KR100597014B1 - 물질의 결정 구조를 이용한 패턴 형성 방법 및 그 구조를갖는 기능성 소자 - Google Patents

물질의 결정 구조를 이용한 패턴 형성 방법 및 그 구조를갖는 기능성 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법으로, 결정구조를 갖는 물질을 투과 전자 현미경의 챔버에 위치시키고, 전자선을 조사하고, 결정구조를 갖는 물질을 투과 및 회절된 전자 빔의 간섭을 이용하여 피조사 물질의 표면에 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 위상 콘트라스트 영상법을 이용하여 형성하고, 이렇게 형성된 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지로 패턴을 형성함으로써 제어가능한 방법으로 양자점을 형성할 수 있는 이점이 있다.

Description

물질의 결정 구조를 이용한 패턴 형성 방법 및 그 구조를 갖는 기능성 소자{The method of generating a pattern using a crystal structure of material}
도 1a 격자점을 1차원적으로 병진시킨 모식도
도 1b 격자점을 2차원적으로 병진시킨 모식도
도 1c 격자점을 3차원적으로 병진시킨 모식도
도 2 격자점 주위의 원자들의 배열을 나타내는 모식도
도 3 물질의 결정축계와 Bravais격자를 나타내는 설명도
도 4a Al의 결정구조의 단위 셀을 나타내는 모양
도 4b Al의 결정구조를 [1 0 0] 방향으로 투과하여 본 모양
도 4c Al의 결정구조를 [1 1 0] 방향으로 투과하여 본 모양
도 4d Al의 결정구조를 [1 1 1] 방향으로 투과하여 본 모양
도 5a Si의 결정구조의 단위 셀의 구조를 나타내는 모양
도 5b Si의 결정구조를 [1 0 0] 방향으로 투과하여 본 모양
도 5c Si의 결정구조를 [1 1 0] 방향으로 투과하여 본 모양
도 5d Si의 결정구조를 [1 1 1] 방향으로 투과하여 본 모양
도 5e 도 5c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 모양
도 6a GaAs 결정구조의 단위 셀을 나타내는 모양
도 6b GaAs 결정구조를 [1 0 0] 방향으로 투과하여 본 모양
도 6c GaAs 결정구조를 [1 1 0] 방향으로 투과하여 본 모양
도 6d GaAs 결정구조를 [1 1 1] 방향으로 투과하여 본 모양
도 6e 도 6c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 모양
도 7 본 발명에 따른 패턴 형성방법에 사용되는 전자 현미경의 모식도
도 8 본 발명에 따른 패턴 형성방법에 사용되는 전자현미경의 다른 모식도
도 9 본 발명에 따른 패턴 형성방법에 사용되는 전자현미경의 다른 모식도
도 10a부터 10f는 물질의 결정구조를 이용하여 단전자 반도체를 제조하는 공정을 나타내는 도면
본 발명은 물질의 결정 구조를 이용한 패턴 형성 방법 및 그 구조를 갖는 기능성 소자에 관한 것이며, 더 상세히는 물질의 결정 구조를 이용하여 양자점 및 양자선의 패턴 형성 방법 및 그 구조를 갖는 기능성 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 결정 물질에서의 원자들의 배열을 이용하여 크기가 1nm 에서 50nm 이하인 양자점 또는 선폭이 1 nm에서 50nm 이하인 양자선의 패턴을 형성하는 방법 및 기능 성 소자에 관한 것이다.
본 발명에서 기능성 소자라 함은 양자점 또는 양자선 형성 공정에 따라 제조될 수 있는 전기 소자, 자기 소자 및 광 소자를 의미한다.
양자점 또는 양자선 형성 공정은 양자점 또는 양자선을 이용한 전기 소자, 자기 소자 및 광 소자의 응용 가능성이 대두되면서 이러한 소자들의 형성을 위한 핵심 공정으로 등장하게 되었다. 양자점 및 양자선을 이용한 전기 소자, 자기 소자 및 광 소자의 기본적 작동 원리는 입자의 물리적 크기가 나노미터 단위의 크기가 되면, 그 입자의 제반 물리적 성질이 입자의 크기에 큰 영향을 받는다는 양자 역학의 발전과 맥을 같이 한다. 특히 지난 40여년간 끊임없이 발달해 온 기존의 MOS 반도체 소자의 한계를 예상하면서, 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 제시되어 온 단일 전자 소자 (Single Electron Transistor)의 등장과 더불어, 많은 연구가 이루어지고 있다.
종래부터 연구되어 온 양자점 및 양자선 형성 공정은 크게 나누어 다음과 같은 세 가지의 방법으로 나눌 수 있다.
첫째로는 AFM(Atomic Force Microscopy), STM (Scanning Tunneling Microscopy), 그리고 전자 빔 리소그래피 등을 이용하여 하나 또는 수개의 양자점을 형성하는 방법이다. 이 방법은 실험적으로는 크기나 위치가 제어된 양자점 또는 양자선을 형성할 수 있었으나, 생산성에 문제가 있어 실질적인 생산에는 적용되지 못하고 있다.
두 번째로는 패터닝 및 에칭 공정에 의하여 제어된 양자점을 형성하는 방법이다. 이 방법에서 패터닝은 전자 빔을 사용하여 기판상에 직접 제작하거나, 전자 빔을 사용하여 마스크 또는 금형을 제작하고 이를 일정한 화학적 물질이 도포된 기판상에 임프린팅한 후 에칭하여 양자점 또는 양자선을 형성하는 공정이다.
마지막 방법으로는 재료의 상 변화 초기 단계에서 일어나는 핵 생성 단계를 제어함으로 인하여 양자점 또는 양자선을 형성하는 방법이다. 이 방법은 실제 적용에는 문제가 없으나 양자점의 크기나 밀도 또는 그 분포를 제어 할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 크기나 밀도가 균일하고 또한 그 분포를 정확하게 제어할 수 있는 물질의 결정 구조를 이용한 양자점 및 양자선의 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.
[재료의 결정구조]
지구상에 존재하는 거의 모든 물질은 원자와 이들 몇 원자들의 조합인 분자에 의하여 구성되어 있음은 주지의 사실이며, 특히 고상(solid)을 이루고 있는 물질은 “원자, 이온 또는 분자가 주기적으로 배열되어 있는 상태” 즉 결정질 (crystalline)과 이러한 원자들의 무질서한 결합에 의하여 이루어진 비정질(amorphous)로 구분하여 볼 수 있다. 이러한 원자들의 규칙적인 배열은 1912년 Max von Laue가 X-선 회절을 발견함으로써 시작되었으며 뒤이어 1913년 Bragg 부자가 다이아몬드, 소금들의 간단한 결정 구조를 X-선에 의하여 해석하고 뒤이어 1920년 Ewald가 역격자 이론을 발표함으로써, 현재까지 지구상에 존재하는 10만개 이상의 유기 및 무기화학물의 결정 구조(원자들의 주기적 배열)를 밝혀내기에 이르렀다.
[병진(translation)과 결정 격자]
어느 한 점을 일정한 방향으로 특정한 거리 a 만큼 평행 이동하면 두번째 점이 되고 이를 다시 같은 방향으로 같은 거리 만큼 이동하면 세 번째 점이 생긴다. 이와 같이 한 점을 되풀이하여 평행 이동시키면 도 1에서 보는 바와 같이 점열이 생기게 된다. 여기에서 한점을 일정한 방향으로 특정한 거리만큼 이동하는 동작의 중복에 의하여 생기는 점열을 격자선이라 한다. 이때, 일정한 방향으로 특정한 거리만큼 이동하는 동작을 병진(translation)이라 하며 이를 벡터를 사용하여 a로 표시할 수 있다. 여기서 특정한 거리 즉, 벡터의 절대치 IaI = a를 주기 또는 단위 주기라 한다. 이 점열에서 각점들은 서로 같으며 한점을 원점으로 잡으면 다른 점들은 원점으로부터의 위치벡터로써 표시할 수 있다.
즉,
r = ma
여기서 m은 -∞로부터 +∞까지의 정수이다.
이 점열을 다른 방향으로 병진시키면 도 2와 같이 점망면이 생기고, 이 점망면을 격자면(lattice plane)이라 한다. 격자면을 다시 이면에 평행하지 않은 제 3의 방향으로의 병진 c에의하여 평행 이동 시키면 3차원의 점망이 형성되고 이를 공간 격자라 한다. 공간 격자에서 각 격자점은 어느 한 원점으로부터 위치 벡터 r 에 의하여 정의되고
r = ma + nb + pc
로 표시된다. 여기에서 m, n, p는 -∞로부터 +∞ 사이의 정수이다. 즉 공간 격자는 도 3과 같이 무한한 공간상에 무한히 펼쳐져 있다.
결정이 거시적으로 균일하다고 하는 것은 결정내의 어느 부위의 성질이 이 부위로부터 임의의 거리만큼 떨어져 있는 부위와 같기 때문이다. 즉 도 4는 임의의 가상적인 결정 구조를 나타낸 것이며, 여기서 보는 바와 같이 결정내의 임의의 점 P는 원점으로부터의 위치벡터로 정의되고 이 벡터를 L이라 하고, 이 결정을 이루고 있는 격자의 단위 병진 벡터를 a, b, c라고 하면
L = Xa + Yb + Zc
= (m+x)a + (n+y)b + (p+z)c
= rl + r
로 표시되며 여기서 X, Y, Z는 실수이고 x, y, z는 0에서 1까지의 소수이다. 즉 공간상의 임의의 점은 결정 격자를 나타내는 rl 과 격자내의 위치 벡터를 나타내는 r로써 표현된다. 여기에서 3개의 병진 벡터에 의하여 정의되는 단위 격자를 단위 셀(unit cell)이라고 할 수 있다.
여기에서 결정 내의 임의의 점을 원점 (0,0,0)으로 정하면 이 점으로부터 엮어지는 격자에서 모든 원점과 동일한 점 즉, 격자점은 서로 그들이 갖고 있는 성질이 같다. 다시 말해서 결정내의 어느 점을 원점으로 정하더라도 이 점의 병진에 의하여 생겼다고 볼 수 있는 각 격자점들은 서로 같으며, 여기서 같다고 하는 것은 이 점을 둘러 싼 주위 환경의 기하학적 형태나, 이 점 부근에 위치한 원자들의 종 류 등의 화학적인 성질이나 전자 밀도, 전위차등과 같은 물리적인 모든 성질이 같다는 것을 의미한다. 즉 격자점들은 서로 모든 기하학적, 화학적, 물리적 성질이 동일하다.
[7개의 결정 축계와 14개의 Bravais 공간 격자]
단위 셀을 결정하는 세 개의 벡터, 즉 a, b, c의 상호 관계에 의하여 모든 결정질은 아래에 서술한 7개의 결정축계중 하나에 속하게 된다. 다음의 [표 1]은 세 축을 정의하는 격자 상수(lattice parameter)의 관계를 나타낸다.
[표 1]
결정계 결정축계 격자 상수
입 방 입 방 a = b = c α = β = γ = 90도
육 방 육 방 a = b ≠c α = β = 90도 γ = 120도
삼 방 (trigonal) 능 면 (rhombohedral) a = b = c α = β = γ≠90도
정 방 정 방 a = b ≠c α = β = γ = 90도
사 방 사 방 a ≠b ≠c α = β = γ = 90도
단 사 단 사 1. c-unique a ≠b ≠c α = β = 90도 ≠γ
단 사 단 사 2. b-unique a ≠b ≠c α = γ = 90도 ≠β
삼 사 삼 사 a ≠b ≠c α≠β≠γ≠90도
또한 모든 결정질은 하나의 단위 셀에 포함되는 격자점의 수에 따라 단위 셀 내에 하나의 격자점을 갖는 단순 셀(P: primitive cell), 한면의 중심에 격자점이 있는 단위 셀을 갖는 저심격자(C: C-face centered 또는 면심이 되어 있는 면에 따라 A 또는 B), 단위 셀의 각 옆면의 중심에 격자점을 갖는 면심 격자(F: face-centered), 그리고 단위 셀의 중심에 격자점을 갖는 체심 격자(I: body-centered)에 해당되는 14개의 Bravais 공간 격자의 하나를 갖게 되는데, 도 5는 이를 나타낸다.
[결정구조와 물질의 예들]
현재까지 알려져 있는 10만개가 넘는 유기 및 무기 화학물의 결정 구조는 위에 열거한 7개의 결정 축계, 그리고 14개의 Bravais 공간 격자의 하나로 구분되며, 실제로 구성되는 결정 구조는 위에 정의된 14개의 Bravais 공간 격자를 표시하는 격자점에 한 개 또는 한 개 이상의 동일한 또는 서로 다른 원자들의 배열에 의하여 이루어진다.
[각 결정면으로 보았을 때 나타나는 패턴의 모식도]
다음으로 이러한 결정 구조의 몇 가지 예를 들고, 이러한 결정 구조를 어떤 특정한 결정 방향으로 투사했을 때 나타나는 원자들의 배열에 의한 형태를 설명한다.
일례를 들면, Al은 입방 (cubic) 결정 축계에 해당되며 (따라서 단위 셀을 나타내는 세 축 a, b, c의 길이는 같고 그들 사이에 이루는 각은 90도이다), 14개의 Bravais 공간 격자 중에는 면심 격자(Face Centered) 에 해당되어 하나의 단위 셀 내에 4개의 격자점을 갖는다. Al의 결정 구조는 이 격자점에 하나의 Al 원자를 배열함으로써 이루어지며, 이때 격자 상수 a=b=c=0.404 nm 이다. 따라서 Al의 단위 셀의 구조를 그려보면 도 4a와 같다. 이러한 Al을 [100], [110] 그리고 [111]방향으로 투과하여 원자들의 배열이 나타내는 패턴을 보면 도 4b, 도 4c, 그리고 도 4d와 같다.
또 하나의 예는 다이아몬드 결정 구조를 갖는 Si의 경우이다. Si은 입방정계(Cubic)의 결정축계를 갖으며 Al과 마찬가지로 면심 격자에 해당하는 Bravais 공간격자를 갖는다 (Face Centered Cubic). 따라서, 하나의 단위 셀 내에 4개의 격자점을 갖게 되는 데, 단순한 면심 입방정계와는 달리 하나의 격자점에 두개의 Si원자가 배열되어있다(격자 상수 a=b=c=0.543 nm). 따라서, 하나의 단위 셀 내에 8개의 원자가 배열되어 있다. 도 5a은 이러한 Si의 단위 셀을 보여준다. 또한 도 5b, 도 5c, 도 5d는 위와 같은 방법으로 Si 결정 격자를 [100], [110], [111] 방향으로 투과하여 보았을 때의 Si 원자에 의하여 나타나는 2차원의 무늬(pattern)를 보여 준다. 도 5e는 도 5b를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시켰을 때의 형상이다. 도 5c에서 보이는 이미지가 마치 여러 개의 선(line)과 같은 형상을 이루고 있음을 볼 수 있다. 이는 Si 단결정을 가공하기에 따라서는 단전자 트랜지스터(Single Electron Transistor) 소자 등에 양자선 형태로도 충분히 응용이 가능함을 보여주는 예라고 할 수 있다.
또 하나의 예는 GaAs의 결정 구조이다. GaAs는 Al, 그리고 Si과 마찬가지로 입방정계의 결정축계를 갖으며 역시 Al, 그리고 Si과 마찬가지로 면심격자에 해당하는 Bravais 공간 격자를 갖는다. 그러나 단순입방 격자를 갖는 Al, 그리고 다이아몬드 결정구조를 갖는 Si과는 달리, 하나의 격자점에 하나의 Ga과 하나의 As원자가 배열되어 있는 결정 구조이다. (격자상수 a=b=c=0.565nm) 이러한 GaAs 결정 구조의 단위 셀을 도 6a에 도시하였고, 역시 같은 방법으로 GaAs의 결정 구조를 [100], [110], 그리고 [111] 방향에서 투과하여 보았을 때 나타나는 2차원의 패턴을 도 6b, 도 6c, 도 6c에 각각 도시하였다. 도 6d는 도 5e와 마찬가지로 도 6b을 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시켰을 때의 형상이다. Si과 마찬가지로, GaAs 단결정 역시 양자선 형태로도 충분히 응용이 가능함을 보여주는 예이다.
앞에서 설명한 Al, Si, 그리고 GaAs는 결정 구조에 있어서 원자들의 배열이 나타내는 몇가지의 예에 불과하며, 알려진 10만개 이상의 결정 구조를 특정한 결정 방향에 따라 2차원상에 투과하여 그 원자들이 나타내는 무늬를 보면 매우 다양한 패턴이 나타날 수 있음을 예시하는 일부분에 지나지 않는다.
[전자현미경으로 결정구조를 보는 방법]
위에서 설명한 결정질에 있어서의 원자들의 배열은 고분해능 투과 전자 현미경의 위상 콘트라스트(phase constrast) 영상법을 사용하여 관찰할 수 있다. 지금까지의 전자현미경의 발달에 의하여 200 내지 300kV의 가속 전압에서 0.14nm 내지 는 0.20nm의 영역에서 원자들의 배열 상태를 관찰하는 것이 가능하다. 위상 콘트라스트 영상법은 결정질 시료에 의하여 발생하는 한 개 이상의 회절빔과 투과빔 사이의 경로차를 이용하여 영상을 얻는 방법으로 전자현미경을 이용하여 영상을 얻는 여타의 방법(예를 들면 회절 콘트라스트나 흡수 콘트라스트)에 비하여 월등한 분해능을 얻을 수 있는 방법이다.
도 7은 시료에 의하여 회절된 전자 빔들과 투과 빔을 영상면에서 재결합하여 이들의 위상차에 의한 간섭 무늬가 생기는 모식도를 보여준다.
전자 빔(3)이 투과하도록 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 물질(5)은 챔버에 놓여진다. 전자 빔(3)은 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 물질(5)에 의해 투과 빔 및 회절 빔으로 나뉘어진다.
결정구조를 갖는 물질(5)을 투과하면서 나뉘어진 투과 빔 및 회절 빔은 대물렌즈(7) 및 대물렌즈 어퍼추어(8)를 통과한 다음, 서로 간섭하여 공간상에 전자 빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 형성한다. 본 발명에서 이미지 평면은 물질(5)을 투과하면서 나뉘어진 투과 빔 및 회절 빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지가 형성되는 공간상의 평면을 의미한다. 이미지 평면(9)에 형성된 상을 중간렌즈로 확대하거나 축소하여 또는 그대로 사용하여 패턴을 형성한다.
여기에서 형성된 간섭 무늬의 간격은 결과적으로 시료 내에 존재하는 회절 격자 즉 원자면 간격에 비례하게 되어, 이 간섭 무늬를 이용하면 원자면에 있어서 원자들의 배열을 관찰할 수 있게 된다. 실제의 고분해능 전자 현미경의 사용에 있 어서는 대물렌즈에 의하여 형성된 일차 간섭 무늬를 대물렌즈의 후방에 있는 몇 개의 렌즈를 통하여 점차적으로 확대(최종 배율은 수십만 배에 해당)를 하여 우리가 직접적으로 관찰을 할 수 있게 되어 있다. 일반적으로 사용되는 대물 렌즈의 배율은 수십배에서 수백배에 이르게 되어 일례를 들어 0.3 nm의 간격을 갖고 있는 원자들의 배열은 일차 영상면에서 대물렌즈의 배율을 100배로 가정하였을 때 30nm 의 간격을 갖고 있는 간섭 무늬로써 나타나게 된다. 이렇게 생성된 간섭 무늬를 또 몇 개의 후방 렌즈를 사용하여 확대 또는 축소를 하면 수nm에서 수십 nm의 원자 영상 또는 원자선의 영상을 얻게 된다.
본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법은 결정구조를 갖는 물질을 투과 전자 현미경의 챔버에 위치시키고, 전자선을 조사하고, 결정구조를 갖는 물질을 투과 및 회절된 전자 빔의 간섭을 이용하여 피조사 물질의 표면에 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 위상 콘트라스트 영상법을 이용하여 형성하고, 이렇게 형성된 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지로 패턴을 형성하여 기능성 소자를 제조하는 방법이다.
본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법은 결정구조를 갖는 물질을 투과 전자 현미경의 챔버에 위치시키고, 전자선을 조사하고, 결정구조를 갖는 물질을 투과 및 회절된 전자 빔의 간섭을 이용하여 피조사 물질의 표면에 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 위상 콘트라스트 영상법을 이용하여 형성하고, 이렇게 형성된 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지로 반도체 재료에 패턴을 형성하여 반도체 소자를 제조하는 방법이다.
본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성 방법은 이미지 평면에 형성된 물질의 격자 이미지를 소망하는 크기에 따라 확대하거나 축소한 다음, 감광제가 도포된 반도체 재료를 감광시킬 수 있다. 이때 반도체 재료에 형성되는 이미지는 전자현미경의 챔버에 위치하는 물질의 격자 이미지의 일부가 이용될 수 있다.
현재 사용되고 있는 고분해능 투과 전자 현미경에 의할 경우, 원자 단위의 분해능이 확보되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 패턴 형성방법에서, 이미지 평면에 형성된 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 확대하지 않고, 다시 축소한다면 감광제가 도포된 반도체 웨이퍼를 감광시킬 때, 반도체 웨이퍼 위에는 수 Å의 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용하여 형성되는 패턴은 사용된 물질의 결정구조의 형태에 따라 결정된다. 따라서, 물질의 결정 구조에서 각 원자들의 배치 및 각 원자들간의 거리는 최종적으로 형성된 반도체 소자에도 비례하여 그대로 구현된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 11은 전자 빔을 나타낸다.
전자 빔(11)이 투과하도록 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 물질(13)은 챔버에 놓여진다. 전자 빔(11)은 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 물질(13)에 의해 투과 빔 및 회절 빔으로 나뉘어진다.
결정구조를 갖는 물질(13)을 투과하면서 나뉘어진 투과 빔 및 회절 빔은 대물렌즈(15) 및 대물렌즈 어퍼추어(17)를 통과한 다음, 서로 간섭하여 공간상에 전 자 빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 형성한다. 본 발명에서 이미지 평면은 물질(13)을 투과하면서 나뉘어진 투과 빔 및 회절 빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지가 형성되는 공간상의 평면을 의미한다. 이미지 평면에 형성된 상은 중간렌즈(19)에 의해 확대된다.
본 발명에 따른 전자 빔의 가속전압은 물질의 원자면 간격, 전자 빔의 정렬, 투과 전자현미경 컬럼 내의 진공도, 전자 빔을 편향시키는 전자 렌즈의 비점수자의 교정 정도, 전자 총의 휘도 등에 따라 결정된다. 일반적으로 가속 전압은 100keV - 1MeV 정도의 가속 전압이 사용되는데, 3Å 이상의 원자면 간격을 가지고 있는 물질이라면 100keV 정도의 가속전압이, 2Å 정도의 원자면 간격을 갖는 물질이라면 200keV 정도의 가속전압이 요구된다.
이러한 방법에 의해 만들어진 단전자 트랜지스터 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 내에서 일정거리 떨어져 형성된 드레인 영역 및 소스 영역과, 상기 드레인 영역과 소스 영역 사이의 위쪽에 위치하며, 투과 전자 현미경의 챔버에 위치하는 물질의 격자 이미지의 최소한 일부와 동일한 패턴으로 된 양자점이 형성된 층으로 된 구조를 갖는다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 21은 전자 빔을 나타낸다.
전자 빔(21)이 투과하도록 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 물질(23)이 챔버에 놓여져 있다. 전자 빔(21)은 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 물질(23)에 의해 투과 빔 및 회절 빔으로 나뉘어진다.
결정구조를 갖는 물질(23)을 투과하면서 나뉘어진 투과 빔 및 회절 빔은 대물렌즈(25) 및 대물렌즈 어퍼추어(27)을 통과한 다음, 서로 간섭하여 공간상에 전자 빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 형성한다. 본 발명에서 이미지 평면은 물질(23)을 투과하면서 나뉘어진 투과 빔 및 회절 빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지가 형성되는 공간상의 평면을 의미한다. 이미지 평면에 형성된 상은 중간렌즈(29)에 의해 축소된다.
[물질의 결정구조를 이용하여 반도체 소자를 제조한 실시예]
도 10은 양자점을 이용한 단일 전자 소자의 한 실시예이다.
먼저 공지된 방법에 따라 Si 기판(30) 내에 소스영역(31)과 드레인 영역(33)을 형성한다(도 10a). 소스 영역(31)과 드레인 영역(33)이 형성된 Si 기판(30) 위에 수 nm 두께의 게이트 산화막(35)을 성장시킨다(도 10b). 게이트 산화막(35) 위에 수 nm 두께의 비정질 Si(37)을 증착한 다음 감광제(39)를 도포한다(도 10c).
도 5c와 같은 패턴이 형성되도록 [1 1 0] 존(zone) 축을 갖는 Si를 투과 현미경의 챔버에 위치시키고, 전자선을 조사하여 감광제(39)를 감광시킨다(도 10d). 감광제(39)를 제거한 후, 프라즈마 공정을 통하여, 비정질 Si(37)을 에칭하여 양자점을 형성한다(도 10e). 양자점이 형성된 비정질 Si(37) 위에 수십 nm 두께의 콘트롤 산화막(41)을 증착한 다음, 다결정 Si(43)을 증착하고 패턴을 형성하여, 단전자 트랜지스터 소자를 제조한다(도 10f).
이 때 만들어진 단전자 반도체 소자에서 게이트 산화막(35)위에 형성되는 양 자점들은 [1 1 0] 존 축을 갖는 Si의 패턴과 동일한 패턴으로 각 양자점은 5nm의 크기를 가지며, 밀도는 대략 10exp12/㎠이다
본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법은 결정구조를 갖는 물질을 투과 전자 현미경의 챔버에 위치시키고, 전자선을 조사하고, 결정구조를 갖는 물질을 투과 및 회절된 전자 빔의 간섭을 이용하여 피조사 물질의 표면에 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지를 위상 콘트라스트 영상법을 이용하여 형성하고, 이렇게 형성된 결정구조를 갖는 물질의 격자 이미지로 패턴을 형성함으로써 제어가능한 방법으로 양자점을 형성할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 결정구조를 가지는 하나의 단결정 또는 다결정 물질을 챔버에 위치시키는 단계;
    상기 물질에 전자선을 조사시키는 단계;
    피조사 물질의 표면에 상기 전자선을 조사시킨 물질을 통과한 투과전자선과 회절전자선의 간섭에 의해 형성된 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질의 격자이미지 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질의 격자 이미지는 위상 콘트라스트 방법으로 형성됨을 특징으로 하는 패턴형성방법.
  3. 결정구조를 가지는 하나의 단결정 또는 다결정 물질을 챔버에 위치시키는 단계;
    상기 물질에 전자선을 조사시키는 단계;
    기판상의 전자빔 감광물질의 표면에 상기 전자선을 조사시킨 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질을 통과한 투과전자선과 회절전자선의 간섭에 의해 형성된 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질의 격자자이미지 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전자빔 감광물질을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판은 반도체 기판, 금속 기판, 또는 표면에 산화층 또는 질화층이 도포되어 있는 기판임을 특징으로 하는 패턴형성방법.
  5. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 위치하는 소오스 영역;
    상기 반도체 기판에 위치하며 상기 소오스 영역으로부터 이격되어 있는 드레인 영역;
    상기 소오스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 위치하며, 하나의 단결정 또는 다결정 물질을 마스크로 하여 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질에 조사된 전자선이 상기 하나의 단결정 또는 다결정을 통과한 투과전자선과 회절전자선의 간섭에 의해 형성된 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질의 격자이미지로부터의 패턴을 사용하여 형성된 상기 반도체 기판 영역상의 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 .
  6. 기능성소자에 있어서,
    결정구조를 가지는 하나의 단결정 또는 다결정 물질을 챔버에 위치시키는 단계;
    상기 물질에 전자선을 조사시키는 단계;
    기판상에 위치하는 양자점 또는 양자선을 형성할 양자층의 상부에 전자빔 감광물질의 표면에 상기 전자선을 조사시킨 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질물질을 통과한 투과전자선과 회절전자선의 간섭에 의해 형성된 상기 하나의 단결정 또는 다결정 물질의 격자이미지 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광물질을 패터닝하는 단계;
    상기 양자층을 식각하여 양자점 또는 양자선을 형성하는 단계에 의해서 형성된 양자점 또는 양자선을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기능성 소자는 반도체 소자 또는 광소자임을 특징으로 하는 기능성 소자.
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