(Ultrafast and direct imprint of nanostructures in silicon)
마이크로 일렉트로닉스의 발전을 나타내는 Moore의 법칙에 의하면, 1개의 실리콘 칩에 집적 할 수 있는 트랜지스터의 숫자는 매 18개월마다 2배가 된다. Moore는 대법칙 외에도 2가지의 소 법칙을 만들었는데, 크기가 작아질수록 성능은 좋 아지며, 생산기술의 비용은 시간에 따라서 기하급 수적으로 증가한다고 주장하였다.
반도체 산업은 같은 크기의 칩에 더 많은 부품 들을(트랜지스터와 이들을 연결하는 와이어들) 집어넣음으로써, Moore의 대법칙과 첫번째 소법 칙이 유효함을 증명해 왔다. 그러나, 두번째 소법 칙은, 결국은 생산 기술의 비용이 증가하여 Moore 의 법칙이 계속 유효하기는 어렵다는 것을 의미한 다. 사실상, 트렌지스터 하나당의 비용이 증가하기 시작하면 Moore의 법칙은 성립하지 않는다. 그러 나, Chou 등이 개발한 새로운 임프린트 기술은 Moore의 법칙을 유지되게 해 줄 것이다.
칩을 제작하는 비용중 가장 큰 것은 photo- lithography라고 불리우는 패턴을 만드는 기술인 데, 감광성 고분자(레지스트)의 박막 위에 칩의 패턴을 광학적으로 비추는 것이다[그림 1(A)]. 빛 이 쪼인 부분 또는 빛이 안쪼인 부분의 레지스트를 선택적으로 녹여내어 실리콘 위에 부조(relief) 이 미지를 남기게 되는데, 이 이미지는 에칭에 의하 여 그 밑의 물질에 그대로 판박이 되어서 칩을 이 루는 부품을 만들게 된다. 완전한 칩을 만들기 위 해서는 4개부터 30개까지의 photolithography 작
업이 중첩되어야 한다.
이 장치의 핵심 부분은 광학 시스템인데, 현미 경과 같은 원리에 의해서 이미지를 레지스트 위에 비춘다. ‘스테퍼(stepper)’라고 불리는 이 장치는 복잡하고 매우 비싼데, 현재 미화 1000만 달러 이 상을 호가한다. 스테퍼는 2cm×2cm의 크기에 100억개 이상의 모양(feature)을 가진 이미지를 1 분에 60개씩 비추어야 한다. 가장 작은 모양은 한 변이 130nm인 사각형이며, 크기 및 위치의 정확 도는 각각 25nm와 65nm이다. 그 외에도, 이미지 내부에는 감지할 수 있는 결함이 없어야 한다.
Moore의 법칙이 맞다면, 전체 이미지의 크기와 생산 속도를 유지하면서, 모양의 크기와 정확도가 향후 3년 동안 절반으로 줄어야 한다. 같은 기간 동안에, 스테퍼의 가격은 200만 달러 이상이 될 것으로 예상된다. 그러나, 한 개의 이미지에 담겨 있는 모양의 갯수가 4배가 되므로, 모양 당 비용은 감소된다.
투영된 모양의 크기가 65nm가 되면, 현미경의 Rayleigh 정밀도 한계–회절 효과에 의해서 구분 할 수 있는 최소의 거리–를 벗어나는 것이다(이 한계는 파장이 193nm인 자외선일 때 약 110nm 이다). 이러한 정밀도를 얻는 것은 불가능하지 않 지만, 매우 어렵고 비용이 많이 든다. 광학적 투영 기술을 이용하여 모양의 크기와 모양 당 비용을 계속해서 줄일 수 있을지는 분명하지 않다. 기술 의 발전이 주춤거리면, Moore의 법칙이 깨지는 것이고 반도체 산업에는 재앙이 될 것이다.
따라서, 반도체 산업은 ‘차세대 lithography 기 술’에 투자하고 있는데, 특히 전자투영법(electron projection)과 극자외선(extreme UV) lithography 가 선호되고 있다. 두 기술 다 이미지를 고정밀도
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로 투영하는 기술에 의존하고 있다. 그러나, 발전 의 속도는 느리고 비용은 많이 들어서, 두 가지 기 술이 Moore의 법칙을 유지할 수 있는가에 대해서 는 의문이 제기되고 있다.
그런데, 통상적인 기계적 프린팅에 기초한 새로 운 기술이 투영된 이미지의 초점을 맞추는 문제를 근본적으로 대체할 수 있다. 컴팩트 디스크를 제 작하는데 사용되는 임프린트 공정에서 파생된 이 기술은 마이크론 이하의 크기를 가진 모양을 100cm2에 만드는데 1초도 걸리지 않으며 비용도 50센트에 불과하다.–이것은 광학적 투영법의 비 용의 1/100~1/1000 정도이다.–1996년에 Chou 등은 이 기술을 변형하면 10nm 크기의 모양을 3cm2 의 면적에 걸쳐서 만들 수 있음을 보인 바 있다.
이 외에도 다른 중요한 기술도 발전되고 있는
데, 예를 들면 Whitesides 등이 개발한 기계적 프린팅 방법은–soft lithography라고 불린다–
100nm 이하의 모양을 평평하지 않은 표면에 프 린팅할 수 있다. 1998년에 미국의 DARPA는 ‘분 자수준의 대면적 프린팅(MLP)’에 대한 연구 프 로그램을 출범시킨 바 있는데, 반도체 산업이 이 를 주목하고 있다：이미 Motorola와 University of Texa의 공동 개발 프로그램으로부터 결과가 나오기 시작하였다.
Chou 등이 최근에 얻은 결과는 아주 기대되는 것이다. 레지스트 박막에 임프린트를 하는 대신에, 임프린팅과 flood illumination을 결합하여 실리콘 에 직접 패턴을 만들 수 있다[그림 1(B)]. 이 기 술은 LADI(laser-assisted direct imprint)라고 명 명되었다. 프린팅 마스크는 quartz로 만들며, 표면
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 5, 2002 … 537
신·기·술·소·개
(A) (B)
Ultraviolet illumination
Mask containing chip pattern
Projection optics Image of chip pattern Resist
Strip resist Etch silicon Develop resist
Quartz mask
Silicon wafer Mask in
contact with silicon
Remove mask Mask pressed into molten layer of silicon
Silicon wafer
Silicon wafer
Laser
그림 1. 실리콘 칩을 제조하는 새로운 방법. (A)전자 부품을 집적하는데 현재는 photolithography를 사용하고 있 다. 자외선이 패턴을 가진 마스크를 통과하여 칩 패턴을 먼저 레지스트(사진필름과 비슷하다)에 옮긴다. 레지스 트를 현상한 후에, 레지스트 패턴을 가이드로 삼아서 그 아래의 실리콘 층을 녹여낸다. 그 후에 레지스트를 녹 여내면 실리콘에 패턴이 남게 된다. 그러나, photolithography의 미래는 제한적이다. 레지스트 표면에 빛의 초점 을 맞추어 주는 투영 광학장치의 비용이 너무 높아서, 점점 작아지는 패턴의 요구를 만족 시킬 수 없을 것이다.
현재 가능한 최소의 패턴 사이즈는 100nm 정도이다. (B)Chou 등은 LADI라고 부르는 임프린트 기술을 개발하
였다. 실리콘 표면 위에 부착된 마스크를 통과한 레이저 광은 실리콘의 표면을 녹이게 된다. 마스크는 녹은 실
리콘에 눌러지고, 마스크를 떼어내면 10nm 크기의 패턴이 실리콘에 정확하게 복제된다.
의 부조 이미지를 실리콘에 대고 누르게 된다. 점 멸하는 레이저 광이 마스크를 통과하여 실리콘의 표면을 순간적으로 녹이게 되고, 마스크의 부조 이미지가 복제된다. 그 후에 마스크는 실리콘에서 분리되는데, 실리콘과 quartz가 떨어지지 않는 문 제는 발생하지 않았다.
Chou 등은 마스크의 한계로 인하여 140nm 크 기의 모양까지만 만들었지만, 10nm 수준의 미세 구조도 함께 복제된 것은 이 기술의 정밀도가 특 출하다는 것을 의미한다. 이 기술은 실리콘 칩을 패터닝 할 때 가장 중요한 단계인 다결정 실리콘 필름의 패터닝에도 적용될 수 있다. 촛점을 맞추 기 위한 복잡한 광학적 장치가 필요하지 않으므로, 프린팅 장치는 스텝퍼보다 훨씬 간단하다. 또한 레지스트도 필요가 없어서 비용도 줄어든다.
그러나, 이 기술도 극복해야 할 기술적인 어려 움은 있다. 실리콘 칩의 역사를 보면, 접촉에 의해 서 발생되는 결함 때문에 1970년 이전에 접촉 프 린팅(contact photoprinting) 기술을 버리게 된 바 있으므로, 아마도 비슷한 문제에 직면하게 될 것이다. 그러나, 수십년이 지난 지금에는 결함을 극복하는 기술이 엄청나게 발전하였다. 웨이퍼에 서 요구하는 아주 작은 크기의 모양을 가진 마스 크를 만드는 것이 어렵기는 하지만, NTT의 실험 적인 e-beam 시스템(EBX-3)은 이러한 목적을 달성할 수 있을 것으로 보인다.
따라서, 비용과 속도와 정밀도에 있어서, LADI 를 비롯한 기계적인 프린팅 기술이 광학적 기술을 대신하여 실리콘 칩을 제조하는 데 사용될 지도 모른다. 아마도 Moore의 법칙은 향후 20년간은 계속 유효할 것 같다[Nature, vol. 417, p. 835 (2002)].
(The energy efficiency of formation of photons, radicals and ions during single-bubble cavitation)
‘단기포 초음파발광(single-bubble sonolumine- scence)’은 액체 속에서 한 개의 기포가 강력한 초음파에 노출되었을 때 찌부러지며 빛을 내는 놀 라운 현상이다. 12년 전에 처음 관찰된 이래로, 이 현상을 물리적으로 설명할 수 있게 되었다. 빛을 내는 기포 속에서는 화학적인 활성도가 매우 클 것이라는 가설이 제안되었고, 간접적으로 확인도 되었다. 최근 Didenko와 Suslick은 빛을 내는 기 포 속에서 반응속도를 최초로 직접 측정하였다.
초음파에 의해서 빛을 내는 기포는 전구라고 보는 것 보다는, 고온 고압의 초소형 반응기로 보는 것 이 타당하다.
초음파발광의 과정을 [그림 1]에 나타내었다.
첫째로, 낮은 음압(sound pressure)에서 마이크론 크기의 기포가 커져서 부피가 1,000배로 늘어난다.
압력이 다시 커지면, 기포는 갑자기 짜부러져서 고체의 밀도에 해당되는 크기로 줄어든다. 이러한 압축과정은 기포 속의 기체의 온도를 올리게 되는 데, 이 단열압축에 의해서 기포 속은 10,000~
20,000K까지 올라가게 된다. 결과적으로, 기체는 부분적으로 이온화되고 전자와 이온의 재결합 과 정에서 빛이 나오게 된다.
기포가 커지면 액체 속에 녹아 있던 기체가 기 포 속으로 들어오게 된다. 단열압축이 일어나면, 이 기체 중 일부가 기포 속에 가두어지고 반응하 기 시작한다. 예를 들면, 질소 분자는 질소 라디칼 로 분해되고 이것이 반응하여 NH, NO 등을 생성
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신·기·술·소·개
