KR20150098262A - 표면 플라즈몬 식각 공정을 이용한 패턴 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 패턴을 갖는 금속층에 표면 플라즈몬이 여기되어 포토레지스트층이 소정의 패턴 형상으로 노광되도록 광을 조사하여 미세한 패턴이 형성되도록 하는 패턴 형성 방법을 제공한다.

Description

표면 플라즈몬 식각 공정을 이용한 패턴 형성방법{PATTERNING METHOD USING SURFACE PLASMON}
본 발명은 패턴 형성 방법 및 표시장치에 관한 것으로, 특히 표면 플라즈몬 식각 공정을 이용하여 나노 패턴을 형성하는 방법 및 그 패턴을 포함한 표시장치에 관한 것이다.
최근, 미세 선폭을 구현할 수 있는 나노 패터닝 방법에 대한 관심이 높아지고 있다. 반도체 장치 또는 표시장치의 높은 집적도를 위하여 단위 면적에 보다 많은 소자 또는 배선들을 배치하는 것이 요구되며, 또한, 표시장치용 편광판을 인셀(in cell) 방식으로 제조하고자 하는 경우 100nm 이하의 선폭을 갖는 정밀한 패턴을 형성하는 것이 필요하다. 이를 위하여 고밀도의 미세 패턴을 형성하는 공정의 개발이 필요하다.
종래 반도체나 표시장치 패턴은 주로 포토 리소그라피 공정에 의해 형성되었다. 그러나, 일반적인 포토 리소그라피 공정에 의하여 나노미터 단위의 선폭을 갖는 미세 패턴을 형성하는 것은 한계가 있다. 따라서, 현재 전자빔 리소그라피, 나노 임프린트, 블록 공중합체, 표면 플라즈몬 등을 이용하여 배선 패턴을 형성하는 방법들에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 표면 플라즈몬을 이용하여 나노 패턴을 균일하게 형성하는 방법과 나노 패턴을 포함하는 표시장치를 제공하고자 한다. 또한 본 발명의 일 실시예는 기판상에 소자 패턴을 형성하는 방법 및 상기 소자 패턴을 포함하는 표시장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일례는, 기판상에 식각대상 물질층을 형성하는 단계; 상기 식각대상 물질층상에 제 1 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트층상에, 소정의 선폭과 높이를 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격으로 이격된 금속패턴을 형성하는 단계; 상기 금속패턴에 표면 플라즈몬이 여기되어 상기 제1 포토레지스트층이 제1 패턴 형상으로 노광되도록 광을 조사하는 광조사 단계; 상기 금속패턴을 제거하고, 상기 제 1 포토레지스트층을 현상하여 제1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 상기 제 1 포토레지스트패턴을 마스크로 하여 상기 식각대상 물질층을 식각하는 식각단계;를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속패턴은 서로 인접한 상기 라인들 사이에 배치된 박막부를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 박막부는 20~50nm의 높이를 갖는다.
본 발명의 일례에서, 상기 라인들 사이의 간격은 100~300nm이다.
본 발명의 일례에서, 상기 광조사 단계는, 상기 라인들 사이의 간격보다 큰 파장을 갖는 광을 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 광조사 단계는, i-선을 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 제1 포토레지스트패턴의 패턴밀도가 상기 금속패턴의 패턴밀도보다 높다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는, 상기 제1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층상에 제 2 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 2 포토레지스트층을 상기 제2 패턴으로 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 제 2 포토레지스트층을 마스크로 하여 금속층을 식각하고 제 2 포토레지스트층을 제거하는 단계; 및 금속을 이용한 증착을 실시하여, 식각된 금속층 및 노출된 제1 포토레지스트층상에 증착층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는, 상기 제 1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계; 및 금속패턴 형상이 음각된 마스터를 사용하여 상기 금속층을 압착하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속층은 Au, Al, Ag, Cr, Ni, Ti, Ta 및 W 중에서 선택된 어느 하나로 형성된다.
본 발명의 일례에서, 상기 식각대상 물질층은 금속 및 투명도전성산화물(TCO) 중 적어도 하나를 포함한다.
또한 본 발명의 일례는, 기판상에 제 1 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트층상에, 소정의 선폭과 높이를 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격으로 이격된 금속패턴을 형성하는 단계; 상기 금속패턴에 표면 플라즈몬이 여기되어 상기 제1 포토레지스트 층이 제1 패턴 형상으로 노광되도록 광을 조사하는 단계; 상기 금속패턴을 제거하고, 상기 제1 포토레지스트층을 현상하여 제1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스패턴 및 기판상에 패턴 형성용 물질을 증착하는 단계; 및 상기 제1 포토레지스트패턴을 제거하는 단계;를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속패턴은 서로 인접한 상기 라인들 사이에 배치된 박막부를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 박막부는 20~50nm의 높이를 갖는다.
본 발명의 일례에서, 상기 라인들 사이의 간격은 100~300nm이다.
본 발명의 일례에서, 상기 광조사 단계는, 상기 라인들 사이의 간격보다 큰 파장을 갖는 광을 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는, 상기 제1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층상에 제 2 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 2 포토레지스트층을 상기 제2 패턴 형상으로 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 제 2 포토레지스트층을 마스크로 하여 상기 금속층을 식각하고 제 2 포토레지스트층을 제거하는 단계; 및 금속을 이용한 증착을 실시하여, 식각된 금속층 및 노출된 제1 포토레지스트층상에 증착층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는, 상기 제 1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계; 및 금속패턴 형상이 음각된 마스터를 사용하여 상기 금속층을 압착하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일례에서, 상기 패턴 형성용 물질은 금속 및 투명도전성산화물 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 패터닝 방법에 의하면, 저밀도 패턴을 먼저 형성한 후 이로부터 고밀도의 패턴을 형성하므로 미세한 패턴을 보다 용이하게 형성할 수 있다.
도 1a 및 1b는 표면 플라즈몬 현상을 설명하는 모식도이다.
도 2a 내지 2j는 본 발명의 일 실시예 따른 패턴 형성 과정에 대한 단면도이다.
도 3a 내지 3i는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패턴 형성 과정에 대한 단면도이다.
도 4a 및 4b는 임프린트용 마스터를 이용하여 금속층에 패턴을 형성하는 과정에 대한 단면도이다.
도 5는 노광 시험용 패턴의 일례에 대한 사시도이다.
도 6a 및 6b는 표면 플라즈몬을 이용한 노광시험 결과에 대한 단면도이다.
이하, 도면에 개시된 실시예들을 중심으로 본 발명은 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기 설명하는 도면이나 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 첨부된 도면들은 다양한 실시예들 중 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 예시적으로 선택된 것일 뿐이다.
도면에서는 이해를 돕기 위하여 각 구성요소와 그 형상 등이 간략하게 그려지거나 또는 과장되어 그려지기도 하며, 실제 제품에 있는 구성요소가 표현되지 않고 생략되기도 한다. 따라서 도면은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석해야 한다. 한편, 도면에서 동일한 역할을 하는 요소들은 동일한 부호로 표시한다.
또한, 어떤 층이나 구성요소가 다른 층이나 또는 구성요소의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에는, 상기 어떤 층이나 구성요소가 상기 다른 층이나 구성요소와 직접 접촉하여 배치된 경우뿐만 아니라, 그 사이에 제3의 층이 개재되어 배치된 경우까지 모두 포함하는 의미이다.
도 1a 및 1b는 표면 플라즈몬 현상을 설명하는 모식도이다. 도 1a를 참조하면, x축 아래에 금속층이, x축 위로 유전체(dielectric)층이 배치되어 있고, 표면 플라즈몬에 의하여 유전체층 내부에 전기장(E)이 발생한 것을 알 수 있다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동 (collective charge density oscillation)을 의미한다. 예를 들어, 금속과 유전체가 접촉하고 있는 상태에서 외부로부터 전자기파가 금속표면으로 입사될 때, 금속 표면에서 여기된 전자들이 진동하며, 공명에 의하여 전자들의 집단적 진동 현상이 발생하면 표면 플라즈몬(SP: Surface Plasmon)이 형성된다.
구체적으로, 도체인 금속의 내부에 다수의 자유전자들이 존재한다. 자유전자는 금속원자에 속박된 상태가 아니므로 외부의 특정 자극에 반응하기 쉽다. 특히, 금속이 소정의 패턴을 가지면, 자유 전자의 거동에 의해 표면 플라즈몬 특성이 나타나며, 독특한 광학적 성질을 나타낸다.
예를 들어, 도 1b와 같이, 유전체인 포토레지스트(PR)상에 소정의 간격으로 이격된 금속층(metal)이 배치되어 있는 상태에서, 소정의 파장(λ0)을 갖는 전자기파가 금속층 사이로 입사되는 경우, 표면 플라즈폰(SP)파 형성되어 금속층과 포토레지스트층의 경계면을 따라 전파된다.
이러한 표면 플라즈몬은 광조사에 의해서도 발생되는데, 금속의 종류, 모양, 크기 및 배치형태에 따라 공명에 의하여 표면 플라즈몬을 형성하는 광의 파장이 달라진다.
한편, 이와 같이 광이 공명하여 표면 플라즈몬이 발생하면 금속의 표면에서 광의 흡수 또는 산란이 증폭되며, 이러한 증폭에 의해 유전체 내부로 전하 및 광에너지가 전달된다.
본 발명의 일 실시예는, 이러한 표면 플라즈몬을 이용하여 미세한 패턴을 형성한다. 이러한 미세 패턴이 기판상에 형성되어 소자 패턴이 된다. 소자 패턴은, 예를 들어, 반도체 소자의 배선, 박막트랜지스터(TFT)의 전극, 표시장치의 배선 또는 와이어 그리드 편광 패턴이 될 수 있다.
이하, 도 2a 내지 도 2j를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 방법을 설명한다.
도 2a를 참조하면, 먼저, 기판(110)상에 식각대상물질층(120), 제 1 포토레지스트층(130), 금속층(140) 및 제 2 포토레지스트층(150)을 형성한다.
식각대상 물질층(120)과 제 1 포토레지스트층(130)사이에, 노광 공정시 조사된 광이 기판(110)으로부터 반사되어 제 1 포토레지스트층(130)을 다시 노광시키는 것을 방지하기 위한 BARC(Bottom antireflective coating)와 같은 반사방지막이 더 형성될 수 있다(도면 미도시).
기판(110)은 유리, 석영, 세라믹, 및 플라스틱 등으로 이루어진 군에서 선택된 절연성 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 제 1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(110)이 스테인리스 강 등의 금속성 재료로 형성될 수도 있다.
식각대상 물질층(120)은 금속 및 투명전도성산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO) 중 적어도 하나를 포함한다. 금속으로, 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 금(Au), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 투명도전성산화물로 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 및 In2O3(Indium Oxide)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
식각대상 물질층(120)은 단일층 구조를 가질 수도 있고 다층막 구조를 가질 수도 있다. 예컨대, 식각대상 물질층(120)은 금속과 투명도전성산화물이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
제1 포토레지스트층(130)은 금속층(140)에 의해 패터닝 된 후, 식각대상 물질층(120)을 식각하는 마스크로 사용된다. 제1 포토레지스트층(130)은, 예를 들어, 네거티브 포토 레지스트(negative photoresist)나 포지티브 포토 레지스트(positive photoresist)에 의하여 형성될 수 있다.
금속층(140)은 후술하는 단계에서 표면 플라즈몬을 여기하여 제 1 포토레지스트층(130)을 노광하기 위해 형성되는 것으로, 예를 들어, 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중 어느 하나의 금속으로 형성될 수 있다. 금속층(140)은 스퍼터(sputter), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition)와 같은 방법에 의하여 형성될 수 있다.
제2 포토레지스트층(150)은 소정의 패턴을 갖도록 패터닝 된 후 금속층(140)을 식각하는 마스크로 사용된다. 제2 포토레지스트층(150)으로서, 예를 들어, 광 경화성 네거티브 포토 레지스트 또는 포지티브 포토 레지스트가 사용될 수 있다. 또는, 제2 포토레지스트층(150)으로서 자외선 경화성 고분자 또는 열 경화성 고분자 재질의 레진계 포토레지스트가 사용될 수도 있다. 제 2 포토레지스트층(150)은 디스펜싱(dispensing), 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 코팅(ink jet coating) 또는 진공 증착(vacuum deposition)등의 방법으로 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 노광 패턴이 형성된 마스크(170)를 제2 포토레지스트층(150) 상부에 배치하고, 광을 조사하여 제2 포토레지스트층(150)을 노광한다. 마스크(170)는 제 2 포토레지스트층(150)을 패턴하기 위하여 노광패턴을 갖는다.
도 2c를 참조하면, 노광된 제 2 포토레지스트층(150)이 현상되어, 제2 포토레지스트층(150)은 제2 패턴을 갖는다. 제2 패턴은, 예를 들어, 소정의 선폭(L1)과 소정의 간격(S1)으로 이격된 구조를 가진다.
여기서, 제2 포토레지스트층(150)의 제2 패턴을 형성하는 방법으로 포토리소그라피 방법을 예시하여 설명하였으나, 고분자 재질의 물질로 제 2 포토레지스트층(150)을 형성한 후 소정의 패턴을 갖는 마스터를 이용하여 임프린트하는 방법으로 제 2 포토레지스트층(150)이 패터닝될 수도 있다.
패터닝된 제2 포토레지스트층(150)을 마스크로 하여 금속층(140)을 식각한 후, 제 2 포토레지스트층(150)을 제거하면, 도 2d와 같이 금속층(140)이 제2 패턴을 갖게 된다. 금속층(140)은 습식 식각, 이온 빔 밀링(ion beam milling) 또는 플라즈마 RIE(reactive ion etching) 공정에 의해 식각될 수 있다.
제2 패턴은 제1 포토레지스트패턴(131)에 비해 낮은 패턴 밀도를 갖는다. 예를 들어, 제2 패턴의 선폭(L1)이 제1 포토레지스트패턴의 선폭(d1, 도 2h 참조)보다 크게 할 수 있고, 라인들 사이의 간격도 더 크게 할 수 있다.
도 2e를 참조하면, 패터닝된 금속층(140) 및 노출된 제1 포토레지스트층(130)을 포함하는 전면에 걸쳐 금속을 이용한 증착을 실시하여, 패턴을 갖는 금속패턴(143)을 형성한다. 증착에 사용되는 금속은 도 2a의 금속층(140)과 동일한 물질이 사용된다. 예컨대 알루미늄(Al)에 의하여 도 2a의 금속층(140)이 형성되고, 증착에도 알루미늄(Al)이 사용된다.
금속패턴(143)은 소정의 선폭(L1)과 높이(h13)를 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격(S1)으로 이격된 구조를 갖는다. 또한, 서로 인접한 라인들(142)사이에 박막부(141)가 배치된다. 라인(142)의 높이는 h13로 표시된다. 즉, 라인(142)은 70~200nm의 높이(h13)를 가진다.
박막부(141)는 광투과성을 가질 정도로 얇게 형성된다. 박막부(141)는 20~50nm의 높이(h12)를 갖는다. 노광에 적용되는 광이 박막부(141)를 투과하여 표면 플라즈몬이 금속층(140)과 제1 포토레지스트층(130)의 경계면에서 형성된다.
라인(142)의 높이(h13)는 금속층(140) 높이(h11)와 증착층의 높이(h12)를 합한 것과 동일할 수 있다.
라인(142)은 150~600nm의 폭(L1)을 가지며, 라인(142) 사이의 간격(S1)은 100 ~ 300nm 이다. 즉, 박막부(141)는 100 ~ 300nm의 폭(S1)을 가진다. 박막부(141)의 폭(S1)은 노광에 적용되는 광의 파장보다 작다.
금속패턴(143)에 광을 조사하여, 금속패턴(143)의 표면에 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)을 여기시켜 제 1 포토레지스트층(130)을 노광한다(도 2f).
표면 플라즈몬이 여기되는 조건에 대해서는 다양한 분야에서 연구되어 왔다. 예를 들어, 소형 슬릿이 반복 형성된 금속 박막에 슬릿의 간격보다 큰 파장의 광이 입사되는 경우, 슬릿을 가로지르는 방향으로 편광된 광은 표면 플라즈몬을 여기한다는 것이 알려져 있다. 본 발명의 실시예는 이와 같은 표면 플라즈몬 효과를 이용하여 제 1 포토레지스트층(130)을 노광시킨다.
즉, 금속패턴(143)에 라인(142) 사이의 간격(S1)보다 큰 파장을 가지는 광이 입사되는 경우, 금속패턴(143)의 표면에서 표면 플라즈몬이 여기되고, 이는 표면 플라즈몬 파(Surface Plasmon Wave)의 형태로 금속패턴(143)의 표면을 따라 제 1 포토레지스트층(130)에 광에너지를 전달한다.
여기서, 금속패턴(143)을 여기하는데 기여하는 광은 복수개의 라인이 반복 배열된 방향, 즉, 라인의 길이 방향에 수직인 방향으로 편광된 광이다. 그러나, 이를 위하여 편광된 광이 조사되어야 하는 것은 아니다. 즉, 다수의 편광 성분을 갖는 광이 조사되더라도, 라인 패턴의 길이 방향에 수직인 방향으로 편광된 광만 표면 플라즈몬을 여기하는데 기여할 것이다.
도 2f의 노광 공정에서, 예를 들어 제 1 포토레지스트층(130)을 노광시키기 위하여 파장이 365nm인 i-선이 조사된다. 도 2f의 제 1 포토레지스트층(130)에서 음영으로 표시된 부분이 노광된 부분이다.
도 2g를 참조하면, 제1 포토레지스트층(130)에 노광 패턴이 형성된다. 노광 패턴은 제1 포토레지스트층(130)에 전달되는 광에너지의 분포 패턴에 의해 결정된다. 상기 광에너지의 분포는 금속의 종류, 금속층(140)에 형성된 라인의 선폭(L1), 간격(S1), 높이(h13), 박막부의 높이(h12) 및 조사된 광의 파장에 따라 달라진다.
금속패턴(143)을 제거한 후, 제1 포토레지스트층(130)을 현상하면 제1 포토레지스트패턴(131)이 형성된다(도 2h).
제1 포토레지스트패턴(131)은 소정의 선폭(d1)과 소정의 간격으로 이격된 구조를 갖는다. 여기서, 제1 포토레지스트패턴의 라인은 금속패턴(143)의 라인(142)들사이의 선폭(L1)과 간격(S1)에 비하여 약 1/2 내지 1/10의 선폭(d1)과 간격을 갖는다. 또한, 제1 포토레지스트패턴(131)의 선폭(d1)은, 금속패턴(143)의 형상을 조절하여, 조사된 광(i-선) 파장의 1/2 ~ 1/10으로 다양하게 조절될 수 있다.
제 1 포토레지스트패턴(131)을 마스크로 하여 식각대상 물질층(120)을 식각한 후, 남아 있는 제 1 포토레지스트패턴(131)을 제거하면 소자 패턴(121)이 형성된다(도 2j).
구체적으로, 소자 패턴(121)은 소정의 선폭(d1)과 소정의 간격을 갖는다. 소자 패턴(121)의 선폭은 30nm ~ 100nm이다. 소자 패턴(121)은 금속패턴(143)보다 좁은 선폭과 높은 패턴 밀도를 갖는다.
이러한, 소자 패턴(121)은 반도체 소자의 배선에 사용될 수 있다.
또한, 소자 패턴(121)이 예를 들어, 70nm 이하의 선폭을 갖는 경우, 표시 기판에 와이어 그리드 편광 패턴으로 사용될 수 있다.
이하, 도 3a 내지 도 3i를 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패턴 형성 방법을 설명한다.
도 3a를 참조하면, 기판(210)상에 제1 포토레지스트층(220), 금속층(230), 제 2 포토레지스트층(240)을 형성한다. 기판(210)과 제1 포토레지스트층(220) 사이에 BARC(Bottom antireflective coating)와 같은 반사방지막이 더 형성될 수 있다.
기판, 제1 포토레지스트층, 금속층 및 제 2 포토레지스트층은 상기에서 설명되었으므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제 2 포토레지스트층(240) 상부에 패턴 마스크가 배치되고, 노광이 이루어진 후 제 2 포토레지스트층(240)이 현상되어, 도 3b와 같이 제2 패턴 형상으로 패터닝된 제 2 포토레지스트층(240)이 형성된다. 제2 패턴은 소정의 선폭(L2)과 소정의 간격(S2)으로 이격된 구조를 갖는다.
제2 패턴 형상으로 패터닝된 제2 포토레지스트층(240)을 마스크로 하여 금속층(230)이 식각되면, 도 3c와 같이 금속층(230)이 제2 패턴을 갖게 된다.
도 3d를 참조하며, 패터닝된 금속층(230)과 노출된 제 1 포토레지스트층(220)을 포함하는 전면에 걸쳐 금속을 이용한 증착을 실시하여 패턴을 갖는 금속패턴(233)을 형성한다. 도 3a의 금속층(230) 형성에 사용된 금속이 증착에도 사용된다.
금속패턴(233)은 소정의 선폭(L2)과 높이(h23)를 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격(S2)으로 서로 평행하게 이격된 구조를 갖는다. 또한, 서로 인접한 라인들(232) 사이에 박막부(231)가 배치된다.
라인(232)은 70~200nm의 높이(h23)를 가진다.
박막부(231)는 광투과성을 가질 정도로 얇게 형성된다. 박막부(231)는 20~50nm의 높이(h22)를 가진다.
또한, 라인(232)는 150~600nm의 폭(L2)을 가지며, 라인 사이의 간격(S2)은 100~300nm 범위이다. 즉, 박막부(231)는 100~300nm 범위의 폭(S2)을 갖는다. 박막부(231) 노광에 적용되는 광의 파장보다 작은 폭(S2)을 갖는다.
금속패턴(233)에 광을 조사하여, 금속패턴(233)의 표면에 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)을 여기시켜 제1 포토레지스트층(220)을 노광한다(도 3e).
도 3e의 노광 공정에서, 제1 포토레지스트층(130)의 노광을 위하여 파장이 365nm인 i-선이 조사된다. 도 3e의 제1 포토레지스트층(130)에서 음영으로 표시된 부분이 노광된 부분이다.
금속패턴(233)을 제거한 후(도 3f), 제1 포토레지스트층(220)을 현상하면, 제1 포토레지스트패턴(221)이 형성된다(도 3g).
제1 포토레지스트패턴(221)은 소정의 선폭과 소정의 간격(d2)으로 이격된 구조를 갖는다. 여기서, 제1 포토레지스트패턴(221)의 라인들 사이의 간격(d2)은 금속패턴(233)의 형상에 따라 달라질 수 있는데, 조사된 광(i-선) 파장의 1/2~1/10로 다양하게 조절될 수 있다. 제1 포토레지스트층(220)에 의하여 라인들 사이의 간격(d2)는 30~100nm가 될 수 있다.
제1 포토레지스트패턴(221) 및 노출된 기판(100)의 전면에 걸쳐 패턴 형성용 물질을 증착하여 패턴 형성용 물질층(250)을 형성한다(도 3h). 패턴 형성용 물질층(250)은 제1 포토레지스트패턴(221)의 상부 및 기판(110)상의 상기 패턴 사이에 형성된다.
패턴 형성용 물질층(250)은 배선 형성용 재료를 증착하여 형성될 수 있다. 즉, 패턴 형성용 물질층(250)은 금속 및 투명도전성산화물(TCO) 중 적어도 하나를 포함한다.
금속으로, 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 금(Au), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 투명도전성산화물로 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 및 In2O3(Indium Oxide)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
패턴 형성용 물질층(250)은 단일층 구조를 가질 수도 있고 다층막 구조를 가질 수도 있다. 예컨대, 패턴 형성용 물질층(250)은 금속과 투명도전성산화물이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
이어, 제1 포토레지스트패턴(221)을 제거한다(도 3i). 제1 포토레지스트패턴(220)이 제거될 때, 제1 포토레지스트패턴(120)상에 배치되어 있던 패턴 형성용 물질층(250)도 함께 제거된다. 그 결과, 기판(210)상에 형성된 패턴 형성용 물질층만 남아 소자 패턴(251)을 형성한다.
기판(210)상에 형성된 소자 패턴(251)은 반도체 소자의 배선에 사용될 수 있다. 또한, 기판(210)상에 형성된 소자 패턴(251)이 예를 들어, 70nm 이하의 선폭을 갖는 경우, 표시 기판에 와이어 그리드 편광 패턴으로 사용될 수 있다.
이하, 도 4a 및 4b를 참조하여, 임프린트용 마스터(370)를 이용하여 금속패턴(341)을 형성하는 일 실시예를 설명한다.
도 4a를 참조하면, 먼저, 기판(310)상에 식각대상물질층(320), 제 1 포토레지스트층(330) 및 금속층(340)을 형성한다. 금속층(340)은 전성 및 연성이 큰 금속으로 형성된다. 그에 따라, 압착에 의하여 금속층(340)의 형상이 용이하게 변형될 수 있다.
또한, 소정 패턴이 형성된 임프린트용 마스터(370)를 준비한다. 마스터(370)는 예를 들어, Si, Quartz, Ni와 같은 재질로 형성되며, 금속층(340)에 형성하고자 하는 금속패턴 형상이 음각된 형상으로 되어 있다. 금속층(230)에 형성하고자 하는 금속패턴은, 예를 들어, 복수개의 라인들이 소정 주기로 반복된 형상을 가진다.
임프린트용 마스터(370)를 이용하여 소정의 압력(P)으로 금속층(340)을 가압하여, 도 4b와 같이 소정의 폭(L3)을 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격(S3)으로 이격된 구조로 된 금속패턴(341)이 형성된다.
이어, 상기 설명된 도 1f 내지 1j와 같은 공정을 거치면, 식각대상 물질층(320)에 의한 소자 패턴이 형성된다.
이어, 도 5 및 도 6a~6b를 참조하여 박막부가 없는 금속층을 이용한 패터닝에 대하여 설명한다.
도 5는 박막부 없이 금속 라인만을 갖는 금속패턴을 구비한 패턴 형성 모델의 사시도이다.
도 5의 모델은 기판(10), 기판(10)상에 배치된 포토레지스트층(20) 및 포토레지스트층(20)상에 배치된 금속 라인(30)을 포함한다.
도 6a와 6b는, 도 5의 모델을 이용하여, 표면 플라즈마에 의한 노광을 실시한 결과를 각각 보여준다. 도 6a 및 6b에서 밝게 표시된 부분이 노광이 이루어진 부분이다.
도 6a에서, 금속 라인의 폭은 445nm이고, 금속 라인 사이의 이격 공간의 폭은 225nm이다. 도 6a과 같이 이격 공간이 크면, 포토레지스트층(20)에 대한 노광 강도가 커져 포토레지스트층(20)이 충분히 노광될 수 있다. 그런데, 표면 플라즈몬은 금속과 유전체(포토레지스트층)의 경계면을 따라 진행하면서 유전체에 에너지를 전달하기 때문에 금속 라인이 배치되지 않은 이격 공간에는 표면 플라즈몬 에너지가 균일하게 전달되기 어렵다. 따라서, 도 6a과 같이 이격 공간이 크면, 금속 라인이 배치된 영역과 이격 공간에서 포토레지스트층(20)에 대한 노광이 균일하지 않게 된다. 노광이 균일하게 이루어지지 않으면 균일한 패턴을 얻기 어렵다.
도 6b는 균일한 노광이 이루어지도록 하기 위하여 이격 공간이 매우 좁게 형성된 예이다. 도 6b에서 금속 라인의 폭은 645nm이고, 이격 공간의 폭은 25nm이다.
도 6b와 같이 금속 라인 사이의 이격 공간이 좁으면 금속 라인과 포토레지스트층(20)의 경계를 따라 표면 플라즈몬의 에너지가 균일하게 전달될 수 있다. 그런데, 이격 공간이 작으면 포토레지스트층(20)에 대한 노광 강도가 약해 포토레지스트층(20)이 충분히 노광되지 않는다. 그 결과, 도 6b에서와 같이 플라즈몬 에너지가 포토레지스트층(20)의 내부로 충분히 전달되지 않아 패턴이 제대로 형성되지 않는다.
반면, 본 발명의 실시예에서는, 금속 라인 사이의 폭을 충분히 넓게 하여 플라즈몬 에너지가 포토레지스트층의 내부로 충분히 전달되어 포토레지스트층에 대한 노광이 충분히 이루어지도록 하고, 또한, 금속 라인 영역에 금속으로 된 박막부를 형성하여 표면 플라즈몬의 에너지가 균일하게 전달되도록 함으로써 노광이 균일하게 이루어지도록 한다.
이상, 도면 및 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였다. 상기 설명된 도면과 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예를 생각해 내는 것이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110, 210: 기판 120: 식각대상 물질층
130, 220: 제1 포토레지스트층 140, 230: 금속층
150, 240: 제2 포토레지스트층 170: 패턴 마스크
370: 임프린트용 마스터

Claims (19)

  1. 기판상에 식각대상 물질층을 형성하는 단계;
    상기 식각대상 물질층상에 제 1 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 제1 포토레지스트층상에, 소정의 선폭과 높이를 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격으로 이격된 금속패턴을 형성하는 단계;
    상기 금속패턴에 표면 플라즈몬이 여기되어 상기 제1 포토레지스트층이 제1 패턴 형상으로 노광되도록 광을 조사하는 광조사 단계;
    상기 금속패턴을 제거하고, 상기 제 1 포토레지스트층을 현상하여 제1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 1 포토레지스트패턴을 마스크로 하여 상기 식각대상 물질층을 식각하는 식각단계;를 포함하는 패턴 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 금속패턴은 서로 인접한 상기 라인들 사이에 배치된 박막부를 포함하는 패턴 형성 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 박막부의 높이는 20~50nm인 패턴 형성 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 라인들 사이의 간격은 100~300nm인 패턴 형성 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 광조사 단계는, 상기 라인들 사이의 간격보다 큰 파장을 갖는 광을 조사하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 광조사 단계는, i-선을 조사하는 단계를 포함하는 패터닝 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 포토레지스트패턴의 패턴밀도는 상기 금속패턴의 패턴밀도보다 높은 패턴 형성 방법.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는,
    상기 제1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층상에 제 2 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 포토레지스트층을 상기 제2 패턴으로 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 제 2 포토레지스트층을 마스크로 하여 금속층을 식각하고 제 2 포토레지스트층을 제거하는 단계; 및
    금속을 이용한 증착을 실시하여, 식각된 금속층 및 노출된 제1 포토레지스트층상에 증착층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는,
    상기 제 1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    금속패턴 형상이 음각된 마스터를 사용하여 상기 금속층을 압착하는 단계;
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 금속층은 Au, Al, Ag, Cr, Ni, Ti, Ta 및 W 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 패턴 형성 방법.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 식각대상 물질층은 금속 및 투명도전성산화물(TCO) 중 적어도 하나를 포함하는 패턴 형성 방법.
  12. 기판상에 제 1 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 제1 포토레지스트층상에, 소정의 선폭과 높이를 갖는 복수개의 라인들이 소정의 간격으로 이격된 금속패턴을 형성하는 단계;
    상기 금속패턴에 표면 플라즈몬이 여기되어 상기 제1 포토레지스트 층이 제1 패턴 형상으로 노광되도록 광을 조사하는 단계;
    상기 금속패턴을 제거하고, 상기 제1 포토레지스트층을 현상하여 제1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 포토레지스패턴 및 기판상에 패턴 형성용 물질을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 포토레지스트패턴을 제거하는 단계;를 포함하는 패턴 형성 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 금속패턴은 서로 인접한 상기 라인들 사이에 배치된 박막부를 포함하는 패턴 형성 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 박막부의 높이는 20~50nm인 패턴 형성 방법.
  15. 제13 항에 있어서, 상기 라인들 사이의 간격은 100~300nm인 패턴 형성 방법.
  16. 제12 항에 있어서, 상기 광조사 단계는, 상기 라인들 사이의 간격보다 큰 파장을 갖는 광을 조사하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법.
  17. 제12 항에 있어서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는,
    상기 제1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층상에 제 2 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 포토레지스트층을 상기 제2 패턴 형상으로 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 제 2 포토레지스트층을 마스크로 하여 상기 금속층을 식각하고 제 2 포토레지스트층을 제거하는 단계; 및
    금속을 이용한 증착을 실시하여, 식각된 금속층 및 노출된 제1 포토레지스트층상에 증착층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  18. 제12 항에 있어서, 상기 금속패턴을 형성하는 단계는,
    상기 제 1 포토레지스트층상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    금속패턴 형상이 음각된 마스터를 사용하여 상기 금속층을 압착하는 단계;
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  19. 제12 항에 있어서, 상기 패턴 형성용 물질은 금속 및 투명도전성산화물 중 적어도 하나를 포함하는 패턴 형성 방법.
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