KR100745755B1 - 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 위에 순차적으로 촉매금속층과 산화알루미늄층을 형성하는 단계, 상기 산화알루미늄층을 아노다이징 처리하여 상기 촉매금속층을 노출시키는 미세홀들을 갖는 다공성의 산화알루미늄층으로 변화시키는 단계, 상기 노출된 촉매금속층 위에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계, 상기 산화알루미늄층 위에 포토레지스트를 도포하여 프로브팁으로 이용할 탄소나노튜브를 선택적으로 마스킹(masking)하는 단계, 상기 포토레지스트에 의해 덮히지 않은 산화알루미늄층의 상면으로부터 소정깊이를 건식식각하여 상기 기판을 노출시키는 단계, 상기 건식식각에 의해 노출된 기판면을 등방성 언더컷 식각하여 상기 탄소나노튜브를 지지하는 선단부를 형성하는 단계, 상기 등방성 언더컷 식각에 의해 노출된 촉매금속층을 식각하여 상기 탄소나노튜브를 둘러싸는 산화알루미늄층의 저면을 노출시키는 단계, 상기 산화알루미늄층을 습식식각하여 산화알루미늄층 및 그 위에 있는 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법{Fabrication method of carbon nanotube probe tip}
도 1a 내지 도 1n은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 팁의 제조방법을 보여주는 공정흐름도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10:기판 12:촉매금속층
14, 15:산화알루미늄층 15a:미세홀
20:탄소나노튜브 30:포토레지스트
본 발명은 스캐닝 프로브 마이크로스코피(SPM; Scanning Probe Microscopy)에 이용되는 프로브팁의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정보의 기록/재생 밀도 및 프로브의 균일도를 높일 수 있는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법에 관한 것이다.
프로브는 여러 SPM 기술에 이용될 수 있다. 예를 들어, 프로브와 시료 사이에 인가되는 전압차이에 따라 흐르는 터널 전류를 검출하여 표면형상을 이미징하는 STM(Scanning Transmission Microscope), 프로브와 시료 사이의 원자적 힘을 이용하는 AFM(Atomic Force Microscope), 시료의 자기장과 자화된 탐침간의 힘을 이용하는 MFM(Magnetic Force Microscope), 가시광선의 파장에 의한 해상도 한계를 개선한 SNOM(Scanning Near-Field Optical Microscope), 시료와 프로브간의 정전력을 이용한 EFM(Electrostatic Force Microscope)등에 이용된다.
또한, 최근에는 SPM에 기초한 기록 재생 기술도 등장하고 있다. 최근에, 하드 디스크 (HDD)의 기록밀도 증가 추이가 둔화되면서, 1 Tb/in2 이상의 초고밀도를 달성할 수 있는 후보로 열보조 기록방식(HAMR)과 프로브 방식(Probe Storage)이 제안되고 있다. 이 중에서, SPM 기술을 이용하여 정보를 고속 고밀도로 기록 및 재생하기 위해서는, 프로브의 구조 또는 그 제조공정상에 있어서 두 가지의 중요한 해결과제가 요구된다. 첫째로, 수 내지 수십 나노미터 직경의 작은 영역을 기록/재생하기 위해 프로브팁이 첨예하고 미세해야 한다. 둘째로, 정보의 기록 및 재생속도를 향상시키기 위해 멀티 프로브 어레이의 제조가 용이해야 하는데, 이 경우, 제조공정이 용이할 뿐만 아니라 프로브들 간의 높이 편차를 줄여 프로브의 균일도를 향상시킬 수 있어야 한다. 따라서, 이들 요구조건을 충족시킬 수 있는 프로브팁의 구조개선 및 그 제조기술 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 정보의 기록/재생 밀도 및 프로브의 균일도를 높일 수 있는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법 을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법은,
기판을 준비하는 단계;
상기 기판 위에 순차적으로 촉매금속층과 산화알루미늄층을 형성하는 단계;
상기 산화알루미늄층을 아노다이징 처리하여 상기 촉매금속층을 노출시키는 미세홀들을 갖는 다공성의 산화알루미늄층으로 변화시키는 단계;
상기 노출된 촉매금속층 위에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
상기 산화알루미늄층 위에 포토레지스트를 도포하여 프로브팁으로 이용할 탄소나노튜브를 선택적으로 마스킹(masking)하는 단계;
상기 포토레지스트에 의해 덮히지 않은 산화알루미늄층의 상면으로부터 소정깊이를 건식식각하여 상기 기판을 노출시키는 단계;
상기 건식식각에 의해 노출된 기판면을 등방성 언더컷 식각하여 상기 탄소나노튜브를 지지하는 선단부를 형성하는 단계;
상기 등방성 언더컷 식각에 의해 노출된 촉매금속층을 식각하여 상기 탄소나노튜브를 둘러싸는 산화알루미늄층의 저면을 노출시키는 단계; 및
상기 산화알루미늄층을 습식식각하여 산화알루미늄층 및 그 위에 있는 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함한다. 바람직하게, 상기 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법은 상기 산화알루미늄층 위에 포토레지스트를 도포하기 이전에, 상기 산화알루미늄층의 상면을 평탄화하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 산 화알루미늄층의 상면을 평탄화하는 단계;는 CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 수행될 수 있다.
여기에서, 상기 촉매금속층은 Ni, 인바(invar), Fe, Co 및 Au 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속으로 형성된다. 그리고, 상기 건식식각은 반응성 이온 식각에 의해 수행된다. 바람직하게, 상기 등방성 언더컷 식각에서 에천트로 KOH 또는 NaOH를 이용할 수 있으며, 상기 촉매금속층의 식각에서 에천트로 질산과 플루오르화수소산과 증류수의 제1 혼합용액, FeCl3 용액 또는 HgCl2 용액을 이용할 수 있다. 또한, 상기 산화알루미늄층의 습식식각에서 에천트로 H3PO4와 Cr2O3와 증류수의 제2 혼합용액을 이용할 수 있으며, 이 때 상기 제2 혼합용액은 H3PO4 17.5㎖, Cr2O3 50g, 증류수 500㎖의 혼합비로 제조된다. 상기 제조방법에서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하며, 상기 탄소나노튜브의 성장은 화학기상증착에 의해 수행될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 정보의 기록/재생 밀도 및 프로브의 균일도를 높일 수 있는 탄소나노튜브 프로브팁을 얻을 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서, 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되게 도시된 것이다.
도 1a 내지 도 1n은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 팁의 제조방법을 보여주는 공정흐름도이다.
도 1a를 참조하면, 먼저 기판(10)을 준비한 후, 상기 기판(10) 위에 순차적으로 촉매금속층(12)과 산화알루미늄층(Al2O3, 14)을 형성한다. 여기에서, 각각의 층들은 반도체 공정에서 일반적으로 이용되는 박막증착방법, 예를 들어 PVD(physical vapor deposition) 또는 CVD(chemical vapor deposition)에 의해 형성될 수 있으며, 이들 방법은 널리 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 촉매금속층(12)은 일반적으로 CVD에 의한 탄소나노튜브(CNT; carbon nanotube)의 성장에 있어서, 저온성장에 중요한 역할을 하는 물질로 알려져 있으며, Ni, 인바(invar), Fe, Co 및 Au 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 촉매금속층(12)은 상기한 CVD, PVD 뿐만아니라 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating) 등과 같은 도포법에 의해서도 증착될 수 있다. 그리고, 상기 기판(10)으로 다양한 재질의 단결정 기판이 이용될 수 있으나, 일반적으로 이용되는 실리콘 웨이퍼를 선택하는 것이 바람직하다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 상기 산화알루미늄층(14)을 아노다이징(anodizing) 처리하여 상기 촉매금속층(12)을 노출시키는 미세홀(15a)들을 갖는 다공성의 산화알루미늄층(15)으로 변화시킨다. 상기 아노다이징(anodizing) 공정은 일반적으로 널리 알려진 공정이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 실시예에서, 상기 아노다이징 처리를 위해 불화수소(HF)와 에탄올이 혼합된 용 액이 이용되었으며, 아노다이징 처리의 결과로 다공성의 산화알루미늄층(15)을 얻을 수 있었다.
도 1d를 참조하면, 상기 미세홀(15a)들 내의 노출된 촉매금속층(12) 위에 플라즈마화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition) 등과 같은 화학기상증착(CVD)에 의해 탄소나노튜브(20)를 성장시킨다. CVD에 의한 탄소나노튜브(20)의 성장기술은 이미 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명이 생략될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브(20)를 성장시키기 위해 C2H2, CH4, C2H4, C2H6 및 CO 등의 소스가스가 이용될 수 있으며, 이들 소스가스를 플라즈마 분위기 또는 고온분위기에서 분해하여 탄소나노튜브(20)를 합성할 수 있다. 특히, 본 실시예에서, CVD의 경우 스텝커버리지(step coverage)가 우수하기 때문에, CVD에 의한 탄소나노튜브 성장기술을 이용할 경우 상기 미세홀(15a)들 내에 탄소나노튜브(20)가 충분히 성장될 수 있다.
도 1e 내지 도 1i를 참조하면, CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 상기 산화알루미늄층(15)의 상면을 평탄화한다. 그리고나서, 상기 산화알루미늄층(15) 위에 포토레지스트(30)를 도포하여 프로브팁으로 이용할 탄소나노튜브(20)를 선택적으로 마스킹(masking)한다. 그 다음에, 상기 포토레지스트(30)에 의해 덮히지 않은 산화알루미늄층의 상면으로부터 소정깊이를 반응성 이온식각(RIE; reactive ion etching)하여 상기 기판(10)을 노출시킨다.
도 1j 및 도 1k를 참조하면, 상기 반응성 이온식각에 의해 노출된 기판면을 KOH 또는 NaOH와 같은 에천트를 이용하여 등방성 언더컷 식각(isotropic undercut etching)함으로써, 상기 탄소나노튜브(20)를 지지하는 선단부(10a)를 형성한다. 이 때, 상기 등방성 언더컷 식각에 의한 선단부(10a) 형성의 결과로, 도 1k에 도시된 바와 같이 촉매금속층(12)의 저면이 부분적으로 노출될 수 있다.
도 1l 내지 도 1n을 참조하면, 상기 촉매금속층(12)의 노출된 부분을 식각하여 상기 탄소나노튜브(20)를 둘러싸는 산화알루미늄층(15)의 저면을 노출시킨다. 상기 촉매금속층(12)의 식각에서 에천트로 질산과 플루오르화수소산과 증류수의 제1 혼합용액, FeCl3 용액 또는 HgCl2 용액을 이용할 수 있다.
그리고나서, 상기 산화알루미늄층(15)의 저면에 에천트를 주입하여 상기 산화알루미늄층(15)을 습식식각함으로써, 산화알루미늄층(15) 및 그 위에 있는 포토레지스트(30)를 제거한다. 상기 산화알루미늄층(15)의 습식식각에서 에천트로 H3PO4와 Cr2O3와 증류수의 제2 혼합용액을 이용할 수 있다. 상기 제2 혼합용액은 H3PO4 17.5㎖, Cr2O3 50g, 증류수 500㎖의 혼합비로 제조된다.
상기와 같은 공정과정을 통하여, 정보의 기록/재생 밀도 및 프로브의 균일도를 높일 수 있는 탄소나노튜브 프로브팁을 얻을 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 첨예하고 미세한 탄소나노튜브 프로브팁을 얻을 수 있다. 이와 같은 탄소나노튜브 프로브팁은 그 크기가 종래 보다 소형화로 제조될 수 있어 정보를 고밀도로 기록/재생하는데 적합할 뿐만 아니 라, 그 제조공정이 간단하고 용이하다. 또한, 그 제조시에 기판 상에 성장되는 탄소나노튜브의 높이 제어가 용이하여, 멀티 프로브 어레이로 제조될 경우, 탄소나노튜브 프로브팁들 간의 높이 편차를 줄일 수 있으며, 그 결과 프로브의 균일도가 종래보다 향상될 수 있다.
이상에서, 이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 상기 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점이 이해되어야 할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 공정순서에만 국한되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 발명의 기술사상을 중심으로 보호되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 위에 순차적으로 촉매금속층과 산화알루미늄층을 형성하는 단계;
    상기 산화알루미늄층을 아노다이징 처리하여 상기 촉매금속층을 노출시키는 미세홀들을 갖는 다공성의 산화알루미늄층으로 변화시키는 단계;
    상기 노출된 촉매금속층 위에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
    상기 산화알루미늄층 위에 포토레지스트를 도포하여 프로브팁으로 이용할 탄소나노튜브를 선택적으로 마스킹(masking)하는 단계;
    상기 포토레지스트에 의해 덮히지 않은 산화알루미늄층의 상면으로부터 소정깊이를 건식식각하여 상기 기판을 노출시키는 단계;
    상기 건식식각에 의해 노출된 기판면을 등방성 언더컷 식각하여 상기 탄소나노튜브를 지지하는 선단부를 형성하는 단계;
    상기 등방성 언더컷 식각에 의해 노출된 촉매금속층을 식각하여 상기 탄소나노튜브를 둘러싸는 산화알루미늄층의 저면을 노출시키는 단계; 및
    상기 산화알루미늄층을 그 저면측으로부터 습식식각하여 산화알루미늄층 및 그 위에 있는 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 촉매금속층은 Ni, 인바(invar), Fe, Co 및 Au 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화알루미늄층 위에 포토레지스트를 도포하기 이전에, 상기 산화알루미늄층의 상면을 평탄화하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화알루미늄층의 상면을 평탄화하는 단계;는 CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 건식식각은 반응성 이온 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 등방성 언더컷 식각에서 에천트로 KOH 또는 NaOH를 이용하는 것을 특징 으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매금속층의 식각에서 에천트로 질산과 플루오르화수소산과 증류수의 제1 혼합용액, FeCl3 용액 또는 HgCl2 용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화알루미늄층의 습식식각에서 에천트로 H3PO4와 Cr2O3와 증류수의 제2 혼합용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 혼합용액은 H3PO4 17.5㎖, Cr2O3 50g, 증류수 500㎖의 혼합비로 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 성장은 화학기상증착에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 프로브팁의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항과, 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 탄소나노튜브 프로브팁.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH1012124A (ja) 1996-06-21 1998-01-16 Nec Corp 電子放出素子およびその製造方法
KR20050120024A (ko) * 2004-06-18 2005-12-22 전자부품연구원 탄소 나노튜브 트랜지스터 원자간력 현미경 캔틸레버 및그 제조방법

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