KR102190711B1 - 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조 및 상기 분광기판의 제조방법 - Google Patents

복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조 및 상기 분광기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판에의 접합력이 우수한 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조 및 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법을 제안한다. 상기 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판 구조는, 기판, 상기 기판의 상부에 형성되는 나노포러스 구조의 증착막 및 상기 기판과 상기 나노포러스 구조의 증착막 사이에 증착되는 접합력 향상용 박막으로 구성되며,

Description

복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조 및 상기 분광기판의 제조방법 {Structure and manufacturing method for substrate of surface enhanced raman scattering of nanoporous-structure using a plurality of sources for nano-structure}
본 발명은 표면증강 라만 분광법(Surface Enhanced Raman Scattering; SERS)에 사용되는 3차원 나노포러스(nanoporous) 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 나노 입자와 나노 입자의 크기가 서로 다른 복수의 클러스터 소스를 동시 또는 번갈아 가면서 증착시키고 나노포러스 구조의 증착막과 기판 사이에 특정 박막을 형성시킴으로써, 한편으로는 나노 클러스터 입자의 크기 및 나노 갭을 정밀하게 제어할 수 있으며, 다른 한편으로는 나노포러스 구조의 증착막의 기판에 대한 접합력을 향상시킬 수 있는 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조 및 상기 분광기판의 제조방법에 관한 것이다.
라만 산란(Raman scattering)이란 입사되는 광자의 에너지(hv)가 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 에너지(hv')로 산란하는 현상이며, 이때의 산란은 비탄성 산란에 속한다. 라만 산란은 광자와 상호작용하여 산란을 유도하는 분자구조에 따라 고유의 광자 에너지 변화(Raman shift) 형태를 나타내므로, 분자의 검출, 확인 및 분석을 하는데 효과적으로 사용할 수 있다.
라만 산란은 본질적으로 신호가 약하여 분자의 검출을 위해서는 고출력의 레이저에 오랜 시간의 노출이 필요하며, 이와 같은 라만 신호를 강화하여 고감도 검출을 하기 위하여 사용되는 기술 중 하나가 표면증강 라만 분광법이다.
도 1은 표면증강 라만 분광법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 표면증강 라만 분광법(SERS)은 라만 신호(SERS signal)를 내는 분자(Molecules)가 금속 나노 구조체(Nanostructured substrate) 표면에 있을 때 신호의 세기가 단 분자 수준까지 검지할 수 있을 정도로 증강되는 현상을 이용하는 방법이다. 즉, 표면증강 라만 분광법(SERS)은 극미세 금속구조물인 금속 나노 구조체를 이용하여 국소적으로 전자기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 기술로서, 금, 은, 구리, 백금 및 알루미늄 등의 금속이 사용되며, 극미세 금속구조로는 액상의 나노입자(nanoparticle), 기판 위에 배열된 나노입자 또는 각종 반도체 공정기법을 이용하여 형성된 나노구조체 등이 있다.
일반적으로 금속 나노구조체를 구성하는 나노 입자들 사이의 거리 즉 나노 갭은 작을수록 표면증강 라만 분광법(SERS)으로 생성되는 라만 신호의 강도가 증가하므로 나노 갭을 최소로 하는 것이 바람직하고, 금속 나노구조체가 장착되는 기판에 대한 접합력이 충분해야 하는 조건을 만족하여야 한다.
대한민국 등록특허 10-1813659호(2017년12월22일)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기판에의 접합력이 우수한 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조를 제안하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 한편으로는 기판에의 접합력이 우수하고 다른 한편으로는 나노 갭을 제어할 수 있는 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법을 제안하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판 구조는, 기판, 상기 기판의 상부에 형성되는 나노포러스 구조의 증착막 및 상기 기판과 상기 나노포러스 구조의 증착막 사이에 증착되는 접합력 향상용 박막으로 구성되며, 상기 나노포러스 구조의 증착막은 서로 다른 크기의 나노 입자, 나노 입자와 상기 나노 입자를 응축 및 응집을 통해 일정한 크기로 생성한 나노 클러스터 입자 및 서로 다른 크기의 복수의 나노 클러스터 입자가 혼합되어 형성되며, 상기 접합력 향상용 박막은 상기 나노포러스 구조의 증착막과 동일한 금속의 나노 입자를 이용하거나, 타이타늄(Ti, Titanium)이나 크롬(Cr, Chromium)의 나노 입자를 이용하여 생성한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법은, 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버의 내부에 설치된 나노구조 형성용 소스 를 이용하여 상기 프로세스 챔버 내에서 상기 청구항 제2항에 기재된 상기 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판을 생성하는 방법으로, 서로 다른 크기의 복수의 나노 입자, 나노 입자와 상기 나노 입자를 응축을 통해 응집시킨 나노 클러스터 입자 및 서로 다른 크기의 복수의 나노 클러스터 입자를 상기 기판의 상부에 동시에 또는 순차적으로 스퍼터링 하여 나노포러스 구조의 증착막을 형성하는 나노포러스 증착막 형성단계를 수행한다.
본 발명은 나노 입자와 나노 입자의 크기가 서로 다른 복수의 클러스터 소스를 동시 또는 번갈아 가면서 증착시키고 기판과 나노포러스 구조의 증착막과 기판 사이에 특정 박막을 형성시킴으로써, 한편으로는 나노 클러스터 입자의 크기 및 나노 갭을 정밀하게 제어할 수 있으며, 다른 한편으로는 나노포러스 구조의 증착막의 기판에 대한 접합력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 표면증강 라만 분광법을 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조의 일 실시 예이다.
도 3은 소스의 차이에 따른 나노포러스 구조의 증착막의 형태를 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 찍은 것을 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 구조의 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판을 생성하는데 사용되는 나노구조 형성장치의 실시 예를 나타내는 블록도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 핵심 아이디어는, 기판의 상부에 형성되는 나노포러스 구조의 증착막을 구성하는 나노 금속(나노 입자 또는 나노 클러스터 입자) 사이의 간격을 최소로 하기 위하여, 증착막을 서로 다른 크기의 나노 입자와 나노 클러스터 입자를 이용하여 나노포러스 구조의 증착막을 생성하도록 하고, 나노포러스 구조의 증착막의 기판에 대한 접합력을 향상시키기 위해 기판과 나노포러스 구조의 증착막 사이에 접합력 향상용 막을 형성하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조의 일 실시 예이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조(이하 라만 분광기판의 구조)는, 기판(210)의 상부에 접합력 향상용 제1박막(220), 접합력 향상용 제2박막(230) 및 나노포러스 구조의 증착막(240)이 순서대로 배열되는 것이 바람직하다.
기판(210)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 유리(Glass), 석영(Quartz) 및 폴리머(Polymer) 중 어느 하나를 포함하는 비금속 물질로 이루어지는 것이 일반적이다.
접합력 향상용 제1박막(220)은 후술하는 접합력 향상용 제2박막(230)의 기판(210)에 대한 접착능력을 향상시키기 위해 필요에 따라 형성하는 것으로 접합력 향상용 제2박막(230)의 구성물질에 따라 타이타늄(Ti, Titanium)이나 크롬(Cr, Chromium)을 이용하여 구현할 수 있다. 그러나 접합력 향상용 제1박막(220)의 설치 여부는 실시 예에 따라 선택할 수 있다.
접합력 향상용 제2박막(230)은 후술하는 나노포러스 구조의 증착막(240)의 기판(210)에의 접합력을 향상시키기 위해 설치하는 것으로, 나노포러스 구조의 증착막(240)을 형성하는 금속과 동일한 금속으로 구현하는 것이 바람직하다.
나노포러스 구조의 증착막(240)은 크기가 서로 다른 나노 입자, 크기가 서로 다른 나노 클러스터 입자를 이용하여 생성시킨 것을 의미한다.
이하의 설명에서 나노 클러스터 입자는 개별 나노 입자를 응축을 통해 응집시킨 입자를 의미하며, 따라서 개별 나노 입자에 비해 나노 클러스터 입자의 크기가 더 크다. 나노 클러스터 입자의 크기도 서로 다르게 조절할 수 있으므로, 나노포러스 구조의 증착막(240)을 구성하는 나노 입자의 크기는 적어도 2개가 되도록 할 수 있을 것이다.
동일한 종류의 금속 클러스터 소스로 스퍼터링 할 때에는 스퍼터링 되는 입자의 크기가 서로 다르게 하기 위하여, 한편으로는 해당 금속의 개별 나노 입자를 스퍼터링하고, 다른 한편으로는 나노 금속(나노 입자)을 응축을 통해 응집시킨 나노 클러스터 입자를 스퍼터링 할 것을 제안한다. 이때, 크기가 서로 다른 입자를 동시에 또는 서로 번갈아 가면서 스퍼터링하는 것이 바람직하다.
서로 다른 종류의 금속 클러스터 소스를 혼합하여 스퍼터링 할 때에는 금속 입자(나노 입자)의 크기가 서로 다른 금속을 선택하는 것이 바람직하다.
기판의 표면에 박막을 형성할 때에는 개개의 나노 입자를 스퍼터링 하는 것이 일반적이므로, 나노 입자를 응축하여 응집한 나노 클러스터 입자와 나노 개별입자의 크기를 서로 다르게 되므로, 이들을 동시에 또는 번갈아 가면서 스퍼터링 하면 될 것이다.
상술한 바와 같이, 크기가 서로 다른 나노 입자를 동시에 또는 번갈아 가면서 기판(210)에 투사하기 때문에, 이들이 형성하는 3차원 구조의 나노포러스 구조의 증착막(240)에서 나노 금속 사이의 간격(이하, 나노 갭)이 최소로 된다. 설명의 편의를 위해 박막에 사용되는 소스를 박막공정용 소스라고 하고, 나노포러스 구조의 증착막 전용으로 사용되는 소스를 클러스터 소스라고 가정하고 설명한다.
3차원 나노포러스 구조의 증착막을 형성하기 위한 다양한 방법이 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 대한민국 등록특허 10-1813659호(2017년12월22일)에 기재되어 있는 스퍼터링 장치를 이용하여 제조하는 것으로 한정하고 설명한다.
기판(210)과 접하는 나노포러스 구조의 증착막(240)의 면적은 좁기 때문에 기판(210)에 단단하게 고착되어 있지 않았을 때에는 사용시 기판(210)으로부터 박리 될 수 있기 때문에 접합력 향상용 제2박막(230)이 먼저 기판(210)에 형성되는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 접합력 향상용 제2박막(230)을 구성하는 금속은 나노포러스 구조의 증착막(240)을 구성하는 금속과 동일한 것이 바람직하다. 나노포러스 구조의 증착막(240)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 이용하여 생성시킬 수 있다. 본 발명에서는 상기 금속에 접합력 향상용 제1박막(220) 및 접합력 향상용 제2박막(230)에 사용된 금속을 추가하여 나노포러스 구조의 증착막(240)을 생성할 것을 제안한다.
도 3은 소스의 차이에 따른 나노포러스 구조의 증착막의 형태를 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 찍은 것을 나타낸다.
도 3의 좌측의 상하 2개의 사진은 클러스터 소스 단독으로 공정을 수행하였을 때 형성된 나노포러스 구조의 증착막의 단면 및 표면을 찍은 것이고, 도 3의 오른쪽 상하 2개의 사진은 클러스터 소스와 박막공정용 소스를 동시에 증착하였을 때 형성된 나노포러스 구조의 증착막의 단면 및 표면을 찍은 것이다.
도 3을 참조하면, 클러스터 소스 단독으로 생성한 나노포러스 구조의 증착막의 나노갭보다 클러스터 소스와 박막공정용 소스를 혼합하여 생성한 나노포러스 구조의 증착막의 나노갭이 더 좁다는 것을 육안으로 확인할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 구조의 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판을 생성하는데 사용되는 나노구조 형성장치의 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 나노구조 형성장치(400)는, 챔버(410)에 내에 각각 설치되는 기판(420) 및 복수의 나노구조 형성용 소스(430; 431~433)를 포함한다. 실시 예에 따라서는 복수의 나노구조 형성용 소스(430; 431~433) 중 하나는 박막형성용 소스로 치환되어 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 화살표는 각각의 소스(430)로부터 기판(410)의 표면으로 방사되는 나노 입자의 흐름을 나타낸다.
도 4에는 복수의 나노구조 형성용 소스(430; 431~433)가 도시되어 있는데, 동일한 금속을 이용하여 기판에 나노포러스 구조의 증착막을 형성할 때, 적어도 2개의 나노구조 형성용 소스(430)를 사용하는 것이 바람직하며, 각각의 나노구조 형성용 소스(430)에서 기판으로 방출하는 나노 입자 또는 나노 클러스터 입자의 크기가 서로 다르게 한다. 상술한 바와 같이, 나노 클러스터 입자의 크기는 나노구조 형성용 소스(430; 431~433)가 제어할 수 있으므로 여기서는 자세하게 설명하지 않는다.
서로 다른 크기를 가지는 서로 다른 종류의 금속 입자를 사용하고자 할 때, 하나의 나노구조 형성용 소스(430)에서는 한 종류의 금속 나노 입자를 기판(210)에 스퍼터링하고 다른 하나의 나노구조 형성용 소스(430)에서는 다른 종류의 금속 나노 입자를 기판(210)에 스퍼터링 하게 될 것이다.
나노구조 형성용 소스(430) 중 하나의 소스가 박막(220, 230)을 형성하는데 사용되었다면, 하나의 나노구조 형성용 소스(430)와 더불어 박막(220, 230)을 형성하는데 사용되었던 나노 입자보다 크기가 큰 나노 클러스터 입자를 생성하는 다른 하나의 나노구조 형성용 소스(430)를 동시에 또는 번갈아 가면서 사용하면 원하는 나노포러스 구조의 증착막을 생성할 수 있을 것이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
210: 기판
220: 접합력 향상용 제1박막
230: 접합력 향상용 제2박막
240: 나노포러스 구조의 증착막
410: 프로세스 챔버
420: 기판
430: 나노구조 형성용 소스

Claims (4)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 형성되는 나노포러스 구조의 증착막; 및
    상기 기판과 상기 나노포러스 구조의 증착막 사이에 증착되는 접합력 향상용 박막;으로 구성되며,
    상기 나노포러스 구조의 증착막은 서로 다른 크기의 나노 입자, 나노 입자와 상기 나노 입자를 응축 및 응집을 통해 일정한 크기로 생성한 나노 클러스터 입자 및 서로 다른 크기의 복수의 나노 클러스터 입자가 혼합되어 형성되며,
    상기 접합력 향상용 박막은 크롬(Cr, Chromium)의 나노 입자를 이용하여 생성하는 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조.
  2. 제1항에서, 상기 접합력 향상용 박막은,
    일면이 상기 기판의 상부에 접하는 접합력 향상용 제1박막; 및
    일면이 접합력 향상용 제1박막의 반대 면에 접하고 반대 면이 상기 나노포러스 구조의 증착막과 접하는 접합력 향상용 제2박막; 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 접합력 향상용 제2박막은 나노포러스 구조의 증착막을 형성하는 금속과 동일하지만 크기가 작은 나노 입자를 이용하여 생성하며,
    상기 접합력 향상용 제1박막은 크롬을 이용하여 생성하는 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 구조.
  3. 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버의 내부에 설치된 나노구조 형성용 소스를 이용하여 상기 프로세스 챔버 내에서 상기 청구항 제2항에 기재된 상기 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판을 생성하는 방법으로,
    서로 다른 크기의 복수의 나노 입자, 나노 입자와 상기 나노 입자를 응축을 통해 응집시킨 나노 클러스터 입자 및 서로 다른 크기의 복수의 나노 클러스터 입자를 상기 기판의 상부에 동시에 또는 순차적으로 스퍼터링 하여 나노포러스 구조의 증착막을 형성하는 나노포러스 증착막 형성단계; 를
    수행하는 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법.
  4. 제3항에서,
    나노 입자를 개별적으로 상기 기판과 상기 나노포러스 구조의 증착막 사이의 기판 표면에 스퍼터링 하여 상기 접합력 향상용 박막을 형성하는 박막 형성단계;를
    더 수행하는 복수의 나노구조 형성용 소스를 이용하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법.
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