| 초록 |
1. 개요 반도체소자 등이 미세화됨에 따라 기존의 공정으로 구현 가능한 선폭보다 더 작은 사이즈의 리소그래피 기술이 요구되고 있다. 나노미터 수준의 소형 반도체 제조 기술은 반도체뿐 아니라 광신호 처리 소자 등 다른 분야에 응용되게 되었다. 하지만 대부분의 광소자는 사용되는 빛의 파장과 비슷하거나 사이즈가 커야 하기 때문에 나노미터 사이즈의 반도체 제작 기술은 필요하지 않다고 생각되어왔다. 그러나 최근 활발히 연구되고 있는 광결정(photonic crystal) 소자, 광학 링 레조네이터(optical ring resonator) 소자, 파장 이하 주기(subwavelength) 광학소자 등 나노미터 사이즈의 구조를 갖는 광학소자의 등장으로 인해 최신 나노리소그래피 기술에 버금가는 정밀도를 가지는 노광 기술이 필요하게 되었다. 현재 초미세 광소자의 제작에는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 기술이 주로 사용되고 있다. 전자빔 리소그래피 기술은 최소 10나노미터 수준의 선폭을 구현할 수 있으나, 낮은 생산성으로 인해 연구개발 결과가 산업화로 연결되지 못하고 있다. 따라서 나노사이즈의 기술이 필요한 나노구조 광학소자를 정밀하고 경제적으로 생산할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 나노사이즈의 패턴을 제작하는 방법 중 널리 연구되고 있는 방법으로는 블록공중합체의 directed self-assembly(DSA)와 나노임프린트(nano imprint), 극자외선 리소그래피(extreme ultraviolet lithography) 등이 있다. 본 분석지에서는 최근 연구되고 있는 나노리소그래피에 대해서 간단한 소개와 연구 동향에 대해 분석하고, 나노리소그래피의 응용에 대해 분석하고자 한다. 2. 나노리소그래피 기술 반도체 등 소자의 집적화가 요구됨에 따라 리소그래피를 이용한 나노사이즈 소자 및 패턴의 구현 방법에 대한 연구가 각광받고 있다. 전자빔 리소그래피와 같은 방법으로 직접 소자를 그리는 방법부터 만들어진 패턴을 도장을 찍어내듯 전사하는 방법, 스스로 나노사이즈의 패턴을 형성하는 고분자 블록공중합체의 물성을 이용한 자기재조립을 이용한 방법 등 다양한 방법을 이용하여 나노패턴을 구현하고 있다. 나노사이즈의 소자를 소개하기에 앞서 나노사이즈의 구조를 제작하는 나노리소그래피 기술에 대해 서술한다. 2.1. 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 전자빔 리소그래피 기술은 전자빔에 반응하는 전자선 감광제를 도포한 시료 면에 전자빔을 조사하여 고분자를 결합 혹은 절단해 시료 면상에 감광제 패턴을 형성하는 기술이다. 최근에는 반도체소자에 사용되는 마스크 제작에 있어 핵심적인 기술이다. Nano imprint lithography 등 차세대 리소그래피 공정에서 필요한 스탬프 등도 전자빔 리소그래피를 이용하여 제작하며, 이처럼 다른 기술과 동시에 적용이 가능하기 때문에 나노리소그래피 기술 중 중요도가 매우 높은 기술이다. 전자빔 리소그래피는 안정도가 높은 전자광학계와 진공 중의 레이저 측정에 의해서 빔편향계의 자기교정이 가능하며, 미세패턴 리소그래피가 레이저 측정분해능에 가까운 정밀도가 가능하고, 웨이퍼 기판 위에 직접 리소그래피를 하기 때문에 다른 공정 처리에 의해 형성한 패턴과 연계하여 고정밀도의 미세패턴이 가능하다는 특징이 있다. 하지만 최소 패턴의 형상이나 치수가 이차전자 생성, 감광제 특성 등에 의해 좌우되고, 리소그래피의 패턴이 미세화됨에 따라 생산성(throughput)이 저하한다는 단점이 있다. 2.2. 유도자기조립(Directed self-assembly) 고분자 블록공중합체(Block copolymer)의 유도자기조립(directed self-assembly) 기술은 기존 리소그래피 기술의 한계를 극복할 수 있는 차세대 리소그래피 기술로 각광받고 있는 기술이다. 고분자 블록공중합체란 두 가지 이상의 다른 화학구조를 가지는 고분자 사슬이 화학적 결합을 통해 연결되어 있는 물질이다. 고분자 블록공중합체를 이루는 고분자들은 서로 간 비상용성으로 인해 상분리를 하려고 하지만 화학적 결합을 통해 연결이 되어 있는 특성으로 인해 크기가 10나노미터에서 100나노미터인 도메인을 형성하는 미세 상분리 현상을 보인다. 이런 현상을 자기재조립 현상이라고 부르며, 이를 통해 규칙적인 나노구조를 제작할 수 있다. 고분자 블록공중합체의 종류와 분자량 등 다양한 변수를 바꾸어 블록공중합체의 모폴로지를 미세하게 제어할 수 있음을 확인하였으며, 2000년대에 들어와서는 블록공중합체 나노패턴을 이용한 리소그래피에 대한 연구가 활발하게 진행되었다. 특히 유도자기조립 기술의 발전으로 인해 블록공중합체의 나노구조를 미세하게 조절함과 동시에 대면적에서 나노구조의 배향을 제어하여, 기술적 한계에 직면한 포토리소그래피를 대체할 기술로 크게 각광을 받고 있다. 블록공중합체의 나노패턴은 ArF 리소그래피나 I-line 리소그래피 등과 함께 사용되어 기존의 포토리소그래피 공정과 통합되는 진보된 접근법으로 적용될 수 있다. 유도자기조립 현상은 고밀도, 균일한 패턴 사이즈, 고해상도의 패턴, 저비용 등의 장점이 있다. 유도자기조립 현상을 이용할 경우 반도체 분야뿐 아니라 다양한 나노패턴 분야에서 앞의 장점을 가져올 수 있을 것이라고 기대할 수 있다. 그림 1. 블록공중합체의 유도자기조립 공정을 이용한 나노패턴의 제작 방법에 대한 모식도 2.3. 나노임프린트(Nano imprint) 기술 나노임프린트 리소그래피(Nano imprint lithography, NIL)는 마이크로스케일의 패턴을 갖는 고분자 소재 제품의 대량생산에 사용되는 엠보싱 기술을 리소그래피에 적용한 것으로, 나노 크기의 패턴을 가지는 요철 형태의 기판을 폴리머 레진(resin)에 전사하는 방법이다. 고가의 장비가 필요하지 않으며 전자빔 리소그래피 등의 고급 리소그래피 기술을 이용하여 제작한 나노스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제작하고, 그 스탬프의 패턴을 고분자 박막에 각인하여 나노스케일의 구조를 전사할 수 있다는 장점이 있다. 나노임프린트 리소그래피는 전자빔 리소그래피 등으로 제작한 스탬프를 고분자가 코팅되어 있는 기판에 접촉시킨 후, 유리전이온도 이상에서 높은 압력을 가해 패턴을 전사하거나, 경화용 레진 등을 스탬프에 도포한 후, 경화를 진행시키는 방법 등으로 패턴을 전사한다. 전자는 열적으로 고분자층을 유동성 있게 만든 다음 패턴이 있는 주형을 접촉시키고 물리적인 힘으로 고분자층에 원하는 패턴을 만드는 방식이다. 나노사이즈의 패턴을 주형에서 떼어내는 것은 매우 중요한 사항인데, 보통은 불소를 포함하고 있는 고분자층이 접착 방지제로 사용되고 있다. 유리전이온도 이상의 온도를 가하고, 식히는 공정이 반복되면 스탬프와 고분자 패턴에 모두 좋지 않은 영향을 미치며, 이를 해결하기 위한 방법이 두 번째로 언급한 방법으로, UV에 의해 경화되는 고분자를 이용한 UV-assisted imprint lithography이다. 낮은 압력과 낮은 온도에서 저점도의 액체를 이용하고, 이 액체를 UV를 이용하여 경화시키면 저압, 저온에서 나노패턴을 전사할 수 있다. 다만 몰드의 재질이 quartz와 같이 투명한 재질이어야 한다는 한계점이 존재한다. 그림 1. 나노임프린트 리소그래피의 모식도 2.4. 극자외선 리소그래피(Extreme UV lithography) EUV(Extreme Ultraviolet) lithography는 극자외선이라고 불리는 매우 짧은 파장(13.5nm)의 빛을 이용하는 리소그래피 기술이며, 기존의 ArF 엑시머레이저(ArF excimer laser, 193nm), KrF 엑시머레이저(248nm) 등의 포토리소그래피 기술로 가공하기 어려운 20nm 이하의 미세패턴을 가공할 수 있는 기술이다. EUV 기술은 기존의 UV 리소그래피와 공정이 유사하기 때문에 공정 적용이 용이하다는 장점이 있으며 해상도가 높은 마스크를 제작할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 다만 EUV가 대부분의 물질에 흡수가 되는 등 여러 문제가 존재하여 기존의 렌즈를 이용한 광학계를 사용할 수 없다는 단점이 존재하며 광원, 광학계, 마스크, 레지스트, 노광장치 등 다양한 요소의 기술개발이 필요하다. 그중 EUV를 생산할 수 있는 광원이 최대 과제인데, 고온, 고밀도의 플라즈마에서 취출할 수 있다. 플라즈마에서 나온 빛은 집광 미러로 모아져 중간 집 |
