KR20090005889A - 나노 입자의 제조방법 - Google Patents

나노 입자의 제조방법 Download PDF

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KR20090005889A
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유재근
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Abstract

본 발명은 나노 입자의 제조방법에 관한 것으로서, 기판상에 나노 입자를 형성할 재료로 박막을 형성하고, 박막 상부에 감광성 수지를 도포한 후 패턴을 형성하며, 패턴을 마스크로 하여 박막을 식각함으로써 기판상에 나노 입자를 형성하고, 재료의 용융점까지 온도를 높여 열처리하며, 온도를 상온으로 낮춘 후, 나노 입자를 기판에서 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 기판상에 증착되는 박막의 두께와 박막 상부에 형성되는 감광성 수지 패턴의 면적을 조절함으로써 균일한 크기의 나노 입자를 제조할 수 있고, 나노 입자를 이루는 재료의 용융점까지 온도를 높여 열처리를 함으로써, 구형의 형상을 가지는 나노 입자를 얻을 수 있다.
나노 입자, 용융점, 젖음성, 감광성 수지, 리소그래피 공정

Description

나노 입자의 제조방법{ Method for fabricating nano particle }
본 발명은 균일한 크기 및 구형 형상을 가지는 나노 입자의 제조를 위한 나노 입자 제조방법에 관한 것이다.
나노 입자란 크기가 1㎚에서 100㎚ 정도의 크기를 가지는 극미세 입자를 말한다. 세라믹, 금속 등의 물질을 나노 입자로 제조하면 기존의 벌크(Bulk) 상태에서 제조된 물질과는 달리 일반적으로 경량, 고강도, 고인성 등의 우수한 특성을 지니게 되며, 특수한 배합으로 제조할 경우 물질의 응용분야에 따라 물질의 특성을 제어할 수 있다.
또한, 나노 입자로 제조된 물질은 위에서 언급한 기계적 특성 이외에도 독특한 전기적(Electrical), 광학적(Optical), 자기적(Magnetic) 특성 및 광전(Optoelectric) 특성을 가진다.
예를 들면, 나노 입자는 기존 물질에 비해 현저히 증가된 비표면적을 가지며 이로 인해 기존 물질과는 다른 표면 효과를 나타내는데, 입자의 크기가 작아질수록 표면에 위치한 분자의 수가 증가한다.
이와 같이 나노 입자들은 표면에 위치한 분자의 비율이 상대적으로 높기 때 문에 기존 물질에 비해 표면에너지의 결합에너지에 대한 비가 더 커지게 되고, 이러한 표면 효과로 인해 나노 입자는 촉매나 촉매의 표면반응에서 보이는 표면활성, 녹는점 강하, 저온 소결성 등의 성질을 가지게 된다.
그리고 자벽(Domain Wall)도 형성할 수 없을 정도의 크기인 나노 입자의 경우, 개별 입자가 단자구(Single Domain)가 되기 때문에 각 입자가 하나의 영구자석과 같은 거동을 하게 되며, 구성 원자의 수의 감소로 인해 입자 내의 전자의 수도 감소하게 되는데, 원자가 전자의 수가 감소하는 만큼 에너지 준위의 간격도 이산적이 되어 특수한 비열, 자화율 등의 성질을 가지게 된다.
또한, 나노 입자는 불연속적 전자 에너지 밀도를 가진 원자 또는 분자와 연속적 에너지 밴드를 가진 덩어리 물질의 중간 단계의 물질로, 양자 크기 효과(Quantum Size Effect)에 의해 나노 입자의 광학 및 전기적 성질은 덩어리 물질의 성질과는 많은 차이를 나타낸다.
이러한 특성으로 인해, 나노 입자는 촉매(Catalyst), 자성 기록 매체(Magnetic Recording Media), 광전자 재료(Optoelectronic Materials), 자성 유체(Magnetic Fluids), 분말 야금(Powder Metallurgy) 등과 같은 분야에서 새로운 응용분야들을 개척해가고 있다.
상기 기술한 나노 입자의 특성으로 인하여 최근 여러 가지 나노 입자의 제조 방법이 집중적으로 연구되고 있는데, 나노 입자를 합성하는 방법으로는 일반적으로 기상 합성법(Vapor Phase Synthesis)이 고순도의 입자를 대량으로 만들 수 있는 방법으로 주목을 받아왔다.
그 중에서도 특히 화염 합성법은 카본 블랙, 티타니아, 실리카, 알루미나와 같은 입자의 대량 생산 방법으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 기상 합성법은 반응 공정 중에 생성된 수십 나노 크기의 일차 입자가 응집하여 클러스터(Cluster) 상태의 이차 입자를 형성하기 때문에 100㎚이하의 나노 입자를 제조하기가 어려우며, 입자의 크기와 모양이 균일하지 않다는 단점이 있다.
이와 같이 종래의 나노 입자 제조방법은, 나노 입자의 크기를 조절하는데 어려움이 있으며, 균일한 입자 크기 분포를 나타내지 못하고 입자의 모양이 고르지 못하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 나노 입자의 크기를 조절하고, 나노 입자들이 균일한 크기를 가지도록 하는 나노 입자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 나노 입자 제조방법의 바람직한 실시예는, 기판상에 나노 입자를 형성할 재료로 박막을 형성하는 단계와, 상기 박막 상부에 감광성 수지를 도포하고, 상기 감광성 수지에 상호 이격된 복수개의 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패턴을 마스크로 상기 박막을 식각하여 상기 기판상에 나노 입자를 형성하는 단계와, 상기 재료의 용융점까지 온도를 높여 열처리하는 단계와, 온도를 상온으로 낮춘 후, 상기 나노 입자를 기판에서 분리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 실리콘, 알루미나, 석영, 실리콘 산화물 및 질화 규소 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 박막의 두께 및 상기 패턴의 상부면의 면적은 다음 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
(수학식)
Figure 112007050286732-PAT00001
여기서, t는 박막의 두께를 나타내고, d는 나노 입자의 반경을 나타내며, S는 패턴의 상부면의 면적을 나타낸다.
또한, 상기 패턴의 형상은 사각형, 원형, 삼각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열처리 이후 나노 입자의 형상은 기판과의 표면 장력으로 인해 구형의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판으로부터 나노 입자의 분리는, 기판의 상부 면을 선택적으로 에칭하여 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기판상에 증착되는 박막의 두께와 박막 상부에 형성되는 감광성 수지 패턴의 면적을 조절함으로써 얻고자하는 균일한 크기의 나노 입자를 제조할 수 있다.
또한, 나노 입자를 이루는 재료의 용융점까지 온도를 높여 열처리를 함으로써, 구형의 형상을 가지는 나노 입자를 얻을 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 나노 입자의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 나노 입자의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 기판상에 나노 입자를 형성하고자하는 재료를 박막(Thin Film)의 형태 로 증착한다(S 100).
여기서, 상기 기판은 특정 물질로 이루어진 기판으로 한정되는 것은 아니며, 후술할 리소그래피 공정 및 에칭 공정에 적합한 기판이면 된다. 바람직하게는 실리콘, 알루미나, 석영, 실리콘 산화물 및 질화 규소 등으로 이루어진 기판을 사용할 수 있다.
이때, 기판 표면의 이물질을 제거하기 위하여 아세톤, 세정수(Deionized Water), 메탄올 등에 초음파 세척을 행한다.
상기 나노 입자를 형성하고자하는 재료로는 금속, 금속 산화물, 반도체 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상기 금속으로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 금속 산화물로는 산화 인듐 주석(ITO : Indium Tin Oxide), 산화 인듐 아연(IZO : Indium Zinc Oxide), 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 세슘 산화물, 안티몬 산화물, 카드뮴 산화물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 반도체로는 2족 원소와 6족 원소로 구성되거나, 3족 원소와 5족 원소로 구성되는 물질을 사용할 수 있는데, 구체적으로는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
상기 박막은 일반적으로 알려진 여러 가지 증착 방법을 사용하여 기판상에 증착할 수 있는데, 예를 들어 물리적 증착 방법(Physical Vapor Deposition)인 반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering) 및 MBE법(Molecular Beam Epitaxy)을 사용하여 증착하거나, 화학적 증착 방법(Chemical Vapor Deposition)인 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 사용하여 증착한다.
여기서, 상기 박막은 이후에 균일한 크기의 나노 입자를 형성하기 위해 균일한 두께로 증착하는 것이 중요하며, 박막의 두께에 의해 나노 입자의 크기가 결정되므로, 박막의 두께를 정밀히 제어하는 것이 필요하다.
상기 박막의 두께는 제조하고자하는 나노 입자의 크기에 따라 정해지는데, 다음의 수학식 1을 통하여 박막의 두께를 결정할 수 있다.
Figure 112007050286732-PAT00002
여기서, t는 박막의 두께를 나타내고, d는 나노 입자의 반경을 나타내며, S는 후술할 나노 입자 패턴의 면적을 나타낸다.
다음으로, 상기 박막 상부에 감광성 수지(Photo-resist)를 도포한 후, 상기 감광성 수지에 패턴을 형성한다(S 110).
상기 패턴의 형성 방법으로는 포토 리소그래피(Photo Lithography), 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography), 전자빔 리소그래피(E-Beam Lithography) 및 엑스선 리소그래피(X-ray Lithography) 등의 방법을 사용할 수 있 다.
여기서, 상기 패턴은 위에서 바라본 모양이 사각형, 원형, 삼각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상을 가지는데, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니며 이외에 더 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
상기 패턴의 상부 면의 면적은 수학식 1에서 살펴본 바와 같이 최종적으로 형성되는 나노 입자의 크기에 의존한다.
이어서, 상기 감광성 수지로 이루어지는 패턴을 마스크로 하여 박막을 에칭함으로써, 상기 박막에 나노 입자 패턴을 형성한다(S 120).
연이어, 상기 나노 입자 패턴을 이루는 재료의 용융점까지 온도를 높여 열처리를 한다(S 130).
온도를 상기 나노 입자 패턴을 이루는 재료의 용융점까지 올리게 되면, 재료가 서서히 녹게 되고 기판과의 표면 장력에 의해 상기 나노 입자 패턴이 구형에 가까운 형상을 가지게 된다.
즉, 상기 열처리 이후 상기 나노 입자 패턴은 기판의 표면에 대한 표면 에너지와 젖음성(Wetability)에 따라 결정되어 지는 크기 및 형상을 가지는데, 상기 나노 입자 패턴은 열처리에 의해 점차 구형의 형상을 가지게 된다.
이때, 기판은 상기 나노 입자 패턴을 이루는 재료보다 용융점이 높아야 하며, 기판은 상기 나노 입자 패턴을 이루는 재료와의 젖음성(Wetability)이 작은 것 이 바람직한데, 이는 젖음성이 작을수록 나노 입자 패턴이 구형에 가까운 형상을 가지기 때문이다.
다음으로, 온도를 상온으로 낮추어 기판을 냉각시키고, 상기 기판의 상부 면을 에칭 용액을 통해 식각하여 기판에서 나노 입자를 분리해낸다(S 140).
즉, 상기 열처리 공정으로 인해 상기 나노 입자 패턴은 구형의 형상을 가지게 되어 기판과의 접촉된 면적이 줄어든 상태에 있으므로, 상기 기판의 상부 면을 에칭하면 상기 나노 입자를 기판으로부터 쉽게 떼어낼 수 있게 된다.
이때, 상기 나노 입자에 영향을 주지 않고 기판만을 선택적으로 식각 할 수 있는 에칭 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 나노 입자 제조방법의 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)상에 은(Ag)으로 이루어지는 박막(110)을 증착한다(도 2a).
이때, 상기 실리콘 기판(100) 표면의 유기물 및 이물질을 제거하기 위하여 먼저 아세톤에 넣어 초음파 세척을 한 후, 세정수 및 메탄올에서 각각 초음파 세척을 실시한다.
상기 은(Ag)으로 이루어지는 박막(110)은 반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering)에 의해 증착하며, 증착하는 두께는 형성하고자하는 나노 입자의 크기 와 후술할 패턴의 면적에 의해 결정된다.
다음으로, 상기 은(Ag)으로 이루어지는 박막(110) 상부에 감광성 수지(120)를 도포한 후(도 2b), 포토 리소그래피(Photo Lithography) 공정을 이용하여 사각형 형상의 패턴(125)을 형성한다(도 2c).
이때, 사각형 형상의 패턴(125)의 상부 면의 면적은 상기 박막(110)의 두께와 형성하고자하는 나노 입자의 크기에 의해 결정된다.
이어서, 상기 사각형 형상의 패턴(125)을 마스크로 하여 상기 박막(110)을 식각함으로써, 실리콘 기판(100)상에 은(Ag)으로 이루어지는 사각형 형상의 나노 입자 패턴(115)을 형성한다(도 2d).
연이어, 상기 은(Ag)의 용융점인 961.93℃까지 온도를 높여 열처리를 한 후(도 2e), 온도를 상온으로 낮추고 상기 실리콘 기판(100)을 습식 식각하여 나노 입자를 실리콘 기판(100)으로부터 분리해낸다.
[실시예 : 실리콘 산화물 나노 입자의 제조]
먼저, 실리콘 웨이퍼 표면의 유기 오염물 및 무기 오염물을 통상의 반도체 세정 공정으로 제거한다.
이어서, borophophosilicate glass(BPSG)를 실리콘 웨이퍼 상에 증착한다. 이때 LPCVD(Low Press Chemical Vapor Deposition) 법으로 증착하며, PH3 와 B2H6 가스를 소량 사용하게 되면 삼원 산화물(Ternary oxide)인 B2O3-P2O5-SiO2 가 얻어진 다. 상기 borophophosilicate glass는 실리콘 웨이퍼 상에 500Å의 두께로 증착을 한다.
그 후, 포토 레지스트를 코팅하고 패턴이 있는 마스크를 사용하여 노광 후 현상을 하며, borophophosilicate glass를 에칭하여 실리콘 웨이퍼 상에 나노 입자 패턴을 형성한다.
이어서, 포토 레지스트를 제거하고 세정을 한 후, 750℃의 온도에서 열처리를 하여 나노 입자 패턴이 구형의 형상을 이루도록 한 후, 상온까지 온도를 낮춘다.
다음으로, 실리콘 웨이퍼를 KOH 용액에 넣어 실리콘 막을 에칭하여 borophophosilicate glass로 이루어지는 나노 입자를 실리콘 웨이퍼에서 분리해낸다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 나노 입자의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 나노 입자 제조방법의 실시예를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 기판 110 : 박막
113 : 나노 입자 115 : 나노 입자 패턴
120 : 감광성 수지 125 : 패턴

Claims (6)

  1. 기판상에 나노 입자를 형성할 재료로 박막을 형성하는 단계;
    상기 박막 상부에 감광성 수지를 도포하고, 상기 감광성 수지에 상호 이격된 복수개의 패턴을 형성하는 단계;
    상기 패턴을 마스크로 상기 박막을 식각하여 상기 기판상에 나노 입자를 형성하는 단계;
    상기 재료의 용융점까지 온도를 높여 열처리하는 단계; 및
    온도를 상온으로 낮춘 후, 상기 나노 입자를 기판에서 분리하는 단계를 포함하여 이루어지는 나노 입자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 알루미나, 석영, 실리콘 산화물 및 질화 규소 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박막의 두께 및 상기 패턴의 상부면의 면적은 다음 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조방법.
    (수학식)
    Figure 112007050286732-PAT00003
    여기서, t는 박막의 두께를 나타내고, d는 나노 입자의 반경을 나타내며, S는 패턴의 상부면의 면적을 나타낸다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패턴의 형상은 사각형, 원형, 삼각형 중에서 선택된 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 이후 나노 입자의 형상은 구형인 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 입자를 기판에서 분리하는 단계는,
    상기 기판의 상부 면을 선택적으로 에칭하여 상기 나노 입자를 기판에서 분 리하는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조방법.
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