[논문]스퍼터 증착된 알루미늄 박막을 이용한 양극산화 알루미늄 나노템플레이트 제조

이재형

doi:10.6109/jkiice.2010.14.4.923

초록
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양극산화 알루미늄(anodic aluminum oxide, AAO) 나노템플레이트는 제작이 쉬우며, 저비용, 대면적 제작이 가능하다는 장점으로 인해 이를 나노 전자소자 제작에 응용하려는 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 나노템플레이트를 이용하면 기공의 직경이나 밀도를 변화킴으로써 나노구조의 물질의 크기나 밀도를 제어할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 나노 전자소자 제작에 응용할 수 있는 AAO 나노템플레이트를 2단계 양극산화법에 의해 제조하였다. 이를 위해 기존의 알루미늄 판 대신 실리콘 웨이퍼 상에 DC 마그네트론 스퍼터법으로 $2{\mu}m$ 두께의 알루미늄 박막을 증착하였고, 전해액으로 사용한 옥살산 용액의 온도 및 양극산화 전압에 따른 다공성 알루미나 막의 미세구조를 조사하였다. 전해액 온도가 $8^{\circ}C$에서 $20^{\circ}C$로 높아짐에 따라 다공성 알루미나 막의 성장속도는 86.2 nm/min에서 179.5 nm/min으로 증가하였다. 최적 조건에서 제작된 AAO 나노 템플레이트의 기공 직경 및 깊이는 각각 70 nm와 $1\;{\mu}m$이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Anodic aluminum oxide (AAO) nanotemplates for nano electronic device applications have been attracting increasing interest because of ease of fabrication, low cost process, and possible fabrication in large area. The size and density of the nanostructured materials can be controlled by changing the ...

Anodic aluminum oxide (AAO) nanotemplates for nano electronic device applications have been attracting increasing interest because of ease of fabrication, low cost process, and possible fabrication in large area. The size and density of the nanostructured materials can be controlled by changing the pore diameter and the pole density of AAO nanotemplate. In this paper, nano porous alumina films AAO nanotemplate was fabricated by second anodization method using sputterd Al films. In addition, effects of electrolyte temperature and anodization voltate on the microstructure of porous alumina films were investigated. As the electrolyte temperature was increased from $8^{\circ}C$ to $20^{\circ}C$, the growth rate of nanoporous alumina films was increased from 86.2 nm/min to 179.5 nm/min. The AAO nanotemplate fabricated with optimal condition had the mean pore diameter of 70 nm and the pore depth of $1\;{\mu}m$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 알루미 늄 박막을 이용하는 경우, 다양한 기 판 상에 서나노 소자의 형성이 가능하고 또한 제작된 나노 소자는 기판과 접착되어 있기 때문에 여러 분야에서 응용이 가능하다[10]. 따라서 본 연구에서는 실리콘 웨이퍼 위에 DC 마그네트론 스퍼 터 법 으로 증착된 알루미 늄 박막의 양극산화에 의해 나노템플레이트를 제조하고 전해액 온도 및 양극산화 전압과 같은 제조 조건에 따른 다공성 알루미나 막에 대해 연구하였다.

제안 방법

전해질에서 생성된다고 알려져 있다[2]. 그러나 동일한 전해질이라도 전해액의 온도에 따라 용해력에 큰차이가 보이 기 때문에 본 연구에서는 전해 액 온도 영 향을 조사하기 위하여 반응 온도를 11 ~20 °C로 변화시켜 시편을 제조하였다. 그림 3과 4는 전해액의 농도 0.
양극산화 반응시 만들어진 다공성 알루미나 층의 두께가 한계두께에 도달되기 전까지는 용해되어 전해액으로 방출되는 알루미늄 이온의 양이 매우 적으므로 이를 무시할 경우, 양극산화시 가해진 전기량에 비례하여 생성되는 막의 두께가 결정된다고 볼 수 있다[12]. 따라서 본 연구에서 는 전해액의 온도 17’C, 옥살산 농도0.3 M, 반응 시간 10분의 조건에서 전기량을 결정짓는 전압을 변화 시키 면서 실험하였다.그림5는 1차 양극산화 후 인가전압에 따른 다공성 알루미 나 막의 성 장속도를 나타낸 것 이다.
그러나 알루미늄 박막의 경우, 두께가 얇고 표면이 매끄럽기 때문에 전해연마를 이용한 전처리 공정을 거치지 않는다. 본 실험에서 양극산화 공정은 알루미 늄을 양극으로, 티타늄에 백금을 코팅한 전극을 음극으로 사용하였고, 전극간의 거리는 5 cm로 유지하여 일정한 전압을 가하는 정전압 방식을 이용하여 수행하였다. 한편, 양극산화시 반응기 내의 온도를 균일하게 유지시키기 위해서 저온 냉각조를 이용하여 이 중 반응조 안으로 냉각수를 순환시켰으며, 동시 에 양극산화 반응시 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위해서 마그네틱 바를 이용하여 일정한 속도로 전해액을 교반하였다.
실험하였다. 제작된 시편은 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Jeol JSM-6700F)을 이용하여 단면과 표면의 기공구조를 관찰하였다.
본 실험에서 양극산화 공정은 알루미 늄을 양극으로, 티타늄에 백금을 코팅한 전극을 음극으로 사용하였고, 전극간의 거리는 5 cm로 유지하여 일정한 전압을 가하는 정전압 방식을 이용하여 수행하였다. 한편, 양극산화시 반응기 내의 온도를 균일하게 유지시키기 위해서 저온 냉각조를 이용하여 이 중 반응조 안으로 냉각수를 순환시켰으며, 동시 에 양극산화 반응시 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위해서 마그네틱 바를 이용하여 일정한 속도로 전해액을 교반하였다. 교반하지 않을 경우, 국부적인 열 발생으로 인해 안정 한 산화층 성 장을 방해 하고, 산화 층을 파괴 한다.

대상 데이터

나노 전자소자 제작에 응용할 수 있는 AAO 나노템플레 이트를 기공 균일성과 정 렬도가 우수한 2단계 양극 산화법에 의해 제조하였다. 이를 위해 기존의 알루미늄 판 대신 실리콘 웨이퍼 상에 DC 마그네트론 스퍼터 법으로 2㎛ 두께의 알루미늄 박막을 증착하였고, 전해액으로 사용한 옥살산 용액의 온도 및 양극산화 전압에 따른 다공성 알루미나 막의미 세구조를 관찰한 결과, 전해액의 온도 및 양극산화 전압이 높아질수록 나노 크기의 다공성 알루미 나 막의 성 장속도는 증가하였고, 기공의 수직방향 정 렬도는 향상되었다.
그림 1은 2단계 양극 산화 과정을 통한 AAO 나노템플레이트 제조 공정 및 AAO 나노템플레 이트 표면과 단면 모식도를 나타낸 것이 고, 그림 2는 양극산화 실험을 위한 시스템 개략도를 나타낸 것이다. 시편 제작을 위해 먼저 세척된 실리콘 기판 위에 DC스퍼터링 방법으로2㎛두께의 알루미늄 박막을 증착하였다. 이때 DC 전력은 90 Watt, 스퍼터 압력은 3 mTorr로 유지하였고, 기판은 가열하지 않았다.

이론/모형

본 연구에서는 규칙적으로 잘 배열된 형태의 AAO 나노템플레이트를 제조하기 위해 Masuda 그룹에 의해 보고된 2단계 양극 산화 과정 (two-step anodization process)[2]을 이용하였다. 그림 1은 2단계 양극 산화 과정을 통한 AAO 나노템플레이트 제조 공정 및 AAO 나노템플레 이트 표면과 단면 모식도를 나타낸 것이 고, 그림 2는 양극산화 실험을 위한 시스템 개략도를 나타낸 것이다.

성능/효과

그러나 전해액의 온도가 20°C에서는 전해액에 의한 막의 용해작용이 크게 상승하여 다공성 막의 표면이 손상되어 다공성 알루미나 막의 세공형성 이 균일하지 않은 거친표면을갖는알루미나막이 형성 됨을 알 수 있었다. 또한 14°C 이 하의 온도에 서는 widening 공정 까지 진행하였을 때 수직방향으로의 기공 정 렬도가 좋지 못함을 확인할 수 있었다.
또한 14°C 이 하의 온도에 서는 widening 공정 까지 진행하였을 때 수직방향으로의 기공 정 렬도가 좋지 못함을 확인할 수 있었다. 17 笆에서 성장한 다공성 산화막의 경우, 이전 연구[11]에서보다 기공의 형태와 길이 등에서 더 나은 결과를 나타내었다.
이를 위해 기존의 알루미늄 판 대신 실리콘 웨이퍼 상에 DC 마그네트론 스퍼터 법으로 2㎛ 두께의 알루미늄 박막을 증착하였고, 전해액으로 사용한 옥살산 용액의 온도 및 양극산화 전압에 따른 다공성 알루미나 막의미 세구조를 관찰한 결과, 전해액의 온도 및 양극산화 전압이 높아질수록 나노 크기의 다공성 알루미 나 막의 성 장속도는 증가하였고, 기공의 수직방향 정 렬도는 향상되었다. 또한 양극산화 전압이 증가할수록기공의 크기는커지지는 반면 기공 밀도는 감소하였다. 최적 제작 조건인 옥살산 농도 0.
의해 제조하였다. 이를 위해 기존의 알루미늄 판 대신 실리콘 웨이퍼 상에 DC 마그네트론 스퍼터 법으로 2㎛ 두께의 알루미늄 박막을 증착하였고, 전해액으로 사용한 옥살산 용액의 온도 및 양극산화 전압에 따른 다공성 알루미나 막의미 세구조를 관찰한 결과, 전해액의 온도 및 양극산화 전압이 높아질수록 나노 크기의 다공성 알루미 나 막의 성 장속도는 증가하였고, 기공의 수직방향 정 렬도는 향상되었다. 또한 양극산화 전압이 증가할수록기공의 크기는커지지는 반면 기공 밀도는 감소하였다.
그림5는 1차 양극산화 후 인가전압에 따른 다공성 알루미 나 막의 성 장속도를 나타낸 것 이다. 인가전압이 커 질수록 다공성 알루미나 막의 성장 속도가 증가함을 볼 수 있으며, 40 V의 인가전압에서 2차 양극산화까지 마쳤을 경우, 1 ㎛ 정도의 다공성 알루미나 막을 얻을 수 있었다.
또한 양극산화 전압이 증가할수록기공의 크기는커지지는 반면 기공 밀도는 감소하였다. 최적 제작 조건인 옥살산 농도 0.3M, 전해액 온도 17°C, 양극산화 전압40V, 양극산화 시간 10분으로 평균 기 공 크기 70nm, 두께 1 ㎛의 균일성 및 정렬도가 우수한 AA0 나노템플레이트를 제작 할 수 있었다.

참고문헌 (12)

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Guo, Q., Tanaka, T., Nishio, M., Ogawa, H., Mei, X. and Ruda, H., "Fabrication of ZnTe Nanohole Arrays by Reactive ion Etching Using Anodic Alumina Templates," Jpn. J. Appl. Phys., vol., 41, pp.L118-L120, 2002.
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