나노임프린트 리소그래피

나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography, NIL)는 나노미터 스케일 패턴을 제작하는 방법이다. 저비용, 고처리량, 고해상도를 갖춘 간단한 나노리소그래피 공정이다. 임프린트 레지스트의 기계적 변형과 후속 공정을 통해 패턴을 생성한다. 임프린트 레지스트는 일반적으로 인쇄 과정에서 열 또는 자외선으로 경화되는 단량체 또는 중합체 제형이다. 레지스트와 템플릿 간의 접착은 적절한 박리를 위해 제어된다.

나노임프린트 리소그래피로 생성된 3차원 구조의 빔 스플리터 회절

역사

"나노임프린트 리소그래피"라는 용어는 1996년 스티븐 추 교수와 그의 학생들이 사이언스에 보고서를 발표하면서 과학 문헌에 처음 사용되었다.^[1] 열가소성 플라스틱의 핫 엠보싱(현재 NIL의 동의어로 간주됨)은 이미 몇 년 전부터 특허 문헌에 등장하고 있었다. 사이언스지 출판 직후, 많은 연구자들이 다양한 변형과 구현을 개발했다. 이 시점에서 나노임프린트 리소그래피는 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS)의 32 및 22 나노미터 노드에 추가되었다.

공정

많은 공정이 있지만 가장 중요한 공정은 다음 세 가지이다.

• 열가소성 나노임프린트 리소그래피
• 포토 나노임프린트 리소그래피
• 레지스트가 없는 직접 열 나노임프린트 리소그래피

열가소성 나노임프린트 리소그래피

열가소성 나노임프린트 리소그래피(T-NIL)는 스티븐 추 교수 그룹이 개발한 최초의 나노임프린트 리소그래피이다. 표준 T-NIL 공정에서는 얇은 임프린트 레지스트(열가소성 폴리머) 층이 시료 기판 위에 스핀 코팅된다. 그런 다음 미리 정의된 토폴로지 패턴이 있는 몰드가 시료와 접촉하고, 특정 압력 하에 함께 압착된다. 폴리머의 유리전이 온도 이상으로 가열되면 몰드의 패턴이 연화된 폴리머 필름에 압착된다.^[1] 냉각된 후 몰드는 시료에서 분리되고, 패턴 레지스트는 기판에 남는다. 패턴 전송 공정(일반적으로 반응성 이온 식각)을 사용하여 레지스트의 패턴을 아래쪽 기판으로 전송할 수 있다.^[1]

또는 두 금속 표면 간의 냉간 용접을 통해 가열 없이 저차원 나노구조 금속을 전송할 수도 있다(특히 ~10 나노미터 미만의 임계 크기에서).^[2][3] 이 절차를 반복하여 3차원 구조를 제작할 수 있다. 냉간 용접 방식은 유기 전자 장치 및 신형 태양 전지의 최신 개발 및 제조에서 주요 문제점인 가열 공정이 없어 표면 접촉 오염 또는 결함을 줄이는 장점이 있다.^[4]

포토 나노임프린트 리소그래피

포토 나노임프린트 리소그래피(P-NIL)에서는 UV 경화형 액상 레지스트가 시료 기판에 도포되며, 몰드는 일반적으로 퓨즈드 실리카 또는 PDMS와 같은 투명 재료로 만들어진다. 몰드와 기판이 함께 압착된 후, 레지스트는 UV 광에서 경화되어 고체가 된다. 몰드 분리 후, 유사한 패턴 전송 공정을 사용하여 레지스트의 패턴을 아래쪽 재료로 전송할 수 있다. UV 투명 몰드를 사용하는 것은 진공 상태에서 몰드를 고정하는 진공 척이 불가능하므로 어렵다.

레지스트 없는 직접 열 나노임프린트 리소그래피

위에서 언급된 나노임프린트 방법과 달리, 레지스트 없는 직접 열 나노임프린트는 임프린트 레지스트에서 소자 층으로 패턴을 전송하기 위한 추가 식각 단계를 필요로 하지 않는다.

일반적인 공정에서는 먼저 포토리소그래피를 사용하여 포토레지스트 패턴을 정의한다. 그 후, 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 엘라스토머 스탬프가 레지스트 패턴에서 복제 몰딩된다. 이어서, 단일 단계 나노임프린트는 상승된 온도에서 압력을 가하여 얇은 박막 재료를 원하는 소자 형상으로 직접 몰딩한다. 임프린트된 재료는 패턴을 채울 수 있도록 적절한 연화 특성을 가져야 한다. 높은 굴절률과 넓은 투명 창을 보이는 비정질 반도체(예: 칼코게나이드 유리^[5][6])는 광학/광자학 소자의 임프린트에 이상적인 재료이다.

이 직접 임프린트 패터닝 방식은 잠재적으로 향상된 처리량 및 수율을 제공하는 모놀리식 통합 대안을 제공하며, 기존 리소그래피 패터닝 방법으로는 접근할 수 없는 넓은 기판 영역에 걸쳐 소자의 롤투롤(roll-to-roll) 처리를 가능하게 할 수도 있다.^[7]

열 나노임프린트 방법에서는 완전한 패턴 전송과 기판 변형 사이의 절충으로 인해 제작 품질에 한계가 생긴다. 일부 접근 방식에서는 직접 레지스트 없는 나노임프린트 공정을 위한 다른 용매 보조 방법을 개발했다.^[8][9]

방법

전체 웨이퍼 나노임프린트

전체 웨이퍼 나노임프린트 방식에서는 모든 패턴이 단일 나노임프린트에 포함되어 단일 임프린트 단계로 전송된다. 이는 높은 처리량과 균일성을 가능하게 한다. 최소 8-인치 (203 mm) 직경의 전체 웨이퍼 나노임프린트가 높은 정밀도로 가능하다.

전체 웨이퍼 나노임프린트 공정의 압력 및 패턴 균일성을 보장하고 몰드 수명을 연장하기 위해, 발명가들이 공기 쿠션 프레스(ACP)라고 명명한 등방성 유체 압력을 활용하는 프레스 방식이^[10] 개발되어 상업용 나노임프린트 시스템에서 사용되고 있다. 또한 유연한 스탬퍼(예: PDMS)와 결합된 롤온 기술(예: 롤-투-플레이트)이 전체 웨이퍼 임프린트에 대해 시연되었다.^[11]

스텝 앤 리피트 나노임프린트

나노임프린트는 스텝 앤 리피트 광학 리소그래피와 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 임프린트 필드(다이)는 일반적으로 전체 웨이퍼 나노임프린트 필드보다 훨씬 작다. 다이는 특정 스텝 크기로 기판에 반복적으로 임프린트된다. 이 방식은 나노임프린트 몰드 생성에 유용하다.

응용

나노임프린트 리소그래피는 전기, 광학, 광자학 및 생물학 응용 분야의 소자를 제작하는 데 사용되었다. 전자 소자의 경우, NIL은 MOSFET, O-TFT 및 단전자 메모리를 제작하는 데 사용되었다. 광학 및 광자학 분야에서는 서브파장 공진 격자 필터, 표면 강화 라만 분광법(SERS) 센서,^[12] 편광자, 파장판, 반사 방지 구조, 통합 광자 회로 및 플라즈몬 소자를 NIL로 제작하는 데 집중적인 연구가 진행되었다. LED 및 태양 전지와 같은 광전자 소자 분야에서 NIL은 외부 및 내부 결합 구조에 대해 연구되고 있다.^[11] 10 나노미터 미만의 나노유체 채널은 NIL을 사용하여 제작되었고 DNA 신장 실험에 사용되었다. 현재 NIL은 생체 분자 분류 장치의 크기를 10배 작고 효율적으로 줄이는 데 사용되고 있다.

장점

나노임프린트 리소그래피로 생성된 회절 렌즈

사용된 몰드

결과 렌즈

나노임프린트 리소그래피의 핵심 장점은 그 순수한 단순성이다. 칩 제조와 관련된 가장 큰 비용은 회로 패턴을 인쇄하는 데 사용되는 광학 리소그래피 도구이다. 광학 리소그래피는 나노미터 스케일 해상도를 달성하기 위해 고출력 엑시머 레이저와 방대한 정밀 연삭 렌즈 요소 스택을 필요로 한다. 나노임프린트 도구에는 복잡한 광학 장치나 고에너지 방사선원이 필요하지 않다. 주어진 파장에서 해상도와 감도 모두를 위해 미세하게 맞춤화된 포토레지스트가 필요하지 않다. 기술의 단순화된 요구사항은 저렴한 비용으로 이어진다.

실리콘 마스터 몰드는 수천 번의 임프린트에 사용될 수 있으며, 니켈 몰드는 최대 만 번의 주기 동안 지속될 수 있다.

임프린트 리소그래피는 본질적으로 3차원 패터닝 공정이다. 임프린트 몰드는 수직으로 쌓인 여러 층의 지형으로 제작될 수 있다. 결과 임프린트는 단일 임프린트 단계로 두 층을 모두 복제하여 칩 제조업체가 칩 제조 비용을 줄이고 제품 처리량을 향상시킬 수 있도록 한다.

위에서 언급했듯이, 임프린트 재료는 고해상도 및 감도를 위해 미세하게 조정될 필요가 없다. 임프린트 리소그래피에는 다양한 특성을 가진 더 넓은 범위의 재료를 사용할 수 있다. 재료 가변성 증가는 화학자들에게 희생 식각 저항성 폴리머 대신 새로운 기능성 재료를 설계할 자유를 준다.^[13] 기능성 재료는 밑에 있는 재료로 패턴을 전송할 필요 없이 칩에 층을 형성하도록 직접 임프린트될 수 있다. 기능성 임프린트 재료의 성공적인 구현은 많은 어려운 칩 제조 공정을 제거함으로써 상당한 비용 절감과 처리량 증가를 가져올 것이다.^[14]

우려사항

나노임프린트 리소그래피의 주요 우려 사항은 오버레이, 결함, 템플릿 패터닝 및 템플릿 마모이다. 그러나 쿠마르(Kumar) 외 연구진은 비정질 금속(금속 유리)이 100nm 미만 규모로 패터닝될 수 있어 템플릿 비용을 크게 줄일 수 있음을 보여주었다.^[15]

오버레이

현재 오버레이 3 시그마 기능은 10 나노미터이다.^[16] 오버레이는 전체 웨이퍼 임프린트보다 스텝 앤 스캔 방식에서 더 나은 기회를 갖는다.

결함

액침 노광과 마찬가지로, 기술이 성숙함에 따라 결함 제어가 향상될 것으로 예상된다. 임프린트 후 공정 바이어스 미만의 크기를 가진 템플릿의 결함은 제거될 수 있다. 다른 결함은 효과적인 템플릿 세척 및 중간 폴리머 스탬프 사용이 필요하다. 임프린트 공정 중에 진공이 사용되지 않으면 공기가 갇혀 기포 결함이 발생할 수 있다.^[17] 이는 임프린트 레지스트 층과 템플릿 또는 스탬프 특징이 완벽하게 평평하지 않기 때문이다. 중간 또는 마스터 스탬프에 오목한 부분이 있거나(특히 공기가 쉽게 갇히는 곳), 임프린트 직전에 레지스트가 기판에 미리 스핀 코팅되지 않고 액적 형태로 분사될 때 위험이 증가한다. 공기가 빠져나갈 수 있는 충분한 시간이 허용되어야 한다.^[18] 유연한 스탬퍼 재료(예: PDMS)가 사용되는 경우 이러한 효과는 훨씬 덜 중요하다.^[11] 또 다른 문제는 스탬프와 레지스트 사이의 접착이다. 높은 접착력(고착)은 레지스트를 박리시켜 스탬프에 남을 수 있다. 이 효과는 패턴을 손상시키고 수율을 감소시키며 스탬프를 손상시킨다. 스탬프에 FDTS 반부착 층을 사용하여 완화할 수 있다.

템플릿 패터닝

고해상도 템플릿 패터닝은 현재 전자빔 리소그래피 또는 집중 이온 빔 패터닝으로 수행할 수 있지만, 가장 작은 해상도에서는 처리량이 매우 느리다. 결과적으로 광학 패터닝 도구가 충분한 해상도를 갖추고 있다면 더 유용할 것이다. 그러한 접근 방식은 Greener 외 연구진에 의해 성공적으로 시연되었는데, 그들은 포토마스크를 통해 포토레지스트 코팅된 금속 기판을 광학적으로 패터닝하여 견고한 템플릿을 신속하게 제작했다.^[19] 넓은 영역에 균일한 패턴이 필요한 경우 간섭 리소그래피는 매우 매력적인 패터닝 기술이다.^[20][21] 다른 패터닝 기술(심지어 이중 패터닝 포함)도 사용될 수 있다. 예일 대학교의 쿠마르와 슈뢰어스(Schroers)는 나노임프린팅을 위한 저렴한 템플릿으로 사용될 수 있는 비정질 금속의 나노패터닝을 개발했다. 현재 최첨단 나노임프린트 리소그래피는 20 나노미터 이하의 패턴에도 사용될 수 있다.^[22]

템플릿 마모

임프린팅 중 층과 접촉할 뿐만 아니라 관통하기 위해 상당한 압력을 사용하는 것은 다른 유형의 리소그래피 마스크에 비해 임프린트 템플릿의 마모를 가속화한다. 템플릿 마모는 스탬프에 반부착 단분자층 FDTS 코팅을 적절히 사용하여 줄일 수 있다. 매우 효율적이고 정확한 AFM 기반 스탬프 열화 특성화 방법은 마모를 최소화하기 위해 재료 및 공정을 최적화할 수 있도록 한다.^[23]

기타

나노임프린트 리소그래피의 미래 응용 분야에는 다공성 저유전율 재료 사용이 포함될 수 있다. 이러한 재료는 단단하지 않고 기판의 일부로서 임프린트 공정의 압력에 의해 쉽게 기계적으로 손상된다.

잔류층 제거

나노임프린트 리소그래피(전기화학적 나노임프린팅 제외)의 핵심 특징은 임프린트 공정 후 잔류층이 남는다는 점이다. 정렬 및 처리량을 지원하고 낮은 결함을 위해 충분히 두꺼운 잔류층을 갖는 것이 바람직하다.^[24] 그러나 이는 잔류층을 제거하는 데 사용되는 식각 단계보다 나노임프린트 리소그래피 단계가 임계 치수(CD) 제어에 덜 중요하게 만든다. 따라서 잔류층 제거를 전체 나노임프린트 패터닝 공정의 통합 부분으로 고려하는 것이 중요하다.^[25][26] 어떤 의미에서 잔류층 식각은 기존 리소그래피의 현상 공정과 유사하다. 잔류층을 제거하기 위해 포토리소그래피와 나노임프린트 리소그래피 기술을 한 단계로 결합하는 것이 제안되었다.^[27]

근접 효과

나노임프린트 근접 효과. 상단: 오목한 부분 배열은 중앙보다 가장자리에서 더 빨리 채워져 배열 중앙에서는 임프린팅이 덜 된다. 하단: 돌출부 그룹 사이의 넓은 공간은 돌출부 사이의 좁은 공간보다 느리게 채워지는 경향이 있어 패턴 없는 영역에 구멍이 형성된다.

나노임프린트 리소그래피는 폴리머를 변위시키는 것에 의존한다. 이는 장거리에서 체계적인 효과로 이어질 수 있다. 예를 들어, 크고 밀집된 돌출부 배열은 고립된 돌출부보다 훨씬 더 많은 폴리머를 변위시킬 것이다. 이 고립된 돌출부가 배열에서 떨어진 거리에 따라 폴리머 변위 및 두께 증가로 인해 고립된 특징이 올바르게 임프린트되지 않을 수 있다. 돌출부 그룹 사이에 레지스트 구멍이 형성될 수 있다.^[28] 마찬가지로, 템플릿의 넓은 오목한 부분은 좁은 오목한 부분만큼 많은 폴리머로 채워지지 않아 잘못된 형태의 넓은 선이 생성된다. 또한, 큰 배열의 가장자리에 있는 오목한 부분은 배열 중앙에 위치한 부분보다 훨씬 더 일찍 채워져 배열 내 균일성 문제를 야기한다.

3D 패터닝

나노임프린트 리소그래피의 독특한 장점은 다마신 상호 연결 및 T-게이트와 같은 3D 구조를 기존 리소그래피보다 적은 단계로 패터닝할 수 있다는 것이다. 이는 템플릿의 돌출부에 T-형태를 구축하여 달성된다.^[29] 마찬가지로, 나노임프린트 리소그래피는 집중 이온 빔을 사용하여 생성된 3D 구조를 복제하는 데 사용될 수 있다. 집중 이온 빔으로 패터닝할 수 있는 영역은 제한적이지만, 예를 들어 광섬유 가장자리에 구조를 임프린트하는 데 사용될 수 있다.^[30]

고종횡비 나노구조화

고종횡비 및 계층적 나노구조 표면은 제작하기 번거롭고 구조적 붕괴를 겪을 수 있다. 비정량적 티올-엔-에폭시 폴리머의 UV-NIL을 사용하면 제한된 붕괴와 결함률로 견고하고 넓은 면적의 고종횡비 나노구조 및 복잡한 계층적 다층 구조를 제작할 수 있다.^[31]

대안적 접근

전기화학적 나노임프린팅

전기화학적 나노임프린팅은 황화은과 같은 초이온 전도체로 만들어진 스탬프를 사용하여 달성할 수 있다.^[32] 스탬프가 금속과 접촉되면 인가 전압으로 전기화학적 식각이 수행될 수 있다. 전기화학 반응은 금속 이온을 생성하여 원래 필름에서 스탬프로 이동시킨다. 결국 모든 금속이 제거되고 보완적인 스탬프 패턴이 남은 금속으로 전송된다.

레이저 보조 직접 임프린트

레이저 보조 직접 임프린트(LADI)^[33]는 고체 기판에 나노구조를 패터닝하는 빠른 기술이며 식각이 필요하지 않다. 단일 또는 다중 엑시머 레이저 펄스는 기판 재료의 얇은 표면층을 녹이고, 몰드는 결과로 생성된 액체 층에 각인된다. LADI를 사용하여 10 나노미터보다 더 나은 해상도를 가진 다양한 구조가 실리콘에 임프린트되었으며, 각인 시간은 250 ns 미만이다. LADI의 고해상도 및 속도는 용융 실리콘의 낮은 점도(물의 3분의 1)에 기인하며, 다양한 응용 분야를 열고 다른 재료 및 처리 기술로 확장될 수 있다.

초고속 나노임프린트

초고속 나노임프린트 리소그래피^[34] 또는 펄스-NIL은 나노패턴 표면 아래에 가열층이 통합된 스탬프를 사용하는 기술이다. 가열층에 단일의 짧고(<100 μs) 강렬한 전류 펄스를 주입하면 스탬프의 표면 온도가 수백 °C 갑자기 상승한다. 이로 인해 압착된 열가소성 레지스트 필름이 녹고 나노구조가 빠르게 각인된다. 높은 처리량 외에도 이 빠른 공정은 다른 장점을 가지고 있는데, 즉 대형 표면으로 쉽게 확장될 수 있으며, 표준 열 NIL에 비해 열 사이클에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다는 점이다. 이 접근 방식은 현재 ThunderNIL srl에서 추진하고 있다.^[35]

롤러 나노임프린트

롤러 공정은 생산 라인에 구현될 수 있으므로 대형 기판(전체 웨이퍼) 및 대규모 생산에 매우 적합하다. 부드러운 스탬퍼와 함께 사용하면 공정(임프린트 및 탈형)이 매우 부드럽고 표면 거칠기 또는 결함에 내성이 있을 수 있다. 따라서 극히 얇고 깨지기 쉬운 기판조차도 가공이 가능하다. 이 공정을 사용하여 두께 50 μm까지의 실리콘 웨이퍼 임프린트가 시연되었다.^[11] 불투명 기판의 UV-롤러-NIL의 경우, UV 광은 유연한 스탬퍼를 통해 플래시되어야 한다. 예를 들어 석영 유리 드럼에 UV-LED를 통합하는 방식이다.

나노임프린트의 미래

나노임프린트 리소그래피는 회절이나 산란 효과, 2차 전자에 의해 제한되지 않으며 정교한 방사선 화학을 필요로 하지 않는 간단한 패턴 전송 공정이다. 또한 잠재적으로 간단하고 저렴한 기술이다. 그러나 나노미터 규모 패터닝의 오랜 장벽은 템플릿을 생성하기 위해 현재 다른 리소그래피 기술에 의존한다는 점이다. 자기조립 구조가 10nm 이하 규모의 주기적인 패턴 템플릿에 대한 궁극적인 해결책을 제공할 가능성이 있다.^[36] 이중 패터닝을 기반으로 하는 방식에서 프로그래밍 가능한 템플릿^[37]을 사용하여 템플릿 생성 문제를 해결하는 것도 가능하다.

2007년 10월 기준, 도시바만이 22nm 및 그 이하에 대해 나노임프린트 리소그래피를 검증한 유일한 회사이다.^[38] 더 중요한 것은 나노임프린트 리소그래피가 산업 사용자에게 검증된 최초의 30nm 미만 리소그래피라는 점이다.