Fabrication of Fe Nanodot Using AAO Prepatterned by Laser Interference Lithography

(1)

≪연구논문≫

Journal of the Korean Magnetics Society, Volume 17, Number 3, June 2007

−

137

⁻

레이저 간섭 석판술로 전처리된 AAO을 이용한 Fe 나노점 제작

강진혁·황현미·이성구·이재용^*

연세대학교 물리학과

(2007년 2월 27일 받음, 2007년 6월 5일 최종수정본 받음)

레이저간섭 석판 장비

(Laser Interference Lithography; LIL)

를이용하여

, Anodic Aluminum Oxide(AAO)

나노기공의배열을 향상시켰다

.

^이후^진공에서

Fe

^와

Cu

^를

AAO/Si

^에^성장하고

, AAO

^를^제거하여

Cu/Fe(20 nm)

^{나노구조를}^{제작하였다}

. AAO

^의^나

노기공과나노구조는전처리과정에서제작된

PR(photoresist)

^나노선을^따라

1

^차원으로^{배열되었다}

.

^자성^{나노구조의}^{자기이력곡}

선으로부터이들이

vortex

구조를가지며

,

쌍극자상호작용이지배적임을확인하였다

.

주제어

:

^적층성장

,

^나노구조

,

^{자기이방성}

I. 서 론

나노구조연구는새로운현상들을끊임없이발견할수있 는장점이있으며

,

이를통해많은응용이가능한광전자자

기소자들을제작할수있다

[1].

나노구조를만들때사용되

는 기술로는

e-beam lithography[2], nano-imprint[3], focused ion-beam etching[4], scanning-probe-based writing[5]

등이 있는데

,

고가의 장비이며 공정시간이길고

,

수

cm

의대면적 이 현실적으로 어렵다는 단점이 있다

.

이에 대안으로

,

최근 자기 조립현상을 이용하여나노 구조를 만드는 연구가 활발 히 진행되고 있다

.

특히

Al foil

를 사용해서 만드는

Anodic

Aluminum Oxide(AAO)

는

1

차원 나노선 형성을 위한 주형

[6]

또는 나노패턴제작시마스크로서

[7]

폭넓게활용되고있 으며

,

균일한나노 패턴을대량으로만들 수있기 때문에다 양한 소자제작에이용될수있다

.

이런

AAO

는생성 조건들

(

전해액

,

전압

,

양극산화시간

, pore widening

공정

)

을변화시

킴으로서구멍간격

,

지름 등을조절할 수있다

[8-10].

한편

, Al

박막을 양극산화하는연구결과도많이발표되었

는데

, Al foil

^에^비하여 ^나노^기공의^배열과^크기의 ^균질성은

미흡하지만

,

마스크로 이용하면원하는기판 위에 나노구조 를직접 만들수있기 때문에 나노 소자를 제작하는데유리 하다

.

최근

Al

박막의 전처리 공정을 이용하여 나노 기공의 배열을향상시키기위한많은시도들이있는데

,

^주로^나노^패

턴을만들때사용되는기술이이용된다

[11].

특히레이저간

섭 석판술

(Laser Interference Lithography; LIL)

^은 ^공간적으

로 넓은 면적에 주기적인 패턴을 제작하는데 유리하며

[12, 13],

^특히^마스크가^필요 ^없고

,

^입사각에^따라 ^주기를^조

절할수있는장점이 있다

.

이방법은 입사각을가지고서로

다른 경로로 입사된 두빔의 간섭을 이용하는 것인데

,

이를 통해 시료표면에는 일정한 주기를 가진 패턴이 형성된다

.

(Fig. 1(a))

이간섭 패턴은입사빔의 파장과 입사각에 따라서

주기

(Pitch =

λ

/(2n sin

θ

) :

λ은 사용된 레이저의 파장이고 n 은매질의 굴절율 θ는입사각이다

)

가결정되며

,

나노 구조체 제작을 위한선행패턴으로유용하다

. Fig. 1(b)

에서 보여주는

Lloyds

간섭계

(Lloyd’s mirror interferometer)[12-14]

에서 레 이저 빔의반은

PR(positive Photoresist)

이코팅된시료 표면 에직접도달하고

,

나머지반의 빔은거울을 경유하여그시 료에 도달한다

.

이렇게 서로다른 경로로입사된두빔의간 섭을 통해 시료표면에는

Fig. 1(b)

에서의 입사각

(

θ

)

에 따라 일정한 주기를가진 패턴이형성된다

.

본 연구에서는 레이저 간섭석판술을 사용하여

1

차원으로 배열된 나노기공을가진

AAO/Si

를제작하였다

.

이를 기판으

로하여진공에서

Fe

과

Cu

를성장시킨후

, AAO

제거함으로

서

1

차원으로 배열된

Fe(20 nm)

자성 나노 구조를 제작하였

고

,

^자기적 ^성질을^{측정하였다}

.

II. 실 험

300 nm

^두께의

Al

^은

Si(001)

^기판 ^위에 ^전자선 ^증착^방식

으로

base pressure 5.0

×

10

⁻⁹

torr

에서

1.5 Å/s

속도로 증착되 었다

. PR(positive Photoresist)

^은^스핀 ^코터를 ^이용하여

Al

^박

막 위에 코팅되었고

,

레이저 간섭석판술을 사용하여 충분한 노출을 주었으며

,

^베이크 ^이후 ^현상을 ^통하여

PR

^나노선을

제작하였다

.

나노선패턴을만들기 위해

Lloyds

간섭계를사 용하였으며

,

^특히 ^입사각을

45

^o^로 ^고정시켜 ^패턴의 ^주기를

230 nm

정도로 맞추었다

.

이는 전처리 과정 없는 양극산화

실험 시 얻을 수있는 나노기공 사이의 평균값을 고려하여 결정한것이다

[10].

이시료를

2 M(

몰농도

: mol/L)

의인산용

*Tel: (02) 2123-4004, E-mail: [email protected]

(2)

−

138

− 한국자기학회지

Volume 17, Number 3, June 2007

액

(H

3

PO

3

)

에서

150 V

로양극산화하여나노기공을가진

AAO

를제작하였다

.

^나노기공 ^직경의 ^확장을 ^위하여

0.2 M

^인산

용액을사용하였다

[8-10].

이

AAO

위에 전자선증착방식으 로

Fe(20 nm)

^와

Cu

^를 ^차례로 ^증착 ^한 ^후

AAO

^를^제거하여

자성나노구조를제작하였다

.

이때증착챔버의진공도는

base pressure 5.0

^×

10

⁻⁹

torr

^이었다

. SEM(scanning electron mi- croscope: JEOL 6500F)

을이용하여나노구조를관찰하였으며

, MOKE(magneto optic Kerr effect)

^장비를 ^이용하여 ^평면방

향에서자기이력곡선을측정하였다

.

III. 결 과

Fig. 2(a)

는

PR

나노선의

SEM

사진을 보여주는데

,

전 영

역에 걸쳐서 고른 패턴을 보여준다

. PR

^나노선 ^의 ^주기는

~230 nm

로

45

^o 입사각에서의 계산값과 일치한다

. Fig. 2(b)

는

PR

^이^제거된

AAO/Si(001)

^의

SEM

^사진인데

,

^나노기공

이나노선을 따라형성된 것을보여준다

.

그러나가로방향의 나노기공들은간격이고르지않은모습이다

.

^이는^전처리^과

정이 없을 때 구멍이 형성되는 모양과 비슷하며

,

전처리 과

정의 중요성을 보여 준다

. Fig. 2(b)

의 삽입그림은

AAO/

Si(001)

의단면

SEM

사진이다

.

이전에

Crouse

et al

.

에따르

면

,

양극산화를 통해 생성된 산화알루미늄의 장벽층은

bulk

Al

^와^달리 ^장벽층 ^아래쪽에 ^빈공간을 ^가지게 ^된다

.

^이^빈공

간은

Si

과

Al

의경계면에서

,

국소적인온도 증가또는 강화

된전기장에때문에

, Si

^표면^근처의^산화^{알루미늄이}^용해되

어형성된것으로보인다

[9]. Fig. 2(b)

의삽입된그림에서나

노 기공이 곧게

Si

^표면까지 ^뚫린 ^것을 ^확인할 ^수 ^있으며

,

장벽 층 아래 생긴 빈공간은 구멍확장 과정을 통하여 쉽게 제거되어

Si

^기판위에

Fe

^와

Cu

^의^진공 ^증착을^가능하게^해주

었다

.

Fig. 3

^은

Cu(3 nm)/Fe(20 nm)

^{나노구조의}

SEM

^사진이며

,

나노 점의직경은

~100 nm

정도이다

. Fig. 2(b)

와비교하여 볼 때

,

^나노 ^점들이 ^진공 ^증착 ^방식으로

Si

^바닥에 ^잘^붙어

서 증착된 것을 볼수 있다

.

가로방향 나노점들은 전처리 과

정없이 성장된 나노점의배열과 비슷한데비하여

[9, 10],

^세

로방향나노점들은계산된주기

(~230 nm)

대로잘정렬되었다

.

이것으로

1

^{차원방향으로}^나노 ^구조가 ^잘^제작된 ^것을^알^수

있다

.

Fig. 4

는외부자기장의방향

(0

^o

, 45

^o

, 90

^o

)

에따라

longitudinal MOKE

로측정한

Cu(3 nm)/Fe(20 nm)

나노구조의자기이력곡 선이다

. 3

가지 방향으로측정된자기이력곡선모두 포화자장 의 크기는

1700 Oe

이상이였고

,

보자력은

250 Oe

정도였다

.

Fig. 1.

(a) Principle of laser interference lithography by continuous wave laser and (b) Schematic of a Lloyds-mirror interferometric lithography

system.

(3)

≪연구논문≫ 레이저간섭석판술로전처리된

AAO

을이용한

Fe

나노점제작 − 강진혁·황현미·이성구·이재용 −

139

−

나노점들의 배열이 비주기적인 가로방향과 주기적인 세로방 향을가졌음에도불구하고

,

^외부에서 ^걸어준^자기장의 ^방향에

따른 자기이력 곡선의 큰 차이가 없다

.

이는

Fe

가

Si(001)

기판 위에 방향성 없이 성장되었음을 알려준다

.

^이 ^곡선은

vortex

가형성된구조에서 나타나는전형적인 형태이다

[15].

곡선에 표시된

1

^의^{영역에서는}

vortex

^상태의 ^스핀들이 ^외부

에서 걸어준 자기장 방향으로 정렬되고 있으며

, 2

의영역에

서는 모든 스핀들이 외부자기장 방향으로 정렬된 상태이다

. 3

의영역에서는 외부 자기장의 크기가 감소하면서 점차적으

로

vortex

^구조가 ^형성되기 ^시작한다

.

^이는 ^나노점들 ^사이의

강한쌍극자상호작용에인하여일부나노점들이빨리

vortex

상태로 전환하였기 때문이다

.

^한편

,

^측정된 ^보자력이 ^완벽히

0

이되지 않은이유는우리의나노구조가

1

차원방향으로만 정렬된 상태를가지고 있으며

,

^나노 ^구조의^사이즈가 ^완벽하

게균일하지않기 때문으로보인다

.

IV. 결 론

325 nm HeCd

레이저간섭석판술을이용하여전처리된

Al/

Si(001)

^을 ^양극산화 ^한 ^후

,

^{진공증착을} ^통하여

1

^{차원적으로}

잘 배열된

Fe(20 nm)

나노점을 제작하였다

.

자기이력곡선으

로부터 나노점은

vortex

^구조를 ^가지며

,

^나노점 ^사이에는^강

한쌍극자상호작용이 존재한다는것을알수있었다

.

감사의 글

이 논문은 한국과학재단

No. R01-2004-000-10715-0

과학 술진흥재단

No. KRF-2004-015-C00170

의학술연구비의지원 에의하여수행되었으며 이에감사드립니다

.

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Fig. 2.

(a) SEM image of PR nanowire/Al(300 nm)/Si(001). (b) SEM image of the AAO/Si(001) before widening and its cross-sectional view (inset).

Fig. 3.

SEM image of Cu(3 nm)/Fe(20 nm) nanostructure/Si(001).

Fig. 4.

Magnetic hysteresis loops of Cu(3 nm)/Fe(20 nm) nano-

structure/Si(001), measured in longitudinal MOKE configuration.

(4)

−

140

− 한국자기학회지

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Fabrication of Fe Nanodot Using AAO Prepatterned by Laser Interference Lithography

H. M. Hwang, J. H. Kang, S.G. Lee, and J. Lee^*

Institute of Physics and Applied Physics, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea

(Received 27 February 2007, in final form 5 June 2007)

The ordering of nanopores in AAO has been improved by using laser interference lithography. After growing Fe and Cu on this substrate in vacuum and removing AAO, Fe nanodots are fabricated. The nanopores in AAO and nanodots are ordered in one dimension following the prepatterning. It has been confirmed from the magnetic hysteresis loop that the Fe nanodots have vortex structure and the dipolar interaction is dominant among them.

Keywords :

epitaxial, nanostructures, anisotropy