KR20150145837A - 2차원 물질 식각장치 및 이를 이용하여 2차원 물질층을 패터닝하는 방법 - Google Patents

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Abstract

2차원 물질 식각 장치 및 이를 이용하여 2차원 물질층을 패터닝하는 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 2차원 물질층 식각장치는 피식각물이 놓이는 스테이지, 가시광의 파장보다 짧은 파장의 광(예컨대, EUV 또는 이보다 짧은 파장의 엑스선)을 방출하는 광원, 상기 피식각물에 전사될 패턴이 새겨진 마스크, 상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 유체 유입구 및 상기 유체 공급 후의 잔류물과 반응물을 흡수하는 유체 흡입구를 포함하고, 상기 피식각물은 그래핀이다. 개시된 2차원 물질층 패터닝 방법은 스테이지에 피식각물을 놓는 과정, 상기 피식각물에 광을 조사하는 과정, 상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 과정, 상기 피식각물 위에서 유체 잔류물과 유체 반응물을 제거하는 과정을 포함하고, 상기 피식각물은 그래핀을 포함하고, 상기 광의 파장은 가시광의 파장보다 짧은 광을 사용한다.

Description

2차원 물질 식각장치 및 이를 이용하여 2차원 물질층을 패터닝하는 방법{2-Dimensional material etching apparatus and method of patterning 2-dimensional material using the same}
본 개시는 물질층을 식각하는 장치와 이를 이용하여 물질층을 패터닝하는 방법에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 2차원 물질 식각장치와 이를 이용하여 2차원 물질을 패터닝하는 방법에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 단원자 두께의 2차원 구조체이고, 탄소원자가 벌집형태를 이루며 형성되어 있다. 그래핀은 상온에서 단위면적당 구리보다 100배 많은 전류를 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달할 수 있다. 또한, 그래핀의 열전도성은 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하다. 또한, 그래핀은 나노 리본 형태로 형성함으로써 그 밴드갭을 조절하여 반도체적 특성을 나타내게 할 수 있는 바, 차세대 반도체 소자에 적용하기 위한 재료로 각광받고 있다.
그래핀은 탄소로 구성된 단원자 박막이기 때문에, 구조적으로 약하고 하부 기판과의 접착력이 낮으며, 기판 위에 직접 성장이 어려울 수 있다. 특히, 그래핀은 화학적으로 취약해 습식 케미컬(wet chemical)이 사용되는 공정에서 그래핀 표면이 오염되는 문제가 발생될 수 있다.
기존의 포토리소그래피(photolithography) 기술을 이용한 패터닝 공정에서는 포토레지스트(photoresist) 도포 및 현상과정에서 그래핀 표면이 오염될 수 있기 때문에, 습식 케미컬을 사용하는 공정을 배제한 새로운 패터닝 기술에 대한 연구가 필요하다.
이에 따라 전자빔(electron beam)을 이용하는 방법이 소개되었다. 일반적으로 전자빔은 에너지가 크고 선택적으로 조사할 수 있어 전자빔을 이용한 그래핀의 직접 패터닝에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나 스폿 전자빔 리소그래피(spot e-beam lithography), VSB 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), ML2등 기존에 발표된 전자빔을 이용한 리소그래피 기술들을 살펴보면, 아직까지 생산성이 낮아 반도체 소자를 제작하기 위한 노광기술로 적용하기 어렵다.
본 개시는 그래핀 패터닝 과정에서 발생될 수 있는 그래핀 열화를 방지하고 생산성도 높일 수 있는 2차원 물질층 식각 장치를 제공한다.
본 개시는 또한 이러한 장치를 이용하여 2차원 물질층을 패터닝하는 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치는 피식각물이 놓이는 스테이지, 가시광의 파장보다 짧은 파장의 광을 방출하는 광원, 상기 피식각물에 전사될 패턴이 새겨진 마스크, 상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 유체 유입구 및 상기 유체 공급 후의 잔류물과 반응물을 흡수하는 유체 흡입구를 포함하고, 상기 피식각물은 그래핀이다.
이러한 식각장치에서, 상기 광원은 EUV(Extreme Ultraviolet) 광원 또는 엑스선 광원일 수 있다. 이때, 상기 광원은 방출광의 파장이 13.5nm인 EUV를 방출하는 광원 또는 파장이 13.5nm보다 짧은 엑스선(X-ray)을 방출하는 광원일 수 있다.
상기 마스크는 상기 광원으로부터 입사되는 광을 투과시키는 투과형 또는 반사형 마스크일 수 있다.
상기 유체는 상기 피식각물과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 가스 유체 또는 액상 유체일 수 있다.
상기 마스크가 반사형 마스크일 때, 상기 마스크로부터 입사되는 광을 상기 피식각물로 반사시키는 반사체가 더 구비될 수 있다.
상기 가스 유체는 산소 또는 산소이온일 수 있다.
상기 액상 유체는 상기 그래핀의 탄소(C)와 반응하여 기상물질을 형성하는 원소를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치는 피식각물이 놓이는 스테이지, 상기 피식각물의 제1 영역에 제1 광을 조사하는 제1 광원, 상기 제1 영역에서 상기 제1 광과 간섭패턴을 형성하는 제2 광을 방출하는 제2 광원, 상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 유체 유입구 및 상기 유체 공급 후의 잔류물과 반응물을 흡수하는 유체 흡입구를 포함하고, 상기 피식각물은 그래핀이다.
이러한 장치에서, 상기 유체는 상기 피식각물과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 가스 유체 또는 액상 유체일 수 있다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 2차원 물질층 패터닝 방법은 스테이지에 피식각물을 놓는 과정, 상기 피식각물에 광을 조사하는 과정, 상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 과정, 상기 피식각물 위에서 유체 잔류물과 유체 반응물을 제거하는 과정을 포함하고, 상기 피식각물은 그래핀을 포함하고, 상기 광의 파장은 가시광의 파장보다 짧은 광을 사용한다.
이러한 패터닝 방법에서, 상기 광을 조사하는 과정은 마스크로부터 입사되는 광을 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 유체는 상기 광을 조사하기 전에 또는 조사와 동시에 공급할 수 있다.
상기 유체는 상기 피식각물과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 가스 유체 또는 액상 유체일 수 있다.
본 개시에서 다른 실시예에 의한 2차원 물질층 패터닝 방법은 스테이지에 피식각물을 놓는 과정, 상기 피식각물의 제1 영역에 제1 광을 조사하는 과정, 상기 제1 광과 간섭패턴을 형성하는 제2 광을 상기 제1 영역에 조사하는 과정, 상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 과정 및 상기 피식각물 위에서 유체 잔류물과 유체 반응물을 제거하는 과정을 포함하고, 상기 피식각물은 그래핀을 포함하고, 상기 광의 파장은 가시광의 파장보다 짧은 광(예컨대, 파장이 13.5nm인 EUV 또는 이보다 짧은 파장의 엑스선)을 사용한다.
상기 유체는 상기 제1 및 제2 광의 조사 전에 또는 조사와 동시에 공급할 수 있다.
포토 레지스트와 같은 케미컬을 사용하는 않는 바, 패터닝 공정에서 오염에 따른 그래핀막의 열화를 방지할 수 있다. 전자빔을 사용하지 않고, 엑스선 또는 EUV를 광원으로 사용하는 바, 전자빔 리소그래피(lithography) 기반의 그래핀 직접 패터닝 기술보다 생산성을 높일 수 있다. 이와 같이 생산성을 높일 수 있는 바, 실제 그래핀 소자 생산 공정에 적용도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 물질층의 구성을 예시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 식각장치에서 유체와 2차원 물질층의 선택적 반응의 예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치와 이를 이용한 2차원 물질층 식각방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치(이하, 식각장치)를 설명한다. 이 과정에서 2차원 물질층의 식각방법도 함께 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 2차원 물질층 식각장치를 보여준다.
도 1을 참조하면, 식각장치는 피식각물이 놓여지는 스테이지(20), 스테이지(20)와 마주하는(그러나 마주하지 않을 수도 있는) 광원(30), 스테이지(20)와 광원(30) 사이에 구비된 마스크(40)를 포함한다. 마스크(40)는 투과형 마스크일 수 있다. 마스크(40)는 광원(30) 및 스테이지(20)와 이격되어 있다. 광원(30)은 가시광보다 파장이 짧은 광, 예를 들면 파장이 13.5nm 또는 이보다 짧은 광을 방출하는 광원일 수 있다. 광원(30)은 일 예로 파장이 13.5nm인 광을 방출하는 EUV(Extreme Ultraviolet) 광원일 수도 있고, 13.5nm보다 짧은 파장의 엑스선 광원일 수도 있다.
스테이지(20) 상에는 피식각물로 물질층(22)이 놓여있다. 물질층(22)은 2차원 물질층을 포함한다. 상기 2차원 물질층은 단층 또는 복층일 수 있는데, 예를 들면 그래핀층 또는 몰리브데나이트(MoS2)층일 수 있다. 물질층(22)은 도 2에 도시한 바와 같이 순차적으로 적층된 기판(22A), 절연층(22B) 및 2차원 물질층(22C)을 포함할 수 있다. 2차원 물질층(22C)은 직접 형성될 수도 있지만, 다른 기판 상에 형성된 후, 절연층(22B) 상에 전사(transfer)된 것일 수도 있다.
마스크(40)에는 소정의 패턴(40A)이 형성되어 있다. 패턴(40A)은 2차원 물질층(22C)에 형성하고자 하는 패턴과 동일한 패턴일 수 있다. 광원(30)으로부터 방출된 광(32)은 마스크(40)를 통과하여 물질층(22)으로 조사된다. 이때, 마스크(40)에 새겨진 패턴(40A)이 물질층(22)의 2차원 물질층(22C)에 전사된다. 이 결과, 2차원 물질층(22C)은 마스크(40)에 새겨진 패턴(40A)과 동일한 모양으로 패터닝된다.
식각장치는 또한 유체 유입구(inlet)(44)와 유체 흡입구(또는 유체 배출구)(outlet)(48)을 포함한다. 유체 유입구(44)를 통해서 물질층(22) 위로, 구체적으로는 2차원 물질층(22C) 위로, 유체(46)가 공급된다. 유체(46)는 물질층(22) 위로 흐르면서 2차원 물질층(22C)과 선택적으로 반응할 수 있다. 구체적으로, 유체(46)는 2차원 물질층(22C)에서 마스크(40)를 통과한 광(32A)이 조사된 부분과 반응한다. 광(32A)의 조사에 앞서 유체(46)가 먼저 물질층(22) 위로 공급될 수도 있고, 유체(46)의 공급과 광(32A)의 조사가 함께 이루어질 수도 있다. 또는 상용 빈도는 낮지만, 광(32A)의 조사가 이루어진 직후, 유체(46)가 바로 공급될 수도 있다. 유체 흡입구(48)는 물질층(22) 위로 공급된 유체(46)의 반응후 남은 양을 흡수하여 배출하거나 유체(46)와 2차원 물질층(22C)의 반응에 의한 반응물(예, CO2)(50)을 흡수하여 배출한다. 유체(46)는 가스 유체 또는 액상 유체일 수 있다. 상기 가스 유체는, 예를 들면 산소 또는 산소이온가스일 수 있다. 상기 액상 유체는 그래핀의 탄소(C)와 반응하여 기상물질을 형성할 수 있는 원소(예컨대, 산소)를 포함하는 액상유체일 수 있는데, 예를 들면 물(H2O), 메탄올 CH3OH 또는 에탄올 C2H5OH일 수 있다.
도 3은 유체(46)와 2차원 물질층(22C)의 반응의 예를 보여준다. 여기서 2차원 물질층(22C)은 그래핀층이다. "C"는 그래핀의 탄소를 나타낸다. 그리고 유체(46)는 산소가스(O2)이다.
도 3을 참조하면, 산소가스는 2차원 물질층(22C)에서 광(32A)이 조사된 부분의 탄소(C)와 반응하여 반응물로휘발성 물질인 CO2를 형성한다. 유체(46)는 이와 같이 2차원 물질층(22C)과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 것이면 앞에 예시한 가스와 액체외의 다른 유체도 사용될 수 있다. 2차원 물질층(22C)에서 산소와 반응한 부분은 제거되고, 결과적으로 2차원 물질층(22C)은 소정의 형태로 패터닝된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 식각장치를 보여준다.
도 4를 참조하면, 광원(70), 마스크(60), 반사체(62), 스테이지(20), 유체 유입구(44) 및 유체 흡입구(배출구)(48)를 포함한다. 반사체(62)는 스테이지(20)와 마주할 수 있다. 반사체(62)는, 예를 들면 미러(mirror)일 수 있다. 스테이지(20), 유체 유입구(44) 및 유체 흡입구(배출구)(48)는 도 1의 식각장치에서 설명한 바와 동일할 수 있다. 광원(70)은 EUV를 방출하는 광원, 곧 EUV 광원일 수 있다. 마스크(60)는 EUV를 반사하는 반사형 마스크일 수 있다. 마스크(60)는 광원(70)에서 방출된 광을 반사체(62)로 반사하는 배치를 가질 수 있다. 마스크(60)에 패턴(60A)이 형성되어 있다. 패턴(60A)은 2차원 물질층(22C)에 형성하고자 하는 패턴일 수 있다. 반사체(62)에서 반사된 광(62A)이 물질층(22)에 조사되면서 마스크(60)에 새겨진 패턴(60A)은 물질층(22)의 2차원 물질층(22C)에 전사될 수 있다. 2차원 물질층(22C)에 패턴(60A)이 형성되는 것은 도 3에서 설명한 바와 같이 유체(46)와 2차원 물질층(22C)의 광 조사된 부분의 반응의 결과이다. 도 4의 식각장치에서 유체 유입구(44)과 유체 흡입구(48)의 역할을 도 1의 식각장치에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 식각장치를 보여준다.
도 5를 참조하면, 식각장치는 스테이지(20), 제1 광원(80)과 제2 광원(82)을 포함한다. 제1 및 제2 광원(80, 82)은 상술한 EUV 광원 또는 엑스선 광원일 수 있다. 편의 상 도시하지는 않았지만, 도 5의 식각장치는 도 1의 가스 유입구(44) 및 가스 흡입구(48)를 포함할 수 있다. 스테이지(20)는 도 1에서 설명한 바와 동일할 수 있다. 스테이지(20) 상에는 물질층(22)이 존재한다. 이격된 제1 및 제2 광원(80, 82)은 물질층(22)의 2차원 물질층(22C)을 패터닝하기 위한 간섭패턴을 형성하는 광원일 수 있다. 제1 및 제2 광원(80, 82)으로부터 2차원 물질층(22C)의 패턴을 형성하고자 하는 영역으로 광(80A, 82A)이 조사된다. 광(80A, 82A)이 조사되기 전이나 조사와 동시에 또는 조사 바로 직후에 유체(46)가 공급될 수 있다. 조사된 광(80A, 82A)에 의해 상기 영역에서 도면에 도시한 바와 같이 간섭패턴이 형성되고, 상기 간섭패턴에서 광의 세기가 강한 부분, 곧 마루부분에 의해 2차원 물질층(22C)이 식각되고, 골에 해당하는 부분은 식각되지 않는다. 이렇게 해서 2차원 물질층(22C)에 패턴이 형성된다.
도 5의 식각장치의 경우, 마스크가 필요치 않으므로, 식각장치의 구성이 보다 간단해질 수 있다.
한편, 도 1, 도 4 및 도 5에 예시한 식각장치에서 상술한 요소들을 포함하는 챔버의 압력은 대기압보다 낮을 수 있다. 또한, 유체 흡입구(48)는 상기 챔버의 압력을 낮추기 위한 펌핑 수단으로 사용될 수도 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
20:스테이지 22:물질층
22A:기판 22B:절연층
22C:2차원 물질층 30:광원
32:광원으로부터 방출된 광 32A:마스크(40)를 통과한 광
40:마스크 40A:패턴
44:유체 유입구(inlet) 46:유체
48:유체 흡입구(배출구)(outlet)
50:남은 유체 또는 반응물 60:반사형 마스크
60A:패턴 62:반사체
70:광원(EUV) 80, 82:제1 및 제2 광원
80A:제1 광원(80)에서 물질층(22)에 조사된 광
82A:제2 광원(82)에서 물질층(22)에 조사된 광

Claims (20)

  1. 피식각물이 놓이는 스테이지
    가시광의 파장보다 짧은 파장의 광을 방출하는 광원
    상기 피식각물에 전사될 패턴이 새겨진 마스크
    상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 유체 유입구 및
    상기 유체 공급 후의 잔류물과 반응물을 흡수하는 유체 흡입구를 포함하고,
    상기 피식각물은 그래핀인 2차원 물질 식각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은EUV(Extreme Ultraviolet) 광원 또는 엑스선 광원인 2차원 물질 식각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 광원으로부터 입사되는 광을 투과시키는 투과형 마스크인 2차원 물질 식각장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 광원으로부터 입사되는 광을 반사시키는 반사형 마스크인 2차원 물질 식각장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 피식각물과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 가스 유체 또는 액상 유체인 2차원 물질 식각장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스크로부터 입사되는 광을 상기 피식각물로 반사시키는 반사체가 더 구비된 2차원 물질 식각장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 유체는 산소 또는 산소이온인 2차원 물질 식각장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 액상유체는 상기 그래핀의 탄소(C)와 반응하여 기상물질을 형성하는 원소를 포함하는 2차원 물질 식각장치.
  9. 피식각물이 놓이는 스테이지
    상기 피식각물의 제1 영역에 제1 광을 조사하는 제1 광원
    상기 제1 영역에서 상기 제1 광과 간섭패턴을 형성하는 제2 광을 방출하는 제2 광원
    상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 유체 유입구 및
    상기 유체 공급 후의 잔류물과 반응물을 흡수하는 유체 흡입구를 포함하고,
    상기 피식각물은 그래핀인 2차원 물질 식각장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 피식각물과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 가스 유체 또는 액상 유체인 2차원 물질 식각장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 유체는 산소 또는 산소이온인 2차원 물질 식각장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 액상 유체는 상기 그래핀의 탄소(C)와 반응하여 기상물질을 형성하는 원소를 포함하는 2차원 물질 식각장치.
  13. 스테이지에 피식각물을 놓는 단계
    상기 피식각물에 광을 조사하는 단계
    상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 단계 및
    상기 피식각물 위에서 유체 잔류물과 유체 반응물을 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 피식각물은 그래핀을 포함하고,
    상기 광의 파장은 가시광의 파장보다 짧은 광을 사용하는 2차원 물질층 패터닝 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광을 조사하는 단계는
    마스크로부터 입사되는 광을 조사하는 단계를 포함하는 2차원 물질층 패터닝 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 광을 조사하기 전에 공급하는 2차원 물질층 패터닝 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 광의 조사와 동시에 공급하는 2차원 물질층 패터닝 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 마스크는 투과형 또는 반사형인 2차원 물질층 패터닝 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 피식각물과 반응하여 휘발성 반응물을 형성할 수 있는 가스 유체 또는 액상 유체인 2차원 물질층 패터닝 방법.
  19. 스테이지에 피식각물을 놓는 단계
    상기 피식각물의 제1 영역에 제1 광을 조사하는 단계
    상기 제1 광과 간섭패턴을 형성하는 제2 광을 상기 제1 영역에 조사하는 단계
    상기 피식각물 위로 유체를 공급하는 단계 및
    상기 피식각물 위에서 유체 잔류물과 유체 반응물을 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 피식각물은 그래핀을 포함하고,
    상기 광의 파장은 가시광의 파장보다 짧은 광을 사용하는 2차원 물질층 패터닝 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 제1 및 제2 광의 조사 전에 또는 조사와 동시에 공급하는 2차원 물질층 패터닝 방법.
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