KR20040091377A - 백나노미터 이하의 고정밀 나노 미세패턴 및 자성 금속 점정렬 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 패턴화를 요하는 금속박막 위에 규칙적인 다공성 고분자 패턴을 형성하는 단계; 마스크용 금속을 상기 형성된 홀에 선택적으로 증착하는 단계; 선택적으로 고분자층을 제거하는 단계; 및 상기 패턴화를 요하는 금속박막을 식각하는 단계를 포함하는 금속점 정렬의 형성방법을 제공한다.
상기 구성에 의하면, 종래 광식각 공정으로는 구현하기 힘든 백나노미터 이하의 미세패턴화가 가능하고, 간단한 공정에 의해 다양한 크기와 모양의 금속패턴을 형성할 수 있다. 또한 미리 원하는 성질의 자성 금속을 증착하므로 자성금속의 선택이 자유롭고, 사용되는 마스크 금속의 성질에 따라 종횡비가 큰 금속패턴을 형성하는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 각종 산업용 소자에 유용하게 사용되는 자성 금속점 정렬의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백나노미터 이하의 미세패턴화가 가능하고, 간단한 공정에 의해 다양한 크기와 모양의 금속패턴을 형성할 수 있는 방법에 관한것이다.
최근, 백나노미터 이하의 패턴을 제조하기 위해서 지금까지의 광식각 공정을 대신하는 미세패턴의 제조에 관한 여러 새로운 시도들이 행해지고 있다. 반도체 공정에서 기기의 소형화, 고집적화는 시간, 비용, 시료의 크기를 감소시키고, 새로운 기능을 향상시키기 위해서 매우 중요하다. 하지만, 현재 널리 사용되고 있는 반도체 광식각 공정으로는 해상도의 한계로 인해 백나노미터 이하의 패턴을 제조하기는 힘들다고 알려져 있다. 또한, 최근까지 많은 메모리 제품이 자성물질의 자기이방성을 증가시킴으로써 자기 밀도를 증가시켜 왔다. 하지만 이러한 방법은 연속상의 자성박막에서는 100Gbit 이상일 경우 열안정성[thermal instability (superparamagnetic limit)]의 문제로 인해 그 적용이 불가능하다.
이에, 백나노미터 이하의 미세 패턴을 제조하기 위해서 전자빔(E-beam), 엑스선(x-ray) 식각방법 등이 연구되어지고 있으나, 고가의 장비와 공정시간의 긴 문제점 등을 안고 있다. 블록공중합체의 자기조립을 이용할 경우 가격이 저렴하고 공정이 용이할 뿐만 아니라 패턴크기와 구조가 블록의 성질과 크기에 따라 조절이 가능 하다는 장점이 있다.
최근 블록 공중합체의 자기조립을 이용하여 수 나노에서 수십 나노미터 크기의 미세패턴을 제조하는 연구가 활발히 진행되어지고 있다 (참조: Science vol 276, pp 1401-1404, Nature vol 405, pp 433-437, Adv. Mater. vol 12, pp 787-791). 하지만 이를 이용한 금속 나노 패턴의 연구결과는 매우 미진한 상태이며, 패턴의 종횡비의 한계나 사용되어지는 물질의 종류에 제한이 수반되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래기술이 가지는 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 백나노미터 이하의 미세패턴화가 가능하고, 간단한 공정에 의해 다양한 크기와 모양의 금속패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 자성금속의 선택이 자유롭고, 사용되는 마스크 금속의 성질에 따라 종횡비가 큰 금속패턴을 형성하는 것이 가능한 방법을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노패턴 형성과 자성 금속 점 제조의 개략도
도 2는 자성금속 박막 위에 형성된 고분자 나노패턴의 전자현미경 사진(a, b), 및 AFM 이미지(c)
도 3은 마스크 금속을 선택적으로 증착하고 식각하여 제조된 자성 금속 점의 광학현미경 사진(a) 및 AFM 이미지(b)
도 4는 패턴화된 자성 금속 점의 자기 이력 곡선
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은
패턴화를 요하는 금속박막 위에 규칙적인 다공성 고분자 패턴을 형성하는 단계; 마스크용 금속을 상기 형성된 홀에 선택적으로 증착하는 단계; 선택적으로 고분자층을 제거하는 단계; 및 상기 패턴화를 요하는 금속박막을 식각하는 단계를 포함하는 금속점 정렬의 형성방법을 제공한다.
상기 본 발명의 구성에 의하면 종래 광식각 공정으로는 구현하기 힘든 백나노미터 이하의 미세패턴화가 가능하고, 간단한 공정에 의해 다양한 크기와 모양의 금속패턴을 형성할 수 있다. 또한 미리 원하는 성질의 자성 금속을 증착하므로 자성금속의 선택이 자유롭고, 사용되는 마스크 금속의 성질에 따라 종횡비가 큰 금속패턴을 형성하는 것이 가능하다.
상기 금속박막은 강자성 물질로서, 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, 예를 들면 Co 또는 이를 포함한 합금(예를 들면, CoCrPt, CoCrTa, CoPt, CoPd), FePt, FeO3, FePd, SmCo5,MnAl, FeNdB 의 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다.
금속박막의 증착방법은 이미 공지된 방법, 예를 들어 마그네트론 증착(dc Magnetron sputtering), 열증착(thermal evaporation), 이온빔증착(ion beam sputtering), 전자빔증착 (electron beam sputtering) 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
상기에서 다공성 고분자 패턴의 형성과정은 바람직하게는 블록공중합체를 패턴화를 요하는 금속 위에 자기조립시키는 단계; 서로 다른 블록들간의 식각에 대한 선택성을 이용해 어느 하나의 블록을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 자기조립과정에 대한 구체적인 예는 (M. Park, C. Harrison, P.M. Chaikin, R.A. Register and D.H. Adamson.Science1997,276,14; T. Thurn-Albrecht, R. Steiner, J. DeRouchey, C.M. Stafford, E. Huang, M. Bal, M.T.Tuominen, C.J. Hawker and T.P. Russell,Adv. Mater. 2000,12, 787)에 상세하게 기록되어 있다.
자기조립된 블록공중합체를 구성하는 특정 블록의 제거는 UV조사, 오존을 이용한 이중결합을 가진 고분자의 에칭, 유무기 블록 중에서 건식식각인 반응성이온식각에 대한 에칭선택도에 따른 유기블록 제거 등에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
상기 블록공중합체는 바람직하게는 구형의 것으로서, 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 구조내에 적어도 어느 하나의 블록이 아크릴레이트류 또는 주쇄에 이중결합을 가지는 고분자, 예를 들면, 폴리스티렌-폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스티렌-폴리부타디엔, 폴리스티렌-폴리이소프렌, 폴리에틸렌옥사이드-폴리메타메틸아크릴레이트, 폴리스티렌-포리소디움메타아크릴레이트, 폴리스티렌-폴리부틸메타아크릴레이트, 폴리바이닐피리딘-폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스티렌-폴리아크릴에시드, 폴리스티렌-폴리아크릴에시드에서 적어도 하나 이상 선택될 수 있으며, 이들에 한정되지 않는다.
또한, 상기 블록공중합체는 어느 하나의 블록이 금속 또는 세라믹을 포함한 무기물 고분자이며, 다른 하나의 고분자는 유기고분자인 것을 포함한다. 상기에서 금속은 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, 예를 들면, Fe, Al, Mo, Ca등이다. 상기에서 세라믹은 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, 예를 들면 Si를 포함한 실록세인폴리머가 대표적이다. 상기에서 유기고분자는 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, 예를 들면, PVC, PE, PI, PB, PMMA, PP, PS, PEO 등의 모든 유기고분자가 사용될 수 있다.
마스크용 금속은 특별한 한정을 요하지 않으며, 예를 들면 자성박막으로 사용된 금속인 Co 또는 이를 포함한 합금(Co, CoCrPt, CoCrTa, CoPt, CoPd), FePt, FeO3, FePd, SmCo5,MnAl, FeNdB, CrTi, CrMn, CrMo, Ti, Pd, Au, Ni, Cr 등의 군에서 적어도 1종이 선택될 수 있다.
상기 마스크용 금속의 증착과정은 이미 공지된 방법, 예를 들어 마그네트론 증착(dc Magnetron sputtering), 열증착(thermal evaporation), 이온빔증착(ion beam sputtering), 전자빔증착(electron beam sputtering) 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
고분자 층의 식각과정은 이미 공지된 방법, 예를 들어 02, CF4, SF6, CHF3플라즈마를 이용한 반응성이온식각(RIE) 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
금속박막의 식각과정은 이미 공지된 방법, 예를 들어 Ar, He, Kr, Xe 원자를이용한 이온빔식각공정의 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
이하 본 발명의 내용을 구체적인 제조예를 들어 보다 상세히 설명한다.
도 1에서, 단계 a는 패턴화 하고자 하는 금속 박막 위에 수십나노미터 두께의 블록공중합체 박막이 코팅되어 있는 모습이다. 본 제조예에서는 공중합체의 한쪽 블록으로 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 도입되고 있다.
폴리메틸메타아크릴레이트는 UV에 의해 선택적으로 제거되며 원하는 수준의 박막 두께와 적합한 패턴을 위해서 플라즈마를 이용한 반응성이온식각(RIE)이 사용된다(단계 b). 도 1의 단계 b의 고분자 패턴 위에 형성된 다공속으로 마스크로 사용되는 금속을 선택적으로 증착시킨다(단계 c).
아르곤이온식각(ion milling)과 산소플라즈마를 이용해서 선택적으로 고분자를 제거하고 금속을 식각하여 최종적으로 금속 나노 점(meta nanodot) 정렬을 얻을 수 있다(단계 d). 단계 e는 단계 c에서 단계 d로 가는 식각과정의 중간단계를 보여주고 있다.
블록공중합체는 두개 이상의 화학적으로 다른 블록들이 공유결합에 의해 서로 결합되어 좀더 크거나 복잡한 구조를 가지는 거대분자이다. 블록공중합체를 구성하는 블록의 화학적 성질과 블록의 길이(혹은 분자량), 그리고 부피조성에 따라서 그 상분리 구조와 크기가 다르게 나타나며 일반적으로 약 십에서 백 나노미터 사이의 패턴의 크기를 가진다. 예를 들어, 이공중합체(diblock copolymer)의 경우조성비에 따라 판상(lamellar), 나선형(gyroid), 원통형(cylinder), 구형 (spherical)등의 구조를 가지며 삼공중합체 혹은 그 이상의 복잡한 공중합체는 더 많은 다양한 구조들을 형성할 수 있다.
본 발명에 적용가능한 공중합체가 가져야 하는 성질로는 다음과 같다.
첫째, 화학적으로 다른 구조를 가져서 상분리가 자발적으로 일어나는 것이어야 하며 판상형, 원통형, 구형 중에서 금속 점들을 만들기 위해서는 구형의 구조를 가지는 것이 바람직하다. 금속 선들을 제조하는 목적으로는 판상형과 원통형의 구조가 사용될 수 있다.
둘째, 바람직하게는 서로 다른 블록들 간의 식각 선택도가 상이해서 한쪽을 선택적으로 쉽게 제거할 수 있어야 한다. 이러한 공중합체의 예로는 한쪽블록이 아크릴레이트류인 고분자[예를 들면, 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-b-PMMA) 등], 한쪽블록이 주쇄에 이중결합을 가지는 고분자[예를 들면, 폴리스타이렌과-폴리부타디엔(PS-b-PB) 등] 등이 여기에 해당된다. 이 외에도 한쪽블록이 금속이나 세라믹을 포함한 무기물고분자이고 다른 쪽이 유기고분자인 경우에도 열이나 플라즈마에 대한 저항성 차이를 이용해서 한쪽을 쉽게 제거할 수 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 방법은 기존의 패턴을 먼저 만든 후 선택적으로 금속을 성장시키는 방법들에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 미리 원하는 금속의 성질을 조절한 후에 패턴화가 가능하다.
둘째, 기존의 패턴을 만들고 난 이후 원하는 금속을 선택적으로 증착하는 경우 고분자 패턴 깊이의 한계와 선택적 증착의 한계로 인해 종횡비가 큰 금속 점을 만들기 어려운 반면, 본 발명의 방법은 미리 원하는 박막을 형성하고 마스크 금속을 증착하기 때문에, 원하는 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있고 마스크 금속의 성질에 따라 더 종횡비가 큰 금속 패턴을 만들 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명의 내용을 바람직한 실시예를 통해 예시하는 바, 본 발명의 권리범위가 실시예의 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
본 발명이 보다 효과적이기 위해서는 다음과 같은 특별한 처리가 가해지는 것이 바람직하다.
첫째, 고분자와 금속간의 접착력을 증가시키기 위해서 블록공중합체를 코팅하기 전에 목적하는 금속의 표면을 산소 플라즈마 처리 등을 수행한다.
둘째, 도 1의 단계 c에서 고분자를 효과적으로 제거하기 위해서는 이온밀링을 먼저 수행하고 산소플라즈마 에칭을 수행하는 것이 좋다. 이러한 이유는 고분자층의 상부에 약간의 금속이 증착되어 있기 때문에 직접적인 산소플라즈마 식각에 의해서는 고분자를 충분히 제거할 수 없기 때문이다.
다공성 패턴의 제조
본 실시예에서는 십에서 이십 나노미터 수준의 다공성 패턴을 제조하기 위해서 구형의 구조를 가지는 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트가 사용되었다. 목적 금속은 반도체 자기 기억소자로 사용되는 Co68Cr18Pt14혼합금속으로 이십나노미터의 두께로 웨이퍼 위에 증착되었다. 상기 금속층 위에 약 3000 rpm의 속도로 60초 동안 스핀코팅하여 고분자 박막을 형성하고, 약 160℃로 열처리하여 규칙적인 구조를 형성시켰다(도 1의 단계 a). 245 나노미터의 파장을 가지는 UV에 상기 구조물을 조사해서 폴리메틸메타아크릴레이트를 제거하여 다공성의 패턴을 형성하였다(도 1의 단계 b).
도 2a는 상기 과정으로 제조된 다공성의 고분자패턴을 보여준다. 여기에다 금속을 선택적으로 증착시키고 (도 1의 단계 c, 도 2의 b, c) 이온 밀링과 산소 플라즈마를 이용해 선택적으로 식각하면 도 1의 단계 d와 같은 금속 점들을 형성할 수 있다.
도 3은 상기 과정으로 제조된 패턴화된 Co68Cr18Pt14금속점들의 이미지이다.
도 4는 상기 과정으로 제조된 패턴을 대상으로 얻어낸 자기이력곡선으로 도 4a는 도 1a의 연속적인 Co68Cr18Pt14금속 박막의 이력곡선이고 도 4b 는 도 1의 단계e의 중간단계의 이력곡선이며, 도 4c는 완전히 떨어진 패턴화된 Co68Cr18Pt14금속 점들의 이력곡선이다. 도 4에서 볼 수 있듯이 연속적인 자성 박막에 비해서 패턴화된 자성 금속 점들이 더 큰 보자력(coercivity)을 가지는 것을 알 수 있다
본 발명에 의하면 광식각 공정으로는 구현하기 힘든 백나노미터 이하의 미세패턴화가 가능하고, 간단한 공정에 의해 다양한 크기와 모양의 금속패턴을 형성할 수 있다. 또한 미리 원하는 성질의 자성 금속을 증착하므로 자성금속의 선택이 자유롭고, 사용되는 마스크 금속의 성질에 따라 종횡비가 큰 금속패턴을 형성하는 것이 가능하다.
Claims (11)
- 패턴화를 요하는 금속박막 위에 규칙적인 다공성 고분자 패턴을 형성하는 단계; 마스크용 금속을 상기 형성된 홀에 선택적으로 증착하는 단계; 선택적으로 고분자층을 제거하는 단계; 및 상기 패턴화를 요하는 금속박막을 식각하는 단계를 포함하는 금속점 정렬의 형성방법
- 제 1항에 있어서, 다공성 고분자 패턴의 형성은,블록공중합체를 패턴화를 요하는 금속 위에 자기조립시키는 단계;서로 다른 블록들간의 식각에 대한 선택성을 이용해 어느 하나의 블록을 제거하는 단계를 포함하는 금속점 정렬의 형성방법
- 제 1항에 있어서,금속박막은 강자성 물질인 금속점 정렬의 형성방법
- 제 3항에 있어서,강자성 물질은 Co 또는 이를 포함한 합금, FePt, FeO3, FePd, SmCo5,MnAl, FeNdB의 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 금속점 정렬의 형성방법
- 제 1항에 있어서,블록공중합체는 구형인 금속점 정렬의 형성방법
- 제 5항에 있어서,블록공중합체는 구조내에 적어도 어느 하나의 블록이 아크릴레이트류 또는 주쇄에 이중결합을 가지는 고분자에서 선택되어지는 금속점 정렬의 형성방법
- 제 6항에 있어서,블록공중합체는 폴리스티렌-폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스티렌-폴리부타디엔, 폴리스티렌-폴리이소프렌, 폴리에틸렌옥사이드-폴리메타메틸아크릴레이트, 폴리스티렌-포리소디움메타아크릴레이트, 폴리스티렌-폴리부틸메타아크릴레이트, 폴리바이닐피리딘-폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스티렌-폴리아크릴에시드, 폴리스티렌-폴리아크릴에시드에서 적어도 하나 이상 선택되는 금속점 정렬의 형성방법
- 제 5항에 있어서,블록공중합체는 어느 하나의 블록이 금속 또는 세라믹을 포함한 무기물 고분자이며, 다른 하나의 고분자는 유기고분자인 금속점 정렬의 형성방법
- 제 1항에 있어서,마스크용 금속은 Co 또는 이를 포함한 합금, FePt, FeO3, FePd, SmCo5,MnAl, FeNdB, CrTi, CrMn, CrMo, Ti, Pd, Au, Ni, Cr의 군에서 선택되는 적어도 1종인 금속점 정렬의 형성방법
- 제 1항에 있어서, 고분자 층은마스크용 금속이 증착된 패턴에서 이온밀링을 수행한 후, 플라즈마를 처리하여 식각을 수행하여 제거시키는 금속점 정렬의 형성방법
- 제 1항에 있어서,패턴화를 요하는 금속박막의 표면을 플라즈마 처리하는 단계가 더 구비되어지는 금속점 정렬의 형성방법
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