KR20230153795A - Universal Patterning method for 2D Van der Waals Materials via Direct Optical Lithography - Google Patents

Universal Patterning method for 2D Van der Waals Materials via Direct Optical Lithography Download PDF

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KR20230153795A
KR20230153795A KR1020220053672A KR20220053672A KR20230153795A KR 20230153795 A KR20230153795 A KR 20230153795A KR 1020220053672 A KR1020220053672 A KR 1020220053672A KR 20220053672 A KR20220053672 A KR 20220053672A KR 20230153795 A KR20230153795 A KR 20230153795A
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강기범
조성래
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법에 관한 것으로서,
2D 반데르발스 물질을 기재 상에 성장 시키는 준비 단계;
상기 기재 상에 성장한 2D 반데르발스 물질 상에 특정 패턴을 가진 포토마스크를 적층하는 마스킹 단계;
단-펄스 고출력 광을 조사하여, 광원이 상기 포토마스크를 통과하고 상기 포토마스크의 특정 패턴에 따라 2D 반데르발스 물질을 직접 에칭하는 일루미네이션 단계; 및
포토마스크를 제거하는 패터닝 단계;를 포함하고,
상기 단-펄스 고출력 광은 20 내지 25 kV 출력 전위에서 제논 가스 및 염소 가스의 혼합물로부터 방출되는 것으로 파장이 295 내지 310 nm 인 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a universal patterning method on 2D van der Waals materials, comprising:
Preparation steps for growing 2D van der Waals materials on a substrate;
A masking step of laminating a photomask with a specific pattern on the 2D van der Waals material grown on the substrate;
An illumination step of irradiating short-pulse high-output light so that the light source passes through the photomask and directly etches the 2D van der Waals material according to a specific pattern of the photomask; and
Includes a patterning step of removing the photomask,
The short-pulse high-output light is emitted from a mixture of xenon gas and chlorine gas at an output potential of 20 to 25 kV and has a wavelength of 295 to 310 nm.

Description

직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법 {Universal Patterning method for 2D Van der Waals Materials via Direct Optical Lithography}Universal Patterning method for 2D Van der Waals Materials via Direct Optical Lithography}

본 발명은 2D 반데르발스 물질의 패터닝에 관한 것이다.The present invention relates to patterning of 2D van der Waals materials.

패터닝은 전자 장치나 광학 장치의 퍼포먼스를 결정하는 것으로 매우 중요한 공정이다. 최근에는 2D 반데르발스 물질이 주목받고 있으며 이를 패터닝하는 기술이 중요해지고 있다. 그러나 기존 반도체에 최적화된 포토래지스트 기반의 종래 포토리소그래피 방식이 반데르발스 물질에도 사용되고 있으며 이는 잔류 폴리머와 반응성 화학 용매 때문에 초박막 반데르발스 물질의 특성에 상당한 악영향을 미친다. 일 예로 선택적 성장 기술은 다양한 유형의 물질에 대해 저해상도 또는 낮은 확장성을 가지는 한계점이 있다. 성장을 위한 표면 처리가 리소그래피 공정에 취약하고 성장 조건이 표면 처리에 따라 제한되기 때문이다. 따라서 2D 반데르발스 물질의 특성을 최적화할 수 있는 반데르발스 물질 맞춤형 패터닝 기술 개발이 요구되고 있다. Patterning is a very important process that determines the performance of electronic or optical devices. Recently, 2D van der Waals materials have been attracting attention, and technology for patterning them is becoming important. However, conventional photolithography methods based on photoresists optimized for existing semiconductors are also used for van der Waals materials, which has a significant adverse effect on the properties of ultra-thin van der Waals materials due to residual polymers and reactive chemical solvents. For example, selective growth technology has limitations such as low resolution or low scalability for various types of materials. This is because the surface treatment for growth is vulnerable to the lithography process and growth conditions are limited depending on the surface treatment. Therefore, there is a need to develop customized patterning technology for van der Waals materials that can optimize the properties of 2D van der Waals materials.

한국공개특허 제2022-0018884호Korean Patent Publication No. 2022-0018884

본 발명의 목적은 2D 반데르발스 물질에 대하여 종래 전통적인 반도체 패터닝 방식인 포토리소그래피 방식이 아닌 2D 반데르발스 물질에 대한 범용 패터닝 방식을 제공하는 데에 있다.The purpose of the present invention is to provide a general-purpose patterning method for 2D van der Waals materials rather than the photolithography method, which is a traditional semiconductor patterning method.

본 발명의 다른 목적은 고해상도 및 높은 처리량을 갖춘 패턴이 형성된 2D 반데르발스 물질을 제공하는 데에 있다. Another object of the present invention is to provide patterned 2D van der Waals materials with high resolution and high throughput.

본 발명의 다른 목적은 포토래지스트와 용매가 필요 없는 2D 반데르발스 물질에 대한 패터닝 방식을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a patterning method for 2D van der Waals materials that does not require photoresist and solvent.

본 발명의 다른 목적은 다양한 유형의 2D 반데르발스 물질과 기질에 대하여 멀티 스케일에서 범용적으로 적용가능한 직접 광 리소그래피 패터닝 방식을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a direct optical lithography patterning method that is universally applicable at multi-scale to various types of 2D van der Waals materials and substrates.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법은 2D 반데르발스 물질을 기재 상에 성장 시키는 준비 단계; 상기 기재 상에 성장한 2D 반데르발스 물질 상에 특정 패턴을 가진 포토마스크를 적층하는 마스킹 단계; 단-펄스 고출력 광을 조사하여, 광원이 상기 포토마스크를 통과하고 상기 포토마스크의 특정 패턴에 따라 2D 반데르발스 물질을 직접 에칭하는 일루미네이션 단계; 및 포토마스크를 제거하는 패터닝 단계;를 포함하고, 상기 단-펄스 고출력 광은 20 내지 25 kV 출력 전위에서 제논 가스 및 염소 가스의 혼합물로부터 방출되는 것으로 파장이 295 내지 310 nm 인 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problem, the general-purpose patterning method on a 2D van der Waals material through direct optical lithography of the present invention includes a preparation step of growing a 2D van der Waals material on a substrate; A masking step of laminating a photomask with a specific pattern on the 2D van der Waals material grown on the substrate; An illumination step of irradiating short-pulse high-output light so that the light source passes through the photomask and directly etches the 2D van der Waals material according to a specific pattern of the photomask; and a patterning step of removing the photomask, wherein the short-pulse high-output light is emitted from a mixture of xenon gas and chlorine gas at an output potential of 20 to 25 kV and has a wavelength of 295 to 310 nm.

또한 본 발명은 2D 반데르발스 물질로서 단일층 MoS2, 이중층 MoS2, 그래핀, 단일층 WSe2, 2D 금속-유기 골격체 (metal-organic framework; MOF) 중에서 선택되는 어느 하나를 제공한다.Additionally, the present invention provides a 2D van der Waals material selected from single-layer MoS 2 , double-layer MoS 2 , graphene, single-layer WSe 2 , and 2D metal-organic framework (MOF).

또한 본 발명은 상기 방법으로 패터닝된 2D 반데르발스 물질 구조체를 제공한다.The present invention also provides a 2D van der Waals material structure patterned by the above method.

본 발명에 따르면 단일층 MoS2 이황화몰리브덴, 이중층 MoS2 이황화몰리브덴, 그래핀 등의 2D 반데르발스 물질에 대해 플렉서블 폴리머 또는 생체적합 키토산과 같은 다양한 유형의 기재 상에 직접적으로 패턴을 형성할 수 있다.According to the present invention, 2D van der Waals materials such as single-layer MoS 2 molybdenum disulfide, double-layer MoS 2 molybdenum disulfide, and graphene can be patterned directly on various types of substrates such as flexible polymers or biocompatible chitosan. .

본 발명의 방법에 따르면 포토래지스트와 용매 없이 2D 반데르발스 물질 상에 범용 패터닝이 가능하여 패터닝 공정이 비교적 단순하고 친환경적이다.According to the method of the present invention, general-purpose patterning is possible on 2D van der Waals materials without photoresist and solvent, making the patterning process relatively simple and environmentally friendly.

본 발명에 따라 패터닝된 2D 반데르발스 물질 구조체는 높은 처리량과 해상도, 멀티스케일이 가능하고 서브 마이크로 분해능이 우수하고, 깨끗한 표면을 갖는다. The 2D van der Waals material structure patterned according to the present invention is capable of high throughput, resolution, and multiscale, has excellent submicro resolution, and has a clean surface.

도 1은 본 발명의 방법을 도시화한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 구조체의 사진이다.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 구조체의 일루미네이션 전, 후에 대한 라만 이동 및 강도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 패터닝된 MoS2 2D 반데르발스 물질 구조체의 현미경 사진이다.
도 5의 (a)는 단일층 MoS2 반데르발스 물질에 대해, 성장 단계, 본 발명에 따른 패터닝 단계, 비교예로서 포토래지스트 방식을 이용하여 패터닝 단계에서의 Schematics 이미지와 AFM topography 이미지이고, (b)는 이들의 Raman spectra이고, (c)는 이들의 Absorption spectra이고, (d)는 이들의 PL spectra을 나타낸 그래프이다.
1 is a flow chart illustrating the method of the present invention.
Figure 2 is a photograph of a structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the relationship between Raman shift and intensity before and after illumination of the structure manufactured according to the method of the present invention.
Figure 4 is a micrograph of a MoS 2 2D van der Waals material structure patterned according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 (a) is a schematic image and an AFM topography image of a single-layer MoS 2 van der Waals material in the growth stage, the patterning stage according to the present invention, and the patterning stage using the photoresist method as a comparative example, (b) is their Raman spectra, (c) is their Absorption spectra, and (d) is a graph showing their PL spectra.

본 발명은 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법에 관한 것으로서, 직접 광 리소그래피를 사용한다. 도 1은 본 발명의 방법인 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법을 도시화한 순서도이다. 도 1을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 본 발명은 2D 반데르발스 물질을 기재 상에 성장 시키는 준비 단계(Prepare); 상기 기재 상에 성장한 2D 반데르발스 물질 상에 특정 패턴을 가진 포토마스크를 적층하는 마스킹 단계(Mask); 단-펄스 고출력 광을 조사하여, 광원이 상기 포토마스크를 통과하고 상기 포토마스크의 패턴에 따라 2D 반데르발스 물질을 직접 에칭하는 일루미네이션 단계(Illumination); 및 포토마스크를 제거하는 패터닝 단계(Pattern);를 포함한다. The present invention relates to a method for universal patterning on 2D van der Waals materials, using direct optical lithography. 1 is a flowchart illustrating the method of the present invention for general-purpose patterning on 2D van der Waals materials via direct optical lithography. Looking at the present invention with reference to FIG. 1, the present invention includes a preparation step of growing a 2D van der Waals material on a substrate (Prepare); A masking step (Mask) of laminating a photomask with a specific pattern on the 2D van der Waals material grown on the substrate; Illumination step of irradiating short-pulse high-output light, so that the light source passes through the photomask and directly etches the 2D van der Waals material according to the pattern of the photomask; and a patterning step of removing the photomask.

본 발명에서 2D 반데르발스 물질은 단일층 MoS2, 이중층 MoS2, 그래핀, 단일층 WSe2, 2D 금속-유기 골격체 (metal-organic framework; MOF)일 수 있다. 2D 반데르발스 물질은 층간 결합이 반데르발스 결합, 즉 약한 층간 결합으로 이루어진 층상구조로 두께가 나노 미터 수준인 초박막 물질이기 때문에 그 위에 패터닝하기 위하여 종래 반도체에 적용하는 포토래지스트 방식을 사용할 경우 표면이 매끈하지 않고, 따라서 낮은 해상도, 협소한 확장성을 가지며 포토래지스트, 용매로 인한 화학적 오염 등을 야기하는 문제가 있다. 본 발명의 발명자는 2D 반데르발스 물질 상에 최적화된 패터닝을 하기 위하여 단-펄스 고출력 광을 이용하였다. In the present invention, the 2D van der Waals material may be single-layer MoS 2 , double-layer MoS 2 , graphene, single-layer WSe 2 , or 2D metal-organic framework (MOF). 2D van der Waals materials have a layered structure with van der Waals bonds, that is, weak interlayer bonds, and are ultra-thin materials with a thickness of nanometers. Therefore, when using the photoresist method applied to conventional semiconductors for patterning on them, The surface is not smooth, and therefore has problems such as low resolution, narrow scalability, and chemical contamination due to photoresist and solvent. The inventors of the present invention used short-pulse high-output light to achieve optimized patterning on 2D van der Waals materials.

본 발명의 일루미네이션 단계(Illumination)에서 사용하는 단-펄스 고출력 광은 20 내지 25 kV 출력 전위에서 제논 가스 및 염소 가스의 혼합물로부터 방출되는 것으로 파장이 295 내지 310 nm일 수 있다. 본 발명에서 단-펄스 고출력 광은 2D 반데르발스 물질 상에 고해상도로 패터닝하고 부작용을 방지하는 데에 있어서 중요한 역할을 하며, 구체적으로 엑시머 레이저 (excimer lase) 일 수 있다. 도 4는 엑시머 레이저를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따라 패터닝된 MoS2 2D 반데르발스 물질 구조체의 현미경 사진이다. 기재는 쿼츠(Quartz)를 사용하였다. 도 4를 살펴보면, 마이크로미터, 나노미터 수준에서도 높은 해상도를 가지는 것을 확인할 수 있다. The short-pulse high-output light used in the illumination step of the present invention is emitted from a mixture of xenon gas and chlorine gas at an output potential of 20 to 25 kV and may have a wavelength of 295 to 310 nm. In the present invention, short-pulse high-output light plays an important role in high-resolution patterning on 2D van der Waals materials and preventing side effects, and may specifically be an excimer laser. Figure 4 is a micrograph of a MoS 2 2D van der Waals material structure patterned according to an embodiment of the present invention using an excimer laser. Quartz was used as the substrate. Looking at Figure 4, it can be seen that it has high resolution even at the micrometer and nanometer level.

본 발명에서 2D 반데르발스 물질이 단일층 MoS2 또는 이중층 MoS2인 경우, 전구체 가스는 Mo(CO)6 및 (C2H5)2S이고 희석 가스의 도움 하에 Mo(CO)6은 유속 0.4 내지 0.8 sccm이고, (C2H5)2S은 유속 0.2 내지 0.4 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하여 온도 550 내지 650 ℃, 압력 2.8 내지 3.5 Torr에서 12 내지 16 시간 동안 반응 시킨다. 구체적으로 Mo(CO)6은 유속 0.6 sccm이고, (C2H5)2S은 유속 0.4 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하여 온도 600 ℃, 압력 3.1 Torr에서 14 시간 동안 반응 시킬 수 있다. 희석 가스는 아르곤으로 압력은 800 Torr으로 투입될 수 있다. In the present invention, when the 2D van der Waals material is a single-layer MoS 2 or a double-layer MoS 2 , the precursor gases are Mo(CO) 6 and (C 2 H 5 ) 2 S and with the help of a dilution gas the Mo(CO) 6 flow rate 0.4 to 0.8 sccm, and (C 2 H 5 ) 2 S is injected through a flow controller at a flow rate of 0.2 to 0.4 sccm and reacted at a temperature of 550 to 650 ° C. and a pressure of 2.8 to 3.5 Torr for 12 to 16 hours. Specifically, Mo(CO) 6 can be injected at a flow rate of 0.6 sccm, and (C 2 H 5 ) 2 S can be injected through a flow controller at a flow rate of 0.4 sccm and reacted at a temperature of 600°C and a pressure of 3.1 Torr for 14 hours. The dilution gas is argon and can be injected at a pressure of 800 Torr.

본 발명에서 2D 반데르발스 물질이 WSe2인 경우, 전구체 가스는 W(CO)6 및 (CH3)2Se이고 희석 가스의 도움 하에 W(CO)6은 유속 3 내지 5 sccm이고, (CH3)2Se은 유속 0.1 내지 0.4 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하여 온도 540 내지 660 ℃, 압력 2.8 내지 3.5 Torr에서 12 내지 16 시간 동안 반응 시킨다. 구체적으로 W(CO)6은 유속 4 sccm이고, (CH3)2Se은 유속 0.2 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하여 온도 600 ℃, 압력 3.3 Torr에서 14 시간 동안 반응 시킬 수 있다. 희석 가스는 아르곤으로 압력은 800 Torr으로 투입될 수 있다. In the present invention, when the 2D van der Waals material is WSe 2 , the precursor gases are W(CO) 6 and (CH 3 ) 2 Se and with the help of dilution gas, W(CO) 6 has a flow rate of 3 to 5 sccm, and (CH 3 ) 2 Se is injected through a flow controller at a flow rate of 0.1 to 0.4 sccm and reacted at a temperature of 540 to 660 ℃ and a pressure of 2.8 to 3.5 Torr for 12 to 16 hours. Specifically, W(CO) 6 can be injected at a flow rate of 4 sccm, and (CH 3 ) 2 Se can be injected through a flow controller at a flow rate of 0.2 sccm and reacted at a temperature of 600°C and a pressure of 3.3 Torr for 14 hours. The dilution gas is argon and can be injected at a pressure of 800 Torr.

본 발명에서 2D 반데르발스 물질이 지지할 수 있는 기재는 플렉서블 폴리머, 생체 적합 키토산, 쿼츠, SiO2/Si일 수 있다. 플렉서블 폴리머를 기재로 하여 2D 반데르발스 물질을 패터닝하는 경우 플렉서블 디스플레이, 플렉서블 나노 반도체 등에 적용할 수 있으며 정밀화, 소형화가 가능하고, 생체 적합 키토산을 기재로 하여 2D 반데르발스 물질을 패터닝하는 경우 패터닝된 2D 반데르발스 물질 구조체는 인공판막, 인공각막 등에 사용될 수 있다. In the present invention, the substrate that can be supported by the 2D van der Waals material may be flexible polymer, biocompatible chitosan, quartz, and SiO 2 /Si. When patterning a 2D van der Waals material using a flexible polymer as a substrate, it can be applied to flexible displays, flexible nano semiconductors, etc., and precision and miniaturization are possible. When patterning a 2D van der Waals material using biocompatible chitosan as a substrate, patterning The 2D van der Waals material structure can be used for artificial valves, artificial corneas, etc.

실시예Example

이하에서, 본 발명의 방법에 따라 “패터닝된 2D 반데르발스 물질 구조체”를 제조하였다.Below, a “patterned 2D van der Waals material structure” was prepared according to the method of the present invention.

반데르발스 물질인 MoS2 필름과 WSe2 필름을 다양한 기재 상에 성장 시켰다. 전구체 가스로서, Mo(CO)6 (Sigma-Aldrich 577 766), (C2H5)2S (Sigma-Aldrich 107 247), W(CO)6 (Sigma-Aldrich 472 956), 및 (CH3)2Se (Alfa Aesar 593-79-3) 을 사용하였다.MoS 2 films and WSe 2 films, which are van der Waals materials, were grown on various substrates. As precursor gases, Mo(CO) 6 (Sigma-Aldrich 577 766), (C 2 H 5 ) 2 S (Sigma-Aldrich 107 247), W(CO) 6 (Sigma-Aldrich 472 956), and (CH 3 ) 2 Se (Alfa Aesar 593-79-3) was used.

1. 2D 반데르발스 물질의 제조 및 성장1. Fabrication and growth of 2D van der Waals materials

(1) MoS(1) MoS 22 2D 반데르발스 물질의 제조 Fabrication of 2D van der Waals materials

Mo(CO)6 및 (C2H5)2S를 전구체 가스로 하여, 희석 가스 Ar (800 Torr)의 도움 하에, Mo(CO)6은 유속 0.6 sccm이고, (C2H5)2S은 유속 0.4 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하고, 전구체 가스 외에도 Ar 가스 유속 5 sccm, H2 가스 유속 1000 sccm으로 투입하고, 온도 600 ℃, 압력 3.1 Torr에서 14 시간 동안 반응 시켰다. With Mo(CO) 6 and (C 2 H 5 ) 2 S as precursor gases, with the help of diluting gas Ar (800 Torr), Mo(CO) 6 is flowed at a flow rate of 0.6 sccm, and (C 2 H 5 ) 2 S Silver was injected through a flow controller at a flow rate of 0.4 sccm, and in addition to the precursor gas, Ar gas flow rate was 5 sccm and H 2 gas flow rate was 1000 sccm, and the reaction was performed at a temperature of 600°C and a pressure of 3.1 Torr for 14 hours.

(2) WSe2 2D 반데르발스 물질의 제조(2) Preparation of WSe2 2D van der Waals material

W(CO)6 및 (CH3)2Se를 전구체 가스로 하여, 희석 가스 Ar (800 Torr)의 도움 하에, W(CO)6은 유속 4 sccm이고, (CH3)2Se은 유속 0.2 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하고, 전구체 가스 외에도 Ar 가스를 유속 5 sccm, H2 가스 유속 1400 sccm으로 투입하고, 온도 600 ℃, 압력 3.3 Torr에서 14 시간 동안 반응 시켰다.With W(CO) 6 and (CH 3 ) 2 Se as precursor gases, with the help of diluent gas Ar (800 Torr), W(CO) 6 was flowed at a flow rate of 4 sccm and (CH 3 ) 2 Se was flowed at a flow rate of 0.2 sccm. was injected through a flow controller, and in addition to the precursor gas, Ar gas was introduced at a flow rate of 5 sccm and H 2 gas flow rate of 1400 sccm, and the reaction was performed at a temperature of 600°C and a pressure of 3.3 Torr for 14 hours.

기재 상 성장growth on substrate

준비된 반데르발스 물질들을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 증류수(DI)를 통해 기재에 증착 시켰다. PMMA가 코팅된 MoS2, WSe2를 증류수 표면 위에 플로팅 시킨 후 플로팅된 필름은 MoS2, WSe2가 증착된 기재에 퍼졌다.The prepared van der Waals materials were deposited on a substrate using polymethyl methacrylate (PMMA) and distilled water (DI). After PMMA-coated MoS 2 and WSe 2 were floated on the surface of distilled water, the floated film was spread on the substrate on which MoS 2 and WSe 2 were deposited.

시료들을 180 ℃에서 10분 동안 어닐링 하고 PMMA를 제거하기 위하여 하루동안 아세톤에 침전시켰다. 시료들은 IPA와 증류수로 세척하고 남은 용매는 질소 건으로 건조시켰다.The samples were annealed at 180°C for 10 minutes and precipitated in acetone for one day to remove PMMA. Samples were washed with IPA and distilled water, and the remaining solvent was dried with a nitrogen gun.

키토산 기재에 MoS2, WSe2을 증착시키기 위하여, 두 물질을 모두 PMMA 없이 증류수 위에 띄우고 키토산 기재로 들었다. In order to deposit MoS 2 and WSe 2 on the chitosan substrate, both materials were floated on distilled water without PMMA and placed on the chitosan substrate.

(3) 그래핀 2D 반데르발스 물질의 제조(3) Preparation of graphene 2D van der Waals material

Cu 호일 상의 그래핀(LG 전자)은 다음 방법으로 이동 시켰다 : PMMA을 그래핀 상에 스핀 코팅 시키고, 구리 호일을 에칭하기 위하여 시료를 0.5 m (NH4)2S2O8 (Sigma-Aldrich 248 614) 수용액에 60 ℃에서 2시간 동안 침전 시켰다. PMMA 현탁된 그래핀은 구리 호일로부터 제거하고 용매 표면 상에 놓았다. 필름은 리프트-오프 방식으로 기재에 전사하였다.Graphene on Cu foil (LG Electronics) was transferred by the following method: PMMA was spin-coated on graphene, and the sample was transferred to 0.5 m (NH 4 ) 2 S 2 O 8 (Sigma-Aldrich 248) to etch the copper foil. 614) It was precipitated in an aqueous solution at 60°C for 2 hours. PMMA suspended graphene was removed from the copper foil and placed on the solvent surface. The film was transferred to the substrate using a lift-off method.

(4) 2D MOF 금속-유기 복합체 2D 반데르발스 물질의 제조(4) Preparation of 2D MOF metal-organic composite 2D van der Waals materials

2D MOF 는 종래 액체/공기 계면 방식을 이용하여 합성하였다. MOF의 리간드인 ZnTPyP(Sigma-Aldrich 52 718)를 0.2mm 농도로 메탄올과 디클로로메탄으로 구성된 용매에 1:3의 비율로 용해시켰다. 그런 다음, 생성된 ZnTPyP 용액 20μL를 공기와 10mm Cu(NO3)2(Sigma-Aldrich 223 395)를 포함하는 DI-수성 용액 사이의 계면에 주입하여 Cu2+ 이온이 있는 ZnTPyP 리간드를 제공하였다. 그런 다음 표면에 형성된 MOF 필름을 리프트 오프 방식을 사용하여 기재로 전사하였다.2D MOF was synthesized using a conventional liquid/air interface method. ZnTPyP (Sigma-Aldrich 52 718), a MOF ligand, was dissolved at a concentration of 0.2 mm in a solvent consisting of methanol and dichloromethane at a ratio of 1:3. Then, 20 μL of the resulting ZnTPyP solution was injected into the interface between air and DI-aqueous solution containing 10 m m Cu(NO 3 ) 2 (Sigma-Aldrich 223 395) to provide ZnTPyP ligands with Cu 2+ ions. Then, the MOF film formed on the surface was transferred to the substrate using a lift-off method.

키토산 기재의 준비Preparation of chitosan substrate

키토산 기재는 키토산 분말(Sigma-Aldrich 448 869)을 증류수에 용해시켜 10 wt%로 준비하고 혼합 후, 아세트산(Sigma-Aldrich 695 092)을 용매에 첨가하여 10 wt% 농도가 되도록 하였다. 이렇게 준비된 용매는 고체 플라스틱 접시에 붓고 하루 동안 70 ℃에서 건조시켰다.The chitosan base was prepared by dissolving chitosan powder (Sigma-Aldrich 448 869) in distilled water at 10 wt%. After mixing, acetic acid (Sigma-Aldrich 695 092) was added to the solvent to reach a concentration of 10 wt%. The solvent prepared in this way was poured into a solid plastic dish and dried at 70 °C for one day.

2. 포토마스크의 제조2. Manufacturing of photomask

두께가 420 μm인 사파이어 기판을 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 및 증류수에서 각각 10분 동안 초음파 처리하고 질소 건을 사용하여 건조하였다. 포토레지스트(PR, AZ 5214E, AZ Electronic Materials) 패턴이 CP를 통해 세척된 사파이어 샘플에 준비되었고, Al을 30nm 정도 스퍼터(SRN-110, SORONA)를 통해 이 샘플에 증착하였다. 그런 다음 샘플을 KWIK 리무버에서 12시간 동안 현상하고 증류수와 IPA로 각각 10분 동안 헹구어 현상액을 완전히 제거하였다. 린싱 후 샘플은 질소 건을 사용하여 건조하였다. 서브마이크론 스케일의 마스크를 제작하기 위해, 세척된 기재에 E-Beam Lithography System(JBX-9300FS, JEOL Ltd.)을 통해 PMMA 패턴을 준비하고 스퍼터를 통해 시료에 Al을 증착하였다. 그런 다음 상온에서 1시간 동안 아세톤에서 리프트오프를 수행하였고 이 후 준비된 샘플을 IPA 및 DI로 세척하였다.A sapphire substrate with a thickness of 420 μm was sonicated in acetone, isopropyl alcohol (IPA), and distilled water for 10 minutes each and dried using a nitrogen gun. A photoresist (PR, AZ 5214E, AZ Electronic Materials) pattern was prepared on a sapphire sample cleaned through CP, and about 30 nm of Al was deposited on this sample via sputtering (SRN-110, SORONA). The samples were then developed in KWIK remover for 12 hours and rinsed with distilled water and IPA for 10 minutes each to completely remove the developer. After rinsing, the sample was dried using a nitrogen gun. To fabricate a submicron-scale mask, a PMMA pattern was prepared on the cleaned substrate using an E-Beam Lithography System (JBX-9300FS, JEOL Ltd.), and Al was deposited on the sample through sputtering. Then, lift-off was performed in acetone for 1 hour at room temperature, after which the prepared samples were washed with IPA and DI.

3. 직접 광 리소그래피 공정 (Direct Optical Lithography Process)3. Direct Optical Lithography Process

반데르발스 물질에 대한 패터닝의 직접 광 조사는 XeCl excimer laser system (Coherent COMPex Pro 205, wavelength of 308 nm, pulse duration of 25 ns)를 사용하였다. 레이저는 22 kV 출력 전위에서 제논 가스 및 염소 가스의 혼합물로부터 방출되는 것으로 반데르발스 물질과 마스크의 시료를 조사하는데 사용하였다. 포토마스크와 반데르발스 물질 사이의 간격을 최대한 줄이기 위하여 접착 테이프(810R, 3M)를 사용하여 함께 묶었다. 빔 스팟은 625 μm2 × 625 μm2 크기의 사각형이다. 모든 레이저 공정은 빔 스팟 사이즈, 반복률, 스테이지 이동률을 포함하는 파라미터이고, 전력 밀도를 제외하고 반데르발스 물질 및 기재 상에 의존하여 5.29 내지 58.19 MW cm-2 사이에서 다양하게 일정히 유지되었다. Direct light irradiation for patterning of van der Waals materials was performed using a XeCl excimer laser system (Coherent COMPex Pro 205, wavelength of 308 nm, pulse duration of 25 ns). A laser emitting from a mixture of xenon gas and chlorine gas at an output potential of 22 kV was used to irradiate samples of van der Waals materials and masks. To minimize the gap between the photomask and the van der Waals material, adhesive tape (810R, 3M) was used to bind them together. The beam spot is square with a size of 625 μm 2 × 625 μm 2 . All laser process parameters, including beam spot size, repetition rate, and stage movement rate, except power density, were kept constant varying between 5.29 and 58.19 MW cm -2 depending on the van der Waals material and substrate phase.

포토마스크 제거Photomask removal

다양한 실시예에 사용된 포토마스크를 흐르는 증류수로 제거하였다. 레이저 조사 후 포토마스크는 샘플에서 떼어내었다. 수차례 사용을 위해 증류수로 클리닝한 후 사용 후에는 접착 테이프를 제거하여 포토마스크를 샘플에서 분리시킨 후 폐기하였다.Photomasks used in various examples were removed with running distilled water. After laser irradiation, the photomask was removed from the sample. It was cleaned with distilled water for multiple uses, and after use, the adhesive tape was removed to separate the photomask from the sample and then discarded.

(비교예) 종래 포토리소그래피 패터닝(Comparative example) Conventional photolithography patterning

종래 포토리소그래피 방식으로 포토리소그래피 패턴이 반데르발스 물질 상에 패터닝하고, 반응성 이온 에칭을 통하여 SF6/O2 plasma에서 반데르발스 노출 영역을 에칭하였다. 시료는 아세톤에 70 ℃에서 하루 동안 리프트 오프하였고 포토레지스트 패턴을 제거하였다. 이후 IPA와 증류수에서 10분 동안 세척하고 아세톤을 제거하고, 남은 용매는 질소 건을 불어 건조하였다.A photolithographic pattern was patterned on the van der Waals material using a conventional photolithography method, and the van der Waals exposed area was etched in SF 6 /O 2 plasma through reactive ion etching. The sample was lifted off in acetone at 70°C for one day and the photoresist pattern was removed. Afterwards, it was washed with IPA and distilled water for 10 minutes, acetone was removed, and the remaining solvent was dried by blowing with a nitrogen gun.

확인예Confirmation example

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 구조체의 사진이다. (a)는 단일층 MoS2 반데르발스 물질에 대해 폴리이미드(Polyimide)를 기재로 하여 원형의 특정 패턴에 따라 패터닝된 것을 확인할 수 있다. (b)는 단일층 MoS2 반데르발스 물질에 대해 키토산(Chitosan)를 기재로 하여 원형의 특정 패턴에 따라 패터닝된 것을 확인할 수 있다. (c)는 이중층 MoS2 반데르발스 물질에 대해 쿼츠(Quartz)를 기재로 하여 원형의 특정 패턴에 따라 패터닝된 것을 확인할 수 있다. (d)는 그래핀 반데르발스 물질에 대해 쿼츠(Quartz)를 기재로 하여 원형의 특정 패턴에 따라 패터닝된 것을 확인할 수 있다. (e)는 단일층 MoS2 반데르발스 물질에 대해 쿼츠(Quartz)를 기재로 하여 원형의 특정 패턴에 따라 패터닝된 것을 확인할 수 있다. (f)는 2D 금속-유기 골격체 (metal-organic framework; MOF) 반데르발스 물질에 대해 SiO2/Si를 기재로 하여 원형의 특정 패턴에 따라 패터닝된 것을 확인할 수 있다. Figure 2 is a photograph of a structure manufactured according to an embodiment of the present invention. In (a), it can be seen that the single-layer MoS 2 van der Waals material was patterned according to a specific circular pattern based on polyimide. In (b), it can be seen that the single-layer MoS 2 van der Waals material was patterned according to a specific circular pattern using chitosan as a base. In (c), it can be seen that the double-layer MoS 2 van der Waals material was patterned according to a specific circular pattern using quartz as a substrate. In (d), it can be seen that the graphene van der Waals material was patterned according to a specific circular pattern using quartz as a substrate. In (e), it can be seen that the single-layer MoS 2 van der Waals material was patterned according to a specific circular pattern using quartz as a substrate. In (f), it can be seen that the 2D metal-organic framework (MOF) van der Waals material was patterned according to a specific circular pattern based on SiO 2 /Si.

도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 도 2의 (a) 내지 (f) 구조체의 일루미네이션 전, 후에 대한 라만 이동 및 강도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (a) 내지 (f) 그래프 모두 일루미네이션 후가 일루미네이션 전보다 강도 변화가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 패터닝 방법에 따라 패터닝된 2D 반데르발스 물질 구조체는 높은 해상도를 가지는 것을 알 수 있다. FIG. 3 is a graph showing the relationship between Raman shift and intensity before and after illumination of the structures (a) to (f) of FIG. 2 manufactured according to the method of the present invention. In all of the graphs (a) to (f) of Figure 3, it can be seen that the intensity change after illumination is lower than before illumination. Through this, it can be seen that the 2D van der Waals material structure patterned according to the patterning method of the present invention has high resolution.

도 5의 (a)는 단일층 MoS2 반데르발스 물질에 대해, 성장 단계(As-grown)), 본 발명에 따른 패터닝 단계(DOL), 비교예로서 포토래지스트 방식을 이용하여 패터닝 단계(CP)에서의 Schematics 이미지와 AFM topography 이미지이고, (b)는 이들의 Raman spectra이고, (c)는 이들의 Absorption spectra이고, (d)는 이들의 PL spectra을 나타낸 그래프이다. 도 5를 살펴본 바와 같이, 본 발명의 패터닝 방식에 따르면 성장 단계와 동일한 표면 매끄러움을 가지는 것에 반해, 종래 반도체 패터닝 방식인 포토래지스트를 이용할 경우 거친 표면을 예상할 수 있다. 도 5의 (b)를 구체적으로 살펴보면, 결함 밀도와 관련하여 2LA(M) 모드를 포함한 고유 라만 모드(E2g 1 , A1g)에서 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 도 5의 (c)를 구체적으로 살펴보면, 포토래지스트 방식(CP)에서 MoS2의 모든 피크의 피크 위치는 약간 적색으로 이동했는데, 이는 CP MoS2의 PR 잔기가 쿨롱 엔지니어링에 의해 에너지 밴드 갭과 엑시톤 결합 에너지를 감소시키기 때문인 것으로 보인다. 도 5의 (d)를 구체적으로 살펴보면, PL 강도는 다른 샘플에 비해 포토리소그래피 패턴 샘플에서 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.Figure 5 (a) shows a growth step (As-grown) for a single-layer MoS 2 van der Waals material, a patterning step (DOL) according to the present invention, and a patterning step using a photoresist method as a comparative example ( CP) Schematics image and AFM topography image, (b) is their Raman spectra, (c) is their Absorption spectra, and (d) is a graph showing their PL spectra. As seen in Figure 5, according to the patterning method of the present invention, the surface smoothness is the same as that of the growth stage, whereas when using photoresist, which is a conventional semiconductor patterning method, a rough surface can be expected. Looking specifically at (b) of FIG. 5, it can be seen that there is no significant difference in the intrinsic Raman modes (E2g 1 and A1g) including the 2LA(M) mode with respect to defect density. Looking specifically at (c) of Figure 5, the peak positions of all peaks of MoS 2 in the photoresist method (CP) slightly shifted to red, which means that the PR residue of CP MoS 2 has an energy band gap and an energy band gap by Coulomb engineering. This appears to be because it reduces the exciton binding energy. Looking specifically at (d) of Figure 5, it can be seen that the PL intensity is greatly reduced in the photolithography pattern sample compared to other samples.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is an illustrative description of the present invention, and the embodiments published in the specification are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, so those skilled in the art Various modifications and variations will be possible without departing from the technical idea of . Therefore, the scope of protection of the present invention should be interpreted based on the matters stated in the claims, and technical matters within the equivalent scope thereof should also be interpreted as being included in the scope of rights of the present invention.

Claims (7)

2D 반데르발스 물질을 기재 상에 성장 시키는 준비 단계;
상기 기재 상에 성장한 2D 반데르발스 물질 상에 특정 패턴을 가진 포토마스크를 적층하는 마스킹 단계;
단-펄스 고출력 광을 조사하여, 광원이 상기 포토마스크를 통과하고 상기 포토마스크의 패턴에 따라 2D 반데르발스 물질을 직접 에칭하는 일루미네이션 단계; 및
포토마스크를 제거하는 패터닝 단계;를 포함하고,
상기 단-펄스 고출력 광은 20 내지 25 kV 출력 전위에서 제논 가스 및 염소 가스의 혼합물로부터 방출되는 것으로 파장이 295 내지 310 nm 인 것을 특징으로 하는, 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법.
Preparation steps for growing 2D van der Waals materials on a substrate;
A masking step of laminating a photomask with a specific pattern on the 2D van der Waals material grown on the substrate;
An illumination step of irradiating short-pulse high-output light so that the light source passes through the photomask and directly etches the 2D van der Waals material according to the pattern of the photomask; and
Includes a patterning step of removing the photomask,
Universal patterning on 2D van der Waals materials via direct optical lithography, characterized in that the short-pulse high-power light is emitted from a mixture of xenon gas and chlorine gas at an output potential of 20 to 25 kV and has a wavelength of 295 to 310 nm. method.
제 1 항에 있어서,
상기 2D 반데르발스 물질은 단일층 MoS2, 이중층 MoS2, 그래핀, 단일층 WSe2 및 2D 금속-유기 골격체 (metal-organic framework; MOF) 중에서 선택되는 어느 하나 인 것을 특징으로 하는, 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법.
According to claim 1,
The 2D van der Waals material is characterized in that it is any one selected from single-layer MoS 2 , double-layer MoS 2 , graphene, single-layer WSe 2 and 2D metal-organic framework (MOF). A universal patterning method on 2D van der Waals materials via optical lithography.
제 2 항에 있어서,
상기 단일층 MoS2, 이중층 MoS2은 Mo(CO)6 및 (C2H5)2S를 전구체 가스로 하며, 희석 가스의 도움 하에 Mo(CO)6은 유속 0.4 내지 0.8 sccm이고, (C2H5)2S은 유속 0.2 내지 0.4 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하고, 온도 550 내지 650 ℃, 압력 2.8 내지 3.5 Torr에서 12 내지 16 시간 동안 반응 시키는 것을 특징으로 하는, 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법
According to claim 2,
The single-layer MoS 2 and double-layer MoS 2 use Mo(CO) 6 and (C 2 H 5 ) 2 S as precursor gases, and with the help of a dilution gas, Mo(CO) 6 has a flow rate of 0.4 to 0.8 sccm, (C 2 H 5 ) 2 S is injected through a flow controller at a flow rate of 0.2 to 0.4 sccm and reacted at a temperature of 550 to 650 ° C. and a pressure of 2.8 to 3.5 Torr for 12 to 16 hours. 2D through direct optical lithography Universal patterning method on van der Waals materials
제 3 항에 있어서,
상기 WSe2는 W(CO)6 및 (CH3)2Se를 전구체 가스로 하며, 희석 가스의 도움 하에 W(CO)6은 유속 4 sccm이고, (CH3)2Se은 유속 0.2 sccm으로 유량 제어기를 통해 주입하고, 온도 550 내지 650 ℃, 압력 3.3 Torr에서 12 내지 16 시간 동안 반응 시키는 것을 특징으로 하는, 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법.
According to claim 3,
The WSe 2 uses W(CO) 6 and (CH 3 ) 2 Se as precursor gases, and with the help of a dilution gas, W(CO) 6 flows at a flow rate of 4 sccm, and (CH 3 ) 2 Se flows at a flow rate of 0.2 sccm. A general-purpose patterning method on a 2D van der Waals material through direct optical lithography, characterized in that it is injected through a controller and reacted at a temperature of 550 to 650 ° C. and a pressure of 3.3 Torr for 12 to 16 hours.
제 1 항에 있어서,
상기 단-펄스 고출력 광은 XeCl 엑시머 레이저인 것을 특징으로 하는, 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법.
According to claim 1,
A method for general-purpose patterning on 2D van der Waals materials through direct optical lithography, wherein the short-pulse high-power light is a XeCl excimer laser.
제 1 항에 있어서,
상기 기재는 플렉서블 폴리머, 생체 적합 키토산, 쿼츠 및 SiO2/Si 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 직접 광 리소그래피를 통한 2D 반데르발스 물질 상의 범용 패터닝 방법.
According to claim 1,
A method for universal patterning on 2D van der Waals materials via direct optical lithography, characterized in that the substrate is any one selected from flexible polymers, biocompatible chitosan, quartz and SiO 2 /Si.
제 1 항의 방법에 따라 패터닝된 2D 반데르발스 물질 구조체.A 2D van der Waals material structure patterned according to the method of claim 1.
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