KR100645374B1 - High speed nanostructure fabrication with a high aspect ratio using atomic force microscope lithography - Google Patents

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KR100645374B1 KR1020040078809A KR20040078809A KR100645374B1 KR 100645374 B1 KR100645374 B1 KR 100645374B1 KR 1020040078809 A KR1020040078809 A KR 1020040078809A KR 20040078809 A KR20040078809 A KR 20040078809A KR 100645374 B1 KR100645374 B1 KR 100645374B1
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Abstract

본 발명은 원자력 힘 현미경(atomic force microscope, AFM) 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하거나 또는 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 리소그래피를 수행함으로써 종횡비(aspect ratio)가 높은 나노 구조물을 형성시킬 수 있고, 이 방법을 고속 리소그래피에 적용하면 고속으로 종횡비가 높은 나노 구조물을 제작할 수 있는, 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의해 종횡비가 높은 나노 구조물이 촘촘히 배열된 반도체 소자 등의 리소그래피가 가능하고 소자의 소형화 및 AFM 리소그래피의 고속화를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 수 nm의 선폭을 유지하면서 에칭 깊이가 증가된 마이크로머신(MEMS) 구조물을 제작할 수 있다.The present invention relates to a method for forming a high aspect ratio nanostructure at high speed using atomic force microscope (AFM) lithography, and more specifically, to an ambient temperature between the probe and the substrate to 30 ~ 100 ℃ The lithography is carried out using a maintained contact or semi-contact nuclear force microscope, or by using a semi-contact nuclear force microscope with an alternating bias voltage between 1 and 20 V between the probe and the substrate. High aspect ratio nanostructures can be formed using nuclear force microscopy, which can form nanostructures with high aspect ratios and can be applied to high-speed lithography to produce high aspect ratio nanostructures at high speed. It is about how to let. The present invention enables lithography such as semiconductor devices in which nanostructures with high aspect ratios are densely arranged, and can achieve miniaturization of the device and high speed of AFM lithography, as well as increase the depth of etching while maintaining the line width of several nm. (MEMS) Can construct structures.

원자력 힘 현미경, 높은 종횡비, 고온, 교류 바이어스 전압, 고속리소그래피Nuclear force microscope, high aspect ratio, high temperature, AC bias voltage, high speed lithography

Description

원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법{High speed nanostructure fabrication with a high aspect ratio using atomic force microscope lithography} High speed nanostructure fabrication with a high aspect ratio using atomic force microscope lithography             

도 1은 본 발명의 원자력 힘 현미경 리소그래피 기술의 메커니즘을 설명하기 위한 개략도.1 is a schematic diagram illustrating the mechanism of the nuclear force microscope lithography technique of the present invention.

도 2a는 본 발명에 따른 접촉형(contact) 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 40 ℃(상온보다 높은 온도)로 하여 탄탈륨(Ta) 기판 위에 제조한 나노 구조물(TaOx)의 표면 이미지 도면과 그 나노 구조물의 높이를 나타내는 그래프.FIG. 2A illustrates a nanostructure fabricated on a tantalum (Ta) substrate using a contact nuclear force microscopy lithography according to the present invention at an ambient temperature of 30 to 40 ° C. (temperature higher than room temperature) between the probe and the substrate ( Surface image of TaOx) and a graph showing the height of its nanostructures.

도 2b는 종래의 기술에 따라 접촉형 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 20 ∼ 25 ℃(상온)로 하여 탄탈륨 기판 위에 제조한 나노 구조물의 표면 이미지 도면과 그 나노 구조물의 높이를 나타내는 그래프.FIG. 2B is a surface image diagram of a nanostructure fabricated on a tantalum substrate at ambient temperature between 20 ° C. and 25 ° C. (normal temperature) between a probe and a substrate using contact nuclear force microscopy lithography according to the prior art, and FIG. Graph showing height.

도 3은 반-접촉형(semi-contact) 원자력 힘 현미경 리소그래피에서 탐침과 기판 사이에 교류 바이어스 전압(AC bias voltage) -10 V를 인가하였을 때와 직류 바이어스 전압(DC bias voltage) 10 V를 인가하였을 때의 Si 기판에서의 나노 구조 물의 높이 차이를 나타내는 표면 이미지 도면과 그래프.FIG. 3 shows the application of an AC bias voltage of -10 V and a DC bias voltage of 10 V between a probe and a substrate in semi-contact nuclear force microscope lithography. Surface image diagram and graph showing the difference of the height of the nanostructures in the Si substrate.

도 4는 접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 탐침과 기판 사이의 온도를 30 ∼ 40 ℃(상온보다 높은 온도)로, 리소그래피 속도를 300 ㎛/s 또는 400 ㎛/s로 설정하고 탄탈륨 기판 위에 제조한 나노 구조물의 표면 이미지 도면과 그 나노 구조물의 높이를 나타내는 그래프.4 is prepared on a tantalum substrate using a contact nuclear force microscope at a temperature between the probe and the substrate at 30-40 ° C. (temperature higher than room temperature) and a lithography rate of 300 μm / s or 400 μm / s. Surface image drawing of a nanostructure and a graph showing the height of the nanostructure.

본 발명은 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하거나 또는 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 리소그래피를 수행함으로써 종횡비가 높은 나노 구조물을 형성시킬 수 있고, 이 방법을 고속 리소그래피에 적용하면 고속으로 종횡비가 높은 나노 구조물을 제작할 수 있는, 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a high aspect ratio nanostructure at high speed using nuclear force microscopy lithography, and more particularly to contact or semi- Lithography can be performed using contact nuclear force microscopy or semi-contact nuclear force microscopy with alternating bias voltage between 1 and 20 V between the probe and the substrate to form high aspect ratio nanostructures. The present invention relates to a method for forming a high aspect ratio nanostructure at high speed by using nuclear force microscopy lithography, which can be applied to high speed lithography to produce a high aspect ratio nanostructure.

원자력 힘 현미경은 탐침을 이용하여 표면의 이미지를 관찰하는 장비로서 그 해상도가 분자 수준에 이르는 고성능 장비이다. 원자력 힘 현미경은 다양한 표 면의 미세 상태를 살펴보기 위한 장비로서의 역할을 해 왔으나, 최근에는 나노 크기 수준의 분자 구조물을 만들거나 패턴을 형성하는 장비로서도 많은 관심을 끌고 있다.Nuclear force microscopy is a device for observing the surface image using a probe, a high-performance device that reaches the molecular level of resolution. Nuclear force microscopy has served as an instrument for examining the microscopic state of various surfaces, but recently, it has attracted much attention as an instrument for forming or patterning nanoscale molecular structures.

특히, 최근 반도체 기술이 발전되고 분자 전자 분야에서 칩의 크기가 점점 고집적화, 초 소형화됨에 따라 소자의 패턴 밀도의 증가가 요구하고 있으며, 소형화를 위한 소자의 패턴 사이즈를 줄이기 위해 미세 패턴의 구현을 필요로 하게 되었다. 또한, 나노 테크놀로지 분야에서는 혁신적인 리소그래피 방법의 개발이 요구되고 있는데, 이에 따라 원자력 힘 현미경을 이용하여 나노 패턴과 나노 구조물을 만들기 위한 연구가 지난 10 여년 동안 꾸준히 이루어져 그 동안 다양한 리소그래피 방법들이 개발되어 왔다.In particular, as semiconductor technology is advanced and chip sizes are increasingly integrated and miniaturized in the field of molecular electronics, an increase in the pattern density of devices is required, and a micro pattern is required to reduce the pattern size of devices for miniaturization. Was done. In addition, the development of innovative lithography methods is required in the field of nanotechnology. Accordingly, researches for making nanopatterns and nanostructures using nuclear force microscope have been steadily developed for the last decade, and various lithography methods have been developed.

초기에는 옵티클 리소그래피의 방법을 이용한 나노 패턴을 제작하였는데, 리소그래피 속도는 빨랐지만 나노 구조물의 해상도가 떨어져서 최대 70 nm 이하의 나노 구조물은 제조하기 어려웠다. 이러한 옵티클 리소그래피의 한계를 극복하기 위해 차세대 리소그래피의 하나인 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하게 되었다. 원자력 힘 현미경을 이용하여 나노 구조물을 제작하는 경우에는 인가 전압, 리소그래피 속도, 습도 및 기판 또는 탐침의 고유한 특성에 많은 영향을 받는데, 종래의 조건과 방법으로 원자력 힘 현미경 리소그래피를 수행하면 약 1 ∼ 5 nm 높이와 10 ∼ 500 nm의 폭을 가지는 나노 구조물이 형성되었다. 원자력 힘 현미경을 이용한 리소그래피의 경우 진보된 기술임은 분명하였으나 옵티칼 리소그래피에 비해서 리소그래피 속도가 현저히 떨어지는 문제점을 극복하지 못했고, 보 다 촘촘한 폭의 나노 패턴이 형성된 전극 등의 소자의 개발과 더불어 나노 구조물의 높이가 보다 높거나 그 폭이 좁아서 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 제조할 필요가 있었다.Initially, nanopatterns using optical lithography were fabricated. Lithography was fast, but nanostructures up to 70 nm were difficult to fabricate due to the poor resolution of nanostructures. To overcome this limitation of optical lithography, nuclear force microscopy lithography, one of the next generation lithography, has been used. The fabrication of nanostructures using nuclear force microscopy is greatly influenced by applied voltage, lithography speed, humidity and inherent properties of the substrate or probe. Nanostructures with a height of 5 nm and widths of 10 to 500 nm were formed. Although lithography using nuclear force microscopy was an advanced technology, it did not overcome the problem of lithography speed dropping significantly compared to optical lithography. It was necessary to produce nanostructures with higher aspect ratios because of their higher height or narrow width.

최근에는 접촉형 모드의 원자력 힘 현미경 리소그래피에서 교류 바이어스 전압을 인가함으로써 높이가 9 nm이고 폭이 150 ∼ 200 nm인 나노 구조물을 얻는 기술이 제안되었는데[John. A. Dagata 외 3명, Appl. Phys. Lett., v. 75, No. 2, p. 199-201,1999], 나노 구조물이 넓은 선폭을 가져서 선폭이 수 nm 의 나노 구조물을 제작하기에 많은 문제점이 야기되었고 여전히 리소그래피 속도가 10 ㎛/s 이하였기 때문에 제품의 생산이 비효율적이었다. 그러나 본 발명은 교류 바이어스 전압을 인가한 반-접촉형 원자력 힘 현미경 리소그래피를 수행함으로써 기존의 나노 구조물보다 더 좁은 선폭과 더 높은 높이를 가지는 나노 구조물을 빠른 속도로 얻을 수 있는 장점이 있다.Recently, a technique for obtaining nanostructures having a height of 9 nm and a width of 150 to 200 nm by applying an alternating bias voltage in nuclear force microscope lithography in contact mode has been proposed [John. A. Dagata and 3 others, Appl. Phys. Lett., V. 75, no. 2, p. 199-201,1999], the nanostructures had a wide line width, which caused many problems in the fabrication of nanostructures of several nm in width, and the production of the product was inefficient because the lithography speed was less than 10 μm / s. However, the present invention has an advantage that a nanostructure having a narrower line width and a higher height than a conventional nanostructure can be obtained at a high speed by performing a semi-contact nuclear force microscope lithography applying an alternating bias voltage.

또한, 대한민국 등록특허 제 10-0431582 호는 원자력 힘 현미경의 리소그래피용 아크릴레이트계 공중합체 및 이를 이용한 미세 산화패턴 형성방법에 관한 것인데, 이에 따르면 아크릴레이트계 3 원 공중합체 초 박막을 도포함으로써 새로운 미세 가공 장치인 원자력 힘 현미경의 탐침을 이용하여 박막에 국부적으로 전압을 가해주어 수 nm 크기의 산화 패턴을 형성할 수 있었다. 이러한 유기물 레지스트를 도포한 경우에도 보다 좁은 선폭과 높은 종횡비를 가지는 나노 구조물을 얻을 수 있는 기술을 개발할 필요가 있었다.In addition, the Republic of Korea Patent No. 10-0431582 relates to an acrylate copolymer for lithography of a nuclear force microscope and a method of forming a fine oxidation pattern using the same, according to the new fine film by applying an acrylate-based three-dimensional copolymer ultra thin film Using a probe of a nuclear force microscope, a processing device, a localized voltage was applied to the thin film to form an oxide pattern of several nm size. Even when the organic resist was applied, it was necessary to develop a technique for obtaining a nanostructure having a narrower line width and a higher aspect ratio.

이에 본 발명자는 이러한 종래 문제점을 해결하기 위하여 연구, 노력한 결과, 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하거나 또는 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 리소그래피를 수행하면 종래의 기술보다 종횡비가 높은 나노 구조물을 형성시킬 수 있고, 이 방법을 고속 리소그래피에 적용하면 고속으로 종횡비가 높은 나노 구조물을 제작할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have conducted research and efforts to solve such a conventional problem, using a contact or semi-contact nuclear force microscope that maintains the ambient temperature between the probe and the substrate at 30 to 100 ℃ or between the probe and the substrate Performing lithography using a semi-contact nuclear force microscope with an alternating current bias voltage of 1 to 20 V can produce nanostructures with higher aspect ratios than conventional techniques, and applying this method to high-speed lithography The present invention was found to be capable of manufacturing nanostructures having high aspect ratio at high speed.

따라서, 본 발명은 탐침과 기판 사이의 분위기 온도가 30 ∼ 100 ℃로 유지된 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 실리콘 기판 또는 금속 박막 기판의 표면에 산화물을 패터닝하여 종횡비가 높은 나노 구조물을 형성시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a high aspect ratio by patterning an oxide on a surface of a silicon substrate or a metal thin film substrate using a contact or semi-contact nuclear force microscope in which the ambient temperature between the probe and the substrate is maintained at 30 to 100 ° C. Its purpose is to provide a method for forming a structure.

또한, 본 발명은 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 실리콘 기판 또는 금속 박막 기판의 표면에 산화물을 패터닝하여 종횡비가 높은 나노 구조물을 형성시키는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention is a nano-high aspect ratio by patterning the oxide on the surface of the silicon substrate or metal thin film substrate using a semi-contact nuclear force microscope applied an alternating current bias voltage of 1 to 20 V between the probe and the substrate Another object is to provide a method of forming a structure.

또한, 본 발명은 접촉형 또는 반-접촉형 모드에서 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시키거나 또는 반-접촉형 모드에서 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압을 인가시키고, 리소그래피 속도를 100 ∼ 500 ㎛/s로 설정한 원자력 힘 현미경을 이용하여 실리콘 기판 또는 금속 박 막 기판의 표면에 산화물을 고속으로 패터닝하여 종횡비가 높은 나노 구조물을 형성시키는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
In addition, the present invention maintains an ambient temperature between the probe and the substrate in a contact or semi-contact mode at 30 to 100 ° C., or an alternating current between 1 and 20 V between the probe and the substrate in a semi-contact mode. A method of forming a high aspect ratio nanostructure by applying a bias voltage and patterning oxide at a high speed on a surface of a silicon substrate or a metal thin film substrate using a nuclear force microscope with a lithography speed of 100 to 500 µm / s. There is another purpose to provide.

본 발명은 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법에 있어서, 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하거나 또는 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 기판 표면에 산화물을 패터닝하는, 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조방법을 특징으로 한다.The present invention provides a method for producing a nanostructure using nuclear force microscopy lithography, using a contact or semi-contact nuclear force microscope that maintains the ambient temperature between the probe and the substrate at 30 to 100 ℃ or between the probe and the substrate A method of manufacturing a nanostructure using nuclear force microscopy lithography is characterized by patterning oxide on a substrate surface using a semi-contact nuclear force microscope applied an alternating bias voltage having an effective value of 1 to 20 V.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명은 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하거나 또는 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 리소그래피를 수행함으로써 종횡비가 높은 나노 구조물을 형성시킬 수 있고, 이 방법을 고속 리소그래피에 적용하면 고속으로 종횡비가 높은 나노 구조물을 제작할 수 있는, 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의해 종횡비가 높은 나노 구조물이 촘촘히 배열된 반도체 소자 등의 리소그래피가 가능하고 소자의 소형화 및 AFM 리소그래피의 고속화를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 수 nm의 선 폭을 유지하면서 에칭 깊이가 증가된 마이크로머신 구조물을 제작할 수 있다.The present invention employs a contact or semi-contact nuclear force microscope in which the ambient temperature between the probe and the substrate is maintained at 30 to 100 ° C. or an alternating current bias voltage with an effective value of 1 to 20 V is applied between the probe and the substrate. Lithography can be performed using a semi-contact nuclear force microscope to form high aspect ratio nanostructures, which can be applied to high speed lithography to produce high aspect ratio nanostructures at high speed. The present invention relates to a method of forming nanostructures having a high aspect ratio at high speed. The present invention enables lithography such as semiconductor devices in which nanostructures with high aspect ratios are densely arranged, and can achieve miniaturization of devices and high speed of AFM lithography, as well as an increased etching depth while maintaining a line width of several nm. Machine structures can be fabricated.

본 발명의 제조 방법은 원자력 힘 현미경의 탐침(cantilever tip)과 실리콘 기판 또는 금속 박막기판 사이에 소정의 전압을 인가하여 전자를 조사하고 탐침과 기판 사이에 형성되는 물기둥(water column)을 통해 기판 위에 산화물을 선택적으로 성장시키는 것으로서, 이때 나노 구조물의 높이와 폭에 영향을 주는 인자인 인가 전압, 리소그래피 속도, 습도 및 기판과 탐침의 고유한 특성 등 중에서 인가 전압으로 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압을 인가시키거나 또는 원자력 현미경의 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 조절하여 기존의 나노 구조물보다 높은 종횡비를 가지는 나노 구조물을 만들 수 있게 된다.The manufacturing method of the present invention applies a predetermined voltage between a cantilever tip of a nuclear force microscope and a silicon substrate or a metal thin film substrate to irradiate electrons and onto the substrate through a water column formed between the probe and the substrate. Selective growth of oxides, in which alternating current biases have an effective value of 1 to 20 V with applied voltage, among applied voltages, lithography speed, humidity, and inherent properties of the substrate and probe, which are factors affecting the height and width of the nanostructures. By applying a voltage or by controlling the ambient temperature between the probe and the substrate of the atomic force microscope to 30 ~ 100 ℃ it is possible to make a nanostructure having a higher aspect ratio than the conventional nanostructures.

본 발명의 나노 구조물이 형성되는 기판으로는 실리콘 기판 또는 금속 박막 기판을 사용한다. 금속 박막 기판은 탄탈, 티탄(Ti) 등을 포함하는 금속으로 제조된 모든 산화성 금속 박막 기판을 포함한다.As the substrate on which the nanostructure of the present invention is formed, a silicon substrate or a metal thin film substrate is used. Metal thin film substrates include all oxidizing metal thin film substrates made of metals including tantalum, titanium (Ti) and the like.

실리콘 기판 또는 금속 박막 기판에는 필요에 따라 레지스트(resist) 물질을 증착하여 기판의 용도를 확장시킬 수도 있는데, AFM 리소그래피의 수행에는 전자 받게(electron acceptor) 물질을 함유하는 레지스트 물질이 대표적으로 사용되고 있으며, 이 물질들은 AFM 리소그래피 수행시 인가 전압에 의해 형성된 전자를 더 원활하게 받아줌으로써 레지스트 물질이 없을 경우보다 리소그래피 속도를 증가시킬 수 있으며 에칭 등의 반도체 공정을 수행할 때 보호막 역할을 수행할 수도 있다. 레지스트 물질로는 테트라티아풀바렌(tetrathiafulvalene, TTF), 테트라시아노퀴노디메탄(tetracyanoquinodimethane, TCNQ), 포토 산 제너레이터(photo acid generator, PAG), 옥타데실-트리-클로로실란(octadecyl-tri-chlorosilane, OTS) 등이 대표적으로 사용되고 있다. 포토 산 제너레이터는 술폰산염 트리플레이트계를 사용하는 것이 보다 바람직하다.A resist material may be expanded on a silicon substrate or a metal thin film substrate as needed to expand the use of the substrate. A resist material containing an electron acceptor material is typically used to perform AFM lithography. These materials can more smoothly receive electrons formed by applied voltages in AFM lithography, thereby increasing the lithography rate than in the absence of a resist material and acting as a protective film when performing semiconductor processes such as etching. Resist materials include tetrathiafulvalene (TTF), tetracyanoquinodimethane (TCNQ), photo acid generator (PAG), octadecyl-tri-chlorosilane , OTS), etc. are typically used. As for the photo acid generator, it is more preferable to use a sulfonate triflate type.

원자력 힘 현미경의 탐침과 기판 주위에는 온도를 일정한 범위로 조절하는 가열 시스템(heating system)이 존재한다. 가열 시스템은 AFM 장비의 탐침과 기판 사이의 분위기와 외부의 분위기 사이의 열의 이동을 차단하여 고온의 분위기를 형성하는 것으로, 탐침과 기판 사이의 온도를 증가시키고 또한 습도를 낮추어주는 역할을 한다. 그리고 온도와 습도의 측정 탐지 장비(detector)를 이용하여 온도와 습도의 조절을 실시간으로 확인할 수 있다.There is a heating system around the probe and substrate of the atomic force microscope that controls the temperature to a certain range. The heating system creates a high temperature atmosphere by blocking the transfer of heat between the atmosphere between the probe and the substrate of the AFM equipment and the outside atmosphere, and increases the temperature between the probe and the substrate and lowers the humidity. Temperature and humidity can be measured in real time using a detector to measure temperature and humidity.

원자력 힘 현미경의 탐침과 기판 사이의 분위기 온도는 30 ∼ 100 ℃인 상온보다 높은 온도로 형성시키는 것이 본 발명의 중요한 특징이다. 온도가 100 ℃를 초과할 경우 장비에 무리가 갈 수 있고 30 ℃ 미만인 경우 효과적으로 종횡비를 높일 수 없다. 특히, 고속 리소그래피에 이 기술을 적용할 경우에는 장비에 무리가 가지 않는 한도 내에서 온도의 증가는 리소그래피 속도의 증가를 동반한다.It is an important feature of the present invention that the ambient temperature between the probe and the substrate of an atomic force microscope is formed at a temperature higher than the normal temperature of 30 to 100 ° C. If the temperature exceeds 100 ° C, the equipment may be overwhelming and if it is below 30 ° C, the aspect ratio cannot be effectively increased. In particular, when this technique is applied to high-speed lithography, the increase in temperature is accompanied by an increase in lithography speed within the limits of equipment.

또한, 본 발명에서 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압을 사용하는 것이 중요한 특징이다. 교류의 실효치가 1 V 미만이면 종횡비를 높이고 리소그래피 속도를 증가시키는 데 미흡하며 20 V를 초과할 경우에는 사용자 및 장비에 유해한 영향을 미칠 염려가 있기 때문에 제한적으로 운용되는 것이 바람직하다.In addition, in this invention, it is an important characteristic to use the AC bias voltage whose effective value is 1-20V. If the effective value of the alternating current is less than 1 V, it is not sufficient to increase the aspect ratio and increase the lithography speed. If the effective value of the alternating current is higher than 20 V, it is preferable to operate in a limited way because it may adversely affect users and equipment.

통상적으로 시판되고 있는 AFM 장비들은 인가 전압이 10 V를 한도로 제조되고 있으나 외부에서 전압을 인가하는 장치를 추가로 이용하여 인가 전압을 증폭시 킬 수 있다. 또한, 교류를 사용하면 샘플 바이어스인 경우 (+) 전압은 샘플로 전류가 흐르지만 (-) 전압이 걸릴 경우 탐침으로 전류가 흐르기 때문에 극미세한 탐침에 손상을 줄 수 있으므로 기계에 무리를 주지 않기 위해서는 실효치가 1 ∼ 10 V인 교류 바이어스 전압을 사용하는 것이 보다 바람직하다.Commercially available AFM equipment is manufactured to a limit of 10 V applied voltage, but can be amplified by using an additional device for applying an external voltage. In addition, if AC is used, the positive voltage flows through the sample in the case of sample bias, but the current flows through the probe when the negative voltage is applied, which may damage the minute probe. It is more preferable to use the AC bias voltage whose effective value is 1-10V.

본 발명의 경우 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 조절하여 종횡비가 높은 나노구조물을 얻거나 리소그래피 속도를 증가시키는 경우에는 원자력 힘 현미경의 접촉형 또는 반-접촉형 모드를 모두 사용할 수 있으나 탐침과 기판 사이에 교류 바이어스 전압을 인가하여 종횡비가 높은 나노구조물을 얻거나 리소그래피 속도를 증가시키는 경우에는 반-접촉형 모드를 사용하는 것이 본 발명에 따른 효과를 나타내는 데 좋다. 반-접촉형 모드의 경우가 접촉형 모드의 경우보다 종횡비가 높은 나노 구조물을 얻기에 보다 용이하다. 비접촉형 모드의 경우 물기둥 (water column)의 형성이 어렵기 때문에 리소그래피시 많은 문제점이 발생되어 사용하기 어렵다.In the present invention, when the atmospheric temperature between the probe and the substrate is controlled to obtain a high aspect ratio nanostructure or to increase the lithography rate, both the contact or semi-contact mode of the nuclear force microscope can be used, but between the probe and the substrate When an alternating current bias voltage is applied to obtain a high aspect ratio nanostructure or to increase the lithography rate, the use of a semi-contact mode is advantageous to achieve the effect of the present invention. The semi-contact mode is easier to obtain nanostructures with higher aspect ratio than the contact mode. In the non-contact mode, since the formation of a water column is difficult, many problems occur during lithography, making it difficult to use.

종래에는 원자력 힘 현미경을 이용하여 나노 구조물을 제조할 때 대체로 10 ㎛/s의 속도로 리소그래피를 수행하였었는데, 본 발명의 경우에는 100 ∼ 500 ㎛/s의 고속 리소그래피가 가능한 장점이 있다. 고속 리소그래피는 옵티클 리소그래피에 대한 AFM 리소그래피의 속도 한계를 극복하기 위한 수단으로서, 본 발명의 경우 종횡비가 높은 구조물을 고속으로 제작할 수 있게 됨으로써 각종 첨단 소자들을 빠른 속도로 제조할 수 있는 가능성을 열었다고 할 수 있다.Conventionally, when preparing a nanostructure using a nuclear force microscope, lithography was generally performed at a rate of 10 μm / s. In the present invention, high-speed lithography of 100 to 500 μm / s is possible. High-speed lithography is a means of overcoming the speed limitations of AFM lithography for optical lithography, and the present invention opens up the possibility of manufacturing high-tech devices at high speeds by enabling the fabrication of high aspect ratio structures at high speed. can do.

원자력 힘 현미경을 이용하여 나노 구조물을 제조하는 일반적인 방법은 공지 된 바와 같이 도 1의 원리가 적용된다. 금속 박막 기판의 경우에는 마그네트론 스퍼터(CSS12) 등을 이용하여 금속 박막이 증착되는데, 증착 조건으로는 불활성 가스인 아르곤(Ar)의 분위기에서 직류 전력을 100 ∼ 500 W로, 공정 압력을 1 ∼ 10 mtorr로 하여 금속 박막을 2 ∼ 20 nm의 두께로 증착한다. 준비된 실리콘 기판 또는 금속 박막 기판에 원자력 힘 현미경을 이용하여 패터닝을 하는데, 원자력 힘 현미경의 탐침과 다층 박막 구조를 갖는 기판에 각각 (-)와 (+) 전압을 걸어주어 탐침과 기판 사이에 전계를 인가한다.The general method of fabricating nanostructures using atomic force microscopy applies the principle of FIG. 1 as is known. In the case of a metal thin film substrate, a metal thin film is deposited using a magnetron sputter (CSS12) or the like. As deposition conditions, DC power is 100 to 500 W in an atmosphere of argon (Ar), which is an inert gas, and a process pressure is 1 to 10. A metal thin film is deposited to a thickness of 2 to 20 nm with mtorr. Patterning is performed on the prepared silicon substrate or metal thin film substrate by using a nuclear force microscope. An electric field is applied between the probe and the substrate by applying a negative and positive voltage to the probe of the atomic force microscope and the substrate having the multilayer thin film structure, respectively. Is authorized.

도 1은 원자력 힘 현미경 리소그래피 기술의 메커니즘을 설명하기 위한 개략도로서 원자력 힘 현미경의 탐침과 기판 사이에 전압을 인가하여 전자를 조사하면 탐침과 기판 사이에 물기둥(water column)이 형성되면서 다음과 같은 반응이 일어난다.1 is a schematic diagram illustrating the mechanism of nuclear force microscopy lithography. When a electron is irradiated by applying a voltage between a probe and a substrate of a nuclear force microscope, a water column is formed between the probe and the substrate, and the reaction is as follows. This happens.

M + 2OH- + 4e- → MOx + 2H+ M + 2OH - + 4e - → MOx + 2H +

이러한 반응에 의해 기판으로의 OH-와 O2-의 이온 확산(ionic diffusion)이 일어나며 결국 기판에서 양극 산화현상이 일어나 옥사이드 층의 산화물이 형성된다. 이러한 현상을 이용하여 본 발명에서는 교류 바이어스 전압 또는 고온의 온도라는 추가 조건을 제공함으로써 보다 우수한 높은 종횡비를 가지는 나노 구조물을 빠르게 형성할 수 있게 된다.This reaction results in ionic diffusion of OH - and O 2-to the substrate, resulting in anodic oxidation in the substrate to form oxides in the oxide layer. By using this phenomenon, the present invention enables the rapid formation of nanostructures having higher aspect ratios by providing additional conditions such as alternating bias voltage or high temperature.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to Examples.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

아래의 표 1과 같은 조건으로 원자력 힘 현미경을 이용하여 기판 위에 나노 구조물을 제조하였다.Nanostructures were prepared on a substrate using a nuclear force microscope under the conditions shown in Table 1 below.

구 분division 실시예Example 비교예Comparative example 1One 22 33 44 55 66 77 1One 22 기판/레지스트Substrate / Resist SiSi SiSi SiSi Ta/SiTa / Si Ta/SiTa / Si Ta/SiTa / Si Ta/SiTa / Si Si/OTSSi / OTS Ti/SiTi / Si 산화물oxide SiOxSiOx SiOxSiOx SiOxSiOx TaOxTaOx TaOxTaOx TaOxTaOx TaOxTaOx SiOxSiOx TiOxTiOx 현미경 모드Microscope mode 반접촉형Semi-contact type 반접촉형Semi-contact type 반접촉형Semi-contact type 접촉형Contact type 접촉형Contact type 접촉형Contact type 접촉형Contact type 접촉형Contact type 접촉형Contact type 분위기 온도(℃)Atmosphere temperature (℃) 26.626.6 25.325.3 25.325.3 3232 30∼3130-31 30∼3130-31 4040 2525 2525 전압(V)Voltage (V) AC -10AC -10 AC -10AC -10 AC -20AC-20 DC 22DC 22 DC 18DC 18 DC 18DC 18 DC 18DC 18 DC 12DC 12 DC 18DC 18 리소스피드(㎛/s)Resource feed (μm / s) 1010 1010 1010 0.50.5 1One 400400 400400 33 1One 습도(%)Humidity(%) 52-5452-54 2222 2222 29-3029-30 3030 3030 2020 4040 3030

실험예 1 : 나노 구조물의 종횡비 조사Experimental Example 1 Investigation of Aspect Ratio of Nanostructures

실시예 및 비교예에서 제조된 나노 구조물들의 높이와 폭을 측정하여 종횡비를 계산하였다.The aspect ratio was calculated by measuring the height and width of the nanostructures prepared in Examples and Comparative Examples.

구 분division 실시예Example 비교예Comparative example 1One 22 33 44 55 66 77 1One 22 높이(nm)Height (nm) 11.911.9 7.67.6 7.147.14 2020 1414 1.71.7 7.27.2 1.91.9 1One 폭(nm)Width (nm) 62.162.1 48.748.7 3838 190190 7878 4040 4242 7878 7575 종횡비(높이/폭)Aspect ratio (height / width) 0.190.19 0.170.17 0.190.19 0.110.11 0.180.18 0.040.04 0.170.17 0.020.02 0.010.01

실시예 1 ∼ 3의 경우에는 탐침과 기판 사이의 분위기 온도는 종래와 같이 유지하면서 교류 바이어스 전압을 사용한 경우인데, 직류 전압을 사용한 비교예 1 ∼ 2에 비해서 구조물의 높이가 증가되고 폭이 줄어들어서 종횡비가 증가되는 경향 을 보인다. 실시예 4 ∼ 5는 인가 전압의 경우는 종래와 같이 직류를 사용하고 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 고온으로 조정한 경우인데, 실시예 1 ∼ 3과 마찬가지의 결과를 얻었다. 또한, 실시예 6 ∼ 7의 경우는 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 고온으로 조정하고 리소그래피 속도를 400 ㎛/s로 한 경우인데, 온도가 높아짐에 따라 나노 구조물의 높이가 현저히 증가함을 알 수 있었다.In Examples 1 to 3, an AC bias voltage is used while maintaining the atmosphere temperature between the probe and the substrate as in the prior art, but the height of the structure is increased and the width is decreased compared to Comparative Examples 1 to 2 using the DC voltage. The aspect ratio tends to increase. Examples 4-5 are the case where applied voltage is the case where the atmospheric temperature between a probe and a board | substrate was adjusted to high temperature as a conventional case, and the result similar to Examples 1-3 was obtained. In addition, in Examples 6 to 7, the atmospheric temperature between the probe and the substrate was adjusted to a high temperature, and the lithography speed was set to 400 µm / s. As the temperature increases, the height of the nanostructure increases significantly. there was.

실험예 2 : 고온과 상온에서의 나노 구조물의 높이 비교Experimental Example 2: Comparison of the height of the nanostructures at high temperature and room temperature

도 2a 및 2b는 접촉형 모드의 원자력 힘 현미경을 이용하여 상온(20 ∼ 25 ℃)과 상온보다 높은 온도(30 ∼ 40 ℃) 분위기에서 제조된 나노 구조물의 높이를 비교하고 있는데, 상온의 분위기에서 제조된 나노 구조물의 경우는 높이가 1 nm( DC 18v, 리소스피드 18 ㎛/sec, 습도 30 %)에 불과하나, 표 1의 실시 예 5에서 보는 것과 같이 상온보다 높은 온도 분위기에서 형성된 나노 구조물은 높이가 12 nm이었다. 이러한 경향은 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용한 경우에도 마찬가지였다.2A and 2B compare the heights of nanostructures fabricated at room temperature (20-25 ° C.) and higher than room temperature (30-40 ° C.) using a nuclear force microscope in contact mode. In the case of the manufactured nanostructure, the height is only 1 nm (DC 18v, resource feed 18 ㎛ / sec, humidity 30%), but as shown in Example 5 of Table 1 nanostructure formed in a temperature atmosphere higher than room temperature The height was 12 nm. This trend was also true when using a semi-contact nuclear force microscope.

이는 접촉형 및 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용한 리소그래피 공정에서 상온의 온도와 습도 분위기가 아닌 고온의 온도 분위기를 조성함으로써 OH-와 O2-의 이온 확산의 증가 및 열 에너지에 의해 문턱 전압(threshold voltage)을 낮추어 줌으로써 종횡비가 현저히 개선된 우수한 나노 구조물을 얻을 수 있다는 점을 알 수 있었다.In the lithography process using the contact and semi-contact nuclear force microscopes, this creates a high temperature atmosphere rather than a normal temperature and humidity atmosphere, thereby increasing the ion diffusion of OH - and O 2 - and the threshold voltage due to thermal energy. By lowering the threshold voltage, it can be seen that excellent nanostructures with remarkably improved aspect ratios can be obtained.

실험예 3 : 직류와 교류를 사용한 경우의 나노 구조물의 높이 비교Experimental Example 3: Comparison of the height of the nanostructures when using direct current and alternating current

또한, 도 3은 반-접촉형 원자력 힘 현미경 리소그래피에서 직류 바이어스 전압을 인가하였을 때와 교류 바이어스 전압을 인가하였을 때의 나노 구조물을 나타내고 있으며, 교류 바이어스 전압을 인가함으로써 실리콘 옥사이드의 양 스페이스 전하 효과(+ space charge effect)를 제거해줌으로써 기판으로부터의 성장을 더욱 원활하게 해주는 효과가 있다. 표 1의 실시예 2에서, 교류 바이어스 전압을 인가한 경우 나노 구조물이 약 7.6 nm의 높이를 가지지만, 직류 바이어스 전압을 인가한 경우 1 nm 이하의 높이를 가지는 나노구조물이 형성되었다.In addition, FIG. 3 shows nanostructures when a DC bias voltage is applied and an AC bias voltage is applied in a semi-contact nuclear force microscope lithography, and both space charge effects of silicon oxide are applied by applying an AC bias voltage. By removing the space charge effect, it has the effect of smoothing the growth from the substrate. In Example 2 of Table 1, the nanostructure has a height of about 7.6 nm when the AC bias voltage is applied, but a nanostructure having a height of 1 nm or less is formed when the DC bias voltage is applied.

실험예 4 : 고속 리소그래피에의 적용Experimental Example 4 Application to High Speed Lithography

도 4는 접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 탐침과 기판 사이의 온도를 30 ∼ 40 ℃(상온보다 높은 온도)로, 리소그래피 속도를 300 ㎛/s 또는 400 ㎛/s로 설정하고 탄탈륨 기판 위에 제조한 나노 구조물의 표면 이미지 도면과 그 나노 구조물의 높이를 나타내는 그래프이다. 상온에서는 고속 리소그래피가 전혀 이루어지지 않았으나 고온의 분위기에서는 OH-와 O2-의 이온 확산의 증가 및 열 에너지에 의한 낮은 문턱 전압으로 인해 고속 리소그래피 수행시 나노 구조물을 제작할 수 있다. 표1의 실시 예 6에서, 리소그래피 속도를 300 ㎛/s로 한 경우에 있어서는 고속 리소그래피에서도 높이가 30 nm 정도의 나노 구조물을 얻을 수 있었다.4 is prepared on a tantalum substrate using a contact nuclear force microscope at a temperature between the probe and the substrate at 30-40 ° C. (temperature higher than room temperature) and a lithography rate of 300 μm / s or 400 μm / s. A surface image drawing of a nanostructure and a graph showing the height of the nanostructure. High-speed lithography was not performed at room temperature, but nanostructures can be fabricated during high-speed lithography due to the increased ion diffusion of OH - and O 2 - and low threshold voltage due to thermal energy. In Example 6 of Table 1, when the lithography speed was set to 300 µm / s, nanostructures having a height of about 30 nm were obtained even in high-speed lithography.

상술한 바와 같이 본 발명의 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 높은 종횡비를 갖는 나노 구조물을 고속으로 형성시키는 방법은 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하거나 또는 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 리소그래피를 수행함으로써 기존 기술로는 높이가 1 ∼ 5 nm이고 폭이 10 ∼ 500 nm였던 나노 구조물을 높이가 7 ∼ 30 nm이고 폭이 10 ∼ 300 nm인 나노 구조물로 제작함으로써 종횡비가 높은 나노 구조물을 제조할 수 있다.As described above, a method for forming a high aspect ratio nanostructure at high speed using the nuclear force microscopy lithography of the present invention is a contact or semi-contact nuclear power in which the ambient temperature between the probe and the substrate is maintained at 30 to 100 ° C. Lithography is carried out using a force microscope or a semi-contact nuclear force microscope with an alternating current bias voltage between 1 and 20 V between the probe and the substrate. The nanostructures having a high aspect ratio can be prepared by fabricating the nanostructures having a size of 10 to 500 nm as nanostructures having a height of 7 to 30 nm and a width of 10 to 300 nm.

본 발명에 의해 칩의 크기가 점점 고집적화 및 초 소형화됨에 따라 소자의 패턴 밀도의 증가가 요구되는 현실 속에서 이를 충족시킬 수 있는 나노 수준의 구조물이 수 nm 간격으로 촘촘히 배열된 반도체 소자 등을 제조할 수 있으며, 에칭 깊이가 증가된 마이크로머신 구조물 및 마스크 등을 제작할 수 있는 현저한 효과가 있다. 즉, 메모리 소자 등의 소형화 및 리소그래피의 고속화가 가능해질 수 있다.In accordance with the present invention, as chip sizes are increasingly integrated and miniaturized, a semiconductor device having a nano-level structure that can satisfy this in the reality that the pattern density of the device is required to be densely arranged at intervals of several nm can be manufactured. And, there is a remarkable effect that can be produced, such as a micromachined structure and mask with increased etching depth. That is, miniaturization of memory elements and the like and high speed of lithography can be enabled.

Claims (6)

원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법에 있어서,In the method of producing a nanostructure using nuclear force microscopy lithography, 탐침과 기판 사이의 분위기 온도를 30 ∼ 100 ℃로 유지시킨 접촉형 또는 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 사용하여 상기 기판의 표면에 산화물을 패터닝하는 것을 특징으로 하는, 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법.Nanostructure using nuclear force microscopy lithography, characterized in that the oxide is patterned on the surface of the substrate using a contact or semi-contact nuclear force microscope maintaining an ambient temperature between the probe and the substrate at 30-100 ° C. Method of preparation. 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법에 있어서,In the method of producing a nanostructure using nuclear force microscopy lithography, 탐침과 기판 사이에 실효치가 1 ∼ 20 V인 교류 바이어스 전압이 인가된 반-접촉형 원자력 힘 현미경을 이용하여 상기 기판의 표면에 산화물을 패터닝하는 것을 특징으로 하는, 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법.Nanostructure using nuclear force microscopy lithography, characterized in that the oxide is patterned on the surface of the substrate using a semi-contact nuclear force microscope applied an alternating bias voltage of 1-20 V between the probe and the substrate. Method of preparation. 제 2 항에 있어서, 상기 교류 바이어스 전압은 실효치가 1 ∼ 10 V인 것을 특징으로 하는 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the alternating current bias voltage has an effective value of 1 to 10 V. 4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판 또는 금속 박막 기판인 것을 특징으로 하는 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법.3. The method of claim 1 or 2, wherein the substrate is a silicon substrate or a metal thin film substrate. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은 레지스트 물질이 증착된 기판인 것을 특징으로 하며, 레지스트 물질은 테트라티아풀바렌(tetrathiafulvalene, TTF), 테트라시아노퀴노디메탄(tetracyanoquinodimethane, TCNQ), 포토 산 제너레이터(photo acid generator, PAG(술폰산염 트리플레이트계)) 또는 옥타데실-트리-클로로실란(octadecyl-tri-chlorosilane, OTS)인 것을 특징으로 하는 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the substrate is a substrate on which a resist material is deposited, and the resist material is tetrathiafulvalene (TTF), tetracyanoquinodimethane (TCNQ), Photo acid generator (PAG) or octadecyl-tri-chlorosilane (OTTS), characterized in that the method for producing nanostructures using nuclear force microscopy lithography . 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 원자력 힘 현미경의 리소그래피 속도를 100 ∼ 500 ㎛/s로 설정하는 것을 특징으로 하는 원자력 힘 현미경 리소그래피를 이용한 나노 구조물의 제조 방법.The method for producing a nanostructure using nuclear force microscope lithography according to claim 1 or 2, wherein the lithography speed of the nuclear force microscope is set to 100 to 500 µm / s.
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