KR100826587B1

KR100826587B1 - 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법

Info

Publication number: KR100826587B1
Application number: KR1020060107903A
Authority: KR
Inventors: 이해원; 표얼
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-04-30

Abstract

본 발명은 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판 상부에 박막의 증착, 유기물 레이스트의 도포 및 마스크용 물질의 증착 과정을 수행하고, 현미경 탐침과 기판 사이에 작용하는 nN 단위의 미세한 힘을 이용하여 직경이 10 ~ 20 nm인 탐침으로 최상층의 마스크용 박막을 리소그라피하여 노출된 유기물 레이스트 일부를 O₂ 플라즈마 에싱(ashing)하여 패터닝한 후에, 상기 패터닝된 부분의 유기물 레이스트를 이용하여 박막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법에 관한 것이다. 이로써 본 발명은 스크래치 리소그래피 기술을 이용해 수십 nm 선폭의 패턴을 쉽게 제작 할 수 있으며, 기존 전자 빔 리소그래피 장비가 가지고 있는 전자 산란에 의해 생기는 패턴의 손상이 없고, 유기물의 두께 조절이 자유자재로 가능하므로 다양한 조건에서의 식각이 용이한 효과를 얻게 된다.

원자 힘 현미경, 패너닝, 트렌치, 식각, 마스크, 리소그래피, 박막

Description

원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법{Thin film patterning method using atomic force microscope lithography system}

도 1 은 원자 힘 현미경 리소그래피 시스템을 이용한 패터닝과 O₂ 플라즈마 에싱을 통한 식각용 마스크 제작 공정을 나타낸 것이다.

도 2 는 원자 힘 현미경 리소그래피 시스템을 이용한 패터닝과 O₂ 플라즈마 에싱 후 식각 공정을 통한 금속 나노 패턴 제작 공정을 나타낸 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 식각용 마스크의 패턴을 나타낸 것이다.

도 4 은 본 발명에 따른 식각용 마스크의 프로파일을 나타낸 것이다.

21세기의 초소형 전자, 광자소자에 대한 기술은 현재 60 nm 수준에서부터 나아가 분자 단위의 소자(device)를 만들 수 있을 정도로까지 발전하여, 그것의 실현을 가능하게 할 것이다. 이러한 발전에 힘입어서, 2010 년경에는 양자소자를 이용한 혼성 전자소자가 출현할 것이며, 이를 기점으로 나노 급의 소자 실용화가 더욱 가속화 될 것으로 전망되며, 30 nm 수준의 초고집적 나노 소자의 실현을 가능하게 하기 위해서는 나노 리소그래피 기술이 핵심 기반 기술이 될 것으로 예상된다.

테라 비트급 나노 소자를 만드는데 있어서 나노 리소그래피 기술은 매우 중요한 기술이다. 지금까지는 나노 리소그래피 기술로서 광리소그래피(photo lithography) 기술에 의존해 이루어져 왔으며, 이를 기반으로 반도체 산업은 급격한 성장을 해왔다.

실제로 광리소그래피는 1990년대만 하더라도 사용하는 빛의 파장을 계속 줄여가며 무어의 법칙(moore's law) 에 따라 패턴의 해상도를 늘여 반도체 산업의 ULSI(ultra large scale intergration) 시대를 열었다. 그러나 2000년대에 들어서면서 이러한 광리소그래피 방법의 물리적인 한계가 보이기 시작했으며, 사용하는 빛의 파장 그에 따른 장치 및 기술의 확보, 레지스트 자체의 해상도가 문제점으로 드러나기 시작했다.

따라서 2000년대 초부터는 나노 리소그래피 분야에서 패턴의 해상도를 증가시키기 위해 노력하였다. 현재 진보된 광리소그래피 기술들이 개발되고 있으며, 최근에는 차세대 리소그래피 기술중 하나로서 주목 받고 있는 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 나노 패터닝에 관한 연구가 활발히 진행 중이다.

일반적인 원자 힘 현미경(AFM)은 나노미터 단위 이하의 분자나 원자 구조를 가지는 시료의 표면을 형상화 하는 분석 도구에서 출발하였다. 그러나 점점 응용 기술이 발달하여 시료와 탐침 사이에 작용하는 미세한 힘과 전류를 이용하여 원자나 분자 배열을 조작하거나 나노 구조물을 제작하게 되었다.

원자 힘 현미경을 이용한 나노 리소그래피 연구는 딥-펜(dip-pen) 리소그래피, 스크래칭, 양극산화법 등 다양한 방법으로 연구 되어 지고 있으며, 특히 유기물질을 이용하여 나노 패턴을 형성 시키는 방법은 EFM(electrostatic force microscope), SCM(scanning capacitance microscope), MFM(magnetic force microscope)와 결합되어 차세대 정보 저장 장치로 응용 가능하다.

최근에는 원자 힘 현미경 리소그래피를 이용해 실리콘 나이트라이드막을 산 화시키고 산화시키지 않은 부분을 식각용 마스크로하여 실리콘을 습식 식각하는 공정 기술이 제안되었는데 [Irene Fernandez-Cuesta 외 3명, nanotechnology 16 (2005) 2731 - 2737], 이 방법은 식각용 마스크의 두께에 한계가 있으며, 식각 가능한 물질이 실리콘에 한정되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 기존 전자 빔 (electron beam) 리소그래피가 가지는 높은 에너지(1 ~ 200 KeV)에 의한 시료의 손상과 현상(development) 공정의 어려움을 줄이고 보다 높은 해상도와 종횡비를 가지는 우수한 레지스트 패터닝을 통하여 손쉽게 박막을 패터닝하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

또한 원자 힘 현미경의 기본 원리인 시료와 탐침간의 미세한 힘을 이용하므로 유기물 레지스트의 두께에 큰 제약이 없으며, 전압 인가 방식이 아니므로 유기물이 특별히 전자에 대해 민감성이 우수하지 않아도 된다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

본 발명은, 기판 상에 박막을 증착하는 단계; 상기 박막 상에 유기물 레지스트를 도포하는 단계; 상기 유기물 레지스트 상에 마스크용 물질을 3 ~ 10 nm 두께로 증착하는 단계; 상기 마스크용 물질 상에 원자 힘 현미경을 이용한 리소그라피에 의해 상기 마스크용 물질의 일부를 제거하여 상기 유기물 레지스트의 일부를 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 유기물 레지스트 부분을 O₂플라즈마 에싱 공정을 통하여 제거하여 패터닝하는 단계를 포함하여 이루어지는 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법에 그 특징이 있다.

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이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존 전자 빔 (electron beam) 리소그래피가 가지는 높은 에너지(1 ~ 200 KeV)에 의한 시료의 손상과 현상(development) 공정의 어려움을 줄이고 보다 높은 해상도와 종횡비를 가지는 우수한 레지스트 패터닝과 원자 힘 현미경의 기본 원리인 시료와 탐침간의 미세한 힘을 이용한 원자 힘 현미경 리소그래피 기술에 의한 박막의 패터닝 방법에 관한 것이다.

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이러한 본 발명의 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

반도체 공정은 기본적으로 잘 연마된 실리콘 웨이퍼 위에서 모든 공정이 진행되어 진다. 증착은 스퍼터 장비를 이용해 아르곤 분위기하에서 기판 위에 직류전력 100 ~ 300 W, 공정압력 0.3 ~ 5 mtorr 하에서 2 ~ 50 nm 두께로 박막을 증착하는 제 1 증착단계를 포함하며, 본 단계에서는 패터닝을 위해 박막을 증착한다. 상기 기판은 반도체 제조 공정에서 사용되는 통상의 기판 물질로서 예를 들면, 실리콘 기판 또는 유기물이 도포된 실리콘 기판일 수 있으며, 상기 박막은 탄탈 또는 티탄을 포함하는 금속, 규산화물, 탄탈화물, 티탄화물의 세라믹 소재 중에서 선택된 소재일 수 있다. 상기 직류 전력이 100 W 이하 시 플라즈마 파워가 낮아 가스의 이온화 정도가 불안정하고, 300 W 초과 시 가스와 기판에 손상을 줄 수 있는 문제점이 발생한다. 그리고 상기 공정압력이 0.3 mtorr 미만 시 가스의 양이 너무 적으며, 5 mtorr 초과 시 공정이 가능하나 일반적으로 5 mtorr 이하에서 공정을 진행한다. 상기 두께가 2 nm 미만 시 증착 두께가 너무 얇아 조절하기가 힘들고, 50 nm 초과 시 증착 후 표면의 거칠기가 증가하는 문제점이 발생한다.

다음으로 30 ~ 60 초 동안 2000 ~ 5000 rpm 속도로 광산발생제를 포함하는 고분자 물질인 유기물 레지스트를 도포하는 단계를 진행하는데 상기 시간이 30 초 미만 시 도포한 레지스트의 두께 조절이 어렵고 표면의 거칠기가 증가하고, 60 초 이후에는 도포한 레지스트가 표면에 다 흡착된 상태이므로 더 이상 길게 공정을 진행할 필요가 없다. 상기 속도가 2000 rpm 미만 시 표면의 거칠기가 증가를 하고 5000 rpm 초과 시 사용 장비에 좋지 않은 문제점이 발생한다. 상기 유기물 레지스트를 도포하는 단계에서는 70 ~ 120 ℃ 하에서 건조 공정을 거쳐야 하는데 건조 단계(baking)를 거치지 않으면 도포한 물질과 기판사이의 흡착력이 좋지 않는 문제점이 발생한다.

이후, 직류전력 100 ~ 300 W, 공정압력 0.3 ~ 5 mtorr 하에서 마스크용 물질을 3 ~ 10 nm 두께로 증착하는 제 2 증착단계를 진행한다. 상기 직류 전력이 100 W 미만이면 플라즈마 파워가 낮아 가스의 이온화 정도가 불안정하고, 300 W 초과 시 가스와 기판에 손상을 줄 수 있는 문제점이 발생한다. 상기 공정압력이 0.3 mtorr 미만 시 가스의 양이 너무 적으며, 5 mtorr 초과 시 공정이 가능하나 일반적으로 5 mtorr 이하에서 공정을 진행하고, 상기 두께가 3 nm 미만 시 너무 얇아 에싱 공정에 적당하지 않고, 10 nm 초과 시 스크래치 리소그래피 시 탐침이 실리콘 층을 뚫지 못하고 손상을 주는 문제점이 발생한다. 본 발명에서의 마스크용 물질은 금속, 세라믹 소재, 및 실리콘 옥사이드 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기한 마스크용 물질은 당해 기술분야에서 널리 알려진 공지 물질로 본 발명은 이의 선택에 특별히 제한을 두고 있지 않다.

최상층에 마스크용 물질을 증착한 후에는 20 ~ 35 ℃, 습도 30 ~ 50 %하에서 원자 힘 현미경 시스템을 이용하여 0.01 ㎛0/s ~ 2 mm/s 속도로 20 ~ 2000 nN의 힘을 가하여 상기 마스크용 박막 일부를 제거하여 유기물 레지스트 일부를 노출시키는 단계를 거친다.

상기 힘을 가하는 온도가 20 ℃ 미만 시 원자력 힘 현미경 탐침과 기판 사이에 접착력이 좋지 않고, 35 ℃ 초과 시 기판의 표면에 변형을 일으킬 수 있는 문제점이 발생하며, 습도가 30 % 미만 일 경우 패터닝 시 원자력 힘 현미경 탐침과 기판 사이에 접착력이 좋지 않고, 50 % 초과 시 습도가 높아 정확하게 패터닝을 하는데 문제점이 발생한다. 상기 10 ~ 2000 nN에 해당하는 힘이 작용 하도록 함으로써 탐침이 시료에 스크래치한 효과를 주어 미세한 트렌치(trench) 구조를 형성하도록 하며, 이때 패터닝한 부분은 마스크용 박막이 제거되어 유기물 레지스트가 표면에 드러나게 된다. 이때 시료와 탐침 사이에 가하는 힘을 20 nN 미만으로 주게 되면 탐침과 시료 사이에 접촉력이 약해 떨어지게 되며, 2000 nN를 초과하여 주게 되면 힘이 너무 강해 팁에 손상을 주는 문제가 발생한다. 상기 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 사용하는데 있어, 패터닝 속도는 0.01 ㎛/s ~ 2 mm/s 이며, 바람직하게는 0.5 ~ 500 ㎛/s 이며, 패터닝 속도가 0.01 ㎛/s 미만이면 공정 시간 지연 및 패턴의 해상도가 떨어지고, 2 mm/s 초과 시 패턴의 형태가 제대로 구현되지 않는 문제점이 발생한다.

상기 리소그래피 공정 후 O₂ 플라즈마 에싱(ashing) 공정을 통해 노출된 유기물 레지스트를 제거하여 패터닝한다. 이 때 에싱 공정이 너무 길어지면 최상층 마스크용 박막이 모두 에싱되어 레지스트도 함께 에싱되므로, 원하는 레지스트 두께에 따라 에싱 시간을 조절해야한다. 또한 에싱 공정에서는 박막과 유기물 레지스트의 선택비가 크므로 유기물 레지스트의 두께를 자유롭게 조절 할 수 있다. 그리고 이렇게 제작된 패터닝된 유기물 레지스트를 이용하여 최종적으로 박막을 나노 패터닝 한다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다

실시예 1 : 원자 힘 현미경 시스템을 이용한 식각용 마스크 제작 공정 ( 50 nN )

실리콘 기판위에 탄탈륨을 15 nm 스퍼터 장비를 이용해 증착하고, 그위에 유기물 레지스트 ( PMMA (poly methyl meta acrylate))를 5000 rpm으로 코팅한 뒤, 그 위에 다시 실리콘을 5 nm 스퍼터 장비를 이용해 증착해 샘플을 완성한다. 그리고 실리콘 팁을 이용해 50 nN의 누르는 힘을 가지는 원자 힘 현미경 시스템을 이용해 일반적인 실험 분위기(25℃, 습도 30%), 패터닝 속도 3 ㎛/s 로 리소그래피를 진행하여 스크래치된 트랜치 구조의 패턴을 형성하였으며, O₂ 플라즈마 에싱 공정을 이용해 유기물 레지스트를 제거해 깊이가 20 ~ 25 nm 되는 식각용 마스크를 제작하 였다. 선폭을 원자 힘 현미경으로 측정하였더니 100 ~ 200 nm 로 나타내었다.

실시예 2 : 원자 힘 현미경 시스템을 이용한 식각용 마스크 제작 공정 ( 100 nN )

실시예 1 에서와 동일하게 제작된 샘플을 100 nN의 누르는 힘을 가지는 원자 힘 현미경 시스템을 이용해 일반적인 실험 분위기(25℃, 습도 30%), 패터닝 속도 3 ㎛/s로 리소그래피를 진행하여 스크래치된 트랜치 구조의 패턴을 형성하였으며, O₂ 플라즈마 에싱 공정을 이용해 유기물 레지스트를 제거하여 깊이가 20 ~ 25 nm 되는 식각용 마스크를 제작하였다. 실시 예 1과 비교하여 패턴의 선폭이 5 ~ 10 nm 증가하였다.

비교예 : 전자 빔 리소그래피를 이용한 식각용 마스크 제작 공정 ( 100 KeV)

실시예 1 샘플에서 실리콘만 증착하지 않은 기판을 100 KeV 고에너지의 전자 빔 리소그래피를 이용하여 리소그래피 공정을 실행하였더니 유기물의 물성변화가 일어나 현상 공정을 통해 패턴이 형성되었으나 패턴의 기울기가 완만하고 현상 공정 조건에 따라 레지스트 패턴의 형상이 다르게 나타났다.

종합하면, 본 발명에 따른 원자 힘 현미경 리소그래피 시스템을 이용한 식각용 마스크 제작 방법은 전압을 이용한 것이 아니라 기계적인 스크래치 방법을 통해 기판에 패터닝을 하여 기존의 전자 빔 리소그래피나 원자 힘 현미경(AFM) 양극 산 화법에서 생기는 전자 산란이 적고, 전자 충돌에 의한 기판 손상이 없으므로, 식각용 마스크로 이용이 가능한 수십 nm의 선폭을 가진 유기물 레지스트 패턴을 구현 할 수 있다.

상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용하여, 반도체 공정에서 계속적으로 반복되는 식각 단계에서 기존의 광 리소그래피나 전자빔 리소그래피 방법을 사용하지 않고 일반적인 실험 분위기에서 손쉽게 수십 nm 의 선폭을 가진 유기물 레지스트 기반 식각용 마스크를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 이 식각용 마스크를 기반으로 다양한 금속 및 세라믹 소재, 반도체 물질을 식각할 수 있으므로 경제성 활용 범위 확장성 등으로 인해 나노 스케일의 구조물 형성이 필요한 나노 소자 와 초박막 패터닝 등 유비쿼터스 시대에 다양한 정보 통신 기술에 응용될 수 있는 중요한 원천 기술이 될 수 있다.

Claims

기판 상에 박막을 증착하는 단계;

상기 박막 상에 유기물 레지스트를 도포하는 단계;

상기 유기물 레지스트 상에 마스크용 물질을 3 ~ 10 nm 두께로 증착하는 단계;

상기 마스크용 물질 상에 원자 힘 현미경을 이용한 리소그라피에 의해 상기 마스크용 물질의 일부를 제거하여 상기 유기물 레지스트의 일부를 노출시키는 단계; 및

상기 노출된 유기물 레지스트 부분을 O₂플라즈마 에싱 공정을 통하여 제거하여 패터닝하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 힘 현미경 리소그래피 기술을 이용한 박막의 패터닝 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 증착은 직류전력 100 ~ 300 W, 공정압력 0.3 ~ 5 mtorr 하에서 증착하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 유기물 레지스트 도포는 30 ~ 60 초 동안 2000 ~ 5000 rpm 속도로 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 원자 힘 현미경을 이용한 리소그라피는 온도 20 ~ 35 ℃, 습도 30 ~ 50 %하에서 0.01 ㎛/s ~ 2 mm/s 패터닝 속도로 현미경 탐침에 10 ~ 2000 nN의 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 박막은 탄탈 또는 티탄을 포함하는 금속, 규산화물, 탄탈화물 및 티탄화물로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 마스크용 물질은 금속, 세라믹 소재, 및 실리콘 옥사이드 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.