WO2017150848A1 - 나노 로드 제조방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드 - Google Patents

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    • H01L33/18—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous within the light emitting region

Definitions

  • the present invention relates to a nanorod manufacturing method and a nanorod produced thereby.
  • Nanorods are nano-scale structures with diameters ranging from tens to hundreds of nanometers and having large aspect ratios.
  • the devices using them are field effect transistors (FETs), field emission devices (FEDs), light emitting diodes (LEDs), It is used in various fields such as solar cell, gas sensor, chemical sensor and biosensor.
  • FETs field effect transistors
  • FEDs field emission devices
  • LEDs light emitting diodes
  • Synthesis of such nanorods can be broadly divided into two types, namely, gas phase method using a vapor-liquid-solid (VLS) mechanism using a metal catalyst and liquid phase method using a solution.
  • VLS vapor-liquid-solid
  • the gas phase method uses high heat to make a material into a gaseous state, and condenses gaseous atoms to synthesize various types of nanorods. This method controls the size or characteristics of the nanorods, and it is difficult to uniformly align the synthesized nanorods.
  • the nanorods manufactured by the liquid phase method have more defects than the nanorods synthesized by the vapor phase method, and thus have poor crystal structure and optical properties, and have a problem in that alignment and electrode forming processes are difficult as in the vapor phase method.
  • One embodiment of the present invention is to provide a nanorod manufacturing method and a nanorod manufactured thereby capable of minimizing the defect rate of the nanorod and to produce a high quality nanorod.
  • a growth substrate and a support substrate providing a growth substrate and a support substrate, epi-grown nano material layer on one surface of the growth substrate, forming a sacrificial layer on one surface of the support substrate, the nano material layer and Bonding the sacrificial layer, separating the growth substrate from the nanomaterial layer, planarizing the nanomaterial layer, etching the nanomaterial layer to form a nanorod, and removing the sacrificial layer
  • a nanorod manufacturing method comprising the step of separating the nanorods.
  • the growth substrate may include at least one of a glass substrate, a crystal substrate, a sapphire substrate, a plastic substrate, and a flexible polymer film that can be bent.
  • the growth substrate may include gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), zinc oxide (ZnO), silicon (Si), gallium phosphide (GaP), spinel (MgAl 2 O 4), magnesium oxide (MgO), lithium aluminate ( LiAlO 2), lithium gallate (LiGaO 2), gallium arsenide (GaAs), aluminum nitride (AlN), indium phosphide (InP), and copper (Cu).
  • GaN gallium nitride
  • SiC silicon carbide
  • ZnO zinc oxide
  • silicon silicon
  • GaP gallium phosphide
  • spinel MgAl 2 O 4
  • magnesium oxide MgO
  • LiAlO 2 lithium aluminate
  • LiGaO 2 lithium gallate
  • GaAs gallium arsenide
  • AlN aluminum nitride
  • InP indium phosphide
  • Cu copper
  • the support substrate may include at least one of a sapphire substrate, a glass substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, and a conductive substrate made of a metal material.
  • the nano material layer is zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), tin oxide (SnO2), gallium phosphide (GaP), indium phosphide (InP), selenium It may include at least one of zinc sulfide (ZnSe), molybdenum disulfide (MoS 2) and silicon (Si).
  • the nano material layer may be epitaxially grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the epi-growth of the nanomaterial layer on one surface of the growth substrate may include adjusting the length of the nanorods by controlling the deposition thickness of the nanomaterial layer.
  • the sacrificial layer may be an insulating layer for bonding to the nanomaterial layer and a metal layer deposited on the upper surface of the insulating layer to bond the insulating layer.
  • the sacrificial layer may be gold (Au), titanium (Ti), iron (Fe), silicon oxide (SiO 2), or silicon nitride (SiN).
  • the growth substrate may be laser lift-off (LLO), chemical lift-off (CLO), and electrochemical lift.
  • LLO laser lift-off
  • CLO chemical lift-off
  • ELO electrochemical lift
  • the separated nanomaterial layer may include a planarization process by a chemical mechanical polishing (CMP) method.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the sacrificial layer is silicon oxide in the step of removing the sacrificial layer
  • the sacrificial layer may be removed using a buffered oxide etchant (BOE).
  • BOE buffered oxide etchant
  • the sacrificial layer is a metal layer in the step of removing the sacrificial layer to remove the nanorods
  • the sacrificial layer may be removed using a metal etchant.
  • According to another aspect of the present invention provides a nanorod manufactured by the above-described nanorod manufacturing method.
  • the nanorod manufacturing method and the nanorod manufactured according to the embodiment of the present invention include a sacrificial layer to easily separate the nanorods during the nanorod separation process on the supporting substrate, thereby minimizing the defect rate of the nanorods and providing high quality. Can produce nanorods.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a nanorod manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 2 (a) to 2 (g) are cross-sectional views sequentially illustrating a process of manufacturing a nanorod manufactured by the nanorod manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a flowchart illustrating a nanorod manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 2 (a) to 2 (g) are cross-sectional views sequentially illustrating a process of manufacturing a nanorod manufactured by the nanorod manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the nanorod manufacturing method includes providing a growth substrate and a support substrate (S10), epitaxially growing a nano material layer on one surface of the growth substrate (S20), and forming a sacrificial layer on one surface of the support substrate. Step (S30), bonding the nanomaterial layer and the sacrificial layer (S40), separating the growth substrate from the nanomaterial layer (S50), planarizing the nanomaterial layer (S60), etching the nanomaterial layer Forming the nanorods (S70) and removing the sacrificial layer to separate the nanorods (S80).
  • the nanorod manufacturing method according to the exemplary embodiment of the present invention may minimize the defect rate of the nanorods by the process of separating the nanorods 1 from the supporting substrate 13 and produce high quality nanorods.
  • the growth substrate 11 and the sacrificial layers 17 and 19 for growing the nanomaterial layer 15 are supported.
  • the support substrate 13 for providing is provided.
  • the growth substrate 11 may be at least one of a glass substrate, a crystal substrate, a sapphire substrate, a plastic substrate, and a flexible polymer film that can be bent.
  • the growth substrate may comprise a transparent substrate.
  • the growth substrate is gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), zinc oxide (ZnO), silicon (Si), gallium phosphide (GaP), spinel (MgAl2O4), magnesium oxide (MgO), lithium aluminate (LiAlO2) ), Lithium gallate (LiGaO 2), gallium arsenide (GaAs), aluminum nitride (AlN), indium phosphide (InP), and copper (Cu).
  • the growth substrate 11 is not limited as long as it can epitaxially grow the nano material layer 15.
  • the support substrate 13 may be any one of a sapphire substrate, a glass substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, and a conductive substrate made of a metal material.
  • the support substrate 13 may be a ceramic substrate including a ceramic and a circuit board such as a PCB.
  • the nanomaterial layer which becomes the material of the nanorods 1 on one surface of the growth substrate 11 ( 15) can be epitaxially grown.
  • the step of epitaxially growing the nanomaterial layer on one surface of the growth substrate may include adjusting the length of the nanorods by controlling the deposition thickness of the nanomaterial layer (S21).
  • one side of the growth substrate 11 may epitaxially grow the nanomaterial layer 15 on the top surface as shown in FIG. Can be.
  • epitaxial growth refers to epitaxial growth of crystals of the same material or different materials on a substrate of a certain crystal in a specific direction.
  • growing crystals of the same material on a substrate is called homoepitaxy or simply EPI, and growing crystals of another material is called heteroepitaxy.
  • the nano material layer 15 is a nano material material constituting the nano-rod (1), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), tin oxide (SnO2) , Gallium phosphide (GaP), zinc selenide (ZnSe), molybdenum disulfide (MoS2) and silicon (Si) may include any one of, but is not limited thereto.
  • the nanomaterial layer 15 may be grown vertically, and may be any kind of nanomaterial that may constitute a nanorod having a high aspect ratio.
  • the deposition method used in the epitaxial growth of the nanomaterial layer (S20) may include atomic layer deposition (ALD), reactive sputtering, ion implantation, and magnetron. It may include at least one of sputtering (magnetron sputtering), laser ablation (ion laser deposition), ion beam deposition (ion beam deposition), chemical vapor deposition (chemical vapor deposition) and plasma enhanced CVD (plasma enhanced CVD).
  • ALD atomic layer deposition
  • reactive sputtering reactive sputtering
  • ion implantation ion implantation
  • magnetron magnetron. It may include at least one of sputtering (magnetron sputtering), laser ablation (ion laser deposition), ion beam deposition (ion beam deposition), chemical vapor deposition (chemical vapor deposition) and plasma enhanced CVD (plasma enhanced CVD).
  • epitaxial growth according to an embodiment of the present invention may be used metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). That is, the nano material layer 15 may be epitaxially grown using a metal organic chemical vapor deposition apparatus.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the organometallic compound used in the organometallic chemical vapor phase apparatus is trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 ), triethyl phosphate ((C 2 H 5 O) 3 PO)
  • a compound having an alkyl group such as methyl or ethyl can be used as a raw material.
  • the nano material layer 15 is a layer for forming the nanorods 1 through a subsequent process.
  • the length of the nanorods is adjusted by adjusting the deposition thickness of the nanomaterial layer (S21) the thickness of the nanomaterial layer 15 of the nanorods (1) formed through the following process Since it corresponds to the length, the length of the nanorod 1 is adjusted by adjusting the deposition thickness of the nanomaterial layer 15.
  • a buffer layer (not shown) required for epitaxial growth may be further formed as necessary.
  • the buffer layer may be formed to minimize lattice mismatch between the growth substrate 11 and the nano material layer 15.
  • one side of the support substrate 13 is sacrificed on one surface, for example, as shown in FIG. A layer can be formed.
  • the sacrificial layer may use metals, oxides, and nitrides as the metal layer 19 and the insulating layer 17, and may include gold (Au), titanium (Ti), iron (Fe), and silicon oxide ( SiO 2) or silicon nitride (SiN), but is not limited thereto.
  • the sacrificial layer may deposit a thin metal layer 19 on the insulating layer in order to bond the nanomaterial layer 15 and the insulating layer 17.
  • a bonding layer (not shown) is provided on the upper surface of the support substrate 13 to bond the support substrate 13 and the sacrificial layer, but the bonding layer is It may be omitted if it is made of a structure or material that can be fastened without.
  • the top surface of the nanomaterial layer 15 and the top surface of the metal layer 19 are bonded to each other. Bond the insulating layer.
  • the sacrificial layers metal layer 19 and the insulating layer 17 may be etch stop layers. Therefore, the etchant of the nanomaterial layer 15 is prevented from penetrating into the support substrate 13.
  • the growth substrate 11 is separated from the nanomaterial layer 15.
  • the growth substrate 11 may be separated from the nanomaterial layer 15 by a laser lift-off (LLO) method, a chemical lift-off (CLO) method, and an electrochemical separation (electrochemical method). lift-off (ELO) method.
  • LLO laser lift-off
  • CLO chemical lift-off
  • ELO electrochemical separation
  • the laser lift-off (LLO) method grows the nanomaterial layer 15 on the growth substrate 11, bonds the sacrificial layer 17 onto the nanomaterial layer, and then irradiates a laser beam to the nanomaterial layer. Is a technique to separate the from the growth substrate.
  • the sacrificial layer is grown on the growth substrate 11
  • the nanomaterial layer 15 is grown
  • the sacrificial layer is bonded onto the nanomaterial layer, and then the nanomaterial is formed using an etchant. It is a technique of separating a layer from a growth substrate. At this time, the etchant is selectively etched with the sacrificial layer.
  • the electrochemical separation (ELO) method grows the nanomaterial layer 15 on the growth substrate 11, and forms the porous nanomaterial layer 15 by electrochemical etching using a metal anode. Thereafter, the nanomaterial layer 15 is regrown, the sacrificial layer is bonded onto the nanomaterial layer, and the nanomaterial layer is separated from the growth substrate.
  • ELO electrochemical separation
  • the planarization process may be performed by a chemical mechanical polishing (CMP) method.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the step of forming the nanorods by etching the nanomaterial layer (S70) when the nanomaterial layer 15 is etched, an etchant is selectively injected or not injected.
  • the nanorods 1 are formed by etching.
  • a mask material layer that is selectively etched with the nano material layer 15 is formed, and the mask material layer may be silicon oxide (SiO 2) or silicon nitride (SiN) as an insulating layer, but is not limited thereto.
  • the etching solution may include sulfuric acid, phosphoric acid or potassium hydroxide, sodium hydroxide.
  • the nano material layer 15 is dry-etched in a top-down manner to form a vertically grown nanorod 1.
  • the top-down method is a method of implementing a display in a one-to-one manner in which one micro-LED device manufactured by the top-down method is arranged at a sub-pixel position of a large-area glass substrate. However, at this time, one end of the nanorod 1 is bonded to the sacrificial layer.
  • the etching gas used in the dry etching may be a chlorine (Cl 2 ) or hydrocarbon (CH 4 ) -based gas, but is not limited thereto.
  • the sacrificial layer serves as an etch stop layer that is not etched in the etching solution when the nanomaterial layer 15 is etched with the etching solution.
  • the etching process may be a dry etching method and a wet etching method.
  • the dry etching method may be one-sided etching, and the wet etching method may be isotropically etched and etched in all directions.
  • the nanorods are removed from the support substrate 13 by removing the sacrificial layer bonded to one end of the nanorods 1. (1) is easily separated.
  • the nanorod manufacturing method according to an embodiment of the present invention can minimize the defect rate of the nanorods and produce high quality nanorods.
  • the sacrificial layer when the sacrificial layer is made of silicon oxide as the insulating layer 17, the sacrificial layer may be removed using a buffered oxide etchant (BOE).
  • BOE buffered oxide etchant
  • the sacrificial layer is removed by reacting hydrofluoric acid (HF) of the etch etchant with silicon oxide (SiO 2) or silicon nitride (SiN), which is the insulating layer 17, to form silicon tetrafluoride (SiF 4).
  • HF hydrofluoric acid
  • SiO 2 silicon oxide
  • SiN silicon nitride
  • the sacrificial layer when the sacrificial layer is the metal layer 19, the sacrificial layer may be removed using a metal etchant.
  • the method of etching and removing the sacrificial layer may be removed by immersing the substrate in the BOE.
  • the nanorod manufacturing method and the nanorod manufactured according to the embodiment of the present invention include a sacrificial layer to easily separate the nanorods during the nanorod separation process on the supporting substrate, thereby minimizing the defect rate of the nanorods and providing high quality. Can produce nanorods.
  • One embodiment of the present invention is to provide a nanorod manufacturing method and a nanorod manufactured thereby capable of minimizing the defect rate of the nanorod and to produce a high quality nanorod.

Abstract

나노 로드 제조 방법이 제공된다. 나노 로드 제조 방법은 성장 기판 및 지지 기판을 제공하는 단계, 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계, 지지 기판의 일면에 희생층을 형성시키는 단계, 나노 소재층과 희생층을 본딩하는 단계, 성장 기판을 나노 소재층으로부터 분리하는 단계, 나노 소재층을 평탄화하는 단계, 나노 소재층을 식각하여 나노 로드를 형성하는 단계 및 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계를 포함한다.

Description

나노 로드 제조방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드
본 발명은 나노 로드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드에 관한 것이다.
나노 로드는 수십에서 수백 나노미터의 직경을 가지면서 큰 종횡비를 가지는 나노 크기의 구조체로서 이를 이용한 소자는 그 응용에 따라 전계효과트랜지스터(FET), 전계방출소자(FED), 발광다이오드(LED), 태양전지(Solar cell), 가스센서, 화학센서 및 바이오센서 등 여러 분야에 사용되고 있다.
이러한 나노 로드의 합성은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 이는 금속촉매를 사용하는 증기-액체-고체(vapor-liquid-solid, VLS) 메카니즘을 이용하는 기상법과 용액을 사용하는 액상법이 있다.
기상법은 높은 열을 이용하여 재료를 기체 상태로 만들고, 기체 상태의 원자들이 응축하면서 여러 형태의 나노로드를 합성하는 방법이다. 이 방법은 나노로드의 크기나 특성을 제어하고, 합성된 나노로드를 일정하게 정렬하는 것이 어렵다.
또한, 액상법에 의해 제조된 나노로드의 경우 기상법으로 합성한 나노로드에 비해 결함(defects)이 많아서 결정구조와 광학적 특성이 좋지 않고, 기상법과 마찬가지로 정렬 및 전극형성 공정이 어렵다는 문제점이 있다.
종래의 나노 로드의 제조 방법으로서 화학적 중합법, 전기화학적 중합법, 화학기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD), 탄소열환원법(carbothermal reduction) 등이 있으나, 이와 같은 방법들은 고품위 나노 로드를 얻기 위하여 높은 합성 온도가 요구되거나 반응 시간, 고가의 진공설비, 유해가스의 사용 등 많은 제약이 따른다.
또한, 종래는 기판에서 나노 로드를 분리하는 공정에서 표면 크랙(crack)이 발생하며, 강한 열 에너지 및 열 전달에 의해 손상 및 열 손상(thermal damage)을 입을 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 나노 로드의 불량률을 최소화하고 높은 품질의 나노 로드를 생산할 수 있는 나노 로드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 성장 기판 및 지지 기판을 제공하는 단계, 상기 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계, 상기 지지 기판의 일면에 희생층을 형성시키는 단계, 상기 나노 소재층과 상기 희생층을 본딩하는 단계, 상기 성장 기판을 상기 나노 소재층으로부터 분리하는 단계, 상기 나노 소재층을 평탄화하는 단계, 상기 나노 소재층을 식각하여 나노 로드를 형성하는 단계 및 상기 희생층을 제거하여 상기 나노 로드를 분리하는 단계를 포함하는 나노 로드 제조 방법이 제공된다.
이때, 상기 성장 기판은 유리기판, 수정기판, 사파이어 기판, 플라스틱 기판 및 구부릴 수 있는 유연한 폴리머 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 성장 기판은 질화 갈륨(GaN), 탄화 규소(SiC), 산화 아연(ZnO), 규소(Si), 인화 갈륨(GaP), 스피넬(MgAl2O4), 산화 마그네슘(MgO), 리튬 알루미네이트(LiAlO2), 리튬 갈레이트(LiGaO2), 비소화 갈륨(GaAs), 질화 알루미늄(AlN), 인화 인듐(InP) 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 지지 기판은 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘카바이드 기판, 실리콘 기판 및 금속 물질로 이루어진 도전성 기판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 나노 소재층은 산화 아연(ZnO), 질화 갈륨(GaN), 갈륨 비소(GaAs), 탄화 규소(SiC), 산화 주석(SnO2), 인화 갈륨(GaP), 인화 인듐(InP), 셀렌화 아연(ZnSe), 이황화 몰리브덴(MoS2) 및 규소(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 나노 소재층은 금속 유기화학 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 에피 성장시킬 수 있다.
이때, 상기 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계는 상기 나노 소재층의 증착 두께를 조절하여 나노 로드의 길이를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 희생층은 상기 나노 소재층과 접합시키기 위한 절연층 및 상기 절연층을 접합시키기 위해 상기 절연층 상부면에 증착된 금속층일 수 있다.
이때, 상기 희생층은 금(Au) 또는 타이타늄(Ti), 철(Fe) 및 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)일 수 있다.
이때, 상기 성장 기판을 상기 나노 소재층으로부터 분리하는 단계에서는 상기 성장 기판을 레이져 리프트 오프(laser lift-off, LLO)법, 화학적 분리 (chemical lift-off, CLO)법 및 전기화학적 분리법(electrochemical lift-off, ELO) 법으로 상기 나노 소재층으로부터 분리할 수 있다.
이때, 분리된 나노 소재층을 기계화학적 연마가공(Chemical Mechanical Polishing, CMP)법으로 평탄화 과정을 포함 할 수 있다.
이때, 상기 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계에서 상기 희생층이 실리콘 산화물인 때에는 완충 산화식각액(buffered oxide etchant, BOE)을 이용하여 상기 희생층을 제거할 수 있다.
이때, 상기 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계에서 상기 희생층이 금속층인 때에는 금속식각액(Metal Etchant)을 이용하여 상기 희생층을 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 나노 로드 제조 방법에 의해 제조된 나노 로드를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드는 희생층을 포함하여 지지 기판에서의 나노 로드 분리공정 시 나노 로드를 용이하게 분리하여 나노 로드의 불량률을 최소화하고 높은 품질의 나노 로드를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2(a) 내지 도 2(g)는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법에 의해 제조된 나노 로드를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조방법 및 이를 이용한 나노 로드를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법을 도시한 순서도이다. 도 2(a) 내지 도 2(g)는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법에 의해 제조된 나노 로드를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 나노 로드 제조 방법은 성장 기판 및 지지 기판을 제공하는 단계(S10), 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계(S20), 지지 기판의 일면에 희생층을 형성시키는 단계(S30), 나노 소재층과 희생층을 본딩하는 단계(S40), 성장 기판을 나노소재층으로부터 분리하는 단계(S50), 나노소재층을 평탄화하는 단계(S60), 나노 소재층을 식각하여 나노 로드를 형성하는 단계(S70) 및 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계(S80)를 포함할 수 있다.
이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법은 지지 기판(13)에서 나노 로드(1)를 분리하는 공정에 의한 나노 로드의 불량률을 최소화하고 높은 품질의 나노 로드를 생산할 수 있다.
도 1 및 도 2(a)를 참고하면, 성장 기판 및 지지 기판 제공 단계(S10)에서는 나노 소재층(15)을 성장시키기 위한 성장 기판(11) 및 희생층(17, 19)이 형성되도록 지지하기 위한 지지 기판(13)을 제공한다.
한편, 도 2(a)를 참고하면, 성장 기판(11)은 유리기판, 수정기판, 사파이어 기판, 플라스틱 기판 및 구부릴 수 있는 유연한 폴리머 필름 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 성장 기판은 투과성 기판을 포함할 수 있다.
이때, 성장 기판은 질화 갈륨(GaN), 탄화 규소(SiC), 산화 아연(ZnO), 규소(Si), 인화 갈륨(GaP), 스피넬(MgAl2O4), 산화 마그네슘(MgO), 리튬 알루미네이트(LiAlO2), 리튬 갈레이트(LiGaO2), 비소화 갈륨(GaAs), 질화 알루미늄(AlN), 인화 인듐(InP) 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만 성장 기판(11)은 나노 소재층(15)을 에피(epi) 성장시킬 수 있으면 제한되지 않는다.
한편, 도 2(a)를 참고하면, 지지 기판(13)은 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘카바이드 기판, 실리콘 기판 및 금속 물질로 이루어진 도전성 기판 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 지지 기판(13)은 PCB 등과 같은 회로 기판 및 세라믹을 포함하는 세라믹 기판일 수도 있다.
도 1 및 도 2(b)를 참고하면, 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계(S20)에서는 성장 기판(11)의 일면에 나노 로드(1)의 소재가 되는 나노 소재층(15)을 에피 성장시킬 수 있다.
이때, 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계(S20)는 나노 소재층의 증착 두께를 조절하여 나노 로드의 길이를 조절하는 단계(S21)를 포함할 수 있다.
또한, 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계(S20)에서는 성장 기판(11)의 일면 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상부면에 나노 소재층(15)을 에피 성장시킬 수 있다.
이때, 에피 성장(Epitaxial growth)이란 어떤 결정의 기판 위에 같은 재료나 다른 재료의 결정을 특정 방향으로 성장시키는 것으로 에피텍시(Epitaxy)라고도 한다.
또한, 기판 위에 같은 재료의 결정을 성장시키는 것을 호모에피텍시(homoepitaxy) 또는 간단히 EPI 라고 하고, 만일 다른 재료의 결정을 성장시키는 것은 헤테로에피텍시(heteroepitaxy)라 한다.
한편, 나노 소재층(15)은 나노 로드(1)를 구성하는 나노 소재 물질로써 산화 아연(ZnO), 질화 갈륨(GaN), 갈륨 비소(GaAs), 탄화 규소(SiC), 산화 주석(SnO2), 인화 갈륨(GaP), 셀렌화 아연(ZnSe), 이황화 몰리브덴(MoS2) 및 규소(Si) 중 어느 하나를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서 나노 소재층(15)은 수직 성장될 수 있고, 종횡비가 큰 나노 로드를 구성할 수 있는 모든 종류의 나노 소재일 수 있다.
한편, 도 1을 참고하면, 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계(S20)에서 사용되는 증착 방법은 원자층 증착법(ALD), 리액티브 스퍼터링 (reactive sputtering), 이온 임플란테이션 (ion implantation), 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering), 레이져 증착법 (laser ablation), 이온 빔 증착법 (ion beam deposition), 화학증착법(chemical vapor deposition) 및 플라즈마 화학증착법 (plasma enhanced CVD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다만, 바람직하게는 본 발명의 일 실시예에 따른 에피 성장은 금속유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)이 사용될 수 있다. 즉, 나노 소재층(15)은 금속 유기 화학 기상증착 장치를 이용하여 에피 성장시킬 수 있다.
이때, 유기 금속 화학 기상 장치에 사용되는 유기 금속 화합물은 트리메틸 갈륨(Ga(CH3)3), 트리메틸 알루미늄(Al(CH3)3), 트리에틸 인산염((C2H5O)3PO)과 같이 메틸이나 에틸 등 알킬기를 갖는 화합물을 원료로 사용할 수 있다.
한편, 나노 소재층(15)은 이후의 공정을 통해 나노 로드(1)를 형성하기 위한 층이다. 본 발명의 일 실시예에서 나노 소재층의 증착 두께를 조절하여 나노 로드의 길이를 조절하는 단계(S21)에서는 나노 소재층(15)의 두께는 이후의 공정을 통해 형성되는 나노 로드(1)의 길이에 해당하게 되므로, 나노 소재층(15)의 증착 두께를 조절하여 나노 로드(1)의 길이를 조절한다.
본 발명의 일 실시예에서 성장 기판(11)과 나노 소재층(15) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 이때, 버퍼층은 성장 기판(11)과 나노 소재층(15)의 격자불일치를 최소화하기 위해 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2(b)를 참고하면, 지지 기판의 일면에 희생층을 형성시키는 단계(S30)에서는 지지 기판(13) 일면 예를 들어 도 2(b)에 도시된 바와 같이 상부면에 희생층을 형성시킬 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서 희생층은 금속층(19) 및 절연층(17)으로서 금속과 산화물, 질화물을 이용할 수 있으며 금(Au), 타이타늄(Ti) 또는 철(Fe) 및 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
또한, 희생층은 나노 소재층(15)과 절연층(17)을 접합시키기 위해서 절연층 위에 금속층(19)을 얇게 증착할 수 있다.
한편, 지지 기판(13)의 상부면에 희생층을 형성시킬 때 지지 기판(13) 상부면에 본딩층(미도시)이 구비되어 지지 기판(13)과 희생층을 결합할 수 있으나 본딩층이 없어도 체결될 수 있는 구조 또는 재료로 이루어진 경우에는 생략될 수 있다.
도 1 및 도 2(c)를 참고하면, 나노 소재층과 희생층을 본딩하는 단계(S40)에서는 나노 소재층(15)의 상부면과 금속층(19)의 상부면을 본딩하여 나노 소재층과 절연층을 접합한다.
이는 이후의 나노 소재층을 식각하여 나노 노드를 형성할 때 희생층인 금속층(19) 및 절연층(17)은 식각 중지층일 수 있다. 따라서 나노 소재층(15)의 식각액이 지지 기판(13)에 침투되지 않도록 한다.
한편, 도 1 및 도 2(d)를 참고하면, 성장 기판을 나노 소재층으로부터 분리시키는 단계(S50)에서는 성장 기판(11)을 나노 소재층(15)으로부터 분리한다.
이때, 성장 기판(11)을 나노 소재층(15)으로부터 분리하는 방법으로는 레이져 리프트 오프(laser lift-off, LLO)법, 화학적 분리 (chemical lift-off, CLO)법 및 전기화학적 분리(electrochemical lift-off, ELO)법일 수 있다.
이때, 레이져 리프트 오프(LLO)법은 성장 기판(11) 상에 나노 소재층(15)을 성장시키고, 나노 소재층 상에 희생층(17)을 본딩한 후, 레이저 빔을 조사하여 나노 소재층을 성장 기판으로부터 분리하는 기술이다.
이때, 화학적 분리(CLO)법은 성장 기판(11)상에 희생층을 성장 시킨 후 나노 소재층(15)을 성장시키고, 나노 소재층 상에 희생층을 본딩한 후, 식각액을 이용하여 나노 소재층을 성장 기판으로부터 분리하는 기술이다. 이때 식각액은 희생층과 선택적으로 식각되게 한다.
이때, 전기화학적 분리(ELO)법은 성장 기판(11) 상에 나노 소재층(15)을 성장시키고, 금속(Metal)양극을 이용하여 전기화학적 식각으로 다공성 나노 소재층(15)를 만든다. 이 후 나노 소재층(15)을 재성장 시키고, 나노 소재층 상에 희생층을 본딩한 후, 나노 소재층을 성장 기판으로부터 분리하는 기술이다.
이때, 분리된 나노 소재층을 평탄화하는 단계(S60)에서는 기계화학적 연마가공(Chemical Mechanical Polishing, CMP)법으로 평탄화 과정을 수행할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2(e)를 참고하면, 나노 소재층을 식각하여 나노 로드를 형성하는 단계(S70)에서는 나노 소재층(15)을 식각할 때 식각액을 주입하거나 주입하지 않은 상태에서 선택적으로 식각되게 하여 나노 로드(1)를 형성한다.
이때, 나노 소재층(15)와 선택적으로 식각되는 마스크 소재층을 형성하며, 마스크 소재층은 절연층으로서 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이때, 식각 용액은 황산, 인산 또는 수산화 칼륨, 수산화 나트륨 포함할 수 있다. 한편, 나노 소재층(15)은 탑 다운(top-down)방식으로 건식 식각되어 수직 성장된 나노 로드(1)가 형성된다.
이 탑 다운(top-down)방식은 대면적 유리기판의 써브-픽셀 위치에 탑 다운 (top-down) 방식으로 제조한 마이크로 LED 소자 한 개씩 배열하는 일대일 대응 방식으로 디스플레이를 구현하는 방법이다. 다만 이때 나노 로드(1)의 일단부는 희생층과 접합되어 있다.
여기서, 건식 식각에 사용되는 식각 가스는 염소(Cl2)나 탄화수소(CH4)계열의 가스일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서 희생층은 식각 용액으로 나노 소재층(15)을 식각할 때 식각 용액에 식각되지 않는 식각 중지층의 역할을 한다.
또한, 식각 공정은 건식 식각법 및 습식 식각법이 이용될 수 있다. 이때 건식 식각법은 습식 식각법과 달리, 일방성 식각이 가능하고, 습식 식각법은 등방성(isotropic) 식각이 이루어져, 모든 방향으로 식각이 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2(f)를 참고하면 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계(S80)에서는 나노 로드(1)의 일단부와 접합된 희생층을 제거하여 지지 기판(13)에서 나노 로드(1)를 용이하게 분리한다.
이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법은 나노 로드의 불량률을 최소화하고 높은 품질의 나노 로드를 생산할 수 있다.
이때, 희생층이 절연층(17)인 실리콘 산화물로 이루어진 경우에는 완충 산화식각액 (buffered oxide etchant, BOE)을 이용하여 희생층을 제거할 수 있다.
이때, 산화 식각액의 불산(HF)이 절연층(17)인 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)과 선택적으로 반응하여 사불화 실리콘 테트라화물(SiF4)을 형성함으로써 희생층을 제거한다.
이때, 희생층이 금속층(19)인 경우에는 금속식각액(Metal Etchant)을 이용하여 상기 희생층을 제거할 수 있다. 이때, 희생층을 식각하여 제거하는 방법은 BOE에 기판을 담가서 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드는 희생층을 포함하여 지지 기판에서의 나노 로드 분리공정 시 나노 로드를 용이하게 분리하여 나노 로드의 불량률을 최소화하고 높은 품질의 나노 로드를 생산할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시예는 나노 로드의 불량률을 최소화하고 높은 품질의 나노 로드를 생산할 수 있는 나노 로드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 로드를 제공하고자 한다.

Claims (14)

  1. 성장 기판 및 지지 기판을 제공하는 단계;
    상기 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계;
    상기 지지 기판의 일면에 희생층을 형성시키는 단계;
    상기 나노 소재층과 상기 희생층을 본딩하는 단계;
    상기 성장 기판을 상기 나노 소재층으로부터 분리하는 단계;
    상기 나노 소재층을 평탄화하는 단계;
    상기 나노 소재층을 식각하여 나노 로드를 형성하는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 상기 나노 로드를 분리하는 단계를 포함하는 나노 로드 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 성장 기판은 유리기판, 수정기판, 사파이어 기판, 플라스틱 기판 및 구부릴 수 있는 유연한 폴리머 필름 중 적어도 하나를 포함하는 나노 로드 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 성장 기판은 질화 갈륨(GaN), 탄화 규소(SiC), 산화 아연(ZnO), 규소(Si), 인화 갈륨(GaP), 스피넬(MgAl2O4), 산화 마그네슘(MgO), 리튬 알루미네이트(LiAlO2), 리튬 갈레이트(LiGaO2), 비소화 갈륨(GaAs), 질화 알루미늄(AlN), 인화 인듐(InP) 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 나노 로드 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘카바이드 기판, 실리콘 기판 및 금속 물질로 이루어진 도전성 기판 중 적어도 하나를 포함하는 나노 로드 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 소재층은 산화 아연(ZnO), 질화 갈륨(GaN), 갈륨 비소(GaAs), 탄화 규소(SiC), 산화 주석(SnO2), 인화 갈륨(GaP), 인화 인듐(InP), 셀렌화 아연(ZnSe), 이황화 몰리브덴(MoS2) 및 규소(Si) 중 적어도 하나를 포함하는 나노 로드 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 소재층은 금속 유기화학 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 에피 성장시키는 나노 로드 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 성장 기판의 일면에 나노 소재층을 에피 성장시키는 단계는 상기 나노 소재층의 증착 두께를 조절하여 나노 로드의 길이를 조절하는 단계를 포함하는 나노 로드 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 희생층은 상기 나노 소재층과 접합시키기 위한 절연층 및 상기 절연층을 접합시키기 위해 상기 절연층 상부면에 증착된 금속층인 나노 로드 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 희생층은 금(Au) 또는 타이타늄(Ti), 철(Fe) 및 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)인 나노 로드 제조 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 성장 기판을 상기 나노 소재층으로부터 분리하는 단계에서는 레이져 리프트 오프(laser lift-off, LLO)법, 화학적 분리(chemical lift-off, CLO)법 및 전기화학적 분리법(electrochemical lift-off, ELO)법 중 하나로 상기 성장 기판을 상기 나노 소재층으로부터 분리하는 나노 로드 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 나노 소재층을 평탄화하는 단계에서는 상기 성장 기판으로부터 분리된 나노 소재층을 기계화학적 연마가공(Chemical Mechanical Polishing, CMP)법으로 평탄화하는 나노 로드 제조 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계에서 상기 희생층이 실리콘 산화물인 때에는 완충 산화식각액(buffered oxide etchant, BOE)을 이용하여 상기 희생층을 제거하는 나노 로드 제조 방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 희생층을 제거하여 나노 로드를 분리하는 단계에서 상기 희생층이 금속층인 때에는 금속식각액(Metal Etchant)을 이용하여 상기 희생층을 제거하는 나노 로드 제조 방법.
  14. 제1 항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 나노 로드 제조 방법에 의해 제조된 나노 로드.
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