KR100992834B1 - Manufacturing method for nanowire multichannel FET devices - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 나노구조 물질(나노튜브, 나노와이어)를 이용한 FET 소자 및 이를 이용한 화학센서와 바이오센서에서 전류운반능력과 전하(전자 또는 정공) 이동도를 향상시킬 수 있도록 한 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanowire multichannel field effect transistor device, and more particularly, to the current carrying capacity in the FET device using a conventional nanostructure material (nanotube, nanowire), and chemical sensors and biosensors using the same. A method of manufacturing a nanowire multichannel field effect transistor device capable of improving overcharge (electron or hole) mobility.
이를 위해, 본 발명은 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계; 상기 나노선 배열에 용액공정을 통해 나노물질을 자기조립하는 단계; 및 상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법을 제공한다.To this end, the present invention comprises the steps of preparing a nanowire array through a laser interference lithography process; Self-assembling nanomaterials through a solution process on the nanowire array; And manufacturing a multi-channel field effect transistor device using the nanowire array in which the nanomaterials are self-assembled.
탄소나노튜브, 다중채널, 나노선 배열, 레이저 간섭 리소그라피, 용액공정 Carbon nanotube, multichannel, nanowire array, laser interference lithography, solution process
Description
본 발명은 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 나노구조 물질(나노튜브, 나노와이어)를 이용한 FET 소자 및 이를 이용한 화학센서와 바이오센서에서 전류운반능력과 전하(전자 또는 정공) 이동도를 향상시킬 수 있도록 한 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanowire multichannel field effect transistor device, and more particularly, to the current carrying capacity in the FET device using a conventional nanostructure material (nanotube, nanowire), and chemical sensors and biosensors using the same. A method of manufacturing a nanowire multichannel field effect transistor device capable of improving overcharge (electron or hole) mobility.
용액 공정을 할 수 있는 1차원 반도체 물질을 기반으로 하는 전자소자들과 그들의 배열(array)들은 저비용 제조, 대면적 범위, 그리고 유연성 기판 위에 저온 공정을 필요로 하는 응용분야를 위해서 매우 중요한 관심을 불러일으키고 있다[문헌 1]. Electronic devices based on one-dimensional semiconductor materials capable of solution processing and their arrays are of great interest for applications requiring low cost manufacturing, large area coverage, and low temperature processing on flexible substrates. It raises [document 1].
반도체 단일벽 탄소 나노튜브(single-wall carbon nanotube; SWNT)는 고기능의 박막 트랜지스터(thin-film transistor; TFT)를 제조하기 위해 활용이 기대되는 물질이다. Semiconductor single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are expected to be utilized to manufacture high-performance thin-film transistors (TFTs).
그 이유는 SWNT가 잠재적으로 높은 전하 이동도와 큰 전류운반 능력을 갖고 있기 때문이다[문헌 2]. 그러나 개개의 SWNT에서 전류 운반 능력이 제한되기 때문에 SWNT의 무작위 네트워크(random network)나 평행한 정렬(parallel array)이 소자의 필요한 전류밀도를 줄 수 있을 것이다. The reason is that SWNTs have potentially high charge mobility and large current carrying capacity [2]. However, because the current carrying capacity is limited in individual SWNTs, the random network or parallel array of SWNTs can give the device the required current density.
CNT (carbon nanotube) TFT의 성능은 표면밀도를 증가시키고 CNT를 균일하게 정렬함으로서 향상될 수 있다. 용액 기반의 기법들을 이용하여 CNT를 정렬시키기 위해서 많은 접근 방법들이 연구되었다[문헌 3]. 그러나 대부분의 방법은 형성된 CNT 배열의 표면 밀도가 낮기 때문에 응용 가능성이 제한된다. The performance of CNT (carbon nanotube) TFTs can be improved by increasing the surface density and evenly aligning the CNTs. Many approaches have been studied to align CNTs using solution-based techniques [3]. Most applications, however, have limited applicability because of the low surface density of the formed CNT arrays.
한편 다른 용액 기반의 접근방법들이 매우 조밀한 CNT를 만들기 위해 시도되어 왔지만, 그 결과 CNT 층은 임의의 방향으로 배열되었다[문헌 4]. 비록 겹쳐진 많은 나노튜브에서 나노튜브 사이의 접촉저항 때문에 고유의 높은 전하 이동도가 제한되지만, 매우 조밀하고 임의 방향을 향한 CNT들은 최근에 TFT를 위한 효율적인 반도체로서 사용되어 왔다[문헌 5].While other solution based approaches have been attempted to make very dense CNTs, the result is that the CNT layers are arranged in an arbitrary direction [4]. Although inherent high charge mobility is limited due to the contact resistance between nanotubes in many overlapping nanotubes, very dense and oriented CNTs have recently been used as efficient semiconductors for TFTs [5].
최근에 정렬된 나노구조 물질(nanotube 와 nanowire) 패턴을 대면적으로 만들기 위해 포토리소그라피 공정과 탄소나노 튜브의 자기조립 방법을 이용하여 선폭이 3-4 μm인 나노물질의 조립패턴이 보고되었다[문헌 6]. 그러나 용액 공정에서 사용되는 탄소나노튜브는 직경이 수 nm이고 길이가 1-2 μm이기 때문에 단일 나노튜브로 배열된 패턴을 제조하는 것이 현실적으로 불가능하다. Recently, an assembly pattern of nanomaterials with a line width of 3-4 μm has been reported using photolithography and self-assembly of carbon nanotubes to make large-scale patterns of aligned nanostructures (nanotubes and nanowires). 6]. However, since the carbon nanotubes used in the solution process are several nm in diameter and 1-2 μm in length, it is practically impossible to manufacture a pattern arranged in a single nanotube.
따라서 단일채널 FET 소자보다 큰 전류 운반능력과 무작위 네트워크(random network) FET 소자보다 큰 전하 이동도를 얻기 위해서는 나노물질이 조립되는 선폭이 서브마이크론(submicron) 이하로 더 작아져야 한다. Thus, in order to achieve greater current carrying capability than single channel FET devices and greater charge mobility than random network FET devices, the line width at which nanomaterials are assembled must be smaller than submicrons.
과학적인 탐구와 공학적인 응용들이 나노미터 크기까지 탐구해가기 때문에 규칙성이 좋을 뿐만 아니라, 패턴, 크기, 모양이 모두 잘 조절될 수 있는 나노구조를 제작할 필요성이 급증하고 있다. As scientific exploration and engineering applications explore nanometer sizes, there is an increasing need to create nanostructures that not only have good regularity but also can be well controlled in pattern, size and shape.
많은 응용에서 나노구조들이 상당히 큰 면적을 차지하지 않고 제조비용이 수용할 수 있는 범위에 있지 않으면 나노구조들은 유용하지 않다. 포토리소그라피용 광마스크의 선폭은 500 nm까지 가능하지만 대면적으로 500 nm 선폭의 배열을 제조하는 것은 용이하지 않을 뿐만 아니라, 서브마이크론 선폭의 광마스크 제작비용이 비싼 단점이 있다. 또한 500 nm 이하의 선폭을 갖는 배열을 만들 수 없다. In many applications, nanostructures are not useful unless they occupy a fairly large area and manufacturing costs are not within an acceptable range. Although the line width of the photomask for photolithography can be up to 500 nm, it is not easy to manufacture an array having a line width of 500 nm in large areas, and there is a disadvantage in that the manufacturing cost of the photomask of the submicron line width is expensive. In addition, arrays with line widths below 500 nm cannot be made.
서브마이크로미터(Sub-μm) 패턴을 만들 수 있는 다른 방법은 전자빔 리소그라피(electron-beam lithography; EBL)인데, EBL은 직렬방법(serial method)이기 때문에 공정이 느리고 비싼 단점을 갖고 있다. 또한 전형적으로 1 ㎟ 이하의 소면적(small area)만이 제작될 수 있다. Another method of making a sub-micron pattern is electron-beam lithography (EBL), which is a slow and expensive process because of the serial method. Also typically only small areas of less than 1
한편, 병렬 x-선 리소그라피는 대면적 패턴을 만들 수 있지만 너무 고가이다. Parallel x-ray lithography, on the other hand, can produce large area patterns but is too expensive.
최근에 많은 연구가 집중되는 나노임프린팅은 병렬 방식으로 패턴을 복제하지만, 마스터 몰드(master mould)가 전자빔이나 x-선 리소그라피에 의해 만들어 지는 단점이 있다. In recent years, much research has focused on nanoimprinting, which replicates patterns in a parallel fashion, but the disadvantage is that the master mold is made by electron beam or x-ray lithography.
현재 레이저 간섭 리소그라피는 패턴의 규칙성을 잘 조절하면서 대면적위에 서브마이크론 크기의 주기적인 패턴을 만들 수 있는 가장 효과적인 방법으로 생각된다[문헌 7]. 그것은 간단하고 상당히 저렴한 광학을 사용해서 선(line)이나 점(dot)과 같은 규칙적인 간섭패턴을 어떤 광마스크도 없이 기판위에 만든다. Currently, laser interference lithography is considered to be the most effective way to create periodic patterns of submicron size over a large area while controlling the regularity of the pattern well [Ref. 7]. It uses simple, fairly inexpensive optics to create regular interference patterns, such as lines or dots, on a substrate without any photomasks.
따라서 간섭 리소그라피는 본질적으로 무한한 전계 깊이(depth-of-field), 대면적, 서브마이크로미터 패턴을 만들 수 있는 기술을 제공한다. 간섭 리소그라피의 주기적인 특성 때문에 광 회절격자[문헌 8]와 장 방출기 배열(field emmiter array)과 같은 많은 유용한 패턴과 구조들이 제작되어 왔다[문헌 9]. Interference lithography thus provides a technique for creating intrinsically infinite depth-of-field, large area, submicrometer patterns. Because of the periodic nature of interference lithography, many useful patterns and structures have been fabricated, such as optical diffraction gratings [8] and field emmiter arrays [9].
그러나 아직까지 간섭 리소그라피를 이용하여 나노선 배열을 만들고, 나노선 배열을 구성하는 단위 나노선의 선폭을 조절하여 나노선의 폭 방향으로 한 개의 나노물질이 정렬된 나노선 배열이 제조되는 수단이 제공되지 않았다. However, there has not yet been provided a means for producing nanowire arrays using interference lithography and manufacturing nanowire arrays in which one nanomaterial is aligned in the width direction of the nanowires by adjusting the line widths of the unit nanowires constituting the nanowire arrays. .
더욱이 상기 나노선 배열을 이용하여 다중채널 FET 소자를 제조함으로서 기존의 문제점인 낮은 전류 운반 능력과 낮은 전하 이동도를 동시에 극복할 수 있는 수단도 제공되지 않았다. Furthermore, by fabricating a multichannel FET device using the nanowire array, no means has been provided to overcome the existing problems of low current carrying capacity and low charge mobility.
특히, 기존의 실험실 수준에서 지적 호기심을 충족하기 위해 개발되어온 나노구조 물질(nanotube, nanowire)을 이용하는 FET 소자, 및 이를 이용한 화학센서와 바이오 센서에서 나타나는 문제점을 요약하면 다음과 같다.In particular, FET devices using nanostructured materials (nanotubes, nanowires) that have been developed to satisfy intellectual curiosity at the laboratory level, and problems of chemical sensors and biosensors using the same are as follows.
첫째, 소스-드레인 전극을 이어주는 채널이 단 한 개인 SWNT나 나노와이어를 이용하여 제조된 단일채널 FET 소자는 전하의 이동도가 큰 반면에 전류 운반 능력이 낮은 단점을 갖고 있다. First, a single channel FET device manufactured using SWNT or nanowire having only one channel connecting a source-drain electrode has a disadvantage of low current carrying capacity while high charge mobility.
둘째, 낮은 전류 운반 능력을 개선하기 위해 제안된 무작위 네트워크를 채 널로 이용한 FET 소자는 단일채널 FET에 비해 전하 이동도가 크게 떨어지는 단점이 있고 전류운반 능력이 크게 개선되지 못하고 있다.Second, the FET device using the proposed random network as a channel to improve the low current carrying capacity has a disadvantage in that the charge mobility is much lower than that of the single channel FET, and the current carrying ability is not significantly improved.
셋째, 포토리소 그라피와 용액공정을 이용하여 선폭이 3-4 μm인 단일패턴을 채널로 이용한 FET 소자는 무작위 네트워크 FET (채널폭=35 μm) 소자보다 채널 폭이 약 1/10으로 줄어들었지만, 채널내에 많은 나노물질들이 임의방향으로 분포하고 있다. Third, the FET device using a single pattern with a line width of 3-4 μm as a channel using photolithography and solution process reduced the channel width by about 1/10 than the random network FET (channel width = 35 μm) device. Many nanomaterials are distributed randomly in the channel.
따라서 반도체 공정을 이용하여 대면적 제조가 가능한 장점이 있지만, 전하이동도와 전류밀도의 향상이 미흡한 단점이 있다.Therefore, there is an advantage that the large area can be manufactured using the semiconductor process, but there is a disadvantage that the improvement of the charge mobility and the current density is insufficient.
[문헌 1] D. B. Mitzi, “Solution-processed inorganic semiconductors,” J. Mater. Chem., Vol.14, p.2355 (2004).D. B. Mitzi, “Solution-processed inorganic semiconductors,” J. Mater. Chem., Vol. 14, p. 2355 (2004).
[문헌 2] T. Durkop, S. A. Getty, E. Cobas, and M. S. Fuhrer, "Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes," Nano Lett., Vol.4, p. 35 (2004).[2] T. Durkop, S. A. Getty, E. Cobas, and M. S. Fuhrer, "Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes," Nano Lett., Vol. 4, p. 35 (2004).
[문헌 3] R. S. Mclean, X. Huang, C. Khripin, A. Jagota, and M. Zheng, "Controlled Two-Dimensional Pattern of Spontaneously Aligned Carbon Nanotubes," Nano Lett., Vol.6, p.55 (2006).RS Mclean, X. Huang, C. Khripin, A. Jagota, and M. Zheng, "Controlled Two-Dimensional Pattern of Spontaneously Aligned Carbon Nanotubes," Nano Lett., Vol. 6, p.55 (2006 ).
[문헌 4] J.-U. Park, M. A. Meitl, S.-H. Hur, M. L. Usrey, M. S. Strano, P. J. A. Kenis, J. A. Rogers, "In Situ Deposition and Patterning of Single-Walled Carbon Nanotubes by Laminar Flow and Controlled Flocculation in Microfluidic Channels," Angew. Chem., Int. Ed., Vol.45, p.581(2006).Document 4 J.-U. Park, M. A. Meitl, S.-H. Hur, M. L. Usrey, M. S. Strano, P. J. A. Kenis, J. A. Rogers, "In Situ Deposition and Patterning of Single-Walled Carbon Nanotubes by Laminar Flow and Controlled Flocculation in Microfluidic Channels," Angew. Chem., Int. Ed., Vol. 45, p. 581 (2006).
[문헌 5] E. S. Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell, and D. Park, "Random networks of carbon nanotubes as an electronic material," Appl. Phys. Lett., Vol.82, p.2145 (2003).[5] E. S. Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell, and D. Park, "Random networks of carbon nanotubes as an electronic material," Appl. Phys. Lett., Vol. 82, p. 2145 (2003).
[문헌 6] M. Lee, J. Im, B. Y. Lee, S. Myung, J. Kang, L. Huang, Y.-K. Kwon & S. Hong, “Linker-free directed assembly of high-performance integrated devices based on nanotubes and nanowires” Nanotechnology, Vol.1, p.66 (2006). [Reference 6] M. Lee, J. Im, B. Y. Lee, S. Myung, J. Kang, L. Huang, Y.-K. Kwon & S. Hong, “Linker-free directed assembly of high-performance integrated devices based on nanotubes and nanowires” Nanotechnology, Vol. 1, p.66 (2006).
[문헌 7] B. H. Sohn, X. M. Yang, and P. Nealey, “Exposure of 38 nm period grating patterns with extreme ultraviolet interferometric lithography,” Appl. Phys. Lett., Vol.75, p.2328 (1999). [7] B. H. Sohn, X. M. Yang, and P. Nealey, “Exposure of 38 nm period grating patterns with extreme ultraviolet interferometric lithography,” Appl. Phys. Lett., Vol. 75, p. 2328 (1999).
[문헌 8] Saleem H. Zaidi, An-Shyang Chu, and S. R. J. Brueck, “Optical properties of nanoscale, one-dimensional silicon grating structures,” J. Appl. Phys., Vol.80, p.6997 (1996). 8 Salem H. Zaidi, An-Shyang Chu, and S. R. J. Brueck, “Optical properties of nanoscale, one-dimensional silicon grating structures,” J. Appl. Phys., Vol. 80, p. 6997 (1996).
[문헌 9] X. Chen, S. H. Zaidi, S. R. J. Brueck, and D. J. Devine “Interferometric lithography of sub-micrometer sparse hole arrays for field-emission display applications,” J. Vacuum Sci. & Techno. B, Vol.14, p.3339 (1996).9. X. Chen, S. H. Zaidi, S. R. J. Brueck, and D. J. Devine “Interferometric lithography of sub-micrometer sparse hole arrays for field-emission display applications,” J. Vacuum Sci. & Techno. B, Vol. 14, p. 3339 (1996).
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 레이저 간섭 리소그라피를 이용하여 채널의 폭방향으로 서브마이크론 크기의 주기적인 패턴을 갖는 나노선 배열을 만들고, 용액공정 방법을 이용하여 나노물질을 나노선 배열에 단위채널당 한개씩 정렬시킴으로써, 전류운반능력과 전하이동도를 향상시킬 수 있도록 한 대면적/저비용의 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, by using a laser interference lithography to create a nanowire array having a periodic pattern of submicron size in the width direction of the channel, and nanomaterials using a solution process method It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a large area / low cost nanowire multichannel field effect transistor device which can improve current carrying capacity and charge mobility by aligning one per unit channel in a line array.
상기와 같은 목적은 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 있어서,The above object is a method for manufacturing a nanowire multichannel field effect transistor device,
레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계; 상기 나노선 배열에 용액공정을 통해 나노물질을 자기조립하는 단계; 및 상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 의해 달성된다.Preparing a nanowire array through a laser interference lithography process; Self-assembling nanomaterials through a solution process on the nanowire array; And manufacturing a multi-channel field effect transistor device using the nanowire array in which the nanomaterial is self-assembled.
상기 레이저 간섭 리소그라피 공정은 레이저 빔이 가간섭성이 되도록 핀홀을 통과하면서 확장되고 공간적으로 여과되는 단계; 상기 가간섭성 레이저 빔이 콜리메이터에 의해 평행광이 되는 단계; 상기 가간섭성 레이저 빔이 서로 수직인 로이 드 미러와 시료홀더를 향해 정렬되는 단계; 및 상기 정렬된 가간섭성 레이저 빔이 포토레지스트가 코팅된 기판 위에 간섭광 세기의 주기적인 선 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.The laser interference lithography process comprises the steps of expanding and spatially filtering a laser beam through a pinhole such that the laser beam is coherent; The coherent laser beam being parallel light by a collimator; The coherent laser beam is aligned toward a rod mirror and a sample holder perpendicular to each other; And the aligned coherent laser beam forms a periodic line pattern of interference light intensity on the photoresist coated substrate.
또한, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계에서 포토레지스트 박막의 두께를 500~1000로 만들기 위해 포토레지스트의 양보다 상대적으로 많은 양의 시너(Thinner)를 혼합하여 기판 위에 스핀 코팅하는 것을 특징으로 한다.In addition, the thickness of the photoresist thin film in the step of manufacturing a nanowire array through the laser interference lithography process 500 ~ 1000 It is characterized in that the spin coating on the substrate by mixing a relatively larger amount of thinner (Thinner) than the amount of photoresist to make.
바람직하게는, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계에서 노광되는 레이저 광출력이 0.2mW 이하인 것을 특징으로 한다.Preferably, the laser light output exposed in the step of manufacturing the nanowire array through the laser interference lithography process is characterized in that less than 0.2mW.
특히, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 0.2mW 이하의 광출력으로 제조할 때 포토레지스트가 있는 선폭과 포토레지스트가 없는 선폭이 일정한 비율로 이루어지도록 노광시간을 일정하게 조절한다.In particular, when the nanowire array is manufactured with a light output of 0.2 mW or less through the laser interference lithography process, the exposure time is constantly adjusted so that the line width with the photoresist and the line width without the photoresist are at a constant ratio.
또한, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정으로 나노선 배열을 제조하는 단계에서 식 에 의해 시료홀더의 회전각(δ)에 따라 나노선 배열의 주기(d)를 조절하고, 상기 λ는 레이저 빔의 파장이다.In addition, in the step of manufacturing a nanowire array by the laser interference lithography process The period d of the nanowire array is adjusted according to the rotation angle δ of the sample holder, and λ is the wavelength of the laser beam.
여기서, 포토레지스트 패턴의 나노선 배열이 제조되는 기판은 반도체, 유리, 산화막 박막, 유전체 박막 및 금속박막 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진다.Here, the substrate on which the nanowire array of the photoresist pattern is manufactured is made of any one material selected from semiconductor, glass, oxide thin film, dielectric thin film and metal thin film.
상기 포토레지스트 패턴의 나노선 배열은 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 기판에 식각된다.The nanowire array of the photoresist pattern is etched on the substrate using the photoresist pattern as an etching mask.
상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질을 자기조립하는 단계는 상기 레이저 간섭 리소그라피로 제조된 나노선 배열을 갖는 시료에서 포토레지스트가 없는 영역에 OTS가 증착되는 단계; 상기 시료에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계; 및 상기 포토레지스트가 제거된 영역에 작용기가 없는 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함한다.Self-assembling nanomaterials to the nanowire array through the solution process is the step of depositing OTS in the region without the photoresist in the sample having a nanowire array made of laser interference lithography; Removing the photoresist remaining in the sample; And aligning the nanomaterial without functional groups in the region where the photoresist is removed.
또한, 상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질을 자기조립하는 단계는 상기 레이저 간섭 리소그라피로 제조된 나노선 배열을 갖는 시료에서 포토레지스트가 없는 영역에 OTS가 증착되는 단계; 상기 시료에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계; 상기 포토레지스트가 제거된 영역에 APTES를 증착하는 단계; 및 상기 APTES 패턴 위에 음의 작용기가 있는 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함한다.In addition, the step of self-assembling the nanomaterial to the nanowire array through the solution process is the step of depositing OTS in the photoresist-free region in the sample having the nanowire array made of the laser interference lithography; Removing the photoresist remaining in the sample; Depositing APTES in the region where the photoresist has been removed; And aligning a nanomaterial having a negative functional group on the APTES pattern.
본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질이 조립되는 단계는 기판 위에 포토레지스트를 식각 마스크로 사용하여 식각된 나노선 배열에 나노물질이 조립되는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the step of assembling the nanomaterial to the nanowire array through the solution process includes assembling the nanomaterial to the etched nanowire array using a photoresist as an etching mask on the substrate.
바람직하게는, 단위채널 당 하나의 나노물질만이 정렬되도록 나노선의 폭을 조절하여 나노선 배열을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 나노선 배열에 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함한다.Preferably, manufacturing a nanowire array by adjusting the width of the nanowire so that only one nanomaterial per unit channel; And aligning the nanomaterial to the prepared nanowire array.
또한, 상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계는 폭방향으로 단위채널 당 하나씩의 나노물질이 정렬된 나노선 배열 위에 포토리소그라피를 이용하여 소스와 드레인 전극 패턴 을 형성하는 단계; 상기 전극 패턴에 Ti/Au를 증착한 후 리프트 오프 방법으로 드레인 전극과 소스 전극을 제조하는 단계를 포함한다.In addition, the step of manufacturing a multi-channel field effect transistor device using the nanowire array is a self-assembled nanomaterial is a source and a photolithography on the nanowire array arranged one nanomaterial per unit channel in the width direction Forming a drain electrode pattern; After depositing Ti / Au on the electrode pattern, manufacturing a drain electrode and a source electrode by a lift-off method.
이에 따라 본 발명에 따른 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 의하면, 레이저 간섭 리스그라피 방법을 이용하여 채널의 폭방향으로 서브마이크론 크기의 선폭을 갖는 나노선을 직선 배열하고, 용액공정 방법을 이용하여 나노선 배열에 나노물질을 자기조립함으로써, 대면적/저비용으로 전류운반능력과 전하이동도를 향상시킬 수 있다.Accordingly, according to the method of manufacturing a nanowire multichannel field effect transistor device according to the present invention, a nanowire having a line width of submicron size is linearly arranged in a width direction of a channel using a laser interference lithography method, and a solution processing method. By self-assembling nanomaterials into the nanowire array using, it is possible to improve current carrying capacity and charge mobility at a large area / low cost.
특히 나노채널의 수를 조절함에 따라 소오스-드레인의 전류크기를 임의로 조절하여 외부회로에서 전류 증폭기가 필요없고, 고속과 고출력을 필요로 하는 전자소자, 논리소자, 화학센서 및 바이오센서와 그들을 기반으로 하는 어레이 소자를 구현할 수 있다.In particular, by controlling the number of nano-channels, the current size of the source-drain can be arbitrarily adjusted, eliminating the need for a current amplifier in an external circuit, requiring high speed and high output, and requiring electronic devices, logic devices, chemical sensors, and biosensors based on them. The array device can be implemented.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 나노선폭의 직선 배열을 대면적 및 저비용으로 제작하기 위해 레이저 간섭 방법으로 나노선 배열(회절격자)을 제조하는 단계와, 상기 제작된 회절격자에 나노물질이 자기조립되는 단계를 제공하고, 이를 이용하여 대면적 나노선 배열의 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a step of fabricating a nanowire array (diffraction grating) by a laser interference method in order to produce a linear array of nanowire width in a large area and low cost, and the step of self-assembling nanomaterial to the fabricated diffraction grating The present invention provides a method for manufacturing a multichannel field effect transistor device having a large area nanowire array using the same.
본 발명은 레이저 간섭 리소그라피(laser interference lithography) 공정을 위해서 간단한 로이드 미러(13)(Lloyds mirror) 장치를 사용한다[문헌 10]. 도 1은 레이저 간섭 리소그라피 시스템의 장치 구조도이다. The present invention uses a simple Lloyds mirror device for laser interference lithography process [10]. 1 is a device structural diagram of a laser interference lithography system.
325 nm 파장에서 동작되는 He-Cd 레이저 빔은 가간섭성(coherent)이 되기 위해서 핀홀을 통과하면서 확장되고 공간적으로 여과된다. 가간섭성 빔은 콜리메이터(18)에 의해 평행광이 된 후 평면각이 90°가 되는 로이드 미러(13)와 시료 홀더(15)를 향해 정렬된다.A He-Cd laser beam operating at a wavelength of 325 nm is extended and spatially filtered through the pinhole to become coherent. The incoherent beam is aligned toward the Lloyd's
정렬된 가간섭성 빔은 포토레지스트(photoresist; PR)가 코팅된 기판(23) 위에 간섭광 세기의 주기적인 선 패턴을 새긴다. 이때, λ가 파장이고, δ가 도 1과 같이 로이드 미러(13)가 수평선과 이루는 각도(시료홀더(15)의 회전각)일 때 회절격자의 주기(d)는 다음식과 같다. The aligned coherent beam engraves a periodic line pattern of interference light intensity on a photoresist (PR) coated
상기 식에서 시료 스테이지(stage)가 회전되면 δ가 변하기 때문에 회절격자의 주기가 변하게 된다. In the above equation, when the sample stage is rotated, δ is changed, so the period of the diffraction grating is changed.
도 2는 δ 변화에 따른 회절격자의 주기변화를 보여준다. 한 예로 파장이 325 nm이고 δ=45°이면 회절격자의 주기는 230 nm가 된다. 도 2로부터 δ가 25° ~ 65°범위에서 바뀔 때 회절격자의 주기는 179 ~ 385 nm 범위에 있다. Figure 2 shows the change of the period of the diffraction grating with the change in δ. For example, if the wavelength is 325 nm and δ = 45 °, the period of the diffraction grating is 230 nm. 2, the period of the diffraction grating is in the range of 179 to 385 nm when δ is changed in the range of 25 ° to 65 °.
도 1을 이용하여 230 nm 주기를 갖도록 제작된 나노선 배열 (회절격자)의 SEM 사진이 도 3에 있다. 도 3(a)는 PR 패턴이 있는 선폭과 PR 패턴이 없는 선폭이 1: 1이 되도록 레이저 출력이 0.15 mW에서 2분 동안 노출되어 제작되었다. An SEM image of a nanowire array (diffraction grating) fabricated to have a 230 nm cycle using FIG. 1 is shown in FIG. 3. 3 (a) was produced by exposing the laser output for 2 minutes at 0.15 mW so that the line width with the PR pattern and the line width without the PR pattern were 1: 1.
한편 도 3(b)는 레이저 출력이 0.15 mW일 때 2분 30초 동안 노출시킴으로써 PR 패턴이 있는 선폭과 없는 선폭이 1: 2가 되었다. 여기서 사용된 PR은 박막두께를 얇게 하기 위해서 시너(thinner)가 3배 더 많이 들어가도록 혼합되었다.On the other hand, FIG. 3 (b) shows that the line width with and without the PR pattern is 1: 2 by exposing for 2 minutes and 30 seconds when the laser power is 0.15 mW. The PR used here was mixed with three times more thinner to thin the film thickness.
여기서, 광출력이 0.2mW를 초과하는 경우에는 과잉노출(overexposure)로 인해 노광시간이 너무 짧아 시간조절이 어렵기 때문에 0.2mW 이하인 것이 바람직하다. 이때, 노광시간이 2분보다 작을 때 포토레지스트의 선폭이 포토레지스트가 없는 선폭보다 넓게 되고, 노광시간이 2분보다 클 때 포토레지스트의 선폭이 포토레지스트가 없는 선폭보다 좁아지게 된다.In this case, when the light output exceeds 0.2 mW, the exposure time is too short due to overexposure, and thus it is preferable that the light output is 0.2 mW or less. At this time, when the exposure time is less than 2 minutes, the line width of the photoresist is wider than the line width without the photoresist, and when the exposure time is greater than 2 minutes, the line width of the photoresist is narrower than the line width without the photoresist.
도 3에서 사용된 기판은 Si, GaAs, InP, InGaAs 등의 III-V 화합물 반도체, 유리, 투명전극 유리, 산화막 박막, 유전체 박막 및 금속 박막 기판 등이 모두 사용될 수 있다. 그리고 상기의 기판 재료들은 PR 패턴을 식각 마스크로 이용하여 식각됨으로써 PR 패턴을 기판에 직접 전사시킬 수 있다. RIE(reactive ion etching)와 같은 건식식각을 이용하면 수직방향으로 기판이 식각될 수 있다. 특히 단결정의 결정 방향에 따라 식각속도가 다른 습식 식각용액이 사용되면 기판에 전사된 패턴이 PR 패턴과 다른 모양이 된다. As the substrate used in FIG. 3, all III-V compound semiconductors such as Si, GaAs, InP, InGaAs, glass, transparent electrode glass, oxide thin film, dielectric thin film, and metal thin film substrate may be used. The substrate materials may be etched using the PR pattern as an etching mask to directly transfer the PR pattern onto the substrate. By using dry etching such as reactive ion etching (RIE), the substrate may be etched in the vertical direction. In particular, when a wet etching solution having a different etching rate according to the crystal direction of the single crystal is used, the pattern transferred to the substrate becomes different from the PR pattern.
도 4는 PR을 식각마스크로 사용해서 식각된 나노선 배열(회절격자)이다. 도 4(a)는 식각단면이 삼각형 모양의 회절격자이고 도 4(b)는 선폭이 가늘고 선사이의 간격이 넓은 회절격자이다. 4 is a nanowire array (diffraction grating) etched using PR as an etching mask. 4 (a) shows a diffraction grating having an etched section of a triangular shape, and FIG. 4 (b) shows a diffraction grating having a thin line width and a wide space between prehistoric teeth.
도 3을 이용하여 나노물질(나노튜브, 나노와이어)이 용액공정에 의해 자기조립되면 나노선 배열의 다중채널 FET 전자소자가 제작될 수 있다. 나노물질은 PR로 덮인 영역에 조립될 수 있다. When the nanomaterials (nanotubes, nanowires) are self-assembled by the solution process using FIG. 3, a multi-channel FET electronic device of a nanowire array may be manufactured. Nanomaterials can be assembled in areas covered with PR.
도 5는 SWNT가 나노선 배열(회절격자)인 PR 패턴에 자기조립되는 공정도이다. 먼저 도 3에서 제작된 PR 패턴을 갖고 있는 회절격자 시료는 표면의 수분을 제거하기 위해 헥산용액에 담구어진 후, 전기적으로 중성인 OTS(octadecyltrichlorosilane) 용액에 담구어져 OTS 박막(19)이 표면에 증착되도록 한다. 5 is a process chart in which SWNTs are self-assembled in a PR pattern that is a nanowire array (diffraction grating). First, the diffraction grating sample having the PR pattern manufactured in FIG. 3 is immersed in a hexane solution to remove moisture from the surface, and then immersed in an electrically neutral octadecyltrichlorosilane (OTS) solution to deposit an OTS
그리고 PR 패턴이 아세톤으로 제거되면 PR(20)이 있던 영역의 기판(23)이 노출된다. 다시 이 시료는 노출된 기판(23) 위에 APTES 박막(21)을 증착하기 위해 APTES 용액 속에 담구어진다. When the PR pattern is removed with acetone, the
APTES(3-aminopropyl trimethoxysilane)는 양전하를 띠는 작용기를 가지고 있어 음전하를 띠는 SWNT의 자기조립에 이용될 수 있다. 다음은 APTES와 OTS 패턴이 있는 시료가 SWNT 용액에 담구어지면 SWNT(기판(23))는 APTES 패턴에만 달라 붙기 때문에 SWNT(기판(23))의 자기조립이 완성된다. 도5의 자기조립 공정은 도 4의 회절격자 시료를 이용해서 수행될 수도 있다. 이 경우 기판(23)이 식각된 후 식각마스크로 사용된 PR이 제거되지 않은 상태에서 도 5의 공정이 반복되면 된다. APTES (3-aminopropyl trimethoxysilane) has a positively charged functional group and can be used for self-assembly of negatively charged SWNTs. Next, when the sample having the APTES and OTS patterns is immersed in the SWNT solution, the self-assembly of the SWNT (substrate 23) is completed because the SWNT (substrate 23) adheres only to the APTES pattern. The self-assembly process of FIG. 5 may be performed using the diffraction grating sample of FIG. In this case, after the
도 6은 나노물질이 나노선 배열(회절격자)에 자기조립된 개념도(도 6 (a))와 이를 이용하여 제작된 나노선 다중채널 FET 소자의 구조도(도 6 (b))이다. 도 2를 이용하여 PR 나노선의 선폭을 조절하여 나노선 배열을 구성하는 개개 채널에 1 개 씩의 나노튜브나 나노와이어가 폭 방향으로 배열되게 할 수 있다. FIG. 6 is a conceptual diagram (FIG. 6 (a)) in which nanomaterials are self-assembled in a nanowire array (diffraction grating) and a structure diagram of a nanowire multichannel FET device fabricated using the same. By using the line width of the PR nanowires by using Figure 2 can be arranged in the width direction by one nanotube or nanowire in each channel constituting the nanowire array.
그 다음, 폭 방향으로 한 개씩의 나노물질이 정렬된 나노선 배열 위에 포토리소그라피를 이용하여 소스와 드레인 전극 패턴을 형성한 후, 전극 패턴 위에 Ti/Au를 증착한 후 리프트 오프(lift-off)방법으로 드레인 전극(24)과 소스 전극(25)을 제조하여 다중채널 FET 소자를 완성한다. 도 6에서 미설명부호 26은 탄소나노튜브이다.Next, a source and a drain electrode pattern are formed by using photolithography on a nanowire array in which the nanomaterials are aligned one by one in the width direction, and then Ti / Au is deposited on the electrode pattern and then lift-off. The
그 결과 나노선 배열의 다중채널 FET 소자는 단 한 개의 나노튜브로 제작된 단일채널 FET 소자 보다 큰 전류를 운반할 수 있을 뿐만 아니라, SWNT의 무작위 네트워크(random network)를 이용한 FET 소자보다 큰 전하 이동도를 얻을 수 있다. 따라서 기존의 단일채널 FET 소자와 네트워크 FET 소자의 단점들을 모두 해결할 수 있다.As a result, nanochannel array multichannel FET devices can carry larger currents than single-channel FET devices made from just one nanotube, as well as larger charge transfer than FET devices using SWNT's random network. You can also get Therefore, the shortcomings of the conventional single channel FET device and the network FET device can be solved.
[문헌 10] H. I. Smith, "Low cost nanolithography with nanoaccuracy," Physica E, Vol. 11, pp.104-109(2001).H. I. Smith, "Low cost nanolithography with nanoaccuracy," Physica E, Vol. 11, pp. 104-109 (2001).
본 발명은 나노선 배열을 이용한 다중채널 FET 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 대면적/저비용의 레이저 간섭 리소그라피 공정을 이용하여 나노선 다중채널을 만들고, 용액 공정을 이용하여 나노선 배열에 나노구조 물질(nanotube나 nanowire)을 자기조립하는 공정을 제공한다. The present invention relates to a method for manufacturing a multichannel FET device using a nanowire array. It provides nanowire multi-channel using large area / low cost laser interference lithography process and self-assemble nanostructure material (nanotube or nanowire) in nanowire array using solution process.
레이저 간섭 리소그라피는 나노선 배열이 대면적으로 저렴하게 제조될 수 있는 수단을 제공할 뿐만 아니라, 시료 홀더를 회전시킴에 따라 나노선의 폭이 쉽게 조절될 수 있기 때문에 나노선의 폭 방향으로 단위채널당 한 개의 나노물질만이 배 열될 수 있는 나노선 배열을 만들 수 있도록 한다. Laser interference lithography not only provides a means by which nanowire arrays can be manufactured inexpensively in large areas, but also because the width of the nanowires can be easily adjusted as the sample holder is rotated. Only nanomaterials allow for the creation of nanowire arrays that can be arranged.
나노선 배열과 레이저 리소그라피는 기존의 실리콘 반도체 산업에서 사용되고 있는 포토리소그라피 공정과 호환성이 있기 때문에 저비용으로 대량생산이 가능한 장점이 있다. Nanowire arrays and laser lithography are compatible with the photolithography process used in the existing silicon semiconductor industry, so they can be mass-produced at low cost.
따라서 본 발명은 나노선 다중채널 FET 소자나 FET 소자를 기반으로 하는 나노선 다중채널 FET 어레이(array) 소자 및 상기 소자들과 구동회로가 집적된 SOC (system on chip) 칩을 대량생산 방식으로 제조할 수 있는 수단을 제공하기 때문에 산업상으로 이용가능성이 매우 크다. Therefore, the present invention manufactures a nanowire multichannel FET device or a nanowire multichannel FET array device based on the FET device and a system on chip (SOC) chip in which the devices and the driving circuit are integrated in a mass production method. It is very useful industrially because it provides a means to do so.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 간섭 리소그라피 장치의 구성도,1 is a block diagram of a laser interference lithography apparatus according to an embodiment of the present invention,
도 2는 파장이 325nm 일 때 δ 각도 변화에 따른 회절격자의 주기변화를 나타내는 그래프,2 is a graph showing the change of the period of the diffraction grating according to the change in δ angle when the wavelength is 325nm,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 포토레지스트 패턴으로 제작된 나노선 배열을 나타내는 사진,Figure 3 is a photograph showing a nanowire array made of a photoresist pattern according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토레지스트를 식각마스크로 사용하여 식각된 나노선 배열구조를 나타내는 사진,Figure 4 is a photo showing the nanowire array structure etched using a photoresist according to another embodiment of the present invention as an etching mask,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 음전하 작용기가 있는 SWNT가 회절격자 패턴에 자기조립되는 공정을 나타내는 순서도,5 is a flowchart illustrating a process of self-assembling a SWNT having a negative charge functional group in a diffraction grating pattern according to an embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명에 따라 나노물질이 나노선 배열에 자기조립된 개념도와 이를 이용하여 제작된 나노선 다중채널 FET 소자를 나타내는 구성도이다. 6 is a schematic view showing a conceptual diagram of a nanomaterial self-assembled in a nanowire array according to the present invention and a nanowire multichannel FET device fabricated using the same.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 레이저 11 : 확장 텔리스코프(Expanding telescope)10: laser 11: expanding telescope
12 : 파워 모니터 13 : 로이드 미러12: Power Monitor 13: Lloyd Mirror
14 : 시료 15 : 시료홀더14
16 : 회전 스테이지 17 : 매뉴얼 마이크로미터16: rotating stage 17: manual micrometer
18 : 콜리메이터 19 : OTS 박막18: collimator 19: OTS thin film
20 : PR 21 : APTES 박막20: PR 21: APTES thin film
22 : SWNT 23 : 기판22: SWNT 23: substrate
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