KR101116154B1 - Ｄｌｃ를 이용한 탄소나노튜브 및 그의 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DLC(Diamond-Like Carbon)를 이용한 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 및 그의 성장 방법에 관한 것으로, 촉매금속 없이 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 및 그의 성장 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 성장 방법으로, 프로세스 챔버에 투입된 웨이퍼 위에 DLC 박막을 형성하고, DLC 박막을 분할하여 웨이퍼 위에 복수의 DLC 핵을 형성하고, DLC 핵을 씨(seed)로 탄소나노튜브를 성장시키는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법 및 그 성장 방법으로 성장된 탄소나노튜브를 제공한다. 본 발명에 따르면 촉매금속을 대신하여 DLC 박막을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키기 때문에, 탄소나노튜브 이외에 이물질이 웨이퍼에 잔존하는 것을 최소화할 수 있다. 그리고 종래와 같이 촉매금속 대신에 탄소화화물의 일종인 DLC 박막을 사용하기 때문에, 정제 공정을 개선할 수 있어 탄소나노튜브의 제조 공정 시간과 제조 비용을 줄일 수 있다.
DLC, 탄소나노튜브, 촉매금속, 성장, 합성

Description

ＤＬＣ를 이용한 탄소나노튜브 및 그의 성장 방법{Carbon nano tube using DLC and method for growing thereof}
본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 및 그의 성장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매 금속 대신에 DLC(Diamond-Like Carbon) 박막을 이용하여 성장한 DLC를 이용한 탄소나노튜브 및 그의 성장 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브란 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질로서, 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체이다. 탄소나노튜브는 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질을 의미한다. 이러한 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며, 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 소재로 알려져 있다.
이와 같은 탄소나노튜브는 고도의 성장기술에 의해 제조되며, 성장 방법으로는 전기방전법(Arc-discharge), 레이저증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 기상합성법(Vapor phase growth), 전기분 해방법 및 Flame합성방법 등이 있다.
특히 PECVD으로 탄소나노튜브를 성장시키는 경우, 반응기체로서 C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO 가스를 사용하며, 촉매금속으로 Ni, Pt 등이 사용된다. 플라즈마 방전을 일으키는 전원으로 직류 또는 고주파 전원 중에 하나가 사용된다.
PECVD로 탄소나노튜브를 성장시키는 경우, 웨이퍼 위에 순수하게 탄소나노튜브만 존재하는 것이 아니라, 아모포스(amorphous)나 크리스탈린(crystalline)과 같은 다른 탄소 물질이나, 금속 이물질(metal particle) 같은 촉매금속들이 함께 존재하기 때문에, 정확한 특성 분석 및 응용에 좋지 않은 영향을 준다. 따라서 탄소나노튜브를 성장시킨 이후에 정제 공정을 진행한다.
정제 방법으로 ultrasonically-assisted microfiltration, filtration, chromatography 그리고 초음파 처리를 하여 원심 분리하는 방법들을 이용하거나, 질산 등을 이용한 산화작용을 이용하는 방법을 사용한다. 금속 화합물을 혼합물과 반응시켜 금속 화합물을 흑연(graphite) 안에 끼워 넣고 금속원소로 바꾸기 위해 반응된 혼합물을 감소시키는 과정을 150~600℃에서 H2가스를 이용하여 열처리하고 산화시킴으로써, 흑연은 탄산가스, 금속은 산화금속으로 변환된다. 이것을 염산이나 질산과 같은 용액에 담근 후 6시간 동안 끓여 금속이 용해되도록 한다.
그런데 정제 공정에서 염산이나 질산과 같은 용액으로 금속을 용해하는 과정에서, 탄소나노튜브도 함께 용해되고, 촉매금속에 대한 효율적인 제거가 이루어지지 않는 문제점을 안고 있다.
이와 같이 탄소나노튜브 성장시 촉매금속을 사용하는 경우 정제 공정을 필요로 하기 때문에, 탄소나노튜브의 제조 공정 시간이 길어지고 제조 비용이 상승하는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 촉매금속의 사용으로 인해 후속 공정으로 진행되는 정제 공정으로 인한 탄소나노튜브가 손상되고, 탄소나노튜브의 제조 공정 시간이 길어지고, 제조 비용이 상승하는 문제를 해소할 수 있는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 및 그의 성장 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 촉매금속 없이 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 및 그의 성장 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 성장 방법으로, 프로세스 챔버에 투입된 웨이퍼 위에 DLC 박막을 형성하는 DLC 박막 형성 단계와, 상기 DLC 박막을 분할하여 상기 웨이퍼 위에 복수의 DLC 핵을 형성하는 핵 형성 단계와, 상기 DLC 핵을 씨(seed)로 탄소나노튜브를 성장시키는 성장 단계를 포함하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 DLC 박막 형성 단계는 상기 웨이퍼를 이소프로필알콜 또는 아세톤을 이용하여 초음파 세척한 후 N2가스를 분사하여 건조시키는 세척 단계와, 상기 프로세스 챔버에 일정양의 Ar가스를 주입하여 상기 웨이퍼를 전처리하는 제1 전처리 단계와, 상기 프로세스 챔버에 일정양 의 H2가스와 C2H2가스를 주입하여 상기 웨이퍼 상부면에 DLC 박막을 증착하는 증착 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 제1 전처리 단계는 5.5×10-2 torr 및 70℃에서 30sccm Ar가스를 주입하고 -800V의 바이어스를 인가하여 플라즈마를 형성하여 상기 웨이퍼를 전처리한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 증착 단계는 1.4×10-1 torr 및 70℃에서 H2가스와 C2H2가스를 각각 30sccm 주입하고 -600V 내지 -800V의 바이어스를 인가하여 상기 웨이퍼의 상부면에 DLC 박막을 증착한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 핵 형성 단계는 상기 프로세스 챔버에 일정양의 NH3가스를 주입하여 상기 DLC 박막을 분할하여 애그리게이션(aggregation) 상태의 DLC 핵을 상기 웨이퍼 상부면에 형성하는 제2 전처리 단계와, 상기 프로세스 챔버에 일정양의 H2가스를 주입하여 상기 애그리게이션 상태의 DLC 핵을 어닐링하는 어닐링 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 제2 전처리 단계는 2.0×10-1 torr 및 540℃에서 NH3가스를 70sccm 주입하고 -600V의 바이어스를 인가하여 전처리한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 어닐링 단계는 1.3 torr 및 580℃에서 H2가스를 70sccm 주입하여 어닐링한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 성장 단계는 상기 프로세스 챔버에 일정양의 NH3가스와 C2H2가스를 주입하여 상기 DLC 핵을 토대로 탄소나노튜브를 성장시킨다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 성장 단계는 1.3 torr 및 500 내지 700℃에서 NH3가스 60sccm과 C2H2가스를 40sccm을 주입하고, -500 내지 -700V의 바이어스를 인가하여 상기 DLC 핵을 토대로 탄소나노튜브를 성장시킨다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 성장 방법 있어서, 상기 성장 단계에서 형성된 상기 탄소나노튜브는 다중벽(multiwall)으로 성장된다.
그리고 본 발명은 또한, 전술된 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법으로 성장된 탄소나노튜브를 제공한다.
본 발명에 따르면 촉매금속을 대신하여 DLC 박막을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키기 때문에, 탄소나노튜브 이외에 이물질이 웨이퍼 위에 잔존하는 것을 최소화할 수 있다. 그리고 종래와 같이 촉매금속 대신에 탄소화화물의 일종인 DLC 박막을 사용하기 때문에, 정제 공정을 개선할 수 있어 탄소나노튜브의 제조 공정 시간과 제조 비용을 줄일 수 있다.
그리고 DLC 박막을 기초로 성장된 탄소나노튜브는, 도 10(c) 및 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 안정적 결합 구조를 갖고 있고 표면 상태가 양호한다. 즉 DLC 박막을 기초로 성장된 탄소나노튜브는 촉매금속을 기초로 성장된 탄소나노튜브 못지 않은 우수한 특성을 갖고 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
여기서 DLC(Diamond-Like Carbon)는 탄소화합물의 일종으로, 이름에서와 같이 탄소로 이루어진 물질이며 다이아몬드와 유사한 특성을 갖고 있다. 즉 DLC는 다이아몬드와 같이 강함과 내마모성, 화학적 안전성을 갖고 있는 물질이다. 또한 DLC는 흑연과 같은 부드러움을 가지고 있기 때문에 마찰계수가 상당히 낮다. DLC는 sp1, sp2 및 sp3 결합이 혼합된 비결정형 물질이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법에 따른 흐름도이다. 그리고 도 2는 내지 도 6은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도들이다.
본 발명의 실시예에 따른 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법은, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(41)를 준비하는 단계(S10), 웨이퍼(41) 위에 DLC 박막(43)을 형성하는 단계(S20), DLC 박막(43)을 DLC 핵(45)으로 분할하고, 분할된 DLC 핵(45)을 씨(seed)로 탄소나노튜브(47)를 성장시키는 단계(S30)를 포함하며, 각 단계는 순차적으로 수행된다. 이때 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 성장은 플라즈마 화학기상증착 장치에서 수행된다. 본 실시예에 사용되는 플라즈마 화학기 상증착 장치는 전원으로 직류(DC)를 사용하는 예를 개시하였다.
먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브를 성장시킬 시편인 웨이퍼(41)를 준비한다(S10). 웨이퍼(41)로 p-type의 실리콘 웨이퍼를 사용하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 준비된 웨이퍼(41)를 플라즈마 화학기상증착 장치의 프로세스 챔버로 투입한다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(41) 위에 DLC 박막(43)을 형성하는 단계를 진행한다(S20). DLC 박막 형성 단계(S20)는 초음파 세척 및 건조 단계(S21), Ar 전처리 단계(S23) 및 DLC 박막 증착 단계(S25)를 포함하며, 각 단계는 순차적으로 수행된다.
초음파 세척 및 건조 단계(S21)는 웨이퍼(41)에 잔류하는 이물질을 제거하기 위해 수행되는 단계이다. 즉 초음파 세척 및 건조 단계(S21)에서 웨이퍼(41)를 이소프로필알콜(isopropyl alcohol; IPA) 또는 아세톤(acetone)을 이용하여 약 5분간 초음파 세척한 후, N2가스를 분사하여 건조시킨다.
다음으로 프로세스 챔버에 일정양의 Ar가스를 주입하여 웨이퍼(41)를 전처리하는 Ar 전처리 단계(S23)를 수행한다. 즉 5.5×10-2 torr 및 70℃의 공정 조건에서, 프로세스 챔버에 30sccm Ar가스를 주입하고 -800V의 바이어스를 인가하여 플라즈마를 형성시켜 웨이퍼(41)의 상부면을 전처리한다. Ar 전처리 단계(S23)를 수행하는 이유는 웨이퍼(41) 상부면에 대한 DLC 박막(43)의 표면 접착력을 향상시키기 위해서이다.
그리고 프로세스 챔버에 일정양의 H2가스와 C2H2가스를 주입하여 웨이퍼(41) 상부면에 DLC 박막(43)을 증착한다(S25). 즉 1.4×10-1 torr 및 70℃의 공정 조건에서, 프로세스 챔버에 H2가스와 C2H2가스를 각각 30sccm 주입하고 -600V 내지 -800V의 바이어스를 인가하여 웨이퍼(41)의 상부면에 DLC 박막(43)을 증착할 수 있다.
예컨대 본 실시예에서는 S23단계 및 S25단계를 아래의 표1에 도시된 조건으로 수행하였다. 즉 다수의 웨이퍼(41)를 준비하여 제1 그룹의 웨이퍼는 2분 동안 DLC 박막을 증착하였다. 제2 그룹의 웨이퍼는 4분 동안 DLC 박막을 증착하였다. 제3 그룹의 웨이퍼는 8분 동안 DLC 박막을 증착하였다. 그리고 제4 그룹의 웨이퍼는 16분 동안 DLC 박막을 증착하였다.
Pre-treatment Deposition
Pressure 5.5×10-2 torr 1.4×10-1 torr
Gas Ar : 30 sccm H2 : 30 sccm
C2H2 : 30 sccm
Bias -800 V -600V, -700V, -800 V
Temp. 70℃ 70℃
Time 10min 2min, 4min, 8min, 16min
다음으로 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, DLC 박막(43)을 이용하여 탄소나노튜브(47)를 성장시키는 단계가 수행된다. 탄소나노튜브(47)를 성장시키는 단계(S30)는 NH3 전처리로 DLC 핵(45)을 형성하는 단계(S31)와, DLC 핵(45)을 어닐링하는 단계(S33) 및 DLC 핵(45)을 토대로 탄소나노튜브(47)를 성장시키는 단계(S35)를 포함하며, 각 단계는 순차적으로 수행된다.
S25단계에서 DLC 박막(43)을 증착한 이후에, 도 4에 도시된 바와 같이, DLC 박막(43)을 DLC 핵(45)으로 분할하기 위해서, 먼저 프로세스 챔버에 일정양의 NH3가스를 주입하여 DLC 박막(45)을 분할하여 애그리게이션(aggregation) 상태의 DLC 핵(45)을 웨이퍼(41) 상부면에 형성하는 전처리 단계를 수행한다(S31). 즉 S31단계는 2.0×10-1 torr 및 540℃의 공정 조건에서, 프로세스 챔버에 NH3가스를 70sccm 주입하고 -600V의 바이어스를 인가하여 DLC 박막(43)을 식각하여 복수의 DLC 핵(45)으로 분할한다.
이어서 도 5에 도시된 바와 같이, S33단계에서 프로세스 챔버에 일정양의 H2가스를 주입하여 애그리게이션 상태의 DLC 핵(45)을 어닐링한다. 즉 S31단계에서 타격을 받은 애그리게이션 상태의 DLC 핵(45)을 안정화시키기 위해서 수행되는 공정으로, 1.3 torr 및 580℃의 공정 조건에서, H2가스를 70sccm 주입하여 DLC 핵(45)을 약 10분간 어닐링한다.
그리고 도 6에 도시된 바와 같이, S35단계에서 프로세스 챔버에 일정양의 NH3가스와 C2H2가스를 주입하여 각각의 DLC 핵(도 5의 45)을 토대로 탄소나노튜브(47)를 성장시킨다. 즉 1.3 torr 및 500 내지 700℃의 공정 조건에서, 프로세스 챔버에 NH3가스 60sccm과 C2H2가스를 40sccm을 주입하고, -500 내지 -700V의 바이어스를 인가하여 DLC 핵(도 5의 45)을 토대로 탄소나노튜브(47)를 5분 내지 20분간 성장시킨다.
여기서 탄소나노튜브(47)를 500 내지 700℃에서 성장시키는 이유는, 안정적인 결합구조를 갖는 탄소나노튜브(47)를 성장시키기 위해서이다. 구체적인 이유는 도 10을 참조로 한 설명부분에서 설명하도록 하겠다.
예컨대 본 실시예에서는 S31단계 및 S35단계를 아래의 표2에 도시된 조건으로 수행하였다. 즉 제1 내지 제4 그룹의 웨이퍼(41)에 대해서 3분, 4분, 5분 및 7분 동안 NH3 전처리를 수행하였다. 그리고 제1 내지 제4 그룹의 웨이퍼(41)에 대해서 성장 시간과 바이어스를 달리하여 탄소나노튜브(47)를 성장시켰다.
Pre-treatment Annealing Growth
Pressure 2.0×10-1 torr 1.3 torr 1.3 torr
Gas NH3 : 70 sccm H2 : 70 sccm NH3 : 60 sccm
C2H2 : 40 sccm
Bias -600V - -500 ~ -700V
Temp. 540℃ 580℃ 500~700℃
Time 3 ~ 7min 10min 5 ~ 20min
이와 같이 본 실시예에 따른 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법은 촉매금속 없이 탄소나노튜브(47)를 성장시킬 수 있다. 특히 촉매금속을 대신하여 DLC 박막(43)을 이용하여 탄소나노튜브(47)를 성장시키기 때문에, 웨이퍼(41) 상에 탄소나노튜브(47) 이외에 이물질이 잔존하는 것을 최소화할 수 있다. 그리고 종래와 같이 촉매금속 대신에 탄소화화물의 일종인 DLC 박막(43)을 사용하기 때문에, 정제 공정을 개선할 수 있어 탄소나노튜브(47)의 제조 공정 시간과 제조 비용을 줄일 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 성장 방법으로 성장시킨 탄소나노튜브의 특성을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 탄소나노튜브의 직경은, 도 7에 도시된 바와 같이, NH3 전처리 시간이 증가할수록 증가한다. 즉 NH3 전처리 시간이 증가할수록 DLC 박막에서 분할되어 애그리게이션되는 DLC 핵의 크기가 커지고, 이에 따라 DLC 핵을 토대로 성장되는 탄소나노튜브의 직경 또한 커지게 된다.
구체적으로, 도 8의 탄소나노튜브의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 살펴보면, 3분동안 NH3 전처리한 탄소나노튜브는 15nm의 직경을 갖고, 4분동안 NH3 전처리한 탄소나노튜브는 20nm의 직경을 갖고, 5분동안 NH3 전처리한 탄소나노튜브는 25nm의 직경을 갖고, 7분동안 NH3 전처리한 탄소나노튜브는 30nm의 직경을 갖는다. 이와 같이 탄소나노튜브는 NH3 전처리 시간에 따라 약 5 nm/min의 직경으로 성장하며, 탄소나노튜브의 직경은 NH3 전처리 시간에 거의 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한 본 실시예에 따라 DLC 이용하여 성장한 탄소나노튜브의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지를 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브는 일정한 방향성이 없이 다중벽(multiwall)으로 성장된 것을 확인할 수 있다.
도 10은 온도 변화에 따른 DLC 박막의 라만 스펙트럼(Raman spectrum)이다. 온도 변화에 따른 DLC 박막의 라만 스펙트럼의 분석을 통하여 본 실시예에 따라 탄소나노튜브의 결합구조가 상당히 안정적인 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 DLC 박막의 결정구조나 탄소나노튜브의 구조를 분석하기 위한 방법으로 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 이용하였다. 라만 분석법은 TEM 분석에 비해 간단하며 짧은 시간내에 분석이 가능하여 표면상태의 분석에 매우 유용하다. 본 실시예에서는 라만 분석법을 이용하여 DLC 박막의 표면 결정 상태를 분석하고, 이후 탄소나노튜브의 구조를 분석하였다.
일반적으로 DLC 박막의 특성상 라만 피크는 1560 cm-1 부근에서 생성된다. 또한 DLC는 500℃ 이상에서는 고온 불안정성으로 인해 박막의 특성이 흑연에 가깝게 변해 버린다. 본 실시예에서는 이와 같은 DLC의 특성을 이용하여 DLC 박막을 고온 공정으로 탄소나노튜브를 성장시켰는데, 저온 상태일 때와 고온 상태일 때의 DLC 박막 특성을 도 10(a) 내지 도 10(d)의 라만 스펙트럼으로부터 확인할 수 있다.
300℃와 400℃에서 성장시킨 DLC 박막의 라만 스펙트럼은, 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 일반적으로 다이아몬드(diamond) 피크와 동일하게 G-line 만이 나타났다.
반면에 500℃ 이상의 고온 공정이 이루어진 DLC 박막의 라만 스펙트럼은, 도 10(c) 및 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 전형적인 흑연(graphite) 구조를 나타내는 G-line이 1577.0 cm-1 피크에서 뚜렷하게 나타나고, 탄소질의(carbonaceous) 파티클이나 결함(defect)을 가진 D-line은 1361.6 cm-1 피크에서 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히 피크강도를 보면 G-line의 피크가 D-line의 피크보다 상당히 높으므로 DLC박막 위에서 성장시킨 탄소나노튜브는 안정된 결합 구조를 가지며, 표면 결함이 상당히 적다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 촉매금속이 없이 성장된 탄소나노튜브도 결합구조가 상당히 안정적인 것을 알 수 있다. 그리고 탄소나노튜브를 500 내지 700℃에서 성장시킨 이유도 이 때문이다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법에 따른 흐름도이다.
도 2는 내지 도 6은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 단면도들이다.
도 7은 NH3 전처리 시간에 따른 탄소나노튜브의 지름변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 NH3 전처리 시간을 달리하여 20분간 성장시킨 탄소나노튜브의 표면 SEM 이미지이다.
도 9는 도 1의 성장 방법으로 성장시킨 탄소나노튜브의 TEM 이미지이다.
도 10은 온도 변화에 따른 DLC 박막의 리만 스펙트럼이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
41 : 웨이퍼
43 : DLC 박막
45 : DLC 핵
47 : 탄소나노튜브

Claims (11)

  1. 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 성장 방법으로,
    프로세스 챔버에 투입된 웨이퍼 위에 DLC 박막을 형성하는 DLC 박막 형성 단계와;
    상기 DLC 박막을 분할하여 상기 웨이퍼 위에 복수의 DLC 핵을 형성하는 핵 형성 단계와;
    상기 DLC 핵을 씨(seed)로 탄소나노튜브를 성장시키는 성장 단계;를 포함하고,
    상기 DLC 박막 형성 단계는,
    상기 웨이퍼를 이소프로필알콜 또는 아세톤을 이용하여 초음파 세척한 후 N2가스를 분사하여 건조시키는 세척 단계와;
    상기 프로세스 챔버에 일정양의 Ar가스를 주입하여 상기 웨이퍼를 전처리하는 제1 전처리 단계와;
    상기 프로세스 챔버에 일정양의 H2가스와 C2H2가스를 주입하여 상기 웨이퍼 상부면에 DLC 박막을 증착하는 증착 단계;를 포함하고,
    상기 핵 형성 단계는,
    상기 프로세스 챔버에 일정양의 NH3가스를 주입하여 상기 DLC 박막을 분할하여 애그리게이션(aggregation) 상태의 DLC 핵을 상기 웨이퍼 상부면에 형성하는 제2 전처리 단계와;
    상기 프로세스 챔버에 일정양의 H2가스를 주입하여 상기 애그리게이션 상태의 DLC 핵을 어닐링하는 어닐링 단계;를 포함하고,
    상기 제2 전처리 단계의 공정 시간을 조절하여 애그리게이션 상태의 DLC 핵의 크기를 조절하고, 상기 성장 단계에서 상기 애그리게이션 상태의 DLC 핵을 토대로 성장하는 상기 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전처리 단계의 공정 시간이 증가할수록 애그리게이션 상태의 DLC 핵의 크기가 증가하고, 상기 성장 단계에서 상기 애그리게이션 상태의 DLC 핵을 토대로 성장하는 상기 탄소나노튜브의 직경도 커지는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 전처리 단계는,
    5.5×10-2 torr 및 70℃에서 30sccm Ar가스를 주입하고 -800V의 바이어스를 인가하여 플라즈마를 형성하여 상기 웨이퍼를 전처리하는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 증착 단계는,
    1.4×10-1 torr 및 70℃에서 H2가스와 C2H2가스를 각각 30sccm 주입하고 -600V 내지 -800V의 바이어스를 인가하여 상기 웨이퍼의 상부면에 DLC 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 전처리 단계는,
    2.0×10-1 torr 및 540℃에서 NH3가스를 70sccm 주입하고 -600V의 바이어스를 인가하여 전처리하는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 어닐링 단계는,
    1.3 torr 및 580℃에서 H2가스를 70sccm 주입하여 어닐링하는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 성장 단계는,
    상기 프로세스 챔버에 일정양의 NH3가스와 C2H2가스를 주입하여 상기 DLC 핵을 토대로 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 성장 단계는,
    1.3 torr 및 500 내지 700℃에서 NH3가스 60sccm과 C2H2가스를 40sccm을 주입하고, -500 내지 -700V의 바이어스를 인가하여 상기 DLC 핵을 토대로 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 성장 단계에서 형성된 상기 탄소나노튜브는 다중벽(multiwall)으로 성장되는 것을 특징으로 하는 DLC를 이용한 탄소나노튜브 성장 방법.
  11. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제6항 내지 제10중 어느 한 항의 성장 방법으로 성장된 DLC를 이용한 탄소나노튜브.
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