KR20150005156A - 리소그래피용 메타-포토레지스트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회절 한계 이하의 미세 패턴이 형성된 마스크 패턴을 기재에 전사할 수 있는 메타-포토레지스트 및 이를 이용한 리소그래피 방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 메타-포토레지스트는 감광성 수지층과 서로 이격 배열된 금속 입자의 층인 금속 입자층을 포함하며, 본 발명에 따른 리소그래피 방법은 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계; b1) 상기 적층체에 에너지를 인가하여 상기 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하여 메타-포토레지스트를 형성하는 단계; 및 c1) 마스크를 이용하여 상기 메타-포토레지스트를 노광하고, 노광된 메타-포토레지스트를 현상하는 단계;를 포함한다.

Description

리소그래피용 메타-포토레지스트{Meta-photoresist for Lithography}
본 발명은 리소그래피용 메타-포토레지스트에 관한 것으로, 상세하게, 회절 한계 이하의 리소그래피 구현이 가능한 메타-포토레지스트에 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 램프(파장=365nm)를 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.
이를 위해, 대한민국 공개특허 제2012-0132694호와 같이, 광의 전달 매체로 액상을 이용하는 액침 리소그래피 방법등이 제안된 바 있으나, 이러한 방법은 기 구축된 리소그래피 장비의 전반적인 교체 및 개발이 불가피하여 막대한 비용 및 연구개발이 선행되어야 하는 단점이 있다.
상술한 바와 같이, 새로운 광원에 의해 미세 선폭을 구현하는 방법은 이미 그 한계에 이르렀다 할 수 있으며, 미세 선폭과 높은 집적도의 구현이 가능하며, 저 비용으로, 기 구축된 리소그래피 공정 및 장비를 이용하여, 포토 마스크에 있는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 구조를 우수한 정밀도로 패터닝 할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2012-0132694호
본 발명은 기 구축된 리소그래피 공정 및 장비의 이용이 가능하며, 포토 마스크에 있는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 패턴을 우수한 정밀도로 전사할 수 있는 신규한 포토레지스트 및 이를 이용한 리소그래피 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 리소그래피용 메타-포토레지스트(I)는 감광성 수지층; 및 서로 이격 배열된 금속 입자의 층인 금속 입자층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)에 있어, 금속 입자층은 감광성 수지층에 함입된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)는 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 상기 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 적어도 상기 최하부면 또는 최상부면에 금속 입자층이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)의 두께는 50 내지 500nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)에 있어, 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)는 N개(2≤N≤8인 자연수)의 금속 입자층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 리소그래피용 메타-포토레지스트(II)는 감광성 수지층과 금속층이 교번 적층된 적층체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)에 있어, 금속층의 두께는 5 내지 50nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)에 있어, 감광성 수지층의 두께는 5 내지 100nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)는 N개(2≤N≤8인 자연수)의 금속층을 포함하며, 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 상기 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로 상기 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 메타-포토레지스트(III)는 감광성 수지층에 분산 함입되거나, 감광성 수지층의 표면에 분산된 금속 입자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)는 감광성 수지층의 감광성 수지 100 중량부를 기준으로, 20 내지 200 중량부의 금속 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 금속 입자가 분산되는 감광성 수지층의 표면은 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 최하부면과 최상부면에서 선택되는 표면 영역일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I 또는 II)에 함유되는 금속은 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다.
본 발명에 따른 리소그래피 방법(I)은 a) 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계; b1) 적층체에 에너지를 인가하여 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하여 메타-포토레지스트(I)를 형성하는 단계; c1) 마스크를 이용하여 메타-포토레지스트(I)를 노광하고, 노광된 메타-포토레지스트(I)를 현상하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 리소그래피 방법(II)은 a) 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계; b2) 마스크를 이용하여 적층체를 노광하는 단계; c2) 노광된 적층체에 에너지를 인가하여 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하는 단계; d) 금속층이 입자화된 적층체를 현상하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에 있어, 금속층의 두께는 5 내지 50nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에 있어, 적층체는 N개(2≤N≤8인 자연수)의 금속층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에 있어, 인가되는 에너지는 열 에너지, 진동 에너지 및 광 에너지에서 하나 이상 선택되는 에너지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에 있어, 입자화는 100 내지 300℃로 열처리하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에 있어, 적층체에 함유되는 금속은 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다.
본 발명에 따른 메타-포토레지스트는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 마스크 패턴을 정밀하게 전사할 수 있는 장점이 있으며, 종래의 기 확립된 리소그래피 공정에 사용되는 장치 및 방법을 고도한 변경 없이 사용 가능하여 상업적으로 활용 가능성이 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)의 단면을 도시한 다른 일 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)의 단면을 도시한 다른 일 단면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법에서 a) 단계의 적층체 형성 공정을 도시한 일 공정도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법에서 b1) 단계의 입자화 공정을 도시한 일 공정도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법에서 c1) 단계의 메타-포토레지스트를 이용한 노광 및 현상 단계를 도시한 일 공정도이며,
도 8은 기재에 Ag 금속층-감광성 수지층-Ag 금속층-감광성 수지층을 순차적으로 적층한 후, 50nm의 패턴이 형성된 크롬 마스크를 이용하고 광을 노광하여, 광의 진행을 관찰한 결과이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 메타-포토레지스트 및 리소그래피 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 발명에 따른 리소그래피용 메타-포토레지스트(I)는 감광성 수지층;과 서로 이격 배열된 금속 입자의 층인 금속 입자층;을 포함한다. 메타-포토레지스트(I)의 금속 입자층은 노광에 사용되는 광의 회절을 방지하여, 광의 회절 한계 이하의 구조(패턴)의 구현을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 리소그래피용 메타-포토레지스트(I)에 있어, 감광성 수지층은 감광성 수지 매트릭스(matrix)로 통칭될 수 있다.
상세하게, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I, 100)의 단면을 도시한 일 단면도로, 도 1에 도시한 바와 같이, 메타-포토레지스트(I)는 감광성 수지층(110) 및 금속 입자층(120)을 포함할 수 있다. 메타-포토레지스트(I)에 있어, 금속 입자층(120)은 리소그래피 대상인 기재(200)와 대향하는 방향, 구체적으로 기재와 접하는 방향을 하부로, 기재(200)와 접하는 측을 최하부면으로 하여, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 최하부면에 금속 입자층(120)이 위치하거나, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 감광성 수지층(110) 내부에 금속 입자층(120)이 함입되어 위치하거나, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 최하부면의 대향면인 최상부면에 위치할 수 있다. 이때, 메타-포토레지스트의 최상부면은 노광을 위한 마스크와 대향하는 면일 수 있다.
바람직하게, 리소그래피 후 기재 표면에 잔류하는 불순물을 방지하고 감광성 수지의 제거를 위해 통상적으로 사용되는 방법 및 물질(일 예로, 에칭액)을 그대로 사용할 수 있어 공정 변화를 최소화할 수 있으며, 노광시 감광성 수지의 화학적 변화를 저해하지 않는 측면에서, 금속 입자층(120)은 감광성 수지층(110) 내부에 함입된 구조가 바람직하다. 그러나, 노광시 사용되는 마스크의 일 면에 감광성 수지가 코팅되어 있고, 마스크의 감광성 수지가 코팅된 면이 메타-포토레지스트와 접하게 되는 경우, 금속 입자층(120)이 메타-포토레지스트의 최상부면에 위치하여도 무방하다.
금속 입자층(120)을 이루는 금속 입자의 형상은 구형, 잘려진 구형, 메타-포토레지스트의 두께 방향으로 눌린 구형(즉, 타원형 또는 렌즈형)일 수 있으나, 후술하는 바와 같이 금속층이 열처리에 의해 입자화되어 금속 입자층이 형성될 수 있음에 따라, 금속 입자가 엄밀한 의미의 구형에서 벗어날 수 있음은 물론이며, 열처리온도 및 시간에 따라 그 형태에 변화가 있을 수 있음은 물론이다.
금속 입자층(120)을 이루는 금속 입자들은 평면상 서로 이격 배열될 수 있는데, 금속 입자들이 배열되는 평면은 메타-포토레지스트(I)의 최상부면에서 최하부면으로의 방향을 두께방향으로 하여, 상기 두께 방향에 수직 내지 수직에 인접하는 면일 수 있으며, 수직에 인접하는 경우는 두께 방향과 금속 입자들이 배열되는 평면간의 각도가 45˚ 내지 135˚인 경우를 포함할 수 있다.
금속 입자층(120)을 이루는 금속 입자의 크기(평균 직경) 및/또는 단위 면적당 금속 입자의 수인 입자밀도는 광의 회절 방지 및 메타-포토레지스트(I) 내에서의 광의 전파에 영향을 미칠 수 있다.
금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm 일 수 있다. 금속 입자의 크기가 5nm 미만으로 너무 미세한 경우 메타-포토레지스트(I) 내 광의 회절 방지 효과가 미미하여 회절 한계 이하의 구조를 갖는 마스크 패턴이 기재에 전사되지 않을 위험이 있고, 금속 입자 크기가 150nm를 초과하여 너무 큰 경우, 광의 균일한 전파가 어렵고 현상에 의해 패턴화된 메타-포토레지스트(I)의 현상 단면(수지를 관통하는 표면)이 매끄럽지 않아 후속 공정(일 예로, 증착)의 정밀도를 떨어뜨리는 위험이 있다.
현상 단면의 거칠기를 감소시키고, 메타-포토레지스트(I) 내부에서 균일하게 광을 전파시키며, 광의 회절을 효과적으로 방지하는 측면에서, 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm, 구체적으로 5 내지 100nm, 보다 구체적으로 5 내지 50nm, 보다 더 구체적으로 5 내지 10nm일 수 있다.
금속 입자 밀도는, 메타 포토레지스트(I)에서 금속 입자층이 위치하는 단면을 기준으로, 금속 입자가 차지하는 면적비율이(금속 입자가 차지하는 면적/전체면적*100)이 40 내지 95%에 상응하는 밀도일 수 있다. 면적비율이 40% 미만으로 너무 작은 경우 메타-포토레지스트(I) 내 광의 회절 방지 효과가 미미할 수 있으며, 면적비율이 95%를 초과하여 너무 높은 경우, 현상시 장시간이 소요되거나 제거하고자 하는 메타-포토레지스트(I)영역이 잔류할 위험이 있다.
단시간 내에 노광에 의해 화학적 특성이 변화된 영역을 깨끗하게 제거하고, 광의 회절을 효과적으로 방지하는 측면에서, 금속 입자 밀도는, 금속 입자가 차지하는 면적비율이 40 내지 95%, 구체적으로, 40 내지 80%, 보다 구체적으로 40 내지 70%에 상응하는 밀도일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)의 단면을 도시한 다른 일 단면도로, 도 2(a)는 둘 이상의 금속 입자층(120)이 감광성 수지층(110)에 서로 이격되어 함입된 구조를, 도 2(b)는 둘 이상의 금속 입자층(120)중 일 금속 입자층(120)이 최하부면에 위치하며, 나머지 금속 입자층(120)은 감광성 수지층(110)에 함입된 구조를, 도 2(c)는 둘 이상의 금속 입자층(120)중 일 금속 입자층(120)이 최상부면에 위치하며, 나머지 금속 입자층(120)은 감광성 수지층(110)에 함입된 구조를 도시한 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 메타-포토레지스트(I)는 N개(2≤N≤8)의 금속 입자층을 포함할 수 있다. 메타-포토레지스트(I)에 포함되는 금속 입자층의 개수는 리소그래피를 이용하여 형성하고자 하는 대상물(소자, 디바이스)의 종류 및 구조를 고려하고, 노광에 사용되는 광의 파장 및 에너지를 고려하여 조절 가능하다. 그러나, 광의 회절 방지를 위해, 도 1을 기반으로 상술한 바와 같이 최소 1층 이상의 금속 입자층이 구비되며, 광이 메타-포토레지스트(I)의 최하부면까지 효과적으로 전달될 수 있도록 8개 이하의 금속 입자층이 구비되는 것이 바람직하다.
메타-포토레지스트(I)가 둘 이상의 금속 입자층을 포함하는 경우, 최상부면에서 최하부면으로의 방향을 두께 방향으로 하여, 금속 입자층은 두께 방향으로 서로 이격 배열될 수 있다.
금속 입자층의 층간 이격 거리는, 서로 인접하는 금속 입자층 별로 서로 독립적으로, 5 내지 100nm일 수 있는데, 금속 입자층의 층간 이격 거리가 5nm 미만인 경우, 회절 방지 효과의 상승은 미미한 반면, 메타-포토레지스트(I) 내 실질적으로 노광 및 현상에 의해 패턴화된 구조를 제조할 수 있도록 하는 감광성 수지층이 차지하는 분율이 너무 작아져 정밀하고 미세한 구조의 구현이 어려울 수 있다. 금속 입자층의 층간 이격 거리가 100nm를 초과하는 경우 광의 회절이 금속 입자층에 의해 방지되지 않을 위험이 있다. 금속 입자층의 층간 이격 거리는 서로 인접한 두 층의 금속 입자층을 기준으로, 금속 입자층을 이루는 금속 입자들의 중심을 이은 가상면의 면간 거리에서 금속 입자의 평균 직경을 뺀 거리일 수 있다.
또한, 금속 입자층이 모두 금속 수지층에 함입된 구조인 경우, 메타 포토레지스트(I)의 최상부면(또는 최하부면)과, 최상부면(또는 최하부면)에서 가장 인접한 금속 입자층 간의 거리는 금속 입자층의 층간 이격 거리와 유사하게 5 내지 100nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)의 두께는 메타-포토레지스트(I)에 포함되는 금속 입자층의 수를 고려하여 적절히 조절될 수 있으나, 1개 내지 N(2≤N≤8인 자연수)개의 금속 입자층을 포함하는 경우, 메타-포토레지스트(I)의 두께는 50 내지 500nm일 수 있다.
메타-포토레지스트(I)의 두께는 노광시 조사되는 광의 에너지를 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 그러나, 메타-포토레지스트(I)의 두께가 50nm 미만으로 너무 얇은 경우, 메타-포토레지스트에 대한 노광 및 현상 후, 리소그래피 대상 기재에 패턴화되어 잔류하는 메타-포토레지스트의 두께가 너무 얇아져, 대상 기재에의 불순물 주입, 대상 기재의 식각 또는 대상 기재상 물질 증착과 같은 후속 공정시, 메타-포토레지스트가 마스크 역할을 효과적으로 수행하지 못할 위험이 있다. 또한, 메타-포토레지스트의 두께가 500nm를 초과하도록 너무 두꺼운 경우, 후속 공정의 마스크 역할은 효과적으로 수행할 수 있으나, 메타-포토레지스트에 의한 너무 큰 표면 단차가 기재에 형성되어, 원하는 영역에 균일하고 균질하게 후속 공정이 수행되지 못할 위험이 있을 뿐만 아니라, 노광시 두께에 따라 균질하게 감광수지의 화학적 변화를 야기하기 어려워, 노광 공정시 불량이 발생할 위험이 높아지며, 이에 따라 현상시 메타-포토레지스트의 현상 단면의 질이 떨어질 위험이 있다.
후속 공정의 질을 저하시키지 않으면서 효과적으로 마스크 역할을 수행하고, 마스크에 형성된 패턴이 엄밀하게 전사된 현상 패턴 및 편평한 면 형상의 고품질 현상 단면이 제조될 수 있도록, 메타-포토레지스트(I)의 두께는 50 내지 500nm, 구체적으로 50 내지 300nm, 보다 더 구체적으로 50 내지 200nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I)에 함유되는 금속, 즉, 금속 입자층의 금속 입자는 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다. 이러한 금속은 후술하는 리소그래피 방법을 사용할 때, 감광성 수지나 기재에 영향을 미치지 않는 매우 낮은 열처리 온도에 의해 금속층의 입자화를 가능하게 할 수 있으며, 금속층의 입자화시 메타-포토레지스트가 대면적을 가질 때에도 균일한 크기를 갖는 금속 입자가 균질하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 리소그래피용 메타-포토레지스트(II, 100)는 감광성 수지층과 금속층이 교번 적층된 적층체를 포함한다. 메타-포토레지스트(II)의 금속층은 노광에 사용되는 광의 회절을 방지하여, 광의 회절 한계 이하의 구조(패턴)의 구현을 가능하게 한다.
상세하게, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)의 단면을 도시한 일 단면도로, 도 3에 도시한 바와 같이, 메타-포토레지스트(II)는 감광성 수지층(110) 및 금속층(130)을 포함할 수 있다. 메타-포토레지스트(II)에 있어, 금속층(130)은 리소그래피 대상인 기재(200)와 대향하는 방향, 구체적으로 기재와 접하는 방향을 하부로, 기재와 대향하는 측, 구체적으로 기재와 접하는 측을 최하부면으로 하여, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 최하부면에 금속층(130)이 위치하거나, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 감광성 수지층(110) 사이에 금속층(130)이 위치하거나, 도 3(c)에 도시한 바와 같이, 최하부면의 대향면인 최상부면에 금속층(130)이 위치할 수 있다. 이때, 리소그래피 후 기재 표면에 잔류하는 불순물을 방지하고 감광성 수지의 제거를 위해 통상적으로 사용되는 방법 및 물질(일 예로, 에칭액)을 그대로 사용할 수 있어 공정 변화를 최소화할 수 있으며, 노광시 감광성 수지의 화학적 변화를 저해하지 않는 측면에서, 금속층(130)은 감광성 수지층(110) 사이에 적층된 구조가 바람직하다. 그러나, 노광시 사용되는 마스크의 일 면에 감광성 수지가 코팅되어 있고, 마스크의 감광성 수지가 코팅된 면이 메타-포토레지스트와 접하게 되는 경우, 금속층(130)이 메타-포토레지스트의 최상부면에 위치하여도 무방하다.
금속층(130)의 두께는 광의 회절 방지 및 메타-포토레지스트(II) 내에서의 광의 전파에 영향을 미칠 수 있는데, 금속층(130)의 두께는 5 내지 50nm일 수 있다. 금속층(130)의 두께가 5nm 미만으로 너무 얇은 경우 메타-포토레지스트(II) 내 광의 회절 방지 효과가 미미하여 회절 한계 이하의 구조를 갖는 마스크 패턴이 기재에 전사되지 않을 위험이 있고, 금속층(130)의 두께가 50nm를 초과하여 너무 두꺼운 경우, 광의 전파가 저해될 수 있으며, 후술하는 리소그래피 방법을 사용할 때, 열처리에 의해 금속층의 입자화가 균일하고 용이하게 발생하지 않을 위험이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)의 단면을 도시한 다른 일 단면도로, 도 4(a)는 금속층(130)의 상부 및 하부에 감광성 수지층(110)이 위치하도록, 둘 이상의 금속층(130)과 감광성 수지층(110)에 서로 교번 적층된 구조를, 도 4(b)는 둘 이상의 금속층(130)중 일 금속층(130)이 최하부면에 위치하며, 나머지 금속층(130)은 감광성수지층(110) 사이에 위치하도록, 둘 이상의 금속층(130)과 감광성 수지층(110)이 서로 교번 적층된 구조를 도시한 것이며, 도 4(c)는 둘 이상의 금속층(130)중 일 금속층(130)이 최상부면에 위치하며, 나머지 금속층(130)은 감광성수지층(110) 사이에 위치하도록, 둘 이상의 금속층(130)과 감광성 수지층(110)이 서로 교번 적층된 구조를 도시한 것 이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 메타-포토레지스트(II)는 N개(2≤N≤8)의 금속층을 포함할 수 있다. 메타-포토레지스트(II)에 포함되는 금속층의 개수는 리소그래피를 이용하여 형성하고자 하는 대상물(소자, 디바이스)의 종류 및 구조를 고려하고, 노광에 사용되는 광의 파장 및 에너지를 고려하여 조절 가능하다. 그러나, 광의 회절 방지를 위해, 도 3을 기반으로 상술한 바와 같이 최소 1층 이상의 금속층이 구비되며, 광이 메타-포토레지스트(II)의 최하부면까지 효과적으로 전달될 수 있도록 8개 이하의 금속층이 구비되는 것이 바람직하다.
메타-포토레지스트(II)가 둘 이상의 금속층을 포함하는 경우, 최상부면에서 최하부면으로의 방향을 두께 방향으로 하여, 금속층은 두께 방향으로 서로 이격 배열될 수 있다. 이때, 금속층의 층간 이격 거리는 감광성 수지층의 두께에 상응할 수 있는데, 금속층의 층간 이격 거리(감광성 수지층의 두께)는 5 내지 100nm일 수 있다. 금속층의 층간 이격 거리가 5nm 미만인 경우, 회절 방지 효과의 상승은 미미한 반면, 메타-포토레지스트(II) 내 실질적으로 노광 및 현상에 의해 패턴화된 구조를 제조할 수 있도록 하는 감광성 수지층이 차지하는 분율이 너무 작아져 정밀하고 미세한 구조의 구현이 어려울 수 있다. 금속층의 층간 이격 거리가 100nm를 초과하는 경우 광의 회절이 금속층에 의해 방지되지 않을 위험이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)의 두께는 메타-포토레지스트(II)에 포함되는 금속층의 수를 고려하여 적절히 조절될 수 있으나, 1개 내지 N(2≤N≤8)개의 금속층을 포함하는 경우, 메타-포토레지스트(II)의 두께는 50 내지 500nm일 수 있다.
메타-포토레지스트(I)에서 상술한 바와 유사하게, 메타-포토레지스트(I)의 두께가 50nm 미만으로 너무 얇은 경우, 메타-포토레지스트에 대한 노광 및 현상 후, 리소그래피 대상 기재에 패턴화되어 잔류하는 메타-포토레지스트의 두께가 너무 얇아져, 대상 기재에의 불순물 주입, 대상 기재의 식각 또는 대상 기재상 물질 증착과 같은 후속 공정시, 메타-포토레지스트가 마스크 역할을 효과적으로 수행하지 못할 위험이 있다. 또한, 메타-포토레지스트의 두께가 500nm를 초과하도록 너무 두꺼운 경우, 후속 공정의 마스크 역할은 효과적으로 수행할 수 있으나, 메타-포토레지스트에 의한 너무 큰 표면 단차가 기재에 형성되어, 원하는 영역에 균일하고 균질하게 후속 공정이 수행되지 못할 위험이 있을 뿐만 아니라, 노광시 두께에 따라 균질하게 감광수지의 화학적 변화를 야기하기 어려워, 노광 공정시 불량이 발생할 위험이 높아지며, 이에 따라 현상시 메타-포토레지스트의 현상 단면의 질이 떨어질 위험이 있다.
후속 공정의 질을 저하시키지 않으면서 효과적으로 마스크 역할을 수행하고, 마스크에 형성된 패턴이 엄밀하게 전사된 현상 패턴 및 편평한 면 형상의 고품질 현상 단면이 제조될 수 있도록, 메타-포토레지스트(II)의 두께는 50 내지 500nm, 구체적으로 50 내지 300nm, 보다 더 구체적으로 50 내지 200nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(II)에 함유되는 금속, 즉, 금속 층의 금속은 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다. 이러한 금속은 후술하는 리소그래피 방법을 사용할 때, 감광성 수지나 기재에 영향을 미치지 않는 매우 낮은 열처리 온도에 의해 금속층의 입자화를 가능하게 할 수 있다.
감광성 수지층의 감광성 수지 100 중량부를 기준으로, 20 내지 200 중량부의 금속 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)는 감광성 수지층에 분산 함입되거나, 감광성 수지층의 표면에 분산된 금속 입자를 포함한다. 감광성 수지층에 분산된 금속 입자는 노광에 사용되는 광의 회절을 방지하여, 광의 회절 한계 이하의 구조(패턴)의 구현을 가능하게 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 감광성 수지층은 감광성 수지 매트릭스로 통칭될 수 있다.
감광성 수지층의 표면에 금속 입자가 분산되는 경우, 감광성 수지층의 표면은 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 최하부면과 상기 최상부면에서 선택되는 표면 영역일 수 있다. 구체적으로, 최상부면 및/또는 최하부면의 전면 내지 일부 표면 영역에 금속 입자가 분산되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 메타-포토레지스트(III)는 감광성 수지층의 감광성 수지 100 중량부를 기준으로, 20 내지 200 중량부의 금속 입자를 포함할 수 있다. 감광성 수지 100 중량부를 기준으로 20 중량부 미만의 금속 입자가 분산되는 경우, 금속 입자에 의한 광의 회절 방지효과가 미미할 수 있으며, 감광성 수지 100 중량부를 기준으로 200 중량부를 초과하는 금속 입자가 분산되는 경우, 광의 회절 방지 효과 증대는 미미한 반면, 메타-포토레지스트(III) 내부에서 광이 원활히 전달되지 못할 위험이 있으며, 메타-포토레지스트의 두께 방향으로 균일하고 균질하게 노광이 이루어지지 않을 위험이 있을 뿐만 아니라, 노광된 메타-포토레지스트의 현상시, 금속 입자에 의해 현상 단면의 질이 저하될 수 있다.
효과적인 광의 회절 방지, 메타-포토레지스트내 균질하고 균일한 노광 및 현상 단면의 질을 담보하는 측면에서, 메타-포토레지스트(III)는 감광성 수지층의 감광성 수지 100 중량부를 기준으로, 20 내지 200 중량부의 금속 입자, 구체적으로 50 내지 150 중량부의 금속 입자, 보다 구체적으로, 70 내지 150 중량부의 금속 입자를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 감광성 수지층에 분산되는 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm일 수 있다. 금속 입자의 크기가 5nm 미만으로 너무 미세한 경우 메타-포토레지스트(III) 내 광의 회절 방지 효과가 미미하여 회절 한계 이하의 구조를 갖는 마스크 패턴이 기재에 전사되지 않을 위험이 있고, 금속 입자 크기가 150nm를 초과하여 너무 큰 경우, 광의 균일한 전파가 어렵고 현상에 의해 패턴화된 메타-포토레지스트(III)의 현상 단면(수지를 관통하는 표면)이 매끄럽지 않아 후속 공정(일 예로, 증착)의 정밀도를 떨어뜨리는 위험이 있다.
현상 단면의 거칠기를 감소시키고, 메타-포토레지스트(III) 내부에서 균일하게 광을 전파시키며, 광의 회절을 효과적으로 방지하는 측면에서, 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm, 구체적으로 5 내지 100nm, 보다 구체적으로 5 내지 50nm, 보다 더 구체적으로 5 내지 10nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 메타-포토레지스트(III)는 감광성 수지층에 분산되는 금속 입자의 함량 및 금속 입자의 크기 중 선택된 하나 이상의 인자가 서로 상이한 두 층 이상의 감광성 수지층이 적층된 구조일 수 있다. 구체적으로 금속 입자의 함량 및/또는 서로 상이한 금속 입자의 크기가 상이한 2 내지 8층의 감광성 수지층이 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(III)에 있어, 메타-포토레지스트(III)의 두께는 50 내지 500nm일 수 있다. 메타-포토레지스트(I 또는 II)에서 상술한 바와 유사하게, 메타-포토레지스트(III)의 두께가 50nm 미만으로 너무 얇은 경우, 메타-포토레지스트에 대한 노광 및 현상 후, 리소그래피 대상 기재에 패턴화되어 잔류하는 메타-포토레지스트의 두께가 너무 얇아져, 대상 기재에의 불순물 주입, 대상 기재의 식각 또는 대상 기재상 물질 증착과 같은 후속 공정시, 메타-포토레지스트가 마스크 역할을 효과적으로 수행하지 못할 위험이 있다. 또한, 메타-포토레지스트의 두께가 500nm를 초과하도록 너무 두꺼운 경우, 후속 공정의 마스크 역할은 효과적으로 수행할 수 있으나, 메타-포토레지스트에 의한 너무 큰 표면 단차가 기재에 형성되어, 원하는 영역에 균일하고 균질하게 후속 공정이 수행되지 못할 위험이 있을 뿐만 아니라, 노광시 두께에 따라 균질하게 감광수지의 화학적 변화를 야기하기 어려워, 노광 공정시 불량이 발생할 위험이 높아지며, 이에 따라 현상시 메타-포토레지스트의 현상 단면의 질이 떨어질 위험이 있다.
후속 공정의 질을 저하시키지 않으면서 효과적으로 마스크 역할을 수행하고, 마스크에 형성된 패턴이 엄밀하게 전사된 현상 패턴 및 편평한 면 형상의 고품질 현상 단면이 제조될 수 있도록, 메타-포토레지스트(III)의 두께는 50 내지 500nm, 구체적으로 50 내지 300nm, 보다 더 구체적으로 50 내지 200nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I, II 또는 III)에 있어, 감광성 수지층의 감광성 수지는 통상의 리소그래피 공정에 사용되는 광에 의해 약품에 대한 내성이 변화되는 고분자 물질이면 가능하고, 광에 노출됨으로써 약품에 대하여 불용성이 되는 네거티브형 감광성 수지 또는 광에 노출됨으로써 약품에 대하여 가용성이 되는 포지티브형 감광성 수지를 포함한다. 이때, 통상의 리소그래피 공정에서 미세 패턴의 구현 및 후속되는 불순물 주입, 식각 또는 증착 공정의 효과적인 수행을 위해 개발된 다양한 다층 구조를 가질 수 있음은 물론이다. 다층구조의 일 예로, 감광성 수지층은 감광 특성을 갖는 수지층과 내에칭성을 담보하기 위한 내에칭성층이 적층된 다층 구조를 들 수 있으나, 본 발명이 감광성 수지의 물질 및 감광성 수지층의 상세구조에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타-포토레지스트(I, II 또는 III)는 리소그래피용, 구체적으로 나노리소그래피용일 수 있다. 마스크에는, 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 크기(피치(pitch))를 갖는 마스크 패턴이 형성될 수 있으며, 이러한 마스크를 이용하여 수행되는 리소그래피용 포토레지스트일 수 있다. 노광에 사용되는 광은 극자외선 내지 자외선 영역의 광일 수 있으며, 구체적으로 100nm 내지 400nm 파장의 광일 수 있다.
본 발명은 상술한 메타-포토레지스트(I)를 이용한 리소그래피 방법(I), 상술한 메타-포토레지스트(II)를 이용한 리소그래피 방법(II) 및 상술한 메타-포토레지스트(III)를 이용한 리소그래피 방법(III)을 포함한다.
본 발명에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)은 금속층의 입자화 단계 수행 시기에 의해, 두 방법으로 나눠질 수 있다. 리소그래피 방법(I)은 노광 전 금속층의 입자화 단계가 수행되는 경우이며, 리소그래피 방법(II)은 노광 후 금속층의 입자화 단계가 수행되는 경우이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I)은 a) 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계; b1) 적층체에 에너지를 인가하여 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하여 메타-포토레지스트(I)를 형성하는 단계; c1) 마스크를 이용하여 메타-포토레지스트(I)를 노광하고, 노광된 메타-포토레지스트(I)를 현상하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 리소그래피 방법(II)은 a) 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계; b2) 마스크를 이용하여 적층체를 노광하는 단계; c2) 노광된 적층체에 에너지를 인가하여 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하는 단계; d) 입자화된 적층체를 현상하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에 있어, a) 단계는 리소그래피 대상 기재 상에 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계이다. 이때, a) 단계의 적층체는 도 3 및 도 4를 기반으로 한 메타-포토레지스트(II)에 상응할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I 또는 II)에서 a) 단계의 공정을 도시한 일 공정도이다. 도 5(a)에 도시한 일 예와 같이, 리소그래피 대상 기재(200) 상에, 기재(200) 표면과 접하도록 감광성 수지층(110)을 형성한 후, 금속층(130)과 감광성 수지층(110)을 순차적으로 교번 적층하고, 최상부에 감광성 수지층(110)이 위치하도록 적층체를 형성하거나, 도 5(b)에 도시한 일 예와 같이, 리소그래피 대상 기재(200) 상에, 기재(200) 표면과 접하도록 금속층(130)을 형성한 후, 감광성 수지층(110)과 금속층(130)을 순차적으로 교번 적층하고, 최상부에 감광성 수지층(110)이 위치하도록 적층체를 형성할 수 있다.
감광성 수지층(110)은 감광성 수지가 용매에 용해된 액인 감광성 수지 용액을 기재상 도포하여 형성할 수 있다.감광성 수지 용액의 도포는 통상적인 포토 리소그래피에서 감광성 수지를 도포하는데 사용되는 방법이면 무방하며, 비 한정적인 일 예로, 스핀 코팅등을 들 수 있다. 이때, 본 발명이 감광성 수지층(110)의 형성 방법에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. 감광성 수지 용액의 도포 후, 도포된 수지층의 건조(소프트 베이킹)가 수행될 수 있으며, 선택적으로 하드 베이킹이 수행될 수 있다.
금속층(130)은 반도체 공정에서 통상적으로 사용하는 증착 공정을 이용하여 수행될 수 있으며, 비 한정적인 일 예로, 화학적 증착(CVD), 물리적 증착(PVD), 플라즈마 도움 증착(PECVD)등을 들 수 있으나, 본 발명이 금속층(130)의 형성 방법에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. 금속 입자 또는 금속 착제를 포함하는 금속 잉크를 도포하는 통상의 인쇄법을 이용하여서도 금속층(130)이 형성될 수 있음은 물론이며, 금속 입자를 함유하는 슬러리를 도포하여서도 금속층(130)이 형성될 수 있음은 물론이다.
금속층의 금속은 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다. 이러한 금속은 b1) 단계 또는 c2)단계에서, 매우 낮은 열처리 온도로 금속층의 입자화를 가능하게 할 수 있다.
금속층은 서로 독립적으로 5 내지 50nm 두께가 되도록 형성될 수 있다. 금속층의 두께가 5nm 미만으로 너무 얇은 경우 광의 회절 방지 효과가 미미하여 회절 한계 이하의 구조를 갖는 마스크 패턴이 기재에 전사되지 않을 위험이 있고, 금속층의 두께가 50nm를 초과하여 너무 두꺼운 경우, 광의 전파가 어렵고, 열처리에 의한 금속층의 입자화가 균일하고 용이하게 발생하지 않을 위험이 있다.
즉, 금속층과 감광성 수지층의 교번 형성에 의해, 도 5에 도시한 일 예와 같이 금속층은 기재 표면과 접하거나 및/또는 감광성 수지층 사이에 위치하거나 및/또는 최상부에 위치할 수 있는데, 적층체에 포함되는 금속층이 N개(2≤N≤8인 자연수)가 되도록 금속층을 형성할 수 있다. 이때, 금속층이 기재 표면과 접하고 최상부에 감광성 수지층이 위치하는 구조일 경우, 총 N개의 감광성 수지층이 금속층과 교번 적층될 수 있으며, 감광성 수지층이 기재 표면과 접하고 최상부에 감광성 수지층이 위치하는 구조일 경우, 총 N+1개의 감광성 수지층이 금속층과 교번 적층될 수 있다. 금속층이 기재 표면과 접하고 최상부에 금속층이 위치하는 경우, 총 N-1개의 감광성 수지층이 금속층과 교번 적층될 수 있으며, 감광성 수지층이 기재 표면과 접하고 최상부에 금속층이 위치하는 구조일 경우, 총 N개의 감광성 수지층이 금속층과 교번 적층될 수 있다.
감광성 수지층의 두께는 서로 인접하는 금속층의 이격 간격 및/또는 적층체의 최상부면과 최상부면에 가장 인접한 금속층간의 거리에 영향을 미칠 수 있다. 감광성 수지층의 두께는 서로 독립적으로 5 내지 100nm일 수 있는데, 감광성 수지층의 두께가 5nm 미만인 경우, 회절 방지 효과의 상승은 미미한 반면, 적층체 내 감광성 수지층이 차지하는 분율이 너무 작아져 정밀하고 미세한 구조의 구현이 어려울 수 있다. 감광성 수지층의 두께가 100nm를 초과하는 경우 금속층에 의한 광의 회절 방지 효과가 저해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I)에 있어, 적층체 형성단계가 수행된 후, b1) 적층체에 에너지를 인가하여 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하여 메타-포토레지스트(I)를 형성하는 단계;가 수행될 수 있다.
금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자들로 입자화시키기 위해 적층체에 가해지는 에너지는 열 에너지, 진동 에너지 및 광 에너지에서 하나 이상 선택되는 에너지일 수 있다. 얇은 금속층에 에너지를 인가하는 경우, 금속층(금속박막)은 표면(계면) 에너지의 최소화를 구동력으로 다수개의 입자로 입자화될 수 있다.
상세하게, 열 에너지는 줄 열을 포함할 수 있다. 열 에너지는 열 원과 적층체가 직접적으로 접하는 직접적 방법 또는 열 원과 적층체가 물리적으로 접촉하지 않고 공기와 같은 열전달 매체에 의해 열이 간접적으로 인가되는 간접적 방법으로 인가될 수 있으며, 적층체에 가해지는 열 에너지에 의해 금속층의 입자화가 이루어질 수 있다.
상세하게, 광 에너지는 적외선 내지 근적외선을 포함할 수 있으며, 광 에너지의 인가는 광의 조사를 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 적층체와 일정거리 이격되게 적외선 내지 근적외선 광원이 위치하여 적층체에 광을 조사함으로써 입자화가 이루어질 수 있다.
구체적으로, 진동 에너지는 마이크로웨이브 및/또는 초음파를 포함할 수 있으며, 진동 에너지의 인가는 마이크로웨이브 및/또는 초음파의 조사를 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 적층체와 일정거리 이격되게 마이크로웨이브 및/또는 초음파 발생원이 위치하여 적층체에에 마이크로웨이브 및/또는 초음파를 조사함으로써 입자화가 이루어질 수 있다.
또한, 입자화를 위한 에너지는 상술한 서로 상이한 종류의 에너지가 동시에 또는 순차적으로 적층체에 인가됨으로써 이루어질 수 있음은 물론이다.
상술한 에너지 중, 열 에너지에 의한 입자화가 보다 실질적인데, 이는 처리 대상인 적층체의 면적이 넓어도 균일하고 균질하게 에너지의 인가가 가능할 뿐만 아니라, 보다 단시간에 입자화가 가능할 수 있기 때문이다.
도 6은 열 에너지에 의한 입자화 단계(b1)를 도시한 일 공정도로, 도 6에 도시한 바와 같이, 적층체의 금속층은 열처리에 의해 동일면상 서로 이격된 금속 입자들로 이루어진 금속 입자층으로 입자화될 수 있으며, 대면적의 적층체라 할지라도 단시간에 균일하고 균질하게 입자화될 수 있다.
열처리에 의한 감광성 수지 또는 기재에 미치는 영향을 최소화하기 위해서는 통상적인 감광성 수지의 하드베이킹 온도와 유사하거나 이에 근접한 낮은 온도로 열처리가 이루어지는 것이 바람직하다. 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진 5 내지 50nm 두께의 금속층은 보다 낮은 에너지 하에서 이러한 입자화가 이루어질 수 있도록 한다. 구체적으로, 입자화를 위한 열처리 온도는 100 내지 300℃일 수 있으며, 공기중 1분 내지 1시간 동안 열처리가 수행될 수 있다.
이때, a) 단계에서 감광성 수지 도포 후, 소프트 베이킹 및 하드 베이킹이 수행된 후, b1) 단계의 에너지 인가가 수행되거나, a) 단계에서 하드베이킹이 수행되지 않고, b1) 단계의 에너지 인가시 하드 베이킹이 동시에 수행될 수 있음은 물론이다. 특히, 인가되는 에너지가 열 에너지인 경우, 입자화를 위해 가해지는 열 에너지에 의해 하드 베이킹이 동시에 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I)의 일 변형예에 있어, a) 단계의 적층체 형성 단계와 b1) 단계의 에너지 인가가 동시에 수행될 수 있다. 상세하게, 금속층과 감광성 수지층의 교번 형성시, 금속층을 형성한 직후, 형성된 금속층을 입자화시키기 위한 에너지 인가가 이루어지고, 입자화에 의해 형성된 금속 입자층 상부로 감광성 수지층이 형성될 수 있다. 즉, 총 N(2≤N≤8인 자연수)개의 금속층을 감광성 수지층과 교번 적층하여 적층체를 형성할 때, 각 금속층 형성 직후 금속층별로 입자화를 위한 에너지가 인가되어, 총 N회의 에너지가 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I)에 있어, 금속막을 입자화하여 메타-포토레지스트(I)를 형성한 후, c1) 마스크를 이용하여 메타-포토레지스트(I)를 노광하고, 노광된 메타-포토레지스트(I)를 현상하는 단계;가 수행될 수 있다.
도 7은 메타-포토레지스트(I)를 이용한 노광 및 현상 단계를 도시한 일 공정도로, 도 7(a)는 노광 공정으로, 도 7(b)는 현상 공정을 도시한 도면이다.
노광에 사용되는 마스크는 목적하는 패턴을 갖는 통상의 리소그래피 공정에 사용되는 마스크일 수 있다. 그러나, 본 발명의 메타-포토레지스트(I)에 의한 회절 방지 효과에 의해, 마스크는 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 크기(피치(pitch))를 갖는 마스크 패턴이 형성된 것일 수 있다. 노광에 사용되는 광은 극자외선 내지 자외선 영역의 광일 수 있으며, 구체적으로 100nm 내지 400nm 파장의 광일 수 있으며, 보다 구체적으로 300 내지 400nm 파장의 광일 수 있다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, 마스크는 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 패턴이 형성된 크롬 마스크일 수 있으며, 상술한 바와 같이, 마스크는 본 발명에 따른 메타-포토 레지스트와 대향하는 면에 감광성 수지층이 형성된 것일 수 있다.
b1) 단계의 입자화에 의해, 현상 단계는 반도체 리소그래피 공정에서 통상적으로 사용하는 현상방법을 통해 이루어질 수 있다. 이는 금속층이 입자화됨에 따라, 메타-포토레지스트(I)의 두께 방향으로 용매가 원활하게 침투 가능하여, 광에 의해 화학적 특성(용매에 대한 특성)이 변화된 감광성 수지 영역이 금속 입자와 무관하게 제거될 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(II)은 상술한 방법(I)과 독립적으로, a) 단계가 수행된 후, 금속층의 입자화를 위한 에너지 인가가 수행되지 않고, b2) 마스크를 이용하여 적층체를 노광하는 단계;가 수행될 수 있다. 도 7(a)를 기반으로 상술한 바와 유사하게, 노광 단계에서 마스크는 목적하는 패턴을 갖는 통상의 리소그래피 공정에 사용되는 마스크일 수 있다. 그러나, 본 발명의 메타-포토레지스트에 의한 회절 방지 효과에 의해, 마스크는 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 크기(피치(pitch))를 갖는 마스크 패턴이 형성된 것일 수 있다. 노광에 사용되는 광은 극자외선 내지 자외선 영역의 광일 수 있으며, 구체적으로 100nm 내지 400nm 파장의 광일 수 있으며, 보다 구체적으로 300 내지 400nm 파장의 광일 수 있다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, 마스크는 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 패턴이 형성된 크롬 마스크일 수 있으며, 상술한 바와 같이, 마스크는 본 발명에 따른 메타-포토 레지스트와 대향하는 면에 감광성 수지층이 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(II)은 노광 단계가 수행된 후, c2) 노광된 적층체에 에너지를 인가하여 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하는 단계;가 수행될 수 있다. 리소그래피 방법(I)에서 상술한 바와 유사하게, 노광된 적층체에 가해지는 에너지는 열 에너지, 진동 에너지 및 광 에너지에서 하나 이상 선택되는 에너지일 수 있으며, 상이한 종류의 에너지가 동시에 또는 순차적으로 적층체에 인가됨으로써 이루어질 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 입자화를 위해 인가되는 에너지는 열 에너지가 보다 실질적이며, 열 에너지에 의해 입자화를 수행하는 경우, 처리 대상인 적층체의 면적이 넓어도 균일하고 균질하게 에너지의 인가가 가능할 뿐만 아니라, 보다 단시간에 입자화가 이루어질 수 있다.
도 6을 기반으로 상술한 바와 유사하게, 입자화를 위한 열처리 온도는 100 내지 300℃일 수 있으며, 공기중 1분 내지 1시간 동안 열처리가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(II)은 노광 및 입자화가 순차적으로 수행된 후, d) 금속층이 입자화된 적층체를 현상하는 단계;가 수행될 수 있다. 현상은 도 7(b)를 기반으로 상술한 바와 유사하게, 현상 단계는 반도체 리소그래피 공정에서 통상적으로 사용하는 현상방법을 통해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 리소그래피 방법(III)은 금속 입자가 분산 함유된 감광성 수지 용액을 리소그래피 대상 기재에 도포 및 건조하여, 메타-포토레지스트를 형성하는 단계; 마스크를 이용하여 메타-포토레지스트를 노광하는 단계; 및 노광된 메타-포토레지스트를 현상하는 단계;를 포함한다.
이때, 감광성 수지 용액을 기재에 도포 및 건조하여 형성되는 메타-포토레지스트는 앞서 상술한 메타-포토레지스트(III)에 상응할 수 있다.
감광성 수지 용액은 감광성 수지, 금속 입자 및 감광성 수지를 용해하는 용매를 함유할 수 있다. 감광성 수지는 통상의 리소그래피 공정에 사용되는 광에 의해 약품에 대한 내성이 변화되는 고분자 물질이면 가능하고, 광에 노출됨으로써 약품에 대하여 불용성이 되는 네거티브형 감광성 수지 또는 광에 노출됨으로써 약품에 대하여 가용성이 되는 포지티브형 감광성 수지를 포함할 수 있다. 금속 입자는 감광성 수지가 용해된 액 상에서 우수한 분산성을 갖는 금속이라면 어떠한 금속이든 무방하다. 구체적인 일 예로, 금속 입자는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이금속, 전이후 금속, 준금속 또는 이들의 합금일 수 있다.
현상 단면의 거칠기를 감소시키고, 메타-포토레지스트(III) 내부에서 균일하게 광을 전파시키며, 광의 회절을 효과적으로 방지하는 측면에서, 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm, 구체적으로 5 내지 100nm, 보다 구체적으로 5 내지 50nm, 보다 더 구체적으로 5 내지 10nm일 수 있다.
감광성 수지 용액은 감광성 수지 100 중량부를 기준으로, 20 내지 200 중량부의 금속 입자를 포함할 수 있다. 감광성 수지 용액이 감광성 수지 100 중량부를 기준으로 20 중량부 미만의 금속 입자를 함유하는 경우, 금속 입자에 의한 광의 회절 방지효과가 미미할 수 있으며, 감광성 수지 100 중량부를 기준으로 200 중량부를 초과하는 금속 입자를 함유하는 경우, 광의 회절 방지 효과 증대는 미미한 반면, 메타-포토레지스트(III) 내부에서 광이 원활히 전달되지 못할 위험이 있으며, 메타-포토레지스트의 두께 방향으로 균일하고 균질하게 노광이 이루어지지 않을 위험이 있을 뿐만 아니라, 노광된 메타-포토레지스트(III)의 현상시, 금속 입자에 의해 현상 단면의 질이 저하될 수 있다.
감광성 수지 용액의 도포는 통상적인 포토 리소그래피에서 감광성 수지를 도포하는데 사용되는 방법이면 무방하며, 비 한정적인 일 예로, 스핀 코팅등을 들 수 있다. 감광성 수지 용액의 도포 후, 도포된 수지층의 건조(소프트 베이킹)가 수행될 수 있으며, 선택적으로 하드 베이킹이 수행될 수 있다.
감광성 수지 용액의 도포 및 건조에 의해 기재상 형성되는 메타-포토레지스트(III)의 두께는 후속 공정의 질을 저하시키지 않으면서 효과적으로 마스크 역할을 수행하고, 마스크에 형성된 패턴이 엄밀하게 전사된 현상 패턴 및 편평한 면 형상의 고품질 현상 단면이 제조될 수 있도록, 50 내지 500nm, 구체적으로 50 내지 300nm, 보다 더 구체적으로 50 내지 200nm일 수 있다.
노광에 사용되는 마스크는 목적하는 패턴을 갖는 통상의 리소그래피 공정에 사용되는 마스크일 수 있다. 그러나, 본 발명의 메타-포토레지스트(III)에 의한 회절 방지 효과에 의해, 마스크는 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 크기(피치(pitch))를 갖는 마스크 패턴이 형성된 것일 수 있다. 노광에 사용되는 광은 극자외선 내지 자외선 영역의 광일 수 있으며, 구체적으로 100nm 내지 400nm 파장의 광일 수 있으며, 보다 구체적으로 300 내지 400nm 파장의 광일 수 있다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, 마스크는 노광에 사용되는 광의 반파장 이하의 패턴이 형성된 크롬 마스크일 수 있다.
현상 단계는 반도체 리소그래피 공정에서 통상적으로 사용하는 현상방법을 통해 이루어질 수 있다. 이는, 감광성 수지 용액의 도포에 의해 형성되는 메타-포토레지스트(III)가 감광성 수지에 금속입자가 분산되어 있는 구조임에 따라, 두께 방향으로 용매(노광에 의해 화학적 특성이 변화된 감광성 수지 부분을 녹여 제거하기 위한 용매)가 원활하게 침투 가능하여, 광에 의해 화학적 특성(용매에 대한 특성)이 변화된 감광성 수지 영역이 금속 입자와 무관하게 제거될 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 방법(I, II 또는 III)에 있어, 상술한 노광 및 현상이 이루어진 후, 대상 기재에의 불순물 주입, 대상 기재의 식각 또는 대상 기재상 물질 증착과 같은 후속 공정이 이루어질 수 있음은 물론이며, 후속 공정이 수행된 후, 물리적 또는 화학적으로 대상 기재에 잔류하는(현상에 의해 잔류하는) 메타-포토레지스트를 제거하는 단계가 더 수행될 수 있다. 잔류하는 메타-포토레지스트의 제거는 반도체 리소그래피 공정에서 현상된 포토레지스트의 제거를 위해 통상적으로 사용하는 물질 및 방법을 이용하여 수행될 수 있음은 물론이다.
도 8은 기재에 Ag 금속층(20nm 두께)-감광성 수지층(20nm 두께)-Ag 금속층(20nm 두께)-감광성 수지층(20nm 두께)을 순차적으로 적층한 후, 50nm의 패턴이 형성된 크롬 마스크를 이용하여 365nm 광으로 노광할 때, 적층체 내 광의 진행을 관찰한 결과로, 도 8의 오른쪽 0 내지 >1.5의 색상 스케일은 표준화 한 전기장 세기(|Eo|/|Ei|)을 의미한다.
도 8에서 알 수 있듯이, 마스크 패턴이 회절 한계 이하임에도, 50nm의 FWHM(full width half maximun)을 유지하며 적층체 내에서 광이 진행됨을 알 수 있다.
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 (22)

  1. 감광성 수지층; 및 서로 이격 배열된 금속 입자의 층인 금속 입자층;을 포함하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 입자층은 상기 감광성 수지층에 함입된 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메타-포토레지스트는 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 상기 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 적어도 상기 최하부면 또는 최상부면에 금속 입자층이 위치하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 메타-포토레지스트의 두께는 50 내지 500nm인 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm인 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  6. 제 1항 내지 제 5항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 메타-포토레지스트는 N개(2≤N≤8)인 상기 금속 입자층을 포함하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  7. 감광성 수지층과 금속층이 교번 적층된 적층체를 포함하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 5 내지 50nm인 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 감광성 수지층의 두께는 5 내지 100nm인 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  10. 제 7항 내지 제 9항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 메타-포토레지스트는 N개(2≤N≤8)의 금속층을 포함하며, 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 상기 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로 상기 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  11. 감광성 수지층에 분산 함입되거나, 감광성 수지층의 표면에 분산된 금속 입자를 포함하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 메타-포토레지스트는 감광성 수지층의 감광성 수지 100 중량부를 기준으로, 20 내지 200 중량부의 금속 입자를 포함하는 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 금속 입자의 평균 직경은 5 내지 150nm인 리소그래피용 메타-포토레지스트.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 금속 입자가 분산되는 감광성 수지층의 표면은 리소그래피 대상인 기재와 접하는 면을 최하부면으로, 상기 최하부면과 대향하는 면을 최상부면으로 하여, 상기 최하부면과 상기 최상부면에서 선택되는 표면 영역인 메타-포토레지스트.
  15. 제 1항, 제 7항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 메타-포토레지스트에 함유되는 금속은 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금인 메타-포토레지스트.
  16. a) 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계;
    b1) 상기 적층체에 에너지를 인가하여, 상기 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하여 메타-포토레지스트를 형성하는 단계; 및
    c1) 마스크를 이용하여 상기 메타-포토레지스트를 노광하고, 노광된 메타-포토레지스트를 현상하는 단계;
    를 포함하는 리소그래피 방법.
  17. a) 리소그래피 대상 기재과 접하는 면을 최하부면으로 하여, 상기 최하부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하고, 이와 독립적으로, 상기 최하부면의 대응면인 최상부면에 감광성 수지층 또는 금속층이 위치하도록, 상기 대상 기재 상 감광성 수지층과 금속층을 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계;
    b2) 마스크를 이용하여 상기 적층체를 노광하는 단계;
    c2) 노광된 상기 적층체에 에너지를 인가하여, 상기 금속층을 서로 이격 배열된 금속 입자의 층으로 입자화하는 단계;
    d) 금속층이 입자화된 상기 적층체를 현상하는 단계;
    를 포함하는 리소그래피 방법.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 5 내지 50nm인 리소그래피 방법.
  19. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 적층체는 N개(2≤N≤8)의 상기 금속층을 포함하는 리소그래피 방법.
  20. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    인가되는 상기 에너지는 열 에너지, 진동 에너지 및 광 에너지에서 하나 이상 선택되는 에너지인 리소그래피 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 입자화는 100 내지 300℃로 열처리하여 이루어지는 리소그래피 방법.
  22. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 적층체에 함유되는 금속은 은, 금, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금인 리소그래피 방법.
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