KR20230088009A - 공간광변조기를 이용한 3차원 구조 제조장치 및 3차원 구조 제조방법 - Google Patents

공간광변조기를 이용한 3차원 구조 제조장치 및 3차원 구조 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 구조 제조장치에 관한 것으로, 공간 광변조기(SLM); 및 상기 공간 광변조기로부터 조사되는 공간 광변조된 광이 투과하는 위치에 배치된 위상마스크를 포함하는 3차원 구조 제조장치가 제공된다.
본 발명의 3차원 구조 제조장치는 공간광변조기를 통과하는 입사광의 공간적, 시간적 분포 조절을 통해 종래의 기술로는 불가능한 고해상도 구조 제작을 달성 할 수 있다. 또한 별도의 추가적인 위상마스크 제조 없이 새로운 구조를 제조할 수 있어, 공정비용 절감 및 생산수율 향상이 가능하다.

Description

공간광변조기를 이용한 3차원 구조 제조장치 및 3차원 구조 제조방법{MANUFACTURING APPARATUS AND METHOD FOR PREPARING THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE USING SPATIAL LIGHT MODULATOR}
본 발명은 공간광변조기를 이용한 3차원 구조 제조장치 및 3차원 구조 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 종래에 구현하지 못했던 새로운 3차원 구조 제작이 가능한 3차원 구조 제조장치 및 3차원 구조 제조방법에 대한 것이다.
나노 및 마이크로 크기에서 물질의 형상을 구현하는 기술은 다양한 산업 분야에서 많은 수요가 발생하고 있으며, 이를 위한 공정이 개발되고 있다. 특히 3차원의 주기적인 물질 구조는 반도체, 광학, 구조재, 센서, 전기화학 소재 등의 고부가가치 산업에서 주요하게 활용된다. 이를 구현하기 위한 기존의 리소그래피 기술은, 2차원의 구조 제작 과정을 여러 번 반복하여 목표하는 구조를 제작하는 방식을 사용한다. 다층의 3차원 구조를 제작하기 위해서는 한 층마다 증착, 노광, 식각 등의 공정을 거치기 때문에, 해당 공정은 경제성과 양산성 면에서 단점이 매우 많다. 3차원의 미세 구조를 효율적으로 제작하기 위한 대안으로 간섭 리소그래피 (interference lithography), 근접장 나노패터닝(proximity field nanopatterning) 기술 등이 개발되어 왔다.
간섭 리소그래피는 복수의 가간섭성(coherence) 빛의 광선을 포토레지스트에 입사시켜서 3차원의 간섭무늬를 형성한 뒤, 일련의 열처리, 식각 공정을 통해 이를 물질화한다. 해당 공정은 입사하는 빛의 개수, 강도, 편광 등을 조절하여 임의의 3차원 브라베 격자 (Bravais lattice)를 구현할 수 있으며, 높은 자유도로 주기적인 구조 제작이 가능하다. 공정을 위해서는 빔 스플리터 (beam splitter), 렌즈 (lens), 거울 (mirror), 편광자 (polarizer) 등으로 구성된 복잡한 광학계에 레이저와 같은 단일한 광원을 입사시켜야 한다. 이로 인해 공정 면적의 한계, 낮은 안정성과 재현성, 고비용의 단점이 있다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 근접장 나노패터닝은 나노-마이크로 주기의 격자가 있는 위상마스크를 포토레지스트에 접촉한 상태에서, 노광 공정으로 간섭 무늬 형성 및 물질화를 통해 주기적인 미세 구조를 제작한다. 근접장 나노패터닝은 공정의 대면적화가 용이하고, 안정성, 재현성이 우수하며 상대적으로 공정비용이 낮은 이점이 있었다.
논문 “High-Resolution 3D Interference Printing of Multilevel Ultralong Nanochannel Arrays for High-Throughput Nanofluidic Transport(J. Park, et al. Adv. Mater. 2015, 27, 8000-8006.)”를 살펴보면, 주기적인 1차원 격자구조(grating) 위상마스크를 활용하여 2차원 나노채널을 만드는 방법에 대해 개시되어 있고, 논문 “and Large-Scale Fabrication of Full Color Woodpile Photonic Crystals via Interference from a Conformal Multilevel Phase Mask(S. Nam, et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904971)”에는 주기적인 1차원 회절 격자구조(grating) 위상마스크 2개를 방향을 달리하여 수직으로 쌓아 나무 말뚝(Woodpile) 구조를 만드는 방법에 대해 개시되어 있다.
그러나, 종래의 근접장 나노패터닝 방법은 단일 3차원 구조 정보가 위상마스크에 기록되어 있어, 하나의 위상마스크에 광원이 통과하여 하나의 3차원 구조 밖에 만들 수 없다. 즉, 다른 3차원 구조를 얻기 위해서는 여러 개의 위상마스크의 제작이 필요한 문제가 있었다.
또한, 종래의 근접장 나노패터닝 위상마스크는 대부분 주기적인 패턴이며, 공간적으로 균일한 수직 입사 빛을 사용하여 만들 수 있는 구조로 3차원 구조가 제한된다. 이는 위상마스크를 임의의 패턴으로 설계하여 일부 해결할 수 있으나, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography, EBL)의 공정 제한조건(constraints)에 의해 제작 가능한 위상마스크 구조에 제약이 있고, 그에 따라 제작 가능한 3차원 구조가 제한된다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하는 것으로, 별도의 추가적인 위상마스크 제조 없이 단일 위상마스크로 공간광변조기를 통해 다양한 구조를 제조하고, 공정과정 중 발생하는 노이즈를 광변조를 이용한 후처리를 통해 제거할 수 있는 공간광변조기를 이용한 3차원 구조 제조장치를 제공하는 데 있다.
또한, 입사광의 공간적인 형태를 제어하거나, 시간에 따라 입사광의 분포를 다르게 하여, 종래 기술로 구현하지 못하던 구조를 제조할 수 있는 3차원 구조 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공간 광변조기(SLM); 및 상기 공간광변조기로부터 조사되는 공간 광변조된 광이 투과하는 위치에 배치된 위상마스크;를 포함하는 3차원 구조 제조장치가 제공된다.
상기 위상마스크는 고굴절률 물질을 포함할 수 있다.
상기 고굴절률 물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane), PFPE(Perfluoropolyether), PUA(Polyurethane acrylate), PMMA(Polymethyl metacerylate), Al2O3, Si 및 TiO2 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 위상마스크는 광 경로상 상기 공간 광변조기 이후에 밀접하게 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, (a) 위상마스크 상에 포토레지스트를 배치하는 단계; 및 (b) 상기 위상마스크에 공간 광변조된 광을 조사하여, 상기 위상마스크를 투과한 광을 상기 포토레지스트에 노광하는 단계;를 포함하는 3차원 구조 제조방법이 제공된다.
단계 (a)에서, 상기 위상마스크와 상기 포토레지스트는 접촉 배치될 수 있다.
단계 (b) 이후에, 노광된 상기 포토레지스트를 베이킹 및 현상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
단계 (b)에서, 상기 공간 광 변조된 광은 공간광변조기로부터 진폭 및 위상을 조절할 수 있다.
단계 (b)는, 상기 공간 광 변조된 광은 시간에 따라 공간광변조기로부터 진폭 및 위상을 조절하는 단계; 및/또는 시간에 따라 빛을 중첩하여 노광하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 3차원 구조 제조장치는 공간광변조기를 통해 추가적인 위상마스크 제작 없이 단일 위상마스크로 다양한 구조를 제조할 수 있어 분야별로 최적화된 맞춤형 3차원 나노구조를 제작하는 플랫폼을 제공하여 각 기술분야에서 요구하는 소재 형상 구현을 가능하게 한다.
본 발명은 시간당 높은 공정비용, 여러 단계의 후속 공정을 필요로 하는 위상마스크의 제작 개수를 효과적으로 줄일 수 있어 3차원 구조 제작의 공정 비용 절감 및 생산수율 향상이 가능하다.
본 발명은 입사광의 공간에 따른 진폭 및 위상을 제어하여 종래 기술에서는 위상마스크의 물질 및 구조 제약으로 구현하지 못했던 3차원 나노 구조를 제작 가능하게 한다.
본 발명은 시간에 따라 광변조를 다르게 하여, 간단한 단일 위상마스크로 여러 시간마다의 빛의 중첩을 통해 종래 기술에서는 구현하지 못했던 3차원 나노 구조를 제작 가능하게 한다.
본 발명은 위상마스크의 패턴 구조체를 형성하는 구성 물질의 선택이 자유롭고, 복잡한 실험 구축 및 많은 공정 단계를 필요로 하지 않기 때문에 실제 구현화가 용이하다. 본 발명의 3차원 구조 제조 방식은 나노구조 기반 간섭현상을 이용하는 대부분의 기술에 범용적 적용이 가능하여 시장성 또한 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조 제조장치이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조 제조장치를 이용한 패터닝 과정의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 도파관(photonic crystal waveguide)을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 3차원 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2에서 제조된 위상마스크에 공간적으로 위상을 변화시킨 빛을 조사한 결과이다.
도 6과 실시예 2에서 제조된 위상마스크에 시간적으로 위상을 변화시킨 빛을 조사한 결과이다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 위상마스크에 시간적으로 위상을 변화시킨 빛을 조사한 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "함유하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 3차원 구조 제조장치에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 3차원 구조 제조장치는 공간 광변조기(SLM, Spatial Light Modulator) 및 상기 공간광변조기로부터 조사되는 공간 광변조된 광이 투과하는 위치에 배치된 위상마스크(Phase mask)를 포함한다.
상기 위상마스크는 고굴절률 물질을 포함할 수 있으며, 상기 고굴절률 물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane), PFPE(Perfluoropolyether), PUA(Polyurethane acrylate), PMMA(Polymethyl metacerylate), Al2O3, Si 및 TiO2, 등이 가능하다.
상기 위상마스크는 광 경로상 상기 공간 광변조기 이후에 밀접하게 위치할 수 있다.
상기 공간 광변조기는 공간적 및 시간적으로 입사광의 진폭 및 위상을 자유롭게 조절할 수 있다. 이로 인해, 상기 3차원 구조 제조장치는 근접장 패터닝 공정에서 발생할 수 있는 노이즈를 입사광의 크기와 위상을 조절하여 감소시킬 수 있다. 또한, 입사광의 공간적인 진폭 조절로 위상마스크를 통해 생성하는 미시적인 격자 패턴을 거시적인 노광 영역을 조절을 통해 광결정 도파관(photonic crystal waveguide) 등을 만들 수 있다. 이에 대해 도 3에 나타내었다.
이하, 본 발명의 3차원 구조 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저 위상마스크 상에 포토레지스트를 배치한다(단계 a).
상기 위상마스크와 상기 포토레지스트는 접촉 배치될 수 있다.
다음으로, 상기 위상마스크에 공간 광변조된 광을 조사하여, 상기 위상마스크를 투과한 광을 상기 포토레지스트에 노광한다(단계 b).
이후, 상기 노광된 포토레지스트를 베이킹 및 현상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조된 광은 상기 공간 광변조기에 의해 변조된 광으로 상세한 설명은 상술한 것으로 대체한다.
상기 포토레지스트는 패터닝 공정에 사용될 수 있는 것은 어느 것이든 가능하다. 네거티브 톤의 포토레지스트를 사용하는 경우, 보강 간섭으로 빛이 강하게 형성된 부분만 선택적으로 포토레지스트의 가교가 일어나고 상대적으로 빛이 약한 나머지 부분은 가교를 위한 노광량(exposure dose)이 충분하지 못하기 때문에 현상(developing) 과정에서 용해되어 제거될 수 있다.
최종적으로 건조(drying) 과정을 거치면 상기 광의 파장 및 상기 위상 마스크의 디자인에 따라 3차원 구조가 형성될 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예: 타원형 패턴
주기적인 타원형 패턴을 구현하기 위해 유한차시간영역(finite-difference time-domain) 방법을 이용하여 고굴절률 물질 PMMA(굴절률 1.4)와 진공 (굴절률 1.0)를 250 nm, 250 nm로 반복되는 단순 회절 격자 위상마스크를 이용하여 계산하였다. 위상마스크의 두께는 200 nm이다. 355 nm 파장의 빛을 이용하였고, 공간적으로 사인함수의 파형을 가지도록 변조된 빛을 각각 위상마스크를 향해 수직입사하여 포토레지스트 (굴절률 1.66) 물질 내부에서의 간섭 패턴을 확인하였다. 실제 패터닝 과정에서 일어나는 노광량에 따른 가교 반응을 예측하기 위해 간섭 패턴의 세기의 기준값 (threshold)을 1.5로 설정하여 그보다 작은 세기를 갖는 영역에서 패턴을 확인하였다.
비교예
355 nm 파장의 레이저 광원을 공간적으로 변조하는 대신에 평면파 로 노광한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 간섭패턴을 통한 3차원 구조를 계산하였다.
[시험예]
시험예 1: 노이즈 제거 확인
도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 3차원 구조를 나타낸 것이다.
도 4를 참고하면, 공간 광변조된 광이 입사된 실시예에 따라 제조된 3차원 구조(오른쪽)는 노이즈가 전혀 없는 반면에, 레이저 광원이 노광된 비교예에 따라 제조된 3차원 구조(왼쪽)는 위상마스크 제조 과정에서 여러 공정상의 오차로 인해 생기는 노이즈가 그대로 있는 것을 알 수 있었다.
시험예 2: 공간적 위상 광변조를 이용한 패터닝
도 5는 굴절률 1.4인 PMMA를 두께 200 nm, 주기 400 nm인 1차원 격자구조 형태의 위상마스크로 사용하였다. 포토레지스트의 물질은 굴절률 1.66인 SU-8을 사용하였다.
도 5의 위쪽 도식에서, 첫 번째 시간 스텝에서는 공간적으로 균일한 진폭과 위상을 가지는 355 nm 파장의 빛이 위상마스크에 입사할 때 생기는 간섭으로 포토레지스트 영역에 패턴이 형성된다. 두 번째 시간 스텝에서는 위상은 첫 번째 시간 스텝과 동일하지만 진폭을 공간에 따라 코사인 형태로 변화를 주어 동일한 위상마스크에 입사한다. 두 번의 시간 스텝에서 중첩된 빛의 세기에 기준값 0.5보다 작은 영역만 남겨 구조를 형성한다. 도 5의 아래 도식에서, 동일한 위상마스크를 활용하였다. 첫 번째 시간 스텝에서는 공간적으로 균일한 진폭과 위상을 가지는 빛을 활용하였고, 두 번째 시간 스텝에서는 진폭은 첫 번째 시간 스텝에서와 동일하나, 위상이 공간에 따라 기울기를 가지도록 변화를 주어 동일한 위상마스크에 입사한다. 두 번의 시간 스텝에서 중첩된 빛의 세기에 기준값 0.8보다 작은 영역만 남겨 구조를 형성한다.
도 5를 참고하면, 같은 위상마스크에서 공간적으로 위상을 변화시킨 빛을 조사한 결과 서로 다른 격자구조를 얻을 수 있었다. 평면 입사광이 위상마스크를 통과하는 경우에는 도면의 상부에 개시된 것과 같이 육각 격자 (hexagonal)의 패턴을 구현하였고, 공간에서 선형적으로 변하는 위상을 가지는 입사광을 위상마스크에 노광했을 때는 도면의 하부에 개시된 것과 같이 직각 격자 (rectangular lattice) 패턴을 구현할 수 있었다.
도 6은 상기 도 5와 같은 위상마스크를 활용하였다. 공간적으로 균일한 진폭 및 위상을 가지는 빛을 입사하여 생기는 패턴에 세기 기준값 0.1을 적용하여 육각 격자의 패턴을 얻을 수 있다. 동일한 위상마스크에 위상만 공간적으로 기울기를 가지도록 변화시키면 빛의 입사각을 19도로 변화시킨 효과를 가지고, 간섭 패턴에 세기 기준값 0.1을 적용하여 직각 격자의 패턴을 얻을 수 있다.
시험예 4: 시간적 광변조를 이용한 3차원 구조체 설계
공간광 변조기는 시간에 따라 다른 세기와 위상을 가지는 빛이 위상마스크로 입사하도록 제어할 수 있고, 이를 통해 구현되는 구조는 전체 시간 동안 중첩된 간섭 패턴 세기의 총합으로 결정된다. 구현하고자 하는 특정 3차원 구조를, 시간마다 다른 빛의 노광을 통해 중첩하여 구현할 수 있다.
도 7은 위상마스크를 가정하지 않고, 회절된 빛의 상대적 위상을 변화시켜 간섭 패턴을 계산한 결과이다. 회절된 빛의 위상은 입사빔의 공간적 위상 분포를 다르게 함으로써 얻을 수 있다. 도6의 위쪽 도식에서 첫 번째 시간 스텝에서는 -1, +1, +3 회절 차수의 빔이 상대적인 진폭이 각각 0.1, 0.8, 0.1 이며, 상대 위상은 0으로 간섭된다. 두 번째 시간 스텝에서는 각 회절 차수의 빔이 상대적 진폭은 동일하나, 1차 회절차수의 빔을 π만큼 변화시켜 간섭된다. 이때, 두 번의 시간 스텝에서 직각 격자 구조는 x 방향으로 반 주기 만큼 이동되어 중첩되고 세기 기준값 0.3을 적용하면, 해상도 (resolution)가 향상된 격자구조를 얻을 수 있다. 도 6의 아래 도식에서 첫 번째 시간 스텝에서는 -1, 0, +1 회절 차수의 빔이 상대적인 진폭이 각각 0.1, 0.8, 0.1 이며, 상대 위상은 0으로 간섭된다. 두 번째 시간 스텝에서는 각 회절 차수의 빔이 상대적 진폭은 동일하나, 0차 회절차수의 빔을 π만큼 변화시켜 간섭된다. 이때, 두 번의 시간 스텝에서 직각 격자 구조는 x 방향으로 반 주기 만큼 이동되어 중첩되고, 세기 기준값 0.3을 적용하면, 기존 대칭인 주기적 위상마스크로는 구현하기 어려웠던 직각 격자 구조도 육각 격자를 두 번의 시간 스텝에서 중첩함에 따라 쉽게 얻을 수 있음을 보인다. 즉, 높은 회절 차수(±3차)의 빔을 사용하지 않고 낮은 회절 차수의 빔의 조합으로도 구현 가능하다.
다시 말해, 두 번의 시간 스텝에서 진폭 또는 위상이 공간적으로 다른 입사광을 통한 간섭패턴의 중첩을 통해 복잡한 구조를 얻을 수 있음을 보인다.
따라서, 입사광을 변화시켜 위상마스크를 통과하는 회절현상의 위상을 조절하여 중첩하면 기존의 위상마스크로는 불가능했던 해상도(resolution)가 향상된 격자구조를 얻을 수 있다. 또한, 기존 대칭인 주기적 위상마스크로는 구현하기 어려웠던 직각 격자 구조도 육각 격자를 두 번의 시간 스텝에서 중첩함에 따라 쉽게 얻을 수 있음을 보인다.

Claims (9)

  1. 공간 광변조기(SLM); 및
    상기 공간광변조기로부터 조사되는 공간 광변조된 광이 투과하는 위치에 배치된 위상마스크;를 포함하는 3차원 구조 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상마스크는 고굴절률 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고굴절률 물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane), PFPE(Perfluoropolyether), PUA(Polyurethane acrylate), PMMA(Polymethyl metacerylate), Al2O3, Si 및 TiO2 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상마스크는 광 경로상 상기 공간 광변조기 이후에 밀접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조장치.
  5. (a) 위상마스크 상에 포토레지스트를 배치하는 단계; 및
    (b) 상기 위상마스크에 공간 광변조된 광을 조사하여, 상기 위상마스크를 투과한 광을 상기 포토레지스트에 노광하는 단계;를 포함하는 3차원 구조 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 단계 (a)에서,
    상기 위상마스크와 상기 포토레지스트는 접촉 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 단계 (b) 이후에,
    노광된 상기 포토레지스트를 베이킹 및 현상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 단계 (b)에서,
    상기 공간 광 변조된 광은 공간광변조기로부터 진폭 및 위상을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 단계 (b)는,
    상기 공간 광 변조된 광은 시간에 따라 공간광변조기로부터 진폭 및 위상을 조절하는 단계; 및/또는 시간에 따라 빛을 중첩하여 노광하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조 제조방법.
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