원자 힘 현미경 리소그래피를 이용한 금속 나노구조물 제작에 관한 연구

Abstract

Atomic force microscope (AFM) lithography is one of the useful methods for fabricating the nanoscale pattern in the atmosphere. But, low aspect ratio is the reason of its limitation to practical use. Thickness of resist pattern should be below 50 nm for applying AFM lithography. The etching of metal progressed with wet process; 시표의 표면 형상을 원자 수준에서 보기 위한 가장 정밀하고 유용한 장치는 미세한 탐침을 이용하는 원자 힘 현미경 (atomic force microscope, AFM)이다. AFM은 시료 표면에서 탐침을 주사(scanning)하고, 탐침 끝의 원자와 기판 원자 사이에 작용하는 힘에 의한 탐침의 움직임에 대한 수집 정보를 재구성하여 표면 형상을 만든다. 원자 힘 현미경은 본래 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope, STM)이 그 모태로, STM은 시료 표면을 주사하는 금속탐침과 금속 기판 사이에 전류를 흘려 전류의 변화를 측정하여 시료표면 형상에 대한 정보를 얻는다. 1990에 발표된 논문에 따르면, 대기에서 STM을 이용하여 실리콘 표면을 관찰 하던 중 나노 크기의 산화물 패턴이 형성 됨을 확인 하였다. 양극 산화 리소그래피(anodization lithography) 방법을 AFM에 적용하면서 금속이 코팅 된 탐침을 리소그래피에 이용하였고, 반도체나 금속 기판에 산화물 패턴을 형성하는 연구의 본격적인 계기가 되었다. 또한, 탐침과 기판 사이에 전압을 걸어주면 광학 리소그래피나 전자 빔 리소그래피에서 사용하는 레지스트에서도 패턴을 형성 할 수 있다. AFM을 이용한 리소그래피는 극 미세 산화물 패턴 제작에 효과적이지만, 제작 가능한 패턴의 종횡비는 매우 낮다. 리소그래피 공정에서 AFM의 낮은 에너지로 인해 패턴을 형성 할 수 있는 레지스트 두께는 제한적이며, 산화물 패턴을 선택적으로 식각하여 형성한 음각 패턴 (trench form) 역시 산화물 패턴의 종횡비와 비례하기 때문에 AFM을 이용한 양극 산화 리소그래피로 제작한 산화물 패턴의 활용이 극히 제한적이다. 레지스트에 형성한 패턴은 기판의 식각이나 리프트 오프(lift off)방법에 의한 패턴의 전사가 목적이다. AFM으로 형성한 레지스트 패턴은 두께가 얇기 때문에 선택비가 낮은 건식 식각보다 선택비를 극대화 할 수 있는 습식 식각에서 유용하다. 네거티브 형(negative type) 레지스트는 리소그래피를 통해 고분자 사슬이 크로스 링킹 (cross-linking) 되면서 경도가 높아지고 산이나 염기에 대한 저항성이 높아진다. 습식 식각에 의한 실리콘과 크롬 패턴의 제작을 위해 광산 발생제를 포함하는 네거티브 레지스트에서 패턴을 만들어 식각 마스크로 사용하여 높은 종횡비의 실리콘 패턴과 크롬 패턴을 제작 할 수 있었다. 또한, 양극 산화 리소그래피 방법에 의한 산화물 패턴은 기판과 다른 식각 특성을 보인다. 건식 식각에 대하여 저항이 큰 크롬을 얇게 증착하여 산화물 패턴을 만들고, 이를 선택적으로 제거하면 노출된 하층 물질을 식각 하기 위한 하드 마스크 (hard mask)로 사용 할 수 있다. 고해상도 금속 패턴의 제작은 나노소자, MEMS, NEMS 등의 구현을 위해 중요한 기술이다. 또한 현재 반도체 산업의 광학 리소그래피와 극 자외선 (EUV) 리소그래피에서 사용하는 마스크 흡수체 패턴의 제작에도 필수적이다. AFM을 활용한 금ㅁ속 패턴의 제작 방법은 레지스트를 이용하는 광학 리소그래피나 전자 빔 리소그래피와 동등한 해상도로 금속 패턴을 제작 할 수 있으면서도 간단하고 공정비용이 극히 낮아 활용 가치가 크다.; caused by thin film of resist is easily damaged from ion bombardment in dry etching. The cross-linked negative resist by AFM lithography has the strong resistivity with acid or base, but the available etching depth is limited from anisotropic etching of wet process. The nanoscale metal oxide pattern is easily fabricated by anodization lithography. The oxide is also formed under the substrate in proportion to protruded oxide. Selective etching of oxide can make the nanoscale metal trench pattern. But, the depth of metal trench is not serviceable. A noble access is required for use the easily fabricated nanoscale pattern by AFM. AFM anodization lithography can make the hard mask that made by metal. Chromium (Cr) has the very strong physical resistance in specific condition for dry etching. The trench pattern of thin Cr layer is fabricated by selective etching of oxide pattern. The patterned thin Cr layer has the role of a hard mask for etching of tantalum (Ta). The Cr hard mask fabricated by AFM lithography can be applied for effective hard mask of magnetically enhanced inductively coupled plasma etching process.