원자힘 현미경 리소그래피를 이용한 최소 선폭을 가진 나노구조물 제작

Abstract

60년대 집적회로의 출현 이후에, 마이크로 일렉트로닉스의 미세가공 기술은 광 리소그래피 공정 기술의 발전을 통하여 현재 40 nm 급 선폭의 미세패턴을 제작하기에 이르렀다. 그러나, 앞으로 수년 내에, 집적회로 제작 공정의 근간이 되는 광 리소그래피 공정은 제작 가능 선폭의 물리적 한계에 다다르게 될 것이다. 현재, 이를 대비하여 X-ray, e-beam, 극자외선 등을 이용한 리소그래피 방법들이 연구 개발 되고 있다. 본 논문에서는 원자힘 현미경을 이용하여 극미세 패턴 제작 공정을 개선하고 이에 따른 결과 및 이론적인 분석을 도출하였다. 원자힘 현미경을 이용한 양극 산화법 리소그래피공정에 영향을 주는 직접적인 요인은 인가전압, 탐침, 습도, 팁, 샘플 등이 있다. 인가전압은 산화막 나노구조물 제작에 있어 성장률을 결정하는 직접적인 요소로, 본 연구에서는 펄스 발생기를 제작하여 탐침의 움직임과, 원자힘 현미경의 제어기로부터 발생되는 리소그래피 전압 신호에 동기화된 펄스전압을 인가하였다. 이 실험 결과를 바탕으로, 펄스의 전압을 인가하는 방식이 연속적으로 전압을 인가하는 기존방식보다 약 1.5 배 향상된 종횡비를 가지는 나노 구조물을 제작할 수 있었다. 또한 ac 펄스의 전압을 인가하는 방식이 dc 펄스의 전압을 인가하는 방식보다 1.5 배 향상된 종횡비를 가지는 나노 구조물을 제작할 수 있었다. 이는 실리콘의 양극 산화 반응으로 나온 H+ 이온이 산화막 내에 공간전하로 존재하게 되어 산화반응을 방해하는 요인을 제거하기 때문이다. 또한, 탄소 나노 튜브를 부착한 탐침을 이용하여 미세 패턴을 제작하여, 20 nm급의 미세 나노 구조물을 손쉽게 얻어낼 수 있었다. 그러나 탄소 나노 튜브와, 모체 탐침 사이의 접촉 저항으로 인하여 필요 인가전압이 기존 팁을 이용한 것 보다 높아지게 되었는데, 이는 Pt를 CNT에 직접 코팅하여 리소그래피 문턱전압을 낮출 수 있었다. 마지막으로, 팁의 진폭이 원자힘 현미경을 이용한 리소그래피 공정에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 팁의 진폭을 조절함으로써, 나노 구조물의 선 폭을 줄일 수 있었다. 캔틸레버 진동자에 인가하는 전압의 세기를 조절함으로써 팁의 진폭을 조절하였다. 이 현상을 오실로스코프를 통해 전압 단위로 환산된 값을 확인하였다. 또한 원자힘 현미경 시스템 자체에 구현되는 진폭-거리 커브를 측정하여 nm 단위의 진폭을 구할 수 있었다. 진폭을 작게 할수록 나노 구조물의 선 폭이 줄어드는 경향을 볼 수 있었다. 단, 나노 구조물의 높이에는 크게 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있었다. 이러한 원자힘 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 microscope (AFM) is influenced by several factors. Among others applied bias voltage between the AFM tip and the substrate is one of the important factors related to the growth of oxide patterns. A pulse modulator was used to apply the pulsed bias voltage that synchronizes with resonance frequency of cantilever between the tip and the substrate in tapping mode. It investigated the reduction of space charge effect on the growth of oxide patterns using both dc pulse and ac pulse mode with controlled electron exposure times. The aspect ratio of patterns using dc pulsed bias voltage was about 1.5 times higher than using continuous bias voltage. Also the aspect ratio of ac pulse mode increased greater than 1.5 times compared to the aspect ratio of the oxide pattern made by dc pulse mode. The curvature of AFM tip is also important factor to determine the width of protruded oxide nanostructure. Recently, carbon nanotube (CNT) was applied to AFM tip for their advanced imaging capabilities. CNT represents ideal AFM tip material due to their small diameter, high aspect ratio and mechanical robustness. In this thesis, the CNT AFM tips were used in AFM anodization lithography in order to overcome the limit of line-width of patterns using ordinary AFM tips. The CNT tip was required higher bias voltage than conventional AFM tip due to the contact resistance between CNT and AFM tip. In order to reduce the threshold voltage for protrusion of nano oxide pattern, CNT tip which attached to Pt coated on silicon AFM tip (EFM tip) was used to enhance the conductivity. I-V curves were measured to compare the current between the tip and the substrate using EFM-CNT tips and silicon-CNT tip. It was found that the EFM-CNT tip has good electrical property in AFM anodization lithographic process due to the conductivity of Pt coated cantilever. Finally, the lateral growth rate of oxide is more sensitively dependent on the oscillation amplitude. The line-width of oxide decreased with changing the oscillation amplitude, line-height maintains at constant value.