KR20090114838A - Method for forming nano material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노 소재 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 나노 입자를 선택적으로 배열시키는 나노 입자 배열 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming nanomaterials, and more particularly, to a nanoparticle array method for selectively arranging nanoparticles.
나노 소재는 전기적, 광학적, 기계적으로 우수한 특성을 갖기 때문에, 화학, 바이오, 공학 등의 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있다. 특히, 나노 입자, 나노와이어(nanowire)는 고 집적도의 반도체 장치를 구현함에 있어 최적의 소재로 각광받고 있다. Since nanomaterials have excellent electrical, optical, and mechanical properties, they are applied to various fields such as chemistry, biotechnology, and engineering. In particular, nanoparticles and nanowires have been spotlighted as optimal materials for implementing high-density semiconductor devices.
종래기술은 나노 입자를 형성하는 방법에 있어서, 먼저 소정의 기판 상에 나노 입자 배열을 위한 글루층을 형성한다. 글루층은 나노 입자와 반대 극성을 갖는 화합물로 이루어지며, 예를 들어, 폴리-L-라이신(poly-L-lysine)으로 이루어진 화합물을 도포하여 형성한다. 이때, 폴리-L-라이신(poly-L-lysine)은 기판의 전면에 걸쳐 도포되며, (+) 극성을 나타낸다. The prior art is a method for forming nanoparticles, first forming a glue layer for arraying nanoparticles on a given substrate. The glue layer is made of a compound having a polarity opposite to the nanoparticles, for example, is formed by applying a compound consisting of poly-L- lysine (poly-L-lysine). At this time, poly-L-lysine (poly-L-lysine) is applied over the entire surface of the substrate, and exhibits a (+) polarity.
이어서, 글루층이 형성된 결과물에 나노 입자를 배열시킨다. 여기서, 나노 입자와 글루층은 반대 극성을 갖는 물질로 이루어지므로, 전기적 힘(electric force)에 의해 나노 입자가 글루층 상에 배열된다. 예를 들어, (+)극성을 나타내는 폴리-L-라이신(poly-L-lysine)으로 글루층을 형성한 경우, (-)극성을 나타내는 Au를 나노 입자로 사용한다.Subsequently, the nanoparticles are arranged in the resultant of the glue layer. Here, since the nanoparticles and the glue layer are made of a material having opposite polarity, the nanoparticles are arranged on the glue layer by electric force. For example, in the case where the glue layer is formed of poly-L-lysine having a positive polarity, Au having a negative polarity is used as a nanoparticle.
이와 같은 종래 기술에 따르면, 글루층이 기판의 전면에 도포되기 때문에, 나노 입자 또한 기판의 전면에 배열된다. 즉, 원하는 위치에 선택적으로 나노 입자를 형성할 수 없다. 또한, 글루층으로 사용된 물질이 기판 상에 잔류하여 화학적 오염을 일으킨다.According to this prior art, since the glue layer is applied to the front surface of the substrate, the nanoparticles are also arranged on the front surface of the substrate. That is, the nanoparticles cannot be selectively formed at a desired position. In addition, the material used as the glue layer remains on the substrate causing chemical contamination.
또한, 글루층에 의해 배열된 나노 입자는 촉매 물질로서 나노와이어 형성에 이용될 수 있는데, 이와 같은 방법을 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 방법이라 한다.In addition, the nanoparticles arranged by the glue layer may be used to form nanowires as a catalyst material. Such a method is called a VLS (Vapor-Liquid-Solid) growth method.
VLS 성장 방법은 글루층에 배열된 나노 입자 즉, 촉매 입자가 배열된 결과물을 나노와이어 형성을 위한 물질이 포함된 분위기에 노출시킴으로써, 나노와이어 형성을 위한 물질을 촉매 입자에 흡착시켜 나노와이어를 형성한다.The VLS growth method exposes nanoparticles arranged in the glue layer, that is, the result of the arrangement of the catalyst particles, to an atmosphere containing a material for forming nanowires, thereby adsorbing the material for nanowire formation to the catalyst particles to form nanowires. do.
이와 같은 종래 기술에 따르면, 원하는 위치에 선택적으로 촉매 입자를 형성할 수 없기 때문에, 소정의 기판상에서 나노와이어를 형성한 후 원하는 위치로 나노와이어를 이동시켜야하는 문제점이 발생한다. 뿐만 아니라, 글루층으로 사용된 물질이 기판상에 잔류하여 화학적 오염을 일으키는 문제점이 발생한다.According to the conventional technology, since the catalyst particles cannot be selectively formed at a desired position, a problem arises in that the nanowires must be moved to a desired position after the nanowires are formed on a predetermined substrate. In addition, there is a problem that the material used as the glue layer remains on the substrate causing chemical contamination.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 원하는 위치에 촉매 입자를 선택적으로 배열하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object thereof is to provide a method for selectively arranging catalyst particles at a desired position.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서의 도면, 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 본 발명의 다른 목적 및 장점을 쉽게 인식할 수 있다.Those skilled in the art to which the present invention pertains can readily recognize other objects and advantages of the present invention from the drawings, the description of the invention, and the claims.
이러한 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은 기판 상의 나노 입자를 배열하고자 하는 위치에 도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막에 소정 극성의 전압을 인가하는 단계; 및 상기 소정 극성의 전압이 인가된 도전막을 이용하여 상기 소정 극성과 반대 극성을 갖는 상기 나노 입자를 선택적으로 배열시키는 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.The present invention proposed to achieve the above object comprises the steps of forming a conductive film in a position to arrange the nanoparticles on the substrate; Applying a voltage having a predetermined polarity to the conductive film; And selectively arranging the nanoparticles having a polarity opposite to the predetermined polarity by using the conductive film to which the voltage of the predetermined polarity is applied.
또한, 본 발명은 기판 상의 나노와이어를 형성하고자 하는 위치에 도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막에 소정 극성의 전압을 인가하는 단계; 상기 소정 극성의 전압이 인가된 도전막을 이용하여 상기 소정 극성과 반대 극성을 갖는 촉매 입자를 선택적으로 배열시키는 단계; 및 상기 촉매 입자가 선택적으로 배열된 결과물을 나노와이어 형성을 위한 물질이 포함된 분위기에 노출시킴으로써, 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention comprises the steps of forming a conductive film on the position to form the nanowires on the substrate; Applying a voltage having a predetermined polarity to the conductive film; Selectively arranging catalyst particles having a polarity opposite to the predetermined polarity by using the conductive film to which the predetermined polarity voltage is applied; And growing the nanowires by exposing the resultant arrangement of the catalyst particles to an atmosphere containing a material for forming nanowires.
또한, 본 발명은 기판 상의 나노 입자를 배열하고자 하는 위치에 물질막을 형성하는 단계; 및 상기 물질막이 형성된 결과물을 열처리하여 선택적으로 배열된 나노 입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention comprises the steps of forming a material film at a position to arrange the nanoparticles on the substrate; And heat treating the resultant formed material layer to form nanoparticles selectively arranged.
또한, 본 발명은 기판 상의 나노 와이어를 형성하고자 하는 위치에 촉매물질막을 형성하는 단계; 상기 촉매물질막이 형성된 결과물을 열처리하여 선택적으로 배열된 촉매 입자를 형성하는 단계; 및 상기 촉매 입자가 선택적으로 배열된 결과물을 나노와이어 형성을 위한 물질이 포함된 분위기에 노출시킴으로써, 상기 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention comprises the steps of forming a catalyst material film in a position to form a nanowire on the substrate; Heat treating the resultant formed catalyst film to form selectively arranged catalyst particles; And growing the nanowires by exposing the resultant arrangement of the catalyst particles to an atmosphere containing a material for forming nanowires.
본 발명에 따르면 나노 입자를 배열하고자 하는 위치에 소정 극성을 갖는 도전막을 형성한 후, 상기 도전막과 반대 극성을 갖는 나노 입자를 배열함으로써, 나노 입자를 원하는 위치에 선택적으로 배열할 수 있다. 또한, 나노와이어를 형성하고자 하는 위치에 박막 형태의 물질막을 형성한 후, 열처리함으로써, 원하는 위치에 선택적으로 나노 입자를 배열할 수 있다. According to the present invention, after forming a conductive film having a predetermined polarity at a position where the nanoparticles are to be arranged, the nanoparticles may be selectively arranged at a desired position by arranging nanoparticles having a polarity opposite to the conductive film. In addition, by forming a material film in the form of a thin film at the position where the nanowire is to be formed, and then heat treatment, it is possible to selectively arrange the nanoparticles at a desired position.
특히, 선택적으로 배열된 나노 입자를 촉매 입자로 이용하여 나노 와이어를 형성함으로써, 원하는 위치에 직접 나노와이어를 형성할 수 있으며, 별도의 글루층 을 사용할 필요가 없으므로 글루층으로 인한 화학적 오염을 방지할 수 있다.In particular, by forming nanowires using selectively arranged nanoparticles as catalyst particles, nanowires can be directly formed at desired positions, and there is no need to use a separate glue layer, thereby preventing chemical contamination due to the glue layer. Can be.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 과장될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.In the following, the most preferred embodiment of the present invention is described. In the drawings, thickness and spacing may be exaggerated for convenience of description. In describing the present invention, well-known structures irrelevant to the gist of the present invention may be omitted. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components as much as possible, even if displayed on different drawings.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 입자 배열 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of arranging nanoparticles according to a first embodiment of the present invention.
도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 절연막(110)을 형성한다. 여기서, 기판(100)은 실리콘 웨이퍼로 이루어지고, 절연막(110)은 산화막으로 이루어지는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 1A, an
도 1b에 도시된 바와 같이, 나노 입자를 배열하고자 하는 위치에 도전막(120)을 형성한다. 보다 상세하게는, 절연막(110)의 상부에 도전막(120)을 증착하고 증착된 도전막을 선택적으로 식각함으로써, 나노 입자를 배열하고자 하는 위치에만 선택적으로 도전막(120)이 형성되도록 한다.As shown in FIG. 1B, the
여기서, 도전막(120)은 후속 공정의 나노 입자 선택적 배열을 위한 것으로서, TaN, TiN, HfN, AlN, WN, Ta, Hf, Ni, W, Zr, Co, Pt, Mo 또는 Nb 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.Here, the
도 1c에 도시된 바와 같이, 도전막(120A)에 소정 극성의 전압을 인가한다. 이는 도전막(120A)이 후속 공정에 의해 배열되는 나노 입자와 반대 극성을 나타내도록 하기 위한 것으로, 직류(DC) 또는 교류(AC) 전압을 인가하거나 직류 전압과 교류 전압을 동시에 인가할 수 있다. As shown in FIG. 1C, a voltage having a predetermined polarity is applied to the
예를 들어, 도전막(120A)에 직류 전압을 인가하여, 도전막(120A)과 반대 극성을 나타내는 나노 입자를 전기적 힘(electric force)에 의해 도전막(120A) 상에 배열시킬 수 있다. 이때, 도전막(120A)에 0.01 내지 100V의 직류를 인가하는 것이 바람직하다. For example, by applying a direct current voltage to the
또는, 도전막(120A)에 교류 전류를 인가하여, 도전막(120A)의 표면에 뭉쳐있는 나노 입자를 분산시킴으로써, 단일층으로 균일하게 배열된 나노 입자를 배열시킬 수 있다. 이때, 도전막(120A)에 0.01 내지 100V의 교류를 인가하는 것이 바람직하다.Alternatively, by applying an alternating current to the
또는, 직류 전압과 교류전압을 동시에 인가하여, 도전막(120A) 상에 나노 입자를 배열시킬 수 있으며, 이때 도전막(120A)에 0.01 내지 100V의 직류 및 교류를 동시에 인가하는 것이 바람직하다.Alternatively, the direct current voltage and the alternating current voltage may be simultaneously applied to arrange the nanoparticles on the
도 1d에 도시된 바와 같이, 소정 극성을 갖는 도전막(120A)이 형성된 결과물에 나노 입자를 포함하는 물질(130)을 도포한다. 여기서, 나노 입자는 도전막(120A)과 반대 극성을 갖는 물질로 이루어지며, 도전막(120A)이 (+) 극성을 나타내는 경우, 나노 입자는 (-) 극성을 나타내는 물질을 이용한다. As illustrated in FIG. 1D, a
여기서, 나노 입자는 Au, Al, Ti, Fe, Ni, Cu, Ag, Pt 또는 Ga 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 나노 입자의 크기는 2 내지 500nm인 것이 바람직하며, 나노 입자를 포함하는 물질(130)은 탈이온수(deionized water)로 이루어진 액상인 것이 더욱 바람직하다.Here, the nanoparticles are preferably made of one of Au, Al, Ti, Fe, Ni, Cu, Ag, Pt or Ga. In particular, the size of the nanoparticles is preferably 2 to 500nm, the material containing the
도 1e에 도시된 바와 같이, 도전막(120A)과 반대의 극성을 갖는 나노 입자(130A)는 전기적 힘(electric force)에 의해 도전막(120A)이 형성된 위치에 선택적으로 배열된다. 여기서, 나노 입자(130A)를 포함하는 물질(130)이 액상인 경우에는, 액체를 제거하여 나노 입자(130A)만을 남긴다.As illustrated in FIG. 1E, the nanoparticles 130A having polarities opposite to those of the
이로써, 별도의 글루층 사용 없이 나노 입자를 원하는 위치에 선택적으로 배열할 수 있으며, 이와 같이 선택적으로 배열된 나노 입자(130A)는 VLS 성장 방법에 있어서 나노와이어(nanowire) 성장을 위한 촉매 입자로 사용될 수 있다. 이하, 선택적으로 배열된 나노 입자(130A)를 촉매 입자로서 사용하는 VLS 방법에 대하여 상세히 살펴본다.As a result, the nanoparticles may be selectively arranged at a desired position without using a separate glue layer, and the selectively arranged nanoparticles 130A may be used as catalyst particles for nanowire growth in the VLS growth method. Can be. Hereinafter, the VLS method using the selectively arranged nanoparticles 130A as catalyst particles will be described in detail.
먼저, 전술한 나노 입자 배열 방법에 의해 촉매 입자를 원하는 위치에 선택적으로 배열시킨다. 이어서, 촉매 입자가 선택적으로 배열된 결과물을 나노와이어 형성을 위한 물질을 포함하는 분위기에 노출시킨다. 이때, 촉매 물질이 용융되어 나노와이어 형성을 위한 물질을 흡착함으로써, 나노와이어가 성장하게 된다. 따라서, 원하는 위치에서 직접 나노와이어를 성장시킬 수 있다.First, the catalyst particles are selectively arranged at a desired position by the above-described nanoparticle arrangement method. The resultant arrangement of the catalyst particles is then exposed to an atmosphere containing the material for nanowire formation. At this time, the nanomaterial is grown by melting the catalyst material and adsorbing the material for forming the nanowire. Thus, nanowires can be grown directly at the desired location.
여기서, 나노와이어 형성을 위한 물질은 Si, Ge 또는 Si와 Ge의 조합으로 이 루어질 수 있으며, SiH4, Si2H6, GeH4 등의 가스를 이용하여 나노와이어를 성장시킬 수 있다. 또는, Ni, NiSi, Cu, Au, Ag 또는 Ta와 같은 메탈로 나노와이어를 형성하여, 전극 사이를 연결하는 인터커넥션(interconnection) 등으로 이용할 수 있다.Here, the material for forming the nanowires may be made of Si, Ge, or a combination of Si and Ge, and nanowires may be grown using gases such as SiH 4 , Si 2 H 6 , and GeH 4 . Alternatively, the nanowires may be formed of a metal such as Ni, NiSi, Cu, Au, Ag, or Ta, and may be used as an interconnection between the electrodes.
여기서, 나노와이어의 성장 공정은 촉매 입자 및 나노와이어 형성을 위한 물질의 종류에 따라 적절한 온도에서 수행된다. 일반적으로, 온도가 증가할수록 나노와이어의 성장 속도가 증가하지만, 소정 온도 이상에서는 나노와이어의 길이보다 두께가 증가하게 된다. 따라서, 나노와이어 성장 공정은 200 내지 900℃에서 수행되는 것이 바람직하다. Here, the growth process of the nanowires is performed at an appropriate temperature depending on the type of catalyst particles and the material for forming the nanowires. In general, as the temperature increases, the growth rate of the nanowires increases, but above a predetermined temperature, the thickness increases than the length of the nanowires. Therefore, the nanowire growth process is preferably performed at 200 to 900 ℃.
이와 같은 본 발명에 따르면, 도전막(120A)을 3차원적으로 형성함으로써 다양한 위치에 3차원적으로 나노와이어를 형성할 수 있다. 예를 들어, 돌출부의 표면에 도전막(120A)을 형성하여 촉매 입자를 배열함으로써 나노와이어를 형성하거나, 트렌치의 측벽을 따라 형성된 도전막(120A)에 촉매 입자를 배열함으로써 3차원 구조를 갖는 나노와이어를 형성할 수 있다.According to the present invention, the nanowires can be formed three-dimensionally at various positions by forming the
도 2a 및 도2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노 입자 배열 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.2A and 2B are cross-sectional views illustrating a method of arranging nanoparticles according to a second embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(200) 상에 절연막(210)을 형성한다. 여기서, 기판(200)은 실리콘 웨이퍼로 이루어지고, 절연막(210)은 산화막으로 이루어지는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 2A, an insulating
이어서, 나노 입자를 배열하고자 하는 위치에 물질막(230)을 형성한다. 여기서, 물질막(230)은 Au, Al, Ti, Fe, Ni, Cu, Ag, Pt 또는 Ga 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다. Subsequently, the
도 2b에 도시된 바와 같이, 물질막(230)이 형성된 결과물을 열처리한다. 열처리 과정을 통해 물질막(230)은 소정 극성을 나타내는 나노 입자(230A)를 형성한다. 예를 들어, Au, Al, Ti, Fe, Ni, Cu, Ag, Pt 또는 Ga 중 하나로 이루어지는 물질막(230)을 가열하는 경우, (-) 극성을 나타내는 나노 입자(230A)가 형성된다.As shown in FIG. 2B, the
이로써, 기판상의 원하는 위치에 선택적으로 배열된 나노 입자(230A)를 형성할 수 있으며, 이와 같이 선택적으로 배열된 나노 입자(230A)는 VLS 성장 방법에 있어서 나노와이어(nanowire) 성장을 위한 촉매 입자로 사용될 수 있다. 이하, 선택적으로 배열된 나노 입자(230A)를 촉매 입자로서 사용하는 VLS 방법에 대하여 상세히 살펴본다.As a result, the nanoparticles 230A may be selectively arranged at a desired position on the substrate, and the nanoparticles 230A may be selectively arranged as catalyst particles for nanowire growth in the VLS growth method. Can be used. Hereinafter, the VLS method using the selectively arranged nanoparticles 230A as catalyst particles will be described in detail.
먼저, 전술한 나노 입자 배열 방법에 의해 촉매 입자를 원하는 위치에 선택적으로 배열시킨다. 이어서, 촉매 입자가 선택적으로 배열된 결과물을 나노와이어 형성을 위한 물질을 포함하는 분위기에 노출시킨다. 이때, 촉매 물질이 용융되어 나노와이어 형성을 위한 물질을 흡착함으로써, 나노와이어가 성장하게 된다. 따라서, 원하는 위치에서 직접 나노와이어를 성장시킬 수 있다.First, the catalyst particles are selectively arranged at a desired position by the above-described nanoparticle arrangement method. The resultant arrangement of the catalyst particles is then exposed to an atmosphere containing the material for nanowire formation. At this time, the nanomaterial is grown by melting the catalyst material and adsorbing the material for forming the nanowire. Thus, nanowires can be grown directly at the desired location.
전술한 바와 같이, 나노와이어 성장 공정은 200 내지 900℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 나노와이어 형성을 위한 물질은 Si, Ge 또는 Si와 Ge의 조합 중 하나로 이루어질 수 있다. 또한, Ni, NiSi, Cu, Au, Ag 또는 Ta와 같은 메탈로 나노 와이어를 형성하여, 전극 사이를 연결하는 인터커넥션(interconnection) 등으로 이용할 수 있다.As described above, the nanowire growth process is preferably performed at 200 to 900 ℃, the material for forming the nanowire may be made of one of Si, Ge or a combination of Si and Ge. In addition, the nanowires may be formed of a metal such as Ni, NiSi, Cu, Au, Ag, or Ta, and may be used as an interconnection between the electrodes.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been specifically recorded in accordance with the above-described preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 의한 나노와이어 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method for forming nanowires according to a first embodiment of the present invention.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 의한 나노와이어 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.2A and 2B are cross-sectional views illustrating a method for forming nanowires according to a second embodiment of the present invention.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
100: 기판, 110: 절연막, 120: 도전막, 120A: 극성을 나타내는 도전막, 130: 촉매 입자를 포함하는 물질, 130A: 촉매 입자, 200: 기판, 210: 절연막, 230: 촉매 입자를 포함하는 물질, 230A: 촉매 입자Reference Signs List 100: substrate, 110: insulating film, 120: conductive film, 120A: conductive film showing polarity, 130: material containing catalyst particles, 130A: catalyst particles, 200: substrate, 210: insulating film, 230: catalyst particles Material, 230A: Catalyst Particles
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