KR20050062778A - 나노와이어 성장 및 다른 용도를 위한 촉매 나노입자의제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노와이어의 성장에 사용하기 위해 제공되는, 나노 크기를 갖는 촉매 영역의 소정의 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 촉매 나노아일랜드, 또는 비촉매 물질로 둘러싸인 촉매 물질의 나노 크기의 영역의 배열을 제조하기 위한 하나 이상의 나노전사 단계를 포함한다.

Description

나노와이어 성장 및 다른 용도를 위한 촉매 나노입자의 제조 방법{A METHOD OF FORMING CATALYST NANOPARTICLES FOR NANOWIRE GROWTH AND OTHER APPLICATIONS}

실리콘 나노와이어(nanowire)의 성장은 큰 표면적 대 부피 비를 갖는 배열을 형성할 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 배열은 화학적 또는 환경적 감지, 전기적 신호 전달, 또는 전자 방출에 사용될 수 있다.

반도체 나노와이어의 대량 합성은 전통적으로 증기-액체-고체(VLS) 합성과 같은 다양한 전이 금속 촉매 기술을 사용하여 달성되어왔다. 다음과 같은 문헌을 참조할 수 있다: 카민스(Kamins) 등의 문헌 [J. Appl. Phys. 89: 1008-1018 (2001)] 및 미국 특허 제 6248674호. 실리콘 나노와이어를 제조하는데 사용되는 표준 증기-액체-고체(VLS) 합성 기술에 있어서, 각각의 와이어는 금, 코발트, 니켈 또는 다른 금속의 단일 입자로부터 성장한다. 고온의 로 내부에서 촉매로 운송되는 증기-상 실리콘-함유종은 용융 촉매의 표면 상에서 응축되며, 이는 결정화하여 실리콘 나노와이어를 형성한다.

표준 VLS 공정에 의해 제조된 실리콘 나노와이어는 단일 결정으로 구성된다. 표준 공정에서, 결정 입자의 크기는 이로부터 성장한 나노와이어의 직경을 조절한다. 따라서, 균일한 나노와이어 직경 분포를 수득하기 위해, 단순분산된 촉매 입자가 고체 기판 상에서 생성될 것이 요구된다. 그러나, 나노미터 크기의 촉매 드로플릿(droplet)의 생성은 쉬운 일이 아니다. 나노입자는 퇴적 기술, 예컨대 화학적 증착 또는 물리적 증착에 의해 형성될 수 있다. 비록 이것이 미리 형성된 패턴에 기록될 수 있지만, 이러한 패턴의 형성은 보통 고가의 리토그래피(lithography)를 포함하는, 부가적인 공정을 필요로 한다. 또한, 통상적인 리토그래피 공정은 요구되는 작은 크기의 나노입자를 쉽게 형성할 수 없다. 따라서, 나노미터 범위의 크기를 갖는 균일하게 분포된 촉매 입자를 형성하는 개선된 방법이 필요하다.

발명의 요약

본 발명은 소자 용도를 위한 나노 크기의 와이어를 형성하는데 유용한 촉매 나노입자의 배열을 형성하기 위한 나노전사 또는 소프트 리토그래피 방법에 대한 것이다. 본 발명의 방법은 더 작은 촉매 아일랜드(catalyst island)를, 통상적인 리토그래피 또는 심지어 전자-빔 리토그래피보다 더 빠르고 비용을 덜 들여 형성할 수 있다.

한 양태에서, 촉매 나노입자의 배열을 형성하는 방법은 (1) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 주형에 제공하는 단계; (2) 촉매 물질로 돌출부를 코팅하는 단계; 및 (3) 기판을 촉매 물질과 접촉시킴으로써 촉매 물질의 요구되는 패턴을 기판에 전달하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 촉매의 나노 크기의 영역은 (1) 차폐 물질의 층을 기반 층 상에 퇴적시키는 단계; (2) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 주형에 제공하는 단계; (3) 주형의 돌출부를 차폐 물질로 가압하여 차폐 층에 요구되는 패턴의 함몰부를 형성하는 단계; (4) 함몰부 중의 기반 층을 노출시키는 단계; 및 (5) 촉매 물질을 함몰부 중에 편재시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 비-촉매 층의 함몰부 내에 편재된다. 바람직한 양태에서, 기반 층은 그 자체로 함몰부에 편재되는 촉매 물질의 원료가 된다. 또한, 촉매 물질은 함몰부에 선택적으로 퇴적된다.

다른 양태는 (1) 기판을 수득하는 단계; (2) 기판 상에 촉매 층을 제공하는 단계; (3) 촉매 층 위에 비-촉매 층을 형성하는 단계; (4) 차폐 물질의 층을 비-촉매 층 상에 퇴적시키는 단계; (5) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 주형에 제공하는 단계; (6) 주형의 돌출부를 차폐 물질로 가압하여 차폐 층에 요구되는 패턴의 함몰부를 형성하는 단계; (7) 함몰부에서 비-촉매 층 영역을 노출시키는 단계; (8) 노출된 비-촉매 영역을 에칭(etching)하여 촉매 층의 영역을 노출시키는 단계; 및 (9) 차폐 물질을 제거시키는 단계를 포함하는, 노출된 촉매의 나노 크기의 영역을 형성하는 방법이다.

바람직한 양태에서는 나노 크기 두께의 평행 층으로부터 형성된 주형이 전사 공정에 사용된다. 주형은 (1) 제1 물질 및 제2 물질의 다수의 교대 층(여기서 제1 층은 제2 층과 상이하고, 각각의 층은 나노 크기의 두께를 갖는다)을 제공하여 평행 층의 적층체(stack)를 형성하는 단계; (2) 이의 평행 층에 수직으로 적층체를 쪼개고/쪼개거나 연마시켜, 제1 및 제2 물질의 각각의 층이 노출된 가장자리부를 생성하는 단계; 및 (3) 제2 물질과 상이한 속도로 제1 물질을 공격하는 부식액 중에서 적층체의 가장자리부를 에칭시켜 이를 통해 적층체의 가장자리부 상에 함요 및 돌출 라인이 교대하는 패턴을 생성함으로써 상기 패턴을 갖는 주형을 생성하는 단계에 의해 제조될 수 있다. 주형은 그 후 (1) 기판 위에 깔린 촉매 층을 제공하고 촉매 층을 차폐 물질 층으로 코팅하는 단계; 및 (2) 주형의 돌출부 라인을 촉매 층의 스트립(strip)을 노출시키는 차폐 물질 층으로 가압함으로써, 차폐 물질 층에 나노전사 라인의 제1 세트를 형성하는 단계; 및 (3) 촉매 층의 노출된 스트립을 에칭시켜 나노 크기의 너비를 갖는 촉매 라인을 형성하는 단계를 포함하는, 추가의 단계에서 촉매의 선형 패턴을 생성하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 방법은 (1) 주형을 회전시키는 단계; 및 (2) 회전된 주형을 차폐 물질에 적용시켜, 라인의 제1 세트와 교차하는, 차폐 물질의 라인의 제2 세트를 생성하는 단계; 및 (3) 차폐 물질로 보호되지 않는 촉매 물질을 에칭하는 단계를 추가로 포함한다. 만약 주형의 순차 적용에 의해 생성된 라인의 두 가지 세트가 직교한다면, 정방형의 사각형 배열이 생성된다. 또한, 라인의 두 가지 세트는 비-수직 각으로 배향될 수 있고, 이를 통해 평행사변형의 비틀린 배열을 생성할 수 있다.

한편 본 발명의 다른 양태는 비촉매 층으로 둘러싸인 촉매 물질의 나노 크기 영역을 노출시키는 방법이다. 출발 물질은 기판, 기판을 덮는 촉매 물질의 층, 및 촉매 층 위에 형성된 차폐 층으로 구성되는 다층 복합체를 포함한다. 함요 및 돌출이 교대하는 나노 크기의 스트립의 패턴화된 가장자리부를 갖는 주형을 사용하여 라인의 제1 세트를 차폐 층에 전사한다. 그 후 주형을 회전시키고 재적용하여 규칙적 배열의 차폐 물질의 다각형 형태를 형성한다. 그 후 차폐 물질로 보호되지 않는 촉매 물질을 비-촉매 물질로 덮고 차폐 물질을 제거하여 비-촉매 물질로 둘러싸인 촉매 물질의 나노 크기의 영역을 노출시킨다. 그 후 촉매 물질의 노출된 영역을 나노와이어 성장을 위한 촉매로써 사용할 수 있다.

본 발명의 이러한 및 다른 특징, 양태, 및 이점은 하기의 상세한 설명, 첨부된 청구항, 및 수반된 도면을 통해 더 잘 이해될 수 있다:

도 1A 내지 1C는 본 발명의 양태에 따라 주형을 사용하여 촉매를 기판으로 이동시키는 단계를 보여주고;

도 2A 내지 2D는 본 발명의 양태에 따라 차폐 물질의 층을 전사하고 기반 층을 노출시키는 단계를 보여주고;

도 3A 내지 3D는 본 발명의 양태에 따라 전사 후에 비촉매 층 아래의 촉매 층을 노출시키는 단계를 보여주고;

도 4A 및 4B는 본 발명의 양태에 따라 촉매를 노출된 표면에 선택적으로 첨가시키는 단계를 보여주고;

도 5A 내지 5D는 본 발명의 양태에 따라 라인의 하나 이상의 세트를 나노전사시키기 위한 초격자 주형을 제조하고 이용하는 단계를 보여주고;

도 6A 내지 6D는 본 발명의 양태에 따라 비촉매 층으로 둘러싸인 촉매 영역을 노출시키는 단계를 보여준다.

본 발명에 따르면, 소자 용도를 위한 나노와이어의 형성에 유용한 촉매 물질의 배열을 생성시키기 위한 방법이 제공된다. 나노와이어의 제어된 응용을 위해, 이는 소정의 패턴으로 기판 상에 규칙적으로 이격되거나 위치되어야 한다. 각각의 나노와이어의 성장은 일반적으로 기판 표면 상의 촉매 나노입자로부터 진행한다. 본원에서 보여지는 바와 같이, 촉매화 나노입자가 기반 구조에 기록될 필요가 없는 경우, 이는 기반 물질의 층에 나노 크기의 특징부를 갖는 주형의 각인을 형성하는 것을 포함하는 "소프트 리토그래피" 또는 나노전사에 의해 형성될 수 있다.

도 1A 내지 1C는 본 발명의 한 양태에 따라 주형을 사용하여 촉매를 기판으로 이동시키는 단계를 나타낸다. 주형은 전형적으로 나노 크기를 갖는 돌출 및/또는 함요 영역의 배열을 함유한다. 도 1A에서, 요구되는 패턴의 모든 개개의 요소를 형성하는 나노 크기의 돌출부(20)가 주형(10)에 제공된다. 나노전사 리토그래피에 사용하는데 적합한 주형이 미국 특허 제 5772905호 및 제 6309580호에 개시되어 있다(이는 본원에 참고로써 인용되어 있다).

주형(10)은 기둥 모양, 스트립, 솔리드 사각형, 또는 다른 삼차원 모양의 돌출부(20)로 패턴화될 수 있다. 25nm의 최소 측면 크기를 갖는 돌출부는 전자 빔 리토그래피, 반응성 이온 에칭(RIE) 및 다른 적절한 기술을 사용하여 수득될 수 있다. 바람직하게는, 주형의 돌출부는 5nm 내지 20nm의 측면 크기를 가질 수 있다. 종래 기술에서 나타난 e-빔 리토그래피보다 상당히 더 작은 해상도의 나노 크기 돌출부의 요구되는 패턴을 갖는 주형(10)은 이하에서 추가로 상세히 기술된 방법에 따라, 또는 첸(Chen) 등의 관련 문헌 [HP 도켓 넘버 100110197-1호](이는 본원에 참고로 인용되어 있다)에 기술된 대로 제조될 수 있다. 돌출부의 전형적인 깊이는 요구되는 측면 크기 및 제조될 요구되는 각인의 두께에 따라, 5nm 내지 500nm이다.

일반적으로, 주형(10)은 나노전사 공정 동안 작용하는 압력 하에서 이의 형태와 일체성을 유지할 수 있는 상대적으로 단단한 물질로 제조되어야 한다. 따라서, 주형은 금속, 유전체, 반도체, 세라믹 또는 이의 조합과 같은 물질로 제조될 수 있다.

도 1B 및 1C에서 보여지는 바와 같이, 주형(10)의 돌출부(20)는 바람직한 촉매를 함유하는 물질로 코팅되어 있고, 촉매 물질(30)은 그 후 물리적 접촉, 또는 어쩌면 이들이 서로 가까워질 때의 촉매 물질과 기판 표면 사이의 에너지적 또는 화학적 인력에 의해 비-촉매 표면(50)을 갖는 기판(40)으로 이동된다.

일반적으로, 촉매 물질(30)은 나노와이어의 성장을 촉진시킬 수 있는 촉매를 포함한다. 따라서, 촉매 물질은 실리콘 나노와이어를 생성시키는데 사용되는 금속, 예컨대 티타늄, 금, 아연, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 및 망간을 포함할 수 있다. 또한, 촉매 물질은 탄소 나노튜브(nanotube) 또는 금속 나노와이어의 성장을 촉진시킬 수 있는 촉매를 포함할 수 있다.

본 발명의 이러한 양태에서, 기판(40)은 주형으로부터 전달되는 촉매 나노입자를 수용할 수 있는 비촉매 표면(50)을 갖는 임의의 물질, 예컨대 실리콘, 실리콘 다이옥사이드, 실리콘 나이트라이드 또는 알루미나 기판일 수 있다.

도 2A 내지 2D는 본 발명의 다른 양태에 따라 차폐 물질의 층을 전사하고 기반 층을 노출시키는 단계를 나타낸다. 도 2A에서 보여지는 바와 같이, 전사 전에, 얇은 차폐 층(100)은 기반 층(110)의 상부에 퇴적된다. 차폐 층(100)은 주형으로부터 각인을 유지할 수 있는 상대적으로 부드러운 물질이어야 한다. 예를 들면, 차폐 층은 적절한 기술, 예컨대 스핀 캐스팅(spin casting)에 의해 퇴적되는 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 기반 층은 기판, 비-촉매 층, 또는 촉매 층일 수 있다.

도 2B 및 2C에서 보여지는 바와 같이, 주형은 기반 층(110) 위에 깔린 얇은 차폐 층(100)의 함몰부(120)에 의해 구분된 패턴화된 차폐 영역(130)을 생성한다. 도 2B에서, 나노전사 기술에 의해 형성된 함몰부(120)는 기반 층(110)의 노출된 영역(140)을 덮지 않는다. 또한, 도 2C 및 2D에서 보여지는 바와 같이, 기반 층과 접촉하지 않는 압축된 영역이 일반적으로 주형의 패턴과 일치하는 차폐 물질에 형성된다. 기반 층은 반응성-이온 에칭(RIE)과 같은 에칭 공정에 의해 전사된 차폐 물질의 잔류 두께를 통해 방향성 에칭에 의해 계속해서 노출된다.

발명의 한 양태에서, 함몰부(120)에서 기반 물질(110)의 노출된 영역(140)은 촉매일 수 있다. 다른 양태에서, 노출된 기반 물질(110)은 촉매가 주위 영역에는 전혀 퇴적되지 않고 그 위에서만 선택적으로 퇴적될 수 있는 비-촉매 물질일 수 있다. 이러한 선택적 퇴적은, 예컨대, 화학적 증착 또는 액-상 퇴적에 의해 수행될 수 있다.

도 3A 내지 3D는 본 발명의 다른 양태에 따라 전사 후에 비촉매 층 아래의 촉매 층을 노출시키는 단계를 나타낸다. 도 3A에 보여지는 바와 같이, 하기의 다중-층 구조는 전사 전에 제조된다: (1) 촉매 층(220)은 기판(230) 위에 가로놓여 제공되고; (2) 비-촉매 층(210)은 촉매 층(220) 위에 가로놓여 제공되며; (3) 얇은 차폐 층(200)은 기반 비-촉매 층(210)의 상부에 퇴적된다. 일반적으로, 얇은 차폐 층은 에칭 과정에 저항성이 있는 물질, 예컨대 중합체 물질로 구성되고, 반면 비-촉매 층을 구성하는 물질은 적절하게 선택된 부식제 중에서 에칭되기 쉽다. 예를 들면, 실리콘 옥사이드 층은 불화수소(HF)를 함유하는 축축한 부식제 중에서 또는 불화탄소 기체 중에서의 건조 에칭에 의해 선택적으로 에칭될 수 있다.

도 3B에서 보여지는 바와 같이, 주형은 비-촉매 층(210)의 노출된 영역(250)을 덮지 않는 함몰부에 의해 구분된 패턴화된 차폐 층(240)을 생성한다. 도 3C에서 보여지는 바와 같이, 그 후 비-촉매 층의 노출된 영역에 에칭 단계를 가하여 노출된 촉매 영역(270)에 의해 구분된 에칭된 비-촉매 층(260)을 형성한다. 바람직하게는, 에칭 단계는 방향성 에칭 공정, 예컨대 반응성-이온 에칭(RIE)을 사용하여 수행되어, 패턴화된 차폐 층(240)에 의해 보호되는 비-촉매 층의 부분의 언더커팅(undercutting)을 피한다. 도 3D에서 보여지는 바와 같이, 차폐 물질은, 예컨대, 차폐 물질을 선택적으로 용매에 용해시킴으로써 제거될 수 있고, 이를 통해 에칭된 비-촉매 층의 상부 표면이 드러난다.

도 4A 및 4B는 본 발명의 일부 양태에 따라 촉매를 노출된 표면에 선택적으로 첨가하는 단계를 나타낸다. 보다 바람직하게는, 전술한 공정의 일부 양태는 기반 층(300)의 표면을 노출시키는 영역에 의해 구분되는 패턴화된 차폐 층(310)을 생성한다. 도 4A에서 보여지는 바와 같이, 기반 층이 촉매를 함유하지 않는 경우, 규칙적으로 이격된 촉매 나노아일랜드(nanoisland)(320)의 배열은 패턴화된 차폐 층에 걸쳐 개입된 기반 층(300)의 노출된 표면 상에 촉매 물질을 선택적으로 퇴적시킴으로써 생성된다. 도 4B에서 보여지는 바와 같이, 그 후 패턴화된 차폐 층을 제거하여 기반 층을 드러낼 수 있고, 약간 융기된 촉매 나노아일랜드로 점재(dot)될 수 있다.

어떤 경우에도, 촉매 물질의 불연속의 나노 크기 영역의 배열이 주형 상의 패턴에 의해 결정되는 위치에서 형성되고, 그 후 나노와이어가 실란(SiH₄) 또는 다이클로로실란(SiH₂Cl₂)과 같은 실리콘-함유 기체의 촉매 분해에 의해 성장된다.

도 5A 내지 5D는 본 발명의 다른 양태에 따라 나노전사 소자를 사용하여 균일하게 이격된 나노입자의 규칙적 배열을 만드는 단계를 나타낸다. 나노전사 소자는 전술한 기술[미국 특허 제 6,294,450호, 제 6,365,059호 및 제 6,407,443호; 및 미국 특허 출원 제 2001/0044300호, 이는 참고로써 본원에 인용되어 있음]을 사용하여 제공될 수 있다. 도 5A에 보여진 바와 같이, 주형(400)은 제1 물질의 층(410) 및 제2 물질의 층(420)을 포함하는, 두 개의 상이한 물질의 다수의 교대 층의 성장 또는 퇴적에 의해, 주형 기판(430) 상에 형성된다. 교대 층은 요구되는 적층체를 형성하고, 각각의 층의 두께는 나노 입자 크기 및 간격에 의해 결정된다. 전형적인 크기 및 간격은 5nm 내지 100nm이다. 적층체는 기판의 표면에 평행한 주 표면을 가질 수 있다. 적층체는 이의 주 표면에 수직하게 쪼개지고/쪼개지거나 연마되어 다수의 교대 층을 노출시킨다. 그 후 노출된 층을 제2 물질과 상이한 속도로 제1 물질을 에칭시키는 부식제를 사용하여 선택된 깊이까지 에칭시키고, 이를 통해 적층된 구조의 가장자리부 상에 함요된 스트립의 패턴(440)을 생성한다.

도 5B에서 보여지는 바와 같이, 그 후 가장자리부 구조를 이용하여 촉매의 층(440) 위에 깔린 차폐 물질의 층 중에 나노전사된 라인(450)을 형성할 수 있다. 이 때 패턴에 의해 보호되지 않는 물질은 에칭되어, 전술한 바와 같이, 나노전사된 라인을 생성할 수 있다.

도 5C는 본 발명의 한 양태에 따른 추가 공정의 결과를 나타낸다. 도 5B에서 보여지는 바와 같이, 라인의 제1 세트(450)가 형성된 후, 주형을 회전시킨 다음 구조에 다시 적용하여, 차폐 물질 중의 라인의 제2 세트를 생성한다. 두 가지 패턴 모두 기반 소자 물질의 에칭 전에 차폐 물질 중에서 규정될 수 있거나, 또는 각각의 나노전사 단계 후에 소자 물질을 에칭할 수 있다.

교차 라인의 두 가지 세트는, 도 5C에서 보여지는 바와 같이, 직교하여 정사각형 차폐 요소(470)의 사각형 배열을 생성할 수 있거나, 또는 비-수직 각으로 의도적으로 배향되어, 평행사변형의 비틀린 배열을 생성할 수 있다. 또한, 주형은 회전되고 다시 적용되어서 다각형 차폐 요소를 생성할 수 있다.

도 5D에서 보여지는 바와 같이, 촉매 나노아일랜드(480)는 촉매의 노출된 영역을 에칭시키고 보호 차폐 요소를 제거함으로써 생성될 수 있다. 또한, 비-촉매 물질이 초기에 사용되는 경우, 나노아일랜드가 촉매 아일랜드를 생성하도록 처리될 수 있다. 예를 들면, 촉매가 도 5C 및 5D에서 형성된 아일랜드에의 선택적 첨가에 의해 화학적으로 첨가될 수 있거나, 또는 아일랜드와 주위 영역의 상이한 융기를 이용하여 물리적으로 첨가될 수 있다. 그 후 이러한 촉매 나노아일랜드는 나노와이어 성장을 위한 촉매로써 사용될 수 있다.

도 6A 내지 6D는 비촉매 층으로 둘러싸인 촉매 영역을 노출시키는 방법의 다른 양태를 나타낸다. 도 6A 및 6B에서 보여지는 바와 같이, 촉매 활성 물질의 층(500)이 기판(510) 상에 형성되고, 촉매 비활성 층(530)은 촉매 활성 층(500) 위에 형성된다. 도 6A는 비-촉매 층(530)을 형성하기 전에, 상기 기술된 방법, 즉, 라인의 제1 세트의 전사, 그 후 주형의 회전 및 재적용을 통해 차폐 물질 중에 규칙적인 다각형 배열을 생성하는 방법을 사용하여 요구되는 촉매 활성 영역 위에 차폐부(520)를 형성하는 것을 나타낸다. 다른 양태는 상부 차폐 층의 기반이 되는 보다 단단한 차폐 물질을 포함할 수 있으며(본원에 보여지지는 않음), 상부 차폐 층은 나노전사에 적합한 부드러운 물질로 제조된다. 패턴은 에칭에 의해 단단한 차폐 물질의 기반 층으로 이동될 수 있다. 도 6B는 주변 영역이 비촉매 활성 물질(530)에 의해 덮혀 있음을 나타내며, 비촉매 활성 물질(530)은 촉매의 보호되는 영역 상에 퇴적되지 않는다(또는, 예컨대, 화학적-기계적 연마에 의해 촉매의 보호되는 영역으로부터 제거된다). 도 6C에서 보여지는 바와 같이, 그 후 차폐 물질을 제거하여, 촉매 활성이 아닌 물질로 둘러싸인 촉매 활성 물질(540)의 나노미터 크기의 노출된 영역을 남긴다.

본 발명의 전술한 양태는 많은 이점을 갖는다. 특히, 본 발명의 방법은 통상적인 리토그래피 또는 심지어 전자-빔 리토그래피에서 가능한 것보다 더 작은 촉매 아일랜드를 형성할 수 있다. 나노전사가 전자-빔 리토그래피와 같은 직렬 공정(순차적으로 패턴을 형성한다)이 아닌 병렬 공정(동시에 많은 패턴을 형성한다)이기 때문에, 본 방법은 또한 전자-빔 리토그래피보다 더 빠르고 더 경제적으로 촉매 아일랜드를 형성할 수 있다.

비록 본 발명이 이의 임의의 바람직한 양태에 대해서 상당히 상세하게 기술되었지만, 다른 양태도 가능하다. 예를 들면, 함요된 스트립의 패턴을 갖는 나노 크기의 주형을 회전시키는, 상기 기술은 또한 다각형 돌출부의 규칙적 배열을 갖는 중간 주형을 형성하는데 사용될 수 있다. 그런 다음 작은 나노아일랜드의 전체 패턴을 1회의 각인으로 기반 물질 내 또는 기반 물질 상에 형성할 수 있다. 다르게는, 패턴 한정 및 리프트-오프(lift-off) 기술이 사용될 수 있으며, 여기서는 나노 크기의 패턴을 기반 물질 중에 형성한 후 패턴의 상부 상에 퇴적된 임의의 물질과 함께 제거한다. 따라서, 첨부된 청구항의 진의 및 범위가 본원에 함유된 바람직한 양태의 개시만으로 한정되어서는 안 된다.

Claims (31)

1. i) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 갖는 주형을 제공하는 단계;

   ii) 촉매 물질로 돌출부를 코팅하는 단계; 및

   iii) 촉매 물질을 기판과 접촉시킴으로써 촉매 물질의 요구되는 패턴을 기판으로 이동시키는 단계를 포함하는, 기판 상에서 촉매 나노입자의 배열을 형성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   실리콘-함유 기체의 분해에 의해 촉매 물질 상에서 실리콘 나노와이어(nanowire)를 성장시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   주형이 정밀 리토그래피(lithography)에 의해 가공되는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   정밀 리토그래피가 전자 빔 리토그래피인 방법.
5. i) 기반 층 상에 차폐 물질의 층을 퇴적시키는 단계;

   ii) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 주형에 제공하는 단계;

   iii) 주형의 돌출부를 차폐 물질에 가압하여 차폐 층에 요구되는 패턴의 함몰부를 형성하는 단계;

   iv) 함몰부에서 기반 층을 노출시키는 단계; 및

   v) 함몰부에 촉매 물질을 편재시키는 단계를 포함하는, 촉매 나노입자의 배열을 형성하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   기반 기판이 촉매 물질을 함유하는 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   촉매 물질이 함몰부에 선택적으로 퇴적되는 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   실리콘-함유 기체의 분해에 의해 촉매 물질 상에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
9. 제 5 항에 있어서,

   주형이 정밀 리토그래피에 의해 가공되는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    정밀 리토그래피가 전자 빔 리토그래피인 방법.
11. i) 기판을 수득하는 단계;

    ii) 기판 상에 촉매 층을 제공하는 단계;

    iii) 촉매 층 위에 비-촉매 층을 형성하는 단계;

    iv) 비-촉매 층 상에 차폐 물질의 층을 퇴적시키는 단계;

    v) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 주형에 제공하는 단계;

    vi) 주형의 돌출부를 차폐 물질에 가압하여 차폐 물질에 요구되는 패턴의 함몰부를 형성하는 단계;

    vii) 함몰부에서 비-촉매 층의 나노 크기의 영역을 노출시키는 단계;

    viii) 노출된 비-촉매 영역을 에칭(etching)하여 촉매 층의 나노 크기 영역을 노출시키는 단계; 및

    ix) 차폐 물질을 제거시키는 단계를 포함하는, 비-촉매 물질로 둘러싸인 촉매 물질의 배열을 형성하는 방법.
12. i) 평행 층의 적층체(stack)를 형성하는 제1 물질 및 제2 물질의 다수의 교대 층(여기서 제1 물질은 제2 물질과 상이하고, 각 층은 나노 크기의 두께를 갖는다)을 제공하는 단계;

    ii) 평행 층에 수직인 적층체의 가장자리부(여기서 제1 및 제2 물질의 각 층은 노출된다)를 형성하는 단계;

    iii) 제2 물질과 상이한 속도로 제1 물질을 공격하는 부식제 중에서 적층체의 가장자리부를 에칭시키고 이를 통해 적층체의 가장자리부 상에 함요 및 돌출 라인이 교대하는 패턴을 생성함으로써 상기 패턴을 갖는 주형을 형성하는 단계;

    iv) 기판 위에 깔린 촉매 층(상기 촉매 층은 차폐 물질 층으로 코팅된다)을 제공하는 단계;

    v) 주형의 돌출부 라인을 차폐 물질 층으로 가압하여 촉매 층의 스트립(strip)을 노출시킴으로써, 차폐 물질 층에 나노전사 라인의 제1 세트를 형성하는 단계를 포함하는, 균일하게 이격된 나노입자의 규칙적 배열을 형성하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    적층체의 가장자리부가 평행 층에 수직으로 적층체를 쪼개거나 또는 연마함으로써 생성되는 방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    촉매 층의 노출된 스트립을 에칭하여 나노 크기의 너비를 갖는 촉매 라인을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
15. 제 12 항에 있어서,

    i) 주형을 회전시키는 단계; 및

    ii) 회전된 주형을 차폐 물질에 적용시켜 라인의 제1 세트와 교차하는 나노전사 라인의 제2 세트를 형성하여, 차폐 물질에 다각형의 규칙적인 배열을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    차폐 물질의 다각형의 배열에 의해 보호되지 않는 촉매 물질을 에칭하여 촉매 나노아일랜드(nanoisland)를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    라인의 두 가지 세트가 수직해서, 정방형의 사각형 배열을 형성하는 방법.
18. 제 15 항에 있어서,

    라인의 제1 및 제2 세트가 비-수직 각으로 배향되어, 평행사변형의 비틀린 배열을 생성하는 방법.
19. i) 기반 층을 덮는 차폐 물질의 층을 제공하는 단계;

    ii) 함요 및 돌출 라인(상기 라인은 나노 크기의 너비를 갖는다)이 교대하는 패턴을 갖는 주형을 수득하는 단계;

    iii) 주형의 돌출 라인을 차폐 물질 층으로 가압하여 기반 층의 스트립을 노출시킴으로써, 차폐 물질 층에 나노전사 라인의 제1 세트를 형성하는 단계;

    iv) 주형을 회전시키는 단계; 및

    v) 회전된 주형을 차폐 물질에 적용시켜 라인의 제1 세트와 교차하는 나노전사 라인의 제2 세트를 형성하여, 차폐 물질에 규칙적인 다각형 배열을 형성하는 단계를 포함하는 나노아일랜드의 배열을 형성하는 방법.
20. i) a) 기판

    b) 기판을 덮는 촉매 물질의 층; 및

    c) 촉매 층 위에 형성되는 차폐 층을 포함하는 다층 복합체를 제공하는 단계;

    ii) 함요 및 돌출이 교대하는 스트립(상기 스트립은 나노 크기 범위의 측방향 크기를 갖는다)의 패턴화된 가장자리부를 갖는 주형을 사용하여 차폐 층에서 라인의 제1 세트를 전사하는 단계;

    iii) 주형을 회전시키고 재적용시켜 차폐 물질의 다각형 형태를 규칙적인 배열로 형성하는 단계;

    iv) 차폐 물질에 의해 보호되지 않는 촉매 물질을 비-촉매 물질로 덮는 단계; 및

    v) 차폐 물질을 제거하여 비-촉매 물질로 둘러싸인 촉매 물질의 나노 크기의 영역을 노출시키는 단계를 포함하는, 비촉매 층으로 둘러싸인 촉매 물질의 나노 크기의 영역을 노출시키는 방법.
21. 제 20 항에 있어서,

    차폐 물질이, 전사에 적합하게 부드러운 차폐 물질의 상층 및 상층보다 더 단단한 차폐 물질의 기반 층을 포함하는 방법.
22. 제 21 항에 있어서,

    에칭에 의해 다각형의 규칙적 배열이 차폐 물질의 기반 층으로 이동되는 방법.
23. 제 20 항에 있어서,

    촉매 물질의 노출된 영역이 나노와이어 성장을 위한 촉매로써 사용되는 방법.
24. i) 요구되는 패턴을 형성하는 나노 크기의 돌출부를 갖는 주형; 및

    ii) 돌출부를 코팅하는 촉매 물질을 포함하는 소자.
25. i) 차폐 물질의 층(상기 차폐 물질은 기반 층을 노출시키는 나노 크기의 함몰부의 요구되는 패턴을 갖는다); 및

    ii) 기반 층

    을 포함하는 소자.
26. 제 25 항에 있어서,

    기반 층이 촉매 물질을 함유하는 소자.
27. 제 25 항에 있어서,

    나노 크기의 함몰부 내에 퇴적된 촉매 물질을 추가로 포함하는 소자.
28. i) 기판;

    ii) 기판 상의 촉매 층;

    iii) 촉매 층 위의 비-촉매 층; 및

    iv) 비촉매 층 위에 깔린 차폐 물질의 층(상기 차폐 물질은 비-촉매 층을 노출시키는 나노 크기의 함몰부의 요구되는 패턴을 갖는다)을 포함하는 소자.
29. 제 28 항에 있어서,

    나노 크기의 함몰부가 또한 촉매 층의 나노 크기의 영역을 노출시키는 소자.
30. i) 기판; 및

    ii) 기판 상의 촉매 나노아일랜드의 규칙적 배열을 포함하는 소자.
31. i) 기판;

    ii) 기판 상의 촉매 층; 및

    iii) 촉매 층 위의 비-촉매 층(상기 비-촉매 층은 촉매 층을 노출시키는 나노 크기의 개구부의 규칙적 배열을 갖는다)을 포함하는 소자.