KR101603774B1 - 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법이 개시된다. 개시된 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법은 포토리소그라피 공정을 이용하여 촉매 패턴들을 형성하고, 이 촉매패턴들로부터 탄소나노튜브를 성장시킨 다음, 이렇게 성장된 탄소나노튜브 상에 전극들을 형성한다.

Description

탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법{Method of manufacturing carbon nanotube device array}
탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법이 제공된다.
탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)를 포함하는 탄소나노튜브 소자들은 어레이 형태로 제작되어 고성능의 다양한 전자소자들을 구성할 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브 소자 어레이는 CMOS형 인버터(inverter) 등과 같은 로직 회로(logic circuit), 링 오실레이터(ring osillator), SRAM(static random access memory)이나 비휘발성 메모리(NVRAM; non-volatile random access memory) 등과 같은 메모리 소자(memory device), 또는 각종 센서(sensors) 등과 같은 다양한 분야에서 고성능의 전자소자로 이용될 수 잇다.
이러한 탄소나노튜브 소자 어레이를 제조하는 방법으로 일반적으로 전자빔 리소그라피(e-beam lithography)방법이 사용되어 왔다. 전자빔 리소그라피 방법을 이용한 탄소나노튜브 소자 어레이 제조 방법에서는, 실리콘 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키고, 이 탄소나노튜브를 원자현미경(AFM; atomic force microscopy)을 이용하여 찾은 다음, 전자빔 리소그라피를 이용한 패터닝에 의해 탄소나노튜브 상 에 전극들을 형성함으로써 탄소나노튜브 소자 어레이를 제조하게 된다. 그러나, 이러한 전자빔 리소그라피 방법을 이용한 탄소나노튜브 소자 어레이 제조 방법은 비용 면이나 시간 면에 있어서 매우 비효율적이기 때문에 대량 생산을 구현하기가 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
기판 상에 산화물층을 형성하는 단계;
포토리소그라피(photolithography) 공정에 의해 상기 산화물층 상에 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계;
상기 산화물층 상에 상기 촉매 패턴들 각각에 대응하여 적어도 하나의 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
상기 촉매 패턴들 각각에 대응하여 성장된 적어도 하나의 탄소나노튜브 상에 복수의 전극을 형성함으로써 복수의 탄소나노튜브 소자 어레이를 형성하는 단계; 및
상기 탄소나노튜브 소자들을 구성하지 않고 상기 산화물층 상에 남아있는 탄소나노튜브를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법이 개시된다.
상기 기판은 실리콘으로 이루어지며, 상기 산화물층은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 산화물층 상에는 적어도 하나의 얼라인 마커(align marker)가 형성될 수 있다.
상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계는, 상기 산화물층 상에 촉매 금속층을 형성하는 단계; 상기 촉매 금속층 상에 포토레지스트를 형성한 다음, 상기 포토레지스트를 노광 현상하는 단계; 상기 현상된 포토레지스트를 이용하여 상기 촉매 금속층을 식각함으로써 상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계는, 상기 산화물층 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 포토레지스트를 노광 현상하여 상기 산화물층을 노출시키는 촉매 패턴 형상의 관통공들을 형성하는 단계; 상기 현상된 포토레지스트가 형성된 산화물층을 촉매 금속이 용해되어 있는 용액에 담구었다가 빼는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계는, 상기 산화물층 상에 촉매 금속과 포토레지스트를 혼합한 용액을 도포하여 촉매 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 촉매 레지스트층을 노광 현상하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수도 있다.
상기 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)에 의해 성장될 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 단일벽(single wall) 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 상기 산화물층의 표면에 나란한 방향으로 성장할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 소자들 각각은 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 전극 과, 상기 제1 전극과 제2 전극을 연결하는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
상기 복수의 전극은 포토리소그라피 공정에 의해 형성될 수 있다.
즉, 상기 복수의 전극을 형성하는 단계는, 상기 산화물층 상에 상기 탄소나노튜브들을 덮도록 포토레지스트를 형성하는 단계; 상기 포토레지스트를 노광 현상하여 상기 산화물층 및 탄소나노튜브를 노출시키는 전극 형상의 관통공들을 형성하는 단계; 상기 관통공들을 채우도록 상기 현상된 포토레지스트 상에 소정의 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브를 제거하는 단계는, 상기 탄소나노튜브 소자들을 덮도록 상기 산화물층 상에 포토레지스트를 형성하는 단계; 상기 포토레지스트를 노광 현상하는 단계; 상기 현상된 포토레지스트를 보호막으로 이용하여 상기 탄소나노튜브 소자들 주변에 남아있는 탄소나노튜브를 제거하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 제거는 플라즈마 에칭(plasma etching) 또는 이온 밀링(ion milling)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 포토리소그라피 공정을 이용함으로써 탄소나노튜브들을 원하는 위치에 형성시킬 수 있고, 이러한 탄소나노튜브들 상의 원하는 위치에 전극들을 정확하게 형성할 수 있다. 이에 따라, 대면적의 탄소나노튜브 소자 어레이를 용이하고 경제적으로 제조할 수 있다. 또한, 동일한 탄소나노튜브 상에 다수의 전극들을 형성할 수 있으므로, 동일한 특성을 가지는 다수의 탄소나노튜브 소자들을 제작할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 먼저 기판(110)을 준비한다. 상기 기판(110)으로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 기판(110) 상에 산화물층(120)을 형성한다. 여기서, 상기 산화물층(120)은 예를 들면 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 산화물층(120) 상에는 후술하는 촉매 패턴들(도 2의 130) 및 전극들(도 4의 151,152)을 원하는 위치에 정확하게 형성할 수 있도록 포토리소그라피(photolithography) 공정에서 포토마스크(미도시)를 정렬시키기 위한 얼라인 마커(align marker,125)가 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 산화물층(120) 상에 복수의 촉매 패턴(130)을 형성한다. 본 실시예에서, 상기 촉매 패턴들(130)은 포토리소그라피 공정에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로, 먼저 산화물층(120) 상에 촉매 금속층(미도시)을 형성한다. 여기서, 상기 촉매 금속층은 예를 들면, Fe 등으로 이루어질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 다음으로, 상기 촉매 금속층을 덮도록 포토레지스트(미도시)를 도포한다. 이어서, 상기 포토레지스트 상부에 포토마스크(미도시)를 위치시 킨 다음, 상기 포토레지스트에 노광 및 현상 공정을 수행한다. 이때, 상기 산화물층(120)에 형성된 얼라인 마크(125)를 이용함으로써 포토레지스터의 원하는 부분을 정확하게 노광 현상 할 수 있다. 다음으로, 현상된 포토레지스트를 이용하여 촉매 금속층을 식각한 다음, 상기 포토레지스트를 제거하게 되면, 산화물층(120) 상의 원하는 위치에 복수의 촉매 패턴(130)을 형성할 수 있게 된다. 그리고, 상기 포토레지스트는 예를 들면 아세톤(aceton) 등과 같은 포토레지스트 스트리퍼(photoresist striper)에 의해 제거될 수 있다.
한편, 상기 촉매 패턴들(130)은 다음과 같은 방법으로도 형성될 수 있다. 먼저, 산화물층(120) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포하고, 이를 노광 현상하여 산화물층(120)을 노출시키는 촉매 패턴 형상의 관통공들(미도시)을 형성한다. 다음으로, 상기 포토레지스트가 형성된 산화물층(120)을 촉매 금속이 용해되어 있는 용액에 담구었다가 뺀 다음, 상기 포토레지스트를 제거하게 되면 산화물층(120) 상에 촉매 패턴들(130)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 촉매 패턴들(130)은 다음과 같은 방법으로 형성되는 것도 가능하다. 먼저, 촉매 금속과 포토레지스트를 혼합한 용액을 상기 산화물층(120) 상에 도포하여 촉매 레지스트층(미도시)을 형성한 다음, 상기 촉매 레지스트층을 노광 현상한다. 다음으로, 상기 산화물층(120) 상에 남아있는 현상된 포토레지스트를 제거하게 되면, 상기 산화물층(120) 상에 촉매 패턴들(130)을 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 복수의 촉매 패턴들(130) 각각으로부터 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube,140)를 성장시킨다. 여기서, 상기 탄소나노튜브(140)는 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition)에 의해 성장될 수 있다. 구체적으로, 반응 챔버(미도시) 내에 반응가스를 층류(laminar flow)로 흘려주면서 상기 산화물층(120) 상에 형성된 상기 촉매 패턴들(130)과 반응시키게 되면, 상기 산화물층(120) 상에서 상기 촉매 패턴들(130) 각각으로부터 탄소나노튜브(140)가 성장하게 된다. 이 과정에서, 탄소나노튜브(140)는 산화물층(120)의 표면에 대하여 나란한 방향으로 성장될 수 있다. 상기 탄소나노튜브(140)는 단일벽(single wall) 탄소나노튜브가 될 수 있다. 그리고, 상기 촉매 패턴들(130)로부터 성장되는 탄소나노튜브들(140)은 도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 서로 나란하게 형성될 수 있다. 한편, 도 3에서는 상기 촉매 패턴들(130) 각각에 대응하여 하나의 탄소나노튜브(140)가 성장되는 경우가 설명되었으나, 두 개 이상의 탄소나노튜브(140)가 하나의 촉매 패턴(130)에서 성장될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 탄소나노튜브들(140) 상에 복수의 제1 및 제2 전극들(151,152)을 형성함으로써 탄소나노튜브 소자 어레이를 형성한다. 본 실시예에서, 상기 복수의 제1 및 제2 전극들(151,152)은 포토리소그라피 공정에 의하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 먼저 상기 탄소나노튜브들(140)을 덮도록 상기 산화물층(120) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포한다. 이어서, 상기 포토레지스트 상부에 포토마스크(미도시)를 위치시킨 다음, 상기 포토레지스트에 노광 및 현상 공정을 수행한다. 이때, 상기 산화물층(120)에 형성된 얼라인 마크(125)를 이용함으로써 포토레지스트의 원하는 부분을 정확하게 노광 현상 할 수 있다. 이에 따라, 상기 현상된 포토레지스트에는 산화물층(120) 및 탄소나노튜브들(140)를 노출시키는 전극 형상의 관통공들(미도시)이 형성될 수 있다. 이어서, 상기 관통공들을 채우도록 상기 현상된 포토레지스트 상에 소정 금속으로 이루어진 금속층(미도시)을 형성한다. 다음으로, 포토레지스트 스트리퍼에 의해 포토레지스트를 제거하게 되면, 탄소나노튜브들(140) 상의 원하는 위치에 복수의 제1 및 제2 전극들(151,152)을 형성할 수 있게 된다. 한편, 상기 포토레지스트 상에 형성된 금속층은 리프트 오프(lift off)에 의해 포토레지스트가 제거되는 과정에서 함께 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 산화물층(120) 상에는 복수의 탄소나노튜브 소자들(도 6의 170)이 형성된다. 여기서, 상기 탄소나노튜브 소자들(170) 각각은 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 전극(151,152)과, 이 제1 전극(151)과 제2 전극(152)을 연결하는 탄소나노튜브(140)로 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 산화물층(120) 상에 탄소나노튜브 소자들(도 6의 170)에 대응하여 복수의 보호막(160)을 형성한다. 이러한 보호막들(160)은 포토리소그라피 공정에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로, 먼저 모든 탄소나노튜브 소자들(170)을 덮도록 산화물층(120) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포한다. 다음으로, 상기 포토레지스트 상부에 포토마스크(미도시)를 위치시킨 다음, 상기 포토레지스트에 노광 및 현상 공정을 수행한다. 이에 따라, 상기 산화물층(120) 상에는 상기 탄소나노튜브 소자들(170)을 덮는 것으로, 포토레지스트로 이루어진 복수의 보호막(160)이 형성된다.
도 6을 참조하면, 탄소나노튜브 소자들(170)을 구성하지 않고 산화물층(120) 상에 남아 있는 탄소나노튜브(140)를 제거한다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 보호막(160)이 형성된 상태에서, 플라즈마 에칭(plasma etching) 또는 이온 밀링(ion milling)을 수행되면, 보호막들(160)의 외부로 노출된 탄소나노튜브들(140), 즉 탄소나노튜브 소자들(170)을 구성하지 않고 탄소나노튜브 소자들(170) 주변에 남아 있는 탄소나노튜브들(140)이 제거될 수 있다. 한편, 이 과정에서 산화물층(120) 상에 남아 있는 촉매 패턴들(130)도 제거될 수 있다. 다음으로, 상기 보호막들(160)을 예를 들면 아세톤(aceton) 등과 같은 포토레지스트 스트리퍼로 제거하게 되면 도 6에 도시된 바와 같이 산화물층(120) 상에 서로 일정한 간격으로 이격되게 배치된 복수의 탄소나노튜브 소자들(170)로 구성된 탄소나노튜브 소자 어레이가 완성된다. 여기서, 예를 들어 상기 제1전극(151), 제2 전극(152) 및 상기 제1 전극(151)과 제2 전극(152)을 연결하는 탄소나노튜브(140)를 각각 소스(source) 전극, 드레인(drain) 전극 및 채널 물질로 사용하게 되면, 상기 탄소나노튜브 소자(170)는 탄소나노튜브 트랜지스터가 될 수 있다.
한편, 이상에서는 하나의 탄소나노튜브 소자(170)에 두 개의 제1 및 제2 전극(151,152)이 포함된 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 탄소나노튜브 소자들(170) 각각이 하나 또는 3개 이상의 전극들을 포함함으로써 다양한 용도의 전자 소자를 형성할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법에 의하면, 포토리소그라피 공정을 이용함으로써 탄소나노튜브들을 원하는 위치에 형성시킬 수 있고, 이러한 탄소나노튜브들 상의 원하는 위치에 전극들을 정확하게 형성할 수 있다. 이에 따라, 대면적의 탄소나노튜브 소자 어레이를 용이하고 경제적으로 제조할 수 있다. 또한, 동일한 탄소나노튜브 상에 다수의 전극들을 형성할 수 있으므로, 동일한 특성을 가지는 다수의 탄소나노튜브 소자들을 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 120...산화물층
125... 얼라인 마커 130... 촉매 패턴
140... 탄소나노튜브 151... 제1 전극
152... 제2 전극 160... 보호막
170... 탄소나노튜브 소자

Claims (14)

  1. 기판 상에 산화물층을 형성하는 단계;
    포토리소그라피(photolithography) 공정에 의해 상기 산화물층 상에 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계;
    상기 산화물층 상에 상기 촉매 패턴들 각각에 대응하여 적어도 하나의 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
    상기 촉매 패턴들 각각에 대응하여 성장된 적어도 하나의 탄소나노튜브 상에 복수의 전극을 형성함으로써 복수의 탄소나노튜브 소자 어레이를 형성하는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브 소자들을 구성하지 않고 상기 산화물층 상에 남아있는 탄소나노튜브를 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 복수의 전극은 포토리소그라피 공정에 의해 형성되며,
    상기 복수의 전극을 형성하는 단계는,
    상기 산화물층 상에 상기 탄소나노튜브들을 덮도록 포토레지스트를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트를 노광 현상하여 상기 산화물층 및 탄소나노튜브를 노출시키는 전극 형상의 관통공들을 형성하는 단계;
    상기 관통공들을 채우도록 상기 현상된 포토레지스트 상에 소정의 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘으로 이루어지며, 상기 산화물층은 실리콘 산화물로 이루어지는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물층 상에는 적어도 하나의 얼라인 마커(align marker)가 형성되어 있는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 산화물층 상에 촉매 금속층을 형성하는 단계;
    상기 촉매 금속층 상에 포토레지스트를 형성한 다음, 상기 포토레지스트를 노광 현상하는 단계;
    상기 현상된 포토레지스트를 이용하여 상기 촉매 금속층을 식각함으로써 상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 산화물층 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 노광 현상하여 상기 산화물층을 노출시키는 촉매 패턴 형상의 관통공들을 형성하는 단계;
    상기 현상된 포토레지스트가 형성된 산화물층을 촉매 금속이 용해되어 있는 용액에 담구었다가 빼는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 산화물층 상에 촉매 금속과 포토레지스트를 혼합한 용액을 도포하여 촉매 레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 촉매 레지스트층을 노광 현상하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition)에 의해 성장되는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽(single wall) 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 상기 산화물층의 표면에 나란한 방향으로 성장하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 소자들 각각은 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 전극과 제2 전극을 연결하는 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 제거하는 단계는,
    상기 탄소나노튜브 소자들을 덮도록 상기 산화물층 상에 포토레지스트를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트를 노광 현상하는 단계;
    상기 현상된 포토레지스트를 보호막으로 이용하여 상기 탄소나노튜브 소자들 주변에 남아있는 탄소나노튜브를 제거하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 제거는 플라즈마 에칭(plasma etching) 또는 이온 밀링(ion milling)에 의해 수행되는 탄소나노튜브 소자 어레이의 제조방법.
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