구리와 아연이 혼합된 나노 입자를 삽입한 폴리이미드 박막을 사용하여 제작된 금속-절연체-반도체 구조의 전기적 및 전자적 성질에 관한 연구

Abstract

최근 전자, 정보통신 및 생명공학 산업의 급속한 발전으로 인해 나노 기술에 대한 전 세계적인 관심이 고조되고 있다. 나노라는 말은 10억 분의 1에 해당하는 크기를 나타내는 어휘로서, 나노 기술이란 나노 미터 크기의 영역, 즉 원자, 분자 또는 거대 분자구조의 수준에서 소재(materials), 장치(devices), 시스템(system)을 제작하고 활용하는 기술을 포괄적으로 의미한다. 나노 기술의 핵심은 나노 크기 영역에서 동작하는 완전히 다른 구성을 하고 있는 구조체를 제조해낼 수 있는 능력을 의미하고 이 기술을 응용하기 위해서는 나노 크기의 입자를 형성하고 그 입자에 기능을 부여하는 기술이 개발되어야 한다.본 논문은 폴리아믹산과 금속과의 반응을 이용하여 폴리아믹산을 폴리이미드로 큐어링할 때 폴리이미드 절연층 내에 미세한 나노 입자를 형성하는 새로운 방법을 연구한 논문이다. 절연체내에 미세한 나노 입자를 형성하는 여러 가지 방법 등이 개발되었으나 이미 개발된 방법들은 제조 공정이 복잡하고 값 비싸고 예민한 장비를 사용해야 하므로 입자크기 조절의 어려움, 입자크기 및 밀도의 불균일성, 구조의 불안정성 등의 문제가 있었다. 본 연구에서는 공정이 간단하고 단순한 범용장비를 이용하여 균일하고 밀도가 큰 나노 입자를 형성하는 새로운 공정개발에 초점을 맞추고 연구하였다. 10 nm 미만 두께의 Cu 와 Zn 박막을 기판에 증착하고 폴리이미드 전구체인 폴리아믹산을 피복한 후 질소 및 여러 가지 분위기 하에서 열처리 하였다. 투과전자현미경을 모든 시편에서 폴리이미드 내부에 형성된 나노 입자를 관찰할 수 있었으며 박막의 두께, 열처리 분위기와 온도 및 시간에 따라서 형성된 나노 입자의 크기, 밀도 및 분포 등이 바뀌는 것을 관찰할 수 있었다. Cu와Zn 박막은 폴리아믹산과 반응하여 폴리아믹산 내로 용해되고 큐어링에 의해 폴리아믹산이 폴리이드로 변할 때 Cu와Zn 산화물이 폴리이미드 내에 균일하게 형성되었다. 큐어링 분위기, 온도 및 시간을 조절하여 크기가 4-6 nm를 가지는 산화물 입자를 폴리이미드 내에 골고루 형성할 수 있었다. 본 연구에서는 여러 가지 형성조건에 따라 다르게 나타나는 나노 입자의 형성에 관련된 메커니즘을 나오 입자 및 폴리이드의 구조를 분석함으로써 증명하였다. 결과적으로 금속박막의 두께, 큐어링 조건을 변화시켜 폴리이미드 내에 균일하고 고밀도의 나노 입자를 형성할 수 있었다. 이런 나노 입자는 단전자 트랜지스터, 플래쉬 메모리 등의 전자소자, 광학특성을 이용한 광소자 등에도 사용이 기대된다.; The development of nanomaterials has been intensively investigated, not only for their fundamental scientific interest but also for many technological applications, which promises new properties and products, and new processing paths. The properties of matter depend on size. There are many reasons for this, some are obvious and others require a detailed understanding of the way in which electrons, which are primarily responsible for most chemical bonding, electronic, optical and magnetic properties behave when confined by the boundaries of nanoparticles. This research describes a new technique of fabrication nano-sized particles in an insulating medium utilizing the reaction between polyamic acid (PAA) and metals during imidization of the polyamic acid. Although there are many existing methods of forming nano-sized particles in insulators, they have disadvantages, involving complex and costly manufacturing processes. In addition, the processes are often difficult to control the particle size or result in low uniformity of particle size and density and unstable structure. This research is focused on development of a new process that forms fine particles with are uniform and dense using simple and commonplace equipment. To synthesis the nanoparticles in the polyimide, the ten to twenty-nm thick Zn thin film was sptter-deposited on the substrates. Then the metal films, were coated with polyamic acid (PAA), a precursor material for polyimide (PI). After the PAA coating, the thin film stacks were thermally cured to form a PI layer. Through observation with transmission electron microscopy, nano-sized particles were formed inside the PI film. Distribution, size and density of nanoparticles were different depending on the curing conditions. Zn thin film reacted with PAA and was completely dissolved in PAA. During imidization of PAA into PI by thermal curing, ZnO nanoparticles precipitated uniformly within the PI layer. By controlling the curing conditions, Zn oxide nanoparticles could be formed. In conclusion, uniformly distributed nana-sized particles with high density, dispersed in PI, were fabricated by reacting PAA with Zn thin films. It was also demonstrated that the particles size, distribution, and morphology can be easily controlled by changing the thickness of the thin film and curing conditions. It is expected that these particles can be applied to many different future applications including single- electron-transistor, flash memory, high density recording media, and optical devices.