KR20110094261A - 금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물의 제조 방법 - Google Patents

금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 나노 링을 이용한 나노 구조물의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노 구조물의 제조 방법은, 기판의 일면에 금속을 증착하여 금속막을 형성하는 제1 단계와, 금속막을 양극산화시켜 금속막의 표면으로부터 기판을 향해 복수의 제1 나노 홀을 가지는 금속 산화막을 형성하며, 금속 산화막의 바닥면 일부가 기판과 면접촉하는 시점까지 양극산화를 진행하는 제2 단계와, 금속 산화막을 제거하여 남은 금속막으로 복수의 제2 나노 홀을 가지는 금속 나노 링 패턴을 형성하는 제3 단계와, 금속 나노 링 패턴을 식각 마스크로 사용하여 기판을 식각함으로써 기판에 제2 나노 홀과 같은 패턴의 복수의 제3 나노 홀을 형성하는 제4 단계를 포함한다.

Description

금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물의 제조 방법 {FORMING METHOD OF NANO STRUCTURE USING THE METAL NANO RING PATTERN}
본 발명은 금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저가의 장비와 단순화된 공정을 이용하여 금속 나노 링 패턴을 제조하고, 금속 나노 링 패턴을 이용하여 나노 구조물의 제조하는 방법에 관한 것이다.
나노미터(nm) 크기의 정밀도를 가지는 나노 패턴 및 나노 구조물을 제조하기 위해서는 일반적으로 전자빔 리소그래피 장치, 홀로그래픽 리소그래피 장치, 또는 엑스레이 장치와 같은 고가의 장비를 사용해야 한다. 또한, 제조 공정도 매우 복잡하므로 종래의 나노 패턴 및 나노 구조물의 제작에는 고가의 비용이 요구된다. 더욱이 높은 정밀도의 나노 패턴 및 나노 구조물을 대면적으로 형성하는 것은 제조 비용면에서 더 큰 어려움이 있다.
본 발명은 비교적 저가의 장비와 단순화된 공정으로 높은 정밀도의 금속 나노 링 패턴을 제조하고, 금속 나노 링 패턴을 이용하여 나노 구조물을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물의 제조 방법은, 기판의 일면에 금속을 증착하여 금속막을 형성하는 제1 단계와, 금속막을 양극산화시켜 금속막의 표면으로부터 기판을 향해 복수의 제1 나노 홀을 가지는 금속 산화막을 형성하며, 금속 산화막의 바닥면 일부가 기판과 면접촉하는 시점까지 양극산화를 진행하는 제2 단계와, 금속 산화막을 제거하여 남은 금속막으로 복수의 제2 나노 홀을 가지는 금속 나노 링 패턴을 형성하는 제3 단계와, 금속 나노 링 패턴을 식각 마스크로 사용하여 기판을 식각함으로써 기판에 제2 나노 홀과 같은 패턴의 복수의 제3 나노 홀을 형성하는 제4 단계를 포함한다.
제1 단계에서 금속막은 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 및 아연 중 어느 하나를 포함하며, 0.5㎛ 내지 3㎛의 두께를 가질 수 있다. 금속 나노 링 패턴과 나노 구조물은 50nm 내지 200nm의 내경과 100nm 내지 250nm의 외경을 가질 수 있다. 이때 내경은 외경보다 작은 값을 가진다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 나노 구조물의 제조 방법은, 기판의 일면에 금속을 증착하여 금속막을 형성하는 제1 단계와, 금속막을 양극산화시켜 금속막의 표면으로부터 기판을 향해 복수의 제1 나노 홀을 가지는 금속 산화막을 형성하며, 금속 산화막의 바닥면 일부가 기판과 면접촉하는 시점까지 양극산화를 진행하는 제2 단계와, 금속 산화막을 제거하여 남은 금속막으로 복수의 제2 나노 홀을 가지는 금속 나노 링 패턴을 형성하는 제3 단계와, 금속 나노 링 패턴 위에 니켈을 도금하여 제2 나노 홀과 같은 패턴의 복수의 제4 나노 홀을 가지는 금속의 나노 구조물을 형성하는 제4 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고가의 장비를 사용하지 않고 단순화된 공정으로 높은 정밀도의 금속 나노 링 패턴을 제조할 수 있다. 따라서 금속 나노 링 패턴의 제조 비용을 낮추고, 대면적의 금속 나노 링 패턴도 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 금속 나노 링 패턴을 식각 마스크로 사용시 복수의 나노 홀 어레이를 가지는 나노 구조물을 제조할 수 있으며, 도금을 위한 전극으로 사용시 금속 나노 링 패턴 위에 복수의 나노 홀 어레이를 가지는 금속의 나노 구조물을 제조할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 링 패턴의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 도 1b와 도 1c의 양극산화 단계에서 사용되는 양극산화 장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 완성된 금속 나노 링 패턴을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 4a와 도 4b는 금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물 제조 방법의 제1 실시예를 나타낸 공정도이다.
도 5는 금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물 제조 방법의 제2 실시예를 나타낸 공정도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 링 패턴의 제조 방법을 나타낸 공정도이다. 금속 나노 링 패턴(10)의 제조 방법은 기판(12) 위에 금속막(14)을 형성하는 제1 단계(도 1a 참조)와, 금속막(14)을 양극산화 처리하여 제1 나노 홀(161)을 가지는 금속 산화막(16)을 형성하는 제2 단계(도 1b 및 도 1c 참조)와, 금속 산화막(16)을 제거하여 남은 금속막(14)으로 금속 나노 링 패턴(10)을 만드는 제3 단계(도 1c 참조)를 포함한다.
도 1a를 참고하면, 일정 두께의 기판(12)을 준비하고, 기판(12)의 일면에 스퍼터링 등의 공정으로 금속을 증착하여 t1의 두께를 가지는 금속막(14)을 형성한다. 기판(12)은 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 금속막(14)은 양극산화가 가능한 금속인 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 및 아연 중 어느 하나를 포함한다. 금속막(14)의 두께(t1)는 일례로 0.5㎛ 내지 3㎛일 수 있으며, 증착 조건이나 이후의 공정 조건에 따라 금속막(14)의 두께(t1)를 다양하게 설정할 수 있다.
다음으로, 전술한 금속막(14)을 양극산화 처리하여 금속 산화막(16)을 형성한다. 도 2는 도 1b와 도 1c의 양극산화 단계에서 사용되는 양극산화 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참고하면, 양극산화 장치(20)는 냉각수가 순환하는 순환식 수조(22)와, 수조(22) 내부의 전해액을 일정한 속도로 교반하는 자석 교반기(24)를 포함한다. 양극산화는 금속막(14)이 형성된 기판(12)과 상대 전극(26)을 일정 간격을 유지한 상태로 전해액에 담그고, 금속막(14)과 상대 전극(26)에 양극 전원과 음극 전원을 각각 인가하는 과정으로 진행된다. 전해액은 수산 전해액일 수 있으며, 상대 전극(26)은 백금일 수 있다.
도 1b와 도 1c를 참고하면, 전해액 내에서 금속막(14)과 상대 전극(26)에 양극 전원과 음극 전원을 각각 인가하면 양이온을 띄고 있는 금속 이온(예: 알루미늄 이온)이 전해액으로 용출되고, 전해액 내에 있는 산소 이온 및 수산화 이온이 금속막으로 이동한다. 이러한 금속 이온과 산소 이온(또는 수산화 이온)의 결합으로 금속 산화막(16)(예: 알루미나)이 형성된다.
이 과정에서 전해액의 산성에 의해 전해액과 접촉면을 이루는 금속 산화막(16)의 표면에서 부분적인 용해가 일어나 금속 산화막(16)의 표면이 거칠게 되고, 거칠어진 금속 산화막(16) 표면 중에서 금속 산화막(16)의 가장 얇은 쪽으로 전기장이 집중된다. 집중된 전기장은 금속 산화막(16)의 용해를 촉진시켜 다시 더 얇은 금속 산화막(16)을 형성하며, 연속적이고 국부적인 산화 반응에 의해 제1 나노 홀(161)이 형성된다.
제1 나노 홀(161)은 금속 산화막(16)의 표면 전체에 비교적 균일한 패턴으로 발생하며, 양극산화가 진행되는 동안 기판(12)을 향해 점점 더 큰 길이로 성장한다.
본 실시예에서 양극산화는 금속 산화막(16)의 바닥면 일부가 기판(12)에 닿아 금속 산화막(16)과 기판(12)이 면접촉을 할 때까지 진행한다. 즉, 양극산화가 진행되는 동안 금속 산화막(16)의 바닥면은 각각의 제1 나노 홀(161)을 둘러싸는 소정의 곡률을 형성한다. 이로써 금속 산화막(16)의 바닥면 중 제1 나노 홀(161)의 중앙에 대응하는 부분은 기판(12)과 작은 간격을 유지하고, 제1 나노 홀들(161) 사이에 대응하는 부분은 상대적으로 기판과 큰 간격을 유지한다.
따라서 양극산화를 계속 진행하면 금속 산화막(16)의 바닥면 중 제1 나노 홀(161)의 중앙에 대응하는 부분이 먼저 기판(12)에 닿은 이후 금속 산화막(16)과 기판(12)의 접촉 면적이 점진적으로 확대된다. 금속 산화막(16)이 기판(12)과 접촉한다는 것은 금속막(14)에 이를 관통하는 제2 나노 홀(141)이 형성된 것을 의미한다. 제1 나노 홀(161)의 성장으로 금속 산화막(16)이 기판(12)과 접촉하여 금속막(14)에 의도한 직경의 제2 나노 홀(141)이 형성되면 양극산화 처리를 중지한다.
예를 들어 실리콘 기판 위에 1㎛ 두께의 알루미늄막을 형성한 경우, 0.04M 내지 0.1M의 농도 및 -10℃ 내지 4℃ 온도 조건의 수산 전해액 내부에서 알루미늄막과 상대 전극에 60V 내지 180V의 전압을 30분간 인가하여 양극산화 과정을 진행할 수 있다. 그러면 최초 알루미늄막 두께의 95% 이상이 제1 나노 홀을 가지는 알루미나(Al2O3)가 된다.
여러 가지 양극산화 조건, 즉 전해액의 농도와 온도, 금속막(14)과 상대 전극(26)의 인가 전압, 처리 시간 등을 조절하여 금속 산화막(16)과 기판(12)의 접촉 면적을 다양하게 변화시킬 수 있다.
한편, 금속막(14)이 각각 티타늄, 니오븀, 및 아연으로 형성되는 경우, 양극산화 처리에 의해 각각 산화티탄(TiO2), 산화니오븀(N2O5), 및 산화아연(ZnO)이 형성되며, 재료에 따라 수산 전해액의 농도, 온도 조건, 전압 조건, 및 처리 시간 등을 변경할 수 있다.
도 1d를 참고하면, 금속 산화막(16)을 식각으로 제거하여 금속 나노 링 패턴(10)을 형성한다. 금속 나노 링 패턴(10)은 금속 산화막(16)이 형성되지 않은 금속막(14)의 바닥 부분으로서, 기판(12)을 노출시키는 복수의 제2 나노 홀(141)을 형성한다. 제2 나노 홀들(141)은 기판(12) 전체에 균일하게 분포하며, 금속 산화막(16)에 형성되었던 제1 나노 홀(161)보다 큰 직경을 가진다. 전술한 과정을 거쳐 고리 모양이 연속으로 이어진 금속 나노 링 패턴(10)이 완성된다.
금속 나노 링 패턴(10)은 50nm 내지 200nm의 내경과 100nm 내지 250nm의 외경을 가질 수 있으며, 양극산화 조건을 변경하는 것에 의해 내경과 외경 크기를 용이하게 조절할 수 있다. 이때 내경은 외경보다 작은 값을 가진다.
도 3은 전술한 과정으로 완성된 금속 나노 링 패턴을 나타낸 전자현미경 사진이다. 도 3에서 진한색 부분이 실리콘 기판을 나타내고, 연한색 부분이 알루미늄 나노 링 패턴을 나타낸다. 알루미늄 나노 링 패턴에서 대략적인 원형 또는 육각형의 제2 나노 홀들이 비교적 균일한 간격을 두고 위치하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 완성된 금속 나노 링 패턴(10)은 나노 구조물의 식각을 위한 식각 마스크로 사용되거나 나노 구조물의 도금 증착을 위한 전극으로 사용될 수 있다.
도 4a와 도 4b는 금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물 제조 방법의 제1 실시예를 나타낸 공정도이다.
도 4a와 도 4b를 참고하면, 제1 실시예에서 금속 나노 링 패턴(10)은 식각을 위한 식각 마스크로 사용된다. 금속 나노 링 패턴(10)이 형성된 기판(12)의 표면은 제2 나노 홀(141)에 해당하는 부분만 바깥으로 노출되고, 금속 나노 링 패턴(10)은 기판(일례로 실리콘 기판)을 식각하는 에천트에 대한 저항성을 가지므로, 금속 나노 링 패턴(10)을 식각 마스크로 사용할 수 있다.
금속 나노 링 패턴(10)이 형성된 기판(12)을 식각 장치(도시하지 않음)에 투입하고, 건식 식각, 예를 들어 건식 반응성 이온 식각(dry reactive ion etching; DRIE)을 진행한다. 그러면 기판(12) 중 금속 나노 링 패턴(10)으로 덮이지 않은 부위가 수직 방향으로 식각되면서 기판(12)에 소정 깊이의 제3 나노 홀(121)이 형성된다.
건식 식각으로 기판(12)에 의도한 깊이의 제3 나노 홀(121)이 형성되면 식각 공정을 중지하고, 금속 나노 링 패턴(10)을 제거한다. 이로써 복수의 제3 나노 홀(121)을 가지는 나노 구조물(30)을 완성한다.
나노 구조물(30)에 형성된 제3 나노 홀(121)은 금속 나노 링 패턴(10)에 형성된 제2 나노 홀(141)과 같은 크기 및 같은 평면 형상을 가진다. 전술한 나노 구조물(30)의 제조 방법은 반도체 제조 공정에 적용될 수 있다. 또한, 전술한 방법으로 제조된 나노 구조물(30)은 나노 튜브 또는 나노 와이어 제조를 위한 템플릿(template)으로 사용되거나, 바이오 분야에 응용될 수 있다.
도 5는 금속 나노 링 패턴을 이용한 나노 구조물 제조 방법의 제2 실시예를 나타낸 공정도이다.
도 5를 참고하면, 제2 실시예에서 금속 나노 링 패턴(10)은 도금을 위한 전극으로 사용된다. 금속 나노 링 패턴(10)이 형성된 기판(12)(일례로 실리콘 기판)은 부도체이고, 금속 나노 링 패턴(10)은 도전체이므로, 전기 도금법 또는 화학 도금법을 적용하여 금속 나노 링 패턴(10) 위에만 니켈을 도금한다. 니켈의 도금 두께는 공정 조건이나 나노 구조물(40)의 사용처에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
전술한 도금법에 의해 금속 나노 링 패턴(10) 위에 복수의 제4 나노 홀(401)을 가지는 금속의 나노 구조물(40)을 완성한다. 나노 구조물(40)은 일정 두께를 가지며, 기판(12) 전체에 걸쳐 균일한 제4 나노 홀(401) 어레이를 형성한다.
제2 실시예에 따라 완성된 나노 구조물(40)은 화학적인 내식성과 기계적 성질이 우수하므로, 나노 튜브 또는 나노 와이어 제조를 위한 템플릿, 나노 임프린트 몰드, 및 사출 성형 또는 핫 엠보싱 가공의 몰드 스탬프로 사용될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 고가의 장비를 사용하지 않고 상용화된 양극산화 장치를 이용하여 단순화된 공정으로 높은 정밀도의 금속 나노 링 패턴(10)을 제조할 수 있다. 따라서 금속 나노 링 패턴(10)의 제조 비용을 낮추고, 대면적의 금속 나노 링 패턴(10)도 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 금속 나노 링 패턴(10)을 식각 마스크로 사용시 복수의 나노 홀 어레이를 가지는 나노 구조물(30)(기판과 동일 소재)을 제조할 수 있으며, 도금을 위한 전극으로 사용시 금속 나노 링 패턴(10) 위에 복수의 나노 홀 어레이를 가지는 금속의 나노 구조물(40)을 제조할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
12: 기판 14: 금속막
16: 금속 산화막 161: 제1 나노 홀
141: 제2 나노 홀 10: 금속 나노 링 패턴
121: 제3 나노 홀 30, 40: 나노 구조물
401: 제4 나노 홀

Claims (8)

  1. 기판의 일면에 금속을 증착하여 금속막을 형성하는 제1 단계;
    상기 금속막을 양극산화시켜 상기 금속막의 표면으로부터 상기 기판을 향해 복수의 제1 나노 홀을 가지는 금속 산화막을 형성하며, 상기 금속 산화막의 바닥면 일부가 상기 기판과 면접촉하는 시점까지 양극산화를 진행하는 제2 단계;
    상기 금속 산화막을 제거하여 남은 상기 금속막으로 복수의 제2 나노 홀을 가지는 금속 나노 링 패턴을 형성하는 제3 단계; 및
    상기 금속 나노 링 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 기판을 식각함으로써 상기 기판에 상기 제2 나노 홀과 같은 패턴의 복수의 제3 나노 홀을 형성하는 제4 단계
    를 포함하는 나노 구조물의 제조 방법.
  2. 제1항의 방법으로 제조되며, 나노 튜브 또는 나노 와이어 제조용 템플릿으로 사용되는 나노 구조물.
  3. 기판의 일면에 금속을 증착하여 금속막을 형성하는 제1 단계;
    상기 금속막을 양극산화시켜 상기 금속막의 표면으로부터 상기 기판을 향해 복수의 제1 나노 홀을 가지는 금속 산화막을 형성하며, 상기 금속 산화막의 바닥면 일부가 상기 기판과 면접촉하는 시점까지 양극산화를 진행하는 제2 단계;
    상기 금속 산화막을 제거하여 남은 상기 금속막으로 복수의 제2 나노 홀을 가지는 금속 나노 링 패턴을 형성하는 제3 단계; 및
    상기 금속 나노 링 패턴 위에 니켈을 도금하여 상기 제2 나노 홀과 같은 패턴의 복수의 제4 나노 홀을 가지는 금속의 나노 구조물을 형성하는 제4 단계
    를 포함하는 나노 구조물의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 상기 금속막은 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 및 아연 중 어느 하나를 포함하는 나노 구조물의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 상기 금속 산화막의 바닥면은 상기 제1 나노 홀 각각을 둘러싸는 곡률을 형성하며, 상기 금속 산화막의 바닥면 중 상기 제1 나노 홀의 중앙에 대응하는 부분이 다른 부분보다 상기 기판에 먼저 닿은 후 접촉 면적을 확대시켜 상기 제2 나노 홀을 형성하는 나노 구조물의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 나노 홀이 상기 제1 나노 홀보다 큰 나노 구조물의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속 나노 링 패턴과 상기 나노 구조물은 50nm 내지 200nm의 내경과 100nm 내지 250nm의 외경을 가지며, 상기 내경은 상기 외경보다 작은 값을 가지는 나노 구조물의 제조 방법.
  8. 제3항의 방법으로 제조되며, 나노 와이어 또는 나노 튜브 제조용 템플릿, 나노 임프린트 몰드, 및 사출 성형 또는 핫 엠보싱 가공의 몰드 스탬프 중 어느 하나로 사용되는 나노 구조물.
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