KR101020441B1 - 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법 - Google Patents

회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법에 관한 것으로서, (a) 미세 반복 패턴을 형성할 워크 기판 상에 감광재층을 형성하는 단계; (b) 상기 감광재층 상에 회절 격자를 형성하는 단계; 및 (c) 좌 우측에서 경사 레이저 빔을 회절 격자에 조사하여 양의 고차 회절광에 의해 간섭 노광을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레이저 광원의 +1차 회절광의 회절 효율을 높일 수 있는 회절 격자를 설계하여 레이저 간섭 리소그래피에 사용함으로써, 종래보다 고해상도의 간섭 패턴을 구현할 수 있다.
회절 격자, 레이저 간섭 리소그래피, 감광재층, 굴절률, 고해상도

Description

회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법{Method for laser interference lithography using a diffraction grating}
본 발명은 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회절 격자를 이용하여 경사지게 입사되는 두개의 광원의 +1차 회절광을 이용하여 기존의 레이저 간섭 리소그래피 방법보다 해상도가 향상된 미세 패턴을 형성할 수 있는 회절 격자를 이용한 레이저 리소그래피 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 간섭 리소그래피는 여러 개의 진행파 벡터를 갖는 가간섭성(Coherence)이 높은 빛의 중첩영역에서 발생하는 간섭 패턴을 이용하여 노광을 수행하는 기술이다. 즉, 빛의 중첩된 영역에서 형성되는 간섭 패턴을 감광재층에 노광시키고 이를 현상하는 기술이다. 레이저 간섭 리소그래피는 대면적의 고해상도(Sub-Micrometer) 패턴을 쉽고 값싸게 구현할 수 있는 장점이 있어 최근 들어 주목을 받고 있다. 비록 규칙적인 패턴 형성만이 가능한 단점이 있지만, 나노 기술에서 요구되는 패턴의 대부분이 정형화된 규칙적 패턴이기 때문에 위 단점은 크게 문제시되지 않는다.
레이저 간섭 리소그래피는 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 다른 진행 방향을 가지는 두 평행광 E1과 E2의 중첩된 영역에서 이루어지는 전자기파의 간섭을 통해 그 기본 원리를 이해할 수 있다. 상기 평행광 E1과 E2는 진행방향의 직교한 방향의 위상차가 없는 빛을 가정하여 표현하였다. E1과 E2의 평행한 선들은 빛의 위상이 같은 부분을 나타낸다.
잘 알려진 바와 같이, 파동은 위상이 동일한 위치에서 보강 간섭을, 위상이 다른 부분에서 상쇄간섭을 일으킨다. 빛도 파동의 일종이기 때문에 이 같은 원리가 동일하게 적용된다. E1과 E2는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007074324449-pat00001
(수학식 중, A와 a는 전자파의 세기, Kr과 Ks는 E1과 E2의 파 벡터이다.)
한편, 빛의 세기는 전자파 크기의 제곱에 비례하므로 중첩된 영역에서의 빛의 세기 프로파일은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007074324449-pat00002
상기 수학식 2를 참조하면, 상기 E1과 E2가 중첩된 영역에서의 빛의 세기 프 로파일은 삼각함수와 같이 주기적인 함수로 표현되는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 주기는 상기 수학식 2로부터 하기 수학식 3과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112007074324449-pat00003
상기 수학식 3을 참조하면, 중첩된 영역의 주기는 간섭각 및 파장과 깊은 관계가 있음을 확인할 수 있다.
레이저 간섭 리소그래피는 2개의 레이저 광이 보강 간섭을 일으키는 영역에서의 빛의 세기 프로파일이 국소적으로 변화되는 현상을 이용하는 것으로서, 감광재층을 중첩된 간섭 패턴 영역에 노광시킨 후 감광재층을 현상하면 반복적인 미세 패턴을 얻을 수 있다. 상기 수학식 3에 의하면, 레이저 간섭 패턴에 의해 형성할 수 있는 미세 패턴의 피치는 레이저 파장의 1/2임을 알 수 있다.
도 2는 레이저 간섭 리소그래피에 사용되는 레이저 광원이 266nm인 경우 레이저의 간섭각에 따른 미세 패턴의 해상도(피치)를 도시한 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 레이저의 간섭각이 증가할수록 미세 패턴의 피치가 감소하는 것을 알 수 있다. 미세 패턴의 피치는 133㎚로 수렴하는 것을 알 수 있다. 이 수치는 레이저의 간섭 각도가 90도일 때 얻을 수 있는 미세 선폭의 피치로서 레이저 파장의 1/2에 해당한다. 하지만, 간섭각이 90도인 경우는 레이저가 감광재층의 상부 표면과 평행하게 도파하는 경우이므로, 공정상의 실제 구현은 불가능하다고 볼 수 있다.
한편, 최근에는 레이저 간섭 리소그래피를 이용한 미세 패턴의 형성시 피치를 더욱 감소시키기 위해 감광재층 상에 회절 마스크를 형성한 후 레이저 간섭 리소그래피를 적용하는 방법이 제안되었다. 일반적으로는, 0차 및 -1차 회절광을 서로 간섭시키는 방법과 ±1차 회절광을 서로 간섭시키는 방법으로 크게 나뉜다. 그런데, 0차, -1차 회절광을 이용하는 방법은 회절 격자의 주기와 동일한 피치를 갖는 미세 패턴의 형성이 가능하고, ±1차 회절광을 이용하는 방법은 회절 격자 주기의 1/2의 피치를 갖는 간섭 패턴의 형성이 가능하다.
따라서, 회절 격자의 주기를 작게 하면 할수록 보다 미세한 패턴의 형성이 가능하게 된다. 그런데, 문제는 물리적 한계로 인하여 레이저 광원의 1/2 이하인 격자 주기를 갖는 회절 마스크의 제작 자체가 현실적으로 어렵다는데 있다.
최근에는 레이저 간섭 리소그래피의 해상도를 높이기 위하여 액침 리소그래피(Immersion Lithography) 방법이 많은 관심을 받고 있다. 액침 리소그래피는 굴절률이 높은 물질에서 전자파의 파장이 짧아지는 효과를 이용하는 것으로서 주로 프리즘을 이용한 방법을 많이 사용한다.
도 3은 종래기술의 프리즘을 이용한 액침 간섭 리소그래피를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 프리즘(4)을 이용할 경우 감광재층(3) 상에 프리즘(4)을 추가한 후 액침 간섭 리소그래피를 수행하게 된다. 프리즘(4)을 이용한 액침 간섭 리소그래피는 프리즘(4)의 격면에 수직 입사하는 2개의 입사광(λ)을 이용하여 간섭 패턴을 형성한다. 프리즘이 없는 경우는 간섭 패턴의 주기가 λ/2sinθ 가 되나 프리즘(4)을 사용할 경우 프리즘(4)의 굴절률을 n이라 가정하면 내부에서 파장이 λ/n이 되므로 패턴 주기가 λ/2nsinθ로 줄어들어 기존 방법보다 미세 패턴의 해상도를 더 높일 수 있다. 그러나, 프리즘(4)을 사용한 액침 간섭 리소그래피의 경우 프리즘(4)과 감광재층(3) 사이의 굴절률 정합을 위하여 인덱스 매칭 물질(Index Matching Liquid)을 반드시 사용하여야만 한다. 만약, 인덱스 매칭 물질을 사용하지 않을 경우 프리즘(4)과 감광재층(3) 사이에 에어 갭이 발생하여 노광된 패턴에 얼룩이 발생하고 프리즘(4) 내부에서의 전반사로 인해 보강 간섭을 일으키는 빛의 세기가 감소함으로써 미세 패턴의 선명도가 떨어지는 문제가 있다. 또한, 대형 프리즘(4)이 필요한 경우 레이저 리소그래피 장비의 대형화가 수반되어야 하는 등 여러가지 공정 문제를 야기하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 종래의 레이저 간섭 리소그래피 방법보다 패턴의 해상도가 높고 공정 편의성을 높일 수 있는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법은, (a) 미세 반복 패턴을 형성할 워크 기판 상에 감광재층을 형성하는 단계; (b) 상기 감광재층 상에 회절 격자를 형성하는 단계; 및 (c) 좌 우측에서 경사 레이저 빔을 회절 격자에 조사하여 양의 고차 회절광에 의해 간섭 노광을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 양의 고차 회절광은 +1차 회절광이다.
바람직하게, 상기 (b) 단계 전에, 상기 감광재층 상에 굴절률 정합 물질층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 (c) 단계 전에, 상기 회절 격자가 형성된 워크 기판 주위의 가스 분위기를 공기보다 굴절률이 높은 가스 분위기로 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 좌우로 입사되는 경사 레이저 광은 거울면 대칭을 이룬다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계를 진행하기 전에, 상기 감광재층 상에 반사 방지 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 감광재층은 i-line 계열의 감광막 또는 DUV(Deep Ultraviolet) 계열의 감광막이다.
본 발명에 있어서, 상기 회절 격자의 격자 패턴 단면은 직사각형, 사다리꼴 또는 삼각형이다.
본 발명에 따르면, 레이저 광원의 +1차 회절광의 회절 효율을 높일 수 있는 회절 격자를 설계하여 레이저 간섭 리소그래피에 사용함으로써, 종래보다 고해상도의 간섭 패턴을 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 리소그래피를 위한 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 간섭 리소그래피 장치는, 레이저 빔(1)을 발생시키는 레이저 광원(10)과, 상기 레이저 빔(1)을 2개의 빔으로 분리시키는 빔 스플리터(20)와, 상기 레이저 빔(1)을 목적하는 위치에 입사시키기 위한 다수의 거울(30)과, 리소그래피 대상체(40)로 구성되어 있다.
상기 레이저 간섭 리소그래피 장치는 레이저 광원(10)으로부터 발생된 레이저 빔(1)을 빔 스플리터(20)를 통해 분리한다. 그런 다음, 다수의 거울(30)을 이용하여 리소그래피 대상체(40) 상에 2개의 레이저 빔(1)을 일정한 각도로 경사지게 입사시켜 상기 리소그래피 대상체(40)에 간섭 패턴을 형성시킨다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 간섭 리소그래피 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 리소그래피 대상체(40)는 워크 기판(41), 감광재층(42), 굴절률 정합 물질층(43) 및 회절 격자(44)를 포함한다.
상기 회절 격자(44) 상에는 입사광(1 및 2)이 거울면 대칭으로 θi의 입사각을 이루며 경사지게 입사된다. 여기서, 회절 격자(44)는 입사광의 회절광 중 +1차 회절광의 효율이 가장 크게 설계하는 것이 바람직하다.
상기 2개의 입사광은 회절 격자(44)를 통해 여러 가지 방향으로 회절하게 되는데, 본 발명은 회절된 회절광 중 θmg의 회절각을 이루는 +1차 회절 성분의 간섭을 이용하여 회절 격자(44) 하부의 감광재층(42)을 노광시키게 된다. 이 때, 상기 회절 격자(44)와 감광재층(42) 사이의 굴절률 정합을 위하여 굴절률 정합 물질층(43)을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 입사각(θi)과 회절 격자(44) 내에서의 1차 회절각(θmg) 간의 관계는 브래그(Bragg) 조건을 이용하여 하기 수학식 4와 같이 유도될 수 있다.
Figure 112007074324449-pat00004
(수학식 중, θi는 입사광의 입사각, θmg는 +1차 회절광의 회절각, Λ는 회절 격자의 주기, λ는 입사광의 파장 주기, n0은 공기의 굴절률, n1은 회절 격자의 굴절률)
상기 수학식 4를 참조하면, 상기 회절 격자(44)의 굴절률이 n1이므로 회절 격자(44) 내에서의 1차 회절광의 간섭 패턴의 주기는 하기 수학식 5와 같이 유도될 수 있다.
Figure 112007074324449-pat00005
(수학식 중, Pitch는 1차 회절광의 간섭 패턴의 주기, θmg는 +1차 회절광의 회절각, λ는 입사광의 파장 주기, n1은 회절 격자의 굴절률)
상기 수학식 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 상기 회절 격자(44) 내에서 0차 회절광의 간섭은 회절 격자가 없는 종래기술의 간섭 리소그래피의 해상도인 λ/sinθi이며 회절 격자(44) 내에서 0차 회절광의 간섭각은 항상 1차 회절광의 간섭각보다 작아지게 되므로 1차 회절광 간섭에 의한 패턴 해상도는 종래기술의 간섭 리소그래피의 경우보다 향상되게 된다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5에 도시된 리소그래피 대상체 상에 회절 격자를 형성하여 노광을 수행하는 과정을 도시한 일련의 공정 단면도들이다.
도면을 참조하면, 먼저, 미세 반복 패턴을 형성할 워크 기판(41)을 준비한다(도 6a).
이어서, 상기 워크 기판(41) 상에 감광재층(42)을 형성한다(도 6b). 상기 감광재층(42)은 i-line 계열 또는 DUV(Deep Ultraviolet) 계열의 감광막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명이 감광재층의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다. 선택적으로, 상기 감광재층(42)을 형성한 후 간섭에 사용되는 회절광의 반사를 방지할 목적으로 감광재층(42) 상에 반사 방지 코팅층을 더 형성할 수 있다.
계속하여, 상기 감광재층(42)과 뒤이어 형성될 회절 격자(44) 사이의 굴절률 정합을 위하여 인덱스 매칭 오일과 같은 굴절률 정합 물질층(43)을 형성한다(도 6c). 경우에 따라, 굴절률 정합 물질층(43)은 형성하지 않아도 무방하다.
그리고 나서, 굴절률 정합 물질층(43)이 형성된 감광재층(42) 상면에 절연 층(예컨대, SiO2)을 형성하고 레이저 간섭 리소그래피에 의해 장방형(Rectangular Type)의 미세 패턴 격자가 형성된 회절 격자(44)를 형성한다(도 6d). 상기 회절 격자의 격자 패턴 단면은 직사각형의 형상을 갖는 것이 바람직하지만, 이에 한정하지 않고 사다리꼴 또는 삼각형일 수도 있다.
그런 후, 상기 회절 격자(44) 상에 2개의 레이저 빔을 거울면 대칭으로 경사지게 입사시킨다. 서로 다른 방향에서 입사된 입사광은 회절 격자(44) 내에서 회절되고, 이중 +1차 회절광이 감광재층(42)에 간섭 패턴을 형성하게 되어 감광재층(44)을 노광시킨다. 그런 다음, 노광된 감광재층(44)을 현상한 후 식각 공정을 진행하면 워크 기판(41) 상에 동일한 파장의 레이저를 사용하는 종래의 레이저 간섭 리소그래피에 비해 해상도가 높은 반복 미세 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 레이저 리소그래피 방법에서는 상기 회절 격자(44)가 형성된 워크 기판(41) 주위의 가스 분위기를 공기보다 굴절률이 높은 가스 분위기로 형성하여 회절광의 효율을 더욱 증대시킬 수도 있다.
< 실험예 >
이하에서는 실험예에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실험예는 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 실험예에서는 SiO2로 이루어진 장방형의 회절 격자를 사용하였다. 회절 격자의 주기는 730㎚, 회절 격자의 깊이는 175㎚, 필 펙터(Fill Factor)는 0.5이 다. 위와 같은 조건으로 회절 격자를 설계하면 +1차 회절광의 회절 효율이 다른 차수의 회절광보다 증대된다. +1차 회절광의 회절 효율을 극대화시키기 위한 회절 격자의 설계 해석은 RCWA(Rigorous coupled wave analysis)를 통해 이루어졌다.
하기 표 1은 상기 조건을 갖는 회절 격자에 266㎚의 레이저를 50도로 입사시켰을 경우 각 회절 차수별 회절 효율과 회절각을 계산하여 나타낸 것이다.
+1차 0차 -1차 -2차 -3차
회절 효율 0.69 0.06 0.19 0.004 0.014
회절각 49.18 30.69 15.32 1.03 -13.20
상기 표 1에 나타난 봐와 같이, 본 실험예와 같이 회절 격자를 설계하면 +1차 회절광의 회절 효율이 다른 차수에 비해 월등히 높고 회절각 또한 이상적인 간섭 패턴을 형성하기에 바람직한 것을 알 수 있다.
도 7은 본 실험예에서 제안된 조건을 갖는 회절 격자에 266㎚의 파장을 갖는 2개의 레이저를 50도의 경사로 입사시켰을 경우 노광면에서의 빛의 세기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 간섭 패턴의 주기가 약 117㎚로서 266㎚의 파장을 갖는 레이저를 사용할 때 이론적인 한계였던 133㎚보다 감소된 것을 확인 할 수 있다. 이렇게 간섭 패턴의 주기가 감소되면 워크 기판에 형성하는 미세 패턴의 해상도를 증가시킬 수 있게 된다. 한편, 도 7에 나타난 빛의 세기 분포가 종래의 레이저 간섭 리소그래피에 비하여 빛의 세기 분포가 균일하지 않음을 알 수 있지만, 고해상도 감광재층의 경우 노광량의 문턱 값의 차이가 상당히 민감하기 때문에 상기와 같은 불균일한 빛의 세기 분포로도 균일한 패턴을 형성하는 것에는 큰 문제가 없다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 두 평행광의 간섭을 도시한 개략도이다.
도 2는 레이저 간섭 리소그래피에 사용되는 레이저 광원이 266nm인 경우 레이저의 간섭각에 따른 미세 패턴의 해상도(피치)를 도시한 그래프이다.
도 3은 종래기술의 프리즘을 이용한 액침 간섭 리소그래피를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 리소그래피를 위한 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 간섭 리소그래피 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5에 도시된 리소그래피 대상체 상에 회절 격자를 형성하여 노광을 수행하는 과정을 도시한 일련의 공정 단면도들이다.
도 7은 본 실험예에서 제안된 조건을 갖는 회절 격자에 266㎚의 파장을 갖는 2개의 레이저를 50도의 경사로 입사시켰을 경우 노광면에서의 빛의 세기 분포를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
1 : 레이저 빔 10 : 레이저 광원
20 : 빔 스플리터 30 : 거울
40 : 리소그래피 대상체 41 : 워크 기판
42 : 감광재층 43 : 굴절률 정합 물질층
44 : 회절 격자

Claims (8)

  1. (a) 미세 반복 패턴을 형성할 워크 기판 상에 감광재층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 감광재층 상에 회절 격자를 형성하는 단계; 및
    (c) 좌 우측에서 경사 레이저 빔을 회절 격자에 조사하여 양의 고차 회절광에 의해 간섭 노광을 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서, 좌우로 입사되는 경사 레이저 빔은 거울면 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양의 고차 회절광은 +1차 회절광인 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계 전에,
    상기 감광재층 상에 굴절률 정합 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계 전에,
    상기 회절 격자가 형성된 워크 기판 주위의 가스 분위기를 공기보다 굴절률이 높은 가스 분위기로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계를 진행하기 전에,
    상기 감광재층 상에 반사 방지 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감광재층은 i-line 계열의 감광막 또는 DUV(Deep Ultraviolet) 계열의 감광막인 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자의 격자 패턴 단면은 직사각형, 사다리꼴 또는 삼각형인 것을 특징으로 하는 회절 격자를 이용한 레이저 간섭 리소그래피 방법.
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