KR100670945B1

KR100670945B1 - Ｌｔｃｃ 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼어레이

Info

Publication number: KR100670945B1
Application number: KR1020050051981A
Authority: KR
Inventors: 정진우; 김대준; 최상국; 김대용; 김호섭
Original assignee: 한국전자통신연구원; 선문대학교 산학협력단
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2007-01-17
Also published as: KR20060070398A

Abstract

LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이에 대해 개시한다. 그 마이크로칼럼 어레이는 배선이 형성된 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판과 상기 LTCC 기판의 적어도 일측에 접합되며, 전자빔을 편향시키는 복수개의 편향소자가 배열된 상기 웨이퍼 크기의 편향기 어레이를 포함한다. LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이에 의하면 시간당 반도체 웨이퍼 처리량을 획기적으로 증가시킬 수 있고, 제조공정을 간단하게 하고 소요되는 경비를 크게 낮출 수 있다.

웨이퍼 규모, LTCC 기판, 편향소자, 동일한 방위각

Description

ＬＴＣＣ 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이{Microcolumn array using LTCC substrate on wafer scale}

도 1a는 본 발명에 의한 웨이퍼 규모의 마이크로컬럼 어레이를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 단면도이다.

도 2a는 본 발명에 의한 단위 마이크로컬럼을 나타낸 단면도이고, 도 2b는 단위 마이크로칼럼 및 모노리틱(monolithic)된 마이크로칼럼 어레이를 나타낸 사시도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 편향소자를 제조하는 방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 4a는 본 발명에 의한 4개의 편향소자가 어레이된 모습을 나타낸 사시도이고, 도 4b는 하나의 편향소자를 유리쪽에서 본 평면도이다.

도 5는 LTCC 기판과 편향기가 결합된 형태를 나타낸 사시도이다.

도 6은 본 발명에 의한 실리콘 편향기의 구동방법을 설명하기 위한 평면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

100; 마이크로칼럼 어레이 110; 전자방출원 어레이

120; 소스렌즈 어레이 122, 164; 원형개구부

130; 편향기 132; 편향기 배열의 유리기판

134; 편향소자 140; LTCC 기판

142; LTCC 표면 144; 배선전극

146; 배선 150; 초점렌즈 어레이

본 발명은 전자빔 리소그래피 장치에 관한 것으로, 특히 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이(microcolumn array)에 관한 것이다.

미세하게 초점이 맞춰진 전자빔을 형성하는 전자빔 마이크로칼럼(이하, 마이크로칼럼이라고 함)은 1980년대 말에 처음 소개되었다. 마이크로칼럼은 작은 크기, 높은 해상도, 적은 비용 등의 이점을 가지며, 전자빔 리소그래피(Lithography) 등의 다양한 분야에 활용되고 있다.

일반적으로 마이크로칼럼은 전자방출원, 실리콘 정전렌즈, 1개 이상의 8극 정전편향기 등으로 구성된다. 실리콘 정전렌즈는 통상적인 MEMS공정으로 수~수백 ㎛의 직경의 원형구멍을 뚫어 형성한 얇은 실리콘막이다. 실리콘 정전렌즈는 예컨대 붕소 주입으로 높은 도전성을 가진다. 또한, 상기 정전렌즈는 다양한 원형개구부를 가진다. 원형개구부를 포함하는 정전렌즈는 전자방출원에서 나온 전자빔을 제한하거나 외부 전압원에 의해 정전기적으로 전자빔을 집속시키는 전자광학 렌즈의 역할을 한다. 8극 정전편향기는, 예컨대 실리콘을 RIE(Reactive Ion Etching)으로 식각하여 8개의 막대형 전극이 중심을 향하는 형태로 제작된다. 정전편향기는 외부인가 전압에 의한 정전기력에 의해 편향기의 중심을 지나가는 전자빔을 구부리는 역할을 한다. 마이크로칼럼은 소비전력이 작다는 장점이 있다.

한편, 마이크로칼럼이 웨이퍼 크기로 어레이될 경우 반도체 리소그래피에 의해 처리되는 웨이퍼 량을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 일반적으로 마이크로칼럼을 어레이시키는 방법은 단위 마이크로칼럼을 개별적으로 제작하여 각각을 조합해서 웨이퍼 크기로 어레이하는 방법과, 모놀리틱 형태의 마이크로칼럼을 어레이시켜 웨이퍼 크기로 조합하는 방법 및 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼을 한번에 어레이시켜 제작하는 방법 등이 있다. 웨이퍼 규모로 마이크로칼럼을 제작할 경우 반도체 제조공정을 이용하여 렌즈와 편향기 사이의 상호배선을 형성하는 방법이 제안되었다. 하지만, 반도체 제조공정을 이용하면 제조공정이 복잡하고 소요되는 비용이 많아서 경제적이지 못하다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 제조비용이 적게 들고 간단한 공정으로 만들 수 있는 마이크로칼럼 어레이를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이는 배선이 형성된 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판과 상기 LTCC 기판의 적어도 일측에 접합되며, 전자빔을 편향시키는 복수개의 편향소자 가 배열된 상기 웨이퍼 크기의 편향기 어레이를 포함한다. 상기 편향기 어레이에 접합되며, 상기 편향소자의 중심과 정렬되는 복수개의 렌즈를 포함하는 상기 웨이퍼 크기의 렌즈 어레이 및 상기 렌즈 어레이에 전자빔을 공급하는 전자방출원 어레이를 포함한다.

상기 배선과 상기 편향소자는 배선전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 배선전극은 도전성이 우수한 은(Ag) 전극일 수 있다. 또한, 상기 배선전극은 상기 편향소자에 전도성 에폭시를 이용하여 접착시킬 수 있다.

상기 편향소자는 복수개의 막대형 전극이 각각 독립적으로 동작하도록 형성될 수 있으며, 상기 편향소자를 이루는 복수개의 막대형 전극의 동일한 방위각에 있는 전극은 동일한 전압신호를 인가받을 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 의한 웨이퍼 규모의 마이크로컬럼 어레이(100)를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이(100)를 구성할 경우, 편향기 어레이(130)와 전자렌즈 어레이(120, 150)의 배선들을 작은 공간에 집적시키는 것이 요구된다. 일반적인 반도체 공정기술을 이용하여 상기 요구 에 부응할 수 있으나, 다층구조의 배선의 경우 공정이 복잡해지고 비용이 증가하는 등의 문제가 있다. 본 발명의 실시예에서는 다층 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판(140)을 이용하여 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이(100)의 배선을 이루도록 한다. 다층 LTCC 기판(140)은 통상적인 방법에 의해 제작될 수 있다.

웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이(100)는 전자방출원 어레이(110), 소스렌즈 어레이(120), 편향기 어레이(130), LTCC 기판(140) 및 초점렌즈 어레이(150)로 구성될 수 있다. 편향기 어레이(130)는 LTCC 기판(140)의 양측에 대향되어 위치할 수 있다.

전자방출원 어레이(110)는 전계방출 소자인 CNT(Carbon Nano Tube) 또는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 어레이 등이 될 수 있다. 전자방출원 어레이(110)에서 발생한 전자(112)는 전자빔 소스(114)를 형성한다. 소스렌즈 어레이(120)와 초점렌즈 어레이(150)는 통상적인 MEMS공정으로 수~수백 ㎛의 직경의 원형개구부(122, 164)를 뚫어 형성한 얇은 실리콘막이다. 소스렌즈 어레이(120)와 초점렌즈 어레이(150)는 실리콘 정전렌즈라고 하기도 한다. 상기 정전렌즈는 예컨대 붕소 주입으로 높은 도전성을 가진다. 또한, 상기 정전렌즈는 다양한 원형개구부(122, 164)를 갖는다. 원형개구부(122, 164)를 포함하는 정전렌즈는 전자방출원 어레이(110)에서 나온 전자빔 소스(114)를 제한하거나 외부전압원에 의해 정전기적으로 전자빔 소스(114)를 집속시키는 전자광학 렌즈의 역할을 한다.

편향기 어레이(130)는 실리콘을 RIE(Reactive Ion Etching)으로 식각하여 8개의 막대형 전극이 중심을 향하는 형태로 제작된 편향소자(134)를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법으로 제조된 편향소자(134)는 실리콘 8극 편향소자라고 한다. 8극은 동일한 형상의 8개의 막대형 전극이 서로 독립적으로 동작하도록 배치된 것이다. 이때, 편향소자(134)는 파이렉스 유리와 같은 기판(132)에 부착된다. 편향소자(134)는 외부인가 전압에 의한 정전기력에 의해 편향소자(134)의 중심을 지나가는 전자빔을 구부리는 역할을 한다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 마이크로칼럼 어레이(100)를 이루는 각각의 구성품은 구성품 표면에 수직하게 대응되어 형성된 각각의 마이크로칼럼의 중심이 정렬되도록 접합될 수 있다. 예컨대, 원형개구부(122, 164)의 중심은 각 구성품의 표면에 수직하게 연장된 직선 상에 위치한다. 이때, 접합하는 순서는 먼저 LTCC 기판(140) 양측에 편향기 어레이(130)가 전기적인 접촉하면서 편향기 어레이(130)의 중심에 형성된 홀이 LTCC 기판(140) 상의 홀에 정렬되어 접합된다. 이때, 편향기 어레이(130)와 LTCC 기판(140)의 정렬도는 마이크로칼럼의 동작에 심각한 영향을 미치지 않으므로 배선의 단락만 주의하면서 정렬 및 접합을 실시한다. 각각의 편향소자(134)는 LTCC 기판(140)의 표면(142)의 표면에 형성된 배선전극(144), 예컨대 은 전극을 통해 전기적으로 연결된다. 그후, 초점렌즈어레이(150), 소스렌즈 어레이(120) 및 전자방출원(110)의 순으로 정렬 및 접합을 할 수 있다.

소스렌즈 어레이(120), 편향기 어레이(130), LTCC 기판(140) 및 초점렌즈 어레이(150)는 마이크로칼럼 어레이(100)의 떨어진 2개의 마이크로칼럼에 형성된 원형개구부(122, 164)를 통하여 전자빔 진행경로를 관찰함으로써 2차원적으로 정렬할 수 있다. 전자방출원 어레이(110)는 웨이퍼 상에 임의로 만들어진 정렬표시(도시 안됨)를 이용하여 소스렌즈 어레이(120)의 상부와 정렬될 수 있다. 전자렌즈 어레이(120, 150)는 통상적인 KOH 용액 상에서 실리콘 비등방성 식각에 의해 제작될 수 있다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 의한 단위 마이크로칼럼(200)을 나타낸 단면도이다. 도 2b는 단위 마이크로칼럼(200) 및 모노리틱(monolithic)된 마이크로칼럼 어레이(100)를 나타낸 사시도이다. 본 발명의 실시예에 의한 마이크로칼럼 어레이(100)는 복수개의 단위 마이크로칼럼(200)들이 배열된 것이다. 이에 따라, 단위 마이크로칼럼(200)에 대해 살펴보기로 한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전자방출원(202)에서 방출된 전자빔은 원형개구부(204)를 지나 제1 복수개의 전극들(206, 210, 212)을 통과하면서 집속된다. 제1 복수개의 전극들(206, 210, 216)은 낮은 저항을 가진 실리콘으로 제조될 수 있다. 집속된 전자빔은 전극들(206, 210, 212)에 의해 제한되어 굵기가 가늘어진다. 전자방출원(202)으로부터 전자빔을 유도하고 집속하는 역할을 하는 실리콘막 전극 집합체, 즉 제1 복수개의 전극들(206, 210, 212)을 포함하는 부분을 소스렌즈부(240; source lens part)라고 한다. 소스렌즈부(240)를 통과한 전자빔은 LTCC 기판(216)의 양측에 전기적으로 접합된 편향기(250)에 형성된 편향소자(214)에 의해 원하는 방향으로 편향된다. 이때, LTCC 기판(216)은 다층으로써 배선용 기판이며 절연층의 역할도 수행한다. 각각의 편향소자(214)는 LTCC 기판(216)의 표면에 형성된 배선전극(218), 예컨대 은 전극을 통해 전기적으로 연결된다. LTCC 기판(216)은 외부단자(219)를 통하여 외부의 전압을 인가받는다.

편향기(250)를 지난 제2 복수개의 전극들(220, 222, 224)을 통과하면서 미세한 크기의 전자빔으로 집속된다. 제2 복수개의 전극들(220, 222, 224)은 아인젤렌즈(Einzel lens)라 한다. 전자빔을 집속하는 역할을 하는 제2 복수개의 전극들(220, 222, 224)은 실리콘막으로 이루어진 전극의 집합체이다. 제2 복수개의 전극들(220, 222, 224)을 포함하는 부분은 초점렌즈부(260; focusing lens part)라고도 한다. 통상적으로 제1 및 제2 복수개의 전극들은 전자렌즈 또는 마이크로 렌즈라고 한다. 제1 및 제2 복수개의 전극들(206, 210, 212, 220, 222, 224)은 파이렉스 유리와 같은 절연체(208)에 의해 서로 전기적으로 절연되어 접합된다.

단위 마이크로칼럼(200)은 편향기(250)에 의해 편향되고 초점렌즈부(260)에 의해 집속된 전자빔을 원하는 곳에 스캔한다. 예를 들어, 단위 마이크로칼럼(200)은 반도체 웨이퍼 상에 리소그래피 패턴을 그리거나 2차 전자주사현미경 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다.

또한, 단위 마이크로칼럼(200)은 각각의 구성품인 전자방출원(202), 소스렌즈부(240), 편향기(250) 및 초점렌즈부(260)를 조합하여 도 1a 및 도 1b와 같은 웨이퍼 규모(wafer scale)로 배열할 수 있다. 즉, 각각의 구성품을 어레이된 형태로 제작한 다음, 각각의 구성품을 정렬되도록 접합시켜 복수개의 단위 마이크로칼럼(200)으로 이루어진 마이크로칼럼 어레이(100)를 제작할 수 있다. 웨이퍼 규모로 제작된 마이크로칼럼 어레이(100)의 각각의 단위 마이크로칼럼(200)은 동시에 구동되어, 반도체표면에 전자빔을 동시에 조사하는 소위 병렬 전자빔 리소그래피를 할 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 편향소자(134)를 제조하는 방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 먼저 예컨대 파이렉스 유리로 된 기판(132)에 제1 홀(136)을 형성한다. 그후, 유리기판(132)은 애노딕(anodic) 접합을 이용하여 실리콘 웨이퍼(134a)에 붙인다. 편향기(130) 내의 편향소자(134) 형태의 포토레지스트 패턴(138)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(138)을 식각마스크로 하여 Deep-RIE 공정을 이용하여 비등방적으로 실리콘 웨이퍼(134a)를 식각한다. 편향기(130) 내의 편향소자(134) 형태의 포토레지스트 패턴(138)을 형성한다. 편향소자(134)는 실리콘을 RIE(Reactive Ion Etching)으로 8개의 막대형 전극이 중심을 향하는 형태를 가진다. 이어서, 포토레지스트 패턴(138)을 제거한다. 참조부호 137은 편향소자의 중심부에 형성된 제2 홀을 나타낸 것이다.

도 4a는 4개의 편향소자가 어레이된 모습을 나타낸 사시도이고, 도 4b는 하나의 편향소자를 유리쪽에서 본 평면도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 유리기판(132) 상에 놓인 각각의 편향소자(134)는 동일한 형상을 가지면서 동일한 피치를 이루며 배열된다. 유리기판(132)에 형성된 제1 홀(136)의 중심과 편향소자(134)의 중심부에 형성된 제2 홀(137)의 중심은 일치하는 것이 바람직하다. 이때, 제1 홀(136)과 제2 홀(137)은 원형의 공간을 형성할 수 있다. 또한, 제1 홀(136)의 직경은 제2 홀(137)의 직경에 비해 큰 것이 바람직하다.

도 5는 LTCC 기판(140)과 편향기 어레이(130)가 결합된 형태를 나타낸 사시 도이다.

도 5를 참조하면, LTCC 기판(140)에는 다층의 3차원 배선(146)이 형성되어 있다. 다층의 배선(146)은 각각의 편향소자(134)를 LTCC 기판(140)의 표면에 형성된 배선전극(144), 예컨대 은 전극을 통해 전기적으로 연결된다. 배선전극(144)은 외부단자(148)를 통하여 외부에서 전기적 신호를 입력받을 수 있다. 편향소자(134)와 LTCC 기판(140)에 접합되는 배선전극(144)은 예컨대 전도성 에폭시를 이용하여 전기적으로 접촉시킬 수 있다. 또한, 소스렌즈 어레이(120)와 초점렌즈 어레이(150)에 대한 전기적 배선은 LTCC 기판(140)에 형성할 수 있다.

도 6은 편향기 어레이(130)의 구동방법을 설명하기 위한 평면도이다.

도 6을 참조하면, LTCC 기판(140)의 다층구조는 마이크로칼럼 어레이(100)내의 복수개의 편향소자(134)들이 하나의 신호에 의해 동시에 구동할 수 있도록 한다. 구체적으로, 8극 편향기 어레이(130)를 구동하기 위한 8개의 전압신호가 인가되면 8개의 신호만으로 편향기 어레이(130)상의 모든 편향소자(134)는 8개 신호에 동기 되어 모두 동일한 동작을 할 수 있다. 예를 들어, LTCC 기판(140) 내부의 공통배선(146)을 통하여 편향소자(134)의 8개 전극 중 하나인 (a)전극에 외부신호 즉 전압이 인가되면 같은 방위각에 위치한 편향소자(134)의 (a)전극들은 모두 동일한 전압신호가 입력될 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상술한 본 발명에 따른 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이에 의하면, 시간당 반도체 웨이퍼 처리량을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 마이크로칼럼 어레이는 LTCC 기판을 사용함으로써, 제조공정을 간단하게 하고 소요되는 경비를 크게 낮출 수 있다.

Claims

배선이 형성된 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판;

상기 LTCC 기판의 적어도 일측에 접합되며, 전자빔을 편향시키는 복수개의 편향소자가 배열된 상기 웨이퍼 크기의 편향기 어레이;

상기 편향기 어레이에 접합되며, 상기 편향소자의 중심과 정렬되는 복수개의 렌즈를 포함하는 상기 웨이퍼 크기의 렌즈 어레이; 및

상기 렌즈 어레이에 상기 전자빔을 공급하는 전자방출원 어레이를 포함하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 배선과 상기 편향소자는 배선전극에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 배선전극은 도전성이 우수한 은(Ag) 전극인 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 배선전극은 상기 편향소자에 전도성 에폭시를 이용하여 접착시키는 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 배선은 다층의 배선인 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 편향기는 상기 LTCC 기판을 중심으로 상부 편향기와 하부 편향기로 이루어진 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 편향소자는 복수개의 막대형 전극이 각각 독립적으로 동작하도록 형성된 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제7항에 있어서, 상기 편향소자는 8개의 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제7항에 있어서, 상기 편향소자를 이루는 복수개의 막대형 전극의 동일한 방위각에 있는 전극은 동일한 전압신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 편향소자는 유리 기판에 접착되는 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제1항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 상기 전자방출원 어레이와 인접한 소스렌즈 어레이와 상기 웨이퍼를 마주보는 초점렌즈 어레이로 이루어진 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.
제11항에 있어서, 상기 소스렌즈 어레이의 중심은 상기 초점렌즈 어레이의 중심으로부터 연장되는 직선 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 LTCC 기판을 이용한 웨이퍼 규모의 마이크로칼럼 어레이.