KR20130017684A - Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｌｉｔｈｏｒｇｒａｐｈｙ를 이용한 ＧａＡｓ 나노선 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리머구(Polystyrene Sphere,PS)를 이용하여 Gold dot을 형성시켜 분자빔 에픽텍시(Molcular Beam Epitaxy,MBE)나 유기금속화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)를 이용하여 나노막대(Nanopillar, Nanorod, Nanowires)를 형성하는 Colloidal lithography에 관한 것이다. 실리콘(Si) 혹은 갈륨아세나이드(GaAs) 기판 표면위에 Gold를 증착시킨 뒤 1마이크론 직경의 PS를 분산시키고 Reactive Ion Etching(RIE)를 사용하여 PS 직경을 150nm~200nm로 줄인 다음 Gold를 etching하여 Patterned Gold dot을 형성한 후에 MBE나 MOCVD로 GaAs 나노막대를 성장하는 형태이다.
Colloidal lithography를 사용하게 되면 대면적에 비교적 단시간에 gold pattern을 형성할 수 있다는 장점과 나노 임프린트, Electron-beam lithography와 같은 고가의 장비에 비해 훨씬 저렴하게 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

Description

Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｌｉｔｈｏｒｇｒａｐｈｙ를 이용한 ＧａＡｓ 나노선{Colloidal lithography method by using the patterned gold as catalyst for growth of InGaAs nanowire}
본 발명은 Colloidal lithography 방법으로 패턴된 골드를 촉매로 사용하여 성장한 InxGa1 - xAs 나노선에 관한 것이다. Colloidal Lithography 기법에 기반을 둔 나노패터닝 기술을 이용하여 금속 나노입자 배열을 형성하고 이를 촉매로 활용하여 고품질의 반도체 나노막대를 성장하는 방법으로, 보다 상세하게는 Si이나 GaAs 기판 표면에 Gold를 1nm ~ 100 nm 두께로 증착한 뒤에 100 nm ~ 10μm 사이즈의 폴리스틸렌(Polystyrene)을 단일층으로 코팅한다. 산소 플라즈마에 노출시켜 크기를 50 ~ 300 nm 사이로 감소시킨 폴리스틸렌 구를 dry-etching 마스트로 활용하여 같은 크기의 금 나노입자 array을 제작하고 이를 촉매로 활용하여 분자선 증착 장치 (molecular beam epitaxy) 또는 유기금속화학증착장치 (metal-organic chemical vapor deposition)을 활용하여 나노와이어를 성장하는 기술이다.
일반적으로 나노막대는 현재 태양전지나 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 각종 센서에 응용되고 있으며 마이크론 사이즈에서 나노사이즈로 변화되면서 나타나는 물리적 화학적 성질 때문에 전 세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그리고 다양한 합성 과정을 통하여 방향성, 표면특성까지도 조절을 할 수가 있고, 사이즈 효과(Size Effect)에 따라 원하는 물성을 조절할 수 있다는 장점 때문에 나노막대 성장 기술은 그 어느때보다 중요하다고 할 수 있다.
다양한 패터닝된 나노막대(Patterned Nanowire) 성장기술이 있는데 대표적인 나노막대 성장기술로는 Electron-beam lithography, Nano-imprint 기술이 있다. 하지만 대면적 패턴형성의 어려움과 굉장히 고가에다 많은 시간이 소모된다는 단점이 존재한다. 최근 들어서 태양전지나 발광다이오드에 대한 연구가 활발해 지면서 저비용의 대면적 기술이 중요해지고 있는 가운데 이러한 기술로는 가격대 성능비에 심각한 문제점이 존재한다고 볼 수가 있다.
근래에 위의 단점을 보안하기 위해 폴리머구나 실리카구를 이용한 Colloidal lithography에 대한 연구가 많이 진행되고 있고 실제로 이 방법을 통하여 Bottom-up 방식이나 Top-down 방식으로 나노막대를 형성시킨 논문이 계속해서 보고되고 있다. 이는 다른 기술과는 상대적으로 저비용 대면적의 효율적인 기술개발이 이루어지고 있다는 증거이며 나노막대의 질적인 측면에서도 점진적으로 우수하게 발전하고 있다는 결과물이다.
현재 일반적으로 패턴형성에 사용되고 있는 Nano-imprint나 Electron-beam lithography는 도 1-1과 도 1-2에서와 같이 기판 표면위에 폴리머층을 입힌 후 E-beam이나 mold를 이용하여 패턴을 형성 후에 금속을 증착하여 증착시킨 금속을 식각 마스크(Etching Mask)나 촉매(Catalyst)로 사용해서 나노막대를 성장한다. E-beam lithography는 패턴 사이즈가 정교하고 패턴의 간격, 패턴사이즈 조절이 용이하다는 장점이 있는 반면 패턴 사이즈를 줄일수록 도즈(dose)가 커져서 패턴을 형성하는데 시간이 기하급수적으로 늘어나고, 이론적으로는 대면적이 가능하지만 실제로는 엄청난 시간과 자금이 들어가기 때문에 가격대비 성능비가 낮다는 단점이 있다. 나노 임프린트의 경우는 E-beam lithography보다 대면적이 가능하지만 임프린트 장비의 가격이 굉장히 높을뿐더러 임프린트에 사용되는 mold 제작의 비용이 상당히 고가이기 때문에 두 기술 다 가격대비 성능비가 낮다라는 단점이 존재한다.
본 발명은 위와 같은 종래의 패턴형성에 따른 가격문제, 시간문제의 해결과 폴리머구를 이용한 대면적 Gold dot 패턴의 형성, 형성된 Gold dot을 이용하여 나노막대를 성장하는데 목적이 있다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 종래의 나노임프린트나 E-beam lithography를 이용한 패턴형성 대신에 폴리머구인 Polystyrene Sphere solution을 사용한다. Gold dot 패턴형성을 위해서는 폴리머구의 직경을 1마이크론 사이즈에서 수백나노 사이즈로 줄여줘야 하는데 건식식각 공정을 도입하여 폴리머구 사이즈를 정교하게 조절한다.
이를 위하여, 본 발명은 폴리머구(Polystyrene Sphere,PS)를 이용하여 Gold dot을 형성시켜 분자빔 에픽텍시(Molcular Beam Epitaxy,MBE)나 유기금속화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)를 이용하여 나노막대(Nanopillar, Nanorod, Nanowires)를 형성하는 Colloidal lithography에 관한 것이다. 실리콘(Si) 혹은 갈륨아세나이드(GaAs) 기판 표면위에 Gold를 증착시킨 뒤 1마이크론 직경의 PS를 분산시키고 Reactive Ion Etching(RIE)를 사용하여 PS 직경을 150nm~200nm로 줄인 다음 Gold를 etching하여 Patterned Gold dot을 형성한 후에 MBE나 MOCVD로 GaAs 나노막대를 성장하는 형태이다.
Colloidal lithography를 사용하게 되면 대면적에 비교적 단시간에 gold pattern을 형성할 수 있다는 장점과 나노 임프린트, Electron-beam lithography와 같은 고가의 장비에 비해 훨씬 저렴하게 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 기존의 패턴형성과는 달리, 저가의 폴리머구를 사용함으로서 높은 가격문제를 해결한다는 장점이 있다.
또, 본 발명은 종래의 패턴형성보다 대면적으로 패턴형성이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 건식식각 산소플라즈마 처리시간에 따라 사이즈가 조절된 gold dot 형성이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 E-beam lithography의 모식도이다.
도 2는 나노임프린트의 모식도이다.
도 3은 본 발명인 Colloidal lithography의 모식도이다.
도 4는 본 발명인 Colloidal lithography를 이용한 폴리머구의 자가배열된 사진이다.
도 5는 본 발명인 Microwave plasma asher 장비를 이용하여 자가배열된 Polystyrene sphere의 사이즈를 조절한 사진이다.
이하 본 발명을 도면을 토대로 상세히 설명한다.
도 1은 E-beam lithography의 구성도이다.
도시된 바와 같이, E-beam lithography는 기판(Substrate)위에 패턴이 형성될 산화막을 증착한 뒤 폴리머를 코팅하고 E-beam으로 hole pattern을 형성한 후에 원하는 금속을 증착 뒤에 나노선을 성장한다.
도 2는 나노 임프린트를 이용한 홀 패턴의 형성 과정이고 도 3은 본 발명인 폴리머구를 사용한 Colloidal lithography의 모식도이며 도 4는 자가배열된 polystyrene sphere의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
그리고, 도 5는 자가배열된 polystyrene sphere를 Microwave plasma asher를 이용하여 사이즈를 단계별로 감소한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
본 발명은 종래의 나노임프린트나 E-beam lithography의 장시간 고비용, 국소부위의 부분적인 패턴형성의 단점을 극복하기 위하여 상대적으로 저가인 폴리머구 수용액을 사용하여 패턴된 Gold dot을 형성 하였다.
마이크로미터에서 나노미터 크기의 폴리머구를 형성하기 위한 방법은 폴리머구를 단일층으로 Gold 표면위에 분산시켜 건식 식각을 하였는데 식각 방법으로는 산소 분위기에서 등방성 식각에 유리한 Microwave plasma asher 장비를 이용하였다.
본 발명에서는 Gold 나노 dot 구조만을 형성시키기 위하여 사이즈가 조절된 패턴된 폴리머구를 제거해야 했는데 이는 아세톤, 클로로포름 같은 습식처리방법이나 열처리 방법으로 제거했다.
형성된 Gold dot을 촉매로 이용하여 MBE나 MOCVD같은 기상-액상-고상(Vapor-Liquid-Solid) 성장 기법을 통해 GaAs 나노막대를 성장 시켰다.
이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.

Claims (8)

  1. 실리콘(111) 기판위에 gold층을 증착한 뒤 Polystyrene spheres를 이용하여 gold pattern을 형성한 뒤 In과 Ga의 성분비가 조절된 InxGa1 - xAs 나노선 array을 수직으로 성장함에 있어서,
    상기 gold층 위에 Polystyrene sphere를 자가배열하고, 상기 자가배열된 polystyrene sphere의 사이즈를 조절하여 gold dot의 사이즈를 조절하고, 상기 사이즈가 조절된 gold dot을 촉매로 사용하는 InxGa1 - xAs 나노선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 (111)기판위에 촉매로 사용되는 gold층 증착은 sputtering을 이용하여 1nm ~ 100nm 의 두께를 가지는 gold층 증착하고, 상기 gold층을 촉매로 사용하는 InxGa1 - xAs 나노선 .
  3. 제1항에 있어서,
    Gold층 위에 polystyrene sphere를 자가배열 하기 위해서 mercaptoundecanoic acid를 사용하여 Self Assembly Monolayer 처리를 한 InxGa1 -xAs 나노선.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 polystyrene sphere를 자가배열 하기 위해 polyvinylpyrrolidone
    7.5X10-5 wt%를 polystyrene sphere solution에 섞은 뒤 성장한 InxGa1 - xAs 나노선.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 자가배열된 polystyrene sphere를 Microwave Plasma Asher를 이용하여 사이즈가 조절된 polystyrene sphere를 형성한 뒤 성장한 InxGa1 - xAs 나노선.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 gold dot을 형성하기 위해 ICP-RIE 장비를 이용하여 건식식각 방법을 통하여 gold 층을 식각하여 gold dot을 형성하고, 상기 gold dot을 촉매로 사용하여 성장한 InxGa1 - xAs 나노선.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 gold 패턴이 형성된 실리콘(111) 기판 위에 MOCVD를 이용하여 InxGa1 -xAs 나노선 성장.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 패턴이 형성된 실리콘 기판 위에 InxGa1 - xAs (0.1<x<0.9) 로조성비를 조절 한 InxGa1 - xAs 나노선 성장.
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