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KR100604813B1 - 정보기록방법 - Google Patents

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KR100604813B1
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Abstract

나노스케일로 금속막 에칭에 의한 정보기록방법을 개시한다. 정보기록방법은: 그 상면에 금속막이 형성되는 기판을 준비하는 단계; 상기 금속막의 상방에 마이크로 팁을 위치시키는 단계; 상기 금속막과 마이크로 팁에 소정의 전압을 인가하여 마이크로 팁으로 부터 전자빔을 발생시키는 단계; 상기 전자빔에 의해 상기 금속막의 표면을 소정 패턴으로 에칭하는 단계;를 포함한다. 마이크로 팁에 네가티브 바이어스를 걸도록 함으로써 종래의 강한 기계적 힘을 적용하지 않고도 전압을 인가한 탐침에서 방출된 전자빔에 의한 가열/용해 방식을 이용하여 기록정보에 대응하는 에칭 패턴을 형성할 수 있고, 따라서 정보를 표시하는 에칭패턴의 크기 조절이 용이하다.
나노, 에칭, 스토리지, 마이크로 팁

Description

정보기록방법{information recording method}
도 1은 본 발명에 따른 에칭에 의한 정보 기록방법의 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 정보기록방법에 의해 에칭 라인의 형성방법을 설명하는 도면이다.
도 3a는 종래의 정보기록방법에서의 에칭방법을 설명하는 도면이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 종래 정보기록방법에서 에칭 라인의 형성방법을 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 정보기록방법에 따른 에칭형상을 AFM으로 읽어낸 사진이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같은 본 발명의 정보기록방법에 의해 에칭형상을 제작하는 과정을 전기적으로 분석한 결과이다.
도 5a는 종래의 정보기록방법에 따른 에칭형상을 AFM으로 읽어낸 사진이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 바와 같은 종래 정보기록방법에 의해 에칭형상을 제작하는 과정을 전기적으로 분석한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 정보기록방법이 적용된 대용량 데이타 스토리지의 기본적인 구조를 설명하는 도면이다.
본 발명은 정보기록방법에 관한 것으로, 상세히는 마이크로 팁(voltage-biased micro tip)에 대한 바이어스 전압의 조절에 의해 금속막에 나노 스케일(nano scale)의 에칭을 수행하는 금속막의 나노 에칭을 적용하는 정보기록방법에 관한 것이다.
마이크로 팁을 이용한 종래의 나노에칭 기법은 팁에 강한 기계적인 하중(mechanical load force)을 가하여 하부 물질을 파내는 방식이다. 상기와 같은 종래 방식은 에칭시 원하는 모양, 크기 및 속도를 제어하기가 용이하지 않은 단점이 있다. 이러한 기계적인 하중에 의한 나노 에칭 기법은 정보 스토리지 기술에 응용된다.
종래의 다른 데이타 스토리지 기법으로는 강유전체를 분극시키는 법, 폴리머를 열변환시키는 법, 자성체의 상변환(phase transformation)을 일으키는 법, 저항체의 상 변환을 일으키는 법, 금속 혹은 반도체를 산화시켜 상변환을 일으키는법 등이 있으나 기록시간, 데이타 유지 등에 있어 각각 장단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로 전압 바이어스된 마이크로 팁에 의해 에칭 패턴의 모양, 크기 및 에칭 속도를 원하는데로 나노스케일(nano scale)로 제어할 수 있는 금속막의 나노에칭에 의한 정보기록방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은:
그 상면에 금속막이 형성되는 기판을 준비하는 단계;
상기 금속막의 상방에 마이크로 팁을 위치시키는 단계;
상기 금속막과 마이크로 팁에 소정의 전압을 인가하여 마이크로 팁으로 부터 전자빔을 발생시키는 단계;
상기 전자빔에 의해 상기 금속막의 표면을 소정 패턴으로 에칭하는 단계;를 포함하는 정보기록방법을 제공한다.
상기 본 발명 정보기록방법에 있어서, 상기 금속막 에칭시 상기 금속막에 대해 상기 마이크로 팁이 상대적인 운동을 하는 것이 바람직하며, 특히 상기 전압은 소정의 범위 내에서 가변되어 상기 금속막에 대한 에칭 정도를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판은 그 표면에 실리콘 옥사이드가 형성되는 실리콘 기판이며, 상기 금속막은 금(Au)으로서 상기 실리콘 옥사이드의 상면에 형성되는 것이 바람직하다.
나아가서는 상기 전압은 12 내지 25V 로서 상기 마이크로 팁은 네가티브 상태로 바이어스 되는 것이 바람직하며, 특히 상기 마이크로 팁은 그 표면에 티타늄 박막이 형성되어 있고 캔틸레버에 의해 지지되어 있는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 나노에칭방법의 한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 정보기록방법으로서 나노 에칭방법 및 원리를 보여 주는 단면도이다. 도시된 바와 같이 기본적으로 SiO2/Si 실리콘 기판(10) 상에 금(Au)로 된 금속막(20) 형성된 Au/SiO2/Si 기록판(100)이 준비된다. 상기 기록판(100)의 상방에는 그 표면에 티타늄 막이 코팅되어 있는 마이크로 팁(50)이 위치된다. 상기 마이크로 팁(50)과 기록(100)의 사이에는 소정의 전압이 인가되며, 상기 마이크로 팁(50)은 네가티브 바이어스된다. 이와 같이 전압이 인가되며, 상기 마이크로 팁(50)으로 부터 전자빔(30)이 발생되어 상기 기록판(100)의 금속막(20)에 도달하며, 이때에 금속막(20)가 전자빔에 의해 국부적으로 가열/용해된다.
Ti/Si 마이크로 팁(50)과 Au/SiO2/Si 기록판(100) 사이에 특정 범위(~-12 to -25V)의 전압이 인가되면, 전술한 바와 같이, 네가티브 바이어스된 마이크로 팁(50)으로 부터의 전자빔에 의해 상기 Au 금속막(20)이 국부적으로 에칭된다.
이 때 Au/SiO2/Si 기록판(100)과 Ti/Si 마이크로 팁(50) 사이에 인가되는 특정범위 이상의 바이어스 전압의 레벨을 다르게 되면, 금속막의 국부적인 에칭 상태 즉, 에칭에 의한 패턴의 크기(넓이, 깊이 폭)가 서로 다르게 된다. 즉, 상기 전압의 조절에 의해 패턴의 크기를 소망하는 바 데로 제어할 수 있다. 이와 같이 형성된 패턴, 즉 에칭 부분의 형상을 파악함으로써 기록시 의도된 정보를 취득, 즉 정보를 재생할 수 있게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, AFM(Atomic Force Microscope)에 부착된 Ti/Si 캔틸레버 팁을 사용하여 국부적인 에칭이 필요한 부분에 대해 마이크로 팁(50) 과 금층(20) 사이에 12 내지 25V 범위 내의 특정 전압 이상의 바이어스 전압을 인가하여 국부적으로 에칭시킨다. 이 과정이 데이타 스토리지에서의 "쓰기(write)" 또는 리 소그래피(lithography)가 된다. 기록을 읽을 때에는 상기와 같이 바이어스 전압을 걸지않고, 에칭에 의한 금속막(20) 표면의 변질된 부분과 원래 면 간의 형상(morphology) 또는 물질 특성 차이 또는 전기적 특성 차이를 검출하여 읽거나, 레이저 빔(laser beam)을 쏘아준 후 에칭된 부분과 원래 금속막 간의 의 형상 차이에 의해서 일어나는 굴절 차이를 검출하여 읽기를 한다. 이 과정이 "읽기(read)"가 된다.
이러한 읽기의 방법에는 Ti/Si 마이크로 팁과 Au/SiO2/Si 기록판(100) 사이에 걸린 전압에 의해 형성된 에칭 부분과 원래 금속막 부분의 물리적 특성 상의 차이를 이용하여 다음과 같은 여러 가지 방법이 있을 수 있다. Ti/Si 팁과 Au/SiO2/Si 기록판 사이에 인가된 바이어스 전압에 의해 형성된 에칭 부분과 원래 금속막 부분의 형상의 차이 또는 용량(capacitance) 차이 또는 저항(resistance) 차이 또는 마찰계수(frictional coefficient) 차이 또는 광학적 굴절 차이를 이용하여 읽는 방법이 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이, SiO2/Si 기판(10) 상에 금속막(20)을 형성한 기록판(100)을 준비하고, 상기 기록판(100)에 캔틸레버에 고정되고 그 표면에 티타늄이 코팅된 마이크로 팁(50)을 배치한 다음, 기록판(100)의 금속막(20)과 팁 사이에 일정한 전압을 인가하면 대기중으로 전자(electron)를 방출한다. 방출된 전자가 기록판(100)의 금속막(20)위에서 전류에 의해 유도된 저항열(current induced resistive heating)이 발생되며, 이에 의하여 금속막(20)이 국부적으로 녹으며 마 이크로 팁(50)은 금속막(20)을 국소적으로 에칭(40)시킨다. 기록 (또는 에칭)된 정보를 읽기 위해서는 전술한 바와 같이 원래 금속막과 에칭된 형상(morphology)의 차이를 감지한다.
도 2는 기록판(100)에 대해 마이크로 팁(50)을 상대적인 운동을 유도함으로써 에칭에 의한 그루브(40a)가 형성되는 되는 상태를 보인다. 상기한 바와 같이 마이크로 팁(50)과 금속막(20)의 사이에 소정의 전압을 인가한 상태에서 마이크로 팁(50)의 금속막(20)에 대해 상대적인 운동을 시키게 되면 마이크로 팁(50)으로 부터 발생되는 전자빔에 의해 그루브(40a)가 형성된다. 이때에 마이크로 팁(50)이 운동하는 동안 전압을 적절히 조절하게 되면 그루브(40a)에서의 국부적인 에칭 차이가 발생된다.
도 3a, 3b는 상기와 같은 본 발명의 에칭방법에 대비되는 종래 기계적 방법에 의한 에칭방법을 도시한다. 종래의 방법은 도 3a에 도시된 바와 같이, 금속막(20)에 대해 마이크로 팁(50')을 가압(F)하여 금속막(20)에 손상을 불러 일으킨다. 이와 같은 상태에서 도 3b에 도시된 바와 같이 마이크로 팁(50')을 상대적 운동을 시키게 되면, 스크라이빙에 의한 그루브(40b)가 형성된다.
도 4a는 약 10nN 의 하중과 함께 -19V의 네가티브 바이어스를 마이크로 팁에 인가하여 트랜치(trench)형태의 에칭 라인 또는 그루브를 형성 시킨 후 AFM으로 읽은 결과를 보인 사진이다. "읽기" 시에는 탐침에 전압을 인가하지않은 상태에서 약 10nN의 힘을 가한 상태에서 읽기를 하였다. 이러한 조건에서는 금속막은 전혀 손상 즉 에칭이 되지 않음 볼수 있다. 도 4b는 도4a에서의 과정 중 에칭라인을 제작 하는 과정을 전기적으로 측정한 결과이다. 도 4b에 도시된 타임(x축) 대 전류(y축)가 떨어 지는 정도는 Au 금속막이 국부적으로 에칭되는 속도를 나타낸다. 도 4a와 도4b에서와 같이 에칭된 라인의 선폭이 작게는 수십 nm크기로서, 수 ms 이내의 속도로 형성됨을 보아 수백 Gb급 이상의 데이타 스토리지로서의 응용성이 용이함을 알수있다.
도 5a는 도 3a 및 도 3b에 도시된 종래의 에칭 방식에서와 같이, 전압을 탐침에 인가하지않은 상태에서 강한 1μn 이상의 물리적인 힘만을 만을 인가하고 에칭라인을 형성시킨후 AFM으로 읽은 형상을 보인다. 도5b는 도 5b의 종래의 제작 과정을 전기적으로 측정한 결과를 보인 그래프이다. 도 4b와 도5b의 에칭 타임의 비교를 통해서 알수 있듯이 본 발명에 따른 에칭방법이 종래의 방법보다 수천배 이상 빨리 더욱 정교한 에칭라인을 구현할 수 있다.
도 6는 본 발명에서 제시한 방법을 대면적 데이타 스토리지 (또는 리소그래피)에 적용했을 때의 구조를 보인 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 기록판(100)에 대해, 네가티브 바이어스되는 다수의 마이크로 팁(50)을 하나의 구조체(51)에 대해 어레이화함으로써 대면적의 데이타 스토리지를 구현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 나노에칭방법은 마이크로 팁에 네가티브 바이어스를 걸도록 함으로써 종래의 강한 기계적 힘을 적용하지 않고도 전압을 인가한 탐침에서 방출된 전자빔에 의한 가열/용해 방식을 이용하여 에칭 패턴을 형성할 수 있고, 따라서 정보를 표시하는 에칭패턴의 크기 조절이 용이하다. 또한, 에 칭속도 또한 종래기술보다 1000배이상 빠르게 하여 수백 Gb 이상의 데이타 스토리지( 및 대면적 나노리소그래피)에 적용 가능하다.

Claims (6)

  1. 그 상면에 금속막이 형성되는 기판을 준비하는 단계;
    상기 금속막의 상방에 마이크로 팁을 위치시키는 단계;
    상기 금속막과 마이크로 팁에 소정의 전압을 인가하여 마이크로 팁으로 부터 전자빔을 발생시키는 단계;
    상기 전자빔을 이용하여 상기 금속막의 표면을 국부적으로 가열 또는 용해하여 상기 금속막의 표면을 소정 패턴으로 에칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보기록방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막 에칭시 상기 금속막에 대해 상기 마이크로 팁이 상대적인 운동을 하는 것을 특징으로 하는 정보기록방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압은 소정의 범위 내에서 가변되어 상기 금속막에 대한 에칭 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 정보기록방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 그 표면에 실리콘 옥사이드가 형성되는 실리콘 기판이며, 상기 금속막은 금(Au)으로서 상기 실리콘 옥사이드의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 정보기록방법.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 전압은 12 내지 25V 로서 상기 마이크로 팁은 네가티브 상태로 바이어스 되는 것을 특징으로 하는 정보기록방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 팁은 Si 로 형성되며 그 표면에 티타늄 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정보기록방법.
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