KR101163638B1 - 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법 - Google Patents

나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 금속 구조물의 도트(dot) 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 본 발명은 i) 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 결정하는 제1단계, 및 ii) 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 조절하는 제2단계를 포함하는 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법에 대한 것이다.
나노, 금속, 이온 빔, 문턱 이온 조사량, 도트

Description

나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법 {MANUFACTURING MEHTOD OF NANO METAL STRUCTURE USING DOT SIZE CONTROL METHOD FOR NANO METAL STRUCTURE}
본 발명은 나노 금속 구조물의 도트(dot) 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 본 발명은 i) 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 결정하는 제1단계, 및 ii) 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 조절하는 제2단계를 포함하는 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법에 대한 것이다.
초정밀 장치의 수요 증대 및 제품의 상용화 추세에 따라 다양한 재료 및 멀 티스케일에서도 가공이 용이한 제작 공정에 대한 관심이 커지고 있다. 특히, 마이크로 전자 산업에서 집적 회로의 높은 처리 속도와 생산 단가 절감을 위해서 패턴 피치의 미세화와 집적도 향상에 대한 요구가 커지고 있는 추세이다.
이에, 마이크로-나노 영역의 반복적인 구조를 가지는 패턴을 제작하기 위한 다양한 가공 방법이 개발되고 있으며, 이렇게 가공된 금속 입자 어레이들은 각 재료 고유의 물성치들에 따라 전자, 광학부품, 정밀 센서, 고밀도 정보저장기기, 디스플레이 장치 등 다양한 영역에 적용이 가능하다.
나노 패턴 구조는 1차원 구조인 금속 도트, 2차원 구조인 선, 3차원 구조로 분류되며, 그 중 나노 패턴 구조의 근본이 되는 나노 금속 도트는 차세대 정보저장 매체로 부각되고 있는 패턴드 미디어, 일정 피치를 통해 반복되는 구조로 인해 표면에서 반사되는 빛의 일부를 기판으로 투과하도록 유도하여 반사율을 저하하는 반사 방지판, 넓은 대역의 여기 결합에너지의 광학적 특성을 이용한 광학 소자, 전기적 신호 특성의 미세 변화를 측정할 수 있는 센서 등에 다양하게 응용할 수 있다.
상기 나노 패턴 구조는 각 응용 분야의 종류에 따라 20 nm ~ 1 ㎛의 다양한 패턴 피치를 가지며, 패턴드 미디어의 경우 패턴 피치의 미세화는 기록 밀도와 직접적으로 연관되므로 패턴 피치를 가능한 작게 만드는 것이 중요하다. 또한, 반사 방지판, 광학 부품 및 센서는 빛의 파장 및 사용하려는 물질에 따라 피치 및 형상을 다양하게 제작하여야 한다.
이러한 나노 패터닝 방법은 실제 상용화를 위해 몇 가지 조건들을 만족시켜야 하는데, 먼저 다양한 형상들의 패턴 피치를 미세화할 수 있어야 하고 정밀도가 향상되어야 한다. 또한, 제작되는 패턴의 균일성 및 재연성이 확보되어야 하며, 높은 수율을 위해 재료의 결함이 적고, 대면적 가공이 가능하며, 멀티 스케일, 멀티 층에 대한 가공이 가능하여야 한다. 예를 들어, 일정 방향성을 갖는 광결정구조(photonic crystal structure) 등 다양한 광학 재료를 제작하는 데 있어서, 패턴 형상 및 위치에 따라 광 효율이 달라지기 때문에 위와 같은 요구 조건들을 만족시키는 것이 중요하다.
미세 가공 공정으로서 일반적으로 사용되는 습식 식각을 이용한 리소그라피 공정은 공정 단계가 복잡할 뿐만 아니라 상기와 같은 나노 패터닝의 미세화, 정밀성, 균일성, 재연성, 고수율 등의 다양한 요구들을 만족시키기 어려웠다.
나노 스케일의 패턴 제작에 있어서 기존의 리소그라피가 가지는 한계점을 극복하기 위해 다양한 가공 공정 방법이 개발되고 있으며, 예를 들어 기계-화학적 가공 공정을 이용한 미세 탐침 기반인 딥펜 응용 나노 리소그라피 방법, 원자간 공유 결합 혹은 분자 상호인력에 의하여 자발적으로 나노구조물을 형성하는 자기조립(self-assembly) 방법, 전자빔 리소그라피, 알루미늄판의 표면을 전기화학적으로 아노다이징(anodizing)하여 기공이 많은 알루미늄 산화물 박막 멤브레인을 형성하는 양극 산화 알루미늄 산화물(AAO), 콜로이드 자기조립 방법을 이용한 나노 스피어 리소그라피 방법, EUV 간섭 리소그파피 방법 등 다양한 방법이 개발되고 있다.
특히, 최근에는 높은 가공 정밀도, 재현성, 별도의 마스크가 필요 없이 하나의 장비에서 가공과 측정이 동시에 할 수 있는 유연 공정, 이온 주입을 통한 복합 공정 등의 다양한 응용 범위로 인해 집속 이온빔 장치를 이용한 나노 패턴 제작이 활발히 연구되고 있다.
상기 집속 이온빔 장치를 이용한 가공 방법은 재료를 제거하는 공정인 스퍼터링(sputtering) 공정을 주로 사용했으나, 이는 재 증착, 입사 각도에 따라 서로 다른 재료의 제거량, 가공 시간에 따라 빔이 미세하게 이동하는 현상 등으로 인해 여러 가공 오차 및 공정 에러를 내재하고 있다는 문제점이 있었다. 또한, 빔 사이즈의 한계로 인해 스퍼터링을 이용한 패턴 가공의 경우 50 nm 이하의 가공은 불가능하며 패턴 가공의 종횡비 또한 제한된다.
이와 같이, 재료를 제거하여 패턴을 가공할 때의 한계를 극복하기 위하여, 재료를 제거하여 패턴을 제작하는 연구와 함께 이온 주입을 이용하여 표면 개질을 유발한 복합 공정을 응용하여 패턴을 제작하는 방법도 연구되고 있다. 2007년 아일랜드의 Gilmartin 박사 연구팀은 DNQ/novolak 레지스트 박막 위에 갈륨 이온 조사 후 산소 건식 식각을 통해 80nm 폭을 지니는 그루브 가공을 수행하였으며, 2009년 핀란드의 Chekurov 박사연구팀은 실리콘 재료에 집속 이온 빔 이온 주입을 주입한 후 극저온 DIRE 공정을 통해 이온 조사 영역과 비 조사영역의 선택비 차이를 이용하여 3차원 가공을 위한 연구를 수행하고 있다.
이온 주입 응용 기술을 이용한 패턴 가공 기술은 재료 제거 공정인 스퍼터링 공정을 이용하는 것이 아니라 작은 이온 조사량으로 표면의 물성치를 변화시키는 공정을 이용하므로, 기존 가공 방법에 비해 가공 시간을 단축할 수 있다.
또한, 가공 오차 및 공정 에러에 의한 영향을 받지 않으므로 가공 정밀도를 향상할 수 있으며, 복수 개의 이온빔을 이용한 다중 빔 가공 기술을 적용하여 단일 빔을 사용하는 기존 방법보다 빠른 가공 속도 및 생산 효율 증대를 기대할 수 있다.
그러나, 이온 주입을 이용한 복합 공정은 가공 조건에 따라 이온 주입 형상이 달라지고 이온 주입 조건에 따라 공작물의 물성치가 다양하게 변화하기 때문에 원자 단위 영역에서의 상태를 정확하게 예측하는 것은 어렵다. 또한, 더욱 정밀한 가공을 수행하기 위해서는 하전 입자의 조사량 및 입사 각도 등의 가공 조건에 대한 표면 특성의 정확한 이해를 기반으로, 요구되는 표면 특성에 따라 복합 공정 조건을 조절할 필요가 있다. 또한 하전 입자 주입 이후의 재료 제거 공정인 식각 공정 또한 기능성 표면의 제작을 위해 재료 제거에 대한 정확한 이해가 선행되어야 한다.
현재로선, 재료의 물성치 변화에 대한 정확한 이해가 수반되지 않아 재료 제거 공정인 에칭 공정에서 다양한 형상을 재현하기 어려우며, 가공 재료 또한 실리콘 기반의 연구 정도가 보고되고 있는 수준이다. 따라서, 금속 재료가 가지는 여러 응용 분야를 고려하여 가공 재료를 다양하게 응용할 수 있으면서도 기존 전자빔 리소그라피의 가공 정밀도를 뛰어 넘을 수 있는 가공 방법이 필요한 실정이다.
즉, 하전 입자 주입을 통한 재료의 물성치 변화에 대한 정확한 이해를 기반으로 하여 복합 공정에 적용하기 위한 공정을 적절하게 선택할 수 있고, 또한 재료의 제거량을 정확히 예측할 수 있어 표면 특성 및 미세 형상을 제어할 수 있도록, 이온주입 및 재료 제거 공정인 식각 공정에 대한 정확한 모델을 수립할 필요가 있다.
이에, 본 발명자는 이온 주입에 따른 다양한 재료의 물성치 변화에 대한 이해를 기반으로, 금속 재료가 가지는 여러 응용 분야를 고려하여 가공 재료를 다양하게 응용할 수 있으면서도 기존 전자빔 리소그라피의 가공 정밀도를 뛰어 넘을 수 있을 뿐만 아니라 기존의 리소그라피 공정보다 공정 수를 줄여 생산 효율을 증대시킬 수 있는 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법 및 이를 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법과 이온 빔 조사 시스템을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 금속 재료가 가지는 여러 응용 분야를 고려하여 가공 재료를 다양하게 응용할 수 있는 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법 및 이를 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법과 이온 조사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 기존 전자빔 리소그라피의 가공 정밀도를 뛰어 넘을 수 있을 뿐만 아니라 기존의 리소그라피 공정보다 공정 수를 줄여 생산 효율을 증대시킬 수 있는 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법 및 이를 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법과 이온 조사 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 i) 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 결정하는 제1단계, 및 ii) 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 조절하는 제2단계를 포함하는 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 i) 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 결정하고, 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 조절하는 제어부, 및 ii) 상기 제어부에서 조절된 이온 조사량을 해당 금속 층에 조사하는 이온 주입부를 포함하는 미세 금속 가공용 이온 조사 시스템을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 i) 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 결정하는 제1단계, ii) 상기 결정된 전체 이온 조사량을 상기 금속에 조사하는 제2단계, 및 iii) 상기 이온이 조사된 금속 층을 제거하는 제3단계를 포함하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 i) 기판상에 형성하 고자 하는 적어도 하나 이상의 적층금속 나노구조물의 구조 및 각 금속 층 도트 크기에 따라 각기 고유의 문턱 이온 조사량을 가지는 금속들을 적층하는 제1단계, ii) 상기 금속 층들의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 상기 각 금속 층들의 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 결정하는 제2단계, iii) 상기 결정된 이온 조사량을 상기 금속 층에 조사하는 제3단계, 및 iv) 상기 이온이 조사된 금속 층들을 제거하는 제4단계를 포함하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위는, 하기식 (1)의 전체 이온 주입 프로파일(In(χ))에서 이온 주입량이 문턱 이온 조사량과 같아지는 해(χ)를 통하여 결정된다.
Figure 112009055725412-pat00001
(1)
상기 식에서 D는 이온 조사량이고, Pion은 금속 층에 주입되는 이온 프로파일이며, In - 1(χ)는 일정한 간격으로 금속 층에 주입되는 이온 프로파일들에 있어서, n-1번째로 주입되는 이온 프로파일이다.
이때, 상기 이온 프로파일(Pion)이 바이-가우시안 모델을 이용한 것이 바람직하며, 상기 금속 층에 조사되는 이온 조사량의 조절은 이온 조사 장치로부터 이온이 조사되는 시간을 조절함으로써 이루어진다.
그리고, 이온이 조사되는 상기 금속 층들은 전자 빔 증발기(e-beam evaporator)를 이용하여 증착되는 것이 바람직하며, 상기 금속 층에 조사되는 이온은 갈륨(Ga) 이온이고, 상기 이온이 조사된 금속 층의 제거는 습식 식각(wet etching) 공정을 통하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 생성된 나노 금속 구조물은 상기 금속 구조물이 형성된 베이스(base)의 마스크(mask) 역할을 할 수 있다.
본 발명의 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법 및 이를 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법과 미세 금속 가공용 이온 조사 시스템은 문턱 이온 조사량이라는 개념을 도입하여 다양한 가공 재료에 원하는 형상 및 크기를 가지는 나노 도트를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 전자빔 리소그라피 공정보다 훨씬 향상된 가공 정밀도와 미세화, 패턴의 균일성 및 재연성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법 및 이를 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법과 미세 금속 가공용 이온 조사 시스템은 기존의 리소그라피 공정보다 공정이 간단할 뿐만 아니라 복수 개의 이온빔을 이용한 다중 빔 가공 기술이 가능하여, 가공 시간을 단축하고 생산 효율을 증대시킬 수 있으며, 대면적 가공 및 멀티 스케일, 멀티 층에 대한 동시 가공이 가능하다.
본 발명에 따른 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법을 이용한 나노 금속 구조물의 제조 방법을 다음의 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 갈륨 이온이 금속 표면에 침투되는 이온 주입 현상의 원리를 간략히 보여주는 개념도이고, 도 2는 거리에 따른 이온 강도(ion intensity)로 표시한 이온 주입 프로파일(ion implanted profile)과 문턱 이온 조사량(threshold ion dose)을 나타낸 그래프이며, 도 3은 이온 조사량에 따른 도트(dot) 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 이온 조사량에 따른 이온 주입 프로파일 그래프 및 그에 따른 금속 도트(dot) 제조 결과를 나타낸 사진이며, 도 5는 철(Fe) 금속 기판상에 형성된 25nm 간격(pitch)의 나노 도트 결과를 나타낸 사진이고, 도 6, 7은 본 발명의 금속 구조물 제조 방법을 이용하여 제작된 원형 격자 (circular grating) 및 직경 15 nm ~ 100 nm 크기의 원 형상 가공 결과를 나타낸 사진이다.
또한, 도 8은 기존의 금속 구조물 제조 과정을 보여주는 공정도이고, 도 9는 본 발명의 금속 구조물의 제조 과정을 보여주는 공정도이며, 도 10, 11은 각각 도 9의 공정에 따라 전자 증발기를 통해 증착한 알루미늄 박막에 선택적으로 갈륨을 조사한 이미지 및 습식 식각 후의 결과 이미지이고, 도 12는 본 발명의 적층 금속 구조물 제조 과정을 보여주는 공정도이다.
본 발명에 따른 나노 금속 구조물의 도트 크기 조절 방법은 i) 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데 이터들의 선형 함수를 통하여 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 결정하는 제1단계, 및 ii) 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 조절하는 제2단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 미세 금속 가공용 이온 조사 시스템은 i) 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 결정하고, 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 조절하는 제어부, 및 ii) 상기 제어부에서 조절된 이온 조사량을 해당 금속 층에 조사하는 이온 주입부를 포함한다.
상기와 같은 도트 크기 조절 방법 및 시스템을 이용하여 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물을 제조할 수 있는데, 본 발명의 나노 금속 구조물 제조 방법은 i) 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 결정하는 제1단계, ii) 상기 결정된 전체 이온 조사량을 상기 금속에 조사하는 제2단계, 및 iii) 상기 이온이 조사된 금속 층을 제거하는 제3단계를 포함한다.
일반적으로, 집속 이온 빔 공정에서 이온 빔이 조사되면 빔에 의해 재료가 제거되는 스퍼터링(sputtering) 현상이 발생하지만 일정 이온 조사량 이하에서는 스퍼터링이 일어나지 않고, 도 1에 도시된 바와 같이, 조사 이온이 시편 안으로 침투하는 이온 주입이 발생한다.
침투되는 이온은 시편 원자 구조의 결함(defect) 및 결정 구조를 변화시켜 재료의 물성치를 변화시켜, 이렇게 물성치 일부가 변화된 재료를 이용하여, 습식, 건식 식각 및 MR 연마(magnetorheological finishing) 등의 가공 공정을 수행하면 이온 조사/비 조사 영역의 선택비가 발생하여 미세 형상을 가공할 수 있다.
그러나, 이온이 주입되는 모든 영역이 용매에 의해 식각 저항력(etching resistivity)을 가지지는 않는다. 이하에서는, 이온 주입에 의해 재료의 물성치가 변화되어 식각 저항력이 발생하는 이온 도즈량을 문턱 이온 도즈(threshold ion dose)라고 명명한다.
가우시안(gaussian) 형태를 갖는 이온 조사량 분포로 인하여, 재료 표면에 주입되는 이온 강도, 즉 이온 주입량은 도 2와 같이 이온 조사 간격에 따라 이온 조사 면적에 물결 형상의 분포를 가지게 된다. 즉, 가공 면적 전체에 갈륨 이온이 조사가 되지만, 상기 문턱 이온 조사량을 넘지 못하는 영역은 습식 식각시 금속 박막이 제거가 되고 문턱이온 조사량을 넘는 영역만이 제거가 되지 않고 남게 되므로, 이온조사 형상에 따라 나노 도트 및 다양한 형태의 나노 구조물을 제작할 수 있으며, 또한, 침투 강도를 변화시켜 크기 또한 제어할 수 있다.
상기 문턱 이온 조사량을 결정하는 방법을 상세히 살펴보면, 일반적으로 금속과 같이 크리스탈(crystal) 구조의 재료에 일정 에너지와 조사량으로 이온 조사를 하게 되면 비정질 구조로 변화하게 되는데, 이때 구조의 비정질화를 위해 요구 되는 이온 조사량은 에너지 밀도가 멜팅(melting) 될 수 있는 값(Eρ)과 같으며, 이온 에너지 E0에서 필요한 이온 조사량(ions/cm2)은 하기 식과 같다.
Figure 112009055725412-pat00002
상기 Rp는 금속 필름에 대한 이온 주입 깊이(projected depth) 값이며 E0값은 이온 주입 시의 가속 전압으로서, 상기 값들은 SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)등을 통한 시뮬레이션을 통해 구할 수 있다. 상기 식은 금속 구조가 비정질이 되기 위한 이온 조사량으로서 증착되는 금속의 조건에 따라 구조 및 특성이 일부 달라질 수 있으며, 이러한 차이는 이온 조사량에 따른 나노 도트 사이즈 크기에 대한 실험 데이터들을 통하여 보정할 수 있다.
즉, 증착되는 금속 박막에 일정 범위를 지니는 이온 조사량으로 갈륨을 주입 한 후 습식 식각을 수행하면 이온 조사량에 의해 나노 닷 사이즈의 크기가 조절되며, 나노 닷 사이즈가 0이 되는 이온 조사량이 문턱 이온조사량이 된다. 이때, 선형 관계로 이온 조사량에 의해 닷 사이즈가 결정이 되므로 2 ~ 3개의 실험 데이터로 상기 문턱 이온 조사량을 결정할 수 있다.
한편, 상기 문턱 이온 조사량을 결정한 후에는 바이-가우시안 모델을 이용하여 최종적인 이온 주입 형상(profile)을 예측할 수 있다.
Figure 112009055725412-pat00003
상기 식에서 D는 이온 조사량이고, Pion은 이온 프로파일로서 바이-가우시안 모델을 이용할 수 있으며, In - 1(χ)는 일정한 간격으로 주입되는 이온 프로파일들에 있어서, n-1번째로 주입되는 이온 프로파일이다. 여기서, 총 프로파일은 이온이 일정 간격으로 조사된 최종 형상이므로 전체 프로파일을 예측하기 위해서는 직전 프로파일에 현재 조사되는 영역의 프로파일을 더해주면 된다. 따라서, 상기 프로파일의 주입량이 상기 문턱 이온 조사량과 같아지는 값(χ)을 구함으로써, 최종 도트 크기를 예상할 수 있다.
이때, 상기 문턱 이온 조사량을 초과하는 주입량을 가지는 조사 범위가 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록 조사되는 이온 조사량은 실제로 이온 빔 장치로부터 상기 금속 필름으로 이온을 조사하는 시간을 조절함으로써 조절할 수 있다.
상기에서 설명한 문턱 이온 조사량 결정 및 전체 이온 조사량 조절을 통한 도트 크기 조절에 대한 일실시예로서, 이온 조사 간격(pitch)과 이온 조사량을 변화시키면서 가공되는 점의 크기를 실험값과 이온 조사 강도에 대한 시뮬레이션 결과를 통해 살펴보았다.
도 3에서 이온 조사량이 증가할수록 도트 크기는 증가하고, 피치가 작은 경 우에는 조사량의 크기에 의해 이온 주입 영역이 중첩되어 나노 점의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다. 도 3의 그래프 내부 이미지는 70 nm 피치의 철 금속에 대한 가공 결과로 나노 도트의 크기가 이온 도즈 증가에 따라 20 nm 에서 35 nm 로 커지는 것을 확인할 수 있다.
상기 그래프에서 확인할 수 있는 3 가지의 피치 및 이온 조사량에 따라 변화하는 나노 도트 크기를 통해 철 금속에 대한 문턱 이온 조사량은 3×1014 ions/cm2 으로 결정하고, 이온 조사량에 대한 상기 바이(bi) 가우시안 모델을 수립할 수 있었다.
문턱 이온 조사량 예측의 검증을 위해 1×1014 ions/cm2에서 9×1015 ions/cm2 까지 다양한 조사량에 의한 25nm 피치 가공을 하였다. 도 4의 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있듯이 1×1014 ions/cm2 이온 조사량에서는 전체 이온 강도가 문턱 이온 조사량을 넘지 못하기 때문에 습식 식각을 통해 갈륨 이온이 조사된 철 박막이 모두 제거가 되었고, 9×1015 ions/cm2 이온 조사량에서는 전체 이온 강도가 문턱 이온 조사량을 넘기 때문에 갈륨 이온이 조사된 영역 전체가 사진과 같이 사각 박스 형태의 철이 남아 있게 된다.
상기 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있듯이 3 ×1015 ions/cm2 이온 조사량에서 전체 조사 영역에 갈륨 이온이 주입되었지만 일부가 문턱 이온 조사량을 넘지 못하여 습식 식각을 통해 제거가 되었기 때문에, 도 5의 사진처럼 25 nm 피치의 나 노 도트가 제작되었다.
도 6은 상기와 같은 방법을 이용하여 제작된 원형 격자(circular grating)와 직경 15nm에서 100nm 크기의 원 형상 가공 결과이다. 일반적으로, 광학 소자에 응용 가능한 원형 격자의 피치는 100 nm 이며 폭은 30 nm이며, 상기와 같은 방법으로 제작된 금속 형상은 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 일 실시예로 금속 형상이 형성된 베이스 구조를 에칭하기 위한 마스크로서 사용될 수 있다.
이때, 상기 이온이 조사되는 기판 위의 금속 박막은 상업적으로 이용 가능한 다양한 재료의 금속이 사용될 수 있으며, 이온 침투 깊이를 고려하여 전자 빔 증발기(e-beam evaporator)로 증착을 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 층에 조사되는 이온은 사용되는 재료에 원하는 패턴의 형상 및 크기에 따라 다양하게 적용할 수 있으나, 바람직하게는 갈륨(Ga) 이온을 사용할 수 있다. 한편, 상기 이온이 조사된 금속 층의 제거는 일반적인 리소그라피 공정에서 사용되는 습식 식각(wet etching) 공정을 통하여 이루어지는 것이 바람직하다.
도 9는 금속 미세 형상 제작을 위한 본 발명의 공정 개략도이다. 간단히 살펴보면, 기판 위에 금속 박막을 이온 침투 깊이를 고려하여 전자 빔 증발기(e-beam evaporator)로 증착을 하고, 증착된 금속 박막에 집속 이온 빔 장치를 이용하여 선택적으로 이온 주입을 한 후, 금속을 용해시킬 수 있는 용매에 담근 후 세척한다.
도 10은 전자 증발기를 통해 증착한 알루미늄 박막에 선택적으로 갈륨을 조사한 이미지이며 어두운 도트 형상이 갈륨이 조사된 영역을 나타내며, 도 11은 습 식 식각 후의 결과 이미지로 갈륨이 조사되는 영역이 식각 용액을 통해 제거되지 않고 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 기판으로 사용된 실리콘과의 이차 전자 이미지 차이로 인해 밝은 부분이 알루미늄을 나타낸다.
또한, 상기와 같이 이온 주입 공정과 습식 식각 공정의 복합 공정을 이용한 본 발명의 나노 금속 구조물 제조 공정(도 9)은 기존의 선택적 금속 공정으로서 일반적으로 사용되는 리프트-오프(lift-off) 방법(도 8)에 비해 정밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 공정의 수 및 시간이 단축되어 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
즉, 집속 이온 빔 밀링(milling)은 이온 빔 강도 분포에 의해 재료 제거가 되어 이온 빔 정밀도에 의해 가공 정밀도가 결정이 되지만, 상기와 같이 최적화된 이온 주입과 연속되는 습식 식각 공정은 빔 사이즈에 의해 결정되는 기존의 방법보다 작은 크기를 가공할 수 있다.
한편, 본 발명의 나노 금속 구조물 제조 방법은 나노 금속 적층 구조물을 제조하는 데에도 응용할 수 있으며, 본 발명의 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법은 i) 기판상에 형성하고자 하는 적어도 하나 이상의 적층금속 나노구조물의 구조 및 각 금속 층 도트 크기에 따라 각기 고유의 문턱 이온 조사량을 가지는 금속들을 적층하는 단계; ii) 상기 금속 층들의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 상기 각 금속 층들의 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 결정하는 단계; iii) 상기 결정된 이온 조사량을 상기 금속 층에 조사하는 단계; 및 iv) 상기 이온 빔이 조사된 금속 층들을 제거하는 단계를 포함한다.
도 12에 도시된 공정도와 같이, 서로 다른 문턱 이온 조사량을 가지는 금속들을 적절한 순서로 적층한 후, 단일 이온 빔을 조사한 뒤 습식 식각 공정을 거치면, 기존의 선택적 금속 공정에서 사용되는 반복적인 공정을 거칠 필요 없이, 각 금속 층마다 서로 다른 문턱 이온 조사량을 초과하는 범위만이 남게 되어, 원하는 적층 나노 구조물을 얻을 수 있다.
또한, 복수 개의 이온빔을 이용한 다중 빔 가공 기술을 적용하면, 한번에 하나의 기판 위에 서로 다른 다양한 적층 구조물들을 형성할 수도 잇다.
상기에서 설명한 방법 및 시스템을 이용한, 이온 조사량 조절을 통한 선택적 이온 주입과 습식 식각 복합 공정을 통하여 다양하고 미세한 크기의 금속 나노 도트 및 다양한 형상을 가지는 금속 미세 구조물을 단축된 시간과 공정 수로 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명의 공정 및 시스템은 복잡한 제작 공정으로 구성된 리소그라피를 대체하고, 나노 와이어의 성장을 위한 기초 구조(seed), 차세대 정보저장기기인 패턴드 미디어, 광학 소자 등 다양한 분야에 적용 가능할 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
도 1은 갈륨 이온이 금속 표면에 침투되는 이온 주입 현상의 원리를 간략히 보여주는 개념도이다.
도 2는 거리에 따른 이온 강도로 표시한 이온 주입 프로파일(ion implanted profile)과 문턱 이온 조사량(threshold ion dose)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 이온 조사량에 따른 도트(dot) 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 이온 조사량에 따른 이온 주입 프로파일 그래프 및 그에 따른 금속 도트(dot) 제조 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 철금속 기판상에 형성된 25nm 간격의 나노 도트 결과 이미지이다.
도 6은 본 발명의 금속 구조물 제조 방법을 이용하여 제작된 원형 격자 (circular grating)를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 금속 구조물 제조 방법을 이용하여 제작된 직경 15 nm ~ 100 nm 크기의 원 형상 가공 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 기존의 금속 구조물 제조 과정을 보여주는 공정도이다.
도 9는 본 발명의 금속 구조물 제조 과정을 보여주는 공정도이다.
도 10은 본 발명의 금속 구조물 제조 과정에 따라 전자 증발기를 통해 증착한 알루미늄 박막에 선택적으로 갈륨을 조사한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 금속 구조물 제조 과정에 따른 습식 식각 후의 결과 이미지이다.
도 12는 본 발명의 적층 금속 구조물 제조 과정을 보여주는 공정도이다.

Claims (29)

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  13. i) 해당 금속의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 기판상에 형성하고자 하는 금속 구조물의 나노 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 결정하는 제1단계;
    ii) 상기 결정된 전체 이온 조사량을 상기 금속에 조사하는 제2단계; 및
    iii) 상기 이온이 조사된 금속 층을 제거하는 제3단계;
    를 포함하며,
    상기 제1단계의 문턱 이온 조사량이, 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1단계의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가, 하기식 (1)의 전체 이온 주입 프로파일(In(χ))에서 이온 주입량이 문턱 이온 조사량과 같아지는 해(χ)를 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
    Figure 112009055725412-pat00006
    (1)
    (상기 식에서 D는 이온 조사량이고, Pion은 금속 층에 주입되는 이온 프로파일이며, In - 1(χ)는 일정한 간격으로 금속 층에 주입되는 이온 프로파일들에 있어서, n-1번째로 주입되는 이온 프로파일임.)
  16. 제15항에 있어서, 상기 이온 프로파일(Pion)이 바이-가우시안 모델을 이용한 것임을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제1단계의 금속 층에 조사되는 이온 조사량의 조절이, 이온 조사 장치로부터 이온이 조사되는 시간을 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서, 이온이 조사되는 상기 금속 층이 전자 빔 증발기(e-beam evaporator)를 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 금속 층에 조사되는 이온이 갈륨(Ga) 이온인 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 이온이 조사된 금속 층의 제거가 습식 식각(wet etching) 공정을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  21. 제13항에 있어서, 상기 나노 금속 구조물이 상기 금속 구조물이 형성된 베이스(base)의 마스크(mask) 역할을 하는 것을 특징으로 하는 도트 크기가 조절된 나노 금속 구조물의 제조 방법.
  22. i) 기판상에 형성하고자 하는 적어도 하나 이상의 적층금속 나노구조물의 구조 및 각 금속 층 도트 크기에 따라 각기 고유의 문턱 이온 조사량을 가지는 금속들을 적층하는 제1단계;
    ii) 상기 금속 층들의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가 상기 각 금속 층들의 도트 크기와 일치하도록, 금속 층에 조사되는 이온 조사량을 결정하는 제2단계;
    iii) 상기 결정된 이온 조사량을 상기 금속 층에 조사하는 제3단계; 및
    iv) 상기 이온이 조사된 금속 층들을 제거하는 제4단계;
    를 포함하며,
    상기 제1단계의 문턱 이온 조사량이, 이온의 조사 간격 및 조사량에 따른 기판상에 형성되는 금속 구조물의 나노 도트 크기 수치 데이터들의 선형 함수를 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
  23. 삭제
  24. 제22항에 있어서, 상기 제2단계의 문턱 이온 조사량을 초과하는 이온 주입량을 가지는 조사 범위가, 하기식 (1)의 전체 이온 주입 프로파일(In(χ))에서 이온 주입량이 문턱 이온 조사량과 같아지는 해(χ)를 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
    Figure 112009055725412-pat00007
    (1)
    (상기 식에서 D는 이온 조사량이고, Pion은 금속 층에 주입되는 이온 프로파일이며, In - 1(χ)는 일정한 간격으로 금속 층에 주입되는 이온 프로파일들에 있어 서, n-1번째로 주입되는 이온 프로파일임.)
  25. 제24항에 있어서, 상기 이온 프로파일(Pion)이 바이-가우시안 모델을 이용한 것임을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 제2단계의 금속 층들에 조사되는 이온 조사량의 조절이, 이온 조사 장치로부터 이온이 조사되는 시간을 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 금속 층들이 전자 빔 증발기(e-beam evaporator)를 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
  28. 제22항에 있어서, 상기 금속 층에 조사되는 이온이 갈륨(Ga) 이온인 것을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
  29. 제22항에 있어서, 상기 이온이 조사된 금속 층의 제거가 습식 식각(wet etching) 공정을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 금속 적층 구조물의 제조 방법.
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