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나노리소그래피

클로즈드 루프 스캔 시스템을 이용한 진보된 벡터 나노리소그래피

나노리소그래피

일반적으로 원자현미경은 표면에 손상을 주지 않고 이미징하는 데 사용됩니다. 그러나 원자현미경으로 과도한 힘이나 고출력 펄스를 가하여 의도적으로 표면을 변형할 수도 있습니다. 표면을 원자 단위로 변형한 여러 가지 사례가 과학 논문뿐 아니라 신문과 잡지에도 소개된 바 있습니다. 이 기술을 나노리소그래피라고 합니다.

 

나노리소그래피 패턴은 그림 1과 같이 두 가지 방법으로 시료 표면에 새겨집니다. 첫 번째는 시료 표면을 단단한 팁으로 각인하여 기계적으로 변형하는 방법입니다. 두 번째는 팁과 시료 사이에 바이어스 전압을 인가하여 표면의 화학적 특성을 바꾸는 방법입니다. 다양한 점 또는 격자 형태로 각인 패턴을 만들 수 있으며, 전체 이미지를 스캔하는 래스터 나노리소그래피가 널리 사용됩니다.

 

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그림 1. 표면에 패턴을 만들기 위해 (a) 팁으로 표면을 각인하는 방법 및 (b) 바이어스 전압을 인가하여 표면을 변형하는 방법

 

진보된 클로즈드 루프 스캔 시스템을 이용한 벡터 나노리소그래피

나노리소그래피에서 진보된 클로즈드 루프 시스템의 가치는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 나노리소그래피의 안정성과 효율성이 이 시스템에 달려 있다고 해도 과언이 아닙니다. XE 시리즈 원자현미경이 제공하는 최고 성능의 클로즈드 루프 시스템으로 벡터 나노리소그래피를 실현할 수 있습니다.

XE 시리즈 원자현미경의 XY 스캐너에는 위치 감지형 광검출기(PSPD)가 클로즈드 루프 센서로 사용되며, PSPD는 실시간으로 XY 스캐너의 움직임을 감시하며 제어합니다. 이를 통해 XY 방향으로 캔틸레버의 벡터 이동이 가능합니다. 즉, 다른 원자현미경 시스템에서 일반적으로 사용되는 방식인 래스터화는 XE 시리즈 원자현미경에서 지원되기는 하지만 필수 사항은 아닙니다. 벡터 나노리소그래피가 가능한지 여부는 클로즈드 루프 시스템의 성능을 입증하는 궁극적인 척도입니다.

그림 2에서는 벡터 나노리소그래피의 진보된 성능을 보여 줍니다. 그림 2 (b)의 나노리소그래피 이미지는 그림 2 (a)에 나와 있는 벡터를 사용하여 각각 2개의 원과 직선으로 그려졌습니다. 선의 두께는 인가 전압 및 스캔 시 대기 습도와 같은 여러 가지 요인에 좌우됩니다. 래스터화가 아닌 벡터 이동에 의해 직선이 그려졌음에도 불구하고 이미지에 왜곡이 전혀 없습니다. 이는 XE 시리즈 원자현미경에 사용된 클로즈드 루프 시스템의 놀라운 성능을 입증하는 결과입니다.

 

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그림 2. 벡터 나노리소그래피. -5에서 -10 V 사이의 음전압을 인가하여 벡터 방식으로 작성한 이미지입니다. 스캔 속도는 1에서 0.1μm/s 범위로 변화했으며 축적 산화물 높이는 약 2-4nm입니다.

 

XEL - 진보된 나노리소그래피 소프트웨어

XE 시리즈 원자현미경의 나노리소그래피 공정은 XEL 리소그래피 제어 소프트웨어로 통제됩니다. XEL의 편리한 사용자 인터페이스를 사용하면 단순한 그래픽 소프트웨어로 그림을 그리듯이 손쉽게 리소그래피 공정을 제어할 수 있습니다. 마우스 조작만으로 손쉽게 개체를 그리고 크기를 조정하거나 이동할 수 있습니다. 래스터화 및 벡터 나노리소그래피에 사용할 비트맵 이미지를 외부에서 가져올 수 있습니다.

XEL 소프트웨어에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 다양한 리소그래피 모드
• 배경 특성과 개체 특성 분리
• 벡터 모드와 래스터 모드 지원
• 편리한 그래픽 편집기 제공

그림 3은 전압 유도 Si 산화를 통해 작성한 비트맵 이미지 패턴입니다. 팁과 시료 사이에 위치마다 다른 바이어스 전압을 인가하여 PZT 박막의 강유전성 구역을 전환할 수 있습니다. 그림 4 (a)와 그림 4 (b)는 PZT 박막 EFM 이미지의 강유전성 구역 전환을 수행하기 전과 후의 모습입니다. 밝은 부분은 10V, 어두운 부분은 -10V의 바이어스 전압이 인가된 상태입니다.

 

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그림 3. (a) PZT 박막의 강유전성 구역 전환 및 (b) 폴리카보네이트 박막의 나노각인으로 작성한 비트맵 이미지 패턴(스캔 크기 30μm)

 

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그림 4. PZT 박막에서 강유전성 구역 전환을 수행하기 전(a)과 후(b)의 리소그래피 EFM 이미지(스캔 크기 5μm)

 

외부 고전압 리소그래피

XE 시리즈의 나노리소그래피는 시료 표면에 나노 규모로 형태를 새기는 데 사용되는 기법입니다. XE 시리즈 원자현미경을 사용한 일반 나노리소그래피 모드에서 인가 가능한 전압 범위는 -10V ~ +10V입니다. 전압 범위를 더 높여야 하는 특수한 경우를 위해 고전압 나노리소그래피 모드가 개발되었습니다. 외부 고전압 키트를 이용하면 XE 원자현미경을 외부 전압 증폭기에 연결하여 10V 이상의 팁 또는 시료 바이어스 전압으로 실험이나 측정을 수행할 수 있습니다. 고전압 리소그래피에서 인가 가능한 전압 범위는 외부 전압 증폭기에 따라 다릅니다.



응용 분야

• 나노리소그래피 매체 및 기법 개발
• 최소 형상 크기 연구
• 최소 선 간격
• 저항 노출 속도
• 노출 임계치

Park SPM Modes