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문제 정의
- 본 연구에서는 대면적에 균일한 주기적인 나노 구조의 미세 패턴을 구현하기 위하여 마하젠더 간섭 리소그래피 장치를 구축하였다. 파장이 532 nm 인 고체 다이오드-펌프(solid state diode-pump)
제안 방법
- 4인치 크기의 광학계 없이 1인치 광학계들 만으로 구성된 마하젠더 간섭계를 이용하여 4인치 크기의 면적에 균일한 나노 구조체를 제작 할 수 있었다. 1차원 및 2차원 나노 구조의 패턴을 제작하고, 제작된 패턴의 구조를 FE-SEM장비를 이용하여 피치 크기를 관측하였다. 결과적으로 ±5%의 균일도를 가지는 수백나노미터의 구조체를 제작하였다.
- 4인치 실리콘 웨이퍼에 2차원 패턴을 만들기 위해 1차 노광 후 웨이퍼를 90o 회전시켜 2차 노광하여 2차원 패턴을 제작하였다. 음성감광제를 이용한 2차원 패턴인 홀(hole) 패턴 의 경우 도즈(dose, mJ/cm2)량이 부족하면 새들(saddle)이 발생할 수 있기에 1, 2차 노광 시간을 7초로 동일하게 하였으며, 현상 시간을 40초로 하였을 때 1대 1.
- 원하는 패턴의 피치(분해능)를 얻기 위하여 웨이퍼 스테이지로 입사하는 두 빔의 입사각도를 조정하여 빛의 간섭 각도를 결정하고, 입사각에 맞게 광을 정렬한 후 실험을 하였다. 감광제가 도포된 4인치 실리콘 웨이퍼에 1차 노광 후, 웨이퍼 스테이지를 회전시켜 2차 노광을 하여 2차원 구조를 갖는 패턴을 구현하였다. 하나의 웨이퍼에 대하여 두 번의 노광과정을 진행하였기 때문에 현상시간이 1차원 패턴의 현상시간에 비하여 89%로 줄일 수 있었다.
- 하나의 웨이퍼에 대하여 두 번의 노광과정을 진행하였기 때문에 현상시간이 1차원 패턴의 현상시간에 비하여 89%로 줄일 수 있었다. 노광 된 시편은 현상액(ma-D525 m Micro-chem GmbH)을 이용하여 딥핑(dipping) 방식으로 현상한 후 탈 이온수로 세척했다.
- 레이저 빔 자체의 강도 프로파일(intensity profile)에 있는 마구잡이 요동(random fluctuation) 등을 제거시키기 위해 사용된 공간 필터를 초점 거리 5.77 mm, 27 배의 배율을 가진 대물 렌즈(objective lens, Newport) 와 핀홀(15 µm, thorlab)로 구성하여 고효율의 소형 공간필터를 구축하였다.
- 레이저를 비선형 물질(nonlinear material) 을 이용하여 266 nm 파장으로 유도하여 27배의 고배율 대물 렌즈로 구성된 공간 필터를 지나게 한 후 구형 빔을 충분히 키워 4인치 실리콘 웨이퍼에 균일한 패턴을 제작하였다. 4인치 크기의 광학계 없이 1인치 광학계들 만으로 구성된 마하젠더 간섭계를 이용하여 4인치 크기의 면적에 균일한 나노 구조체를 제작 할 수 있었다.
- 본 실험은 266 nm 파장을 가지는 레이저를 마하-젠더 간섭계에 적용하여 나노 스케일의 구조체를 만들었다. 레이저는 532 nm 파장(Verdi-V2, Coherent)을 베타 바륨 보레이트(beta-barium borate) 크리스탈로 이차 고조파를 생성하여(second-harmonic generation, SHG) 266 nm의 파장을 유도하였다(MBD-266, Coherent).
- 하지만 렌즈 크기에 구애 받지 않고 나노패턴을 웨이퍼스케일로 제작 할 수 있는 레이저 간섭 리소그래피의 장점에도 불구하고 레이저 간섭 리소그래피를 이용하여 대면적 기판에 나노패턴 제작하는 것에 대해서는 많이 보고 되지 않고 있다. 본 연구에서는 UV 레이저 간섭 리소그래피 기술과 음성 감광제(negative photoresist)를 사용하여 1차원 및 2차원의 패턴을 4인치 기판에 균일하게 패터닝 하는 리소그래피 공정을 수행하여, 대면적 기판위에 나노 패턴을 제작하였다. 본 연구 결과는 대면적에 주기적인 나노패턴 구조를 필요로 하는 광학 디바이스 및 나노크기의 몰드 응용에 활용이 될 것이다[4,7].
- 본 연구에서는 한정된 공간에서 빔을 최대한 넓은 면적으로 조사함으로써 대면적 나노 패터닝이 가능한 리소그래피 시스템을 소형화하여 구축하였다. 레이저 빔 자체의 강도 프로파일(intensity profile)에 있는 마구잡이 요동(random fluctuation) 등을 제거시키기 위해 사용된 공간 필터를 초점 거리 5.
- 실험결과는 원자 현미경(AFM) 및 전자 현미경(FESEM) 장비를 이용하여 측정하였다. 4인치 실리콘 웨이퍼 위에 제작된 1차원 패턴과 2차원 패턴을 AFM으로 측정하여 Fig.
- 실험의 기본 공정조건은 300 nm의 두께로 도포된 감광제에 형성되는 패턴의 주기와 세부공정조건인 노광 및 현상시간의 변화에 따른 각 패턴의 모양, 종횡비, 주기크기 등을 확인하여 결정하였다. 먼저, 455 nm 피치의 1차원 패턴을 형성하기 위하여 빔의 입사각을 17o로 설정하였다.
- 실리콘 웨이퍼에 코팅된 감광제의 두께는 300 nm를 가지고 있으며 알파-스텝(alphastep)을 이용하여 측정하였다. 원하는 패턴의 피치(분해능)를 얻기 위하여 웨이퍼 스테이지로 입사하는 두 빔의 입사각도를 조정하여 빛의 간섭 각도를 결정하고, 입사각에 맞게 광을 정렬한 후 실험을 하였다. 감광제가 도포된 4인치 실리콘 웨이퍼에 1차 노광 후, 웨이퍼 스테이지를 회전시켜 2차 노광을 하여 2차원 구조를 갖는 패턴을 구현하였다.
- 4인치 실리콘 웨이퍼에 2차원 패턴을 만들기 위해 1차 노광 후 웨이퍼를 90o 회전시켜 2차 노광하여 2차원 패턴을 제작하였다. 음성감광제를 이용한 2차원 패턴인 홀(hole) 패턴 의 경우 도즈(dose, mJ/cm2)량이 부족하면 새들(saddle)이 발생할 수 있기에 1, 2차 노광 시간을 7초로 동일하게 하였으며, 현상 시간을 40초로 하였을 때 1대 1.7의 종횡비를 가지는 패턴을 제작하였다. 또한 대면적에 제작된 패턴의 균일도는±5%이며, FE-SEM으로 측정한 이미지는 Fig.
- 이는 감광제 표면에 빔이 입사될 때 균일도 및 그에 따른 현상시간 등의 공정변수로 인해 발생된 것으로 판단된다. 이렇게 얻어진 측정 데이터를 이용하여 노광 시간과 현상시간에 따른 종횡비를 분석하였고, 패턴의 피치 변화 및 각 공정조건에서 나타나는 패턴의 특성은 최소선폭(critical dimension)값으로 분석하였다. 노광시간이 동일한 경우에 대해서는 현상시간이 길어짐에 따라 패턴의 각이 커졌다.
대상 데이터
- 본 실험은 266 nm 파장을 가지는 레이저를 마하-젠더 간섭계에 적용하여 나노 스케일의 구조체를 만들었다. 레이저는 532 nm 파장(Verdi-V2, Coherent)을 베타 바륨 보레이트(beta-barium borate) 크리스탈로 이차 고조파를 생성하여(second-harmonic generation, SHG) 266 nm의 파장을 유도하였다(MBD-266, Coherent). 266 nm 파장으로 유도된 빔은 빔 분리기를 통해 두 개의 빔으로 나뉘어 지게 되고 각 빔 경로에는 공간 필터를 두었다.
- C에 60초간 베이크 하였다. 실리콘 웨이퍼에 코팅된 감광제의 두께는 300 nm를 가지고 있으며 알파-스텝(alphastep)을 이용하여 측정하였다. 원하는 패턴의 피치(분해능)를 얻기 위하여 웨이퍼 스테이지로 입사하는 두 빔의 입사각도를 조정하여 빛의 간섭 각도를 결정하고, 입사각에 맞게 광을 정렬한 후 실험을 하였다.
성능/효과
- 결과 값에 비추어 보면 주기는 최소430 nm에서 최대440 nm로 균일하지만 홀 크기는 최소 270 nm에서 최대 317 nm로 평균값에 ±10%의 상대오차를 가지고 있다.
- 1차원 및 2차원 나노 구조의 패턴을 제작하고, 제작된 패턴의 구조를 FE-SEM장비를 이용하여 피치 크기를 관측하였다. 결과적으로 ±5%의 균일도를 가지는 수백나노미터의 구조체를 제작하였다. 향후 레이저 광의 강도와 공간 필터와 기판 사이의 거리를 조정함에 따라 다른 리소그래피 장비에 비해 저렴한 비용으로 기판 크기를 더 증가시킨 대면적에 균일한 주기적인 나노 구조체를 만들 수 있을 것이다.
- 반면, 노광시간을 줄이고 현상시간을 증가시킬 경우에 대해서는 선폭 값 이 줄고 패턴의 각이 작아지는 경향을 나타내었다. 따라서 동일한 노광조건에 현상시간을 변화시킬 경우, 현상시간이 길수록 종횡비가 큰 패턴이 형성되며 선폭은 줄어드는 특성을 나타내었다.
- 감광제가 도포된 4인치 실리콘 웨이퍼에 1차 노광 후, 웨이퍼 스테이지를 회전시켜 2차 노광을 하여 2차원 구조를 갖는 패턴을 구현하였다. 하나의 웨이퍼에 대하여 두 번의 노광과정을 진행하였기 때문에 현상시간이 1차원 패턴의 현상시간에 비하여 89%로 줄일 수 있었다. 노광 된 시편은 현상액(ma-D525 m Micro-chem GmbH)을 이용하여 딥핑(dipping) 방식으로 현상한 후 탈 이온수로 세척했다.
후속연구
- 본 연구에서는 UV 레이저 간섭 리소그래피 기술과 음성 감광제(negative photoresist)를 사용하여 1차원 및 2차원의 패턴을 4인치 기판에 균일하게 패터닝 하는 리소그래피 공정을 수행하여, 대면적 기판위에 나노 패턴을 제작하였다. 본 연구 결과는 대면적에 주기적인 나노패턴 구조를 필요로 하는 광학 디바이스 및 나노크기의 몰드 응용에 활용이 될 것이다[4,7].
- 향후 레이저 광의 강도와 공간 필터와 기판 사이의 거리를 조정함에 따라 다른 리소그래피 장비에 비해 저렴한 비용으로 기판 크기를 더 증가시킨 대면적에 균일한 주기적인 나노 구조체를 만들 수 있을 것이다. 이와 같이 레이저 간섭 리소그라피는 주기적인 나노패턴을 대면적에 제작할 수 있기에 대면적 나노구조체 기반의 응용 연구에 많은 도움이 될 것이다.
- 결과적으로 ±5%의 균일도를 가지는 수백나노미터의 구조체를 제작하였다. 향후 레이저 광의 강도와 공간 필터와 기판 사이의 거리를 조정함에 따라 다른 리소그래피 장비에 비해 저렴한 비용으로 기판 크기를 더 증가시킨 대면적에 균일한 주기적인 나노 구조체를 만들 수 있을 것이다. 이와 같이 레이저 간섭 리소그라피는 주기적인 나노패턴을 대면적에 제작할 수 있기에 대면적 나노구조체 기반의 응용 연구에 많은 도움이 될 것이다.
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