KR20100053097A - 리소그래피 시스템과 리소그래피 방법 - Google Patents

리소그래피 시스템과 리소그래피 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 리소그래피 시스템으로서, 본 개시의 일측면은 광경화성 유체-상기 광경화성 유체는 제공되는 광에 따라 선택적으로 경화됨-가 흐르는 마이크로유체관; 및 상기 광경화성 유체의 흐름에 따라 이동하는 광을 상기 마이크로유체관에 제공하는 광 투영 장치를 구비하는 리소그래피 시스템을 제공한다.

Description

리소그래피 시스템과 리소그래피 방법{LITHOGRAPHY SYSTEM AND LITHOGRAPHY METHOD}
본 개시는 리소그래피 시스템과 리소그래피 방법에 관한 것이다.
마이크로구조물들(microstructures)은 광재료(photonic materials), MEMS(micro-electromechanical systems), 생체재료(biomaterials) 및 자기-조립(self-assembly) 등 많은 응용분야를 가진다. 최근에, 이러한 마이크로구조물들을 생성하는 기술로서 연속 흐름 리소그래피(continuous-flow lithography) 기술이 제안되었다(D. Dendukuri, D. Pregibon, J. Collins, T. Hatton, P. Doyle. "Continuous-flow lithography for highthroughput microparticle synthesis." Nature materials, vol. 5, pp. 365-369, 2006.). 연속 흐름 리소그래피 기술은 마이크로유체관(micorfluidic channel) 내부에 광경화성 유체(photocurable fluid)를 흐르게 하고, 광경화성 유체에 소정 모양의 광을 노출하여 광경화성 유체를 선택적으로 경화시킴으로써, 여러 종류의 자유로이 움직이는(free-floating) 마이크로구조물들을 연속적으로 생산하는 기술이다. 연속 흐름 리소그래피 기술을 사용하면 다양한 형태, 크기 및 화학 조성의 마이크로구조물들이 보다 빠르고 쉽게 생성될 수 있다.
그러나 상기 논문에 제안된 연속 흐름 리소그래피 기술은, 시간의 경과에 관계없이 일정한 모양의 포토마스크를 사용하여 일정한 속도로 흐르고 있는 광경화성 유체에 광을 고정된 모양으로 제공하므로, 제공된 광에 의해 광경화성 유체가 충분히 경화되기 전에 광경화성 유체가 이동함으로써 마이크로 구조물도 같이 이동하게 되어 마이크로구조물이 선명한 모양을 갖추기 어려운 문제점이 있다.
일 실시 예에 따르면, 마이크로유체관, 광 투영 장치를 구비하는 리소그래피 시스템이 개시된다. 상기 마이크로유체관은 광경화성 유체-상기 광경화성 유체는 제공되는 광에 따라 선택적으로 경화됨-가 흐른다. 상기 광 투영 장치는 상기 광경화성 유체의 흐름에 따라 이동하는 광을 상기 마이크로유체관에 제공한다.
또 일 실시 예에 따르면, 리소그래피 방법이 개시된다. 내부에 광경화성 유체가 흐르는 마이크로유체관을 제공한다. 광 투영 장치에 의하여 소정 패턴의 변조된 광을 상기 마이크로유체관에 제공한다. 상기 소정 패턴의 변조된 광을 시간의 경과에 따른 상기 광경화성 유체의 이동만큼 이동시켜서 상기 마이크로유체관에 제공하여 상기 광경화성 유체를 선택적으로 경화시킨다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 개시의 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 개시의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구조물들의 폭, 두께 또는 형상을 확대하여 나타내었다. 도면은 관찰자의 시점에서 설명되었고, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에 또는 위에”있다고 표현된 경우에는, “바로 상부에 또는 바로 위에”있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 의한 광유체적 리소그래피 시스템(Optofluidic maskless lithography system)을 기본으로 하고 실시간 컴퓨터 비전 시스템을 결합한 리소그래피 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 리소그래피 시스템(100)은 광 투영 장치, 축소 렌즈(demagnification lens, 120) 및 마이크로유체관(microfluidic channel, 110)을 구비한다. 광 투영 장치는 일례로 광원(light source, 160) 및 공간 광 변조기(spatial light modulator, 150)를 구비할 수 있다. 또한, 이동 마스크 리소그래피 시스템은 빔 분리기(beam splitter, 130), 이미지 센서(140) 및 제어부(170)를 더 구비할 수 있다
광원(160)은 마이크로유체관(110) 내에 흐르는 광경화성 유체(photocurable fluid)를 경화(curing)시킬 수 있는 광을 공간 광 변조기(150)에 제공하는 기능을 수행한다. 광원(160)은 일례로 자외선 광원(ultraviolet light source)일 수 있으며, 광경화성 유체의 종류에 따라 가시광선 광원(visible light source) 등일 수도 있다.
공간 광 변조기(150)는 광원(160)에서 제공된 광을 변조하는 기능을 수행한다. 도면에는 2차원 어레이 형태로 제작된 디지털 미소 반사표시기(DMD, digital micromirror device)가 도시되어 있다. 공간 광 변조기(150)는 도면과 달리 1차원 어레이 형태로 제작될 수도 있으며, 마이크로미러가 아닌 LCD(liquid crystal display) 등 다른 방식을 이용하여 제작될 수도 있다. 공간 광 변조기(150)에서 광 변조는 프로그램 가능하다. 즉, 공간 광 변조기(150)는 공간 광 변조기(150)에 포함된 화소들 중 원하는 화소들에 입사된 광을 원하는 시간에 축소 렌즈(120)로 전달할 수 있다. 공간 광 변조기(150)는 시간에 따라 모양이 변경되는 광을 생성할 수 있다. 공간 광 변조기(150)의 광 변조는 제어부(170) 일례로 컴퓨터에 의하여 제어될 수 있다. 즉, 제어부(170)에 의하여 생성된 이미지들이 프로그램 가능한(programmable) 공간 광 변조기(150)에 전달되며, 공간 광 변조기(150)는 마이크로유체관(110)에 노출되는 광의 패턴을 제어한다.
축소 렌즈(120)는 공간 광 변조기(150)에서 제공되는 변조된 광을 축소하여 마이크로유체관(110)에 제공하는 기능을 수행한다. 일례로, 축소 렌즈(120)로서 공간 광 변조기(150)의 상을 최종 객체 평면(object plane)에 대략 5의 축소율(demagnification factor)로 투사하기 위하여 10x 현미경 대물 렌즈가 사용된다.
마이크로유체관(110)의 내부에는 광경화성 유체가 흐르며, 광경화성 유체는 축소 렌즈(120)를 통하여 제공되는 변조된 광에 따라 경화되어 출력된다. 보다 구체적으로, 광경화성 유체가 연속적으로 흐르는 마이크로유체관(110) 내에서, 광경 화성 유체의 경화에 의하여 마이크로구조물들(microstructures)이 생성된다. 마이크로구조물들의 모양은 프로그램 가능한(programmable) 공간 광 변조기(150)에 의하여 제어될 수 있다. 여기에서, 마이크로유체관(110)은 관의 내부 너비, 내부 높이 및 내부 길이 중 적어도 어느 하나가 1mm 이하인 유체관을 의미한다. 또한, 마이크로구조물은 구조물의 너비, 두께 및 길이 중 적어도 어느 하나가 1mm 이하인 구조물을 의미한다. 마이크로구조물은 마이크로입자(microparticle) 및 나노구조물(nanostructure) 등을 총칭한다.
빔 분리기(130)는 공간 광 변조기(150)로부터 제공되는 변조된 광을 축소 렌즈(120)를 경유하여 마이크로유체관(110)에 전달하는 기능을 수행한다. 또한, 빔 분리기(130)는 마이크로유체관(110)으로부터 축소 렌즈(120)를 경유하여 전달된 이미지를 이미지 센서(140)로 전달하는 기능을 수행한다. 빔 분리기(130)는 일례로 도면과 같이 2색미러(dichroic mirror)일 수 있다.
이미지 센서(140)는 빔 분리기(130)로부터 광을 전달받아 입사되는 광에 대응하는 전기적인 영상신호를 제공하는 기능을 수행한다. 즉, 이미지 센서(140)은 마이크로유체관(110)의 이미지에 대응하는 전기적인 영상신호를 제공한다.
제어부(170)는 공간 광 변조기(150)를 제어한다. 보다 구체적으로, 제어부(170)는 공간 광 변조기(150)를 제어함으로써, 변조된 광의 패턴, 변조된 광의 위치 및 변조된 광의 이동 등을 제어한다. 제어부(170)는 예로서 컴퓨터일 수 있으며, 간단하게는 마이크로프로세서 또는 DSP(digital signal processor) 등일 수 있다. 제어부(170)는 이미지 센서(140)로부터 제공되는 전기적인 이미지 신호로부터 광경화성 유체의 속도를 구할 수 있으며, 구해진 유체의 속도에 따라 변조된 광의 이동 속도를 제어할 수 있다. 유체의 속도는 일례로 마이크로구조물이 흐르는 마이크로유체관을 시간을 달리하여 2회 촬영한 후에, 2회 촬영 사이의 시간 간격 및 마이크로구조물의 변위로부터 구해질 수 있다. 유체의 속도가 일정하게 유지된다면, 먼저 유체의 속도를 측정한 후에, 측정된 유체의 속도를 사용하여 변조된 광의 이동 속도를 지속적으로 제어할 수 있다.
도 2는 본 개시에 의한 리소그래피의 원리를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 마이크로유체관(110)은 일례로 이를 둘러싸는 PDMS(poly-dimethyl siloxane)에 의하여 형성된다. PDMS(112)는 다공성(porous)이므로, 산소가 PDMS(112)를 통과하여 마이크로유체관(110)의 내벽에 제공된다. 마이크로유체관(110)의 내벽에 제공된 산소는 광경화성 유체(111)의 경화를 방지하므로, 광경화성 유체(111) 중에서 마이크로유체관(110)의 내벽에 접한 부분에서는 경화가 일어나지 아니한다. 따라서, 광경화성 유체(111)의 경화에 의하여 형성된 마이크로구조물(113)은 마이크로유체관(110)의 내벽에 붙지 아니하고 자유 유동(free-flowing)하게 된다. 마이크로유체관(110)의 하부는 광투과성 기판(114)으로 밀폐되어 있다. 광투과성 기판(114)을 통하여 마이크로유체관에 광경화성 유체를 경화시키는 광이 제공된다. 광투과성 기판은 일례로 유리기판일 수 있다. 마이크로유체관(110)에 연결된 유체주입관(116)을 통해 광경화성 유체(111)가 주입되고 유체배출관(118)을 통해 광경화성 유체(111)가 배출된다. 따라서, 마이크로유체관(110) 내부에는 광경 화성 유체(111)가 유체주입관(116)에서 유체배출관(118) 방향으로 흐른다. 광경화성 유체(111)가 흐름에 따라 광경화성 유체의 경화에 의하여 형성된 마이크로구조물(113)도 같은 방향으로 유동하게 된다. 도 2에 나타난 본 개시의 일 실시예에 의하면 마이크로유체관 내부의 유체와 마이크로 구조물은 100 um/sec의 속도로 흐른다. 마이크로구조물의 유동속도에 맞추어 광 투영 장치에 의해 변조되어 마이크로유체관에 제공되는 광 또한 이동한다. 도 2를 참조하면, 일 실시예로 매 30ms마다 마이크로유체관에 제공되는 광은 이동한다. 변조된 광을 시간에 따라 이동시켜 마이크로유체관에 반복적으로 제공함에 따라 마이크로유체관 (110) 내부에서 유동하는 마이크로구조물(113) 또한 점차 뚜렷한 모양을 가지게 된다.
도 3은 도 2에서 마이크로유체관에 제공되는 광을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면으로서, 특히 소정 패턴(117)을 가지는 변조된 광이 광경화성 유체(111)의 흐름과 동일 속도로 이동하는 경우의 예를 나타내는 도면이다.
t=0ms인 경우의 광경화성 유체(111) 및 변조된 광을 각각 나타내는 도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 소정 패턴(117)을 가지는 변조된 광을 마이크로유체관(110)에 제공한다. 변조된 광의 노출 시간이 광경화성 유체(111)의 경화에 요구되는 노출 시간보다 짧으므로, 광경화성 유체(111)의 해당 부분이 완전히 경화되지 아니한다.
t=30ms인 경우의 광경화성 유체(111) 및 변조된 광을 각각 나타내는 도 3의 (c) 및 (d)를 참조하면, 상기 소정 패턴(117)을 가지는 변조된 광을 시간의 경과에 따른 광경화성 유체(111)의 이동만큼 이동시켜서 마이크로유체관에 제공한다. 도 3의 (a)에 비하여 광경화성 유체(111)가 우측으로 3um만큼 이동되었으므로, 도 3의 (b)에 비하여 우측으로 3um만큼 이동시킨 변조된 광을 마이크로유체관에 제공한다.
t=60ms인 경우의 광경화성 유체(111) 및 변조된 광을 각각 나타내는 도 3의 (e) 및 (f)를 참조하면, 상기 소정 패턴(117)을 가지는 변조된 광을 시간의 경과에 따른 광경화성 유체(111)의 이동만큼 이동시켜서 마이크로유체관에 제공한다. 도 3의 (a)에 비하여 광경화성 유체(111)가 우측으로 6um만큼 이동되었으므로, 도 3의 (b)에 비하여 우측으로 6um만큼 이동시킨 변조된 광을 마이크로유체관에 제공한다.
t=90ms인 경우의 광경화성 유체(111) 및 변조된 광을 각각 나타내는 도 3의 (g) 및 (h)를 참조하면, 상기 소정 패턴(117)을 가지는 변조된 광을 시간의 경과에 따른 광경화성 유체(111)의 이동만큼 이동시켜서 마이크로유체관에 제공한다. 도 3의 (a)에 비하여 광경화성 유체(111)가 우측으로 9um만큼 이동되었으므로, 도 3의 (b)에 비하여 우측으로 9um만큼 이동시킨 변조된 광을 마이크로유체관에 제공한다.
이러한 4회의 노출에 의하여 마이크로구조물(113)이 얻어진다. 도면에는 이해의 편의를 위하여 4회의 노출이 표현되어 있으나, 더 많은 노출이 수행될 수 있다. 일례로, 매 1ms마다 변조된 광을 0.1um씩 이동하면서 총 100회의 노출을 수행할 수도 있다.
이와 같이 광경화성 유체(111)의 이동에 따라 변조된 광을 이동시키면, 광경화성 유체를 멈출 필요가 없으므로 처리량(throughput)을 희생시키지 아니하면서도 높은 해상도의 마이크로구조물을 제작할 수 있다. 일례로, 광경화성 유체(111)의 경화에 100ms의 노출 시간이 요구되고, 광경화성 유체의 속도가 100um/sec라 가정하자. 만일 변조된 광을 이동시키지 아니하고 100ms 동안에 한 위치에 계속적으로 노출하면, 노출하는 동안 광경화성 유체(111)가 10 um 이동한다. 이 경우, 10 um의 패턴을 신뢰성 있게 제작하지 못한다. 만일 변조된 광을 매 3ms마다 이동시키면서 33회 노출하면, 각 노출 기간동안 광 경화성 유체(111)가 0.3um 이동한다. 이 경우, 1um의 패턴도 어느 정도 신뢰성 있게 제작될 수 있다. 또한, 상술한 것처럼 변조된 광을 단속적으로 노출할 수 있을 뿐만 아니라, 광경화성 유체의 이동에 따라 변조된 광을 이동시켜 연속적으로 노출함으로써 더욱 높은 해상도의 마이크로구조물을 제작할 수도 있다.
도 4는 본 개시에 의한 리소그래피 시스템 제어 프로그램의 유속측정 화면을 캡처한 사진이다. 변조된 광을 마이크로유체관 안의 유속과 같게 이동시키면서 노출하기 위해서는 먼저 유속을 측정해야 한다. 유체의 속도는 일례로 마이크로구조물이 흐르는 마이크로유체관을 시간을 달리하여 2회 촬영한 후에, 2회 촬영 사이의 시간 간격 및 마이크로구조물의 변위로부터 구해질 수 있다. 본 개시에서는 실시간 머신 비젼 시스템을 이용해서 실시간으로 유속을 알아내는 방법을 사용하였다.
도 5의 (a)에는 변조된 광을 이동시키지 아니한 경우에 형성된 마이크로구조물이 표현되어 있으며, 도 5의 (b)에는 변조된 광을 매 3ms마다 이동시키면서 33회 노출한 경우에 형성된 마이크로구조물이 표현되어 있다. 도면에서 스케일 바는 20 um의 길이를 가진다. 도면에서 알 수 있듯이, 변조된 광을 광경화성 유체의 흐름에 따라 이동시키면 보다 높은 해상도의 마이크로구조물을 얻을 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 광유체적 리소그래피 시스템(Optofluidic maskless lithography system)을 기본으로 하고 실시간 컴퓨터 비전 시스템을 결합한 리소그래피 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 리소그래피의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 소정 패턴(117)을 가지는 변조된 광이 광경화성 유체(111)의 흐름과 동일 속도로 이동하는 경우의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 리소그래피 시스템 제어 프로그램의 유속 측정 화면을 캡처한 사진이다.
도 5의 (a)는 변조된 광을 이동시키지 아니한 경우에 형성된 마이크로구조물을 찍은 사진이다.
도 5의 (b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 변조된 광을 매 3ms마다 이동시키면서 33회 노출한 경우에 형성된 마이크로구조물을 찍은 사진이다.

Claims (12)

  1. 광경화성 유체-상기 광경화성 유체는 제공되는 광에 따라 선택적으로 경화됨-가 흐르는 마이크로유체관; 및
    상기 광경화성 유체의 흐름에 따라 이동하는 광을 상기 마이크로유체관에 제공하는 광 투영 장치
    를 구비하는 리소그래피 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광 투영 장치는 시간에 따라 모양이 변경되는 변조된 광을 제공하는 리소그래피 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광 투영 장치는 광원; 및
    상기 광원에서 제공된 광을 변조하는 기능을 수행하는 공간 광 변조기를 구비하는 리소그래피 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광은 상기 광경화성 유체의 흐름과 동일한 속도로 이동하는 리소그래피 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광경화성 유체의 속도에 따라 상기 광의 이동 속도를 제어하는 제어부를 더 구비하는 리소그래피 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광의 이동 속도가 상기 광경화성 유체의 상기 속도와 동일하도록 상기 광 투영 장치를 제어하는 리소그래피 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로유체관의 이미지에 대응하는 전기적인 이미지 신호를 출력하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 신호로부터 상기 광경화성 유체의 속도를 구하며, 구해진 상기 광경화성 유체의 속도에 따라 상기 변조된 광의 이동 속도를 제어하는 제어부를 더 구비하는 리소그래피 시스템.
  8. (a) 내부에 광경화성 유체가 흐르는 마이크로유체관을 제공하는 단계; 및
    (b) 광 투영 장치에 의하여 소정 패턴의 변조된 광을 상기 마이크로유체관에 제공하는 단계; 및
    (c) 상기 소정 패턴의 변조된 광을 시간의 경과에 따른 상기 광경화성 유체 의 이동만큼 이동시켜서 상기 마이크로유체관에 제공하여 상기 광경화성 유체를 선택적으로 경화시키는 단계를 구비하는 리소그래피 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    (d) 상기 (c) 단계를 1회 이상 반복하는 단계를 더 구비하는 이동 마스크 리소그래피 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    (a') 상기 광경화성 유체의 속도를 구하는 단계; 및
    (b') 구해진 상기 광경화성 유체의 속도에 따라 상기 변조된 광의 이동 속도를 제어하는 단계를 더 구비하는 리소그래피 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 변조된 광의 이동 속도가 상기 광경화성 유체의 속도와 동일하도록 제어하는 리소그래피 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 광경화성 유체의 속도는 상기 마이크로유체관의 이미지에 대응하는 전기적인 이미지 신호로부터 구해지는 리소그래피 방법.
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