KR100405974B1 - 카본나노튜브의 수평 성장 방법 - Google Patents

카본나노튜브의 수평 성장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법은, 기판 상에 나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire)의 형상으로 촉매를 형성시키고, 나노점 또는 나노선의 수직 방향 성장이 억제되도록 나노점 또는 나노선 위에 성장 억제층을 패터닝하여, 나노점 또는 나노선에서 선택적으로 카본나노튜브를 수평 성장시킨다.
여기서, 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 금속과 또는 이들의 합금 성분으로 형성되며, 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 임프린트( imprint) 방법 또는 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법 등으로 패터닝된다.
또한, 본 발명에 따른 카본나노튜브 수평 성장의 다른 방법은, 기판 상에 나노선(nano wire)의 형상으로 촉매를 형성시키는 단계와; 나노선 형상의 촉매 위에, 리소그라피 등의 반도체 공정을 통하여, 소정 간격이 마련된 성장 억제층을 형성하는 단계와; 습식 에칭(wet etching)을 통하여, 성장 억제층이 형성되지 않은 영역의 나노선 형상의 촉매를 제거하는 단계; 및 화학적기상증착법을 이용하여, 소정 간격이 마련된 성장 억제층 아래에 형성되어 있는 촉매 간에 카본나노튜브를 수평 성장시키는 단계를 포함한다.

Description

카본나노튜브의 수평 성장 방법{Method for developing carbon nanotube horizontally}
본 발명은 카본나노튜브(CNT:Carbon NanoTube)의 성장 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 관한 것으로, 특히 원하는 특정 위치에 촉매를 나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire)으로 형성시킴으로써, 특정 위치에 카본나노튜브를 선택적으로 성장시켜 나노 디바이스 제조에 유용하게 이용될 수 있는 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 관한 것이다.
카본나노튜브는 일차원 양자선(One-dimensional Quantum Wire) 구조를 가지고 있으며 기계적, 화학적 특성이 우수하고, 일차원에서의 양자 수송(quantum transport) 현상을 보이는 등 매우 흥미로운 전기적 특성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 상기 특성 외에도 새로이 발견되고 있는 특수한 성질들이 있어 새로운 신소재로서 많은 주목을 받고 있다.
또한 초고집적 회로용, 나노 크기의 테라비트(Terabit) 급 메모리 소자를 제작하는데 있어, 카본나노튜브를 이용하는 방법으로는 화학적 기상 증착법을 이용한 수직 및 수평 성장방법으로 기판 위에 직접적으로 성장시키는 방법과 이미 성장된 카본나노튜브를 개별 조작하여 기판 위에 부착하는 방법이 이용된다. 도 1은 종래의 카본나노튜브를 개별 조작하여 미리 형성된 전극에 붙이는 모습을 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 선택적 수평 성장법에 의하여 성장된 카본나노튜브의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, AFM(Atomic Force Microscope) 팁(tip)을 이용하여 카본나노튜브를 개별 조작하여 미리 형성된 전극에 붙일 수는 있지만, 이러한 개별 조작방식은 일반적으로 미래의 집적화된 소자에 이용되기에는 어려운 방식으로 분류되고 있다.
한편, 패턴(pattern)된 금속 사이로 카본나노튜브가 수평 성장되어 연결될 수 있다는 보고는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 홍지다이(Hong Jie Die)에 의해서 최초로 수행되었다(Nature Vol.395, p878). 도 3은 홍지다이에 의해 보고된 카본나노튜브의 수평 성장 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 그런데, 도 3에 나타낸 바와 같이, 무수히 많은 카본나노튜브가 수평 방향뿐만 아니라, 수직 방향으로도 자라나고 있다.
이에 본 연구실의 선행 발명(대한민국 출원번호 10-2000-0041012, 출원일 2000년 7월 18일)에서는 카본나노튜브가 원하지 않는 방향으로 성장되는 것을 방지하기 위하여, 성장 방지막으로 실리콘 산화막을 증착시키고, 카본나노튜브가 성장될 수 있는 공간을 선택적으로 마련함으로써. 카본나노튜브의 선택적 수평 성장법을 실현하였다. 도 4는 종래의 성장 방지막을 이용하여 카본나노튜브를 선택적으로 수평 성장시키는 방법을 개념적으로 나타낸 도면이다.
그런데, 이와 같은 카본나노튜브의 수평 성장 방법을 이용하여 카본나노튜브를 수평 방향으로 성장시키는 경우에 있어서도, 카본나노튜브를 원하는 위치(나노 스케일)에서 선택적으로 수평 성장시키는 데는 많은 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 원하는 특정 위치에 촉매를 나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire)으로 형성시킴으로써, 특정 위치에 카본나노튜브를 선택적으로 성장시켜 나노 디바이스 제조에 유용하게 이용될 수 있는 카본나노튜브의 수평 성장 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 카본나노튜브를 개별 조작하여 미리 형성된 전극에 붙이는 과정을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 선택적 수평 성장법에 의하여 성장된 카본나노튜브의 모습을 나타낸 도면.
도 3은 홍지다이(Hong Jie Die)에 의해 보고된 카본나노튜브의 수평 성장 방법을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 종래의 성장 방지막을 이용하여 카본나노튜브를 선택적으로 수평 성장시키는 방법을 개념적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 의하여, 원하는 위치에서 카본나노튜브를 수평 성장시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 카본나노튜브 수평 성장의 다른 방법에 의하여, 원하는 위치에서 카본나노튜브를 수평 성장시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 있어, 나노점 또는 나노선을 형성하기 위한 임프린트(imprint) 공정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 있어, 나노점 또는 나노선을 형성하기 위한 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법을 개략적으로 나타낸 도면.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법은, 기판 상에 나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire)의 형상으로 촉매를 형성시키고, 상기 나노점 또는 나노선의 수직 방향 성장이 억제되도록 상기 나노점 또는 나노선 위에 성장 억제층을 패터닝하여, 상기 나노점 또는 나노선에서 선택적으로 카본나노튜브를 수평 성장시키는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 금속과 또는 이들의 합금 성분으로 형성되며, 상기 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 임프린트(imprint) 방법 또는 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법 등으로 패터닝되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 성장 억제층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiN)의 절연체로 형성될 수도 있으며, 몰리브데늄(Mo), 니오비움(Nb), 팔라디움(Pd) 등의금속으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 카본나노튜브 수평 성장의 다른 방법은,
기판 상에 나노선(nano wire)의 형상으로 촉매를 형성시키는 단계와;
상기 나노선 형상의 촉매 위에, 리소그라피 등의 반도체 공정을 통하여, 소정 간격이 마련된 성장 억제층을 형성하는 단계와;
습식 에칭(wet etching)을 통하여, 상기 성장 억제층이 형성되지 않은 영역의 상기 나노선 형상의 촉매를 제거하는 단계; 및
화학적기상증착법을 이용하여, 소정 간격이 마련된 상기 성장 억제층 아래에 형성되어 있는 상기 촉매 간에 카본나노튜브를 수평 성장시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 나노선 형상의 촉매는 임프린트(imprint) 방법 또는 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법 등으로 패터닝되는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 원하는 특정 위치에 촉매를 나노점 또는 나노선으로 형성시킴으로써, 특정 위치에 카본나노튜브를 선택적으로 성장시켜 나노 디바이스 제조에 유용하게 이용될 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 의하여, 원하는 위치에서 카본나노튜브를 수평 성장시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 산화막이 형성된 실리콘 기판 위에나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire)의 형상으로 패턴된 촉매금속을 증착한다. 이때, 일반적으로 촉매금속으로는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 금속과 또는 이들의 합금 성분을 사용한다.
그리고, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 나노점 또는 나노선 위에 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 질화막(SiN)의 절연체 또는 몰리브데늄(Mo), 니오비움(Nb), 팔라디움(Pd) 등으로 성장 억제층을 증착시킨다. 이는 상기 촉매에서 카본나노튜브가 수직 방향으로 성장되는 것을 억제하는 역할을 하며, 금속의 경우에는 전극으로서의 역할을 동시에 수행한다. 이때, 상기 성장 억제층은 일반적인 반도체 공정(PR 공정, 리소그라피 공정)을 통하여 원하는 모양으로 패터닝될 수 있다.
이에 따라, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 성장 억제층이 패턴으로 형성된 기판 위에서 화학적 기상증착법를 통하여 카본나노튜브를 상기 촉매로부터 수평 방향으로 성장시킬 수 있게 된다.
도 6 및 도 7은 촉매 금속이 나노선(nano wire)으로 형성된 경우에 있어, 수평 방향으로 선택적인 카본나노튜브를 성장키는 방법을 나타낸 도면으로서, 습식 에칭(wet etching)을 통하여 촉매 형성 위치를 조절할 수 있는 방법에 관한 것이다.
먼저, 도 6(a) 및 도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 산화막이 형성된 실리콘 기판 위에 나노선(nano wire) 형상으로 패턴된 촉매 금속을 증착시킨다. 이때, 일반적으로 촉매금속으로는 니켈(Ni), 코발트 (Co), 철(Fe) 등의 금속과 또는 이들의합금 성분을 사용한다.
그리고, 도 6(b) 및 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 나노선 형상의 촉매 위에 산화막(SiO2)이나 실리콘 질화막(SiN)의 절연체 또는 몰리브데늄(Mo), 니오비움(Nb), 팔라디움(Pd) 등으로 소정 간격이 마련된 성장 억제층을 증착시킨다. 이는 상기 촉매에서 카본나노튜브가 수직 방향으로 성장되는 것을 억제하는 역할을 하며, 금속의 경우에는 전극으로서의 역할을 동시에 수행한다.
이는 일반적인 반도체 공정(PR 공정, 리소그라피 공정)을 통하여 원하는 형상으로 패터닝될 수 있다. 여기서, 도 7(b)는 패턴을 형성하는 과정에서 오차가 발생된 경우를 나타낸 것으로서, 성장 억제층을 패터닝하는 과정에서 원치 않는 영역에 촉매가 노출되어 있는 경우이다.
그리고, 도 6(c) 및 도 7(c)에 나타낸 바와 같이, 습식 에칭(wet etching)을 통하여, 상기 성장 억제층이 형성되지 않은 영역의 상기 나노선 형상의 촉매(원하지 않는 부분의 촉매 금속)를 제거한다. 이때, 습식 에칭을 수행하는 경우에는, 등방성 식각이 이루어지기 때문에 촉매 금속은 성장 억제층 안쪽으로 더 파이게 되어(도 6(c) 참조), 카본나노튜브를 수직으로 성장하지 못하게 하는 성장 방지막의 역할이 더 증대된다.
또한, 나노선(nano wire) 형상으로 촉매가 형성되는 경우에는, 나노점(nano dot)과 달리 과다 에칭이 발생되어도, 카본나노튜브가 성장될 수 있는 촉매 금속이 기판에 남아 있게 되고, 더 효과적인 성장 억제층을 형성할 수 있게 된다. 그리고,도 7(b) 및 도 7(c)에 나타낸 바와 같이, 리소그라피 공정에서 성장 억제층의 패턴이 잘못 형성된 경우에도, 습식 에칭을 이용하면 리소그라피 공정에서 발생된 오차를 해소할 수 있게 된다.
이에 따라, 화학적 기상증착법을 이용하여, 소정 간격이 마련된 상기 성장 억제층 아래에 형성되어 있는 상기 촉매 간에 카본나노튜브를 수평 성장시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 도 5 내지 도 7에 있어서, 기판 위에 촉매를 나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire) 형상으로 패턴을 형성하는 방법으로는 다음과 같은 공지된 방법들이 이용될 수 있다.
하나는 도 8에 나타낸 바와 같은 나노 임프린트(nano imprint) 방법을 이용하는 것이다. 도 8은 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 있어, 나노점 또는 나노선을 형성하기 위한 임프린트(imprint) 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
나노 임프린트 방법은, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 나노 패턴이 새겨져 있는 스탬프를 고분자 박막 위에 눌러서 나노미터 크기의 고분자 패턴을 만들어 대면적 웨이퍼에 적용할 수 있는 각인공정법이다. 이는, 기존의 광미세 가공기술에 의한 대면적 나노패턴 형성공정에 비하여 대폭 간소화된 공정으로 수십 nm 정도의 패턴을 간단히 제작하기 위한 것이다.
또한, 도 9에 나타낸 바와 같은, 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법을 이용하여 나노점 또는 나노선의 촉매 패턴을 형성시킬 수 있다. 도 9는 본 발명에 따른카본나노튜브의 수평 성장 방법에 있어, 나노점 또는 나노선을 형성하기 위한 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이러한 셀프 어셈블리 방법은 기판(Si 또는 Au와 같은 금속) 위의 표면에 화학흡착을 이루는 특정물질(surface-active headgroup; 대부분이 organic molecules으로 단분자 층으로 흡착)을 코팅한 다음, 입히고자 하는 물질과 연결시켜 주는 알킬(alkyl) 계의 물질을 코팅하고, 막의 특성을 갖는 물질(surface group)을 입히는 방법으로 단층에서 여러 층까지 초미세 박막을 제조할 수 있다.
즉, 기판에 흡착할 수 있는 특정 물질을 깔고, 증착하고자 하는 박막의 물질과 다리 역할을 해주는 물질을 깔고, 그 다음 원하는 박막 물질을 증착하는 순서로 이루어진다. 표면에 화학흡착을 하는 특정물질을 증착한 후, 이를 STM(Scanning Tunneling Microscopy)/AFM(Atomic Force Microscope)으로 패터닝한다면 원하는 패턴으로 초미세 박막을 제조할 수 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 카본나노튜브의 수평 성장 방법에 의하면, 원하는 특정 위치에 촉매를 나노점 또는 나노선으로 형성시킴으로써, 특정 위치에 카본나노튜브를 선택적으로 성장시켜 나노 디바이스 제조에 유용하게 이용될 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 나노점(nano dot) 또는 나노선(nano wire)의 형상으로 촉매를 형성시키고, 상기 나노점 또는 나노선의 수직 방향 성장이 억제되도록 상기 나노점 또는 나노선 위에 성장 억제층을 패터닝하여, 상기 나노점 또는 나노선에서 선택적으로 카본나노튜브를 수평 성장시키는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 금속 또는 이들의 합금 성분으로 형성되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 임프린트(imprint) 방법으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노점 또는 나노선 형상의 촉매는 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 성장 억제층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiN)의 절연체로 형성되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 성장 억제층은 몰리브데늄(Mo), 니오비움(Nb), 팔라디움(Pd) 등의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  7. 기판 상에 나노선(nano wire)의 형상으로 촉매를 형성시키는 단계와;
    상기 나노선 형상의 촉매 위에, 리소그라피 등의 반도체 공정을 통하여, 소정 간격이 마련된 성장 억제층을 형성하는 단계와;
    습식 에칭(wet etching)을 통하여, 상기 성장 억제층이 형성되지 않은 영역의 상기 나노선 형상의 촉매를 제거하는 단계; 및
    화학적기상증착법을 이용하여, 소정 간격이 마련된 상기 성장 억제층 아래에 형성되어 있는 상기 촉매 간에 카본나노튜브를 수평 성장시키는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 나노선 형상의 촉매는 임프린트(imprint) 방법으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 나노선 형상의 촉매는 셀프 어셈블리(self-assembly) 방법으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브의 수평 성장 방법.
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