KR20110093428A - Method for selective patterning of polyethyleneimine and a semiconductor device manufactured by using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for selectively patterning polyethyleneimine and a semiconductor device which is manufactured by the same are provided to use existing photo processing equipment, thereby reducing processing costs and processing time. CONSTITUTION: A photoresist resin film pattern is formed on a substrate(1). A polyethyleneimine solution is applied on the substrate. The applied polyethyleneimine solution is dried. A photosensitive resin film is eliminated by a solvent and an ultrasound wave.

Description

폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법 및 이를 이용하여 제조된 반도체 소자{Method for selective patterning of polyethyleneimine and a semiconductor device manufactured by using the same}Method for selective patterning of polyethyleneimine and a semiconductor device manufactured using the same {Method for selective patterning of polyethyleneimine and a semiconductor device manufactured by using the same}

본 발명은 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법 및 이를 이용하여 제조된 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 포토리소그래피 (photo-lithography) 방법을 이용하여 유기 고분자 박막인 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 박막을 선택적으로 패터닝하는 방법 및 이를 통해 폴리에틸렌이민이 패터닝된 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a selective patterning method of polyethyleneimine and a semiconductor device manufactured using the same, and more specifically, to selectively pattern a polyethyleneimine thin film, which is an organic polymer thin film, using a photo-lithography method. The present invention relates to a semiconductor device in which polyethyleneimine is patterned.

포토리소그래피(photo-lithography) 방법은 평평한 기판에 감광성 수지막(photoresist)을 스핀코팅(spin-coating)하여 얇은 박막을 만들고(예, AZ5214는 일반적인 조건에서 1.4 마이크로미터 두께의 박막을 만든다) 포토마스크(photomask)를 얹은 후, 적당한 파장의 빛을 일정시간 조사하여, 감광성 수지막을 선택적으로 남기거나 제거하는 방법으로 기판 상에 감광성 수지막 패턴을 제작하는 방법을 말한다. 그리고 이 감광성 수지막 패턴 상에 일반적으로 금속 물질을 얇게 증착시킨 후 감광성 수지막을 제거하는 과정을 통해 감광성 수지막 패턴이 없는 자리에만 선택적으로 금속 물질을 남김으로써 기판 상에 금속 패턴을 제작하는데 사용될 수 있다.The photo-lithography method spin-coates a photoresist on a flat substrate to form a thin film (e.g., AZ5214 creates a 1.4 micrometer thick film under normal conditions). After attaching a photomask, the method of producing a photosensitive resin film pattern on a board | substrate is performed by irradiating light of a suitable wavelength for a predetermined time, and selectively leaving or removing a photosensitive resin film. Generally, a thin metal material is deposited on the photosensitive resin film pattern, and then the photosensitive resin film is removed to selectively leave the metal material only in a place where the photosensitive resin film pattern is not used, thereby manufacturing the metal pattern on the substrate. have.

이와 같이 금속 패턴을 제작하는데 주로 이용되어온 포토리소그래피법을 유기 고분자 패턴을 제작하는데 이용하고자 하는 노력이 있어왔다. 그러나 유기 고분자 패턴을 제작하기 위해 포토리소그래피법을 도입하는데 여러 가지 기술적인 제한사항들로 인해 성공적으로 도입된 예가 많지 않았다.As such, there have been efforts to use the photolithography method, which has been mainly used to fabricate metal patterns, to fabricate organic polymer patterns. However, few examples have been successfully introduced due to various technical limitations in introducing photolithography to fabricate organic polymer patterns.

이러한 기술적인 제한 사항으로 첫 번째는, 패턴에 적용하기 위한 유기 고분자를 녹이는 유기 용매(solvent)가 감광성 수지막 역시 녹이는 경우가 많다는 점이다. 일반적인 감광성 수지막으로 쓰이고 있는 AZ5214의 경우, 아세톤과 같은 유기 용매뿐만 아니라 에탄올, 메탄올과 같은 알콜성 유기 용매에도 잘 녹는다. 이와 같이 감광성 수지막의 제거에 쓰이는 유기 용매가 감광성 수지막은 녹이고, 패터닝 하려는 유기 고분자는 녹이지 말아야 한다는 조건이 만족되어야 한다. The first limitation is that the organic solvent that melts the organic polymer to be applied to the pattern often melts the photosensitive resin film. AZ5214, which is used as a general photosensitive resin film, is soluble not only in organic solvents such as acetone but also in alcoholic organic solvents such as ethanol and methanol. As such, the organic solvent used for removing the photosensitive resin film must satisfy the condition that the photosensitive resin film is melted and the organic polymer to be patterned is not melted.

또한, 유기 고분자간의 결합력이 유기 고분자와 기판간의 결합력보다 작아야 한다. 유기 고분자 간의 힘이 더 큰 경우, 감광성 수지막의 제거 과정에서 유기 고분자 전체가 기판으로부터 분리되어 들려 떨어져 나감으로써 실제 기판상에 유기 고분자 패턴이 남지 않는 문제가 발생할 수 있다. In addition, the bonding force between the organic polymer and the organic polymer and the substrate should be less than. When the force between the organic polymers is greater, the entire organic polymer may be separated and lifted off from the substrate during the removal of the photosensitive resin film, thereby causing a problem that the organic polymer pattern does not remain on the actual substrate.

이러한 기술적 제한 사항들을 동시에 해결하기 힘들기에, 종래에는 유기 고분자를 코팅 후 반응성 이온 식각(Reactive ion etching: RIE)과 같은 방법을 같이 이용하거나, 전체적으로 유기 고분자를 코팅한 후 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography) 방법 등을 이용하여 유기 고분자 패턴을 제작하였다. Since it is difficult to solve these technical limitations at the same time, conventionally, the organic polymer is coated with a method such as reactive ion etching (RIE), or the organic polymer is coated with the entire nanoimprint lithography. The organic polymer pattern was produced using the method and the like.

반응성 이온 식각의 방법을 사용하기 위해서는 고가의 장비를 사용해야만 한다는 점과, 사용되는 가스의 종류와 압력 등의 조건 및 식각 속도(rate)를 잡아야한다는 번거로움이 있다. In order to use the reactive ion etching method, expensive equipment must be used, and conditions such as the type and pressure of the gas used, and the etching rate (rate) must be determined.

또한, 나노임프린트 리소그래피와 같은 방법을 이용하기 위해서는 Si(실리콘) 기판상에 이빔 리소그래피(e-beam lithography)나 포토리소그래피 및 각종의 식각 방법을 이용하여 마스터(master) 기판을 제작하고, 이 위에 자가결합물질(self-assembly monolayer)과 같은 표면 개질의 방법을 동원하여 고분자 스탬프(polymer stamp)를 제작해야 하며, 이를 다시 유기 고분자 상에 찍는 방법을 이용해야 하는 불편함이 있다. 이 방법은 대면적에 반복되는 패턴을 제작하기엔 편리하나, 아직은 얼라인(align) 공정에 적용할 수 없어 다층의 반도체 소자 제조에 적용될 수 없는 치명적인 단점이 있다.In addition, in order to use a method such as nanoimprint lithography, a master substrate is fabricated on an Si (silicon) substrate using e-beam lithography, photolithography, and various etching methods. It is inconvenient to use a method of surface modification, such as a self-assembly monolayer, to produce a polymer stamp, and to use it on a organic polymer. This method is convenient for producing a pattern that is repeated in a large area, but it is not yet applicable to the alignment (align) process has a fatal disadvantage that can not be applied to the manufacture of a multi-layer semiconductor device.

포토리소그래피 방법으로 기판상에 유기 고분자 패턴을 제작하는 것은 그 자체가 매우 까다롭고 제한적이어서 이러한 시도로 만들어진 결과가 없을 뿐만 아니라, 이러한 것을 요구하는 응용 분야 역시 기존의 반도체 공정에서는 없었다. The fabrication of organic polymer patterns on substrates by photolithography is very demanding and limited in itself, resulting in no such attempts, nor in the applications of conventional semiconductor processes.

그런데, 최근의 연구결과에 따르면, 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 소자화시키고 이를 응용하기 위해서 본질적으로(intrinsically) p 타입인 단일벽탄소나노튜브를 n 타입으로 도핑할 필요가 있으며(Shim et al ., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11512.참조), 이러한 방법을 통해 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS, 시모스) 및, 논리 소자(logic device)의 가장 기본적인 링 오실레이터(ring oscillator) 등을 제작할 수 있는 가능성이 대두되게 되었다. However, according to recent research results, it is necessary to dope a single-walled carbon nanotube, which is intrinsically p-type, with n-type in order to device and apply a single-walled carbon nanotube (SWCNT) ( Shim) et al . , J. Am. Chem. Soc. 2001, 123 , 11512), this approach has opened up the possibility of fabricating complementary metal oxide semiconductors (CMOS, CMOS) and the most basic ring oscillators of logic devices.

이러한 목적을 달성하기 위해서는 폴리에틸렌이민과 같은 도핑 물질(doping material)을 선택적인 코팅을 통해 패터닝해야 할 필요성이 있다. 선택성 없이 일괄적으로 코팅이 이루어지게 되면 폴리에틸렌이민 제거의 어려움 때문에 소자의 특성을 기대할 수 없다. 이러한 선택적 패터닝의 방법은 얼라인(align) 공정이 가능한 기술을 이용해야 이루어질 수 있다. To achieve this goal, there is a need to pattern a doping material, such as polyethyleneimine, via selective coating. If the coating is carried out without selectivity, the characteristics of the device cannot be expected due to the difficulty of removing polyethyleneimine. This method of selective patterning can be achieved only by using a technology capable of an alignment process.

이러한 점에서, 상기의 나노임프린트 리소그래피의 방법은 얼라인 자체가 불가능하므로 적합하지 않다. 따라서, 얼라인(align)이 가능하면서도 폴리에틸렌이민을 선택적으로 도핑할 수 있는 공정의 필요성이 절실히 요구되고 있다.In this regard, the above method of nanoimprint lithography is not suitable because the alignment itself is impossible. Therefore, there is an urgent need for a process capable of aligning and selectively doping polyethyleneimine.

이와 같은 기술적 배경 하에서, 본 발명자들은 종래의 포토리소그래피 방법을 유기 고분자, 특히 폴리에틸렌이민의 패터닝에 적용시키기 위하여 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Under these technical backgrounds, the present inventors have completed the present invention as a result of intensive efforts to apply the conventional photolithography method to the patterning of organic polymers, especially polyethyleneimine.

결국, 본 발명의 목적은 최적화된 포토리소그래피 공정의 개발을 통해 고가의 장비의 필요없이 단순화된 공정을 통해 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝 할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.After all, it is an object of the present invention to provide a method for selectively patterning polyethyleneimine through a simplified process without the need for expensive equipment through the development of optimized photolithography process.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝하는 방법을 이용하여 제조된 반도체 소자를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufactured using the method of selectively patterning the polyethyleneimine.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 In the present invention to achieve the above object

기판 상에 감광성 수지막 패턴을 형성시키는 단계; 폴리에틸렌이민 수용액을 상기 감광성 수지막 패턴 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계; 상기 도포된 폴리에틸렌이민 수용액을 건조시키는 단계; 및 상기 감광성 수지막을 선택적으로 제거할 수 있는 용매와 함께 초음파를 처리하여 감광성 수지막을 제거하는 단계를 포함하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법이 제공될 수 있다.Forming a photosensitive resin film pattern on the substrate; Applying an aqueous polyethyleneimine solution to a thickness of 80% or less of the photosensitive resin film pattern thickness; Drying the applied aqueous polyethyleneimine solution; And removing the photosensitive resin film by treating an ultrasonic wave with a solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film, thereby providing a selective patterning method of polyethyleneimine.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민 수용액은 폴리에틸렌이민:증류수가 1:1~125 범위일 수 있다.According to one embodiment of the method for the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention, the aqueous polyethyleneimine solution may range from 1: 1 to 125 polyethyleneimine: distilled water.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민 수용액은 폴리에틸렌이민:증류수가 1:5~25 범위일 수 있다.According to one embodiment of the method for the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention, the aqueous polyethyleneimine solution may be in the range of 1: 5 to 25 polyethyleneimine: distilled water.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민의 도포는 1000~2000 rpm으로 25~40초간 스핀코팅하여 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the method for the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention, the application of the polyethyleneimine may be made by spin coating for 25 to 40 seconds at 1000 ~ 2000 rpm.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민의 도포는 500 rpm에서 5 초간 스핀코팅 한 다음, 1000~2000 rpm으로 25~40초간 스핀코팅하여 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention, the application of the polyethyleneimine may be made by spin coating for 5 seconds at 500 rpm, then spin coating for 25-40 seconds at 1000 ~ 2000 rpm.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 수용액을 상기 감광성 수지막 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계 이전에, 기판 위에 1~2㎕/1mm2의 폴리에틸렌이민 수용액층이 형성되도록 뿌려주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one embodiment of the method for the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention, before the step of applying the polyethyleneimine aqueous solution to a thickness of 80% or less of the photosensitive resin film thickness, 1 ~ 2μl on the substrate / 1mm 2 It may be characterized in that it further comprises the step of spraying so that the aqueous solution of polyethyleneimine is formed.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민 수용액의 건조는 65~100℃에서 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention, the drying of the aqueous polyethyleneimine solution may be performed at 65 ~ 100 ℃.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 감광성 수지막을 제거하는 단계는 100~200W 강도의 초음파를 2~10분간 처리하여 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention, the removing of the photosensitive resin film may be performed by treating ultrasonic waves of 100 to 200W intensity for 2 to 10 minutes.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 감광성 수지막을 선택적으로 제거할 수 있는 용매는 아세톤일 수 있다.According to one embodiment of the selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention, the solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film may be acetone.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝은 다층의 반도체 소자 제조에 적합한 것임을 특징으로 할 수 있다.According to one embodiment of the method for the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention, the selective patterning of the polyethyleneimine may be characterized in that it is suitable for manufacturing a multi-layer semiconductor device.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 방법에 따라 폴리에틸렌이민이 선택적으로 패터닝된 기판을 포함하는 반도체 소자가 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a semiconductor device including a substrate on which polyethyleneimine is selectively patterned according to the above method may be provided.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판; 기판상에 배열된 탄소나노튜브; 상기 탄소나노튜브에 접하여 소정의 간격으로 형성된 전극; 및 상기 전극을 연결하는 탄소나노튜브 상에 상기 서술된 방법에 따라 선택적으로 코팅된 폴리에틸렌이민층을 포함하는 반도체 소자가 제공될 수 있다.According to another aspect of the invention, the substrate; Carbon nanotubes arranged on the substrate; Electrodes formed at predetermined intervals in contact with the carbon nanotubes; And a polyethyleneimine layer selectively coated on the carbon nanotubes connecting the electrodes according to the above-described method.

본 발명에 따른 반도체 소자의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자는 폴리에틸렌이민층이 선택적으로 코팅되어 탄소나노튜브의 본질적인 p 타입 반도체 성질이 n 타입으로 전환되도록 한 반도체 소자일 수 있다.According to a preferred embodiment of the semiconductor device according to the present invention, the semiconductor device may be a semiconductor device in which the polyethyleneimine layer is selectively coated so that the essential p-type semiconductor properties of the carbon nanotubes are converted to the n-type.

본 발명에 따른 반도체 소자의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 단일벽탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 반도체 소자일 수 있다.According to a preferred embodiment of the semiconductor device according to the invention, the carbon nanotubes may be a semiconductor device, characterized in that the single-walled carbon nanotubes.

본 발명은 기존의 포토공정 장비를 그대로 활용하여 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝할 수 있어 공정비용 및 소요시간의 측면에서 매우 효율적이다. 또한, 얼라인(align)이 가능하면서도 매우 정밀한 고분자의 패턴이 가능하여, 일 실시예로 탄소나노튜브의 전계특성을 변환시켜 반도체 소자를 제조할 수 있는 등 매우 큰 장점 및 효과를 갖는다. 본 발명에 따르면 각종 로직 회로 및 PM(passive matrix)을 이용한 다양한 소자(터치 스크린, PMOLED, etc) 등을 제작할 수 있다.The present invention can be selectively patterned polyethylene imine using the existing photo process equipment as it is very efficient in terms of process cost and time required. In addition, it is possible to align a very precise pattern of the polymer is possible, in one embodiment it has a great advantage and effects, such as to convert the electric field properties of carbon nanotubes to manufacture a semiconductor device. According to the present invention, various devices (touch screen, PMOLED, etc) using various logic circuits and passive matrix (PM) can be manufactured.

도 1은 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 과정의 개략도이다.도 1의 (가)는 기판(1) 위에 감광성 수지막(2)을 스핀코팅한 후 포토리소그래피 공정을 따라 감광성 수지막에 패턴을 현상(develop)시킨 후의 모습을 나타내고, (나)는 감광성 수지막 패턴 상에 폴리에틸렌이민 수용액(3)을 감광성 수지막의 높이 보다 낮게 도포한 모습이며, (다)는 감광성 수지막을 제거하기 위한 용매 처리 후의 완성된 폴리에틸렌이민 패턴의 모습이다.
도 2는 스핀코터를 이용하여 폴리에틸렌이민을 코팅할 때 폴리에틸렌이민이 젖어들면서 원하는 패턴으로 만들어져 가는 과정을 나타낸 것이다. 도 2의 (가)는 도 1의 (가)에 해당하는 광학현미경 사진이고, (나)는 도 1의 (나)의 한 도포 방법으로 스핀코터를 이용하여 적절한 두께로 폴리에틸렌이민을 도포한 직후의 광학 현미경 사진이며, (다)는 상기 도 2의 (나)에서 도포된 폴리에틸렌이민이 젖어들면서 패턴을 가득 채운 후의 광학 현미경 사진이다.
도 3은 틸티드 드롭 캐스팅(Tilted drop casting) 방법으로 폴리에틸렌이민 수용액을 적정량 떨어뜨린 후 패턴을 가득채운 광학 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 도 1 (다)의 과정을 거친 후 얻은 광학 현미경 사진이다. 도 4의 (가)는 실시예 5에 따라 올바르게 제조된 패턴의 예이며, 우측 (나)와 (다)의 사진은 비교예 1(나) 및 비교예 2(다)에 따라 제조된 예이다.
도 5는 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 응용의 예를 나타낸 것이다. 도 5의 (가)는 수평 정렬된 단일벽탄소나노튜브를 성장시킨 후 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진이고, (나)는 (가)를 재료로 실제 소자를 제작한 주사현미경(SEM) 사진이며, (다)는 (나) 상에 금속 전극과 폴리에틸렌이민 패턴을 얼라인(align)한 광학현미경 사진이며, (라)는 (다)의 일부분을 확대한 광학현미경 사진이다.
도 6은 도 5의 (라) 그림을 보다 상세하게 설명하기 위한 모식도이다. 도 6의 (가)는 기판(1) 상에 배열된 전극(2, 3)과 이를 연결하는 탄소나노튜브(4)를 나타내고, (나)는 상기 (가)의 탄소나노튜브 상에 폴리에틸렌이민(5)이 선택적으로 패터닝된 모습을 나타낸다. 그림에서 식별번호 4는 폴리에틸렌이민이 코팅되지 않아 탄소 나노튜브가 p 타입의 반도체 소자 특성을 나타내는 영역이며, 식별번호 5는 폴리에틸렌이민의 코팅으로 인해 n 타입으로 전환된 반도체 소자 특성을 나타내는 영역이며, (다)는 (나)의 식별번호 4번 영역을 횡단면으로 바라본 그림으로서, 기판상에 탄소나노튜브만 존재하고 있는 모양을 나타내며, (라)는 (나)의 식별번호 5번 영역을 횡단면으로 바라본 그림으로서, 기판상의 탄소나노튜브가 폴리에틸렌이민으로 코팅되어 있는 모양을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝에 따라 제조된 (가) n-p-n형 반도체 소자, (나) p-n-p형 반도체 소자의 일 실시예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 반도체 소자의 제조에 있어서 소스 전극과 드레인 전극을 탄소나노튜브로 연결시킨 도 6의 (가) 구조를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 9의 (가)는 단일벽탄소나노튜브 고유 특성('Intrinsic‘으로 표기된 선), 폴리에틸렌이민을 전체적으로 코팅 후 특성(’PEI coated‘로 표기된 선), 소자를 적절한 열처리를 한 후의 전기특성(’Annealed‘로 표기된 선)을 나타내는 그래프이며, 도 9의 (나)는 도 5의 (라)에 나타나 있는 소자의 전기특성을 나타낸다.
1 is a schematic diagram of a selective patterning process of polyethyleneimine according to the present invention. FIG. 1A shows a pattern on a photosensitive resin film after spin coating a photosensitive resin film 2 on a substrate 1. (B) shows a solution of polyethyleneimine solution (3) lower than the height of the photosensitive resin film on the photosensitive resin film pattern, and (c) shows a solvent for removing the photosensitive resin film. It is the state of the finished polyethyleneimine pattern after the treatment.
2 is When coating polyethyleneimine using a spin coater, polyethyleneimine gets wet and is made into a desired pattern. FIG. 2A is an optical micrograph corresponding to FIG. 1A, and FIG. 2B is a coating method of FIG. 1B immediately after applying polyethyleneimine to an appropriate thickness using a spin coater. (C) is an optical micrograph after the polyethyleneimine coated in FIG. 2 (B) is filled with a pattern while it is wet.
Figure 3 shows an optical microscope picture filled with a pattern after dropping an appropriate amount of polyethyleneimine aqueous solution by a tilted drop casting (Tilt drop casting) method.
4 is an optical micrograph obtained after the process of Figure 1 (c). 4A is an example of a pattern correctly manufactured according to Example 5, and the photographs on the right side (b) and (c) are examples prepared according to Comparative Example 1 (b) and Comparative Example 2 (c). .
Figure 5 shows an example of the application using the carbon nanotubes of the present invention. 5A is a scanning electron microscope (SEM) photograph taken after growing horizontally aligned single-walled carbon nanotubes, and (B) is a scanning microscope (SEM) photograph of an actual device made of (A) material (C) is an optical micrograph of the metal electrode and polyethyleneimine pattern aligned on (b), and (d) is an enlarged optical micrograph of a part of (c).
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the FIG. 5D in more detail. 6A shows electrodes 2 and 3 arranged on the substrate 1 and carbon nanotubes 4 connecting thereto, and B shows polyethyleneimine on the carbon nanotubes of (A). (5) shows the selectively patterned appearance. In the figure, identification number 4 is a region showing carbon nanotubes having p-type semiconductor device characteristics because the polyethyleneimine is not coated, and identification number 5 is a region showing semiconductor device characteristics converted to n-type due to the coating of polyethyleneimine. (C) is a cross-sectional view of area (B) identification number 4, showing the appearance of carbon nanotubes only on the substrate, and (D) is a cross-sectional view of area (B) identification number 5 As seen from the figure, the carbon nanotubes on the substrate are coated with polyethyleneimine.
Figure 7 shows an embodiment of (a) npn-type semiconductor device, (b) pnp-type semiconductor device prepared by the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention.
FIG. 8 illustrates a process of manufacturing the structure (a) of FIG. 6 in which a source electrode and a drain electrode are connected by carbon nanotubes in the manufacture of a carbon nanotube semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 9 (a) is a single-wall carbon nanotube intrinsic properties (line labeled 'Intrinsic'), polyethyleneimine as a whole after coating (line labeled 'PEI coated'), the electrical properties after proper heat treatment of the device ( A line denoted as 'Annealed', and FIG. 9B shows electrical characteristics of the device shown in FIG.

본 발명은 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝하는 방법 및 이를 통해 제조된 반도체 소자를 제공한다.The present invention provides a method for selectively patterning polyethyleneimine and a semiconductor device manufactured therefrom.

폴리에틸렌이민은 고밀도의 아민그룹으로 이루어진 수용성의 양이온 고분자로서, 접착제나 섬유 처리제, 수처리제, 효소 고정제 등으로 산업계 뿐만 아니라 BT, NT 등의 분야에서 다양한 연구 재료로 활용되고 있으며, 특히 코팅을 목적으로 매우 다양한 방법으로 많이 쓰이는 물질 중 하나이다. Polyethylenimine is a water-soluble cationic polymer composed of high density amine groups, and is used as various research materials in the fields of BT, NT, etc. as well as industries such as adhesives, fiber treatment agents, water treatment agents, and enzyme fixatives. One of the most commonly used materials in a variety of ways.

단일벽탄소나노튜브(SWCNT)는 이이지마에 의해 발견된 이 후 나노기술의 중심에는 단일벽탄소나노튜브가 있다고 해도 과언이 아니다. 수많은 연구자들이 단일벽탄소나노튜브의 가능성을 보고 많은 연구가 이뤄졌다. 그 중에서도 1997년에 Smally 그룹에서 알칼리 금속(공기 중에서는 매우 불안정)로 단일벽탄소나노튜브를 p타입에서 n타입으로 변환 가능성을 본 이래(Lee et al., Nature 1997, 388, 255), 2001년 홍지 다이 그룹의 심문섭박사가 단일벽탄소나노튜브 상에 고분자를 코팅해서 초기의 p 타입의 특성을 n 타입으로 변환할 수 있다(Shim et al ., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11512.)는 것을 최초로 보였다. 이 때 사용된 물질이 폴리에틸렌이민이었으며, 특히 폴리에틸렌이민 코팅을 통해 공기 중에서도 안정한 n 타입 특성을 보여줄 수 있었다. Since single-walled carbon nanotubes (SWCNT) were discovered by Iijima, it is no exaggeration to say that single-walled carbon nanotubes are at the center of nanotechnology. Many researchers have looked at the potential of single-walled carbon nanotubes and much research has been done. Among them, since the Smally Group saw the possibility of converting single-walled carbon nanotubes from p-type to n-type in alkali metals (very unstable in air) in 1997 ( Lee et al. , Nature 1997, 388 , 255), 2001 in the simmunseop Dr hongji die group may be by coating the polymer on the SWNT transform the characteristics of the initial p-type to n-type (Shim et al . , J. Am. Chem. Soc. 2001, 123 , 11512.) At this time, the material used was polyethyleneimine, and in particular, the polyethyleneimine coating showed stable n-type properties in the air.

이 후 많은 연구자들이 폴리에틸렌이민 뿐만 아니라 다양한 고분자 물질로 본질적으로 p-타입인 단일벽탄소나노튜브를 n 타입으로 변화시킬 수 있다는 보고를 하였다. 이러한 연구는 지금까지도 계속 진행되어지고 있으며, 그러한 연유는 본질적으로 p에 쌍을 이룰 p 타입의 물질의 다른 한 쌍이 있어야 로직 게이트(logic gate)로의 의미가 있을 뿐만 아니라, 다른 물질에서 단일벽탄소나노튜브의 쌍을 찾기 보다는 간단한 도핑으로 n 타입으로 변환 할 수 있다는 장점이 매우 크기 때문이다. 그리고 p-n 다이오드(Zhou et al., Nano Letters 2004, 4, 2031.) 뿐만 아니라, 수평으로 얼라인된 단일벽탄소나노튜브를 이용하여 p-MOS와 n-MOS 로직 게이트 등이 시연되었다(Kang et al ., Nature Nanotechnology 2007, 2, 230.).Since then, many researchers have reported that single-walled carbon nanotubes, which are essentially p-types, can be converted to n-types with polyethyleneimine as well as various polymeric materials. This research continues to this day, and that contributor is essentially a logical pair of p-type materials paired with p, not only as a logic gate, but also as a single-walled carbon nanomaterial in other materials. This is because the advantage of converting to type n with simple doping, rather than finding pairs of tubes, is very large. In addition to pn diodes ( Zhou et al. , Nano Letters 2004, 4 , 2031.), p-MOS and n-MOS logic gates have been demonstrated using horizontally aligned single-walled carbon nanotubes ( Kang). et al . , Nature Nanotechnology 2007, 2 , 230.).

하지만 이러한 방법은 디바이스 채널에 PMMA를 이빔 리소그래피(e-beam lithography) 방법으로 패터닝한 후 전체적으로 폴리에틸렌이민을 스핀코팅하거나또는 폴리에틸렌이민을 전체적으로 코팅한 후 연결하는 방법으로 소자의 가능성은 보여주지만, 실제 반도체 공정에서 적용이 불가능한 이빔 리소그래피를 이용한 PMMA 패터닝이라던지, 선택적인 패터닝을 통한 로직 게이트 제작에는 한계가 있다. However, this method shows the possibility of the device by patterning PMMA on the device channel by e-beam lithography and spin-coating polyethyleneimine as a whole or coating and connecting polyethyleneimine as a whole. PMMA patterning using two-beam lithography, which is not applicable in the process, or logic gate fabrication through selective patterning is limited.

본 발명에서는 실제 반도체 공정에서 적용 가능하면서도 얼라인(positioning 포함)이 가능하여 다층의 반도체 소자 제조에 적용 가능한 패턴 제작 방법을 제공한다.The present invention provides a pattern fabrication method that can be applied in an actual semiconductor process and can be aligned (including positioning), and thus can be applied to fabrication of a multilayer semiconductor device.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법에서는 기판 상에 감광성 수지막 패턴을 형성시키는 단계; 폴리에틸렌이민 수용액을 상기 감광성 수지막 패턴 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계; 상기 도포된 폴리에틸렌이민 수용액을 건조시키는 단계; 및 상기 감광성 수지막을 선택적으로 제거할 수 있는 용매와 함께 초음파를 처리하여 감광성 수지막을 제거하는 단계를 포함한다.
In the selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention, forming a photosensitive resin film pattern on a substrate; Applying an aqueous polyethyleneimine solution to a thickness of 80% or less of the photosensitive resin film pattern thickness; Drying the applied aqueous polyethyleneimine solution; And removing the photosensitive resin film by treating ultrasonic waves with a solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film.

상기 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법에 사용될 수 있는 감광성 수지의 종류는 폴리에틸렌이민은 녹이지 않으나 그 감광성 수지는 녹일 수 있는 용매의 선택이 가능한 것이라면 무엇이든 사용가능하다. The kind of the photosensitive resin that can be used in the method for selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention may be used as long as it is possible to select a solvent capable of dissolving polyethyleneimine but not the photosensitive resin.

본 발명의 실시예에서는 감광성 수지로서 아세톤에 녹는 AZ5214E(기린시약기기상사(서울)로부터 구매)를 이용하였으며, 이것 이외에도 AZ1505, AZ1512 HS, AZ1514H, AZ1518, TI35E, AZ4533, AZ4562, AZ9260, TI35ES, TI Spary, TI Plating, TI xLift, AZnLOF2000, AZ Mir 701, AZ ECI 3000 등이 사용가능하고, 이러한 감광성 수지들은 모두 아세톤에 용해가능하여 감광성 수지를 녹이기 위한 용매로서 아세톤이 사용가능하다. 또한 이러한 감광서 수지들을 녹이기 위해서 특히 시판되는 AZ 100 Remover(기린시약기기상사(서울)로부터 구매)를 사용하여 그 효율을 높일 수도 있다.
In the embodiment of the present invention, AZ5214E (purchased from Kirin reagent company (Seoul)) which is soluble in acetone is used as the photosensitive resin. Spary, TI Plating, TI xLift, AZnLOF2000, AZ Mir 701, AZ ECI 3000 and the like can be used, and these photosensitive resins are all soluble in acetone, and acetone can be used as a solvent for dissolving the photosensitive resin. In addition, the AZ 100 Remover (purchased from Kirin reagent company (Seoul)), which is commercially available, may be used to increase the efficiency of the photoresist resin.

본 발명에 따라 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝하기 위해서는 기판 상에 감광성 수지 패턴을 적절한 두께로 미리 준비하는 단계가 필요한데, 이는 통상적인 포토리소그래피의 패터닝 방법을 이용하여 기판 상에 감광성 수지막을 스핀코팅 또는 기타의 방법을 통해 도포한 후 건조시킨 다음, 얼라이너에 포토 마스크를 올려 UV를 조사함으로써 수행될 수 있다.
In order to selectively pattern polyethyleneimine according to the present invention, a step of preparing a photosensitive resin pattern on a substrate in advance to an appropriate thickness is required, which is performed by spin coating or otherwise coating a photosensitive resin film on a substrate using a conventional photolithography patterning method. After application through the method of drying and drying, it can be carried out by placing a photo mask on the aligner and irradiating UV.

상기와 같은 방법을 통해 감광성 수지 패턴이 형성된 기판에 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 수용액을 상기 감광성 수지막 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포한다. The aqueous solution of polyethyleneimine is applied to the substrate on which the photosensitive resin pattern is formed to have a thickness of 80% or less of the thickness of the photosensitive resin film.

상기 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 수용액을 상기 감광성 수지막 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계 이전에, 기판 위에 1~2㎕/1mm2의 폴리에틸렌이민 수용액층이 형성되도록 뿌려주는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. Before the step of applying the polyethyleneimine aqueous solution to a thickness of 80% or less of the thickness of the photosensitive resin film, the step of spraying to form a 1 ~ 2μ / 1mm 2 polyethyleneimine aqueous solution layer on the substrate It is desirable to.

본 발명에서 사용되는 폴리에틸렌이민 수용액은 폴리에틸렌이민:증류수의 비율이 1:1~125, 바람직하게는 1:5~25로 희석시킨 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 1:5로 증류수에 희석시킨 폴리에틸렌이민 수용액이 사용될 수 있다.The polyethyleneimine aqueous solution used in the present invention may be diluted in a ratio of polyethyleneimine: distilled water 1: 1 to 125, preferably 1: 5 to 25. More preferably, an aqueous solution of polyethyleneimine diluted in distilled water at 1: 5 may be used.

폴리에틸렌이민:증류수의 비율이 1:125 미만인 경우에는 형성되는 폴리에틸렌이민 성분이 너무 희박하여 화합물 자체의 특성이 나타나지 않아 바람직하지 않으며, 1:1을 초과하여 폴리에틸렌이민의 함유량이 많아지게 되면 점성이 높아져 스핀코팅시 폴리에틸렌이민 수용액이 서로 뭉친 상태에서 날아가게 되며, 이럴 경우 기판 일부의 패턴 내에는 폴리에틸렌이민 수용액의 양이 오히려 너무 적게 되어 폴리에틸렌이민 수용액이 균일하게 분포할 수 없어 바람직하지 않다.If the ratio of polyethyleneimine: distilled water is less than 1: 125, the polyethyleneimine component formed is so thin that the properties of the compound itself do not appear, which is not preferable.If the content of polyethyleneimine increases beyond 1: 1, the viscosity becomes high. In the case of spin coating, the polyethyleneimine aqueous solution flies away from each other. In this case, the amount of the polyethyleneimine aqueous solution is too small in the pattern of a part of the substrate, and thus the polyethyleneimine aqueous solution cannot be uniformly distributed.

폴리에틸렌이민 수용액을 골고루 뿌려주는 것은 기판 전체에 기판 1mm2 면적당 1~2㎕의 폴리에틸렌이민 수용액 층이 골고루 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 해밀토니안 시린지 등으로 뿌린 후 다시 빨아들이거나, 제조된 감광성 수지막 샘플을 경사지게 두고, 상기 감광성 수지막의 상단에 희석된 폴리에틸렌이민 수용액을 뿌려준 뒤 바닥에는 물을 잘 흡수할 수 있는 거즈를 대고 샘플을 기울인 상태로 상온에 방치하는 방법 등을 통해서도 수행될 수 있다. 이들 방법을 통해 기판 위에 남게 되는 폴리에틸렌이민의 양을 조절할 수 있다. Evenly spraying the polyethyleneimine aqueous solution is preferably so that 1 ~ 2μl of polyethyleneimine aqueous solution layer is uniformly formed per 1mm 2 area of the entire substrate. This is sprinkled with a Hamiltonian syringe and soaked again, or the prepared photosensitive resin film sample is inclined, the diluted polyethyleneimine aqueous solution is sprayed on the top of the photosensitive resin film, and the bottom of the sample is coated with gauze to absorb water well. It may also be carried out through the method of leaving at room temperature in a tilted state. These methods control the amount of polyethyleneimine that remains on the substrate.

상기와 같이 1mm2 면적당 1~2㎕의 폴리에틸렌이민 수용액이 골고루 뿌려질 수 있도록 폴리에틸렌이민을 뿌려주게 되면 감광성 수지막 상에 극성이 우수한 폴리에틸렌이민 수용액이 150~200㎛ 두께로 유지될 수 있는데, 이렇게 뿌려지는 폴리에틸렌이민 수용액의 두께가 향후 스핀코팅을 포함한 공정을 통해 생성될 폴리에틸렌이민층의 두께 및 품질과도 연관된다.As described above, when the polyethyleneimine is sprayed so that 1 ~ 2 μl of polyethyleneimine solution per 1 mm 2 is evenly spread, the polyethyleneimine aqueous solution having excellent polarity on the photosensitive resin film can be maintained at a thickness of 150˜200 μm. The thickness of the aqueous solution of polyethyleneimine to be sprayed is also related to the thickness and quality of the polyethyleneimine layer to be produced through processes including spin coating.

즉, 폴리에틸렌이민 수용액이 기판 1mm2 면적당 1㎕보다 적게 뿌려지게 될 경우, 폴리에틸렌이민 수용액이 국부적으로 뭉치기 시작하며, 일부 영역에서는 폴리에틸렌이민 수용액이 없어지는 문제가 발생하게 되어 바람직하지 않다. That is, when the polyethyleneimine aqueous solution is sprayed less than 1 μl per 1 mm 2 area of the substrate, the polyethyleneimine aqueous solution starts to locally aggregate, and in some areas, the problem of disappearing the aqueous polyethyleneimine solution is not preferable.

폴리에틸렌이민 수용액이 기판 1mm2 면적당 2㎕보다 많이 뿌려지게 될 경우, 추후의 스핀코팅과 건조과정을 거치더라도 폴리에틸렌이민층이 너무 두텁게 형성되어 상기 감광성 수지막을 모두 덮게 된다. 이럴 경우 감광성 수지막에 용매가 접근할 수 없어 감광성 수지막을 제거할 수 없게 되어 바람직하지 않다.When the aqueous polyethyleneimine solution is sprayed more than 2 μl per 1 mm 2 area of the substrate, the polyethyleneimine layer is formed too thick to cover all of the photosensitive resin layers even after a subsequent spin coating and drying process. In this case, since the solvent is not accessible to the photosensitive resin film, the photosensitive resin film cannot be removed, which is not preferable.

상기와 같이 폴리에틸렌이민 수용액이 적정 두께로 뿌려진 샘플은 1000~2000 rpm으로 25~40초 동안 스핀코팅하는 것이 바람직하다. As described above, the sample sprayed with a suitable thickness of polyethyleneimine solution is preferably spin-coated for 25 to 40 seconds at 1000 to 2000 rpm.

상기에서 스핀속도를 1000 rpm 이하로 수행하였을 때는 육안상으로는 폴리에틸렌이민 수용액이 균일한 두께로 스핀코팅된 것처럼 보이나, 이 후 건조 과정에서 폴리에틸렌이민 수용액끼리 가운데로 뭉치게 되면서 가운데 쪽은 폴리에틸렌이민 덩어리가 뭉쳐 패턴 전체를 덮게 되는 양상을 나타내게 되며, 이럴 경우 최적의 조건으로 추후의 공정을 진행하더라도 폴리에틸렌이민 패턴이 깨끗하게 만들어지지 않는다. 이는 국부적으로 폴리에틸렌이민층이 너무 두텁게 형성되어 상기 감광성 수지막과 아세톤이 접촉할 수 없게 되기 때문이다. 즉, 아세톤이 폴리에틸렌이민 필름을 뚫고 들어가서 감광성 수지막을 녹여낼 수는 없기 때문이다. When the spin speed is performed at 1000 rpm or less, the polyethyleneimine aqueous solution appears to be spin coated with a uniform thickness on the naked eye. Afterwards, the polyethyleneimine aqueous solution is agglomerated into the middle during the drying process, and the polyethyleneimine lump is agglomerated at the center. The entire pattern will be covered. In this case, the polyethyleneimine pattern will not be made clean even if the process is further processed under optimal conditions. This is because the polyethyleneimine layer is formed too thick locally so that the photosensitive resin film and acetone cannot come into contact with each other. That is, it is because acetone cannot penetrate a polyethyleneimine film and melt | dissolve a photosensitive resin film.

이 경우, 기판의 바깥쪽 영역은 폴리에틸렌이민의 양이 너무 적어 처음에 만들고자 하였던 패턴을 제작할 수가 없다. 즉, 폴리에틸렌이민 수용액을 적당량 도포하더라도 1000 rpm 이하와 같이 낮은 속도로 스핀코팅을 수행하면, 폴리에틸렌이민 수용액이 처음에는 균일하게 도포되는 것 같아도, 폴리에틸렌이민 수용액이 기판 중앙에 국부적으로 뭉치기 시작하며, 일부 영역에서는 폴리에틸렌이민 수용액이 없어지는 문제가 발생하게 되어 바람직하지 않다.In this case, the outer region of the substrate is too low in polyethyleneimine to produce the pattern originally intended. That is, even if a suitable amount of aqueous polyethyleneimine solution is applied to spin coating at a low speed such as 1000 rpm or less, even if the aqueous polyethyleneimine solution appears to be uniformly applied at first, the aqueous polyethyleneimine solution starts to agglomerate locally in the center of the substrate. In the region, the problem of disappearing the aqueous solution of polyethyleneimine occurs, which is not preferable.

이때, 스핀코팅이 2000 rpm 이상으로 수행될 경우에도 폴리에틸렌이민 수용액이 서로 뭉친 상태에서 날아가게 되어 바람직하지 않다.In this case, even when the spin coating is performed at 2000 rpm or more, it is not preferable because the polyethyleneimine aqueous solution is blown away from each other.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에서는 상기와 같이 스핀코팅하기 전에 500 rpm에서 5 초간 약하게 스핀코팅하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
In a preferred embodiment according to the present invention may further comprise the step of slightly spin coating for 5 seconds at 500 rpm before the spin coating as described above.

폴리에틸렌이민이 도포된 후 감광성수지막을 통해 형성된 패턴을 남기기 위해서는 도포되는 폴리에틸렌이민 층이 충분히 얇아야 하는데, 감광성 수지막보다 폴리에틸렌이민층이 더 두꺼울 경우에는 감광성 수지막의 제거에 사용되는 유기 용매가 감광성 수지막에 닿을 수 없어 이를 제거할 수 있는 반응이 일어날 수 없게 되기 때문이다(도 1의 (나) 및 (다) 참조). In order to leave the pattern formed through the photosensitive resin film after the polyethyleneimine has been applied, the polyethyleneimine layer to be applied must be thin enough. If the polyethyleneimine layer is thicker than the photosensitive resin film, the organic solvent used for removing the photosensitive resin film is the photosensitive resin. This is because the reaction cannot be reached because the membrane cannot be reached (see (b) and (c) of FIG. 1).

따라서, 본 발명에서는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 수용액을 상기 감광성 수지막 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계를 포함한다. Therefore, the present invention includes applying a polyethyleneimine aqueous solution to a thickness of 80% or less of the thickness of the photosensitive resin film.

상기와 같은 조건으로 폴리에틸렌이민을 도포하는 과정을 거치게 되면, 상기 폴리에틸렌이민 수용액은 상기 감광성 수지막 두께의 80%이하의 두께로 도포되게 된다. 도 1의 (나)는 이러한 형상을 나타낸 모식도이다. 이때, 폴리에틸렌이민이 감광성 수지막의 두께에 비해 80%를 초과한 두께로 도포되는 경우에는 감광성 수지막의 모서리와 폴리에틸렌이민간에 작용하는 표면장력에 의해 감광성 수지막이 외부로 노출되지 않을 수 있다. 이럴 경우, 추후의 공정을 최적의 조건으로 거치게 되더라도 폴리에틸렌이민층이 너무 두텁게 형성되어 감광성 수지막을 녹일 수 있는 용매가 접근할 수 없게 되므로 바람직하지 않다.
When the process of applying polyethyleneimine under the above conditions, the aqueous polyethyleneimine solution is applied to a thickness of 80% or less of the thickness of the photosensitive resin film. Fig. 1B is a schematic diagram showing such a shape. In this case, when the polyethyleneimine is applied with a thickness exceeding 80% of the thickness of the photosensitive resin film, the photosensitive resin film may not be exposed to the outside due to the surface tension acting between the edges of the photosensitive resin film and the polyethyleneimine. In this case, even if the subsequent process is subjected to the optimum conditions, the polyethyleneimine layer is formed too thick, so that the solvent which can dissolve the photosensitive resin film is not accessible.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법은 상기 도포된 폴리에틸렌이민 수용액을 건조시키는 단계를 포함한다.The selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention includes the step of drying the applied aqueous polyethyleneimine solution.

스핀코팅된 샘플은 수평계를 이용하여 수평상태가 유지되는 65~100℃의 온도에서 드라잉 오븐(Drying oven) 등을 이용하여 12~48시간 동안 건조시켜 물을 제거하는 것이 바람직하다. 이때, 온도가 65℃보다 낮거나, 처리시간이 12시간 보다 짧은 경우에는 건조에 지나치게 많은 시간이 소요되어 바람직하지 않으며, 100℃ 이상의 온도 혹은 48시간 이상의 조건으로 처리되는 경우에는 과다한 건조 및 형성되는 폴리에틸렌이민층의 변형이 일어날 수 있어 바람직하지 않다.
The spin-coated sample is preferably dried for 12 to 48 hours using a drying oven at a temperature of 65-100 ° C. in which the horizontal state is maintained using a level gauge to remove water. At this time, when the temperature is lower than 65 ℃, or the treatment time is shorter than 12 hours it is not preferable to take too much time for drying, and when treated at a temperature of 100 ℃ or more or 48 hours or more is excessive drying and formation Deformation of the polyethyleneimine layer may occur, which is undesirable.

본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법은 상기 감광성 수지막을 선택적으로 제거할 수 있는 용매와 함께 초음파를 처리하여 감광성 수지막을 제거하는 단계를 포함한다.Selective patterning method of polyethyleneimine according to the present invention includes the step of removing the photosensitive resin film by ultrasonic treatment with a solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film.

바람직하게는, 상기 폴리에틸렌이민층이 건조된 기판을 감광성 수지막의 선택적 제거가 가능한 용매로 채워진 비커에 담근 후 욕조 타입의 초음파 처리기에 넣어 100~200W의 강도로 2분~10분 동안 초음파 처리를 함으로써 감광성 수지막 제거의 효율을 높인다. Preferably, the substrate having the polyethyleneimine layer dried is soaked in a beaker filled with a solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film, and then placed in a bath-type ultrasonic sonicator for 2 to 10 minutes at an intensity of 100 to 200 W. The efficiency of removing the photosensitive resin film is increased.

폴리에틸렌이민에는 영향을 미치지 않으면서 감광성수지막 제거를 하기 위한 용매로서 본 발명에 따른 실시예에서는 아세톤을 사용하는데, 아세톤 대신 메탄올이나 에탄올과 같은 알콜로 용제를 바꾸고 상기 아세톤 처리와 동일한 조건의 초음파를 처리한 경우에는, 도 4의 (나)에 도시된 결과처럼 폴리에틸렌이민이 일부 녹아서 기판에 붙게 되어 바람직하지 않다. 본 발명에서 감광성 수지를 녹이기 위한 용매로서 아세톤이 사용될 수 있는데, 이러한 감광서 수지를 녹이기 위해서 특히 시판되는 AZ 100 Remover(기린시약기기상사(서울)로부터 구매)를 사용하여 그 효율을 높일 수도 있다.Acetone is used in the embodiment according to the present invention as a solvent for removing the photosensitive resin film without affecting polyethyleneimine. Instead of acetone, the solvent is changed to an alcohol such as methanol or ethanol and ultrasonic waves under the same conditions as the acetone treatment are used. In the case of the treatment, polyethyleneimine is partially dissolved and adhered to the substrate as shown in FIG. 4B. Acetone may be used as a solvent for dissolving the photosensitive resin in the present invention, and in order to dissolve the photosensitive resin, the efficiency may be improved by using a commercially available AZ 100 Remover (purchased from Kirin reagent company, Seoul).

이때, 초음파의 강도가 100W미만으로 약한 경우에는 감광성 수지막의 제거가 깨끗하게 이루어지지 않아 바람직하지 않다. 세척병 등을 이용하여 초음파 없이 아세톤을 처리하는 경우, 도 4의 (다)와 같이 깔끔하지 않은 결과물을 얻게 될 수 있다. 초음파의 세기가 200W를 초과하는 경우에는 제조되는 기판에 불필요하게 많은 에너지가 가해지게 되어 기계적인 피로도를 증가시키게 되므로 바람직하지 않다. At this time, when the intensity of the ultrasonic wave is less than 100 W, it is not preferable because the removal of the photosensitive resin film is not performed cleanly. When acetone is treated without ultrasonic waves using a washing bottle or the like, it may be possible to obtain a neat result as shown in (c) of FIG. 4. When the intensity of the ultrasonic waves exceeds 200W, an unnecessary amount of energy is applied to the substrate to be manufactured, which increases the mechanical fatigue.

초음파의 처리시간에 있어서는 2분보다 짧게 처리한 경우에는 감광성 수지막이 깨끗하게 제거되지 않을 수 있어 바람직하지 않으며, 10분을 초과하여 처리하게 되면 역시 기판에 기계적인 피로도를 증가시키게 되며, 패턴의 형성에 있어서도 큰 개선점이 발견되지 않아 불필요하다.If the treatment time of the ultrasonic wave is shorter than 2 minutes, the photosensitive resin film may not be removed cleanly, which is not preferable. If the treatment is performed for more than 10 minutes, the mechanical fatigue on the substrate is also increased. Even if a big improvement is not found, it is unnecessary.

상기 과정을 통해 감광성 수지 패턴은 용매에 용해되어 제거되고 폴리에틸렌이민만이 기판 상에 남게 되어 도 4의 (가)와 같은 패턴을 제작할 수 있다. 감광성 수지막의 형태에 따라 도 4의 (가) 이외에도 다양한 형태로 제조될 수 있다.
Through the above process, the photosensitive resin pattern is dissolved and removed in a solvent, and only polyethyleneimine remains on the substrate, thereby producing a pattern as shown in FIG. Depending on the shape of the photosensitive resin film, it may be manufactured in various forms in addition to (a) of FIG. 4.

본 발명은 상기와 같은 방법을 통해 패턴이 형성된 기판을 이용하여 제조된 반도체 소자를 제공할 수 있다.The present invention can provide a semiconductor device manufactured using a substrate on which a pattern is formed through the above method.

도 5는 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝을 이용하여 제조될 수 있는 반도체 소자의 예를 나타내고 있다. 도 5의 (다)는 얼라이너(Mask Aligner MA150CC, SUSS사)로 전극 패턴과 라인패턴을 얼라인 시킨 샘플로서, 본 발명에 따른 방법이 실제 공정에서도 얼라인이 가능하다는 것을 나타내고 있다. 또한 폴리에틸렌이민이 금속성 전극 패턴 상에서도 패턴이 양호하게 형성될 수 있음을 나타내고 있다.5 shows an example of a semiconductor device that can be fabricated using selective patterning of polyethyleneimine in accordance with the present invention. 5 (c) shows a sample in which an electrode pattern and a line pattern are aligned with an aligner (Mask Aligner MA150CC, SUSS), showing that the method according to the present invention can be aligned in an actual process. It also shows that polyethyleneimine can be well formed on the metallic electrode pattern.

도 6에는 본 발명에 따른 도 5 (라)의 단일벽탄소나노튜브 반도체 소자의 모식도가 나타나 있다.6 shows a schematic diagram of the single-walled carbon nanotube semiconductor device of FIG. 5 (D) according to the present invention.

도 6의 (가)는 기판(1) 상에 배열된 전극(2, 3)과 이를 연결하는 탄소나노튜브(4)를 나타내고, (나)는 상기 (가)의 탄소나노튜브 상에 폴리에틸렌이민(5)이 선택적으로 패터닝된 모습을 나타낸다. 그림에서 식별번호 4는 폴리에틸렌이민이 코팅되지 않아 탄소 나노튜브가 p 타입의 반도체 소자 특성을 나타내는 영역이며, 식별번호 5는 폴리에틸렌이민의 코팅으로 인해 n 타입으로 전환된 반도체 소자 특성을 나타내는 영역이다.6A shows electrodes 2 and 3 arranged on the substrate 1 and carbon nanotubes 4 connecting thereto, and B shows polyethyleneimine on the carbon nanotubes of (A). (5) shows the selectively patterned appearance. In the figure, identification number 4 is an area where carbon nanotubes are p-type semiconductor device characteristics because the polyethyleneimine is not coated, and identification number 5 is an area where semiconductor device characteristics are converted to n-type due to the coating of polyethyleneimine.

도 6의 (다)는 (나)의 식별번호 4번 영역을 횡단면으로 바라본 그림으로서, 기판상에 탄소나노튜브만 존재하는 (탄소나노튜브 자체의 본질적인 (intrinsic) p 타입 반도체 소자 특성을 나타내는 영역, 도 9 (가) 참조)을 나타낸다.6 (c) is a cross-sectional view of region (B) identification number 4 showing an intrinsic p-type semiconductor device characteristic of carbon nanotubes in which only carbon nanotubes exist on a substrate. (See FIG. 9A).

도 6의 (라)는 (나)의 식별번호 5번 영역을 횡단면으로 바라본 그림으로서, 기판상의 폴리에틸렌이민으로 코팅된 탄소나노튜브(n 타입 반도체 소자 특성을 나타냄, 도 9 (가) 참조) 영역의 모양을 나타낸다.Figure 6 (D) is a cross-sectional view of the area (B) identification number 5, carbon nanotubes (n type semiconductor device characteristics, shown in Figure 9 (a)) coated with polyethyleneimine on the substrate Indicates the shape of.

도 7 (가)는 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝에 따라 제조된 n-p-n형 반도체 소자, (나)는 p-n-p형 반도체 소자(나)의 일 실시예를 나타낸다.Figure 7 (a) is an n-p-n type semiconductor device manufactured by the selective patterning of polyethyleneimine according to the present invention, (b) shows an embodiment of the p-n-p type semiconductor device (b).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 반도체 소자의 제조에 있어서 소스 전극과 드레인 전극을 탄소나노튜브로 연결시킨 도 6의 (가) 구조를 제조하는 과정을 나타낸다.FIG. 8 illustrates a process of manufacturing the structure (a) of FIG. 6 in which a source electrode and a drain electrode are connected by carbon nanotubes in the manufacture of a carbon nanotube semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 9의 (가)는 단일벽탄소나노튜브 고유 특성(Intrinsic), 폴리에틸렌이민을 전체적으로 코팅 후 특성(PEI coated), 소자를 적절한 열처리를 한 후의 전기특성(Annealed)을 나타내는 그래프이며, 도 9의 (나)는 도 5의 (라)에 나타나 있는 소자의 전기특성을 나타낸다.
Figure 9 (a) is a graph showing the intrinsic characteristics of single-wall carbon nanotubes (PE) coated with polyethyleneimine as a whole (PEI coated), the electrical characteristics (Annealed) after proper heat treatment of the device, (B) shows the electrical characteristics of the element shown to (d) of FIG.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these Examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention will not be construed as being limited by these Examples.

실시예Example 1: 감광성  1: photosensitive 수지막의Resinous 제조 Produce

5mm x 5mm 및 10mm x 10mm 두 종류의 웨이퍼 기판(SiO2 (300nm, thermally grown)/Si(orientation: <100>, heavily boron doped(p-type), 525+/- 25 μm, resistivity 0.010~0.020), Silicon Technology Coporation) 상에 AZ5214 감광성 수지막을 500rpm으로 5초간 돌려준 후 바로 분당 3500번 회전의 속도로 35초간 스핀 속도로 도포한 후 100℃로 맞추어진 핫플레이트 상에 AZ5214가 도포된 기판을 올려 AZ5214(클라리언트社)를 건조시켰다. 그런 다음, 상기 기판에 포토 마스크를 올려 UV(=350 nm)를 9초간 조사하여 도 1과 같이 패터닝된 감광성 수지막을 제조하였다. 이러한 조건으로 제조된 상기 감광성 수지막은 1.4~1.5㎛의 두께를 갖게 된다.
Two types of wafer substrates: 5mm x 5mm and 10mm x 10mm (SiO 2 (300nm, thermally grown) / Si (orientation: <100>, heavily boron doped (p-type), 525 +/- 25 μm, resistivity 0.010 ~ 0.020 , AZ5214 photosensitive resin film was turned at 500rpm for 5 seconds on the Silicon Technology Coporation, and applied at a spin speed of 35 seconds at a speed of 3500 revolutions per minute, and then the substrate coated with AZ5214 on a hot plate set at 100 ° C. The AZ5214 (Clant Company) was dried up. Then, the photomask was placed on the substrate and UV (= 350 nm) was irradiated for 9 seconds to prepare a photosensitive resin film patterned as shown in FIG. 1. The photosensitive resin film prepared under these conditions has a thickness of 1.4 ~ 1.5㎛.

실시예Example 2: 스핀코팅에 의한 폴리에틸렌이민의 도포(5  2: application of polyethyleneimine by spin coating (5) mmmm x 5  x 5 mmmm ))

상기 과정을 통해 제조된 감광성 수지막 패턴이 도포된 기판의 5 mm x 5 mm 샘플을 스핀코터 상에 올린 후, 해밀토니안 시린지(Haemiltonia syringe)를 이용하여 1:5(폴리에틸렌이민:수용액)로 희석한 폴리에틸렌이민 수용액 30㎕를 기판 전체에 골고루 뿌린 후 26 ㎕를 다시 해밀토니안 시린지로 빨아들였다. 이와 같은 과정을 거치면 감광성 수지막 상에 폴리에틸렌이민이 대략 160 ㎛ 두께로 도포되며, 이를 500 rpm 5 초, 1500 rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 도 2와 같은 결과물를 얻을 수 있었다.
A 5 mm x 5 mm sample of the photosensitive resin film pattern coated substrate prepared in the above process was placed on a spin coater, and then diluted 1: 5 (polyethylenimine: aqueous solution) using a Hamiltonia syringe. 30 μl of an aqueous polyethyleneimine solution was evenly spread over the entire substrate, and 26 μl was again sucked into a Hamiltonian syringe. After such a process, polyethyleneimine was applied to the photosensitive resin film with a thickness of approximately 160 μm, and spin-coated at 500 rpm for 5 seconds and 1500 rpm for 30 seconds to obtain a result as shown in FIG. 2.

실시예Example 3: 스핀코팅에 의한 폴리에틸렌이민의 도포(10  3: application of polyethyleneimine by spin coating (10) mmmm x 10  x 10 mmmm ))

실시예 1과 같은 방법으로 제조된 10 mm x 10 mm 감광성 수지막 패턴이 형성된 기판을 스핀코터 상에 올린 후, 100㎕ 를 해밀토니안 시린지로 기판 전체를 골고루 뿌린 후 80~85㎕를 다시 빨아들여 약 200 ㎛ 두께의 폴리에틸렌이민 막을 조성하였다. 이를 500 rpm 5 초, 1500 rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 도 2와 같은 결과물를 얻을 수 있었다.
After placing the substrate on which the 10 mm x 10 mm photosensitive resin film pattern formed in the same manner as in Example 1 was formed on a spin coater, 100 µl of the whole substrate was evenly sprayed with a Hamiltonian syringe and 80-85 µl was sucked again. A polyethyleneimine membrane of about 200 μm thick was formed. This was spin-coated at 500 rpm for 5 seconds and 1500 rpm for 30 seconds to obtain a result as shown in FIG. 2.

실시예Example 4:  4: 틸티드Tilted 드롭 캐스팅( Drop casting ( TiltedTilted dropdrop castingcasting )에 의한 폴리에틸렌이민의 도포Application of Polyethylenimine by

실시예 1과 같은 방법으로 제조된 10 mm x 10 mm 감광성 수지막 샘플을 45도 경사지게 두고, 수지막의 상단에 5:1로 희석된 폴리에틸렌이민 1 ml를 쭉 뿌려준 뒤 바닥에는 물을 잘 흡수할 수 있는 거즈를 대고 샘플을 약 80도 이상 기울인 상태로 2~3분 상온에 방치한 다음, 스핀코터로 500 rpm에 5초, 1500 rpm에 30초 동안 스핀코팅하여 도 4와 같은 결과물을 얻을 수 있었다.
The 10 mm x 10 mm photosensitive resin film sample prepared in the same manner as in Example 1 was inclined at 45 degrees, and 1 ml of 5: 1 diluted polyethylenimine was sprinkled on top of the resin film to absorb water well on the bottom. The sample was left at room temperature for 2-3 minutes while the sample was inclined at about 80 degrees or more, and then spin-coated for 5 seconds at 500 rpm and 30 seconds at 1500 rpm to obtain a result as shown in FIG. 4. .

실시예Example 5: 아세톤을 이용한 감광성  5: photosensitive with acetone 수지막의Resinous 제거 remove

실시예 3에서 제조된 샘플을 수평이 잘 맞도록 수평계를 이용하여 수평상태가 유지되는 70 ℃의 드라잉 오븐(Drying oven)에 24시간 동안 건조하여 물을 제거시킨 다음, 비커에 아세톤을 적당량 채우고, 욕조 타입의 초음파 처리기(JAC Ultrasonic 1505 KODO로, 진동수는 40kHz임)에 넣은 후, 150W의 강도로 5분간 초음파 처리를 하였다. 이를 통해 감광성 패턴은 용매에 용해되어 제거되고 폴리에틸렌이민만이 기판 상에 남게 되어 도 4의 (가)와 같은 패턴을 제작할 수 있었다.
The sample prepared in Example 3 was dried in a drying oven at 70 ° C. for 24 hours in a horizontal oven using a horizontal gauge to remove the water, and then filled with an appropriate amount of acetone in a beaker. , Was put in a bath-type ultrasonic treatment (JAC Ultrasonic 1505 KODO, the frequency is 40kHz), and then ultrasonicated for 5 minutes at an intensity of 150W. Through this, the photosensitive pattern was dissolved and removed in a solvent, and only polyethyleneimine remained on the substrate, thereby producing a pattern as shown in FIG.

비교예Comparative example 1:  One: 알콜을Alcohol 이용한 감광성  Photosensitive 수지막의Resinous 제거 remove

실시예 5와 동일한 방법을 적용하되, 아세톤 대신 메탄올을 용제로 사용하여 리프트 오프 과정을 거친 결과 도 4의 (나) 결과처럼 폴리에틸렌이민이 일부 녹아서 기판에 붙게 되는 것으로 나타났다.
The same method as in Example 5 was applied, but the lift-off process using methanol instead of acetone as a solvent showed that polyethyleneimine was partially dissolved and adhered to the substrate as shown in FIG.

비교예Comparative example 2: 초음파 처리 없이 용매 처리만을 수행한 감광성  2: photosensitive with only solvent treatment without sonication 수지막의Resinous 제거 remove

그리고 아세톤을 실시예 5의 초음파 세척 대신 초음파가 없는 일반 세척병으로 처리할 경우 도 4의 (다)와 같이 깔끔하지 않은 결과물이 수득되었다.
And when acetone is treated with a general washing bottle without ultrasonic waves instead of the ultrasonic cleaning of Example 5, a neat result is obtained as shown in FIG.

실시예Example 6: 폴리에틸렌이민이 선택적으로  6: polyethyleneimine is optionally 패터닝된Patterned 단일벽탄소나노튜브Single Wall Carbon Nanotubes 반도체 소자의 제조Fabrication of Semiconductor Devices

먼저 도 5의 (가)는 쿼츠(Quarts) 기판에 가로로 배열된(horizontally aligned) 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.First, (a) of FIG. 5 shows a scanning electron micrograph of a horizontally aligned single wall carbon nanotube (SWCNT) on a quartz substrate.

먼저 단일벽탄소나노튜브를 이용하여 반도체 소자를 제조하였다. 단일벽탄소나노튜브 상에 금을 100nm 두께로 증착한 후, 써말 테잎(thermal tape, Nitto Denko, No. 3198M/3198MS 또는 No. 3195M/3198MS)을 이용해 금을 떼어내면 금이 단일벽탄소나노튜브에 부착되어 쿼츠 기판으로부터 같이 떨어져 나가게 되고, 이 테입을 SiO2 (300 nm, thermally grown)/p++ Si (500 ㎛, heavily boron doping된 기판, 저항치가 0.010~0.020 ohm cm) 기판 상에 올려두고, 적절한 온도로 처리한다.First, a semiconductor device was manufactured using single-walled carbon nanotubes. After depositing 100 nm thick gold on single-walled carbon nanotubes, the gold is removed using a thermal tape (Nitto Denko, No. 3198M / 3198MS or No. 3195M / 3198MS). Attached to and separated from the quartz substrate, and the tape is placed on a SiO 2 (300 nm, thermally grown) / p ++ Si (500 μm, heavily boron doped substrate, resistivity of 0.010 to 0.020 ohm cm) substrate, Treat to the appropriate temperature.

사용된 써말 테잎은 120℃에서 접착 능력을 잃게 되어 125℃로 유지시킨 핫 플레이트로 처리하면 써말 테잎만 말려서 떨어지게 된다. 보다 상세하게는, 먼저 기판을 올린 후 120℃로 가열하고, 120℃에 도착하자마자 다시 125℃로 설정해 125℃로 승온하여 써말 테잎과 Au가 완전히 떨어진 것을 눈으로 확인한 후 써말 테잎을 집어 들어내는 과정을 거치게 되면 기판상에는 단일벽탄소나노튜브/금(Au) 층이 그대로 남게 된다. 이를 금(Au) 에칭액(Gold Etch TFA, Transene Company, INC.)으로 금을 에칭하여 수평으로 얼라인 된(horizontally aligned) 단일벽탄소나노튜브만이 기판에 남도록 하였다. (도 5의 (나))The thermal tape used loses its adhesive ability at 120 ° C. When the thermal tape is treated with a hot plate maintained at 125 ° C, only the thermal tape dries and falls off. More specifically, first, the substrate is raised and then heated to 120 ° C., and upon reaching 120 ° C., the temperature is set to 125 ° C. again and the temperature is raised to 125 ° C., thereby visually confirming that the thermal tape and Au are completely removed, and then picking up the thermal tape. After passing through, a single-walled carbon nanotube / Au layer is left on the substrate. This was etched with gold (Au) etchant (Gold Etch TFA, Transene Company, INC.) So that only horizontally aligned single-walled carbon nanotubes remained on the substrate. ((B) of FIG. 5)

그런 다음, 도 8 에 나타나 있는 바와 같이, 상기 단일벽탄소나노튜브가 제조된 기판에 소스 및 드레인 전극 형성을 위해 Au를 증착하였다. 이때 Au 대신 Au/Ti, Pd, Pd/Ti 또는 Cr과 같은 금속 또한 사용이 가능하다. Then, as shown in FIG. 8, Au was deposited on the substrate on which the single-walled carbon nanotubes were manufactured to form source and drain electrodes. In this case, instead of Au, metals such as Au / Ti, Pd, Pd / Ti, or Cr may also be used.

상기 전극의 형성은 이 빔 증착기(E-beam evaporator)로 단일벽탄소나노튜브에 금속 물질을 증착하여 수행되는데, 접착성이 나쁜 금속의 경우에는 1nm 두께의 Ti 접착층(Ti adhesive layer)을 먼저 증착 후 금속 전극을 30 nm 이상 증착하게 된다. The electrode is formed by depositing a metal material on single-walled carbon nanotubes using an E-beam evaporator. In the case of a poor adhesion metal, a Ti adhesive layer having a thickness of 1 nm is deposited first. The metal electrode is then deposited over 30 nm.

본 발명에서는 Au를 증착한 다음, 아세톤을 채운 비커에 초음파 처리를 처리한 다음, 아세톤>IPA>메탄올>에탄올>증류수 순으로 각 1분씩 3회 반복세척하여 포토레지스트를 제거하여 금속전극을 형성시켰다.In the present invention, after depositing Au, the acetone-filled beaker was sonicated, and then acetone> IPA> methanol> ethanol> distilled water was repeated three times for 1 minute each to remove the photoresist to form a metal electrode. .

그런 다음, 도 8 (나)의 식별번호 4와 같이 커버 패턴(cover pattern)을 전극 상에 만든다. 상기 커버 패턴은 단일벽탄소나노튜브의 채널을 형성(channel define) 하기 위한 패턴으로서, 소자를 격리(isolation)하기 위해 전극과 전극 사이에 포토레지스트로 형성시킨 패턴을 말한다.Then, a cover pattern is made on the electrode as shown by identification number 4 of FIG. 8 (b). The cover pattern is a pattern for channel defining channels of single-walled carbon nanotubes, and refers to a pattern formed of a photoresist between electrodes in order to isolate the device.

그 후, O2-RIE를 처리(20 sccm/100 W/ 5 (5~20)mtorr/ 30 sec)하여 커버 패턴과 전극 패턴 밖에 노출된 모든 단일벽 탄소나노튜브를 제거하여 도 8의 (라)와 같은 결과를 얻을 수 있었다. Then, O 2 -RIE treatment (20 sccm / 100 W / 5 (5 ~ 20) mtorr / 30 sec) to remove all the single-walled carbon nanotubes exposed outside the cover pattern and the electrode pattern to the ).

그 후 전기적 파쇄(electrical break-down) 공정을 거치게 된다. 즉, 바텀 게이트(bottom gate)에 강한 양의 전압(positive voltage)을 걸게 되면, 반도체 성질을 갖는 p 타입의 단일벽탄소나노튜브는 더 이상 채널의 역할을 못하며, 모든 전류가 금속성 단일벽탄소나노튜브을 따라 흐르게 된다. 따라서 이 때 드레인-소스 전극에 금속성 단일벽탄소나노튜브가 못 견딜 정도로 전압을 인가하면 금속성 단일벽탄소나노튜브는 부서지게 되어 결국 채널 상에는 반도체성의 단일벽탄소나노튜브만 남게 된다. Vg는 대체로 40 V 이상, Vds도 40 V 이상 거는 것이 바람직한데, 채널에 따라 거는 정도가 다를 수 있다. 본 실시예에서는 Vg를 40 V에 맞추고, Vds를 0 V부터 40볼트까지 2 V 간격으로, 승압 시간은 0.2 초 간격으로 올리고, Vg는 40 V에서 45 V까지 찍어두고 1 volt 간격으로 Vds 승압이 끝남과 동시에 Vg를 승압시키면서 전류레벨(current level)이 급격히 떨어지는 순간이 보이는 시점 직전까지 계속 올린다. 이 단계에서 전류레벨(current level)이 급격히 떨어지지 않으면 또다시 Vg와 Vds를 5 V정도 더 올리며, 이러한 과정을 반복한다. 이 과정에서 급격하게 전류레벨(current level)이 떨어지는 현상이 보이는데, 이는 과전류가 금속성의 단일벽탄소나노튜브에 걸리면서 타게 되는 현상으로, 전기적 파쇄 공정이라 한다. 이를 통해, 금속성 탄소나노튜브만을 선택적으로 제거하였다. Thereafter, an electrical break-down process is performed. In other words, when a strong positive voltage is applied to the bottom gate, the p-type single-walled carbon nanotube having semiconductor properties no longer functions as a channel, and all currents are metallic single-walled carbon nano. It will flow along the tube. Therefore, if a voltage is applied to the drain-source electrode to the extent that the metallic single-walled carbon nanotubes cannot withstand, the metallic single-walled carbon nanotubes are broken, and only the semiconducting single-walled carbon nanotubes remain on the channel. It is preferable to apply Vg of 40 V or more and Vds of 40 V or more, which may vary depending on the channel. In this example, Vg is set to 40 V, Vds is raised from 0 V to 40 volts at 2 V intervals, the boosting time is increased at 0.2 second intervals, and Vg is taken from 40 V to 45 V and the voltage is increased at 1 volt intervals. As soon as it is finished, the voltage is increased and the voltage is continuously increased until just before the moment when the current level drops sharply. If the current level does not drop sharply at this stage, increase Vg and Vds by 5 V again and repeat this process. In this process, the current level is suddenly dropped, which is caused by the overcurrent being caught by metallic single-walled carbon nanotubes, which is called an electrical crushing process. Through this, only metallic carbon nanotubes were selectively removed.

상기와 같이 제작된 단일벽탄소나노튜브 반도체 소자에 실시예 1 내지 5에 기재된 바에 따라 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝하였다. Polyethyleneimine was selectively patterned as described in Examples 1 to 5 in the single-walled carbon nanotube semiconductor device fabricated as described above.

상기 실시예 5와 같은 조건으로 감광성 수지막의 제거 공정을 거치게 되면 사진으로 나타나 있는 도 5의 (다), (라) 및 도 6의 모식도 (나)와 같은 결과를 얻을 수 있다. 이를 통해, 제조된 단일벽탄소나노튜브 반도체 소자는 도 9의 (가)의 그래프에 PEI coated라고 표시된 것과 같은 n 타입의 전기적 특성을 나타내었다. When the photosensitive resin film is removed under the same conditions as in Example 5, the same results as in FIG. 5 (C), (D) and FIG. 6 (B) shown in the photograph can be obtained. Through this, the manufactured single-walled carbon nanotube semiconductor device exhibited n-type electrical characteristics such as PEI coated in the graph of FIG.

도 5의 (다), (라)에서 단일벽탄소나노튜브가 보이지 않는 이유는 대략 1 nm의 미세한 직경을 가지고 있기 때문이다. 상기 공정에 추가적으로 150 ℃ 에서 10분 간 처리하여 도 9(가)의 annealed라고 표시된 완벽한 n 타입의 전기적 특성을 갖는 소자를 제작할 수 있었다.  The reason why the single-walled carbon nanotubes are not visible in (c) and (d) of FIG. 5 is that they have a fine diameter of about 1 nm. In addition to the above process was carried out for 10 minutes at 150 ℃ to produce a device having a complete n-type electrical properties indicated as annealed in Fig. 9 (a).

도 5의 (다), (라) 및 도 6의 (나)와 같이 일부분만 폴리에틸렌이민 패터닝이 가능한 경우, 두 전극 사이에 본질적인(intrinsic) p 타입 영역과, 폴리에틸렌이민이 코팅(doping)되어 n 타입으로 전환된 영역이 있는 p-n 접합 형태 소자의 제작이 가능하며, 이러한 경우 도 9의 (나)와 같이 뚜렷한 p-n junction 다이오드 특성을 갖는 소자를 만들 수 있게 된다. 이와 같은 폴리에틸렌이민의 코팅을 통해 원하는 채널만을 n 타입으로 전환시키거나, 채널의 일부분만을 선택적으로 코팅함으로써, p-n junction, 또는 도 7의 (가)와 같이 n-p-n, (나)와 같이 p-n-p 타입의 소자 등을 얼마든지 만들 수 있다. 이를 이용하여 CMOS, 나아가 링 오실레이터(ring oscillator)와 같은 로직 회로뿐만 아니라, p-n junction 어레이인 PM(passive matrix) 등을 제작할 수 있다.
When only a portion of polyethyleneimine patterning is possible, as shown in FIGS. 5 (c), 6 (d) and 6 (b), an intrinsic p-type region and polyethyleneimine are coated between two electrodes to n It is possible to fabricate a pn junction type device having a region converted to a type, and in this case, a device having distinct pn junction diode characteristics can be manufactured as shown in FIG. By converting only the desired channel to the n type through the coating of polyethyleneimine, or selectively coating only a portion of the channel, pn junction, or ppn type device such as npn, (b) as shown in (a) of FIG. You can make as many backs. Using this, not only a logic circuit such as a CMOS and even a ring oscillator, but also a passive matrix (PM) that is a pn junction array can be manufactured.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고가의 장비가 필요없으며, 기존의 포토리소그래피 공정에 사용되는 장비만으로도 수행할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention does not require expensive equipment, and has the advantage that it can be performed only by the equipment used in the existing photolithography process.

또한, 본 발명에서 개시하고 있는 폴리에틸렌이민은 아민기가 매우 풍부한 양이온 고분자로, 수용성이기에 독성이 강한 기타 용매의 사용없이 감광성 수지막 상에 도포가 가능하였으며, 폴리에틸렌이민 수용액의 희석율 및 도포되는 양을 제어하여 소정의 조건으로 스핀코팅 후 폴리에틸렌이민 수용액이 서로 뭉치지 않도록 건조시킨 후, 아세톤 리프트 오프 과정을 거쳐 폴리에틸렌이민 패턴을 선택적으로 제작할 수 있었다. In addition, the polyethyleneimine disclosed in the present invention is a cationic polymer having a very rich amine group, which is water-soluble, and thus can be applied onto the photosensitive resin film without using a highly toxic solvent, and controls the dilution rate and amount of the polyethyleneimine aqueous solution. After the spin coating under a predetermined condition to dry the polyethyleneimine aqueous solution so as not to agglomerate with each other, through the acetone lift-off process it was possible to selectively produce a polyethyleneimine pattern.

본 발명은 식각과정에서 폴리에틸렌이민과 감광성 수지막의 용해도(solubility) 차이를 이용하여 나노스케일의 선택적인 패턴을 형성할 수 있도록 하고 있다. 또한 최적화된 양의 폴리에틸렌이민 수용액이 도포되도록 하고, 이를 스핀코팅시에도 과도하게 뭉쳐서 소실되는 것을 방지하여 결국 선택적 패터닝이 가능한 막의 형성에 필요한 최적조건을 제시하고 있다. The present invention enables the formation of a nanoscale selective pattern using the difference in solubility of polyethyleneimine and the photosensitive resin film during etching. In addition, the optimum amount of aqueous solution of polyethyleneimine is applied, preventing excessive aggregation and loss during spin coating, thus suggesting optimum conditions for forming a film capable of selective patterning.

본 발명은 기존의 포토공정 장비를 그대로 활용하여 폴리에틸렌이민을 선택적으로 패터닝 할 수 있어 공정비용 및 소요시간의 측면에서 매우 효율적이다. 또한, 얼라인(align)이 가능하면서도 매우 정밀한 고분자의 패턴이 가능하여, 일 실시예로 탄소나노튜브의 전계특성을 변환시켜 반도체 소자를 제조할 수 있는 등 매우 큰 장점 및 효과를 갖는다. 본 발명에 따르면 각종 로직 회로 및 PM을 이용한 다양한 소자(터치 스크린, PMOLED, etc) 등을 제작할 수 있다.
The present invention can be selectively patterned polyethylene imine by utilizing the existing photo process equipment as it is very efficient in terms of process cost and time required. In addition, it is possible to align a very precise pattern of the polymer is possible, in one embodiment it has a great advantage and effects, such as to convert the electric field properties of carbon nanotubes to manufacture a semiconductor device. According to the present invention, various devices (touch screen, PMOLED, etc) using various logic circuits and PMs can be manufactured.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
As described above in detail specific parts of the present invention, it is apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

도 1의 1: 기판, 2: 감광성 수지막, 3: 폴리에틸렌이민.
도 6의 1: 기판, 2: 전극, 3: 전극, 4: 탄소나노튜브, 5: 탄소나노튜브 상에 코팅된 폴리에틸렌이민
도 7 (가), (나)의 1: 기판, 2: 전극, 3: 전극, 4: 탄소나노튜브, 5: 탄소나노튜브 상에 코팅된 폴리에틸렌이민
도 8의 1: 소스 전극, 2: 탄소나노튜브, 3: 드레인 전극
1: 1 substrate, 2: photosensitive resin film, 3: polyethyleneimine.
6, 1: substrate, 2: electrode, 3: electrode, 4: carbon nanotube, 5: polyethylenimine coated on the carbon nanotube
7 (a), (b) 1: substrate, 2: electrode, 3: electrode, 4: carbon nanotube, 5: polyethyleneimine coated on the carbon nanotube
8: 1: source electrode, 2: carbon nanotube, 3: drain electrode

Claims (14)

기판 상에 감광성 수지막 패턴을 형성시키는 단계;
폴리에틸렌이민 수용액을 상기 감광성 수지막 패턴 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계;
상기 도포된 폴리에틸렌이민 수용액을 건조시키는 단계; 및
상기 감광성 수지막을 선택적으로 제거할 수 있는 용매와 함께 초음파를 처리하여 감광성 수지막을 제거하는 단계를 포함하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
Forming a photosensitive resin film pattern on the substrate;
Applying an aqueous polyethyleneimine solution to a thickness of 80% or less of the photosensitive resin film pattern thickness;
Drying the applied aqueous polyethyleneimine solution; And
Selective patterning method of polyethyleneimine comprising the step of removing the photosensitive resin film by ultrasonic treatment with a solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민 수용액은 폴리에틸렌이민:증류수가 1:1~125 범위인 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the aqueous polyethylenimine solution is polyethyleneimine: distilled water ranging from 1: 1 to 125.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민 수용액은 폴리에틸렌이민:증류수가 1:5~25 범위인 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the aqueous polyethylenimine solution is polyethyleneimine: distilled water in the range of 1: 5-25.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민의 도포는 1000~2000 rpm으로 25~40초간 스핀코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the polyethyleneimine is applied to the selective patterning method of polyethyleneimine, characterized in that the spin coating for 25 to 40 seconds at 1000 ~ 2000 rpm.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민의 도포는 500 rpm에서 5 초간 스핀코팅 한 다음, 1000~2000 rpm으로 25~40초간 스핀코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the polyethyleneimine is coated by spin coating at 500 rpm for 5 seconds and then spin coating at 1000 to 2000 rpm for 25 to 40 seconds.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 수용액을 상기 감광성 수지막 두께의 80% 이하의 두께가 되도록 도포하는 단계 이전에, 기판 위에 1~2㎕/1mm2의 폴리에틸렌이민 수용액층이 형성되도록 뿌려주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein before the step of applying the polyethyleneimine aqueous solution to a thickness of 80% or less of the thickness of the photosensitive resin film, to form a 1 ~ 2μ / 1mm 2 polyethyleneimine aqueous solution layer on the substrate Selective patterning method of polyethyleneimine further comprising the step of spraying.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민 수용액의 건조는 65~100℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the drying of the aqueous polyethyleneimine solution is a selective patterning method of polyethyleneimine, characterized in that at 65 ~ 100 ℃.
제1항에 있어서, 상기 감광성 수지막을 제거하는 단계는 100~200W 강도의 초음파를 2~10분간 처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the removing of the photosensitive resin film is a selective patterning method of polyethyleneimine, characterized in that the treatment by ultrasonic wave of 100 ~ 200W intensity for 2 to 10 minutes.
제1항에 있어서, 상기 감광성 수지막을 선택적으로 제거할 수 있는 용매는 아세톤인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the solvent capable of selectively removing the photosensitive resin film is acetone.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝은 다층의 반도체 소자 제조에 적합한 것임을 특징으로 하는 폴리에틸렌이민의 선택적 패터닝 방법.
The method of claim 1, wherein the selective patterning of polyethyleneimine is suitable for the manufacture of multilayer semiconductor devices.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 방법으로 폴리에틸렌이민이 선택적으로 패터닝된 기판을 포함하는 반도체 소자.
10. A semiconductor device comprising a substrate on which polyethyleneimine is selectively patterned by the method according to claim 1.
기판; 기판상에 배열된 탄소나노튜브; 상기 탄소나노튜브에 접하여 소정의 간격으로 형성된 전극; 및 상기 전극을 연결하는 탄소나노튜브 상에 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 선택적으로 코팅된 폴리에틸렌이민층을 포함하는 반도체 소자.
Board; Carbon nanotubes arranged on the substrate; Electrodes formed at predetermined intervals in contact with the carbon nanotubes; And a polyethyleneimine layer selectively coated on the carbon nanotubes connecting the electrodes according to any one of claims 1 to 9.
제12항에 있어서, 상기 반도체 소자는 폴리에틸렌이민층이 선택적으로 코팅되어 탄소나노튜브의 본질적인 p 타입 반도체 성질이 n 타입으로 전환되도록 한 반도체 소자.
13. The semiconductor device of claim 12, wherein the semiconductor device is selectively coated with a polyethyleneimine layer such that the intrinsic p-type semiconductor properties of the carbon nanotubes are converted to n-type.
제12항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 반도체 소자. The semiconductor device of claim 12, wherein the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes.
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