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KR100421218B1 - 선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자방출 리소그래피 장치 및 리소그래피 방법 - Google Patents

선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자방출 리소그래피 장치 및 리소그래피 방법 Download PDF

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KR100421218B1 KR10-2001-0031125A KR20010031125A KR100421218B1 KR 100421218 B1 KR100421218 B1 KR 100421218B1 KR 20010031125 A KR20010031125 A KR 20010031125A KR 100421218 B1 KR100421218 B1 KR 100421218B1
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Abstract

본 발명은 선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치 및 그 리소그래피 방법에 관한 것이다. 챔버 내에 장착된 전자 방출원; 상기 전자 방출원으로 부터 소정거리 이격하며 시편을 장착시키는 스테이지;를 포함하는 전자 방출 리소그래피 장치에 있어서, 상기 전자 방출원은 전자 방출능이 있는 탄소 나노튜브이고, 상기 탄소 나노튜브에서 방출되는 전자의 운동 궤도를 조절하는 자기장을 인가할 수 있는 자기장 발생부;를 포함하는 전자 방출 리소그래피 장치를 제공한다. 그리하여, 리소그래피 공정에 있어서 전자 방출원으로 탄소 나노튜브를 사용하므로 정밀한 선폭으로 리소그래피 공정이 가능하다. 또한, 탄소 나노튜브에서 방출되는 전자가 1:1 대응되는 부위의 이빔레지스트를 감광시키게 되므로, 기판의 중심부와 가장자리의 편차가 발생할 여지가 없으며, 따라서 생산력(throughout)이 매우 높은 전자 방출 리소그래피 장치를 제공할 수 있다.

Description

선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치 및 리소그래피 방법{Apparatus of electron emission lithography by using selectively grown carbon nanotube and lithography method thereof}
본 발명은 선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치 및 그 리소그래피 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노크기의 패터닝을 하기 위하여 선택적으로 성장시킨 탄소나노튜브를 전자 방출원으로 사용하고 마그네틱 필드를 이용하여 전자의 궤도를 정밀하게 조정한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치 및 작동방법에 관한 것이다.{Apparatus of electron emission lithography by using selectively grown carbon nanotube and lithography method thereof}
리소그래피(lithography)란 마스크(mask)의 패턴을 반도체 웨이퍼등의 기판 표면에 형성되어 있는 얇은 감광재료(resist)에 그대로 옮겨 놓은 기술을 의미한다. 이러한 패턴은 통상적으로 다음 단계로 실시되는 에칭 공정에서 웨이퍼 표면과 감광재료 사이에서 마스크 역할을 하는 박막층에 모형을 형성시키는 식각 방지층으로 사용되어진다. 일반적으로 리소그래피는 광노광(optical lithography)과 방사 노광(radiation lithography)으로 나눌 수 있다. 여기서, 광노광은 자외선(UV)노광을 의미하고, 방사 노광은 X-ray, 전자빔(electron beam) 및 이온빔(ion beam)을 이용한 노광을 의미한다.
이러한 전자빔 노광 등의 현재 가능한 리소그래피 공정으로는 70nm 이하의 정밀한 선폭으로 그 공정을 진행하기 어렵다. 또한, 전자빔 자체의 특성상 기판의 중심부와 가장자리의 편차가 발생하게 되는데, 이러한 편차를 줄이기 위해서 한 장의 기판에 대해 여러번 작업을 하게 된다. 그러나, 이에 의해 노광 장치의 평가 요소인 생산력(throughout)이 현저하게 감소하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 선택적으로 성장시킨 탄소 나노튜브를 리소그래피의 전자방출원으로 사용함으로써, 매우 정밀한 선폭의 조절이 가능하며, 또한 리소그래피 대상 시편 전반에 걸쳐 편차가 발생하지 않는 생산력이 높은 전자 방출 리소그래피의 구조 및 작동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에서는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치에서 탄소 나노튜브를 나노틀에 의해 선택적으로 성장되고 원하는 모양으로 패턴시킨 전자 방출 에미터를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 공정에 의해 전자빔이 시편에 형성된 이빔레지스트에 도달하여 감광시킨 뒤, 현상 공정을 거쳐 패터닝시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 어레이의 제조 공정 순서를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 5b는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치에서 전자 방출원인 탄소 나노튜브를 성장시킨 탄소 나노튜브 전자 방출 어레이를 나타낸 TEM 사진이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 탄소 나노튜브(carbon nanotube)
12... 기판 13, 13'... 자기장 인가부
14... 시편 15, 15'... 이빔레지스트(e-beam resist)
16... 전압 인가부 17... 방출 전자
18... 비전도층 19... 홈
20... 나노틀(nano template) 21... 반응 가스
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,챔버 내에 장착된 전자 방출원;상기 전자 방출원으로 부터 소정거리 이격하며 시편을 장착시키는 스테이지;를 포함하는 전자 방출 리소그래피 장치에 있어서,상기 전자 방출원은 전자 방출능이 있는 탄소 나노튜브이고, 상기 방출된 전자가 상기 탄소나노튜브에 대해 1:1로 대응되는 위치의 시편 상에 도달하도록 자기장을 인가할 수 있는 자기장 발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 전자 방출원은 다공성 기판에 탄소 나노튜브를 형성시키며, 상기 기판은 Si 또는 Al2O3를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 상에 패턴된 절연성 박막;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 방법에 있어서,(가) 탄소 나노튜브가 형성된 기판에 전압을 인가하여 상기 탄소 나노튜브에서 전자를 방출시키는 단계;(나) 상기 방출된 전자가 상기 탄소나노튜브에 대해 1:1로 대응되는 위치의 시편 상에 도달하도록 자기장 발생부에서 자기장을 인가하여 상기 전자의 운동 궤도를 조절하는 단계; 및(다) 상기 전자에 의해 상기 시편 상에 형성된 이빔레지스트를 리소그래피하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 및 상기 시편 상의 포토 레지스트와의 거리에 따라 인가하는 자기장의 세기를 조절함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피의 구조 및 그 리소그래피 방법을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치를 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이, 선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치는 다음과 같은 구조를 가진다.
챔버 내부에 전자 방출원으로 작용을 하는 탄소 나노튜브(11)가 형성된기판(12) 상부에 소정 거리를 두고 패턴을 시키고자 하는 이빔레지스트(15)가 형성된 시편이 배치되며, 상기 기판(12) 및 상기 시편은 상기 탄소 나노튜브(11)에서 방출되는 전자의 경로를 조절하기 위한 자기장 발생부(13, 13') 내부에 위치시킨다. 여기서, 상기 탄소 나노튜브에서 전자를 발생시키기 위해 전압을 인가시키는 전압 인가부(16)가 별도로 마련되어 있다.
본 발명에 의한 선택 성장된 탄소 나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치에 있어서 상기 자기장 발생부(13, 13')는 상기 탄소 나노튜브(11)와 상기 패턴을 시키고자 하는 시편(14) 사이의 거리에 따라 상기 탄소 나노튜브(11)에서 발생하는 전자(17)가 상기 시편(14)의 대응되는 위치에 도달하도록 정밀하게 조정할 수 있도록 한다.
이러한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 방법에 대해 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 1에 나타난 바와 같이, 전압 인가부(16)에 의해 상기 탄소 나노튜브(11)에 전압이 인가되면, 상기 탄소 나노튜브(11)의 단부에서 전자(17)가 방출된다. 이때, 상기 방출된 전자(17)가 이빔레지스트(15)가 형성된 시편(14)의 원하는 위치에 도달해야 한다. 여기서, 예를 들어 상기 자기장 발생부(13, 13')에서 정밀하게 조정된 자기장에 의해 상기 탄소 나노튜브(11)에서 발생한 전자(17)의 운동 궤도가 조절된다. 상기 전자(17)는 한바퀴 회전하면서 다시 원점에 모이게 되고, 전자빔 이빔레지스트(15)가 도포된 상기 시편(13)의 표면에 도달한다.
즉, 상기 탄소 나노튜브(11)에서 발생한 전자(17)는 자기장에 의해 상기 이빔레지스트(15)가 형성된 시편(14)의 1:1로 대응되는 위치에 도달하면서, 결과적으로 상기 상기 기판(12)에 형성된 탄소 나노튜브(11)의 형태 그대로 투영된다. 따라서, 시편(14)에 대해 원하는 모양으로 리소그래피 공정이 이루어지게 되는 것이다. 이후의 현상(developing) 공정을 거치게 되면, 상기 이빔레지스트(15)가 음성인 경우에는 전자빔에 노출된 부위가 잔존하게 되고, 양성인 경우에는 반대로 전자빔에 노출되지 않은 부위가 잔존하게 되다.
도 2a 및 도 2b에서는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치에서 탄소 나노튜브를 나노틀에 의해 선택적으로 성장되고 원하는 모양으로 패턴시킨 전자 방출 에미터를 나타낸다. 도 2a의 경우에는 다공성 기판(12) 상에 원하는 부위에 탄소 나노튜브(11)를 선택적으로 성장 시킨 일실시예를 나타낸 것이며, 도 2b의 경우에는 이미 기판(12) 상에 성장시킨 탄소 나노튜브(11)에 대해 원하는 모양으로 전자 방출을 얻기 위하여 상기 탄소 나노튜브(11) 상부에 절연체 박막(18)을 도포시킨 또 다른 실시예를 나타내고 있다.
도 3a 및 도 3b는 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 공정에 의해 전자빔이 이빔레지스트(15')에 도달되어 현상 공정을 거쳐 패터닝시킨 것을 나타내고 있다. 여기서는 상기 이빔레지스트(15, 15')가 음성인 경우를 나타내고 있으며, 만일 양성인 경우에는 상기에서 기술한 바와 같이 반대로 노출된 부위만 제거될 것이다.
이하, 도 4a 내지 도 4e를 참고하면서 본 발명에 의한 선택 성장된 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 어레이의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다. 도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 어레이의 제조 공정 순서를 나타낸 도면이다.
먼저 기판에 탄소 나노튜브(11)가 성장될 위치에 공동을 형성시키게 되는데, 이는 양극 산화 처리(anodizing)에 의한다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 기판(12), 예를 들어 Al 기판(12) 에 대해 1차 양극 처리(anodization)를 실시한다. 이러한 양극 처리에 의해 기판(12) 표면의 탄소 나노튜브(11)가 성장될 홈(19)이 형성된다.
다음으로, 도 4b에 나타낸 바와 같이 2차 양극 처리를 실시하여 나노틀(nano template)(20)을 형성시킨다. 이에 따라 상기 1차 양극 처리에 의한 홈(19)이 더욱 깊어지게 된다. 이와 같은 나노틀(20)은 탄소 나노튜브(11)가 성장할 위치이며, 그 직경은 약 1000nm 이하가 되는 것이 바람직하다. 상기한 양극 처리 과정을 거치게 되면, 초기의 Al 기판은 Al2O3로 산화된다.
다음으로, 도 4c에 나타낸 바와 같이 상기 나노틀(20)이 형성된 기판(12)에 탄소 나노튜브(11)를 성장시키기 위하여, 탄소 나노튜브 성장가스(21)를 주입한다. 이때에는 메탄 등의 탄소 나노튜브 성장가스를 사용하고, 그 희석 가스로 아르곤 또는 질소를 사용하게 된다.
여기서, 상기 도 4d와 같이 상기 탄소 나노튜브(11)를 원하는 모양으로 성장시켜 직접 전자 방출원으로 사용할 수 있으며, 또한 원하는 모양을 얻기 위하여 상기 탄소 나노튜브(11)가 성장된 기판(12)에 대해 도 4e와 같이 SiO2등의 비전도층(18)을 형성시키고, E-beam 등에 의하여 원하는 모양대로 패턴을 실시할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 전자 방출 리소그래피 장치에서 상기 도 4a 내지 도 4b에 나타낸 공정에 의해 전자 방출원인 탄소 나노튜브(11)를 기판(12)에 대해 수직으로 성장시킨 탄소 나노튜브 전자 방출 어레이를 나타낸 TEM 사진이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 리소그래피 공정에 있어서 전자 방출원으로 탄소 나노튜브를 사용하므로 정밀한 선폭으로 리소그래피 공정이 가능하다. 또한, 탄소 나노튜브에서 방출되는 전자가 1:1 대응되는 부위의 이빔레지스트를 감광시키게 되므로, 기판의 중심부와 가장자리의 편차가 발생할 여지가 없으며, 따라서 생산력(throughout)이 매우 높은 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 장치를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 챔버 내에 장착된 전자 방출원;
    상기 전자 방출원으로 부터 소정거리 이격하며 시편을 장착시키는 스테이지;를 포함하는 전자 방출 리소그래피 장치에 있어서,
    상기 전자 방출원은 전자 방출능이 있는 탄소 나노튜브이고, 상기 방출된 전자가 상기 탄소나노튜브에 대해 1:1로 대응되는 위치의 시편 상에 도달하도록 자기장을 인가할 수 있는 자기장 발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전자 방출원은 다공성 기판에 탄소 나노튜브를 형성시킨 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기판은 Si 또는 Al2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 장치.
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 상에 패턴된 절연성 박막;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 장치.
  6. 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 방법에 있어서,
    (가) 탄소 나노튜브가 형성된 기판에 전압을 인가하여 상기 탄소 나노튜브에서 전자를 방출시키는 단계;
    (나) 상기 방출된 전자가 상기 탄소나노튜브에 대해 1:1로 대응되는 위치의 시편 상에 도달하도록 자기장 발생부에서 자기장을 인가하여 상기 전자의 운동 궤도를 조절하는 단계; 및
    (다) 상기 전자에 의해 상기 시편 상에 형성된 이빔레지스트를 리소그래피하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (나) 단계;는 상기 탄소 나노튜브 및 상기 시편 상의 이빔레지스트와의 거리에 따라 인가하는 자기장의 세기를 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전자 방출 리소그래피 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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