KR101223233B1 - 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로/나노 역학 구조의 역학적 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 상용중인 마이크로/나노 역학 구조인 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)의 외부 스트레스나 환경변화에 따른 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반도체 나노선을 결합하여 외부 측정 장비인 레이져나 외부 광원이 필요없이 극미세 역학적 변위를 측정하는 변위측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도체 나노선을 역학구조에 결합시킴으로써 기존 역학 소자의 미세 변위 측정 시그널 크기 및 분해능의 변동을 최대한 줄임으로써 안정적인 측정 시그널과 분해능을 가질 수 있게 된다. 반도체 나노선의 특이 광학적 특성인 도파관 성질을 이용하게 되면 반도체 나노선의 끝단이 놓여있는 역학 소자의 특정 부분에만 광자가 방출되게 되어 복잡한 광학 정렬이 필요 없이 간단한 절차를 통하여 항상 동일한 분해능과 민감도를 가질 수 있게 된다.
이러한 특성을 이용한 반도체 나노선 역학 구조는 광학적 회절 한계를 뛰어 넘을 수 있으므로 역학적 소자의 크기를 반도체 나노선 크기만큼 줄일 수 있어 기존 시스템의 변위, 힘, 질량 민감도를 크게 향상 시킬 수 있다. 또한 크기가 작아짐에 따라 동역학적 반응이 커지게 역학 반응의 시간 분해능을 더욱 높일 수 있다.
또한 광결정 구조를 반도체 나노선 주위에 위치 시킴으로서 반도체 나노선의 광자 방출의 효율을 극대화 시키며 선택적으로 파장을 선택함으로서 역학소자의 기능성을 다양화시킬 수 있다.

Description

반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법{An integrated direct-band semiconductor nanowire on mechanical structures to facilitate measurement of structures displacement}

본 발명은 마이크로/나노 역학 구조의 역학적 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 상용중인 마이크로/나노 역학 구조인 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)의 외부 스트레스나 환경변화에 따른 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반도체 나노선을 결합하여 외부 측정 장비인 레이져나 외부 광원이 필요없이 극미세 역학적 변위를 측정하는 변위측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 마이크로/나노 영역에서 미세 힘이나 질량 그리고 표면을 관측하기 위해 마이크로/나노 역학 구조가 사용되고 있다. 이러한 역학 구조의 미세 변위를 측정하기 위하여 사용하는 방법에는 외부 광원이나 레이저를 이용하여 역학구조의 표면에서 반사되는 회절각의 차이를 비교하여 역학적 변위를 측정하고 있다.

종래에 많이 사용되고 있는 Atomic Force Microscope (AFM)은 이러한 마이크로 캔틸레버를 이용하여 나노 스케일의 표면 및 힘 측정이 가능하다. 종래의 장비는 마이크로 캔틸레버, 레이저, 거울, Quad Photodiode등이 필요하다. 캔틸레버에 입사된 외부 레이저는 캔틸레버 표면에 반사되어 입사각과 동일한 각도로 반사각을 이루게 된다.

이때 캔릴레버가 표면이나 외부 힘에 의해 변형되게 되면 photodiode에 입사되는 레이저의 각이 바뀌게 되어 시료의 표면에 의한 캔틸레버의 변위를 측정할 수 있게 된다. 이러한 캔틸레버의 경우 표면의 미세 변위를 측정하기 위하여 표면에 직접 접촉하는 컨택(contact) 방식이나 비 접촉 (non contact) 방식을 이용한다.

이때 비 접촉 방식은 캔틸레버의 역학적 구조에 의해 결정되는 공명 진동수에서 구동된다. 일반적인 캔틸레버의 경우 크기가 수십 마이크로에달하게 되며 이에 따른 역학적 진동수는 수 KHz가 되어 동역학적 측정에 한계를 가지고 있다.

기술의 발전에 따라 고주파 역학 진동수(~MHz)를 가진 캔틸레버에 대한 필요성이 대두되고 있다. 그러나 이러한 고주파 진동수를 가진 역학 구조를 형성하기 위해서는 나노스케일의 크기를 가져야 하며 크기가 작아짐에 따라 레이저나 외부 광원에 의한 광학적 상호작용이 광학적 회절 한계에 의해 급속히 줄어들게 된다. 또한 기존의 캔틸레버와 팁의 크기가 마이크로 수준에 달하게 되어 측생(lateral )의 해상도에 한계를 가지고 있다.

종래의 기술은 역학소자의 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반드시 레이저나 외부 광원이 필요하며 이에 따라 광학적 회절 한계에 의해 역학소자의 스케일 다운에 한계점을 가지고 있다. 또한 마이크로 사이즈의 크기의 역학소자에서의 측생 해상도 및 낮은 역학적 진동수라는 문제점을 가진다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 상용중인 마이크로/나노 역학 구조인 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)의 외부 스트레스나 환경변화에 따른 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반도체 나노선을 결합하여 외부 측정 장비인 레이져나 외부 광원이 필요없이 극미세 역학적 변위를 측정하는 변위측정방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Chemical Vapor Deposition 방식을 이용하여 CdS powder를 고온에서 가열하여 Si 기판위에 형성된 nano Au catalysis 에 나노선을 성장시키는 단계와, Si 기판위에 수직으로 형성된 나노선은 에탄올에 기판체 담가 초음파로 기판과 나노선을 분리하는 단계와, 에탄올 용액에서 기판을 제거한 후 에탄올-나노선 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 형성하고자 하는 역학 구조에 분산한후 질소가스로 건조시켜 반데를 발스 힘 (vander walls force)에 의해 나노선과 역학 구조물이 결합되도록 하는 단계와, 반도체 나노선을 valence band electron들이 전이되도록하여 electron-hole recombination시 광자를 방출하도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 나노선은 CdS나 ZnO, ZnS, GaN, GaAs중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 상기 반도체 나노선을 외부 레이저를 이용하여 전이시켜 반도체 나노선의 특정 파장의 광자를 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, P-N junction을 형성하여 전류에 의해 반도체 나노선을 전이시켜 광자를 방출도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.

본 발명에 따른 반도체 나노선을 역학구조에 결합시킴으로써 기존 역학 소자의 미세 변위 측정 시그널 크기 및 분해능의 변동을 최대한 줄임으로써 안정적인 측정 시그널과 분해능을 가질 수 있게 된다. 반도체 나노선의 특이 광학적 특성인 도파관 성질을 이용하게 되면 반도체 나노선의 끝단이 놓여있는 역학 소자의 특정 부분에만 광자가 방출되게 되어 복잡한 광학 정렬이 필요 없이 간단한 절차를 통하여 항상 동일한 분해능과 민감도를 가질 수 있게 된다.

외부 레이저를 통한 반도체 나노선을 전이시켜 방출된 광자는 외부 레이저와 파장이 달라 좀더 다양한 측정 시그널을 제공하게 된다. 또한 반도체 나노선과 역학 소자의 경계면을 P-N junction으로 만들 경우 둘 사이에 흐르는 전류에 따라 전이된 광자가 반도체 양끝단에서 발광하게 되어 기존 시스템 구성에서 외부 레이저나 광원이 필요없게 되어 시스템의 간소화 뿐만 아니라 비용절감이 가능하다.

이러한 특성을 이용한 반도체 나노선 역학 구조는 광학적 회절 한계를 뛰어 넘을 수 있으므로 역학적 소자의 크기를 반도체 나노선 크기만큼 줄일 수 있어 기존 시스템의 변위, 힘, 질량 민감도를 크게 향상 시킬 수 있다. 또한 크기가 작아짐에 따라 동역학적 반응이 커지게 역학 반응의 시간 분해능을 더욱 높일 수 있다.

또한 광결정 구조를 반도체 나노선 주위에 위치 시킴으로서 반도체 나노선의 광자 방출의 효율을 극대화 시키며 선택적으로 파장을 선택함으로서 역학소자의 기능성을 다양화 시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위 측정 기술을 실현하기 위해서는 다음과 같은 공정이 필요하다.

우선 반도체 나노선을 생성하기 위해서 Chemical Vapor Deposition 방식을 이용하여 CdS powder를 고온에서 가열하여 Si 기판위에 형성된 nano Au catalysis 에 CdS 나노선을 성장시킨다. 이때 형성된 CdS 나노선은 지름이 약 50~200nm, 길이가 5~20 ㅅm가 된다.

형성된 나노선은 단결정 구조를 가지게 되며 hexagonal structure를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 CdS 반도체 나노선은 direct bandgap을 가지고 있어 외부의 에너지에 의해 valence band electron이 conduction band로 전이된다.

본 발명에서는 CdS 외에 위와 같은 방법으로 형성된 ZnO, ZnS, GaN, GaAs등과 같은 반도체 나노선을 이용한다. Si 기판위에 수직으로 형성된 나노선은 에탄올에 기판체 담가 초음파로 기판과 나노선을 분리한다.

에탄올 용액에서 기판을 제거한 후 에탄올-나노선 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 형성하고자 하는 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)과 같은 역학 구조물에 도포(=분산)한후 질소가스로 건조시킨다. 이때 나노선과 역학 구조물은 반데를 발스 힘 (vander walls force)에 의해 결합된다. 일반적인 반도체 나노선의 경우 도핑에 의해 carrier를 조절할 수 있다.

역학 구조물의 경우 일반적으로 Si을 사용하게 되는데 P-type Si 역학 구조를 이용할 경우 N-type 반도체 나노선을 N-type Si 역학 구조의 경우 P-type 반도체 나노선을 이용한다. 이는 역학적 구조와 반도체 나노선이 P-N Junction을 형성하기 위함이다.

반도체 나노선의 경우 외부 광원이나 전류에 의해 valence band electron들이 전이되어 다시 electron-hole recombination시 광자를 방출하게 된다. 이때 방출되는 광자의 양의 외부 광원의 intensity나 전류에 의해 증가된다. 이때 방출되는 광자의 파장 및 에너지는 반도체 나노선의 bnadgap에 의해 결정되며 반도체 물질의 고유 특성을 가지게 된다.

일반적으로 CdS의 경우 510 nm, ZnO 390nm의 광자를 방출한다. 성장된 반도체 나노선의 경우 단결정과 매우 매끈한 표면을 가지고 있어 방출된 광자는 반도체 나노선 축을 따라 방출되게 된다. 이때 반도체 나노선의 refraction index가 vacuum이나 다른 재료의 refraction index보다 클 경우 전반사를 일으켜 광화이버와 같이 반도체 나노선 안에서만 광자가 존재하게 된다.

이때 반도체 양끝단은 거울과 같은 역학을 하게 되어 방출된 광자는 양끝단에서 연속적으로 반사되어 나노선의 길이에 따라 정상파를 이루게 된다. 이는 반도체 나노선은 하나의 optical Cavity를 형성하게 되어 Spontaneous emission뿐만 아니라 Stimulated emission이 가능하게 된다.

이로 인해 방출되는 광자의 양은 급속도록 증가하게 되며 이는 일반적인 레이저와 같은 원리이다. 빛의 경우 파장길이보다 작은 도파관에서는 진행 할 수 없으며 빛이 진행할 수록 빛의 에너지가 기하급수적으로 감소한다. 이러한 이유로 빛의 파장보다 작은 도파관을 만드는것이 마이크로/나노 광학에서 큰 이슈이다.

그러나 반도체 나노선 및 금속 나노선의 경우 빛의 파장보다 훨씬 작은 지름을 가지고 있으나 빛의 에너지 손실없이 나노선의 양끝단으로 빛을 전달할 수 있다. 이러한 나노선의 도파관 성질을 이용하여 역학적 소자의 미세 변위 측정및 사이즈를 빛의 회절 한계이하(~500nm)까지 줄일 수 있다.

우선 역학적 소자위에 형성된 반도체 나노선을 외부 레이저를 이용하여 전이시켜 반도체 나노선의 특정 파장의 광자를 방출하게 된다. 이때 반도체 나노선은 방출되는 광자를 나노선의 양끝단으로 전달하여 양끝단에서 방출되는 광자의 인텐시티가 증가하게 된다.

이때 외부 레이저와 반도체 나노선에서 방출되는 광자의 파장이 달라 필터를 이용할 경우 외부 레이저와 반도체 나노선의 광자를 구별 할 수 있다. 이방법을 이용할 경우 반도체 나노선의 광자 방출이 역학 소자의 특정 부분에 국한되어 미세한 광학적 정렬없이 자가 정렬된 레이저 소스를 얻을 수 있다.

이는 외부 레이저의 역학 소자의 입사 위치에 따른 시그널의 크기와 분해능의 차이가 나타나데 반도체 나노선을 이용하게 되면 특정 부분에서만 발광하게 되어 이러한 한계점을 제거할 수 있어 역학소자의 변위 측정에 일정한 시그널과 분해능을 제공할 수 있다.

또한 외부 레이저에 의한 반도체 나노선의 전이 방법이외에 P-N junction을 형성하여 전류에 의해 반도체 나노선을 전이시켜 광자를 방출하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 방법을 사용하기 위해서는 반도체 나노선과 역학 소자의 재료 선택이 중요하다. 일반적으로 사용되는 캔틸레버나 빔 구조는 Si을 사용하게 되는데 이는 선택적인 이온 주입으로 carrier를 조절 할 수 있다.

Hole이 carrier인 P-type Si 역학소자를 이용할 경우 N-type 반도체 나노선을 이용하며 electron이 carrier인 N-type Si 역학소자를 이용할 경우 P-type 반도체 나노선을 이용한다.

반도체 나노선과 역학 소자의 전기적 고립을 위하여 Al2O3와 같은 insulating layer를 반도체 나노선 지름의 2/3정도 올린이후 반도체 나노선과 연결될 전기전극을 일반적인 반도체 공정을 통해 형성한다.

반도체 나노선과 역학소자에 전류를 흘리게 되면 반도체 나노선과 역학소자는 표면 경계면에서 P-N Junction을 형성되어 광자들이 방출되며 반도체 나노선을 따라 도파되며 양끝단에서 반사되어 Optical Cavity를 형성하게 된다. 전류에 따라 광자의 인텐시티가 증가하게 되며 이때 발광하는 광자들은 반도체 나노선의 양끝단에 집중되게 된다. 전류에 따른 반도체 나노선 레이저를 이용할 경우 앞의 경우와는 달리 외부 전이 레이저가 필요없게 되어 측정 장비의 간소화가 가능해진다.

또한 역학소자의 특정 부분에만 레이저가 발광하게 되므로 기존의 외부 레이저 위치에 따른 시그널 크기및 분해능의 변화를 제거할 수 있다. 기존의 측정 방법을 사용하기 위해서는 외부 레이저가 반드시 필요하며 일정한 시그널과 분해능을 가지기 위해서는 일정 크기의 역학 소자가 필요했다.

역학 소자의 크기가 작아질수록 미세 변위 분해능이나 질량, 힘 민감도가 증가하나 기존의 방법을 이용할 경우 역학 소자의 크기 줄임에 광학적 회절 한계가 있기 때문에 일정 스케일 이하의 역학소자를 사용할 수 없었다.

반도체 나노선을 이용할 경우 지름이 약 50~200nm의 크기를 가지고 있으며 질량이 매우 가볍기 때문에 나노 스케일의 고감도 변위, 질량, 힘 측정에 매우 적합하다. 또한 반도체 나노선의 광학적 회절 한계를 넘는 도파관 성질과 레이저 현상은 기존의 역학 소자를 대처하며 그동안 한계점으로 생각되어지던 사이즈 문제도 해결할 수 있다.

이를 이용할 경우 역학 소자의 크기는 약 50~200 nm의 크기로 줄어들게 되어 기존의 한계를 넘는 역학 소자를 제작할 수 있다. 또한 기존의 역학소자의 경우 마이크로 사이즈의 팁에 의해 측생 (lateral) 해상도에 한계를 가지고 있었다. 반도체 나노선을 이용하게 되면 이러한 팁의 크기를 나노 스케일까지 줄일 수 있어 측생 분해능을 급격하게 증가시킬 수 있다.

역학 소자의 동역학적 반응인 공명 진동수는 양쪽 끝이 고정된 빔의 로 정해지게 된다. 여기서 D는 빔의 넓이, L은 길이, E는 영률 (Youngs modulus ), r는 mass density이다. 위식과 같이 공명진동수는 길이가 짧아질 수록 질량이 작을 수록 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 캔틸레버 구조에서도 비슷하게 나타난다.

이와같이 역학소자의 크기가 줄어들 수록 동역학적 반응성이 크게 증가하게 되는것을 볼 수 있다. 나노스케일(100~200nm)의 역학소자는 수십 MHz 수준의 동역학적 반응을 보이게 되며 이를 이용할 경우 짧은 시간 분해능을 가진 역학적 측정이 가능해진다.

이러한 반도체 나노선을 이용할 경우 나노선을 따라 광자가 도파되면서 에너지 손실이 나타나게 된다. 이는 반도체 나노선을 이용한 레이저 및 도파관의 효율을 저하시키는 요인이며 이에따라 측정 효율이 결정된다. 일반적으로 반도체 나노선의 refraction index가 외부환경인 Vacuum 또는 Air의 index보다 크기때문에 반도체 나노선 안에서 전반사 현상에 의해 반도체 나노선 안에 집속되게 된다.

그러나 이러한 전반사를 통한 광자의 집속에도 일정한 손실이 발생하게 된다. 이러한 손실을 최대한 줄이며 반도체 나노선의 레이저 및 도파관 효율을 증대시키기 위한 방법으로 광결정 (photonic crystal) 구조를 이용한다. 광결정 구조는 air hole과 dielectric의 반복적인 구조를 통해 특정 파장의 빛을 가두거나 빛의 진행방향을 가이드 할 수 있다.

광결정 구조를 이용할 경우 특정 파장의 빛이 특정 지역에 집속 시킬 수 있어 반도체 나노선을 통한 손실을 줄일 수 있다. 또한 이러한 광자 결정을 반도체 나노선에 이용할 경우 광자 결정의 defect을 반도체 나노선의 양 끝단에 위치시키면 양끝단에서 나오는 레이저의 인텐시티를 증가 시킬 수 있으며 파장을 선택적으로 통과 시킬 수 있다.

Claims (4)

1. Chemical Vapor Deposition 방식을 이용하여 CdS powder를 고온에서 가열하여 Si 기판위에 형성된 nano Au catalysis 에 나노선을 성장시키는 단계와, Si 기판위에 수직으로 형성된 나노선을 에탄올에 기판째 담가 초음파로 기판과 나노선을 분리하는 단계와, 에탄올 용액에서 기판을 제거한 후 에탄올-나노선 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 형성하고자 하는 역학 구조물에 도포한 후 질소가스로 건조시켜 반데를 발스 힘 (vander walls force)에 의해 나노선과 역학 구조물이 결합되도록 하는 단계와, 반도체 나노선을 valence band electron들이 전이되도록하여 electron-hole recombination시 광자를 방출하도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 나노선은 CdS나 ZnO, ZnS, GaN, GaAs중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 나노선을 외부 레이저를 이용하여 전이시켜 반도체 나노선의 특정 파장의 광자를 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.
   
4. 제 1항에 있어서, P-N junction을 형성하여 전류에 의해 반도체 나노선을 전이시켜 광자를 방출도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.