KR101095365B1 - 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치 및 방법 - Google Patents

물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 결정질 시편으로부터 여러 형태의 패턴을 형성할 수 있는 패턴 형성장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 패턴 형성장치는 결정질 시편이 위치하는 시편 지지대와, 시편을 통과하는 전자빔이 조사되는 전자빔 조사수단과, 전자빔 조사수단에 의해 조사된 전자빔이 시편을 통과하면서 나뉘어지는 투과빔과 회절빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈를 구비한다. 그리고 대물렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 복수의 제1구멍이 형성되어 있는 플레이트와, 복수의 제1구멍 주변에 각각 설치되어 투과빔과 회절빔의 진행 경로를 조절할 수 있는 복수의 전자빔 조절수단을 구비하는 디플렉터(deflector)를 구비한다. 그리고 플레이트를 통과한 투과빔과 회절빔 중 전자빔 조절수단에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔이 통과되도록, 투과빔과 회절빔 각각의 원 경로 상에 형성되어 있는 복수의 제2구멍이 마련되어 있는 조리개(aperture)를 구비한다. 그리고 조리개를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지가 조사됨으로 인해 패턴을 형성할 수 있도록 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판이 위치하는 기판 지지대를 구비한다.

Description

물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치 및 방법{Apparatus and method for generating a pattern using a crystal structure of material}
본 발명은 나노기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물질의 결정구조를 이용하여 패턴을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 각광을 받고 있는 나노기술에서 양자점(quantum dot) 및 양자선(quantum line)의 응용은 점차 많은 부분을 차지하고 있다. 양자점 및 양자선을 이용한 나노기술은 단일 전자 소자(single electron device), 광결정(photonic crystal), 패터닝된 자기 저장 소자(patterned magnetic storage device), 전기화학적 센서(electrochemical sensor), 생물학적 센서(biological sensor) 등에 응용이 가능하다. 양자점 및 양자선을 이용한 나노기술은 균일한 크기와 밀도를 갖는 나노패턴을 형성하는 것이 무엇보다도 중요한데, 이를 위해 많은 방법이 연구되고 있다.
최근에, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy ; TEM)을 사용하여 물질의 결정구조를 이용한 나노패턴 형성방법이 연구되고 있다. 투과전자현미경을 사용한 나노패턴 형성방법은 결정구조를 갖는 물질을 투과전자현미경의 챔버에 위치시키고 전자빔을 조사한 후, 피조사 물질의 표면에 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지를 위상 콘트라스트 영상법으로 형성함으로써 구현된다. 이와 같은 방법은 균일한 크기와 밀도를 갖는 나노패턴 형성이 용이할 뿐 아니라, 별도의 패턴이 형성된 마스크를 제조하지 않아도 되는 장점이 있다.
그러나 투과전자현미경을 사용한 패턴 형성방법은 물질의 결정구조에 따라 하나의 격자이미지만이 형성되므로 다른 형태의 패턴을 형성하기 위해서는 다른 결정구조를 갖는 물질을 다시 챔버에 위치시켜야 하는 불편함과 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 하나의 결정질 시편으로부터 여러 형태의 패턴을 형성할 수 있는 패턴 형성장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 패턴 형성장치의 일 실시예는 결정질 시편이 위치하는 시편 지지대; 상기 시편을 통과하는 전자빔이 조사되는 전자빔 조사수단; 상기 전자빔 조사수단에 의해 조사된 전자빔이 상기 시편을 통과하면서 나뉘어지는 투과빔과 회절빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈; 상기 대물렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 복수의 제1구멍이 형성되어 있는 플레이트와, 상기 복수의 제1구멍 주변에 각각 설치되어 상기 투과빔과 회절빔의 진행 경로를 조절할 수 있는 복수의 전자빔 조절수단을 구비하는 디플렉터(deflector); 상기 플레이트를 통과한 투과빔과 회절빔 중 상기 전자빔 조절수단에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔이 통과되도록, 상기 투과빔과 회절빔 각각의 원 경로 상에 형성되어 있는 복수의 제2구멍이 마련되어 있는 조리개(aperture); 및 상기 조리개를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지가 조사됨으로 인해 패턴을 형성할 수 있도록 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판이 위치하는 기판 지지대;를 구비한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 패턴 형성장치의 다른 실시예는 결정질 시편이 위치하는 시편 지지대; 상기 시편을 통과하는 전자빔이 조 사되는 전자빔 조사수단; 상기 전자빔 조사수단에 의해 조사된 전자빔이 상기 시편을 통과하면서 나뉘어지는 투과빔과 회절빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈; 상기 대물렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 복수의 제1구멍이 형성되어 있는 플레이트와, 상기 복수의 제1구멍 주변에 각각 설치되어 상기 투과빔과 회절빔의 진행 경로를 조절할 수 있는 복수의 전자빔 조절수단을 구비하는 디플렉터(deflector); 상기 디플렉터를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위한 격자이미지 조절렌즈; 상기 격자이미지 조절렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 중 상기 전자빔 조절수단에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔이 통과되도록, 제2구멍이 마련되어 있는 조리개(aperture); 및 상기 조리개를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지가 조사됨으로 인해 패턴을 형성할 수 있도록 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판이 위치하는 기판 지지대;를 구비한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 일 실시예는 상기의 패턴 형성장치를 이용하여 패턴을 형성하는 방법으로, 상기 시편 지지대에 결정질 시편을 위치시키고, 상기 기판 지지대에 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판을 위치시키는 단계; 전자빔이 상기 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 투과빔과 회절빔 중 상기 조리개(aperture)에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과시킬 회절빔을 선택하는 단계; 상기 선택된 회절빔과 상기 투과빔은 상기 조리개에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과되고, 선택되지 않은 회절빔은 상기 조리개를 통과하지 않도록, 상기 디플렉터(deflector)에 구비된 전자빔 조절수단을 제 어하는 단계; 상기 전자빔 조사수단을 이용하여 상기 시편 지지대에 위치되어 있는 결정질 시편에 전자빔을 조사하는 단계; 상기 조리개에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과된 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 상기 기판 지지대에 위치되어 있는 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사하는 단계; 상기 전자빔 레지스트를 현상(development)하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 전자빔 레지스트 패턴 하부에 형성되어 있는 하지층을 상기 전자빔 레지스트 패턴을 통해 식각하여 패턴을 형성하는 단계;를 갖는다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 다른 실시예는 상기의 패턴 형성장치를 이용하여 패턴을 형성하는 방법으로, 상기 시편 지지대에 결정질 시편을 위치시키고, 상기 기판 지지대에 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판을 위치시키는 단계; 전자빔이 상기 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 투과빔이 상기 조리개를 통과하지 않도록, 상기 디플렉터(deflector)에 구비된 전자빔 조절수단을 제어하는 단계; 상기 전자빔 조사수단을 이용하여 상기 시편 지지대에 위치되어 있는 결정질 시편에 전자빔을 조사하는 단계; 상기 조리개에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과된 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 상기 기판 지지대에 위치되어 있는 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사하는 단계; 상기 전자빔 레지스트를 현상(development)하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 전자빔 레지스트 패턴 하부에 형성되어 있는 하지층을 상기 전자빔 레지스트 패턴을 통해 식각하여 패턴을 형성하는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따르면, 투과빔과 회절빔의 경로를 제어할 수 있는 디플렉터를 이용하여 격자이미지 형성에 기여할 회절빔을 선택함으로써, 하나의 시편을 이용하여 다양한 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 얻을 수 있다. 따라서 여러 가지 형태의 패턴을 형성하고자 할 때 시편을 교체하는데 소요되는 시간과 노력이 절감된다. 또한, 투과빔과 일부 회절빔만을 이용하여 격자이미지를 얻게 되어 투과전자현미경에서 시편을 투과하여 발생하는 배경잡음을 제거할 수 있어 전자빔의 배경강도가 균일하게 되고, 노이즈도 없어진다.
우선, 본 발명에 따른 패턴 형성장치의 이해를 돕기 위하여 일반 재료의 결정 격자 구조와 그 다양한 모식도에 대하여 설명한다.
지구상에 존재하는 거의 모든 물질은 원자와 원자들의 조합인 분자에 의하여 구성되어 있다. 특히 고상(solid)을 이루고 있는 물질은 "원자, 이온 또는 분자가 주기적으로 배열되어 있는 상태" 즉 결정질(crystalline)과 원자들의 무질서한 결합에 의하여 이루어진 비정질(amorphous)로 구분된다. 원자들의 규칙적인 배열에 대한 연구는 1912년 Max von Laue가 X-선 회절을 발견함으로써 시작되었다. 뒤이어 1913년 Bragg 부자가 다이아몬드, 소금들의 간단한 결정 구조를 X-선에 의하여 해석하였고 뒤이어 1920년 Ewald가 역격자 이론을 발표하였다. 현재, 지구상에 존재하는 10만 개 이상의 유기 및 무기 화합물의 결정 구조(원자들의 주기적 배열)가 밝혀졌다.
어느 한 점을 일정한 방향으로 특정한 거리 a 만큼 평행 이동하면 두 번째 점이 되고 이를 다시 같은 방향으로 같은 거리 만큼 이동하면 세 번째 점이 생긴다. 이와 같이 한 점을 되풀이하여 평행 이동시키면 도 1a에 도시된 바와 같은 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 a를 주기 또는 단위 주기라 한다. 이 점열에서 각 점들은 서로 같으며 한점을 원점으로 잡으면 다른 점들은 원점으로부터의 위치벡터(r)로써 표시할 수 있다.
즉, r = ma
여기서 m은 -∞로부터 +∞까지의 정수이다.
이 점열을 다른 방향으로 병진시키면 도 1b에 도시된 바와 같이 점망면이 생기고, 이 점망면을 격자면(lattice plane)이라 한다. 격자면을 다시 이면에 평행하지 않은 제3의 방향으로의 병진 c에 의하여 평행 이동시키면 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 1c에 도시된 바와 같이 무한한 공간상에 무한히 펼쳐져 있다.
결정이 거시적으로 균일하다고 하는 것은 결정 내의 어느 부분의 성질이 이 부분으로부터 임의의 거리만큼 떨어져 있는 부분과 같기 때문이다. 도 2는 임의의 가상적인 결정 구조를 나타낸 것이며, 여기서 보는 바와 같이 결정 내의 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 = (ma+nb+pc) + (xa+yb+zc)
= 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 결정 내의 어느 점을 원점으로 정하더라도 이 점의 병진에 의하여 생겼다고 볼 수 있는 각 격자점들은 서로 같으며, 여기서 같다고 하는 것은 이 점을 둘러싼 주위 환경의 기하학적 형태나, 이 점 부근에 위치한 원자들의 종류 등의 화학적인 성질이나 전자 밀도, 전위차 등과 같은 물리적인 모든 성질이 같다는 것을 의미한다. 즉 격자점들은 서로 모든 기하학적, 화학적, 물리적 성질이 동일하다.
단위 셀을 결정하는 세 개의 벡터, 즉 a, b, c의 상호 관계에 의하여 모든 결정질은 아래에 서술한 7개의 결정축계중 하나에 속하게 된다. 아래의 표 1은 세 축을 정의하는 격자 상수(lattice parameter)의 관계를 나타낸다.
Figure 112009048179248-pat00001
또한 모든 결정질은 도 3에 도시된 바와 같은 14개의 bravais 격자 중 하나를 갖는다. 이것은 단위 셀 내에 하나의 격자점을 갖는 단순 셀(P:primitive cell), 한 면의 중심에 하나의 격자점이 있는 단위 셀을 갖는 저심격자(A, B 또는 C), 각 면의 중심에 격자점을 갖는 면심격자(F), 그리고 단위 셀의 중심에 하나의 격자점을 갖는 체심격자(I)와 같은 단위 셀내의 격자점의 수에 따라 분류된다.
현재까지 알려져 있는 10 만개가 넘는 유기 및 무기 화합물의 결정 구조는 위에 열거한 7개의 결정축계, 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.
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) 결정축계(a=b=c)에 해당되며 Bravais 격자의 면심 셀이므로, 하나의 단위 셀내에 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 5a는 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 패턴(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 나노선(nanowire) 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, Si과 마찬가지로 면심격자에 해당하는 Bravais 공간 격자를 갖는다. 그러나 단순입방 격자를 갖는 Al, 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 6d에 각각 도시하였다. 도 6e는 도 5e와 마찬가지로 도 6c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시켰을 때의 형상이다. Si과 마찬가지로, GaAs 단결정 역시 나노선 형태로도 충분히 응용이 가능함을 보여주는 예이다.
앞에서 설명한 Al, Si, 그리고 GaAs는 결정 구조에 있어서 원자들의 배열이 나타내는 몇 가지의 예에 불과하며, 알려진 10 만개 이상의 결정 구조를 특정한 결정 방향에 따라 2차원 상에 투과하여 그 원자들이 나타내는 패턴을 보면 매우 다양한 패턴이 나타날 수 있음을 예시하는 일부분에 지나지 않는다. 물론 이러한 패턴들은 결정 방향 및 결정 구조에 따라 다르게 된다.
위에서 설명한 결정질에 있어서의 원자들의 배열은 투과전자현미경(tranasmission electron microscopy, TEM)을 이용하여 관찰할 수 있다.
투과전자현미경은 전자빔을 시편에 조사하여 투과된 전자빔으로 영상을 얻고 회절된 전자빔으로 얻어진 회절 도형으로 상의 결정 구조를 해석하는 현미경이다. 투과전자현미경은 전자총에서 전자를 발생하여 고압으로 가속된 전자빔을 집속렌즈로 모아서 시편에 투과시켜 대물렌즈로 상을 만들고 이를 중간 렌즈를 사용하여 확대하여 형광판에 영상이 맺히도록 구성된다.
투과전자현미경에서의 광원은 높은 진공상태(1×10-4Pa 이상)에서 고속으로 가속되는 전자빔이다. 고속으로 가속된 전자빔은 시편을 투과하여 일련의 전기자기장(electromagnetic field) 또는 정전기장(electrostatic field)을 거쳐 형광판이나 사진필름에 초점을 맞추어 투사된다. 이 전자의 파장은 가속전압에 따라 다르며 100 kV 전압에서의 파장은 0.004 nm이다. 전자현미경의 이론적 분해능(해상력)은 약 0.001 nm이나, 생물학적 표본에서 사용되는 분해능은 0.2 nm(side entry), 0.14 nm(top entry)이다.
투과전자현미경에서 전자빔이 시편을 투과하면 브래그 법칙(Bragg's law)에 따라 회절하여 후방초점면(back focal plane)에 회절 도형(diffraction pattern)을 만든다. 시료를 투과한 전자빔 중 회절하지 않는 투과빔만을 대물렌즈 조리개(objective aperture)로 선택하여 관찰하는 영상을 명시야상(bright field image)이라 하고, 시료를 투과한 전자빔 중 특정면에서 회절한 회절빔만을 선택하여 관찰하는 영상을 암시야상(dark field image)이라고 한다.
이러한 투과전자현미경의 광학 시스템은 전자총(electric gun)과 여러 개의 집속렌즈, 대물렌즈, 투사렌즈, 형광판 등 많은 복잡한 체계로 구성되어 있지만, 이 복잡한 시스템에서 일어나고 있는 현상을 전자빔, 시편, 렌즈 하나로 구성된 시스템으로 단순화할 수 있다. 도 7은 투과전자현미경의 광학시스템에서 일어나는 현상을 모식적으로 나타낸 도면으로 이러한 단순화한 시스템을 나타내고 있다.
도 7에서 중앙의 수평선(가로선)은 광축을 의미하며, 시편에 조사되어 시편과 상호 작용한 후(시편을 통과한 후) 나온 전자빔은 대물렌즈를 지나면서 대물렌즈의 후방 초점면에 회절상을 형성한다. 그리고 이 회절상 뒤에는 대물렌즈의 배율만큼 확대된 이미지가 상면에 형성된다.
이러한 현상을 수학적으로 표현하면 물체를 나타내는 함수
Figure 112009048179248-pat00002
가 렌즈에 의해 생기는 회절상은 물체함수
Figure 112009048179248-pat00003
를 푸리에변환(Fourier Transformation)한
Figure 112009048179248-pat00004
로 표현할 수 있다. 여기서 k는 역공간(reciprocal space)에서의 좌표를 나타낸다. 회절상 뒤에 형성되는 상은 이 회절상의 함수
Figure 112009048179248-pat00005
를 다시 푸리에 변환한
Figure 112009048179248-pat00006
로 표현할 수 있다. 여기서 (-)부호는 원래의 물체에 대해 반전(inversion)되어 있음을 의미하며,
Figure 112009048179248-pat00007
는
Figure 112009048179248-pat00008
와 같은 실공간에서의 좌표를 의미한다.
여기서 회절상이 형성되는 후방초점면에 대물렌즈 조리개로 투과빔만 통과하도록 하여 상을 만들면 명시야상이 되고, 회절빔중 하나만을 선택하여 상을 만들면 암시야상이 된다. 이들이 상기 언급한 투과전자현미경의 여러 영상형태 중 하나이다. 그리고 위상 콘트라스트(phase contrast) 영상법을 사용하면, 원자들의 배열 상태를 명확하게 관찬할 수 있다. 위상 콘트라스트 영상법은 결정질 시편에 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 있다.
도 8은 전자빔이 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 회절빔과 투과빔에 의해 간섭 무늬가 생기는 모식도이다.
전자빔(210)이 투과하도록 수십 나노미터 두께로 가공된 결정질 시편(220)에 전자빔(210)을 조사하면, 전자빔(210)이 결정질 시편(220)을 통과하면서 투과빔과 회절빔으로 나뉘어진다. 결정질 시편(220)을 통과하면서 나뉘어진 투과빔과 회절빔은 대물렌즈(230) 및 대물렌즈 조리개(240)를 통과한 다음, 서로 간섭하여 공간상에 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지를 형성한다. 이미지 평면은 결정질 시편(220)을 통과하면서 나뉘어진 투과빔과 회절빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지가 형성되는 공간상의 평면을 의미한다.
여기에서 형성된 간섭 무늬의 간격은 결과적으로 시료 내에 존재하는 회절 격자, 즉 원자면 간격에 비례하게 되어, 이 간섭 무늬를 이용하면 원자들의 배열을 관찰할 수 있게 된다. 대물렌즈에 의하여 형성된 일차 간섭 무늬를 직접적으로 관찰하기 위해서는 대물렌즈의 후방에 있는 몇 개의 렌즈를 통하여 간섭 무늬를 점차적으로 확대(최종 배율은 수십만 배에 해당)하게 된다. 일반적으로 사용되는 대물 렌즈의 배율은 수십 배에서 수백 배 정도로, 예컨대 0.3 nm의 간격을 갖는 원자들의 배열은 일차 영상면에서 대물렌즈의 배율을 100 배로 가정하였을 때 30 nm의 간격을 갖는 간섭 무늬로써 나타나게 된다. 이렇게 생성된 간섭 무늬를 또 몇 개의 후방 렌즈를 사용하여 확대 또는 축소를 하면 수 nm에서 수십 nm의 원자 영상 또는 원자선의 영상을 얻을 수 있게 된다.
그리고 상술한 방법을 통해 얻은 격자이미지를 소망하는 크기에 따라 확대하거나 축소한 다음, 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사하여 전자빔 레지스트를 감광시킬 수 있다. 여기서, 전자빔 레지스트는 HSQ(hydrogen silsesquioxane)가 이용될 수 있다. 결정질 시편에 조사되는 전자빔의 가속전압은 결정질 시편의 원자면 간격, 전자빔의 정렬, 투과전자현미경 컬럼(column) 내의 진공도, 전자빔을 편향시키는 전자 렌즈의 비점수자(astigmatism)의 교정 정도, 전자 총의 휘도 등에 따라 결정된다. 일반적으로 가속 전압은 100 keV ~ 1 MeV 정도의 가속 전압이 사용되는데, 3 Å 이상의 원자면 간격을 갖는 물질이라면 100 keV 정도의 가속전압이, 2 Å 정도의 원자면 간격을 갖는 물질이라면 200 keV 정도의 가속전압이 요구된다.
그리고 감광된 전자빔 레지스트를 현상(development)하여, 전자빔 레지스트 패턴을 형성하고, 전자빔 레지스트 패턴을 이용하여 전자빔 레지스트 하부에 형성되어 있는 하지층(under layer)을 식각하면 격자이미지와 같은 형태의 패턴을 형성할 수 있다. 이때 하지층은 기판 자체가 될 수도 있고 기판과 전자빔 레지스트 사이에 형성된 별도의 층일 수도 있다.
어떠한 경우이든지 물질의 결정 구조에서 각 원자들의 배치 및 각 원자들간의 거리는 최종적으로 형성된 패턴에도 비례하여 그대로 구현된다. 결국 중간 렌즈를 이용하여 형성되는 격자이미지의 크기는 확대 또는 축소하는 것이 가능하나, 패턴의 형태는 변경할 수 없게 된다. 따라서 하나의 결정질 시편으로부터 다양한 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 구현하는 것이 요구된다. 이를 위해서, 전자빔이 시편을 통과하면서 형성된 모든 회절빔을 이용하여 격자이미지를 형성하는 것이 아니라, 선택된 일부의 회절빔만을 이용하여 격자이미지를 형성하게 되면, 어떤 회절빔을 선택하느냐에 따라 형성되는 격자이미지의 패턴 형태가 서로 상이하게 된다.
따라서 격자이미지를 형성할 때, 선택된 회절빔을 변경한다면, 다양한 형태의 패턴을 얻을 수 있는데, 회절빔을 선택하기 위해서는 우선, 결정질 시편의 회절 도형(diffraction pattern)이 필요하다. 결정구조 및 격자 상수가 알려져 있는 결정질 시편의 경우, 회절 도형은 계산에 의해 도출할 수 있다.
도 9 내지 도 12는 대표적인 결정질 시편에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 9는 다이아몬드 결정구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이며, 도 10은 체심입방구조(body centered cubic ; BCC)의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이다. 그리고 도 11은 면심입방구조(face centered cubic ; FCC)의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이고, 도 12는 조밀육방격자(hexagonal closed packed ; HCP)의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이다. 도 9 내지 도 12의 회절상과 격자 상수를 통해 회절 도형을 얻을 수 있다.
그리고 결정질 시편의 회절 도형은 투과전자현미경을 이용하여 얻을 수 있다. 결정질 시편이 β-Si3N4인 경우의 회절 도형을 도 13a에 나타내었다. 도 13a에 참조번호 810으로 표시된 회절 도형은 투과빔에 의한 회절 도형이고, 나머지 회절 도형(820, 830, 840)은 회절빔에 의한 회절 도형이다. 이때 모든 회절빔을 이용하여 격자이미지를 형성하면 도 13b와 같은 격자이미지를 얻을 수 있다.
도 13a에 도시된 바와 같은 회절 도형 중에서 선택된 회절빔에 의한 회절 도형만 남기고 선택되지 않은 회절빔에 의한 회절 도형은 제거한 후 컴퓨터 처리를 하게 되면 선택된 회절빔과 투과빔에 의해 다양한 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 얻을 수 있다. 이를 도 14 내지 도 16에 나타내었다.
도 14a는 도 13a에 도시된 회절 도형 중 참조번호 810, 820으로 표시된 회절 도형을 남기고 나머지는 회절 도형은 제거한 경우를 나타낸 것이고, 도 15a는 도 13a에 도시된 회절 도형 중 참조번호 810, 830으로 표시된 회절 도형을 남기고 나머지 회절 도형은 제거한 경우를 나타낸 것이다. 그리고 도 16a는 도 13a에 도시된 회절 도형 중 참조번호 810, 820, 830으로 표시된 회절 도형을 남기고 나머지 회절 도형은 제거한 경우를 나타낸 것이다. 그리고 도 14b, 도 15b 및 도 16b는 각각 도 14a, 도 15a 및 도 16a에 도시된 회절 도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 격자이미지를 나타내었다.
도 14b, 도 15b 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 어떠한 회절빔을 선택하였는 가에 따라 형성되는 격자이미지의 형태가 서로 다르게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 방법으로 특정한 회절빔만을 선택하여 격자이미지를 형성하면, 하나의 결정질 시편으로부터 다양한 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 형성할 수 있다.
본 발명은 하나의 결정질 시편으로부터 다양한 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 얻을 수 있는 패턴 형성장치 및 이 패턴 형성장치를 이용한 패턴 형성방법에 관한 것이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 17은 본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치의 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 패턴 형성장치(500)는 시편 지지대(510), 전자빔 조사수단(520), 대물렌즈(530), 디플렉터(deflector)(540), 조리개(aperture)(550), 격자이미지 조절렌즈(560) 및 기판 지지대(570)를 구비한다.
시편 지지대(510)는 챔버(505) 내에 설치대며, 시편 지지대(510) 상에 결정질 시편이 위치한다. 결정질 시편은 전자빔이 투과되기 용이하도록 수십 나노미터(nm) 두께를 갖도록 처리하여 사용된다.
전자빔 조사수단(520)은 챔버(505) 내의 시편 지지대(510)의 상부에 설치된다. 전자빔 조사수단(520)은 결정질 시편을 통과하기에 충분한 고에너지로 전자빔을 가속시켜 조사하는 전자총(521)일 수 있다. 그리고 전자빔 조사수단(520)은 전자총(521)에서 조사된 전자빔을 집속시키는 집속장치(522)를 구비할 수 있다.
대물렌즈(530)는 시편 지지대(510)의 하부에 설치되어, 전자빔 조사수단(520)에 의해 조사된 전자빔이 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어지는 투과빔과 회절빔에 의해 격자이미지가 형성되도록 한다.
디플렉터(540)는 대물렌즈(530)의 후방 초점면(back focal plane)에 설치되며, 플레이트(541)와 전자빔 조절수단(545)을 구비한다. 플레이트(541)에는 대물렌즈(530)를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 제1구멍(542)이 복수 개 형성되어 있다. 그리고 전자빔 조절수단(545)은 제1구멍(542) 주변에 설치되어 투과빔과 회절빔의 경로를 조절한다. 전자빔 조절수단(545)은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 조절할 수 있는 디플렉팅(deflecting) 전극일 수 있다. 즉 디플렉팅 전극에 전압을 인가하여 발생되는 전기장에 의해 전자빔의 경로를 조절할 수 있다.
조리개(550)는 디플렉터(540)의 하부에 디플렉터(540)와 일정 거리 이격되게 설치된다. 조리개(550)는 디플렉터(540)의 전자빔 조절수단(545)에 의해 경로가 조절되지 않은 투과빔 또는 회절빔만을 통과시키는 역할을 한다. 이를 위해, 조리개(550)에는 디플렉터(540)의 플레이트(541)를 통과한 투과빔과 회절빔 중 전자빔 조절수단(545)에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔을 통과시키기 위한 제2구멍(552)이 복수 개 형성되어 있다. 즉 제2구멍(552)은 투과빔과 회절빔의 원 경로 상에 형성된다.
디플렉터(540)와 조리개(550)를 상기와 같이 설치하면, 통과시키고자 하는 투과빔과 회절빔만을 선택적으로 통과시킬 수 있게 된다. 이러한 예를 도 18에 나타내었다.
도 18(a)는 전자빔 조절수단(545)으로 전자빔의 이동 경로를 조절하지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 도 18(b)는 전자빔 조절수단(545)에 의해 전자빔의 이동경로를 조절한 경우를 나타낸 도면이다.
도 18(a)에 도시된 바와 같이, 디플렉터(540)의 전자빔 조절수단(545)에 의해 이동 경로를 조절하지 않게 되면, 조리개(550)에는 투과빔과 회절빔의 원 경로 상에 제2구멍(552)이 형성되어 있으므로, 모든 투과빔과 회절빔이 조리개(550)를 통과하게 된다. 그러나 도 18(a)에 나타낸 전자빔 중 참조번호 555로 표시된 전자빔만 통과시키고, 참조번호 556으로 표시된 전자빔을 통과시키지 않고자 하면, 도 18(b)에 도시된 바와 같이, 참조번호 556으로 표시된 전자빔 주변에 설치된 전자빔 조절수단(545)을 이용하여 전자빔의 이동 경로를 조절한다. 이와 같이, 상기의 디플렉터(540)와 조리개(550)를 이용하면, 원하는 전자빔(투과빔, 회절빔)만을 선택적으로 통과시킬 수 있다.
특히, 여러 회절빔 중 선택된 회절빔만을 통과시켜 격자이미지를 형성하게 할 수 있다. 따라서 상술한 바와 같이, 어떤 회절빔을 선택하여 격자이미지가 형성되도록 하느냐에 따라 패턴 형상이 상이하므로, 하나의 결정질 시편을 이용하더라도 여러 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 형성하는 것이 가능하게 된다. 그리고 여러 회절빔 중 투과빔과 멀리 떨어져 있는 회절빔이 조리개(550)를 통과하지 못하도록 디플렉터(540)를 제어하거나, 투과빔이 조리개(550)를 통과하지 못하도록 디플렉터(540)를 제어하여, 배경잡음을 최소화하는 것도 가능하다.
격자이미지 조절렌즈(560)는 조리개(550)의 하부에 설치되어, 조리개(550)를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위한 것이다. 격자이미지 조절렌즈(560)는 하나의 렌즈일 수도 있고, 다수의 렌즈일 수도 있다. 이때 다수의 렌즈는 패턴 렌즈(pattern lens), 중간 렌즈(intermediate lens) 및 프로젝터 렌즈가 교대로 또는 순차적으로 배열될 수 있다.
기판 지지대(570)는 격자이미지 조절렌즈(560) 하부에 설치되며, 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판이 위치한다.
도 19는 본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치의 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 패턴 형성장치(600)는 시편 지지대(610), 전자빔 조사수단(620), 대물렌즈(630), 디플렉터(deflector)(640), 격자이미지 조절렌즈(660), 조리개(aperture)(650) 및 기판 지지대(670)를 구비한다.
시편 지지대(610), 전자빔 조사수단(620), 대물렌즈(630) 및 기판 지지대(670)는 도 17에 도시된 시편 지지대(510), 전자빔 조사수단(520), 대물렌즈(530) 및 기판 지지대(570)에 각각 대응된다.
디플렉터(640)는 대물렌즈(630)의 후방 초점면(back focal plane)에 설치되며, 플레이트(641)와 전자빔 조절수단(645)을 구비한다. 플레이트(641)에는 대물렌즈(630)를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 제1구멍(642)이 복수 개 형성되어 있다. 그리고 전자빔 조절수단(645)은 제1구멍(642) 주변에 설치되어 투과빔과 회절빔의 경로를 조절한다. 전자빔 조절수단(645)은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 조절할 수 있는 디플렉팅(deflecting) 전극일 수 있다. 디플렉팅 전극에 전압을 인가하여 발생되는 전기장에 의해 전자빔의 경로를 조절할 수 있다.
격자이미지 조절렌즈(660)는 디플렉터(640)의 하부에 설치되어, 디플렉터(640)를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위한 것이다. 격자이미지 조절렌즈(660)는 하나의 렌즈일 수도 있고, 다수의 렌즈일 수도 있다. 이때 다수의 렌즈는 패턴 렌즈(pattern lens), 중간 렌즈(intermediate lens) 및 프로젝터 렌즈가 교대로 또는 순차적으로 배열될 수 있다.
조리개(650)는 격자이미지 조절렌즈(660)의 하부에 설치된다. 조리개(650)는 디플렉터(640)의 전자빔 조절수단(645)에 의해 경로가 조절되지 않은 투과빔 또는 회절빔만을 통과시키는 역할을 한다. 이를 위해, 조리개(650)에는 격자이미지 조절렌즈(660)를 통과한 투과빔과 회절빔 중 전자빔 조절수단(645)에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔을 통과시키기 위한 제2구멍(652)이 형성되어 있다. 제2구멍은(652)은 제1구멍(642)보다 큰 하나의 구멍일 수 있다.
디플렉터(640)와 조리개(650)를 상기와 같이 설치하면, 통과시키고자 하는 투과빔과 회절빔만을 선택적으로 통과시킬 수 있게 된다. 이러한 예를 도 20에 나타내었다.
도 20(a)는 전자빔 조절수단(645)으로 전자빔의 이동 경로를 조절하지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 도 20(b)는 전자빔 조절수단(645)에 의해 전자빔의 이동경로를 조절한 경우를 나타낸 도면이다.
도 20(a)에 도시된 바와 같이, 디플렉터(640)의 전자빔 조절수단(645)에 의해 전자빔의 이동 경로를 조절하지 않게 되면, 조리개(650)에 형성되어 있는 제2구멍(652)를 통해 모든 투과빔과 회절빔이 조리개(650)를 통과하게 된다. 그러나 도 20(a)에 나타낸 전자빔 중 참조번호 655로 표시된 전자빔만 통과시키고, 참조번호 656으로 표시된 전자빔을 통과시키지 않고자 하면, 도 18(b)에 도시된 바와 같이, 참조번호 656으로 표시된 전자빔 주변에 설치된 전자빔 조절수단(645)을 이용하여 전자빔의 이동 경로를 조절한다. 이와 같이, 상기의 디플렉터(640)와 조리개(650)를 이용하면, 원하는 전자빔(투과빔, 회절빔)만을 선택적으로 통과시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 원하는 전자빔만을 선택적으로 통과시키게 되면, 하나의 결정질 시편을 이용하더라고 여러 형태의 패턴을 갖는 격자이미지를 형성하는 것이 가능하고, 배경잡음을 최소화하는 것도 가능하게 된다.
이상에서 도시하고 설명한 바와 같이, 도 17 및 도 19의 패턴 형성장치(500, 600)를 이용하면, 원하는 투과빔 또는 회절빔만을 통과시켜 손쉽게 원하는 격자이미지를 얻는 것이 가능하게 된다. 이하에서는 상기의 패턴 형성장치(500, 600)를 이용하여 패턴을 형성하는 방법에 대해 설명한다.
하나의 결정질 시편으로 여러 형태의 패턴을 형성하는 방법
도 21은 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도로서, 하나의 결정질 시편으로부터 여러 형태의 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 17, 19 및 21을 함께 참조하면, 하나의 결정질 시편으로부터 여러 형태의 패턴을 형성하는 방법은 우선, 시편 지지대(510, 610) 상에 결정질 시편을 위치시키고, 기판 지지대(570, 670) 상에 전자빔 레지스트가 도포된 기판을 위치시킨다(S1010).
다음으로, 하나의 결정질 시편으로부터 서로 다른 형태의 패턴이 형성되도록, 전자빔이 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 회절빔 중 조리개(550, 650)의 제2구멍(552, 652)을 통해 통과시킬 회절빔을 선택한다(S1020). 이는 상술한 바와 같이 여러 회절빔 중 어떤 회절빔을 선택하여 통과시키느냐에 따라 형성되는 격자이미지의 패턴 형태가 서로 상이하다는 점을 이용하는 것이다. 즉 하나의 결정질 시편, 예컨대, β-Si3N4을 이용하더라도, 도 14a, 도 15a 및 도 16a와 같은 회절빔을 선택하여 통과시키면, 도 13b와 패턴 형태가 서로 상이한 도 14b, 도 15b 및 도 16b와 같은 격자이미지를 얻을 수 있다.
S1020 단계는 먼저 결정질 시편의 회절 도형을 획득한 후, 획득한 회절 도형을 기초로 원하는 형태의 패턴을 갖는 격자이미지가 형성되도록 통과시킬 회절빔을 선택한다. 결정질 시편의 회절 도형은 상술한 바와 같이, 결정구조와 격자상수를 통해 도출하거나 투과전자현미경을 이용하여 얻을 수 있다. 그리고 회절 도형으로부터 통과시킬 회절빔을 선택하는 것은 푸리에 변환을 이용한 컴퓨터 처리를 통하여 수행할 수 있다.
다음으로, 투과빔과 선택된 회절빔만이 조리개(550, 650)의 제2구멍(552, 652)을 통과하도록 디플렉터(540, 640)의 전자빔 조절수단(545, 645)을 제어한다(S1030). 이때 전자빔 조절수단(545, 645)은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 변경할 수 있는 디플렉팅 전극일 수 있다. 그리고 전자빔 조절수단(545, 645)이 디플렉팅 전극인 경우 투과빔과 선택된 회절빔만이 조리개(550, 650)를 통과하도록 디플렉팅 전극에 전압을 인가한다.
다음으로, 결정질 시편에 전자빔 조사수단(520, 620)을 이용하여 전자빔을 조사한다(S1040). S1030 단계에서 전자빔 조절수단(545, 645)에 의해 결정질 시편을 통과한 회절빔 중 일부의 회절빔만이 조리개(550, 650)를 통과하게 되므로, 조리개(550, 650)를 통과한 회절빔과 투과빔만으로 형성된 격자이미지를 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사한다(S1050). 이때 형성되는 격자이미지는 위상 콘트라스트 영상법에 의해 형성될 수 있다.
그리고 기판에 도포된 전자빔 레지스트를 현상하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성(S1060)한 후, 이 전자빔 레지스트 패턴을 이용하여 전자빔 레지스트 패턴의 하부에 형성되어 있는 하지층(under layer)를 식각하여 패턴을 형성한다(S1070).
이와 같은 방법을 통해, 패턴을 형성하게 되면, 하나의 결정질 시편으로부터 여러 형태의 패턴을 형성할 수 있다. 따라서 다른 형태의 패턴을 형성하기 위해, 결정질 시편을 교체할 필요가 없게 되어, 결정질 시편의 교체에 소요되는 시간과 노력이 절감된다.
선명한 패턴을 형성하는 방법 1(회절빔 제거)
도 22는 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 다른 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도로서, 배경잡음을 감소시켜 선명한 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 17, 19 및 22를 함께 참조하면, 선명한 패턴을 형성하는 방법은 우선, 시편 지지대(510, 610) 상에 결정질 시편을 위치시키고, 기판 지지대(570, 670) 상에 전자빔 레지스트가 도포된 기판을 위치시킨다(S1110).
다음으로, 배경잡음이 감소되도록, 전자빔이 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 회절빔 중 조리개(550, 650)의 제2구멍(552, 652)을 통해 통과시킬 회절빔을 선택한다(S1120). 이때 투과빔과 먼 거리에 위치하는 회절빔은 배경잡음을 많이 포함하고 있으므로, 투과빔 주변의 회절빔을 선택한다. 투과빔과 투과빔 주변의 회절빔만으로 이루어진 회절도형과 이 회절도형으로부터 얻어지는 격자이미지를 도 23a와 도 23b에 각각 나타내었다.
도 23a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형 중 투과빔과 투과빔 주변의 회절빔만으로 이루어진 회절도형을 나타낸 도면이고, 도 23b는 도 23a에 도시된 회절도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 격자이미지를 나타낸 도면이다.
도 23에 나타낸 바와 같이, 투과빔과 투과빔 주변의 회절빔만으로 이루어진 격자이미지는 모든 회절빔을 통과시켰을 때 얻어지는 격자이미지인 도 13b에 비해 현저히 선명함을 알 수 있다. 격자이미지 자체가 선명하므로, 이 격자이미지로부터 얻어지는 패턴 역시 선명하게 된다.
S1120 단계는 먼저 결정질 시편의 회절 도형을 획득한 후, 획득한 회절 도형을 기초로 원하는 형태의 패턴을 갖는 격자이미지가 형성되도록 통과시킬 회절빔을 선택한다. 결정질 시편의 회절 도형은 상술한 바와 같이, 결정구조와 격자상수를 통해 도출하거나 투과전자현미경을 이용하여 얻을 수 있다. 그리고 회절 도형으로부터 통과시킬 회절빔을 선택하는 것은 푸리에 변환을 이용한 컴퓨터 처리를 통하여 수행할 수 있다.
다음으로, 투과빔과 선택된 회절빔만이 조리개(550, 650)의 제2구멍(552, 652)을 통과하도록 디플렉터(540, 640)의 전자빔 조절수단(545, 645)을 제어한다(S1130). 이때 전자빔 조절수단(545, 645)은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 변경할 수 있는 디플렉팅 전극일 수 있다. 그리고 전자빔 조절수단(545, 645)이 디플렉팅 전극인 경우 투과빔과 선택된 회절빔만이 조리개(550, 650)를 통과하도록 디플렉팅 전극에 전압을 인가한다.
다음으로, 결정질 시편에 전자빔 조사수단(520, 620)을 이용하여 전자빔을 조사한다(S1140). S1130 단계에서 전자빔 조절수단(545, 645)에 의해 결정질 시편을 통과한 회절빔 중 일부의 회절빔만이 조리개(550, 650)를 통과하게 되므로, 조리개(550, 650)를 통과한 회절빔과 투과빔만으로 형성된 격자이미지를 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사한다(S1150). 이때 형성되는 격자이미지는 위상 콘트라스트 영상법에 의해 형성될 수 있다.
그리고 기판에 도포된 전자빔 레지스트를 현상하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성(S1160)한 후, 이 전자빔 레지스트 패턴을 이용하여 전자빔 레지스트 패턴의 하부에 형성되어 있는 하지층(under layer)를 식각하여 패턴을 형성한다(S1170).
이와 같은 방법을 통해, 패턴을 형성하게 되면, 모든 회절빔을 통과시킬 때에 비해 현저히 선명한 격자이미지를 얻을 수 있고, 이로부터 보다 명확한 패턴을 얻을 수 있게 된다.
선명한 패턴을 형성하는 방법 2( 투과빔 제거)
도 24는 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 또 다른 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도로서, 배경잡음을 감소시켜 선명한 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 17, 19 및 24를 함께 참조하면, 선명한 패턴을 형성하는 방법은 우선, 시편 지지대(510, 610) 상에 결정질 시편을 위치시키고, 기판 지지대(570, 670) 상에 전자빔 레지스트가 도포된 기판을 위치시킨다(S1210).
다음으로, 배경잡음의 감소를 위해, 투과빔이 조리개(550, 650)를 통과하지 않도록 디플렉터(540, 640)의 전자빔 조절수단(545, 645)을 제어한다(S1220). 이때 전자빔 조절수단(545, 645)은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 변경할 수 있는 디플렉팅 전극일 수 있다. 그리고 전자빔 조절수단(545, 645)이 디플렉팅 전극인 경우 투과빔과 선택된 회절빔만이 조리개(550, 650)를 통과하도록 디플렉팅 전극에 전압을 인가한다.
투과빔에는 많은 배경잡음이 포함되어 있으므로, 투과빔을 제거할 경우, 형성되는 격자이미지는 더욱 선명하게 된다. 투과빔과 회절빔을 모두 통과시켜 격자이미지를 형성한 경우와 회절빔만을 통과시켜 격자이미지를 형성한 경우의 도면을 도 25 및 도 26에 나타내었다.
도 25a는 결정질 시편의 회절도형을 나타낸 도면이고, 도 25b는 모든 투과빔과 회절빔을 통과시키는 경우의 격자이미지를 나타낸 도면이다. 그리고 도 26a는 도 25a의 회절도형 중 투과빔을 제거한 회절도형이고, 도 26b는 도 26a에 도시된 회절도형의 정보에 의해 얻어지는 격자이미지를 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26에 나타낸 바와 같이, 투과빔을 통과시킨 경우(도 25b)에 비해, 투과빔을 통과시키지 않은 경우(도 26b)가 격자이미지의 선명도가 현저히 증가함을 알 수 있다. 격자이미지 자체가 선명하므로, 이 격자이미지로부터 얻어지는 패턴 역시 선명하게 된다.
다음으로, 결정질 시편에 전자빔 조사수단(520, 620)을 이용하여 전자빔을 조사한다(S1230). S1220 단계에서 전자빔 조절수단(545, 645)에 의해 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 투과빔과 회절빔 중 회절빔만이 조리개(550, 650)를 통과하게 되므로, 조리개(550, 650)를 통과한 회절빔만으로 형성된 격자이미지를 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사한다(S1240). 이때 형성되는 격자이미지는 위상 콘트라스트 영상법에 의해 형성될 수 있다.
그리고 기판에 도포된 전자빔 레지스트를 현상하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성(S1250)한 후, 이 전자빔 레지스트 패턴을 이용하여 전자빔 레지스트 패턴의 하부에 형성되어 있는 하지층(under layer)를 식각하여 패턴을 형성한다(S1260).
이와 같은 방법을 통해, 패턴을 형성하게 되면, 모든 투과빔을 통과시킬 때에 비해 현저히 선명한 격자이미지를 얻을 수 있고, 이로부터 보다 명확한 패턴을 얻을 수 있게 된다. 그리고 도 22와 도 24에 나타낸 방법을 함께 구현하게 되면, 즉 투과빔과 일부 회절빔이 통과되지 않도록 하면, 더욱 선명한 격자이미지를 얻을 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1a는 격자점을 1차원적으로 병진시킨 모식도이다.
도 1b는 격자점을 2차원적으로 병진시킨 모식도이다.
도 1c는 격자점을 3차원적으로 병진시킨 모식도이다.
도 2는 격자점 주위의 원자들의 배열을 나타내는 모식도이다.
도 3는 물질의 결정축계와 Bravais격자를 나타내는 설명도이다.
도 4a는 Al의 결정구조의 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 4b는 Al의 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 4c는 Al의 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 4d는 Al의 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 5a는 Si의 결정구조의 단위 셀의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5b는 Si의 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 5c는 Si의 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 5d는 Si의 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 5e는 도 5c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 도면이다.
도 6a는 GaAs 결정구조의 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 6b는 GaAs 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 6c는 GaAs 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 6d는 GaAs 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 6e는 도 6c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 도면이다.
도 7은 투과전자현미경의 광학시스템에서 일어나는 현상을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 패턴 형성방법에 사용되는 투과 전자 현미경의 모식도이다.
도 9는 다이아몬드 결정구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 10은 체심입방구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 11은 면심입방구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 12는 조밀육방격자의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 13a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형을 나타낸 도면이고, 도 13b는 결정질 β-Si3N4 시편의 격자이미지를 나타낸 도면이다.
도 14a, 도 15a 및 도 16a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형 중 일부의 회절도형의 정보만 선택한 회절도형을 나타낸 도면이다.
도 14b, 도 15b 및 도 16b는 각각 도 14a, 도 15a 및 도 16a에 도시된 회절도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 격자이미지를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 패턴 형성장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적 인 구성을 나타내는 도면이다.
도 18a는 도 17의 패턴 형성장치에 있어서, 전자빔 조절수단으로 전자빔의 이동 경로를 조절하지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 도 18b는 전자빔 조절수단에 의해 전자빔의 이동경로를 조절한 경우를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명에 따른 패턴 형성장치에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 20a는 도 19의 패턴 형성장치에 있어서, 전자빔 조절수단으로 전자빔의 이동 경로를 조절하지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 도 20b는 전자빔 조절수단에 의해 전자빔의 이동경로를 조절한 경우를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도로서, 하나의 결정질 시편으로부터 여러 형태의 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 다른 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도로서, 배경잡음을 감소시켜 선명한 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 23a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형 중 투과빔과 투과빔 주변의 회절빔의 회절도형만 나타낸 도면이다.
도 23b는 도 23a에 도시된 회절도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 격자이미지를 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명에 따른 패턴 형성방법의 또 다른 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도로서, 배경잡음을 감소시켜 선명한 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 25a는 결정질 시편의 회절도형을 나타낸 도면이고, 도 25b는 모든 투과빔과 회절빔을 통과시키는 경우의 격자이미지를 나타낸 도면이다.
도 26a는 도 25a의 회절도형 중 투과빔을 제거한 회절도형이고, 도 26b는 도 26a에 도시된 회절도형의 정보에 의해 얻어지는 격자이미지를 나타낸 도면이다.

Claims (15)

  1. 결정질 시편이 위치하는 시편 지지대;
    상기 시편을 통과하는 전자빔이 조사되는 전자빔 조사수단;
    상기 전자빔 조사수단에 의해 조사된 전자빔이 상기 시편을 통과하면서 나뉘어지는 투과빔과 회절빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈;
    상기 대물렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 복수의 제1구멍이 형성되어 있는 플레이트와, 상기 복수의 제1구멍 주변에 각각 설치되어 상기 투과빔과 회절빔의 진행 경로를 조절할 수 있는 복수의 전자빔 조절수단을 구비하는 디플렉터(deflector);
    상기 플레이트를 통과한 투과빔과 회절빔 중 상기 전자빔 조절수단에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔이 통과되도록, 상기 투과빔과 회절빔 각각의 원 경로 상에 형성되어 있는 복수의 제2구멍이 마련되어 있는 조리개(aperture); 및
    상기 조리개를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지가 조사됨으로 인해 패턴을 형성할 수 있도록 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판이 위치하는 기판 지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조리개와 기판 지지대 사이에,
    상기 조리개를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위한 격자이미지 조절렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성장치.
  3. 결정질 시편이 위치하는 시편 지지대;
    상기 시편을 통과하는 전자빔이 조사되는 전자빔 조사수단;
    상기 전자빔 조사수단에 의해 조사된 전자빔이 상기 시편을 통과하면서 나뉘어지는 투과빔과 회절빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈;
    상기 대물렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 각각을 통과시키기 위한 복수의 제1구멍이 형성되어 있는 플레이트와, 상기 복수의 제1구멍 주변에 각각 설치되어 상기 투과빔과 회절빔의 진행 경로를 조절할 수 있는 복수의 전자빔 조절수단을 구비하는 디플렉터(deflector);
    상기 디플렉터를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위한 격자이미지 조절렌즈;
    상기 격자이미지 조절렌즈를 통과한 투과빔과 회절빔 중 상기 전자빔 조절수단에 의해 진행 경로가 변경되지 않은 투과빔과 회절빔이 통과되도록, 제2구멍이 마련되어 있는 조리개(aperture); 및
    상기 조리개를 통과한 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지가 조사됨으로 인해 패턴을 형성할 수 있도록 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판이 위치하는 기판 지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자빔 조절수단은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 변경할 수 있는 디플렉팅(deflecting) 전극인 것을 특징으로 하는 패턴 형성장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디플렉터는 상기 대물렌즈의 후방 초점면(back focal plane)에 설치되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정질 시편은 수십 나노미터 두께를 갖도록 처리하여 사용함을 특징으로 하는 패턴 형성장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재되어 있는 패턴 형성장치를 이용하여 패턴을 형성하는 방법으로,
    상기 시편 지지대에 결정질 시편을 위치시키고, 상기 기판 지지대에 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판을 위치시키는 단계;
    전자빔이 상기 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 회절빔 중 상기 조리개(aperture)에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과시킬 회절빔을 선택하는 단계;
    상기 회절빔을 선택하는 단계에서 선택된 회절빔과 투과빔은 상기 조리개에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과되고, 선택되지 않은 회절빔은 상기 조리개를 통과하지 않도록, 상기 디플렉터(deflector)에 구비된 전자빔 조절수단을 제어하는 단계;
    상기 전자빔 조사수단을 이용하여 상기 시편 지지대에 위치되어 있는 결정질 시편에 전자빔을 조사하는 단계;
    상기 조리개에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과된 투과빔과 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 상기 기판 지지대에 위치되어 있는 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사하는 단계;
    상기 전자빔 레지스트를 현상(development)하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 전자빔 레지스트 패턴 하부에 형성되어 있는 하지층을 상기 전자빔 레지스트 패턴을 통해 식각하여 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회절빔을 선택하는 단계는,
    상기 결정질 시편의 회절 도형을 획득하고,
    상기 회절빔 중 어떤 회절빔을 선택하여 통과시키느냐에 따라 형성되는 격자이미지의 패턴 형태가 서로 상이하다는 점을 이용하여, 상기 회절 도형을 기초로 원하는 형태의 패턴을 갖는 격자이미지가 형성되도록 통과시킬 회절빔을 선택하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 통과시킬 회절빔은 푸리에 변환을 이용한 컴퓨터 처리를 통하여 선택하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 회절빔을 선택하는 단계는, 배경신호 잡음을 감소시키기 위해 투과빔 주변의 회절빔을 선택하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전자빔 조절수단은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 변경할 수 있는 디플렉팅(deflecting) 전극인 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 격자이미지는 위상 콘트라스트 영상법에 의해 형성됨을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재되어 있는 패턴 형성장치를 이용하여 패턴을 형성하는 방법으로,
    상기 시편 지지대에 결정질 시편을 위치시키고, 상기 기판 지지대에 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판을 위치시키는 단계;
    전자빔이 상기 결정질 시편을 통과하면서 나뉘어진 투과빔이 상기 조리개를 통과하지 않도록, 상기 디플렉터(deflector)에 구비된 전자빔 조절수단을 제어하는 단계;
    상기 전자빔 조사수단을 이용하여 상기 시편 지지대에 위치되어 있는 결정질 시편에 전자빔을 조사하는 단계;
    상기 조리개에 형성되어 있는 제2구멍을 통해 통과된 회절빔에 의해 형성된 격자이미지를 상기 기판 지지대에 위치되어 있는 전자빔 레지스트가 도포되어 있는 기판에 조사하는 단계;
    상기 전자빔 레지스트를 현상(development)하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 전자빔 레지스트 패턴 하부에 형성되어 있는 하지층을 상기 전자빔 레지스트 패턴을 통해 식각하여 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전자빔 조절수단은 전기장에 의해 전자빔의 경로를 변경할 수 있는 디플렉팅(deflecting) 전극인 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 격자이미지는 위상 콘트라스트 영상법에 의해 형성됨을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
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