태핑모드 원자힘 현미경 리소그래피에서 팁의 진폭 변화가 미치는 영향성

Abstract

원자 힘 현미경 (atomic force microscope, AFM)은 시료의 표면 형상 분석에 있어서 높은 수직 분해능을 보여주는 표면 분석 장비이다. AFM은 시료 표면에 탐침을 주사하여, 탐침 끝의 원자와 표면 원자 사이에 작용하는 힘에 의한 탐침의 움직임에 관한 정보를 재구성하여 표면 형상을 보여준다. 원자 힘 현미경은 본래 주사 터널링 현미경 (scanning tunneling microscope, STM)이 그 모태이나, STM은 시료 표면을 주사하는 금속 탐침과 금속 기판 사이에 전류를 흘려 전류의 변화를 측정하여 도체 성질을 지닌 시료에 한해 표면 형상에 대한 정보를 얻는다. 1990년 대기 중에서 STM을 이용하여 실리콘 표면을 관찰하는 과정에서 나노 크기의 산화물 패턴이 형성 됨이 발견 되었다. 양극 산화 리소그래피 (anodization lithography) 방법을 원자 힘 현미경 에 적용하면서 금속이 코팅 된 탐침을 리소그래피에 이용하였고, 반도체나 금속 기판에 산화물 패턴을 형성하는 연구의 본격적인 계기가 되었다. 원자 힘 현미경 연구가 계속 진행됨에 따라, 패턴의 종횡비를 높이는 연구 뿐 아니라, AFM의 각 모드에 따른 리소그래피 과정에서 발생하는 현상에도 주목하게 되었다. 태핑 모드 원자 힘 현미경은 캔틸레버의 일정한 고유 진동수에서 진동을 가지며 그 진폭의 변화를 피드백 하여 표면을 분석하는 모드이다. 따라서 태핑 모드 원자 힘 현미경에서 진폭의 변화는 대단히 중요하며 흥미로운 주제이다. 실험을 통하여, 태핑 모드 의 자유 진동 진폭이 원자힘 현미경을 이용한 리소그래피 공정에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 팁의 진폭을 조절함으써, 나노 구조물의 선 폭을 줄일 수 있었다. 캔틸레버 진동자에 인가하는 전압의 세기를 조절함으로써 팁의 진폭을 조절하였으며, 진폭의 변화를 오실로스코프를 통해 확인 하였다. 또한 진폭 - 거리 곡선을 통하여 진폭을 nm 단위로 환산하여 원자 힘 현미경에 구현되는 진폭을 계산하였다. 캔틸레버의 자유 진동 진폭을 작게 할수록, 동일한 셋포인트와 인가 전압에서도 나노 구조물의 선 폭이 줄어드는 경향을 볼 수 있었다. 이는 자유 진동 진폭을 조절 할 때 피에조에 인가되는 인가 전압으로 인하여 유도 되는 팁-샘플간 거리와 관계가 있다. 피에조에 인가 되는 전압이 증가 될 경우, 같은 셋포인트로 샘플에 접근하더라도, 팁이 샘플을 두드리는 힘이 증가하며, 그 거리가 짧아진다. 짧아진 거리는 더 두꺼운 워터 컬럼을 형성하게 되고, 이러한 현상은 나노 구조물 선 폭의 증가를 가져온다. 동일한 실험을 탄소나노튜브를 접착한 팁과, 탄소나노튜브가 접착된 팁의 모체팁을 적용하였다. 모체팁과 탄소나노튜브 경우 낮은 힘 상수를 가지고 있으며, 이는 피에조에 충분한 전압을 인가하고도 작은 자유 진동 진폭을 유도하였다. 일반 팁에서와 같이, 탄소나노튜브 접착 팁과 그의 모체팁에서 자유 진동 진폭이 증가함에 따라 나노 구조물의 선폭이 증가함을 보였다. 그러나 그 선폭이 현저히 줄어듦임이 확인 되었으며, 이를 통해 자유 진동 진폭이 원자 힘 현미경 리소그래피 공정에 영향을 가져옴을 알 수 있었다. 또한, 팁의 직경이 작은 탄소나노튜브를 적용함으로 나노 구조물의 선폭을 감소 시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 원자 힘 현미경 리소그래피의 조건 변화 및 외부 영향에 관한 연구들을 통하여 높은 종횡비를 갖는 산화막 나노 구조물을 고속의 공정에서 달성 할 수 있는 최적 조건을 찾아 낼 수 있을 것이며, 아울러 기존의 광 리소그래피의 한계에 대한 적절한 대체 공정이 될 수 있을 것으로 기대한다.; The anodization lithography process using atomic force microscopy (AFM) is influenced by several factors. In this thesis, the effect of free oscillation amplitude of tip is discussed by using tapping mode AFM lithography. The diverse free oscillation amplitude generally induces the different tip-sample interaction during anodization process. This different interaction force changes the different height of water column that is an essential factor for fabricating nanostructure in AFM lithography. The free oscillation amplitude could be controlled with the help of a piezo driver. The alternating voltage controls the mechanical oscillation of a cantilever. This modified free oscillation amplitude was applied and the width and the height of fabricated patterns were increased as increasing free oscillation amplitude. Higher free oscillation amplitude gave a shorter tip-sample distance when the cantilever approaches to sample with certain setpoint. This shorter tip-sample distance induced the increasing of width and height of patterns. The results show that the lateral growth rate of oxide is sensitively dependent on the applied oscillation amplitude than its height variation.