KR100621794B1 - Three Dimensional Nano-patterning Method using Atomic Force Microscope with Sequential Anodic Oxidation - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자간 인력 현미경(atomic force microscope : AFM)을 이용한 나노 전사법(Nano-patterning)에 관한 것으로, 기존 AFM 을 변형시키지 않고, 일반적으로 사용되는 전위차계(potentiometer)를 이용하여 3차원 패턴을 빠르게 반복적으로 구현하는 방법을 제공하는 것이 목적이다. The present invention relates to nano-patterning using an atomic force microscope (AFM), and does not modify an existing AFM, and uses a commonly used potentiometer to generate a three-dimensional pattern. The goal is to provide a fast and iterative implementation.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자간 인력 현미경을 이용한 3차원 나노전사법은, 전사하고자 하는 3차원 대상물을 픽셀(pixel)로 분할, 스캔하여 픽셀마다 Z-축 방향의 높이를 측정하는 이미지 분석 단계(A)와, (A)단계에서 높이가 측정된 픽셀을 높이별로 다수의 그룹(층)으로 나누어 그룹별로 2차원 패턴을 만들고, 이를 층별로 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하는 전압 패턴을 프로그램하는 단계(B)와, (B)단계에서 층별로 프로그램된 전압 패턴을 순차적으로 전위차계를 통하여 AFM에 인가하여 이미지를 구현하는 단계(C)를 포함한다.Three-dimensional nanotransfer method using the atomic force microscope of the present invention for achieving the above object, an image for measuring the height in the Z-axis direction for each pixel by dividing and scanning the three-dimensional object to be transferred to pixels (pixel) In the analysis step (A) and the step (A), a pixel is divided into a plurality of groups (layers) for each height to form a two-dimensional pattern for each group, and the voltage is converted into a signal of applied voltage with respect to time for each layer. Step (B) of programming a pattern, and step (C) of applying a voltage pattern programmed for each layer in step (B) to the AFM through a potentiometer sequentially to implement an image.
원자간 힘 현미경, 원자간 인력 현미경, AFM, 전사, 나노 패터닝, 순차적 양극산화Atomic Force Microscopy, Atomic Force Microscopy, AFM, Transcription, Nano Patterning, Sequential Anodization
Description
도 1은 전사하고자 하는 3차원 나노구조물을 Z-축 방향으로 3개 층으로 분할하여 각 층별로 인가전압을 시간의 함수로 프로그램한 결과를 그림으로 표현한 것이다.Figure 1 is a graphical representation of the result of programming the applied voltage as a function of time by dividing the three-dimensional nanostructure to be transferred into three layers in the Z-axis direction.
도 2는 인가전압을 변화시켜가며 Si3N4/Si(100) 웨이퍼에 형성된 SiO2의 높이를 측정한 결과이다.2 is a result of measuring the height of SiO 2 formed on the Si 3 N 4 / Si (100) wafer while varying the applied voltage.
도 3은 Si3N4/Si(100)에 19V의 전기를 인가하여 양극 산화시켰을 때 반복회수에 따른 SiO2 결정이 성장한 높이를 측정한 그림이다. 3 is a diagram measuring the height of SiO 2 crystal growth according to the number of iterations when anodized by applying 19V of electricity to Si 3 N 4 / Si (100).
도 4는 본 발명을 실시에 제공된 원자간 인력 현미경(AFM)에서의 탐침부와 시료부의 모식도이다.It is a schematic diagram of a probe part and a sample part in the atomic force microscope (AFM) provided in practicing this invention.
도 5는 순차적 양극 산화법으로 구현한 사각형이 적층된 형태의 3차원 나노구조물을 나타낸 그림이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a three-dimensional nanostructure having a rectangular stacked structure implemented by sequential anodic oxidation.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 탐침 홀더 11: 탐침 고정부(구리)10: probe holder 11: probe fixing part (copper)
12: 탐침 21: Si3N4 레지스트12: probe 21: Si 3 N 4 resist
22: Si(100) 웨이퍼 23: 비전도성 물질22: Si (100) wafer 23: non-conductive material
30: 시료 홀더30: sample holder
본 발명은 원자간 인력 현미경(atomic force microscope : AFM)을 이용한 나노 전사법(Nano-patterning)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 AFM을 변형시키지 않고, 전사하고자 하는 대상물을 픽셀 단위로 분할하여 각 픽셀별로 높이를 파악하여 다수의 층으로 분할한 후, 분할된 층마다 작성된 2차원 패턴을 순차적으로 구현함으로써 3차원 구조물을 구현하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to nano-patterning using an atomic force microscope (AFM), and more particularly, by dividing the object to be transferred by pixel unit without modifying the existing AFM. The present invention relates to a method of realizing a three-dimensional structure by grasping a height for each pixel and dividing the same into a plurality of layers and sequentially implementing a two-dimensional pattern created for each divided layer.
3차원 나노 구조물은 서로 다른 여러 개의 광 마스크(photo-mask)를 사용하여 순차적으로 적층하는 광전사법(photo lithography)에 의하여 구현하는데 기존의 광전사법은 개선의 여지는 있으나 최소 선폭이 수 ㎛ 단위에 머물고 있어 최근에는 새로운 미세 가공기술로 원자간 인력 현미경(AFM)을 이용한 나노 전사법에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Three-dimensional nanostructures are implemented by photolithography, which is sequentially stacked using several different photo-masks. Conventional photolithography, although there is room for improvement, has a minimum line width of several micrometers. Recently, as a new microfabrication technology, research on nano transcription method using an atomic force microscope (AFM) has been actively conducted.
원자간 인력 현미경(AFM)은 본래 원자끼리의 인력을 이용하여 시료를 손상시키지 않고 시료의 표면을 관찰하거나 형상화하는 장치로 개발된 것인데, 이를 반대로 적용하면 즉, 시료 표면과 탐침(probe) 사이에 적당한 전압을 가하면 나노 구조 물을 제작할 수 있다. Atomic Force Microscopy (AFM) was originally developed as a device for observing or shaping the surface of a sample without damaging the sample using the attractive force between atoms, which, in turn, is applied between the sample surface and the probe. Nanostructures can be fabricated by applying the appropriate voltage.
본 발명은 이러한 AFM 나노 전사법 중 양극 산화법에 속하는 것으로, 이는 전도성 탐침에 음의 전압을 가하고, 시편에 양의 전압을 가하여 탐침과 시편사이의 수분을 이용한 전기화학적인 양극산화 패턴을 구현하는 것이다. The present invention belongs to the anodic oxidation method of the AFM nanotransfer method, which applies a negative voltage to the conductive probe and a positive voltage to the specimen to implement an electrochemical anodization pattern using moisture between the probe and the specimen. .
AFM 나노 전사법에 관한 발명으로, 한국 공개특허 2003-0032208과 한국 공개특허 2003-0014337에는 다양한 유기물을 AFM 나노 전사용 레지스트로 사용하여 나노 패턴의 구현 속도와 분해능을 개선시킨 연구 결과가 개시되어 있고, 한국 공개특허 2003-001216과 2003-0010462에는 2차원 패턴 구현을 위한 자동화된 나노 전사법이 개시되어 있는데, 이들은 AFM 자체 내에 설치된 내부전위차계를 이용하는 방식으로, 패턴의 시작점과 마지막점을 인식시켜 AFM 탐침이 이동하면서 전압을 인가하여 패턴을 구현한다. 즉, 1초를 1/1000 이하로 쪼개어 표시할 수 있는 외부 전위차계를 활용하여 이미지맵을 형성함으로써 보다 정교한 패턴을 구현 할 수 있는데 3차원 패턴을 구현하기 위해서는 소요 시간이 급수적으로 증가하고, 장치가 복잡하다는 단점이 있다.As an invention relating to the AFM nanotransfer method, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0032208 and Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0014337 disclose research results that improve the implementation speed and resolution of nanopatterns using various organic materials as resists for AFM nanotransfer. , Korean Patent Publication Nos. 2003-001216 and 2003-0010462 disclose an automated nano transcription method for realizing a two-dimensional pattern, which uses an internal potentiometer installed in the AFM itself to recognize the starting point and the end point of the pattern. As the probe moves, a voltage is applied to implement the pattern. In other words, it is possible to implement a more sophisticated pattern by forming an image map by using an external potentiometer that can split and display one second to 1/1000 or less. To implement a three-dimensional pattern, the time required increases in number and The disadvantage is that it is complicated.
본 발명의 목적은 기존 AFM 장비를 변형시키지 않고, 일반적으로 사용되는 전위차계(potentiometer)를 이용하여 3차원 패턴을 빠르게 반복적으로 구현하는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for rapidly and repeatedly implementing a three-dimensional pattern by using a potentiometer which is generally used without modifying existing AFM equipment.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자간 인력 현미경을 이용한 3차원 나노전사법은, Three-dimensional nanotransfer method using the atomic force microscope of the present invention for achieving the above object,
전사하고자 하는 3차원 대상물을 픽셀(pixel)로 분할, 스캔하여 픽셀마다 Z-축 방향의 높이를 측정하는 이미지 분석 단계(A)와, An image analysis step (A) of dividing and scanning a 3D object to be transferred into pixels to measure heights in the Z-axis direction for each pixel;
(A)단계에서 높이가 측정된 픽셀을 높이별로 다수의 그룹(층)으로 나누어 그 룹별로 2차원 패턴을 만들고, 이를 층별로 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하는 전압 패턴을 프로그램하는 단계(B)와, In step (A), the pixel whose height is measured is divided into a plurality of groups (layers) for each height to create a two-dimensional pattern for each group, and programming a voltage pattern for converting the signal into a signal of applied voltage with respect to time for each layer ( B) and,
(B)단계에서 층별로 프로그램된 전압 패턴을 순차적으로 전위차계를 통하여 AFM에 인가하여 이미지를 구현하는 단계(C)를 포함한다.In step (B), the step (C) to implement the image by applying the voltage pattern programmed for each layer sequentially through the potentiometer to the AFM.
이하, 본 발명의 구성을 단계별로 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention in more detail step by step.
(A)단계는 전사하고자 하는 3차원 대상물의 구조를 파악하는 단계로, 전사하고자 하는 3차원 대상물을 픽셀(pixel)로 분할, 스캔하여 픽셀마다 Z-축 방향의 높이를 측정한다.Step (A) is to identify the structure of the three-dimensional object to be transferred. The three-dimensional object to be transferred is divided into pixels and scanned to measure the height in the Z-axis direction for each pixel.
픽셀은 이를테면, 가로와 세로를 각각 32, 64, 128 또는 256 라인으로 구획하여 1,024, 4,096, 16,384 혹은 65,536 픽셀로 분할하는데 작은 크기로 세분할수록 평면 분해능은 증가한다. Pixels are divided into, for example, 32, 64, 128, or 256 lines of horizontal and vertical lines, respectively, into 1,024, 4,096, 16,384, or 65,536 pixels. The smaller size increases the planar resolution.
(B)단계는 (A)단계에서 높이가 측정된 픽셀을 높이별로 다수의 층으로 나누어 층별로 2차원 패턴을 만들고, 이를 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하는 프로그램을 만드는 단계이다.Step (B) is a step of creating a program for dividing the pixel whose height is measured in step (A) into a plurality of layers by height to create a two-dimensional pattern for each layer and converting the signal into a signal of applied voltage over time.
(A)단계와 (B)단계를 거쳐 작성된 프로그램은 AFM 나노전사에 반복적으로 사용할 수 있는데 이는 광전사법에서의 마스크(mask)에 해당하는 것으로, 이를테면, 이는 프로그램된 마스크(programed mask)라 할 수 있다.A program written in steps (A) and (B) can be used repeatedly for AFM nanotransfer, which corresponds to a mask in the photoelectron method, for example, a programmed mask. have.
예를 들어, 도 1의 왼쪽 그림과 같은 3개의 사각형이 피라미드 형태로 적층 된 입체를 전사하고자 하는 경우에는 도 1의 오른쪽 그림과 같은 각층별로 모두 세 개의 전압패턴을 프로그램한다.For example, when three squares as shown in the left picture of FIG. 1 are to be transferred to a three-dimensional stacked pyramid shape, three voltage patterns are programmed for each layer as shown in the right picture of FIG.
구현하고자 하는 나노구조물의 높이는 인가전압으로 조절하는데, 도 2에서 보는 바와 같이, 인가전압이 커질수록 양극산화반응을 통해 성장하는 실리콘 산화물(SiO2)의 높이는 증가한다. 또 동일한 전압을 인가하더라도 성장하는 실리콘 산화물의 높이는, 도 3에서 보는 바와 같이, 양극산화의 횟수에 직선적으로 비례하는 것은 아니다. 따라서 인가전압을 정할 때에는 양극산화의 횟수를 고려하여 이에 대한 보정이 이루어져야 하는데 도 2와 도 3은 선행실험을 통하여 얻어진다.The height of the nanostructure to be implemented is controlled by an applied voltage. As shown in FIG. 2 , the height of silicon oxide (SiO 2 ) grown through anodization increases as the applied voltage increases. Further, even when the same voltage is applied, the height of growing silicon oxide is not linearly proportional to the number of times of anodization, as shown in FIG. 3. Therefore, in determining the applied voltage, correction must be made in consideration of the number of anodizations. FIGS. 2 and 3 are obtained through a prior experiment.
픽셀 당 전기는 수 ㎲ 또는 ㎳ 단위로 공급하는데 이미지 분석 단계(A)와 이미지 구현 단계(C)를 동일한 속도로 진행하고자 하는 경우(synchronization), 이미지 구현 시간이 짧을수록 인가전압을 가하는 시간이 줄어들어서 완벽한 이미지 구현이 어려울 수 있다.Electricity per pixel is supplied in units of several kilowatts or kilowatts, and when the image analysis step (A) and the image implementation step (C) are to be performed at the same speed (synchronization), the shorter the image implementation time, the less time is applied to the applied voltage. This can be difficult to achieve a perfect image.
그리고 만약 구현하고자 하는 나노구조물의 형태가 도 1과 같이 기하학적 형태가 아니라면 높이에 따라 몇 개의 범위로 나누어 2차원 패턴을 만들어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 방법에 의해 한반도 지형을 구현한다고 가정하면, 0m 이상인 부분, 500m 이상인 부분, 1,000m 이상인 부분의 식으로, 500m 간격으로 층을 분할하여 프로그램된 마스크를 제작한 후 이를 적층하는 형식으로 구현한다. 당연히 층고를 세분할수록 정밀하게 전사된다. And if the shape of the nanostructure to be implemented is not a geometrical shape, as shown in Figure 1 should be divided into several ranges depending on the height to make a two-dimensional pattern. For example, assuming that the terrain of the Korean Peninsula is implemented by the method of the present invention, a programmed mask is produced by dividing the layers at intervals of 500 m in the form of a portion of 0 m or more, a portion of 500 m or more, and a portion of 1,000 m or more, and then laminating them. Implement in the form Naturally, the more detailed the height is, the more precise the transfer.
(C)단계는 (B)단계에서 층별로 프로그램된 전압 패턴을 순차적으로 전위차계를 통하여 AFM의 전도성 탐침에 인가하여 이미지를 구현하는 단계이다.
외부 전위차계를 통하여 인가할 전압패턴은 구현하고자 하는 패턴의 형상을 이용하여 사전에 프로그래밍을 해 놓는다. 이는 외부 전위차계를 이용하여 픽셀단위로 '전압-시간'함수를 작성하는 것으로, 작성된 전압의 인가는 외부 전위차계 스위치의 on을 통하여 시작된다. 프로그램된 전압은 외부 전위차계의 외부선(external output line)과 구리선으로 연결된 AFM 전도성 탐침에 인가된다. 탐침을 통해 외부 전기적 신호는 시편 사이의 공기 중 수분으로 형성된 물층에서 양극산화반응을 발생시키고, 이를 통해 프로그램된 전류가 시편으로 이동한다. 시편으로 이동한 전류는 시편에 연결된 구리선을 통하여 다시 외부 전위차계의 내부선(internal input line)으로 흘러들어 간다. 이 과정은 프로그램된 전압이 모두 이가될 때까지 반복하여 진행된다.In step (C), the voltage pattern programmed for each layer in step (B) is sequentially applied to the conductive probe of the AFM through a potentiometer to implement an image.
The voltage pattern to be applied through the external potentiometer is programmed in advance using the shape of the pattern to be implemented. This creates a "voltage-time" function in pixel units using an external potentiometer, and application of the prepared voltage is started through the on of the external potentiometer switch. The programmed voltage is applied to an AFM conductive probe connected to the copper wire with the external output line of the external potentiometer. Through the probe, an external electrical signal causes anodization in a water layer formed of moisture in the air between the specimens, through which the programmed current is transferred to the specimen. Current transferred to the specimen flows back to the internal input line of the external potentiometer through a copper wire connected to the specimen. This process is repeated until all programmed voltages have reached.
프로그램된 전압 패턴은, 도 2에서 보는 바와 같이, 음의 전압은 탐침(12)에 인가하고, 양의 전압은 Si(100) 웨이퍼(22)에 인가한다. AFM 장비로 전류가 흐르는 것을 막기 위하여 탐침 홀더(10)는 비전도성 물질로 제작하고, 시료 홀더(30)와 시료(21, 22) 사이는 비전도성 물질(23)로 차폐하는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 패턴이 복잡하거나 단순하거나 상관없이 늘 일정한 속도로 패터닝된다. 이는 본 발명에서 제안한 방식이 AFM의 표면 스캔 모드에서 외부전압을 인가하는 방법을 채택하였기에 패터닝 속도가 표면 스캔 속도와 동일하게 되기 때문이다. 따라서 기존의 벡터방식에 비하여 패터닝 속도가 빠르다.The programmed voltage pattern, as shown in FIG. 2, applies a negative voltage to the
In this way, the pattern is always patterned at a constant rate, whether complex or simple. This is because the method proposed in the present invention adopts a method of applying an external voltage in the surface scan mode of the AFM, so that the patterning speed becomes the same as the surface scan speed. Therefore, the patterning speed is faster than the conventional vector method.
본 단계에서 이미지가 구현되는 속도는 유기 레지스트의 종류, 인가전압, 상대습도 등의 영향을 받는데 특정 속도 이상에서는 나노구조물이 제대로 형성되지 않는다. 이를테면, Si3N4/Si(100) 웨이퍼에 19 V의 전기를 인가하여 나노구조물을 형성하는 경우, 최대 속도는 50 ㎛/sec이고, 적절한 양극산화반응이 일어나게 하기 위해서는 상대습도를 30~ 90%로 유지하는 것이 중요하다.The speed at which the image is implemented in this step is affected by the type of organic resist, the applied voltage, the relative humidity, and the nanostructures are not formed properly above a certain speed. For example, when a nanostructure is formed by applying 19 V of electricity to a Si 3 N 4 / Si (100) wafer, the maximum speed is 50 μm / sec, and a relative humidity of 30 to 90 is required for proper anodization to occur. It is important to keep in%.
본 발명의 구성은 하기 실시예에 의하여 더욱 명확해질 것이다.The configuration of the present invention will be further clarified by the following examples.
<실시예><Example>
도 1의 왼편에 도시된 3개의 사각형이 적층된 형태의 구조물의 형태 그대로 3층으로 분할하여 전사하였다. The three squares shown on the left side of FIG. 1 were transferred into three layers in the form of a stacked structure.
1. (A)단계1.Step (A)
전사하고자 하는 대상물을 가로, 세로 각각 32라인의 1,024개 픽셀로 구획, 스캔하여 픽셀마다 인가전압을 결정하였다. 스캔 속도는 (C)단계에서 이미지를 구현하고자 하는 속도, 6.14 ㎛/s와 동일하게 하였다.The object to be transferred was partitioned and scanned into 1,024 pixels of 32 lines each, horizontally and vertically to determine the applied voltage for each pixel. The scanning speed was the same as the speed at which the image is to be realized in step (C), 6.14 µm / s.
2. (B)단계2. Step (B)
(A)단계에서 높이가 측정된 픽셀을 높이별로 3개의 층으로 나누어 층별로 2차원 패턴을 만들고, 이를 전위차계에서 인식할 수 있도록 시간에 대한 인가전압의 시그널로 전환하는 프로그램을 만들었다. 3개 층 모두 튀어나온 부분에는 19 V를, 나머지 부분에는 0 V를 부여하였으며 이를 시각화한 것이 도 1의 오른쪽 그림이다. In step (A), we divided the height-measured pixel into three layers for each height to create a two-dimensional pattern for each layer, and made a program to convert it into a signal of applied voltage over time so that the potentiometer could recognize it. All three layers protruded to 19 V and the rest to 0 V, and this is visualized in the right figure of FIG.
이렇게 작성된 인가전압-지속시간 프로그램은 전술한 바와 같이, 반복적인 AFM 나노전사에 반복하여 사용할 수 있다.The applied voltage-duration program thus prepared can be repeatedly used for repetitive AFM nanotransfer as described above.
3. (C)단계3. Step (C)
(B)단계에서 만들어진 프로그램대로 전위차계로 AFM에 전기를 인가하여 Si3N4/Si(100) 웨이퍼 상에 이미지를 구현하였다. 상대습도는 70%로 유지하였으며 전위차계는 최대 30 V까지 인가할 수 있는 WPG-100(원아테크)을 사용하였다. 구현된 이미지는 AFM으로 바로 확인할 수 있는데 그 이미지와 가로 방향 단면의 높이는 도 6과 같다.The image was implemented on a Si 3 N 4 / Si (100) wafer by applying electricity to the AFM with a potentiometer as programmed in step (B). Relative humidity was maintained at 70% and potentiometer was WPG-100 (Wontech) which can be applied up to 30V. The implemented image can be immediately confirmed by AFM, and the height of the image and the horizontal cross section are shown in FIG. 6.
층간 높이차는 약 2nm 정도를 보이고 있는데 이는 단순히 인가전압의 차이를 두어 이미지를 구현할 때 보다 Z-축에 대한 분해능이 우수한 것이다. The difference in height between layers is about 2nm, which is better in Z-axis resolution than in realizing the image simply by the difference of applied voltage.
기존에 사용하던 일반적인 AFM 장비를 변형하지 않고, 통상적으로 사용되는 전위차계를 통하여 프로그램된 전압패턴을 AFM에 인가함으로써 정밀한 3차원 나노패턴을 빠른 속도로 구현할 수 있다.It is possible to realize precise three-dimensional nanopatterns at high speed by applying a programmed voltage pattern to the AFM through a conventionally used potentiometer without modifying conventional AFM equipment.
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