KR101391010B1 - 나노입자로 조립된 3차원 구조물 제조방법 - Google Patents

나노입자로 조립된 3차원 구조물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패턴-천공된 마스크를 이용하여 나노입자로 조립된 3차원 구조물을 제조하는 방법에 관한 것으로서, (1) 접지된 반응기 내에서, 패터닝하고자 하는 기판 위에, 소정 폭(w)으로 천공된 패턴을 갖는 마스크를 상기 기판으로부터 소정거리(d) 이격되도록 위치시키고, 전압을 인가하여 전기적 집속 렌즈를 형성하는 단계; 및 (2) 하전된 나노입자를 도입하여, 마스크의 패턴을 통해 하전입자를 기판으로 유도하여 하전된 나노입자를 3차원 형상으로 기판에 집속 부착되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 방법에 의하면, 노이즈 패턴을 생성하지 않으면서 다양한 형상의 3차원 구조물을 고정밀, 고효율로 제조할 수 있다.

Description

나노입자로 조립된 3차원 구조물 제조방법{PROCESS FOR PRODUCING 3-DIMENSIONAL NANOPARTICLE STRUCTURE}
본 발명은 패턴-천공된 마스크를 이용함으로써 노이즈 패턴(noise pattern)을 생성하지 않으면서 3차원 구조체를 고정밀, 고효율로 반복적으로 집속 패터닝할 수 있는 방법에 관한 것이다.
하전입자(charged particles)를 선택적으로 제어하여 원하는 위치에 마이크로 내지는 나노 크기의 3차원 구조체를 제작하는 패터닝(patterning) 기술은 물리적, 화학적으로 새로운 특성을 지닌 물질의 개발에 중요한 역할을 한다.
특히, 집속효과를 증대시켜 3차원 나노구조체를 제작하는 경우, 미래의 광학적, 전기적, 자기적 소자 제작에 유용할 것으로 기대되고 있다.
이러한 하전입자의 패터닝을 위해, 최초에는 유전성 필름을 도체 혹은 부도체 지지체 위에 형성하고, 전자빔 또는 이온빔 집속 장치(SEM 또는 FIB), 원자력 현미경(AFM), 미세접촉 인쇄(micro-contact printing) 등의 방식으로 유전성 필름 위에 전하를 전사시켜 입자의 패터닝, 즉 위치 제어 및 부착을 실시하였다.
2003년 이후에 발표된 연구 결과들에 의하면, 지지체 위에 감광막(photo-resistor)을 형성하고 형성된 감광막을 패터닝한 후, 전기장 형성과 이온 하전 주입을 이용하여 감광막 표면의 하전을 제어하면서 하전입자를 주입함으로써 목적하는 패턴 위치에 하전입자를 전기적으로 집속 증착시키는 방법이 소개되었다.
그러나, 이와 같이 지지체 위에 감광막을 형성하는 경우, 감광막의 재사용이 불가능하고, 3차원으로 구성된 적층 시스템 형성을 위해 감광막 패터닝을 매번 수행해야 하는 불편함이 있었다. 또한, 부착된 표면 이온의 하전량 제어 수준에 한계가 있어, 앞으로 기대되는 수 나노미터 혹은 원자 수준의 패터닝 기술로는 부적합하였다.
한편, 진공 증착시, 천공된 패턴을 갖는 금속 마스크가 사용될 수 있는데, 이 경우 나노 크기의 패턴 제작이 어렵고 종횡비가 큰 경우에는 마스크 오염에 의한 재료 손실이 매우 크다는 문제가 있다. 또한, 전자빔 포토리소그라피(e-beam photolithography, EPL)의 경우에는 나노 크기의 패턴 제작은 가능하나, 재료가 마스크 표면에 부착(오염)되고 이에 의해 패턴의 크기가 불규칙하게 작아지는 문제점이 발생하였다.
이에 본 출원인은 대한민국등록특허 제10-0907787호에서, 패턴-천공된 마스크를 기판에 올려놓고 이를 통해 하전입자를 기판으로 유도하여 집속 부착시키는 단계를 포함하는 하전입자의 집속 패터닝 방법을 제시하였다(도 1 참조). 상기 특허에는 도 1과 같은 방법이 개시되어 있다. 즉, 반응기(금속 챔버)(30)의 본체를 접지시키고 2개의 전극층(5,6)에 전압을 인가함으로써 등전위선(9)과 전기력선(10)이 형성된다. 하전입자(1)는 전기적 힘에 의해 전기력선(10)을 따라 운동하여 기판(3)으로 이동하게 된다. 하전입자(1)가 부도체 판 또는 필름(2)을 통과하면서 전기적 렌즈에 의해 집속되면서 기판(3) 위에 패턴 구조체(4)를 형성하는 방법이다. 그러나 상기 방법은 2차원적 패턴만 형성할 수 있다.
따라서 본원 발명자들은 한걸음 더 나아가 3차원 형상을 갖는 나노입자 조립구조물을 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 연구하였다.
대한민국등록특허 제10-0907787호
따라서, 본 발명의 목적은 노이즈 패턴을 생성하지 않으면서 나노입자를 이용하여 3차원 구조물을 고정밀, 고효율로 반복적으로 형성 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(1) 접지된 반응기 내에서, 패터닝하고자 하는 기판 위에, 패턴-천공된 마스크를 상기 기판으로부터 소정거리 이격되도록 위치시키고, 전압을 인가하여 전기적 집속 렌즈(electrodynamic focusing lens)를 형성하는 단계; 및
(2) 하전된 나노입자를 도입하여, 마스크의 패턴을 통해 하전입자를 기판으로 유도하여 하전된 나노입자를 3차원 형상으로 기판에 집속 부착되도록 하는 단계를 포함하는, 나노입자로 조립된 3차원 구조물 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 단계 (2)에서 하전입자와 동일한 극으로 하전된 기체 이온을 마스크의 표면에 대해 주입하여 이온층을 축적하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 이온 축적단계에서 하전입자와 반대되는 극성의 전압을 0.01 ~ 10 kV 범위로 기판에 인가할 수 있고, 상기 단계(2)에서 나노입자를 증착하는 단계에서도 하전입자와 반대되는 극성의 전압을 0.01 ~ 10 kV 범위로 기판에 인가할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 천공 패턴의 폭(w)과, 기판 및 마스크의 이격거리(d)의 비(w:d)는 1: 0.01~10 인 것이 바람직하다.
본 발명의 방법은 상기 단계 (2)에서, 전압 및 전류 공급장치, 배터리 또는 축전지를 이용한 전하와 전압의 제어를 통해 하전입자의 집속도를 변화시켜 3차원 구조물의 형상을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 단계 (2)가, 제1 전압에서 1차 증착하는 단계 및 제2 전압에서 2차 증착하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제1 전압 및 제2 전압은 하전입자와 반대되는 극성의 0.01 ~ 10 kV 범위에서 선택되며 그 세기가 서로 다를 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시 양태에 따르면, 마스크의 패턴을 통해 하전입자를 기판으로 유도하는 단계에서, 상기 마스크를 기판과 평행한 방향으로 이동시키면서 하전된 나노입자를 집속시킴으로써 하전된 나노입자가 집속 부착되어 형성된 3차원 구조물이 기판에 대하여 소정 각도로 기울어진 형상을 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 방법에 의하면, 노이즈 패턴을 생성하지 않으면서 목적하는 3차원 구조체를 고정밀 및 고효율로 형성할 수 있고, 하전량과 전압의 제어를 통한 집속효과 조절에 기인하여 다양한 크기 및 형상의 3차원 구조물을 제작할 수 있어 향후 나노입자 기반의 소자, 예를 들면, 플라즈몬 센서, 태양전지 등의 제작에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 종래기술에 따른 패터닝 원리를 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시양태에 따라, 기판 상에 나노입자의 3차원 구조물을 조립하는 과정을 보여주는 모식도이다.
도 3은 기판과 천공 마스크 간의 이격거리와 천공 패턴의 폭을 도시한 모식도이다.
도 4는 전압 변화에 따른 1차 증착 및 2차 증착의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시양태에 따라 나노입자를 적층하는 모습을 보여주는 모식도이다.
도 6은 실시예 1에 따른 증착 패턴을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7 내지 9는 실시예 2, 3 및 비교예에 따른 실험결과를 보여주는 그래프이다.
도 10 내지 12는 실시예 4에서 증착시간에 따른 패턴 변화를 보여주는 SEM 사진이다.
도 13 내지 15는 실시예 5에서 전압 변화에 따른 구조물 형상 변화를 보여주는 SEM 사진이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따라 하전된 나노입자의 조립 구조물을 제조하는 과정을 보여주는 모식도이다. 본 발명의 방법은, 반응기 내부에 전기장을 형성시켜 하전된 나노입자로 조립된 3차원 구조물을 형성함에 있어서, 소정 너비(w)의 오프닝으로 패턴-천공된 마스크를, 패터닝하고자 하는 기판 위에 소정거리(d) 이격되도록 위치시키고, 전압을 인가하여 전기적 집속 렌즈를 형성함으로써 나노구조물의 3차원 조립을 유도하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 방법에 의하면, 전하와 전압을 직접 제어함으로써 하전입자의 집속도를 변화시킬 수 있어 마이크로 크기에서부터 나노 크기에 이르기까지 폭넓은 크기 범위의, 그리고 다양한 3차원 형상의 나노구조물 형성이 가능하다.
본 발명의 방법에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 접지된 반응기 내에서 전극 위에 기판을 위치시키고, 바람직하게는 일면 또는 양면에 전극층 또는 이온층을 갖는 패턴-천공(너비 w)된 마스크를 기판으로부터 소정거리(d) 이격되도록 위치시키고, 전압을 인가하여 전기적 집속 렌즈를 형성한다(도 3 참조).
기판과 마스크 간의 거리 (d)는 마스크에 천공된 패턴의 크기, 전압 크기 등에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 예를 들어 마스크에 천공된 패턴의 폭(w)이 0.5 ~ 50 ㎛ 인 경우, 기판과 마스크 간의 거리 (d)는 0.005 ~ 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 ~ 50 ㎛, 이다.
본 발명에 사용되는 패턴-천공된 마스크는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것일 수 있고 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 본 출원인의 선행특허인 대한민국등록특허 제10-0907787호를 참조할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 주입될 하전입자와 동일한 극(+, -)으로 하전된 기체 이온을 마스크 표면에 대해 주입함으로써 이온층을 형성할 수 있다. 이때 이온층 형성량은 마스크의 두께, 및 마스크 및 챔버에 인가되는 전압을 고려하여 적절히 결정된다. 상기 하전된 기체 이온은 코로나 방전과 같은 이온 공급장치를 이용하여 기체에 예를 들어 1 내지 10 kV 범위의 전압을 인가하여 제조할 수 있으며, 대표적인 예로서 질소 이온(N2+, N2-), 헬륨 이온(He+, He-) 및 아르곤 이온(Ar+, Ar-) 등을 들 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다.
패턴-천공된 마스크를 기판에 올려놓고 전압을 인가함에 있어서, 예를 들어, 양면에 전극층을 갖는 마스크를 기판(부도체) 위에 올려놓고 양 전극층 각각에 전압을 인가하거나, 또는 일면에 이온층을 갖는 마스크를 이온층 반대면이 기판과 접하도록 기판(도체 또는 반도체) 위에 올려놓고 기판에 전압을 인가하면, 반응기 내부,
즉 기판과 마스크 주변에 전기장이 형성되면서 전기적 집속 렌즈가 형성된다. 이때, 인가하는 전압의 값은 마스크의 크기, 및 하전입자의 크기 및 밀도에 따라서 적절히 선택할 수 있다.
하전입자의 도입은 통상적인 방법에 의해 다양하게 수행될 수 있으며, 예를 들어 미리 하전된 입자를 운반 기체와 함께 주입할 수도 있고, 전자스프레이(electrospray)에 의해 입자를 하전시키면서 주입할 수도 있다.
본 발명에 사용되는 하전입자는 통상의 방법에 따라 제조할 수 있는데, 예를 들어, 증발 및 응축법(evaporation and condensation method)을 이용하여 특정 물질(예: Ag)을 다분산 입자로 전환시킨 다음 이 입자를 방사성 물질(예: 210-폴로늄)을 이용해 볼츠만 분포로의 양극 하전(bipolar charge) 상태로 만든 후 미분형 정전분급기(differential mobility analyzer; DMA)를 통과시켜 단극으로 하전된 구형 입자를 추출할 수 있다.
본 발명에서 3차원 나노구조물 제조에 사용될 수 있는 재료는 금, 구리, 주석, 인듐, ITO, 흑연 및 은 중에서 선택된 전도성 물질; 카드뮴 산화물, 산화철 및 산화주석 중에서 선택된 부도체 물질로 코팅된 전도성 물질; 또는 실리콘, GaAs 및 CdSe 중에서 선택된 반도체 물질을 예로 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 증착 반응이 진행되는 동안 인가되는 전압을 변화시킴으로써 3차원 구조물의 형상을 다양하게 변화시킬 수 있다. 이 경우 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전압이 인가되는 동안 1차 증착이 진행되고 제2 전압이 인가되면 2차 증착이 진행되어 구조적 변화가 일어날 수 있다. 예를 들어 코어쉘 구조를 갖는 3차원 형상의 구조물을 용이하게 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 양태에 따라, 나노입자를 적층하는 과정에 마스크를 이동시켜가면서 나노입자를 적층하는 모습을 보여준다. 마스크 이동경로를 따라 나노입자가 적층되기 때문에 기울어진 형상의 3차원 구조물을 형성할 수 있다. 마스크 이동 속도는 0.01~10 ㎛/hr가 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이들은 단지 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이들로 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼를 반응기의 전극 위에 장착하였다.
마스크(실리콘 나이트라이드, SiN2)에 천공된 패턴은 너비가 4 ㎛ 인 스트라이프와 도트 형상으로 제작하였다. 기판과 마스크의 간격은 8 ㎛ 으로 하였다.
이어, 질소를 코로나 방전기(전압 5 kV)에 통과시킴으로써 통상적인 방법으로 이온을 제조하였다. 통상의 스파크방전을 이용하여 구리 나노입자를 생성하였다. 이온축적전압(ion-accumulation voltage) -3 kV 로 하여 20분간 기판상에 이온을 축적한 후 증착전압 -1.5 kV를 60 분간 기판에 인가하여 나노입자를 적층하였다. 그 결과 도 6의 사진으로 알 수 있는 바와 같이, 천공 패턴의 너비보다 훨씬 작은 약 1㎛ 폭을 갖는 라인 및 도트 패턴이 형성되었다.
<실시예 2>
기판과 마스크(스트라이프 패턴 천공)의 이격거리(d)를 4 ㎛으로 하고 이온축적전압과 증착전압을 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실험하면서 패턴 폭 변화를 관찰하였다. 결과는 도 7에 나타내었다.
<실시예 3>
기판과 마스크 간격을 8 ㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실험하였다. 결과는 도 8에 나타내었다.
<비교예>
기판과 마스크 간격을 0 ㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실험하였다. 결과는 도 9에 나타내었다.
도 7 내지 도 9의 결과로부터, 마스크와 기판의 거리가 멀어질수록 패턴 폭이 좁아지는 것을 확인할 수 있다.
<실시예 4>
도트패턴(너비 2 ㎛)으로 천공된 마스크를 기판과 4 ㎛ 이격시키고, 이온축적전압을 -3kV, 증착전압을 -1.5kV로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실험하였다. 20분, 40분 및 1시간 증착한 결과를 각각 도 10, 도 11 및 도 12에 나타내었다. 증착시간이 경과함에 따라 도 10 내지 도 12에 의하면, 직경 약 0.2 ㎛ 의 나노헤어 구조가 생성되는 것을 알 수 있다.
<실시예 5>
1차 증착은 -1.5kV 에서 60 분간, 2차 증착은 -3.0 kV 에서 60분간 실시한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 실시하여 코어쉘 구조의 3차원 구조물을 얻었다(도 13 내지 15 참조).

Claims (9)

  1. (1) 접지된 반응기 내에서, 패터닝하고자 하는 기판 위에, 소정 폭(w)으로 천공된 패턴을 가지며 일면 또는 양면에 전극층 또는 이온층을 갖는 부도체 마스크를 상기 기판으로부터 소정거리(d) 이격되도록 위치시키고, 상기 마스크 또는 기판에 전압을 인가하여 전기적 집속 렌즈(electrodynamic focusing lens)를 형성하는 단계; 및
    (2) 하전된 나노입자를 도입하여, 마스크의 패턴을 통해 하전입자를 기판으로 유도하여 하전된 나노입자가 기판에 집속 부착되도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 마스크의 패턴을 통해 하전입자를 기판으로 유도하는 단계 (2) 에서, 상기 마스크 또는 기판을 평행 또는 수직 방향으로 이동시키면서 하전된 나노입자를 집속시킴으로써 하전된 나노입자가 집속 부착되어 형성된 나노입자 구조물을 제조하는 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (2)에서 하전입자와 동일한 극으로 하전된 기체 이온을 마스크의 표면에 대해 주입하여 이온층을 축적하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이온층을 축적하는 단계에서 상기 하전입자와 반대되는 극성의 전압을 0.01~10 kV의 범위로 기판에 인가하는 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(2)에서 나노입자를 증착하는 단계에서 상기 하전입자와 반대되는 극성의 전압을 0.01~10 kV의 범위로 기판에 인가하는 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    천공 패턴의 폭(w)과, 기판 및 마스크의 이격거리(d)의 비(w:d)는 1: 0.01 ~ 10 인 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (2)에서, 전압 및 전류 공급장치, 배터리 또는 축전지를 이용한 전하와 전압의 제어를 통해 하전입자의 집속도를 변화시켜 나노입자 구조물의 형상을 변화시키는 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계 (2)가, 제1 전압에서 1차 증착하는 단계 및 제2 전압에서 2차 증착하는 단계를 포함하며, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 하전입자와 반대되는 극성의 0.01 ~ 10 kV 범위에서 선택되며 그 세기가 서로 다른 것을 특징으로 하는, 나노입자로 조립된 구조물 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조된 나노입자로 조립된 3차원 구조물.
KR1020120076891A 2012-07-13 2012-07-13 나노입자로 조립된 3차원 구조물 제조방법 KR101391010B1 (ko)

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