KR101411332B1 - 금속산화물나노선의 이온주입 성장방법 및 이를 이용한 금속산화물나노선 패턴 소자 - Google Patents

금속산화물나노선의 이온주입 성장방법 및 이를 이용한 금속산화물나노선 패턴 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면 기판에 금속산화물박막을 증착하는박막증착단계, 금속산화물박막에 이온을 주입하는 이온주입단계 및 상기 이온이 주입된 금속산화물박막을 가열하여 금속산화물나노선을 성장시키는 가열단계를 포함하는 이온주입 금속산화물나노선성장방법이 제공될 수 있다.

Description

금속산화물나노선의 이온주입 성장방법 및 이를 이용한 금속산화물나노선 패턴 소자 {Implanted-ion assisted growth method of metal oxide Nanowire and pattening device using the method}
본 발명은 금속산화물나노선 성장방법 및 이를 이용한 금속산화물 나노선 패턴소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온주입 금속산화물나노선 성장방법 및 이를 이용한 금속산화물나노선 패턴 소자에 관한 것이다.
나노선의 연구 및 개발에 대한 관심이 지속적으로 급증하면서, 각종 나노선의 합성법, 특성 분석, 그리고 응용 분야 등에 대한 연구가 활발히 진행됨에 따라 나노선 응용 소자를 개발하기 위해서는 나노선의 합성제어 기술이 필수적으로 요구된다.
나노선의 위치, 개수, 밀도 등의 제어에 관한 연구는 크게 세 가지 방향으로 진행되고 있다. 다량으로 합성된 나노선을 이동, 조립하여 소자 개발에 이용하는 연구, 합성제어를 통하여 개수 및 위치의 제어 기술을 개발하고 이를 소자에 적용하는 연구, 그리고 개별 나노선의 크기와 형상의 제어를 통한 물리적, 화학적 특성 변화에 관한 연구가 있다.
특히, 기존에 주로 쓰이던 나노 단위 리소그래피와 연계된 방식 역시 복잡한 공정을 내포하고 있거나, 양산체제에는 적합하지 않은 연구용 기술에 국한되어 있어 나노선을 다양한 소자로 응용하고 양산하는데 있어 큰 걸림돌이 되고 있다.
종래의 연구 내용들을 살펴보면, Daniel S. Engstrom, Veronica Savu, Xueni Zhu, Ian Y. Y. Bu, William I. Milne, JuergenBrugger, and Peter Boggild,NanoLett., 2011, 11, 1568-1574 "High Throughput Nanofabrication of Silicon Nanowire and CarbonNanotube Tips on AFM Probes by Stencil-Deposited Catalysts" 에서 나노스텐실(nanostencil) 리소그래피 기법을 통하여 촉매를 증착시킴으로써, 외팔보 배열 위에 Si 1차원 나노구조체및 CNT와 같은 1차원 구조물을 합성하여 AFM 탐침을 제작하는 연구를 수행하였음을 알 수 있다.
또한, Aur'eliePierret, Mo"iraHocevar, Silke L Diedenhofen, Rienk E Algra, E Vlieg, Eugene C Timmering, Marc A Verschuuren, GeorgeW G Immink, Marcel A Verheijen, and Erik P A M Bakkers, Nanotechnology, 2010, 21, 065305 "Generic nano-imprint process for fabrication of nanowire arrays" 에서 poly-di-methyl-siloxane (PDMS) 도장(stamp)의 형상을 기판 위에 나노임프린트(nanoimprint)법을 이용하여 전사하고 이를 통하여 기판위에 일정한 간격을 갖는 촉매를 증착함으로써나노구조체의 2차원배열을 연구하였다.
또한, Gu, G.; Zheng, B.; Han, W. Q.; Roth, S.; Liu, J. Nano Lett. 2002, 2, 849-851."Tungsten Oxide Nanowires on Tungsten" Vapor-solid (VS) 메커니즘으로금속산화물나노선을 합성하며, 텅스텐 기판을 고온에서 산화시켜 나노선을 성장시키는 내용을 알 수 있다.
또한, Ham, J.; Shim, W.; Kim, D. H.; Lee, S.; Roh, J.; Sohn, S. W.; Oh, K. H.; Voorhees, P. W.; Lee, W. Nano Lett. 2009, 9, 2867-2872."Direct Growth of Compound Semiconductor Nanowires by On-Film Formation of Nanowires Bismuth Telluride" BiTe나노선을압축응력법으로 합성하는 연구가 진행되었음을 알 수 있다.
나노선을 합성하는 방법 중에서 압축응력법은 촉매 및 전구물질이 필요 없기 때문에 공정이 쉽고 간편하며 소자에 응용하기 용이하다. 그러나 종래의 방법에 의할 경우 상대적으로 고온에서 합성하여야 하므로 나노선을 소자화하기 곤란한 문제점이 있으며, 정확한 패턴을 형성하기에도 곤란한 문제가 있었다.
한국공개특허 2013-0055309
본 발명의 실시 예들은 실리콘 기판 상에 금속산화물을 증착하고, 패턴이 형성될 부분에 이온을 주입하고 가열하여 종래의 압축응력법과 비교하여 상대적으로 낮은 온도에서 나노선을 성장시키고자 한다.
또한, 주입되는 이온의 종류 및 가속전압을 조절하여 최적의 나노선의 성장시키고자 한다.
또한, 부분이온 주입을 통하여 원하는 패턴을 기판 상에 형성하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면 기판(100)에 금속산화물박막(200)을 증착하는박막증착단계(S100);상기 금속산화물박막(200)에 이온(400)을 주입하는 이온주입단계(S200); 및상기 이온(400)이 주입된 금속산화물박막(200)을 가열하여 금속산화물나노선(500)을 성장시키는 가열단계(S300)를 포함하는 이온(400)주입 금속산화물나노선 성장방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 실리콘인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 박막증착단계(S100)는 진공증착장비 (Electron-beam evaporator) 혹은 스퍼터 장비를 통해 증착하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 박막증착단계(S100)에 의하여 증착되는 금속산화물의 두께는 10nm 이상 20nm이하 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)은 Ga, As, Ar, N2, B 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)는 집속이온빔(focused-ion-beam) 혹은 이온주입기(ion implanter) 장비를 이용하여 이온(400)을 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 박막증착단계(S100) 후 이온(400)이 부분적으로 주입되도록 위하여 쉐도우마스크(300)를 설치하는 쉐도우마스크(300)설치단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 집속이온빔을 이용하여 상기 금속산화물박막(200) 상에 부분적으로 패턴을 형성하여 이온(400)을 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)의 도즈량은 1 ~ 9×015 ions/cm2인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)의 도즈량 또는 이온(400)의 가속전압은 이온(400)의 종류 및 박막의 상태에 따라 조절가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열단계(S300)는 가열로에 의하여 가열하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열로는 펌프에 의하여 진공상태에서 질소,아르곤, 헬륨 등의 비활성가스를 흘려 가열하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열단계(S300)에서의 가열 온도는 약 600도 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면,기판(100)에 금속산화물박막(200)을 증착하는박막증착단계(S100);상기 금속산화물박막(200)에 이온(400)을 주입하는 이온주입단계(S200); 및상기 이온(400)이 주입된 금속산화물박막(200)을 가열하여 금속산화물나노선(500)을 성장시키는 가열단계(S300)를 포함하는 이온(400)주입 금속산화물나노선 성장방법을 이용하여 상기 이온주입단계(S200)에서 이온(400)이 주입된 부분에 금속산화물나노선(500) 패턴이 형성되는 금속산화물나노선(500) 패턴소자가 제공될 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 실리콘인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 박막증착단계(S100)는 진공증착장비 (Electron-beam evaporator) 혹은 스퍼터 장비를 통해 증착하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 박막증착단계(S100)에 의하여 증착되는 금속산화물의 두께는 10nm 이상 20nm이하 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)은 Ga, As, Ar, N2, B 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)는 집속이온빔 혹은 이온주입기 장비를 이용하여 이온(400)을 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 박막증착단계(S100) 후 이온(400)이 부분적으로 주입되도록 위하여 쉐도우마스크(300)를 설치하는 쉐도우마스크(300)설치단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 집속이온빔을 이용하여 상기 금속산화물박막(200) 상에 부분적으로 패턴을 형성하여 이온(400)을 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)의 도즈량은1 ~ 9×1015 ions/cm2인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)의 도즈량 또는 이온(400)의 가속전압은 이온(400)의 종류 및 박막의 상태에 따라 조절가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열단계(S300)는 가열로에 의하여 가열하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열로는 펌프에 의하여 진공상태에서 질소, 아르곤, 헬륨 등의비활성가스를 흘려 가열하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열단계(S300)에서의 가열 온도는 약 600도 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 실리콘 기판 상에 금속산화물을 증착하고, 패턴이 형성될 부분에 이온을 주입하고 가열하여 종래의 압축응력법과 비교하여 상대적으로 낮은 온도에서 나노선을 성장시킬 수 있다.
또한, 주입되는 이온의 종류 및 가속전압을 조절하여 최적의 나노선의 성장시킬 수 있다.
또한, 부분이온 주입을 통하여 원하는 패턴을 기판 상에 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 나노선을 성장시키는 단계의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 패턴을 형성시켜 나노선을 성장시키는 단계의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 이온주입기를 통하여 나노선을 성장시키는 단계를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 집속이온빔을 통하여 나노선을 성장시키는 단계를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에따른 성장한 나노선을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에따라 집속이온빔 장비를 이용하여 산화 텅스텐 나노선을 부분적으로 합성한 결과를 주사전자현미경(scanningelectron microscopy: SEM)으로 본 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 이온주입기를 이용해서 다양한 이온, As, Ar, N2 을 주입하여 산화 텅스텐 나노선을 저온에서 합성한 주사전자현미경 사진과 투과전자현미경(transmission electron microscopy: TEM) 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 나노선(500)을 성장시키는 단계의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 패턴을 형성시켜 나노선(500)을 성장시키는 단계의 흐름도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 이온(400)주입기를 통하여 나노선(500)을 성장시키는 단계를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 집속이온빔을 통하여 나노선(500)을 성장시키는 단계를 도시한 것이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 성장한 나노선(500)을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일측면에따른 이온(400)주입 금속산화물나노선 성장방법은 기판(100)에 금속산화물박막(200)을 증착하는박막증착단계(S100), 상기 금속산화물박막(200)에 이온(400)을 주입하는 이온주입단계(S200) 및상기 이온(400)이 주입된 금속산화물박막(200)을 가열하여 금속산화물나노선(500)을 성장시키는 가열단계(S300)를 포함한다.
기판(100)으로는 실리콘 등이 이용될 수 있으며, 금속산화물을 기판(100)에 증착하기 위해서는 진공증착장비 (Electron-beam evaporator) 혹은 스퍼터 장비가 이용될 수 있다.
박막증착단계(S100)에 의하여 증착되는금속산화물박막(200)의 두께는 10nm 이상 20nm이하이며, 이는 필요에 따라 조절할 수 있다.
금속산화물박막(200)이 증착된 기판(100)이 마련되면, 패턴이 형성되어야 할 부분에 이온(400)을 주입하게 된다.
이온(400)을 기판(100) 전체에 주입하게 되면 기판(100) 전체에서 나노선(500)이 성장하게 되므로, 패턴을 형성하고자 하는 경우에는 마스크를 설치하여 패턴이 형성되어야 할 부분에만 이온(400)이 주입되도록 한다. 이때, 마스크를 이용하는 경우뿐만 아니라, 집속이온빔 장치를 이용하여 필요한 부분에 이온(400)을 주입하는 것도 가능하다. 집속이온빔 장치를 이용하는 경우 집속이온빔 장치의 프로그램을 이용하여 원하는 패턴을 형성하면서 부분적으로 이온(400)을 주입하는 것이다.
이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)은 Ga, As, Ar, N2, B 등 다양한 이온(400)이 이용되며, 주입되는 이온(400)의 도즈량은1 ~ 9×015 ions/cm2이다. 또한, 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온(400)의 도즈량 또는 이온(400)의 가속전압은 이온(400)의 종류 및 박막의 상태에 따라 조절할 수 있다.
이후 가열단계(S300)는 가열로에 의하여 가열하게 되는데, 가열단계(S300)에서는 박막 전체에 압축응력이 발생하지만 이온(400)이 주입된 영역은 주입된 이온(400)에 의해 추가된 압축응력에 의해 상대적으로 낮은 온도에서도 나노선(500)을 성장시키기 충분한 압축응력에 도달하게 되어 나노선(500)이 성장한다.
이온(400)주입없이 나노선(500)이 성장하는데 필요한 최소 온도는 700도 이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 집속이온빔 장비를 이용하여 산화 텅스텐 나노선(500)을 부분적으로 합성한 결과를 주사전자현미경으로 본 것이다. 그림 (a)는 Ga이온(400)의 도즈량을 1×1015, 3×1015, 5×1015, 7×1015 and 9×1015 ions/cm2로 변화시켜가며 주입한 후 600도에서 가열한 결과를 1~5번 사각형 패턴으로 보여주고 있다. 6번 패턴은 나노 사이즈의 패턴을 형성하여 부분적으로 합성한 결과이고 그림 (b)에서 확대한 사진으로 보여주고 있다. 특히 그림 (b)의 확대 사진인 그림 (c)에서 보여주고 있는 것처럼 75×75 nm2의 이온(400) 주입 패턴에서 1개의 나노선(500)을 합성한 결과를 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 이온주입기를 이용해서 다양한 이온(400), As, Ar, N 을 5×1015의 도즈량으로 주입하여 산화 텅스텐 나노선(500)을 저온에서 합성한 주사전자현미경 사진과 투과전자현미경 사진이다. 그림 (a)~(c)는 각각 As, Ar, N2이온(400)을 주입하여 나노선(500)을 600도에서 합성한 결과와 그 확대 사진을 보여주고 있다. 그림 (d)는 그림 (a)에서 합성된 나노선(500)을 투과전자현미경으로 분석한 결과이고 그림 (e)와 (f)를 통해 나노선(500)의 결정구조와 성분을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판(100)에 금속산화물박막(200)을 증착하는박막증착단계(S100);상기금속산화물박막(200)에 이온(400)을 주입하는 이온주입단계(S200); 및 상기 이온(400)이 주입된 금속산화물박막(200)을 가열하여 금속산화물나노선(500)을 성장시키는 가열단계(S300)를 포함하는 이온(400)주입 금속산화물나노선 성장방법을 이용하여 상기 이온주입단계(S200)에서 이온(400)이 주입된 부분에 금속산화물나노선(500) 패턴이 형성되는 금속산화물나노선(500) 패턴소자가 제공될 수 있으며, 그 특징은 상술한 바와 같다.
100 : 기판 200 : 금속산화물박막
300 :쉐도우마스크 400 : 이온
500 :나노선

Claims (26)

  1. 기판에 금속산화물박막을 증착하는 박막증착단계(S100);
    상기 금속산화물박막에 이온을 주입하는 이온주입단계(S200); 및
    상기 이온이 주입된 금속산화물박막을 가열하여 금속산화물나노선을 성장시키는 가열단계(S300)를 포함하는 이온주입 금속산화물나노선 성장방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘인 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물나노선 성장방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막증착단계(S100)는 진공증착장비 (Electron-beam evaporator) 혹은 스퍼터 장비를 통해 증착하는 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막증착단계(S100)에 의하여 증착되는 금속산화물의 두께는 10nm 이상 20nm이하 인 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물나노선 성장방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온은 Ga, As, Ar, N2, B 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물나노선 성장방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온주입단계(S200)는 집속이온빔 혹은 이온주입기 장비를 이용하여 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막증착단계(S100) 후 이온이 부분적으로 주입되도록 위하여 쉐도우마스크를 설치하는 쉐도우마스크설치단계(S150)를 더 포함하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 집속이온빔을 이용하여 상기 금속산화물박막 상에 부분적으로 패턴을 형성하여 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온의 도즈량은 1 ~ 9×1015 ions/cm2인 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온의 도즈량 또는 이온의 가속전압은 이온의 종류 및 박막의 상태에 따라 조절가능한것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열단계(S300)는 가열로에 의하여 가열하는 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가열로는 펌프에 의하여 진공상태에서 질소, 아르곤, 헬륨 중 어느 하나의 기체를 흘려 가열하는 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열단계(S300)에서의 가열 온도는 600도 인 것을 특징으로 하는 이온주입 금속산화물 나노선 성장방법.
  14. 기판에 금속산화물박막을 증착하는박막증착단계(S100);
    상기 금속산화물박막에 이온을 주입하는 이온주입단계(S200); 및
    상기 이온이 주입된 금속산화물박막을 가열하여 금속산화물나노선을 성장시키는 가열단계(S300)를 포함하는 이온주입 금속산화물나노선 성장방법을 이용하여 상기 이온주입단계(S200)에서 이온이 주입된 부분에 금속산화물나노선 패턴이 형성되는 금속산화물나노선 패턴소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘인 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 박막증착단계(S100)는 진공증착장비 (Electron-beam evaporator) 혹은 스퍼터 장비를 통해 증착하는 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 박막증착단계(S100)에 의하여 증착되는 금속산화물의 두께는 10nm 이상 20 nm이하 인 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온은 Ga, As, Ar, N2, B 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 이온주입단계(S200)는 집속이온빔 혹은 이온주입기 장비를 이용하여 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 박막증착단계(S100) 후 이온이 부분적으로 주입되도록 위하여 쉐도우마스크를 설치하는 쉐도우마스크설치단계(S150)를 더 포함하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 집속이온빔을 이용하여 상기 금속산화물박막 상에 부분적으로 패턴을 형성하여 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  22. 제 14 항에 있어서
    상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온의 도즈량은1 ~ 9×1015 ions/cm2인 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  23. 제 14 항에 있어서
    상기 이온주입단계(S200)에서 주입되는 이온의 도즈량 또는 이온의 가속전압은 이온의 종류 및 박막의 상태에 따라 조절가능한것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  24. 제 14 항에 있어서
    상기 가열단계(S300)는 가열로에 의하여 가열하는 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  25. 제 24 항에 있어서
    상기 가열로는 펌프에 의하여 진공상태에서 질소, 아르곤, 헬륨 중 어느 하나의 기체를 흘려 가열하는 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
  26. 제 14 항에 있어서
    상기 가열단계(S300)에서의 가열 온도는 600도 인 것을 특징으로 하는 금속산화물나노선 패턴소자.
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