[논문]고효율 광학 소자를 위한 전자빔 및 나노임프린트 기술

조상욱; 오승훈; 김창석; 정명영

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 고효율 광자결정 도파로, 고밀도 광 정보 저장 소자 그리고 광자결정 LED 의 금형 제작 기술 및 공정 기술에 대한 연구내용에 대해 소개하고자 한다.
이러한 금형은 전자빔 리소그래피를 통해 원형 패턴을 제작 후, ER 를 식각 마스크로 하여 실리콘 또는 석영 등을식각하여 사용하거나, 원형 패턴에 금속 소재의 기지 층의 증착 후 니켈 전해 도금을 통해 니켈 금형을 제작한다. 본 논문에서는 전자빔을 이용한 50nm 급의 원형 패턴 제작을 중심으로 소개하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 High-aspect ratio 를 얻기 위해 Thermal 임프린트 공정 및 RIE 식각 공정을 통한 광자 결정 성형기술을 소개하고자 한다.
본 논문은 기존의 광학 리소그래피 기술의 분해능 한계를 극복할 수 있는 기술인 전자빔 리소그래피 및 나노 임프린트 공정을 통한 고효율 광자 결정 도파로, 고밀도 광 정보 저장 소자, 그리고 광자 결정 led 의 금형 제작 및 공정 기술에 대해서 살펴보았다.
50nm 급의 고밀도 광 정보저장 소자용 금형의 원형 패턴을 전자빔을 통해 설계대비 3% 이내의 정밀한 패턴을 제작 하였으며, 다중 성형 공정 기법 을 통하여 800nm 이 싱"의 High-aspect ratio 의 굉, 자결정을 1%이하의 오차로 정밀하게 제작하였다. 또한, 임프린트를 공정을 이용하여 광자결정 LED 의 illuminant intensity 증가시킬 수 있음도 고찰하였다. 이상과 결과로부터 미래 광학소자의 고효율화에 전자빔 리소그래피 기술과 나노 임프린트 기술과 같은 나노공정이 유효한 수단임을 확인하였으며, 향후 나노공정이 광소자의 고효율화를 위하여 활발하게 사용될 것으로 전망된다.

제안 방법

기존의 bi-layer 에의한 lift off 공정은 분자량의 차이에 의한 sensitivity 차이를 이용하였지만, 이는 지지증의 Undercut 을 제작하기 위해 요구되는 긴 현상 시간이 이미지층에도 영향을 미치게 되므로 고밀도의 구멍 구조들로 이루어진 광자결정 구조에의 접목은 쉽지 않은 문제점을 지니고 있다. 따라서, 본 연구팀에서는 PMMA 의 현상을 위해 사용되는 유기현상액에 영향을 받지 않는 PMGI 를 지지층으로 사용하여 전자빔 노광을 수행 후 Undercut 길이를 제어함으로 lift off 공정시 발생하는 tearing 문제를 해결하여 sidewall 이 개선된 광자결정 구조물을 제작할 수 있었다.
설계 프로그램을 작성하였다. 전자빔 노광은 양성 감광제 ER 인 PMMA 와 음성 감광제인 HSQ 를 사용하여 노광량 테스트를 통해 최적의 노광량을 도출하였다. 양성 감광제 ER 인 PMMA 의 경우는 가속전압 20kV, 개구수의 크기가 10呻 에서 380jiC/cm 의 노광량을 가질 때 Fig.
11과 같이 LED 상부 기판위에 코팅된 폴리머의 박막 층을 이용하는 것으로 마스터와 시료가 접촉한 뒤 Thermal 임프린트 또는 UV 임프린트 공정을 통하여 패턴을 성형한다. 소성 변형이 생긴 뒤로는 마스터와 시료를 분리하여 R1E 공정에 의해서 p-GaN 기판을 식각하고, p-GaN 층의 전류 퍼짐 현상을 제어하기 위하여 투명 전극인 ITO 코팅을 한다. Fig.
광자결정 도파로 및 광 정보저장 소자의 전자빔을 이용한 금형 제작 기술에 있어서 가공 변수에 대한 특성을 분석하였으며, 이를 기반으로 한 최적의 노광량을 통해 UV 나노 임프린트용 PDMS 을 제작하였으며, PMGI 를 이용한 bi-layer lift off 공정으로 thermal 임프린트용 실리콘 금형을 제작하였다. 50nm 급의 고밀도 광 정보저장 소자용 금형의 원형 패턴을 전자빔을 통해 설계대비 3% 이내의 정밀한 패턴을 제작 하였으며, 다중 성형 공정 기법 을 통하여 800nm 이 싱"의 High-aspect ratio 의 굉, 자결정을 1%이하의 오차로 정밀하게 제작하였다.
50nm 급의 고밀도 광 정보저장 소자용 금형의 원형 패턴을 전자빔을 통해 설계대비 3% 이내의 정밀한 패턴을 제작 하였으며, 다중 성형 공정 기법 을 통하여 800nm 이 싱"의 High-aspect ratio 의 굉, 자결정을 1%이하의 오차로 정밀하게 제작하였다. 또한, 임프린트를 공정을 이용하여 광자결정 LED 의 illuminant intensity 증가시킬 수 있음도 고찰하였다.
우선, 50nm, 100nm, 150nm 및 200nm 이고, 너 비가 100nm 인 단위 패턴들을 나선형으로 배열되도록 설계 프로그램을 작성하였다. 전자빔 노광은 양성 감광제 ER 인 PMMA 와 음성 감광제인 HSQ 를 사용하여 노광량 테스트를 통해 최적의 노광량을 도출하였다.

성능/효과

2는 가속전압에 의한 광자결정 패턴의 구조변화를 나타내었다. 같은 노광량일 때, 낮은 가속전압을 인가하여 노광시 높은 가속전압에서의 노광보다 현상된 원형 패턴의 직경이 더 크게 현상되었다. 이는 낮은 가속전압의 인가시 빔 전류의 감소로 인해 한 spot 에 머무르는 시간이 상대적으로 길어지게 되어 전자빔의 산란이 더 많이 발생하였기 때문이다.
전자빔 노광은 양성 감광제 ER 인 PMMA 와 음성 감광제인 HSQ 를 사용하여 노광량 테스트를 통해 최적의 노광량을 도출하였다. 양성 감광제 ER 인 PMMA 의 경우는 가속전압 20kV, 개구수의 크기가 10呻 에서 380jiC/cm 의 노광량을 가질 때 Fig. 6 과 같이 단위 패턴들의 구조물이 설계대비 5% 이내의 정밀도로 정확하게 구현할 수 있었다. 또한, 음성 감광제인 HSQ 의 경우는 가속전압 20kV, 개구수의 크기 30 um, spot 간의 거 리가 3.
13은 2006년에 발표된 논문으로 GaN- based LED 에 광자결정을 성형시 임프린트로 다양한 etch-depth 를 만들어 광 추출효율을 측정하였다.3D-FDTD 시뮬레이션을 통해 임프린트를 이용한 etch-depth 의 최적조건을 찾고 실험을 통해 LED 추출효율을 25%증가시 켰다.3 또한 Fig.
3D-FDTD 시뮬레이션을 통해 임프린트를 이용한 etch-depth 의 최적조건을 찾고 실험을 통해 LED 추출효율을 25%증가시 켰다.3 또한 Fig. 14 와같이 임프린트를 통해 20nm 와 120nm 의 etch depth 를 가진 광자결정 LED 를 실험적으로 구현하고 그 출력을 측정한 결과 350mA 의 driving current 에서 conventional LED, 20nm 광자결정 LED 그리고 120nm 광자결정 LED 각각의 LED output power 는 59.5, 92.5 그리고 112.1 mW 를 보였다. 이는 2D 광자 결정 구조가 illumina머 intensity 의 증가에 영 향을 주었다는 것을 보여주며 etch depth 가 깊어질 수록효율이 증가한다는 것을 보여준다 ”

후속연구

또한, 임프린트를 공정을 이용하여 광자결정 LED 의 illuminant intensity 증가시킬 수 있음도 고찰하였다. 이상과 결과로부터 미래 광학소자의 고효율화에 전자빔 리소그래피 기술과 나노 임프린트 기술과 같은 나노공정이 유효한 수단임을 확인하였으며, 향후 나노공정이 광소자의 고효율화를 위하여 활발하게 사용될 것으로 전망된다.

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