KR101102098B1 - 가지형 나노 와이어의 제조방법 - Google Patents
가지형 나노 와이어의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101102098B1 KR101102098B1 KR1020050106048A KR20050106048A KR101102098B1 KR 101102098 B1 KR101102098 B1 KR 101102098B1 KR 1020050106048 A KR1020050106048 A KR 1020050106048A KR 20050106048 A KR20050106048 A KR 20050106048A KR 101102098 B1 KR101102098 B1 KR 101102098B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- nanowire
- solid
- substrate
- nanowires
- metal
- Prior art date
Links
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 title claims abstract description 103
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 70
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 49
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 33
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 28
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 17
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 5
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 abstract description 7
- 230000005669 field effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 4
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 4
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 3
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N palladium Substances [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011005 laboratory method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02587—Structure
- H01L21/0259—Microstructure
- H01L21/02603—Nanowires
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0657—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body
- H01L29/0665—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body the shape of the body defining a nanostructure
- H01L29/0669—Nanowires or nanotubes
Abstract
본 발명은 SLS(solid-liquid-solid)법에 의해 금속 나노닷을 포함하는 제1 나노 와이어를 제조하고, 이를 에칭하여 금속 나노닷을 노출시킨 다음, 반응로에 넣고 가열하여 제2 나노 와이어를 형성하는 것을 특징으로 하는 가지형 나노 와이어(branched nanowire)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 균일한 간격으로 밀도 있게 가지가 형성된 나노 와이어를 간단한 공정으로 제조할 수 있기 때문에, FET(Field Effect Transistor)와 같은 전자 소자, 센서, 광검출소자(photodetector), 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 등의 다양한 분야에 효과적으로 적용할 수 있다.
가지형 나노 와이어, 금속 나노닷, SLS(solid-liquid-solid), VLS(vapor-liquid-solid)
Description
도 1은 종래 기술에 의한 가지형 나노 와이어의 제작 공정을 나타내는 공정 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가지형 나노 와이어의 제작 공정을 나타내는 공정 개략도이다.
도 3은 VLS(vapor-liquid-solid)법에 의한 나노 와이어의 제작 공정을 나타내는 공정 개략도이다.
도 4는 SLS(solid-liquid-solid)법에 의한 나노 와이어의 제작 공정을 나타내는 공정 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 제1 나노 와이어의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 의한 제1 나노 와이어의 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 데이타이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 의한 가지형 나노 와이어의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
본 발명은 가지형 나노 와이어(branched nanowire)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SLS(solid-liquid-solid)법으로 금속 나노닷을 포함하는 제1 나노 와이어를 제조하고, 이를 에칭하여 금속 나노닷을 노출시킨 다음, 반응로에 넣고 가열하여 제2 나노 와이어를 형성하는 것을 특징으로 가지형 나노 와이어의 제조방법에 관한 것이다.
나노 와이어는, 직경이 나노미터(1nm = 10-9m) 영역을 가지고 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터(1㎛ = 10-6m) 또는 더 큰 밀리미터(1mm = 10-3m) 단위를 갖는 선형 재료이다. 이러한 나노 와이어의 물성은 나노 와이어가 갖는 직경과 길이에 의존한다.
현재 나노 입자(nano particle)의 제조방법과 이의 물성에 대한 연구는 상당히 활성화되어 있는 것에 비해, 나노 와이어에 대한 보편적인 제조방법은 미비한 실정이다. 기존의 대표적인 방법으로는, 예를 들면, 템플릿(template)을 이용하는 방법, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD) 및 레이저 어블레이션법(Laser Ablation) 등이 있다.
템플릿(template)을 이용하는 방법은 수 나노미터에서 수백 나노미터 단위의 공극을 만들고, 이 공극을 나노 와이어의 틀로 이용하는 것이다. 예컨대, 알루미늄 전극을 산화시켜 표면을 알루미늄 산화물로 만들고, 이 산화물에 전기화학적 에칭으로 다공성 나노 공극들을 만든다. 이것을 금속 이온이 들어 있는 용액에 담그고, 전기를 인가(印加)하면, 금속 이온들이 공극을 통해 알루미늄 전극 위에 쌓이게 되고, 결국 공극들은 금속 이온으로 채워진다. 그 후, 적당한 방법으로 알루미늄 산화물을 제거하면 금속 나노 와이어만 남게 된다.
그러나, 위의 방법은 실험실적인 방법으로, 공정이 너무 복잡하고 시간이 오래 걸려서 대량 생산에 적합하지 않다는 문제점이 있다. 또한, 나노 와이어의 직경과 길이가 공극의 크기 및 깊이에 의존하며, 현재의 기술로서는 수 나노미터 단위의 크기와 수백 마이크로미터에서 수 밀리미터 깊이를 갖는 공극을 만들기는 거의 불가능하기 때문에, 수 나노미터의 직경을 가지며 길이가 긴 나노 와이어를 만드는 것은 매우 곤란하다는 단점이 있다.
화학 기상 증착법(CVD)은, 원하는 물질을 포함하고 있는 기체 상태의 원료 가스가 반응기 안으로 주입되면 열이나 플라즈마 등으로부터 에너지를 받게 되어 분해되는데, 이때 원하는 물질이 기판 위에 도달하여 나노 단위의 튜브 또는 와이어를 형성하게 하는 방법이다. 화학 기상 증착법은 반응실의 압력에 따라 LPCVD(저압 화학 기상 증착), APCVD(상압 화학 기상 증착), HPCVD(고압 화학 기상 증착)으로 나누어지며, 플라즈마를 이용하여 비교적 저온에서도 나노튜브 등을 형성시킬 수 있도록 하는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등도 있다.
위의 화학 기상 증착법을 개략적으로 설명하면, 탄소 나노튜브의 경우, 예컨대 메탄 등의 탄화수소 가스를 원료 가스로 하고, 유리 기판 위에 전이금속인 니켈, 코발트, 철 등을 나노 단위의 입자 상태로 분산시킨 다음, 나노튜브 또는 나노 와이어를 형성시킨다. 따라서, 탄소 나노튜브의 성장 이전에 전이금속 박막을 형성하는 공정이 별도로 필요하다. 사용되는 전이금속은 두 가지 역할을 하는데, 첫째, 원료 가스를 분해시키는 촉매 역할을 하며, 둘째, 나노튜브 또는 나노 와이어 생성용 모핵으로서 역할을 한다. 실제로, 나노물질 합성에서는 웨이퍼 위에 나노물질이 합성되어 성장하게 된다.
레이저 어블레이션(laser ablation)법은 단층 탄소 나노튜브와 반도체 나노 와이어를 합성하기 위한 방법으로, 다른 방법에 비하여 상당히 높은 순도의 나노 물질을 얻을 수 있으며, 정제가 용이하다는 장점이 있다. 당해 방법에 의하면, 우선 석영관 안쪽에 전이금속과 나노물질을 합성시키기 위한 기본 벌크 물질을 일정비율로 섞어 만든 시편을 장착하고, 외부에서 레이저를 이용하여 시편을 기화시켜 나노튜브 또는 나노 와이어를 합성한다. 버퍼 기체로는 보통 아르곤을 사용하게 되는데, 합성된 나노튜브 또는 나노 와이어는 버퍼 기체와 함께 이동하여 냉각된 수집기에 붙게 되거나 수집기 근처에 붙게 된다.
한편, 상기와 같은 종래기술에 의해 제조된 나노 와이어는 작은 크기로 인하여 미세 소자에 다양하게 응용될 수 있으며, 특정 방향에 따른 전자의 이동 특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있다.
기존의 단일 나노 와이어가 FET(Field Effect Transistor) 등의 전자 소자나 센서, 광검출소자(photodetector) 등에 응용이 가능하지만, 특히 균일한 간격으로 밀도 있게 가지가 형성된 나노 와이어를 제조하게 되면, 다중 접촉점에 의한 소자 디자인의 다양성, 복잡한 구조로 새로운 기능이 부가된 소자의 구현이 가능하다.
이와 관련하여 가지형 나노 와이어를 제조하는 방법으로서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, VLS(vapor-liquid-solid) 방식으로 제1 나노 와이어를 성장시키고, 제1 나노 와이어 표면에 금속 촉매를 증착한 다음, 금속 촉매로부터 제2 나노 와이어를 성장시키는 기술이 공지되어 있다[참고: Nanoletter, 4, 5, p871, 2004, D. Wang, C. M. Lieber].
그러나, 이러한 종래 기술로는 금속 촉매의 나노 와이어에 대한 부착성이 떨어져서 가지(branch)의 밀도가 낮고, 금속 촉매가 나노 와이어의 표면에 붙는 위치가 랜덤(random)하여 규칙성이 떨어지며, 공정이 복잡하다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 간단한 공정으로 규칙적인 간격으로 밀도 있게 가지(branch)를 형성할 수 있는 나노 와이어의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명에 의하면 상술한 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양상은
(a) SLS(solid-liquid-solid)법을 이용하여 나노 와이어 내부에 금속 나노닷 들을 포함하는 제1 나노 와이어를 제조하는 단계,
(b) 금속 나노닷들이 노출되도록 에칭하는 단계 및
(c) 반응로에 넣고 가열하여 제2 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함하는 가지형 나노 와이어의 제조방법에 관련된다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가지형 나노 와이어의 제조공정을 나타내는 공정 개략도이다. 도 2를 참고하면, SLS(solid-liquid-solid)법을 이용하여 실리콘 와이어 중앙에 금(Au) 나노닷이 정렬된 제1 나노 와이어를 제조하고(a 단계), 금(Au) 나노닷들이 노출되도록 에칭하며(b 단계), 이를 반응로에 넣고 가열하여 제2 나노 와이어를 형성한다(c 단계). 이하에서 각 단계별로 상세하게 설명한다.
일반적으로, 실리콘 나노 와이어를 성장시키는 방법으로는 VLS(vapor-liquid-solid)법 및 SLS(solid-liquid-solid)법을 예로 들 수 있다. 이 중에서 본 발명은 SLS(solid-liquid-solid)법을 사용하여 제1 나노 와이어를 제조하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, VLS(vapor-liquid-solid)법은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 고온의 반응로(furnace) 내부에서 운송되는 증기상 실리콘 함유종이 금, 코발트, 니켈 등의 용융 촉매의 표면에서 응축되어 결정화함으로써 실리콘 나노 와이어로 성장하는 방법이다.
이에 반하여, SLS(solid-liquid-solid)법은, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 별도의 증기상 실리콘을 공급하지 않고 고체 기판(예를 들면, 실리콘 기판)으로부터 확산된 실리콘이 용융 촉매의 표면에서 응축되어 결정화함으로써 나노 와이어로 성장하는 방법이다.
본 발명은 특징적으로 SLS(solid-liquid-solid)법을 사용함으로써 금속 나노닷들이 중앙에 일렬로 균일하게 정렬된 구조를 갖는 제1 나노 와이어를 제조할 수 있다(a 단계).
보다 구체적으로, (a) 단계는 기판 위에 금속 촉매를 코팅하는 제1 단계, 코팅된 기판을 반응로에 넣고 기체를 주입하면서 기판 위의 금속이 나노 와이어 성장시 내부로 포함될 수 있도록 힘을 가하며 가열하는 제2 단계 및 기판으로부터 확산된 와이어 소스로 나노 와이어를 형성시키는 제3 단계를 포함한다. 이하에서 각 단계별로 구체적으로 설명하기로 한다.
기판 위에 금속 촉매를 코팅하는 제1 단계
본 발명의 나노 와이어의 제조방법은 먼저 기판 위에 금속 촉매, 예를 들면, Au 금속 촉매를 기판에 코팅함으로써 수행된다. 이때, 불순물을 제거하기 위해, 통상적인 방법에 따라 기판을 미리 세척할 수 있다.
본 발명은 SLS(solid-liquid-solid)법을 이용하므로, 별도로 나노 와이어의 소스(source)를 제공하지 않으며, 고체 상태의 기판 자체가 나노 와이어의 소스로서 작용한다.
따라서, 나노 와이어의 소스로서 작용할 수 있는 기판이면 모두 사용할 수 있으며, 구체적으로는 실리콘 기판 이외에도 유리, 플라스틱 위에 실리콘을 코팅한 기판을 사용할 수 있다.
또한, 실리콘 기판 위에 코팅되는 금속 촉매는 와이어를 성장시킬 수 있는 금속 촉매이면 모두 사용할 수 있다. 구체적으로 Au, Ni, Fe, Ag, Pd, Pd/Ni을 예로 들 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 금속 촉매는 나노 입자, 또는 박막 형태로 기판에 코팅될 수 있으며, 기판 위에 코팅되는 금속 촉매 코팅층의 두께는 50nm 이하가 바람직하다.
금속 촉매를 기판에 코팅하는 방법으로는 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 코팅법, 예를 들면, 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링법(sputtering), e-빔 증착법(e-beam evaporation), 진공 증착법, 스핀 코팅법(spin coating), 딥핑법(dipping)으로 수행될 수 있다.
본 발명의 나노 와이어의 직경은 금속 촉매의 직경에 따라 달라지므로, 금속 촉매의 직경을 조절함으로써 제어할 수 있다.
코팅된 기판을 반응로에 넣고 기체를 주입하면서 기판 위의 금속이 나노 와이어 성장시 내부로 포함될 수 있도록 힘을 가하면서 가열하는 제2 단계
기판에 금속 촉매가 코팅되면 이를 반응로에 넣고, 예를 들면, 질소나 아르곤, 수소와 같은 기체를 주입하면서 약 1000℃로 수분 내지 수시간 동안 가열한다.
이때, 나노 와이어가 성장될 면을 아래 방향으로 향하게 함으로써 중력이 가해지도록 하는데, 이외에도 예를 들어 전기장(electric field)을 가하거나, 기계적 힘(mechanical force)을 가하여 나노닷의 간격을 제어함으로써 다양한 물성을 갖는 와이어를 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서 사용하는 분위기 기체는 Ar, N2, He, H2을 예로 들 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에서 사용하는 분위기 기체는 구체적으로 100sccm 정도로 주입할 수 있으나, 공정에 따라 변경될 수 있다.
가열 공정은 760torr 이하의 압력에서 수행하는 것이 바람직하며, 가열 온도는 800 내지 1200℃, 가열 시간은 수분 내지 수시간으로 하여 수행하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 공정 압력, 가열 온도, 가열 시간도 공정에 따라 변경될 수 있다.
기판으로부터 확산된 와이어 소스로 나노 와이어를 형성시키는 제3 단계
종래 사용되어온 VLS(vapor-liquid-solid)법은 기상(vapor phase)의 별도 와이어 소스를 공급하지만, 본 발명에서는 SLS(solid-liquid-solid)법을 이용하므로, 기판으로부터 확산된 와이어 소스로 와이어를 성장시킨다.
이때, 금속 나노닷은 나노 와이어가 성장할 때 함께 닷의 형태로 나노 와이어 내부에 존재하게 되므로, 나노 닷의 갯수는 초기의 실리콘 기판 위에 코팅된 금속 촉매의 양에 의존한다.
나노 와이어의 성장 길이는 가열 온도와 가열 시간을 조절함으로써 제어할 수 있으며, 자연 냉각 또는 질소 등의 기체를 수 리터씩 흘리면서 냉각시켜 700℃ 정도로 온도를 하강시킴으로써 나노 와이어의 성장을 종료시킬 수 있다.
한편, 이와 같이 SLS(solid-liquid-solid)법에 의해 제1 나노 와이어의 성장이 완료되면, 제2 나노 와이어의 성장에 필요한 금속 촉매를 제공하기 위해 에칭 공정을 진행한다(b 단계).
즉, 본 발명에서는 별도의 금속 촉매를 증착하지 않고, 제1 나노 와이어 내부에 포함된 금속 나노닷을 금속 촉매로서 이용하기 때문에, 금속 촉매의 나노 와이어에 대한 부착성 불량의 문제를 해결하여 보다 안정적으로 와이어를 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 에칭 공정은 통상적인 방법에 따라 수행될 수 있으며, 구체적으로 아세톤, 이소프로필 알콜, HF, HNO3, H3PO4, H2O2, KOH 등의 에칭액을 사용하는 습식 에칭, 또는 SF6, HF, CF4, SiH4, O2 등의 에칭 가스를 사용하는 건식 에칭법이 모두 사용될 수 있다.
이어서, 금속 나노닷이 노출된 제1 나노 와이어를 반응로에 넣고 가열하여 제2 나노 와이어를 성장시킨다(c 단계).
본 발명의 제2 나노 와이어는 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로 VLS(vapor-liquid-solid), SLS(solid-liquid-solid), CVD(Chemical Vapor Deposition) 등에 의해 형성될 수 있다.
이때, VLS법으로 제2 나노 와이어를 제조하는 경우, 제1 나노 와이어와 동종(homo)인 물질로 성장시킬 수 있지만, 이종(hetero) 물질로 형성함으로써 보다 다양한 물성을 갖도록 조절할 수 있다.
이종 물질은, 예를 들면, 제1 나노 와이어가 실리콘인 경우, III-V족 화합물, 예를 들면, 갈륨 아세나이드(GaAs), 갈륨 나이트라이드(GaN)), 탄소 나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO) 및 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 형성시킬 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 아래의 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1: 금속 나노닷을 포함하는 제1 나노 와이어의 제조
P 도핑된 실리콘 기판을 유기 세정과 불화수소산을 이용하여 자연 산화막을 제거한 후, 촉매로 금 나노 입자(Au nano particle)[닛폰페인트가부시키가이샤(Nippon Paint Co., Ltd.) 제품]를 30nm 두께로 스핀 코팅하였다. 이어서, 나노 와이어 성장을 위해 반응로에 기판을 넣고, 나노 와이어가 성장될 면을 아래 방향을 향하도록 하였다. 분당 10 내지 15℃로 가열하고 기체로서 Ar을 100sccm 정도로 주입하면서 공정 압력을 500torr로 일정하게 하였다. 공정 온도인 1000℃에 도달하면 30분 동안 유지시켜 나노 와이어와 금속 나노닷이 성장되도록 하였다. 이어서, 700℃ 정도로 천천히 자연 냉각시켜 나노 와이어의 성장을 종료시켰다.
이어서, 수득한 나노 와이어의 투과전자현미경(TEM) 사진과 에너지분산분광(Energy Dispersive Spectroscopy: EDS) 분석 데이터를 각각 에프이아이 캄파니(FEI Company)의 투과전자현미경[모델명: Tecnai G2]을 사용하여 측정했다. 결과는 도 5 및 도 6에 도시하였다.
도 5를 참고하면, 실리콘 혹은 실리카 나노 와이어 내부에 금속 나노닷이 정렬된 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참고하면, 금속 나노닷의 성분이 금(gold)임을 확인할 수 있다.
실시예
2:
가지형
나노
와이어의
제조
위의 실시예 1에서 수득한 금속 나노닷이 포함된 나노 와이어를 불화수소산 용액을 이용하여 금속 나노닷 외곽 표면부의 산화막을 제거하였다. 그리고 기존의 VLS법을 이용하여 표면으로 드러난 금속 나노닷을 촉매로 하여 가지형 나노 와이어를 제조하였다. 이때, 공정 온도는 약 400℃로 하고 SiH4 및 Ar 기체를 주입하며 약 1시간 동안 성장시켜 가지형 나노 와이어를 수득하였다.
이어서, 수득한 나노 와이어를, 주사전자현미경(SEM)[히타치세이사쿠쇼(Hitachi, Ltd.) 제품, 모델명: S4500]을 사용하여 측정했다. 결과는 도 7에 도시하였다.
도 7을 참고하면, 금속 나노닷에서 성장된 가지형 나노 와이어를 확인할 수 있다.
이상에서 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
본 발명에 의하면, 간단한 공정에 의해 균일한 간격으로 밀도 있게 가지가 형성된 나노 와이어를 제조할 수 있기 때문에 FET(Field Effect Transistor)와 같은 전자 소자, 센서, 광검출소자(photodetector), 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 등 다양한 분야에 효과적으로 적용할 수 있다.
구체적으로, 전자의 이동 특성을 이용하면 멀티 SET(Single Electron Transistor: 단전자 트랜지스터)와 같은 나노 전자 소자로 응용할 수 있으며, 광학 특성을 개발하면 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton) 특성을 이용한 광파 전송로 또는 나노 분석기, 암 진단 등에 사용되는 극미세 신호 감지 센서로 응용될 수 있다.
Claims (13)
- (a) SLS(solid-liquid-solid)법을 이용하여 나노 와이어 내부에 금속 나노닷 들을 포함하는 제1 나노 와이어를 제조하는 단계,(b) 금속 나노닷들이 노출되도록 에칭하는 단계 및(c) 반응로에 넣고 가열하여 제2 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계가기판 위에 금속 촉매를 코팅하는 제1 단계,코팅된 기판을 반응로에 넣고 기체를 주입하면서 나노 와이어가 성장될 면을 아래 방향으로 향하게 하여 가열하는 제2 단계 및기판으로부터 확산된 와이어 소스로 나노 와이어를 형성시키는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 단계의 기판이 실리콘 기판, 또는 유리, 플라스틱 위에 실리콘을 코팅한 기판임을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 단계의 금속 촉매가 Au, Ni, Fe, Ag, Pd 및 Pd/Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 단계의 금속 촉매가 나노입자 또는 박막 형태로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 단계의 코팅 공정이 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링법, e-빔 증착법, 진공증착법, 스핀 코팅법 또는 딥핑법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 단계의 코팅층의 두께가 50nm 이하임을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 단계의 기체가 Ar, N2, He 및 H2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 단계의 가열 공정이 760torr 이하의 압력 및 800 내지 1200℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 단계에서 가해지는 힘이 중력, 전기장 또는 기계적 힘인 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 에칭 공정이 아세톤, 이소프로필 알콜, HF, HNO3, H3PO4, H2O2 및 KOH로 이루어진 그룹으로부터 선택된 에칭액을 사용하는 습식 에칭법, 또는 SF6, HF, CF4, SiH4 및 O2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 에칭 가스를 사용하는 건식 에칭법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 제2 나노 와이어가 제1 나노 와이어와 동종(homo) 또는 이종(hetero)인 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 나노 와이어가 실리콘으로 형성되고, 제2 나노 와이어가 III-V족 화합물, 탄소 나노튜브, 산화아연 및 실리콘 카바이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 이종(異種) 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 가지형 나노 와이어의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050106048A KR101102098B1 (ko) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | 가지형 나노 와이어의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050106048A KR101102098B1 (ko) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | 가지형 나노 와이어의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070048943A KR20070048943A (ko) | 2007-05-10 |
| KR101102098B1 true KR101102098B1 (ko) | 2012-01-02 |
Family
ID=38273141
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050106048A KR101102098B1 (ko) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | 가지형 나노 와이어의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101102098B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103531441A (zh) * | 2013-10-23 | 2014-01-22 | 中国科学院半导体研究所 | 基于分叉纳米线的多端量子调控器件的制备方法 |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100853200B1 (ko) * | 2007-04-11 | 2008-08-20 | 한국전자통신연구원 | 다중 구조의 나노와이어 및 그 제조방법 |
| KR101475524B1 (ko) | 2008-08-05 | 2014-12-23 | 삼성전자주식회사 | 실리콘 풍부산화물을 포함하는 나노와이어 및 그의제조방법 |
| KR101552721B1 (ko) | 2008-10-07 | 2015-09-14 | 삼성전자주식회사 | 가지형 나노와이어 및 그의 제조방법 |
| KR101706353B1 (ko) | 2010-04-02 | 2017-02-14 | 삼성전자주식회사 | 고밀도 금속 나노클러스터 함유 실리콘 나노와이어 및 그의 제조방법 |
| US8698122B2 (en) | 2010-04-02 | 2014-04-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Silicon nanowire comprising high density metal nanoclusters and method of preparing the same |
| CN103030100B (zh) * | 2013-01-09 | 2015-10-21 | 华北电力大学 | 一种具有减反射特性的亚波长硅纳米线阵列的制备方法 |
| KR101600362B1 (ko) | 2014-01-29 | 2016-03-15 | 울산과학기술원 | 이종 접합 가지형 나노와이어를 구비한 발광다이오드 |
| KR101682164B1 (ko) * | 2014-12-30 | 2016-12-02 | 광운대학교 산학협력단 | 실리콘 나노 와이어 형성 방법 |
| KR102355044B1 (ko) * | 2021-10-12 | 2022-01-24 | 한국세라믹기술원 | Co2 자원화를 위한 광대역 흡수 및 고비표면적 광전극 구조물 및 그 제조 방법 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030096187A (ko) * | 2003-11-28 | 2003-12-24 | 성윤모 | 나노와이어가 결정성장된 반도체기판 및 나노와이어의결정성장공정 |
| KR20040011181A (ko) * | 2002-07-29 | 2004-02-05 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 탄소나노튜브, 그 제조방법 및 이를 채용한연료전지 |
| KR20050080341A (ko) * | 2004-02-09 | 2005-08-12 | (주)케이에이치 케미컬 | Ｙ-분지형 탄소나노튜브의 제조 |
-
2005
- 2005-11-07 KR KR1020050106048A patent/KR101102098B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040011181A (ko) * | 2002-07-29 | 2004-02-05 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 탄소나노튜브, 그 제조방법 및 이를 채용한연료전지 |
| KR20030096187A (ko) * | 2003-11-28 | 2003-12-24 | 성윤모 | 나노와이어가 결정성장된 반도체기판 및 나노와이어의결정성장공정 |
| KR20050080341A (ko) * | 2004-02-09 | 2005-08-12 | (주)케이에이치 케미컬 | Ｙ-분지형 탄소나노튜브의 제조 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103531441A (zh) * | 2013-10-23 | 2014-01-22 | 中国科学院半导体研究所 | 基于分叉纳米线的多端量子调控器件的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20070048943A (ko) | 2007-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101102098B1 (ko) | 가지형 나노 와이어의 제조방법 | |
| KR100741243B1 (ko) | 금속 나노닷들을 포함하는 나노 와이어 및 그의 제조방법 | |
| US8207449B2 (en) | Nano-wire electronic device | |
| Ozdemir et al. | Effect of electroless etching parameters on the growth and reflection properties of silicon nanowires | |
| CN101229912B (zh) | 采用干法刻蚀制备氮化镓纳米线阵列的方法 | |
| US20090045720A1 (en) | Method for producing nanowires using porous glass template, and multi-probe, field emission tip and devices employing the nanowires | |
| KR101475524B1 (ko) | 실리콘 풍부산화물을 포함하는 나노와이어 및 그의제조방법 | |
| US8962137B2 (en) | Branched nanowire and method for fabrication of the same | |
| US20110210309A1 (en) | Tubular nanostructures, processes of preparing same and devices made therefrom | |
| Han et al. | Controlled growth of gallium nitride single-crystal nanowires using a chemical vapor deposition method | |
| KR20110111105A (ko) | 고밀도 금속 나노클러스터 함유 실리콘 나노와이어 및 그의 제조방법 | |
| KR101457562B1 (ko) | 실리콘 나노닷 함유 실리카 나노 와이어 및 그의 제조방법 | |
| KR101954381B1 (ko) | SiNW 어레이 상에 수직 정렬된 CNTs의 무촉매 합성방법 | |
| KR101224785B1 (ko) | 다공성 글래스 템플릿을 이용한 나노와이어의 제조방법 및이를 이용한 멀티프로브의 제조방법 | |
| Qi et al. | SiGe nanowire growth and characterization | |
| KR20070104034A (ko) | 전계방출용 팁의 제조방법, 이에 의해 제조된 전계방출용팁 및 이를 포함하는 소자 | |
| KR20120005683A (ko) | 브랜치드 나노와이어의 제조방법 | |
| Wang | Synthesis and properties of germanium nanowires | |
| US8138067B2 (en) | Method and system for the synthesis of semiconductor nanowires | |
| Mohammad et al. | Self-catalytic Growth (SCG) Mechanism | |
| Zou et al. | Assembly-line flash synthesis of ZnO nanobelts on metal Zn | |
| Winter | Improvement and Investigation of Silicon Nanowire" Grow-In-Place" Approach | |
| Labunov et al. | Self-organised hybrid nanostructures composed of the array of vertically aligned carbon nanotubes and planar graphene multi-layer | |
| KR101139914B1 (ko) | Ｎｉ 박막이 증착된 Ｓｉ-과잉산화막을 이용한 실리카 나노선의 제조 방법 | |
| Yu | Wide Band-Gap Semiconductor Nanowires Synthesized by Vapor Phase Growth |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20141119 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20151116 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20161118 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20171120 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20181119 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20191119 Year of fee payment: 9 |