[신진연구자 칼럼] 3차원 홀로그래피 리소그래피 기술 및 응용

(1)

서론

3차원 패터닝 기술은 특히 반도체 기술의 총아인 포토리소그래피로 대표되는 2차원 패터닝 기술로는 형성하기 어려운 3차원 광자결정(photonic crystals) 의 제조를 위해 개발되고 많은 연구가 진행 되었다.

광자결정이란 굴절률이 각각 다른 물질들이 3차원에 서 규칙적으로 배열되어 있는 결정구조를 의미하며,

광밴드갭(photonic bandgaps)의 광학적 특성을 가지 고 있어 반사형 디스플레이, 광도파로와 같은 광학 및 광전소자에 적용하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있는 신소재이다. 3차원 패터닝 기술은 이와 같은 정 밀한 소자 이외에도 비표면적이 중요한 촉매의 지지 체, 전지의 전극과 같은 3차원 다공성 구조(porous structure)를 형성하는 데에도 적용범위를 넓히고 있

3차원 홀로그래피 리소그래피 기술 및 응용

1999 고려대학교 화학공학과 학사 2001 한국과학기술원 생명화학공학과 석사 2005 한국과학기술원 생명화학공학과 박사

2006 University of Pennsylvania 재료공학과 박사후 연구원 2007 삼성종합기술원 전문연구원

현 재 서강대학교 화학공학과 조교수

문 준 혁

서강대학교 화공생명공학과 [email protected]

Technique

MMaatteerriiaallss TTyyppiiccaall DDiimmeennssiioonnss P

Paatttteerrnniinngg SSppeeeedd RReessoolluuttiioonn 33DD ssttrruuccttuurreess ((WWxxDDxxHH))

monodispersed Continuous particle

Self-assembly polymeric or deposition: seconds to days 10nm Periodic

inorganic particles, 100µm×100µm block copolymers ×10µm Multi-beam photosensitive Single and

interference polymer films multiple exposures: ns to 300nm Periodic

lithography (organic, hybrids) 10mm×10mm seconds

×100µm concentrated Layer-by-layer

Rapid protyping particle gels, deposition: several mm/s 100µm Arbitrary colloidal gels, 10mm×10mm

polymer solutions ×10mm polyelectrolyte, Layer-by-layer

Direct-write concentrated writing: 250µm/sec < 1µm Arbitrary

assembly colloidal gels, 10cm×10cm nanoparticle gels ×5cm

photosensitive Serial writing:

Multi-photon monomeric 100µm×100µm 9cm/s 120nm Arbitrary

absorption liquids, polymer films, metal nanoparticles ×50µm

Glanced angle semiconductors, Rotate and step: Pitch of chevrons, zig-zags, deposition metals, metal oxides, 5cm×5cm 2~10Å/s 10’s nm helical columns,

and fluorides ×8µm superhelical

표 1. 다양한 3차원 패터닝 기술

(2)

다. 본 컬럼에서는 다양한 3차원 패터닝 기술 중 특히 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 3차원 홀로그래피 기반의 리소그래피의 원리 및 응용에 대해 살펴보고 자 한다.

3차원 패터닝 기술

현재까지 개발된 3차원 패터닝 기술은 [표 1]과 같 이 분류가 가능하다. 그 중에서도 크게 자기조립법 (self-assembly), 직접쓰기법(direct-writing), 간섭리 소그래피(interference lithography) 방법이 대표적이 다. 첫번째로 콜로이드입자를 이용한 자기조립법은 용매가 증발하면서 일어나는 결정화 과정과 입자 계 면에 형성되는 모세관 힘에 의해 자발적으로 3차원 패턴을 형성하는 방법으로 공정이 간단하며 넓은 면 적에 패턴 형성이 가능하다. 그러나, 열역학적으로 안 정한 면심입방구조외에 다른 형태의 패턴 형성이 어 렵고, 결함(defect)의 인위적 제어가 불가능하다는 단 점이 있어 광전소자와 같은 정밀소자의 응용에는 한 계가 있다. 직접쓰기법은 마이크로 피펫 또는 노즐과 마이크로 스테이지에 의해 미세패턴을 형성하는 방법 이다. 자기조립법과 비교했을 때, 결함 제어가 자유롭 고 임의의 3차원 패턴을 형성할 수 있지만 스테이지 의 정밀함이 요구되어 수백나노이하의 패턴형성이 어 렵다는 단점이 있다. 마지막으로 간섭리소그래피는 홀로그래픽 리소그래피(holographic lithography)로 불리기도 하며, 빛의 간섭무늬를 이용한 패터닝 방법 이다. 이 방법은 기존의 포토리소그래피에서 이용되 는 광화학반응을 적용하여 수초 내에 패턴 형성이 가

능하다는 유사점을 갖지만, 기존의 포토리소그래피에 서는 불가능한 광학계의 조절, 즉 두 빛간의 각도를 조절하여 수십나노미터에서 수마이크로의 다양한 스 케일의 패턴 형성이 가능하다는 장점을 갖는다. 특히, 빛의 성질을 제어하여 다양한 연결구조 및 기공을 갖 는 3차원 패턴 형성이 가능하며 기본적으로 무결함의 패턴 형성이 가능하여 최근 많은 주목을 받고 있다.

3차원 홀로그래피 리소그래피

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

(식 1)

여기서 N은 간섭무늬를 형성하는 빛의 개수이며 3 차원 격자구조를 만드는 경우 4개 이상의 빛이 필요 하다. EEi는 편광벡터(polarization vector)이며 격자를 이루는 단위원자의 모양을 제어할 수 있고, kki는 파동 벡터(wave vector)로 격자의 형태를 결정하며, ϕⁱ를 조절하는 경우 간섭무늬의 위치를 조절할 수 있다. 특 히 위상에 의한 간섭무늬의 공간상 이동은 간섭무늬 의 다중조사(multiple-exposure)방법과 병행하여 면 심입방구조(face-centered cubic, FCC)가 중첩된 다 이아몬드 구조와 같은 다양한 격자무늬를 형성하는데 적용할 수 있다.

[그림 1]은 홀로그래피 리소그래피 공정을 나타낸 다. 홀로그래피 리소그래피는 기존의 포토리소그래피 와 유사하며 패턴형성을 위해 마스크를 사용하는 대 신 간섭무늬를 사용한다는 차이점이 있다. 즉, 그림과 같이 네거티브 포토리지스트를 사용하는 경우 보강간 섭(constructive interference)영역에서는 포토리지스 트가 가교되며, 상쇄간섭(destructive interference)영 역에서는 가교가 되지 않으므로, 용매를 통해 현상

그림 1. 홀로그래피 리소그래피 (A) exposure, (B) post-

exposure baking, (C) development.

(3)

(development)공정을 거친 후 3차원 패턴을 만들 수 있다.

[표 2]에 홀로그래피 리소그래피로 형성할 수 있는 다양한 3차원 패턴 중, 단순입방구조(simple cubic, SC), 면심입방구조 및 체심입방구조(body-centered cubic, BCC)를 형성하기 위한 조건을 나타내었다. 또 한, [그림 2]는 표의 조건으로 형성된 간섭패턴에서 보강 빛 상쇄 간섭의 경계를 나타내는 수준면(level surface) 또는 포토리지스트 패턴의 표면을 전산모사

한 결과이다.

3차원 홀로그래피 리소그래피는 기존의 포토리지스 트 외에도 다양한 물질을 적용할 수 있으며, [표 3]에 서 사용가능한 포토리지스트와 패턴 형성시 특징에 대해 간단히 언급하였다. SU-8은 대표적인 네거티브 포토리지스트로 높은 패턴 해상도를 갖고 있으며, PGMA의 경우는 SU-8의 가교반응 전후의 부피수축 문제를 해결하기 위해 연구가 진행되고 있다. 또한, 기 계적, 전기적 물성이 향상된 3차원 패턴을 위해 유-무 기 하이브리드 형태의 포토리지스트를 적용할 수 있 으며, PHEMA의 경우 바이오-화학센서 등에 적용하 기 위해 연구가 진행되고 있다.

몇가지 포토리지스트에 대해 자세히 살펴보면, SU- 8의 경우 에폭시기의 광가교(photo-crosslinking)를 통해 패턴이 형성되며, 3차원 홀로그래피 리소그래피 를 통해 [그림 3]과 같은 면심입방구조의 3차원 패턴 을 형성할 수 있다. 특히, SU-8의 경우 에폭시기가 가 교되면서 형성되는 수산화기를 통해 다양하게 표면 개질이 가능하므로 다양한 응용이 가능하다. 예를 들 어 아미노실란과 반응하여 아민기를 도입하거나, 물 리적 그래프팅(physical grafting)방법에 의해 폴리에 틸렌글리콜(PEG)와 같은 고분자 사슬을 도입할 수 있다. [그림 4]는 표면에 치환된 아민기와 PEG의 표 면밀도를 측정하기 위해 형광분석을 실시한 결과이며, 대략 수십 nm²의 표면에 1개의 분자가 치환되어 있음 을 알 수 있다. 또한, SU-8의 3차원 패턴은 화학증착방

k0=π/α[111] E0=1.00[0.000, 0.707, -0.707]

SC k1=π/α[1-11] E1=0.63[-0.500, 0.309, -0.809]

k2=π/α[11-1] E2=0.87[-0.500, 0.309, -0.898]

k3=π/α[111-] E3=2.29[-0.309, 0.809, 0.500]

k0=π/α[333] E0=4.90[0.0, 0.707, -0.707]

FCC k1=π/α[511] E1=4.00[0.0, 0.707, -0.707]

k2=π/α[151] E2=5.79[0.0, 0.707, -0.707]

k3=π/α[115] E3=12.70[0.0, 0.707, -0.707]

k0=π/α[333] E0=5.66[0.0, 0.707, -0.707]

BCC k1=π/α[511] E1=6.16[0.0, 0.707, -0.707]

k2=π/α[151] E2=6.16[0.0, 0.707, -0.707]

k3=π/α[115] E3=12.94[0.0, 0.707, -0.707]

표 2. 단순입방, 면심입방, 체심입방구조를 형성하기 위한 파동벡터와 편광벡터 조건

Lattice Wave vectors Polarization vectors

그림 2. [표 2]의 조건으로 형성된 (A) 단순입방구조, (B) 면 심입방구조, (C) 체심입방구조.

그림 3. (A) SU-8, (B) 실리카, (C) 실리콘으로 이루어진 3차 원 패턴의 전자현미경 사진 (Scale bar : 10μ m).

그림 4. SU-8표면에 치환된 아미노실란과 PEG그룹의 형광

세기 분석.

(4)

법 등을 통해 무기물을 코팅하고 열처리를 통해 선택적 으로 고분자 구조체를 제거하는 방법인 주형법 (templating method)을 통해 실리카, 타이타니아, 실리 콘 등의 다양한 3차원 구조를 제조할 수 있으며, 특히 광밴드갭이 제어된 광자결정에 적용될 수 있다[그림 4].

또한, poly(2-hydroxyethyl methacrylate)(pHEMA) 기반의 하이드로젤은 온도, pH와 같은 외부자극에 의 해 팽윤(swelling) 조절이 가능하며, 3차원 패터닝을 통해 광자결정구조를 형성하는 경우 외부자극을 광학 적 특성의 변화로 감지할 수 있으므로 센서로의 적용 이 가능하다. 기존 하이드로젤 패턴은 주형법을 통해

제조가 되었으나, 하이드로젤 포토리지스트를 사용하는 경 우 간단히 제조가 가능하다.

[그림 5]는 하이드로젤 포토리 지스트의 하나인 p(HEMA- co-MMA)의 광가교 반응이 며, [그림 6(A)]은 홀로그래 피 리소그래피로 형성된 3차 원 하이드로젤 패턴의 전자현 미경 사진이다. p(HEMA- co-MMA)의 경우 주위의 수 분에 따라 팽윤특성(swelling) 이 조절되어 3차원 패턴의 부 피가 증가 또는 수축할 수 있 으므로 광학적 특성도 변하게 된다. 특히, p(HEMA-co- MMA)합성시 다양한 기능기 를 도입하는 경우 습도이외의 다양한 외부자극에 의해 부피 변화를 일으킬 수 있으므로 센 서로 적용하기 위해 활발한 연 구가 진행되고 있다.

한편, 앞에서 예로든 고분자 형태의 포토리지스트 외에도 유-무기 하이브리드 형태의 포토리지스트를 적용할 수 있으며, [표 2]에서의 에폭시기로 개질된 silsesquioxane의 경우 SU-8과 마찬가지의 광가교 반 응을 통해 패터닝이 가능하며, 열처리를 통해 실리카 구조로 전환이 가능하다[그림 6].

결론

지금까지 다양한 3차원 패터닝 기술과 장단점 및 응용에 대해 소개를 하였으며, 특히, 기존의 다른 패 터닝 방법에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있는 홀 로그래피 리소그래피에 대해 알아보았다. 홀로그래피

- Negative-tone

SU-8

- Thick resist, high resolution and contrast

- Commercially available, and widely used for HL

PGMA - Negative-tone

- Low volume shrinkage

Sol-gel

- Negative-tone

composites

- High refractive index - Single step fabrication of

inorganic structure - Negative-tone - Convertible to silica

POSS - Template for high temperature

process

PHEMA - Negative-tone

copolymers - Biocompatible

- Responsive 표 3. 홀로그래피 리소그래피에 사용되는 포토리지스트의 종류 및 특징

Materials Chemistry Structure Specifications

(5)

리소그래피는 결함없는 완벽한 3차원 패턴 형성이 가 능하고, 광학계를 조절하여 다양한 격자구조를 형성 할 수 있으며 또한, 다양한 종류의 포토리지스트를 이용할 수 있다. 특히, 기존의 포토리지스트를 이용할 수 있다는 점은 포토리소그래피 방법과 동시에 적용

하여 한가지 기술만으로는 제조가 어려웠던 다양한 패턴형성이 가능하다는 장점을 갖게 한다. 미세유체 소자의 유로와 광자결정구조를 한번에 제조한 최근 의 연구 결과를 예로 들 수 있다. 또한, 형성된 3차원 패턴은 주형법을 통해 다양한 무기, 반도체 물질로 치환할 수 있으며, 이 경우 3차원 구조가 갖는 높은 비표면적 뿐 만 아니라 광자결정의 광밴드갭 특성을 통해 태양전지, LED와 같은 광전변환소자의 효율을 향상시킬 수 있는 전극 및 광산란층으로도 적용이 가 능할 것으로 기대된다. 끝으로 3차원 패터닝 기술은 기존의 패터닝 기술로는 제조가 어려운 패턴 형성이 가능하여 최첨단 광전소자부터 고기능성 정밀화학소 재의 제조를 가능하게 하는 핵심기술이 될 것으로 기 대한다.