KR20160078569A - 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사파이어 또는 실리콘 기판 위에 시드(seed) 질화물을 형성하고, 그 위에 유기나노와이어 패턴 및 이를 템플릿으로 한 유전체나노터널을 형성하고, 이를 유도성장 마스크로 이용하는 것으로, 시드(seed) 질화물로부터 질화물 무기나노와이어를 성장하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 특징은 질화물 선택성장이 가능한 물질 중 어느 하나로써 기판을 포함한 베이스층 상에 노즐 프린팅 방법 등을 이용해 유기 나노선 어레이를 템플릿으로 형성하는 단계; 유기 나노선 어레이 상에 스텝 커버리지가 좋은 방법(PECVD, 스퍼터링 등)으로 유전체를 형성하는 단계; 유기 나노선을 제거하여 유전체 나노터널을 형성하는 단계; 유도성장을 위한 시드 결정을 형성하는 단계; 나노선 유도성장을 하는 단계; 유전체를 제거하는 단계를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NANOWIRE ARRAY}
본 발명은 나노선 어레이를 성장하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기 나노선 어레이를 템플릿으로 이용, 나노 터널을 형성한 후, 이를 통한 유도성장으로 정렬된 형태의 무기 나노선 어레이를 형성하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법에 관한 것이다.
기존의 반도체 기술의 한계를 넘을 수 있는 차세대 소자로서 반도체 나노 선은, 여러 가지 반도체 응용 분야에서 혁신적인 핵심기술로 평가받고 있으며, 특히 전자소자 및 광소자 분야에서 각광을 받고 있다. 전자소자 분야에서는 나노 선을 이용한 트랜지스터, 메모리 소자 관련 연구가 많이 진행되고 있고, 광소자 분야에서는 태양전지, 발광소자에 대한 연구, 그리고 레이저 분야에서 나노 스케일의 물질 특성을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 1차원 나노구조의 반도체 우수한 반도체 특성이 보고되고 있다.
하지만 종래 보고되어 온 반도체 무기 나노선(4족 반도체 및 화합물 반도체)들은, 통상적으로는 수직정렬된 구조로 성장되며, 길이 및 직경의 정확한 제어가 어려울 뿐더러, 정확한 나노선의 개수 조절도 불가능하다. 특히, 수직정렬된 구조의 어레이를 성장한다고 해도, 개별 나노선 또는 어레이의 나노선을 광소자 또는 전자소자에 적용시키에 공정상의 어려움이 크다. 나노선의 개별적인 구조나 위치 조절은 물론, 수평적 어레이 형성이 가능해야 실제로 나노선 소자를 사용할 수 있다.
따라서 전세계적으로 나노선을 원하는 위치에 일정하게 정렬시키고자 하는 많은 노력이 있었다. 크게 두가지 방법을 통해, 정렬된 나노선을 얻는 방법이 있는데, (i) 나노선의 성장 이후 정렬과정을 거치는 방법, (ii) 정렬된 나노선을 직접 성장하는 방법이 있다. 나노선의 정렬은, 나노선을 용액에 분산시킨후, fluidic channel, Langmuir-Blodgett, Blown-bubble, contact printing, 전자기장 등을 이용하여 정렬시키는 것이 있다. 또한 나노선 어레이를 직접 성장하는 경우, 사전 패터닝을 통한 성장 템플릿을 만드는 방법을 이용한다. 예를 들어 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장을 통해 수직 나노선을 성장하는 데 있어서, 전자빔 리소그래피 또는 심자외선 리소그래피와 같은 방법을 통해 촉매를 하고, 나노선 성장을 하면 사전에 패터닝 곳에만 수직 정렬된 나노선 어레이가 형성된다. 하지만 패터닝 방법의 대면적화가 어렵고, 매우 비싸다는 단점이 있으며, 수직정렬 형태라는 단점이 있다. 최근 Tsivion 교수진에서는 기판의 miscut을 이용한 수평정렬된 나노선을 기판상에 직접 성장하는데 성공하였다 (D. Tsivion, M. Schvartzman, R. Popovitz-Biro, P. von Huth, E. Joselevich, Science, 333, 1003(2011) 참조). 사파이어 기판 상에 질화갈륨 나노선을 원하는 결정방향으로 성장할 수 있다는 점에서 매우 성공적인 방법이지만, 나노선의 숫자 제어, 개별 나노선 직경, 길이의 정확한 제어가 힘들다는 점이 있다. 뿐만 아니라 성장에 있어서 결정학적으로 제한된 면만 이용할 수 있다는 한계가 존재한다.
따라서 실제 소자에 무기 나노선 어레이가 적용되기 위해서는, 결정방향은 뿐 아니라 나노선의 정확한 구조를 조절할 수 있는 나노선 형성방법이 필요하다. 유기나노선 기술의 경우, 나노선의 반도체 특성이 단결정 무기소재에 비해 떨어지지만, 유연성(flexibility)이 우수하며, 대량 합성, 용액공정, 낮은 비용 등의 장점이 있기 때문에, 지속적인 연구가 추가적으로 진행되어야 할 필요가 있다.
등록특허번호 제10-1421130호(2014년 07월 18일 공고) 등록특허번호 제10-1439788호(2014년 09월 15일 공고) 등록특허번호 제10-1367374호(2014년 03월 19일 공고)
상기와 같은 종래 기술의 문제점에 대해 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 위치 및 구조가 정확하게 제어된 수평정렬 무기 나노선 어레이의 제작법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 손쉽게 패턴이나 형태를 형성하는 유기나노선을 템플릿으로 하여 무기나노선을 유도성장으로 형성하는 것이어서 안정적으로 무기나노선을 형성하는 것이다.
본 발명의 목적은, 나노선의 방향, 크기 및 소정 패턴 등 형성하고자 하는 형태로 유기나노선을 형성하고 이를 템플릿으로 하여 나노선을 형성함으로써, 원하는 형태로 제조가 가능한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 질화물 선택성장이 가능한 물질 중 어느 하나로써 기판을 포함한 베이스층 상에 노즐 프린팅 방법 등을 이용해 유기 나노선 어레이를 템플릿으로 형성하는 단계; 유기 나노선 어레이 상에 스텝 커버리지가 좋은 방법(PECVD, 스퍼터링 등)으로 유전체를 형성하는 단계; 유기 나노선을 제거하여 유전체 나노터널을 형성하는 단계; 유도성장을 위한 시드 결정을 형성하는 단계; 나노선 유도성장을 하는 단계; 유전체를 제거하는 단계를 제공한다.
또한 본 발명은 유전체를 제거하여 나노선 가지를 형성하는 단계를 제공한다.
본 발명에 있어서, 기판을 포함한 베이스층 상에 제1나노선을 형성하는 제1나노선형성단계; 상기 제1나노선 상에 나노마스크층을 형성하는 나노마스크층형성단계; 상기 나노마스크층을 형성한 후 제1나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 나노터널형성단계; 및 상기 나노터널에 유도성장으로 제2나노선을 형성하는 제2나노선형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은, C면, M면, A면, 및 R면 중 어느 하나인 질화물; C면, M면, A면, 및 R면 중 어느 하나의 등가면인 질화물; C면 또는 R면인 사파이어; C면 또는 R면의 등가면인 사파이어; (111)면 실리콘; 6H-SiC; 및 질화물 격자상수와 격자상수의 차이가 10% 이내의 물질; 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은, 다결정 질화물; SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, GaO, ZnO, LiAlO, 및 MgO로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 비정질 물질; 및 표층이 그래핀으로 이루어진 물질; 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선은, TIPS 펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene); TES ADT(Triethylsilylethynyl anthradithiophene); 및 PCBM([6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester); 중 어느 하나의 저분자 유기재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선은, 고분자 유기 반도체 또는 전도성 고분자 재료로써, P3HT(Poly(3-hexylthiophene)), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))를 포함하는 폴리티오펜(polythiophene) 유도체; PVK(Poly(9-vinylcarbazole)); 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene)); 폴리플루오렌(polyfluorene); 폴리아닐린(polyaniline); 및 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체; 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선은, 절연성 고분자 재료로써, PEO(Polyethylene oxide); PS(Polystyrene); PCL(Polycaprolactone); PAN(Polyacrylonitrile); PMMA(Poly(methyl methacrylate)); 폴리이미드(Polyimide); PVDF(Poly(vinylidene fluoride)); 및 PVC(Polyvinylchloride); 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 나노마스크층은, SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2나노선은, AlxGayIn1 -x- yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); AlxGayIn1 -x- yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 및 AlxGayInP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 중 어느 하나의 무기물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2나노선은 질화물나노선으로 이루어지고, 상기 제2나노선형성단계는, 상기 기판 상에 형성된 시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 나노터널형성단계는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층(30)을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 나노터널형성단계는, 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 베이스층은, 기판을 포함한 층구조; 기판 및 상기 기판 위에 형성된 제1시드층을 포함한 층구조; 및 기판, 상기 기판 위에 형성된 제1시드층 및 상기 제1시드층 위에 형성된 제1성장마스크층을 포함한 층구조; 중 어느 하나의 층구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1시드층은, AlxGayIn1 -x- yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); AlxGayIn1 -x- yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 및 AlxGayInP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1성장마스크층은, SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선형성단계는, 노즐 프린터를 이용한 유기나노선 형성방법; 나노 임프린트 리소그래피; 전자빔 리소그래피; 용액 증착법; 증기 운반법; 용액 어닐링법; 양극 산화알루미늄 템플릿법; 및 다이렉트 팁 드로잉법; 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 나노마스크층형성단계는, PECVD, CVD, Sputter, 및 ALD 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2나노선형성단계는, MOCVD, CVD, 및 용액 공정 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 나노터널을 따라 제2나노선을 유도성장하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 기판 상에 제1시드층을 형성하는 제1시드층형성단계; 상기 제1시드층 상에 제1성장마스크층을 형성하는 제1성장마스크층형성단계; 상기 제1성장마스크층 상에 유기의 제1나노선을 형성하는 제1나노선형성단계; 상기 제1나노선 상에 유전체의 나노마스크층을 형성하는 나노마스크층형성단계; 상기 제1성장마스크층, 제1나노선 및 나노마스크층에 대해 식각으로 소정의 시드터널을 형성하는 시드터널형성단계; 유기의 상기 제1나노선을 열처리로 제거하여 나노터널을 형성하는 나노터널형성단계; 상기 시드터널 내에서 상기 제1시드층으로부터 제2시드층을 형성하는 제2시드층형성단계; 상기 제2시드층 상에 제2성장마스크층을 형성하는 제2성장마스크층형성단계; 나노유도성장을 위해 상기 제2성장마스크층의 소정 범위에 대해 식각하는 유도성장식각단계; 상기 나노터널 내에서, 상기 제2시드층으로부터 유도성장으로 제2나노선을 형성하는 제2나노선형성단계; 및 상기 나노마스크층, 제1성장마스크층 및 제2성장마스크층을 제거하는 마스크제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2나노선은 질화물나노선으로 이루어지고, 상기 제2나노선형성단계는, 상기 제2시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지고, 상기 나노터널형성단계는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하며, 상기 열처리 과정은 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 시드터널형성단계는, 건식 에칭공정 또는 습식 에칭공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2시드층형성단계는, MOCVD, MBE, 스퍼터, 및 전자빔 증착 중 어느 하나로 이루어져 질화물 구조체의 제2시드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 기판 상에 제1시드층을 형성하는 제1시드층형성단계; 상기 제1시드층 상에 제1성장마스크층을 형성하는 제1성장마스크층형성단계; 상기 제1성장마스크층의 소정 범위를 식각하여 시드터널을 형성하는 시드터널형성단계; 상기 제1성장마스크층 상에 제1나노선을 형성하는 제1나노선형성단계; 상기 제1나노선 상에 나노마스크층을 형성하는 나노마스크층형성단계; 상기 나노마스크층을 형성한 후 유기의 제1나노선을 열처리로 제거하여 나노터널을 형성하는 나노터널형성단계; 상기 시드터널 및 나노터널 내에서 제1시드층으로부터 유동성장으로 제2나노선을 형성하는 제2나노선형성단계; 및 상기 나노마스크층 및 제1성장마스크층을 제거하는 마스크제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2나노선은 질화물나노선으로 이루어지고, 상기 제2나노선형성단계는, 상기 제1시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1나노선은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지고, 상기 나노터널형성단계는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하며, 상기 열처리 과정은 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기의 나노선 어레이 제조방법에 의하여 제조된 소자로서, 기판 상에 하나 이상의 나노선을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 기판 상의 제1시드층 상으로 형성된 소정 두께의 제1성장마스크층에 대해서, 상기 제1성장마스크층의 소정 범위를 식각하여 소정 깊이를 갖는 시드터널; 및 일측이 상기 시드터널과 연결되고 마스크층으로 덮이며 관통홀을 이루는 나노터널을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체를 제공한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 소정 형태로 형성된 유기나노선을 템플릿으로부터 무기나노선을 형성하는 것으로, 원하는 형태로 유기나노선을 형성하기 때문에 무기나노선을 원하는 소정 형태로 구비할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
본 발명의 다른 효과는, 유기 나노선을 형성하고 유기 나노선으로부터 유전체 나노터널을 형성하며, 이러한 나노터널 내에 유도성장으로 무기나노선을 형성함으로써 안정적으로 무기 나노선을 형성하는 것이다.
아울러 본 발명의 또 다른 효과는, 유기나노선을 기판 상에 자유로운 방향, 조절된 크기, 길이, 패턴으로 형성가능 하기 때문에, 이를 이용하여 나노선의 방향, 크기, 길이, 패턴이 자유로이 형성된 무기나노선의 성장이 가능한 것이다.
또한 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 의하여 제조된 소자로서, 기판 상에 하나 이상의 나노선을 포함하는 나노구조체를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 단계로 시드를 성장하는 단계시드성장 실시예의 단계별 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 일괄로 시드를 성장하는 일괄시드성장 실시예의 단계별 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 나노선으로부터 나노터널을 형성하는 과정을 간략하게 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 유기나노선을 형성함에 있어서, SiO2/GaN 기판 위에 PVK 나노선을 100um 간격으로 프린팅하여 형성한 유기나노선에 대한 광학현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 PVK 유기나노선에 SiO2 스퍼터링 증착을 하고 400℃에서 2시간 열처리를 통해 형성된 SiO2 나노터널에 대한 주사전자현미경 사진으로, 도 5의 (a)는 사시방향에 대한 사진이고 도 5의 (b)는 단면 방향 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 단계시드성장의 제1실시예 중에서 제1성장마스크층과 제1나노선을 식각하여 시드터널을 형성한 시드터널형성단계 공정 후의 나노터널과 시드터널에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 대한 개략적인 단계의 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 단계별로 시드를 형성하는 단계시드성장의 제1실시예에 대한 단계별 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 나노선 어레이 제조방법에 있어서 일괄로 시드를 형성하는 일괄시드성장의 제2실시예에 대한 단계별 순서도이다.
이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
즉 본 발명에 따른 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 소자는 첨부된 도 1 내지 도 9 등에서와 같이, 기판을 포함한 베이스 상에 두께가 얇으면서 소정 길이를 갖는 나노선을 형성하는 방법 및 소자에 대한 것이다.
일반적으로 나노선은 반도체 공정상 다양하게 이용될 수 있으며, 비록 크기가 나노 크기를 갖는다 하여도 작업자가 원하는 형태로 완벽하게 구현하기는 곤란한 점이 있다.
이에 본 발명에서는 다양한 나노기술을 이용하여 나노선 및 나노선(nano wire) 어레이(array)를 형성하는 것으로, 보다 정밀한 배열 및 형태를 이루기 위한 것이다.
이를 위한 개략적인 본 발명에 따른 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
우선 기판(11)을 포함한 베이스층(10) 상에 제1나노선(20)을 형성하는 제1나노선형성단계(S200)를 수행한다.
이에 제1나노선(20)을 베이스층(10)에 형성하는 것으로, 베이스층(10)은, 기판을 포함한 다수 층으로 이루어질 수 있다.
즉 상기 베이스층(10)에 대한 예를 보면, 기판(11) 만을 포함한 층구조로 이루어질 수도 있고, 상기 기판(11) 및 상기 기판(11) 위에 형성된 제1시드층(12)을 포함한 층구조로 이루어질 수도 있을 것이다.
나아가 상기 기판(11), 상기 제1시드층(12) 및 상기 제1시드층(12) 위에 형성된 제1성장마스크층(13) 등을 포함하는 등, 다층으로 이루어진 층구조로 베이스층(10)이 이루어질 수도 있을 것이다.
이러한 베이스층(10)의 층구조는 실시되는 실시상황에 알맞게 정하여져 실시될 것이다.
이에 이러한 베이스층(10) 상에 제1나노선(20)이 형성되는 것이며, 이후 단계에 의해 제1나노선(20) 부분이 나노터널로 되며, 나노터널 내에 최종 나노선(nano wire)인 제2나노선이 형성되는 것으로, 이처럼 제2나노선을 유도성장을 이용하여 형성함에 있어서 그 기초가 되는 시드가 베이스층(10) 상에 있거나 또는 이후의 과정 중에 제2나노선의 유도성장을 위한 시드의 층 구성을 형성할 수도 있을 것이다.
즉 기판(11) 만이 형성된 경우에는 제1나노선을 기판상에 형성한 이후의 과정에서 별도의 과정으로 시드층을 형성하여 나노터널로 시드층으로부터 유도성장으로 나노터널 내에 제2나노선을 형성할 수 있다.
또는 베이스층(10)으로 기판 상에 제1시드층을 형성한 다음, 이러한 제1시드층 상에 제1나노선을 형성할 수도 있을 것이다. 그리고 이후의 공정으로 제1나노선을 나노터널로 만들고 이러한 나노터널에 대해 제1시드층으로부터 유도성장으로 제2나노선을 형성할 수 있을 것이다.
아울러 후술되는 도 1 및 도 2에서의 제1실시예 및 제2실시예에서와 같이 기판(11) 상에 제1시드층(12)을 형성하고, 또한 제1시드층(12) 상에 제1성장마스크층(13)을 형성한 다음에, 이러한 제1성장마스크층(13) 상에 제1나노선(20)을 형성하도록 실시할 수도 있을 것이다.
이러한 제1실시예 및 제2실시예의 경우, 베이스층(10) 중에 제일 나중에 형성된 제1성장마스크층(13) 상에 제1나노선(20)이 형성됨으로써, 제1성장마스크층(13)의 높이만큼 제2나노선의 형성 높이가 되는 등, 제2나노선의 형태와 관련되는 구성임을 알 수 있다.
따라서 제1성장마스크층(13)의 높이 등은 최종 형성되는 제2나노선의 형성 양태에 알맞게 정하여져 실시되는 등, 실시 조건에 따라 베이스층(10)의 구성이나 두께 등을 실시 상황에 알맞게 실시될 것이다.
아울러 이러한 베이스층(10)의 소재로써, 상기 기판(11)은, C면, M면, A면, 및 R면 중 어느 하나인 질화물; C면, M면, A면, 및 R면 중 어느 하나의 등가면인 질화물; C면 또는 R면인 사파이어; C면 또는 R면의 등가면인 사파이어; (111)면 실리콘; 6H-SiC; 및 질화물 격자상수와 격자상수의 차이가 10% 이내의 물질; 중 어느 하나로 이루어져 실시될 수 있다.
또한 이러한 상기 기판(11)은, 다결정 질화물; SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, GaO, ZnO, LiAlO, 및 MgO로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 비정질 물질; 및 표층이 그래핀으로 이루어진 물질; 중 어느 하나로 이루어져 실시될 수 있고, 특히 SiO2, SiN 등으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 제1시드층(12), 제1시드층(12)을 시드(seed)로 하여 성장된 제2시드층(51), 그리고 이들을 시드(seed)로 하여 성장된 제2나노선(60) 등은, AlxGayIn1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); AlxGayIn1 -x- yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 및 AlxGayInP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 중 어느 하나의 무기물로 이루어지는 것이며, 특히 제1시드층(12), 제2시드층(51) 그리고 제2나노선 등은 질화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
즉 제2시드층(12)은 질화물로 이루어지는 것으로, 이후 제2나노선 또는 다른 제2나노선의 시드층을 형성하기 위한 시드(seed)가 되는 것이다.
또한 상기 제1성장마스크층(13)은, SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어지는 것으로, SiO2로 하여 마스크층을 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
이상에서와 같이 마련된 베이스층(10)에 대하여 제1나노선(20)을 형성하는 것이며, 이러한 상기 제1나노선(20)은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지는 것이다.
이러한 유기물의 유기나노선으로 이루어지는 제1나노선(20)은, TIPS 펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene); TES ADT(Triethylsilylethynyl anthradithiophene); 및 PCBM([6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester); 중 어느 하나의 저분자 유기재료로 이루어질 수 있다.
또한 상기 제1나노선(20)은, 고분자 유기 반도체 또는 전도성 고분자 재료로써, P3HT(Poly(3-hexylthiophene)), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))를 포함하는 폴리티오펜(polythiophene) 유도체; PVK(Poly(9-vinylcarbazole)); 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene)); 폴리플루오렌(polyfluorene); 폴리아닐린(polyaniline); 및 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체; 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 제1나노선(20)은, 절연성 고분자 재료로써, PEO(Polyethylene oxide); PS(Polystyrene); PCL(Polycaprolactone); PAN(Polyacrylonitrile); PMMA(Poly(methyl methacrylate)); 폴리이미드(Polyimide); PVDF(Poly(vinylidene fluoride)); 및 PVC(Polyvinylchloride); 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
특히 상기 유기물은 PVK(Poly (9-vinyl carbozole))인 것이 바람직하다.
이처럼 베이스층(10)에 유기나노선인 제1나노선(20)을 형성하는 상기 제1나노선형성단계(S200)는, 노즐 프린터를 이용한 유기나노선 형성방법; 나노 임프린트 리소그래피; 전자빔 리소그래피; 용액 증착법; 증기 운반법; 용액 어닐링법; 양극 산화알루미늄 템플릿법; 및 다이렉트 팁 드로잉법; 중 어느 하나의 방법으로 이루어질 수 있는 것이다.
이상에서처럼 형성된 상기 제1나노선(20) 상에 나노마스크층(30)을 형성하는 나노마스크층형성단계(S300)를 수행한다.
이러한 상기 나노마스크층(30)은, SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어지는 것이며, SiO2로 이루어지는 것이 바람직하다.
즉 베이스층(10) 상에 제1성장마스크층(13)이 층을 이룬 상태에서 제1성장마스크층(13) 상에 제1나노선(20)을 형성한 것이어서, 이러한 제1나노선(20) 상에 나노마스크층(30)을 형성하는 것이며, 이에 제1성장마스크층과 나노마스크층(30)이 SiO2로 이루어지게 하여 결국 제1나노선(20)을 가운데 놓고 양측 마스크층들의 SiO2에 의해 둘러싸인 상태를 갖는다.
따라서 이후의 공정에서도 제1나노선(20)을 제거하게 되면 결국 이들 마스크층들의 SiO2에 의하여 둘러싸인 부분들이 나노터널을 쉽게 형성할 수 있을 것이다.
이러한 상기 나노마스크층형성단계(S300)는, PECVD, CVD, Sputter, 및 ALD 중 어느 하나의 방법으로 이루어지는 것이다.
이처럼 제1나노선(20) 상에 상기 나노마스크층(30)을 형성한 후, 제1나노선(20)을 제거하여 나노터널(40)을 형성하는 나노터널형성단계(S500)를 수행한다.
앞서 설명한 것처럼 제1나노선(20)은 유기물로 된 유기나노선으로 이루어짐이 바람직하고, 이처럼 유기물의 제1나노선(20)은 고온의 열처리로 제거할 수 있다.
즉 이러한 상기 나노터널형성단계(S500)는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층(30)을 형성한 후 열처리 과정, 또는 화학적인 처리 등으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것이다.
이에 이러한 상기 나노터널형성단계(S500)는, 열처리 과정으로써 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것이다. 이에 열처리 온도가 100℃가 안 되면 유기물이 완전히 제거가 안 될 수 있고, 500℃가 넘는 경우에는 제1나노선뿐만 아니라 다른 구성들도 손상될 우려가 있는 것이다. 이에 보다 바람직하게는 400℃ 정도로, 유기물인 제1나노선(20)을 빠르게 그리고 효과적으로 제거하면서 다른 구성들이 손상되지 않도록 수행할 수 있다.
후술되는 제1실시예인 단계시드성장 실시예, 그리고 제2실시예인 일괄시드성장 실시예 등에서는, 제1나노선(20)을 열처리로 제거하기 전에, 제1나노선(20) 주위로 시드터널(35, 35')을 형성하게 된다. 따라서 시드터널(35, 35')이 형성된 상태에서, 열처리과정을 수행하게 됨에 따라 제1나노선(20)의 유기물이 녹으면서 시드터널(35, 35')로 빠지게 됨으로써 유기물을 효과적으로, 그리고 빠르게 제거할 수 있는 장점을 갖는 것이다. 즉 시드터널(35, 35')의 형성으로 인해 제1나노선(20)을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
이처럼 베이스층(10) 상으로 형성된 제1성장마스크층(13) 및 나노마스크층(30) 사이에서 유기물인 제1나노선(20)을 제거함으로써, 제1나노선(20) 크기만큼의 나노터널(40)이 형성되는 것이다.
이후 이러한 상기 나노터널(40)에 유도성장으로 제2나노선(60)을 형성하는 제2나노선형성단계(S700)를 수행하는 것이다.
이에 이러한 상기 제2나노선(60)은, AlxGayIn1 -x- yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); AlxGayIn1 -x- yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 및 AlxGayInP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) 등의 compound 물질로 이루어질 수 있으며, 이러한 compound 물질로써, In0.2Ga0.8N, Al0 .1Ga0 .9As 등으로 이루어지거나, GaN, InN, AlN, GaAs, InAs, AlAs, GaP, 및 InP 중 어느 하나로 이루어지는 등 무기물로 이루어지는 것으로, 질화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제2나노선형성단계(S700)는, 상기 기판(11) 상에 형성된 시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것이다.
이에 이러한 상기 제2나노선형성단계(S700)는, MOCVD, CVD, 및 용액 공정 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 나노터널(40)을 따라 제2나노선(60)을 유도성장하는 것이다.
그 예를 보면, 후술되는 제1실시예인 단계시드성장 실시예의 경우, 베이스층(10)의 기판(11) 상에 형성된 제1시드층(12)을 시드(seed)로 하여 시드터널(35)에 제2시드층(51)을 형성하고, 이후 제2시드층(51)과 연결된 나노터널(40) 내에서, 제2시드층(51)을 시드(seed)로 하여 제2나노선(60)을 유도성장으로 형성하는 것이다.
또한 후술되는 제2실시예인 일괄시드성장 실시예의 경우, 베이스층(10)의 기판(11) 상에 형성된 제1시드층(12)을 시드(seed)로 하여 시드터널(35') 및 나노터널(40) 내에서 유도성장으로 제2시드층(51) 및 제2나노선(60)을 형성하는 것이다.
결국 제1시드층(12)을 최초 시드(seed)로 하여 최종 제2나노선(60)이 유도성장으로 형성되는 것이다.
이처럼 형성되는 제2나노선은 제1시드층(12) 및 제2시드층과 같이 질화물로 이루어지는 것이며, 단일의 나노선으로 이루어질 수도 있고, 소정 패턴을 이루는 어레이(array)를 이룰 수도 있는 등, 실시되는 상황에 알맞게 형태를 이룰 수 있을 것이다.
그리고 본 발명은 이상에서와 같이 실시되는 나노선 어레이 제조방법에 의하여 제조된 소자로서, 기판 상에 하나 이상의 나노선을 포함하는 소자에 대한 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법에 있어서의 실시예별 구성 및 단계별 설명을 좀더 상세히 하기로 한다.
우선 도 1의 예에서처럼 베이스(10)의 기판(11) 상에 제1시드층(12)을 형성한 후, 나노터널(40) 내에 최종 형성되는 제2나노선(60)을 최적으로 형성할 수 있도록 중간단계인 제2시드층(51)을 먼저 단계를 나누어 형성하는 단계시드성장 실시예에 대해서 살펴보기로 한다.
이에 대한 기본적인 실시예 단계 및 각 단계별 구성들을 이루는 물질이나 층구성 등은 앞서 설명한 본 발명의 나노선 어레이 제조방법의 기본적인 내용들에 따르는 것이다.
이러한 기본적인 내용들에 더하여, 제1실시예인 단계시드성장 실시예에서의 세부 구성 및 단계들을 부가하여 살펴보기로 한다.
우선 베이스층(10) 및 제1나노선(20)을 형성하는 단계에 대해서 살펴보면, 제1실시예에서는 기판(11) 상에 제1시드층(12)을 형성하는 제1시드층형성단계(S110)를 수행한다.
즉 도 1의 (a)에서처럼 기판(11) 상에 기초적인 시드층인 제1시드층(12)을 형성하는 것이다.
다음으로 도 1의 (b)에서처럼 상기 제1시드층(12) 상에 제1성장마스크층(13)을 형성하는 제1성장마스크층형성단계(S120)를 수행하게 된다.
이러한 제1성장마스크층(13)은 이후의 과정에서 나노터널(40)을 이루는 구성이 되면서 또한 최종 형성되는 제2나노선(60)의 형성 높이를 이루게 되는 것이다.
즉 제1성장마스크층(13)은 제1시드층(12)과 최종 형성되는 제2나노선(60) 사이의 높이 간격을 이루는 것이다.
이처럼 본 발명에 따른 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법의 제1실시예로 단계시드성장 실시예의 경우에서는 도 1에서처럼 베이스층(10)을 기판(11), 제1시드층(12) 및 제1성장마스크층(13)으로 하여 이루어지는 경우를 예로 하였다.
이와 같이 마련된 베이스층(10)을 마련하고, 이후 도 1의 (c)에서처럼 상기 제1성장마스크층(13) 상에 유기의 제1나노선(20)을 형성하는 제1나노선형성단계(S200)를 수행하는 것이다. 이처럼 형성된 제1나노선(20)에 대한 일 실시예를 도 4에서 볼 수 있다.
이러한 제1나노선(20)은 유기물로 이루어지는 것이며, 열처리 등의 과정으로 제거한 후 제1나노선이 있던 곳에 최종 만들려고 하는 제2나노선을 형성하게 된다.
그리고 제1나노선(20)은 두께가 나노의 크기를 갖는 것으로, 제1나노선을 형성하는 방법은 앞서 설명한 것처럼 다양한 방식이 이용될 수 있다.
이후 도 1의 (d)에서처럼 이러한 상기 제1나노선(20) 상에 유전체의 나노마스크층(30)을 형성하는 나노마스크층형성단계(S300)를 수행한다.
특히 앞서 설명한 것처럼 나노마스크층(30)은 제1나노선(20)을 외부에서 감싸는 것이며, 보다 바람직하게는 나노마스크층(30)이 이전에 형성한 제1성장마스크층(13)과 동일하거나 유사한 특성을 갖는 재질로 이루어짐이 바람직할 것이다. 최후로 생성되는 제2나노선을 형성한 다음에 제1성장마스크층 및 나노마스크층을 제거할 수도 있으며, 이때 제거과정시 동일하게 제거될 수 있는 특성의 재질로 이루어짐이 바람직할 것이다. 예를 들면 제1성장마스크층과 나노마스크층은 SiO2로 되어 함께 제거될 수 있을 것이다.
이후 도 1의 (e)에서처럼 상기 제1성장마스크층(13), 제1나노선(20) 및 나노마스크층(30)에 대해 식각으로 소정의 시드터널(35)을 형성하는 시드터널형성단계(S410)를 수행한다.
이러한 단계시드성장 실시예에서의 시드터널(35)은 도 5 및 도 6의 예에서처럼 제1나노선(20)을 절개하면서 형성될 수 있을 것이다.
우선 제1시드층(12)과 최종 제2나노선 사이를 이어주는 시드(seed)로 역할을 하게 되며, 또한 다음 단계에서 제1나노선의 유기물을 제거할 때 유기물 제거의 통로로도 이용될 수 있을 것이다. 그리고 시드터널(35)을 형성하는 방법으로는 건식 에칭공정 또는 습식 에칭공정 등이 이용된다.
이와 같은 상태에서 유기의 상기 제1나노선(20)을 열처리로 제거하여 나노터널(40)을 형성하는 나노터널형성단계(S500)를 수행한다.
이처럼 유기물인 제1나노선(20)은 고온 상태에서 제거되며 제거되는 유기물은 앞서 형성한 시드터널(35)을 통해 배출될 수 있다. 즉 도 5 및 도 6의 예에서처럼 시드터널(35)은 제1나노선(20)을 절개하여 형성되므로 제1나노선(20) 일측이 시드터널(35)로 개방된 상태가 되어 손쉽게 유기물들이 배출되어 제거되는 것이다.
즉 상기 제1나노선(20)은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지고, 이러한 상기 나노터널형성단계(S500)는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층(30)을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성한다.
이에 상기 열처리 과정은 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것으로, 열처리 온도는 400℃로 처리함이 바람직하다.
다음으로 도 1의 (f)에서처럼 상기 시드터널(35) 내에서 상기 제1시드층(12)으로부터 제2시드층(51)을 형성하는 제2시드층형성단계(S610)를 수행한다. 이러한 제2시드층(51)은 이후의 단계에서 형성되는 제2나노선에 대한 시드(seed)로 이용되는 것이다. 또한 제2시드층(51)은 제1시드층(12)을 시드(seed)로 하여 유도성장에 의해 형성될 것이다. 이러한 제2시드층(51)은 제1시드층(12) 및 이후의 제2나노선과 같이 질화물로 이루어짐이 바람직하다.
이러한 상기 제2시드층형성단계(S610)는, MOCVD, MBE, 스퍼터, 및 전자빔 증착 중 어느 하나로 이루어져 질화물 구조체의 제2시드층(51)을 형성하는 것이다.
아울러 도 1의 (g)에서처럼 상기 제2시드층(51) 상에 제2성장마스크층(52)을 형성하는 제2성장마스크층형성단계(S620)를 수행한다. 이러한 제2성장마스크층(52)은 유전체(SiO2)로 이루어질 수 있다.
그리고 도 (h)에서처럼 나노유도성장을 위해 상기 제2성장마스크층(52)의 소정 범위에 대해 식각하는 유도성장식각단계(S630)를 수행한다. 이러한 식각단계에 의해 최종 형성되는 제2나노선의 형태를 이루는 것이다.
다음으로 도 1의 (i)에서처럼 상기 나노터널(40) 내에서, 상기 제2시드층(51)으로부터 유도성장으로 제2나노선(60)을 형성하는 제2나노선형성단계(S700)를 수행한다.
즉 최종적으로 제2나노선(60)을 형성하는 것으로, 이러한 제2나노선(60)의 형태는 앞서 형성하였던 제1나노선과 동일 또는 유사한 형태를 갖게 되는 것이다.
이에 이러한 상기 제2나노선(60)은 질화물나노선으로 이루어지는 것이며, 상기 제2나노선형성단계(S700)는, 상기 제2시드층(51)으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것이다.
즉 이상에서처럼 제1실시예인 단계시드성장의 실시예에서는 제1시드층을 시드(seed)로 하여 제2시드층을 형성하고, 제2시드층을 시드(seed)로 하여 제2나노선을 형성하는 단계별 시드 형성을 이루게 된다.
이후 마무리 과정으로써 도 1의 (j)에서처럼 상기 나노마스크층(30), 제1성장마스크층(13) 및 제2성장마스크층(52)을 제거하는 마스크제거단계(S810)를 수행한다.
이로써 소정 패턴을 이루는 나노선 어레이(nano wire array)를 이루는 것이다.
이러한 단계시드성장의 실시예에서는 나노선을 다수 개 형성하거나 보다 큰 크기의 나노선을 형성하고자 할 때 유용할 것이다.
이상에서와 같이 실시되는 제1실시예인 단계시드성장 실시예에 대한 구체적인 예를 도 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
우선 베이스층(10)으로써 c-면 Sapphire의 기판(11) 위에, 유기화학증착법(MOCVD)을 이용하여 GaN(제1시드층, 12)이 성장된 기판을 준비한다. 그리고 도 1의 (b)에서처럼 상기 준비된 기판 위에, PECVD를 이용하여, 제1성장마스크(13)인 SiO2를 1um 증착한다.
그 위에 노즐 프린팅법을 이용한, 유기나노와이어(PVK) 어레이 패터닝을 진행하여 도 1의 (c)에서처럼 제1나노선(20)인 유기나노선을 형성한다. 제1나노선의 직경은 200nm로 형성한다.
이후 도 1의 (d)에서처럼 나노선 형성을 위한 나노마스크층(30)은, 스퍼터링을 이용해 30nm 증착하였다. 나노터널(40) 형성을 위해, 도 1의 (e)에서처럼 포토리소그래피 및 ICP-RIE를 활용한 SiO2 나노마스크층(30)과 제1성장마스크층(13)의 식각을 진행한다. 나노마스크층(30) 내부의 유기나노선 제거로 도 1의 (f)에서처럼 나노터널(40)을 형성하는 것으로, 퍼니스(furnace)에서 400℃에서, 2시간 동안 열처리한다. 그리하여 나노마스크층(30) 아래와 제1성장마스크(13) 사이에 긴 구멍인 나노터널(40)을 형성하는 것이다.
나노터널(40) 하부 GaN의 제1시드층(12)이 노출된 상태에서, 도 1의 (g)에서처럼 MOCVD를 통한 GaN 재성장하여 제2시드층(51)을 형성한다. 재성장 조건은, 나노터널(40) 하부의 제1시드층인 GaN 성장조건과 같으며(1050℃, 400mbar), nucleation 공정을 빼고 10분간 성장을 진행한다.
이어서 도 1의 (h)에서처럼 PECVD를 통해 SiO2 제2성장마스크층을 200nm 증착하며, 이에 ICP-RIE법을 통해 도 1의 (i)와 같이 하부 제1시드층인 GaN 층이 드러나기 직전까지 제1성장마스크층(13)인 SiO2를 식각함에 의해 제1시드층 위로 잔류층(131)을 형성한다.
이는 GaN의 제2나노선을 유도성장할 때, 해당되지 않는 영역에 대해 잔류층(131)에 의해 GaN이 제1시드층(12)으로부터 질화물로 성장되는 과정을 막기 위함이다. MOCVD의 GaN 성장을 통해, 도 1의 (j)에서처럼 재성장되는 GaN이 나노터널(40) 내부와 연결된 제2시드층(51)의 GaN으로부터 유도성장되도록 하며, 성장조건은 50mbar, 1050℃, 20분간 진행한다. 마지막으로 도 1의 (k)에서처럼 HF를 통한 SiO2 에칭공정을 통해, 나노마스크층, 제1성장마스크층, 제2성장마스크층 등을 제거함으로써 최종 나노선 구조체를 획득한다.
다음으로 도 2의 예에서처럼 베이스(10)의 기판(11) 상에 시드터널을 먼저 형성하고 기판(11) 상에 형성된 제1시드층을 시드(seed)로 하여 시드터널 및 나노터널(40)에 대해 제2시드층 및 제2나노선(60)을 함께 형성하는 일괄시드성장 실시예에 대해서 살펴보기로 한다.
이러한 일괄시드성장 실시예에 대해서는 앞선 제1실시예에서처럼 기본적인 실시예 단계 및 각 단계별 구성들을 이루는 물질이나 층구성 등은 앞서 설명한 본 발명의 나노선 어레이 제조방법의 기본적인 내용들에 따르는 것이다.
이러한 기본적인 내용들에 더하여, 제2실시예인 일괄시드성장 실시예에서의 세부 구성 및 단계들을 부가하여 살펴보기로 한다.
우선 제1실시예에서와 마찬가지로 기판(11) 상에 제1시드층(12)을 형성하는 제1시드층형성단계(S110)를 수행한다.
그리고 상기 제1시드층(12) 상에 제1성장마스크층(13)을 형성하는 제1성장마스크층형성단계(S120)를 수행한다. 다만 제1실시예에서와는 다르게, 제1성장마스크층(13)은 식각공정을 더 부가하거나 또는 패턴방식을 이용하여 제1성장마스크층에 제1시드층(12) 일부가 드러나는 시드터널(35')을 형성하게 된다.
즉 도 2의 (b)에서처럼 상기 제1성장마스크층(13)의 소정 범위를 식각하여 시드터널(35')을 형성하는 시드터널형성단계(S150)를 수행함으로써, 시드터널(35')에 의해 제1시드층(12) 일부가 나타나는 것이다.
이처럼 제1시드층(12) 및 제1성장마스크층(13)이 형성된 상태에서, 도 2의 (c)에서처럼 상기 제1성장마스크층(13) 상에 제1나노선(20)을 형성하는 제1나노선형성단계(S200)를 수행한다.
이러한 제1나노선(20)은 유기물로 이루어지는 것이며, 열처리 등의 과정으로 제거한 후 제1나노선이 있던 곳에 최종 만들려고 하는 제2나노선을 형성하게 된다.
그리고 제1나노선(20)은 두께가 나노의 크기를 갖는 것으로, 제1나노선을 형성하는 방법은 앞서 설명한 것처럼 다양한 방식이 이용될 수 있다.
다음으로 도 2의 (d)에서처럼 상기 제1나노선(20) 상에 나노마스크층(30)을 형성하는 나노마스크층형성단계(S300)를 수행한다.
나노마스크층(30)은 제1나노선(20)을 감싸는 형태로 이루어지는 것이며, 나노마스크층(30) 및 제1성장마스크층(13)에 의해 제1나노선(20)이 감싸여지는 것이다.
그리고 도 2의 (e)에서처럼 상기 나노마스크층(30)을 형성한 후 유기의 제1나노선(20)을 열처리로 제거하여 나노터널(40)을 형성하는 나노터널형성단계(S500)를 수행한다.
이에 상기 제1나노선(20)은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지는 것이며, 상기 나노터널형성단계(S500)는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층(30)을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것이다. 이에 상기 열처리 과정은 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것이다. 열처리에 의해 제거되는 유기물은 시드터널(35')을 통해 배출된다.
다음으로 상기 시드터널(35') 및 나노터널(40) 내에서 제1시드층(12)으로부터 유동성장으로 제2나노선(60)을 형성하는 제2나노선형성단계(S700)를 수행한다.
이후 마무리 단계로 상기 나노마스크층(30) 및 제1성장마스크층(13)을 제거하는 마스크제거단계(S810')를 수행한다.
이에 상기 제2나노선(60)은 질화물나노선으로 이루어지며, 상기 제2나노선형성단계(S700)는, 상기 제1시드층(12)으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것이다.
즉 제2실시예인 일괄시드성장 실시예에서는 제1시드층(12)을 시드(seed)로 하여 제2시드층과 제2나노선을 함께 유도성장하여 형성하게 된다.
이러한 제2실시예는 적은 수로 나노선을 형성하거나 작은 크기의 나노선을 형성할 경우에 더욱 유용할 것이다.
이상에서와 같이 실시되는 제2실시예인 일괄시드성장 실시예에 대한 구체적인 예를 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
우선 앞선 제1실시예에서와 같이, 베이스층(10)으로써 c-면 Sapphire의 기판(11) 위에, 도 2의 (a)에서처럼 유기화학증착법(MOCVD)을 이용하여 GaN의 제1시드층(12)이 성장된 기판을 준비한다. 상기 준비된 기판 위에, PECVD를 이용하여 도 2의 (b)에서처럼 제1성장마스크인 SiO2를 300nm 증착하고, 포토리소그래피 및 ICP-RIE 식각을 통해 제1시드층을 도2 (c)와 같이 노출시켜 시드터널(35')을 형성시킨다.
패터닝된 SiO2의 제1성장마스크층(13) 상으로 가로질러, PVK(유기나노와이어)를 노즐프린팅법을 통해 도 2의 (d)에서처럼 제1나노선(20)을 형성한다.
그리고 전자빔 증착법을 통해 도 2의 (e)에서처럼 직진성 증착법을 이용하여 수직방향에서 SiO2를 600nm 증착하여 나노마스크층(30)을 형성한다.
이후 스퍼터링을 통해 SiO2를 200nm 증착하고, 도2의 (g)와 같은 형태로, 하부 GaN 층이 드러나기 직전까지 SiO2의 ICP-RIE 식각을 진행하여 잔류층(131)을 형성한다. 이는 GaN 나노선을 유도성장할 때, GaN이 원하지 않는 부분의 제1시드 질화물로부터 성장되는 과정을 막기 위함이다.
그리고 유기나노선인 제1나노선(20) 제거를 위해 퍼니스(furnace)에서 400℃로, 2시간동안 열처리를 진행한다. MOCVD의 GaN 성장을 통해, 재성장되는 GaN이 내부 GaN으로부터 유도성장되도록 하며, 성장조건은 50mbar, 1050℃, 20분간 진행한다. 최종 공정은 도 2의 (j) 및 (k)에서처럼 HF를 통한 SiO2의 식각공정을 통해 나노마스크층(30), 제1성장마스크층(13) 등을 제거하는 것이다.
이로써 기판 상에 나노선을 형성한 나노 구조체를 마련하는 것이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.
10 : 베이스층 11 : 기판
12 : 제1시드층 13 : 제1성장마스크층
20 : 제1나노선 30 : 나노마스크층
35, 35' : 시드터널 40 : 나노터널
51 : 제2시드층 52 : 제2성장마스크층
60 : 제2나노선

Claims (28)

  1. 기판을 포함한 베이스층 상에 제1나노선을 형성하는 제1나노선형성단계;
    상기 제1나노선 상에 나노마스크층을 형성하는 나노마스크층형성단계;
    상기 나노마스크층을 형성한 후 제1나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 나노터널형성단계; 및
    상기 나노터널에 유도성장으로 제2나노선을 형성하는 제2나노선형성단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은,
    C면, M면, A면, 및 R면 중 어느 하나인 질화물;
    C면, M면, A면, 및 R면 중 어느 하나의 등가면인 질화물;
    C면 또는 R면인 사파이어;
    C면 또는 R면의 등가면인 사파이어;
    (111)면 실리콘;
    6H-SiC; 및
    질화물 격자상수와 격자상수의 차이가 10% 이내의 물질;
    중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은,
    다결정 질화물;
    SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, GaO, ZnO, LiAlO, 및 MgO로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 비정질 물질; 및
    표층이 그래핀으로 이루어진 물질;
    중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1나노선은,
    유기물의 유기나노선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1나노선은,
    TIPS 펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene);
    TES ADT(Triethylsilylethynyl anthradithiophene); 및
    PCBM([6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester);
    중 어느 하나의 저분자 유기재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1나노선은,
    고분자 유기 반도체 또는 전도성 고분자 재료로써,
    P3HT(Poly(3-hexylthiophene)), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))를 포함하는 폴리티오펜(polythiophene) 유도체;
    PVK(Poly(9-vinylcarbazole));
    폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene));
    폴리플루오렌(polyfluorene);
    폴리아닐린(polyaniline); 및
    폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체;
    중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1나노선은, 절연성 고분자 재료로써,
    PEO(Polyethylene oxide);
    PS(Polystyrene);
    PCL(Polycaprolactone);
    PAN(Polyacrylonitrile);
    PMMA(Poly(methyl methacrylate));
    폴리이미드(Polyimide);
    PVDF(Poly(vinylidene fluoride)); 및
    PVC(Polyvinylchloride);
    중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 나노마스크층은,
    SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2나노선은,
    AlxGayIn1 -x- yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1);
    AlxGayIn1 -x- yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 및
    AlxGayInP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1);
    중 어느 하나의 무기물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2나노선은 질화물나노선으로 이루어지고,
    상기 제2나노선형성단계는,
    상기 기판 상에 형성된 시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 나노터널형성단계는,
    상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층(30)을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 나노터널형성단계는,
    100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스층은,
    기판을 포함한 층구조;
    기판 및 상기 기판 위에 형성된 제1시드층을 포함한 층구조; 및
    기판, 상기 기판 위에 형성된 제1시드층 및 상기 제1시드층 위에 형성된 제1성장마스크층을 포함한 층구조;
    중 어느 하나의 층구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제1시드층은,
    AlxGayIn1 -x- yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1);
    AlxGayIn1 -x- yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1); 및
    AlxGayInP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1);
    중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제1성장마스크층은,
    SiOx(x=0.5 ~ 2.5), SiNx(x=0.5 ~ 2.5), Al2O3, 및 GaO 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 제1나노선형성단계는,
    노즐 프린터를 이용한 유기나노선 형성방법;
    나노 임프린트 리소그래피;
    전자빔 리소그래피;
    용액 증착법;
    증기 운반법;
    용액 어닐링법;
    양극 산화알루미늄 템플릿법; 및
    다이렉트 팁 드로잉법;
    중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 나노마스크층형성단계는,
    PECVD, CVD, Sputter, 및 ALD 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 제2나노선형성단계는,
    MOCVD, CVD, 및 용액 공정 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 나노터널을 따라 제2나노선을 유도성장하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  19. 기판 상에 제1시드층을 형성하는 제1시드층형성단계;
    상기 제1시드층 상에 제1성장마스크층을 형성하는 제1성장마스크층형성단계;
    상기 제1성장마스크층 상에 유기의 제1나노선을 형성하는 제1나노선형성단계;
    상기 제1나노선 상에 유전체의 나노마스크층을 형성하는 나노마스크층형성단계;
    상기 제1성장마스크층, 제1나노선 및 나노마스크층에 대해 식각으로 소정의 시드터널을 형성하는 시드터널형성단계;
    유기의 상기 제1나노선을 열처리로 제거하여 나노터널을 형성하는 나노터널형성단계;
    상기 시드터널 내에서 상기 제1시드층으로부터 제2시드층을 형성하는 제2시드층형성단계;
    상기 제2시드층 상에 제2성장마스크층을 형성하는 제2성장마스크층형성단계;
    나노유도성장을 위해 상기 제2성장마스크층의 소정 범위에 대해 식각하는 유도성장식각단계;
    상기 나노터널 내에서, 상기 제2시드층으로부터 유도성장으로 제2나노선을 형성하는 제2나노선형성단계; 및
    상기 나노마스크층, 제1성장마스크층 및 제2성장마스크층을 제거하는 마스크제거단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제2나노선은 질화물나노선으로 이루어지고,
    상기 제2나노선형성단계는,
    상기 제2시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 제1나노선은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지고,
    상기 나노터널형성단계는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하며,
    상기 열처리 과정은 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 시드터널형성단계는,
    건식 에칭공정 또는 습식 에칭공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  23. 제 19항에 있어서,
    상기 제2시드층형성단계는,
    MOCVD, MBE, 스퍼터, 및 전자빔 증착 중 어느 하나로 이루어져 질화물 구조체의 제2시드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  24. 기판 상에 제1시드층을 형성하는 제1시드층형성단계;
    상기 제1시드층 상에 제1성장마스크층을 형성하는 제1성장마스크층형성단계;
    상기 제1성장마스크층의 소정 범위를 식각하여 시드터널을 형성하는 시드터널형성단계;
    상기 제1성장마스크층 상에 제1나노선을 형성하는 제1나노선형성단계;
    상기 제1나노선 상에 나노마스크층을 형성하는 나노마스크층형성단계;
    상기 나노마스크층을 형성한 후 유기의 제1나노선을 열처리로 제거하여 나노터널을 형성하는 나노터널형성단계;
    상기 시드터널 및 나노터널 내에서 제1시드층으로부터 유동성장으로 제2나노선을 형성하는 제2나노선형성단계; 및
    상기 나노마스크층 및 제1성장마스크층을 제거하는 마스크제거단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제2나노선은 질화물나노선으로 이루어지고,
    상기 제2나노선형성단계는,
    상기 제1시드층으로부터 질화물을 유도성장하여 질화물나노선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  26. 제 24항에 있어서,
    상기 제1나노선은, 유기물의 유기나노선으로 이루어지고,
    상기 나노터널형성단계는, 상기 유기나노선을 템플릿으로 하여 나노마스크층을 형성한 후 열처리 과정으로 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하며,
    상기 열처리 과정은 100℃ ~ 500℃ 온도하에서 열처리하여 유기나노선을 제거하여 나노터널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도성장을 이용한 나노선 어레이 제조방법.
  27. 제 1항 내지 제 26항 중 어느 한 항의 나노선 어레이 제조방법에 의하여 제조된 소자로서,
    기판 상에 하나 이상의 나노선을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체.
  28. 기판 상의 제1시드층 상으로 형성된 소정 두께의 제1성장마스크층에 대해서, 상기 제1성장마스크층의 소정 범위를 식각하여 소정 깊이를 갖는 시드터널; 및
    일측이 상기 시드터널과 연결되고 마스크층으로 덮이며 관통홀을 이루는 나노터널을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체.
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