KR20040040575A - 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브현미경의 팁과 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일 탄소 나노튜브가 이용된 CD(Critical Dimension, 이하 CD라 함)-주사 프로브 현미경(Scanning Probe Microscopy)의 팁과 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법은 캔틸레버(cantilever)(1)에 뾰족하게 형성된 팁 위에 촉매물질(7)인 나노 입자의 혼합용액이 도포되는 단계; 상기 캔틸레버에 도포된 촉매물질(7)인 나노입자 혼합용액의 용매가 상온에서 증발되고 나노입자가 캔틸레버에 접착되는 단계; 상기의 나노입자가 접착된 캔틸레버를 메탄과 수소의 혼합 기체 분위기 챔버에 넣는 단계; 단일 탄소 나노튜브(6)가 성장할 팁의 위치가 선택되는 단계; 상기의 단일 탄소 나노튜브를 포함하여 성장 위치에 전자빔(5)을 조사하는 단계; 및 상기의 단일 탄소 나노튜브(6)가 수직적으로 성장되는 단계를 포함하여 제조됨에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁은 상기의 제조방법과 같이 기판 전체에 열반응을 일으키지 않고 탄소 나노튜브가 성장할 위치에만 국부적으로 전자빔을 조사하기 때문에 PZT 엑츄에이터가 장착된 캔틸레버에 있어서 PZT 엑츄에이터를 손상시키지 않고 단일 탄소 나노튜브를 성장시킬 수 있어서, 깊은 홈구조의 벽면구조 및 나노거칠기 측정에 활용될 수 있다.

Description

수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁과 그 제조방법{Scanning probe microscopy tip using carbon nanotube with vertical growth and its method}
본 발명은 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁과 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 CD(Critical Dimension, 이하 CD라 함) 주사 프로브 현미경의 프로브(probe, 탐침)에 탄소 나노튜브를 적용하는 제조방법에 관한 것으로서, 국부적으로 탄소 나노튜브가 성장할 위치에만 전자빔을 조사하여 단일 탄소 나노튜브를 수직적으로 성장시킨 팁과 그 제조방법에 관한 것이다.
CD-주사 프로브 현미경은 극미세 구조 및 깊은 홈의 벽면을 측정하기 위하여 캔틸레버(cantilever)의 움직임을 가능하게 하는 PZT 엑츄에이터(actuator)가 구비되어야 하며, 종횡비가 크고 끝이 날카로운 팁을 이용하여야 한다. 종회비가 크고 끝이 날카로운 팁을 제작하기 위해서는 실리콘 팁을 집속이온빔을 이용하여 식각하는 방법과 전자빔 조사(Electron Beam Induced, 이하 EBD)에 의한 탄소상 팁 또는 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT) 성장 등의 방안이 존재한다. 그러나 실리콘 팁을 집속이온빔을 이용하여 식각하는 방법은 제작공정이 난이하고 균일한 형상의 팁을 어렵다는 단점이 있으며, EBD 팁은 팁의 직경을 줄일 수 있는 한계가 있기 때문에 수십 나노미터 이하의 깊은 홈 구조를 관찰하기 위해서는 종횡비가 크고 직경을 제어할 수 있는 단일 탄소 나노튜브를 이용한 팁이 제작되어야 한다.
종래에는 "Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001) pp. 1425-1428" 에서와 같이 기존의 다발 형태의 탄소 나노튜브를 합성하여 분리한 후 전압을 인가하여 적당한 길이로 자르고, 제어기를 이용하여 캔틸레버 팁에 위치한 후 전자빔을 이용하여 접착을 행하는 방법이 제시되었으나, 이러한 방법은 여러가지 어려운 부수 공정이 요구되며, 비용이 많이 증가한다는 단점이 있었다.
이에 따라 단일 탄소 나노 튜브를 주사 프로브 현미경의 팁 위에 직접 성장시키는 방법이 제시되었다. "Appl. Phys. Lett., Vol. 80, No 12, 25 March 2002"에서와 미국특허 제6,457,350호, 미국특허 제6,346,189호에서는 캔틸레버에 뾰족한 팁을 만들어 나노 입자의 촉매물질을 도포하고 열반응을 통하여 단일 탄소 나노튜브를 성장시키는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 단일 탄소 나노튜브의 성장방법은 기판이나 샘플 전체에 고온의 열을 인가하여 촉매물질의 열반응을 일으켜야 하므로 PZT 박막 엑츄에이터를 필요로 하지 않는 경우에는 적용될 수 있는 방법이지만, 이 방법을 PZT 박막 엑츄에이터가 필수적인 CD-주사 프로브 현미경의 팁에 적용하게 되면, PZT 엑츄에이터에 열손상을 가져오게 되어 깊은 홈구조의 벽면구조를 관찰할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소 나노튜브를 CD-주사 프로브 현미경의 팁으로 형성시킬 때, 기판 전체에 열을 인가하지 않고, 전자빔을 이용하여 탄소 나노튜브가 성장할 위치에만 국부적으로 열반응을 시킴으로써 PZT 엑츄에이터의 열손상을 방지하여 나노 구조의 깊은 홈의 벽면구조를 관찰할 수 있는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 CD-주사 프로브 현미경의 팁을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 단일 탄소 나노튜브를 CD-주사 프로브 현미경의 팁으로 적용하기 위한 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.
((도면의 주요부분에 대한 부호의 설명))
1. 캔틸레버 2. 상부전극
3. PZT 박막 4. 하부전극
5. 전자빔 6. 탄소 나노튜브
7. 촉매물질
본 발명의 상기 목적은 CD(Critical Dimension, 이하 CD라 함)-주사 프로브 현미경(Scanning Probe Microscopy, SPM)의 팁 부분에 단일 탄소 나노튜브가 형성되는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁과 그 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명은 탄소 나노튜브를 CD-주사 프로브 현미경의 팁으로 형성시킬 때, 탄소 나노튜브가 위치하게 될 캔틸레버의 뾰족한 팁 부분에 촉매물질을 도포하고, 여기에 전자빔을 조사하여 국부적 열반응을 일으켜 단일 탄소 나노튜브를 형성시킨 주사 프로브 현미경의 팁과 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명에 의한 CD-주사 프로브 현미경의 팁을 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 CD(Critical Dimension) 주사 프로브 현미경의 캔틸레버(cantilever)(1) 로드(rod)위에는 상부전극(2)과 하부전극(4) 사이에 PZT 엑츄에이터(3)가 구비되어 있다. 그리고, 본 발명에 의하여 주사 프로브 현미경의 프로브는 뾰족하게 형성된 팁을 포함하는 캔틸레버(1); 상기 캔틸레버 위에 탄소 나노튜브의 촉매물질(7)이 접착되어 있는 층; 및 상기 촉매물질(7) 위에 수직으로 성장된 단일 탄소 나노튜브(6)로 이루어져 있다.
이때 상기 캔틸레버는 Si를 포함하는 재질이며, 캔틸레버 로드 부분에 박막으로 제작되는 PZT 엑츄에이터는 CD(Critical Dimension)와 같은 미세 구조의 홈 부분의 벽면 형상을 측정하기 위해서 X, Y축으로 캔틸레버 로드가 움직일 수 있는 역할을 한다. 또한, 상기의 탄소 나노튜브가 성장하기 위해 도포된 촉매물질 층은 나노 사이즈의 알루미나(Alumina) 20mg과 Fe(NO3)3·9H2O 20mg 및 MoO(acac)22mg이 균질하게 혼합되어 있는 물질로 이루어져 있다.
다음, 도 2는 본 발명에 따라 상기와 같은 단일 탄소 나노튜브를 CD-주사 프로브 현미경의 팁으로 적용하기 위한 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.
캔틸레버(cantilever)(1)에 뾰족하게 형성된 팁 위에 촉매물질(7)인 나노 입자의 혼합용액이 도포되는 단계; 상기 캔틸레버에 도포된 촉매물질(7)인 나노입자 혼합용액이 상온에서 용매증발되고 나노입자가 캔틸레버에 접착되는 단계; 상기의 나노입자가 접착된 캔틸레버(1)를 메탄과 수소의 혼합 기체 분위기 챔버에 넣는 단계; 단일 탄소 나노튜브(6)가 성장할 팁의 위치가 선택되는 단계; 상기의 단일 탄소 나노튜브를 포함하여 성장 위치에 전자빔(5)을 조사하는 단계; 및 상기의 단일 탄소 나노튜브(6)가 수직적으로 성장되는 단계를 포함하여 제조된다.
이때 상기 캔틸레버(cantilever)에 도포되는 촉매물질(7)은 나노 입자의 혼합 용액으로서, 메탄올 15ml에 나노 사이즈의 알루미나(Alumina) 20mg과 Fe(NO3)3·9H2O 20mg 및 MoO(acac)22mg을 24시간 내외로 혼합하여 1시간 내외의 시간동안 초음파 처리하여 제조한다. 그리고 이 혼합용액을 캔틸레버(1)에 도포한 뒤상온에서 용매인 메탄올이 증발되게 하고, 170℃에서 5분동안 열처리하여 용매증발된 나노입자가 캔틸레버에 접착되도록 한다. 이렇게 나노입자가 접착된 캔틸레버는 99.999%의 고순도 메탄 기체와 수소기체가 혼합된 혼합기체를 흘려주는 챔버에 넣고 원하는 성장 길이만큼의 시간동안 전자빔(5)을 조사하여 촉매에 의한 수직적으로 단일 탄소 나노튜브를 성장시킨다.
따라서, 본 발명의 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁과 그 제조방법은 단일 탄소 나노튜브를 촉매물질을 이용하여 성장시키되, 기판 전체에 열을 인가하지 않고 국부적으로 탄소 나노튜브가 성장할 부분에만 전자빔으로 열을 인가하기 때문에 PZT 엑츄에이터에 열손상을 주지 않고 단일 탄소 나노튜브를 성장시킬 수 있다. 따라서 이렇게 수직적으로 형성된 단일 탄소 나노튜브 팁은 나노 구조의 깊은 홈의 벽면구조를 관찰할 수 있는 CD-주사 프로브 현미경에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 캔틸레버(cantilever)(1)에 뾰족하게 형성된 팁 위에 촉매물질(7)인 나노 입자의 혼합용액이 도포되는 단계;
    상기 캔틸레버에 도포된 촉매물질(7)인 나노입자 혼합용액이 상온에서 용매증발되고 나노입자가 캔틸레버에 접착되는 단계;
    상기의 나노입자가 접착된 캔틸레버(1)를 메탄과 수소의 혼합 기체 분위기 챔버에 넣는 단계;
    단일 탄소 나노튜브(6)가 성장할 팁의 위치가 선택되는 단계;
    상기의 단일 탄소 나노튜브를 포함하여 성장 위치에 전자빔(5)을 조사하는 단계; 및
    상기의 단일 탄소 나노튜브(6)가 수직적으로 성장되는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버(cantilever)에 도포되는 나노 입자의 혼합 용액은
    메탄올 15ml에 나노 사이즈의 알루미나(Alumina) 20mg과 Fe(NO3)3·9H2O 20mg및 MoO(acac)22mg이 소정의 시간동안 혼합된 후 소정의 시간동안 초음파 처리된 혼합 용액임을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 캔틸레버(cantilever)에 도포되는 나노 입자의 혼합 용액은 24시간 내외로 혼합된 후 1시간 내외의 시간동안 초음파 처리되는 것을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버에 도포된 나노입자 혼합용액이 상온에서 용매증발되고 나노입자가 캔틸레버에 접착되는 단계에서는 용매증발된 나노입자가 열처리되어 캔틸레버에 접착됨을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 용매증발된 나노입자가 170℃에서 5분동안 열처리되어 캔틸레버에 접착됨을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기의 혼합 기체는 99.999%의 고순도의 메탄 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  7. CD(Critical Dimension) 주사 프로브 현미경의 프로브에 있어서,
    뾰족하게 형성된 팁을 포함하는 캔틸레버(1);
    상기 캔틸레버 위에 탄소 나노튜브의 촉매물질(7)이 접착되어 있는 층; 및
    상기 촉매물질층 위에 수직으로 성장된 단일 탄소 나노튜브(6)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 재질은 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 촉매물질 층은 알루미나(Alumina) 20mg과 Fe(NO3)3·9H2O 20mg 및 MoO(acac)22mg이 균질하게 혼합된 것임을 특징으로 하는 수직적으로 성장된 탄소 나노튜브를 이용한 주사 프로브 현미경의 팁 제조방법.
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