KR20170141353A - 3ｄ 나노미터 구조 제조 방법 - Google Patents

3ｄ 나노미터 구조 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은 기판 위에 희생층을 형성하는 단계, 희생층 위에 상부 물질을 형성하는 단계, 식각액을 이용해 상기 희생층의 내부 확산도를 조절하는 단계, 내부 확산도가 조절된 상기 희생층을 포함하는 상기 기판 위에 엔캡슐레이션(encapsulation) 물질을 형성하는 단계 및 식각액을 이용해 상기 희생층을 식각하는 단계를 포함한다. 이에 의하여, 결정화를 필요로 하는 나노미터 크기의 물질을 대면적으로 정렬시킨 3D 나노미터 구조를 제조할 수 있고, 확산을 이용하여 나노미터 구조를 빠르고 용이하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 모체 기판을 재사용할 수 있다는 경제적 효과를 갖는다.

Description

3Ｄ 나노미터 구조 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL NANOMETER STRUCTURE FABRICATING METHOD}
본 발명은 3D 나노미터 구조 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 희생층을 희생층의 내부 확산도를 조절하여 나노미터 크기의 구조를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.
물질이 나노 수준으로 작아지면 특이한 물리적, 화학적 성질을 보이며, 이를 이용하면 매우 우수한 소자를 구현할 수 있다. 최근 플렉서블 전자소자와 같은 분야의 관심이 급증하면서 이의 성능 향상을 위해 나노 물질을 적용하고자 하는 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 나노와이어(nano-wire)의 경우, 종래에는 바텀업(bottom-up)이나 탑다운(top-down) 기반의 제조 방법을 이용했다. 바텀업 기반은 기상 및 액상의 화학적 합성을 이용한 제조 방법으로, 다결정의 고품질 나노와이어를 제조할 수 있지만, 물질 선택성이 비교적 좁고, 성장에 따른 스트레스나 뭉침 현상 때문에 크기 조절의 제약이 크다. 또한, 제조된 나노 물질을 기판에 정렬할 때 높은 정렬도를 얻기가 어렵다.
탑다운 기반은 증착과 식각을 이용한 제조 방법으로, 높은 속도로 다양한 나노 물질을 제조할 수 있지만 결정화가 이루어지지 않아 품질이 나쁘고, 결정화에 따른 다양한 응용(예를 들어, 압전)의 제약이 매우 크다.
즉, 대면적의 유연성 기판(flexible substrate)에 정렬도를 유지하면서, 결정화된 나노 물질을 형성시키는 방법이 현재로서는 존재하지 않는다.
기계, 전자, 소재 분야에서 제품의 특성은 핵심이 되는 소자의 구조와 물성에 의해 크게 영향을 받는다. 거시 세계에서 소자의 구조를 변화시키는 것은 쉽지만, 마이크로 혹은 나노미터의 작은 미시 세계에서는 공정 방법의 한계에 의해 원하는 구조를 만드는 것이 쉽지 않다.
최근 광학적 리소그래피 방법과 다양한 초미세 가공 기술의 발달에 의해 원하는 모양을 2차원 형태로 제조할 수 있게 되었지만, 3차원 형태로 원하는 미시 구조를 제조하는 것은 여전히 쉽지 않다.
최근, 미시 구조의 3차원 구조를 제조하기 위한 방법으로 희생층을 이용하는 방법이 제시되었다. 이는, 다양한 물질의 다층 구조를 제조한 뒤 각 층 사이에 존재하는 물질을 선택적으로 식각하여 3차원 구조를 제조하는 방법이다.
도 1은 탑다운 방식과 희생층을 이용한 트랜스퍼(transfer)를 이용한 종래 기술로서, 이를 이용하면 대면적으로 높은 정렬도를 유지한 나노물질을 유연성 기판에 형성할 수 있다. 하지만, 결정화를 필요로 하는 물질의 경우 사용 제약이 매우 크다는 문제점이 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 트랜스퍼 이전에 어닐링(annealing)하게 되면 모체 기판과 나노 물질의 결합력이 강해서 전사가 어려워지고(단계(a)→(b)→(c)→(d)), 트랜스퍼 이후에 어닐링하게 되면 높은 온도로 인해 유연성 기판이 손상되거나 파괴되는 문제가 있다(단계(a)→(b)→(d)→(f)). 따라서, 도 1과 같은 종래 방법으로, 결정화된 나노 물질을 대면적으로 정렬시킨 나노 구조를 제조하는 것은 사실상 불가능했다.
나노 물질의 특성을 극대화하면서 실제 산업화 수준의 응용을 위해서는 나노 물질의 크기와 조절이 가능해야 하고, 대면적 제조의 신뢰성이 보장되어야 하며, 다양한 이용과 응용을 위한 대면적 물질 및 기판의 선택 가능성이 보장되어야 하지만, 위에서 언급한 방법을 비롯해 현재 기술로서는 이를 담보하기 어려운 실정이다.
한편, 희생층 공정으로 다양한 형태의 3차원 마이크로미터 구조를 제조할 수 있게 되었지만, 나노미터 크기에서는 한계를 가진다. 희생층의 식각 과정은 그 역할을 담당하는 물질의 이동과 반응을 통해 이루어지는데, 거시 세계나 마이크로미터 세계에서는 물질의 이동이 대류(convection)를 통해 물질의 이동이나 반응이 쉽게 이루어지지만, 나노미터 수준의 물질 환경에서는 외부 힘에 의한 속도장이 발달하기 어렵고(포이쉴리 흐름(Poiseuille flow)이 발생하기 어려움), 오로지 화학 포텐셜(chemical potential)의 차이에 기초한 확산(diffusion)에 의해서만 일어난다.
확산은 물질 이동 속도가 매우 느리고 확산 거리가 포화될 수 있기 때문에, 3차원의 미시 구조를 제조하기에는 어려움이 많다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점 및 현재의 기술적 요구를 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 결정화를 필요로 하는 물질을 대면적으로 정렬시킨 3차원 나노미터 구조를 제조할 수 있는 3D 나노미터 구조 제조 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 확산을 이용하여 나노미터 구조를 빠르고 용이하게 제조할 수 있는 3D 나노미터 구조 제조 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 모체 기판을 재사용할 수 있는 3D 나노미터 구조 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은, 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 위에 상부 물질을 형성하는 단계;
식각액을 이용해 상기 희생층의 내부 확산도를 조절하는 단계; 내부 확산도가 조절된 상기 희생층을 포함하는 상기 기판 위에 엔캡슐레이션(encapsulation) 물질을 형성하는 단계; 및 식각액을 이용해 상기 희생층을 식각하는 단계;를 포함한다.
상기 상부 물질을 형성하는 단계 후에, 어닐링(annealing)을 통해 상기 상부 물질을 결정화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 결정화된 상기 상부 물질은 BaTIO3일 수 있다.
또한, 상기 내부 확산도를 조절하는 단계는, 상기 희생층의 식각 시간을 조절하여 상기 희생층의 부분적으로 식각할 수 있다.
그리고, 상기 희생층을 식각하는 단계는, 부분적으로 식각된 상기 희생층의 잔여 부분을 완전 식각할 수 있다.
또한, 상기 기판은 그레이팅 기판(grating substrate)일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은, 기판 위에 희생층을 증착하는 단계; 상기 희생층 위에 나노와이어 물질을 증착하는 단계; 식각액을 이용해 상기 희생층을 손상시키는 단계; 손상된 상기 희생층을 포함하는 기판 위에 유연성 기판(flexible substrate)을 라미네이트하는 단계; 식각액을 이용해 상기 희생층을 식각하는 단계; 및 라미네이트된 상기 유연성 기판을 상기 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 나노와이어 물질을 증착하는 단계 후에, 어닐링(annealing)을 통해 상기 나노와이어 물질을 결정화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 결정화된 상기 나노와이어 물질은 BaTIO3일 수 있다.
그리고, 상기 희생층을 손상시키는 단계는, 상기 희생층의 식각 시간을 조절하여 상기 희생층을 부분적으로 식각함으로써 상기 희생층의 내부 확산도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 희생층을 완전 식각하는 단계는, 부분적으로 식각된 상기 희생층의 잔여 부분을 완전 식각할 수 있다.
그리고, 상기 기판은 그레이팅 기판(grating substrate)일 수 있다.
또한, 상기 유연성 기판이 분리된 상기 기판을 재사용하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 구성을 가진 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의하면, 결정화를 필요로 하는 나노미터 크기의 물질을 대면적으로 정렬시킨 3D 나노미터 구조를 제조할 수 있다. 또한, 확산을 이용하여 나노미터 구조를 빠르고 용이하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 모체 기판을 재사용할 수 있다는 경제적 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 탑다운(top-down) 방식을 이용한 트랜스퍼 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법의 내부 확산도 조절을 설명하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에서 식각 시간에 따른 희생층의 내부 확산도의 변화를 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에서 식각 시간에 따른 희생층의 내부 확산도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법의 응용례이다.
도 7은 도 6에 도시된 방법에 의해 형성된 반도체 소자 및 나노와이어 채널의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의한 상부 물질의 결정화 정도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의해 전사된 결과를 나타내는 사진이다.
도 11 및 12는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의한 물질 전사에 의해 제조된 소자의 특성 시험과 그 결과를 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명의 설명은 실시 가능한 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분한 정도로 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은 기판 위에 희생층을 형성하는 단계, 희생층 위에 상부 물질을 형성하는 단계, 식각액을 이용해 희생층의 내부 확산도를 조절하는 단계, 내부 확산도가 조절된 희생층을 포함하는 기판 위에 엔캡슐레이션(encapsulation) 물질을 형성하는 단계 및 식각액을 이용해 희생층을 식각하는 단계를 포함한다.
각 단계 중 내부 확산도를 조절하는 단계에 대해 먼저 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법의 내부 확산도 조절을 설명하는 개략도이다. 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은 희생층의 내부 공극률(porosity)을 조절함으로써, 내부 확산도를 향상시키는 방법을 제안한다.
먼저, 기판(100) 위에 희생층(sacrificial layer, 110)이 형성되고, 희생층(110) 위에 상부 물질(120)이 형성된다. 이때, 상부 물질(120)에는, 도 2의 (a)와 같이, 나노미터 또는 나노미터 이하의 매우 작은 핀홀(pin hole)들이 형성된다. 상부 물질(120)에 형성된 핀홀은 식각액(etchant)이 상부 물질(120) 밑에 위치한 희생층(110)으로 흐르는 통로를 제공한다. 다만, 통로의 크기가 매우 작기 때문에 식각액은 시간에 따라 서서히 희생층(110)에 닿게 된다.
식각액과 접촉한 희생층은 도 2의 (b)와 같이 부분적인 식각이 이루어진다. 식각 시간의 조절을 통해 상부 물질(120)이 제거되진 않지만, 희생층(110) 내부에 식각에 의한 손상이 이루어지고, 이는 희생층(110)을 다공성 구조로 만든다. 희생층(110)의 구조가 다공성으로 되면 밀링턴-쿼크 모델(millington quirk model)에 의하여 확산도가 증가하게 된다.
본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은 희생층(110)을 다공성 구조로 만들어 확산도를 증가시키는 방법을 통해, 3D 나노미터를 용이하게 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
먼저, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 기판(100) 위에 희생층(110)을 형성하고, 희생층(110) 위에 상부 물질(120)을 형성한다. 여기서, 기판(100)은 실리콘(Si)으로 이루어진 3차원 나노 그레이팅 기판일 수 있다. 희생층(110)은 예를 들어, 크롬(Cr)과 같은 물질일 수 있고, 증착(deposition)에 의해 기판(100) 위에 형성될 수 있다. 상부 물질(120)은 예를 들어, 금(Au)과 같은 물질일 수 있고, 증착에 의해 기판(100) 위에 형성될 수 있다. 다만, 기판(100), 희생층(110) 및 상부 물질(120)의 종류나 형성 방법은 위에 설명한 예에 한정되지 않는다.
이후, 도 2와 관련하여 설명한 희생층의 내부 확산도 조절 단계가 이루어진다. 다시 말해, 희생층(110)과 상부 물질(120)이 형성된 기판(100)을 식각액(etchant)에 담가 희생층(110)을 다공성 구조로 만든다(도 3(c)).
이때, 내부 확산도는 식각액(etchant)에 의한 식각 시간에 따라 결정될 수 있고, 이와 관련해서는 도 4 및 도 5를 참조하면서 아래에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이후, 내부 확산도가 조절된 희생층(110)을 포함하는 기판(100) 위에 엔캡슐레이션 물질(예를 들어, PUA)(160)을 형성한다(도 3(d)). 이때, 엔캡슐레이션 물질(160)은 식각액(etchant)의 투과가 가능한 물질인 것이 바람직하다.
엔캡슐레이션 물질(160)에 의해 엔캡슐레이션된 기판(100)을 다시 식각액에 담가 희생층(110)을 선택적 식각한다(도 3(e)). 이때, 내부 확산도 조절 단계에서 이루어진 식각에 의하여 일부 희생층(110)이 식각된 상태이기 때문에, 본 단계에서는 잔여 희생층이 식각된다(도 3(f)).
한편, 잔여 희생층이 식각된 이후, 표면 평활화(surface smoothing)를 위한 플라즈마 처리 단계를 더 포함할 수 있다(미도시).
도 4는 식각 시간에 따른 희생층(110)의 내부 확산도의 변화를 나타내는 주사전자현미경 사진이고, 도 5는 식각 시간에 따른 희생층(110)의 내부 확산도 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서는, 기판(100), 희생층(110), 상부 물질(120) 및 엔캡슐레이션 물질(160)을 각각 Si, Cr, Au 및 PUA로 구성해 실험을 실시하였다.
내부 확산도 조절 단계와 관련하여, 도 4(a)는 식각 시간을 0초로, 도 4(b)는 식각 시간을 60초로, 도 4(c)는 식각 시간을 120초로, 도 4(d)는 식각 시간을 180초로 하였다. 또한, 잔여 희생층을 최종적으로 완전 식각하는 단계에서는 식각 시간을 모두 동일하게 4시간으로 하였다.
도 4(a) 내지 4(d)를 참조하면, 내부 확산도 조절과 관련한 식각 단계에서 희생층(110) 내부로의 식각액 확산 정도가 달라졌음을 알 수 있다. 식각 정도로부터 확산 계수를 추출하고, 이를 기공도에 의한 확산도 변화 이론과의 변화 및 양상을 비교하면 도 5와 같다. 도 5의 그래프에서 가로축은 확산도 조절 시간을 의미하며, 그 단위는 초(sec)이다. 그리고, 세로축은 추출된 확산 계수를 의미하며, 그 단위는 m2/s로, 시간당 확산 면적을 의미한다.
도 5의 그래프를 보면, 실험과 이론의 변화 양상이 매우 유사하고, 이는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의해 희생층 내부의 공극률이 달라지고, 이를 통해 확산도가 조절되었음을 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에서, 상부 물질(120)을 형성한 이후에 상부 물질을 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 결정화를 필요로 하는 물질의 경우 기존 기술로서는 3D 나노미터 구조 제조에 한계가 있었다. 이는 결정화를 위한 어닐링 단계가 포함될 수 없음을 의미한다.
종래 기술과 달리, 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은 어닐링(annealing)을 통해 상부 물질(120)을 결정화시킬 수 있게 된다. 다시 말해, 상부 물질(120)의 형성(증착) 후 어닐링을 통해 결정화가 이루어지고, 순차적으로 식각 과정을 거쳐도 손상이 생기지 않는다.
특히, 결정화를 통해 대표적으로 압전 특성이 향상되는 BaTiO3 물질의 경우 종래 기술로서는 어닐링 단계를 거칠 수 없기 때문에 3D 나노미터 구조를 제조하기 매우 곤란했지만, 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의하면, 상부 물질(120)로서 BaTiO3를 이용하는 경우에도 어닐링을 통해 압전 특성을 향상시키는 동시에 3D 나노미터 구조로 제조할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법의 응용례로서, 나노와이어 채널을 포함하는 반도체 소자의 형성 단계를 순차적으로 도시한다.
먼저, 그레이팅 구조의 기판(100)을 제공하고, 그 위의 일정 영역에 희생층(110) 및 상부 물질(120)을 순차적으로 형성시킨다(도 6(a) 내지 6(c)).
이후 식각액(etchant)을 이용하여 희생층(110)을 다공성 구조로 만들어 내부 확산도를 조절하고, 인렛(inlet)과 아웃렛(outlet)을 형성하면서 뚜껑 물질(130)을 형성시킨다(도 6(d)).
마지막으로 식각액(etchant)을 이용해 희생층(110)의 잔여 부분을 식각함으로써 나노 채널(140)을 형성시킨다(도 6(f)).
한편, 기판(100)의 표면 평활화를 위한 플라즈마 처리 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 방법에 의해 형성된 반도체 소자의 전체 모습과 나노와이어 채널(140)의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이며, 상술한 방법에 의해, 나노미터 크기의 적층 구조에서 내부층(희생층)을 용이하게 없애 나노와이어 채널을 용이하게 형성할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법을 나타내는 도면이다.
먼저, 나노 그레이팅 기판(100)을 제공한다(도 8(a)). 기판(100) 위에 희생층(110)과 상부 물질(120)을 증착시킨다(도 8(b)(c)). 이때, 상부 물질(120)은 나노와이어를 형성시키기 위한 물질일 수 있다. 따라서, 상부 물질(120)은 나노와이어 물질일 수 있고, 예를 들어, 결정화가 이루어지면 압전 특성이 향상되는 BaTiO3일 수 있다.
희생층(110)과 상부 물질(120)이 증착된 기판(100)을 어닐링(annealing)시킨다(도 8(d)). 이를 어닐링 단계 혹은 결정화 단계로 칭할 수 있다.
상부 물질(120)의 결정화가 이루어지면, 희생층(110)을 손상시키는 단계가 이루어진다(도 8(e)). 희생층(110)의 손상 단계는 위에서 설명한 내부 확산도 조절 단계에 대응된다. 다시 말해, 식각액(etchant)이 상부 물질(120)을 통해 희생층(110)에 닿아 희생층(110)의 일부를 식각(희생층의 손상)시킨다(도 8(e)(f)).
손상된 희생층(110)을 포함하는 기판 상에 유연성 기판(flexible substrate)(150)을 라미네이트(laminate)시킨다(도 8(g)). 유연성 기판(150)이 라미네이트된 뒤 그 상태로 식각액(etchant)에 담가 희생층(110)의 잔여 부분을 완전히 식각시킨다(도 8(g)).
마지막으로, 유연성 기판(150)을 기판(100)으로부터 떼어낸다(peel-off). 이때, 도 8(h)의 과정까지 거치면서 희생층(110)이 전부 식각되어 있기 때문에 상부 물질(120)은 기판(100)으로부터 쉽게 분리될 수 있다(도 8(j)).
한편, 분리된 유연성 기판(150)에 대하여 표면 평활화를 위한 플라즈마 처리 단계를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의한 상부 물질의 결정화 정도를 나타내는 그래프이다. 하부 그래프는 도 8(c) 단계에서 증착 직후의 상부 물질(120)의 결정화 정도이고, 중간 그래프는 도 8(d) 단계에서, 700℃하 어닐링이 이루어진 직후의 결정화 정도이며, 상부 그래프는 도 8(e) 단계에서 희생층(110)의 손상이 이루어진 직후의 결정화 정도를 나타낸다. 도 9의 그래프를 보면, 어닐링 단계(도 8(d))에서 상부 물질(120)의 결정화가 이루어진 뒤, 희생층 손상 단계(도 8(e))를 위한 식각을 거치면서도 상부 물질(120) 결정화의 손상이 이루어지지 않음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의하면, 도 1과 관련하여 언급한 종래 기술의 문제점을 해결하고, 결정화가 필요한 상부 물질를 이용하여 3d 나노미터 구조를 제작할 수 있게 된다.
한편, 도 8(i) 단계에서 유연성 기판(150)이 제거된 기판(100)은 재사용되어 다시 도 8(a)의 기판(100)으로 제공될 수 있기 때문에, 모체 기판의 재사용이 가능하다는 경제적 효과까지 도모할 수 있다.
도 10은 위에서 설명한 다양한 실시예의 3D 나노미터 구조 제조 방법에 전사된 결과를 나타내는 사진이다. 모체로는 200 line and space의 나노 그레이팅 기판을 사용한 결과이다.
도 10의 (a)는 스케일바(scale bar) 2cm의 광학 사진을 나타내며, 도 10의 (b) 내지 (e)는 도 10(a)에 표시된 각 부분의 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 도 10의 (a) 내지 (e)를 보면 2×2.5cm 정도의 면적에 균일하게 나노 물질(와이어 형태)이 전사된 것을 볼 수 있고, 도 10의 (f)를 보면 450㎛ 이상의 긴 길이에서도 완벽하게 정렬된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 10의 (g)는 전사된 나노와이어의 단면 EDS 물질 분석(scale bar: 100nm)을 나타내는 사진으로, 제조된 나노와이어의 주된 성분은 바륨(Ba)(청색점으로 표시), 타이타늄(Ti)(적색점으로 표시) 및 옥사이드(O)(녹색점으로 표시)이다. 도 10의 (g)에 나타난 맵핑 데이터로부터, 전사된 나노와이어의 주된 성분의 질량퍼센트는 각각 52.77 mass%, 24.47 mass%, 11.58 mass%이고, 크롬(Cr)은 1.18mass%로 검출되었다. 이 결과는 BaTiO3에 접촉한 크롬이 합금(alloy)을 생성하지만, 합금 물질은 도 8의 (h)단계에서 거의 모두 식각되었음을 의미한다.
도 11 및 12는 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법에 의한 물질 전사에 의해 제조된 소자의 특성 시험과 그 결과를 나타내는 도면이다.
먼저, 상부 물질(120)로는 결정화에 의해 압전 특성이 향상되는 BaTiO3를 이용하였고, 도 11의 (a)는 전사 물질의 양 끝에 전극(Silver electrodes)을 형성하고, 손가락(Finger)에 부착하고, 도 11의 (b)와 같이 손가락을 구부렸다 폈다 하면서 그 특성을 평가하였다.
도 12의 (a) 및 (b)는 열처리를 수행하여 결정화가 이루어진 경우의 압전 결과(전류 및 전압)를 나타내며, 도 12의 (c) 및 (d)는 열처리가 수행되지 않아 결정화를 이루지 못한 경우의 압전 결과(전류 및 전압)를 나타낸다.
도 12의 (a) 및 (b)의 그래프와 같이, 열처리가 이루어진 경우에는 향상된 물질 특성을 얻을 수 있었다. 이는 상부 물질(120)로 사용한 BaTiO3가 결정화에 의해 압전 특성이 향상되기 때문이다. 이를 이용하면, 센서나 에너지 수확 소자 등의 응용이 가능해진다.
반면, 도 12의 (c) 및 (d)의 그래프와 같이, 열처리가 이루어지지 않으면, 압전 특성이 향상되지 않기 때문에, 전류나 전압에 있어 압전 소자로서의 물질 특성을 얻을 수 없다.
따라서, 본 발명에 따른 3D 나노미터 구조 제조 방법은 물질의 결정화 특성에 영향을 줄 수 있기 때문에 실리콘 등의 물질에 적용 가능하며, 유연성 반도체 소자 등에 응용할 수 있기 때문에 수요가 매우 클 것이다.
상술한 3D 나노미터 구조 제조 방법은 유연성 기판 위 나노 물질의 형성 및 전사에 있어서 종래에 불가능했던 결정화 문제를 해결하는 새로운 전사 방법에 관한 것으로, 다양한 물질을 이용한 유연성 전자 소자에 응용할 수 있다. 또한, 간단한 공정을 이용해 대량 생산에 적합할 뿐만 아니라, 물질의 결정화 조절이 가능하기 때문에 결정화에 따라 특성이 달라지는 물질의 이용 및 다양한 응용처(예를 들어, 압전 물질을 이용한 에너지 수확 소자 등)에 사용이 가능하다. 나아가, 대면적에 균일하게 정렬된 패턴을 전사시킴으로써, 정렬도를 이용한 소자 설계 및 물질의 효율적인 이용(특성 향상이 용이)이 가능해진다.
이상의 실시예와 관련하여 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥기판
110‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥희생층
120‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥상부 물질
130‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥뚜껑 물질
140‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥나노와이어 채널
150‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥유연성 기판

Claims (13)

  1. 기판 위에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 위에 상부 물질을 형성하는 단계;
    식각액을 이용해 상기 희생층의 내부 확산도를 조절하는 단계;
    내부 확산도가 조절된 상기 희생층을 포함하는 상기 기판 위에 엔캡슐레이션(encapsulation) 물질을 형성하는 단계; 및
    식각액을 이용해 상기 희생층을 식각하는 단계;를 포함하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 물질을 형성하는 단계 후에, 어닐링(annealing)을 통해 상기 상부 물질을 결정화시키는 단계;를 더 포함하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    결정화된 상기 상부 물질은 BaTIO3인 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 확산도를 조절하는 단계는, 상기 희생층의 식각 시간을 조절하여 상기 희생층을 부분적으로 식각하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 희생층을 식각하는 단계는, 부분적으로 식각된 상기 희생층의 잔여 부분을 식각하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 그레이팅 기판(grating substrate)인 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  7. 기판 위에 희생층을 증착하는 단계;
    상기 희생층 위에 나노와이어 물질을 증착하는 단계;
    식각액을 이용해 상기 희생층을 손상시키는 단계;
    손상된 상기 희생층을 포함하는 기판 위에 유연성 기판(flexible substrate)을 라미네이트하는 단계;
    식각액을 이용해 상기 희생층을 식각하는 단계; 및
    라미네이트된 상기 유연성 기판을 상기 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나노와이어 물질을 증착하는 단계 후에, 어닐링(annealing)을 통해 상기 나노와이어 물질을 결정화시키는 단계;를 더 포함하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    결정화된 상기 나노와이어 물질은 BaTIO3인 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 희생층을 손상시키는 단계는, 상기 희생층의 식각 시간을 조절하여 상기 희생층을 부분적으로 식각함으로써 상기 희생층의 내부 확산도를 조절하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 희생층을 식각하는 단계는, 부분적으로 식각된 상기 희생층의 잔여 부분을 식각하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 그레이팅 기판(grating substrate)인 3D 나노미터 구조 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 유연성 기판이 분리된 상기 기판을 재사용하는 단계;를 더 포함하는 3D 나노미터 구조 제조 방법.
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