[신진칼럼] 3차원 홀로그래피 리소그래피

신진칼럼 3차원 홀로그래피 리소그래피

문 준 혁

서강대학교 화공생명공학과 ([email protected])

⋅1999 고려대학교 화학공학과 학사

⋅2001 한국과학기술원 생명화학공학과 석사

⋅2005 한국과학기술원 생명화학공학과 박사

⋅2006 University of Pennsylvania 재료공학과 박사후 연구원

⋅2007 삼성종합기술원 전문연구원 ⋅현재 서강대학교 화학공학과 조교수

1. 서 론

3차원 패터닝 기술은 포토리소그래피로 대표되는 2차원 패터닝 기술로는 형성하기 어려운 3차 원 광자결정(photonic crystals)의 제조를 위해 개발되고 많은 연구가 진행되었으며, 최근 비표면 적이 중요한 촉매의 지지체, 전지의 전극과 같은 3차원 다공성 구조를 형성하는 데에도 적용범위 를 넓히고 있다. 현재까지 개발된 3차원 패터닝 기술은 크게 bottom-up 방식의 자기조립법 (self-assembly), top-down 방식의 간섭리소그래피(interference lithography) 방법이 대표적이다.

콜로이드입자를 이용한 자기조립법은 용매가 증발하면서 일어나는 결정화 과정에 의해 자발적 으로 3차원 패턴을 형성하는 방법으로 공정이 간단하며 Figure 1과 같이 다양한 모양을 갖는 3차 원 패턴이 가능하다[1,2].

Figure 1. (a) 구형, (b) 막대형의 콜로이드 결정, (c) 역전된 형태의 콜로이드 결정 패턴.

간섭리소그래피 또는 홀로그래픽 리소그래피(holographic lithography)는 빛의 간섭현상을 이용

한 패터닝 방법이다. 이 방법은 빛의 성질을 제어하여 다양한 연결구조 및 기공크기를 갖는 3차

원 패턴 형성이 가능하며 기본적으로 무결함의 패턴 형성이 가능하여 최근 많은 주목을 받고 있

다. 본 컬럼에서는 이와 같이 다양한 장점을 갖고 있는 홀로그래피 리소그래피에 대한 최근 연구

결과에 대해 요약하고자 한다.

2. 3차원 홀로그래피 리소그래피

홀로그래피 리소그래피는 빛의 간섭현상을 이용하는 패터닝 기술이다. 간섭성(coherent)을 갖 는 다중빔(multi-beam)의 간섭무늬는 식 (1)에 의해 표현된다.

(1)

특히 홀로그래피 리소그래피는 파동벡터를 조절하여 이론적으로 모든 Bravais 격자를 형성할 수 있으며, Figure 2에서는 간섭무늬로 형성된 단순입방구조(simple cubic, SC), 면심입방구조 및 체심입방구조(body-centered cubic, BCC) 수준면(level surface)의 전산모사 결과이다.

Figure 2. (a) 단순입방구조, (b) 면심입방구조, (c) 체심입방구조의 간섭무늬의 수준면.

또한 위상에 의한 간섭무늬의 공간상 이동은 간섭무늬의 다중조사(multiple-exposure)방법과 병행하여 면심입방구조(face-centered cubic, FCC)가 중첩된 다이아몬드 구조와 같은 다양한 격 자무늬를 형성하는데 적용할 수 있다[3,4].

Figure 3은 홀로그래피 리소그래피 공정을 나타낸다. 홀로그래피 리소그래피는 기존의 포토리 소그래피와 유사하며 패턴형성을 위해 마스크를 사용하는 대신 간섭무늬를 사용한다는 차이점이 있다. 즉, 아래 그림과 같이 네거티브 포토리지스트를 사용하는 경우 보강간섭 영역에서는 포토리 지스트가 가교되며, 상쇄간섭 영역에서는 가교가 되지 않으므로, 용매를 통해 현상(development) 공정을 거친 후 3차원 패턴을 만들 수 있다.

Figure 3. 홀로그래피 리소그래피 (a) exposure, (b) post-exposure baking, (c) development.

3차원 홀로그래피 리소그래피는 기존의 포토리지스트 외에도 다양한 물질을 적용할 수 있으며,

Table 1에서 사용가능한 포토리지스트와 패턴 형성시 특징에 대해 간단히 언급하였다. SU‐8은 네

거티브 포토리지스트로 높은 패턴 해상도를 갖고 있으며, PGMA의 경우는 SU-8의 가교반응 전

후의 부피수축 문제를 해결하기 위해 연구가 진행되고 있다. 또한, 기계적, 전기적 물성이 향상된

3차원 패턴을 위해 유‐무기 하이브리드 형태의 포토리지스트를 적용할 수 있으며, PHEMA의 경

우 바이오-화학센서 등에 적용하기 위해 연구가 진행되고 있다.

Table 1. 홀로그래피 리소그래피에 사용되는 포토리지스트의 종류 및 특징

Materials Chemistry Structure Specifications

SU-8 [2]

- Negative-tone

- Thick resist, high resolution and contrast

- Commercially available, and widely used for HL

PGMA [3]

- Negative-tone - Low volume shrinkage

Sol-gel composites

- Negative-tone - High refractive index

- Single step fabrication of inorganic structure

POSS

- Negative-tone - Convertible to silica

- Template for high temperature proc- ess

PHEMA copolymers [4]

- Negative-tone - Biocompatible - Responsive

몇가지 포토리지스트에 대해 자세히 살펴보면, SU-8의 경우 에폭시기의 광가교(photo-cross- linking)를 통해 패턴이 형성되며, 3차원 홀로그래피 리소그래피를 통해 Figure 4(a)과 같은 면심 입방구조의 3차원 패턴을 형성할 수 있다. 특히, SU-8의 경우 에폭시기가 가교되면서 형성되는 수산화기를 통해 다양하게 표면 개질을 통해 다양한 응용이 가능하다[7]. 또한, SU-8 패턴은 주 형법(templating method)을 통해 실리카, 타이타니아, 실리콘 등의 다양한 3차원 구조를 제조할 수 있으며, 특히 광밴드갭이 제어된 광자결정에 적용될 수 있다(Figures 4, 5)[8].

Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA)기반의 하이드로젤은 온도, pH와 같은 외부자극

에 의해 팽윤(swelling) 조절이 가능하며, 3차원 패터닝을 통해 광자결정구조를 형성하는 경우 외

부자극을 광학적 특성의 변화로 감지할 수 있으므로 센서로의 적용이 가능하다. Figure 6(a)은 3

Figure 4. (a) SU-8, (b) 실리카, (c) 실리콘으로 이루어진 3차원 패턴의 전자현미경 사진 (Scale bar: 10 µm).

Figure 5. (a) SU-8, (b) 실리카, (c) 실리콘으로 이루어진 3차원 광자결정의 광밴드갭(좌) 및 반사 스펙트럼(우).

차원 하이드로젤 패턴의 전자현미경 사진이다[6]. 특히, p(HEMA-co-MMA)합성시 다양한 기능 기를 도입하는 경우 습도 이외의 다양한 외부자극에 의해 부피변화를 일으킬 수 있으므로 센서 로 적용하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다.

한편, 앞에서 예로든 고분자 형태의 포토리지스트 외에도 유‐무기 하이브리드 형태의 포토리지 스트를 적용할 수 있으며, Table 1에서의 에폭시기로 개질된 silsesquioxane의 경우 SU-8과 마찬 가지의 광가교 반응을 통해 패터닝이 가능하며, 열처리를 통해 실리카 구조로 전환이 가능하다 (Figure 6b).

Figure 6. (a) Poly(HEMA-co-MMA), (b) 에폭시기 치환된 polyhedral oligomeric silsesquioxane로 이루어진 3차원 패턴의 전자현미경 사진(Scale bar: 5 µm).

3. 결 론

지금까지 다양한 3차원 패터닝 기술과 장단점 및 응용에 대해 소개를 하였으며, 특히, 기존의 다른 패터닝 방법에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있는 홀로그래피 리소그래피에 대해 알아보 았다. 홀로그래피 리소그래피는 결함없는 완벽한 3차원 패턴 형성이 가능하고, 광학계를 조절하여 다양한 격자구조를 형성할 수 있으며 또한, 다양한 종류의 포토리지스트를 이용할 수 있다. 특히, 기존의 포토리지스트를 이용할 수 있다는 점은 포토리소그래피 방법과 동시에 적용하여 한가지 기술만으로는 제조가 어려웠던 다양한 패턴형성이 가능하다는 장점을 갖게 한다. 미세유체소자의 유로와 광자결정구조를 한번에 제조한 최근의 연구 결과를 예로 들 수 있다[9]. 또한, 형성된 3차 원 패턴은 주형법을 통해 다양한 무기, 반도체 물질로 치환할 수 있으며, 이 경우 태양전지, LED 와 같은 광전변환소자의 효율을 향상 소재로 적용이 가능할 것으로 기대된다.

4. 참고문헌

1. J. H. Moon, G.-R. Yi, D. J. Pine, S. B. Park, and S.-M. Yang,

., 16, 605 (2004).

2. J. H. Moon, S. G. Jang, J.-M. Lim, and S.-M. Yang,

., 17, 2559 (2005).

3. J. H. Moon, S. Yang, D. J. Pine, and S.-M. Yang,

, 13, 9841 (2005).

4. J. H. Moon, D. J. Pine, and S.-M. Yang,

., 85, 4184 (2004).

5. A. Hayek, Y. Xu, T. Okada, B. Barlow, X. Zhu, J. H. Moon, S. Yang, and S. R. Marder,

., 18, 3316 (2008).

6. J.-H. Kang, J. H. Moon, S.-K. Lee, S.-G. Park, S. G. Jang, S. Yang, and S.-M. Yang,

., 20, 3061 (2008).

7. J. H. Moon, A. J. Kim, J. C. Crocker, and S. Yang,

., 19, 2508 (2007).

8. J. H. Moon, S. Yang, W. Dong, J. W. Perry, A. Adibi, and S. M. Yang,

, 14, 6297 (2006).

9. S.-G. Lee, S.-G. Park, J. H. Moon, and S.-M. Yang,

, 8, 388 (2008).