KR100435516B1 - 전압 극성 변화를 사용한 박막상의 양각 및 음각 나노패턴 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자힘 현미경 (atomic force microscopy; 이하 AFM이라 표기함)의 탐침장치를 이용한 나노전사법으로 일련의 공정 과정에서 탐침과 박막/기판 사이에 걸어 주는 전압의 극성을 바꿈으로 양각 및 음각의 패터닝을 임의로 구현하는 방법에 관한 것이며. 본 방법에 사용되는 유기, 무기 및 유/무기 혼성 레지스트는 자기조립(self-assembly)법, LB (Langmuir-Blodgett)법, 회전도포 (spin-casting)법에 의해 제조되는 레지스트들을 포함하며, 기판은 실리콘, 티타늄, 알루미늄, 금, 갈륨-비소를 포함한다.

본 발명에 따르면 양각 및 음각 패터닝을 단 한가지의 공정 조건을 바꿈으로써 양각 및 음각 패터닝을 용이하게 구현하게 되며, 나노미터대의 소자를 개발 제작함에 있어서 필수 불가결한 공정인 초미세 패턴, 양자점 제작에 큰 효과를 줄 수 있다.

Description

전압 극성 변화를 사용한 박막상의 양각 및 음각 나노 패턴 방법{Positive and Negative Nano-patterning Methods on Resist Films by Changing the Polarity of a Tip Bias Voltage in AFM Lithography}

본 발명은 나노 크기의 선폭으로 패터닝할 수 있는 전자 소자 제작에 있어서 요소 공정인 전사법 기술에 속한다. 특히 반도체 집적회로의 고밀도화에 있어서 최근의 눈부신 기술 발전으로 전자 소자의 집적도를 증가시킬 때 최우선적으로 고려해야 되는 최소 미세 회로선폭을 100 nm 미만으로 패터닝할 수 있는 전사법 개발이 시급한 상황이다. 이를 위해 기존의 광전사법(Photolithography)에서는 광원으로 원자외선, 전자선, X-선을 사용하여 100 nm 이하의 초미세 선폭을 얻기 위한 전사법 개발을 하고 있다. 그러나 상기 선행 기술들은 장비의 고가화 및 광원을 조절하는 장비 개발 등의 문제점을 가지고 있어 아직 실용화되지 못하고 있다. 또 다른 방법으로 선폭 최소화를 근본적으로 해결하기 위한 대안으로 분해능이 우수한 AFM을 이용한 전사법이 개발되었다(Journal of Applied Physics Letter, Vol 56,1990 J. A. Dagata 외 p2001). AFM 전사법은 다시 세가지 방법으로 분류할 수 있다. 첫 번째 방법은 탐침으로 박막을 긁어서 패턴을 형성시키는 nanografting 방법인데 이는 패턴 공정 후 탐침의 형태가 변하므로 균일한 패턴을 얻을 수 없으며, 양/음각 패터닝은 박막에 음각으로 패터닝한 후 길이가 다른 유기화합물을 이식함에 의해 달성되는데 이 모든 공정이 용액 내에서 이루어지며 일련 공정으로 연결될 수 없는 단점이 있다(미국 특허 제 5,252,835 호; 미국 특허 제 5,922,214 호). 두 번째 방법인 dip-pen 전사법은 탐침을 펜, 티올화합물을 잉크로 사용하여 주로 금 기판 위에 패터닝하는 방법인데 속도가 수 nm/s로 너무 느리며, 양각 패터닝만 할 수 있다(Science Vol. 286 1999 S. Hong 외, p286). 세 번째 방법인 AFM 산화 전사법은 탐침과 박막/기판 사이에 전압을 걸어 주면 대기중의 수분과 전기화학적 반응을 통하여 기판의 표면에서 산화물이 생성되어 양각패턴이 형성되는 방법이며, 상기 두 방법에 비해 전사 속도가 1 mm/s 이상인 장점을 가지고 있으나,(Thin Solid Film 2001 출판중 H. Lee 외)음각 패턴 방법은 알려져 있지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 느린 전사속도, 양/음각 시 일련 공정의 어려움 등 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명자들의 노력에 의해 달성된 것으로서 본 발명의 목적은 일련 공정상 한 조건만 변화시킴으로 유기박막 위에 나노미터 규모의 양각 및 음각 패턴을 임의대로 구현하는데 있다.

제 1 도는 AFM 전사법을 설명하는 블록다이어그램.

제 2 도는 스테아르 지방산의 흡착등온곡선.

제 3 도는 Langmuir 단분자막 제조 과정.

제 4 도는 탐침에 음극을 가했을 때 얻어지는 양각패턴.

제 5 도는 탐침에 양극을 가했을 때 얻어지는 음각패턴.

제 6 도는 제 4 도 및 제 5 도에 대한 LFM 사진.

도면의 주요부분에 대한 부호설명

1 : 레이저 2 : 포토다이오드

3 : Piezo 4 : 증폭기

5 : 탐침 6 : 시료

7 : Feedback and x, y, z scan control 8 : 모니터

9 : 스캐너

본 발명은 전사법에 관한 것으로 상기 목적은 다음과 같은 구성에 의해 달성되었다. 도 1에 AFM 전사 장치에 대한 요약도를 나타내었다. 이미 널리 알려진 AFM 전사법은 탐침에 과대한 힘을 가하면서 표면을 이동함으로써 음각이 형성되는 AFM indentation 전사법과 원자간의 힘을 이용하여 탐침을 레지스트 표면에 수 nm 내외로 근접시킨 후 탐침과 기판 사이에 적절한 전압을 걸어준다. 이때 기판 표면에서 산화반응이 일어나도록 탐침에 음극, 기판에 양극이 되도록 전압을 걸어 주어야 한다. 본 발명은 AFM 산화 전사법을 개선하여 전압의 방향을 임의로 조절함으로써, 레지스트의 기능기 특성에 따라 기판에 형성되는 양/음각 패턴이 임의로 조절되는 것을 특징으로 한다.

[실시예 1]

스테르산 0.071 g을 클로로포름 50 ml에 용해시켜 5 mM의 용액을 제조한다. 박막을 형성할 기판은 실리콘 기판을 사용하며, 황산과 과산화수소를 3:1의 비율로 만든 용액에 30분 동안 담근 후, 탈 이온수로 수회 씻어준다. LB trough를 깨끗이 세척한 뒤 탈 이온수로 채워준다. 이때 물의 메니스커스가 볼록한 상태가 될 때까지 채워준다. 그리고 실리콘 기판을 20 mm정도 물 속에 잠기도록 한다. 물 표면(2)에 준비된 용액 60 ㎕를 한 방울씩 마이크로 시린지를 이용하여 떨어뜨린 뒤 용매가 증발되도록 15분 정도 방치하고 barrier(1)를 이용하여 10 mm/min의 속도로 표면 압력이 30 mN/m가 될 때까지 일정하게 밀어준다 (barrier를 밀어주면 도 2처럼 분자들이 가까워지면서 단분자막이 형성된다). 그 압력에 도달하면 막이 안정화를 위해서 30분 정도 기다려준다. 도 3과 같이 실리콘 기판을 5 mm/min의 속도로 일정하게 위로 올려준다. 그러면 만들어졌던 단분자막이 물 표면에서 실리콘 기판위로 이전되어 LB 박막이 만들어진다. 제조된 박막은 ellipsometer를 사용하여 두께를 측정한다. 이때 두께는 2.5 nm 이었다.

도 4에서는 실시예 1과 같이 기술된 방법으로 제조된 지방산이 흡착된 기판을 양전극으로, 탐침을 음전극으로 설정한 후, 10 V의 전압을 가해 주었을 때 얻어지는 대표적 양각 패턴을 나타내었다. 이 경우 탐침이 지나간 자리에만 흡착된 지방산이 제거되고 약 1.5 nm 크기의 양각 산화규소표면이 형성되었다. 이러한 양각 패턴은 가해주는 전압의 크기에 따라 패턴 크기도 조절이 되며, 또한 형성된 산화규소표면을 이후 공정의 화학 흡착자리 또는 식각 자리로도 이용될 수 있다.

도 5에서는 기판을 음전극으로, 탐침을 양전극으로 설정한 후, 10 V의 전압을 가해 주었을 때 얻어지는 음각 패턴을 나타내었다. 이 경우 역시 탐침이 지나간 자리에만 2.0 nm 음각으로 산화규소 기판표면이 노출되었다. 이러한 음각 표면이 형성되는 것은 기판 위에 존재하는 지방산이 분해 제거된 패턴이며, 이후 공정의 화학흡착자리 또는 식각 자리로 이용될 수 있다.

도 4의 양각패턴과 도 5의 음각 패턴에서 얻어지는 패턴 표면의 성분을 검증하기 위하여 Lateral Force Misroscopy(이하 LFM)방법을 이용하여 도 4와 같은 이미지를 얻었다. 도 6의 좌측은 도 4에 해당되는 양각패턴에 대한 것이고, 우측은 도 5의 음각패턴에 대한 것으로 패턴 표면의 상대적인 마찰력 값이 같은 것으로 보아 동일한 조성, 즉 동일한 산화규소표면임을 알 수 있다. 이 결과로부터 탐침에 양 전압을 가하여 박막을 선택적으로 제거함으로써 음각 패턴을 얻었음을 확인하였다.

상기의 공정은 레지스트가 흡착된 동일한 기판 위에서 전압의 극성 변화만을 통하여 동일한 표면을 가진 나노크기의 양/음각 패턴을 임의대로 얻을 수 있는 방법이다.

레지스트가 초박막의 두께로 흡착 또는 도포된 동일한 기판 위에서 전압의 극성 변화만을 통하여 동일한 표면을 가진 나노크기의 양/음각 패턴을 임의대로 얻을 수 있는 본 발명은 나노미터대의 소자를 개발 제작함에 있어서 필수 불가결한 공정인 초미세 패턴, 양자점 제작 및 그의 연결 공정을 용이하게 해 준다.

Claims (3)

1. 탐침과 박막/기판에 각각 전압을 걸어서 박막이 형성된 기판 위에 패터닝 하는 AFM 전사법을 이용한 패턴 방법에 있어서,

   상기 탐침과 박막/기판 사이에 걸어주는 전압의 극성을 바꿈으로 양각 및 음각의 패터닝을 임의로 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 양각 및 음각 나노 패턴 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 박막은 유기, 무기 또는 유무기 혼성 레지스트 중의 하나이며, 자기조립법, LB법, 회전도포법 중 한 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 양각 및 음각 나노 패턴 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 티타늄, 알루미늄, 금, 갈륨-비소 중의 하나인 것을 특징으로 하는 양각 및 음각 나노 패턴 방법.