KR100623027B1 - 그래이팅 패턴 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과다현상 및 과다식각을 방지할 수 있도록 가장자리에 마스크 테두리가 형성되어진 레이저 간섭 리쏘그라피를 이용한 그래이팅 패턴(grating pattern)의 제조방법에 관한 것으로, 웨이퍼 샘플의 에지를 가릴 수 있도록 형성된 마스크를 상기 웨이퍼 샘플에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래이팅 패턴의 제조방법이다.

마스크, 웨이퍼, 패턴, 리쏘그라피, 그래이팅 패턴

Description

그래이팅 패턴 및 그 제조 방법{Grating pattern manufacturing method}

도 1은 레이저 간섭 리소그라피 장비의 블록도

도 2는 포토공정의 순서도

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 웨이퍼 샘플과 마스크를 부착하는 모습의 사시도

도 4는 본 발명에 따라 제작된 그래이팅 패턴

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,2: 마스크 3,4: 샘플

5: 마스크 패턴 6: 그래이팅 패턴

101 : 레이저 광원 102 : 전기셔터

103 : 빔 확장기 104 : 미러

105 : 회전 스테이지 106 : 베이스부

107 : 반사부 108 : 회전부

본 발명은 레이저 간섭 리쏘그라피를 이용한 그래이팅 패턴의 제조 방법에 관한 것으로, 과다현상 및 과다식각을 방지할 수 있도록 가장자리에 마스크 테두리가 형성되어진 그래이팅 패턴(grating pattern)의 제조방법에 관한 것이다.

나노기술(NT : Nano Technology)은 정보기술 (IT : Information Technology) 및 생명 공학 기술 (BT : Bio Technology)과 더불어, 21세기 산업 발전을 주도할 새로운 패러다임의 기술로 주목받고 있다.

특히, 나노기술은 물리학, 화학, 생물학, 전자 공학 및 재료 공학 등 여러 과학/기술 분야가 융합되어, 기존 기술의 한계를 돌파하고, 다양한 산업 분야의 기술 혁신을 주도함으로써, 인류의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.

이러한 가능성에 주목하여 미국과 일본 등 기술 경제 선진국은 나노기술 연구 개발에의 막대한 투자를 통하여 기술적 우위를 확보하고, 이를 산업화하는 데 경쟁적으로 나서고 있다.

나노기술은 접근 방법에 따라, 크게 위로부터 아래로의 접근 (Top-down) 방식과 아래로부터 위로의 접근 (Bottom-up) 방식으로 나누어질 수 있다.

위로부터 아래로의 접근 방식은 지난 수 십여 년 동안 발전되어온 반도체 집적 소자의 역사에서 볼 수 있듯이, 기존의 미세 구조 제작 기술을 나노미터 스케일까지 더욱 발전시켜, 정보 저장 용량 및 정보 처리 속도의 증대를 지속하고자 하는 기술이다.

아래로부터 위로의 접근 방식은 물질을 원자 혹은 분자 단위 수준에서 제어하거나 자발적인 나노 구조 형성 현상을 이용하여, 기존의 기술로는 불가능한 새로운 물리적, 화학적 성질을 유도하고, 이를 이용하여 새로운 소재 및 소자를 제작하는 것으로 정의된다.

위로부터 아래로의 접근 방식의 대표적 예는, 기존의 반도체 소자 제조 공정에 사용되고 있는 광학 리쏘그라피(Optical Lithography) 기술이다. 정보 기술 혁명으로 일컬어지는 20세기의 기술 발전은, 반도체 소자의 소형화 및 집적화에 크게 의존해 왔으며, 이러한 반도체 소자 제조 공정의 핵심 기술이 광학 리쏘그라피 기술이다.

현재, 광학 리쏘그라피의 광원은 최소 선폭이 130nm 인 KrF 레이저로부터 고해상도의 ArF 레이저로의 이행이 이루어지고 있다. 그러나, ArF 레이저 리쏘그라피의 양산 단계에서의 최소 선폭은 100nm 인데 반해, 2003년에는 90nm, 2005년에는 65 nm, 2007년에는 45 nm 선폭 소자의 제조 요구가 대두될 것으로 예측된다.

이러한 상황에서 초미세 기술로 기대되고 있는 것은 F2 레이저 리쏘그라피, 극자외선 리쏘그라피, 전자빔 투영 리쏘그라피, X-선 리쏘그라피 등이다. 이들 리쏘그라피 기술은 40 nm에서 70 nm 까지의 패턴 제작을 가능케 하지만, 미세화가 진행됨에 따라, 노광 장비 자체의 초기 투자비용의 지수 함수적 증가와 더불어, 사용되는 빛의 파장과 같은 정도의 해상도를 갖는 마스크의 가격도 급등하는 문제를 갖고 있다.

즉, 기존 리쏘그라피 기술을 나노미터 영역까지 연장해 가는 기술 개발의 어려움과 더불어, 이러한 기술이 과연 경제적 효용성을 갖고 있느냐 하는 의문이 제기된다.

나노 임프린트 기술은 1990년대 중반 미국 Princeton 대학교의 Stephen Y. Chou 교수에 의해 도입된 나노 소자 제작 방법으로, 낮은 생산성을 갖는 전자빔 리쏘그라피나 고가의 광학 리쏘그라피를 대신할 기술로 주목받고 있다.

나노 임프린트 기술은 컴팩트 디스크(CD)와 같은 마이크로 스케일의 패턴을 갖는 고분자 소재 제품의 대량 생산에 사용되는 엠보싱(Embossing) 기술을 리쏘그라피에 적용한 것이다. 나노 임프린트의 핵심은 전자빔 리쏘그라피나 다른 방법을 이용하여, 나노스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제작하고, 스탬프를 고분자 박막에 각인하여, 나노스케일의 구조를 전사하고, 이를 반복 사용함으로써, 전자빔 리쏘그라피의 생산성 문제를 극복하자는 것이다.

이러한 스탬프를 제작하는데 여러 방법이 있겠지만, 그 중 레이저 간섭 리쏘그라피를 이용한 스탬프 제작공정에 관한 내용이다. 그래이팅 패턴은 편광자, 파장판, 광결정 등 다양한 광학소자에 사용되고, LIL은 이러한 패턴을 만들기 위한 가장 효율적인 방법이다.

기존 공정에서의 문제점은 아주 미세한 패턴이기 때문에 Photo공정 중 현상시 빠른 과다현상과 건식에칭(Dry Etching)공정시 에지(Edge)에서 부터 센터(Center)지역으로 에칭되는 현상 때문에 균일성(Uniformity)이 떨어지고 과다식각 현상이 자주 발생하여 스탬프 제작에 어려움이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 과다현상 및 과다식각을 방지할 수 있도록 가장자리에 마스크 테두리가 형성되어진 그래이팅 패턴(grating pattern)의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 그래이팅 패턴의 제조방법에 있어서, 웨이퍼 샘플의 에지를 가릴 수 있도록 형성된 마스크를 상기 웨이퍼 샘플에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래이팅 패턴의 제조방법이다.

상기 마스크는 상기 웨이퍼 샘플보다 얇은 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

나노선을 제작하기 위해서는 나노선 그래이팅 패턴의 형성이 가장 중요하다. 상기 나노선 그래이팅 패턴을 형성하는 방법에는 여러 가지가 가능하나 본 발명에서는 레이저 간섭 리소그라피와 나노임프린트 리소그라피 방법을 사용한다.

도 1은 레이저 간섭 리소그라피 장비의 블록도로써, 레이저의 회절에 의한 나노 그래이팅 패턴을 형성하는 장비는 레이저 광원(101), 전기셔터(102), 빔 확장기(103), 미러(104) 및 회전 스테이지(105)를 포함한다.

상기 레이저 광원(101)에서 나온 빛은 미로에 의해 방향이 바뀌고, 상기 방향이 바뀐 빛은 전기셔터(102)로 입사되어 출사되는 양이 조절된다.

상기 전기셔터(102)에 의해 조절된 빛은 미러를 거친 후 방향이 바뀌어 빔 확장기(103)로 입력되고, 상기 빔 확장기(103)로 입력된 빛은 시편에 나노 그래이팅 패턴의 생성을 위해서 넓게 확장되어 출사되고, 시편에 직접 조사된 빛과 거울에 반사된 빛의 간섭에 의해 시편에 그래이팅 패턴이 형성된다.

상기 출사된 빛은 회전 스테이지(105)로 입력되는데, 빛의 일부분은 회전 스테이지(105)의 베이스부(106)로 입력되고, 나머지 부분은 반사부(107)로 입력된다. 상기 반사부(107)로 입력된 빛은 상기 베이스부(106)로 다시 반사된다.

상기와 같은 장치를 구현하기 위해서 본 발명에서는 레이저 광원(101)으로 파장이 325nm인 He-Cd 레이저를 사용하였다. 상기 레이저 광원(101)의 종류는 상기의 것으로 한정된 것은 아니고 나노 그래이팅 패턴의 형태 및 크기에 따라 다양하게 구현될 수 있음은 당업자에게 있어 자명한 사실이다.

상기 미러(104)도 반드시 필요한 것은 아니다. 상기 시편이 고정되는 위치에 따라서 더 많은 미러가 구비될 수 있으며, 상기 미러가 필요하지 않을 수도 있다.

상기 레이저 간섭 리소그라피는 홀로그라픽 리소그라피라고도 불리는데, 홀로그래픽 리소그라피 기술은 포토 리소그라피 기술과 달리 포토 마스크를 사용하지 않고도 균일한 형상의 미세 구조물을 대면적에 제작할 수 있다는 장점 때문에 그 응용분야는 지속적으로 확대되고 있다. 홀로그래픽 리소그라피를 이용하여 감광막 위에 제작되는 나노 구조물의 형상은 감광막을 노광시키는 빛의 세기 또는 노광 에너지와 현상시간에 따라 영향을 받으며, 이에 대한 거시적인 모델링 기술은 1975년 F. H. Dill에 의해 연구된 바 있다.

홀로그래픽 리소그라피는 서로 다른 방향에서 감광막 위로 입사되는 두 빛의 간섭현상을 이용하여 감광막 위에 나노 구조물을 제작하는 기술이다. 이때 감광막 위의 임의의 점에서의 빛의 세기는 다음과 같다.

여기서 I₁, I₂ 는 각각의 방향에서 입사되는 빛의 세기, k ₀ 는 전파상수, θ는 입사각을 나타내고 있다. 위 식에서 알 수 있듯이 빛의 세기가 같을 경우(I₁ = I₂ = I₀) 면 위에서 간섭을 일으킨 빛의 세기는 이론적으로 코사인 항에 의해 최소 I_min=0 부터 최대 I_max = 4I₀ 의 값을 갖는다. 또한 두 빛의 간섭에 의한 빛의 세기의 주기 P는 다음과 같이 정리된다.

여기서 λ는 사용되는 빛의 파장을 나타낸다.

도 1처럼 구성된 레이저 간섭 리쏘그라피를 이용해서 포토공정을 통해 웨이 퍼(Wafer) 전면에 미세한 패턴으로 이루어진 그래이팅(Grating)을 형성시킬 수 있다.

포토 공정순서는 도 2에 도시된 바대로, 포토 레지스트를 열처리하고 샘플링하는 단계(S10), 포토레지스트를 코팅하는 단계(S20), 상기 포토 레지스트를 프리 베이킹(소프트 베이킹(soft baking))하는 단계(S30), 상기 프리 베이킹된 포토 레지스트를 마스크를 사용하여 노출시키는 단계(S40), 상기 노출된 포토 레지스트를 다시 베이킹하는 단계(S50), 상기 다시 베이킹된 포토레지스트를 현상하는 단계(S60)를 포함한다.

이 때의 문제점은 미세한 패턴이다 보니. 현상시 패턴이 제대로 형성 됐는지 확인하기 힘들고, 포토공정 이후 건식식각을 통해 스탬프가 완성되는데, 이 때도 전면적으로 패턴이 형성 되어 있다 보니, 에지(Edge)쪽에서 식각이 빨리 이루어져 불균일한 패턴을 가진 샘플을 만들게 된다.

이런 문제점을 방지 하고자, 아래와 같은 방법을 제시 한다.

먼저, 도 3a 또는 도 3b처럼 웨이퍼 모양이나 크기에 따라 에지(Edge) 쪽만 막을 수 있는 마스크(Mask)(1,2)를 만든다.

재질은 반사가 극히 적고 두께는 샘플(3,4)보다 얇아야 한다.

이는 마스크(1,2)의 두께가 얇아 질수록 난반사가 줄어 들어 더욱 더 선명한 패턴이 형성될 수 있기 때문이다. 본 발명의 실시예에서는 마스크를 무반사 재질을 사용하며 두께는 500㎛ 이하로 하였다.

만든 마스크(1,2)를 샘플(3,4)에 붙여 도 1처럼 구성된 레이저 간섭 리쏘그 라피를 이용하여 노광(Exposure) 후 현상액에 담궈 현상을 하게 되면 도 4처럼 가장자리에 마스크 패턴(5)이 형성되어진 그래이팅 패턴(Grating pattern)(6)을 만들게 된다.

노광(Exposure) 후 현상시 눈으로 마스크 패턴(6)을 확인 하고 에지쪽도 미세패턴이 아니고 굵은 마스크 패턴(5)이 형성되어 있어 과다현상을 방지 할 수 있고, 건식에칭(Dry Etching) 공정 시 에지쪽에 마스크 모양의 패턴이 형성되어 있어 과다 에칭을 방지 할 수 있다.

따라서, 기존 포토 레지스트 패턴 형성 후 에칭시 에지쪽에도 데미지를 받는 것을, 마스크(1,2)를 이용하여 불필요한 데미지를 막아 오버에칭을 방지할 수 있다.

이처럼 노광시 테두리 마스크(1,2)를 붙여 사용함으로써 현상시 과다현상을 방지 할 수 있고, 테두리 패턴이 형성되어 있어 식각 할 때 에지(Edge)쪽에서 식각되는 것을 방지 할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 레이저 간섭 리쏘그라피를 이용한 스탬프 제작시 마스크를 포토 공정에 사용함으로 인해 현상 공정시 과다현상을 방지하고 건식 에칭(Dry Etching)시 과다에칭을 방지함으로써 수율 및 스탬프의 균일성(Uniformity)를 향상 시킬 수 있다.

본 발명은 마스크를 사용함으로써 가장자리에 PR테두리를 만들어 테두리안의 패턴을 보호함으로써, 유효면적이 넓게 형성되어 균일성이 향상된 대면적 스탬프도 만들 수 있다.

Claims (2)

1. 그래이팅 패턴의 제조방법에 있어서,

   웨이퍼 샘플의 에지를 가릴 수 있도록 형성된 마스크를 상기 웨이퍼 샘플에 부착하는 단계와, 상기 마스크가 부착된 웨이퍼 샘플을 노광하고 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래이팅 패턴의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 웨이퍼 샘플보다 얇은 것을 특징으로 하는 그래이팅 패턴의 제조방법.

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