KR20030031334A - 금속 나노선의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 금속 나노선의 제조방법은 나노리소나 조작기술을 전혀 사용하지 않고 공정중에 바로 기판상에 텅스텐 나노선을 성장시키는 방법으로, 공정중에 바로 원하는 기판의 원하는 위치에 선택적으로 텅스텐 나노선을 성장시켜서 집접화할 수 있도록 함으로써, 종래의 기술에서 벌크 텅스텐 조각이나 수mm 두께의 텅스텐선을 식각용액에서 담그어 전체나 끝을 가공하거나 혹은 반도체 미세사진식각 및 리소공정을 사용하여 마이크로 팁을 구현하던 방식과는 달리 나노크기의 직경을 갖는 나노선을 대량으로 기판상에 성장시킬 수 있어서, 금속 나노선을 이용한 나노전자/스핀소자류, 나노기계류, 탐침류, 전자방출 표시장치, 나노생체구동기 등을 위한 작동 핵심체 및 결선기술 등에 양산기술에 유용하게 이용될 수 있다.

Description

금속 나노선의 제조방법{FABRICATING METHOD OF METALLIC NANOWIRES}

본 발명은 금속 나노선의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노선을 별도의 리소공정 없이 기판 상에 다량으로 성장시킬 수 있도록 하는 금속 나노선의 제조방법에 관한 것이다.

소형화와 집적화 정도가 과거 수십년에 비교하여 빠르고 지속적으로 이루어진다면 새로운 접근방법이 반드시 필요하게 될 것이다. 현재, 제품화된 실리콘에서 구현된 최소구조는 약0.35μm이고 앞으로 약 0.1μm 수준까지는 가능할 것으로 전망되고 있으나, 그 이하는 종래의 리소기술에 근거한다면 큰 장벽이라고 보여진다. 따라서 소자 제조에 있어서도 현재의 "top-down" 방식으로 부터 "bottom-up"으로 대치되어야 할 것이다. 탄소 나노튜브는 1991년도 일본의 이지마 교수가 발견한 이래로 특이한 전기적 특성 및 기계적 특성이 알려지면서 큰 주목을 받는 차세대 신소재 재료이다.

나노크기의 고집적소자나 기계부품류를 형성하는데 있어서 기존 리소그래피기술에 의존하지 않는 self-assemly나 1차원 양자선인 나노선이나 나노로드의 성장등이 이 범주에 속한다. 전자가 이미 확립된 기술에 의존하여 규칙성과 재현성이 뛰어나 집적화에 장점이 있으나 리소기술 발전에 절대적으로 의존하는 반면, 후자는 재료 자체가 나노크기로 형성되는 메커니즘을 이용하기에 리소기술에 대한 의존도는 없는 반면 재현성과 정형화가 어려워 고수율의 집적화 분자소자 응용에 취약하다.

이러한 의미에서 나노구조물들에 대한 최근 수년간의 특성 연구 결과들은 나노선이나 나노막대들이 미래의 나노 전자공학과 나노기계구조의 기반을 형성할 수 있다는 사실을 조심스럽게 시사한다.

그 가운데에서도 특히 금속 나노선들은 원자현미경이나 STM 등의 탐침이나 전자방출표시장치의 전자방출용 팁으로써 사용되고 있으며, 주로 고도의 미세식각공정을 사용하여 제조되고 있다. 이렇게 제조되는 팁들은 도 1의 (가)사진에서와 같이 벌크재료를 미세식각하여 가공하므로 넓은 기저면을 가지며 위로 향하면서 날카로와지는 구조를 가지도록 식각가공된다. 이러한 경우, 제조된 팁의 모양이 모두 다르기 때문에 정형화하기가 매우 어렵다. 또한, 전계방출 표시소자나 증폭기 등의 전자방출원으로 응용되기 위해서는 1μm 크기의 홀안에 이러한 팁을 균일하게 식각가공하여 형성하여야 하는데, 이 또한 용이하지 못한 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 금속 나노선을 별도의 리소공정 없이 공정중에 바로 기판상에 다량성장시킬 수 있도록 하는데 적합한 금속 나노선의 제조방법를 제공함에 있다.

도 1의 종래의 기술로 제조된 텅스텐 팁과 본 발명에 따른 나노 팁의 비교사진.

(가)는 텅스텐 단결정을 잘라, 처리하여 끝 부분에 팁모양을 얻어낸 경우로, 팁의 직경은 mm급으로 가공되어 있음.

(나)는 탄소 나노튜브를 주형으로 사용하고, 이 나노튜브의 표면에 텅스텐을 박막코팅하여 제조한 텅스텐의 나노선 사진.

(다)는 본 발명에서 제조한 텅스텐 나노선의 SEM 사진.

도 2는 본 발명에서 기판 상에 직접 성장시킨 텅스텐 나노선의 전자주사현미경사진.

(가)는 기판상에 성장된 텅스텐 나노선의 사진.

(나)는 자기촉매용 박막의 두께 가변을 통한 나노선 성장밀도 조절한 상태의 사진.

(다)는 나노선의 성장시간 조절에 따른 성장밀도를 조절한 예의 사진.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여

전기로에서 기판의 표면에 소정두께의 절연막을 형성하고,

그 절연막이 형성된 기판의 표면에 증착장치에서 30nm~1000nm두께의 자기촉매 금속박막을 형성하며,

그 자기촉매 금속박막이 형성된 기판을 증착장치넣고 자기촉매 금속박막을 10초~4000초 동안 성장시켜서 자기촉매 금속박막의 전면에 나노선이 성장되도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 나노선의 제조방법이 제공된다.

이하, 상기와 같이 제조되는 본 발명 금속 나노선의 제조방법을 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

웨이퍼를 전기로에 넣고, 습식산화법으로 웨이퍼 상에 절연막인 산화막을 200~1000nm로 형성하고, 그와 같이 산화막이 형성된 기판의 표면에 e-beam증착기나 스퍼터 증착기를 이용하여 자기촉매 금속박막인 텅스텐 박막을 30~1000nm로 형성한 다음, 그 텅스텐 박막이 형성된 기판을 저압 CVD장치에서 성장공정을 진행하여 개별 나노선이나 다발로 형성되어 있는 나노선이 형성되어 진다.

그 제조순서를 구체적으로 설명하면,

가) 상기의 산화막을 형성하는 공정은 전기로에 웨이퍼를 넣고, 전기로를 1100℃로 유지하는 상태에서 습식산화법으로 웨이퍼의 표면에 500nm의 산화막을 형성시킨다.

나)그런후, 금속 나노선 성장을 위한 자기촉매 금속박막을 형성시키기 위하여 99.9% 이상의 순도를 가지는 텅스텐으로된 기판금속 소스를 스퍼터링 증착기의 내부에 장착하고, 증착기의 온도를 상온~300℃ 정도로 유지하는 상태에서 스퍼터링하여 표면에 30~1000nm의 텅스텐 박막이 형되도록 한다.

다)그런후, 상기와 같이 텅스텐 박막이 형성된 웨이퍼를 저압 CVD장비에 넣고, Ar/H₂가스를 30~300sccm사이로 주입하며, 가스압력 10mtorr~100torr에서 약 10초~4000초 동안 성장을 시키면 텅스텐 박막이 자기 스스로 희생되어 전면에 나노선이 성장되는데, 이와 같이 성장이 일어날때 공정실의 내부 온도는 500~850℃의 범위로 유지한다.

상기와 같은 방법에 의하여 최종적으로 성장된 텅스텐 나노선은 도 2의 (가)의 사진에서와 같이 직성성이 매우 우수하고, 고밀도인 것이 특징이고, 직경이 약10~100nm의 크기로 성장되었으며, 4인치 직경의 웨이퍼 전면에 매우 고르게 형성되었다.

한편, 텅스텐 나노선의 면밀도 조절은 나노선의 성장시간과 자기촉매용 금속박막의 두께를 가변하여 조절할 수 있는데, 도 2의 나)사진에서 나타나듯이 나노선의 성장시간을 가변한 경우와 다)의 사진에서 나타나듯이 텅스텐 박막의 두께를 가변함에 따라 성장밀도가 현저히 달라지는 결과에서 확인되었다.

본 발명에 따른 텅스텐 나노선의 성장에서 나타나는 큰 특징의 하나는 도 2의 다)사진에서와 같이 사용된 금속박막의 전면적이 나노선 성장에서 자기촉매 역할을 하는 동시에 자체가 나노선으로 성장 전개해 나간다는 것이다.

즉, 본 발명은 나노리소나 조작기술을 전혀 사용하지 않고 공정중에 바로 기판상에 텅스텐 나노선을 완벽하게 성장시킬 수 있는 것으로, 이는 종래의 기술에서 벌크 텅스텐 조각이나 수mm 두께의 텅스텐선을 식각용액에서 담그어 전체나 끝을 가공하거나 혹은 반도체 미세사진식각 및 리소공정을 사용하여 마이크로 팁을 구현하던 방식과는 달리 별도의 나노리소 없이 박막기술을 이용하여 직접 나노크기의 직경을 갖는 나노선을 대량으로 기판상에 성장시키는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 금속 나노선의 제조방법은 기판상에 직접 텅스텐 나노선을 성장시키는 방법으로, 공정중에 바로 원하는 기판의 원하는 위치에 선택적으로 텅스텐 나노선을 성장시켜서 집접화할 수 있도록 함으로써, 금속 나노선을 이용한 나노전자/스핀소자류, 나노기계류, 탐침류, 전자방출 표시장치, 나노생체구동기 등을 위한 작동 핵심체 및 결선기술 등에 양산기술로 이용될 수 있다.

Claims (4)

1. 전기로에서 기판의 표면에 소정두께의 절연막을 형성하고,

   그 절연막이 형성된 기판의 표면에 증착장치에서 30nm~1000nm두께의 자기촉매 금속박막을 형성하며,

   그 자기촉매 금속박막이 형성된 기판을 증착장치내에 넣고 자기촉매 금속박막을 10초~4000초 동안 성장시켜서 자기촉매 금속박막의 전면에 나노선이 성장되도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 나노선의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 절연막은 웨이퍼의 표면에 습식산화법에 의하여 형성되는 산화막인 것을 특징으로 하는 금속 나노선의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 자기촉매 금속박막은 99.9% 이상의 텅스텐 금속 소스를 스퍼터링 증착기에 장착하고, 상온~300℃의 온도에서 스퍼터링에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 나노선의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 자기촉매 금속박막의 성장은 챔버의 내부로 Ar/H₂가스를 30~300sccm으로 주입하고, 가스압력 10mtorr~100torr, 온도 500~850℃의 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노선의 제조방법.