지르코늄 인산염이 함유된 무기물 레지스트를 이용한 원자힘 현미경 리소그라피 연구

Abstract

상용화된 유기물 레지스트의 한계를 극복하기 위한 취지에서 새로운 무기물 레지스트 재료를 개발하였고 원자힘 현미경 리소그라피를 통해 패터닝에 성공하였다. 전자빔이나 극자외선을 이용한 리소그라피에서는 기존의 폴리머 레지스트를 통한 패턴 형성 시에 감도 및 해상도, line edge roughness개선에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해서 지르코늄이라는 전이금속을 이용하여 극자외선에서 에너지 흡수율을 높여서 감도 개선을 시도하였고, 폴리머 보다 작은 분자단위의 구조체로 크기를 작게하여 해상도를 높이고 line edge roughness를 개선하기 위해 연구하였다. 또한 수용액 상에서 하이드록시기가 말단에 결합된 인산염을 전구체로 사용하여 비결정질의 박막으로 스핀코팅을 할 수 있는 재료로서 새로운 무기물 레지스트를 개발하였다. 박막으로 코팅된 무기물 레지스트는 지르코늄과 약하게 연결된 퍼옥사이드가 리간드로서 작용하고 노광 에너지에 의해 퍼옥사이드가 분해되어 주변 지르코늄과 서로 가교를 형성하는 반응 메커니즘을 가지고 있다. 따라서 현상공정 진행시 알카리 현상액에 녹지 않는 네거티브 타입의 패턴으로 형성된다. KrF 광원을 이용한 리소그라피에서 패턴이 형성되는 것을 확인하였고 알카리 현상액의 농도가 높을수록 패턴이 더욱 선명하게 형성되는 것을 확인하였다. 이는 무기물 레지스트가 기존의 폴리머 레지스트보다 용해도나 선택비가 좋지 않음을 설명해준다. 더 작고 선명한 패턴을 얻기 위해서 AFM을 이용한 리소그라피를 연구하였고 팁과 기판의 전압차를 이용해 전자가 방출되어 무기물 레지스트에 반응을 일으키는 원리로 패턴 평가를 하였다. 또한 패턴 사이즈에 영향을 주는 인자로 인가전압, 스캔속도를 조절하여 평가하였으며, 가장 작은 패턴 사이즈로 360 nm를 얻게 되었다. 부가적으로 스캔속도를 0.1 ~ 1.0 um/s로 변화하였을 때는 패턴 사이즈의 변화가 크게 없었다. 반면 인가전압을 -5 ~ -25 V로 변화하였을 때 패턴 사이즈와 높이가 증가함을 확인하였고 이는 절대적 전압차가 클수록 전자의 수뿐만 아니라 방출되면서 서로간의 반발력으로 반응범위가 넓어지는 효과 때문으로 판단된다. 본 연구는 새로운 무기물 레지스트 재료를 개발하고 리소그라피를 진행하여 패턴을 형성하고 AFM 장비를 통해 패턴의 사이즈를 작게 만드는 실험까지 진행하였다. 향후 무기물 레지스트에 대한 더 많은 연구와 전자빔이나 극자외선을 이용한 리소그라피 평가가 이루어진다면 더 작은 사이즈 및 더 우수한 성능의 패턴을 형성할 수 있을 것이며, 현재 폴리머 레지스트의 한계를 극복할 수 있을 거라고 판단한다.