KR20130085467A - 노광용 마스크, 그 제조 방법 및 그 마스크를 이용한 기판의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판 위에 형성되어 있으며, 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있는 불투명층 패턴; 상기 기판 및 상기 불투명층 패턴 위에 형성되어 있는 제1 유전체층; 및 상기 제1 유전체층 위에 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층을 포함하며, 상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용하는 노광용 마스크, 노광용 마스크의 제조 방법 및 노광용 마스크를 이용한 기판의 제조 방법에 대한 발명이다.

Description

노광용 마스크, 그 제조 방법 및 그 마스크를 이용한 기판의 제조 방법{MASK FOR PHOTOLITHOGRAPHY, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND MANUFACTURING METHOD OF SUBSTRATE USING THE MASK}

본 발명은 노광용 마스크, 그 제조 방법 및 마스크를 이용한 기판의 제조 방법에 대한 것이다.

오늘날 평면 표시 장치는 다양한 방식으로 분화되어 발전하고 있다. 평면 표시 장치로 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치, 전기 영동 표시 장치, MEMS 표시 장치, 3D 표시 장치와 같은 다양한 표시 장치가 존재하며, 각 분야 별로 기술 발전이 이루어지고 있다.

이와 같은 기술 발전과 함께 평면 표시 장치 업계는 미세 패턴을 형성할 필요성이 대두되고 있다. 평면 표시 장치 업계는 반도체 업계와 달리 미세 패턴을 형성하여 집적도를 향상시킬 필요성이 적어 그간 사용하는 노광기의 한계 해상도를 넘는 미세 패턴을 형성할 필요성이 없었다.

하지만, 평면 표시 장치가 다양한 분야로 발전되면서, 표시 품질을 향상시키기 위하여 화소 또는 표시 패널에 별도의 구성 요소나 미세 패턴을 형성하는 경우가 많아지고, 표시 장치의 해상도를 높이기 위하여 화소의 크기도 작게 형성하게 되면서 노광기의 한계 해상도를 넘는 미세 패턴을 형성하는 것에 대해서도 고민할 필요성이 대두되고 있다.

이상과 같은 필요성에 따라서 노광기의 한계 해상도를 넘는 미세 패턴을 형성하기 위해서는 해상도가 높은 노광기를 사용하는 것이 가능하다. 즉, 노광기에서 사용하는 광원을 변경하거나 노광기의 NA값을 증가시키면 한계 해상도는 감소한다. 특히, 표시 장치를 제조하는데 사용되는 노광기는 광원을 복수개 가지는 복합 파장 광원을 사용하고 있어 해상도를 줄이는데 한계가 있지만, 광원을 한 개만 사용하는 단파장 광원을 사용하면 한계 해상도를 감소시킬 수 있다. 하지만 이와 같은 방법은 노광기의 개조 및 신규 설비의 도입이 필요하여 많은 비용과 시간이 필요하다. 또한 단파장 광원으로 의 변경 및 NA값의 증가는 한계 해상도의 감소뿐만 아니라 초점 심도(Depth of Focus)를 감소시키게 되므로 대면적 기판을 사용하는 표시 장치 업계에서는 균일성(Uniformity)에 따른 불량 발생이 발생하는 문제가 있다.

한편, 노광기에서 제시하는 한계 해상도를 넘는 미세 패턴을 형성하기 위하여 기존 마스크를 이용하여 형성하는 경우도 있다. 이와 같은 경우 노광기의 한계 해상도를 넘기 때문에 빛의 회절로 인하여 형성된 미세 패턴에 불량이 많아 수율 저하 및 불량품의 발생 빈도가 높아지는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 노광기의 교체 없이 노광기의 한계 해상도를 넘는 미세 패턴을 형성할 수 있는 노광용 마스크를 제공하고자 한다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 복합 파장 광원을 사용하는 노광기에서 방출된 빛을 작업 대상에 조사하는 마스크로서, 기판; 상기 기판 위에 형성되어 있으며, 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있는 불투명층 패턴; 상기 기판 및 상기 불투명층 패턴 위에 형성되어 있는 제1 유전체층; 및 상기 제1 유전체층 위에 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층을 포함하며, 상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용한다.

상기 Quasi bound 모드는 공간 주파수(kx)값이 줄어들수록 전자기파의 에너지(eV)가 증가할 수 있다.

상기 음굴절율 메타물질층은 상기 공간 주파수(kx)가 낮은 값을 가지는 범위에서 음굴절율을 가질 수 있다.

상기 낮은 공간 주파수(kx)의 값은 0.005이상 0.03이하일 수 있다.

상기 작업 대상의 최상층과 상기 노광용 마스크 사이의 간격은 0 초과 35㎛ 이하일 수 있다.

상기 노광용 마스크는 상기 음굴절율 메타물질층 위에 형성되어 있는 제2 유전체층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크의 제조 방법은 기판위에 빛을 투과시키지 않는 물질로 불투명층 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판 및 상기 불투명층 패턴위에 제1 유전체층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 유전체층 위에 음굴절율 메타물질층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용한다.

상기 노광용 마스크는 상기 음굴절율 메타물질층 위에 형성되어 있는 제2 유전체층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용한 기판의 제조 방법은 포토 레지스트를 포함하는 작업 대상인 기판과 복합 파장 광원을 가지는 노광기 사이에 노광용 마스크를 위치시키는 단계; 상기 노광기에서 상기 노광용 마스크로 빛을 조사하여 일부 빛은 상기 포토 레지스트로 전달하는 단계; 및 상기 포토 레지스트를 현상하는 단계를 포함하며, 상기 노광용 마스크는 기판; 상기 기판 위에 형성되어 있으며, 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있는 불투명층 패턴; 상기 기판 및 상기 불투명층 패턴 위에 형성되어 있는 제1 유전체층; 및 상기 제1 유전체층 위에 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층을 포함하며, 상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용한다.

상기 작업 대상인 기판의 상기 포토 레지스트와 상기 노광용 마스크 사이의 간격은 0 초과 35㎛ 이하일 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에 의하면 노광기를 교체하거나 변경을 가하지 않고도 노광기가 가지는 한계 해상도보다 미세한 패턴을 형성할 수 있어 비용을 절약할 수 있다.

또한, 노광용 마스크에 음굴절률 메타 물질을 사용하여 표면 플라즈몬 공명 또는 음향양자 공명을 발생시켜 전자기파의 진행 거리에 따라 지수 함수적으로 소멸하는 소산파를 복원하여 회절 한계를 넘어 고분해능이 가능하도록 한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 제조하는 순서에 따라 도시된 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노광용 마스크를 도시한 사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 노광용 마스크를 이용하여 노광하는 단계를 도시한 사시도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 사용하여 실제 노광 및 현상 후 포토 레지스트의 단면을 보여주는 사진이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용하는 경우 포토 레지스트의 표면에서의 빛의 강도를 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
도 15 내지 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 투과한 빛을 수식을 이용하여 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
도 24는 노광 방식에 따른 광학계 및 특성의 차이를 도시한 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 사용하여 기판을 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크 및 그 제조 방법에 대하여 도 1 내지 도 5를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 제조하는 순서에 따라 도시된 사시도이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노광용 마스크를 도시한 사시도이다.

먼저 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 쿼츠 따위의 기판(100) 위에 크롬 등의 빛을 차단시키는 불투명층 패턴(110)이 형성되어 있다. 기판(100)과 불투명층 패턴(110)을 덮는 제1 유전체층(120)이 형성되고, 제1 유전체층(120)을 덮으며, 금속으로 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층(130)이 형성되어 있으며, 음굴절율층(130)을 덮는 제2 유전체층(140)이 형성되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에서 기판(100)과 불투명층 패턴(110)은 일반적인 마스크의 구조이며, 그 위에 제1 유전체층(120), 음굴절율 메타물질층(130) 및 제2 유전체층(140)을 위치시켜 표면 플라즈몬 공명 또는 음향 양자 공명을 발생시켜 전자기파의 진행거리에 따라 지수 함수적으로 소명하는 소산파를 복원하여 노광에 사용될 수 있도록 한다.

한편, 실시예에 따라서는 제2 유전체층(140)을 포함하지 않을 수 있으며, 이에 대해서는 도 5에 도시되어 있다.

도 5의 실시예에 다른 노광용 마스크는 쿼츠 따위의 기판(100) 위에 크롬 등의 빛을 차단시키는 불투명층 패턴(110)이 형성되어 있다. 기판(100)과 불투명층 패턴(110)을 덮는 제1 유전체층(120)이 형성되고, 제1 유전체층(120)을 덮으며, 금속으로 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층(130)이 형성되어 있다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크의 제조 방법을 살펴본다.

도 1에서 도시하고 있는 바와 같이 쿼츠로 이루어진 기판(100)의 위에 불투명층 패턴(110)을 형성한다. 불투명층 패턴(110)은 크롬으로 형성되며, 노광용 마스크를 이용하여 포토 리소그래피 공정에 의하여 형성할 패턴의 모양에 따라서 다양한 모양을 가질 수 있다. 도 1에서는 간략하게 선형 패턴으로 도시하였다. 쿼츠 기판(100)위에 크롬의 불투명층 패턴(110)을 형성하는 것은 종래의 마스크를 형성하는 기본적인 제조 방법이므로 상세하게 설명하지 않는다.

그 후, 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 기판(100) 및 불투명층 패턴(110)위에 제1 유전체층(120)을 스핀 코팅 방식으로 형성한다. 제1 유전체층(120)은 다양한 유전 물질로 형성될 수 있지만 본 실시예에서는 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트; )를 사용한다. 제1 유전체층(120)은 10 이상 500nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 음굴절율 메타물질층(130)의 두께와 비슷한 두께를 가지도록 형성될 수도 있다.

그 후, 도 3에서 도시하고 있는 바와 같이 제1 유전체층(120)위에 금속을 E-beam evaporate 방식으로 음굴절율 메타물질층(130)을 형성한다. 사용 가능한 금속 물질은 은, 금, 알루미늄 등 다양할 수 있으며, 본 실시예에서는 은(Ag)을 사용한다. 음굴절율 메타물질층(130)은 10 이상 150nm 이하의 두께를 가진다.

그 후, 도 4에서 도시하고 있는 바와 같이 음굴절율 메타물질층(130)위에 제2 유전체층(140)을 스핀 코팅 방식으로 형성한다. 제2 유전체층(140)도 제1 유전체층(120)과 같이 다양한 유전 물질로 형성될 수 있지만, 본 실시예에서는 PMMA로 형성한다. 제2 유전체층(140)은 10 이상 500nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 음굴절율 메타물질층(130)의 두께와 비슷한 두께를 가지도록 형성될 수도 있다.

도 2의 스핀 코팅은 불투명층 패턴(110)의 높이를 메우면서 제1 유전체층(120)을 형성하여야 하므로 스핀 코팅을 여러 번 수행하여야 할 수도 있다. 이에 반하여 도 4의 제2 유전체층(140)은 한번의 스핀 코팅으로도 형성될 수 있다.

도 2 내지 도 4에서 형성되는 제1 유전체층(120), 음굴절율 메타물질층(130) 및 제2 유전체층(140)의 평탄도는 각각 두께의 1/5 내지 1/10의 값을 가진다.

한편, 도 5의 실시예에 따른 노광용 마스크는 도 1, 도 2 및 도 3의 공정만으로 형성되며, 도 4의 공정은 불필요하다. 도 4의 실시예에 따른 노광용 마스크에서 제1 유전체층(120)과 제2 유전체층(140)의 두께의 합은 도 5의 실시예에 따른 노광용 마스크에서 제1 유전체층(120)의 두께와 같을 수 있다. 이는 두 노광용 마스크 간의 광학적 특성을 일치시키기 위한 것이며, 그 결과 도 5의 실시예에 따른 제1 유전체층(120)은 10 이상 1000nm 이하의 두께를 가진다.

이상과 같은 음굴절율 메타 물질층을 포함하는 노광용 마스크를 이용한 포토 리소그래피 공정에 대하여 이하의 도 6 내지 도 9를 이용하여 살펴본다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 노광용 마스크를 이용하여 노광하는 단계를 도시한 사시도이다.

먼저 도 6에서는 도 4에서 도시된 노광용 마스크의 상하를 뒤집어 도시하고 있다. 이는 일반적으로 노광 공정시 노광용 마스크의 상부에 노광기가 위치되고, 하부에 작업 대상이 위치하기 때문이다.

도 7을 참고하면, 노광용 마스크의 하부에 작업 대상인 대상 기판(200) 및 그 위에 적층되어 있는 포토 레지스트(210)가 도시되어 있다. 대상 기판(200) 및 포토 레지스트(210)의 사이에는 패터닝될 층이 존재하지만, 도면의 간략화를 위하여 생략하여 도시하였다.

또한, 도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 포토 리소그래피 공정에서는 노광용 마스크와 포토 레지스트(210)가 d의 간격으로 떨어져 있는 것이 도시되어 있다. 간격(d)은 실시예에 따라서 차이가 있지만, 0 초과 35㎛ 이하의 간격을 가질 수 있다.

그 후, 도 8에서와 같이 상부에 위치한 노광기(도시하지 않음)에서 빛을 조사하면, 노광용 마스크에서 불투명층 패턴(110)이 형성되지 않은 영역을 통하여 빛이 전달되며, 제1 유전체층(120), 음굴절율 메타물질층(130) 및 제2 유전체층(140)의 3중층(또는 도 5의 실시예인 경우에는 제1 유전체층(120) 및 음굴절율 메타물질층(130)의 2중층)으로 인하여 발생되는 플라즈모닉 공명 또는 음향양자 공명으로 인하여 소산파가 소멸하지 않고 작업 대상 기판(200)의 포토 레지스트(210)로 전달된다.

그 결과, 포토 레지스트(210)를 현상하면 도 9에서 도시한 바와 같이 노광기의 한계 분해능을 넘는 미세 패턴을 형성할 수 있게 된다.

도 6 내지 도 9에서는 도 4의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용하여 포토 리소그래피 공정을 설명하고 있지만, 도 5의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용하여 포토 리소그래피 공정이 진행될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서 사용되는 노광기는 단일 파장의 빛을 사용하지 않고 복합 파장을 이용한다. 즉, G(435nm), H(405nm), I(365nm)line 복합 파장의 광원을 사용한다.

이상과 같은 단계를 통하여 형성된 포토 레지스트(210)의 패턴에 대해서 도 10 내지 도 12를 통하여 살펴본다.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 사용하여 실제 노광 및 현상 후 포토 레지스트의 단면을 보여주는 사진이다.

도 10 내지 도 12는 도 6 내지 도 9의 단계를 통하여 실제 실험한 결과를 보여주는 사진으로 도 10에서는 포토 레지스트(210)의 상부면 폭이 855nm 이며, 피치가 2.04㎛인 패턴이 형성됨을 확인할 수 있다. 도 10에서 사용한 노광용 마스크에서 불투명층 패턴(110)의 폭 및 그 사이 간격은 1㎛였다.

또한, 도 11에서는 포토 레지스트(210)의 상부면 폭이 1.19㎛인 패턴이 형성됨을 확인할 수 있다. 도 11에서는 피치가 얼마인지 측정하지 않았지만, 일반적으로 상부면의 폭의 두배 정도이므로 피치가 약 2.38㎛일 것으로 예상된다. 도 11에서 사용한 노광용 마스크에서 불투명층 패턴(110)간의 폭 및 그 사이 간격은 1.5㎛였다.

또한, 도 12에서는 포토 레지스트(210)의 상부면 폭이 1.73㎛인 패턴이 형성됨을 확인할 수 있다. 도 12에서도 피치가 얼마인지 측정하지 않았지만, 일반적으로 상부면의 폭의 두배 정도이므로 피치가 약 3.46㎛일 것으로 예상된다. 도 12에서 사용한 노광용 마스크에서 불투명층 패턴(110)간의 폭 및 그 사이 간격은 2㎛였다.

도 10 내지 도 12와 같이 포토 리소그래피 공정 후 포토 레지스트(210)에는 피치가 약 2㎛ 이상 3.5㎛이하의 패턴이 형성됨을 확인하였다. 일반적으로 복합 파장을 사용하는 노광기의 경우 형성할 수 있는 패턴의 한계 피치값이 약 5㎛정도이므로 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에 의하면 보다 미세한 패턴을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

이하에서는 도 13 내지 도 21을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에 대한 시뮬레이션 결과를 살펴본다.

먼저 도 13 및 도 14를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에 대한 빛의 강도(Intensity)를 살펴본다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용하는 경우 포토 레지스트의 표면에서의 빛의 강도를 시뮬레이션한 결과 그래프이다.

먼저, 도 13 및 도 14에서 도시된 그래프는 가로 방향은 거리이며, 단위는 ㎛이고 세로 방향은 시뮬레이션 된 전자기파의 강도(Intensity)를 나타낸다. 전자기파의 강도는 포토 레지스트(PR)에서의 강도이다.

또한, 도 13 및 도 14에서는 각각 4개의 그래프를 포함하고 있는데, 좌상측에 위치한 그래프는 노광용 마스크가 PMMA-Ag-PMMA(도 4의 실시예)을 포함하며, 그 아래에 포토 레지스트(PR)가 형성된 상태를 시뮬레이션 한 것이며, 우상측에 위치한 그래프는 노광용 마스크가 PMMA-Ag(도 5의 실시예)를 포함하며, 그 아래에 포토 레지스트가 형성된 상태를 시뮬레이션 한 것이다. 한편, 좌하측에 위치한 그래프는 노광용 마스크가 PMMA만을 포함하며, 그 아래에 포토 레지스트(PR)가 형성된 상태를 시뮬레이션 한 것이며, 우하측에 위치한 그래프는 노광용 마스크가 PMMA도 포함하지 않고 기판(100)과 불투명층 패턴(110)만 포함하며, 그 아래에 포토 레지스트가 형성된 상태를 시뮬레이션 한 것이다.

먼저, 도 13을 살펴본다. 도 13에서는 노광용 마스크에서 불투명층 패턴(110)간의 폭 및 그 사이 간격은 1.5㎛인 경우로 시뮬레이션 하였다.

도 13에서 도시하고 있는 바와 같이 위쪽에 도시된 두 그래프에서는 빛이 투과되는 영역과 빛이 투과되지 않는 영역이 명확하게 구분되고 있다. 그러므로 포토 레지스트가 명확하게 구분되어 패턴을 형성할 수 있다.

하지만, 도 13의 아래쪽에 도시된 두 그래프에서는 빛이 차단되어야 할 영역에서도 빛이 일부 투과되는 것을 확인할 수 있다. 실제 포토 리소그래피 공정에서는 빛을 조사하는 시간이 지속되게 되므로 일부 투과되는 빛이 지속적으로 조사되어 포토 레지스트에서는 해당 부분에도 빛이 조사되는 문제가 생기고 그 결과 패턴이 명확하게 형성되지 못한다.

도 13에서의 시뮬레이션 결과에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 도 4 및 도 5의 노광용 마스크를 사용하면 1.5㎛의 패턴(피치는 약 3㎛인 패턴)을 형성하는데 문제가 없음을 확인할 수 있다.

한편, 도 14에서는 노광용 마스크에서 불투명층 패턴(110)간의 폭 및 그 사이 간격은 2㎛인 경우로 시뮬레이션 하였다.

도 14에서도 위쪽에 도시된 두 그래프에서는 빛이 투과되는 영역과 빛이 투과되지 않는 영역이 명확하게 구분되고 있다. 그러므로 포토 레지스트가 명확하게 구분되어 패턴을 형성할 수 있으며, 아래쪽의 두 그래프에서는 빛이 차단되고 있지 않아 명확한 패턴의 포토 레지스트를 구현할 수 없다.

그러므로 도 14의 결과를 통하여 도 4 및 도 5의 노광용 마스크를 사용하면 2㎛의 패턴(피치는 약 4㎛인 패턴)을 형성하는데 문제가 없음을 확인할 수 있다.

이하에서는 도 15 내지 도 23을 통하여 전자기파에 대한 광학 전달 함수 OTF (Optical Transfer Function)을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크의 광학적 특징을 살펴본다.

도 15 내지 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 투과한 빛을 수식을 이용하여 시뮬레이션한 결과 그래프이다.

일반적으로, 광학계의 이미지 품질을 측정하기 위해 광학전달함수(OTF)를 사용하며, 아래의 수학식 1과 같이 표시된다.

[수학식 1]

즉, 광학전달함수(OTF)는 이미징 면의 자기장(Himg)과 입사면의 자기장(Hobj)의 비로 표시되며, 빛이 물질을 통과한 후 빛의 강도(intensity)를 알려주는 식이다. 이를 풀면, 위의 수학식 1과 같이 MTF(kx)exp[-iPTF(kx)]로 표현된다. 여기서 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)는 광학전달함수(OTF)의 크기를 나타내는 값이고, 위상전달함수(Phase Transfer Function, PTF)는 광학전달함수(OTF)의 위상을 나타낸다. 또한, kx는 공간 주파수이고, kz는 정보전달 웨이브 벡터(아래의 수학식 2 참고)이다. 위의 수학식 1은 도 15에서 도시한 바와 같은 조건을 기초로 생성된 수식이다.

도 15에서 Medium 1 및 Medium 2는 각각 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에서 제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)으로 볼 수 있으며, 그 사이의 NFSL은 음굴절율 메타물질층(130)으로 볼 수 있다.

넓은 범위의 공간 주파수(kx)에서 광학전달함수(OTF)의 값이 1일 경우, 근접장 슈퍼렌즈(Near Field Super Lens, NFSL)는 물체면(object plane)의 정보를 이미지면(image plane)에 완벽하게 복원하는 Perfect lens가 되고 약 1/(Δkx)의 해상도를 갖게 된다. 따라서 지금까지의 연구 동향은 인덱스 일치 방법(index matching method; 음굴절률 메타물질과 그 주변을 감싸고 있는 양굴절률 물질의 굴절률 또는 유전율의 실수부 크기를 일치시키는 방법)에서 Perfect lens 조건을 얻기 위해, 변조전달함수(MTF)의 향상에 많은 노력을 기울여 왔다.

하지만, 본 발명에 따른 노광용 마스크에서는 음굴절율 메타물질층(130)을 인덱스 일치 방법(Index matching method)을 사용하지 않는다. 이 경우에는 매질의 전자기파 흡수에 의한 이미지 퍼짐(Image Blurring)이 필연적으로 발생하게 되고, 이는 전자기파의 투과율 저하 및 공간 주파수(spatial frequency) 성분들의 위상 변화를 일으켜 이미징 분해능 및 분해능 등을 현격히 저하시키기 때문이다.

본 발명에 따른 노광용 마스크는 수학식 1의 광학전달함수(OTF)에 의하여 최적화된 음굴절율 메타물질을 이용하는 노광용 마스크를 형성할 수 있어, 도 15 및 수학식 1을 통하여 조건이 정리되면 최적화된 노광용 마스크를 형성시킬 수 있다.

도 16 및 도 17에서는 각각 정보전달 웨이브 벡터(Kz)의 크기(가로축) 및 음굴절율 메타물질층(130)으로 은을 사용한 경우 은의 두께(세로축)에 따른 변조전달함수(MTF) 및 위상전달함수(PTF)를 보여준다.

도 16 및 도 17의 그래프를 보면 은의 두께에 따라서 변조전달함수(MTF) 및 위상전달함수(PTF)의 값이 다르다는 것을 확인 할 수 있다. 또 두 그래프는 노광용 마스크의 불투명층 패턴(110)의 폭에 따라서도 달라 질 수 있기 때문에 그것도 고려하여 노광용 마스크를 최적화한다. 도 16에서 변조전달함수(MTF)가 가로축 방향으로 값의 변화가 넓은 것이 좋다. 한편, 위상전달함수(PTF)도 도 17에서 변화하고 있지만, 실제 사용하는 노광기에서의 파장은 고정되어 있어 큰 의미를 가지기는 어렵다.

또한, 노광용 마스크를 최적화시키기 위해서는 은의 penetration depth도 고려해서 두께를 결정해야 한다. 두께에 따라서 OTF의 값이 달라지기 때문에 파장 값을 바꾸어 위상을 제어하는 방법과 같은 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본래의 능동형 위상제어 방법은 이미징 전달에 있어서 광원과 많은 관련이 있다. 다시 말하면 위상을 제어하기 위해서 광원을 변화 시키는 것을 의미한다. 하지만 표시 장치 및 MEMS 공정에 있어서 사용되는 노광기의 복합 파장은 항상 정해져 있기 때문에 일반적인 능동형 위상 제어 방법으로는 어려움이 있다. 따라서 본 발명에서는 광원을 바꾸는 방법이 아닌 음굴절률 메타물질층의 두께 변경을 통해서 같은 광원에서 더 좋은 노광 이미징을 얻는 방법을 사용한다. 이는 파장이 고정 되어있는 공정에서 위상을 제어할 수 있는 방법은 본 발명에서 제안하는 방법이 유일하다고 할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 도 18 및 도 19에서 도시하고 있는 바와 같이 분산 모드(dispersion mode)로 Quasi-bound mode를 이용하여 최적의 노광용 마스크를 형성한다.

본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 금속 박막과 유전체 사이의 표면 플라즈모닉 현상에 의해 구현되는데, 도 18은 금속 박막과 유전체 사이 의 표면 플라즈모닉 현상의 분산(dispersion)을 나타낸 것이다. 기존 슈퍼렌즈는 파장보다 작은 패턴을 형성시키기 위해서 높은 공간 주파수(kx)를 가지는 범위(High frequency surface Plasmon)를 사용할 필요가 있었다. 그 결과 설계는 유전체와 금속의 두께 및 소재의 조절을 통해서 원하는 파장에서 Bound mode의 분산 그래프의 끝자락에 원하는 빛의 파장이 위치하도록 하는 것이 목표였다. (원으로 표시함) 따라서 Bound mode를 얻기 위해서 하나의 유전체가 금속의 양면을 감싸고 있는 형태(symmetric)의 렌즈를 설계를 통해 손실도 줄이고 원하는 파장에서 wave-vector(kz)가 최대값을 가지도록 두께를 설계했다.

도 18의 상부에 도시된 그래프를 보면, Quasi-bound 모드에서는 실선이 존재하지 않아 해당 모드가 존재하지 않는 것처럼 도시되어 있는데, 이는 도 18의 그래프가 실제 실험에 의한 데이터가 아니고 이상적인 가정하에 시뮬레이션 한 것이기 때문이다.

하지만, 실제 실험을 하는 경우에는 도 19에서 원형으로 표시한 부분처럼 Bound 모드와 Radiative 모드를 연결해주는 Quasi-bound 모드가 존재한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 기존의 슈퍼렌즈와는 다르게 파장보다 훨씬 큰 패턴을 형성 시켜야 했기 때문에 낮은 공간 주파수(kx)를 가지는 범위(Low frequency-surface Plasmon)에서 음굴절을 얻어야 한다. 즉, 19와 같이 기존의 수퍼렌즈 설계에서 고려하는 영역(Bound mode)이 아닌 도 19에서 원형으로 표시한 Quasi-bound mode(QB-mode)에서 적용이 되도록 설계를 해야 한다.

도 19에서 도시하고 있는 바와 같이 Quasi bound 모드는 공간 주파수(kx)값이 줄어들수록 전자기파의 에너지(eV)는 증가한다. 이와 같은 특징은 다른 모드인 Bound 모드 및 Radiative 모드와 차이점이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크의 음굴절율 메타물질은 공간 주파수(kx)값이 낮은 값을 가지면서 음굴절율을 가져야 하며, 바람직한 공간 주파수(kx)값은 0.005이상 0.03이하 일 수 있다.

QB-Mode에서는 앞장에서 Kz 가 실수값이 되기 때문에 렌즈를 통과한 빛이 바로 감쇠되는 것이 아니라 제한적이기는 하지만 Far-field로 진행하기 때문에 기존의 슈퍼렌즈와는 다르게 이미지를 멀리 전달할 수 있게 된다. 그 결과 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 작업 대상 기판의 포토 레지스트(210)와 일정 거리 떨어져 있을 수 있으며, 그 거리는 0 초과 35㎛ 이하의 값을 가진다.

또 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크에서는 유전체 층이 금속 주위를 감싸고 있는 (asymmetric)형태의 설계가 필요하다.

이상과 같은 결과에 대해서 물리학적인 원리를 살펴보면 포토마스크의 패턴은 공간주파수(kx)를 가지고 있다. 빛이 패턴을 전파할 때에는 아래와 같은 정보 전달 웨이브 벡터(kz)식을 가지고 전파하게 된다.

[수학식 2]

여기서

는 입사파에 대한 값이며, m은 하모닉을 의미한다.

또한,

는 패터닝 공간 주파수로 그 값은 퓨리에 급수의 하모닉으로 존재하며, 고차원의 하모닉값이 전달될수록 정확하게 이미지가 전달되는 것을 의미한다. 여기서 분해능의 한계가 있다는 것은 하모닉으로 존재하는 빛이 하나도 이미지 평면으로 전달되지 않는다는 것을 의미한다. 하지만 일반적으로 전달되지 않는 하모닉의 빛도 본 발명에 의해서 증폭되어 이미지 평면에 전달됨으로서 정확한 이미지를 전달할 수 있게 되고 광학 시스템의 분해능을 넘어서는 미세패턴을 형성할 수 있도록 한다.

도 20에서는 정보 전달 웨이브 벡터(kz)가 제1 유전체층(120), 음굴절율 메타물질층(130) 및 제2 유전체층(140)을 지남에 따라 값이 변하는 것을 보여준다. 여기서, 제1 유전체층(120)은 PMMA로 형성되며, 20㎛의 두께를 가지고, 음굴절율 메타물질층(130)은 은(Ag)로 40㎛의 두께를 가지며, 제2 유전체층(140)은 PMMA로 형성되며, 20㎛의 두께를 가지는 경우이다. 또한, 도 20의 각 그래프는 하나의 m값에 대한 것이다.

일반적으로 m값이 커짐에 따라서 정보 전달 웨이브 벡터(kz)의 크기도 줄어들며, 1㎛선 폭의 경우 m=7일 때까지 빛은 포토 레지스트(210)까지 전파가 되지만 m=8부터는 소산파가 되어 포토 레지스트(210) 면까지 전달 되지 못한다. 하지만 도 20처럼 음굴절률 메타물질층(130)을 사용하는 노광용 마스크를 사용하면 m=8 이후의 소산파를 복원시켜 주기 때문에 포토 레지스트(210)까지 정보가 전달되고 광학계에서 발생하는 이미징의 한계를 극복 할 수 있게 된다. 도 20에서도 m=8인 경우 소멸되어야 하는 소산파가 소멸되지 않아 그 값이 급격하게 커진 것을 확인할 수 있다. m값이 9 및 10인 경우도 8인 경우에 비하면 값이 떨어져 있지만, m값이 0부터 7인 경우에 비하면 상대적으로 높은 값임을 알 수 있어 소산파가 일부 소멸하지 않고 있음을 확인할 수 있다.

한편, 도 21 내지 도 23은 정보 전달 웨이브 벡터(kz)의 값이 이미지 면에 전달되었을 때의 형태를 계산을 통해서 그린 것이다.

도 21에서는 m값이 1부터 7을 가져 총 7개의 정보 전달 웨이브 벡터(kz)값을 합한 그래프이며, 도 22는 m값이 1부터 9를 가져 총 9개의 정보 전달 웨이브 벡터(kz)값을 합한 그래프이고, 도 23은 m값이 1부터 16을 가져 총 16개의 정보 전달 웨이브 벡터(kz)값을 합한 그래프이다.

도 21 내지 도 23에서 도시하고 있는 바와 같이 정보 전달 웨이브 벡터(kz)에 포함되는 m이 많아 질수록 그 형태가 정확한 패턴의 형태를 가지는 것을 알 수 있다.

이하에서는 도 24를 이용하여 노광 방식에 따른 차이점 및 본 발명의 특징을 살펴본다.

도 24는 노광 방식에 따른 광학계 및 특성의 차이를 도시한 도면이다.

도 24에서 도시하고 있는 바와 같이 포토 리소그래피의 방식은 크게 세가지로 나눌 수 있으며, 마스크와 기판의 포토 레지스트간의 거리에 의하여 구분되어 있다.

먼저 콘택트(contact) 방식은 포토 레지스트와 마스크가 거의 붙어 있으며, 둘 사이의 간격이 수 나노 미터이다. 이 경우 광학계(optical system)은 광원(light source)와 마스크 사이에만 존재한다.

한편, 프로젝션(projection) 방식은 포토 레지스트와 마스크가 멀리 떨어져 있는 경우로 마스크와 포토 레지스트 사이에도 광학계가 위치하고 있다.

마지막으로, 프록시머티(proximity) 방식은 콘택트(contact) 방식과 프로젝션(projection) 방식의 중간 방식으로 포토 레지스트와 마스크가 마이크로 미터 단위로 떨어져 있는 방식이다. 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 포토 레지스트와 0 초과 35㎛ 이하의 간격을 가지므로 프록시머티(proximity) 방식에 준한다. 즉, 본 발명은 콘택트 방식부터 프록시머티 방식까지 적용될 수 있다. 이는 소산파가 소멸되지 않는 범위에서는 적용 가능하기 때문이다. 종래의 콘택트 방식과 본 발명에 따른 노광용 마스크의 가장 큰 차이점은 Quasi-Bound 모드를 사용하여 노광한다는 점에 있다.

즉, 도 24에 도시한 방식들은 마스크와 포토 레지스트 간의 간격에 차이가 있어 광학계에서 오는 한계 분해능이 다르며, 미세 패턴을 형성하기 위해서 일반적으로는 콘택트 방식이 사용되지만, 본 발명의 실시예에서는 콘택트 방식뿐만 아니라 프록시머티 방식도 사용가능하다.

그러므로 본 발명은 플라즈모닉 공명 또는 음향양자 공명으로 인해 생성되는 근접장 광학 현상(0 초과 35㎛ 이하의 거리)은 기존 광선 광학에서 볼 수 없었던 특성(소산파가 소멸하지 않음)을 가지고 있어 고분해능 실현이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크는 표시 장치의 제작에 사용되므로 대형 기판의 패터닝에 사용되어야 하는 만큼 수십 나노 단위의 패턴의 전사에서만 사용되던 종래의 회절 한계 극복 방법과 차이가 있다.

이하에서는 도 25를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용하여 작업 대상에 패턴을 형성하는 기판 제조 방법에 대하여 살펴본다.

도 25는 본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 사용하여 기판을 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 실시예에 따른 노광용 마스크를 이용하여 작업 대상인 기판에 패턴을 형성하기 위해서는 먼저 노광용 마스크를 작업 대상인 기판과 노광용 마스크 사이에 위치시켜야 한다. (S10)

여기서 작업 대상인 기판에는 광감성을 가지는 층(예를 들면, 포토 레지스트)가 형성되어 있다. 또한, 본 발명에서 사용하는 노광기는 복합 파장의 광원을 가진다.

특히 본 발명에서는 노광용 마스크와 작업 대상인 기판 사이의 간격을 0 초과 35㎛ 이하로 한다.

그 후, 노광기의 복합파장 광원을 켜서 노광용 마스크로 빛을 조사한다. (S20) 노광용 마스크로 조사된 빛은 일부만 투과되어 작업 대상인 기판위의 포토 레지스트로 전달된다.

본 발명에서는 일반적인 마스크의 구조위에 제1 유전체층(120) 및 음굴절율 메타물질층(130)을 위치(제2 유전체층(140)을 포함할 수도 있음)시켜 표면 플라즈몬 공명 또는 음향 양자 공명을 발생시켜 전자기파의 진행거리에 따라 지수 함수적으로 소명하는 소산파를 복원하여 노광에 사용한다.

그 후, 포토 레지스트를 현상하여 마스크의 정보에 따른 패턴을 형성한다. (S30) 그 후, 식각 단계를 거쳐 원하는 패턴을 형성한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 기판 110: 불투명층 패턴
120: 제1 유전체층 130: 음굴절율 메타물질층
140: 제2 유전체층 200: 대상 기판
210: 포토 레지스트

Claims (20)

1. 복합 파장 광원을 사용하는 노광기에서 방출된 빛을 작업 대상에 조사하는 마스크로서,
   기판;
   상기 기판 위에 형성되어 있으며, 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있는 불투명층 패턴;
   상기 기판 및 상기 불투명층 패턴 위에 형성되어 있는 제1 유전체층; 및
   상기 제1 유전체층 위에 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층을 포함하며,
   상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용하는 노광용 마스크.
2. 제1항에서,
   상기 Quasi bound 모드는 공간 주파수(kx)값이 줄어들수록 전자기파의 에너지(eV)가 증가하는 노광용 마스크.
3. 제1항에서,
   상기 음굴절율 메타물질층은 상기 공간 주파수(kx)가 낮은 값을 가지는 범위에서 음굴절율을 가지는 노광용 마스크.
4. 제3항에서,
   상기 낮은 공간 주파수(kx)의 값은 0.005이상 0.03이하인 노광용 마스크.
5. 제1항에서,
   상기 작업 대상의 최상층과 상기 노광용 마스크 사이의 간격은 0 초과 35㎛ 이하인 노광용 마스크.
6. 제1항에서,
   상기 노광용 마스크는 상기 음굴절율 메타물질층 위에 형성되어 있는 제2 유전체층을 더 포함하는 노광용 마스크.
7. 제6항에서,
   상기 Quasi bound 모드는 공간 주파수(kx)값이 줄어들수록 전자기파의 에너지(eV)가 증가하는 노광용 마스크.
8. 제6항에서,
   상기 음굴절율 메타물질층은 상기 공간 주파수(kx)가 낮은 값을 가지는 범위에서 음굴절율을 가지는 노광용 마스크.
9. 제8항에서,
   상기 낮은 공간 주파수(kx)의 값은 0.005이상 0.03이하인 노광용 마스크.
10. 제6항에서,
    상기 작업 대상의 최상층과 상기 노광용 마스크 사이의 간격은 0 초과 35㎛ 이하인 노광용 마스크.
11. 기판위에 빛을 투과시키지 않는 물질로 불투명층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 기판 및 상기 불투명층 패턴위에 제1 유전체층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 유전체층 위에 음굴절율 메타물질층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용하는 노광용 마스크의 제조 방법.
12. 제11항에서,
    상기 노광용 마스크는 상기 음굴절율 메타물질층 위에 형성되어 있는 제2 유전체층을 더 포함하는 노광용 마스크의 제조 방법.
13. 제11항에서,
    상기 Quasi bound 모드는 공간 주파수(kx)값이 줄어들수록 전자기파의 에너지(eV)가 증가하는 노광용 마스크의 제조 방법.
14. 제11항에서,
    상기 음굴절율 메타물질층은 상기 공간 주파수(kx)가 낮은 값을 가지는 범위에서 음굴절율을 가지는 노광용 마스크의 제조 방법.
15. 제11항에서,
    상기 작업 대상의 최상층과 상기 노광용 마스크 사이의 간격은 0 초과 35㎛ 이하인 노광용 마스크의 제조 방법.
16. 포토 레지스트를 포함하는 작업 대상인 기판과 복합 파장 광원을 가지는 노광기 사이에 노광용 마스크를 위치시키는 단계;
    상기 노광기에서 상기 노광용 마스크로 빛을 조사하여 일부 빛은 상기 포토 레지스트로 전달하는 단계; 및
    상기 포토 레지스트를 현상하는 단계를 포함하며,
    상기 노광용 마스크는
    기판;
    상기 기판 위에 형성되어 있으며, 빛을 투과시키지 않는 물질로 형성되어 있는 불투명층 패턴;
    상기 기판 및 상기 불투명층 패턴 위에 형성되어 있는 제1 유전체층; 및
    상기 제1 유전체층 위에 형성되어 있는 음굴절율 메타물질층을 포함하며,
    상기 노광용 마스크에서 사용하는 분산 모드는 Quasi bound 모드를 사용하는 노광용 마스크를 이용한 기판 제조 방법.
17. 제16항에서,
    상기 작업 대상인 기판의 상기 포토 레지스트와 상기 노광용 마스크 사이의 간격은 0 초과 35㎛ 이하인 노광용 마스크를 이용한 기판 제조 방법.
18. 제16항에서,
    상기 노광용 마스크는 상기 음굴절율 메타물질층 위에 형성되어 있는 제2 유전체층을 더 포함하는 노광용 마스크를 이용한 기판 제조 방법.
19. 제16항에서,
    상기 Quasi bound 모드는 공간 주파수(kx)값이 줄어들수록 전자기파의 에너지(eV)가 증가하는 노광용 마스크를 이용한 기판 제조 방법.
20. 제16항에서,
    상기 음굴절율 메타물질층은 상기 공간 주파수(kx)가 낮은 값을 가지는 범위에서 음굴절율을 가지는 노광용 마스크를 이용한 기판 제조 방법.

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