KR101126899B1 - 나노구조물을 증착 및 배향시키는 방법, 장치 및 조성물 - Google Patents

나노구조물을 증착 및 배향시키는 방법, 장치 및 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수용 기판상에 나노물질을 증착시키고, 임의적으로 이러한 물질을 소정의 배향으로 증착시키는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 전송 기판상에 나노물질을 제공하는 단계, 및 수용 기판의 표면 또는 표면의 부분상에 배치된 접착성 물질과 나노 물질을 접촉시키는 단계를 포함한다. 배향은 전송 공정 중에 전송 및 수용 기판을 서로에 대해 이동시킴으로써 임의적으로 제공된다.

Description

나노구조물을 증착 및 배향시키는 방법, 장치 및 조성물{METHODS, DEVICES AND COMPOSITIONS FOR DEPOSITING AND ORIENTING NANOSTRUCTURES}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2003년 9월 25일 출원된, 발명의 명칭이 "나노구조물을 증착 및 배향시키는 방법, 장치 및 조성물"인 USSN 10/673,092의 CIP 출원이다. 본 출원은 이 출원의 우선권을 주장한다.
나노기술은 물질적 특성, 예컨대, 전자, 광학 및 구조적 특성 측면에서 다양한 실질적 이점을 낼 수 있음이 예측된다는 점에서, 차세대 중요한 기술 도약 분야로 보고되고 있다. 나노기술의 진보가 무어의 법칙의 수명을 연장해주는 최상의 기대주임이 예측되어 왔다.
나노기술로 폭넓은 분야에 적용 가능한 무수한 흥미로운 성질들을 가지는 물질을 제조함에 따라, 이러한 물질들의 유용한 장치, 시스템 및 물질로의 통합이 상업적 제조라는 관점에서 볼 때 어느 정도 장애물로 남아있다. 그 예로서, 나노물질의 대표적인 것인 탄소 나노튜브는, 복합재용 필러가 아닌 다른 용도로, 예를 들어, 구조적인, 아마도 단순한 전기적 성질(crude electrical properties)을 전반적으로 벌크 복합체에 부여하기 위한 용도로서는 상업적 관점에서 거의 이용가능하지 않다. 이는 이러한 나노튜브가 나노튜브들간에 예측불가능한 전기적인 성질을 가지는 경우가 종종 있기 때문이며, 예를 들어 전자분야 등의 보다 높은 정확도를 요구하는 분야에 이들을 재생가능하게 사용하기 위해서는 민감한 선별 과정이 요구되게 된다.
모든 나노물질을 응용하는데 실질적인 또다른 문제점은, 이러한 물질의 배치가 중요한 장치 및/또는 시스템, 예를 들어, 전기적 접촉을 연결하는, 게이트 전극을 연결하는 등의 장치 및/또는 시스템에 이러한 물질을 통합시키는 것이다. 구체적으로, 이러한 물질은 너무 작아서, 이들을 수동 조작 기술을 이용하여 정확한 위치에 두는 것은, 특히 높은 수율로 많은 양을 제작해야 하는 상업적 제작 관점에서 거의 불가능하다. 보다 제어 가능한 방법을 사용하여 이러한 물질을 위치시키는 여러 방법들이 제안되어 왔으며 수행되어 왔다. 예를 들어, 흐름으로 지시되는 배치법(flow directed placement method)이 반도체 와이어를 소정의 위치로 배치시키는데 성공적으로 사용되어 왔으며, 예를 들어, 와이어 또는 나노튜브를 함유하는 용액을 기판과 접촉시켜 흐르게 하여 흐름을 통해 둘 다를 정렬시키고, 접촉 영역을 통해 와이어를 기판 표면상에 배치시킨다. 분자 인식 및 자가 어셈블리 기술, 예를 들어, 기판의 소정의 위치상에 화학기를 사용하고 나노물질상에 상보적인 기를 사용하는 기술이 제안되어, 기판의 소정의 위치에 나노물질을 배치시키는데 사용되었다. 나노물질을 위치시키는데 사용되는 이러한 방법들의 유용성이 보고되어 있음에도 불구하고, 현재 이러한 방법들은 다양한 전혀 다른 결과, 예를 들어, 물질의 증착, 배향 및 위치화의 균일성에 있어 전혀 다른 결과를 초래하였다. 균일성의 결여는 상업적 제조 설비시, 예를 들어, 특히 제품 간 변형이 실질적으로 존재해서는 안 되는 전자 산업에 적용하는 경우, 매우 불리하다. 또한, 이러한 방법은 이러한 기술 수행시의 "기술" 형태의 개발은 물론, 상당한 하부기술 개발이 요구되는 제조 분야 요구사항을 만족시키기 힘들다.
따라서, 전자, 광전자, 광학 및 재료의 적용 분야에 사용하기 위해, 다른 기판 물질상에 나노물질을 위치 및/또는 배향시키는 확고하고 반복가능한 방법이 요구된다. 본 발명은 이러한 요구 및 다양한 기타 요구를 충족시킨다.
본 발명의 개요
본 발명은 기판의 표면상에 나노구조물을 위치시키고 임의적으로 배향시키기거나 정렬시키기 위한, 전형적으로는 기능적인 장치 또는 조성물에 통합시키기 위한 방법, 물품, 조성물, 시스템, 키트 등을 제공한다.
상세하게는, 일반적인 제1 양태에서, 본 발명은 기판상에 나노물질을 증착시키는 방법을 제공한다. 본 발명에 따라, 복수개의 나노구조물을 전송 기판상에 배열시킨다. 접착성 물질을 수용 기판의 선택된 영역상에 증착시킨다. 전송 기판을 수용 기판과 짝을 지워, 나노구조물이 전송 기판상의 나노구조물을 수용 기판의 선택된 영역과 접촉시킨다. 전송 기판이 수용 기판에서 분리되는 경우, 수용 기판의 선택된 영역에 부착된 나노구조물이 남게 된다.
복수개의 나노구조물은 다양한 형태 중 어느 것일 수 있다. 예를 들어, 나노구조물은 나노섬유, 반도체 나노와이어 등을 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 나노구조물을 구성하는 복수개의 반도체 나노와이어는 II-VI족 반도체, III-V족 반도체, 및/또는 IV족 반도체와 같은 반도체 물질을 포함한다. 나노구조물은 전송 기판상에서 합성될 수 있으며, 또는 분리 합성되어 그 위에 증착될 수 있다.
전송 및 수용 기판 또한 다양한 형태 중 어느 것일 수도 있으며, 예를 들어, 평면 시트 기판(예를 들어, 가요성 시트) 또는 롤(roll)일 수 있으며, 또는 이들을 포함할 수 있다. 짝 지우는 단계는 수용 기판상에 전송 기판을 압착시키거나 그 반대로 하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수용 기판은 가요성 평면 시트이고, 전송 기판은 롤일 수 있으며, 전송 기판은 가요성 평면 시트 위에 롤링되어, 전송 기판상의 물질을 수용 기판상에 증착시킨다. 유사하게, 수용 기판은 롤을 포함하거나, 또는 롤상에 배열될 수 있으며, 롤은 가요성 평면 전송 기판 위에 롤링되어, 물질을 롤상에 배치된 수용 기판상에 증착시킨다.
임의적으로, 전송 기판 및 수용 기판은 서로에 대해 실질적으로 평행인 방향으로 이동하여, 수용 기판에 접착된 나노구조물을 실질적으로 정렬시킨다. 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집 중에서 약 50 %, 60%, 70%, 80%, 90% 이상의 나노구조물이 공통축(common axis)의 30°, 20°, 10°, 5°미만 이내로 정렬될 수 있다.
전송 및 수용 기판의 분리 이후, 접착성 물질을 수용 (및/또는 전송) 기판으로부터, 예를 들어, 관련 기판의 플라즈마 또는 용매 세척을 통해 제거할 수 있다. 임의적으로, 접착성 물질에는, 빛으로의 노출 후 대개 현상액과의 접촉 후 제거될 수 있는 포토레지스트가 포함된다.
관련 양태에서, 하나 이상의 전송 기판 및 수용 기판을 나머지 전송 기판 및 수용 기판에 대해 이동시켜, 나노구조물이 공통축을 따라 실질적으로 배향되도록 함으로써, 증착된 나노구조물이 증착 공정 중에 실질적으로 배향된다. 예를 들어, 과반수의 (a majority of) 나노구조물은 전송 기판상에 증착되고, 나노구조물의 주축은 전송 기판상에 수직이다. 나노구조물은 이동 단계 이후에 전송 기판으로부터 분리되어, 공통축을 따라 수용 기판상에 실질적으로 배향된 복수개의 나노구조물을 남긴다.
본 발명은 또한 접착성 물질이 표면상에 배치된 제1 기판 및 접착성 물질상에 배치되고, 임의적으로 공통축을 따라 실질적을 배향된, 복수개의 나노구조물을 가지는 물품을 제공한다. 유사하게, 본 발명은 접착층의 표면에 접착된 복수개의 실질적으로 정렬된 나노와이어를 가지는 중합성 접착성 물질의 층을 포함하는 조성물을 제공한다. 어느 경우에든, 나노구조물은 전술한 바와 같이 정렬될 수 있다. 유사하게, 접착층은 전술한 바와 같이 포토레지스트와 같은 레지스트를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 예를 들어, 제1표면상에 배치된 복수개의 나노구조물을 가지는 전송 기판을 포함하는 시스템을 제공한다. 전형적으로, 제1표면을 포함하는 수용 기판은 전송 기판의 제1표면의 맞은편에 배치된다. 자동 이행 시스템(automatable translation system)이 하나 이상의 전송 기판 및 수용 기판에 결합 (coupling)되어, 전송 기판의 제1표면과 수용 기판의 제1표면을 서로 접촉시키고, 이 후 전송 기판의 제1표면을 수용 기판의 제1표면으로부터 분리시킨다. 예를 들어, 한 구체예에서, 이행 시스템은 전송 기판의 시트를 수용 기판의 시트와 접촉시키기 위한 하나 이상의 롤러를 포함한다. 임의적으로, 시스템은 수용 기판의 제1표면 위에 접착성 물질 증착기(an adherent material deposition applicator)를, 에컨대, 전송 기판의 제1표면을 이동시켜 수용 기판의 제1표면과 접촉시키는 이행 시스템 이전에, 점착성 물질의 증착을 위해 배치시키는 것을 포함한다.
다양한 물품, 조성물 또는 시스템을 포함하는 킷트 또한 본 발명의 특징이다. 이러한 킷트는 본 명세서에 서술된 물품, 조성물 또는 시스템 요소를, 적절한 포장 요소(예를 들어, 적절한 성분을 담는 용기), 및 지시물, 예를 들어, 적절한 물품, 조성물 또는 시스템의 사용 또는 작동을 위한 지시물과 함께 포함할 수 있다.
본 발명에 대한 여러 사용, 응용 및 변형은 이하 공개 내용으로부터 자명할 것이며, 이는 통상 본 발명의 범위 이내이다. 상기 시스템, 물품, 조성물 및 방법은 또한 다양한 조합으로 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명
본 발명은 일반적으로 나노물질을, 특히, 높은 종횡비를 가지는 나노물질을 다른 기판 물질상에 위치 및/또는 배향시키는데 사용하기 위한 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 개언적으로, 본 발명은 나노물질을 제1기판("전송 기판"으로도 칭함)으로부터 이러한 나노물질이 위치해야하는 제2기판("수용 기판"으로도 칭함)으로 전송시키는 것을 포함한다. 따라서, 초기에, 나노물질은 전송 기판의 표면상에 제공된다. 전송은 나노물질이 증착, 위치 및/또는 배향되어야 할 수용 기판의 표면상에 증착된 접착성 물질을 제공함으로써 이루어진다. 그 후, 전송 기판상의 나노물질은 수용 기판상의 접착성 물질과 접촉하여, 두 기판 표면간의 접촉으로 인해, 나노물질이 수용 기판상에 부착된다.
두 기판을 분리하면, 수용 기판상의 접착성 물질에 접착한 나노물질이 전송 기판에서 들어 올려져, 접착성 물질을 포함하는 수용 기판의 부분으로 전송된다. 수용 기판상의 접착성 물질의 위치를 조절함으로써, 수용 기판의 소정의 영역 중에 나노물질을 패턴화 또는 위치시킬 수 있으며, 수용 기판의 나머지 영역은 나노물질이 존재하지 않도록 남겨둘 수 있다. 또한, 접촉 단계 및 분리 단계를 조절함으로써, 증착될 나노구조물의 배향 및/또는 형상을 상당한 범위로 조절할 수 있다. 이하 공개 내용으로부터 명백할 것이지만, 본 기본 발명에 대한 폭넓은 변화, 변형 및 개선이 수행될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 사용된 방법의 개요도를 제공한다. 개요도는 본 발명의 특정 양태를 명백하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 임의의 양태의 비율을 정하거나 이를 자세히 설명하기 위한 것이 아니며, 본 발명에 어떠한 제한을 가하는 것도 아니다. 패널 A에 나타낸 바와 같이, 제1기판, 예를 들어, 전송 기판(102)은 이의 표면(104)상에 배치된 나노구조물, 예를 들어, 나노와이어(106)를 가지도록 제공된다. 제2기판 또는 수용 기판(108)이 제공된다. 나노구조물 증착이 일어나는 수용 기판(108)의 표면(110)상에 접착성 물질 또는 표면 처리제(112)가 제공된다. 패널 B에 나타낸 바와 같이, 두 기판이 함께 나노구조물(106)을 수용 기판(108)상의 접착제 표면(112)과 접촉하게 하여, 나노구조물(106)의 적어도 일부가 수용 기판의 접착제 표면(112)에 접착되도록 한다. 두 기판의 분리시(패널 C 참고), 나노와이어(106)는 수용 기판(108)상의 접착제 표면(112)에 전송된다.
전술한 바와 같이, 진정 나노물질, 예를 들어, 500 nm 미만, 바람직하게는 100 nm 미만의 단면 수치(cross sectional dimension)를 적어도 하나 가지는 구조적 물질은, 전자적인 성질, 광전자적인 성질, 광학적인 성질 및 구조적인 성질을 비롯한 다양한 흥미로운 성질들을 보유한다. 이러한 특정 성질들, 예를 들어, 복합체에 통합되는 나노물질의 구조적 특징이 벌크로 적용시에 이용될 수 있으나, 다수의 유용한 적용예에서는 나노물질의 위치, 형상 및 배향을 정확히 측정할 것을 요구한다. 나노물질의 형상(configuration)과 관련된 문제는 신규한 합성 시스템을 통해 적어도 부분적으로 처리되어 왔으며, 따라서 매우 정밀한 0 또는 1차원 나노물질을 생산해낼 수 있다. 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 나노물질, 예를 들어, 나노로드, 나노와이어 및 나노튜브는 여러 전자 및 광전자에 적용할 때 특히 유용하다. 논의의 편의성을 위해, 이러한 높은 종횡비를 가지는 나노물질 모두를 통상 나노와이어로 칭하기로 한다. 또한, 높은 종횡비를 가지는 나노물질에 대한 주된 관심에도 불구하고, 본 발명의 여러 양태들은 낮은 종횡비를 가지는 나노물질, 예를 들어, 구형 또는 거의 구형의 나노크리스탈(예, 양자점)을 수용 기판상에 위치시키는데도 동등하게 이용될 수 있다.
높은 종횡비를 가지는 반도체 나노물질은 전자적인 적용시, 특히 큰 면적 또는 "마크로전자" 응용시에 특히 유용한 성질을 가진다. 상세하게는, 반도체 나노와이어는 단일 크리스탈 또는 거의 단일 크리스탈 구조를 가지고 있기 때문에, 단일 실리콘 기판에서 발견되는 전자 이동도와 일반적으로는 동일한 정도로, 길이 치수를 따라 상대적으로 높은 전자 이동도를 가진다. 그러나, 이들은 나홀로 서있는 구조(free standing structure)이므로, 단일 크리스탈 반도체 판 (slabs of single crystal semiconductors)보다 더 비용 효과적인 방식으로 제조될 수 있으며, 오히려 무정형 반도체에 가깝다(이의 전자 이동도는 여러 분야 응용시 너무 낮음). 무정형 반도체와 유사하게, 이들 나노로드 및 나노와이어는 가요성 전자제품을 생산하는 공정에도 적용가능하다. 이러한 응용 분야에 있어 나노물질, 특히 반도체 나노와이어를 사용하는 것에 관해서는, 예를 들어, 미국 가출원 제60/414,323호 및 제60/414,359호(각각 2002. 9. 30. 출원), 제60/468,276호(2003. 5. 7. 출원), 제60/445,421호(2003. 2. 5. 출원), 제60/474,O65호(2003. 5. 29. 출원), 제60/488,801호(2003. 7. 22. 출원), 및 제60/493,005호(2003. 8. 7. 출원){이들 각각은 하나 이상의 관련된 미국 특허출원 제10/673,669호, 제10/674,060호, 및 제10/674,071호(각각 2003. 9. 30. 출원)에 참고 문헌으로 포함됨}에 실질적으로 상세히 설명되어 있으며, 이들의 모든 공개 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
일반적으로, 나노물질에서 전자 부품, 예를 들어, 박막 트랜지스터(TFT) 등을 제조하는 것은 나노와이어 또는 나노로드를 기판 물질 상에 증착시켜, 나노와이어가 제조되는 장치의 다른 전자 부품(예를 들어, 소스(source) 전극과 드레인(drain) 전극 사이에 전도성 경로를 제공하는 부품)과 적절히 접촉되도록 하는 것을 포함한다. 도 2는 전자 부품으로 나노와이어를 사용하는 것을 보여준다. 상세하게, 2개의 전극, 예를 들어, 베이스 기판(210)상에 배치된 소스 전극(204) 및 드레인 전극(206)을 연결시키는 나노와이어(202)를 포함하는 단순한 나노와이어 트랜지스터 장치(200)를 보여준다. 전계 효과 트랜지스터의 경우, 게이트 전극(208)이 나노와이어에 인접하여 제공되어 나노와이어(202)의 전도성을 조절해준다. 트랜지스터로 서술 및 설명하였지만, 이는 기본 트랜지스터, MOSFETS, MESFETS, 인트라 및 인터-와이어 다이오드 등을 비롯한 기본 나노와이어 구조를 가지는 다양한 전자 장치 제조에 사용될 수 있을 것이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 증착 공정 중에 나노와이어를 배향시킴으로써, 예를 들어, 전극들 간에 필요한 접촉을 확실히 일어나게 함으로써, 장치 제작에 사용되는 공정의 수율을 실질적으로 향상시킬 수 있다.
도 2에 나타낸 나노와이어 전자제품 분야에의 변형된 응용시, 많은 수의 나노와이어가 예를 들어, 필름으로 사용되어, 큰 면적의 전자제품을 제작하는 경우의 용이함과 같은 개선된 성질 및 상대적으로 높은 성능을 가지는 전자제품(예를 들어, 트랜지스터 어래이(300))을 제공할 수 있다. 상세하게, 패널 A에 나타낸 바와 같이, 큰 면적의 마크로전자 장치, 어래이 또는 기판, 예를 들어, 어래이(300)은 기판의 표면 또는 이의 부분 위에 배치된 나노와이어의 군집을 사용하여 제조된다. 이러한 어래이에서, 개별적인 장치, 예를 들어, 트랜지스터(302)는, 실질적으로 2개 이상의 전극 사이 공간에 걸쳐져 있는 많은 수의 배향된 와이어를 포함시킴으로써, 이러한 나노와이어 물질의 높은 종횡비라는 추가 이점을 이용한다. 상세하게, 패널 B는 기판 표면(306)상에 증착된 많은 수의 배향된 나노와이어(304)를, 두 전극, 예를 들어, 소스 전극(308)과 드레인 전극(310)간의 반전도성 채널로 사용하는, 어래이(300)로부터 단순화된 전자 회로 장치를 나타낸다. 이들 물질을 배향시킴으로써, 전극들 사이에, 예를 들어, 개별적인 와이어 중에, 단일 크리스탈 반도체 전자 이동도를 효과적으로 제공할 수 있으며, 극히 낮은 측면 전자 이동도를 가지는, 예를 들어, 하나의 전극이 다른 전극에 대해 직교하는, 충분한 전류 밀도(예를 들어, 다중 와이어를 통해)를 제공한다. 또한, 전술한 바와 같이, 각 나노와이어의 길이 및 폭 치수 모두에서의 전체적으로 작은 규모는, 단순화된 공정 기술을 사용하여 가요성이 있는 전체 전자 장치를 제조하는 것을 가능하게 한다. 도시한 바와 같이, 트랜지스터(302)는 또한 게이트 전극(312)을 포함한다. 도 3에 나타낸 장치의 제작, 응용 및 수행에 대해서는, 예를 들어, 미국 특허출원 제60/414,323호 및 제60/414,359호(각각 2002. 9. 30. 출원), 제60/468,276호(2003. 5. 7. 출원), 제60/445,421호(2003. 2. 5. 출원), 제60/474,065호(2003. 5. 29. 출원), 제60/488,801호(2003. 7. 22. 출원) 및 제60/493,005호(2003. 8. 7. 출원){이들 각각은 하나 이상의 관련된 미국 특허출원 제10/673,669호, 제10/674,060호, 및 제10/674,071호(각각 2003. 9. 30. 출원)에 참고 문헌으로 포함됨}에 실질적으로 상세히 설명되어 있으며, 이들의 모든 공개 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
전형적으로, 전자제품 분야 응용에 사용되는 나노와이어는 긴 구조물을 평면 기판 표면상에서 성장 또는 합성시킴으로써 제조된다. 그 예로서, 공개된 미국 특허출원 US-2003-0089899-A1은 증기상 에피택시(vapor phase epitaxy)를 사용하여 고형 기판에 접착된 골드 콜로이드로부터 반도체 나노와이어의 균일한 군집을 성장시키는 방법을 공개하고 있다. Greene 등("Low-temperature wafer scale production of ZnO nanowire arrays", L. Greene, M. Law, J. Goldberger, F. Kim, J. Johnson, Y. Zhang, R. Saykally, P. Yang, Angew. Chem. Int. Ed. 42, 3031-3034, 2003)은 용액에 기초한, 저온 와이어 성장 공정을 사용하여 나노와이어를 합성하는 대안적인 방법을 공개하고 있다. 미국 특허 제5,505,928호, 제6,225,198호 및 제6,306,736호에 공개된, 더 짧은 나노물질을 제조하기 위한 계면활성제에 기초한 합성 방법, 및 탄소 나노튜브 제조에 사용되는 공지된 방법(예를 들어, US-2002/0179434, Dai 등)을 비롯한, 다양한 다른 방법들이 기타 신장된 나노물질을 합성하는데 사용된다. 본 명세서에 언급한 바와 같이, 이러한 다른 물질들의 임의의 것 또는 전부가 본 발명의 방법, 장치 및 시스템에 사용될 수 있다. 반도체 응용을 위해서는, 다양한 유형 III-V, II-VI 및 IV 반도체가 제조되는 장치의 최종 응용 분야에 따라 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 반도체 나노와이어에 대해서는 예를 들어, 전술한 US-2003-0089899-A1에 서술되어 있다. 유사하게, 반도체 나노로드 및 양자점 또한 여러 상이한 유형의 III-VI, III-V 및 IV 반도체로부터 제작될 수 있다고 보고된 바 있다. 특정 바람직한 구체예에서, 나노와이어는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AIN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb,BN/BP/BAs, AIN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, Cul, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al203, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3, Al2CO, 및 이러한 2개 이상의 반도체의 적절한 조합으로 구성된 군에서 선택된다.
다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 임의적으로 주기율표 III족의 p-유형 도판트; 주기율표 V족의 n-유형 도판트; B, Al 및 In으로 구성된 군에서 선택되는 p-유형 도판트; P, As 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 n-유형 도판트; 주기율표 II족의 p-유형 도판트; Mg, Zn, Cd 및 Hg로 구성된 군에서 선택되는 p-유형 도판트; 주기율표 IV족의 p-유형 도판트; C 및 Si로 구성된 군에서 선택되는 p-유형 도판트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te로 구성된 군에서 선택되는 n-유형 도판트로 구성된 군에서 선택된 도판트를 포함할 수 있다.
단일 크리스탈 나노와이어에 추가하여, 특정 양태에서는, 장치의 최종 응용이 가능한 경우, 나노와이어 헤테로구조물, 예를 들어, 경도 또는 동축 헤테로구조물이 본 발명에 사용될 수 있다. 이러한 경도 또는 동축 헤테로구조물에 대해서는, 예를 들어, 공개된 국제특허출원 WO 02/080280에 상세히 서술되어 있으며, 이는 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
무기 반도체 물질에 관해 통상 서술하는 경우, 전술한 증착 및 정렬 기술을 임의의 나노물질을 증착 및/또는 배향시키는데 사용할 수 있으며, 본 발명의 배향 양태를 위해 임의의 길다란 나노물질, 예를 들어, 나노로드, 탄소 나노튜브, 중합체 나노섬유, 유기 또는 무기 나노필라멘트, 단백질 나노섬유 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따라, 나노와이어는 전송 기판의 표면상에 배열되며, 바람직하게는 전송 기판의 표면에 접착된다. 본 발명의 목적을 위해, 전송 기판은 예를 들어, 콜로이드에 기초한 방법을 사용하여 나노와이어가 합성되는 기판을 포함할 수 있으며, 또는 상이한 기판을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 첫번째 양태에서, 전송 기판은 나노와이어가 성장 또는 합성되는 기판을 포함한다. 상세하게, 나노와이어를 제조하는 여러 방법에서, 입자 또는 콜로이드, 예를 들어, 골드 콜로이드가 기판 표면상에 증착되어, 증기상 에피택시 성장을 사용하여 반도체 나노와이어 성장을 개시시키는데 사용된다. 결과 나노와이어는 기판의 표면에 붙어, 그 위에서 합성되게 된다. 이러한 와이어 합성에 대해서는, 예를 들어, US-2003-0089899-A1를 참고하길 바란다.
대안적인 양태에서, 나노와이어는 전송 기판과 다른 장소에서 제조될 수 있으며, 이 후 전송 기판상에 증착된다. 예를 들어, 나노와이어는 제조되어 성장 기판으로부터 회수될 수 있다. 그 후, 유리(free) 나노와이어, 예를 들어, 조작의 용이함을 위해 유체 현탁액 중에 전형적으로 배치된 유리 나노와이어를 전송 기판 표면상에 증착시킨다. 전송 기판의 표면상에 나노와이어를 증착시키는 것은 여러 수단에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어의 유체 현탁액을 예를 들어, 스핀 코팅 방법을 사용하여 표면상에 코팅하거나, 표면 위를 단순히 흐르게 한 후, 전송 기판의 표면에 고정시킬 수 있다. 나노와이어를 전송 기판의 표면에 고정하는 것은 나노와이어와 표면간의 자연력, 예를 들어, 반데르발스력에 의해 이루어지거나, 기판 및/또는 와이어의 표면에 작용층, 예를 들어, 화학적 결합층, 즉, 폴리라이신, 폴리브렌, 실란 또는 표면상의 기타 산화물 코팅 등을 통합시켜, 접착성을 증강시킴으로써 수행될 수 있다. 나노와이어를 기판(예를 들어, 전송 기판)의 표면에 부착시키는데 유용한 접착제에 대해서는, 예를 들어, 미국 특허출원 제10/405,992호(2003. 4. 1. 출원)를 참고하고, 이는 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
대안적으로, 전송 및 수용 기판상에 적절히 제제화되어 나노물질을 한 기판에서 다음 기판으로 전송시킬 수만 있다면, 나노와이어를 수용 기판에 부착시키기 위해 이하 서술한 바와 동일한 접착성 물질을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전송 기판은 실질적으로 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노와이어가 성장되는 전송 기판의 경우, 전송 기판은 고형, 강직성 기판, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 유리 플레이트, 중합체 플레이트, 세라믹 플레이트 등을 포함할 수 있다. 대안적으로, 가요성 물질이 나노와이어 합성 공정과 양립가능할 수 있다면, 가요성 물질, 예를 들어, 가요성 호일, 예를 들어, 알루미늄, 골드 등, 또는 가요성 중합체 시트를 포함할 수 있다. 전송 기판이 중간체 기판인 경우, 예를 들어, 제작 후 나노와이어가 증착되는 기판인 경우, 이러한 기판은 실질적으로 임의의 적합한 물질, 예를 들어, 최종 공정에 따라 제작되기 적합한 물질, 및 나노와이어를 수용하고 이를 기판 위에 접착시키기 적합한 물질을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 양태에서, 나노구조물이 제작되는 전송 기판은 이러한 제작에 적합한 임의의 기판 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 고온인 CVD 또는 기타 증기상 합성 방법에 의해 제조된 나노와이어 또는 기타 구조물의 경우, 기판은 고형 실리카 또는 기타 반도체에 기초한 기판 유사 실리콘 또는 유리, 또는 이 방법에 사용되는 임의의 기타 기판 표면을 포함할 수 있다.
대안적으로, 예비합성된 와이어가 증착되는 전송 기판은 전술한 고형 기판, 및 온도 민감한 기판 또는 화학적으로 민감한 기판, 예를 들어, 중합체 필름, 또는 기타 유기 물질을 비롯한, 임의의 여러 상이한 물질들을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 나노구조물은 전송 기판상에 예비배향되어, 구조물이 수용 기판에 실질적으로 정렬 또는 배향된 상태로 전송되도록, 예를 들어, 수용 기판상의 구조물이 언급한 바와 같이 실질적으로 배향되도록 할 수 있다. 나노구조물을 전송 기판상에 배향시키는 것은 여러 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 구조물은 "코밍(combing)"되어 정렬 또는 배향될 수 있다. 이러한 코밍 단계는 기판을 가지는 구조물을 물리적 구조물, 예를 들어, 직선형 모서리 또는 표면과 접촉시키는 것을 포함할 수 있으며, 이때, 기판을 가지는 구조물이 물리적 구조물을 통해 드래깅되어, 기판을 가지는 구조물이 전단 정렬되도록 해준다. 대안적으로, 유체에 기초한 방법은 유체를 표면을 가지는 구조물 위로 흐르게 하여, 표면에 부착된 구조물이 정렬되도록 하는데 사용될 수 있다. 다른 양태에서, 구조물이 예비정렬된 배향으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어의 정렬된 성장에 대해서는, 본 명세서에 그 전체로 참고 문헌으로 포함된, 예를 들어, 미국 특허출원 제10/405,992호에 이미 언급되어 있다. 또한, 나노구조물을 전송 기판상에 정렬시키면, 이러한 정렬이 나노구조물을 수용 기판상에 적용 시킨다는 것, 즉, 후 전송이 일어난다는 것이 이해될 것이다.
나노와이어를 전송 기판에서 수용 기판으로 단순히 전송하는 것에 추가하여, 본 발명은 또한 수용 기판상에 전송된 와이어의 특정 위치화 및/또는 정렬화에 대한 특정 양태로 제공된다. 예를 들어, 전체 기판의 선택된 부분에 접착성 물질 또는 표면 처리법을 제공하여, 나노구조물, 예를 들어, 나노와이어가 그 기판상에 전송/배치되는 위치를 정확히 선택할 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참고하면, 선택된 영역, 예를 들어, 영역(314)(파상 외곽 박스로 나타냄) 중에만 기판상에 패턴화된 접착성 물질을 제공함으로써, 전체 수용 기판 표면(306)의 선택된 부분에 나노와이어를 위치시킬 수 있다. 접착제 표면의 패턴화는 임의의 여러 종래에 공지된 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 선택된 영역은 물리적 마스킹 방법을 사용하여 접착성 물질로 코팅되거나, 또는 종래의 포토리소그래피(photolithography) 기술을 이용하여 포토레지스트로부터 패턴화될 수도 있다.
일반적으로, 본 발명은 나노와이어가 수용 기판의 표면에 접촉 및 부착되어 있으나, 전송 기판으로부터는 분리되어 있지 않은 동안, 전송 기판 또는 수용 기판을 서로에 대해 이동함으로써, 전송된 나노와이어를 정렬시킨다. 상세하게, 그 위에 배치된 나노와이어를 가지는 전송 기판이 접착성 물질을 가지는 수용 기판 표면과 접촉하는 경우, 전송 기판 또는 수용 기판 중 하나는 서로에 대해 이동하여, 예를 들어, 와이어를 정렬되도록 당겨주어 이동 방향으로 나노와이어를 정렬시킨다. 기판이 분리되는 경우, 증착된 나노와이어는 실질적으로 정렬된 배향으로 배치된다.
"실질적으로 정렬된 배향"은 나노구조물의 군집 중에서 대부분의 나노구조물이 주로 주어진 축을 따라 실질적으로 배향됨을 의미하며, 즉, 대부분의 군집 중 이러한 구조물의 정렬이 주어진 축으로부터 30도 이상 떨어지지 않은, 바람직하게는 20도 미만인, 많은 경우에는 주어진 축으로부터 10도 미만 또는 5도 미만인 배향을 가지는 것을 의미한다.
전형적으로, 한 기판의 다른 기판으로의 상대적 이동은 증착 및 정렬된 평균 나노와이어의 길이 범위 이내이며, 전형적으로는 그 미만이다. 따라서, 기판은 전형적으로 서로에 대해 5 mm 이하로 이동할 것이다(초기 접촉 위치로부터). 많은 경우에, 더 적은 이동이 일어날 것이며, 예를 들어, 1 mm, 100 ㎛, 10 ㎛ 또는 1 ㎛ 미만, 또는 1 ㎛ 미만으로 기판이 다른 기판에 대해 이동될 것이다. 일부 경우에, 증착된 나노와이어 또는 나노구조물의 밀도를 높이는 것은, 기판 위에 더 큰 드래그 거리를 제공하거나, 또는 분리 및 재접촉 단계 사이에 짧은 드래깅(dragging) 단계를 반복함으로써, 단일 위치에 더 많은 나노와이어나 기타 나노구조물을 증착시킴으로써 수행될 수 있다.
일반적으로, 정확한 이행 단계, 마이크로조작기 등을 비롯한 수단을 서술한 조작 작동을 수행하기 위해 이용한다. 롤 대 롤 전송의 경우, 한 기판을 다른 기판으로 이동시키는 것은, 한 기판 롤의 다른 기판에 대한 속도를 변화시킴으로써, 예를 들어, 한 기판을 다른 기판보다 다소 느리게 이동시켜, 수용 기판과 접촉하는 나노와이어가 차동적 속도 방향으로 정렬되도록 함으로써 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 전송 및 정렬 공정을 개략적으로 나타낸다. 요약하면, 나노와이어(406)을 가지는 전송 기판(402)이 수용 기판(408)의 접착제 표면(412)과 접촉하여(패널A 및 B 참고), 그 결과, 와이어가 그 표면에 접착된다(패널 B 참고). 두 기판의 분리 이전에, 전송 기판(402) 및 수용 기판(408) 중 하나 또는 양쪽은 서로에 대해 이동하여(예를 들어, 패널 C의 화살표가 나타내는 바 참고), 와이어를 상대적인 이동 방향으로 정렬시킨다. 이러한 정렬 이후, 기판은 분리되어 수용 기판(408)의 표면상에 배치된 실질적으로 정렬된 나노와이어(414)를 남기게 된다. 다시, 전술한 공정이 수용 기판상의 정렬된 나노구조물을 증착시키기는데 사용됨을 서술하였지만, 특정 경우에 이러한 수용 기판이 전송 기판으로 사용될 수 있다는 것을, 예를 들어, 전술한 정렬 및 증착 공정을 이후 전송 단계를 위해 나노구조물을 예비정렬시키는데, 예를 들어, 예비정렬 또는 배향된 나노구조물을 부가적인 수용 기판에 전송시키는데 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
중간 전송 기판의 경우, 예를 들어, 전송 기판이 수용 기판이 아닌 다른 것인 경우, 나노구조물을 전송 기판으로부터 용이하게 제거하여, 예를 들어, 이를 수용기판으로 전송하는 것이 가능하도록 중간 기판을 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 그 예로, 전송 기판 표면에 화학적 처리를 하여 수용 기판보다 나노구조물에 덜 접착하도록 하여, 전송을 용이하게 할 수 있다. 이러한 처리법의 예에는, 예를 들어, 비접착성 물질, 예를 들어, 테플론 또는 기타 유기 코팅 물질로 코팅하는 것이 포함된다. 유사하게, 화학적 처리를 하여 방출을 활성화시킬 수 있는데, 예를 들어, 나노구조물을 전송 기판에 결합시키는 광, 화학적, 또는 열적으로 절단가능한 화학적 연결기 (linker)를 사용한다. 수용 기판과 접촉시(또는 이러한 접촉 이전에), 활성화기는 활성화되어 나노구조물을 방출시켜 전송을 용이하게 해준다. 다른 가역적인 연결 (linking) 또는 결합 (couplign) 기술 또한 나노구조물을 전송 기판에 결합(coupling)시키는데 사용될 수 있으며, 예를 들어, 정전기력 또는 자기력을 이용하여 전송이 바람직할 때까지 나노구조물을 전송 기판상에 유지시킬 수 있다.
전송 기판과 함께, 수용 기판 또한 제작되는 장치의 최종 적용하는 데에 요구되는 것을 만족시키는 임의의 물질을 실질적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 적용예에는 열, 화학 시약 등을 고도로 견딜 수 있는 강건한 기판을 요구할 수 있다. 다른 적용예에는, 최종 장치가 가요성, 투명성을 가지거나, 얇아야 유리한 경우도 있고, 또는 아래 놓인 기판에 의해 부여될 수 있는 여러 다른 특징들, 예를 들어, 저비용, 또는 저 유리 전이 온도(Tg)를 가지고 있는 것이 유리한 경우도 있다. 예를 들어, 안테나에 적용시에는 좋은 RF 수행 특성, 예를 들어, 고 유전상수 또는 조절되는 유전 상수, 저비용, 잘 조절되는 두께 등을 가지는 물질이 바람직하다. 적층된 또는 층진 회로 또는 대량 생산되는 전자 부품, 예를 들어, RFID 태그의 경우에도 유사한 특징이 유용할 것이며, 각각의 층에 별개의 기판 특징을 이용하기 위해, 각각의 층에 베이스 기판을 대안적으로, 차등적으로 제공할 수 있는 것도 유리할 것이다.
특정 바람직한 양태에서, 전송 기판은 평면 시트 또는 롤로 감기는 시트로 제공되는 가요성 기판이다. 전송 기판을 롤 또는 시트로 제공함으로써, 수용 기판상에 나노와이어를 증착시키는데, 상업적인 롤 대 롤, 또는 적층 유형 공정을 쉽게 사용할 수 있게 된다. 유사하게, 수용 기판은 최종 적용시 베이스 기판으로, 예를 들어, 가요성 마크로전자 기판으로 사용될 수 있는 가요성 물질, 시트 또는 기판으로 제공된다. 그 예로, 도 5는 롤 대 롤 공정을 사용하여 수용 기판 표면상에 나노구조물을 증착 및/또는 배향시키는 방법 및 관련 설비(500)를 개략적으로 나타낸다. 특히, 전송 기판(502)이 적절한 드럼 또는 롤러(504)로 롤링된다. 유사하게, 수용 기판(506)은 제2 드럼 또는 롤러(508)에 제공된다. 전송 기판은 이의 표면(510)상에 배치된 나노구조물을 포함한다. 수용 기판 표면은 접착성 물질로 예비처리될 수 있으며, 또는 수용 기판이 드럼에서 롤링되지 않는 경우이나 전송 기판과는 접촉하기 이전에 이러한 접착성 물질 또는 처리가 어플리케이터(512)에 의해 적용될 수도 있다. 어플리케이터(512)는 접착성 물질 코팅의 소정의 두께 및/또는 단일성, 및 사용되는 접착성 물질의 특징에 따라, 스프레이 어플리케이터, 증기상 어플리케이터, 나이프 어플리케이터 등을 포함할 수 있다. 대안적으로, 특정 바람직한 양태에서, 어플리케이터(512)는 수용 기판(506)의 표면상에 예비배치된 물질에 활성화제를 도포하는데 사용된다. 예를 들어, 어플리케이터는 활성화 에너지를 제공하여, 접착제 표면을 제공하는 표면상의 화학적 기를 활성화시킬 수 있다. 대안적으로, 수용 기판은 빛이나 용매(예, 아세톤)에 노출되어 접착성을 가지게 되는 물질(예, 포토레지스트 중합체)의 코팅과 함께 제공될 수 있다. 이러한 처리는 보다 상세히 서술한다.
수용 기판의 접착제 표면의 임의의 도포 및/또는 활성화 이후, 전송 기판 시트와 수용 기판 시트를 피드 롤러(514 및 516)를 포함하는 이행 모듈을 통과시켜, 드럼 프레스(518, 520 및 임의적으로 522 및 524)으로 이동시키며, 이 결과 나노와이어를 가지는 전송 기판의 표면은 수용 기판상의 접착제 표면과 접촉하여 압착된다. 롤 프레스 사이에 가해진 압력은 나노구조물, 접착성 물질의 특성에 전형적으로 의존한다. 추가적으로, 일부 경우에는 가열 등을 비롯한 다른 요소들이 접촉 단계에 추가될 수 있다. 두 기판 시트의 접촉 이후, 적층된 시트를 이들의 구성 시트로 분리시켜, 전송 기판 표면(510)상의 나노와이어의 일부분이 수용 기판(506)의 표면에 전부 또는 일부 이동하게 된다. 전송 기판과 새로 증착된 수용 기판에 사용된 롤은 이후 공정 단계로 이동되어, 예를 들어, 감아주는 드럼(526 및 528)으로 각각 롤링된다.
나노구조물이 수용 기판의 접착제 표면상에 동시에 증착되고 배향되는 것이 바람직한 경우, 전송 기판 롤러 드럼, 예를 들어, 공급용 드럼 및 감아주는 드럼(504 및 526) 각각을, 약간 낮거나 높은 속도에서, 대응되는 수용 기판용 공급용 드럼 및 감아주는 드럼, 예를 들어, 각각 드럼(508 및 528)으로부터 단순히 이동시킴으로써, 공정을 다소 변형시킬 수도 있다. 이 결과, 접촉 단계 동안, 한 기판은 다른 기판보다 빠르게 이동하여, 두 기판의 표면 사이에 배치된 나노와이어의 정렬을 차동적인 기판 속도 방향으로 당기거나 늘려주며, 와이어는 두 기판에 결합된다.
여러 상이한 물질들이 수용 기판의 표면상에 접착성 물질로 사용될 수 있다. 비제한적인 예로, 이러한 접착성 물질에는, 수용 기판의 표면에 코팅되는 물질, 예를 들어, 접착성 중합체의 박막이 포함되며, 또는 표면에 적절한 접착성을 부여하도록 수용 기판 또는 기타 기판의 표면에 도포되는 표면 처리제를 포함할 수 있다. 추가적인 선택적 양태에서, 접착성 물질은 접착성을 제공하기 위해 수용 기판 또는 기타 기판 표면에 표면 유도화제를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 접착성을 제공하기 위해 수용 기판 또는 기타 기판의 표면 부분에 직접 화학적 작용기를 결합시킬 수 있다. 마지막으로, 일부 경우에, 수용 기판 또는 기타 기판의 표면은 접착성이 존재하는 형태로, 예를 들어, 임의의 변형 없이도 접착성을 제공하는 형태로 존재할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 바람직한 양태에서, 중합성 접착성 물질을 본 발명에 사용하며, 통상 박막의 형태로 수용 기판 또는 기타 기판의 표면에 도포된다. 중합체 박막의 도포는 여러 공지된 방법들 중 임의의 방법, 예를 들어, 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 적층화, 제자리 (in situ) 중합화 등을 사용하여 수행될 수 있다.
실질적으로 임의의 중합체 접착제, 예를 들어, 접촉민감성 또는 감압성 접착제가 최종 장치 또는 물품의 특징에 따라 본 발명에 사용될 수 있다. 그러나, 특정 바람직한 양태에서, 레지스트 물질(예, 포토레지스트)인 중합체가 접착층으로 사용되는데, 이는 이들이 접착제 영역의 선택적 증착을 위해 기판상에 쉽게 패턴화될 수 있고, 광학적 또는 화학적 수단에 의해 접착 특성이 변형될 수 있기 때문이다. 이러한 응용에 적합한 상업적으로 이용가능한 포토레지스트의 예에는, 예를 들어, Shipley S1800, S1813, SPR 220, STR 1000, SPR 3000, SPR 3600, SPR 500, SPR 955-CM, Microchem Su-8 및 Su8 2000, PMMA, HD Microsystems HD 4000, 4001 및 4010, Clariant AZ1518, AZ4400 및 AZ4620, 및 Dow Cyclotene 레지스트가 포함된다.
대안적인 양태에서, 다른 중합체 접착제가 접착성 물질로 사용될 수 있으며, 수용 기판의 표면상에 쉽게 제공될 수 있다. 패턴화된 접착층의 경우, 스핀 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 스크린 프린팅법 또는 물리적 마스크 상의 증기 또는 스프레이 증착법이 수용 기판의 표면의 소정의 영역에 접착제를 대안적으로 도포시키는데 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광마스크의 경우, 이러한 접착제는 추가적으로 UV 또는 광경화성을 가질 수 있으며, 이로써, 광마스크 또는 기타 광노출 시스템(예, 레이저 라이팅 등)을 사용하여 접착제를 광패턴화하는 것을 가능하게 해준다. 이러한 접착제에는 예를 들어, 3M, Dow Chemical Corp, Rad-Cure 등에서 구매가능한 다양한 접착성 물질이 포함된다.
복합체 또는 중합체 접착제 물질에 추가하여, 수용 기판의 표면상의 접착성 물질에 대안적으로 수용 기판 또는 기타 기판 표면을 변형시키는 과정을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 표면을 연화시키거나, 표면에 화학적 기를 부착시키거나 표면을 더 접착성을 가지도록 유도화시킴으로써, 표면을 연질 또는 점착성을 가지도록 할 수 있다. 나노구조물과 특이적 또는 비특이적으로 결합 또는 달리 회합되어 있는 기판 표면에 화학적 기를 결합시켜 접촉 또는 근접을 초래시킨다. 본 발명의 목적을 위해, 나노구조물과 접착성 물질과의 접촉은 이러한 물질이 나노구조물과 충분히 근접하여, 이러한 화학적 기와 결합 또는 달리 접착하도록 하여, 구조물이 수용 기판상에 접착하도록 해준다. 따라서, 접착성 물질을 일반적으로 수용 기판으로부터 분리된 물질 층으로 서술하였음에도, 수용 기판이 접착성 물질로 작용하는 물질을 전적으로 또는 이를 실질적으로 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수용 기판으로 사용하기 위한 중합체 시트는, 천연적으로 또는 화학적, 광학적 또는 열적 처리에 의해, 접착제 표면을 가질 수 있다. 적어도 한 예로, 포토레지스트 물질, 예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는, 화학적으로, 또는 광 노출을 통해, 또는 붕합체의 유리 전이 온도 이상으로 표면 온도를 상승시킴으로써, 표면에서 부분적으로 연화되어, 아래 놓인 견고한 PMMA 수용 기판상에 PMMA의 접착성 표면 층을 제공할 수 있다.
용매 처리시, 일부 경우에는 용매 도포를 조절하기 위해서나, 레지스트층의 부분적인 연화를 용이하게 하기 위한 목적으로, 용매를 증기상으로 사용하는 것이 유용할 수도 있다(기판상의 층인지 또는 전체 수용 기판 또는 기타 기판상에 층인지에 따라). 용매/중합체 조합은 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 다양한 중합체 물질, 에틸 락테이트 및 에틸 피루베이트가 특히 유용한 용매이다. 유사하게, 아세톤과 같은 기타 유기 용매도 일반적으로 사용될 수 있으며, 임의의 아래 놓인 실리콘 또는 실리콘 산화물 물질, 예를 들어, 와이어 또는 기판에 용매에 의한 임의의 충격을 피하는 것이 바람직한 경우에 특히 그러하다.
유사하게, 수용 기판이 나노구조물에 대해 천연 접착성을 가지는 물질을 포함하는 경우, 수용 기판의 표면은 변형없이 접착성 물질을 제공할 수 있다. 예를 들어, 실리카에 기초한 나노구조물, 예를 들어, 실리콘 나노와이어의 경우, 여러 평면 기판이 반데르발스 상호작용에 의해 나노와이어 구조물에 천연적으로 접착될 것이다. 예를 들어, 유리 수용 기판은 매우 강한 접착성으로 접촉된 나노와이어에 천연적으로 접착될 것이다. 본 발명에 따라, 이러한 표면 성질도 접착성 물질로 포함되는 것이다. 나노와이어 표면을 유리 및 기타 물질을 비롯한 다른 평면 표면에 접착시키는 것에 대해서는, 미국 가출원 제60/463,766호(2003. 4. 17. 출원, 미국 특허출원 제10/661,381호로 2003. 9. 12. 출원)에 상세히 서술되어 있으며, 이들은 그 전체로 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
단순히 나노물질을 수용 기판에 증착시키는 것에 추가하여, 서술한 공정, 시스템 및 조성물은 또한 실질적으로 배향된 나노구조물을 증착시키는데에도 유용하다. 사용된 용어 "실질적으로 배향된"은 하나 이상의 더 긴 축 또는 주축, 예를 들어, 개별적인 주축이 공통축에 실질적으로 평행으로 배열되도록 배향 또는 정렬되는 길이를 포함하는 나노구조물의 군집 또는 아군집을 나타내며, 군집 중 나노구조물의 50% 이상이 공통축의 30°이내로 배치된 주축으로 배치되는 경우, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 더더욱 바람직하게는 90% 이상의 나노크리스탈이 공통축의 30°이내로, 바람직하게는 공통축의 적어도 10°이내로, 보다 바람직하게는 공통축의 적어도 5°이내로 정렬되는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 나노구조물의 실질적 정렬은, 일반적으로 "스틱 및 드래그(stick and drag)" 방법 또는 이의 별법으로 수행된다. 특히, 전술한 증착 방법으로, 전송 기판을 가지는 나노구조물은 수용 기판의 표면상에서 접착층과 접촉하여, 나노구조물을 수용 기판에 접착시킨다. 그러나, 전송 기판을 나노구조물에서 단순히 분리시키는 대신, 전송 기판 및/또는 수용 기판을 서로에 대해 이동시켜, 나노구조물이 양쪽에 효과적으로 결합되게 한다. 이 결과, 나노구조물은 전형적으로 이동 방향으로 정렬된다. 알 수 있는 바와 같이, 정렬 과정의 효율성은 그 과정 동안 대부분의 나노구조물이 주축을 따라 나노구조물의 반대 말단에 또는 이의 근처에 부착되는 경우 증가하며, 예를 들어, 한 말단에 부착되어 있는 나노와이어 또는 로드는 반대 말단이 수용 기판의 접착제 부분에 접촉하도록 전송 기판으로부터 통상 연장된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 나노 구조물이 전송 기판상에 다소 무작위적으로 (randomly) 배열된다고 하더라도, 후속하는 증착 또는 배열에 충분한 나노 구조물이 공통축을 따라 실질적으로 배열될 수 있으면 바람직한 정도의 배열이 달성될 수 있다.
수용 기판상에 증착 및 배향된 후, 나노와이어의 배향된 군집은 최종 용도에 적합하게 추가적인 공정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 접착성 물질이 수용 기판으로부터 제거되어, 수용 기판상에 배향 증착된 와이어를 남길 수 있다. 전형적으로, 접착성 물질은 여러 상이한 방법에 의해 제거될 수 있으나, 증착된 나노와이어를 동일한 위치 및 배향으로 남겨두어야 할 것이다. 그 예로, 유기 접착성 물질이 사용되는 경우에 특히, 수용 기판은 반도체 산업에 통상 사용되는 종래의 플라즈마 세척 기술을 사용하여 와이어 증착 이후, 접착성 물질이 세척될 것이다. 플라즈마 또는 기타 증기에 기초한 세척 방법은 접착된 나노와이어에 물리적 손상을 가하지 않으면서 접착성 물질을 제거할 수 있기 때문에 여러 경우에 있어 바람직하다.
대안적인 양태에서, 접착성 물질은 용매에 기초한 방법을 사용하여 제거될 수 있다. 예를 들어, 접착성 물질상에 나노와이어의 증착 이후, 포토레지스트를 접착성 물질로 사용한 경우, 접착성 물질을 빛에 노출시켜 이를 적절한 현상제 용액에 가용성이 되도록 할 수 있다. 유용한 포토레지스트/현상제 용액의 조합은 반도체 산업 분야에 널리 공지되어 있으며, 예를 들어, Dow, MicroChem, Shipley 등에서 상업적으로 구매할 수 있다. 다른 구체예에서, 아세톤, 클로로벤젠, 프로필렌 글리콜모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA), 에틸 락테이트, 에틸 또는 메틸 셀로솔브(cellosolve) 아세테이트, 디글림(diglyme) 또는 기타 접착성 물질이 녹을 수 있는 산업적 용매들이 수용 기판으로부터 접착성 물질을 제거하는데 사용될 수 있다. 특정 응용을 위해서는, 추가적인 공정, 예를 들어, 아세톤 처리 이후 이소프로판올을 사용하여, 임의의 잔여 물질을 제거할 수 있다.
대안적으로, 접착성 물질을 비접착 상태로 전환시킬 수도 있으며, 예를 들어, 포토레지스트는 연질 또는 경질 베이킹(baking)되거나 또는 소성(curing)될 수도 있다. 부가적인 층이 나노구조물 위에 증착되거나, 및/또는 부가적인 작동 성분들, 예를 들어, 산화물 층 또는 기타 절연체, 금속 소량 또는 전극 유래의 패턴화 (예, 소스, 드레인 및 게이트 전극 등)가 수용 기판에 적용될 수 있다. 존재하는 접착성 물질을 이용함으로써, 또는 부가적인 접착성 물질을 나노물질의 제1층에 도포함으로써, 부가적인 나노물질(예를 들어, 증착 및/또는 배향된 부가적인 나노물질) 또한 배향 증착된 구조물의 층 위에 적용될 수 있다. 이러한 구조물은 각각 상이한 물질을 포함하는 상이한 나노물질 층을 적용함으로써, 예를 들어, 다이오드, 접합부 등으로 사용될 수 있다. 이러한 이중 증착 및/또는 배향 방법을 사용하면, 별개의 동종성 층이 존재하는 장치 또는 시스템을 함유하는 다양한 이종성 나노구조물을 제조할 수 있다.
부가적인 공정 단계의 예에는, 나노와이어의 정렬된 군집 전부 또는 이의 부분 위에 금속을 증착시켜, 예를 들어, 나노와이어에 기초한 트랜지스터, 다이오드 등에 사용하기 위한 소스, 드레인 및/또는 게이트 전극을 형성하는 것이 포함된다. 절연층이 증착된 나노와이어에 통합되거나, 또는 나노와이어 위에 분리하여 증착될 수도 있다. 이러한 나노와이어 군집의 다양한 기타 용도 및 공정에 대해서는, 예를 들어, WO 02/080280, WO 02/17362, 및 USSN 제60/414,323호 및 제60/414,359호(2002. 9. 30. 출원), 제60/468,276호(2003. 5. 7. 출원), 제60/474,065호(2003. 5. 29. 출원), 제60/445,421호(2003. 2. 5. 출원), 제60/488,801호(2003. 7. 22. 출원) 및 제60/493,005호(2003. 8. 7. 출원){이들 각각은 하나 이상의 관련된 미국 특허출원 제10/673,669호, 제10/674,060호, 및 제10/674,071호(각각 2003. 9. 30. 출원)에 참고 문헌으로 포함됨}에 설명되어 있으며, 이들의 모든 공개 내용은 이미 그 전체로서 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
도 1은 본 발명의 나노구조물 증착 과정의 개요도이다.
도 2는 나노와이어에 기초한 전자 장치, 예를 들어, 트랜지스터의 개요도이다.
도 3은 장치용 전도성 채널로 나노와이어의 배향된 군집을 사용하여 제조한 트랜지스터 어래이 및 개별적인 장치의 개요도이다.
도 4는 본 발명의 나노구조물 증착 및 정렬/배향 방법의 개요도이다.
도 5는 상대적으로 큰 부피의 나노와이어 기판을 제조하는 롤-롤 방법의 개요도이다.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 기판상에 증착 및 배향된 반도체 나노와이어의 SEM 이미지이다.
본 명세서에 서술된 방법을 실질적으로 정렬된 배향으로 나노와이어를 기판상에 증착시키는데 사용하였다. 상세하게, 4" 실리콘 웨이퍼를 수용 기판으로 사용하고, 감압성 접착제(30% 이소프로판올 중 PolySciences 534028) 용액으로 직경 약 50 ㎛의 접착제 자국을 내어(spot) 패턴화하였다. 자국을 내는 것은 표준 XYZ 로봇 및 피펫터(pipettor)를 사용하여 수행하였다. 증착이 되면, 자국을 60℃에서 건조시켜, 웨이퍼 표면상에 약 10 ㎛ 두께의 접착제 패드를 형성시켰다.
전송 기판을 Lieber 등(예를 들어, US 2003-0089899-A1 참고)에 의해 소개된 표준 골드 콜로이드에 기초한 CVD 성장 공정을 사용하여 다른 4" 실리콘 웨이퍼상에 준비하였다. 결과 전송 웨이퍼는 각각 통상 직경 약 40 nm 및 길이 40 ㎛(SEM 측정 결과로 추정됨)를 가지는 나노와이어의 덮개(covering)를 보유하였다.
전송 웨이퍼의 와이어 표면을 수용 웨이퍼 기판의 표면을 보유하는 접착제 패드상에 위치시켜, 추가적인 압력을 가하지 않고도 나노와이어를 접착제 패드에 접촉시켰다. 그 후, 수용 및 전송 웨이퍼를 반대 방향으로 총거리 1 mm로 전단변형시키고, 웨이퍼를 분리시켰다.
그 후, 수용 기판을 플라즈마 세척기로 위치시켜, 임의의 접착제를 비롯한 기판상의 임의의 유기 물질을 제거하였다. 세척 후, 수용 기판을 SEM으로 분석하였다. 도 6은 세척 이후 제거된 접착제 패드의 위치에 고정된 배향된 나노와이어 잔여물의 SEM 이미지이다.
본 발명을 명확히 하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 전술한 바와 같이 본 발명을 상세히 설명하였으므로, 본 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 진정한 권리 범위를 벗어나지 않고 그 형태 및 세부적인 내용에 변형을 가할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술한 모든 기술 및 장치를 다양한 조합으로 사용할 수 있다. 본 출원에 열거된 모든 출판물, 특허, 특허 출원 및/또는 기타 문서는, 각각의 개별적인 출판물, 특허, 특허 출원 및/또는 기타 문서가 개별적으로 참고문헌으로 포함되어 있다는 언급과 마찬가지로, 그 전체로서 참고문헌으로 포함된다.

Claims (58)

  1. 나노물질을 기판상에 증착시키는 방법으로서,
    전송 기판상에 배치된 복수개의 나노구조물을 제공하는 단계로서, 상기 전송 기판은 롤(roll)상에 배치되는 것인 단계;
    수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역상에 증착된 접착성 물질을 제공하는 단계;
    전송 기판을 수용 기판과 짝을 지우는 (mating)단계로서, 그 결과 전송 기판상의 나노구조물을 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역과 접촉시키는 것인 단계; 및
    전송 기판을 수용 기판에서 분리시켜, 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집을 남기는 분리 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 복수개의 나노구조물은 복수개의 나노섬유를 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 복수개의 나노섬유는 복수개의 반도체 나노와이어를 포함하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 복수개의 반도체 나노와이어는 II-VI족 반도체, III-V족 반도체, 또는 IV족 반도체 중에서 선택되는 반도체 물질을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 나노구조물은 전송 기판상에서 합성되는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 나노구조물은 전송 기판상에서 증착되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 짝을 지우는 단계 (mating step)는 전송 기판을 수용 기판의 선택된 영역에 압착시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 전송 기판은 가요성 평면 시트 기판을 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 전송 기판의 롤은 수용 기판 위로 롤링되는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 수용 기판은 가요성 평면 시트 기판을 포함하는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 수용 기판은 롤상에 배치되는 것인 방법.
  12. 나노물질을 기판상에 증착시키는 방법으로서,
    전송 기판상에 배치된 복수개의 나노구조물을 제공하는 단계;
    수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역상에 증착된 접착성 물질을 제공하는 단계;
    전송 기판을 수용 기판과 짝을 지우는 단계; 및
    전송 기판을 수용 기판에서 분리시켜, 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집을 남기는 분리 단계
    를 포함하고, 짝을 지우는 단계와 분리 단계 사이에, 하나 이상의 전송 기판 및 수용 기판을 나머지 전송 기판 및 수용 기판에 대해 평행인 방향으로 이동시켜, 수용 기판에 접착된 나노구조물을 정렬시키는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집 중 50% 이상의 나노구조물은 공통축(common axis)의 30°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  14. 제12항에 있어서, 수용 기판에 접착된 나노구조물의 군집 중 50% 이상의 나노구조물은 공통축의 10°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  15. 제12항에 있어서, 수용 기판에 접착된 나노구조물의 군집 중 50% 이상의 나노구조물은 공통축의 5°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  16. 제12항에 있어서, 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집 중 80% 이상의 나노구조물은 공통축의 30°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  17. 제12항에 있어서, 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집 중 80% 이상의 나노구조물은 공통축의 10°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  18. 제12항에 있어서, 수용 기판의 하나 이상의 선택된 영역에 접착된 나노구조물의 군집 중 90% 이상의 나노구조물은 공통축의 30°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  19. 제12항에 있어서, 수용 기판에 접착된 나노구조물의 군집 중 90% 이상의 나노구조물은 공통축의 10°미만 이내로 정렬되는 것인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 분리 단계 이후, 접착성 물질이 수용 기판의 표면으로부터 제거되는 것인 방법.
  21. 제20항에 있어서, 제거 단계는 수용 기판을 플라즈마 세척하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  22. 제20항에 있어서, 제거 단계는 수용 기판의 표면을 용매로 세척하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  23. 제20항에 있어서, 접착성 물질은 포토레지스트를 포함하고, 제거 단계가 접착성 물질을 빛에 노출시키는 단계 및 접착성 물질을 현상제 용액과 접촉시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  24. 복수개의 배향된 나노구조물을 기판상에 증착시키는 방법으로서,
    복수개의 나노구조물이 증착된 전송 기판을 제공하는 단계로서, 복수의 나노구조물 각각이 주축(major axis)을 가지는 것인 단계;
    접착성 물질을 포함하는 표면을 가지는 수용 기판을 제공하는 단계;
    전송 기판의 표면상의 나노구조물을 수용 기판의 표면상의 접착성 물질과 접촉시키는 단계로서, 나노구조물을 접착성 물질에 접착시키는 것인 단계;
    하나 이상의 전송 기판 및 수용 기판을 나머지 전송 기판 및 수용 기판에 대해 이동시키는 단계로서, 나노구조물을 공통축을 따라 배향시키는 것인 단계; 및
    이동 단계 이후, 나노구조물을 전송 기판으로부터 분리시켜, 공통축을 따라 수용 기판상에 배향된 복수개의 나노구조물을 남기는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 과반수의 (a majority of) 나노구조물은 전송 기판상에 증착되고, 나노 구조물의 주축은 전송 기판상에 수직인 것인 방법.
  26. 제12항에 있어서, 복수개의 나노구조물은 복수개의 나노섬유를 포함하는 것인 방법.
  27. 제26항에 있어서, 복수개의 나노섬유는 복수개의 반도체 나노와이어를 포함하는 것인 방법.
  28. 제27항에 있어서, 복수개의 반도체 나노와이어는 II-VI족 반도체, III-V족 반도체, 또는 IV족 반도체 중에서 선택되는 반도체 물질을 포함하는 것인 방법.
  29. 제12항에 있어서, 나노구조물은 전송 기판 상에서 합성되는 것인 방법.
  30. 제12항에 있어서, 나노구조물은 전송 기판 상에서 증착되는 것인 방법.
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