다층나노임프린트리소그래피시스템및 http://dx.doi.org/10.5757/vacmac.2.1.10 나노측정기술 이재종, 최기봉, 김기홍, 임형준 Technology for the Multi-layer Nanoimprint Lithography Equipments and Nanoscale Measurement JaeJong Lee, KeeBong Choi, GeeHong Kim and HyungJun Lim With the recognition of nanotechnology as one of the future strategic technologies, the R&D efforts have been performed under exclusive supports of governments and private sectors. At present, nanotechnology is at the focus of research and public attention in almost every advanced country including USA, Japan, and many others in EU. Keeping tracks of such technical trends, center for nanoscale mechatronics and manufacturing (CNMM) was established in 2002 as a part of national nanotechnology promotion policy led by ministry of science and technology (MOST) in Korea. It will hold widespread potential applications in electronics, optical electronics, biotechnology, micro systems, etc, with the promises of commercial visibility and competitiveness. In this paper, wafer scale multilayer nanoimprint lithography technology which is wellknown the next generation lithography, roll-typed nanoimprint lithography (R-NIL), roll-typed liquid transfer imprint lithography (R-LTIL), the key technology for nanomanufacturing and nanoscale measurement technology will be introduced. Additionally, its applications and some achievements such as solar cell, biosensor, hard disk drive, and MOSFET, etc by means of the developed multilayer nanoimprint lithography system are introduced. 1. 서론나노공정장비및측정기술은나노소재및나노소자의기본요소를합성, 증착공정기술과리소그래피기술을이용한나노패턴제작기술및제작된나노구조체의물성 ( 기계적물성, 전기적물성, 광물성등 ) 과소자특성측정기술, 전산모사기술을바탕으로하는기술영역이광범위하며, 나노광, 전자소자, 에너지, 바이오분야등에응용될수있는기능성나노소자를구현하는데있어필수적인기반기술이다. 본글에서는나노공정장비및측정기술분야중에서나노구조체를대면적및대량으로제작할수있는다층나노임프린트리소그래피시스템및나노측정기술을중심으로기술하고자한다. 나노임프린트리소그래피시스템은 Si웨이퍼, 글라스, 플라스틱및금속표면에 Sub-50 nm급의패턴및나노구조체를균일하게제작할수있다. 나노임프린트기술은 1995년에논문이발표되면서미국, 유럽, 일본을비롯하여우리나라에서많은연구가이루어지고있다. 반도체소자의국제기술로드맵 (International Technical Roadmap for Semiconductor, ITRS2005) 에서차세대 < 저자약력 > 이재종박사는 1998 년 KAIST 기계공학부에서박사학위를받았으며, 현재한국기계연구원나노융합기계연구본부본부장및과학기술연합대학원대학교 (UST) 나노메카트로닉스과전공책임교수로재직하고있다. (jjlee@kimm.re.kr) 최기봉박사는 1996 년 KAIST 기계공학부에서박사학위를받았으며, 현재한국기계연구원나노융합기계연구본부책임연구원으로재직하고있다. (kbchoi@kimm.re.kr) 김기홍박사는 2000 년 KAIST 기계공학부에서박사학위를받았으며, 나노시스템즈 선임연구원으로재직했고, 현재한국기계연구원나노융합기계연구본부책임연구원으로재직하고있다. (geehong@kimm.re.kr) 임형준박사는 2003 년 KAIST 기계공학부에서박사학위를받았으며, LG 전자 ( 주 ) 책임연구원으로재직했고, 현재한국기계연구원나노융합기계연구본부책임연구원으로재직하고있다. (hjlim@kimm.re.kr) 10
다층나노임프린트리소그래피시스템및나노측정기술 리소그래피기술중의하나로포함되면서더더욱각광을받고있는기술이다. 본기술과관련하여현재 MII( 미국 ), NanoNex( 미국 ), EVG( 오스트리아 ), Suss MicroTec( 독일 ), Obducat ( 스웨덴 ), Hitachi( 일본 ), Toshiba( 일본 ) 등의기업에서상용화에성공했으며, 국내에서는나노메카트로닉스기술개발사업단 ( 과학기술부 21세기프론티어사업 ) 의지원으로 Sub-50 nm급나노임프린트장비가개발되어상용화되었다. 나노임프린트기술은양산성및생산성을높일수있는나노제조공정기술의하나로인식되고있으며, 초기 Si 웨이퍼기반으로기술개발이이루어졌으나최근에는롤형상의스탬프를이용한롤나노임프린트기술및유연필름에나노패터닝이가능한기술등이개발되고있다. 나노임프린트기술의응용분야로는 MOSFET, ReRAM 등과같은 16 nm hp 메모리, 1Terabit/in2 하드디스크드라이브 (hard disc drive), 나노바이오센서, 기능성나노소자및기능성디스플레이에적용이가능하다. 이외에차세대소형 LCD, FPD, DVD, 마이크로렌즈, 광통신부품및에너지소자등에적용이가능하며, 이를위해서생산성이높은시스템및공정기술개발이요구되고있다. 2. 나노임프린트장비기술개발동향나노임프린트리소그래피 (NIL, Nano-Imprint Lithography) 장비는초기에미국, 유럽을중심으로평판형마스터스탬프를이용하여 Si 웨이퍼표면에최소선폭 100 nm이하의나노패턴을구현하는데적용되었으며, 점차나노임프린트기술의고생산성이요구됨에따라 8인치이상의 Si 웨이퍼에나노패턴을구현할수있는리소그래피시스템과평판이아닌원통형상의롤스탬프를이용 [Fig. 2] Micro channel and micro insulin-pump (EVG). 한나노임프린트기술이개발되고있다. 나노임프린트기술은나노패턴을구현하는데사용하는재료의경화방식에따라두가지형태로구분할수있다. 자외선에경화가되는광경화재료 (photoresist) 를사용하는 UV방식나노임프린트리소그래피장비 (UV-NIL) 와, 일정한천이온도 (glass temperature) 이상에서상변화가생긴후냉각하면원래의형상으로변화하면서경화되는열가소성레진 (thermoplastic resin) 과일정온도이상에서상변화후또다시가열을하더라도변화가거의없는열경화성레진 (thermoset resin) 을사용한열경화방식나노임프린트 (TH-NIL) 장비로구분할수있다. 최근에는광경화방식과열경화방식을동시에사용할수있는나노임프린트장비도개발되어나노소자를제작하는데사용되고있다. 전세계적으로나노임프린트리소그래피장비를개발하여상용화를하고있는기업은 EVG( 오스트리아 ), Suss Microtec( 독일 ), MII( 미국 ), Nanonex( 미국 ) 및 Obducat( 스웨덴 ), Hitachi, Toshiba ( 일본 ) 등이있다. 국내에서는한국기계연구원에서기술이전을받아상용화에성공한 새한나노텍과 NND등이나노임프린트장비를상용화했다. 상용화된장비의특징을보면 EVG 와 Suss Microtec은그림 1과같이초기에는반도체정렬장비와플립칩본더 (Flip Chip Bonder) 의구조를수정하 [Fig. 1] Nanoimprint Tools (EVG 620, EVG7200). [Fig. 3] Nanoimprint tools and SFIL imprint mechanism (Imprio 100, MII). 진공기술과첨단과학 _ 11
(a)30nm Line (b)10nm dia/40nm period [Fig. 4] Nanoimprinting results (MII). 여나노임프린트공정을할수있는장비를개발했으나최근에는임프린트공정의생산성을 40 wph 까지높일수있는대면적고속생산방식의시스템을개발하고있다. MII, Nanonex, Obducat은공정기술을바탕으로나노임프린트장비를개발하여상품화를시도하고있고, 스웨덴의 Obducat은알루미늄포일을이용한진공방식을채용한단층나노임프린트장비를상용화하고있다 [2,3,4]. EVG는그림 1과같이마스크정렬장치를기반으로 6인치웨이퍼, XY-θ 스테이지, DC-motorized 이송계를이용하여위치정렬오차 (Align accuracy) 가 240 nm ~ 450 nm 분해능 100 nm이하인 UV방식의나노임프린트장비와, 온도와압력을이용한고온나노임프린트장비를개발하여상용화하고있다. 그림 2는개발장비를사용한 DNA chip, Micro-fluidics, Insulin pump 등에적용된결과이다. MII는그림 3과같이수동컴플라이언스기구를사용하여 1인치크기의작은스탬프 (stamp) 를이용, 순차적인방법으로 6인치웨이퍼표면에나노패턴을제작할수있는 SFIL(step & flash imprint lithography) 방법을통하여대면적패터닝을하는장비를개발했으며, 다층나노패턴을위한정렬정밀도 20 nm 급의오버레이 (overlay) 시스템을개발하여장비의분해능 20 nm 이하, CD(critical dimension) 제어값 ±2 nm(3σ), 패턴막두께 60 nm(3σ) 를구현할수있는 UV방식의나노임프린트장비를개발하여상용화했다 [2,4]. MII장비는 1인치크기의스탬프를사용함으로써스탬프제작비용을줄일수있으나패턴에지를포함한스탬프의형상한계로인한문제가있어최근 Quartz재질의스탬프의안쪽에포켓을만들어서접촉면의균일성을높이는방법으로기존의문제를해결하고있다. 그림 4는개발된장비를이용하여얻어진실험결과이다. Suss MicroTec은 EVG와유사하게종래의플립칩본더를기반으로선폭 100 nm이하, 오버레이 500 nm(3σ), 최대압력 2 kpsi, 웨이퍼크기 2 in ~ 8 in, 필드크기 40 40 mm와가열온도 450 까지올릴수있는방법으로 UV방식과고온엠보싱방식의장비를개발하여상용화했다. 임프린트방법은 MII와유사하게연속적으로필드크기의스탬프또는마스터를이동시키면서임프린트공정을수행한다. 그림 5는개발된장비를이용하여제작된바이오센서이다. 최근 Suss MicroTec은그림 6과같이소프트한유리재질의기판과소프트한 X-PDMS스탬프를실리콘웨이퍼에정렬시킨후, 순차적으로공기압을가하여균일한접촉을한후 UV경화를시키고다시역순으로공기압을빼는방식으로나노패터닝이가능한 SCIL (Substrate Conformal Imprint Lithography) 방식의나노임프린트시스템을개발했다. NanoNex는선폭 100 nm를구현하기위해서 UV방식과고온엠보싱방식의장비를개발하고있으며, MII, [Fig. 5] Nanoimprinting results (Suss MicroTec). [Fig. 6] SCIL Systems (Suss MicroTec). 12
다층나노임프린트리소그래피시스템및나노측정 [Fig. 7] Triboelectric series and working mechanism. EVG, Suss MicroTec과는다르게한번의작업으로전체웨이퍼에패턴을전사하는 One-shot 방식의패터닝방식을적용하고있다. NanoNex 장비는오버레이 500 nm(3 σ), 필드크기 4 in ~ 6 in, 압력 300 psi/600 psi를구현하고있으며, CMOS, 메모리, 센서등에적용할수있는다양한공정을개발하고있다. 그림 7은제작된 MOSFET 형상이다. Obducat은온도와압력을이용한고온엠보싱방식의임프린트장비를개발하여상용화하고있으며, 최근에는 UV방식의나노임프린트장비를개발하여상용화하고있고, Si, GaAs, InP, 폴리머, 세라믹, 금속을이용하여프린팅균일도 ±10 nm, 최대온도 250 C, 최대압력 50 bar, 스탬프크기 φ65 mm로작업을하도록되어있고, 임프린트공정중에발생할수있는하중영향을줄이기위해서소프트프레싱기능을이용하고있다. 국내에서는한국기계연구원이나노메카트로닉스사업의지원으로 6인치에서 Sub-30 nm를구현할수있는다층나노임프린트공정및장비개발에성공했다. 개발된기술은 6인치실리콘웨이퍼및 PET, PC, PDMS 등과같 [Fig. 8] Hybrid nanoimprint tools and 30nm nanoimprinting results (ANT- 6Ho, KIMM). [Fig. 9] Roll-to-Plate UV/Thermal nanoimprint tools and its experimental results on PET and microlens substrate (R2P- NIL, KIMM). 은유연한기판에 Sub-30 nm 패턴을패턴균일도 95% 이상, 최소가능선폭 15 nm으로패터닝이가능하며, 분해능 1 nm 이하의나노스테이지를기반으로하는 5 nm 정렬정밀도를지닌오버레이 / 정렬시스템을탑재함으로써다층나노구조체를구현할수있다. 또한, 소프트스탬프를사용할수있는멀티헤드유니트를사용한 UV나노임프린트및열 /UV복합방식나노임프린트장비를개발하였고, 개발된기술은 새한나노텍에이전, 상용화하여국내및국외연구기관에서성공적으로사용되고있다. 그림 8은개발된 6인치급하이브리드방식나노임프린트장비와 30 nm의나노임프린트실험결과이다 [1,6]. 최근한국기계연구원에서는기존의평판스탬프방식의나노임프린트장비기술을기반으로나노임프린트공정의생산성을높일수있는롤형상스탬프를이용, Roll-to- Plate 방식의롤나노임프린트장비를개발하여폭 200 진공기술과첨단과학 _ 13
3.1 나노스테이지 (a)characteristics of the Circular control 나노임프린트공정에서나노스탬프가패턴을전사할기판 (substrate) 과경사진상태에서임프린트를할경우웨지 (wedge) 현상이발생하기때문에구조적으로스탬프와웨이퍼면을서로평행하게유지해주는것이매우중요하다. 하지만기구의가공및조립오차로인하여완벽하게평행을유지하는것이매우어렵기때문에미소한비평형면을기구적운동에의해평형면을이루도록보상해주어야한다. 보상방법으로는능동구동방식과수동적컴플 (b) Characteristics of the 1nm stepwise in X and Y axes (c) Set-up the nanostage for the overlay/ alignment unit on the nanoimprint tools (a) Comparison of captured and processed image for the global overlay/alignment [Fig. 10] Characteristics of the developed nanostage. mm로연속공정을구현했다. 그림 9는개발된롤나노임프린트장비와 300 nm 패터닝실험결과이다. 3. 다층나노임프린트장비핵심요소기술 나노임프린트기술을이용하여 MOSFET 및기능성광전소자와같은다층의나노구조의패턴, 3D 나노-마이크로하이브리드구조체를구현하는데있어핵심적인기술이다층나노임프린트기술이다. 여기에서는다층나노임프린트기술과관련된핵심요소기술에대해서간략히기술하고자한다. (b) Measured overlay/alignment accuracy [Fig.11] Characteristics of the overlay/alignment system for the multi-layer nanoimprint tools. 14
다층나노임프린트리소그래피시스템및나노측정기술 라이언스메커니즘을이용하는방법이있다. 능동구동방식은기본적으로센서를이용하여임프린트공정시스탬프와기판사이의간극을측정하여스탬프의자세를조정하여임프린트를하기때문에시스템의셋업및형상변형으로인하여간극을츨정하여조정하는것이어렵지만비교적양호한임프린트결과를얻을수있다. 수동적컴플라이언스메커니즘을이용한방법은작용하는임프린트하중을이용하여스탬프와웨이퍼기판을서로평행화를시킨후임프린트를수행하기때문에공정조건에영향을받지만스탬프와기판사이의간극이작용하는하중에따라맞춰짐으로써대면적기판에서도균일한접촉을구현할수있다. 다음그림 10은개발된 1 nm 분해능의나노스테이지의구동특성을나타낸것으로, (a) 분해능 1 nm로원운동제어를했을때의얻어진특성, (b) X축과 Y축방향으로 1 nm 분해능으로스텝구동했을때얻어진특성과 (c) 제작된 1 nm 분해능나노스테이지이다. 나노스테이지의이러한특성곡선을기반으로 5 nm 정밀도의오버레이 / 정렬시스템구현이가능하다. 3.2 오버레이 / 정렬시스템오버레이 / 정렬시스템은다층나노임프린트공정을구현하기위한핵심기술로서, 층간 (inter-layer) 패턴의위치를제어하는총체적인공정기술을의미한다. 오버레이를구현하기위한가장핵심기술은정렬기술 (alignment) 이다. 나노미터오더의정렬기술을개발한기관은전세계적으로한국기계연구원과 MIT의정렬기술을도입하여정렬시스템기술을개발한 MI사, 독일의 Suss Microtec 등이다. 대부분의기술들은일반적인비전광학계를이용한패턴매칭기술, 모아레를이용한정렬기술, 이중격자를이용한회절광정렬기술에기반을두고있으며, 구현된기술에따라수 nm에서수십 um까지의분해능을보이고있다. 한국기계연구원에서개발된오버레이 / 정렬시스템은넓은영역에서정렬이가능하도록구현한모아레를이용한광범위정렬방식과 2중격자구조와레이저를이용한 ISPI(interferometric Spatial Phase Imaging) 방식으로시스템을구현했으며, 그림 11과같이 5 nm이하의정렬정도를확보했다. 그림 12는 ISPI방식의오버레이 / 정렬시 [Fig.12] Evaluations of nanostage in X and Y axes using the ISPI overlay/alignment unit. 스템을이용하여개발된나노스테이지의구동특성을평가한실험결과이다. X축방향으로구동함에따라 Y축방향으로는영향이전혀없음을알수있다. 이러한오버레이기술은다층 (multiple layer) 을필요로하는대부분의소자기술에직접적으로활용될수있는핵심기술이다. 최근도시바 (Toshiba) 에서는 MII의정렬기술을활용하여수 nm의 overlay 정확도를메모리공정에서구현할수있는가능성을보이기도하였으나재료에따른정렬신호의감소, 열적변형, 정렬속도, 최적을패턴형태, 위치등해결해야할문제점이많이있다. 향후, 오버레이를위한정렬기술은 22 nm 노드의메모리기술에서핵심기술로부각될것으로예상된다. 4. 나노구조체측정기술나노구조체측정기술은나노미터수준의특성길이를가지는구조물의형상, 치수와물성, 미세구조및성분을아주높은분해능과정확도로계측하고분석하는기술로정의할수있고, 크게형상을측정하는기술과기계적 / 전자기적 / 광학적특성을측정하는 2가지로구분할수있습니다. 이런측정기술은미국의 NNI에서 10가지영향력이큰응용사례중하나이다. 측정기술은나노기술연구의토대가되는기반의성격의가지고있으며, 장비시장의급격한성장이예상되므로나노공정을통해서만들어진소자나신뢰성향상에중요한기술이라고할수있다. 물체의크기가나노미터 (nm, 10억분의 1 m) 수준으로작아지면인장강도 (tensile strengthㆍ당기는힘 ) 에의해시료편이끊어질때까지의 진공기술과첨단과학 _ 15
(a) Hoe shape probe (b) SMA probe 특히직접측정하기어려운나노박막의강도, 탄성등기계적물성을직접측정해정확한결과값을얻을수있다. 또방법이간단해나노박막기계적물성평가의새로운패러다임을제시한것으로학계와산업계는평가하고있다. 이러한측정기술은나노소재의물성을정확하게측정해파손원인을규명하고공정을개선하는데활용되며, 다양한나노소재의물성측정결과를데이터베이스 (DB) 화하여나노소자를개발하고설계하는데활용될것으로예상된다. 5. 결론 (c) Residual strain probe (d) Electrolyte probe [Fig. 13] Several typed nanoprobe shapes. 최대응력등여러가지특성이변한다. 특히반도체소자등마이크로-나노구조물이광범위하게사용되는최근들어물성측정법의중요성은더욱커지고있다. 한국기계연구원나노역학연구실은 10 나노미터급나노측정원천기술을개발해 4건을국제표준으로만들었으며이로인해나노측정분야에서우리나라가국제표준을주도할수있는계기가마련됐고관련분야의상용화를촉진하기위한기반도구축했다. 또한, 물에떠다니는소금쟁이의원리를착안해나노박막의물성을정확히측정할수있는방법이제시됐다. 다음그림 13은나노구조체를측정할수있는다양한종류의나노프로브의형상이다. 나노박막의기계적물성평가는반도체, 디스플레이등의신뢰성을예측하는데중요히며, 나노세계의새로운현상을발견하는데도필요하다. 그러나, 기계적강도는구조물이바닥으로부터떨어져측정을하는데, 나노박막의경우쉽게부서지는문제점이있어시험이어려웠으나소금쟁이와같은곤충이물의표면위를자유로이떠다니는원리를주목하고이에착안, 정확한물성측정방법을고안해냈다. 즉, 표면장력이크고낮은점성을갖는물의특성을이용해물표면에약 55 nm( 나노미터 ) 금 (Au) 나노박막을띄워놓고손상없이기계적물성을정확하게측정하는데성공했다. 이기술을이용하면다양한종류의나노박막뿐만아니라두께가수나노미터에이르는박막의기계적물성까지도측정할수있을것으로기대된다. 차세대리소그래피장비로인식되고있는나노임프린트리소그래피장비는현재미국, 독일, 한국에서개발되어상품화되고있으며, 유럽과미국을중심으로향후급속히팽창할나노제품시장을점유하기위해서최근 3~5년동안집중적인연구개발을수행하고있다. 최근 30 nm급의메모리소자및나노기능성소자의필요성이대두되면서다층나노임프린트리소그래피장비의필요성이증가할것으로판단된다. 현재다층나노임프린트장비기술은 16 nm 노드를가지는 MOSFET 소자및나노광전소자등을구현하기위해서 10 nm 수준의오버레이정밀도와 5 nm 정렬정밀도가가능한다층나노임프린트장비개개발되었으며, 8인치이상의웨이퍼에균일도가높은대면적나노임프린트공정을구현할수있는시스템과롤기반나노임프린트장비가개발되고있다 References [1] Jung-Sub Wi, Hyo-Sung Lee, Kipil Lim, Sung-Wook Nam, Hyun-Mi Kim, Soo-Yeon Park, Jae Jong Lee, Chris Daehoon Hong, Sungho Jin, and Ki- Bum Kim, Small, 4, 2118-2122 (2008). [2] Sreenivasan, S. V., Willson, C. G., Schumaker, N. E. and Resnick, D. J., NIST-SPIE Conference on Nanotechnology, 4608, 187-194 (2001). [3] Resnick, D. J., Dauksher, W. J., Mancini, D., Nordquist, K. J., Ainley, E., Gehoski, K., Baker, J. H., Bailey, T. C., Choi, B. J., Johnson, S., Sreenivasan, S. V., Ekerdt, J. G. and Willson, C. G., Proc. SPIE, 4688, 205-213 (2002). [4] Choi, B. J., Johnson, S., Colburn, M., Sreenivasan, S. V. and Willson, C. G., Precision Engineering, 25, 192-204 (2001). [5] Chou, S. Y. and Krauss, P. R., Microelectronics Engineering, 35, 237-240 (1997). [6] JaeJong Lee, Hyun-Ha Park, Kee-Bong Choi, GeeHong Kim and HyngJun Lim, Microelectronic Eng., 127, 72-76 (2014). 16