KR101669922B1 - 포토리소그래피 방법 - Google Patents

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KR101669922B1
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유은아
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Abstract

본 발명에 따른 포토리소그래피 방법은 a) 기판 상 D=m*(λ/2n) (D= 포토레지스트 막의 두께, n=포토레지스트의 굴절률, λ=노광시 조사되는 광의 파장, m= 1 이상의 자연수)을 만족하는 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 및 b) 투명 기재 및 투명 기재의 광의 출사면에 접하여 형성된 평판형 금속 닷(plate-type metal dot)을 포함하는 광 마스크를 이용하여, 포토레지스트 막을 노광하고, 노광된 포토레지스트 막을 현상하여, 고리 형상의 포토레지스트 패턴을 제조하는 단계;를 포함한다.

Description

포토리소그래피 방법{Photolithography Method}
본 발명은 포토리소그래피 방법에 관한 것으로, 상세하게, 고리 패턴의 제조가 가능한 포토리소그래피 방법에 관한 것이다.
리소그래피(lithography) 기술은 대상 기재에 미세 패턴을 가공할 수 있는 방법으로, 나노/마이크로 스케일의 리소그래피 기술은 반도체 및 디스플레이 산업의 발전과 성패를 좌우하는 중요한 핵심기술이다.
미세 패터닝에 있어, 근본적으로 부딪히게 되는 제한요인은 리소그래피에 사용되는 빛의 파장으로, 0.8㎛ 이상의 선폭을 갖는 회로의 경우에는 수은 UV 램프를 사용하였으나, 그 이하의 선폭을 패터닝하기 위해서는 새로운 광원이 필요하게 되었고, KrF (Kripton Fluoride) 엑시머 레이저(파장=248nm)를 이용하여 0.13㎛ 공정이 가능해졌으며, 90nm이하의 공정이 필요해짐에 따라 ArF (Argon Fluoride) 엑시머 레이저(파장=193nm)가 사용되고 있다.
ArF 엑시머 레이저보다 더 짧은 파장을 이용하기 위해서는 불소 엑시머 레이저(파장=157nm)를 사용하여야 하나, 렌즈 시스템의 개구수(numerical aperture)가 낮아지는 등의 다양한 문제가 발생하고 있으며, 극자외선을 이용하는 경우 매우 고가의 포토 마스크가 필요하여 상업적인 한계가 있으며, 전자빔을 이용하는 경우 작업 속도가 매우 느리고 장비 가격 또한 높아 실용화에 걸림돌이 되고 있다.
나아가, 대한민국 공개특허 제2010-0076680호에 제시된 바와 같이, 제조하고자 하는 미세 패턴이 링(원형 고리) 형태와 같이 고도해지는 경우, 복잡한 표면 요철이나 미세 구조가 형성된 고가의 PSM(phase shift Mask)이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 고가의 마스크 설계와 제작 및 리소그래피를 위한 별도의 광학 시스템의 개발이 불가피하여 막대한 비용 및 연구개발이 선행되어야 하는 단점이 있다.
상술한 바와 같이, 저 비용으로, 기 구축된 리소그래피 공정 및 장비를 이용하여, 미세 고리 패턴과 같은 고도의 형상을 패터닝할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2010-0076680호
본 발명은 극히 간단한 구조를 가지며, 기 구축된 리소그래피 공정 및 장비를 이용하여, 미세 고리 패턴과 같은 고도의 형상을 패터닝할 수 있으며, 고리의 형상 제어가 용이한 포토리소그래피 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 포토리소그래피 방법은 a) 기판 상 하기 관계식 1을 만족하는 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 및 b) 투명 기재 및 투명 기재의 광의 출사면에 접하여 형성된 평판형 금속 닷(plate-type metal dot)을 포함하는 광 마스크를 이용하여, 포토레지스트 막을 노광하고, 노광된 포토레지스트 막을 현상하여, 고리 형상의 포토레지스트 패턴을 제조하는 단계;를 포함한다.
(관계식 1)
D=m*(λ/2n)
D는 포토레지스트 막의 두께이며, n은 포토레지스트의 굴절률이며, λ는 노광시 조사되는 광의 파장이며, m은 1 이상의 자연수이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 광 마스크는 하기 관계식 2를 만족하며, 상기 광 마스크와 상기 포토레지스트 막 간의 간격은 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.
(관계식 2)
150nm ≤ R ≤ 1.5μm
관계식 2에서, R은 평판형 금속 닷의 반지름이다.
(관계식 3)
50nm ≤ Gap ≤ 200 nm
관계식 3에서, Gap는 광 마스크와 포토레지스트 막간의 이격 거리이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 평판형 금속 닷의 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Au를 포함하는 전이금속; Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb 및 Bi를 포함하는 전이후 금속; 및 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs 및 Ba을 포함하는 금속;에서 하나 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 노광시 조사되는 광은 자외선(UV)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 노광시 90 내지 110 mJ/cm2 광량의 자외선이 조사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 포토레시스트 패턴은 단층 고리 형상 또는 둘 이상의 고리가 적층된 다층 고리 형상이며, 상기 다층 고리 형상의 각 고리는 동심구조를 가지며, 광 조사 방향으로의 투사(projection) 이미지 상, 상부 고리가 하부 고리 내부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 다층 고리 형상의 상부 고리 외경은 상기 금속 닷의 직경보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 단층 고리 형상 또는 다층 고리 형상의 포토레시스트 패턴은 상기 노광시 조사되는 광의 광량(dose) 및 현상 시간 중 적어도 하나 이상 선택되는 인자에 의해 조절될 수 있다.
본 발명은 상술한 포토리소그래피 방법을 이용하여 제조된 포토레지스트 패턴을 포함한다.
본 발명에 따른 포토리소그래피 방법은 미세 고리 패턴과 같은 고도한 형상의 패턴화가 가능하면서도, 평판형 투명 기재와 평판형 금속 닷이라는 극히 간단한 구조를 갖는 장점이 있다. 이에 따라, 고가의 PSM 마스크나 고가의 장비를 사용하지 않고, 저가의 광 마스크를 이용하여 포토레지스트의 고리 패턴화가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 포토리소그래피 방법은 평판형 금속 닷의 크기보다 작은 크기를 갖는 고리 패턴의 제조가 가능한 장점이 있으며, 동일한 광 마스크를 이용하여, 조사되는 광의 광량이나 현상 시간을 조절함으로써, 다양한 형상의 고리 패턴을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 마스크를 제외하고 종래 통상적으로 사용되는 노광 장치, 노광 방법, 포토레지스트, 현상액 및 현상 방법을 사용할 수 있음에 따라, 종래 기 구축된 포토리소그래피 공정의 변경 없이 활용 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 일 주사전자현미경 사진이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 원자간력 현미경(AFM;Atomic Force Microscope)으로 관찰한 결과를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 포토리소그래피 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 출원인은 포토리소그래피를 이용하여 미세한 고리 형상의 패턴을 형성하기 위한 연구를 수행한 결과, 놀랍게도 인위적인 표면 요철이 형성되지 않은 평판 형태의 투명 기재의 광 출사면에 평판형 금속 닷이 형성된 극히 간단한 구조의 마스크로도, 단층 내지 다층의 고리 패턴의 형성이 가능함을 발견하였으며, 나아가, 평판형 금속 닷의 직경보다도 작은 외경을 갖는 고리 패턴의 제조가 가능함을 발견하고, 이를 심화하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상세하게, 본 발명에 따른 포토레지스트 방법은 a) 기판 상 하기 관계식 1을 만족하는 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 및 b) 투명 기재 및 투명 기재의 광의 출사면에 접하여 형성된 평판형 금속 닷(plate-type metal dot)을 포함하는 광 마스크를 이용하여, 포토레지스트 막을 노광하고, 노광된 포토레지스트 막을 현상하여, 고리 형상의 포토레지스트 패턴을 제조하는 단계;를 포함한다.
(관계식 1)
D=m*(λ/2n)
D는 포토레지스트 막의 두께이며, n은 포토레지스트의 굴절률이며, λ는 노광시 조사되는 광의 파장이며, m은 1 이상의 자연수이다.
상기 관계식 1의 조건을 만족하는 포토레지스트 막의 두께는, 노광시 조사되는 광의 공진(resonance)에 의해, 포토레지스트 막의 두께 방향으로 정상파(standing wave)가 형성될 수 있는 조건이다.
상술한 관계식 1을 만족함으로써, 단층 내지 다수개의 고리가 적층된 다층 고리 형상의 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있으며, 나아가, 두께가 서로 유사 내지 동일한 다수개의 고리들이 적층된 적층 고리 형상의 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있다.
기재에 도포되는 포토레지스트는 감광성 수지일 수 있다. 감광성 수지는 통상의 리소그래피 공정에 사용되는 광에 의해 약품에 대한 내성이 변화되는 고분자 물질이면 무방하다. 포토레지스트는 광에 노출됨으로써 약품에 대하여 가용성이 되는 포지티브형 감광성 수지이거나, 광에 노출됨으로써 약품에 대해서 불용성이 되는 네거티브형 감광성 수지일 수 있다. 즉, 기재에 도포되는 포토레지스트는 포지티브 포토레지스트 또는 네거티브 포토레지스트일 수 있다.
기재에 도포된 포토레지스트의 두께는 상술한 관계식 1을 만족하되, 자연수인 m은 포토레지스트의 두께(D)가 50nm 내지 500nm 범위에 속하는 자연수일 수 있다. 이는, 포토레지스트의 두께가 50nm 미만으로 너무 얇은 경우 기재에 고리 형태로 패턴화되어 잔류하는 포토레지스트의 두께가 너무 얇아져, 기재에의 불순물 주입, 기재의 식각 또는 기재상 물질 증착과 같은 후속 공정시, 포토레지스트가 마스크 역할을 효과적으로 수행하지 못할 수 있기 때문이다. 또한, 기재에 도포된 포토레지스트의 두께가 500nm를 초과하여 너무 두꺼운 경우, 포토리소그래피 이후의 후속 공정시 마스크 역할은 효과적으로 수행할 수 있으나, 포토레지스트에 의한 너무 큰 표면 단차가 기재에 형성되어, 원하는 영역에 균일하고 균질하게 후속 공정이 수행되지 못할 위험이 있을 뿐만 아니라, 노광 공정시 불량이 발생할 위험이 높아지며, 이에 따라 현상시 포토레지스트의 현상 단면의 질이 떨어질 위험이 있다.
후속 공정의 질을 저하시키지 않으면서 효과적으로 마스크 역할을 수행하고, 원치 않는 수율 감소를 방지할 수 있으며, 현상 단면의 질을 담보하는 측면에서, 관계식 1의 자연수 m은 포토레지스트의 두께(D)가 200 내지 500nm 범위에 속하도록 하는 자연수인 것이 보다 좋다. 상술한 바와 같이, 조사되는 광의 파장(중심파장)과 포토레지스트의 굴절률을 고려하여, 상술한 바람직한 포토레지스트의 두께를 갖도록 자연수 m이 적절히 설정될 수 있음은 물론이다. 통상의 포토리소그래피 공정에 사용되는 자외선 광의 파장과 통상의 포토레지스트 굴절률을 고려할 때, 구체적이고 비 한정적인 일 예로, m = 2 내지 7일 수 있다. 이때, 관계식 1에서, 포토레지스트 막의 두께(D)는 감광성 수지 용액의 도포 및 건조, 소프트베이킹, 하드베이킹등과 같은 통상의 포토레지스트 형성 공정의 공정상 발생하는 오차 범주 내에서의 두께를 의미하는 것이며, 이러한 오차 범주 내의 두께(평균 두께)는 관계식 1로 제시된 D의 0.9% 내지 1.1%, 구체적으로는 0.95%~1.05%의 범주에 속할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 광 마스크는 하기 관계식 2를 만족하며, 상기 광 마스크와 상기 포토레지스트 막 간의 간격은 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.
(관계식 2)
150nm ≤ R ≤ 1.5μm
관계식 2에서, R은 평판형 금속 닷의 반지름이다.
(관계식 3)
50nm ≤ Gap ≤ 200 nm
관계식 3에서, Gap는 광 마스크와 포토레지스트 막간의 이격 거리이다.
관계식 2 및 관계식 3은, 평판형 금속 닷과 대응되는 형상을 갖되, 속이 빈 고리 형상을 갖는 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있는 조건이다.
구체적으로, 관계식 2에서 제시한 바와 같이, 평판형 금속 닷의 최대 반지름이 1.5μm를 초과하거나, 평판형 금속 닷의 최소 반지름이 150nm 미만인 경우, 노광 및 현상을 통해 목적하는 고리 형상의 포토레지스트 패턴이 제조되지 않을 위험이 있다.
평판형 금속 닷의 형상에 잘 대응되는 형상으로 고리 형상의 패턴을 제조하기 위해, 평판형 금속 닷의 반지름은 300 내지 700nm인 것이 보다 좋다.
이때, 평판형 금속 닷의 높이는 노광시 조사되는 광의 투과가 방지될 수 있는 두께이면 족하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 평판형 금속 닷의 높이는 50nm 내지 150nm일 수 있다.
상술한 바와 같이, 관계식 2를 만족함과 동시에, 광 마스크와 포토레지스트 간 관계식 3을 만족하는 극히 미세한 갭이 형성되는 것이 좋다.
포토레지스트 막이 관계식 1을 만족하는 두께를 가지면서, 관계식 2를 만족하는 평판형 금속 닷과 함께, 관계식 3을 만족하는 200nm 이하의 공기층(이격 간격, 갭)이 형성됨으로써, 금속 닷의 중심에 광이 집중되는 광집중 영역이 형성될 수 있으며, 포토레지스트의 두께 방향으로 서로 이격된 다수개의 광 집중 영역이 형성될 수 있다.
이에 따라, 관계식 1을 만족하는 포토레지스트 막에, 관계식 2를 만족하는 평판형 금속 닷이 형성된 광 마스크를 이용하여, 관계식 3을 만족하는 나노 에어갭이 형성되도록 하여, 노광을 수행하는 경우, 단층 고리 형태의 패턴 뿐만 아니라, 다수개의 고리들이 서로 적층된 적층 고리형태의 패턴 또한 제조될 수 있다.
구체적으로, 관계식 1, 관계식 2 및 관계식 3을 만족하는 경우, 포토레지스트 막에서 광이 조사되는 면에서 기판에 접한 면 방향을 깊이 방향으로 하여, 노광시 포토레지스트 막에는, 평판형 금속 닷의 테두리에 대응되는 영역에 평판형 금속 닷의 형상과 대응되는 형상으로, 깊이 방향을 따라 광의 집중과 소멸이 반복되는 제1 정상파(standing wave)가 형성되며, 이와 동시에, 평판형 금속 닷의 중심에 대응되는 영역에 평판형 금속 닷의 형상과 대응되는 형상으로, 깊이 방향을 따라 광의 집중과 소멸이 반복되는 제2 정상파가 형성될 수 있으며, 제1정상파와 제2정상파간 180˚에 이르는 위상차가 형성될 수 있다. 즉, 180˚에 이르는 위상차에 의해, 제1정상파의 광의 소멸이 발생하는 포토레지스트의 두께에서는 제2정상파의 광의 집중이 발생하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 관계식 1, 관계식 2 및 관계식 3에 의해, 상술한 제1정상파와 제2정상파가 포토레지스트 막에 형성되어, 다수개의 고리들이 두께 방향으로 적층된 적층 고리형 포토레지스트 패턴의 제조가 가능하다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에서, 노광 및 현상에 의해 수득되는 포토레시스트 패턴은 단층 고리 형상 또는 둘 이상의 고리가 적층된 다층 고리 형상일 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 고리 형상은 내측 형상인 빈 공극의 형상과 외측 형상인 테두리의 형상이 모두 평판형 금속 닷과 대응하는 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 관계식 2의 광 마스크를 이용하여 관계식 3을 만족하도록 노광을 수행하는 경우, 제2정상파는 두께 방향과 평행하게 진행하며, 두께 방향이 증가할수록 광이 집중되는 영역에서의 폭(깊이 방향에 수직인 방향의 폭)이 좁아지게 된다. 이와 동시에, 제1정상파는 제2정상파와 180˚의 위상차를 가지며, 두께 방향이 증가할수록 광이 소멸되는 영역의 폭이 넓어지게 된다. 제2정상파의 광 집중 영역의 폭이 고리 형상의 내경에 영향을 미치며, 제1정상파에서 광이 소멸되는 영역의 폭이 고리의 외경에 영향을 미칠 수 있다.
이에 따라, 상술한 제1정상파와 제2정상파에 의해, 동심 구조를 갖되, 상부(광이 조사되는 표면측)로 갈수록 그 외경이 작아지고 내경이 커지는 다수개의 고리가 적층된 적층 고리 형태의 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있다. 즉, 상기 다층 고리 형상의 포토레지스트 패턴에서, 다층 고리를 이루는 각 고리는 동심구조를 가지며, 광 조사 방향으로의 투사(projection) 이미지 상, 상부 고리가 하부 고리 내부에 위치할 수 있다.
즉, 일 고리의 외경와 내경의 차를 고리의 폭이라 할 때, 다층 고리 형상은 서로 동심 구조를 이루며 적층되되, 상대적으로 상부(광이 조사되는 표면 측)에 위치하는 고리의 폭이 상대적으로 하부(기판 측)에 위치하는 고리의 폭보다 좁은(작은) 고리들이 적층된 다층 고리 형상의 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있다.
보다 놀라운 것은, 관계식 2를 만족하는 극히 미세한 평판형 금속 닷이 형성된 마스크를 이용하여, 마스크와 포토레지스트간 관계식 3을 만족하는 나노갭이 형성되는 조건에서 노광을 수행하는 경우, 평판형 금속 닷보다도 그 외경이 작은 극미세의 고리 형태의 패턴이 제조될 수 있는 점이다.
구체적으로, 상기 다층 고리 형상의 적어도 상부 고리 외경은 상기 금속 닷의 직경보다 작을 수 있다. 이때, 상부 고리 외경은 둘 이상의 고리가 적층된 적층형 고리에서, 기판과 접하는 최 하부 고리를 제외한 고리, 즉, 최하부 고리 상부에 위치하는 고리를 의미한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 평판형 금속 닷의 직경을 기준으로, 70%에 이르는 고리의 외경을 갖는 고리 패턴의 제조가 가능하다. 상세하게, 적층형 고리 형상에서, 적어도 최 상부를 포함한 상부 고리 외경이 상기 금속 닷의 직경을 기준으로 70% 내지 96%, 구체적으로 70 내지 85%에 이르는 적층형 고리 형태의 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상기 단층 고리 형상 또는 다층 고리 형상의 포토레시스트 패턴은 상기 노광시 조사되는 광의 광량(dose) 및 현상 시간 중 적어도 하나 이상 선택되는 인자에 의해 조절될 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 상기 노광시 조사되는 광의 광량(dose)을 조절하여, 단층 고리 내지 다층 고리 형태의 포토레지스트 패턴이 제조될 수 있다.
조사되는 광의 광량을 일정 광량 이상으로 증가시키는 경우, 제1 정상파의 광 집중 영역들이 서로 결합될 수 있는데, 이러한 경우 광 집중 영역간의 경계가 불명확해지며 단층의 고리 패턴이 제조될 수 있다.
즉, 조사되는 광의 광량을 제1정상파의 광 집중 영역들이 두께 방향으로 서로 결합하는 정도의 높은 광량을 조사하는 경우, 단층의 고리 패턴을 제조할 수 있으며, 반면, 포토레지스트막의 두께 방향으로, 광 집중 영역과 광 소멸 영역이 교번 형성되도록 낮은 광량으로 광을 조사함으로써, 다층의 고리 패턴이 제조될 수 있다.
다층의 고리 패턴과 단층의 고리 패턴이 형성되는 경계가 되는 광량(dose)은 포토레지스트의 종류, 현상 조건등을 고려하여 어느 정도 가변될 수 있다. 그러나, 안정적으로 다층 고리 패턴을 제조하기 위해서는, 110mJ/cm2 이하, 보다 안정적으로는 105mJ/cm2의 광량이 조사되는 것이 좋다.
이때, 노광시 조사되는 광의 광량(dose)은, 포토레지스트 막을 충분히 노광할 수 있을 정도(즉, 기판과 접하는 면인 포토레지스트 최 하부면까지 노광이 수행될 수 있을 정도)의 광량 이상이어야 함은 물론이다. 이러한 측면에서, 노광시 조사되는 광의 광량(dose)은 최소 90mJ/cm2이상, 좋게는 95% 이상일 수 있다.
상술한 바와 같이, 단층 내지 다층 고리 형태의 포토레지스트 패턴을 제조하고자 하는 경우, 조사되는 광의 광량은 90 내지 110mJ/cm2, 좋게는 95 내지 105mJ/cm2일 수 있다. 조사되는 광의 광량에 의해 실질적으로 현상 시간과 거의 무관하게, 단층 고리 형태의 포토레지스트 패턴을 제조하고자 하는 경우, 노광시 조사되는 광의 광량은 110mJ/cm2을 초과하는 광량, 보다 안정적으로는 115mJ/cm2을 초과하는 광량의 광이 조사될 수 있다.
또한, 다층 고리가 형성될 수 있는 광량(일정 광량)으로 노광을 수행한 경우에도, 현상 시간을 조절하여, 단층 내지 다층 고리 패턴을 선택적으로 제조할 수 있다.
이는, 다층 고리가 형성되는 일 광량으로 노광을 수행한 경우라도, 상부 고리에 해당하는 포토레지스트 영역과 하부 고리에 해당하는 포토레지스트 영역간 결합된 부분이 현상에 의해 제거될 수 있을 정도로 상대적으로 장시간 동안 현상을 수행하여 단층 고리 패턴을 제조할 수 있음을 의미하며, 또한, 상부 고리에 해당하는 포토레지스트 영역과 하부 고리에 해당하는 포토레지스트 영역간 결합된 부분이 현상에 의해 제거되지 않을 정도로 상대적으로 단시간 동안 현상을 수행하여 다층 고리 패턴을 제조할 수 있음을 의미한다.
현상 시간은 포토레지스트의 종류, 현상에 사용되는 현상액의 종류등을 고려하여, 적절히 변경 가능하나, 구체적인 일 예로, 다층의 고리 형태를 제조하고자 하는 경우 10초 내지 100초 동안 현상이 수행될 수 있으며, 단층의 고리 형태를 제조하고자 하는 경우 100초 이상, 안정적으로는 150초 이상 동안 현상이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 노광 단계가 수행되기 전, 기판에 포토레지스트를 도포하여 관계식 1을 만족하도록 포토레지스트 막을 형성하는 단계;가 수행될 수 있다. 이때, 기판은 지지체의 역할 뿐만 아니라, 전자소자, 광학소자 또는 센서등의 제조하고자 하는 물의 용도에 따라 다른 구성 요소가 기 형성된 기재일 수 있다. 다른 구성 요소의 비 한정적인 일 예로, 부분적 불순물 도핑 영역, 리세스 구조, 비아홀 구조등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판은 웨이퍼 또는 필름(film) 형상일 수 있으며, 반도체, 세라믹, 금속, 고분자 또는 이들에서 선택된 둘 이상의 물질이 각 층을 이루며 적층된 적층체일 수 있다. 반도체 기재의 비 한정적인 일 예로, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 실리콘게르마늄(SiGe)을 포함하는 4족 반도체 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 또는 갈륨인(GaP)을 포함하는 3-5족 반도체 황화카드뮴(CdS) 또는 텔루르화아연(ZnTe)을 포함하는 2-6족 반도체 황화납(PbS)을 포함하는 4-6족 반도체 또는 이들에서 선택된 둘 이상의 물질이 각 층을 이루며 적층된 적층체를 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 포토레지스트(감광성 수지)는 포지티브형 또는 네가티브형일 수 있으며, 기판 상 스핀 코팅등을 포함한 통상의 공정을 이용하여 감광성 수지의 도포가 이루어진 후, 도포된 수지층의 건조(소프트 베이킹)가 수행될 수 있으며, 선택적으로 하드 베이킹이 수행될 수 있다. 이때, 도포된 포토레지스트 막이 에어갭을 통해 광 마스크과 직접 대면하도록, 포토레지스트막 상에 이종의 막이 형성되지 않는 것이 좋다.
노광 단계는 평판형 금속 닷이 위치하는 투명 기재 측이 광의 출사면이 되도록 광 마스크를 광원과 포토레지스트 막이 형성된 기판 사이에 위치시킨 후, 광을 조사하여 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광 마스크는 투명 기재 및 평판형 금속 닷을 포함할 수 있다. 상술한 본 발명의 장점에 의해, 광 마스크는 투명 기재 및 평판형 금속 닷으로 이루어지거나, 또는 투명기재, 평판형 금속 닷 및 후술하는 돌출부로 이루어질 수 있다.
투명 기재는, 투명 기재의 두 대향면 중 일 면에 광이 입사되고, 다른 일 면에 광이 출사된다. 본 발명의 일 실시예에 있어, 투명 기재는 적어도 광의 출사면이 편평한 평면일 수 있으며, 나아가, 광의 입사면과 출사면이 모두 편평한 평면인 투명 판 형상일 수 있다.
투명 기재는 통상의 포토리소그래피용 포토 마스크에서 광이 투광되는 기재로 사용되는 물질이면 족하다. 일 예로, 투명 기재는 석영(quartz)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
투명 기재는 광을 투과하며 마스크에 물리적 통상의 포토리소그래피용 포토 마스크에서 광이 투광되는 기재가 갖는 통상적인 두께를 가지면 족하다. 일 예로, 투명 기재의 두께는 수 μm 내지 수십 mm일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
평판형 금속 닷은 투명기재의 광의 출사면에 투명 기재에 접하여 위치할 수 있다. 광 마스크를 이용한 포토레지스트의 노광 및 현상을 수행하는 경우, 평판형 금속 닷의 윤곽(테두리의 모양)과 대응되는 형상의 고리 패턴을 제조할 수 있다.
구체적으로, 평판형 금속 닷은 원형; 타원형; 및 다각형;에서 하나 이상 선택되는 형상을 가질 수 있다. 이때, 다각형은 삼각 내지 팔각, 상세하게, 삼각, 사각(직사각 또는 정사각), 오각, 육각, 칠각 또는 팔각을 포함한다. 이에 따라, 원형 고리, 타원형 고리 또는 삼각 내지 팔각의 다각 고리를 패턴화할 수 있다.
또한, 광 마스크는 평판형 금속 닷을 일 단위체로, 투명 기재의 광 출사면에 둘 이상의 단위체가 배열된 것일 수 있다. 이러한 평판형 금속 닷의 배열은 규칙적 배열 또는 불규칙적 배열을 포함할 수 있으며, 평판형 금속 닷의 배열은 패턴화하고자 하는 설계된 구조를 고려하여 적절히 조절될 수 있음은 물론이다.
평판형 금속 닷의 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Au를 포함하는 전이금속; Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb 및 Bi를 포함하는 전이후 금속 및 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs 및 Ba을 포함하는 금속;에서 하나 이상 선택될 수 있다. 구체적으로, 평판형 금속 닷의 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Au를 포함하는 전이금속에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 평판형 금속 닷의 금속은 Cr일 수 있다.
이때, 광 마스크는 포토레지스트 막의 패턴화에 영향을 미치지 않는 영역, 실질적인 일 예로, 투명 기재의 가장자리 영역에, 관계식 3에 따르는 나노갭(에어갭)이 안정적이며 기 규정된 값으로 형성되도록 하는 돌출부를 더 포함할 수 있다.
돌출부는 광 마스크와 포토레지스트 막간의 이격 거리(Gap=광 마스크와 포토레지스트 막간의 거리=평판형 금속 닷과 포토레지스트 막간의 거리)를 조절하는 역할을 수행함에 따라, 돌출부의 높이는 광 마스크에 형성된 평판형 금속 닷의 높이와 관계식 3에 따른 Gap을 합한 값일 수 있다. 상술한 돌출부에 의해, 광 마스크를 포토레지스트에 밀착시키는 간단한 방법으로, 정밀하고 재현성 있게 에어갭의 크기를 조절할 수 있다.
관계식 3을 만족하도록, 광 마스크를 포토레지스트 막 상에 정렬한 후, 상술한 바와 같이, 적어도 90mJ/cm2 이상의 광량(dose)으로 광을 조사하여 노광이 수행될 수 있다.
이때, 조사되는 광은 자외선(UV)일 수 있으며, 10nm 내지 500nm의 파장 대역의 자외선일 수 있다. 구체적으로 조사되는 광은 그 중심 파장이 300nm 내지 500nm에 위치할 수 있으며, 보다 구체적으로 중심 파장이 350 내지 380nm, 400 내지 420nm 및/또는 420 내지 450nm에 위치할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 종래 포토리소그래피 공정에서 통상적으로 사용되는 I-line, H-line 및/또는 G-line의 파장을 포함하는 자외선을 이용하여 노광이 수행될 수 있다. 또한, 노광 단계는 포토리소그래피 공정에서 통상적으로 사용되는 광학 수단들을 이용하여 광의 조사가 이루어질 수 있다. 이는, 본 발명에 따른 포토리소그래피 방법이, 광 마스크 이외에 종래 포토리소그래피 공정에서 통상적으로 사용되는 포토레지스트 및 노광장치등을 그대로 이용할 수 있기 때문이다.
현상 단계는 포토리소그래피 공정에서 통상적으로 사용하는 현상액 및 현상방법을 통해 이루어질 수 있다. 포지티브형 포토레지스트를 사용한 구체적 일 예로, 현상 단계는 노광에 의해 화학적 특성이 변화된 감광성 수지 부분을 녹여 제거하는 용매를 함유하는 현상액을 이용하여, 화학적 특성이 변화된 감광성 수지 부분을 제거함으로써 이루어질 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 현상 시간을 조절하여, 단층 내지 다층 고리 현상의 포토레지스트 패턴을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 방법에 있어, 상술한 노광 및 현상이 이루어진 후, 기재에의 불순물 주입, 기재의 식각 또는 기재상 물질 증착과 같은 후속 공정이 이루어질 수 있음은 물론이며, 후속 공정이 수행된 후, 물리적 또는 화학적으로 기재에 잔류하는(현상에 의해 잔류하는) 포토레지스트를 제거하는 단계가 더 수행될 수 있다. 잔류하는 포토레지스트의 제거는 포토리소그래피 공정에서 현상된 포토레지스트의 제거를 위해 통상적으로 사용하는 물질 및 방법을 이용하여 수행될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 제조방법으로 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 주사전자 현미경 사진이다.
상세하게, 평판 형태의 석영을 투명 기재로 하여, 투명 기재의 일 면에 높이가 100nm이며 반경이 500nm인 Cr 판(평판형 금속 닷)이 10μm 간격으로 규칙적으로 배열 형성되고, 100nm의 갭(에어갭)이 형성되도록 돌출부가 형성된 광 마스크를 이용하였다. 실리콘 웨이퍼인 기재 상 420nm 두께(관계식 1에서 m=4)의 포지티브 포토레지스트 막(S1805)을 형성한 후, 광 마스크를 포토레지스트 막에 밀착 정렬하고, 365nm의 자외선을 101mJ/cm2의 광량(dose)으로 조사하여 노광을 수행하고, 이후, 160 초 동안 현상(AZ300MIF)하여 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 제조된 고리형 포토레지스트 패턴을 원자간력 현미경(AFM;Atomic Force Microscope)으로 관찰한 결과를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 통해 알 수 있듯이, 고가의 PSM이 아닌, 단지 편평한 판 형태의 투명 기재에 평판형 금속 닷이 형성된 마스크를 이용하여, 속이 빈 고리 형태로 포토레지스트가 패턴화됨을 알 수 있으며, 외경이 1.86μm이며, 고리의 폭이 667nm인 단층의 미세 고리형 패턴이 제조됨을 알 수 있다.
도 3은 도 1에서 관찰한 포토레지스트 패턴과 동일한 방법으로 제조하되, 현상을 62초 동안 수행하여 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 4는 도 1에서 관찰한 포토레지스트 패턴과 동일한 방법으로 제조하되, 현상을 17초 동안 수행하여 제조된 포토레지스트 패턴을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제조방법으로, 동심 구조를 가지며, 상부에 위치할수록 고리의 외경이 작아지는, 다층의 고리 패턴이 제조됨을 알 수 있다.
또한, 도 1, 도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 다층 고리 구조로 노광 영역이 형성되도록 노광을 수행한 후, 단지 현상 시간을 조절하여, 단층, 2층 또는 3층 구조의 고리형 패턴이 제조됨을 알 수 있다.
나아가, 도 4에서 알 수 있듯이, 직경이 1000nm인 평판형 금속 닷이 형성된 광 마스크를 이용하여, 외경이 955nm 및 외경이 805nm인, 평판형 금속 닷보다도 크기가 작은 고리 패턴이 제조됨을 알 수 있다.
도 1에서 관찰한 포토레지스트 패턴과 동일한 방법으로 제조하되, 조사되는 광의 광량이 111mJ/cm2가 되도록 노광을 수행한 결과, 현상 시간과 무관하게 단층 고리 형태의 포토레지스트 패턴이 제조되는 것을 확인하였다.
또한, m=3.5가 되도록 포토레지스트 막의 두께를 조절하는 경우, 도 1, 도 3 및 도4에서 관찰한 포토레지스트 패턴과 동일한 방법으로 노광 및 현상을 수행하였으나, 고리형 패턴이 제조되지 않음을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. a) 기판 상 하기 관계식 1을 만족하는 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 및
    b) 투명 기재 및 투명 기재의 광의 출사면에 접하여 형성되고 하기 관계식 2를 만족하는 평판형 금속 닷(plate-type metal dot)을 포함하는 광 마스크를 이용하되, 포토레지스트 막과 광 마스크 사이에 에어 갭(air gap)이 형성된 상태에서, 상기 포토레지스트 막을 노광하고, 노광된 포토레지스트 막을 현상하여, 단층 고리 형상, 또는 둘 이상의 고리가 적층되고, 적층된 각 고리가 동심구조를 가지며, 광 조사 방향으로의 투사(projection) 이미지 상, 상부 고리가 하부 고리 내부에 위치하는 다층 고리 형상의 포토레지스트 패턴을 제조하는 단계;
    를 포함하는 포토리소그래피 방법.
    (관계식 1)
    D=m*(λ/2n)
    (D는 포토레지스트 막의 두께이며, n은 포토레지스트의 굴절률이며, λ는 노광시 조사되는 광의 파장이며, m은 1 이상의 자연수이다)
    (관계식 2)
    150nm ≤ R ≤ 1.5μm
    (관계식 2에서, R은 평판형 금속 닷의 반지름이다)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에어 갭의 크기는 하기 관계식 3을 만족하는 포토리소그래피 방법.
    (관계식 3)
    50 ≤ Gap ≤ 200 nm
    (관계식 3에서, Gap는 광 마스크와 포토레지스트 막간의 이격 거리인 에어 갭의 크기이다)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 평판형 금속 닷의 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 및 Au를 포함하는 전이금속; Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb 및 Bi를 포함하는 전이후 금속; 및 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs 및 Ba을 포함하는 금속;에서 하나 이상 선택되는 포토리소그래피 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 노광시 조사되는 광은 자외선(UV)이며, 90 내지 110 mJ/cm2의 광량으로 조사되는 포토리소그래피 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다층 고리 형상의 상부 고리 외경은 상기 금속 닷의 직경보다 작은 포토리소그래피 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단층 고리 형상 또는 다층 고리 형상의 포토레지스트 패턴은 상기 노광시 조사되는 광의 광량(dose) 및 현상 시간 중 적어도 하나 이상 선택되는 인자에 의해 조절되는 포토리소그래피 방법.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 포토리소그래피 방법을 이용하여 제조되어, 광 마스크의 평판형 금속 닷과 대응되는 형상을 갖되 속이 빈 고리 형상인 단층 고리 형상, 또는 둘 이상의 고리가 적층되고, 적층된 각 고리가 동심구조를 가지며, 광 조사 방향으로의 투사(projection) 이미지 상, 상부 고리가 하부 고리 내부에 위치하는 다층 고리 형상의 포토레지스트 패턴.
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