KR101055867B1 - 금속 나노 점을 포함하는 갭 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 나노 점을 포함하는 갭 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는 리소그라피 기술로 형성된 전극과 전극 사이의 이격 거리가 큰 소자를 열처리 공정을 이용하여 두 전극 사이의 다수의 금속 나노 점(nano dot)이 형성된 갭 소자 로 상기 갭 소자를 이용하여 우수한 성능을 필요한 바이오센서와 메모리 소자를 용이하게 제작할 수 있으며, 특히 생체 분자 검출 소자에 있어서는 생체 분자의 검출 감도를 고효율로 하면서도 통계적인 측정방법에 용이하게 적용할 수 있다.
전극, 열처리, 나노 점, 갭 소자
Description
본 발명은 금속 나노 점을 포함하는 갭 소자에 관한 것이다.
나노입자 제어 기술 발달에 힘입어 다양한 종류의 나노입자의 합성, 그에 따른 새로운 특성이 밝혀졌을 뿐만 아니라 이를 이용한 우수한 성능의 가진 나노소자를 만들고자 하는 노력이 시도되어지고 있다. 하지만 구조물의 크기가 작을수록 간편하고 재현성 높은 소자를 제작하는 것은 쉬운 일이 아니다. 특히 나노 갭 소자를 이용하여 보다 우수한 성능을 가진 바이오센서와 메모리 소자를 만들기 위해서는 전극과 전극사이의 간격을 100 nm 이하로 조절하는 것이 무엇보다 중요하다.
나노 갭 소자 제작에 대한 초기 연구는 다양한 방법｛Mechanical Break Junction(C. Zhou et al. Appl. Phys. Lett. 67, 1160 (1995)), Electromigration (H. Park et al. Appl. Phys. Lett. 75, 301 (1999)), Electrodeposition (C. Z. Li et al. Appl. Phys. Lett. 77, 3995 (2000))｝으로 나노 갭 소자 제작 방법에 관한 연구가 주류를 이루고 있었지만 최근 연구동향은 대량생산이 가능하고 재현성이 높은 나노 갭 소자 제작{Chemical Deposition (C. S. Ah et al. Appl. Phys. Lett. 88, 133116 (2006)), Electromigration (D. E. Jonhstion et al. Nano Lett. 7, 2774 (2007)}에 대한 연구가 더 많은 관심을 가지고 있다.
한편, 최근에 이런 나노 갭 소자 제작의 어려움과 재현성을 극복하기 위해서 마이크로 크기의 갭에 다수의 금속 나노입자를 고정화시켜 나노 갭 소자 특성을 보이는 바이오센서를 개발하였다{H. Shiigi et al. J. Am. Chem. Soc. 127, 3280 (2005)}. 전극과 전극 사이에 다수의 금속 나노입자를 합성한 후 일정한 거리로 고정화 시켜 다수의 나노 갭을 형성하여 전 보다 좋은 감도를 가지는 생체 분자 검출 소자를 제작하였다. 하지만 이런 방법도 균일한 나노입자를 합성하여야 하는 점과 전극과 전극 사이에 나노입자의 고정화를 위해서 사용되는 자기 조립 분자층 때문에 소자 표면이 깨끗하지 못한 점이 있다.
본 발명의 목적은 나노 갭 소자의 제작의 어려움과 재현성을 극복하기 위한 것으로 리소그라피 기술로 형성된 전극과 전극 사이의 이격 거리가 큰 소자를 열처리 공정을 이용하여 두 전극 사이의 다수의 금속 나노 점(nano dot)이 형성된 갭 소자를 제공하는 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이며 과장되어 도시될 수 있다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 기판상에 소정거리로 이격되어 배치된 두 전극 사이에 노출된 기판 상부에 형성된 금속박막을 열처리하여 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 물리적으로 서로 분리되어 형성된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)을 포함하는 갭 소자를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 갭 소자는 기판상에 소정의 거리로 이격되어 배치된 두 전극 및 상기 전극 상이에 노출된 기판에 금속박막을 형성하고, 상기 형성된 금속박막을 열처리하여 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 물리적으로 서로 분리된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)이 특징이다.
상기 금속 나노 점(nano dot)은 상기 기판과 상기 금속박막의 표면 에너지차로부터 형성되며, 상기 열처리에 의해 상기 전극과 상기 금속 나노 점간 또는 상기 나노 점간 나노 갭이 특징이다.
본 발명에 따른 갭 소자는 a) 기판상에 소정거리로 이격되어 배치된 두 전극 및 상기 전극 사이에 노출된 기판 상부에 금속박막을 형성하는 단계; 및
b) 상기 형성된 금속박막을 열처리하여 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 물리적으로 서로 분리된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)을 형성하는 단계;를 포함하는 갭 소자의 제조방법에 따라 제조된다.
상기 갭 소자의 제조방법은 상기 기판상에 소정의 거리로 이격되어 배치된 전극은 전자빔 리소그라피, 광 리소그라피, X-ray 리소그라피 및 인쇄법으로부터 선택되는 통상의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 상기 전극 및 상기 금속박막은 서로 독립적으로 각각 Au, Ag, Al, Cu, Pd 및 Pt으로 구성되는 그룹으로부터 선택되며 상기 금속박막은 상기 전극을 구성하는 물질과 동일한 것일 수 있다.
상기 기판은 상기 금속과 금속박막을 구성하고 있는 물질과는 상용성이 없는 것으로 금속 전극보다 녹는점이 높고 표면 에너지는 낮으면서 절연효과가 있는 것을 선택하고 실리콘, 게르마늄 및 실리콘게르마늄에서 선택된 4족 단결정 기판; 갈륨비소, 인듐인 및 갈륨인에서 선택된 3-5족 단결정 기판; 2-6족 단결정 기판; 4-6 족 단결정 기판; 유리판; 산화막이 형성된 반도체 단결정 기판, 질화막이 형성된 반도체 단결정 기판 또는 이들의 적층 기판으로 예시 될 수 있다.
상기 a) 단계는 상기 기판과 금속박막의 접착성을 향상을 위하여 금속박막 형성 전, 적어도 전극 사이에 노출된 기판 상부에 Ti, Ni, Cr에서 선택되는 1종 이상의 금속 흡착층(adhesive layer)을 더 형성할 수 있으며, 이는 갭 소자의 내구성을 향상시키기 위한 장점이 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 a) 단계의 금속박막의 두께는 박막의 열처리시 기판과 상기 금속박막의 표면 에너지차로 물리적으로 서로 분리된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)으로 재구성될 수 있어야 하므로, 그 두께를 제어할 필요가 있으며, 그 두께는 하기 식 1을 만족하는 것이 특징이 있다.
[식 1]
1 nm < Lf < 0.5 x Lg (Lf는 금속박막의 두께 및 Lg는 상기 두 전극이 이격된 거리이다.)
상기 박막의 두께가 1 nm 보다 얇은 경우, 실질적으로 수행 가능한 열 활성화정도에서 표면 에너지 최소화 구동력이 너무 작아 표면을 구성하는 결정면 및 그 형상이 제어된 금속 나노 점(nano dot)을 얻기 어려움을 발견하였으며, 더 나아가 금속 나노 점(nano dot) 자체가 잘 형성되지 않음을 발견하였다. 또한, 금속박막의 두께가 상기 두 전극이 이격된 거리의 0.5배 보다 두꺼운 경우, 표면 에너지 최소화 구동력은 제공되나, 박막에서 표면을 이루는 원자의 비율이 줄어들어 더 이상 표면 에너지 차이에 의한 계면 장력이 존재하지 않아 형상이 제어된 금속 나노 점을 얻기가 힘들다.
상기 a) 단계 후 상기 형성된 금속박막을 열처리하여 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 물리적으로 서로 분리된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)을 형성하는 단계로 상기 열처리는 열처리 온도로 하기 식 2를 만족하는 것이 특징이 있다.
[식 2]
0.4 x Tm ≤ Ta ≤ 0.8 x Tm (Ta는 열처리 온도 및 Tm은 상기 금속박막을 구성하는 금속 물질의 melting point(℃)이다.)
상기 열처리 온도는 상기 금속박막을 구성하는 금속 물질의 Tm을 기준으로 충분한 열에너지를 제공하고, 기판과 금속박막 사이에서 형성되는 표면에너지가 제어되는 온도 범위이며, 기판 표면에 물리적으로 서로 분리된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)을 얻기 위한 온도 범위이다.
본 발명에 따른 금속 나노 점(nano dot)의 제조방법을 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 표면에너지에 영향을 주는 것은 기판과 금속박막의 종류, 금속박막의 두께에 따라 형성되는 나노 점의 크기, 모양 및 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 붙는 나노입자의 분포가 달라지며 이로 인하여 갭 소자의 특성을 조절 할 수 있다.
상기 열처리에 의해 상기 전극과 상기 금속 나노 점간 또는 상기 금속 나노 점간 물리적으로 서로 분리된 하나 이상의 금속 나노 점(nano dot)을 형성하며, 상 기 금속 나노 점의 크기는 기판상에 소정의 거리로 이격되어 배치된 두 전극사이의 갭보다는 작아야 하며, 또한 상기 전극과 상기 금속 나노 점(nano dot)간 또는 상기 금속 나노 점(nano dot)간에 나노 갭이 형성되어 전극이 연결이 이루어지지 않는 것을 특징으로 한다. 상기 나노 갭의 거리는 1 nm 내지 100 nm인 것이 바람직하다.
상기 열처리 방법은 빛, 전기, 화학적으로 온도 및 분위기 조절이 가능한 통상적 방법을 사용하며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 열처리의 시간은 기판상에 소정의 거리로 이격되어 배치된 두 전극이 손상되지 않으며, 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 원하는 크기의 금속 나노 점(nano dot)을 형성하도록 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 갭 소자는 갭 소자를 이용하여 우수한 성능을 필요한 바이오센서와 메모리 소자를 용이하게 제작할 수 있으며, 특히 생체 분자 검출 소자에 있어서는 생체 분자의 검출 감도를 고효율로 하면서도 통계적인 측정방법에 용이하게 적용할 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명에 따른 갭 소자의 제조방법을 설명하나 제시되는 실시예가 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
습식 산화방식으로 SiO2 산화막(200nm)이 형성된 실리콘 단결정 기판에 광 리소그라피 방법을 이용하여 대면적의 패드를 형성한 후 전자빔(e-beam) 리소그라피 방법을 이용하여 100 ㎚ 간격을 갖는 대면적의 다중 선형 전극을 제조한 후. 전자빔증착법으로 소자 전 표면에 5 nm 두께의 Au 박막을 형성하고 만들어진 소자를 전기로에 넣고 진공 속에서 300℃에서 30분 동안 가열하면 전극과 전극 사이에 Au 나노 점들이 형성된 소자를 제조하였다.
도 2에서 본 발명에 따른 갭 전극의 FE-SEM 사진으로 상기 열처리 방법에 의해서 상기 전극과 상기 금속 나노 점간 또는 상기 금속 나노 점간 물리적으로 서로 분리된 다수의 금 나노 점(nano dot)이 형성되는 것을 확인하였다.
도 4는 금속박막의 두께에 따라 다양하게 형성된 금속 나노 점을 가지는 갭 소자의 FE-SEM 사진이다. 상단의 사진은 패턴이 이루어진 금속 전극위에 금속 흡착층으로 1 nm 두께의 Ti 박막을 올린 다음 10 nm 두께의 Au 박막을 형성한 후 열처리를 통해서 얻어진 소자의 모습이고 하단의 사진은 Au 박막의 두께를 5 nm로 바꾸어 같은 방식으로 제작된 소자의 모습이다. 두께에 따라서 생성된 금속 점의 모양이 변화하며 그에 따라서 소자의 특성이 변화하는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 박막의 물질이나 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수 정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 갭 소자를 모식화한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 갭 소자의 FE-SEM 사진 및 이의 제조공정을 모식화한 것이며,
도 3은 본 발명에 따른 갭 소자의 특성이 금속 나노 점(nano dot)의 종류, 크기, 모양 및 표면에 붙은 밀도에 따라 달라짐을 보여주는 개념도이며,
도 4는 금속박막의 두께에 따라 다양하게 형성된 금속 나노 점(nano dot)을 가지는 갭 소자의 FE-SEM 사진이다.
Claims (10)
- 기판상에 소정거리로 이격되어 배치된 두 전극 사이에 노출된 기판 상부에 형성된 금속박막을 열처리하여 상기 전극 사이에 노출된 기판 표면에 물리적으로 서로 분리되어 형성된 하나 또는 둘 이상의 금속 나노 점(nano dot)을 포함하는 갭 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 열처리에 의해 상기 전극과 상기 금속 나노 점(nano dot)간 또는 상기 나노 점(nano dot)간 나노 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 갭 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 나노 갭의 거리는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 갭 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 기판은 실리콘, 게르마늄 및 실리콘게르마늄에서 선택된 4족 단결정 기판; 갈륨비소, 인듐인 및 갈륨인에서 선택된 3-5족 단결정 기판; 2-6족 단결정 기판; 4-6족 단결정 기판; 유리판; 산화막이 형성된 반도체 단결정 기판, 질화막이 형성된 반도체 단결정 기판 또는 이들의 적층 기판인 것을 특징으로 하는 갭 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 전극 및 금속박막은 서로 독립적으로 각각 Au, Ag, Al, Cu, Pd 및 Pt으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 갭 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 금속박막은 상기 전극을 구성하는 물질과 동일한 것을 특징으로 하는 갭 소자.
- 제 6항에 있어서,상기 금속박막의 두께는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 갭 소자.[식 1]1 nm < Lf < 0.5 x Lg (Lf는 금속박막의 두께 및 Lg는 상기 두 전극이 이격된 거리이다.)
- 제 1항에 있어서,상기 갭 소자는 금속박막 형성 전, 적어도 전극 사이에 노출된 기판 상부에 Ti, Ni, Cr에서 선택되는 1종 이상의 금속 흡착층(adhesive layer)을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 갭 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 열처리 온도는 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 갭 소자.[식 2]0.4 x Tm ≤ Ta ≤ 0.8 x Tm (Ta는 열처리 온도 및 Tm은 상기 금속박막을 구성하는 금속 물질의 melting point(℃)이다.)
- 제 1항에 있어서,상기 전극은 전자빔 리소그라피, 광 리소그라피, X-ray 리소그라피 및 인쇄법으로부터 선택되는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 갭 소자.
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