로 만들어지거나 성장 물질과 섞이게 된다. 촉매 방울에 가득찬 성장 물질은 성장 표면에서 응결이 되면서 한 방향으로 성장이 가능하게 된다.

일예로 상변화 특성을 지닌 단결정 GeTe 나노와이어와 나노헬리시즈의 성장을 위해서 VLS 방법을 이용하였다(Dong Yu et al., "Germanium Telluride Nanowires and Nanohelices with Memory-Switching Behavior,"J. Am. Chem. Soc., 128, 8148 (2006)). 벌크 형태의 GeTe(99.99% Sigma-Aldrich)가 수평 튜브로(tube furnace)의 가운데 부분에서 휘발되고 콜로이드 형태의 Au 나노 입자가 덮인 SiO₂ 기판이 수평 튜브로의 하류(downstream)영역에서 기화된 GeTe 입자와 반응하여 나노 구조체를 형성한다.

다른 예로, Ge₂Sb₂Te₅ 나노와이어를 성장시키기 위해서 금속 촉매와 기상의 물질 이동을 이용한 VLS 방법을 이용하였다(Yeonwoong Jung et al., "Synthesis and characterization of Ge₂Sb₂Te₅ nanowires with memory switching effect,"J. Am. Chem. Soc., 128, 14026 (2006). 벌크 형태의 GeTe, Sb, 그리고 Te 파우더가 전구체(precursors) 공급원으로서 사용되었다. 각 물질의 녹는 온도가 다르기 때문에 튜브 퍼니스 내에서 위치를 조절함으로써 각 물질의 기화 정도를 조절하였다. 콜로이드 형태의 Au 촉매가 덮인 Si 기판에 나노와이어를 성장시켰다.

또 다른 예로, GeTe, Sb₂Te₃ 조성의 나노와이어를 성장 시키기 위해서 위에서 제시한 것과 동일한 VLS 방법을 이용하였다(Stefan Meister et al., "Synthesis and characterization of Phase-Change nanowires,"Nano Letters, 6, 1514 (2006)). 기판은 50㎚ Au 콜로이드 수용액이 분사되어 있는 Si 웨이퍼를 이용하였고 기화되어 날라가는 벌크 전구체는 튜브 퍼니스의 중앙 부분에 위치시키고 Si 웨이퍼는 5%의 H₂ 가스가 혼합된 N₂ 가스가 흘러가는 퍼니스의 저온 하류(downstream) 영역에 위치시켰다.

그리고, 특허에서 제시하는 칼코게나이드 물질 이용 나노 구조 성장 및 응용 방법은 다음과 같다.

한국특허공개 제10-2005-0005122호(ZnO 나노와이어의 제조 방법 및 그로부터 제조된 ZnO 나노와이어)는, Zn 금속을 입자화시키는 단계 및 상기 입자화된 Zn 입자를 공기중·대기압에서 산화시켜 표면에 ZnO 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 ZnO 나노와이어의 제조 방법에 관한 것으로, 여기서, 상기의 Zn를 입자화 시키는 단계는 열증착법을 이용하여 사파이어 기판 위에 Zn 금속을 증착시키는 것이다. 또한 상기의 Zn 입자를 산화시키는 단계에서 산화온도, 산화 시간을 조절하면 표면에 ZnO 나노와이어의 크기를 조절할 수 있다.

한국특허공개 제10-2005-0077678호(탄화규소 나노로드 및 나노와이어의 제조 방법)는, 금속 촉매로서 전이 금속을 이용하여 탄소구조체 표면을 코팅한 다음, 코팅된 탄소구조체를 규소 및 이산화규소 혼합 분말과 반응시킴으로써 저온에서 다량 의 탄화 규소 나노로드 및 나노와이어를 제조할 수 있는 탄화 규소 나노로드 및 나노와이어의 제조 방법을 제공한다.

한국특허공개 제10-2006-0115828호(나노와이어를 포함하는 상변환 메모리 소자 및 그 제조 방법)는, 콘텍 플러그를 포함하는 하부 구조체와, 상기 콘택 플러그의 표면으로부터 하부로 연장되어 형성된 나노 와이어와, 상기 나노 와이어 상에 형성된 상변화막을 포함하는 PRAM(Phase Change Random Access Memory) 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 따라서 PRAM 소자에 소비되는 리셋 또는 셋 전류를 크게 감소시킬 수 있다.

상기와 같은 나노 구조 성장 방법에 관해 여러 연구가 진행되고 있으나 각각의 방법은 크고 작은 한계성이 있다.

전구체(Precursors)를 기체 상태로 만들어 나노 구조를 합성하는 방법으로 가장 많이 논의 되었던 기상-액상-고상 방법(Vapor-Liquid-Solid (VLS) method) (Lieber et al., Science, 279, 208 (1998))과 용액-액상-기상 방법 (Solution-Liquid-Solid method)(Lieber et al., J. Am. Chem. Mater., 122, 8801 (2000)) 등이 보고되고 있다.

그러나 상기와 같은 방법은 700 ~ 1000℃에 이르는 고온 반응을 수반하므로 제작상의 어려움이 있다. 또한 VLS 방법에 의해 성장된 나노선의 크기는 액상된 촉매의 크기에 의해서 결정되는데 액체 촉매 방울 크기의 한계가 있어서 어느 정도가 되면 더 이상 나노선의 크기는 줄어들지 않는다.

즉, 매우 얇은 나노선을 성장 시키려면 작은 촉매 방울이 필요한데 매우 작은 지름을 갖는 볼록한 표면은 큰 용해도를 갖게 되므로, 기상의 과포화도가 커지게 되고 이는 기상-고상(Vapor-Solid) 기구에서처럼 측면에서의 성장을 야기하게 된다. 따라서 균일한 크기의 나노 구조 형성이 어렵게 된다.

또, 상기 언급한 공개특허의 경우도 한계성을 지니고 있다. 한국특허공개 제10-2005-0005122호의 경우 여러 번의 공정을 거쳐야 원하는 형태의 나노 구조를 형성할 수 있다는 단점이 있다. 또한 한국특허공개 제10-2005-0077678호의 경우 본 특허에서 제시한 저온이 1100℃로 매우 고온이라는 단점이 있다.

그리고, 상기 인용한 각 논문이나 특허에서 제시하는 나노 구조 제작의 경우 특정한 물질 성장에 해당하는 방법으로서 각 물질의 성질에 맞추어진 방식이다. 즉 물질 선택의 폭이 매우 제한적이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 다양한 형태의 물질을 진공 시스템 내부에서 그 타겟부재의 온도, 상기 타겟부재에 가해지는 인가 전압, 펄스 폭, 타겟부재의 기화 후 전구체의 종류 등의 변수에 따라서 온도조절이 가능한 기판 위에 원하는 형태의 나노 구조로 형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 동일 시스템 내에서 기판의 온도, 타겟부재에 가해지는 인가 전압, 인가 전압의 펄스 폭등의 변수에 따른 형태조절(morphology control)이 가능한 나노 구조를 제작 할 수 있도록 전구체(precursors)의 공급 역할을 하는 타겟부재와, 나노구조체(nano-structures)가 형성 될 기판, 그리고 두 박막간의 거리를 조절하는 피에조 모션(PZT 스캐너) 또는 Z모션(Z-motion)의 부분으로 이루어진 간단한 구조의 나노구조 제작장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 진공 분위기의 공간에 내부에 전구체를 공급하는 타겟부재를 배치하는 단계; 상기 타겟부재 위 또는 아래로 나노구조체가 형성될 기판을 배치하는 단계; 상기 타겟부재와 기판 사이의 간극을 조절하는 단계; 상기 타겟부재를 나노 구조의 형태에 따라 일정온도로 가열하는 단계; 및 상기 타겟부재에 펄스전압을 인가하여 상기 타겟부재를 기화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법이다.
상기 타겟부재는 GST, graphite, MoS₂, BN, WS₂, V₂O₅ 중 어느 하나인 이방성(anisotropic) 2D layered 구조를 갖는 물질, 또는 Si, Ge, GaP, GaAs 중 어느 하나의 반도체 특성을 갖는 물질인 것을 특징으로 한다.

여기서, 가열하는 온도는 타겟부재의 용융점 이하로써, 200~300℃(GST시스템의 실시예의 경우)인 것을 특징으로 한다. 또, 진공 분위기는 10^-3 ~ 10^-6 Torr로 구성하는 것이 바람직하다.

또, 펄스 전압은 인가전압과 인가시간이 동시에 제어되며, 4~6V를 50~500ns(GST시스템의 실시예의 경우)의 시간동안 공급되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 타겟부재의 기화 후에 상기 기판의 단결정 나노구조 생성을 위해 상기 기판을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또 다른 발명은, 진공장치와 연결되어 진공 분위기의 공간을 가지는 메인챔버; 상기 메인챔버의 내부의 바닥면에 장착되는 가열수단을 가지며 타겟부재가 배치되는 베이스; 상기 베이스와 이격되어 설치되며, 상기 타겟부재와 일정간격을 가지도록 기판을 고정할 수 있는 홀더; 상기 홀더를 수직변위시켜 상기 타겟부재와 상기 기판 사이의 거리를 조절하는 변위수단; 상기 홀더에 설치되어 상기 기판을 냉각시키는 냉각수단; 및 상기 타겟부재에 펄스전압을 인가하는 펄스전압 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치이다.

상기 진공장치는 로타리 펌프(rotary pump), 터보 몰레큘러 펌프(turbo molecular pump)로 이루어질 수 있으며, 상기 가열수단은 전기히터인 것을 특징으 로 한다.

그리고, 정확한 온도제어를 위해 상기 홀더와 상기 베이스에는 열전쌍이 삽입되어 설치되는 것이 바람직하다.

상기 냉각수단은 질소가스가 통과하는 냉각튜브와, 상기 메인챔버의 외부에서 상기 냉각튜브와 열교환하는 열교환기를 포함할 수 있다.

또, 상기 변위수단은 AFM(Atomic Force Microscope)용 PZT 스캐너, 또는 Z모션(Z-motion)으로 이루어질 수 있다.

상기 펄스전압 공급수단은 펄스발생기와, 상기 펄스전압의 인가시간을 제어하는 제어부와, 상기 타겟부재에 접촉하여 상기 제어부와 연결되는 전극을 포함하며, 상기 전극은 원뿔 또는 다각뿔 형상을 가진다. 그 중 AFM용 팁의 형태가 가장 적합하며, 그 꼭지점이 상기 타겟부재에 접촉되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 전극은 일단부가 상기 타겟부재에 접촉하고, 타단부가 상기 메인챔버 내부에 설치되는 전극고정부에 고정되거나, 일단부가 상기 타겟부재에 접촉하고, 타단부가 상기 기판에 고정되어 설치될 수 있다. 이 경우는 AFM용 팁을 사용하며, 상기 팁이 타겟부재 박막에 접촉하고, 캔틸레버 부분이 기판이 된다.

또 다른 발명은, 상기와 같은 단결정 나노구조체 제작방법으로 제작된 GST 나노 구조를 이용한 저장매체이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 동일 진공 시스템 내에서 기판의 온도, 타겟부재에 대한 인가 전압, 인가 전압의 펄스 폭의 변수에 따른 형태 변환이 가능한 나노 구조 제작을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 칼코게나이드계 GST 나노 구조 성장 방법의 경우 GST 박막의 녹는점이 632℃인데 반해 타겟부재(GST)의 온도는 200 ~ 300℃정도이며 5V, 300ns 정도의 인가 전압만이 요구되어진다.

즉, 저온, 단시간 공정이기 때문에 생산 단가가 매우 저렴하다는 이점이 있다.

또, 본 발명의 나노 구조는 각각이 저장 매체의 단위로 사용될 수 있어, 고밀도의 저장 매체를 생산할 수 있고, 금속이나 반도체의 나노 사이즈에서 나타나는 특정한 전기적, 물리적 특성을 이용하여 다양한 디바이스의 소형화가 가능하다.

즉, 방향성이 일치하는 기판 위(예를 들어, Pt/Ti/SiO₂/Si 기판)에서 단결정으로 바로 성장하기 때문에 기존의 Si 베이스 기술을 그대로 적용하여 반도체 기술로 이용할 수 있을 것으로 기대한다.

본 발명과 본 발명을 통해 제작 가능한 칼코게나이드계 나노 구조를 이용하여 원하는 위치에 작은 크기의 단결정 나노 구조를 성장하게 되면 임의의 2차 작업 없이 바로 셀을 제작할 수 있고, 상변화 메모리로서 활용 가능하게 된다.

또한 본 발명에 따른 상기한 다양한 실시예와 변수의 다양화에 따라 물질의 제한 없이 원하는 형태의 다양한 나노 구조의 제작이 가능하다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 제시하는 나노구조 제작방법을 통해서, 동일 진공 시스템 내에서 기판 온도, 타겟부재에 대한 인가 전압, 인가 전압의 펄스 폭, 타겟부재의 종류 등의 변수에 따른 형태제어(morphology control)가 가능한 나노 구조를 제작 할 수 있다.

먼저, 전구체(precursors)의 공급 역할을 하는 타겟부재와, 나노 구조체(nano-structures)가 형성될 기판을 배치시킨다.

이 때, 상기 타겟부재와 상기 기판이 배치되는 공간은 진공분위기이며, 10^-3 ~ 10^-6 Torr 정도의 진공 상태에서 이루어진다.

그리고, 상기 타겟부재와 상기 기판은 10~90㎛의 간격을 가지도록 배치한다.

상기 간격은 Z모션(Z-motion) 또는 PZT 스캐너를 사용하여 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 상기 타겟부재는 기화시키기 위해 가열하는데, 여기서 가열하는 온도는 공급 박막의 용융점 이하로써, 200~300℃(GST 실시예 경우)인 것이 바람직하다.

상기 온도제어는 전기히터에 의해 이루어질 수 있다. 칼코게나이드계의 GST의 경우 온도에 따른 나노 구조 형태 조절이 가능하다. 즉, 나노 구조의 형태 조절이 가능하다. 타겟부재의 온도가 200℃일 경우 역 피라미드 형태의 나노튜브로 성장하게 되며 기판의 온도가 300℃일 경우 육각 기둥 형태의 나노와이어로 성장하게 된다(도 3 참조)

상기와 같이 가열된 타겟부재에 4~6V의 10~900 ns(nano-second)의 펄스 전압이 가해진다. 이는 상기 타겟부재와 접합된 전극 간의 열 에너지 발생에 따른 박막의 기화를 위한 것이다.

상기와 같이 펄스전압이 가해지면, 타겟부재가 기화되어 기판으로 이동하여 나노구조체(nano-structures) 형태로 재성장하게 된다.

이 때, 상기 나노구조체 생성을 위해 상기 기판의 온도를 낮춰 결정화를 가속화시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 기판을 냉각시킬 수 있는 냉각수단을 설치하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 단결정 나노구조체 제작방법으로 GST 나노 구조를 이용한 저장매체를 제조하는 것이 가능하다.

상기와 같은 나노구조체를 형성하기 위해 본 발명에서는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 나노구조체 제작장치를 제시한다.

먼저, 실시예1에 따른 나노구조체 제작장치(100)는 진공장치(106)와 연결되어 진공 분위기의 공간을 가지는 메인챔버(102)와, 상기 메인챔버(102)의 내부의 바닥면에 장착되는 가열수단을 가지며 타겟부재(20)가 배치되는 베이스(138)와, 상기 베이스(138)와 이격되어 설치되며 상기 타겟부재(20)와 일정간격을 가지도록 기판(10)(전도성 AFM tip을 사용하는 경우)을 고정할 수 있는 홀더(122)와, 상기 홀더(122)를 수직변위시켜 상기 타겟부재(20)와 상기 기판(10) 사이의 거리를 조절하는 변위수단과, 상기 홀더(122)에 설치되어 상기 기판(10)을 냉각시키는 냉각수단과, 상기 타겟부재(20)에 펄스전압을 인가하는 펄스전압 공급수단을 포함한다. 경우에 따라서는 타겟부재(20)과 기판(10)의 위치를 반대로 하여도 무방하다.

상기 진공장치(106)는 로타리 펌프(rotary pump), 터보 몰레큘러 펌프(turbo molecular pump)로 이루어질 수 있으며, 연통관(104)에 의해 상기 메인챔버(102)와 연결도니다.

상기 베이스(138)는 온도에 의한 다른 부분의 영향을 방지하기 위해 단열부재(142)를 하부에 더 설치할 수 있다.

그리고, 상기 베이스(138)에 포함되는 가열수단(140)은 전기히터를 사용하는 것이 온도제어에 유리하다. 상기 전기히터에 전기는 전력공급선(146)에 의해 공급한다.

또, 상기 베이스(138)의 상측으로 열전쌍(144)을 매설하여, 상기 베이스(138)에 설치되는 상기 타겟부재(20)의 온도를 예측할 수 있도록 한다.

상기 베이스(138)로부터 이격된 거리에 홀더(122)가 설치된다.

상기 홀더(122)는 변위수단에 의해 수직으로 변위할 수 있다. 본 발명의 실시예1에서는 변위수단으로써 Z모션(108)이 사용되고 있다. 상기 홀더(122)의 수직변위수단은 피에조-모션에 의해서도 작동될 수 있으며, 이 경우는 고온용 AFM이 사용된다.

상기 Z모션(108)은 상기 홀더(122)와 일체인 냉각튜브(120)를 상하로 작동시키는 것에 의해 상기 홀더(122)에 변위를 부여하고 있다. 물론 상기 홀더(122)에 다른 연결축을 통해 변위를 부여하는 것도 가능하다.

그리고, 정확한 온도제어를 위해 상기 홀더(122)에는 열전쌍(124)이 삽입 설치되는 것이 바람직하다.

상기 열전쌍(124)의 온도정보를 통해 상기 기판(10)의 온도를 예측할 수 있으며, 이에 따라 상기 냉각튜브(120)를 통한 질소가스의 온도 또는 공급량을 조절하는 것이 가능하다.

상기 냉각수단은 질소가스가 통과하는 상기 냉각튜브(120)와, 상기 메인챔버(102)의 외부에서 상기 냉각튜브(120)와 열교환하는 열교환기(110)를 포함할 수 있다.

상기 냉각튜브(120)는 질소가스가 유입되는 가스유입구(116)와 질소가스가 배출되는 가스유출구(118)를 가진다.

상기 열교환기(110)는 수냉식이 비용상 유리하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수는 냉각수유입구(114)로 유입하여 상기 냉각튜브(120)와 열교환된 후 냉각수유출구(112)로 배출된다.

또, 상기 펄스전압 공급수단은 펄스발생기(150)와, 상기 펄스발생기(150)에 의해 발생된 펄스전압의 인가시간을 제어하는 제어부(148)와, 상기 타겟부재(20)에 접촉하여 상기 제어부와 연결되는 전극(126)을 포함한다.

상기 전극(126)은 원뿔 또는 다각뿔 형상을 가지며, 그 꼭지점이 상기 타겟부재(20)에 접촉되도록 한다.

이 때, 상기 전극(126)은 일단부가 상기 타겟부재(20)에 접촉하고, 타단부는 상기 메인챔버(102) 내부에 설치되는 전극고정부(128)에 고정되거나, 혹은 AFM 회로에 연결된다.

따라서, 상기 전극(126)에 의해 상기 타겟부재(20)가 기화되면, 기화된 양만큼 상기 타겟부재(20)가 얇아지게 되어 상기 전극(126)과 상기 타겟부재(20)는 전기적으로 분리되게 된다.

상기에서 전구체의 공급 역할을 하는 타겟부재(20)는 Si 웨이퍼 위에 TiN, Pt등과 같은 전극을 증착하고 성장시키고자 하는 조성의 박막을 50~200nm 증착한 형태이다.

또, 상기에서 전구체의 수납 역할을 하는 기판(10)은 전도성 AFM 캔틸레버(cantilever)로, 성장 시키고자 하는 나노 구조체와 결정학적 접합 관계를 유지하도록 처리하는 것이 중요하다.

나노 구조가 성장되는 박막의 결정 방향과 더불어 외부 전기장을 이용해서 나노 구조를 임의의 방향으로 배열시킬 수 있다.

다음으로, 실시예2에 따른 나노구조체 제작장치를 도 2를 통해 설명한다. 실시예2에서 실시예1과 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.

상기 실시예2에 따른 나노구조체 제작장치는 실시예1에 따른 나노구조체 제 작장치와 기판이 상이하다.

즉, 실시예2에 따른 나노구조체 제작장치에서 기판(10)은 박막 제조 혹은 나노구조체 제조에 사용하는 기판이다.

실시예2에 따른 나노구조체 제작장치의 전극(226)은 상기 기판(10)에 팁의 형태로 일체로 형성되고, 상기 기판(10)을 Z모션(208)에 의해 이동시켜 상기 기판(10)과 상기 타겟부재(20)과의 사이를 조절한다.

이 때에도, 상기 전극(226)에 의해 상기 타겟부재(20)가 기화되면, 기화된 양만큼 상기 타겟부재(20)가 얇아지게 되어 상기 전극(226)과 상기 타겟부재(20)는 전기적으로 분리되게 된다.

도 3은 실시예2를 사용한 경우 기판을 AFM 캔틸레버를 이용하여, 타겟부재의 온도를 200℃ ~ 300℃의 온도 범위에서 조절하여 다양하게 형태 조절이 이루어진 GST 나노 구조의 SEM 이미지이다. (a)는 타겟부재의 온도가 200℃ 이하에서 제작된 역 피라미드 형태의 나노튜브이다. (b)는 타켓부재의 온도가 200℃일 경우 제작된 나노 튜브의 형태로서 튜브의 끝부분은 역 피라미드 형태이다. 하지만 임의 길이 이상에서는 곧게 위로 자라는 튜브 형태를 보인다. (c)는 타겟부재의 온도가 300℃일 경우 제작된 나노 와이어로서, 형태는 육각형의 긴 막대기이다.

도 4는 실시예2를 이용하여, 타겟부재의 온도가 300℃일 경우 5V, 300ns를 인가한 캔틸레버에 성장한 GST 나노 구조의 전체 SEM 이미지이다. 팁의 근접 부분부터 멀어질수록 순서대로 확인하였다. 팁의 가장 근접 위치에서는 나노 와이어 형태를 보이며, 중간 영역에서는 역 피라미드의 나노 튜브 형태를 보임을 알 수 있다.

도 5는 실시예2를 이용하여, 각 온도에서 나노 구조를 성장시키기 전·후의 광학 사진이다. (a-1)의 경우 타겟부재의 온도가 200℃로 가열된 상태에서의 타겟부재과 박막 캔틸레버 기판의 사진이며 (a-2)의 경우 타겟부재의 온도가 200℃로 가열된 시료에 순간적으로 5V, 300ns를 인가한 직후의 광학 사진이다.

(b-1)의 경우, 타겟부재의 온도가 300℃로 가열된 상태에서의 타겟부재와 캔틸레버 기판의 사진이며, (b-2)의 경우 300℃로 가열된 시료에 순간적으로 5V, 300ns를 인가한 직후의 광학 사진이다.

도 5를 통해 외부 펄스 전압 인가 전·후의 변화를 확인 할 수 있다. 즉 펄스 전압 인가 후 타겟부재 박막의 표면이 많이 손상되어 있는 것을 확인 할 수 있다.

도 6은 실시예1을 이용하여 패턴 가공된 여러 기판 위에서 형성된 GST 나노 구조의 SEM 이미지를 보여주고 있다.

도 7은 본 발명의 나노구조체 제작방법으로 제작해서 형태 제어된 GST 나노 구조의 구조적·전기적 특성 평가 결과이다.

(a)는 실시예2에서 타겟부재의 온도 200℃에서 제작된 나노 튜브의 TEM 이미지이다. (b)는 실시예2에서 타겟부재의 온도 300℃에서 제작된 나노 와이어의 TEM 이미지이다. (c)는 나노 구조의 조성 분석 결과로 타겟부재의 조성과 일치한다. (d)는 100nm 직경의 GST 단결정 나노 구조의 I-V 특성 결과(붉은색 선)이며, 펄스전압 인가 후 I-V 특성은 검은색 선과 같다. (e)는 초기 crystal 상태와 펄스전압 인가 후 변화된 무정형 상태에서의 I-V 특성 결과이다.

도 8은 100㎚ 직경의 GST 단결정 나노 와이어의 셋/리셋(set/reset) 반복 실험 결과이다. 초기 결정(crystal) 상태에서 무정형(amorphous) 상태로, 다시 결정 상태로의 가역적인 상변화를 전기 저항 차이를 통해서 확인하였다.

[시험예1]

실시예2에서 타겟부재의 온도 200℃에서 GST 나노 튜브 만드는 과정으로, 200㎛ 두께의 2cm×2cm의 Si웨이퍼를 준비한다. 상기 웨이퍼 위에 TiN(100nm)/Ti(20nm)를 증착한 후 2: 2: 5 조성을 ICP-AES를 통해 확인한 GST 타겟부재 박막을 100nm 증착한다.

이 때 접지를 위한 하부전극이 1~2mm 정도 보이도록 GST를 증착한다. 이렇게 증착된 박막을 5mm×5mm 정도의 크기로 자른다. 도 2의 베이스(238) 위에 장착한다.

히터 윗부분에 위에서 준비한 타겟부재(시편)을 고온용 실버 페이스트를 이용하여 접착한 후 하부전극을 히터와 연결해서 접지를 형성시킨다. Pt가 코팅된 AFM용 캔틸레버 기판에 부착된 팁을 GST 박막 위에 접촉 시킨 후 히터의 온도를 200℃로 세팅 시킨다.

5분 정도 지나면 세팅 온도까지 히터의 온도가 증가한다. 그 상태로 5분 정도를 더 유지시켜서 온도를 균일하게 형성한다. 그 후 SPM팁에 5V, 300ns를 인가한다.

이 때 GST 박막이 기화되면서 접촉된 팁과 타겟부재가 떨어지게 되는데 이는 AFM 컨트롤러 상에서 확인이 가능하다. 광검출기(Photo detector)로 감지되는 팁과 캔틸레버 기판 간의 거리 수치가 펄스 제너레이터에서 펄스를 인가함과 동시에 기화에 의해 증가하게 된다. 이 때 현미경을 통해 성장되는 나노 튜브의 형태를 확인 할 수 있다.

상기 캔틸레버 기판의 가장자리와 내부를 통해서 길게 튜브가 성장했음을 확인 할 수 있다. 이 때 형태는 벌집구조처럼 역 육각형 형태이다(도 3 (b) 참조).

[시험예 2]

실시예2에서 타겟부재의 온도 300℃에서 GST 나노 와이어 만드는 과정으로써, GST 나노 튜브 제작하는 GST 시편 준비와 동일한 방법으로 시편을 준비한다. 그 후 도 2의 베이스(238) 위에 장착한다. 히터 윗부분에 위에서 준비한 시편을 고온용 실버 페이스트를 이용하여 접착한 후 하부 전극을 히터와 연결해서 접지를 형성시킨다.

Pt가 코팅된 캔틸레버 기판의 팁을 GST 박막 위에 접촉시킨 후 히터의 온도를 300℃로 세팅 시킨다. 7분 정도 지나면 세팅 온도까지 히터의 온도가 증가한다. 그 상태로 5분 정도를 더 유지시켜서 온도를 균일하게 형성한다.

그 후 팁에 5V, 300ns를 인가한다. 이 때 GST 박막이 기화되면서 접촉된 팁과 타겟부재가 떨어지게 되는데 이는 AFM 컨트롤러 상에서 확인이 가능하다. 수치가 펄스 제너레이터에서 펄스를 인가함과 동시에 100㎛로 변화된다. 이 때 내부 현 미경을 통해 성장되는 나노 와이어의 형태를 확인 할 수 있다. 팁의 가장자리를 통해서 길게 와이어가 성장했음을 확인 할 수 있다. 이 때 형태는 육각형의 긴 막대기이다(도 3(c) 참조).

[시험예 3]

200℃와 300℃의 중간 온도인 250℃ 정도에서 위와 같은 방식으로 나노 구조를 성장시킬 경우, 나노 튜브와 와이어의 중간 형태로 성장하게 된다. 즉, 나노 튜브보다는 내부가 더 많이 채워진 와이어와 유사한 형태로 성장하게 된다. 나노와이어 보다는 나노 구조의 내부가 좀 덜 채워진 형태를 보인다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 단결정 나노구조체 제작장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예2에 따른 단결정 나노구조체 제작장치의 개략도이다.

도 3은 타겟부재의 온도가 200℃ ~ 300℃의 범위에서 다양하게 형태 조절이 이루어진 GST 나노 구조의 SEM 이미지이다.

도 4a 및 도 4b는 타겟부재의 온도가 300℃일 경우 5V, 300ns를 인가한 AFM 캔틸레버에 성장한 GST 나노 구조의 SEM 이미지이다.

도 5는 각 온도에서 나노 구조를 성장시키기 전·후의 광학 사진이다.

도 6은 패턴된 여러 기판 위에서 형성된 GST 나노 구조의 SEM 이미지이다.

도 7은 본 발명의 나노구조체 제작방법으로 제작해서 형태 제어된 GST 나노 구조의 구조적·전기적 특성 평가 결과 사진 및 그래프이다.

도 8은 100nm 직경의 GST 단결정 나노 와이어의 셋/리셋(set/reset) 반복 실험 결과이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 20: 타겟부재

100,200: 나노구조체 제작장치 102,202: 메인챔버

104, 204: 연통관 106,206: 진공장치

108: Z모션 110,210: 열교환기

112,212: 냉각수유출구 114,214: 냉각수유입구

116,216: 가스유입구 118,218: 가스유출구

120,220: 냉각튜브 122,222: 홀더

124,224: 열전쌍 126: 전극

128: 전극고정부 138,238: 베이스

140,240: 가열수단 142,242: 단열부재

144,244: 열전쌍 146,246: 전력공급선

148,248: 제어부 150,250: 펄스발생기

208: 피에조 모션 226: 전극

Claims

진공 분위기의 공간에 내부에 전구체를 공급하는 타겟부재를 배치하는 단계;

상기 타겟부재 위 또는 아래로 나노구조체가 형성될 기판을 이격하여 배치하는 단계;

상기 타겟부재와 기판 사이의 간극을 조절하는 단계;

상기 타겟부재를 나노 구조의 형태에 따라 일정온도로 가열하는 단계;

상기 타겟부재에 펄스전압을 인가하여 상기 타겟부재를 기화시키는 단계; 및

상기 기화된 전구체가 상기 기판 위에 단결정 나노구조로 성장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 형태 조절이 가능한 단결정 나노구조체 제작방법.
제 1항에 있어서, 상기 타겟부재는 GST, graphite, MoS₂, BN, WS₂, V₂O₅ 중 어느 하나인 이방성(anisotropic) 2D layered 구조를 갖는 물질, 또는 Si, Ge, GaP, GaAs 중 어느 하나의 반도체 특성을 갖는 물질인 것을 특징으로 하는 단결정 나노 구조체 제작 방법.
제1항에 있어서, 상기 타겟부재는 박막인 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
제1항에 있어서, 가열하는 온도는 타겟부재 박막의 용융점 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 타겟부재의 가열온도는 GST인 경우 200~300℃인 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
제1항에 있어서, 진공 분위기는 10^-3~ 10^-6Torr인 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
제1항에 있어서, 타겟부재에 인가하는 펄스 전압은 인가전압과 인가시간이 동시에 제어하여 타겟부재를 기화시키는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
제1항에 있어서, GST 타겟부재인 경우 펄스 전압은 4~6V를 50~500ns의 시간동안 공급되는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 타겟부재의 기화 후에 상기 기판에서의 단결정 생성을 위해 상기 기판을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작방법.
진공장치와 연결되어 진공 분위기의 공간을 가지는 메인챔버;

상기 메인챔버의 내부의 바닥면에 장착되는 가열수단을 가지며 타겟부재가 배치되는 베이스;

상기 베이스와 이격되어 설치되며, 상기 타겟부재와 일정간격을 가지도록 기판을 고정할 수 있는 홀더;

상기 홀더를 수직변위시켜 상기 타겟부재와 상기 기판 사이의 거리를 조절하는 변위수단;

상기 홀더에 설치되어 상기 기판을 냉각시키는 냉각수단; 및

상기 타겟부재에 펄스전압을 인가하는 펄스전압 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제10항에 있어서, 상기 진공장치는 로타리 펌프(rotary pump), 터보 몰레큘러 펌프(turbo molecular pump)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제10항에 있어서, 상기 가열수단은 전기히터인 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제10항에 있어서, 상기 홀더와 상기 베이스에는 열전쌍이 삽입되어 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제10항에 있어서, 상기 냉각수단은 질소가스가 통과하는 냉각튜브와, 상기 메인챔버의 외부에서 상기 냉각튜브와 열교환하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제10항에 있어서, 상기 변위수단은 PZT 스캐너, 또는 Z모션(Z-motion)인 것 을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제10항에 있어서, 상기 펄스전압 공급수단은 펄스발생기와, 상기 펄스전압의 인가시간을 제어하는 제어부와, 상기 타겟부재에 접촉하여 상기 제어부와 연결되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제16항에 있어서, 상기 전극은 원뿔 또는 다각뿔 형상을 가지며, 그 꼭지점이 상기 타겟부재에 접촉되는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제16항에 있어서, 상기 전극은 일단부가 상기 타겟부재에 접촉하고, 타단부가 상기 메인챔버 내부에 설치되는 전극고정부에 고정되는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
제16항에 있어서, 상기 전극은 일단부가 상기 타겟부재에 접촉하고, 타단부가 상기 기판에 고정되어 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 나노구조체 제작장치.
삭제