KR101027517B1 - 나노 구조체의 배치 방법 및 이를 이용한 나노 소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 구조체의 배치 방법 및 이를 이용한 나노 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 나노 구조체의 배치 방법은, 소정 방향으로 나노 구조체를 배치하는 방법에 있어서, 기판상에 상기 소정 방향의 면을 갖는 희생 구조물을 형성하는 단계; 적어도 상기 희생 구조물의 상기 소정 방향의 면 상에 상기 나노 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 희생 구조물을 제거하는 단계를 포함하고, 상술한 본 발명에 의한 나노 구조체의 배치 방법 및 이를 이용한 나노 소자의 제조 방법은, 희생 구조물을 이용하여 원하는 방향으로 나노 구조체를 배치함으로써 종래 기술에 비하여 공정을 용이하게 할 수 있다.
나노 구조체, 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 소자, 희생 구조물
Description
본 발명은 나노 기술(Nano Technology)에 관한 것으로, 특히 나노 튜브(nanotube), 나노 와이어(nanowire) 등과 같은 나노 구조체의 배치 방법과 이를 이용한 나노 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 나노미터 크기의 극미세 영역에서 새로운 물리 현상과 향상된 물질 특성을 나타내는 연구 결과가 보고되면서 나노 기술이라는 새로운 영역이 태동하게 되었고, 이러한 나노 기술은 앞으로 21세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서 전자정보통신, 의약, 소재, 제조공정, 환경 및 에너지 등의 분야에서 미래의 기술로 부각되고 있다.
이와 같은 나노 기술의 발전에 따라 Si, Ge, SiOx , GeOx와 같은 나노와이 어, 또는, 탄소, BxNy, CxByNz, MoS2, WS2와 같은 단일 원소 또는 다중 원소로 이루어진 나노 튜브를 비롯한 각종 물질들이 개발되고 있다. 이러한 물질들을 공통적으로 '나노 구조체'라 한다.
나노 구조체의 공통된 특징들 중 하나는 기본 구성 블록이다. 하나의 나노 와이어 또는 나노 튜브 등은 적어도 한 방향으로의 크기가 수십 내지 수백nm 미만이다. 이런 종류의 물질들은 여러 분야 및 공정에서 관심을 끄는 일정한 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 특히, 나노 튜브나 나노 와이어 등의 나노 구조체는 공통적으로 표면적이 크고 외부 환경에 전기적으로 민감한 특성을 갖기 때문에 센서 분야에 응용되기 쉽다.
이와 같은 나노 구조체 중에서 특히 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube, CNT) 및 반도체 나노와이어는 그 독특한 물리적, 화학적 성질 및 뛰어난 전기 전도도 등에 의해 차세대 나노 소자의 대표 물질로 인식되고 있다.
한편, 나노 구조체는 특정 소자(예를 들어, 메모리 소자, 센서 등)를 구성하기 위하여 특정 위치에 특정 방향으로 배치될 것이 요구된다.
나노 구조체를 기판상의 특정 위치에 배치하는 방법 중 하나는 분자막과 나노 구조체 사이의 흡착성을 이용하여 기판상에 나노 구조체를 자기조립(self-assembly)하는 기술이다. 이러한 기술로는 예를 들어, 링커 분자막을 이용하여 탄소 나노 튜브/나노 입자를 고체 표면에 정렬하는 기술(이하, '링커 분자막 패터닝'이라 함, Nature 425, 36 (2003)에 개시) 또는 반흡착성 분자막 패턴을 이용하여 나노선을 고체 표면에 정렬시키는 기술(이하, '반흡착성 분자막 패터닝'이라 함, 공개특허 10-2007-0112733호에 개시) 등이 있다. 양 기술은 공통적으로 분자막과 나노 구조체 사이의 흡착성을 이용하여 나노 구조체를 정렬시키며 특히 기판 표면에 수평적으로 나노 구조체를 정렬시키는 특징이 있다.
한편, 이와 같이 기판 상에 수평적으로 나노 구조체를 정렬하는 것 외에, 최근에는 메모리 소자의 집적도 증가 측면이라든지 센서의 감도 증가 측면 등에서 나노 구조체를 특히 수직으로 배치하여야 하는 경우가 증가하고 있으며, 이를 위하여 많은 연구들이 수행되고 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 또는 Si 나노 와이어를 촉매 금속을 사용하여 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장시키는 기술(Nature 399, 48 (1999)에 개시) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의하여 탄소 나노튜브를 수직으로 성장시키는 기술 등이 다수 연구되고 있다.
그러나, 전술한 기술을 포함하여 현재까지 개발된 기술로 나노 구조체를 수직으로 성장시키는 것은, 대부분 고온의 공정을 요구할 뿐만 아니라 실질적으로 나노 구조체의 성장 각도를 제어하기 어려운 문제점이 있다. 다시 말하면, 나노 튜브 또는 나노 와이어와 같은 나노 구조체가 수직으로 배치되는 소자를 제조하는 것이 실질적으로 어려운 문제점이 있다.
따라서, 나노 구조체의 배치(특히, 수직 배치)를 좀더 용이하게 할 수 있는 기술이 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 희생 구조물을 이용하여 원하는 방향으로 나노 구조체를 배치함으로써 종래 기술에 비하여 공정을 용이하게 할 수 있는 나노 구조체의 배치 방법 및 이를 이용한 나노 소자의 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 나노 구조체의 배치 방법은, 소정 방향으로 나노 구조체를 배치하는 방법에 있어서, 기판상에 상기 소정 방향의 면을 갖는 희생 구조물을 형성하는 단계; 적어도 상기 희생 구조물의 상기 소정 방향의 면 상에 상기 나노 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 희생 구조물을 제거하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 나노 소자의 제조 방법은, 수직 방향에서 상호 이격된 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 전극을 연결시키도록 배치된 나노 구조체를 포함하는 나노 소자의 제조 방법에 있어서, 기판상에 수직면 및 상기 수직면과 연결되면서 상기 기판과 평행한 수평면을 갖는 희생 구조물을 형성하는 단계; 적어도 상기 희생 구조물의 상기 수직면 상에 상기 나노 구조체를 형성하는 단계; 상기 나노 구조체 양단의 상기 기판 및 상기 수평면 상에 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 희생 구조물을 제거하는 단계를 포함한다.
상술한 본 발명에 의한 나노 구조체의 배치 방법 및 이를 이용한 나노 소자의 제조 방법은, 희생 구조물을 이용하여 원하는 방향으로 나노 구조체를 배치함으로써 종래 기술에 비하여 공정을 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체의 배치 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선, 요구되는 소정의 기판을 제공한다(s10). 여기서, 기판으로는 특별히 제한이 없으며 Si 기판, SiO2 기판, 유리 기판, 금속 기판 등이 모두 이용될 수 있다.
이어서, 기판상에 희생 구조물을 형성한다(s11). 여기서, 희생 구조물은 후속의 나노 구조체가 원하는 방향으로 형성될 수 있도록 나노 구조체를 지지하는 역할을 한다. 따라서, 희생 구조물은 나노 구조체가 형성될 방향과 일치하는 방향의 면을 적어도 하나 가지고 있어야 한다. 예를 들어, 나노 구조체가 기판에 대하여 수직으로 형성되어야 하는 경우, 희생 구조물은 기판에 대하여 수직인 면을 가지고 있어야 한다. 이와 같은 희생 구조물로 사용되는 물질은 크게 제한이 없으며, 용이하게 패터닝되고 후속 공정에서 용이하게 제거될 수 있는 물질이면 가능하다. 예를 들어, 희생 구조물로는 금속 또는 반도체 물질이 이용될 수 있다.
이어서, 희생 구조물 상에 특히, 적어도 나노 구조체가 형성될 방향의 면 상에 나노 구조체를 형성한다(s12). 예를 들어, 희생 구조물의 기판에 대하여 수직인 면 상에 나노 구조체를 형성하는 경우, 나노 구조체가 수직으로 배치될 수 있다. 나노 구조체로는 나노 튜브(예를 들어, 탄소 나노 튜브), 나노 와이어(예를 들어, 반도체 나노 와이어) 등이 이용될 수 있음은 전술한 바와 같다. 희생 구조물 상에 나노 구조체를 배치하기 위하여는 공지의 링커 분자막 패터닝 기술 또는 반흡착성 분자막 패터닝 기술을 이용할 수 있다(이에 대하여는 이하의 도2를 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 함).
이어서, 희생 구조물을 제거한다(s13). 희생 구조물의 제거 방법은 희생 구조물을 이루는 물질을 고려하여 선택될 수 있으며, 희생 구조물이 녹을 수 있는 용액에 기판 결과물을 침지시키는 습식 딥 아웃 방식으로 수행될 수 있다.
이와 같은 공정 과정을 이용하면, 기판 상에서 나노 구조체를 원하는 방향으로 용이하게 배치할 수 있다. 특히, 나노 구조체가 수직으로 배치되어야 하는 경우, 종래의 기술에서는 고온의 공정을 이용하여 나노 구조체를 수직으로 성장시켜야 하고 그 성장 각도를 제어하는 것도 매우 어려운 일이었으나, 본 공정에서와 같이 희생 구조물을 이용하면 평면상에서 나노 구조체를 배치하는 것과 마찬가지로 고온의 공정을 이용할 필요가 없고 희생 구조물의 각도를 조절하여 나노 구조체의 각도를 조절할 수 있으므로, 공정이 매우 용이하여지는 장점이 있다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다. 특히, 본 명세서에서는, 수직 방향에서 상호 이격된 제1 전극 및 제2 전극과, 이 제1 전극 및 제2 전극을 연결시키는 나노 구조체를 포함하는 나노 소자를 제조하고자 한다. 이와 같은 나노 소자는 센서 등으로 이용될 수 있다.
도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(20)을 제공한다. 전술한 바와 같이, 기판(20)으로는 Si 기판, SiO2 기판, 유리 기판, 금속 기판 등 다양한 기판이 이용될 수 있다. 본 명세서에서는 일례로서, SiO2 기판을 이용하기로 한다.
이어서, 기판(20) 상에 희생 구조물(21)을 형성한다. 여기서, 희생 구조물(21)은 기판(20)에 대하여 수직인 면(이하, 수직면) 및 상기 수직면과 연결되면서 기판(20) 상부에 기판(20)과 평행하게 위치하는 수평면을 가지며, 본 명세서에서는 일례로서 직육면체 형상을 갖는다. 여기서, 희생 구조물(21)의 수직면은 후속 나노 구조체의 형성을 위한 것이고 희생 구조물(22)의 수평면은 후속 제2 전극 형성을 위한 것이다.
이러한 희생 구조물(21)로는 금속 또는 반도체 물질이 이용될 수 있다. 본 명세서에서는 일례로서, 희생 구조물(21)로 Al을 이용하기로 한다.
도2의 (b)에 도시된 바와 같이, 희생 구조물(21)을 포함하는 기판(20) 상의 소정 영역(도면부호 "B" 참조)에 나노 구조체(22)를 형성한다. 나노 구조체(22)는 나노 와이어 또는 나노 튜브일 수 있으며, 본 명세서에서는 일례로서 공지의 링커 분자막 패터닝 기술 또는 반흡착성 분자막 패터닝 기술을 이용하여 이러한 나노 구조체(22)를 형성한다. 이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 희생 구조물(21)을 포함하는 기판(20) 상의 영역 중 나노 구조체가 배치될 영역(B)과 그 외의 영역(도면부호 "A" 참조)을 구분하기 위한 분자막을 형성한다. 이때, 분자막이 나노 구조체와의 흡착 정도가 작은 경우 이 분자막은 상기 A 영역에 존재하도록 패터닝된다. 예를 들어, 나노 구조체(22)가 표면이 산화물인 나노 와이어인 경우라면 소수성 분자막(예를 들어, Octadecytrichlorosilane(OTS))이 상기 A 영역에 존재하도록 패터닝된다. 반면, 분자막이 나노 구조체와의 흡착 정도가 큰 경우 이 분자막은 상기 B 영역에 존재하도록 패터닝된다. 예를 들어, 나노 구조체(22)가 표면이 산화물인 나노 와이어인 경우라면 친수성 분자막이 상기 B 영역에 존재하도록 패터닝된다.
이어서, 분자막이 형성된 기판 결과물을 나노 구조체(22)가 포함된 용액에 침지시키면 분자막과 나노 구조체(22) 사이의 흡착 정도에 따라 나노 구조체(22)가 기판 결과물 표면에 자기조립된다. 좀더 구체적으로는, 나노 구조체(22)가 B 영역의 기판(20) 표면에 흡착되거나(이 경우는, 나노 구조체와의 흡착 정도가 작은 분자막이 A 영역에 존재하도록 패터닝된 경우임), 또는, 나노 구조체(22)가 B 영역의 분자막에 흡착되어(이 경우는, 나노 구조체와의 흡착 정도가 큰 분자막이 B 영역에 존재하도록 패터닝된 경우임), 희생 구조물(21)을 포함하는 기판(20) 상의 B 영역에 나노 구조체(22)가 배치되게 된다.
결과적으로, 나노 구조체(22)는 희생 구조물이 포함된 결과물 상의 소정 영역(나노 구조체(22)가 배치될 영역)에 형성되되 하부의 희생 구조물(21)의 표면을 따라 형성되기 때문에, 희생 구조물(21)의 수직면 상에서 나노 구조체(22)가 수직으로 배치되게 된다.
도2의 (c)에 도시된 바와 같이, 희생 구조물(21)의 한 쌍의 수직면 상에 수직 배치된 나노 구조체(22) 중 일측의 나노 구조체(22) 부분("C" 참조)은 드러내고 그외의 나노 구조체(22) 부분은 덮는 제1 및 제2 전극(23a, 23b)을 형성한다. 결과적으로 나노 구조체(22)의 양 단에 수직 방향에서 상호 이격된 제1 및 제2 전극(23a, 23b)이 위치하게 된다. 이러한 형상의 제1 및 제2 전극(23a, 23b)을 형성하는 방법을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 결과물의 전체 구조 상에 제1 및 제2 전극(23a, 23b)이 형성될 영역을 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시됨)을 형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 포함하는 결과물 상에 전극 형성을 위한 도전 물질로서 예를 들어, 금속을 증착하되 희생 구조물(21)의 한 쌍의 수직면 중 타측(여기서, 타측이라 함은, 제1 및 제2 전극(23a, 23b) 형성에 의하여 드러나게 될 나노 구조체(22) 부분(C)이 존재하는 희생 구조물(21)의 수직면과 마주보는 수직면을 의미함)의 방향에서 사선 방향(화살표 참조)으로 금속을 증착한다. 그 결과, 금속은 제1 및 제2 전극(23a, 23b)이 형성될 영역에 형성되면서도 희생 구조물(21)의 일측에 수직 배치된 나노 구조체(22) 부분(C)을 드러내도록 형성된다. 마지막으로, 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 제1 및 제2 전극(23a, 23b) 형성을 완료한다.
도2의 (d)에 도시된 바와 같이, 희생 구조물(21)을 제거한다. 희생 구조물(21)의 제거는 희생 구조물(21)이 녹을 수 있는 용액에 기판 결과물을 침지시키는 습식 딥 아웃(wet dip-out) 방식으로 수행될 수 있다. 본 명세서의 일례에서와 같이 희생 구조물(21)로 Al을 이용하는 경우, 산 용액을 이용하여 희생 구조물(21)을 녹일 수 있다.
마지막으로, 희생 구조물(21)이 제거된 기판 결과물을 건조시킨다. 이때, CPD(Critical Point Dryer)를 이용하여 기판 결과물을 건조시키는 것이 수율 측면에서 가장 바람직하다.
본 도면의 공정 결과, 수직으로 배치된 나노 구조체(22) 부분(C)의 전면이 드러나며 그 양 단에 제1 및 제2 전극(23a, 23b)이 배치된 나노 소자가 제조될 수 있다.
이와 같은 방식으로 나노 소자를 제조하면 고온의 공정 없이도 용이하게 나노 구조체를 수직 배치할 수 있음은 전술한 바와 같다.
나아가, 이러한 나노 소자가 센서로 이용되는 경우, 센싱부인 나노 구조체가 전면 360도 방향에서 드러나 있기 때문에, 센서의 감도를 증가시킬 수 있다. 또한, 나노 구조체 양단에 위치하는 전극이 상하부에서 나노 구조체를 팽팽하게 당기고 있기 때문에, 외부로부터의 사소한 노이즈가 발생하더라도 이에 둔감한 장점이 있다.
도3은 도2의 방법에 따라 제조된 나노 소자의 일례를 나타내는 사진이다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었 으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체의 배치 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도.
도3은 도2의 방법에 따라 제조된 나노 소자의 일례를 나타내는 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 기판 21 : 희생 구조물
22 : 나노 구조체 23a, 23b : 제1 전극, 제2 전극
Claims (11)
- 소정 방향으로 나노 구조체를 배치하는 방법에 있어서,기판상에 상기 소정 방향의 면을 갖는 희생 구조물을 형성하는 단계;적어도 상기 희생 구조물의 상기 소정 방향의 면 상에 상기 나노 구조체를 형성하는 단계; 및상기 희생 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 나노 구조체의 배치 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노 구조체를 형성하는 단계는,상기 희생 구조물을 포함하는 결과물 상에 상기 나노 구조체가 형성될 영역과 그외의 영역을 구분하기 위한 분자막을 형성하는 단계; 및상기 분자막과 상기 나노 구조체 사이의 흡착 정도를 이용하여 상기 나노 구조체가 형성될 영역에 상기 나노 구조체를 자기조립하는 단계를 포함하는나노 구조체의 배치 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노 구조체는, 나노 와이어 또는 나노 튜브인나노 구조체의 배치 방법.
- 제1항에 있어서,상기 희생 구조물을 제거하는 단계는,습식 딥 아웃 방식으로 수행되는나노 구조체의 배치 방법.
- 수직 방향에서 상호 이격된 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 전극을 연결시키도록 배치된 나노 구조체를 포함하는 나노 소자의 제조 방법에 있어서,기판상에 수직면 및 상기 수직면과 연결되면서 상기 기판과 평행한 수평면을 갖는 희생 구조물을 형성하는 단계;적어도 상기 희생 구조물의 상기 수직면 상에 상기 나노 구조체를 형성하는 단계;상기 나노 구조체 양단의 상기 기판 및 상기 수평면 상에 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및상기 희생 구조물을 제거하는 단계를 포함하는 나노 소자의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 나노 구조체를 형성하는 단계는,상기 희생 구조물을 포함하는 결과물 상에 상기 나노 구조체가 형성될 영역과 그외의 영역을 구분하기 위한 분자막을 형성하는 단계; 및상기 분자막과 상기 나노 구조체 사이의 흡착 정도를 이용하여 상기 나노 구조체가 형성될 영역에 상기 나노 구조체를 자기조립하는 단계를 포함하는나노 소자의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 나노 구조체를 형성하는 단계는,상기 제1 및 제2 전극이 형성될 영역에도 상기 나노 구조체가 배치되도록 수행되는나노 소자의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 나노 구조체는, 나노 와이어 또는 나노 튜브인나노 소자의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 희생 구조물을 제거하는 단계는,습식 딥 아웃 방식으로 수행되는나노 소자의 제조 방법.
- 제5항 또는 제9항에 있어서,상기 희생 구조물 제거 단계 후에,기판 결과물을 건조시키는 단계를 더 포함하는 나노 소자의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 나노 소자는, 센서인나노 소자의 제조 방법.
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