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1. 개요

반도체 소자 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 광 소자는 사용되는 빛의 파장과 비슷하거나 큰 사이즈의 크기를 가져야 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) 광학 소자 등 나노미터 사이즈의 구조를 갖는 광학 소자의 등장으로 인해 최신 나노리소그래피 기술과 버금가는 정밀도를 가지는 노광 기술이 필요하게 되었다. 현재 초미세 광소자의 제작에는 전자빔 리소그래피 (e-beam lithography) 기술이 주로 사용되고 있다.

전자빔 리소그래피 기술은 최소 10 나노미터 수준의 선폭을 구현할 수 있으나, 낮은 생산성으로 인해 연구 개발 결과가 산업화로 연결되지 못하고 있다. 따라서 나노 사이즈의 기술이 필요한 나노 구조 광학 소자를 정밀하고 경제적으로 생산할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 나노 사이즈의 패턴을 제작하는 방법 중 널리 연구되고 있는 방법으로는 블록공중합체의 directed self-assembly (DSA)와 나노 임프린트 (nano imprint), 극자외선 리소그래피 (extreme ultraviolet lithography) 등이 있다. 본 분석지에서는 최근 연구되고 있는 나노 리소그래피에 대해서 간단한 소개와 연구동향에 대해 분석하고, 나노 리소그래피의 응용에 대해 분석하고자 한다.

 

2. 나노 리소그래피 기술

반도체 등 소자의 집적화가 요구됨에 따라 리소그래피를 이용한 나노 사이즈 소자 및 패턴의 구현 방법에 대한 연구가 각광받고 있다. 전자빔 리소그래피와 같은 방법으로 직접 소자를 그리는 방법부터 만들어진 패턴을 도장을 찍어내듯 전사하는 방법, 스스로 나노 사이즈의 패턴을 형성하는 고분자 블록공중합체의 물성을 이용한 자기 재조립을 이용한 방법 등 다양한 방법을 이용하여 나노 패턴을 구현하고 있다. 나노 사이즈의 소자를 소개하기에 앞서 나노 사이즈의 구조를 제작하는 나노 리소그래피 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 절단하여 시료 면상에 감광제 패턴을 형성하는 기술이다. 최근에는 반도체 소자에 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 나노 리소그래피 기술 중 중요도가 매우 높은 기술이다. 전자빔 리소그래피는 높은 안정도를 갖는 전자 광학계와 진공중의 레이저 측정에 의해서 빔편향계의 자기 교정이 가능하며, 미세 패턴 리소그래피가 레이저 측정분해능에 가까운 정밀도가 가능하며, 웨이퍼기판 위에 직접 리소그래피를 하기 때문에 다른 공정처리에 의해 형성한 패턴과 연계하여 고정밀도의 미세패턴이 가능하다는 특징이 있다. 하지만, 최소 패턴의 형상이나 치수가 이차전자 생성, 감광제 특성 등에 의해 좌우되고, 리소그래피의 패턴이 미세화 됨에 따라 생산성(throughput)이 저하한다는 단점이 있다.

 

2.2. 유도 자기 조립 (Directed self-assembly)

고분자 블록 공중합체 (Block copolymer) 의 유도 자기 조립 (directed self-assembly) 기술은 기존 리소그래피 기술의 한계를 극복할 수 있는 차세대 리소그래피 기술로 각광받고 있는 기술이다. 고분자 블록 공중합체란 두 가지 이상의 다른 화학구조를 가지는 고분자 사슬이 화학적 결합을 통해 연결되어있는 물질이다. 고분자 블록 공중합체를 이루는 고분자들은 서로간 비상용성으로 인해 상분리를 하려고 하지만 화학적 결합을 통해 연결이 되어 있는 특성으로 인해 10 나노미터에서 100 나노미터의 크기를 가지는 도메인을 형성하는 미세 상분리현상을 보인다. 이런 현상을 자기 재조립 현상이라고 부르며, 이를 통해 규칙적인 나노 구조를 제작할 수 있다. 고분자 블록 공중합체의 종류와 분자량 등 다양한 변수를 바꾸어 블록 공중합체의 모폴로지를 미세하게 제어할 수 있음을 확인하였으며, 2000년대에 들어와서는 블록 공중합체 나노 패턴을 이용한 리소그래피에 대한 연구가 활발하게 진행되었다.

특히 유도 자기 조립 기술의 발전으로 인해 블록공중합체의 나노 구조를 미세하게 조절함과 동시에 대면적에서 나노 구조의 배향을 제어하여, 기술적 한계에 직면한 포토 리소그래피를 대체할 기술로 크게 각광을 받고 있다. 블록공중합체의 나노 패턴은 ArF 리소그래피나 I-line 리소그래피 등과 함께 사용되어 기존의 포토 리소그래피 공정과 통합되는 진보된 접근법으로 적용될 수 있다. 유도 자기 조립현상은 고밀도, 균일한 패턴 사이즈, 고 해상도의 패턴, 저비용 등의 장점을 가지고 있다. 유도 자기 조립현상을 이용할 경우 반도체 분야뿐 아니라 다양한 나노 패턴 분야에서 위의 장점을 가져올 수 있을 것이라고 기대할 수 있다.



그림 1 블록공중합체의 유도 자기 조립 공정을 이용한 나노 패턴의 제작 방법에 대한 모식도

 

2.3. 나노 임프린트 (Nano imprint) 기술

나노 임프린트 리소그래피 (Nano imprint lithography, NIL)은 마이크로 스케일의 패턴을 갖는 고분자 소재 제품의 대량 생산에 사용되는 엠보싱 기술을 리소그래피에 적용한 것으로, 나노크기의 패턴을 가지는 요철 형태의 기판을 폴리머 레진(resin)에 전사하는 방법이다. 고가의 장비가 필요하지 않으며 전자빔 리소그래피로 등의 고급 리소그래피 기술을 이용하여 제작한 나노 스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제작하고, 그 스탬프의 패턴을 고분자 박막에 각인하여 나노 스케일의 구조를 전사할 수 있다는 장점이 있다.

나노 임프린트 리소그래피는 전자 빔 리소그래피 등으로 제작한 스탬프를 고분자가 코팅되어 있는 기판을 접촉시킨 후, 유리전이온도 이상에서 높은 압력을 가해 패턴을 전사하거나, 경화용 레진 등을 스탬프에 도포 한 후, 경화를 진행시키는 방법 등으로 패턴을 전사한다. 전자는 열적으로 고분자 층을 유동성있게 만든 다음 패턴이 있는 주형을 접촉시키고 물리적인 힘으로 고분자 층에 원하는 패턴을 만드는 방식이다. 나노 사이즈의 패턴을 주형에서 떼어내는 것은 매우 중요한 사항인데, 보통은 불소를 포함하고 있는 고분자 층이 접착 방지제로 사용되고 있다. 유리전이온도 이상의 온도를 가하고, 식히는 공정이 반복되면 스탬프와 고분자 패턴에 모두 좋지 않은 영향을 미치며, 이를 해결하기 위한 방법이 두번째로 언급한 방법으로, UV 에 의해 경화되는 고분자를 이용한 UV-assisted imprint lithography이다. 낮은 압력과 낮은 온도에서 저점도의 액체를 이용하고, 이 액체를 UV를 이용하여 경화시키면 저압, 저온에서 나노 패턴을 전사할 수 있다. 다만 몰드의 재질이 quartz 와 같이 투명한 재질이어야 한다는 한계점이 존재한다.

 



그림 2 나노 임프린트 리소그래피의 모식도

 

2.4. 극자외선 리소그래피 (Extreme UV lithography)

EUV (Extreme Ultraviolet) lithography 는 극자외선이라고 불리는 매우 짧은 파장(13.5 nm)의 빛을 이용하는 리소그래피 기술이며, 기존의 ArF 엑시머 레이저 (ArF excimer laser, 193 nm), KrF 엑시머 레이저 (248 nm) 등의 포토리소그래피 기술로 가공하기 어려운 20 nm 이하의 미세 패턴을 가공할 수 있는 기술이다. EUV 기술은 기존의 UV 리소그래피와 유사한 공정을 갖기 때문에 공정 적용이 용이하다는 장점이 있으며 높은 해상도를 가지는 마스크를 제작할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 다만 EUV 가 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 기술 개발이 필요하다. 그중 EUV 를 생산할 수 있는 광원이 최대 과제인데, 고온, 고밀도의 플라즈마에서 취출할 수 있다. 플라즈마에서 나온 빛은 집광 미러로 모아져 중간 집광점 (intermediate focus)라는 점을 통해 모이며, 레지스트에 패턴을 형성할 수 있게 된다. 현재 EUV 기술은 높은 신뢰성, 높은 집적도 등 다양한 장점이 있기 때문에 가장 상용화에 가까운 패터닝 기술이라고 할 수 있다.

 

 

3. 나노 구조 광학소자

나노 사이즈를 가지는 소자는 반도체 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 특히 차세대 통신기술로 주목 받는 광통신의 등장과 함께 이의 구현에 필요한 반도체 광원 및 광신호처리소자의 제작에 반도체 제조 기술이 응용되게 되었다. 대부분의 광소자는 사용하는 빛의 파장과 비슷하거나 커다란 크기를 가지고 있기 때문에 고 분해능을 가지는 리소그래피 기술이 필요하지 않다고 생각되어왔다. 그러나 최근 연구되고 있는 광결정 (photonic crystal) 소자, 광학 링 레조네이터 (optical ring resonator) 소자, 파장 이하 주기 (subwavelength) 광학 소자등 나노스케일의 구조를 갖는 광학 소자의 등장으로 수십나노 이하에서 반도체와 버금가는 정밀도를 가지는 노광 기술의 필요성이 대두되었다.

위에서 언급한 나노 구조 광학 소자 (nano-structured optical devices) 는 주로 전자빔 리소그래피를 통해 제작되고 있지만, 낮은 생산성과 같은 문제로 다른 방법을 통해 나노 구조 광학 소자를 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 높은 정밀도와 경제성으로 신뢰성이 있는 생산기술의 개발이 요구되고 있는데, 이러한 목표로 개발되고 있는 나노 광학 소자에 대해 다루고자 한다.

 

3.1. 블록공중합체 자기 재조립현상을 이용한 광결정의 제작

광결정이란 물질의 광학적인 성질을 이용할 수 있거나 구조를 갖도록 만들어낸 물질을 의미하며, 광 결정 소자는 굴절률이 다른 두 유전체를 공간상에 주기적으로 배치할 때 생기는 광 밴드갭(Photonic Band Gap)을 이용하는 소자이다. 예를 들어 남미에 서식하는 나비의 한 종류인 몰포(Morpho) 나비의 날개에는 파란색 색소가 존재하지 않지만 파란 빛을 띠고 있다. 그 이유는 날개의 표면 구조의 특이성 때문에 날개가 파란색 파장의 빛을 반사하는 것이다. 색소 없이 물질이 색을 나타내는 것을 구조색(structural color) 라고 부르는데, 비단 나비뿐 아니라 다양한 곳에서 광결정 구조를 확인할 수 있다. 즉, 이런 광결정을 이용하면 빛의 생성과 조작이 가능하다. 광결정은 반도체 결정에 의한 전자의 조작과 유사한 방식으로 빛을 조작하는데 중요한 구조로 부상하고 있다. 일반적으로 리소그래피, 홀로그래, 마이크로 어셈블리 등의 하향식(top-down) 방식과 상향식(bottom-up) 방식으로 제작이 되고 있다. 블록공중합체와 같은 자기 재조립을 하는 물질을 이용한 프로세스는 입방구조가 균일한 나노 사이즈의 구체를 형성할 수 있기 때문에 상향식 방법으로 광결정을 형성할 수 있다.

최근 핀란드의 Aalto University School of Science에서 보고한 연구에 따르면 블록공중합체인 폴리스티렌-블록-폴리비닐피리딘 (polystyrene-block-poly(2-vinylpridine))을 이용하여 광결정을 쉽게 제작할 수 있다. 리소그래피 등의 복잡한 공정 없이 손쉽게 광결정을 형성할 수 있는데, 특히 이것은 블록공중합체의 마이셀(micelle)의 크기를 바꾸거나, 염(salt)의 농도를 바꾸는 방식으로 광결정의 색을 바꿀 수 있다. 아직 기초단계의 연구로, 스스로 빛을 낸다거나 하는 광학소자는 아니지만, 블록공중합체의 자기 재조립현상을 이용하여 용액상에서 광결정을 형성하고, 적용하였다는 것에 큰 의미가 있는 연구이다.



그림 3 블록공중합체를 이용한 광결정의 이미지.

 

3.2. 나노임프린트 리소그래피를 이용한 파장 이하 주기 광학 소자

일반적으로 회절 격자는 빛의 파장보다 큰 주기를 가진다. 하지만 격자의 주기가 빛의 파장의 반 이하가 되었을 때, 구조 복굴절 (form birefringence) 이라는 현상이 생긴다. 이러한 구조에서는 회절파가 발생하지 않고 0차 광에 해당하는 투과광과 반사광만 존재하며 편광에 따라 변화하는 굴절률을 갖는다는 특징이 있다. 즉, 광학적 등방성 물질에 파장 이하 크기의 주기를 준다면 인공적인 복굴절 물질을 만들 수 있다. 이러한 구조 복굴절을 이용하여 선 격자 편광자와 파장판과 같은 편광 제어 광학 소자를 제작할 수 있다. 이런 구조 복굴절 소자는 반도체 공정을 이용하기 때문에 대량 생산에 적합하고, 다양한 기능을 가지는 광학 소자의 집적화에 유리하다. 선 격자 편광자의 경우, 가시광선 대역에서 사용하기 위해선 200 나노미터 이하의 주기와 100 나노미터 이하의 선폭의 구조가 필요하다. 더욱 우수한 성능의 편광 소멸비 (extinction ratio) 를 갖기 위해선 100 나노미터 이하 선폭의 패터닝 기술이 요구된다.

선 형의 나노 패턴을 손쉽게 제작하기 위해서 프랑스 O. Gauthier-Lafaye의 연구단은 soft-mold 를 이용한 나노임프린트 리소그래피를 이용하였다. 최대 6인치 웨이퍼 크기의 필터를 이용하여 다양한 기판에 전사하는 기술을 개발하였는데, 기존의 기술과 비교하였을 때 상당한 품질의 광학성능을 가지는 기판을 제작하였다. 비록 패턴 깊이 (pattern depth)와 종횡비(aspect ratio)에서 한계가 존재하지만, 나노임프린트 방법을 이용하여 파장 이하 주기 광학 소자로의 적용을 하였다는 것에 의의가 있다.



그림 4 나노임프린트방법을 이용하여 제작한 6인치 웨이퍼 크기의 파장이하주기 광학소자

 

 

4. 결론

반도체와 광학소자 등 나노 기술을 필요로 하는 분야를 위해 나노기술은 지난 수십년간 꾸준히 발전해오고 있다. 단순히 패턴을 진행하는 리소그래피부터 다른 패턴에 전사하거나, 물질의 특성을 이용하여 손쉽게 나노 패턴을 형성하는 등의 방법이 제시되고 있다. 다양한 나노 기술은 실험실 수준의 연구에서 상용화 초기단계로 접어들고 있다. 더 고밀도의 패턴과 다양한 기능이 요구되는 미래 시장에서 나노 리소그래피를 포함한 나노 기술들의 발전이 필요할 것이며, 궁극적으로 나노 테크놀로지는 핵심 기술로써 자리매김할 것이라고 예상한다.