[논문]레지스트 잔류층 두께와 몰드 유입속도가 기포결함에 미치는 영향에 대한 수치해석

이우영; 김남웅; 김동현; 김국원

레지스트 잔류층 두께와 몰드 유입속도가 기포결함에 미치는 영향에 대한 수치해석
Numerical Analysis of Effects of Velocity Inlet and Residual Layer Thickness of Resist on Bubble Defect Formation 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.14 no.3, 2015년, pp.61 - 66

이우영 (한국기술교육대학교 기계공학부) , 김남웅 (동양미래대학교 기계공학부) , 김동현 (순천향대학교 공과대학 기계공학과) , 김국원 (순천향대학교 공과대학 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the major trends of NIL are high throughput and large area patterning. For UV NIL, if it can be proceeded in the non-vacuum environment, which greatly simplifies tool construction and greatly shorten process times. However, one key issue in non-vacuum environment is air bubble formation problem. In this paper, numerical analysis of bubble defect of UV NIL is performed. Fluent, flow analysis focused program was utilized and VOF (Volume of Fluid) skill was applied. For various resist-substrate and resist-mold angles, effects of velocity inlet and residual layer thickness of resist on bubble defect formation were investigated. The numerical analyses show that the increases of velocity inlet and residual layer thickness can cause the bubble defect formation, however the decreases of velocity inlet and residual layer thickness take no difference in the bubble defect formation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비 진공상태에서의 UV NIL 공정을 2차원 유동해석으로 가정하여 시뮬레이션 하였고 기포 발생 여부를 분석하였다. 다양한 접촉각에 대하여 레지스트 잔류층 두께와 몰드 유입속도의 변화가 기포발생에 미치는 영향을 살펴보았다. 유동해석 전문 프로그램인 Fluent와 유체체적분율 방법인 VOF (Volume of Fluid)를 이용하였다.
본 논문에서는 비 진공상태에서의 UV NIL 공정을 2차원 유동해석으로 가정하여 시뮬레이션 하였고 기포 발생 여부를 분석하였다. 다양한 접촉각에 대하여 레지스트 잔류층 두께와 몰드 유입속도의 변화가 기포발생에 미치는 영향을 살펴보았다.
본 연구에서는 UV NIL 공정에서 레지스트 잔류층 두께와 몰드 유입속도가 기포결함에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 살펴보았다. 몰드의 형상은 중공부 너비와 높이는 200 nm, 돌출부 너비의 1/2이 200 nm 이며, 다양한 접촉각(기판과의 접촉각, θ_S는 30° , 40° , 50° ,몰드와의 접촉각, θ_M는 30°, 35°, 40°, 45°, 50°)에 대해 해석을 수행하였다.

가설 설정

한편 UV-NIL 공정에 사용되는 레지스트는 수 cPs에서 수십 cPs 정도의 낮은 점도를 가진다. 따라서 레지스트를 물(water)로 가정하여 점도는 1 cPs, 밀도는 998.2 kg/m³, 표면 장력은 0.072 N/m로 가정하였다. 진공이 아닌 대기 중에서 공정이 이루어지므로 레지스트와 공기의 2상 유동이 고려되었다.
Hiroshima 와 Hirai[3, 4]는 line & space 패턴의 사각단면 몰드에 대한 기포생성 메커니즘을 수치적으로 연구하였다. 레지스트의 점성은 물과 같은 1cPs로 가정하고 몰드와 기판의 접촉 각을 변화시켜 기포발생 시뮬레이션을 수행하였다. Liang 등[5]은 분자확산이론과 유체역학을 이용하여 기포의 레지스트에 대한 용해와 수축에 관한 이론 및 해석모델을 개발하고, 기포의 수축시간은 초기 기포의 크기, 임프린팅 압력, 공기용해도, 레지스트의 잔류두께 등에 관련됨을 보였다.
해석에서 고려하는 몰드는 광학 소재 및 나노 공정에 광범위하게 사용되는 사각단면이며 한 방향으로 일정한 line & space 패턴이므로 2차원으로 가정하여 해석할 수 있다.

제안 방법

Case 1과 다른 조건은 모두 동일하고 레지스트 잔류층 두께가 1/2인 50 nm의 경우(Table 1의 Case 4, 이하 Case 4)에 대해 접촉각에 따른 기포 생성여부를 살펴보았다. Case 1과 마찬가지로 총 15가지의 해석을 수행하였으며, 기포 발생 유무의 경계가 되는 6가지 접촉각 에서의 결과를 Table 5와 Fig.
Case 1과 다른 조건은 모두 동일하고 레지스트 잔류층 두께가 2배인 200 nm의 경우(Table 1의 Case 5, 이하 Case 5)에 대해 접촉각에 따른 기포 생성여부를 살펴보았다. Case 1과 마찬가지로 총 15가지의 해석을 수행하였으며, 앞의 6가지 접촉각 조건에서의 기포발생 결과를 Table 6과 Fig.
Case 1과 다른 조건은 모두 동일하고 레지스트의 유입속도만 2배인 2 m/s의 경우(Table 1의 Case 3, 이하 Case 3)에 대해 접촉각에 따른 기포 생성여부를 살펴보았다. Case 1과 마찬가지로 총 15가지의 해석을 수행하였으며, 고려된 접촉각 모두 기포가 발생하였다.
Case 1과 다른 조건은 모두 동일하고 유입속도만 1/2인 0.5 m/s의 경우(Table 1의 Case 2, 이하 Case 2)에 대해 접촉각에 따른 기포 생성여부를 살펴보았다. Case 1과 마찬가지로 총 15가지의 해석을 수행하였으며, 기포 발생 유무의 경계가 되는 6가지 접촉각 에서의 결과를 Table 3과 Fig.
몰드 중공부 너비 및 높이, 그리고 돌출부의 너비의 1/2이 모두 200 nm, 레지스트 잔류층 두께는 100 nm, 유입속도가 1 m/s인 경우(Table 1의 Case 1, 이하 Case 1)에 대해, 접촉각에 따른 기포 생성여부를 살펴보았다. 다양한 접촉각을 고려한 총 15가지의 해석을 수행하였으며, 기포 발생 유무의 경계가 되는 6가지 접촉각 조건을 Table 2에 나타내었다. Fig.
본 연구에서 고려된 몰드의 형상은 중공부 너비 200 nm, 중공부 높이 200 nm, 돌출부 너비의 1/2 200 nm이다. 레지스트의 몰드 유입속도 변화(0.5 m/s, 1 m/s, 2 m/s)와 레지스트 잔류층 두께의 변화(50 nm, 100 nm, 200 nm)가 기포결함에 미치는 영향에 대해 해석을 수행하였다. 고려된 θ_s는 30° , 40° , 50° 이며, θ_M는 30° , 35° , 40° , 45° , 50° 이다.
몰드 중공부 너비 및 높이, 그리고 돌출부의 너비의 1/2이 모두 200 nm, 레지스트 잔류층 두께는 100 nm, 유입속도가 1 m/s인 경우(Table 1의 Case 1, 이하 Case 1)에 대해, 접촉각에 따른 기포 생성여부를 살펴보았다. 다양한 접촉각을 고려한 총 15가지의 해석을 수행하였으며, 기포 발생 유무의 경계가 되는 6가지 접촉각 조건을 Table 2에 나타내었다.
몰드의 형상은 중공부 너비와 높이는 200 nm, 돌출부 너비의 1/2이 200 nm 이며, 다양한 접촉각(기판과의 접촉각, θS는 30° , 40° , 50° ,몰드와의 접촉각, θM는 30°, 35°, 40°, 45°, 50°)에 대해 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 고려된 몰드의 형상은 중공부 너비 200 nm, 중공부 높이 200 nm, 돌출부 너비의 1/2 200 nm이다. 레지스트의 몰드 유입속도 변화(0.
고려된 θ_s는 30° , 40° , 50° 이며, θ_M는 30° , 35° , 40° , 45° , 50° 이다. 해석에 사용된 프로그램은 Fluent이다.

이론/모형

다양한 접촉각에 대하여 레지스트 잔류층 두께와 몰드 유입속도의 변화가 기포발생에 미치는 영향을 살펴보았다. 유동해석 전문 프로그램인 Fluent와 유체체적분율 방법인 VOF (Volume of Fluid)를 이용하였다.
UV NIL 충전과정에서 기포 생성을 모사하기 위해서는 폴리머 레지스트의 유동과 공기와의 경계를 예측하여야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 고정격자계 기반의 유체체적분율 방법인VOF를 사용하였다. VOF를 사용하는 경우 연속 방정식은 다음과 같다.

성능/효과

레지스트의 잔류층 두께 100 nm, 몰드 유입속도1 m/을 기준으로 유입속도가 1/2배일 때 충전시간이 더 소요될 뿐 기포 생성에는 영향이 없음을 알 수 있었다. 그러나 유입속도가 2배인 경우 모든 접촉각의 경우에서 기포가 생성되었다.
그러나 잔류층 두께가 2배로 증가된 경우 특정 접촉각(θ_M = 40° , θ_S = 50° )에서 발생되지 않던 기포가 생성되는 것을 볼 수 있다. 시간에 따른 레지스트 유동 선단을 분석한 결과 레지스트 두께가 두꺼운 경우 유동선단이 몰드 중공부의 윗면에 도달하기 전, 몰드 돌출부의 모서리에 먼저 접촉되어 유동이 분리되며 이로 인해 기포가 발생하는 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UV NIL의 문제점은?	NIL 기술은 크게 두가지로 나눌 수 있는데, 폴리머에 열을 가하여 경화시켜 패턴을 형성하는 Thermal NIL 과 자외선을 가하여 경화시켜 패턴을 형성하는 UV NIL 가 있다. UV NIL 의 경우 이형 결함, 비진공 환경에서 기포 생성에 의한 패턴 결함, 몰드 변형 및 내구성 등 많은 문제를 기술적으로 해결해야만 한다. 이러한 비 진공상태에서의 기술적 문제들을 해결할 수 있다면, 설비비용을 낮추고 공정시간을 줄일 수 있을 것이다.
	NIL 기술은 어떻게 나눌 수 있는가?	최근 Nanoimprint lithography (NIL) 기술은 공정의 고속화와 대면적화를 통하여 대량 생산으로의 전환을 위하여 노력하고 있지만[1,2], 미충전, 패턴 파손, 패턴 변형, 기포(Bubble), 오염 등의 결함들이 공정 조건, 몰드 형상 및 폴리머 레지스트의 물성에 따라 임프린트 공정 중에 복합적으로 발생한다. NIL 기술은 크게 두가지로 나눌 수 있는데, 폴리머에 열을 가하여 경화시켜 패턴을 형성하는 Thermal NIL 과 자외선을 가하여 경화시켜 패턴을 형성하는 UV NIL 가 있다. UV NIL 의 경우 이형 결함, 비진공 환경에서 기포 생성에 의한 패턴 결함, 몰드 변형 및 내구성 등 많은 문제를 기술적으로 해결해야만 한다.
	NIL 공정의 기포결함에 대한 최근 연구는 무엇이 있는가?	NIL 공정의 기포결함에 대해서는 최근에 들어서 연구가 활발히 진행되고 있다. Hiroshima 와 Hirai[3, 4] 는 line & space 패턴의 사각단면 몰드에 대한 기포생성 메커니즘을 수치적으로 연구하였다. 레지스트의 점성은 물과 같은 1cPs로 가정하고 몰드와 기판의 접촉 각을 변화시켜 기포발생 시뮬레이션을 수행하였다. Liang 등[5]은 분자확산이론과 유체역학을 이용하여 기포의 레지스트에 대한 용해와 수축에 관한 이론 및 해석모델을 개발하고, 기포의 수축시간은 초기 기포의 크기, 임프린팅 압력, 공기용해도, 레지스트의 잔류두께 등에 관련됨을 보였다. Reddy [6, 7] 등은 기포가 생성되는 조건을 기하학적 해석을 통하여 설명하였고, 디스 펜싱(dispensing)되는 레지스트 액적이 합쳐지는 상황을 해석적으로 시뮬레이션 하였다. Seok 과 Kim [8]은 삼각단면 패턴에 대하여 기학학적 해석모델을 개발하였고, 수치해석결과와 비교하여 유용성을 검증하였다.

참고문헌 (8)

Kim, K.W., Noorani, R.I. and Kim, N.W., "A Study on the Uniformity Improvement of Residual Layer of a Large Area Nanoimprint Lithography," Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 9, No. 4, pp. 19-23, 2010.

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Kim, K.W., "Prediction of Residual Layer Thickness of Large-area UV Imprinting Process," Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 12, No. 2, pp. 79-84, 2013.
Morihara, D., Hiroshima, H., and Hirai, Y., "Numerical study on Bubble Trapping in UV-nanoimprint Lithography," Microelectronic Engineering, Vol. 86, No. 4-6, pp. 684-687, 2009.

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Nagaoka, Y., Morihara, D., Hiroshima, H., and Hirai, Y., "Simulation study on Bubble Trapping in UV Nanoimprint Lithography," Journal of Photopolymer Science and Technology, Vol. 22, No. 2, pp. 171-174, 2009.

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Liang, X., Tan, H., Fu, Z., and Chou, S. Y., "Air Bubble Formation and Dissolution in Dispensing Nanoimprint Lithography," Nanotechnology, Vol. 18, No. 2, pp. 1-7, 2007.
Reddy, S., Schunk, P. R., and Bonnecaze, R. T., "Dynamics of Low Capillary Number Interfaces Moving through Sharp Features," Physics of Fluids, Vol. 17, No. 12, pp. 122104-1-6, 2005.

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Reddy, S., and Bonnecaze, R. T., "Simulation of Fluid Flow in the Step and Flash Imprint Lithography Process," Microelectronic Engineering, Vol. 82, No. 1, pp. 60-70, 2005.

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Seok, J.M., Kim, N.W., "Analytic and Numerical Study for air Bubble Defect of UV-NIL Process," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 21, No. 3 pp. 473-478, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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