KR20040045418A - 나노리소그래피용의 개별적으로 어드레스 지정 가능한병렬 프로브 - Google Patents

나노리소그래피용의 개별적으로 어드레스 지정 가능한병렬 프로브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노리소그래피용의 초소형 프로브 어레이(32, 100)와 그 프로브 어레이 설계 및 제조 공정에 관한 것이다. 프로브 어레이는 바이메탈 열 작동 방법이나 정전기 작동 방법을 이용하여 독립적으로 이동될 수 있는 개개의 프로브(38, 54, 72, 104)로 구성된다. 프로브 어레이는 1 ㎛ 이하의 분해능으로 기판(24)에 확산 전사되는 화학 제품(26)의 트레이스를 형성하는 데 이용될 수 있으며, 또 전사 패턴의 추후 판독 및 변형을 위해 어레이 스캐닝 프로브 마이크로스코프로서의 기능을 할 수 있다.

Description

나노리소그래피용의 개별적으로 어드레스 지정 가능한 병렬 프로브{PARALLEL, INDIVIDUALLY ADDRESSABLE PROBES FOR NANOLITHOGRAPHY}
마이크로전자 산업 및 나노기술의 미래 성장에 있어서 초미세 선폭(예컨대, 약 10-100 nm)의 리소그래피 및 표면 패터닝을 높은 스루풋으로 행하는 것이 매우 중요하다. 다음 세대의 집적 회로 기술은 필수 불가결하게도 100 nm 이하의 선폭의 피처를 효율적이고 저비용으로 형성할 것을 요구한다. 또한 최근의 나노기술 분야는 처리 및 개조할 필요가 있는 분자 및 셀의 스케일과 비교할 수 있는 공간적인 분해능을 갖는 표면 패터닝 및 기능화를 요구한다.
마이크로전자 산업에서 지금까지도 가장 광범위하게 이용되는 종래의 광학 투사 리소그래피 시스템의 분해능은 광학 회절에 의해 제한된다. 그러한 분해능은 고에너지의 단파장을 갖는 빔 기반의 직접 기록 도구를 이용함으로써 개선될 수 있다. 전자 빔 및 X-레이에 의지하는 것들을 포함한 고에너지의 빔 라인이 이용되고 있다. 그러나, 그러한 직접 기록 리소그래피 시스템은 몇 가지 결함을 가지고 있다. 첫째로, 그러한 시스템은 변함없이 복잡하고 값비싸다는 점이다. 둘째로, 그러한 리소그래피 도구는 단일 빔으로 작동하고 직렬 방식으로 패턴을 형성함으로써 스루풋이 낮다는 점이다. 셋째로, 종래의 고분해능의 리소그래피 시스템은 생물학적 분자나 화학적 화합물로 이루어진 패턴을 증착할 수 없다는 점이다. 단지 특정한 화학적 레지스트만을 이용할 수 있다.
딥-펜(dip-pen) 나노리소그래피(DPN)는 최근 도입된 스캐닝 프로브 나노리소그래피 방법이다. DPN에 대해서는 PCT/US00/00319에 개시되어 있으며, 그것의 전체를 참고로 본 명세서에 통합한다. DPN의 기능은 스캐닝 프로브 팁으로부터 표면으로의, 때로는 대기 조건 하에서 그 팁과 샘플 사이에 자연적으로 생기는 워터 메니스커스를 통한 화학 종의 확산을 이용하여 나노스케일 패턴을 표면에 증착하는 것이다. 팁이 기판 표면을 이동할 때, 팁 표면의 분자는 팁과 기판 표면 사이에 생기는 워터 메니스커스를 통해 수송된다. 일단 분자가 표면에 수송되고 나면, 분자는 기판에 화학적으로 부착되어, 단단한 패턴을 형성하게 된다. 입수 가능한 상용 실리콘 질화물 팁으로 10 나노미터에서 수 나노미터에 이르는 범위의 피처를 제조할 수 있다. DPN 기록의 선폭에 영향을 미치는 요인 중 하나는 팁의 선 속도이다. 따라서 팁의 선 속도를 더 빨리 할 수록 선폭을 더 작게 할 수 있다. 선폭에 영향을 미치는 또 다른 요인으로는 DPN 팁의 날카로움과, 잉크로 사용하는 분자의 확산 상수가 있다.
DPN은 직접 기록 능력, 고분해능(∼ 10 nm의 선폭 분해능, 최대 ∼ 5 nm의 공간 분해능), 초고의 나노구조 레지스트레이션 능력, 다양한 분자를 기록 화합물(생체 (고) 분자 포함)과 기록 기판(Au, SiO2, GaAs 등)에 채용할 수 있는 유연성,다수의 화학적 또는 생화학적 기능을 단일 "나노칩"에 통합할 수 있는 능력, 패터닝 일층 처리, 주문형 소프트웨어를 이용한 패터닝 자동화 능력 등 유일한 이점을 다수 제공한다.
DPN 기술은 저비용 상용 스캐닝 프로브 마이크로스코프(SPM) 기구를 이용하여 구현될 수 있다. 통상의 구성에서, DPN 프로브 칩은 입수 가능한 상용 SPM 칩과 마찬가지로 SPM 스캐너 튜브에 장착된다. 프로브의 정확한 수평 및 수직 이동은 SPM 기구의 내부 레이저 신호 피드백 제어 시스템을 이용함으로써 달성될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 나노리소그래피 및 나노스케일 이미징 분야에 관한 것이다.
도 1은 화학적 화합물로 코팅되어 있는 단일 팁이 기판(기록 표면)을 가로지르고 있는 모습을 보여주는 DPN 프로세스의 개략도이다.
도 2는 보조 제어 유닛과 접속되어 있는, 본 발명의 일실시예에 따른 프로브 어레이를 구비한 병렬 나노리소그래피 기록 시스템의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 선택 프로브의 휘어짐 전후에 있어서의 열 작동식 바이메탈 프로브 어레이의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 프로브의 휘어짐 전후에 있어서의 열 작동식 바이메탈 프로브의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 작동식 프로브의 제조 프로세스의 주요 단계를 도시하는 개략도이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 도 5b 내지 도 5e에 도시한 제조 단계의 평면도를 보여주는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 작동식 프로브의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 작동식 프로브 어레이의 개략도이다.
도 9는 정전기 작동식 프로브의 평면도를 보여주는 개략도이다.
도 10a 내지 도 10f는 도 9의 절단면을 따라 표시 방향으로 절취한 개략도로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 작동식 프로브의 제조 단계를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차원 어레이 DPN 나노플로터의 개략도이다.
본 발명은 딥 펜 어레이에서 개별적으로 어드레스 지정 가능한 프로브를 나노스케일 이미징 뿐만 아니라 딥 펜 나노리소그래피와 같은 나노리소그래피에도 제공한다. 프로브에 연결된 액츄에이터에 전류 또는 전압을 공급하여 개개의 프로브를 독립적으로 작동시킴으로써, 종래의 단일 펜 DPN에서보다 더 우수한 기능을 제공하는 복수의 고성능 능동(active) 프로브를 갖는 프로브 어레이를 제공한다. 복수의 독립적으로 어드레스 지정 가능한 프로브는 동일 또는 상이한 화학 제품의 복수의 트레이스를 생성한다.
나노리소그래피를 위해 적어도 하나의 패터닝 화합물을 기판에 도포하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 병렬 프로브 어레이를 포함하며, 각 프로브는 캔털리버와; 상기 캔털리버의 말단에 위치하고, 상기 적어도 하나의 패터닝 화합물 중 하나를 상기 기판에 도포하는 팁과; 상기 캔털리버에 효과적으로 연결되는 액츄에이터를 포함한다. 상기 프로브는 나노리소그래피용으로 구성될 수 있다. 상기 액츄에이터는 인가 전류 또는 전압에 응답하여 상기 캔털리버를 이동시키고, 따라서 상기 팁을 이동시켜 상기 기판으로부터 떨어지게 하도록 설계된다. 개개의 프로브 팁과 기록 기판간의 접촉 상태를 독립적으로 제어할 수 있다. DPN 기록의 경우, 프로브 팁이 기판을 떠날 때 패터닝 프로세스가 잠시 중지된다. 다수의 바람직한 실시예를 개시하였다. 또한 고성능 능동 프로브 어레이 제조 방법도 제공된다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 액츄에이터는 인가된 전기 전류에 응답하여 상기 캔털리버를 휘어지게 하여 상기 팁을 상기 기판에 대하여 이동시킨다. 상기 액츄에이터는 열 작동식일 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 열 액츄에이터는 상기 캔털리버에 접속되는 저항성 히터와, 상기 저항성 히터를 전류원에 접속시키는 와이어를 포함한다. 상기 저항성 히터를 통해 전류가 인가되면, 저항 가열로 인해 열이 발생하고, 따라서 캔털리버 뿐만 아니라 저항의 온도가 상승한다. 캔털리버 재료와 금속 저항 재료간의 열 팽창 계수 차이로 인해, 캔털리버가 선택적으로 인가 전류에 응답하여 휘어지게 된다. 금속 박막의 패치를 캔털리버에 접속하여 열 휘어짐 정도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서, 상기 액츄에이터는 인가 전압에 응답하여 캔털리버를 휘어지게 한다. 액츄에이터는 정전기 작동식일 수 있다. 적어도 하나는 고정시켜 두지 않은 2개의 전극간에 상이한 전압을 인가하여 변위를 일으킨다.
정전기 액츄에이터의 바람직한 실시예는 팁의 맞은 편인 캔털리버의 내부 말단에 형성되는 패들 전극과, 상대 전극을 포함한다. 패들 전극은 상대 전극과 마주하며, 그 사이의 갭은 소정의 갭 간격을 갖는다. 상부 전극과 상대 전극의 양단에차동 전기 전압을 인가하면, 그 결과 발생하는 정전기 인력이 캔털리버 빔을 휘어지게 하여 팁 위치를 이동시킨다.
또한, 고속 프로브 기반의 나노리소그래피를 위해 적어도 하나의 패터닝 화합물을 기판에 도포하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 각각 말단에 팁을 구비한 개별적으로 어드레스 지정 가능한 프로브 어레이를 제공하는 단계와; 팁을 동일 또는 상이한 화학 물질로 코팅하는 단계와; 상기 팁이 상기 기판과 접촉하도록, 상기 기판 위에서 상기 개별적으로 어드레스 지정 가능한 프로브 어레이의 팁을 이동시키는 단계와; 상기 기판 표면 위에서 상기 프로브를 래스터 스캐닝하는 단계와; 상기 프로브 어레이 중에서 선택한 적어도 하나의 프로브를 선택적으로 작동시킴으로써, 상기 선택한 프로브의 팁을 이동시켜 상기 기판으로부터 떨어지게 하는 단계를 포함한다. 이로써, 상기 선택한 프로브는 패터닝 화합물을 상기 기판에 도포하지 않고, 선택하지 않은 프로브가 적어도 하나의 패터닝 화합물을 상기 기판에 도포하게 된다. 스캐닝 프로세스 중에 개개의 프로브의 위치를 제어하면서 프로브 어레이를 포함하는 칩을 래스터 스캐닝함으로써 임의의 이차원 패턴을 생성할 수 있다. 프로브는 나노리소그래피용으로 구성될 수 있다. 또한 프로브는 일반적으로 팁과 기판간의 상호 작용은 표면의 전기, 화학 또는 분자 상태를 변화시키는 다른 나노리소그래피 기술에도 적용될 수 있고, 또 이미징에도 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 방법에 따라, 선택한 적어도 하나의 프로브를 선택적으로 작동시키는 단계는 캔털리버에 접속된 저항성 히터에 전류를 인가하여 캔털리버 빔을 휘어지게 하는 단계를 포함한다. 캔털리버가 휘어지면, 팁이 이동하여 기판으로부터 떨어지게 되어, 기판 기록이 일시 중지된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 방법에 따라, 개개의 프로브를 선택적으로 작동시키는 단계는 상기 선택한 프로브의 말단에 위치하는 이동 전극과 상대 전극의 양단에 차동 전기 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 이로써, 이동 전극과 상대 전극이 서로를 향해 이동하여 바람직하게는 상기 선택한 프로브의 캔털리버가 휘어지고 팁이 이동하여 기판으로부터 떨어지게 된다.
일반적으로, 본 발명은 DPN과 같은 직접 기록 나노리소그래피를 달성하도록 설계된 고성능 능동(active) 프로브 및 고성능 능동 프로브 어레이를 제공한다. 본 발명에 따른 장치는 100 nm 이하의 패턴을 고속으로, 병렬로, 그리고 제어 가능한 방식으로 형성할 수 있다. 고기능 프로브 어레이는 프로브의 액츄에이터에 전류 또는 전압을 공급하여 개개의 프로브를 작동시킴으로써 더 우수한 기능을 제공한다. 본 발명은 주로 고성능 능동 프로브 어레이를 이용한 병렬 DPN 방법 및 장치, 그리고 고성능 능동 프로브 및 고성능 능동 프로브 어레이 제조 방법에 관한 것이다.
고성능 능동 프로브 어레이는 또한 스캐닝 프로브 마이크로스코프(SPM) 기구류를 기초로 한 다른 기존 또는 장래의 표면 패터닝 및 리소그래피 방법에 이용될 수 있다. 원자력 마이크로스코프(AFM)는 SPM 기구류의 일원으로 간주된다. 그러한리소그래피 시스템의 일례로는 지역적 열 산화 및 치환 리소그래피가 있다.
이제 도 1을 참조해 보면, 종래의 DPN 프로세스의 일례를 볼 수 있다. DPN은 나노스케일 패턴을 금과 같은 고체 기록 기판(24)에 증착(deposit) 또는 "기록(write)"하는 데 있어서 AFM 프로브(22)(또는 다른 SPM 프로브)의 캔털리버(cantilever)의 말단의 팁을 채용한다. 팁(20)은 그 팁에 코팅되어 있는 패터닝 화합물(26)을 기록 기판(24)에 도포한다. 패터닝 화합물(26)은 기록 기판(24)에 화학적 친화력을 갖는 소수성 패터닝 화합물[예컨대, 1-octadecanethiol(ODT), mercaptohexadecanoic acid(MHA) 등]일 수 있다.
종래의 거시적인 "딥 펜"(예컨대, 깃펜, 만년필, 볼펜, 멀티 펜 플로터 등)과 마찬가지로, DPN은 패터닝 화합물(26)을 팁(20)으로부터 기록 기판(24)으로 이송하여 패터닝 화합물의 패턴(28)을 형성하는 데 있어서 분자 (모세관) 수송을 채용한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 팁(20)과 기록 기판(24) 사이에는 작업 영역에서의 상대 습도로 인하여 워터 메니스커스(30)가 형성되고, 팁이 기록 방향 W로 기록 기판에 대하여 상대적으로 이동할 때 패터닝 화합물(26)이 그 워터 메니스커스를 통해 팁으로부터 기록 기판으로 수송된다.
초기의 DPN 프로세스는 단일 프로브(펜)(22)를 필요로 하였다. 또한 프로브간에 1.4 mm의 간격을 유지하는 8개에 이르는 상용 프로브(22) 어레이를 이용하여 복수의 패턴(28)을 기록 기판(24)에 기록하는 방식으로 병렬 패턴을 실현하였다. 이러한 기술은 또한 각 패턴이 생체 화합물과 같은 상이한 패터닝 화합물을 포함하는 다중 패턴(28)의 도포를 가능하게 한다. 병렬 기록은 또한 예컨대 집적 회로 형성 중에 패턴(28)을 형성하는 데 있어서 유용하다. 병렬 프로브 구조의 일례는 다음과 같은 문헌에서 찾아 볼 수 있다. R. Piner 등의 "dip-Pen" Nanolithography,Science, 1999, v. 283, pp. 661-663; S. Hong 등의 Multiple Ink Nanolithography: Toward a Muliple-Pen Nano-Plotter, 1999, v. 286, pp. 523-525; S. Hong 등의 A Nanoplotter with Both Parallel and Serial Writing Capabilities,Science, v. 288, pp. 1808-1811.
종래의 병렬 프로브 DPN 프로세스는 입수 가능한 상용 AFM 프로브(22)를 이용하여 수행된다. 개개의 프로브(22)를 다른 프로브와 독립적으로 이동시킬 수 없다. 그 때문에, 모든 프로브(22)를 동시에 이동시켜야만 한다. 또한, 현재의 병렬 DPN 어레이의 프로브간 간격은 어떤 DPN 적용에 있어서 너무 커서, 높은 스루풋의 고밀도 어레이형 DPN 기록 시스템의 요구를 충분히 만족시킬 수 없다. 본 발명은 독립적으로 고성능 능동적이고 초소형이며 바람직하게는 프로브간 간격이 밀접한 DPN 프로브 어레이를 구비한 나노플로터를 제공한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고성능 능동 멀티 펜 병렬 DPN 기록 시스템(32)의 개략도이다. 복수의 고성능 능동 프로브(38)를 포함하는 프로브 어레이를 구비한 DPN 프로브 칩(34)은 표준 단일 팁 AFM 프로브와 마찬가지로 AFM 스캐너 튜브(40)에 장착되어 있다. 그 프로브 칩(34)의 수평 및 수직 이동은 AFM 피드백 전자 장치(42)(통상은 피에조 튜브 전자 장치)가 제어한다.
고성능 능동 프로브(38)의 팁(20)이 기록 기판(24)과 접촉할 때, 바람직하게는 프로브 칩(34)이 패터닝을 위해 기판(24)을 따라 래스터 스캐닝되는 동안에, 접속되어 있는 보조 제어 회로(48)가 제어하는 통합형 액츄에이터(도 2에는 도시 생략)가 개개의 팁의 이동을 지시한다. 용어 "접촉"은 패터닝 화합물(26)의 패터닝을 가능하게 하기에 충분한 정도의 칩(20)과 기판(24)간의 근접을 의미한다. 제어 회로(48)로부터 프로브 칩(34)을 통해 전류 또는 전압이 공급되면, 액츄에이터는 고성능 능동 프로브(38)의 캔털리버(50)를 이동시켜 캔털리버의 말단의 팁(20)을 들어올려 기록 기판(24)으로부터 떨어지게 한다. 이로써 화학적 증착 프로세스가 일시 중지된다. 이와 같이, 고성능 능동 프로브(38)는 전류 또는 전압의 선택적 인가를 통해 개별적으로 제어됨으로써 높은 스루풋으로 임의의 패턴을 형성할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각 선택 프로브의 작동 전후에 있어서의, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 작동식 프로브(54) 어레이(56)의 개략도이다. 도 3a에서, 어레이(56)는 비작동 상태에 있는 5개의 열 작동식 프로브(54)를 구비하고 있다. 전류가 인가되면, 도 3b에 도시한 바와 같이, 두번째와 네번째의 열 작동식 프로브(화살표로 표시)가 위쪽으로(도 3a 및 도 3b에서, 종이 안으로) 휘어지고, 따라서 그의 팁(20)이 이동하여 기록 기판(24)으로부터 떨어지게 되어, 화학적 증착이 일시 중지된다. 당업자라면, 제어 회로(48)를 프로그래밍하여 패턴(28) 형성을 위한 전류의 선택적 분배를 제어할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
열 작동식 프로브(54)의 캔털리버 빔(50)의 재료로는 저압력 화학 기상 증착법(LPCVD)으로 형성한 실리콘 질화물 박막이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 열 작동식 프로브(54)는 적어도 저항성 히터(66)를 구비한 열 액츄에이터를 포함하는 실리콘 질화물 프로브를 형성함으로써 형성된다.
도 4a 및 도 4b는 각각 휘어지지 않은 상태와 휘어진(작동) 상태에 있는 열 작동식 프로브(54) 중 하나를 보여준다. 열 작동식 프로브(54)의 실리콘 질화물 캔털리버(50)에 패터닝되어 있는 저항성 히터(66)는 본딩 와이어(70)에 연결되고, 본딩 와이어(70)는 전류를 저항성 히터(66)에 전도한다. 본딩 와이어(70)는 제어 회로(48)에 연결되고, 제어 회로(48)는 전류를 본딩 와이어(70)에 선택적으로 분배하여 열 작동식 프로브(54)를 작동시킨다. 바람직하게는, 금속 막 패치(68)를 캔털리버(50)에 접속시켜 프로브(54)의 휘어짐을 증가시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5e와 도 6a 내지 6d는 열 작동식 프로브 어레이(56) 형성 단계로서, 각각 단일의 열 작동식 프로브(54)와 한 쌍의 열 작동식 프로브를 형성하는 단계를 보여준다. 도 5a를 참조해 보면, 실리콘 기판(62), 바람직하게는 <100> 배향 실리콘 웨이퍼의 앞면에 실리콘 이산화물 박막(60)을 성장시켜, 팁(20)을 형성하기 위한 보호 마스크를 형성한다. 산화물 층(60)을 포토리소그래피 방법으로 패터닝하여, 팁(20)을 형성하기 위한 보호 마스크를 얻는다. 도 5b에서(또한 도 6a에서), 에틸렌 디아민 파이로카테콜(EDP)의 이방성 습식 에칭을 이용하여, 피라미드 형태의 팁(20)을 이루는 실리콘 기판(62)의 일부를 형성한다. 다음에, 도 5c(도 6b)에 도시한 바와 같이, 에칭한 실리콘 기판(62)에 LPCVD 실리콘 질화물 층(64)을 증착하고 패터닝하여, 캔털리버(50)를 포함한, 열 작동식 고성능 능동 프로브(54)의 형태를 형성한다. 도 5d(도 6c)에 도시한 바와 같이, 예컨대 Cr/Au를 실리콘 질화물 층(64)에 증착하고 패터닝하여, 열 작동식 고성능 능동 프로브(54)에 저항성(ohmic) 히터(66)와 (임의의) 금속 패치(68)를 형성함으로써, 통합형 바이메탈 열 액츄에이터를 형성한다. 다음에, EDP 에칭에 의해 지지 기판(62)을 언더컷하여 열 작동식 프로브(54)를 방출한다. 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(62)의 일부는 열 작동식 프로브(54)에 핸들을 제공한다.
동작시, 전류가 인가되면, 열 작동식 프로브(54)는 도 4b에 도시한 바와 같이 그 길이를 따라 휘어져 팁(20)이 이동하는데, 이는 열 작동식 프로브에서 저항성 히터(66) 및 임의의 패치(68)용 금속과 캔털리버(50)간의 열 팽창률의 상이함으로 인한 것이다. 바람직한 동작 방법에 있어서, 제어 회로(48)가 전류를 본딩 와이어(70)를 통해 저항성 히터(66)에 전도하면, 실리콘 질화물 캔털리버(50)와 금 패치(68)간의 열 팽창률의 상이함으로 인하여, 열 작동식 프로브(54)가 반경 R의 원호로 휘어지게 된다.
ΔT의 소정의 온도 변화 하에서 R의 표현식은 대략 다음과 같다.
파라미터 w, t, E 및 α는 각각 폭, 두께, Young의 탄성 계수 및 재료 1, 2로 표시한 2개의 구성 재료의 열 팽창 계수이다. 아랫 첨자는 이 2개의 재료에 해당된다. 열 액츄에이터의 온도는 빔의 열 평형에 의해 규정된다. 열은 저항 가열에 의해 발생되고 전도 및 대류를 통해 감소된다.
열 작동식 프로브(54)에 있어서, 캔털리버 빔(50)의 휘어짐은 팁(20)의 휘어짐 δ를 유발한다.
따라서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 선택 본딩 와이어(70)를 통해 전류가 인가되면, 그 본딩 와이어(70)에 접속되어 있는 열 작동식 프로브(54)의 캔털리버(50)가 위쪽으로 휘어져 팁(20)이 이동하게 된다.
프로브 기반의 나노리소그래피의 스루풋은 다수의 고성능 능동 프로브(38)를 병렬로 프로브 칩(34)에 통합하면 매우 높아질 수 있다. 전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 열 작동식 프로브(56)에 의하면, 높은 프로브 밀도(중심간 간격이 100 ㎛)로 날카로운 팁이 통합되어 있는 콤팩트한 나노플로터를 얻을 수 있으며 또 나노리소그래피 및 AFM 이미징에 이용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 정전기 작동식 프로브(72)를 도 7에 바람직한 실시예로 도시하였다. 바람직하게는, 도 8에 바람직한 실시예로 도시한 바와 같이, 프로브(72)를 프로브 칩(34)과 결합한 정전기 프로브 어레이(74) 단위로 형성하는 것이 좋다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 정전기 작동식 프로브(72)는 정전기 액츄에이터(76)를 포함하며, 이것은 팁(20)의 종 방향 맞은 편, 캔털리버(50)의 내부 종 방향 종단에 패들 모양의 플레이트(78)를 포함할 수 있다. 패들 모양의 플레이트(78)는 정전기 작동식 프로브(72)와 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 정전기 액츄에이터(76)는 또한 패들 모양의 플에이트(78)와 정전기적으로 상호 작용하는, 바람직하게는 고정시켜 놓은 상대 전극(81)을 포함하며, 이것은 프로브 칩(34)에 형성될 수도 있다. 상대 전극(81)은 상대 전극의 종 방향 맞은 편에 위치하는 다수의 본딩 패드(85)에 전기적으로 접속되는 병렬 전극 어레이의 일부로 형성될 수 있으며, 양자 모두 유리 기판(94)에 패터닝거나 부착되거나, 달리 형성 또는 부착되며, 이 때 유리 기판(94)은 완성된 실시예에서 상대 전극과 접속 본딩 패드의 어레이를 커버한다. 본딩 패드(85)는 바람직하게는 제어 회로(48)에 전기적으로 접속되고, 제어 회로(48)는 하나 이상의 본딩 패드에 전압을 선택적으로 인가한다. 상대 전극(81)과 본딩 패드(85)를 포함하는 유리층(94)을 제조하는 방법은 당업자에게는 명백한 것이다.
또한 정전기 작동식 프로브(72)를 캔털리버(50)의 도중에서, 바람직하게는 캔털리버의 중앙에서 또는 그 가까이에서 콤팩트한 소프트 스프링(80)에 의해 지지함으로써, 정전기 작동식 프로브에 토션(torsion) 지지체를 제공하여, 프로브의 휘어짐 및 그에 따른 각 이동을 가능하게 함으로써, 프로브의 칩(20)을 이동시키는 것이 바람직하다. 도 8에 도시한 바와 같이, 개개의 프로브를 횡 방향으로 관통하여 연장되는 단일 부품(예컨대, 트위스트 빔)의 한 섹션을 정전기 작동식 프로브(72) 어레이(74)의 각 프로브의 스프링(80)으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 각 섹션의 스프링(80)은 캔털리버(50)의 종 방향에 평행한 방향의 단면을 상대적으로 작게 하는 것이 바람직하다. 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 스프링(80)의 치수, 예컨대 단면적, 칩(20)에 대한 위치 등을 경계 조건에 따라 변화시켜, 캔털리버(50)의 각도 유연성을 제어할 수 있다.
도 9는 정전기 작동식 프로브(72)의 바람직한 실시예의 평면도이다. 캔털리버(50), 패들 모양의 플레이트(78) 그리고 소프트 스프링(80)을 붕소 도핑 실리콘으로부터 일체형으로 형성하는 것이 바람직하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이 재료는 EDP 용액에서 에칭 속도가 낮아야 한다는 점과, 전기 전도성이 상대적으로 높아야 한다는 점에서 모두 바람직하다.
정전기 작동식 프로브(72)의 바람직한 제조 방법을 도 10a 내지 도 10f에 도시하였다. 먼저 도 10a를 참조해 보면, <100> 배향 실리콘 웨이퍼(86)와 에피택셜 <100> 배향 실리콘 층(88) 사이에 개재되어 있는 고농도 붕소 도핑 실리콘 층(84)을 포함하는 3층 웨이퍼의 앞면에 실리콘 이산화물 층(82)을 성장시킨다. 이와 달리, 실리콘 층(84)을 인으로 도핑할 수도 있다. 실리콘 이산화물 층(82)은 팁(20)을 형성하기 위한 마스크의 경계면을 이룬다. 더욱이, 실리콘 이산화물 층(82)은 정전기 작동식 프로브(72)를 별도의 유리 기판(94)에 패터닝되는 상대 전극(81)으로부터 수직으로 분리시키는 스페이서(90)를 형성하기 위한 경계면도 이룰 수 있다. 도 10b에 도시한 바와 같이, EDP 에칭에 의해 에피택셜 실리콘 층(88)으로부터 실리콘 팁(20)과 스페이서(90)를 형성한다. 다음에, 도 10c에 도시한 바와 같이, 칩(20), 스페이서(90) 그리고 붕소 도핑 실리콘 층(84)을 포함하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼(88) 위에 열 산화물 층(92)을 성장시켜, 최종 방출 중에 앞면을 보호한다. 다음에, 도 10d에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(86)를 EDP 에칭하여 붕소 도핑 실리콘 층(84) 아래에 있는 재료를 제거하고, 붕소 도핑 실리콘 캔털리버(50)를 방출한다.
다음에, 도 10e에 도시한 바와 같이, 열 산화물 층(92)을 제거하여, 붕소 도핑 실리콘 층(84)으로부터, 어레이의 각 프로브마다, 바람직하게는 캔털리버(50), 소프트 스프링(80) 그리고 패들 모양의 플레이트(78)를 일체형으로 포함하는 정전기 작동식 프로브(72)를 형성한다. 바람직하게는, 패들 모양의 플레이트(78)와 소프트 스프링(80) 사이에 종 방향으로 배치되는 캔털리버(50) 부분을 캔털리버의 말단 부분보다 횡 방향, 즉 소프트 스프링의 길이에 평행한 방향에 따른 단면적을 더 넓게 하는 것이 좋다. 이와 같이, 휘어짐 토크가 지지 스프링(80)에 충분히 전달되기 때문에 팁(20)의 휘어짐이 더 커진다. 다음에, 정전기 작동식 프로브(72)를 방출한다.
마지막으로, 도 10f에 도시한 바와 같이, 스페이서(90) 위에 유리 층(94)과 접속 상대 전극(81)을 형성 또는 배치한다.
전술한 바람직한 제조 방법에 의하면, 중심간 간격이 대략 620 ㎛이고 날카로운 팁(20)(바람직하게는, 휘어짐 반경이 <100 nm)을 갖는 정전기 작동식 프로브(72)를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 작동식 프로브(72)를 DPN 기록 및 AFM 이미징에 모두 이용할 수 있다.
본딩 와이어(도시 생략)는 바람직하게는 패들 모양의 플레이트(78)를 접지 전위에 접속시키고, 상대 전극(81)은 바람직하게는 본딩 패드(85)를 통해 제어 회로(48)에 전기적으로 연결되어 전압을 인가받는다. 이와 달리, 패들 모양의 플레이트(78)와 상대 전극(81)의 전기 전위를 반대로 할 수도 있다는 것을 알아야 한다. 즉 패들 모양의 플레이트를 전압원에 연결하고, 상대 전극을 접지에 연결할 수도있다. 당업자라면, 그러한 대체 실시예에 필요한 변형을 이해할 수 있을 것이다.
바람직한 동작 방법에 있어서, 패들 모양의 플레이트(78)에 전압을 인가하여 패들 모양의 플레이트(78)에 전위를 인가하고, 전도성 상대 전극(81)을 접지에 연결한다. 이와 달리, 상대 전극(81)과 패들 모양의 플레이트(78) 사이에서 전압 인가와 접지화 기능을 반대로 할 수도 있다. 어떤 동작이든 바람직하게는 서로 스페이서(90)에 의해 분리되어 있는 상대 전극(81)과 패들 모양의 플레이트(78)의 양단에 차동 전기 전압을 인가하게 된다. 그러면 상대 전극(81)과 패들 모양의 플레이트(78)간에 인력이 생겨 서로 잡아 당기게 되고, 따라서 캔털리버(50)가 휘어지고, 또 바람직하게는 캔털리버(50)가 소프트 스프링(80)에 대해 각도 편향됨으로써, 팁(20)이 이동하여 기판(24)으로부터 떨어지게 된다. 열 작동식 프로브(54)에서와 같이, 선택적으로 팁(20)을 들어올려 기록(또는 이미징) 프로세스를 일시 중지시킬 수 있다.
다수의 바람직한 실시예를 고성능 능동 일차원 어레이에 대하여 기술하였다. 그러나, 이차원 어레이 또한 가능하다. 도 11은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차원 어레이(100)를 보여준다. 도 11에 도시한 이차원 어레이(100)는 6행 5열의 하향 각을 이루는 프로브(104)를 구비한 칩(102)을 포함한다. 하향 각을 이루는 프로브(104)는 예컨대 열 작동식 프로브 어레이(56)의 형성 프로세스를 변형하여 제조할 수 있는데, 즉 이차원 어레이(100)를 따라 바람직하게는 고르게 배치되어 있는 공동(반복되는 셀)에서부터 개개의 열 작동식 프로브(54)의 캔털리버를 연장시켜 제조할 수 있다. 바람직하게는 열 작동식 프로브(54)를 하향 각을 이루는 프로브(104)로서 이차원 어레이(100)로 통합할 수 있는데, 이는 각각의 캔털리버(50)의 길이를 더 짧게 하면 되기 때문이다. 당업자라면, 이차원 어레이(100)에서 열 작동식 프로브(54)의 제조 및 동작 단계를 변형하는 방법을 이해할 수 있을 것이다.
당업자라면, 다양한 특성 및 이점을 갖는 DPN 어레이에 대한 몇 가지 발명적인 장치 및 방법을 보여주고 설명하였다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 각 프로브를 전류 또는 전압 인가에 의해 개별적으로 어드레스 지정하고 작동시킬 수 있도록 구성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 열 작동식 또는 정전기 작동식 고성능 능동 프로브 어레이는 종래의 방법과 비교할 수 있는 스루풋과 더 개선된 분해능으로 임의의 패턴을 형성할 수 있도록 해준다.
본 발명의 다양한 실시예를 보여주고 설명하였지만, 다른 변형, 치환 및 대체 실시예도 당업자에게는 명백하다는 것을 알아야 한다. 그러한 변형, 치환 및 대체 실시예는 첨부한 청구범위로부터 결정되어야만 하는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 다양한 특징을 첨부한 청구범위에 기술하였다.

Claims (15)

  1. 나노리소그래피를 위해 적어도 하나의 패터닝 화합물(26)을 기판(24)에 도포하기 위한 장치(32, 100)에 있어서,
    병렬로 배치되는 작동식 프로브(38, 54, 72, 104) 어레이(56, 74)
    를 포함하며, 상기 작동식 프로브의 각각은,
    캔털리버(50)와;
    상기 캔털리버의 말단에 위치하고, 상기 적어도 하나의 패터닝 화합물 중 하나를 상기 기판에 도포하는 팁(20)과;
    상기 캔털리버에 효과적으로 연결되고, 인가 전류 또는 전압에 응답하여 상기 캔털리버를 이동시켜 상기 팁을 상기 기판에 대하여 이동시키는 액츄에이터(66, 68, 76)를 포함하는 것인 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작동식 프로브 어레이의 각각은 딥 펜 나노리소그래피용으로 구성되는 것인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캔털리버는 전류원 또는 전압원으로부터의 상기 전류 또는 전압에 응답하여 휘어져 상기 팁을 이동시키는 것인 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액츄에이터는 열 액츄에이터(66, 68)인 것인 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 액츄에이터는 정전기 액츄에이터(76)인 것인 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 열 액츄에이터는,
    상기 캔털리버에 접속되고, 상기 전류에 응답하여 선택적으로 동작 가능한 저항성 히터(66)와;
    상기 저항성 히터를 전류원(48)에 전기적으로 접속시키는 와이어(70)를 더 포함하며,
    상기 전류원으로부터 상기 저항성 히터에 전류가 인가되면 상기 캔털리버가 휘어지게 되는 것인 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열 액츄에이터는,
    상기 캔털리버에 접속되고, 상기 캔털리버의 열 팽창 계수와는 다른 열 팽창 계수를 갖는 금속 패치(68)를 더 포함하는 것인 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 정전기 액츄에이터는,
    상기 팁의 맞은 편인 상기 캔털리버의 또 다른 말단에 형성되는 제1 전극(78)과;
    상기 제1 전극과 정전기적으로 상호 작용하는 제2 전극(81)을 더 포함하며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 전압원(48)에 연결되고,
    상기 전압원으로부터의 상기 전압을 선택적으로 분배하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 양단에 차동 전기 전압을 일으켜, 상기 캔털리버의 적어도 일부를 휘어지게 하는 것인 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캔털리버의 도중에 접속되는 토션 지지체(80)를 더 포함하며,
    상기 캔털리버는 상기 정전기 액츄에이터의 동작 중에 상기 토션 지지체에 대해 각도 편향되는 것인 장치.
  10. 제4항에 있어서, 상기 캔털리버는 저압력 화학 기상 증착법에 의해 성장되는 실리콘 질화물 박막(60)으로 이루어지는 것인 장치.
  11. 제5항에 있어서, 상기 캔털리버는 붕소 또는 인으로 도핑된 실리콘(84)으로 이루어지는 것인 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 어레이는 이차원인 것인 장치.
  13. 나노리소그래피를 위해 적어도 하나의 패터닝 화합물(26)을 기판(24)에 임의의 패턴(28)으로 도포하기 위한 방법(32, 100)에 있어서,
    각각 말단에 팁(20)을 구비한 복수의 선택적 작동식 프로브(38, 54, 72,104)를 제공하는 단계와;
    상기 팁을 상기 적어도 하나의 패터닝 화합물로 코팅하는 단계와;
    상기 팁이 상기 기판 가까이에 위치하거나 상기 기판과 접촉하여 상기 적어도 하나의 패터닝 화합물을 인가할 수 있도록, 상기 기판 위에서 상기 복수의 선택적 작동식 프로브의 팁을 이동시키는 단계와;
    상기 기판 위에서 상기 팁을 래스터 스캐닝하는 단계와;
    상기 래스터 스캐닝 단계 중에, 상기 선택적 작동식 프로브 어레이 중에서 선택한 적어도 하나의 프로브를 선택적으로 작동시킴으로써, 상기 선택한 프로브의 팁을 이동시켜 상기 기판으로부터 떨어지게 하는 단계
    를 포함하며,
    이로써, 상기 선택한 적어도 하나의 프로브는 상기 적어도 하나의 패터닝 화합물을 상기 기판에 도포하지 않고, 선택하지 않은 프로브가 상기 적어도 하나의 패터닝 화합물을 상기 기판에 도포하게 되는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 선택적 작동식 프로브 어레이 중에서 선택한 적어도 하나의 프로브를 선택적으로 작동시키는 단계는 상기 선택한 프로브에 결합된 저항성 히터(66)에 전류를 인가하여 상기 선택한 프로브의 일부분을 휘어지게 하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 선택한 프로브를 선택적으로 작동시키는 단계는 상기선택한 프로브의 말단에 위치하는 제1 전극(78)과 제2 전극(81)의 양단에 차동 전기 전압을 인가하는 단계를 포함하며,
    이로써, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 서로를 향해 이동하여 상기 선택한 프로브가 휘어지게 되는 것인 방법.
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