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태연 성
6 years ago
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1 특집나노메카트로닉스 UV- 나노임프린트리소그래피 정준호 이응숙 머리말 나노임프린트리소그래피 (Nanoimprint lithography, NIL) 기술은경제적이고도효과적으로나노구조물을제작할수있는기술로, 나노구조물 (nanostructute) 이각인된스탬프 (stamp) 를기재 (substrate) 위에스핀코팅 (spin-coating) 또는디스펜싱 (dispensing) 된레지스트 (resist) 의표면에눌러나노구조물을전사하는기술이다. 2003년 international technology roadmap for semiconductors(itrs) 에는 NIL기술이신규로추가되었는데이는 extreme ultraviolet lithography(euv), mask-less lithography (ML2) 와더불어차세대리소그래피로서의가능성을인정받았음을의미한다. NIL공정은 1995년프린스턴대학의 Chou 교수 [1,2] 가최초로제안했다. Chou 교수가제안한 NIL에서는나노크기의패턴이부조 ( 요철 ) 형태로형성된스탬프로 poly(methylmethacrylate) (PMMA) 재질의레지스트가코팅되어있는기판표면을유리전이온도이상의고온조건인 o C에서고압으로누른후 100 o C 이하로냉각시켜분리하게된다. 이에따라레지스트에는스탬프의나노패턴이반대형상으로전사되고, 이방성에칭작업을거쳐레지스트표면에서눌려진부분즉, 잔여층 (residual layer) 을제거한다. 이어, Ti와 Au를기재전체면적에고르게증착한후리프트오프 (lift-off) 공정을통해 PMMA와 PMMA 위에증착된 Ti와 Au층을제거한다. Chou 교수는이공정을사용하여 10 nm 지름의원형금속점배열을구현하는데성공했다. NIL 기술은크게가열식 (thermal-type) NIL과 ultraviolet (UV) NIL로나눌수가있는데, 앞에서언급한 Chou 교수가 정준호박사는한국과학기술원공학박사 (1998) 로서한국과학기술원 postdoc( ), University of Illinois at Urbana and Champaign postdoc( ) 등을지냈으며 2002 년부터한국기계연구원선임연구원으로재직중이다. (jhjeong@kimm.re.kr) 이응숙박사는한국과학기술원공학박사 (1997) 로서 UC Berkeley postdoc( ) 등을지냈으며 1982 년부터한국기계연구원책임연구원으로재직중이다. (les648@kimm.re.kr) 개발한 NIL은가열식-NIL에속한다고할수있다. 이가열식 -NIL기술은다층화작업이필수적인반도체디바이스제작에있어, 열변형에의해다층정렬이어렵다는단점을갖고있다. 그리고, 점도가큰레지스트를임프린트하기위해서는고압 (10-30 bar 정도 ) 이필요하기때문에기제작된하단의나노구조물을파손시킬소지가있고, 불투명한스탬프는다층화정렬작업에불리하게작용한다. 이에반하여, UV-NIL은 1996년 Haisma 등 [3] 에의하여최초로제안되었는데, PMMA와같은열가소성재질을사용하는가열식-NIL과달리저점성광경화성수지와이를경화하기위해 UV를사용하는것이특징이다. 따라서 UV-NIL은상온저압공정이가능하여다층화공정및대량생산에적합하다는장점을갖고있다. 본총설에서는 UV-NIL기술의기본원리및최근의연구동향에대해살펴보도록하겠다. 몰드 - 어시스티드리소그래피 (Mold-Assisted Lithography, MAL) 앞에서도언급한바와같이 MAL은 1996년 Haisma 등 [3] 에의하여제안되었으며그의기본원리는그림 1과같다. 먼저나노구조물이각인된투명재질의용융실리카 (fused silica) 스탬프를제작하고점착방지막을처리한다. 그리고프라이머 (primer) 층을형성하고광경화수지를기재위에도포한후제작한스탬프를누르면서 nm 파장의자외선을조사하여광경화수지를경화시키게된다. 최종적으로임프린트된고분자박막에 RIE(Reactive Ion Etching) 공정을거쳐나노구조물이기재에전사된다. 실제실험에서는나노구조물 이각인된용융실리카스탬프를사용하지않고실리콘 (silicon) 스탬프와용융실리카기재를사용하여실험을하였으며진공가압프린터 (vacuum contact printer) 를사용하여가압력은 0.1 bar, 가압시간은 25 s 조건에서실험을하였다. 본연구에서지적한 MAL의문제점은잔여층 (residual layer) 두께의불균일성이었다. 4 in. 웨이퍼를사용했을때 500 nm 이상의잔여층불균일도 (non-uniformity) 를보였고, 이를해결하기위하여 3 cm 크기의스탬프를사용했을경우는 50 nm 보다작은불균일도를보였다고밝혔다. 따라서작은스탬프 2

Fused silica 스탬프 UV 경화수지층프라이머층기재 가압 UV 조사 경화된고분자박막층 (e) 그림 1. Mold-assisted lithography의개념도. 점착방지막이처리되어있는 fused silica 스탬프와프라이머 (primer) 층과 UV 경화수지층이있는웨이퍼.

유럽에서 UV-NIL에대한연구는주로 Bender와 Otto 등 [4] 에의하여이루어졌으며, 2004년에는 4인치웨이퍼위에수지를대략 200 nm 두께로스핀코팅한후스텝-앤- 리피트방식을사용해서임프린트한결과를발표했다.

[6] 이 P-NIL의특징은 100 cp 정도의광경화수지를 100 nm 두께로스핀코팅한후 molecular-beam epitaxy(mbe) 로제작한 GaAs와 SiO 2 재질의스탬프와수정기재를사용하여임프린트를수행했으며전달층으로 PMMA를사용했다는것이다.

스텝 - 앤 - 플래시임프린트리소그래피 (Step-and-Flash Imprint Lithography, SFIL) 텍사스오스틴대학의 Sreenivasan 교수등은 1999 년에 그림 2. P-NIL로구현된 5 nm급나노구조물의 SEM 이미지.

2 Fused silica 스탬프 UV 경화수지층프라이머층기재 가압 UV 조사 경화된고분자박막층 (e) 그림 1. Mold-assisted lithography의개념도. 점착방지막이처리되어있는 fused silica 스탬프와프라이머 (primer) 층과 UV 경화수지층이있는웨이퍼. 진공환경에서스탬프를가압하여수지가스탬프의음각구조물을모두채우게함. UV를조사하여수지를경화시킴. 스탬프를분리한후패턴사이에존재하는잔여층. 에칭을거쳐잔여층을제거한고분자마스크 (e). 를사용하여반복적으로임프린트를수행하는공정즉스텝- 앤-리피트 (step-and-repeat) 가대면적공정에서불균일도를감소시킬수있는방안이라고제시한바있다. 유럽에서 UV-NIL에대한연구는주로 Bender와 Otto 등 [4] 에의하여이루어졌으며, 2004년에는 4인치웨이퍼위에수지를대략 200 nm 두께로스핀코팅한후스텝-앤- 리피트방식을사용해서임프린트한결과를발표했다. [5] 이연구에서는마이크로크기의패턴이각인된 1 1 cm 2 스탬프를사용했으며 4인치웨이퍼에대해 37번의임프린트를수행하여 50 nm급잔류두께를얻는데성공했다. Chou 교수는주로가열식 NIL 개발에주력하여오다가최근들어 photocurable nanoimprint lithography(p-nil) 을제안하였다. [6] 이 P-NIL의특징은 100 cp 정도의광경화수지를 100 nm 두께로스핀코팅한후 molecular-beam epitaxy(mbe) 로제작한 GaAs와 SiO 2 재질의스탬프와수정기재를사용하여임프린트를수행했으며전달층으로 PMMA를사용했다는것이다. 이연구에서 Chou 교수는그림 2에서와같이 5 nm의나노구조물을임프린트하는데성공하였는데, 이는 UV-NIL 기술이 sub-10 nm 구조물제작에활용될수있음을확인시켜주는결과라고판단된다. 스텝 - 앤 - 플래시임프린트리소그래피 (Step-and-Flash Imprint Lithography, SFIL) 텍사스오스틴대학의 Sreenivasan 교수등은 1999 년에 그림 2. P-NIL로구현된 5 nm급나노구조물의 SEM 이미지. SiO 2 스탬프의구조물, 임프린트된 5 nm급구조물, 레지스트의리프트오프공정으로구현된 Au 구조물. Step & Flash Imprint Lithography(SFIL) 공정기술을제안했다. [7,8] 초기에제안한 SFIL공정에서는먼저전달층 (transfer layer) 이실리콘기판위에스핀코팅된다. 이어 UV투과성스탬프가전달층과일정간격이유지된상태에서저점성 UV경화수지를표면장력에의하여안으로충전되도록한다. 충전이완료된시점에서스탬프를가압하고 UV를조사하여경화시킨후, 스탬프를분리하게된다. 이러한작업을반복하여웨이퍼전체에대해임프린트를완료한후에칭과정과리프트오프 (lift-off) 과정을거쳐나노구조물을기판에전사한다. 현재는그림 3에서와같이전달층과스탬프사이에다수의미소 UV경화수지액적을떨어뜨린후스탬프로가압하는방식으로수정되었다. SFIL는 1-4 cp 정도의저점도 (viscosity) 수지를사용하고있기때문에 1인치영역에대해 20 N 정도의저압으로임프린트가가능하다. 또한, 임프린트된레지스트층과평탄화층에 3

수정스탬프 평탄화층기재 경화된고분자박막층 (e) UV 경화수지액적 (f) 가압 (g) UV 조사 (h) 그림 3. Step and flash imprint lithography의개념도. 점착방지막이처리되어있는 1인치크기의수정스탬프와평탄화층과 UV 경화수지층이있는웨이퍼.

대한 2단계에칭과정을통하여잔여층불균일에의한에칭결함을상당히감소시킬수있다. SFIL용스탬프는포토마스크 용수정원판으로제작하며 6인치원판으로부터 4개의스탬프를제작할수있다. 대기압분위기에이루어지는 SFIL은초기액적의위치를최적화하여임프린트후내부에공기가함입되지않도록한다.

그림 4 는 IMPRIO100으로임프린트된영역을보여주고있으며그림 4 는임프린트된 sub-50 nm선폭구조물의단면을보여주고있다. 현재 IMPRIO100로구현이되는전형적인잔여층두께는 60-70 nm이며균일도는 30 nm (3σ) 정도이다.

3 수정스탬프 평탄화층기재 경화된고분자박막층 (e) UV 경화수지액적 (f) 가압 (g) UV 조사 (h) 그림 3. Step and flash imprint lithography의개념도. 점착방지막이처리되어있는 1인치크기의수정스탬프와평탄화층과 UV 경화수지층이있는웨이퍼. 수지액적을웨이퍼위에디스펜싱함, 대기환경에서스탬프를가압하여수지가스탬프의음각구조물을모두채우게함. UV를조사하여수지를경화시킴. 스탬프를분리함 (e). 스탬프를임프린트안된영역으로이동시킴 (f), -(f) 까지의과정을반복함 (g), 2단계이방성에칭을거쳐잔여층을제거한고분자마스크 (h). 대한 2단계에칭과정을통하여잔여층불균일에의한에칭결함을상당히감소시킬수있다. SFIL용스탬프는포토마스크 용수정원판으로제작하며 6인치원판으로부터 4개의스탬프를제작할수있다. 대기압분위기에이루어지는 SFIL은초기액적의위치를최적화하여임프린트후내부에공기가함입되지않도록한다. 이에따라초기에액적형태였던수지가퍼져 sub-100 nm의잔여박막을형성하는데 150 s 정도의가압과정이필요하다. 그림 4은 SFIL 공정장비인 IMPRIO100를사용하여임프린트한결과를보여주고있다. IMPRIO100은 8인치웨이퍼에대한 SFIL공정과다층화를위한정렬작업이가능한장비이다. 그림 4 는 IMPRIO100으로임프린트된영역을보여주고있으며그림 4 는임프린트된 sub-50 nm선폭구조물의단면을보여주고있다. 현재 IMPRIO100로구현이되는전형적인잔여층두께는 nm이며균일도는 30 nm (3σ) 정도이다. EPS 활용 UV- 나노임프린트리소그래피 (UV-nanoimprint lithography using an elementwise patterned stamp (EPS)) 그림 4. SFIL공정에의한임프린트결과. 임프린트된단위필드, 50 nm 선폭나노구조물의단면이미지. UV-NIL공정에서생선성을확보하기위한가장효과적인방법은스탬프를대면적화하는것이다. 대기환경에서대면적스탬프를사용하면공기포획결함이발생하게되는데이를제거하기위해서는 MAL과같이진공환경을만들어야한다. 그러나, 이러한진공분위기를위해서는반드시진공장치가필요하고진공환경에적합한수지를사용해야만한다. 이러한문제점을해결하고자 KIMM에서는저진공환경또는대기압 4

환경에서사용할수있는대면적 EPS(Elementwise Patterned Stamp) 를사용한 UV-NIL공정기술을제안하였다. [9,10] 이 EPS 는나노패턴이각인되어있는단위요소 (element) 들간에채널 (channel) 이존재하여임프린트시요소영역에있던공기가요소영역밖으로밀려나갈수가있다.

4 환경에서사용할수있는대면적 EPS(Elementwise Patterned Stamp) 를사용한 UV-NIL공정기술을제안하였다. [9,10] 이 EPS 는나노패턴이각인되어있는단위요소 (element) 들간에채널 (channel) 이존재하여임프린트시요소영역에있던공기가요소영역밖으로밀려나갈수가있다. 따라서, 대기압및저진공환경에서대면적스탬프를사용할시발생하는공기포획결함을방지할수있다. 또한, EPS는스탬프와임프린트된고분자박막간의분리를용이하게해주는장점을갖고있다. 다음에서 EPS의제작및 UV-NIL 공정결과에대해살펴보도록하겠다. EPS 제작 4 in. 웨이퍼에대한 UV-NIL을수행하기위해포토마스크용수정기판을사용하여 in. 3 EPS를제작했다. 스탬프는 mm 2 단위요소를갖는스탬프와 mm 2 의단위요소를갖는스탬프를제작하였다. 그림 5는제작한스탬프의기본설계치수를보여주고있다 mm 2 단위요소의경우제작상의편의를위하여단위요소의전체영역에나노구조물을제작하지않고 4개의모서리와가운데에 µm 영역에만나노구조물을설계제작하였다. 설계된패턴을구성하는선의폭은 100 nm 1 µm이며, 깊이는 200 nm이다. 그림 6은크롬층을하드마스크로사용한에칭방법에의해스탬프를제작하는과정을보여주고있다. 이빔레지스트와크롬이도포된마스크에이빔을사용해서패턴을전사한다. 이어이빔레지스트를현상하고크롬층을에칭한후잔여레지스트를제거하게된다. 이단계까지는기존의포토마스크제조방법과동일하며수정층에나노구조물을전사하기위해서는크롬을하드마스크로사용한에칭작업과최종적인크롬제거작업이추가된다. 본스탬프제작에사용된수정기판은일본 HOYA사의 EHQ C-ZEP7000으로도포된크롬과레지스트의두께는각각 100 nm와 400 nm이다.[ 그림 6] 초기의패턴형성을위한이빔리소그래피를위해 HITACHI HL800M 50 kev vector scan 이빔장비를사용하였고, dose양은 25 µc/cm 2 로고정하였다.[ 그림 6] 패턴을형성한후에 FAIRCHILD spin spray 를이용하여레지스트를현상했고, 패턴에남아있는잔여레지스트제거와크롬에칭에의한패턴형성을위해 UNAXIS VLR-700 ICP를사용하였다. 잔여레지스트제거시사용된가스는 O 2 이며전체유량은 30 sccm, 작업진공도는 10 mtorr를유지하였다. 크롬에칭시에는 Cl/O 2/He 가스를혼합하여사용하였으며, 전체유량은 62 sccm이고, 작업진공도는 6 mtorr를유지하였다.[ 그림 6] 크롬패턴을형성한후에 SUCCEED wet brench를사용하여레지스트를스트립 (strip) 하고,[ 그림 5 in. 4 in. A A 단위요소 채널 나노패턴채널 0.09 in. 단면 AA 그림 5. Elementwiae patterned stamp의개념도및치수. 단위요소 그림 6. EPS 제작과정의개념도. 이빔레지스트와크롬박막이형성되어있는수정원판. 이빔공정으로이빔레지스트에패턴을형성함, 에칭공정으로크롬박막에패턴을형성함, 이빔레지스트를제거함, 패턴이형성된크롬박막을마스크로하여수정층을에칭함 (e), 크롬박막을제거함 (f), 이방성에칭또는습식에칭으로수정층에채널을형성함. 5

6] 수정에칭을위하여 UNAXIS VLR-700 ICP를사용했으며, 200 nm 깊이를갖는수정패턴을형성하였다. 패턴형성시공정조건은 SF 6/O 2/He 가스를혼합하여사용하였고, 전체유량은 50 sccm, 작업진공도는 5 mtorr로진행하였다.

400 nm 이상의패턴에서는 2% 이하치수오차로설계수치에부합하는정확한패턴이형성되었음을확인할수있었고, 그이하에서는설계수치를상회하는값이측정되었다. 설계치선폭이 100 nm의경우는 380 nm로각인된것으로측정되었는데, 이는이빔패턴닝오차와크롬과수정층의과도에칭에의하여발생한것으로판단되었다.

그림 7은 EPS상에성공적으로각인된 50 nm선과 100 nm 간격을갖는패턴의 CD SEM과 AFM으로측정한결과를보여주고있는데초기설계치와비교하여 2% 이내의치수정밀도를보였다. EPS 제작을마친후에는표면에점착방지를위한단분자막처리해야한다. 이는임프린트한후경화된고분자박막이스탬프로부터용이하게분리될수있도록하는역할을하게된다.

5 6] 수정에칭을위하여 UNAXIS VLR-700 ICP를사용했으며, 200 nm 깊이를갖는수정패턴을형성하였다. 패턴형성시공정조건은 SF 6/O 2/He 가스를혼합하여사용하였고, 전체유량은 50 sccm, 작업진공도는 5 mtorr로진행하였다.[ 그림 6(e)] 크롬층을제거하고 THMR-IP3000 레지스트를코팅한후 Etec core2564 laser tool로패턴을형성한다음이방성에칭으로 1 µm 두께의채널을형성하였다.[ 그림 6(f)] 설계된스탬프의라인두께및라인간의간격은 100 nm-1 µm이었으나, 최종제작된스탬프의 SEM 측정결과 380 nm - 1 µm로나타났다. 400 nm 이상의패턴에서는 2% 이하치수오차로설계수치에부합하는정확한패턴이형성되었음을확인할수있었고, 그이하에서는설계수치를상회하는값이측정되었다. 설계치선폭이 100 nm의경우는 380 nm로각인된것으로측정되었는데, 이는이빔패턴닝오차와크롬과수정층의과도에칭에의하여발생한것으로판단되었다. 이러한문제점들을해결하고자 mm 2 의단위요소를갖는스탬프를제작할때는크롬은종전과같은 100 nm 두께를사용했으나, 이빔레지스트는 100 nm 작은 300 nm 두께의 ZEP520을사용했으며 Elionix ELS kev e-beam system으로이빔패턴을형성하였다. 그리고크롬과수정층의에칭은 CP6000-U system으로수행하였다. 그림 7은 EPS상에성공적으로각인된 50 nm선과 100 nm 간격을갖는패턴의 CD SEM과 AFM으로측정한결과를보여주고있는데초기설계치와비교하여 2% 이내의치수정밀도를보였다. EPS 제작을마친후에는표면에점착방지를위한단분자막처리해야한다. 이는임프린트한후경화된고분자박막이스탬프로부터용이하게분리될수있도록하는역할을하게된다. 단분자막형성을위하여사용한시약은 Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorootyl)silane (97%, Aldrich) 이다. 초기수정기판의접촉각은 27 o 였는데시약을반응시킨후 5 분경과하였을때 100 o 로증가하였고 1분이후에는 105 o 로거의일정하였다. 따라서 silanization 반응은 5분에서 10분사 이거의반응이완결되는것으로판단된다. 이러한점착방지막처리를통하여표면상태가친수 (hydrophilic) 상태에서소수 (hydrophobic) 상태로변함과동시에표면에너지가감소되어, 임프린팅시에레지스트가스탬프표면에점착되는것을방지하게된다. 임프린트공정및결과임프린트전웨이퍼평탄화층을형성하기위한소재로는 ARC(Anti-reflective coating) 용 DUV30J(Brewer Science) 를사용했다. 이박막은평탄층역할과함께임프린트된고분자박막과웨이퍼표면과의점착성을증가시키는역할을하게되는데, 주로 60 nm 두께의박막을스핀코팅으로형성하여사용하였다. 임프린트용광경화수지는 tripropylene glycol diacrylate (TPGDA) 가주성분인 PAK01을사용했으며 [3] 점도는 7 cp로측정되었다. 앞에서언급한타공정들은웨이퍼위에적당량의수지를도포하거나액적을디스펜싱하게되는데 EPS를사용하는 UV-NIL공정에서는그림 8에서와같이액적들을 EPS의각단위요소에디스펜싱하게된다. 점착박지막이형성되어있어소수성성질을보이는 EPS 표면은친수성표면을갖는웨이퍼에비하여액적의접촉각이매우크게된다. 따라서웨이퍼의표면상태나미세진동에의하여디스펜싱한액적이초기위치에서흐르거나이동하는것을방지할수있다. 1인치정도의작은영역을반복적으로디스펜싱하고임프린트하는 SFIL방법에비하여, 한번에스탬프전영역을디스펜싱해야하는본기법에서웨이퍼에디스펜싱할경우, 액적이움직일가능성은더욱높아진다고할수있다. Musashi사의 shot-mini-model로 EPS상에디스펜싱했으며, 각액적의부피는 1-3 nl였다 mm 2 단위요소에는총 EPS 상단에있는패턴이있는단위요소 노즐 가압 EPS 하단에있는단위요소 EPS EPS 를 180 o 회전시킴 EPS 하단에있는웨이퍼 공기배출 분리 UV 조사 임프린트된단위요소 그림 7. 제작된 EPS의 SEM 및 AFM 이미지. 50 nm 선. 100 nm 선. 그림 8. EPS를사용한 UV-NIL공정의개념도. EPS의각단위요소에수지액적을디스펜싱함, EPS를 180 o 회전시킨후평탄화층이스핀코팅된웨이퍼와 EPS 사이에저진공환경이형성되면서 EPS가가압됨, UV를조사하여수지를경화시킴, EPS를분리한후임프린트된웨이퍼에이방성에칭공정으로잔여층을제거함. 6

그림 10. 스탬프단면과임프린트된고분자구조물의 SEM 이미지. 스탬프에각인된 380 nm 선폭의음각구조물의단면, 임프린트된 380 nm 선폭구조물. 그림 9. 임프린트된구조물들의 SEM 이미지.

EPS를사용한임프린트를위하여 EVGroup사의 EVG620-NIL 을사용했다. 이장치는기존의 EVG620 정렬장치 (aligner) 를임프린트용으로부분개조한장치로최대상대진공압은 930 mbar이다.

디스펜싱된 EPS를 180 o 돌려 EVG620-NI에장착하고평탄화층이코팅된웨이퍼를척위에올려놓은후 900 mbar 정도의저진공분위기가형성됨과동시에 EPS와웨이퍼가가압된다.

임프린트실험에사용된조건으로 UV 조사량 (exposure dose) 은 14.4 mw/cm 2, 조사시간 (exposure time) 은 60 s, 진공압은 800 mbar, 가압시간은 40 s이다.

앞서설명한그림 7에서스탬프에각인된 50 nm 구조물형상과비교할때, 상당히정확하게스탬프의 50 nm구조물이레지스트에전사되었음을확인할수있었다.

그림 10 에서나타난바와같이 380 nm 선폭구조물의경우에치트렌칭 (etch-trenching) 효과에의해구조물의양쪽측면에홈이존재하는것을볼수있다.

일반적으로 SEM이나 AFM으로측정한스탬프의음각구조물깊이값와임프린트된양각구조물높이값의단순비교만으로는스탬프의음각구조물에수지가완벽하게충전되고임프린트가되었는지확인하는것이용이하지않았다.

13 13 mm 2 단위요소의경우공기함입을방지하고잔여층의두께를감소시키기위하여 33개의액적을사용한것에반하여 10 10 mm 2 단위요소의경우는단지 5개의액적만을사용하였다.

6 그림 10. 스탬프단면과임프린트된고분자구조물의 SEM 이미지. 스탬프에각인된 380 nm 선폭의음각구조물의단면, 임프린트된 380 nm 선폭구조물. 그림 9. 임프린트된구조물들의 SEM 이미지. 70 nm 선폭의구조물, 50 nm 선폭과 100 nm 간격의구조물 (b,c), 70 nm 선폭구조물의단면. 33개위치에액적을디스펜싱했으며 mm 2 단위요소에는 5개의위치에디스펜싱했다. EPS를사용한임프린트를위하여 EVGroup사의 EVG620-NIL 을사용했다. 이장치는기존의 EVG620 정렬장치 (aligner) 를임프린트용으로부분개조한장치로최대상대진공압은 930 mbar이다. 기존의정렬장치에비하여 EVG620-NIL의특징은정렬작업시스탬프와웨이퍼의직접접촉을방지하기위한스패이서 (spacer) 가웨이퍼척에장착되어있다는점이다. 디스펜싱된 EPS를 180 o 돌려 EVG620-NI에장착하고평탄화층이코팅된웨이퍼를척위에올려놓은후 900 mbar 정도의저진공분위기가형성됨과동시에 EPS와웨이퍼가가압된다. 수지가충분히퍼지기위하여일정시간압력을유지한다음 UV를조사하여경화시키고 EPS를분리하게된다. 그림 9는임프린트된 50 nm선과 70 nm선을보여주고있다. 임프린트실험에사용된조건으로 UV 조사량 (exposure dose) 은 14.4 mw/cm 2, 조사시간 (exposure time) 은 60 s, 진공압은 800 mbar, 가압시간은 40 s이다. SEM으로측정한임프린트된나노구조물의높이는 76 nm, 평탄층의두께는 63 nm, 잔여층은 76 nm였다. 앞서설명한그림 7에서스탬프에각인된 50 nm 구조물형상과비교할때, 상당히정확하게스탬프의 50 nm구조물이레지스트에전사되었음을확인할수있었다. 그림 10 는 EPS상의패턴일부를이온빔 (Focused Ion Beam, FIB) 가공한단면을보여주고있다. 이온빔가공시가공부주위의구조물이손상되는것을방지하기위하여백금을먼저코팅한후이온빔가공을수행하였다. 그림 10 에서나타난바와같이 380 nm 선폭구조물의경우에치트렌칭 (etch-trenching) 효과에의해구조물의양쪽측면에홈이존재하는것을볼수있다. 그림 10 는임프린트된나노구 조물을보여주고있는데, 이는수지가스탬프의음각구조물에하단양쪽측면의 50 nm 크기의홈까지완전히충전했음을명확히증명하는결과라고할수있다. 일반적으로 SEM이나 AFM으로측정한스탬프의음각구조물깊이값와임프린트된양각구조물높이값의단순비교만으로는스탬프의음각구조물에수지가완벽하게충전되고임프린트가되었는지확인하는것이용이하지않았다. 그림 11는 mm 2 단위요소와 mm 2 단위요소를사용하여임프린트한후의잔여층 (residual layer) 두께분포를보여주고있다 mm 2 단위요소의경우공기함입을방지하고잔여층의두께를감소시키기위하여 33개의액적을사용한것에반하여 mm 2 단위요소의경우는단지 5개의액적만을사용하였다. 그림 11에나타난바와같이 mm 2 의경우는단위요소의외각을따라 50 nm 이하의과도하게얇은잔여층이존재한것과는달리, mm 2 의경우는외각부분에도 nm 정도의양호한잔여층두께분포를나타내었다. 이는단위요소의크기가작아질수록잔여층두께분포개선이보다용이함을보여주는결과이다. 대면적웨이퍼와스탬프의전면접촉을위해서는웨이퍼의미소변형이반드시요구된다하겠다. 그림 12는이러한미소 A : nm a : nm B : nm b : nm C : nm c : nm 그림 11. 단위요소크기에변화에따른잔여층두께분포의영향 mm 2 크기의단위요소, mm 2 크기의단위요소. 7

그림 12. 웨이퍼두께변화에따른잔여층두께분포의영향. 100 μm 두께웨이퍼, 300 μm 두께웨이퍼. 변형이임프린트에미치는영향을살펴보기위하여 10 10 mm 2 의단위요소와 3 mm의채널을갖는 EPS를사용하고웨이퍼두께의변화를주면서임프린트를수행한결과를보여주고있다.

100 µm와 300 µm 두께의웨이퍼에서는그림 12에서와같이압력이가해지는순간, 레지스트가단위요소전체적으로퍼지기전에웨이퍼의과도변형에의하여 EPS와웨이퍼사이간격이극도로작아져유동저항이크게증가했기때문으로판단된다. 그리고이러한경향은두께가작아질수록더심하게나타나는것을확인할수있었다.

7 그림 12. 웨이퍼두께변화에따른잔여층두께분포의영향. 100 μm 두께웨이퍼, 300 μm 두께웨이퍼. 변형이임프린트에미치는영향을살펴보기위하여 mm 2 의단위요소와 3 mm의채널을갖는 EPS를사용하고웨이퍼두께의변화를주면서임프린트를수행한결과를보여주고있다. 그림 11 과같은결과를보여주는 500 µm 두께웨이퍼상에서이루어진임프린트공정조건과동일한조건하에서, 100 µm와 300 µm 두께웨이퍼에대해임프린트를수행했다. 그러나, 500 µm의경우와는달리 100 µm와 300 µm 두께의웨이퍼에서는국부적변형에의한단위요소의불균일한충전이확연히보여지고있다. 100 µm와 300 µm 두께의웨이퍼에서는그림 12에서와같이압력이가해지는순간, 레지스트가단위요소전체적으로퍼지기전에웨이퍼의과도변형에의하여 EPS와웨이퍼사이간격이극도로작아져유동저항이크게증가했기때문으로판단된다. 그리고이러한경향은두께가작아질수록더심하게나타나는것을확인할수있었다. 이러한결과는광경화수지의점도및가압조건에따라최적의웨이퍼두께가존재할수있음을보여주는결과라고할수있다. 즉, 웨이퍼의두께가너무작으면국소변형에의하여잔여층두께분포에악영향을주며너무두꺼운경우는 EPS와웨이퍼의전면접촉을위하여큰가압력이필요하기때문이다. 맺음말 NIL기술이 2003년도 ITRS에차세대리소그래피기술중에 하나로추가된것은, NIL이 10 nm급선폭을용이하게구현할수있으면서도 EUV를포함한다른차세대리소그래피들에비하여공정및장비에소요되는비용을획기적으로줄일수있기때문이다. 현재국내외다수의대학과연구기관들이경쟁적으로 NIL 기술을연구하고있으며, 2년전부터몇몇회사들은독특한 NIL 공정및장비를개발하여판매하고있다. 지금까지개발된 UV-NIL 장비로는오스트리아 EVGroup 사의 EVG620-NIL, Chou 교수가관여하는 Nanonex사의 model 2000, 3000, 그리고스웨덴의 Suss Microtec 장비, Sreenivasan 교수가개발한 SFIL 공정을장비화한 MI사의 IMPRIO 50, 100 등이있다. 또한, 2003년에는국내에도 NIL 장비회사인 NND사가설립되어독자적으로장비를개발하여판매하고있다. UV-NIL 기술은초고속나노급 Metal-Semiconductor Field- Effect Transistors(MESFETs), 고밀도자기저장장치, 고밀도 Compact Disk (CD), 나노급 Metal-Semiconductor-Metal photodetectors (MSM PDs) 와 light emitter, 초고속 Single-electron transistor memory, RF 소자, 바이오센서등에적용될것으로기대되고있으며현재적용기술관련연구가활발히진행되고있다. 지금까지개발된 NIL 공정및장비들이양산에적용되기위해서는극복되어야할여러기술적한계가존재하나, 새롭고다양한시도가꾸준히이루어진다면근시일내에대표나노제조공정으로폭넓게활용될수있을것으로기대된다. 참고문헌 [1] S.Y. Chou, P.R. Krauss, and P.J. Renstrom, Appl. Phys. Lett. 67, 3114 (1995). [2] S.Y. Chou, P.R. Krauss, and P.J. Renstrom, J. Vac. Sci. Technol. B 14(6), 4129 (1996). [3] J. Haisma, M. Verheijen, and K. Heuvel, J. Vac. Sci. Technol. B 14(6), 4124 (1996). [4] M. Bender, M. Otto, B. Hadam, B. Spangenberg, and H. Kurz, Microelectron. Eng , 407 (2002). [5] M. Otto, M. Bender, F. Richter, B. Hadam, T. Kliem, R. Jede, B. Spangenberg, and H. Kurz, Microelectronics Eng., in press (2004). [6] M. D. Austin, H. Ge, W. Wu, M. Li, Z. Yu, D. Wasserman, S.A. Lyon, and S.Y. Chou, Appl. Phys. Lett. 84, 5299 (2004). [7] M. Colburn, S. Johnson, M. Stewart, S. Damle, T. Bailey, B. Choi, M. Wedlake, T. Michaelson, S.V. Sreenivasan, J. Ekerdt, and C.G. Wilson, in SPIE s 24th International Symposium on Microlithography: Emerging Lithographic Technologies III, Santa Clara, CA, 3676(I), 379 (1999). [8] S.V. Sreenivasan, in ASME International Conference on Integrated Nanosystems, Sept , Berkeley, USA, [9] J. H. Jeong, Y. S. Sim, H. K. Sohn, and E. S. Lee, Microelectron. Eng. 75(2), 165 (2004). [10] 심영석, 정준호, 손현기, 신영재, 이응숙, 최성국, 김재호, 한국진공학회 13(1), 39 (2004). 8

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