Scanning probe lithography를 이용한 금속 나노점 배열의 형성과 전류-전압 특성에 관한 연구

Abstract

We report fabrication of Ti metal nanodot arrays by scanning probe microscopic indentation. A thin poly-methylmethacrylate (PMMA) layer was spin-coated on Si substrates with thickness of 70 nm. Nanometer-size pore arrays were formed by indentation the PMMA layer using a cantilever of a scanning probe microscope. Protuberances with irregular boundaries appeared during the indentation process. Control of approach and pulling-out speed during indentation was able to dispose of the protrusions. Ti metal films were deposited on the patterned PMMA layers by a radio-frequency sputtering method and subsequently lifted off to obtain metal nanodot arrays. The fabricated metal nanodot arrays have 200 nm of diameter and 500 nm of interdistance, which corresponds to a density of 4 x 108/cm2. Scanning probe-based measurement of current-voltage (I-V) behaviors for a single Ti metal nanodot showed asymmetric characteristics. Applying external bias is likely to induce oxidation of Ti metal, since the conductance decreased and volume change of the dots was observed. I-V behaviors of Ti metal nanodots by conventional E-beam lithography were also characterized for comparison.;디바이스의 초소형화 경향은 나노미터 수준의 패턴화 기술을 요구하면서 최근 AFM을 이용한 나 노 패턴화에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 따라서 작은 크기의 나 노 점을 얻고자 SPM (Scanning Probe Microscopic indentation) 방법을 이용하여 Ti 금속 B나 노 점을 제조하였다. 수십 나노미터 영역까지 정교하게 제어할 수 있는 장점이 있는 AFM (Atomic Force Microscope)의 캔틸레버(Cantilever)를 사용하여 PMMA 층에 indentation하여 나노미터 크기의 홀 배열을 얻는다. Indentaion 과정 동안 불규칙한 경계를 갖는 융기된 부분, 즉 Protuberance가 나타나게 된다. 이것은 작은 크기의 나 노 점을 만드는데 방해가 되기에 Protuberance의 생성을 줄이는 실험을 진행하였다. 그 결과 indentation과정 동안 팁을 샘플에 접근할 때와 뺄 때의 속도를 조절함으로써 protrusions을 없애는 것이 가능하게 되었다. Ti 금속 film은 radio-frequency sputtering 방법에 의하여 PMMA 층위에 증 착 되며, 결과적으로 lift off 과정을 거쳐 금속 나 노 점 배열을 얻게 된다. 제조된 금속 나 노 점 은 AFM으로 관측해 본 결과 나 노 입자의 평균지름이 200 nm, interdistance가 500 nm 임을 확인 할 수 있었으며, 이는 density가 4 x 108/cm2이다. 또한 단일 Ti 나 노 점의 물질의 특성을 살펴보기 위하여 I-V (current-voltage)를 측정해 본 결과 asymmetric한 특성을 보았다. 외부 바이어스(bias)를 걸어줌으로써 변화되어 보이는 Ti 금속의 산화(oxidation)로 전도도가 감소하고 나 노 점의 부피가 변화되는 것을 관측하였다. Ti 금속 나 노 점의 I-V데이터를 좀더 살펴보기 위하여 E-beam lithography를 이용하여 Ti 금속 나 노 점을 얻었었으며 I-V데이터를 비교하여 보았다. 양극산화방식을 이용하여 Ni의 산화를 살펴볼 수 있는 실험도 진행하였다.