KR100621790B1

KR100621790B1 - 전압 프로그래밍을 기반으로 한 원자간 인력 현미경에의한 나노 전사법

Info

Publication number: KR100621790B1
Application number: KR1020040045942A
Authority: KR
Inventors: 이종협; 김영훈; 최인희
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-09-14
Also published as: KR20050120842A

Abstract

본 발명은 원자간 인력 현미경(atomic force microscope : AFM)을 이용한 나노 전사법(nano-patterning method)에 관한 것으로, 기존 AFM의 구조를 변형시키지 않고, 전위차계(potentiometer)를 이용하여 복잡한 2차원 또는 3차원 패턴을 반복적이면서도 빠르게 구현하는 방법을 제공하는 것이 목적이다.

본 발명의 원자간 인력 현미경을 이용한 나노전사 방법은, 전사하고자 하는 2차원 또는 3차원 대상물을 픽셀(pixel)로 분할, 스캔하여 픽셀마다 인가전압을 결정하는 단계(A)와, (A)단계에서 얻어진 픽셀 단위로 결정된 인가전압 데이터를 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하여 프로그램화 하는 단계(B)와, (B)단계에서 시간의 함수로 프로그램된 전압 패턴을 전위차계를 통하여 AFM에 인가하여 이미지를 구현하는 단계(C)와, (C)단계에서 양극산화반응을 통해 구현된 양각 패턴의 이미지를 음각 패턴으로 전환하거나 양각 패턴을 보다 뚜렷하게 구현하기 위하여 불산이나 인산으로 에칭하는 단계(D)를 포함하며, 본 발명에 의하면 광전사법보다 더욱 미세한 나노구조물을 구축할 수 있다.

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Description

전압 프로그래밍을 기반으로 한 원자간 인력 현미경에 의한 나노 전사법 {Nano-patterning method using Atomic Force Microscope based on Voltage Programming}

도 1은 인가전압을 변화시켜가며 Si₃N₄/Si(100) 웨이퍼에 형성된 SiO₂의 높이를 측정한 결과이다.

도 2는 본 발명을 실시에 제공된 원자간 인력 현미경(AFM)에서의 탐침부와 시료부의 모식도이다.

도 3은 구현하고자 하는 대상물을 픽셀단위로 구획하여 픽셀마다 인가전압을 결정하고, 이를 전위차계에 공급할 수 있도록 신호(시그널)로 전환하는 과정을 나타낸 그림이다.

도 4는 실시예 1의 결과물로, 양각 패턴으로 구현한 것이다.

도 5는 도 4의 양각 패턴을 불산으로 에칭하여 음각 패턴으로 전환한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 탐침 홀더 11: 탐침 고정부(구리)

12: 탐침 21: Si₃N₄ 레지스트

22: Si(100) 웨이퍼 23: 비전도성 물질

30: 시료 홀더

본 발명은 원자간 인력 현미경(atomic force microscope : AFM)을 이용한 나노 전사법(nano-patterning method)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 AFM을 변형시키지 않고, 전사하고자 하는 대상물을 픽셀 단위로 분할하여 인가전압을 시간의 함수로 프로그램한 후, 이에 의하여 전기를 공급함으로써 복잡한 2차원 또는 3차원 패턴을 구현하는 방법에 관한 것이다.

미세 구조물의 구축은 여러 산업 분야에서 요구되고 있는데 이를테면, 컴퓨터나 휴대전화는 그 크기는 더욱 소형화하면서 보다 많은 정보를 처리하기 위해 점점 더 고집적 반도체 소자가 요구되고 있다.

고집적 회로의 패턴은 현재 주로 광전사법(photo lithography)에 의해 구현하고 있는데 광전사법은 개선의 여지는 있으나 선폭이 수 ㎛ 단위로 고집적화에 한계가 있어 최근에는 새로운 미세 가공기술로 원자간 인력 현미경(AFM)을 이용한 나노 전사법에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

원자간 인력 현미경(AFM)은 본래 원자끼리의 인력을 이용하여 시료를 손상시키지 않고 시료의 표면을 관찰하거나 형상화하는 장치로 개발된 것인데, 이를 반대로 적용하면 즉, 시료 표면과 탐침(probe) 사이에 상호 작용하는 탐침과 시료 사이 에 적당한 전압을 가하면 시료 표면의 구조를 변화시켜 나노 구조물을 제작할 수 있다. 이를 원자간 인력 현미경(AFM)에 의한 나노 전사법이라 한다.

본 발명은 AFM 나노 전사법 중 양극산화법에 속하는 것으로, 이는 전도성 탐침에 음의 전압을 가하고, 시편에 양의 전압을 가하여 탐침과 시편사이의 수분을 이용한 전기화학적인 양극산화 패턴을 구현하는 것이다.

이에 관한 발명으로 대한민국 공개특허 2003-0001216과 2003-0010462에는 접촉형 또는 비접촉형으로 AFM 나노 전사를 수행함에 있어 AFM에 공급하는 구형파의 지속시간 및 진폭을 조절하는 방법이 개시되어 있는데 장치의 구성이 복잡하고 기존의 AFM을 그대로 사용하지 못하고 변형시켜야 하는 단점이 있다.

Applied Surface Science (175, 636-642, 2001, Liu et al.)에는 CAD(Computer-Assisted Design)를 이용하여 탐침의 위치를 제어할 수 있는 벡터 방식의 장비가 개시되어 있는데, 이는 AMF 자체 내에 설치된 내부전위차계를 이용하는 방식으로, 패턴의 시작점과 마지막점을 인식시켜 AMF 탐침이 이동하면서 전압을 인가하여 패턴을 구현한다. 즉, 1초를 1/1000 이하로 쪼개어 표시할 수 있는 외부 전위차계를 활용하여 이미지맵을 형성함으로써 보다 정교한 패턴을 구현 할 수 있는데 패턴이 복잡해지면 소요 시간이 급수적으로 증가하고, 장치가 복잡하다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 기존 원자간 인력 현미경(AFM)의 구조를 변형시키지 않고, 일반적으로 사용되는 전위차계(potentiometer)를 이용하여 복잡한 2차원 또는 3차원 패턴을 반복적이면서도 빠르게 구현하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 원자간 인력 현미경을 이용한 나노전사 방법은,

전사하고자 하는 2차원 또는 3차원 대상물을 픽셀(pixel)로 분할, 스캔하여 픽셀마다 인가전압을 결정하는 단계(A)와,

(A)단계에서 얻어진 픽셀 단위로 결정된 인가전압 데이터를 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하여 프로그램화 하는 단계(B)와,

(B)단계에서 시간의 함수로 프로그램된 전압 패턴을 전위차계(potentiometer)를 통하여 AFM에 인가하여 이미지를 구현하는 단계(C)와,

(C)단계에서 양극산화반응을 통해 구현된 양각 패턴의 이미지를 음각 패턴으로 전환하거나 양각 패턴을 보다 뚜렷하게 구현하기 위하여 불산이나 인산으로 에칭하는 단계(D)를 포함하는 것으로,

기존 AFM의 구조를 변형시키지 않고, 시간의 함수로 프로그램된 전압 패턴을 전위차계(potentiometer)를 통하여 AFM에 공급하여 이미지를 구현하는 것이 본 발명의 특징이다.

이하, 본 발명의 구성을 단계별로 보다 상세히 설명한다.

(A)단계는 전사하고자 하는 2차원 또는 3차원 대상물을 픽셀로 분할, 스캔하여 픽셀마다 인가전압을 결정하는 단계이다.

전사하고자 하는 대상물이 2차원인 경우에는 인가전압은 일정하고 픽셀마다 온, 오프만 결정하면 되고, 3차원 구조물인 경우에는 해당 픽셀에서의 구조물의 높이에 따라 인가전압이 달라진다.

만약, 대상물이 도면일 경우 이를테면, 회로도인 경우에는 스캐너를 이용하여 이미지를 얻은 다음, 컴퓨터를 이용하여 각 픽셀마다 인가전압을 결정한다.

(C)단계에서 형성되는 나노구조물의 높이는 인가전압으로 제어하는데 이를테면, 도 1에 도시된 바와 같이, 유기 레지스트로 Si₃N₄/Si(100) 웨이퍼를 사용하는 경우, 인가전압이 높아질수록 양극산화반응을 통해 성장하는 SiO₂의 높이가 높아진다.

(C)단계의 이미지 구현속도를 본 단계의 스캔 속도와 동일하게 하는 경우 즉, 동기화(synchronization)하는 경우, 스캔 속도가 빠를수록 (C)단계에서 이미지를 구현하는 시간은 짧아지지만 정해진 픽셀 당 인가전압을 가하는 시간이 짧아지기 때문에 완벽한 이미지 구현이 어려울 수 있다. 픽셀 당 주어진 전압을 인가하는 시간은 수 ㎲ 또는 ㎳ 단위로 한다.

픽셀은 이를테면, 가로와 세로를 각각 32, 64, 128 또는 256 라인으로 구획하여 1,024, 4,096, 16,384 혹은 65,536 픽셀로 분할하는데 작은 크기로 세분할수록 평면 분해능은 증가한다.

(B)단계는 (A)단계에서 얻어진 픽셀 단위로 결정된 인가전압 데이터를 시간에 대한 인가전압의 시그널(time-to-voltage signal)로 전환하여 프로그램화 하는 단계로, 본 단계의 과정을 (A)단계와 함께 도 3에 도시하였다.

(A)단계와 (B)단계를 거쳐 작성된 프로그램은 AFM 나노전사에 반복적으로 사용할 수 있는데 이는 광전사법에서의 마스크(mask)에 해당하는 것으로, 이를테면, 이는 프로그램된 마스크(programed mask)라 할 수 있다.

(C)단계는 (B)단계에서 시간의 함수로 프로그램된 전압 패턴을 전위차계를 통하여 AFM에 인가하여 이미지를 구현하는 단계이다.
외부 전위차계를 통하여 인가할 전압패턴은 구현하고자 하는 패턴의 형상을 이용하여 사전에 프로그래밍을 해 놓는다. 이는 외부 전위차계를 이용하여 픽셀단위로 '전압-시간'함수를 작성하는 것으로, 작성된 전압의 인가는 외부 전위차계 스위치의 on을 통하여 시작된다. 프로그램된 전압은 외부 전위차계의 외부선(external output line)과 구리선으로 연결된 AFM 전도성 탐침에 인가된다. 탐침을 통해 외부 전기적 신호는 시편 사이의 공기 중 수분으로 형성된 물층에서 양극산화반응을 발생시키고, 이를 통해 프로그램된 전류가 시편으로 이동한다. 시편으로 이동한 전류는 시편에 연결된 구리선을 통하여 다시 외부 전위차계의 내부선(internal input line)으로 흘러들어 간다. 이 과정은 프로그램된 전압이 모두 인가될 때까지 반복하여 진행된다.

프로그램된 전압 패턴은, 도 2에서 보는 바와 같이, 음의 전압은 탐침(12)에 인가하고, 양의 전압은 Si(100) 웨이퍼(22)에 인가한다. AFM 장비로 전류가 흐르는 것을 막기 위하여 탐침 홀더(10)는 비전도성 물질로 제작하고, 시료 홀더(30)와 시료(21, 22) 사이는 비전도성 물질(23)로 차폐하는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 패턴이 복잡하거나 단순하거나 상관없이 늘 일정한 속도로 패턴닝된다. 이는 본 발명에서 제안한 방식이 AFM의 표면 스캔 모드에서 외부전압을 인가하는 방법을 채택하였기에 패터닝 속도가 표면 스캔 속도와 동일하게 되기 때문이다. 따라서 기존의 벡터방식에 비하여 패터닝 속도가 빠르다.

본 단계에서 이미지가 구현되는 속도는 유기 레지스트의 종류, 인가전압, 상대습도 등의 영향을 받는데 특정 속도 이상에서는 나노구조물이 제대로 형성되지 않는다. 이를테면, Si₃N₄/Si(100) 웨이퍼에 19 V의 전기를 인가하여 나노구조물을 형성하는 경우, 최대 속도는 50 ㎛/sec이고, 적절한 양극산화반응이 일어나게 하기 위해서는 상대습도를 30~90%로 유지하는 것이 중요하다.

(D)단계는 (C)단계에서 양극산화반응을 통해 구현된 양각 패턴의 이미지를 음각 패턴으로 전환하거나 양각 패턴을 보다 뚜렷하게 구현하기 위하여 불산이나 인산으로 에칭하는 단계이다.

불산으로 에칭하면 SiO₂ 뿐만 아니라 Si₃N₄ 또한 제거되는데 SiO₂가 제거되는 속도가 Si₃N₄ 보다 빨라 음각 패턴이 얻어진다. 인산으로 에칭하면 Si₃N ₄만 선택적으 로 제거되어 SiO₂ 구조물이 더욱 뚜렷하게 나타나게 된다.

이는 기능성 유기물의 적층을 위한 벽(wall)이나 우물(well)로서 사용하기 위한 것으로, 음각 패턴 형태를 따라서 선택적 유기물 적층시에 사용될 수 있다.

에칭 액의 농도 및 접촉시간에 따른 제거 속도를 미리 분석해두는 것이 바람직하다. 이를테면, Si₃N₄는 1% 불산으로 에칭하면 초당 0.015 nm 정도가 제거된다. 본 발명의 구성은 후술하는 실시예에 의하여 더욱 명확해질 것이다.

<실시예 1>

1. (A)단계

전사하고자 하는 문자, EMPL이라는 문자를 가로, 세로 각각 32라인의 1,024개 픽셀로 구획, 스캔하여 픽셀마다 인가전압을 결정하였다. 스캔 속도는 (C)단계에서 이미지를 구현하고자 하는 속도, 6.14 ㎛/s와 동일하게 하였다.

2. (B)단계

픽셀 단위로 결정된 인가전압 데이터를 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하여 프로그램화 하였다. 도 1의 데이터로부터 형성되는 실리콘 산화물의 높이를 고려하여 튀어나온 부분에는 19 V를, 그렇지 않은 부분은 0 V를 부여하였다.

3. (C)단계

70%의 상대습도를 유지하면서 프로그램된 전압 패턴을 전위차계로 AFM에 인가하여 양극산화반응을 통하여 이미지를 구현하였다. 전위차계는 WPG-100(원아테크)를 사용하고, 이미지 구현속도는 (A)단계에서의 스캔 속도와 동일한 6.14㎛/sec로 하였다.

Si₃N₄/Si(100) 웨이퍼 상에 구현된 문자의 이미지는 도 4와 같다. (AFM으로 이미지화한 것임)

4. (D)단계

Si₃N₄/Si(100) 웨이퍼 위에 형성된 실리콘 산화물을 1%의 불산으로 제거하여 음각 패턴으로 전환하였다.

음각 패턴으로 전환된 이미지는 도 5와 같다. (AFM으로 이미지화한 것임)

본 발명의 방법에 의하면 기존의 원자간 인력 현미경(AFM)을 변형시키지 않고, 전위차계(potentiometer)를 통하여 프로그램된 인가전압-지속시간 시그널을 AFM에 인가함으로써 정밀한 나노패턴을 빠른 속도로 구현할 수 있다.

본 발명을 회로 구성에 적용하는 경우, 선폭을 수십 nm까지 줄일 수 있어 선폭이 수 ㎛인 광전사법보다 고집적된 회로를 구성할 수 있고, 또 본 발명에 의하여 양각 또는 음각된 패턴은 특정 유기물로 패턴된 표면에만 선택적으로 기능성을 부 여하면 항원-항체쌍 반응과 같이 특정 대상물질에 대한 친화력을 갖도록 표면을 조절할 수 있으며, 이를 통하여 작용기의 특성 변화를 확인할 수 있는 바이오센서나 화학센서의 기초가 되는 유기물 기질을 제조할 수 있다.

Claims

전사하고자 하는 2차원 또는 3차원 대상물을 픽셀(pixel)로 분할, 스캔하여 픽셀마다 인가전압을 결정하는 단계(A)와,

(A)단계에서 얻어진 픽셀 단위로 결정된 인가전압 데이터를 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하여 프로그램화 하는 단계(B)와,

(B)단계에서 시간의 함수로 프로그램된 전압 패턴을 전위차계(potentiometer)를 통하여 AFM에 인가하여 이미지를 구현하는 단계(C)와,

(C)단계에서 양극산화반응을 통해 구현된 양각 패턴의 이미지를 음각 패턴으로 전환하거나 양각 패턴을 보다 뚜렷하게 구현하기 위하여 불산이나 인산으로 에칭하는 단계(D)를 포함하는 원자간 인력 현미경을 이용한 나노전사 방법.
제1항에 있어서, (A)단계에서 전사하고자 하는 대상물을 픽셀로 분할, 스캔함에 있어서, 대상물을 1,024, 4,096, 16,384 또는 65,536 픽셀로 분할하여 스캔하는 것을 특징으로 하는 원자간 인력 현미경을 이용한 나노전사 방법.
제1항에 있어서, (C)단계에서 AFM으로 이미지를 구현함에 있어서, 탐침 홀더와 전도성 탐침 사이, 시료 홀더와 시료 사이를 비전도성 물질로 차폐시킨 탐침홀더를 사용하는 것을 특징으로 하는 원자간 인력 현미경을 이용한 나노전사 방법.
제1항에 있어서, (C)단계를 상대습도 30 ~90%에서 수행하는 것을 특징으로 하는 원자간 인력 현미경을 이용한 나노전사 방법.