나노리소그래피

나노리소그래피(Nanolithography, NL)는 다양한 재료에 나노미터 크기 구조의 공학(예: 에칭, 증착, 쓰기, 인쇄 등 패턴화)을 다루는 나노기술 내에서 성장하고 있는 기술 분야이다.

현대 용어는 10⁻⁹~10⁻⁶미터, 즉 나노미터 규모로 구축된 구조의 설계를 반영한다. 기본적으로 이 분야는 석판 인쇄의 파생물이지만, 매우 작은 구조를 다룬다. 모든 NL 방법은 포토리소그래피, 스캐닝 리소그래피, 소프트 리소그래피 및 기타 여러 기술의 네 가지 그룹으로 분류할 수 있다.^[1]

역사

나노리소그래피는 무어의 법칙을 따르기 위해 집적 회로에서 서브마이크로미터 특징(예: 트랜지스터, 커패시터 등)의 수를 늘릴 필요성에서 발전했다. 리소그래피 기술은 18세기 후반부터 존재했지만, 1950년대 중반까지는 나노 규모 구조에 적용된 적이 없었다. 반도체 산업의 발전과 함께 마이크로 및 나노 규모 구조를 생산할 수 있는 기술에 대한 수요가 급증했다. 1958년, 포토리소그래피가 이러한 구조에 처음으로 적용되면서 나노리소그래피 시대가 시작되었다.^[2]

그 이후로 포토리소그래피는 100 나노미터 미만의 패턴을 생산할 수 있는 가장 상업적으로 성공적인 기술이 되었다.^[3] 이 분야와 관련된 여러 기술이 있으며, 각 기술은 의료 및 반도체 산업에서 다양한 용도를 위해 설계되었다. 이 분야의 발전은 나노기술의 발전에 크게 기여하며, 점점 더 작은 컴퓨터 칩에 대한 수요가 증가함에 따라 오늘날 점점 더 중요해지고 있다. 추가 연구 분야는 이 분야의 물리적 한계, 에너지 수확 및 광자학을 다룬다.^[3]

어원

그리스어에서 나노리소그래피라는 단어는 "나노"(난쟁이), "리토"(돌), "그래피"(쓰기)의 세 부분으로 나눌 수 있으며, "돌 위에 아주 작게 쓰기"를 의미한다.

포토리소그래피

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2021년 현재, 포토리소그래피는 마이크로전자 및 반도체 장치 대량 생산에 가장 많이 사용되는 기술이다. 높은 생산 처리량과 작은 크기의 패턴 특징을 모두 가지고 있다.

광학 리소그래피

광학 리소그래피(또는 포토리소그래피)는 나노리소그래피 분야에서 가장 중요하고 널리 퍼진 기술 중 하나이다. 광학 리소그래피는 몇 가지 중요한 파생 기술을 포함하며, 모두 매우 짧은 광 파장을 사용하여 특정 분자의 용해도를 변화시켜 용액에 씻겨나가도록 하고 원하는 구조를 남긴다. 몇 가지 광학 리소그래피 기술은 액침 및 위상 반전 마스크 (PSM) 및 광학 근접 보정 (OPC)과 같은 여러 해상도 향상 기술을 사용해야 한다. 이 세트에 포함된 기술 중 일부는 다광자 리소그래피, 엑스선 리소그래피, 광 결합 나노리소그래피(LCM) 및 극자외선 리소그래피 (EUVL)를 포함한다.^[3] 이 마지막 기술은 높은 처리율로 30 나노미터 이하의 구조를 정확하게 생산할 수 있는 능력 때문에 상업적 목적에 실현 가능한 옵션이 되므로 가장 중요한 차세대 리소그래피 (NGL) 기술로 간주된다.

양자 광학 리소그래피

양자 광학 리소그래피(QOL)는 1 nm 해상도로 쓸 수 있는 회절 제한 없는 방법으로,^[4] 빨간색 레이저 다이오드(λ = 650 nm)를 사용하여 광학적 수단으로 쓴다. 기하학적 도형 및 문자 같은 복잡한 패턴은 레지스트 기판에서 3 nm 해상도로 얻어졌다.^[5] 이 방법은 20 nm 해상도로 그래핀을 나노패턴링하는 데 적용되었다.^[6]

스캐닝 리소그래피

전자빔 리소그래피

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전자빔 리소그래피(EBL) 또는 전자빔 직접 쓰기 리소그래피(EBDW)는 전자에 민감한 필름 또는 포토레지스트 (예: PMMA 또는 HSQ)로 덮인 표면에 초점 전자를 스캔하여 맞춤형 모양을 그린다. 레지스트의 용해도를 변경하고 용매에 담그는 방식으로 재료를 선택적으로 제거함으로써 10 nm 미만의 해상도를 달성했다. 이러한 형태의 직접 쓰기, 마스크 없는 리소그래피는 높은 해상도와 낮은 처리량을 가지며, 단일 컬럼 전자빔은 포토마스크 제작, 소량의 반도체 소자 생산, 연구 개발에 제한적으로 사용된다. 다중 전자빔 접근 방식은 반도체 대량 생산을 위한 처리량을 늘리는 것을 목표로 한다. EBL은 초고감도 센싱을 위해 고체 기판에 단백질 나노패턴을 선택적으로 형성하는 데 활용될 수 있다.^[7] EBL용 레지스트는 순차 침투 합성 (SIS)을 사용하여 경화시킬 수 있다.

주사 탐침 리소그래피

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주사 탐침 리소그래피 (SPL)는 주사 탐침 현미경을 사용하여 나노미터 규모에서 개별 원자까지 패턴을 형성하는 또 다른 기술 세트로, 원치 않는 재료를 에칭하거나 새로운 재료를 기판에 직접 쓰는 방식으로 이루어진다. 이 범주의 중요한 기술로는 딥펜 나노리소그래피, 열화학 나노리소그래피, 열 주사 탐침 리소그래피, 국부 산화 나노리소그래피 등이 있다. 딥펜 나노리소그래피는 이 기술들 중 가장 널리 사용된다.^[8]

양성자 빔 라이팅

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이 기술은 높은 에너지(MeV)의 초점 양성자 빔을 사용하여 나노 차원에서 레지스트 재료를 패터닝하며, 100 nm 미만의 고해상도 패터닝이 가능함을 보여주었다.^[9]

하전 입자 리소그래피

이러한 기술 세트에는 이온 및 전자 투영 리소그래피가 포함된다. 이온 빔 리소그래피는 초점 또는 넓은 빔의 고에너지 경량 이온(He⁺와 같은)을 사용하여 패턴을 표면에 전송한다. 이온 빔 근접 리소그래피(IBL)를 사용하여 나노 규모 특징을 비평면 표면에 전송할 수 있다.^[10]

소프트 리소그래피

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소프트 리소그래피는 폴리다이메틸실록세인과 같은 다양한 화학 화합물로 만들어진 탄성체 재료를 사용한다. 탄성체는 스탬프, 몰드 또는 마스크(포토마스크와 유사)를 만드는 데 사용되며, 이는 다시 마이크로 패턴 및 미세 구조를 생성하는 데 사용된다.^[11] 아래 설명된 기술은 한 단계로 제한된다. 동일한 표면에 연속적인 패터닝은 정렬 문제로 인해 어렵다. 소프트 리소그래피는 금속 증착 및 에칭에 상호보완적이지 않으므로 반도체 기반 장치 생산에는 적합하지 않다. 이 방법은 일반적으로 화학 패터닝에 사용된다.^[11]

PDMS 리소그래피

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마이크로접촉 프린팅

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다층 소프트 리소그래피

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기타 기술

나노임프린트 리소그래피

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나노임프린트 리소그래피 (NIL)와 그 변형인 스텝-앤-플래시 임프린트 리소그래피 및 레이저 보조 직접 임프린트(LADI)는 임프린트 저항 재료, 일반적으로 임프린팅 중 열 또는 UV 광으로 경화되는 단량체 또는 고분자 형성물의 기계적 변형에 의해 패턴이 생성되는 유망한 나노패턴 복제 기술이다. 이 기술은 접촉 인쇄 및 냉간 용접과 결합될 수 있다. 나노임프린트 리소그래피는 10 nm 미만 수준의 패턴을 생산할 수 있다.

자석 리소그래피

 이 부분의 본문은 자석 리소그래피입니다.

자석 리소그래피(ML)는 "자석 마스크"라고 불리는 상자성 금속 마스크를 사용하여 기판에 자기장을 적용하는 것을 기반으로 한다. 포토마스크와 유사한 자석 마스크는 적용된 자기장의 공간 분포와 모양을 정의한다. 두 번째 구성 요소는 자석 마스크에 의해 유도된 자기장에 따라 기판에 조립되는 강자성 나노입자(포토레지스트와 유사)이다.

나노분수 드로잉

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나노분수 탐침은 만년필과 유사한 개념의 마이크로유체 장치로, 저장소에서 기판 위로 프로그램된 움직임 패턴에 따라 좁은 화학 물질 트랙을 증착한다.^[12]

나노구체 리소그래피

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나노구체 리소그래피는 증착 마스크로 자가 조립 단층 막 구체(폴리스타이렌으로 만들어진 경우가 많음)를 사용한다. 이 방법은 정밀하게 제어된 간격으로 금 나노도트 어레이를 제작하는 데 사용되었다.^[13]

중성 입자 리소그래피

중성 입자 리소그래피(NPL)는 넓은 빔의 고에너지 중성 입자를 사용하여 표면에 패턴을 전송한다.^[14]

플라스몬 리소그래피

 이 부분의 본문은 플라스몬 나노리소그래피입니다.

플라스몬 리소그래피는 표면 플라스몬 폴라리톤의 서브파장 필드 구속 특성을 활용하여 회절 한계를 넘어선 패턴을 생성하기 위해 표면 플라스몬 여기를 사용한다.^[15]

스텐실 리소그래피

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스텐실 리소그래피는 나노미터 크기 조리개를 그림자 마스크로 사용하여 나노미터 규모 패턴을 제작하는 무레지스트 병렬 방법이다.