KR20110015120A - 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물질의 결정구조를 이용하여 나노 크기의 패턴을 손쉽고 명확하게 형성하는 패턴 형성방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법은 라인을 정의하는 격자이미지를 갖는 대상물질을 챔버에 위치시킨 후, 대상물질에 제1전자빔을 조사하여 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 대상물질을 통과한 제1전자빔에 노출시킨다. 그리고 격자이미지를 회전시킨 후, 대상물질에 제2전자빔을 조사하여 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 대상물질을 통과한 제2전자빔에 노출시킨다. 그리고 전자빔 레지스트를 현상(development)하여, 전자빔 레지스트 패턴을 형성하고, 전자빔 레지스트 패턴 하부에 형성되어 있는 하지층을 전자빔 레지스트 패턴을 통해 식각하여 패턴을 형성한다.

Description

물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법{Method of forming pattern using crystalstructure of material}
본 발명은 나노기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물질의 결정구조를 이용하여 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근에 소자의 집적도가 증가함에 따라 나노 크기의 패턴을 형성하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 특히, 나노점(nanodot) 또는 나노선(nanowire) 패턴 형성을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 나노점 또는 나노선 패턴 형성 공정은 나노점 또는 나노선을 이용한 전기 소자, 자기 소자 및 광 소자의 응용 가능성이 대두되면서 이러한 소자들의 형성을 위한 핵심 공정으로 등장하게 되었다. 나노점 및 나노선을 이용한 전기 소자, 자기 소자 및 광소자의 기본적 작동 원리는 입자의 물리적 크기가 나노미터 단위의 크기가 되면, 그 입자의 제반 물리적 성질이 입자의 크기에 큰 영향을 받는다는 양자 역학의 발전과 맥을 같이 한다.
현재 HSQ(hydrogen silsesquioxane)를 전자빔 레지스트로 사용하여 전자빔 리쏘그라피 공정을 수행하게 되면 10 nm 이하의 크기를 갖는 단일 라인 패턴을 형성할 수 있다는 것이 보고되고 있다. 그러나 이는 단일 라인 패턴에 국한된 것이 고, 배선폭(feature size)과 라인간격(spacing)의 비가 1:1인 고밀도 패턴에서는 최소 배선폭이 20 nm에서 한계를 보이고 있다. 그리고 동일한 크기의 나노점을 균일한 밀도를 갖도록 형성하는 데에 어려움이 있다.
나아가 도 1에 도시된 바와 같이 기판(1) 상에 나노선(3)이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴(2)이나, 도 2에 도시된 바와 같이 기판(5) 상에 돌출부(7)가 행 및 열로 나노 크기의 간격을 갖고 이격되게 배열된 형태의 패턴(6)을 형성하기 위한 연구는 더욱 부족한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 물질의 결정구조를 이용하여 명확하게 정의되는 나노 크기의 패턴을 손쉬우면서도 균일하게 형성하는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 패턴 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예는 챔버에 위치한 결정구조를 갖는 대상물질에 전자빔을 조사시킴으로써, 상기 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성된 격자이미지로부터 패턴을 형성하는 방법으로, 라인을 정의하는 격자이미지를 갖는 대상물질을 상기 챔버에 위치시키는 단계; 상기 대상물질에 제1전자빔을 조사하여, 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제1전자빔에 노출시키는 제1노광 단계; 상기 격자이미지를 회전시키는 단계; 상기 대상물질에 제2전자빔을 조사하여, 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제2전자빔에 노출시키는 제2노광 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 따른 패턴 형성방법에 있어서, 상기 격자이미지가 회전되도록, 상기 전자빔의 조사방향을 회전축 방향으로 하여 상기 대상물질을 회전시킬 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 패턴 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법의 바람직한 다른 실시예는 챔버에 위치한 결정구조를 갖는 대상물질에 전자빔을 조사시킴으로써, 상기 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성된 격자이미지로부터 패턴을 형성하는 방법으로, 라인을 정의하는 격자이미지를 갖는 대상물질을 상기 챔버에 위치시키는 단계; 상기 대상물질에 제1전자빔을 조사하여, 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제1전자빔에 노출시키는 제1노광 단계; 상기 전자빔의 조사방향을 회전축 방향으로 하여 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 회전시키는 단계; 상기 대상물질에 제2전자빔을 조사하여, 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제2전자빔에 노출시키는 제2노광 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 따른 패턴 형성방법에 있어서, 상기 기판 상에 복수의 나노선(nanowire)이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴을 형성하기 위해, 상기 전자빔 레지스트는 네거티브(nagetive) 전자빔 레지스트를 이용할 수 있다. 그리고 상기 기판 상에 복수의 돌출부가 행 및 열로 서로 이격되어 배열된 형태의 패턴을 형성하기 위해, 상기 전자빔 레지스트는 포지티브(positive) 전자빔 레지스트를 이용할 수 있다. 그리고 상기 전자빔 레지스트는 현상시 단위 면적당 임계 전하량 이상의 전자빔이 조사되는 부분이 제거되지 않는 네거티브 전자빔 레지스트이고, 나노 점(nanodot) 패턴을 형성하기 위해, 상기 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량 각각은 상기 임계 전하량보다 작고, 상기 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량의 합은 상기 임계 전하량보다 크게 되도록, 상기 제1전자빔과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량을 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 물질의 결정구조를 이용하여 패턴을 형성하되, 전자빔을 노광하고 격자이미지 또는 기판을 회전한 후, 다시 전자빔을 노광함으로써, 격자 형태의 패턴을 손쉽게 형성할 수 있다. 또한, 이와 같은 방법으로 패턴을 형성하게 되면, 패턴이 명확하게 정의될 뿐 아니라 균일한 간격 또는 크기를 갖는 나노 크기의 패턴을 형성할 수 있게 된다.
본 발명은 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용하여 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에 이용되는 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치에 대해서 설명한다.
우선, 본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 이해를 돕기 위하여 일반 재료의 결정 격자 구조와 그 다양한 모식도에 대하여 설명한다.
지구상에 존재하는 거의 모든 물질은 원자와 이들 몇 원자들의 조합인 분자에 의하여 구성되어 있음은 주지의 사실이며, 특히 고상(solid)을 이루고 있는 물질은 "원자, 이온 또는 분자가 주기적으로 배열되어 있는 상태" 즉 결정질 (crystalline)과 이러한 원자들의 무질서한 결합에 의하여 이루어진 비정질(amorphous)로 구분하여 볼 수 있다. 이러한 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. 현재까지 지구상에 존재하는 10만개 이상의 유기 및 무기화학물의 결정 구조(원자들의 주기적 배열)가 밝혀졌다.
어느 한 점을 일정한 방향으로 특정한 거리 a 만큼 평행 이동하면 두번째 점이 되고 이를 다시 같은 방향으로 같은 거리 만큼 이동하면 세 번째 점이 생긴다. 이와 같이 한 점을 되풀이하여 평행 이동시키면 도 3a에 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 각점들은 서로 같으며 한점을 원점으로 잡으면 다른 점들은 원점으로부터의 위치벡터로써 표시할 수 있다.
즉, r = ma
여기서 m은 -∞로부터 +∞까지의 정수이다.
이 점열을 다른 방향으로 병진시키면 도 3b에 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 형성 되고 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 3c에 도시된 바와 같이 무한한 공간상에 무한히 펼쳐져 있다.
결정이 거시적으로 균일하다고 하는 것은 결정내의 어느 부분의 성질이 이 부분으로부터 임의의 거리만큼 떨어져 있는 부분과 같기 때문이다. 도 4는 임의의 가상적인 결정 구조를 나타낸 것이며, 여기서 보는 바와 같이 결정내의 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 성질 이 같다. 다시 말해서 결정내의 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, 전위차등과 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 112009048292985-PAT00001
또한 모든 결정질은 도 5에 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 화학물의 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 6a와 같다. 이러한 Al을 [100], [110] 그리고 [111]방향으로 투과하여 원자들의 배열이 나타내는 패턴을 보면 도 6b, 도 6c, 그리고 도 6d와 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 7a는 이러한 Si의 단위 셀을 보여준다. 또한 도 7b, 도 7c, 도 7d는 위와 같은 방법으로 Si 결정 격자를 [100], [110], [111] 방향으로 투과하여 보았을 때의 Si 원자에 의하여 나타나는 2차원의 패턴(pattern)를 보여 준다. 도 7e는 도 7b를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시켰을 때의 형상이다. 도 7c에서 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 8a에 도시하였고, 역시 같은 방법으로 GaAs의 결정 구조를 [100], [110], 그리고 [111] 방향에서 투과하여 보았을 때 나타나는 2차원의 패턴을 도 8b, 도 8c, 도 8d에 각각 도시하였다. 도 8e는 도 7e와 마찬가지로 도 8c를 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 2차원상에 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 고분해능 투과 전자현미경의 위상 콘트라스트(phase constrast) 영상법을 사용하여 관찰할 수 있다. 지금까지의 전자현미경의 발달에 의하여 200 내지 300 kV의 가속 전압에서 0.14 nm 내지는 0.20 nm의 영역에서 원자들의 배열 상태를 관찰하는 것이 가능하다. 위상 콘트라스트 영상법은 결정질 시료에 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 9는 시료에 의하여 회절된 전자 빔들과 투과 빔을 영상면에서 재결합하여 이들의 위상차에 의한 간섭 무늬가 생기는 모식도이다.
전자빔(210)이 투과하도록 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 대상물질(220)은 챔버에 놓여진다. 전자빔(210)은 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 대상물질(220)에 의해 투과전자빔과 회절전자빔으로 나뉘어진다. 결정구조를 갖는 대상물질(220)을 투과하면서 나뉘어진 투과전자빔과 회절전자빔은 대물렌즈(230) 및 대물렌즈 어퍼추어(240)를 통과한 다음, 서로 간섭하여 공간상에 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지를 형성한다. 본 발명에서 이미지 평면은 대상물질(220)을 투과하면서 나뉘어진 투과전자빔과 회절전자빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지가 형성되는 공간상의 평면을 의미한다. 이미지 평면(250)에 형성된 상을 중간렌즈로 확대하거나 축소하여 또는 그대로 사용하여 패턴을 형성한다.
여기에서 형성된 간섭 무늬의 간격은 결과적으로 시료 내에 존재하는 회절 격자, 즉 원자면 간격에 비례하게 되어, 이 간섭 무늬를 이용하면 원자면에 있어서 원자들의 배열을 관찰할 수 있게 된다. 실제의 고분해능 전자현미경의 사용에 있어서는 대물렌즈에 의하여 형성된 일차 간섭 무늬를 대물렌즈의 후방에 있는 몇 개의 렌즈를 통하여 점차적으로 확대(최종 배율은 수십만 배에 해당)를 하여 우리가 직접적으로 관찰을 할 수 있게 된다. 일반적으로 사용되는 대물 렌즈의 배율은 수십 배에서 수백 배에 이르게 되어, 일례로 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 얻게 된다.
본 발명에 이용되는 패턴 형성장치는 상술한 방법을 통해 물질의 결정구조를 이용하여 패턴을 형성하게 된다. 즉 결정 구조를 갖는 대상물질을 투과 전자현미경의 챔버에 위치시키고, 전자빔을 조사하고, 대상물질을 투과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭을 이용하여 피조사 물질의 표면에 대상물질의 격자이미지를 위상 콘트라스트 영상법을 이용하여 형성함으로써, 물질의 격자이미지 패턴을 형성할 수 있다. 물질의 결정구조를 이용하여 형성되는 패턴은 사용된 물질의 결정구조의 형태에 따라 결정된다. 따라서, 물질의 결정 구조에서 각 원자들의 배치 및 각 원자들간의 거리는 최종적으로 형성된 패턴에도 비례하여 그대로 구현된다.
이때, 이미지 평면에 형성된 물질의 격자이미지를 소망하는 크기에 따라 확대하거나 축소한 다음, 기판 상에 형성된 전자빔 레지스트를 감광시킬 수 있다. 이때 전자빔 레지스트에 형성되는 이미지는 전자현미경의 챔버에 위치하는 물질의 격자이미지 중 일부일 수 있다. 여기서, 전자빔 레지스트는 HSQ(hydrogen silsesquioxane)가 이용될 수 있다.
본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 전자빔의 가속전압은 물질의 원자면 간격, 전자빔의 정렬, 투과 전자현미경 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 가지고 있는 물질이라면 100 keV 정도의 가속전압이, 2 Å 정도의 원자면 간격을 갖는 물질이라면 200 keV 정도의 가속전압이 요구된다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 투과 전자현미경을 이용한 패턴 형성 장치를 도시한 구성도이고, 도 10b는 도 10a의 모식도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명에 이용되는 패턴 형성 장치(300)는 투과 전자현미경(310)과, 상기 투과 전자현미경(310)에 의해 형성되는 물질의 결정 구조를 패턴화시키기 위하여 적절한 위치에 설치되는 다수의 기판(332)이 실장되는 기판 카세트(331)를 구비한 기판 이동장치(330)로 구성된다.
투과 전자현미경(310)은 대상물질을 통과하기에 충분한 고에너지로 전자빔을 가속시켜 상기 가속된 전자빔을 조사하는 전자총(311)과, 전자총(311)에서 조사된 전자빔을 집속시키는 집속장치와, 전자빔을 일정한 스포트에 집속시키는 부가적 집속장치와, 전자빔이 통과되는 대상물질을 탑재하는 탑재 수단(315)과, 대상물질을 투과하면서 나뉘어지는 투과전자빔과 회절전자빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈(316)와, 대물렌즈(316)에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위하여 설치되는 다수의 렌즈군(321, 322, 323) 및 렌즈군(321, 322, 323) 사이에 개재됨으로써 원하는 크기의 격자이미지를 패턴을 형성할 수 있는 기판(332)을 구비한 기판 이동장치(330)로 구성된다.
집속장치로는 콘덴서 렌즈(312)가 이용될 수 있으며, 부가적 집속장치로는 대물렌즈(objective lens)(314)가 이용될 수 있다. 다수의 렌즈군(321, 322, 323)은 패턴렌즈(pattern lens)(321), 중간렌즈(intermediate lens)(322) 및 프로젝터 렌즈(323)가 교대로 또는 순서대로 이용될 수 있다.
또한, 기판 이동장치(330)는 다수의 기판(332)이 실장된 기판 카세트(331) 상에서 렌즈군(321, 322, 323) 사이로 순차적으로 개재(장입)될 수 있다. 개재되는 기판(332) 상에는 하지층과 전자빔 레지스트가 순차적으로 적층되어 있다.
도 10a 및 도 10b는 상대적으로 작은 패턴을 기판상에 형성하는 구성을 도시한 것으로, 대물렌즈(315)에 의하여 얻어진 상(대물렌즈에 의하여 예를 들어 20배로 확대된 상을 생각하였을 때)을 소정의 패턴렌즈(321)를 사용하여 원하는 배율로 조정한 다음 적어도 하나 이상의 중간렌즈(322)를 사용하여 10만 배로 확대한 상을 만드는 개념을 나타낸다. 예를 들어, 10배에서 100배, 즉 원하는 상의 배율이 10 배인 경우 대물렌즈(315)의 이미지 평면에 형성된 상을 패턴렌즈(321)를 사용하여 1/2 배 축소하여야 하며, 원하는 상의 배율의 100 배인 경우, 대물렌즈(315)의 이미지 평면에 형성된 상을 패턴렌즈(321)를 사용하여 5배 확대하여야 하는 것이다.
즉, 상의 초점 등은 10만 배로 확대된 상에서 조정한 후, 패턴렌즈(321)의 이미지 평면에 기판 이동장치(330)를 이용하여 기판(332)을 개재시킴으로써 패턴을 형성시킬 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성방법의 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 11은 본 발명에 따른 물질의 격자구조를 이용한 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타낸 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 우선, 본 발명에 상술한 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치, 예컨대 도 10의 패턴 형성장치(300)의 탑재 수단(315)에 대상물질을 로딩한다(S410). 이 대상물질의 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성되는 격자이미지는 라인을 정의한다. 라인을 정의하는 격자이미지를 갖기 위해, 대상물질은 도 7e에 도시된 바와 같이 실리콘을 가공하거나, 도 8e에 도시된 바와 같이 GaAs를 가공할 수 있다.
다음으로, 상기의 라인을 정의하는 격자이미지를 갖는 대상물질에 제1전자빔을 조사하여, 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제1전자빔에 노출시키는 제1노광 단계를 수행한다(S420). 그리고 격자이미지를 회전시키거나(S430) 기판을 회전시킨 후(S440), 상기 대상물질에 제2전자빔을 조사하여, 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제2전자빔에 노출시키는 제2노광단계를 수행한다(S450). 격자이미지를 회전시키는 단계(S430)는 격자이미지가 회전되도록 전자빔의 조사방향을 회전축 방향으로 하여 대상물질을 회전시킨다. 그리고 기판을 회전시키는 단계(S440)는 전자빔의 조사방향을 회전축 방향으로 하여 기판을 회전시킨다.
대상물질을 통과한 전자빔은 라인을 정의하는 정보를 가지고 있으므로, 격자이미지를 회전시키거나(S430) 기판을 회전시키기(S440) 전에 전자빔을 노광(S420)하고, 회전한 후 다시 전자빔을 노광(S450)하게 되면, 전자빔 레지스트는 복수의 라인이 열 및 행으로 교차 배열된 형태의 격자이미지를 갖는 전자빔에 노광된 것과 같은 효과를 나타내게 된다. 이를 도 12 및 도 13에 나타내었다.
도 12 및 도 13은 격자이미지 회전 전·후의 격자이미지와 격자이미지 회전 전·후의 격자이미지를 합한 격자이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면들로서, 도 12는 90도 회전한 경우를 나타내고, 도 13은 60도 회전한 경우를 나타낸다.
도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 격자이미지를 회전하기 전에 전자빔을 노광하고, 격자이미지를 회전한 후 전자빔을 노광하면, 각각의 격자이미지가 라인 형태의 패턴을 가지므로, 라인이 열 및 행으로 교차 배열된 형태의 패턴을 형성할 수 있다.
격자이미지는 형성하고자 하는 패턴에 따라 회전각도는 0 ~ 180도의 범위에서 선택될 수 있다. 또한, 상술한 패턴 형성장치를 이용하여, 확대 및 축소한다면 원하는 크기의 패턴을 형성할 수 있다. 그리고 형성된 패턴의 균일성을 위해 제1전자빔과 제2전자빔은 동일한 것을 이용할 수 있다. 특히, 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량이 동일한 것을 이용함이 바람직하다.
다시 도 11로 돌아가서, 제2노광(S450) 후에, 전자빔 레지스트를 현상하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성(S460)한 후, 이 전자빔 레지스트 패턴을 이용하여 전자빔 레지스트 패턴의 하부에 형성되어 있는 하지층(under layer)를 식각하여 패턴을 형성한다(S470).
실시예 1: 네거티브 전자빔 레지스트 이용예 1
도 14는 네거티브 전자빔 레지스트를 이용하여 복수의 나노선이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴을 형성하는 과정을 나타내는 도면들이다.
도 14를 참조하면, 우선, 도 14(a)에 도시된 바와 같이, 하지층(520)과 네거티브(negative) 전자빔 레지스트(530)가 순차적으로 적층된 기판(510)을 준비한다. 하지층(520)이 실제로 패터닝되는 층에 해당하며, 기판(510)을 패터닝하는 경우에는 별도의 하지층이 필요치 않음은 물론이다.
하지층(520)과 네거티브 전자빔 레지스트(530)가 순차적으로 적층된 기판(510)을 상술한 패턴 형성장치(도 10a의 300)에 장입한다. 그리고 도 11에서 설명한 바와 같이, 제1노광(S420)한 후, 대상물질을 회전시켜 격자이미지를 회전시킨 후(S430), 제2노광(S450)한다. 이와 같이 격자이미지 회전 전·후로 전자빔을 노광하면, 기판(530) 상에 형성된 네거티브 전자빔 레지스트(530)에 도 12 및 도 13의 아래쪽 그림과 같은 형태의 전자빔이 조사된다. 도 12 및 도 13의 하얀 부분이 전자빔이 조사되는 부분이다. 제1노광(S420)과 제2노광(S450)을 수행한 후, 전자빔 레지스트(530)를 현상(development)하면, 도 14(b)에 도시된 바와 같이 복수의 나노선이 행 및 열로 교차 배열된 형태로 전자빔 레지스트 패턴(535)이 형성된다. 네거티브 전자빔 레지스트가 이용되었으므로, 현상시 전자빔이 조사된 부분은 잔존하고, 전자빔이 조사되지 않은 부분은 제거되어 도 14(b)에 도시된 바와 같은 형태의 전자빔 레지스트 패턴(535)이 형성된다.
그리고 전자빔 레지스트 패턴(535)을 이용하여 하지층(520)을 식각하면, 도 14(c)에 도시된 바와 같이 나노선이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴(525)을 형성할 수 있게 된다.
도 14의 방법으로 형성된 패턴(525)의 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진을 도 15 및 도 16에 나타내었다. 도 15는 저배율 SEM 사진이고, 도 16은 고배율 SEM 사진이다. 이때, 전자빔 레지스트는 네거티브 전자빔 레지스트인 HSQ를 이용하였고, 제1전자빔과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량은 500 μC/cm2으로 동일하게 하였다.
도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 방법으로 패턴을 형성하면, 나노선이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴을 용이하게 형성할 수 있음을 알 수 있다. 그리고 패턴이 명확하게 정의될 뿐 아니라, 각 나노선이 균일한 크기를 가지며, 각 나노선이 균일한 간격을 가짐을 알 수 있다.
실시예 2: 네거티브 전자빔 레지스트 이용예 2
도 17은 네거티브 전자빔 레지스트를 이용하여 나노점 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 도면들이다.
도 17을 참조하면, 우선, 도 17(a)에 도시된 바와 같이, 하지층(620)과 네거티브(negative) 전자빔 레지스트(630)가 순차적으로 적층된 기판(610)을 준비한다. 하지층(620)이 실제로 패터닝되는 층에 해당하며, 기판(610)을 패터닝하는 경우에는 별도의 하지층이 필요치 않음은 물론이다. 네거티브 전자빔 레지스트는 전자빔이 조사된 부분이 현상시 잔존하고 전자빔이 조사되지 않은 부분은 현상시 제거되는 특성을 갖는 전자빔 레지스트이다. 그러나 전자빔이 조사되더라도 단위 면적당 전하량이 적은 전자빔이 조사되는 경우에는 현상시 제거된다. 따라서 단위 면적당 전하량이 임계 전하량 이상인 전자빔이 조사된 부분만 현상시 잔존하게 된다.
하지층(620)과 네거티브 전자빔 레지스트(630)가 순차적으로 적층된 기판(610)을 상술한 패턴 형성장치(도 10a의 300)에 장입한다. 그리고 도 11에서 설명한 바와 같이, 제1노광(S420)한 후, 대상물질을 회전시켜 격자이미지를 회전시킨 후(S430), 제2노광(S450)한다.
이때 제1노광(S420)을 위해 조사되는 제1전자빔과 제2노광(S450)을 위해 조사되는 제2전자빔 각각은 단위 면적당 전하량이 네거티브 전자빔 레지스트(630)의 임계 전하량보다 작게 되도록 설정된다. 그리고 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량의 합은 임계 전하량보다 크게 되도록 제1전자빔과 제2전자빔을 설정한다. 이와 같이 제1전자빔과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량이 설정되면, 제1노광(S420)과 제2노광(S450)시 전자빔이 중복되게 조사되는 부분만이 단위 면적당 전하량이 네거티브 전자빔 레지스트(630)의 임계 전하량 이상이 되어 현상시 잔존하게 된다. 그리고 그 외의 부분은 모두 네거티브 전자빔 레지스트(630)의 임계 전하량 미만의 전하량만이 조사되거나 전자빔이 조사되지 않아 현상시 제거된다.
즉, 제1노광(S420)과 제2노광(S450)을 수행하면, 도 12 및 도 13의 아래쪽 그림과 같은 형태의 전자빔이 조사되는데, 제1노광(S420)과 제2노광(S450)시 전자빔이 중복되게 조사되는 부분은 각 라인이 겹쳐지는 부분이다. 결과적으로 제1노광(S420)과 제2노광(S450)을 수행한 후, 네거티브 전자빔 레지스트(630)을 현상하면, 각 라인이 겹쳐지는 부분에 해당하는 부분의 네거티브 전자빔 레지스트(630)만 잔존하고 나머지 부분은 모두 제거되어, 도 17(b)에 도시된 바와 같은 전자빔 레지스트(635) 패턴이 형성된다.
그리고 전자빔 레지스트 패턴(635)을 이용하여 하지층(620)을 식각하면, 도 17(c)에 도시된 바와 같이 나노점(nanodot) 패턴(625)을 형성할 수 있게 된다.
상기의 방법을 통해 나노점 패턴(625)을 형성하면, 원하는 위치에 나노점을 형성할 수 있을 뿐 아니라, 나노점의 크기 및 나노점 사이의 간격이 균일한 나노점 패턴(625)을 얻을 수 있고, 나노점의 크기 및 나노점 사이의 간격을 조절하기가 용이하게 된다.
실시예 3: 포지티브 전자빔 레지스트 이용예
도 18은 포지티브 전자빔 레지스트를 이용하여 복수의 돌출부가 행 및 열로 이격되어 배열된 형태의 패턴을 형성하는 과정을 나타내는 도면들이다.
도 18을 참조하면, 우선, 도 18(a)에 도시된 바와 같이, 하지층(720)과 포지티브(positive) 전자빔 레지스트(730)가 순차적으로 적층된 기판(710)을 준비한다. 하지층(720)이 실제로 패터닝되는 층에 해당하며, 기판(710)을 패터닝하는 경우에는 별도의 하지층이 필요치 않음은 물론이다.
하지층(720)과 네거티브 전자빔 레지스트(730)가 순차적으로 적층된 기판(710)을 상술한 패턴 형성장치(도 10a의 300)에 장입한다. 그리고 도 11에서 설명한 바와 같이, 제1노광(S420)한 후, 대상물질을 회전시켜 격자이미지를 회전시킨 후(S430), 제2노광(S450)한다. 이와 같이 격자이미지 회전 전·후로 전자빔을 노광하면, 기판(730) 상에 형성된 포지티브 전자빔 레지스트(730)에 도 12 및 도 13의 아래쪽 그림과 같은 형태의 전자빔이 조사된다. 도 12 및 도 13의 하얀 부분이 전자빔이 조사되는 부분이다. 포지티브 전자빔 레지스트는 네거티브 전자빔 레지스트와는 그 특성이 반대로서, 전자빔 조사 후 현상(development)하면, 전자빔이 조사된 부분이 제거되고 전자빔이 조사되지 않은 부분이 잔존하게 된다. 따라서 도 14와는 반대 형상의 패턴을 형성할 수 있게 된다.
즉, 제1노광(S420)과 제2노광(S450)을 수행한 후, 전자빔 레지스트(730)를 현상하면, 도 18(b)에 도시된 바와 같이 복수의 돌출부가 행 및 열로 서로 이격되어 배열된 형태로 전자빔 레지스트 패턴(735)이 형성된다. 각 돌출부가 이격되어 있는 간격은 나노 크기일 수 있다.
그리고 전자빔 레지스트 패턴(735)을 이용하여 하지층(720)을 식각하면, 도 18(c)에 도시된 바와 같이 돌출부가 행 및 열로 서로 이격되어 배열된 형태의 패턴(725)을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이 패턴(725)을 형성하면, 돌출부가 행 및 열로 나노 크기의 간격을 갖도록 이격되어 있는 형태의 패턴을 용이하게 형성할 수 있다. 그리고 각 돌출부의 간격을 균일하게 할 수 있으며, 돌출부의 크기 및 간격을 용이하게 조절할 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 1 및 도 2는 나노 크기의 패턴의 예들을 나타낸 도면이다.
도 3a는 격자점을 1차원적으로 병진시킨 모식도이다.
도 3b는 격자점을 2차원적으로 병진시킨 모식도이다.
도 3c는 격자점을 3차원적으로 병진시킨 모식도이다.
도 4는 격자점 주위의 원자들의 배열을 나타내는 모식도이다.
도 5는 물질의 결정축계와 Bravais격자를 나타내는 설명도이다.
도 6a는 Al의 결정구조의 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 6b는 Al의 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 6c는 Al의 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 6d는 Al의 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 7a는 Si의 결정구조의 단위 셀의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7b는 Si의 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 7c는 Si의 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 7d는 Si의 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 7e는 도 7c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 도면이다.
도 8a는 GaAs 결정구조의 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 8b는 GaAs 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 8c는 GaAs 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 8d는 GaAs 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.
도 8e는 도 8c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 도면이다.
도 9는 본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 패턴 형성방법에 사용되는 투과 전자 현미경의 모식도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 이용되는 패턴 형성 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 물질의 격자구조를 이용한 패턴 형성방법의 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타낸 흐름도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 패턴 형성방법에 있어서, 회전 전·후의 격자이미지와 회전 전·후의 격자이미지를 합한 격자이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면들로서, 도 12는 90도 회전한 경우를 나타내고, 도 13은 60도 회전한 경우를 나타낸다.
도 14는 네거티브 전자빔 레지스트를 이용하여 복수의 나노선이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴을 형성하는 과정을 나타내는 도면들이다.
도 15 및 도 16은 도 14의 방법으로 형성된 패턴의 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진들이다.
도 17은 네거티브 전자빔 레지스트를 이용하여 나노점 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 도면들이다.
도 18은 포지티브 전자빔 레지스트를 이용하여 복수의 돌출부가 행 및 열로 이격되어 배열된 형태의 패턴을 형성하는 과정을 나타내는 도면들이다.

Claims (7)

  1. 챔버에 위치한 결정구조를 갖는 대상물질에 전자빔을 조사시킴으로써, 상기 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성된 격자이미지로부터 패턴을 형성하는 방법으로,
    라인을 정의하는 격자이미지를 갖는 대상물질을 상기 챔버에 위치시키는 단계;
    상기 대상물질에 제1전자빔을 조사하여, 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제1전자빔에 노출시키는 제1노광 단계;
    상기 격자이미지를 회전시키는 단계;
    상기 대상물질에 제2전자빔을 조사하여, 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제2전자빔에 노출시키는 제2노광 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.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자이미지를 회전시키는 단계는
    상기 격자이미지가 회전되도록, 상기 전자빔의 조사방향을 회전축 방향으로 하여 상기 대상물질을 회전시키는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  3. 챔버에 위치한 결정구조를 갖는 대상물질에 전자빔을 조사시킴으로써, 상기 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성된 격자이미지로부터 패턴을 형성하는 방법으로,
    라인을 정의하는 격자이미지를 갖는 대상물질을 상기 챔버에 위치시키는 단계;
    상기 대상물질에 제1전자빔을 조사하여, 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제1전자빔에 노출시키는 제1노광 단계;
    상기 전자빔의 조사방향을 회전축 방향으로 하여 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 회전시키는 단계;
    상기 대상물질에 제2전자빔을 조사하여, 상기 전자빔 레지스트가 형성되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 제2전자빔에 노출시키는 제2노광 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.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 상기 제2전자빔의 단위 면적당 전하량이 동일한 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자빔 레지스트는 네거티브(nagetive) 전자빔 레지스트를 이용하여, 상기 기판 상에 복수의 나노선(nanowire)이 행 및 열로 교차 배열된 형태의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자빔 레지스트는 포지티브(positive) 전자빔 레지스트를 이용하여, 상기 기판 상에 복수의 돌출부가 행 및 열로 서로 이격되게 배열된 형태의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자빔 레지스트는 현상시 단위 면적당 임계 전하량 이상의 전자빔이 조사되는 부분이 제거되지 않는 네거티브 전자빔 레지스트이고,
    나노점(nanodot) 패턴을 형성하기 위해, 상기 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량 각각은 상기 임계 전하량보다 작고, 상기 제1전자빔의 단위 면적당 전하량과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량의 합은 상기 임 계 전하량보다 크게 되도록, 상기 제1전자빔과 제2전자빔의 단위 면적당 전하량을 설정하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성방법.
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