KR20110044360A - 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법 및 이를 이용한 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법 - Google Patents
단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법 및 이를 이용한 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 반도체 제조 공정 중 하나인 포토리소그래피 공정과 산소플라즈마 표면처리를 이용하여 단일벽 카본나노튜브(single-walled carbon nanotube; SWNT)를 기판에 선택적으로 조립하는 공정 방법에 관한 것이다. 기존에 단일벽 탄소나노튜브를 기판상에 특정한 영역에 자기조립하기 위해 사용하는 OTS 폴리머 공정을 제거하고 포토레지스트만을 이용하여 패턴을 만들기 때문에 공정이 단순하고, 비용이 절감되는 효과가 있다. 또한 기존의 단일벽 탄소나노튜브 공정에 이용되지 않은 산소 플라즈마 표면처리를 함으로서 단일벽 탄소나노튜브가 조립되는 영역을 소수성에서 친수성 표면으로 변환시켜 단일벽 탄소나노튜브가 효율적으로 조립되게 한다. 따라서 본 발명은 나노소자의 대량생산에 적합하고 전자소자 및 바이오센서로 응용 가능한 단일벽 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) 소자를 제작할 수 있는 공정기술과 직접적인 관련이 있다.
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Description
본 발명은 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법 및 이를 이용한 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정 중 하나인 포토리소그래피 공정을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브를 특정한 패턴 영역에 대하여 선택적으로 조립하는 조립 공정 및 이러한 조립 공정을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널이 형성된 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.
1991년 이지마 스미오[飯島澄男] 박사가 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 형상을 이루고 있는 탄소나노튜브를 발견한 이래, 탄소나노튜브는 높은 열전도도와 전기전도도, 그리고 뛰어난 강도 등과 같은 우수한 물성을 보 유하고 있어, 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서 등의 다양한 장치에 이를 이용하기 위한 연구 개발이 수행되어 왔다.
특히, 탄소 나노튜브의 우수한 전기적 특성은 다이오드 및 트랜지스터와 같은 나노 기술분야의 전자 장치에서 매우 효과적일 수 있으며, 예를 들어, 단일벽 탄소나노튜브는 그 전기적 특성에 있어서, 단결정 실리콘(Si)의 이동도 보다 더 큰 상온 전자 이동도(electron mobilty)를 보이므로, 이러한 특성으로 인하여 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; FET, 이하, 'FET'라 한다)에서 채널로 사용될 수 있으며, 체적대비 표면적이 크기 때문에 화학 센서와 바이오센서로 응용성이 매우 크다.
그러나, 이와 같이 우수한 특성을 지지고 있는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotubes; SWNT, 이하, 'SWNT'라 한다)를 이용한 소자들은 소자의 특정위치에서 특정방향으로 단일벽 탄소나노튜브가 배열된 구조를 포함하는 소자들을 대량으로 제조할 수 있는 조립기술의 부재로 인하여 각 응용 분야로의 상용화가 지연되고 있다.
한편, 최근에는 기판 상의 일부 위치에서 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 배열되도록 제작하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 공정과 관련한 다양한 연구 결과가 소개되고 있으며, 특히, 문헌[M. Lee, J. Im, B. Y. Lee, S. Myung, J. Kang, L. Huang, Y.-K. Kwon & S. Hong, "Linker-free directed assembly of high-performance integrated devices based on nanotubes and nanowires" Nanotechnology, Vol.1, p.66 (2006).]에서는 나노물질 패턴을 대면적으로 만들기 위해 포토리소그래피와 탄소나노 튜브의 자기조립 방법을 이용하여 선폭이 3-4 μm인 나노물질의 조립패턴이 보고되고 있다.
상기 문헌에서는 기존의 반도체 공정에 관한 설비를 이용하여 대량 생산이 가능하도록 구성된 공정으로, 열산화막(thermal oxide)이 있는 실리콘(Si) 기판 상에 포토레지스트 패턴을 제작한 후 헥산(Hexane) 용액 처리를 거쳐, OTS (octadecyltrichlorosilane; OTS, 이하, 'OTS'라 한다) 용액에 담금으로써 OTS 박막을 형성한 다음, 포토레지스트 패턴을 제거하고, 시료를 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 용액에 담그어 OTS 박막이 없는 영역에 단일벽 탄소나노튜브가 자기조립 되도록 함으로써, 원하는 위치에 선택적으로 배열된 단일벽 탄소나노튜브의 패턴을 생성한다.
첨부된 도 1은 상술한 바와 같은 방식으로 기존의 반도체 공정을 이용하여 자기조립된 단일층(self-assembled monolayer; SAM, 이하, 'SAM'이라 한다)을 형성하는 기술에 관하여, 제조 공정에 따른 기판의 변화를 순서대로 도시하고 있는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술은 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하는 것으로, 열산화막(thermal oxide)이 도포되어 있는 실리콘(Si) 기판이 제공(도 1(a))되고, 상기 실리콘 기판 상에 포토레지스터(photoresistor; PR, 이하, 'PR'이라 한다)가 도포된 다음(도 1(b)), 포토레지스터의 노광과 현상을 통하여 포토레지스터 패턴을 형성하게 된다(도 1(c)). 이와 같은 포토리소그래피 공정을 통해, 선택적 영역에 대한 포토레지스터 패턴을 형성하게 된 시료는 무수 헥 산(anhydrous hexane) 용액에 담그어짐으로서 수분이 제거된 후, OTS 용액에 담그어 포토레지스트 패턴이 없는 영역에서 OTS 폴리머 분자가 시료 표면에 달라붙게 됨에 따라 선택적으로 OTS SAM 층이 형성된다(도 1(d)). 마지막으로 포토레지스트가 아세톤으로 제거되면 선택적 영역에 대한 양질(high-quality)의 OTS SAM 층이 만들어 지게 되고(도 1(e)), 이를 단일벽 탄소나노튜브 용액에 담궈, OTS SAM 층이 형성되지 않은 영역에 단일벽 탄소나노튜브가 자기조립되도록 구성함으로써(도 1(f)), 일부 영역에 대해서 선택적으로 단일벽 탄소나노튜브를 기판 상에 조립할 수 있게 되었다.
그러나, 종래 기술에 따른 선택적 조립 공정에서는 OTS 용액을 이용한 공정들이 반드시 포함되어야 하며, 이러한 공정들의 경우, 주변환경에서 물분자들은 극성표면(polar surface)에 흡착되어 다층 형성과 같은 불량의 OTS 층이 형성되게 되는 문제점이 존재하였다.
따라서, 포토레지스트 패턴을 만든 후 기판 위의 잔류하는 표면 수분을 완전히 제거하기 위해 무수헥산으로 기판을 완전하게 헹구어지도록 구성하여야만 한다. 그러나, 일반적으로 OTS SAM 층은 안정적으로 형성되지 않기 때문에, 박막형성시 신뢰성을 일부 제고할 수 있도록 자기조립을 수행할 때마다 새로운 OTS 용액을 준비하고, 실험실의 온도와 습도를 적절하게 조절한 상태로 공정을 수행하여야 하며, 이미 사용된 OTS 용액은 폐기하여야 하는 공정 상 난점이 존재하였다.
따라서, 이와 같은 난점을 갖는 종래의 기술로는 선택적 조립된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 센서 소자 등을 저비용 및 고정밀도로 대량 생산하기 어려운 기술적 한계가 명백하게 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 기존에 선택적 조립을 위하여 사용되던 OTS 공정을 제거하고, 소수성인 기판 표면의 물성을 친수성으로 변환시킴에 따라 탄소나노튜브가 기판의 표면에 잘 흡착될 수 있도록 구성하여, 기존의 포토리소그래피 공정만을 이용하면서 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 조립할 수 있는 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 조립하는 방법에 있어서, 단일벽 탄소나노튜브의 흡착을 향상시키기 위해 기판 표면을 친수성으로 표면 처리하는 표면 처리 단계와; 용액 공정에 따라 표면처리된 산화막 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 조립되는 조립 단계를 포함하여 이루어지는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
또한, 상기 표면 처리 단계는 표면 처리가 수행된 후 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴으로 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
또한, 상기 표면 처리 단계는 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴에 표면 처리를 수행한 후에 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
이 경우, 상기 기판은 천연 산화막(native oxide), 열산화막(thermal oxide), SOG(spin-on-glass), PECVD 또는 LPCVD로 증착된 산화막 중 선택된 어느 하나가 상면에 성장, 도포 또는 증착된 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
그리고, 상기 표면 처리 단계에서는 상기 기판 표면을 산소 플라즈마로 처리함으로써 친수성 표면으로 개질시키는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
또한, 상기 표면 처리 단계에서는 상기 기판 및 포토레지스트 표면을 산소 플라즈마로 처리함으로써 친수성 표면으로 개질시키는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
여기서, 상기 표면 처리 단계에서 산소 플라즈마 처리를 위하여, 산소가 주입되는 챔버의 진공도는 300 mTorr이고, 플라즈마 방전을 위한 전력은 100 W이며, 표면처리 시간이 30초 내지 50초 인 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
이 때, 상기 표면 처리 단계 후에는 산소 플라즈마 표면처리된 상기 기판의 접촉각을 측정하여 처리된 표면이 친수성인지 소수성인지를 판별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
또한, 상기 표면 처리 단계 전에는 Au, Si, SiO2, 포토레지스트 중 선택된 어느 하나로 이루어진 표면의 접촉각을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
그리고, 상기 조립 단계에서는 상기 산소 플라즈마 표면 처리 후 형성된 포토레지스트 패턴에서 소수성인 포토레지스트 표면 보다 친수성인 기판 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 흡착되는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
또한, 상기 조립 단계에서는 상기 포토레지스트 패턴이 산소 플라즈마 표면처리됨으로서 포토레지스트 표면과 기판 표면이 모두 친수성으로 변환되어 단일벽 탄소나노튜브가 흡착되고, 단일벽 탄소나노튜브가 흡착된 상기 포토레지스트 패턴이 제거됨으로서 상기 기판 상에만 단일벽 탄소나노튜브 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 제공한다.
한편, 본 발명에서는 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 단일벽 탄소나노튜브의 흡착을 향상시키기 위해 기판 표면을 친수성으로 표면 처리하는 표면 처리 단계와; 용액 공정에 따라 표면처리된 산화막 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 조립되는 조립 단계와; 선택적으로 조립된 상기 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 소오스와 드레인 전극사이의 다중채널로 이용하는 전계 효과 트랜지스터를 제작하는 제작 단계;를 포함하여 이루어지는 선택적으로 조립된 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
이 경우, 상기 표면 처리 단계는 표면 처리가 수행된 후 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴으로 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성 하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 표면 처리 단계는 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴에 표면 처리를 수행한 후에 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법 및 이를 이용한 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법은 대면적과 저비용으로 단일벽 탄소나노튜브 배열을 제조할 수 있는 포토리소그래피와 산소 플라즈마 표면처리 기법으로 기판상의 특정한 영역에 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 조립하는 기술에 관련되며 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 OTS 공정이 사용되지 않기 때문에 제조공정이 단순하여 그 결과 수율이 향상되는 장점을 갖는다.
둘째, 소수성인 기판 표면에 단일벽 탄소나노튜브를 조립하는 종래 기술과는 달리, 본 발명에서는 산소 플라즈마 표면처리 기법을 도입하여, 기판 표면을 친수성으로 변환시킨 후, 단일벽 탄소나노튜브를 조립하기 때문에 단일벽 탄소나노튜브가 더 많이 산화막 표면에 흡착되게 되는 장점이 있다.
셋째, 각종 응용 분야, 특히, 단일벽 탄소나노튜브를 채널로 이용하는 전계 효과 트랜지스터 소자에 있어서, 제조 공정 상 더욱 많은 단일벽 탄소나노튜브가 흡착될 수 있어, 그 채널에서 탄소나노튜브가 떨어지거나 소량으로 흡착되지 않도록 방지할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 본 발명에 따른 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법으로는 저비용으로 우수하게 흡착된 단일벽 탄소나노튜브 배열을 대량으로 생산할 수 있음은 물론, 나노선 다중채널 FET 소자, 고속과 고출력을 필요로 하는 전자소자, 논리소자, 화학센서 및 바이오센서와 그들을 기반으로 하는 어레이 소자를 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 종래 나노구조 물질을 특정 영역에 선택적으로 패터닝하기 위하여 사용되던 OTS 공정을 제거하여, 높은 수율과 저비용으로 대량생산이 가능한 대면적 나노튜브/나노선 소자를 제조할 수 있는 조립 공정을 제공한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
기공지된 문헌(S. G. Lao, L. Huang, W. Setyawan, S. Hong, “Large-scale assembly of carbon nanotubes” Nature, Vol.425, p.36 (2003).)에서는 탄소나노튜브와 친수성 분자가 친화력이 강하다고 보고된 바 있으며, 이를 토대로, 친수성인 열산화막에 탄소나노튜브가 잘 흡착될 것이라고 예상하여 단일벽 탄소나노튜브의 패턴을 제작하였다.
그러나, 일반적으로 유리 표면은 친수성이 아니라 소수성으로 알려져 있으므로, 본 발명에서는 단일벽 탄소나노튜브의 흡착 성능을 향상시키기 위하여, 기존의 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 공정에서 단일벽 탄소나노튜브가 접촉할 수 있는 표면(PR, SiO2, Au, Si)들의 접촉각을 측정하고, 이러한 접촉각을 변화시킴에 따라 실리콘 기판 표면이 친수성이 되는 방법을 제시하고, 친수성으로 변환된 실리콘 기판 표면에 단일벽 탄소나노튜브를 조립하는 기술을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 상술한 친수성 분자와 탄소나노튜브와의 친화력에 대한 연구로부터, 단일벽 탄소나노튜브가 친수성인 실리콘 기판 표면에 효과적으로 흡착되는지를 확인하기 위해 다양한 시료 표면에서 접촉각(contact angle)을 측정하였다.
도 2는 각종 표면 성분에 대한 접촉각을 측정한 것으로, 도 2의 Au/Si 시료 는 이-빔(e-beam) 증착기를 이용하여 Si 기판에 금(Au)이 200 nm 두께로 증착되었으며, AZ5206/Si 시료는 AZ5206 포토레지스트가 4000 rpm으로 30초 동안 코팅된 후, 80℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 20초 동안 소프트 베이킹(soft baking)되었다. 또한, SiO2/Si 시료는 1050℃에서 열산화로(thermal furnace)를 이용하여 산소 분위기에서 습식 산화막이 성장되었다.
표면의 접촉각은 0°일 때 친수성이고 90°일 때 소수성 표면에 해당하기 때문에, 접촉각이 각각 86.98°와 82.14°인 금 표면과 포토레지스트 표면은 소수성에 매우 가까워 소수성 표면의 성질을 가지므로, 단일벽 탄소나노튜브가 표면에 잘 흡착되지 않을 것으로 예상된다.
한편, Si 표면은 접촉각이 43.64°이므로 친수성과 소수성의 경계면에 해당된다.
반면에, SiO2/Si 표면은 접촉각이 66.52°이기 때문에 친수성 표면으로 분류되기가 어려우며, 포토리소그래피 공정을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브를 선택적 자기조립하는 경우에는, 표면처리 없이 사용한 SiO2/Si 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 효과적으로 흡착되지 않을 것으로 판단된다.
이러한 문제점을 보완하기 위해서 본 발명에서는 SiO2/Si 표면이 특정한 표면처리를 거쳐 완전한 친수성에 가까운 표면을 얻은 후, 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 제작하는 방법을 채용하고 있다.
즉, 본 발명에 따른 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법에서는 산소 플 라즈마 장비를 이용한 표면처리 공정을 포함함으로써, SiO2/Si 기판 표면을 친수성으로 전환시키게 되는데, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산소 플라즈마 표면 처리 단계에서는, 산소를 주입할 때에는 챔버의 진공도를 300 mTorr로 유지하면서 100W로 플라즈마를 방전하며 50초 동안 표면 처리를 수행하였다.
첨부된 도 3은 이러한 산소 플라즈마 표면 처리가 수행된 표면에 대한 접촉각을 측정한 결과를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 표면의 접촉각은 처음에 82.14°로 소수성을 나타내지만 산소 플라즈마 표면처리를 한 후 21.1°로 접촉각이 줄어들어 친수성 표면이 되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 2에서와 같이, SiO2/Si 표면은 초기 접촉각이 66.52°인데 반해 산소 플라즈마 표면처리를 하면 접촉각이 11.5°로 크게 감소되어 친수성 표면으로 변환됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 이와 같은 표면 처리 공정을 이용하여 친수성 표면으로 표면 특성이 변환됨에 따라 단일벽 탄소나노튜브 흡착 효율이 우수해지는 점을 이용하여, 기존의 OTS 박막을 형성하는 공정없이 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피 공정만으로 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 조립할 수 있게 된다.
이와 같은 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 조립하는 공정에서 산소 플라즈마 표면 처리공정을 이용하는 방법에 대한 바람직한 실시예는 아래와 같다.
먼저, 도 4에서는 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예로서, 산소 플라즈마 표면 처리 후 포토리소그래피 공정을 이용하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 공정을 도시하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 최초로 제공되는 기판의 실리콘 표면에 산화막이 형성된 후, 산소 플라즈마 표면처리가 수행되어 표면을 친수성으로 변환시키는 단계가 진행된다.(도 4(a))
다음으로, 포토리소그래피 공정을 이용하여, 포토레지스트가 도포되고(도 4(b)), 노광 및 현상에 따라 일부 영역에 대한 포토레지스트 패턴이 형성되게 된다.(도 4(c))
상기와 같은 단계에 따라, 포토레지스트 패턴이 형성된 후에는 소수성의 포토레지스트 표면과, 친수성의 SiO2 표면을 이용하여, 단일벽 탄소나노튜브 용액에 담구어 친수성의 SiO2 표면에만 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 조립되도록 한다.(도 4(d))
단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립이 끝나면, 나머지 영역에 대하여 도포된 포토레지스트를 아세톤으로 제거하여, 요구되는 영역에만 선택적으로 흡착된 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 완성하게 된다.(도 4(e))
도 5는 상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제작된 단일벽 탄소나노튜브 패턴의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM, 이하, 'SEM'이라 한다) 사진으로, 도 5(a)는 SiO2와 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 배열된 영역을 확대하여 도시한 것이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 표시된 영역에 대 한 확대도이다.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 제작된 패턴 중 단일벽 탄소나노튜브가 조립되지 않은 영역의 선폭은 4 μm이나, 도 5에서 단일벽 탄소나노튜브 영역과 SiO2 영역의 경계면이 다소 명확하지 않은 것이 확인된다. 그러나, 이와 같은 선택 영역의 경계에 관한 다소간의 불명확성은 2 μm 이상의 단일벽 탄소나노튜브 선폭을 제작하는데는 아무런 문제가 되지 않는 것으로, 도 5의 SEM 사진을 통하여 경계지어진 영역을 확인할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법의 또 다른 일 실시예로서, 포토리소그래피 공정 후 산소 플라즈마 표면처리를 이용한 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 공정을 도시하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 최초로 제공되는 실리콘 기판 위에 산화막이 형성된 후, 포토리소그래피 공정을 이용하여 포토레지스트가 도포되고(도 6(a)), 노광 및 현상에 따라 일부 영역에 대한 포토레지스트 패턴이 형성된다.(도 6(b))
다음으로, 산소 플라즈마 표면처리가 수행됨으로서 포토레지스트 표면(접촉각=21.1°)과 SiO2 표면(접촉각=11.5°)이 모두 친수성으로 변환되는 단계가 진행된다.(도 6(c))
상기한 단계를 통하여 친수성으로 변환되도록 표면처리된 시료를 단일벽 탄소나노튜브 용액에 담그게 되면, 단일벽 탄소나노튜브는 포토레지스트 표면과 SiO2 표면 모두에 흡착된다.(도 6(d))
다음으로, 상기 단일벽 탄소나노튜브가 흡착된 시료를 아세톤 용액에 담그게되면, 포토레지스트가 제거됨과 동시에, 상기 포토레지스트 표면에 조립된 단일벽 탄소나노튜브는 함께 제거되게 되므로 시료상에는 SiO2 표면에 조립되었던 단일벽 탄소나노튜브만이 남게 된다.(도 6(e))
도 7는 상술한 바와 같은 본 발명의 또 다른 일 실시예의 방법으로 제작된 단일벽 탄소나노튜브 패턴의 SEM 사진으로, 도 7(a)는 SiO2와 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 배열된 영역을 확대하여 도시한 것이고, 도 7(b)는 도 7(a)의 표시된 영역에 대한 확대도이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 단일벽 탄소나노튜브 영역과 SiO2 영역은 단일벽 탄소나노튜브의 조립을 수행하기 전, 각각 SiO2 영역과 포토레지스트 영역에 해당된다.
특이할 점은 도 4에 따른 실시예에 비하여, 단일벽 탄소나노튜브와 SiO2 영역의 경계면이 확실하게 구별된다는 점이다. 따라서, SiO2의 폭은 1 μm부터 10 μm까지 다양하게 제작될 수 있으며 폭이 클수록 단일벽 탄소나노튜브 패턴의 제작이 더 용이해진다. 이는 단일벽 탄소나노튜브의 폭도 1 μm부터 10 μm까지 다양하게 제작할 수 있음을 의미한다.
도 8은 단일벽 탄소나노튜브 배열을 채널로 이용하는 다중채널 전계 효과 트랜지스터 소자의 개략도이다. 소자의 집적도를 높이기 위해서 제안된 다중채널 전 계 효과 트랜지스터 소자는 공통 소스(source)에 두 개의 드레인(drain)과 게이트(gate) 전극으로 구성되었으며, 소스와 드레인 전극 사이에 단일벽 탄소나노튜브 채널이 본 발명의 공정으로 흡착된다. 이 때 단일 벽 탄소 나노튜브의 직경에 비해서 포토레지스트 패턴의 크기가 크기 때문에 단일벽 탄소나노튜브 채널은 네트워크 형태로 흡착된다. 소스와 드레인 사이의 탄소 나노튜브 채널에 흐르는 전류는 게이트 전극에 의해서 조절되며, 게이트 전극은 유전체 박막을 사이에 소스와 드레인 전극 아래 존재한다.
따라서, 본 발명에 따른 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브의 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 제작하는 경우, 저렴한 비용으로 우수한 성능의 대면적 소자를 대량으로 제작할 수 있게 되어 매우 큰 산업상 이용 가능성을 갖는다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄소나노튜브의 자기조립 공정도.
도 2는 산소 플라즈마 표면처리 전에 다양한 시료 표면에서 측정된 접촉각(contact angle)을 비교 도시한 참조도.
도 3은 산소 플라즈마 표면 처리 후에 포토레지스트와 산화막의 접촉각을 비교 도시한 참조도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 산소 플라즈마 표면처리후 포토리소그래피 공정이 진행되는 단일벽 탄소나노튜브의 자기조립 공정도
도 5(a)는 도 4의 공정으로 제작된 단일벽 탄소나노튜브 패턴 SEM 사진이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 사각형 부분을 확대한 SEM 사진.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 포토리소그라피 공정 후 산소 플라즈마 표면처리를 수행한 단일벽 탄소나노튜브의 자기조립 공정
도 7(a)는 도 6의 공정으로 제작된 단일벽 탄소나노튜브 패턴 SEM 사진이고, 도 6(b)는 도 7(a)의 사각형 부분을 확대한 SEM 사진.
도 8은 본 발명의 제조 방법에 따라 단일벽 탄소 나노튜브 채널로 구성된 FET 소자의 개략도.
Claims (14)
- 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 조립하는 방법에 있어서,단일벽 탄소나노튜브의 흡착을 향상시키기 위해 기판 표면을 친수성으로 표면 처리하는 표면 처리 단계와;용액 공정에 따라 표면처리된 산화막 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 조립되는 조립 단계를 포함하여 이루어지는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 표면 처리 단계는 표면 처리가 수행된 후 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴으로 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 표면 처리 단계는 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴을 형성한 후에 산소 플라즈마 표면처리를 수행한 다음, 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 천연 산화막(natural oside), 열산화막(thermal oxide), SOG(Spin-on-glass), PECVD 또는 LPCVD로 증착된 산화막 중 선택된 어느 하나가 상면에 성장, 도포 또는 증착된 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 2에 있어서,상기 표면 처리 단계에서는 상기 기판 표면을 산소 플라즈마로 처리함으로써 친수성 표면으로 개질시키는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 3에 있어서,상기 표면 처리 단계에서는 상기 기판 및 포토레지스트 표면을 산소 플라즈마로 처리함으로써 친수성 표면으로 개질시키는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,상기 표면 처리 단계에서 산소 플라즈마 처리를 위하여, 산소가 주입되는 챔버의 진공도는 300 mTorr이고, 플라즈마 방전을 위한 전력은 100 W이며, 표면처리 시간이 30초 내지 50초 인 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,상기 표면 처리 단계 후에는 산소 플라즈마 표면처리된 상기 기판의 접촉각을 측정하여 처리된 표면이 친수성인지 소수성인지를 판별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,상기 표면 처리 단계 전에는 Au, Si, SiO2, 포토레지스트 중 선택된 어느 하나로 이루어진 표면의 접촉각을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 조립 단계에서는 상기 산소 플라즈마 표면 처리 후 형성된 포토레지스트 패턴에서 소수성인 포토레지스트 표면 보다 친수성인 기판 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 흡착되는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 청구항 6에 있어서,상기 조립 단계에서는 상기 포토레지스트 패턴이 산소 플라즈마 표면처리됨으로서 포토레지스트 표면과 기판 표면이 모두 친수성으로 변환되어 단일벽 탄소나노튜브가 흡착되고, 단일벽 탄소나노튜브가 흡착된 상기 포토레지스트 표면이 제거됨으로서 상기 기판 상에만 단일벽 탄소나노튜브 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법.
- 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법에 있어서,단일벽 탄소나노튜브의 흡착을 향상시키기 위해 기판 표면을 친수성으로 표면 처리하는 표면 처리 단계와;용액 공정에 따라 표면처리된 산화막 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 선택적 으로 조립되는 조립 단계와;선택적으로 조립된 상기 단일벽 탄소나노튜브 패턴을 소오스와 드레인 전극사이의 다중채널로 이용하는 전계 효과 트랜지스터를 제작하는 제작 단계;를 포함하여 이루어지는 선택적으로 조립된 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 12에 있어서, 상기 표면 처리 단계는 표면 처리가 수행된 후 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴으로 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 12에 있어서, 상기 표면 처리 단계는 포토리소그래피로 제작된 포토레지스트 패턴을 형성한 후에 산소 플라즈마 표면처리를 수행한 다음, 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 배열의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법.
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