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KR101149088B1 - 나노미터 스케일 필라멘트 구조 합성 방법 및 그러한구조를 포함하는 전자 부품 - Google Patents

나노미터 스케일 필라멘트 구조 합성 방법 및 그러한구조를 포함하는 전자 부품 Download PDF

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KR101149088B1
KR101149088B1 KR1020067009126A KR20067009126A KR101149088B1 KR 101149088 B1 KR101149088 B1 KR 101149088B1 KR 1020067009126 A KR1020067009126 A KR 1020067009126A KR 20067009126 A KR20067009126 A KR 20067009126A KR 101149088 B1 KR101149088 B1 KR 101149088B1
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KR
South Korea
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nanoporous membrane
catalyst
pores
nanoscale
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KR1020067009126A
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English (en)
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KR20060133973A (ko
Inventor
디디에르 프리바트
쟝-에릭 베그로위
트래비스 웨이드
Original Assignee
에꼴레 폴리테크닉
상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에꼴레 폴리테크닉, 상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 filed Critical 에꼴레 폴리테크닉
Publication of KR20060133973A publication Critical patent/KR20060133973A/ko
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Abstract

나노 스케일 필라멘트 구조를 구비한 전자 부품 합성 방법으로서, 금속 촉매(7)가 나노 기공성 막(3) 내에 적층되고, 상기 촉매는 상기 나노 기공성 막(3)의 적어도 약간의 기공(8) 내에 침투하기에 적합하고, 필라멘트 구조가 나노 기공성 막(3) 내의 적어도 약간의 기공(8) 내의 상기 촉매 상에서 성장한다. 상기 나노 기공성 막(3)은 상기 기공(8)의 벽이 단결정 영역을 포함하는 것을 보장하기에 적합한 방식으로 제작되고, 적어도 상기 촉매(7)의 일부는 상기 단결정 영역 상에서 에피택스 성장한다.
나노 스케일 필라멘트, 탄소 나노 튜브, 전계 효과 트랜지스터

Description

나노미터 스케일 필라멘트 구조 합성 방법 및 그러한 구조를 포함하는 전자 부품{METHOD FOR THE SYNTHESIS OF FILAMENT STRUCTURES ON A NANOMETRE SCALE AND ELECTRONIC COMPONENTS COMPRISING SUCH STRUCTURES}
본 발명은 나노 스케일 필라멘트 구조 합성 방법과 그러한 구조를 포함하는 전자 부품 분야에 관련된 것이다.
엑스. 호퍼(X. Hoffer) 등에 의한 "다중 벽 탄소 나노 튜브에서의 스핀-의존 자기 저항과 스핀-차지 분리"(Spin-dependent magnetoresistance and spin-charge separation in multiwall carbon nanotubes)("Condensed Matter"에 게재 예정이며 http://xxx.lanl.gov/PS_cache/condmat/pdf/0303/0303314.pdf에서 이용 가능) 문헌에 나노 스케일 필라멘트 구조를 구비한 전자 부품 합성 방법이 개시되어 있다.
"나노 스케일 필라멘트 구조"(nanoscale filamentary structure)라는 용어는 본 명세서 전체에 걸쳐서 와이어(wire), 로드(rod), 튜브(tube) 등 본질적으로 일 방향으로 연장되어 있는 구조를 형성하는 나노 스케일 구조를 지칭하는 것으로 사용된다.
상기에 언급된 문헌에서, 상기 나노 스케일 필라멘트 구조는 탄소 나노 튜브이다. 엑스. 호퍼(X. Hoffer) 등에 의한 전술한 문헌에 기재된 탄소 나노 튜브 합성 방법은,
-나노 기공성 막에, 상기 나노 기공성 막 내의 적어도 일부 기공 내로 침투하기에 적합한 금속 촉매를 부착시키는 단계, 및
-상기 나노 기공성 막 내의 적어도 일부 기공 내의 상기 촉매 상에서 필라멘트 구조를 성장시키는 단계로 이루어지는 조작을 포함한다.
엑스. 호퍼(X. Hoffer) 등에 의한 상기 문헌에서, 얻어지는 탄소 나노 튜브는 반도체적 성질이나 금속 성질을 가질 수 있다고 하고 있다. 이러한 결정론(determinism)의 문제는 나노 튜브가 합성되는 동안에 나노 튜브의 키랄리티(chirality)를 조절할 수 없다는 사실과 특히 연관되어 있다. 이것은 전자 분야에 있어서 탄소 나노 튜브 사용에 주요한 장애가 된다.
본 발명의 목적은 나노 스케일 필라멘트 구조의 위치, 크기, 방향 특히 서로 간의 상대적인 구조의 방향을 동시에 좀 더 낫게 제어하는 것을 가능하게 하는 나노 스케일 필라멘트 구조 합성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상기에 언급한 조작을 포함하는 외에도, 기공의 벽들이 단결정 영역을 포함하는 것을 보장하고, 상기 단결정 영역 상에서 적어도 일부의 촉매가 에피택스 성장하기에 적합한 방식으로 나노 기공성 막을 준비하는 조작을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조의 합성 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 나노 스케일 필라멘트 구조는 나노 기공성 막의 기공에서 성장한다. 따라서, 나노 스케일 필라멘트 구조의 밀도, 직경, 길이 및 방향의 제어가 가능하다. 또한, 수 많은 기공들에 공통되는 물질부(material element) 상에서 적어도 일부가 에피택스 성장하는 금속 촉매의 텍스쳐링(texturing), 방향, 결정화는 서로 간에 상대적으로 조절되는 나노 스케일 필라멘트 구조의 방향성의 제어를 가능하게 한다. 나노 스케일 필라멘트 구조가 탄소 나노 튜브로 구성될 때에, 이것은 나노 튜브의 키랄리티를 조절하게 되는 것이다.
본 명세서에서, "에피택스 성장"의 개념은 텍스쳐링, 방향성(orientation), 결정화(crystallization)의 3가지 성질을 포함한다.
본 발명에 의한 방법은 다음의 처리를 적어도 하나 이상 추가로 포함할 수 있다.
-나노 기공성 막에 교정된(calibrated) 기공이 형성된다.
-나노 기공성 막은 실질적으로 평면 내에서 연장되는 것을 보장하기에 적합한 방식으로 제작되고, 기공은 제대로 정해진 방향, 예를 들면 실질적으로 상기 막의 평면에 수직하거나 평행한 방향으로 향하는 것을 보장하기에 적합한 방식으로 제작된다.
-나노 기공성 막의 기공의 벽의 단결정 영역은 상기 기공의 바닥에 대응된다.
-나노 기공성 막은 단결정 물질로 제작된다. 예를 들면, 나노 기공성 막은 단결정 기판의 양극 산화(anodic oxidation)에 의해 제작된다.
-나노 기공성 막은 단결정 기판 위로 이송되거나 단결정 기판 위에 적층되어 박층(thin layer) 형태로 제작된다. 그러한 환경 하에서, 상기 박층은 상기 단결정 기판 위에 이송되거나 적층되기 전에 또한 이미 나노 기공성 막일 수 있다.
-상기 박층을 단결정 기판 위로 이송하거나 적층하기 전에 장벽 층이 단결정 기판 위에 제작되며, 상기 장벽 층의 물질은 확산 장벽을 형성하고 적어도 일부분에서 기판을 구성하는 물질에 의해 촉매가 오염되는 것을 방지하기에 적합하다.
-상기 막의 적어도 일부 기공 내에서 촉매가 성장하기 전에 물질을 형성하는 확산 장벽이 촉매가 그 밑에 있는 물질에 의해 오염되는 것을 방지하기에 적합하도록 적층된다. 예를 들면, 상기 확산 장벽은 기공의 바닥에 전기 도금된 텅스텐으로 구성될 수 있다.
-상기 촉매는 적어도 일부 기공 내에 전기도금에 의해 적층된다.
-상기 촉매는 적어도 일부 기공 내에 화학적 가스 적층법(chemical gas deposition)에 의해 적층된다.
-상기 촉매는 나노 기공성 막 내의 적어도 일부 기공 내에 적층되고, 이러한 방식으로 적층된 상태로 상기 촉매는 어닐링된다. 선택적으로 자기장 하에서 어닐링이 행해진다.
-전자 부품이 나노 기공성 막 상에 제작된다.
-상기 나노 스케일 필라멘트 구조는 탄소 나노 튜브이다.
-나노 스케일 필라멘트 구조는 화학기상법(chemical vapor deposition)에 의해 증착되며, 탄소 나노 튜브의 성장을 위한 촉매로서 전이 금속을 사용하는 것이 가능하고, 희토류 금속을 사용하는 것도 가능하다. 그러한 환경 하에서, 상기 촉매는 본질적으로 탄소를 잘 용해하는 물질인데, 예를 들면 그것은 철, 코발트, 니켈, 플라티늄 등 일 수 있으며, 또한 그것은 상기 성분 중 적어도 2 이상으로 이루어진 물질일 수도 있다.
-상기 나노 스케일 필라멘트 구조는 나노 와이어 또는 나노 로드일 수 있다. 그러한 환경하에서, 상기 촉매는 선택적으로 금과 알루미늄을 포함하는 금속일 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 선행하는 항에 의한 방법에 의해 얻어지는 적어도 하나의 나노 스케일 필라멘트 구조를 포함하는 전자 부품을 제공하는 데, 상기 부품은,
-단결정 영역을 포함하는 기공을 구비하는 나노 기공성 막, 및
-상기 나노 기공성 막의 적어도 일부 기공 내에 적어도 촉매의 일부는 나노 기공성 막의 단결정 영역 상에서 에피택스 성장되어 적층된 금속 촉매를 포함한다.
상기 부품은, 적어도 상기 나노 기공성 막의 일부분이 상기 나노 기공성 막의 다른 부분에 적층된 적어도 하나의 필라멘트 구조에 전압을 부과하는 것을 가능하게 하는 전극을 구성하는 나노 기공성 막의 일부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 부품은 다음의 처리 중 적어도 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
-부품은 상기 기판의 평면에 평행하게 연장되어 있는 적어도 하나의 나노 스케일 필라멘트 구조를 포함한다.
-부품은 그 자체로 나노기공성 막의 기공 내에 연장부를 가지는 전극을 포함한다.
-적어도 하나의 나노 스케일 필라멘트 구조는 탄소 나노 튜브이다.
-적어도 하나의 나노 스케일 필라멘트 구조는 로드 또는 와이어이다.
상기 특성들과 기타 사항들은 아래에서 기재된 한정되지 않은 예로서 주어지는 본 발명의 특정 실시예의 기재에 따라 좀 더 명확해질 것이다.
본 발명은 첨부되는 도면을 참고하여 기재된다.
도 1은 탄소 나노 튜브 합성을 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 보여주는 선도이다.
도 2는 도 1에 도시한 방법에 의해 얻어지는 탄소 나노 튜브를 포함하는 기공의 선도이다.
도 3은 촉매가 적층되어 있는 장벽 층에 의해 적어도 일부분이 둘러 싸여 있는 기공이 있는 나노 기공성 막의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 변형 실시예에 따라, 기판 위로 이송되어 지는 나노 기공성 막을 보여주는 선도이다.
도 5는 도 3에 도시한 구조의 변형 실시예를 나타내는 단면도로서, 도 4에서 도식적으로 나타낸 공정을 적용함에 있어서 나노 기공성 막을 이송하기 전에 기판 위에 장벽 층이 적층된다.
도 6은 본 발명에 따른 부품을 제작하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 나타내는 선도이다.
도 7은 도 6에 도시한 방법의 변형 실시예를 보여주는 도 6과 유사한 선도이다.
도 8은 도 6과 도 7에 도시한 방법의 또 다른 변형 실시예를 보여주는 선도이다.
도 9는 나노 로드를 합성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예를 보여주는 선도이다.
도 10은 도 9에서 도시한 실시예 동안에 나노 로드의 성장을 야기하는 나노 기공성 막의 일부분에 대한 개략적인 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 방법의 변형 실시예를 위한 오븐을 보여주는 선도이다.
본 발명에 따른 방법의 실시는 2 가지의 응용과 관련된 예에 의하여 이하에서 설명된다.
첫 번째 응용에서는, 본 발명에 따른 방법은 탄소 나노 튜브 형태로 나노 스케일 필라멘트 구조를 합성하기 위해 실시된다.
도 1은 첫 번째 응용과 연계된 본 발명에 따른 방법의 제한되지 않은 실시예를 보여주고 있다.
이 실시예에서 본 방법은,
-알루미늄 기판(5)을 양극 산화(anodizing)하여 나노 기공성 막(3)을 제작하는 단계(100),
-선행 단계에서 얻어진 나노 기공성 막(3) 내에 촉매(7)를 형성하기 위해, 전이 금속(Ni, Cr, Co, Fe 등) 또는 플라티늄, 희토류(Y, Ce 등)와 합금화가 용이한 기타 원소를 전기 도금하는 단계(200)(상기 촉매(7)는 다량의 탄소를 용해하기에 적합한 원소이거나 화합물이다.), 및
-나노 기공성 막(3)의 기공(8)에 화학기상법(chemical vapor deposition)에 의해 탄소(15)를 적층하는 단계(300)를 포함한다.
나노 기공성 막을 얻기 위한 알루미늄 양극 산화 기술과 단계(100)에서 실시된 공정은 이미 잘 알려져 있다[Nielsch et al. 저 Adv. Mater. 12, 582 (2000) 또는 J. Magn. Magn. Mat. 249, 234 (2002) 참조]. 상기 기술은 많은 장점을 가지고 있는데, 기존의 정전위 전해 장치(potentiostat)만을 사용하므로 실시가 용이하고, 고내열성의 측면과 유전체적(dielectric) 성질의 관점 등에서 매우 탁월한 물질인 알루미나(Al2O3)를 얻을 수 있다.
상기 기술은, 실험실 수준에서, 직경이 5㎚~100㎚ 정도이고 길이가 0.5㎛~50㎛ 정도인 기공(8)의 배열을 구비하는 나노 기공성 막(3)을 제공하는 것이 가능하다. 전형적으로, 직경 60㎚의 기공을 얻기 위해서는, 기공 밀도는 ㎠ 당 1010 개의 기공의 수준이어야 한다.
본 실시예에서 기판(5)은 알루미늄 단결정으로 구성되어 있다.
소수(a small number)의 시트(sheet) 또는 심지어는 단일의 시트로 된 탄소 나노 튜브를 얻기 위해서는 직경이 약 5㎚ 정도 또는 그 이하이고 길이는 1㎛ 이하 인 기공(8)이 있는 나노 기공성 막(3)이 제작되어야 한다. 전자 부품을 제작하기 위해서는 기공 밀도를 줄이는 것이 바람직하다.
시트의 수가 약 5 이하로 유지되는 정도에서는 탄소 나노 튜브의 키랄리티(chirality)는 보존되는 것이 관찰되었다. 이것은 소정의 키랄리티를 가지는 나노 튜브를 얻기 위해서는 직경이 5㎚~7㎚ 정도인 나노 기공을 얻는 것이 필요하다는 것을 의미하고, 이는 전자 분야에 적용 하기에 좀 더 상응하는 이점을 가진 탄소 나노 튜브를 얻는 것을 보장하게 된다.
전자 분야에 적용하기 위해서는, 알루미늄 기판(5)은 양극 산화되어 나노 기공성 막(3)을 형성하고, 바람직하게는 탄소 나노 튜브를 구비하는 나노 구조 영역을 구획하기 위한 마스크와 전기적 연결을 구현하는데 좀 더 전용되는 영역을 사용한다.
촉매를 전기 도금하는 단계(200)는 나노 기공성 막(3)의 하부에 위치하는 알루미늄(9)과 전해 욕조(13) 내의 상대 전극(11) 간에 전위 차를 가함으로서 수행된다. 촉매를 전기 도금하는 단계(200)는 전해 성장 매개변수를 조절함으로서 수행된다(적층 전위차, 욕조 내 촉매의 농도, 욕조 염기도, 전위 차를 변화하는 적층 주파수 등). 그렇게 해서 상기 촉매의 단결정을 얻는 것이 가능하다. 양극 산화 하기 전에 상기 기판(5)의 알루미늄 단결정의 존재는 어느 정도 전기 도금하는 동안 에피택스 성장의 유발을 가능하게 한다.
그러한 기판(5) 위에 전기 도금되는 반도체 또는 금속의 결정 구조에 미치는 상기 기판(5)의 결정 구조의 영향이 설명되어 있다. 예를 들면, 엠.케이. 클라이너 트(M.K. Kleinert) 등에 의한 "Electrochemica Acta, 46 (2001) 3129" 논문에는 금(Au[100]) 위에 코발트를 전기 도금하여 상기 기판(5)의 대칭을 반영하는 정규적인 구조를 얻었다고 기재되어 있다. 피.에반스(P. Evanes) 등에 의한 "JMMM 260 (2003), 467" 논문에는 GaAs 기판 위에 전기 도금된 니켈은 두께 10~120㎚ 이상으로 에피택스 성장을 계속한다고 되어 있다.
상기 촉매는 선택적으로, 나노 기공성 막(3)을 얻기 위해 수행되는 단계인 기판(5)의 알루미늄 단결정을 양극 산화하는 단계(101) 중에 생성되는 산화 잔류물을 줄인 후에 전기 도금될 수 있다. 사전 교정(prior calibration)은 각 기공 내에 적층되는 촉매 원자의 수를 조절하는 것을 가능하도록 한다.
전기 도금은, 빠르면서 잘 텍스쳐된 적층된 물질을 보존하면서 상기 기공(8)의 바닥에 촉매(7)가 적층될 수 있도록 하는 적층 기법이다.
또한 선택적으로, 전기 도금은 쉬운 자화축을 얻는 것을 고양하기 위해 자기장 하에서 수행될 수 있는데, 이는 탄소 나노 튜브의 다음 단계에서의 성장 중에 키랄리티를 조절할 수 있다.
촉매를 전기 도금하는 단계(200) 후에, 본 발명에 따른 방법은 선택적으로 약 500 내지 630℃ 또는 그 이하의 온도에서 어닐링 하는 단계를 포함할 수 있다.
전기 도금 후에, 기판의 표면 상에 작은 입자 형태로 촉매가 존재하는 대신에 나노 기공성 막(3)의 기공(8) 내에 촉매가 포획되어 있는 것에 의해, 상기 촉매가 유착(coalesce)되는 표면 확산을 방지하면서 적당한(medium) 온도에서 결정화/에피택스 어닐링을 수행하는 것이 가능해진다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 상기 촉매의 나노 스케일의 크기를 유지하면서 적층 중 및/또는 어닐링에 의해 구조를 형성하는 것이 동시에 이루어지는 것을 가능하게 한다.
탄소(15)의 적층과 탄소 나노 튜브의 성장이 이루어지는 단계(300)는 화학기상법에 의해 느린 성장 속도로 수행된다. 이런 형태의 기술은 탄소 나노 튜브의 결정의 품질에 대한 좀 더 나은 제어가 가능하다. 특히, 전자 사이클론 공명 조건(electron cyclotron resonance condition)에서 플라즈마 보조 화학기상법(plasma-assisted chemical vapor deposition)은 저압 하에서의 작업을 가능하게 함에 따라 적층 속도의 훌륭한 제어가 가능하다.
전형적으로, 탄소 나노 튜브는 적층하는 동안 약 620℃로 설정된 온도에서 전구 기체(precursor gas)로서 아세틸렌을 사용하여 적층된다.
상기 양극 산화 단계(100)와 전기 도금 단계(200) 후에 알루미늄을 제거하는 것도 또한 가능하다. 따라서, 특히 탄소 나노 튜브가 성장하는 동안의 상기 온도는 650℃ 이상으로 올릴 수 있다. 이것은 또한 양극 산화와 전기 도금 후에 적층과 확산을 수행하여 알루미늄을 좀 더 내화적인(refractory) 금속과 합금화 하는 것에 의해 달성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 끝 부분에서 얻어지는 탄소 나노 튜브(15)는 그 성장이 상기 나노 기공성 막(3)과 상기 기판(5)의 단결정 물질 상에서 그 자체가 에피택스 성장한 촉매(7)에 의해 촉진되었기 때문에 방향성을 가지고 있다(도 2 참조). 따라서 나노 튜브의 키랄리티는 제대로 결정된다.
물론, 상기한 본 발명에 따른 방법의 실시는 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.
도 3에 도시한 일 변형 실시예에서, 장벽 층(10)을 적층하는 단계(150)가 상기 양극 산화 단계(100)와 촉매(7)를 전기 도금하는 단계(200) 사이에서 수행될 수 있다. 이 장벽 층(10)은 상기 촉매(7)가 기판(5)으로부터 확산된 원소에 의해 오염되는 것을 방지하기 위한 것으로, 특히 상기 기공(8)의 바닥에서 촉매(7)의 에피택스 성장을 촉진하기 위한 어닐링 단계를 사용하는 경우에 그러하다. 예에 의하면, 장벽 층(10)은 전기 도금된 텅스텐으로 구성될 수 있다.
도 4에 도시한 다른 변형 실시예에서, 나노 기공성 막(3)은 양극 산화 단계(100)에서 알루미늄 층의 전체 두께에 걸쳐서 생성된다. 그런 후에 상기 나노 기공성 막은 단계(110)에서 알루미늄 기판(5) 위로 또는 좀 더 일반적으로는 단결정의 금속 기판 위로 이송된다.
도 5에 도시한 또 다른 변형 실시예에서, 상기된 단계(110)에서 그 두께에 걸쳐서 양극 산화된 나노 기공성 막(3)이 상기 기판(5) 위로 이송되기 전에, 알루미늄 기판(5) 위 또는 좀 더 일반적으로는 단결정의 금속 기판 위에 장벽 층(10)을 전기 도금하는 단계(160)가 수행되는데, 상기 막은 전에 미리 적층된 장벽 층(10)의 면 위에 이송된다. 그리고 나서 상기 촉매(7)가 상기된 대로 단계(200)에서 적층된다.
게다가, 나노 기공성 막(3)으로서 알루미나 외의 물질이 얻어질 수 있다. 또한 알루미늄 나이트라이드(AlN, 이 자체가 실리콘 위에서 에피택스 성장이 가능), 사파이어, 마그네슘 산화물(MgO) 등과 같은 절연 기판 위에서 에피택스 성장한 알루미늄 층으로부터 나노 기공성 막(3)의 알루미나를 만드는 것이 가능하다.
유사하게, 의도된 목적은 기판을 위해 선택된 방향성에 의존하는데, 다시 말하면 탄소 나노 튜브에 있어서 얻기 원하는 키랄리티이다.
또한, 탄소 나노 튜브가 적층되는 방식은 여러가지로 변형될 수 있다. 따라서, 열간 필라멘트를 사용하는 화학기상법을 이용하여 좋은 결정 품질의 탄소 나노 튜브를 얻는 것이 가능하다. 전구 가스는 메탄 또는 당업자에게 이미 공지된 다른 탄소 함유 가스일 수도 있다. 사용되는 촉매의 기능을 최적화하는 온도가 구비될 수 있도록 적층 온도를 변화시키는 것 또한 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 주요 장점 중의 하나는, 탄소 나노 튜브는 사전 교정된 크기의 기공 내에서 크기와 방향성이 모두 같은 촉매 나노 결정으로 부터 조절된 방식으로 성장된다는 사실에 기인하는데, 거기에서 얻어지는 탄소 나노 튜브도 마찬가지로 특히 직경과 그 키랄리티의 측면에서 모두 동일하다.
본 발명에 따른 방법에 의한 탄소 나노 튜브의 형상과 물성 특히 키랄리티의 제어는 전자 부품(트랜지스터, 발광 다이오드(LED), 센서, 엑추에이터 등)의 재현 방식의 제조를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 전자 부품의 예가 도 6과 연계하여 이하에서 기재되어 있다. 전자 부품은 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)(50)를 포함한다.
전계 효과 트랜지스터(50)는 다음 단계를 실시하여 제작된다.
-단결정의 절연 기판(AlN, 사파이어, MgO 등)(53) 상에서 알루미늄 층(51)이 에피택스 성장하는 단계(1000), 선택적으로는 상기 단결정 기판(53)은, 그 자체가 단결정이고 박층으로 에피택스 성장에 적합한 실리콘과 같은 기판 상에서 에피택스 성장한 절연 박층(AlN, 사파이어, MgO 등)으로 대치될 수 있다.
-알루미늄 층(51)의 두께로 에칭되는 스트립(55)을 에칭하는 단계(1010), 상기 기판(53)의 평면에서 상기 스트립(55)의 방향성은, 전기 도금에 의해 촉매 나노결정의 에피택스 성장을 최적화하기 위한 알루미늄 측면부(57)의 특정 측면 방향성을 고양하기 위해 선택된다.
-에피택스 성장한 알루미늄 층(51) 위에 전극(59)을 적층하는 단계(1020), 전극(59)은 다음의 양극 산화와 전기 도금을 위해 필요하다.
-에피택스 성장한 알루미늄 층(51)과 전극(59)으로 구성된 조립체를 폴리머 또는 실리카 같은 절연 물질(61) 또는 기타 절연 박층으로 둘러싸는 단계(1030), 상기 절연 물질(61)은 에피택스 성장한 알루미늄 층(51)의 상부와 전극(59)을 다음 단계의 양극 산화와 전기 도금에 사용되는 전해 용액으로부터 절연시키기 위해 사용된다.
-둘러 싸는 절연 물질(61)에 의해 보호되지 않는 에피택스 성장한 알루미늄 층(51)의 측면부(57)를 양극 산화하는 단계(1040), 본 단계는 상기 단계(100)를 실시함에 의해 수행되며, 이것은 Al2O3/Al 계면(58)의 형성을 야기한다.
-상기 계면(58)에서 촉매(60)를 전기 도금하는 단계(1050), 본 단계는 상기한 공정(200)과 같은 방식으로 수행된다.
-층을 둘러 싸는 절연 물질(61)과 상기 전극(59)을 제거하는 단계(1060).
-상기 알루미늄(51)을 제거하는 선택적인 단계(1065), 특히 다음 단계에서 650℃ 이상의 온도에서 탄소 나노 튜브(63)를 성장시키기 위한 경우에 거치는 단계이다.
-화학기상법에 의해 탄소 나노 튜브(63)가 성장하는 단계(1070), 상기의 단계(300) 실시에 의해 수행된다.
-상기 에피택스 성장한 알루미늄을 산화시켜 형성한 알루미나로 구성된 스트립(55) 내에 고립부(island)(65)를 제작하는 단계(1080)(약간의 알루미늄(51)이 남아 있을 가능성이 있다.), 이러한 스트립(55)은 적어도 탄소 나노 튜브(63)를 구비한 하나의 측면부(57)를 가지고 있으며, 선택적으로 상기 알루미나는 다시 에칭되어 탄소 나노 튜브(63)는 상기 측면부(57)로부터 돌출된다.
-드레인 면(drain side)(에피택스 성장한 알루미늄 층(51) 상의 또는 플러시 탄소 나노 튜브(63)와 함께) 상에서 그리고 소스 면(source side)(측면부(57) 위에서 플러시 탄소 나노 튜브(63)를 구비) 상에서 옴 접촉을 형성하기 위해 전형적으로는 티타늄인 금속(67)을 적층하는 단계(1090).
-채널(69)을 에칭하는 단계(1100).
-절연 박층(71), 전형적으로는 SiO2, 또는 TiO2와 같은 큰 유전 상수를 가지는 다른 물질을 적층하는 단계(1110).
-그리드(73)를 적층, 에칭하여 상기 소스 및 드레인 전극(67a, 67b) 상에서 약간 중첩시키는 단계(1120).
FET(50)를 제작하는 상기의 방법은 다양하게 변형될 수 있다.
특히, 도 7은 자체 정렬(self-alignment)에 의해 FET(50) 제작이 가능함을 보여 주고 있다.
예를 들면, 상기한 단계(1090) 내지 단계(1120)는 다음의 단계(1091) 내지 단계(1121)로 대치될 수 있다.
단계(1091) 동안, 금속(67)은 상기한 단계(1090)에 따라 적층된다.
단계(1101) 동안, 금속 층(67)은 나노 기공성 알루미나에 도달할 때까지 평탄화(planarization)에 의해 에칭된다. 이런 에칭은 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)로 알려져 있는, 당업자에게 이미 널리 알려져 있는 방법에 의해 수행된다.
유전 물질 층(71)과 금속 층(73)의 연속적인 적층은 단계(1111) 및 단계(1111')에서 이루어진다.
단계(1121) 동안에, 상기 금속 층(73)은 에칭되어 FET(50)의 그리드를 형성한다.
도 8에 도시한 또 다른 실시예에서, 도 6에 도시한 실시예의 단계(1050) 외의 단계들은 다음의 단계로 대치된다.
단계(1052) 동안, 수지(75)는 나노 기공성 막(3)의 높이의 분율에 대응하는 두께로 적층된다.
단계(1062) 동안, 상기 수지(75)에 의한 보호를 받지 못하는 표면 기공(8)들 은 선택적으로 탄소 나노 튜브 성장을 위한 촉매를 구성하지 않는 금속을 사용하여 채워지게 된다. 단계(1072) 동안, 상기 수지(75)는 제거되고 촉매(7)는 예를 들며, 상기의 단계(1030) 내지 단계(1060)에 기재된 방식에 따라 전기 도금된다.
단계(1082) 동안, 탄소 나노 튜브(63)는, 예를 들면 상기 단계(1070)와 같이 성장한다.
단계(1092) 동안, 탄소 나노 튜브(63)는 에칭되고 기공(8) 내의 상기 금속(71)은 에칭 분위기 하에 있다.
단계(1102) 동안, 상기 소스 및 드레인 접지는 예를 들면, 상기의 단계(1090) 및 단계(1100)와 유사한 방식으로 금속을 적층하고 에칭하는 것에 의해 적층된다.
단계(1112)에서는, 단계(1122) 동안 알루미나 내에서 우물부(79)가 개방된 상태에 있고, 기공(8) 내에서 상기 금속(77)과 접촉될 수 있도록 그리드(73)가 적층될 수 있다.
두 번째 응용에 있어서는, 본 발명에 따른 방법은 나노 와이어 또는 나노 로드 형태로 나노 스케일 필라멘트 구조를 합성하기 위해 실시된다. 이러한 구조들은 당업자들에게는 "휘스커"(whisker)로 이미 알려져 있다(프랑스 공개 공보 제2 658 839호 참조).
도 9는 상기 2번째 응용과 연계된 본 발명에 따른 방법의 제한되지 않은 실시예를 보여주고 있다.
상기 두번째 응용에서, 본 방법은,
-단결정 알루미늄 기판(5)(또는 좀 더 일반적으로는 어떠한 단결정 금속의 기판)을 일부 양극 산화하여 나노 기공성 막(3)을 제작하는 단계(101),
-전 단계에서 제작한 나노 기공성 막(3) 내에 촉매(7)를 형성하기 위해 금 같은 금속을 전기 도금하는 단계(201),
-SiCl4와 H2로 구성된 혼합 가스의 흐름이 있는 오븐(81) 내에서 레이저 박리(laser ablation)에 의해 보조되는 화학기상법으로 실리콘과 게르마늄의 다중 층을 성장시키는 단계(301)를 포함한다. 이러한 다중 층 구조는 기공(8) 내면에서 단결정의 나노 로드(83)를 구성한다.
또한, 전자 부품을 제작하기 위해, 단계(401) 동안, 구리와 같은 전도성 금속(85)이, 단계(301) 동안에 만들어진 나노 로드(83)의 인근 기공(8) 내에, 예를 들면 전기 도금에 의해 적층된다.
양극 산화 단계(101)는 첫 번째 응용에서 실시되었던 것과 유사하다. 이것은 물론 동일한 장점을 가지고 있다.
전기 도금 단계(201)는 전기 도금되는 촉매의 본질이 다를 수 있다는 것을 제외하면, 첫 번째 응용에서 실시되었던 것과 유사하다. 그럼에도 불구하고 이것은 동일한 장점을 보유한다.
도 10에 도시한 바와 같이, 단계(201') 동안 선택적으로 단계(201) 동안에 적층된 촉매(7)를 어닐링하는 것이 가능하며, 상기 어닐링은 기판(5) 상에서 촉매의 에피택스 성장을 가능하게 한다.
단계(301)에서는 실리콘 적층과 실리콘-게르마늄 적층이 교대로 연속적으로 일어나는 301a, 301b, ..., 301i 단계로 구성된 실리콘과 게르마늄의 다중 층 구조의 성장이 일어난다. 이런 목적을 위해, 실리콘 도가니(87)와 게르마늄 타겟(89)이 오븐(81) 내에 놓여 진다. 실리콘 적층과 실리콘-게르마늄 적층이 교대로 일어나는 동안, SiCl4와 H2로 구성된 혼합 가스가 오븐(81)을 관통하여 지나가면서, 실리콘 도가니(87)와 게르마늄 타겟(89)으로부터 형성된 실리콘과 실리콘-게르마늄 증기를 운반한다. 실리콘이 적층되는 단계에서는 실리콘만이 증기화된다. 실리콘-게르마늄이 적층되는 단계에서는 실리콘이 증발되는 외에도 게르마늄 또한 레이저 박리에 의해 증기화 된다. 본 발명에 따른 방법의 변형 실시예에서, 이러한 성장 단계(301)의 실시는 '나노레터즈(Nanoletters) 2, 83 (2002)'에서의 와이.우.(Y. Wu.) 등의 기사에 기초하고 있다. 레이저 박리는 프로그램 가능한 주기적인 증기원(puled vapor source)을 제공한다. 따라서, 나노 로드(83)가 각 나노 로드(83)의 전체 높이에 걸쳐서 잘 구획된 조성 분포를 가지고 블록 바이 블록(block by block)으로 성장할 수 있도록 한다. 예를 들면, 높이 2㎛ 이고 직경이 35㎚ 이면서 Si/SiGe의 초격자(superlattice)의 단결정 나노 로드(83)가 제작된다. 그러한 일차원의 불균질 조직(heterostructure)은 발광 장치와 열전 장치와 같은 응용에 많은 장점을 가지고 있다.
실시예에 의하면, 단계(401)는 단계(301)에서 제작된 나노 로드(83)에 인접한 기공 내에 예를 들면 당업자에게 이미 널리 알려져 있는 마스킹(masking)과 마 이크로리소그라피(microlithography) 기술(가능하게는 전자 마이크로리소그라피 기술)에 의해 구리를 전기 도금하는 것을 포함한다.
기판(5) 아래에 있는 알루미늄과 트랜지스터(50)의 소스 및 드레인 접지를 형성하기 위해 막 상에 적층된 상기 구리(85) 사이에 전위 차가 가해진 상태에서 구조가 얻어질 수 있다. 이때 기공 근처의 구리는 상기 트랜지스터(50)의 그리드를 형성한다.
이러한 두번째 응용에서, 본 발명에 따른 방법의 첫 번째 응용에서 실시되었던 것과 같은 변형이 사용될 수 있다. 다시 말하면, 특히, 장벽 층의 사용 및/또는 도 3 내지 도 5에 도시한 나노 기공성 막의 이송이 도입될 수 있다.
상기한 본 발명은 다양하게 변형될 수 있다. 특히, 상기한 수 개의 실시예들의 단계는 서로 조합될 수 있다.
또한, 나노 기공성 막(3)의 기공(8) 내에는 이미 당업자에게 공지된 방식에 의해 촉매 입자가 적층될 수도 있다. 예를 들면, 화학 기체 적층법(CVD)이 사용될 수 있다. 이 기술에 있어서, 오븐(81) 내에서 분해 되고 오븐 내에서 막(3)은 샘플 캐리어(99) 상에 위치하는 Ni(CO)5 또는 Fe(CO)5와 같은 카보닐 금속이 사용될 수 있다(도 11 참조). 예를 들면, Fe(CO)5 사용시, 약 250℃ 에서 분해가 일어난다. 또한, 더 높은 온도(약 600 내지 800℃)에서 분해되는 디실코펜타디에닐리론(dicylcopentadienyliron, ferrocene:Fe(Cp)2)와 같은 전구 기체를 사용할 수 있다. 그리고 나서, 예를 들면 Ni, Fe 같은 금속이 기공(8) 내에 적층된다.

Claims (25)

  1. 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법으로서,
    -나노 기공성 막(nanoporous membrane)(3)에서 상기 나노 기공성 막(3)의 적어도 일부 기공(pore)(8)까지 침투하는 금속 촉매(7)를 적층하는 공정, 및
    -상기 나노 기공성 막(3)의 적어도 일부 기공(8) 내에서 상기 촉매(7) 상에서 필라멘트 구조(63)의 성장을 야기하는 공정으로 구성되는 조작을 포함하고, 상기 기공(8) 벽이 단결정 영역을 포함하고, 상기 단결정 영역 상에서 적어도 일부의 금속 촉매(7)가 에피택스 성장하도록 상기 나노 기공성 막(3)을 준비하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 기공성 막(3)에 교정된(calibrated) 기공(8)들이 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나노 기공성 막(3)이 실질적으로 평면 내에서 연장되게 제작되고, 상기 기공(8)은 실질적으로 상기 막(3)의 상기 평면에 수직되는 방향을 향하게 제작되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나노 기공성 막(3)이 실질적으로 평면 내에서 연장되게 제작되고, 상기 기공(8)은 실질적으로 상기 막(3)의 상기 평면에 평행한 방향을 향하게 제작되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 나노 기공성 막(3)의 상기 기공(8) 벽의 상기 단결정 영역은 상기 기공(8)의 바닥에 상응하는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노 기공성 막(3)은 단결정 기판(5)의 양극 산화(anodic oxidation)에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노 기공성 막(3)은 단결정 기판(5) 위로 이송되거나 단결정 기판(5) 위에 적층되어 박층(thin layer)으로 제작되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단결정 기판(5) 위에 상기 박층을 이송하거나 적층하기 전에 상기 단결정 기판(5) 위에 장벽 층(10)이 제작되고, 상기 장벽 층(10)의 물질은 확산 장벽을 이루고 적어도 일부에 있어서 촉매(6)가 상기 기판(5)을 구성하는 물질에 의해 오염되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 막(3)의 적어도 일부 기공(8) 내에 촉매(7)가 성장되기 전에, 물질을 구성하는 확산 장벽이 적어도 일부에 있어서 촉매(7)가 그 하부에 있는 물질에 의해 오염되는 것을 방지하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 촉매(7)가 적어도 일부의 상기 기공(8) 내에 전기 도금에 의해 적층되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 촉매(7)가 적어도 일부의 상기 기공(8) 내에 화학적 가스 적층법(chemical gas deposition)에 의해 적층되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 촉매(7)는 나노 기공성 막(3)의 적어도 일부 기공(8) 내에 적층되고 나서 이러한 방식으로 적층된 상태로 상기 촉매(7)가 어닐링되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  13. 제12항에 있어서, 어닐링은 자기장 하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  14. 제1항에 있어서, 전자 부품(50)이 나노 기공성 막 상에 제작되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 나노 스케일 필라멘트 구조(63)는 탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 촉매(7)는 전이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 필라멘트 구조(63)는 화학기상법(chemical vapor deposition)에 의해 적층되는 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 나노 스케일 필라멘트 구조(63) 나노 와이어 또는 나노 로드인 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 촉매(7)는 금과 알루미늄을 포함하는 리스트(list)의 금속인 것을 특징으로 하는 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 구비한 전자 부품(50) 합성 방법.
  20. 제1항에 따른 방법에 의해 얻어진 적어도 하나의 나노 스케일 필라멘트 구조(63)를 포함하는 전자 부품으로서,
    -단결정 영역을 포함하는 기공(8)을 구비한 나노 기공성 막, 및
    -상기 나노 기공성 막(3)의 적어도 일부 기공(8) 내에 적어도 촉매의 일부는 나노 기공성 막(3)의 단결정 영역 상에서 에피택스 성장되어 적층된 금속 촉매를 포함하여 구성되는 전자 부품(50).
  21. 제20항에 있어서, 적어도 상기 나노 기공성 막(3)의 일부분은 상기 나노 기 공성 막(3)의 다른 부분에 적층된 적어도 하나의 필라멘트 구조(63)에 분배되는 전압을 일으키는 전극을 구성하는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  22. 제20항에 있어서, 기판(5) 위에 배치되어 있고, 상기 기판(5)의 평면에 평행하게 연장되어 있는 적어도 하나의 필라멘트 나노 스케일 구조(63)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  23. 제20항에 있어서, 상기 나노 기공성 막(3)의 기공(8) 내에 그 자체로 연장부를 가지고 있는 전극(85)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  24. 제20항에 있어서, 적어도 하나의 필라멘트 나노 스케일 구조(63)는 탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  25. 제20항에 있어서, 적어도 하나의 필라멘트 나노 스케일 구조(63)는 로드 또는 와이어인 것을 특징으로 하는 전자 부품.
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