KR20030046712A - 나노 와이어 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 간섭 리소그라피를 이용한 노광 공정과 식각 공정을 이용하여 미세한 나노 와이어를 대량으로 생산할 수 있는 나노 와이어 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 와이어 금속막이 도포된 기판을 제공하는 단계; 상기 와이어 금속막 상에 전 영역에 포토레지스트막을 도포하는 단계; 상기 포토레지스트막이 도포된 기판에 간섭 리소그라피 방법을 사용한 레이저 광으로 노광 및 현상 공정을 실시하여 상기 포토레지스트막 상에 미소 선 패턴을 형성하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스트막을 마스크로 사용하여 상기 와이어 금속막을 플라즈마 건식 식각하여 나노 와이어를 형성하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스트막을 에싱하고, 습식 식각을 실시하여 상기 나노 와이어를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 나노 와이어 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 간섭 또는 홀로그램 리소그래피를 이용한 노광 공정과 등방성 식각 공정을 이용하여 나노 크기의 와이어를 대량으로 제조할 수 있는 나노 와이어 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 기술의 발달로 인하여 전자 부품소자들은 그 크기가 매우 작아지고, 얇아지고 있다. 특히, CMOS등의 소자는 초고집적회로 분야에 널리 사용되고 있는데, 집적화가 높아짐에 따라 소자들의 선폭은 계속해서 줄어들고 있는 추세에 있다.
이와 같이, 소자들의 크기가 작아지면서, 이들을 전기적으로 연결하여주는 나노 와이어의 중요성이 증대되고 있다. 이러한, 나노 와이어는 물질에 따라 발수광 소자 등의 광학적 용도, 복합재에 첨가되는 기계적 용도등 그 응용 분야가 매우 넓다.
일반적으로, 사용되는 나노 와이어용 물질은 GaAs, GaN, InP, ZnO이 사용되어지고, 발광 소자로서도 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, GaN, GaAs, ZnO등은 그린, 블루 에미팅 발광 소자의 개발에 활용되고 있으며, InAs, InP는 1.3~1.5um 영역에 활용되고 있다.
종래의 나노 와이어 제조 방법은 크게 두 가지로 나뉘어 진다.
첫째, 직경 수십 나노, 깊이 수 마이크로가 되는 구멍들로 이루어진 멤 브레인에 나노 와이어 물질을 채워 넣어서 만드는 방법이다. 이것은 알루미나 멤 브레인을 사용하는데, 이와 같은 멤 브레인은 아노다이징(anodyzing)에 의해 제조된다. 또한, 나노 와이어 물질은 기체 상태로 만들어 기상 반응에 의하여 멤 브레인 구멍에 채워진다.
둘째, 촉매로부터 나노 와이어가 자라나게 하는 방법인데, LCG(Laser assisted Catalytic Growth), VLS(Vapor Liquid Solid) 성장(growth)이 그것이다.나노 와이어 물질과 금속의 혼합물을 원료로 하며, 금속 촉매를 씨앗으로 하여 나노 와이어가 성장해 나간다.
특히, 전자 소자의 소형화, 집적화는 노광 기술에 의해 한계 지어 졌다. 즉, 빛의 회절 한계 때문에 광원의 파장 이하의 선 폭을 구현하는 것이 불가능하였다. 이를 극복하기 위하여 제안되어진 것이 전자선묘화법(e-beam lithography)이 등장하였다. 전자선묘화법은 전자선을 이용하여 가는 붓으로 그림을 그리듯 패턴을 그려나가는 방법으로 기존의 노광 기술로는 불가능하였던 수십 나노 선폭의 구현을 가능하게 하였다.
그러나, 상기에서 설명한 나노 와이어 제조 방법들에서 사용하는 포토리소그라피 기술은 소자가 갈수록 작아지고 있는 현대 기술에서는 적용하기가 어렵고, 상기 전자선묘화법에의한 나노 와이어 제조 기술은 제조 속도가 느리기 때문에, 대량 생산에 어려움이 있다. 아울러, 전자선묘화법에서 사용되는 장비가 매우 고가이기 때문에 제조 비용이 큰 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간섭 혹은 홀로그램 리소그라피 원리를 이용한 레이저 광을 사용하여 나노미터 선폭의 패터닝을 하고, 이후 비등방성 식각 공정과 등방성 식각 공정을 차례로 실시하여 나노미터의 선폭을 갖는 와이어들을 대량 생산할 수 있는 나노 와이어 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a은 본 발명에 따른 노광 공정중 사용되는 간섭 리소그라피 원리를 설명하기 위한 도면.
도 1b는 간섭리소그라피 원리에서 레이저 빔의에 의하여 포토레지스트막 상에 선 패턴이 형성되는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 나노 와이어 제조 공정을 도시한 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
20: 실리콘 기판 21: 크롬 금속막
22: 포토레지스트막 25: 패터닝된 포토레지스트막
26: 나노 와이어
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 나노 와이어 제조방법은,
와이어 금속막이 도포된 기판을 제공하는 단계;
상기 와이어 금속막 상에 전 영역에 포토레지스트막을 도포하는 단계;
상기 포토레지스트막이 도포된 기판에 간섭 리소그라피 방법을 사용한 레이저 광으로 노광 및 현상 공정을 실시하여 상기 포토레지스트막 상에 미소 선 패턴을 형성하는 단계;
상기 패터닝된 포토레지스트막을 마스크로 사용하여 상기 와이어 금속막을 플라즈마 건식 식각하여 나노 와이어를 형성하는 단계;
상기 패터닝된 포토레지스트막을 에싱하고, 습식 식각을 실시하여 상기 나노 와이어를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 와이어 금속막은 Cr, GaAs, GaN, Pt, Au 및 Cu 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용하고, 상기 기판의 재질은 실리콘 혹은 실리콘 화합물이며, 상기 포토레지스트막 상에 형성되는 선 패턴의 폭은 10~100 나노 미터(109m) 정도 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노 와이어를 분리하는 습식 식각은 상기 기판과 나노 와이어의 식각 선택비를 이용하여 상기 기판만을 식각하여 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기존의 나노 와이어 제조 공정을 탈피하여 광학적 기구인 간섭 또는 홀로그램 리소그라피의 원리와 반도체 식각 공정을 접목시켜 양질의 나노 와이어를 대량으로 생산할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 1a은 본 발명에 따른 노광 공정중 사용되는 간섭 리소그라피 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(1)으로부터 나오는 일정 파장(λ)을 갖는 레이저 광은 전기 셔터(3)(electric shutter)에 의하여 노출 시간이 조절되고, 빔 확대기(5)의 핀-홀을 통해서 상기 레이저 광이 확대된다. 상기 확대된 레이저 광은 렌즈(6)를 통과하여 평행한 빔이 되어, 회전 스테이지(7)에 입사된다. 상기 회전 스테이지(7)에 있는 실리콘 기판(9) 상에는 반사경(8)을 통하여 도달하는 레이저 광과 직접 도달하는 레이저 광이 간섭 현상을 일으켜 밝고 어두운 선 패턴이 나타난다.
이와 같은 선 패턴은 레이저 광로 차에 의한 간섭 때문에 발생하는데, 그 원리는 다음과 같다.
도 1b는 간섭 리소그라피 원리에서 레이저 빔에 의하여 포토레지스트막 상에 선 패턴이 형성되는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 상기 회전 스테이지 내부의 반사경(8)과 실리콘 기판(9) 홀더 사이의 각을 α. 반사경과 입사 빔 사이의 각을 θ라 하면, 상기 실리콘 기판에 입사하는 레이저 광과 반사경에 의하여 굴절된 레이저 광 사이에 경로차(Δ)가 발생한다.
Δ=D(1-2cos2θ)............식(1)
사인 법칙으로부터 D=sinα×d/sinθ(d: 중심축으로부터거리)..........식(2)
두 빛의 경로차가 파장의 정수배가 되면, 보강 간섭이 일어난다.
Δ=nλ=sinα×d(1-2cos2θ)sinθ.......식(3)
n=1을 대입하여 d에 대해서 정리하면 간섭 패턴의 주기(Λ)를 구할 수 있다.
Λ=λ/2sinθsinα................식(4)
여기서, α=π/2로 가정하면 다음과 같은 브래그 회절 공식(Bragg Diffraction Formula)이 얻어진다.
Λ=λ/2sinθ..................식(5)
따라서, 식(5)에 의하여 광원의 파장과 반사경의 각도가 정해지면 선 패턴의 주기가 결정됨을 알 수 있다.
상기 노광 공정에서 나노 와이어 선폭을 결정하는 변수는 광원의 세기와 노출 시간이므로, 이 두 가지 변수를 적절히 조절함으로써 선 폭을 패턴 주기(Λ)의 1/2보다 크게, 혹은 작게 만들 수 있다.
또한, 양성(positive) 포토레지스트를 사용할 경우, 빛에 노출된 부분이 제거되므로 광원의 세기를 증가시키거나 노출 시간을 증가시킴으로써 나노 와이어의 선폭을 줄일 수 있다. 현상 단계에서는 현상액의 농도 및 현상 시간을 조절하여 선폭을 더 줄일 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 나노 와이어 제조 공정을 도시한 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 또는 실리콘 화합물로 된 기판(20)의 전영역 상에 크롬 금속막(21)을 도포한 다음, 상기 크롬 금속막(21) 상에 포토레지스트막(22)을 도포한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트막(22)이 도포된 기판(20)을 간섭 리소그라피 원리를 이용한 레이저 광(23)을 사용하여 노광 및 현상 공정을 실시한다.
그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트막(22) 상에는 상기 간섭 리소그라피 원리에 의하여 조사되는 레이저 광들의 보광 또는 상쇄 간섭의 주기에 따라 미소 선 패턴이 형성된다. 이와 같이 패터닝된 포토레지스트막(25)의 선 폭은 상기 간섭리소 그라피의 원리에서 사용하는 레이저 광의 파장, 세기, 노광 시간, 현상액의 농도 및 현상 시간에 따라 선폭을 조절할 수 있다. 간섭리소 그라피를 사용하면 선폭을 10~100 나노 미터(109 m)까지 조절할 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 패터닝된 포토레지스트막(25)을 마스크로 사용하여 플라즈마 건식 식각을 이용하여 상기 크롬 금속막(21)을 식각하여 나노 와이어(26)를 제조한다. 일반적으로 건식 식각은 플라즈마 내의 이온을 충돌시켜 물질을 뜯어내는 물리적 식각을 말한다. 이를 보통 비등방성 식각 이라고도 한다.
습식 식각은 화학적 용액에 넣고, 식각하고자하는 물질을 화학 반응에 의하여 식각하는 방법을 말한다. 이를 보통 등방성 식각이라고도 한다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 나노 와이어 상에 남아있는 패터닝된 포토레지스트막을 에싱(ashing)에 의하여 제거한다. 그런 다음, 상기 실리콘 기판(20) 상에 형성된 나오 와이어(26)를 분리하기 위하여 습식 식각을 실시한다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 나노 와이어(26)가 형성된 실리콘 기판(20)을 상기 나노 와이어(26)와 실리콘 기판(20)의 식각 선택비를 조절한 식각 용액에 넣고 식각한다. 이렇게 식각 공정을 하면, 상기 나노 와이어(26)는 선택비에 따라 식각되지 않고, 상기 실리콘 기판(20)만 상기 나노 와이어(26)를 마스크로한 식각이 이루어진다. 이때, 식각 시간과 선택비를 조절하여 상기 나노 와이어(26) 하부에서 언더 컷(under cut)이 발생하도록 한다.
반도체 제조 공정중 식각 공정에서 발생하는 언더 컷은 치수 불량, 단선을 유발하는 원인이 되지만, 상기 본 발명에서는 실리콘 기판과 완성된 미소 나노 와이어를 분리하는 용도로 사용된다.
이렇게 등방성 식각에 의하여 적절한 언더 컷을 조절하면, 상기 나노 와이어는 식각되지 않고, 상기 실리콘 기판(20)에서 분리할 수 있다.
또한, 상기에서의 나노 와이어 재료는 크롬을 중심으로 설명되었지만, 이것뿐 아니라 일반적으로 사용되어지고 있는 GaAs, GaN, Pt, Au 및 Cu 등에도 동일하게 적용하여 나노 와이어를 제조할 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 광학적 기구인 간섭 리소그라피와 반도체 식각 공정을 사용하여 정밀한 나노 와이어를 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 반도체 제조 공정을 그대로 사용하면 되므로, 별도의 추가되는 제조 장비와 공정이 없어 제조 단가가 저렴해지는 이점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
Claims (5)
- 와이어 금속막이 도포된 기판을 제공하는 단계;상기 와이어 금속막 상에 전 영역에 포토레지스트막을 도포하는 단계;상기 포토레지스트막이 도포된 기판에 간섭 리소그라피 방법을 사용한 레이저 광으로 노광 및 현상 공정을 실시하여 상기 포토레지스트막 상에 미소 선 패턴을 형성하는 단계;상기 패터닝된 포토레지스트막을 마스크로 사용하여 상기 와이어 금속막을 플라즈마 건식 식각하여 나노 와이어를 형성하는 단계;상기 패터닝된 포토레지스트막을 에싱하고, 습식 식각을 실시하여 상기 나노 와이어를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 와이어 금속막은 Cr, GaAs, GaN, Pt, Au 및 Cu 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판의 재질은 실리콘 혹은 실리콘 화합물인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토레지스트막 상에 형성되는 선 패턴의 폭은 10~100 나노 미터 인것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노 와이어를 분리하는 습식 식각은 상기 기판과 나노 와이어의 식각 선택비를 이용하여 상기 기판만을 식각하여 분리하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조방법.
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