KR20220085744A - 유무기 하이브리드 나노입자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 우수한 식각 내성 및 기계적 강도 특성을 갖고, 포토레지스트로 활용 시 우수한 선단 거칠기의 포토레지스트 특성을 제공할 수 유무기 하이브리드 나노입자에 관한 것으로, 상세하게 유무기 하이브리드 나노입자는 입자상의 금속산화물; 금속산화물에 포함되는 금속과 배위결합 또는 공유결합하여 위치하는 표면 안정자(surface stabilizer); 및 금속산화물에 결합된 네트워크 형성자;를 포함한다.
Description
본 발명은 유무기 하이브리드 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게 포토레지스트의 선단 거칠기를 감소시킬 수 있는 유무기 하이브리드 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 공정 중 포토레지스트를 이용한 리소그래피 공정을 통해 기판 상에 패턴을 형성하게 되는데 현재 공정에서는 g선(436nm), I-선(365nm), ArF 레이저(248nm) 또는 KrF 레이저(157nm)가 광원으로 사용되고 있다.
최근, 고집적화된 반도체 공정을 위해 리소그래피 공정에 사용되는 광원의 파장은 작아지고 있고, 차세대 광원으로 13-14 nm의 범위 내의 파장을 가지는 극자외선(EUV)이 주목 받고 있다.
대한민국 등록특허 10-1854145호에서는 미세패턴을 형성할 수 있는 유기 폴리머 기반의 포토레지스트 조성물을 제공하고 있으나, 기존의 화학증폭형 레지스트(chemically amplified rest, CAR)인 유기 포토레지스트는 민감도가 매우 좋은 것으로 알려져 있는 반면에 열위한 식각 내성으로 포토레지스트의 높이가 높다는 단점이 있고, 낮은 기계적 강도 특성에 의해 하프피치가 감소하면 식각 후 남은 레지스트의 붕괴가 발생할 수 있는 문제가 있다. 또한, 산의 확산에 대한 불확정성에 의해 선단 거칠기(line-edge roughness, LER)의 제어가 어렵다는 단점이 있다.
이에 반해, 무기계 포토레지스트는 우수한 식각 내성 및 기계적 강도를 가지고 있기 때문에 전술한 CAR 타입의 단점을 상쇄시킬 수 있는 장점이 있다. 특히, 주석 산화물 나노입자는 극자외선 또는 전자빔에 의해 발생하는 광원 흡수 후 발생되는 이차전자(secondary electron)에 의해 나노입자 간 가교가 일어나 네가티브형 포토레지스트 특성을 지니기 때문에 주목 받고 있다.
하지만, 선단 거칠기를 감소시키기 위해서는 작은 크기의 나노입자가 요구되어진다. 대한민국 등록특허 10-0828641호에서는 입도 및 입도 분포 등과 같은 입자 특성을 제어할 수 있는 금속산화물 나노 분말의 제조방법을 제공하고 있으나, 실질적으로 제공하는 금속산화물의 입자 크기는 30 내지 50 nm 수준으로 리소그래피 공정에서 선단 거칠기 특성을 향상 시키기에 한계가 있다.
이에, 우수한 선단 거칠기 특성을 확보할 수 있는 금속산화물 나노입자의 합성 기술이 개발될 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 우수한 선단 거칠기 특성을 지닌 무기 포토레지스트로 활용 가능한 유무기 하이브리드 나노입자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속산화물 나노입자의 크기를 수 nm 이하 수준으로 제어 가능한 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에서 제공하는 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 유무기 하이브리드 나노입자는 입자상의 금속산화물; 입자상의 금속산화물에 포함되는 금속과 배위결합 또는 공유결합하여 위치하는 표면안정자(surface stabilizer); 및 금속산화물에 결합된 네트워크 형성자;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 있어, 표면안정자는 카보닐기 또는 아마이드 결합 또는 비공유전자쌍을 가지는 질소를 포함한 탄소 원자 1 내지 20개를 가지는 화합물을 포함하는 유기리간드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 있어, 상기 유리리간드는 피리딘(pyridine), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine), 피라졸(pyrazole), 포믹산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 벤조산(benzoic acid), 아미노벤조산(aminobenzoic acid), 우레아(urea), 포름아미드(formamide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 디에틸포름아미드(diethylformamide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 있어, 상기 네트워크 형성자는 하이드록시기 및 나이트레이트 이온 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 있어, 상기 유무기 하이브리드 나노입자는 상기 나이트레이트 이온으로부터 기인한 산소 연결기(-O-)를 통해 금속산화물에 포함되는 금속(M) 간 결합된 M-O-M 결합(oxo-cross linking)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 있어, 상기 금속산화물에 포함되는 금속(M)은 주석(Sn)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 있어, 상기 유무기 하이브리드 나노입자의 크기는 10 nm 이하일 수 있다.
본 발명은 다른 일 양태에 따라 전술한 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름을 제공한다.
본 발명은 또 다른 일 양태에 따라 포토레지스트 패턴의 형성방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 양태에 따라 제공되는 포토레지스트 패턴의 형성방법은 a) 전술한 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름을 기판 상에 형성하는 단계; 및 b) 상기 필름을 노광한 후 현상하여 패턴을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토레지스트 패턴의 형성방법에 있어, 상기 노광은 전자빔(E-beam) 또는 극자외선(EUV)를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포토레지스트 패턴의 형성방법에 있어, 상기 패턴은 네거티브형 패턴일 수 있다.
본 발명은 또 다른 일 양태에 따라 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법은 a) 금속 전구체, 유기리간드 화합물, 질산염 화합물 및 유기용매를 포함하는 혼합액으로부터 유기금속화합물 전구체 용액을 합성 하는 단계; 및 b) 상기 유기금속화합물 전구체 용액을 열처리하여 금속산화물 표면에 상기 유기리간드 및 질산염 이온이 결합된 입자를 성장 시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계에서 합성되는 유기금속화합물은 금속화합물에 유기리간드가 배위결합된 가용성 유기금속화합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에 있어, 상기 금속 전구체는 주석(Sn) 할라이드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계에서 혼합되는 금속 전구체 : 유기리간드 화합물의 몰비는 1 : 0.5 내지 2일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에 있어, 상기 금속산화물은 상기 열처리를 통해 열분해된 질산염으로부터 기인하여 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에 있어, 상기 열처리는 80 내지 150 ℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계 및 b) 단계는 단일 반응기(one-pot)에서 연속적으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자는 입자상의 금속산화물;금속산화물에 포함되는 금속과 배위결합 또는 공유결합하여 위치하는 표면안정자(surface stabilizer); 및 금속산화물에 결합된 네트워크 형성자;를 포함함에 따라 우수한 식각 내성 및 기계적 강도 특성을 가질 수 있고, 이에 의해 포토레지스트로 활용 시 우수한 선단 거칠기의 포토레지스트 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 실시예 2-2의 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 서베이 XPS 스펙트럼 및 각 원소(C1s, O1s, N1s 및 Sn3d)의 피크에 대한 고분해능 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자를 모식적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 실시예 2-2의 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 서베이 XPS 스펙트럼 및 각 원소(C1s, O1s, N1s 및 Sn3d)의 피크에 대한 고분해능 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자를 모식적으로 나타내는 모식도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 유무기 하이브리드 나노입자를 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.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 유무기 하이브리드 나노입자는 입자상의 금속산화물; 금속산화물에 포함되는 금속과 배위결합 또는 공유결합하여 위치하는 표면안정자(surface stabilizer); 및 금속산화물에 결합된 네트워크 형성자;를 포함한다.
종래와 달리 본 발명의 일 구현예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자는 입자상의금속산화물과 금속산화물 입자 표면에 위치하는 표면안정자 및 네트워크 형성자를 포함함에 따라 포토레지스트로 활용 시 우수한 선단 거칠기의 포토레지스트 특성을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 안정화된 유무기 하이브리드 나노입자에 의해 전자빔 또는 극자외선과 같은 낮은 파장(고에너지)의 광에 대하여 우수한 흡수 단면적, 식각 내성 및 높은 기계적 강도를 가질 수 있기 때문에 고해상도 및 고감도의 포토레지스트 특성을 제공할 수 있다.
종래의 유기 포토레지스트의 단점을 극복할 수 있는 금속산화물과 같은 무기계 포토레지스트는 고에너지 광원에 대한 우수한 흡수 단면적 뿐 아니라 우수한 식각 내성 및 기계적 강도를 가지고 있기 때문에 많은 관심을 받고 있으나, 일반적으로 포토레지스트 막 형성을 위하여 용매에 금속산화물이 분산된 클러스터 용액을 제조 후 기판 상에 도포하여 포토레지스트 막을 형성한다.
이 때, 용매 상에 분산된 금속산화물 입자들은 높은 표면 에너지를 갖기 때문에 입자들 간의 응집(coagulation) 또는 엉김(flocculation)이 일어나 표면 에너지를 줄이는 경향이 있다. 응집 또는 엉김 현상에 의해 뭉쳐진 입자는 용매 내에서 침전이 발생하여 이러한 클러스터 용액을 도포하여 포토레지스트 막을 형성 시 포토레지스트 막의 품질이 저하되게 된다. 또한, 선단 거칠기를 감소시키기 위해서는 작은 크기의 나노입자가 요구되어진다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자는 인접한 유무기 하이브리드 나노입자 간 거리가 가까워져 서로 응집 또는 엉김 현상이 일어나는 것을 억제시키는 표면안정자를 포함하고 있기 때문에 무기계 포토레지스트의 장점을 유지하면서 선단 거칠기 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
일 구체예에 있어, 금속산화물에 포함되는 금속과 배위결합 또는 공유결합하여 위치하는 표면안정자는 카보닐기 또는 아마이드 결합 또는 비공유전자쌍을 가지는 질소를 포함한 탄소 원자 1 내지 20개를 가지는 화합물을 포함하는 유기리간드일 수 있다.
구체적 일 예로, 유리리간드는 피리딘(pyridine), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine), 피라졸(pyrazole), 포믹산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 벤조산(benzoic acid), 아미노벤조산(aminobenzoic acid), 우레아(urea), 포름아미드(formamide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 디에틸포름아미드(diethylformamide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 2-아미노피리딘(2-aminopyridine) 일 수 있다.
2-아미노피리딘을 유기리간드로 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자는 용매 내에서 2-아미노피리딘에 의한 입체장애(steric hinderance)로 유무기 하이브리드 나노입자의 분산 안정성이 향상될 뿐만 아니라, 후술할 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에서 나노입자의 성장과 관련하여 나노입자의 크기를 제어하는데 유리할 수 있다. 나노입자의 크기 제어는 후술할 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
일 실시예에 있어, 금속산화물에 결합된 네트워크 형성자는 하이드록시기 및 나이트레이트 이온 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
이 때, 네트워크 형성자라 함은 후술할 포토레지스트 패턴 형성방법에서 용매에 분산된 유무기 하이브리드 나노입자(또는 클러스터) 간 가교가 가능한 사이트를 가지는 표면 기능기를 의미하는 것일 수 있다.
구체적으로 네트워크 형성자는 후술할 포토레지스트 패턴 형성방법에서 노광 시 유무기 하이브리드 나노입자 간 가교가 가능하게 하는 역할을 수행할 수 있다. 노광 공정에서 발생한 이차전자에 의해 유무기 하이브리드 나노입자 표면에 결합된 하이드록시기 및 나이트레이트 이온은 산소 가교 사이트를 남기고 해리될 수 있고, 산소 가교 사이트가 인접한 유무기 하이브리드 나노입자에 포함된 금속산화물의 금속과 가교될 수 있다.
이와 같이 서로 연결된 유무기 하이브리드 나노입자는 현상액에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 현상 후 노광 영역이 남아있는 네거티브형의 패턴이 형성될 수 있는 것이며, 이를 포토레지스트 패턴 형성방법에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
일 구현예에 있어, 유무기 하이브리드 나노입자는 산소 연결기(-O-)를 통해 금속산화물에 포함되는 금속(M) 간 결합된 M-O-M 결합(oxo-cross linking)을 포함하는 것일 수 있다.
이 때, 산소 연결기는 나이트레이트 이온으로부터 기인한 것일 수 있고, 상세하게 산소 연결기는 열분해된 질산염으로부터 기인한 것으로 유무기 하이브리드 나노입자의 크기는 산소 연결기에 의해 금속산화물에 포함된 금속 간 결합됨으로써 성장하여 결정될 수 있는 것일 수 있고, 보다 상세한 설명은 제조방법적 측면에서 하도록 한다.
일 구현예로, 유무기 하이브리드 나노입자의 크기는 10 nm 이하, 바람직하게는 5 nm 이하, 보다 바람직하게는 2 nm 이하일 수 있고, 실질적으로 0.5 nm 이상, 보다 실질적으로 1 nm 이상일 수 있다.
이 때, 유무기 하이브리드 나노입자의 크기는 용매에 분산된 상태로 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 분석한 평균 크기를 의미하는 것일 수 있다.
나노입자의 크기가 전술한 범위를 만족하는 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 포토레지스트는 우수한 선단 거칠기 특성을 가질 수 있는 장점이 있다.
일 구체예로, 금속산화물에 포함되는 금속은 주석(Sn), 인듐(In), 안티몬(Sb) 및 하프늄(Hf) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 주석(Sn)일 수 있다.
금속산화물에 포함되는 금속은 종류에 따라 노광 공정에서 이용되는 광원과의 상호작용에 의해 상이한 특성을 나타내게 된다. 구체적으로, 금속의 종류 및 광원의 에너지에 따라 광흡수 단면적(absorption cross section), 탄성 산란(elastic scattering) 및 비탄성 산란(inelastic scattering) 특성이 상이하게 나타나게 된다.
노광 공정에서 전자빔 또는 극자외선과 같이 고에너지의 광원을 이용할 경우 주석은 높은 광흡수 단면적, 높은 비탄성 산란 및 낮은 탄성 산란 특성을 갖기 때문에 주석을 포함하는 금속산화물은 고에너지를 갖는 광원에 대한 감도가 우수하여 전자빔 또는 극자외선을 이용한 포토레지스트 공정에서 우수한 광감도를 가질 수 있다.
또한, 주석산화물은 우수한 식각 내성 및 기계적 강도를 가짐에 따라 주석산화물을 포함하는 포토레지스트용 조성물을 이용하여 포토레지스트 막을 형성 시 고해상도 및 낮은 선 가장자리 거칠기 특성을 만족하는 포토레지스트로 사용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 다른 일 양태에 따라 전술한 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름을 제공한다.
여기서 전술한 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름은 박막 트랜지스터의 채널 층으로 포함될 수 있고, 이 때, 박막 트랜지스터는 P형 산화물 반도체 박막트랜지스터일 수 있다.
구체적으로, 필름은 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 분산액을 도포한 후 광을 조사하여 형성될 수 있는데 유무기 하이브리드 나노입자는 유기리간드를 포함함에 따라 분산액 내에서 우수한 분산 안정성을 가지기 때문에 필름 형성 시 평탄성이 우수한 균일한 박막으로 제조될 수 있는 장점이 있다.
또한, 필름 형성 시 유무기 하이브리드 나노입자에 포함된 네트워크 형성자는 광 조사 과정에서 산소 가교 사이트를 남기고 해리되면서 나노입자 간 가교가 일어나기 때문에 우수한 전기 전도성을 가질 수 있다.
일 예로, 필름에 포함되는 유무기 하이브리드 나노입자는 주석산화물을 포함하는 것일 수 있다.
이 때, 주석산화물은 주석자리에 Rh, Al, Mn, Fe, Co, Cr, Ga, La 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 3가 금속이 도핑된 것일 수 있다.
일 예로, 필름의 두께는 5 내지 500 nm, 구체적으로 10 내지 300 nm, 보다 구체적으로 10 내지 30 nm일 수 있다.
본 발명은 또 다른 일 양태에 따라 포토레지스트 패턴의 형성방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 포토레지스트 패턴의 형성방법은 a) 전술한 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름을 기판 상에 형성하는 단계; 및 b) 상기 필름을 노광한 후 현상하여 패턴을 형성하는 단계;를 포함한다.
우선, 기판 상에 전술한 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름을 형성시키기 위해 유무기 하이브리드 나노입자 및 용매를 포함하는 분산액을 준비한다.
일 구체예로, 분산액은 0.1 내지 30 중량%, 구체적으로 0.5 내지 20 중량%, 보다 구체적으로 1 내지 10 중량%의 유무기 하이브리드 나노입자를 포함할 수 있다.
일 예로, 분산액에 포함되는 용매는 2-메톡시에탄올, 메틸 이소부틸 카비놀, 에테르, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
일 구현예에 있어, 준비된 분산액을 기판 상에 도포하여 필름을 형성할 수 있다.
이 때, 도포방법은 당업계에 공지된 방법이라면 그 이용에 제한이 없으며, 일 예로, 분산액은 기판 상에 스핀 코팅, 딥핑, 롤러 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅 등의 방법을 이용하여 도포될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 필름은 분산액을 스핀 코팅 방법을 이용하여 기판 상에 도포하여 형성될 수 있으며 이 때, 분산액의 점도, 스피너의 속도 및 코팅의 수행 시간에 기초하여 목적하는 필름의 두께를 조절할 수 있다.
일 구현예로, 분산액의 점도는 0.5 내지 150 cP, 구체적으로 0.5 내지 100 cP, 보다 구체적으로 0.7 내지 1.1 cP일 수 있다.
일 구체예에 있어, 스핀 코팅은 1000 내지 5000 rpm, 구체적으로 2000 내지 4000 rpm의 속도로 10 내지 60 초 동안, 실질적으로 20 내지 40 초 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예로, 후술할 필름에 광을 조사하여 노광 공정을 수행하기 전에 기판에 분산액을 도포하여 형성된 필름을 프리-베이크하는 단계를 더 포함할 수 있다.
프리-베이크를 수행함으로써 분산액에 포함된 용매를 제거하여 필름과 기판과의 접착력을 향상시킬 수 있다. 일 예로, 프리-베이크는 100 내지 140 ℃, 구체적으로 100 내지 130 ℃의 온도에서 1 내지 10분 동안, 실질적으로 3 내지 8분 동안 수행될 수 있다.
일 구현예로, 기판 상에 형성되는 필름의 두께는 5 내지 500 nm, 유리하게는 10 내지 300 nm, 보다 유리하게는 10 내지 30 nm일 수 있다.
여기서 필름의 두께는 기판 상에 분산액을 도포한 후 프리-베이크를 수행한 이 후에 측정된 두께일 수 있다.
구체적으로 필름의 두께가 5 nm 미만일 경우, 후술할 노광 공정 후 잔류하는 포토레지스트 막의 두께가 너무 얇아져, 식각층에 불순물 주입, 식각층의 식각 또는 식가층 상에 물질 증착과 같은 후속 공정 시, 포토레지스트 막이 마스크 역할을 효과적으로 수행하지 못할 수 있고, 포토레지스트 막의 두께가 500nm를 초과할 경우 포토리소그래피 공정 이후의 후속 공정 시 마스크 역할은 효과적으로 수행할 수 있으나, 포토레지스트 막에 의한 너무 큰 표면 단차가 식각층에 형성되어, 원하는 영역에 균일하고 균질하게 후속 공정이 수행되지 못할 위험이 있기 때문에 포토레지스트 막의 두께는 전술한 범위를 만족하는 것이 유리하다.
일 구체예에 있어, 분산액을 도포하여 필름이 형성되는 기판은 하부 베이스 기판상에 위치하는 알루미늄, 구리, 몰리브덴, 티나늄, 텅스텐, 이들 금속의 합금, 이들 금속의 니트라이드 또는 이들 금속의 실리사이드 중에서 선택되는 하나 이상의 전도층, 실리콘 옥사이드, 실리콘 니트라이드, 실리콘 옥시니트라이드 및 금속 옥사이드 중에서 선택되는 하나 이상의 유전체층, 단결정 실리콘과 같은 반도체층 및 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다.
여기서 하부 베이스 기판은 웨이퍼 형상일 수 있으며, 반도체, 세라믹, 금속, 고분자 또는 이들에서 선택된 둘 이상의 물질이 각 층을 이루며 적층된 적층체일 수 있다.
일 예로, 하부 베이스 기판은 반도체 기판일 수 있으며, 반도체 기판의 비 한정적인 일 예로, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 실리콘게르마늄(SiGe)을 포함하는 4족 반도체, 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 또는 갈륨인(GaP)을 포함하는 3-5족 반도체, 황화카드뮴(CdS) 또는 텔루르화아연(ZnTe)을 포함하는 2-6족 반도체, 황화납(PbS)을 포함하는 4-6족 반도체 또는 이들에서 선택된 둘 이상의 물질이 각 층을 이루며 적층된 적층체일 수 있다.
이어서, 기판 상에 형성된 필름을 노광한 후 현상하여 패턴을 형성한다.
일 예로, 노광은 전자빔(E-beam), 극자외선(EUV), 아이-선(I-line), 크립톤불소(KrF) 레이저, 아르곤불소(ArF) 레이저, 심자외선(DUV), 진공자외선(VUV), X-선 및 이온빔 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 광원으로 수행되는 것일 수 있고, 구체적으로 전자빔(E-beam) 또는 극자외선(EUV)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
일 구체예로, 전자빔을 이용하여 노광 공정을 수행할 경우 필름에 조사되는 광의 광량(dose) 150 내지 900 μC/cm2, 실질적으로 250 내지 800 μC/cm2일 수 있다.
일 구현예에 있어, 전술한 광원을 이용하여 필름을 노광한 후 노광된 필름을 베이크 한 다음 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다.
이 때, 베이크 공정은 100 내지 200 ℃, 구체적으로 100 내지 150 ℃의 온도에서 1 내지 15분 동안, 실질적으로 5 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
상세하게, 포토레지스트 패턴이 형성되는 과정을 하기 화학구조 변화식 1을 통해 나타내었다. 노광 공정에서 발생한 이차전자는 필름에 포함된 유무기 하이브리드 나노입자 표면에 결합된 네트워크 형성자(하이드록시기 및 나이트레이트 이온)를 해리시킬 수 있다. 이 때, 네트워크 형성자는 산소 가교 사이트를 남기고 해리될 수 있고, 유무기 하이브리드 나노입자 표면에 남겨진 산소 가교 사이트는 인접한 유무기 하이브리드 나노입자와 결합하게 되는 것이다.
(화학구조 변화식 1)
이와 같이, 서로 연결된 유무기 하이브리드 나노입자들은 현상과정에서 현상액에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 현상 공정 후 노광 영역이 남아있는 네거티브형 포토레지스트 특성을 나타내게 되는 것이다.
일 구체예에 있어, 현상공정에 사용되는 현상액은 4차 암모늄염을 포함하는 현상액일 수 잇고, 비 한정적인 일 예로, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH), 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(TBAH), 테트라프로필암모늄 하이드록사이드(TPAH), 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(TEAH) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
이 때, 현상액은 5 내지 30 중량%, 실질적으로 5 내지 20 중량%의 4차 암모늄염을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 또 다른 일 양태에 따라 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법은 a) 금속 전구체, 유기리간드 화합물, 질산염 화합물 및 유기용매를 포함하는 혼합액으로부터 유기금속화합물 전구체 용액을 합성하는 단계; 및 b) 합성된 유기금속화합물 전구체 용액을 열처리하여 금속산화물 표면에 유기리간드 및 질산염 이온이 결합된 입자를 성장 시키는 단계;를 포함한다.
먼저, 금속 전구체, 유기리간드 화합물, 질산염 화합물 및 유기용매를 포함하는 혼합액으로부터 유기금속화합물 전구체 용액을 합성한다.
일 실시예에 있어, 혼합액에 혼합되는 금속 전구체 : 유기리간드 화합물의 몰비는 1 : 0.3 내지 2, 실질적으로 1 : 0.5 내지 2, 보다 실질적으로 1 : 0.5 내지 1.5 일 수 있다.
금속 전구체 : 유기리간드 화합물의 몰비가 0.3 미만일 경우는 후술할 입자를 성장 시키는 단계에서 입자의 성장 제어가 원활하지 않아 목적하는 크기의 입자로 성장시키는데 한계가 있고, 몰비가 2를 초과하면 입자를 성장 시키는 단계에서 입자의 성장 제어는 원활하게 이루어질 수 있으나, 금속산화물 표면에 질산염 이온의 결합이 원활하지 않을 수 있다. 금속산화물 표면에 결합된 질산염 이온은 앞서 상술한 바와 같이 산소 연결기(-O-)를 제공하여 금속산화물에 포함되는 금속(M) 간 결합된 M-O-M 결합(oxo-cross linking)을 가능하게 하는 산소 제공자 역할을 통해 입자 성장에 관여할 뿐만 아니라 미반응된 질산염 이온은 네트워크 형성자의 역할을 수행하여 포토리소그래피 공정에서 패턴을 형성할 수 있기 때문에 금속 전구체 : 유기리간드 화합물의 몰비는 전술한 범위를 만족하는 것이 유리하다.
일 구현예에 있어, 금속 전구체 : 질산염 화합물의 몰비는 1 : 0.5 내지 2, 구체적으로 1 : 0.5 내지 1.5일 수 있다.
전술한 바와 같이, 후술할 입자를 성장 시키는 단계를 통해 제조되는 유무기 하이브리드 나노입자 표면에 미반응된 질산염 이온이 네트워크 형성자의 역할과 함께 산소 제공자 역할을 수행하기 위해서는 금속 전구체 : 질산염 화합물의 몰비는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
일 구체예로 질산염 화합물은 질산암모늄일 수 있다.
일 실시예에 있어, 금속 전구체는 주석(Sn), 인듐(In), 안티몬(Sb) 및 하프늄(Hf) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 금속할라이드일 수 있고, 유리하게는 주석(Sn) 할라이드일 수 있다.
일 구체예에 있어, 혼합액에 포함되는 유기리간드는 앞서 상술한 유기리간드와 동일 또는 유사한 것으로 상세한 설명은 생략한다.
일 구체예로, 혼합물에 포함되는 유기용매는 2-메톡시에탄올, 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드, 아세톤 및 테트라히드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어 느 하나 이상일 수 있다.
일 예로, 혼합액은 혼합액 전체 부피를 기준으로 50 내지 99 중량%, 구체적으로 70 내지 95 중량%의 유기용매를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어 혼합액으로부터 유기금속화합물 전구체 용액을 합성하는 단계에서 합성되는 유기금속화합물은 금속화합물에 유기리간드가 배위결합된 가용성 유기금속화합물일 수 있다.
구체적으로 유기금속화합물은 하기 화학식 1을 만족하는 것일 수 있다.
(화학식 1)
HxMXyLz(0 ≤ x, y, z ≤ 4)
화학식 1에서 H는 수소 원자이고, M은 금속 전구체에 포함된 금속이며, X는 금속 전구체에 포함된 음이온 또는 질산염 이온이며, L은 유기리간드이다.
이어서, 전술한 유기금속화합물 전구체 용액을 열처리하여 금속산화물 표면에 유기리간드 및 질산염 이온이 결합된 입자를 성장 시킨다.
일 구현예에 있어, 금속산화물은 열처리 공정을 통해 열분해된 질산염으로부터 기인하여 형성되는 것일 수 있다.
구체적으로 열처리 공정을 통해 유무기 하이브리드 나노입자가 성장하는 과정을 하기 화학구조 변화식 2에 나타내었다.
(화학구조 변화식 2)
유기금속화합물 전구체 용액이 가열된 상태에서 금속에 배위결합된 유기리간드는 순간적으로 질산염으로 치환될 수 있고, 치환된 질산염은 열분해하여 LxSn-O-(0 < x < 6)가 생성되게 된다. 이 때, Lx는 수소(H) 또는 유기리간드 또는 전구체에 포함된 음이온 또는 질산염 이온일 수 있다.
이후, 생성된 LxSn-O-는 다른 유기금속화합물과 가교반응이 일어날 수 있는데 이 때, 산소 연결기(-O-)를 통해 금속산화물에 포함되는 금속(M) 간 결합된 M-O-M 결합(oxo-cross linking)반응이 일어나면서 유무기 하이브리드 나노입자로 성장할 수 있는 것이다.
여기서, 유무기 하이브리드 나노입자의 성장은 질산염의 열분해에 의해 결정될 수 있고, 이에 따라 oxo-cross linking 반응을 제어하여 유무기 하이브리드 나노입자의 크기를 조절할 수 있다.
일 구현예에 있어, 열처리는 80 내지 150 ℃의 온도, 유리하게는 85 내지 130 ℃의 온도, 보다 유리하게는 90 내지 110 ℃의 온도에서 1 내지 15시간, 좋게는 1 내지 10시간, 보다 좋게는 1 내지 5시간, 보다 더 좋게는 2 내지 4시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
전술한 열처리 조건으로 질산염의 열분해를 통한 oxo-cross linking 반응을 제어하여 10 nm 이하, 바람직하게는 5 nm 이하, 보다 바람직하게는 2 nm 이하일 수 있고, 실질적으로 0.5 nm 이상, 보다 실질적으로 1 nm 이상인 유무기 하이브리드 나노입자를 성장시킴에 따라 앞서 상술한 바와 같이 우수한 선단 거칠기 특성을 지닌 무기 포토레지스트로 활용 가능한 유무기 하이브리드 나노입자를 제공할 수 있는 것이다.
성장 단계가 완료된 유무기 하이브리드 나노입자는 입자 표면에 표면안정자 역할을 하는 유기리간드, 네트워크 형성자 역할을 하는 미만응 질산염 이온 및 하이드록시기를 포함할 수 있다.
일 구현예로, 전술한 유기금속화합물 전구체 용액을 합성 하는 단계 및 열처리 공정을 통해 유무기 하이브리드 나노입자를 성장시키는 단계는 단일 반응기(one-pot)에서 연속적으로 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어, 유무기 하이브리드 나노입자를 성장시키는 단계 이후, 미반응 질산염 화합물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 구체예로 먼저 유기용매를 진공펌프를 이용하여 제거한 후, 미반응 질산염 화합물은 테트라하이드로퓨란에 재용해 시킨 다음 여과 공정을 통해 제거할 수 있으나, 당업계에 공지된 방법이라면 제한 없이 이용될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 나노입자에 대해 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
(실시예 1-1 ~ 실시예 1-10)
20 mL 바이알에 2mmol의 무수 SnCl2 과 2mmol의 NH4NO3를 5mL 2-메톡시에탄올에 용해시킨 후 2mmol의 Urea를 첨가하여 유기금속화합물 용액을 합성하였다.
합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석하였고, 그 결과를 도 1에 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 유기금속화합물은 우레아에 포함된 카보닐기의 산소가 Sn 금속과 배위결합 되고, Cl이 모두 우레아로 치환된 구조를 가지는 것을 확인하였다.
이후, 합성된 유기금속화합물 용액을 바이알 뚜껑을 닫고 80 내지 100 ℃로 예열한 오븐에서 1 내지 10시간 동안 열처리하였다. 열처리 공정 후에는 진공펌프를 이용하여 1차적으로 용매를 제거한 다음 수득물을 테트라하이드로퓨란(THF)에 용해시켜 미반응된 NH4NO3를 제거하였다.
최종적으로 회전증발기를 이용하여 THF를 제거한 후, 주석에 배위결합된 우레아, 주석 산화물 표면에 결합된 나이트레이트 이온 및 하이드록시기를 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자를 제조하였다.
열처리 조건에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자를 2-메톡시 에탄올에 분산시킨 후 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 나노입자 크기를 분석하였고 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
(표 1)
도 2는 실시예 1-9에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 DLS 측정 결과를 도시한 도면이다.
표 1에 나타난 바와 같이, 80 내지 90 ℃의 온도에서 나노입자의 성장은 열처리 시간이 9시간 이상 필요한 것으로 확인되었으며, 9시간 미만일 경우 나노입자의 성장이 제한되는 것을 확인하였다. 반면에, 100 ℃의 온도에서는 열처리 시간에 따라 제조되는 나노입자가 성장하는 것을 알 수 있고, 이로부터 열처리 시간을 조절하여 나노입자의 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
(실시예 2-1 ~ 실시예 2-3)
20 mL 바이알에 2mmol의 무수 SnCl2 과 2mmol의 NH4NO3를 5mL 2-메톡시에탄올에 용해시킨 후 2mmol의 2-아미노피리딘(2-aminopyridine, AP) 0.188g을 첨가하여 유기금속화합물 용액을 합성하였다.
합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석하였고, 그 결과를 도 3에 도시하였다.
도 3을 참조하면, 유기금속화합물은 도 3(a)에 나타난 바와 같이 HSnCl(AP)로 존재하거나 도 3(b)에서와 같이 HSnCl(AP)2로 존재하는 것을 알 수 있다. 이 때, 분자구조는 실제 분석 데이터(파란색)와 예상 구조의 분자량 시뮬레이션 데이터(붉은색)를 비교하여 결정하였다.
이는 2-아미노피리딘 및 염화주석으로부터 유기금속화합물을 합성할 경우 2-아미노피리딘의 큰 분자구조로 인해서 Cl을 치환하는 이분자 친핵 치환반응(SN2)을 진행하기 어렵기 때문인 것으로 판단된다.
이후, 합성된 유기금속화합물 용액을 바이알 뚜껑을 닫고 100 ℃로 예열한 오븐에서 1 내지 5시간 동안 열처리하였다. 열처리 공정 후에는 진공펌프를 이용하여 1차적으로 용매를 제거한 다음 수득물을 테트라하이드로퓨란(THF)에 용해시켜 미반응된 NH4NO3를 제거하였다.
최종적으로 회전증발기를 이용하여 THF를 제거한 후, 주석에 배위결합된 2-아미노피린딘, 주석 산화물 표면에 결합된 나이트레이트 이온 및 하이드록시기를 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자를 제조하였다.
열처리 조건에 따라 제조된 유무기 하이브리드 나노입자를 합성용매에 분산시킨 후 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 나노입자 크기를 분석하였고 그 결과를 도 4에 도시하였고, 하기 표 2에 정리하였다.
(표 2)
(실시예 3)
20 mL 바이알에 2mmol의 무수 SnCl2 과 2mmol의 NH4NO3를 5mL 2-메톡시에탄올에 용해시킨 후 유기 리간드 화합물로 2mmol의 포름아미드를 첨가하여 유기금속화합물 용액을 합성하였다.
합성된 유기금속화합물의 분자구조를 전계 탈착 질량분석기(field desorption mass spectrometry)를 통해 분석하였고, 그 결과를 도 5에 도시하였다.
합성되는 유기금속화합물은 포름아미드가 주석과 배위결합하는 것을 확인하였다.
이후, 합성된 유기금속화합물 용액을 바이알 뚜껑을 닫고 100 ℃로 예열한 오븐에서 3시간 동안 열처리하였다. 열처리 공정 후에는 진공펌프를 이용하여 1차적으로 용매를 제거한 다음 수득물을 테트라하이드로퓨란(THF)에 용해시켜 미반응된 NH4NO3를 제거하였다.
최종적으로 회전증발기를 이용하여 THF를 제거한 후, 주석에 배위결합된 포름아미드, 주석 산화물 표면에 결합된 나이트레이트 이온 및 하이드록시기를 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자를 제조하였다.
제조된 유무기 하이브리드 나노입자를 합성용매에 분산시킨 후 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 이용하여 나노입자 크기를 분석한 결과 평균 크기가 2.53 nm 임을 확인하였고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
(실시예 4)
실시예 3과 동일하게 실시하되, 유기 리간드 화합물로 피라졸을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 통해 분석한 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 평균 크기는 4.2 nm였다.
(실시예 5)
실시예 3과 동일하게 실시하되, 유기 리간드 화합물로 포믹산을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS)을 통해 분석한 제조된 유무기 하이브리드 나노입자의 평균 크기는 3.7 nm였다.
(실시예 6)
실시예 1-9, 실시예 2-2 및 실시예 3 내지 실시예 5에 제조된 유무기 하이브리드 나노입자를 합성용매에 분산시킨 분산액을 SiO2/Si 기판 상에 3000 rpm의 속도로 30초 동안 스핀 코팅한 다음 120 ℃의 온도에서 5분간 건조하여 박막을 제조하였다. 이 때, SiO2/Si 기판은 피라냐(piranha) 용액(H2SO4 : H2O2 = 3 : 1)을 이용하여 스핀 코팅을 수행하기 전에 3시간 동안 120 ℃의 온도에서 세척 후 사용하였다.
이후, 5kV의 전자빔으로 250 내지 800 μC/cm2의 광량(dose)으로 각각의 박막에 대하여 포토리소그래피 공정을 수행하여 50 μm x 50 μm 크기의 패턴을 형성하였다.
이 때, 노광 공정 이후, 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH, 10%)를 이용하여 현상하였다.
포토리소그래피 공정을 수행하기 전 실시예 2-2의 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 박막을 X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 분석하였다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 실시예 2-2의 서베이 XPS 스펙트럼 및 각 원소(C1s, O1s, N1s 및 Sn3d)의 피크에 대한 고분해능 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)에 나타난 바와 같이 박막에 주석산화물이 포함되어 있는 것을 알 수 있고, 각각의 원소에 대한 함량은 하기 표 3에 정리하였다.
(표 3)
XPS 결과에서 확인된 바와 같이, 질산염의 100 ℃의 온도에서 산소 제공자의 역할을 하여 주석산화물 나노입자가 합성될 수 있음을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주석산화물 나노입자를 모식적으로 나타내는 모식도이다. 도 8을 참조하면, 주석산화물 나노입자는 주석과 배위결합된 유기 리간드 및 주석산화물 표면에 하이드록시기 또는 나이트레이트 이온이 존재하는 것을 알 수 있다.
이 때, 유기 리간드는 인접한 다른 나노입자와 가까워져 응집되는 것을 억제시키는 표면안정자 역할을 하여 나노입자 표면을 안정화 시키고, 주석산화물 표면에 결합된 하이드록시기 또는 나이트레이트 이온은 노광 공정 중 발생한 이차전자에 의해 결합이 해리될 수 있고, 해리된 사이트가 인접한 다른 나노입자와 결합하여 현상 후 네거티브형 포토레지스트의 특성을 나타낼 수 있는 것이다.
즉, 주석산화물 표면에 결합된 하이드록시기 또는 나이트레이트 이온은 해리될 때 산소 가교 사이트를 남기고 해리될 수 있기 때문에 인접한 나노입자 간 가교를 가능하게 하는 네트워크 형성자 역할을 수행할 수 있는 것이다.
포토리소그래피 공정 수행 결과, 실시예 1-9, 실시예 2-2 및 실시예 3 내지 실시예 5 모두 현상 후 노광된 영역이 남아있는 네거티브형 포토레지스트 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 다만, 선단 거칠기 특성은 유무기 하이브리드 나노입자의 평균 크기가 가장 작은 실시예 2-2에서 가장 우수한 것으로 확인되었다.
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 (18)
- 입자상의 금속산화물;
상기 금속산화물에 포함되는 금속과 배위결합 또는 공유결합하여 위치하는 표면안정자(surface stabilizer); 및
상기 금속산화물에 결합된 네트워크 형성자;를 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 1항에 있어서,
상기 표면안정자는 카보닐기 또는 아마이드 결합 또는 비공유전자쌍을 가지는 질소를 포함한 탄소 원자 1 내지 20개를 가지는 화합물을 포함하는 유기리간드인 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 2항에 있어서,
상기 유리리간드는 피리딘(pyridine), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine), 피라졸(pyrazole), 포믹산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 벤조산(benzoic acid), 아미노벤조산(aminobenzoic acid), 우레아(urea), 포름아미드(formamide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 디에틸포름아미드(diethylformamide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 1항에 있어서,
상기 네트워크 형성자는 하이드록시기 및 나이트레이트 이온 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 4항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 나노입자는 상기 나이트레이트 이온으로부터 기인한 산소 연결기(-O-)를 통해 금속산화물에 포함되는 금속(M) 간 결합된 M-O-M 결합(oxo-cross linking)을 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 1항에 있어서,
상기 금속은 주석(Sn)인 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 1항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 나노입자의 크기는 10 nm 이하인 유무기 하이브리드 나노입자. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 유무기 하이브리드 나노입자를 포함하는 필름.
- a) 제 8항의 필름을 기판 상에 형성하는 단계; 및
b) 상기 필름을 노광한 후 현상하여 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성방법. - 제 9항에 있어서,
상기 노광은 전자빔(E-beam) 또는 극자외선(EUV)를 이용하여 수행되는 것인 포토레지스트 패턴의 형성방법. - 제 9항에 있어서,
상기 패턴은 네거티브형 패턴인 포토레지스트 패턴의 형성방법. - a) 금속 전구체, 유기리간드 화합물, 질산염 화합물 및 유기용매를 포함하는 혼합액으로부터 유기금속화합물 전구체 용액을 합성 하는 단계; 및
b) 상기 유기금속화합물 전구체 용액을 열처리하여 금속산화물 표면에 상기 유기리간드 및 질산염 이온이 결합된 입자를 성장 시키는 단계;를 포함하는 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법. - 제 12항에 있어서,
상기 a) 단계에서 합성되는 유기금속화합물은 금속화합물에 유기리간드가 배위결합된 가용성 유기금속화합물인 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법. - 제 12항에 있어서,
상기 금속 전구체는 주석(Sn) 할라이드인 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법. - 제 12항에 있어서,
상기 a) 단계에서 혼합되는 금속 전구체 : 유기리간드 화합물의 몰비는 1 : 0.5 내지 2인 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법. - 제 12항에 있어서,
상기 금속산화물은 상기 열처리를 통해 열분해된 질산염으로부터 기인하여 형성되는 것인 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법. - 제 12항에 있어서,
상기 열처리는 80 내지 150 ℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 수행되는 것인 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법. - 제 12항에 있어서,
상기 a) 단계 및 b) 단계는 단일 반응기(one-pot)에서 연속적으로 수행되는 것인 유무기 하이브리드 나노입자의 제조방법.
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