대면적 패턴 형성을 위한 광 리소그라피

Abstract

반도체의 제작을 위하여 개발된 리소그라피는 미세 패턴이 요구되는 다양한 기술 분야로 그 적용 범위를 확대하고 있다. 특히 디스플레이기기, 플렉서플 전자회로, 웨이퍼 규모 패키징과 같은 분야에서는 대면적의 노광에 용이한 리소그라피 기술이 요구되고 있으며, 나노 구조의 제작을 위한 리소그라피 기술에서도 패턴을 직접 묘화로 형성하는 대신, 보다 넓은 면적을 동시 노광을 통하여 조작하기 위한 방안이 요구되고 있다. 다양한 형태의 광학 소자들이 디스플레이 기기나 이미지 센서와 같은 다른 소자와 결합되어 사용되는데, 이는 광학 소자 역시 넓은 면적에 구현되어야 함을 의미한다. 본 논문은 리소그라피 기술을 이용하여 광학 효과를 유발하는 미세 패턴을 넓은 면적에 구현하는 연구에 관한 것이다. 본 논문은 대면적 노광에 적합한 리소그라피 기술인 홀로그래픽 리소그라피와 가변 속도 이동식 마스크에 의한 리소그라피, 그리고 표면 플라즈몬 마스크를 이용한 리소그라피에 관한 것이다. 그리고 넓은 면적에 광학 소자들이 분포되는 평판 광학계의 설계에 관하여 다룬다. 내부 전반사 홀로그래픽 리소그라피를 대면적 노광에 적용하기 위해서 영상 연결에 의한 방법이 시도 되었는데, 영상의 연결 부분에서 노이즈로 작용하는 간섭무늬가 발생되었다. 본 논문에서는 이의 해결을 위하여 다중 노광에 의한 방법과 비가간섭광에 의한 홀로그램의 재생 및 노광을 제안하였다. 각도 다중화를 응용한 다중 노광 방법을 적용하면 연결된 영상들을 선택적으로 재생할 수 있으므로 간섭 무늬에 의한 노광 효과를 제거할 수 있다. 본문에서는 재생 영상의 비교를 통하여 다중 노광 방식을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 노이즈 차이를 분석하였으며, 실험을 통하여 간섭 무늬가 제거된 리소그라피의 결과물을 얻었다. 간섭 무늬의 제거를 위하여 제안된 다른 방법인 비가간섭광에 의한 홀로그램의 재생 및 노광에 관한 연구에서는 빛의 가간섭성이 재생 영상의 번짐에 미치는 영향에 대하여 계산하고, CCD를 통하여 수집된 재생 영상을 분석하여 영상의 번짐 정도가 계산 결과와 유사함을 확인하였고, 리소그라피도 수행하였다. 가변 속도 이동식 마스크를 리소그라피에 적용하여 어레이를 구성하는 개별적인 소형 렌즈들이 동시 노광에 의하여 넓은 면적에 제작되도록 하였다. 가변 속도 이동식 마스크에 의한 리소그라피는 슬릿 형태의 패턴을 갖는 마스크를 노광이 이루어지는 동안 속도를 바꾸며 감광제의 윗면을 이동하도록 하여, 감광제면에 노광량 분포를 형성하고, 이를 이용하여 동일한 마스크로 다양한 3차원 구조를 형성하는 것이다. 소형 렌즈 어레이는 가변 속도 이동식 마스크에 의한 노광과, Deep-RIE공정, 복제 공정을 통하여 제작하였다. 제작된 렌즈는 2㎜×2㎜의 규격을 갖도록 하였고, 3×3의 어레이로 제작하였다. 제작된 렌즈는 5.13㎜의 초점 거리와 174.53㎛의 초점 크기를 갖는 것을 확인하였다. 표면의 전반적인 형상은 전산 모사의 결과와 유사하였다. 그러나 표면이 거친 것으로 판단되어 표면 거칠기를 감소시키기 위한 방안이 요구된다. 본 연구에서는 Deep-RIE 공정을 제외하여도, 후막감광제를 이용하면 두께의 단차가 100㎛가량이 되는 렌즈 면의 형성이 가능함을 확인하였고, 슬릿의 배치와 폭 조절, 이동 경로의 조절에 의하여 다양한 미세 광학 구조의 제작이 가능함을 확인하였다. 평판 광학계는 개별 광학 소자에 비하여 상대적으로 넓은 면적에 평판형 광학 소자들이 배치되어 구성되고, 리소그라피의 한 가지 방법인 레이저 직접 묘화를 이용하여 용이하게 제작된다. 평판 광학계는 제작에 사용되는 레이저 직접 묘화 장치의 제작 한계와, 광학계를 구성하는 기판의 특성, 사용될 광원의 특성에 의하여 설계의 제약 조건이 정해진다. 본 연구에서는 광학 설계 프로그램인 code V를 이용하여 평판 광학 파형 변조계의 회절 소자와 이를 구성하는 광학 소자의 위치를 설계하고, 설계된 파형 변조계의 변조를 위하여 5 채널을 이용할 수 있음을 확인하였다. 이와 함께 본 연구에서는 표면 플라즈몬 현상을 이용하는 마스크를 제작하고 이를 이용하여 리소그라피를 수행하였다. 노광에 사용되는 빛의 단면적과 감광제면의 노광 면적이 동일하므로 대면적의 노광에 유리하고, 표면 플라즈몬 현상에 의하여 좁은 선폭의 노광이 가능하도록 하는 표면 플라즈몬 마스크를 실리콘의 비등방성 식각을 통하여 얻었고, 이를 이용하여 0.8㎛~1.5㎛ 선폭의 리소그라피 결과물을 얻었다.