KR20130066268A - 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 패턴화된 산화아연 나노선의 제작방법은 포토레지스트의 현상과 산화아연 시드층의 식각을 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액을 사용하여 연속적으로 진행할 수 있다. 따라서 용액의 교환이 필요 없고, 공정 단계를 줄일 수 있다.

Description

산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법{Method of patterned growth of ZnO nanowire}
본 발명은 산화아연 나노선의 패턴화된 성장방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 산화아연 시드층(seed layer)의 식각을 통한 산화아연 나노선의 패턴화된 성장방법에 관한 것이다.
산화아연은 가시광선 영역에서 높은 투과성과 굴절율 및 강한 압전성이 있기 때문에 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 소자의 재료인 GaN과 유사한 광학적 특성이 있다. 특히, 상온에서 GaN의 3배나 되는 여기 구속 에너지(exciting binding energy)를 가져서, 고효율의 발광이 가능하고 레이저 펌핑에 의한 자발적 발광(stimulated apontaneous emission)시 문턱 에너지가 매우 낮은 특성이 있다. 이러한 특성으로 인하여 산화아연은 광결정(photonic crystal), 도파관(optical modulator waveguide), 바리스터(varistor), 태양전지(solar cell)의 투명전극, 표면탄성파 필터(surface acouatic wave filter), 레이저 다이오드(laser diode) 등의 발광 소자(light-emitting device), 평판 디스플레이, 전계 방출 디스플레이(FED), 광검출기(photodetectors), 가스센서, 또는 자외선 차단막 등으로 다양하게 활용되고 있다.
산화아연은 일차원 형상의 나노선 또는 나노막대로 쉽게 제작될 수 있다. 규칙적으로 잘 배열된 산화아연 나노구조체 제작은 광학장치, 전기적 장치 또는 센서 등의 분야에서 핵심적인 기술 중의 하나이다. 일정한 패턴을 이루고 있는 나노구조체의 제작에 사용되는 기술은 대부분 반도체 제작 기술과 연관된다. 따라서 산화아연 나노구조체의 제작은 복잡한 제작 단계를 요구한다. 기존의 산화아연 나노구조체의 패턴 형성은 스템프(PDMS stamp)를 이용하는 방법, 건식 식각(dry etching)을 이용한 방법, 화학물질을 이용한 습식 식각(wet etching)을 이용하는 방법 등이 있다. 상기 방법 중에서 습식 식각 방법은 공정이 가장 간단하다. 산화아연의 습식 식각은 염산, 황산 등의 산과 NH4Cl, FeCl3등의 화학물질을 사용한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법에 있어서 더욱 단순한 성장 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법은 기판 상에 산화아연 시드층을 형성하는 단계, 상기 시드층 상에 포토레지스트층를 형성하는 단계, 상기 포토레지스트층을 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 포토레지스트층을 사용하여 상기 산화아연 시드층을 식각하고 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 산화아연 시드층 상의 상기 포토레지스트층를 제거하는 단계, 및 상기 패터닝된 산화아연 시드층 상에 산화아연 나노선을 성장시키는 단계를 포함하되, 상기 포토레지스트을 패터닝하는 단계는 연속적으로 진행될 수 있다.
상기 포토레지스트을 패터닝하는 단계와 상기 산화아연 시드층을 패터닝하는 단계는 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드 수용액을 사용하여 연속적으로 진행될 수 있다.
상기 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드 수용액의 농도는 1 내지 3%일 수 있다.
상기 산화아연 시드층의 두께는 300Å 내지 1μm일 수 있다.
상기 산화아연 시드층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 에탄올, 2-메톡시에탄올, 및 징크 아세테이트의 혼합용액을 스핀 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
상기 포토레지스트층은 포지티브 포토레지스트층일 수 있다.
상기 패터닝된 산화아연 시드층 상에 산화아연 나노선을 성장시키는 단계는, 수열합성법, 화학기상 증착법 및 물리기상 증착법 중 하나로 수행될 수 있다.
상기 수열합성법은 상기 패터닝된 산화아연 시드층이 징크 니트레이트와 헥사메틸렌테트라민의 혼합용액과 반응하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법에 있어서, 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액으로 포토레지스트의 현상 단계와 산화아연 시드층의 식각 단계을 연속적으로 진행하여 공정 단계를 줄일 수 있다.
도 1 내지 도 6는 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 주사전자현미경 사진이다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명에 따른 산화아연 나노선의 제조방법은 기판 상에 산화아연 시드층(seed layer)을 형성하는 단계, 산화아연 시드층(seed layer)이 형성된 기판을 포토레지스트로 도포하는 단계, 상기 포토레지스트를 원하는 패턴의 포토마스크로 노광하는 단계, 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액으로 상기 포토레지스트의 현상과 산화아연 시드층의 식각을 연속적으로 수행하는 단계, 상기 패턴화된 산화아연 시드층 상의 포토레지스트를 제거하는 단계, 상기 패턴화된 산화아연 시드층 상에 산화아연 나노선을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 패턴화된 산화아연 나노선의 성장방법을 나타낸 사시도 이다.
도 1를 참고하면, 기판(10)상에 산화아연 시드층(20)이 형성될 수 있다.
상기 기판(10)은 ITO(Indium-Tin-Oxide) 기판, 실리콘 기판, 플라스틱 기판, 유리 기판 등일 수 있다. 불순물이 제거된 상기 기판(10)은 methanol과 2-methoxyethanol 혼합용매에 0.005M 농도의 zinc acetate 용액이 혼합된 혼합용액으로 스핀 코팅될 수 있다. 상기 스핀 코팅은 3회 반복할 수 있다. 매 1회 스핀 코팅 이후에 상기 스핀 코팅된 기판을 110℃에서 가열할 수 있다. 마지막 스핀 코팅 이후에 상기 기판을 350℃에서 가열하면 산화아연 시드층(20)이 형성될 수 있다. 산화아연 시드층은 300Å 내지 1μm의 두께일 수 있다.
도 2를 참고하면, 상기 산화아연 시드층(20)상에 포토레지스트층(30)를 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트층(30)은 포지티브(positive) 포토레지스트층일 수 있다. 상기 포토레지스트층(30)의 두께는 1.1 내지 1.9μm일 수 있다. 기판 상에 상기 포토레지스트층(30)을 형성한 후 소프트 베이크(soft bake) 공정을 수행할 수 있다. 상기 소프트 베이크 공정으로 상기 포토레지스트층(30)에서 수분 및 유기 용매를 제거할 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 포토레지스트층(30)을 노광시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 포토레지스트층(30) 상에 원하는 패턴이 새겨진 포토 마스크(40)을 배치한 후 자외선을 조사할 수 있다. 상기 자외선의 조사 이후에 상기 포토레지스트층(30)은 110℃에서 가열될 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기 노광시키는 단계 이후에, 포토레지스트층을 현상하는 단계와 산화아연 시드층을 식각하는 단계를 수행할 수 있다. 노광된 포토레지스트층(30)을 갖는 기판(10)을 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액에 침지시킬 수 있다. 상기 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액의 농도는 1 내지 3%일 수 있다. 상기 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액의 농도는 이에 제한되지 않는다. 이때 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethyl ammonium hydroxide) 수용액으로 인하여, 상기 포토레지스트층의 현상(develop) 단계와 상기 산화아연 시드층의 식각 단계가 연속적으로 이루어질 수 있다.
도 5를 참고하면, 상기 시드층이 패터닝된 기판을 아세톤으로 세척할 수 있다. 상기 세척시에 초음파가 사용될 수 있다. 상기 세척으로 상기 패터닝된 산화아연 시드층(20)상에 형성된 상기 포토레지스트층(30)이 제거될 수 있다.
도 6을 참고하면, 상기 패터닝된 산화아연 시드층(20) 상에 산화아연 나노선(50)이 선택적으로 성장될 수 있다. 상기 산화아연 나노선(50)의 성장에는 수열합성법, 화학기상 증착법, 물리기상 증착법이 사용될 수 있다. 상기 수열합성법을 통한 산화아연 나노선(50)의 성장을 구체적으로 검토하면, 상기 패터닝된 산화아연 시드층이 형성된 기판을 0.025M zinc nitrate와 0.025M hexamethylenetetramine 용액에 침지시킬 수 있다. 이때 상기 패터닝된 산화아연 시드층(20) 상에 산화아연 나노선(50)이 성장될 수 있다. 상기 산화아연 나노선(50)의 성장시의 반응온도는 95℃일 수 있다. 상기 산화아연 나노선(50)이 성장된 기판을 증류수에 담가서 초음파 세척할 수 있다. 상기 세척으로 불순물이 제거된 후, 질소로 건조할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 주사전자현미경 사진이다. 도 7을 참고하면, 산화아연 나노선이 기판 상의 패터닝된 산화아연 시드층에만 성장되었음을 알 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 실시예에 국한되는 것이 아니다.
10: 기판
20: 산화아연 시드층
30: 포토레지스트층
40: 포토 마스크 필름
50: 산화아연 나노선

Claims (8)

  1. 기판 상에 산화아연 시드층을 형성하는 단계;
    상기 시드층 상에 포토레지스트층를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트층을 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 포토레지스트층을 사용하여 상기 산화아연 시드층을 식각하고 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 산화아연 시드층 상의 상기 포토레지스트층를 제거하는 단계; 및
    상기 패터닝된 산화아연 시드층 상에 산화아연 나노선을 성장시키는 단계를 포함하되,
    상기 포토레지스트을 패터닝하는 단계와 상기 산화아연 시드층을 패터닝하는 단계는 연속적으로 진행되는 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 포토레지스트을 패터닝하는 단계와 상기 산화아연 시드층을 패터닝하는 단계는, 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드 수용액을 사용하여 연속적으로 진행되는 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드 수용액의 농도는 1 내지 3%인 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산화아연 시드층의 두께는 300Å 내지 1μm인 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 산화아연 시드층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 에탄올, 2-메톡시에탄올, 및 징크 아세테이트의 혼합용액을 스핀 코팅하는 것을 포함하는 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 포토레지스트층은 포지티브 포토레지스트층인 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 패터닝된 산화아연 시드층 상에 산화아연 나노선을 성장시키는 단계는, 수열합성법, 화학기상 증착법 및 물리기상 증착법 중 하나로 수행되는 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 수열합성법은 상기 패터닝된 산화아연 시드층이 징크 니트레이트와 헥사메틸렌테트라민의 혼합용액과 반응하는 과정을 포함하는 산화아연 나노선의 패턴화된 성장 방법.
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