KR20050099888A - 나노 와이어 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 와이어 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기 제조된 스탬프를 이용한 나노 임프란트 리소그래피 공정으로 나노크기의 선폭을 가지는 와이어를 용이하게 제조하도록 한 나노 와이어 제조 방법에 관한 것이다. 종래 나노 와이어 형성은 원하는 나노 와이어 형상의 틀을 만들고 그 틀에 나노 와이어 물질을 채워 넣거나 증착시키는 방법이나, 촉매를 이용하여 성장시키는 방법을 이용하는데, 공정이 복잡하며 수율이 낮아 대량 생산에 적합하지 않은 문제점이 있었다. 또한, 일반적인 노광 기술로는 회절의 한계에 의해 나노 크기 패턴을 형성하지 못하며, 전자선 묘화법을 사용하는 경우 공정 장치가 고가이며 공정 시간이 오래 걸려 비용이 높고 수율이 낮은 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 레이저 간섭 리소그래피 원리를 이용하여 스탬프를 제조하고, 상기 스탬프를 이용한 임프린트 공정을 나노 와이어 물질 상부에 형성한 임프린트용 막에 실시한 후 상기 스탬프에 의해 형성된 임프린트용 막의 패턴을 이용하여 나노 와이어 물질을 식각하도록 함으로써, 일반적인 성막 및 식각 공정에 임프린트 공정을 추가하는 것 만으로 전기적 특성이 높고 품질이 균일한 나노 와이어를 대량으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

나노 와이어 제조 방법{NANO WIRE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 나노 와이어 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기 제조된 스탬프를 이용한 나노 임프란트 리소그래피 공정으로 나노크기의 선폭을 가지는 와이어를 용이하게 제조하도록 한 나노 와이어 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 기술의 급속한 발달과 각종 전자 부품 소자들의 집적화에 의해 점차 작은 칩 영역에 보다 많은 회로들과 소자들을 구현하고자 하는 노력들이 가속화 되고 있다.

이렇게 반도체 소자들의 크기가 줄어들면서 해당 소자의 선폭 역시 미세하게 줄어들고 있으며, 이러한 소자들을 연결하는 나노 와이어의 중요성 역시 날로 증대되고 있다.

나노 와이어는 단순한 결선 뿐만 아니라 발광이나 수광 소자등에 적용되어 광학적인 용도로 사용될 수 있으며, 복합재에 첨가되는 기계적 용도로도 사용할 수 있으므로 그 응용 분야가 대단히 넓다.

현재 사용되는 나노 와이어 물질은 GaAs, GaN, InP, ZnO 등이며, 발광 소자로서도 활발하게 연구되고 있으며, 특히, GaN, GaAs, ZnO 등은 청색 발광 소자 개발에 활용되고 있고, InAs, InP는 1.3~1.5㎛ 영역에서 활용되고 있다.

일반적으로 사용되는 나노 와이어는 그 크기가 대단히 작기 때문에 일반적인 포토 리소그래피 공정을 통해서는 제조가 불가능한데, 이는 노광 공정에서 사용되는 노광 장비의 한계 때문이다. 즉, 빛의 회절 한계 때문에 광원의 파장 이하의 선폭을 구현하는 것이 불가능하므로 나노 크기의 선폭을 구현할 수 없다.

하지만, 노광 방법을 이용하는 경우에도 나노 패턴을 구현할 수 있는 기술이 있는데, 전자선 묘화법(E-Beam Lithography)이 그것이다. 상기 전자선 묘화법은 전자선을 이용하여 미세한 붓으로 그림을 그리듯 패턴을 그려 나가는 방법을 이용하는데, 이를 통해 기존의 노광 기술로는 불가능했던 수십 나노 정도의 선폭을 구현할 수 있다. 그러나, 전자선 묘화법에 의해 가능한 나노 와이어의 선폭이 수십 나노라는 한계를 가지기 때문에 점차 작아지는 최근의 기술에 대응하기 어려우며, 공정 속도가 대단히 느리고 장비가 고가이기 때문에 나노 와이어를 제조하기 위한 목적으로 전자선 묘화법을 이용하는 것은 경제적이지 않다.

따라서, 일반적으로 나노 크기의 선폭을 가지는 와이어를 제조하기 위해서는 상기와 같은 포토 리소그래피 공정이 아닌 증착이나 성장 방법을 이용한다. 이와 같이 나노 와이어를 증착 또는 성장 시키는 방법은 소정의 틀을 만들어 해당 틀에 나노 와이어 물질을 형성하는 방법과 촉매를 이용하여 금속 나노 와이어를 성장시키는 방법이 있다.

먼저, 틀을 이용하여 나노 와이어 물질을 형성하는 방법은, 수십 나노의 직경과 수 마이크로 깊이를 가지는 구멍들로 이루어진 알루미나 맴브레인을 아노다이징에 의해 제조한 후, 상기 형성된 구멍들에 나노 와이어 물질을 채우는 방법과, 나노 와이어 물질을 기체 상태로 만들어 상기 구멍에 증착시키는 방법이 있다. 하지만, 이 방법은 나노 와이어에 대응하는 틀을 만드는 공정이 복잡하며, 상기 틀에 나노 와이어 물질을 균일하게 형성하는 과정이 어렵기 때문에 수율이 낮아지는 문제점이 있다.

그 다음, 촉매를 이용하여 나노 와이어 금속을 성장시키는 방법은, 레이저 촉매 성장(Laser assisted Catalytic Growth:LCG)이나 기상 액상 고체(Vapor Liquid Solid:VLS) 성장을 이용한다. 즉, 나노 와이어 물질과 금속의 혼합물을 원료로 하고 금속 촉매를 씨앗으로 하여 나노 와이어를 성장시키는 방법인데, 이 경우 성장 시간이 느리기 때문에 대량 생산에는 적합하지 않으며, 장비가 고가이므로 비용이 높은 문제점이 있다.

상기한 바와같이 종래 나노 와이어 형성은 원하는 나노 와이어 형상의 틀을 만들고 그 틀에 나노 와이어 물질을 채워 넣거나 증착시키는 방법이나, 촉매를 이용하여 성장시키는 방법을 이용하는데, 공정이 복잡하며 수율이 낮아 대량 생산에 적합하지 않은 문제점이 있었다. 또한, 일반적인 노광 기술로는 회절의 한계에 의해 나노 크기 패턴을 형성하지 못하며, 전자선 묘화법을 사용하는 경우 공정 장치가 고가이며 공정 시간이 오래 걸려 비용이 높고 수율이 낮은 문제점이 있었다.

상기한 바와같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 레이저 간섭 리소그래피 원리를 이용하여 스탬프를 제조하고, 상기 스탬프를 이용한 임프린트 공정을 나노 와이어 물질 및 임프린트용 막이 형성된 기판 상의 임프린트용 막에 실시한 후 상기 스탬프에 의해 형성된 패턴을 이용하여 나노 와이어 물질을 식각함으로써 나노 와이어를 대량으로 제조할 수 있도록 한 나노 와이어 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 차례로 희생층과, 나노 와이어를 형성할 금속막과, 임프린트용 막을 형성하는 단계와; 별도의 공정으로 나노 와이어 선폭 및 길이를 정의한 패턴을 가진 스탬프를 상기 임프린트용 막에 적용하여 상기 임프린트용 막에 상기 형성된 패턴에 맞물리는 구조를 형성하는 단계와; 상기 형성된 임프린트용 막에 형성된 구조물을 식각하여 하부 금속막을 노출시키는 단계와; 상기 잔류하는 임프린트용 막을 마스크로 노출된 금속막을 식각하여 나노 와이어를 형성한 후, 잔류하는 임프린트용 막과 하부 희생층을 제거하여 형성된 나노 와이어를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 임프린트용 막은 자외선 경화 폴리머이고, 스탬프는 석영을 이용하며, 상기 임프린트용 막에 상기 스탬프의 패턴에 맞물리는 구조를 형성하는 단계는, 자외선 경화 폴리머로 이루어진 임프린트용 막을 스탬프로 누른 후 자외선을 조사하여 임프린트용 막을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 임프린트용 막은 열경화 폴리머이며, 상기 임프린트용 막에 상기 스탬프의 패턴에 맞물리는 구조를 형성하는 단계는, 가열된 상태의 임프린트용 막을 스탬프를 이용하여 고압으로 눌러 상기 임프린트용 막을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도로서, 도시된 바와 같이 일반적인 성막 및 식각 공정에 임프린트 공정을 부가하도록 하는 비교적 간단한 공정 만으로 나노 와이어를 대량 생산할 수 있음을 보이고 있다.

먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 일반적인 실리콘이나 실리콘 질화막으로 이루어진 기판(10) 상부에 습식 식각이 쉽게 될 수 있는 희생층(20)을 형성한다. 상기 희생층(20)은 SiO₂, Si₃N₄ 등과 같은 물질을 사용할 수 있으며, 나노 와이어가 형성된 후 형성된 나노 와이어를 기판(10)으로부터 쉽게 분리할 수 있도록 하는 역할을 한다.

그리고, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 형성된 희생층(20) 상부에 나노 와이어를 형성할 물질인 금속막(30)을 형성한 후, 그 상부에 임프린트용 막(40)을 형성한다. 상기 금속막(30)의 경우, 본 발명에서는 건식 식각에 의해 정밀한 패턴을 만들 수 있으며 전기적 특성이 좋은 많은 금속들을 적용할 수 있는데, 예를 들어 Cr, GaAs, GaN, Pt, Au. Cu, ZnO 등과 같은 물질을 이용할 수 있다. 즉, 기존의 나노 와이어에 사용되던 제한된 금속 물질보다 적용 가능한 물질의 수가 더 많으므로 전기적인 특성이나 품질을 개선할 수 있다. 상기 임프린트용 막(40)은 대부분 폴리머 막을 이용하는데, 임프린트 종류에 따라 열경화성 폴리머나 자외선 경화성 폴리머를 이용한다. 이는 이후 공정에서 적용될 스탬프의 종류에 따라 결정된다.

그리고, 도 1c에 도시한 바와 같이, 별도의 공정을 통해 제조한 나노 와이어 패턴이 음각된 스탬프(100)를 준비하여 상기 임프린트용 막(40) 상부에 적용한다. 이 경우, 상기 스템프(100)는 레이저 간섭 리소그래피의 원리를 이용한 포토 공정을 통해 제조될 수 있으며, 상기 임프린트용 막(40)이 자외선 경화성 폴리머인 경우 석영등과 같이 투명한 소재를 이용하여 제조하고, 열경화성 폴리머인 경우 가열 및 고압 공정에 견딜 수 있는 소재를 이용한다.

그리고, 도 1d에 도시한 바와 같이 상기 스탬프(100)를 임프린트용 막(40)에 적용하는 엠보싱 공정을 통해 상기 임프린트용 막(40)에 상기 스탬프(100)의 패턴과 맞물리는 구조물 패턴을 형성한다. 상기 임프린트용 막(40)이 열경화성 폴리머인 경우 고온 상태에서 고압으로 스탬프(100)를 열경화성 폴리머인 임프린트용 막(40)에 압착시키면 스탬프(100)의 패턴에 따른 구조물로 성형된 임프린트용 막(40)이 경화된다. 만일, 상기 임프린트용 막(40)이 자외선 경화성 폴리머인 경우 석영등으로 이루어진 스탬프(100)를 임프린트용 막(40)에 압착한 후 자외선 포토 공정을 실시하면 스탬프(100)의 패턴에 따른 구조물로 성형된 임프린트용 막(40)이 경화된다.

그리고, 도 1e에 도시한 바와 같이 상기 형성된 임프린트용 막(40)을 식각하여 상기 금속층(30)을 노출시킨다. 이 경우 임프린트용 막(40)에 형성된 패턴의 얇은 부분이 제거될 정도로 균일하게 식각하면 금속층(30)이 부분적으로 노출되면서 나머지 부분은 임프린트용 막(40)의 잔류물로 보호된다.

그리고, 도 1f에 도시한 바와 같이 상기 잔류하는 임프린트용 막(40)을 마스크로 하여 상기 금속층(30)을 건식 식각하는 것으로 나노 와이어 패턴을 형성한다.

그리고, 도 1g에 도시한 바와 같이 상기 잔류하는 임프린트용 막(40)을 제거하고 습식 식각으로 희생층(20)을 제거함으로써 상기 나노 와이어 형태로 패턴된 금속층(30)을 기판(10)으로부터 분리한다.

도 2는 상기와 같은 공정을 통해 형성한 나노 와이어의 실제 사진으로서, 상기 공정을 통해 10~100㎚ 정도의 선폭을 가지는 나노 와이어를 대량 생산할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 일반적인 성막 공정 및 식각 공정에 임프린트 공정을 적용하도록 하는 비교적 간단하고 쉬운 공정으로 품질 및 전기적 특성이 높은 나노 와이어를 대량으로 생산할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명 나노 와이어 제조 방법은 레이저 간섭 리소그래피 원리를 이용하여 스탬프를 제조하고, 상기 스탬프를 이용한 임프린트 공정을 나노 와이어 물질 상부에 형성한 임프린트용 막에 실시한 후 상기 스탬프에 의해 형성된 임프린트용 막의 패턴을 이용하여 나노 와이어 물질을 식각하도록 함으로써, 일반적인 성막 및 식각 공정에 임프린트 공정을 추가하는 것 만으로 전기적 특성이 높고 품질이 균일한 나노 와이어를 대량으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명 일 실시예의 나노 와이어 제조 과정을 보인 수순 단면도.

도 2는 본 발명 일 실시예를 통해 제조된 나노 와이어의 실제 사진.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

10: 기판 20: 희생층

30: 와이어 금속층 40: 임프린트용 막

100: 스탬프

Claims (5)

1. 기판 상에 차례로 희생층과, 나노 와이어를 형성할 금속막과, 임프린트용 막을 형성하는 단계와; 별도의 공정으로 나노 와이어 선폭 및 길이를 정의한 패턴을 가진 스탬프를 상기 임프린트용 막에 적용하여 상기 임프린트용 막에 상기 형성된 패턴에 맞물리는 구조를 형성하는 단계와; 상기 형성된 임프린트용 막에 형성된 구조물을 식각하여 하부 금속막을 노출시키는 단계와; 상기 잔류하는 임프린트용 막을 마스크로 노출된 금속막을 식각하여 나노 와이어를 형성한 후, 잔류하는 임프린트용 막과 하부 희생층을 제거하여 형성된 나노 와이어를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 스탬프는 레이저 간섭 리소그래피 원리를 이용하여 스템프 물질 표면에 나노크기의 폭을 가지는 패턴을 음각하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 임프린트용 막은 자외선 경화 폴리머이고, 스탬프는 석영을 이용하며, 상기 임프린트용 막에 상기 스탬프의 패턴에 맞물리는 구조를 형성하는 단계는, 자외선 경화 폴리머로 이루어진 임프린트용 막을 스탬프로 누른 후 자외선을 조사하여 임프린트용 막을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 임프린트용 막은 열경화 폴리머이며, 상기 임프린트용 막에 상기 스탬프의 패턴에 맞물리는 구조를 형성하는 단계는, 가열된 상태의 임프린트용 막을 스탬프를 이용하여 고압으로 눌러 상기 임프린트용 막을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 금속막은 Cr, GaAs, GaN, Pt, Au, Cu, ZnO를 포함한 도전성 물질인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.