혁신적인 원스텝 마스크 회절 리소그래피로 정밀 3D 현수 구조체 제조

초록

좁은 선폭 마스크 패턴의 회절을 이용한 3차원(3D) 현수 구조체 제조를 위한 새로운 원스텝 노광 방법을 제안합니다. 노광 공정의 광학 모델을 구축하고 프레넬-키르히호프 회절 공식을 기반으로 포토레지스트 내 3D 빛 강도 분포를 계산했습니다. 빔, 메시, 문자 패턴, 다층 구조 등 다양한 3D 현수 포토레지스트 구조체를 구현했으며, SU-8 구조체의 열분해를 통해 현수 및 자립형 3D 탄소 구조체를 추가로 얻었습니다. 이들은 투명 전극, 반투명 태양전지, 에너지 저장 소자 등에 큰 응용 잠재력을 보입니다.

서론

3D 탄소 마이크로전자기계시스템(C-MEMS) 구조체는 우수한 화학적 안정성, 전기화학적 활성, 생체적합성 덕분에 주목받고 있습니다[1-5]. 현수 탄소 구조체는 분자간 힘이 없는 전형적인 3D C-MEMS 구조체로[2], 센서[6,7], 마이크로전극[8,9], 에너지 저장[9] 분야에서 큰 이점을 가집니다. 다양한 C-MEMS 미세구조체가 고분자 열분해로 구현되었으며, 그중 SU-8이 열분해 탄소 구조체의 전구체로 가장 널리 쓰입니다[10, 11]. 낮은 빛 흡수 덕분에 SU-8로 고종횡비 미세구조체 제작이 용이합니다[12]. 그러나 현수 고분자 템플릿 확보는 여전히 큰 과제입니다.

현수 미세구조체 제조를 위한 다양한 접근법이 개발되었습니다: 전자빔 리소그래피[13-15], X-선[10, 16], 이광자 리소그래피[17-19] 등. 이광자 리소그래피는 현수 중공 미세관 같은 복잡한 구조를 높은 정밀도로 만들지만 효율이 낮습니다[17]. 효율과 비용을 고려하면 UV 리소그래피가 포토레지스트 전구체 제작에 더 나은 선택일 수 있습니다. 제어된 노광량의 다단계 리소그래피로 현수 구조체 제작이 입증되었습니다[3, 6, 7, 20]. Lim 등[21]은 2단계 UV 리소그래피로 현수 나노와이어와 나노메시를 만들고 열분해로 유리 탄소 나노구조체를 얻었습니다. 원스텝 리소그래피 방법도 제안되었습니다. No 등[22]은 Cr 마스크 위에 광학 확산 필름을 놓고 단일 노광으로 현수 미세구조체를 만들었으나, 확산 필름이 노광 공정에 큰 영향을 주어 포토레지스트 패턴 변형을 초래했습니다. Long 등[2]은 근접 노광 시 노광량과 포토레지스트-마스크 간 공기 간격 제어로 3D 현수 구조체를 만들었으나, 근접 노광 모드가 제작 해상도를 제한했습니다. 그레이스케일 포토리소그래피도 그레이스케일 마스크나 마스크리스 리소그래피 시스템으로 현수 구조체 제작에 적용되었습니다[11, 23]. SU-8은 파장 350 nm 이상에서 거의 투명하므로[12], 노광량 조절로 현수층 두께 정밀 제어가 매우 어렵습니다[8, 10]. Hemanth 등[10]은 SU-8 특성에 따라 노광 UV 파장을 최적화했습니다. 고종횡비 미세구조체에는 405 nm, 현수층에는 313 nm를 사용했으나, 서로 다른 UV 파장 조합은 전체 공정의 비용과 난이도를 높입니다.

본 연구에서는 대부분의 포토레지스트와 호환되는 새로운 원스텝 마스크 기반 회절 리소그래피 공정으로 3D 현수 구조체 제작을 시연합니다. 키르히호프 회절 이론에 따라 포토레지스트 내 3D 빛 강도 분포를 시뮬레이션하고 실험으로 검증했습니다. 현수 구조체 두께는 패턴 폭으로 제어하며, 여러 선 패턴을 적절한 간격으로 나란히 쌓아 현수 빔을 넓힐 수 있습니다. 복잡한 3D 현수 구조체(기울기 두께 빔, 완전 현수 메시, 문자 패턴)도 원스텝 리소그래피로 구현 가능합니다. 마지막으로 열분해 공정으로 현수 탄소 빔, 메시, 자립형 탄소 메시도 얻었습니다.

방법 및 실험

회절 리소그래피의 광학 모델

UV 리소그래피 중 패턴 크기가 너무 작으면 회절 현상이 두드러집니다. 여기서는 수 파장 폭의 좁은 패턴 회절을 이용해 현수 빔을 만듭니다. 포토레지스트 내 공간 빛 강도 분포를 분석하기 위해 프레넬 회절 기반 회절 리소그래피 광학 모델(그림 1)을 구축했습니다. 포토레지스트와 포토마스크 간 공기 간격은 하드 컨택트 모드로 노광하므로 무시할 수 있습니다. 마스크는 365 nm 파장의 평행광으로 조명되며, 포토레지스트는 굴절률 1.659(365 nm에서 타원계로 측정한 SU-8 굴절률)의 투명 물질로 취급합니다. P₀는 마스크 상의 점으로 좌표(x₀, y₀, 0), P₁은 포토레지스트 내 임의 점으로 좌표(x₁, y₁, z₁)입니다.

회절 리소그래피의 광학 모델

프레넬-키르히호프 회절 공식[24]에 따라 포토레지스트 내 점 P₁에서의 진폭은

여기서 k = 2π/λ, λ는 포토레지스트 내 UV 빛 파장, E(P₀)는 점 P₀에서의 빛 파동 진폭, θ는 P₀P₁과 z축 사이 각도, r은 P₁과 P₀ 사이 거리, Σ는 마스크 패턴의 적분 영역입니다. 그림 1의 기하학적 관계로부터

E(P₀)는 모델에서 상수이므로 계산 공식은 다음과 같이 됩니다:

적분은 Matlab 소프트웨어로 계산하며, 포토레지스트 내 빛 강도 분포는 다음과 같이 표현됩니다:

여기서 (x, y, z)는 P₁의 좌표와 같습니다.

포토레지스트 흡수를 추가로 조사하기 위해 흡수 계수를 고려한 빛 강도 계산을 수정했습니다. 빛이 P₀에서 P₁로 포토레지스트를 통과할 때 빛 강도는 다음 공식[25]으로 계산됩니다.

여기서 I₀는 점 P₀에서의 초기 빛 강도, I_α는 점 P₁에서의 빛 강도, α는 포토레지스트 흡수 계수, r은 P₀와 P₁ 사이 거리입니다. α = 0 μm⁻¹일 때 점 P₁에서의 빛 강도를 I_{α=0}으로 정의합니다. 식 (6)에 따라 I_{α=0} = I₀임을 알 수 있습니다. E(P_{α=0})(I_{α=0}에 해당하는 진폭)과 E(P_α)(I_α에 해당하는 진폭) 관계는:

따라서 회절 리소그래피에서 포토레지스트 흡수를 고려할 때 점 P₁에서의 진폭(E(P_{1α})로 정의)은:

빛 강도는 식 (2), (3), (5), (8)로부터 구할 수 있습니다.

실험 세부사항

현수 구조체 제작에는 선 패턴 마스크를, 현수층을 지탱할 기둥 제작에는 원형이나 사각형 패턴을 사용했습니다. 두 종류의 두꺼운 네거티브 포토레지스트를 사용했습니다: SU-8 2100(Microchem Co., Ltd., 두께 ~50 μm)과 NR26-25000P(Futurrex Co., Ltd., 두께 ~30 μm). 노광 공정은 MJB4 마스크 얼라이너로 수행했으며, 조명 UV 파장은 365 nm였습니다. 샘플을 현상액에 일정 시간 담그면 현수 구조체를 얻습니다. SU-8 2100에는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(PGMEA, Aladdin Co., Ltd.)를, NR26-25000P에는 RD6 현상액(Futurrex Co., Ltd.)을 사용했습니다. 마지막으로 석영로(MTI GAL 1400X)에서 하드 베이킹과 탄화 베이킹을 포함한 열분해 공정[16, 26, 27]으로 3D 탄소 미세구조체를 얻었습니다. 전체 공정은 그림 2a에, 열분해 중 온도 변화는 그림 2b에 나와 있습니다. 시료를 300°C에서 30분 하드 베이킹한 후 900°C에서 60분 열분해했습니다. 열분해 중 시료는 H₂(5%)/Ar(95%) 분위기에서 10°C/min 승온율로 유지했습니다. 얻어진 미세구조체는 주사전자현미경(SEM, Helios NanoLab G3, FEI)으로 특성 분석했습니다.

a 3D 탄소 현수 구조체 제조 공정. b 열분해 온도 곡선

결과 및 고찰

빛 강도 분포

그림 3a는 선폭 d = 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4 μm인 선형 마스크 아래의 3D 빛 강도 분포 단면도를 보여줍니다. 상대 강도를 사용하며 입사광 강도를 1로 정의합니다. 포토레지스트 바닥 부분의 빛은 회절 효과로 점차 산란합니다. 빛 강도가 임계값(본 연구에서 0.75)에 도달하면 포토레지스트가 반응하여 고체화되고, 그렇지 않으면 현상 공정에서 제거됩니다. 임계값 위 영역의 두께를 노광 깊이로 정의하며, 이는 패턴 폭에 매우 민감합니다. 노광 깊이는 d = 1 μm에서 5.3 μm, d = 2 μm에서 18.2 μm, d = 3 μm에서 33.5 μm, d = 4 μm에서 47.5 μm입니다. 선폭이 1 μm보다 좁으면 두꺼운 포토레지스트의 불균일성으로 인한 마스크-포토레지스트 간 공기 간격이 노광 실패를 일으켜 제작에 부적합합니다. 그림 3b, c는 현수 구조체 제작용 마스크 패턴과 z = 5, 10, 15, 20 μm에서의 해당 빛 강도 분포를 보여주며, 선폭은 2 μm로 설정했습니다. 선과 메시 패턴의 노광 깊이는 15-20 μm 사이인 반면, 큰 사각형과 원형은 리소그래피 중 기둥을 형성할 만큼 충분히 큽니다. 따라서 기둥에 의해 지지되는 현수 빔과 메시 제작이 가능합니다. 선폭이 5 μm 초과 시 현수 구조체 제작이 어려우므로, 그림 3d처럼 여러 선 패턴을 나란히 쌓아 넓은 현수 빔이나 메시를 만듭니다.

마스크 패턴과 포토레지스트 내 시뮬레이션 결과. a d = 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4 μm에서의 사진 마스크 아래 빛 강도 분포(d는 선 패턴 폭). b 현수 빔, c 메시, d 적층 선 패턴 메쉬의 마스크 패턴과 z = 5, 10, 15, 20 μm에서의 해당 빛 강도 분포. 여기서 z는 단면 평면과 포토마스크 사이 거리

현수 포토레지스트 구조체

현수 구조체 제작 실험을 수행했습니다. 포토레지스트 기둥을 얻기 위한 최소 노광 시간을 측정해 노광 임계값으로 정의했습니다. 그 후 임계값의 4배 또는 3배를 노광량으로 사용했고, 시뮬레이션과 일치하게 상대 빛 강도 임계값을 0.75로 평가했습니다. 그림 4는 다양한 d 값에서의 현수 포토레지스트 빔을 보여줍니다. 현수층 두께 h는 d와 양의 상관관계가 있습니다. NR26-25000P 포토레지스트에서 h는 d = 2 μm일 때 10.9 μm(그림 4a)이고 d = 4 μm일 때 25.5 μm로 증가합니다(그림 4e). d = 5 μm가 되면 노광 깊이가 기판까지 도달하여 현수 구조체가 형성되지 않습니다(그림 4f). 그림 4g-k는 SU-8의 현수 구조체를 보여줍니다. 실험 및 시뮬레이션에서 h와 d의 함수 관계는 그림 4l에 나타나며, 직선은 최소제곱법으로 피팅했습니다. 피팅된 직선의 선형 상관계수 R²는 흡수 미고려 시뮬레이션, NR26-25000P, SU-8 순으로 0.963, 0.988, 0.858입니다. SU-8 실험 결과가 시뮬레이션 결과와 매우 가깝습니다. 반면 NR26-25000P의 현수층은 흡수 미고려 시뮬레이션보다 훨씬 얇습니다. 이는 SU-8의 투명성과 NR26-25000P의 높은 흡수 능력 때문입니다. 이 때문에 그레이 노광이 일부 포토레지스트의 현수 구조체 제작에 쓰일 수 있지만 SU-8에는 적합하지 않습니다.

그림 3b의 마스크 패턴으로 원스텝 회절 리소그래피로 얻은 다양한 선폭 d의 현수 포토레지스트 빔. NR26-25000P 빔: a d = 2 μm, b 2.5 μm, c 3 μm, d 3.5 μm, e 4 μm, f 5 μm; SU-8 2100 빔: g d = 2 μm, h 2.5 μm, i 3 μm, j 3.5 μm, k 4 μm; l 흡수 미고려 시뮬레이션, NR26-25000P, SU-8 2100 및 흡수 계수 α = 0.0374 μm⁻¹ 시뮬레이션에서의 노광 두께 vs 선폭 함수. 삽입도는 SU-8 현수 빔의 경사도. 빔 두께는 마스크 패턴 선폭에 따라 증가. 눈금 막대 50 μm

그 후 흡수 계수 α를 광학 모델에 도입하고 식 (8)로 계산했습니다. α = 0.0374 μm⁻¹(365 nm에서 UV-가시광 분광광도계 UV 2600, Shimadzu Co., Ltd.로 측정한 NR26-25000P 흡수 계수) 결과는 그림 4l에 표시되며, R² = 0.986으로 피팅된 선이 NR26-25000P 실험 결과와 잘 일치합니다. 따라서 우리 방법은 거의 모든 종류의 두꺼운 네거티브 포토레지스트에 적용 가능하며, 원스텝 노광으로 현수 구조체 제작이 가능하고 노광 깊이는 시뮬레이션으로 예측할 수 있습니다.

그림 5a-c는 다양한 교차 연결 패턴과 z = 15 μm에서의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 세 선을 나란히 쌓아 넓은 현수 빔을 만들며, 선폭과 간격 폭은 모두 2 μm입니다. 20 μm 원이 있는 교차 연결 패턴은 현수 빔을 지지할 기둥 제작용입니다(그림 5a). 중공 교차 연결 패턴은 현수 메시 제작용으로 설계되었습니다(그림 5b, c). 얻어진 NR26-25000P 포토레지스트 교차 연결부는 그림 5d-f에 나타나며, 빔과 함께 교차 연결부의 표면 텍스처가 명확히 관찰되어 시뮬레이션(그림 5a-c)과 잘 일치합니다. 세 유형의 교차 연결 패턴을 가진 현수 메시는 그림 5g-i에, 지지 기둥도 예상대로 얻었습니다(그림 5g). 그림 5h는 높은 듀티비의 밀집 교차 연결 패턴에서 생긴 얇은 기둥을 보여줍니다. 그림 5c의 교차 연결 패턴은 낮은 듀티비를 가지며 빛 강도가 약해 완전 현수 메시를 만듭니다(그림 5f). 따라서 교차 연결 패턴의 비율을 낮춰 완전 현수 구조체를 만들 수 있고, 단단한 연결로는 지지 기둥을 쉽게 형성할 수 있습니다. 한편 빔 폭도 적층 선 패턴 수 조절로 제어 가능합니다.

NR26-25000P의 다양한 교차 연결 패턴. a-c 마스크 위 세 교차 연결 패턴과 z = 15 μm에서의 시뮬레이션 결과(선폭 2 μm, 간격 2 μm, z는 단면 평면과 포토마스크 거리). d-f 얻은 포토레지스트 교차 연결부와 넓은 빔의 표면 텍스처(눈금 막대 20 μm). g 지지 기둥이 있는 현수 메시. h 얇은 지지 기둥이 있는 현수 메시(기둥은 밀집 교차 연결 패턴의 높은 비율에서 유래). i 완전 현수 메시 패턴. g-i 눈금 막대 100 μm

단일 노광(그림 6a-c, e, f) 또는 2단계 노광(그림 6d)으로 복잡한 3D 미세구조체도 제작했습니다. 그림 6a는 기울기 두께 현수 빔으로, 선 패턴 폭이 두 영역에서 2-4 μm, 4-6 μm로 변합니다. 현수층 두께는 선폭 증가에 따라 증가하며 그림 4 결과와 일치합니다. 현수 동심원과 현수 문자 패턴도 쉽게 제작 가능합니다(그림 6b, c). 두 노광 공정을 결합해 NR26-25000P로 두 현수층을 적층했습니다(그림 6d). 첫 노광 완료 후 두 번째 층을 첫 번째 층 위에 스핀 코팅하고 노광했습니다. 두 노광 공정과 현상 공정 후 적층 메시를 얻었습니다. 두 번째 노광이 첫 번째 층을 손상시킬 수 있으므로 더 우수한 다층 현수 구조체 제작을 위해 구조를 신중히 최적화해야 합니다. SU-8 포토레지스트 현수 메시와 문자 패턴 현수 메시도 성공적으로 구현했습니다(그림 6d-f), 다만 높은 투명성으로 노광 파라미터 제어가 NR26-25000P보다 어렵습니다.

3D 현수 포토레지스트 구조체. a 기울기 두께 현수 빔, b 현수 동심원, c 현수 문자 구조체, d 다층 현수 메시(NR26-25000P). e 현수 SU-8 메시. f 문자 패턴 현수 SU-8 메시. 눈금 막대 100 μm. d는 2단계 노광, 나머지는 원스텝 노광으로 제작

이전 연구[2, 11, 22, 23]와 비교해, 우리는 작은 마스크 패턴의 회절을 이용해 포토레지스트 내 3D 빛 강도 분포 모델을 구축했습니다. 3D 현수 구조체는 시뮬레이션으로 잘 제어되고 예측 가능합니다. 포토레지스트 흡수 계수도 고려했습니다. 다양한 두께의 현수 구조체(기울기 빔 등)가 원스텝 노광으로 쉽게 형성됩니다. 게다가 노광 공정은 일반적인 마스크로 전형적인 컨택트 노광 모드에서 수행되며 특수 마스크나 장비가 필요 없어 높은 제작 해상도와 훌륭한 호환성을 보입니다.

열분해 탄소 구조체

SU-8은 탄소 미세구조체 제작의 전형적 전구체이며, NR26-25000P 같은 다른 포토레지스트는 고온에서 구조를 유지 못 합니다. 그림 7a-c는 현수 SU-8 구조체, 그림 7d-f는 해당 열분해 탄소 구조체입니다. 탈수소화, 고리화, 축합, 수소 이동, 이성질화 등 동시 다발적 반응으로 열분해 중 큰 수축이 발생합니다[8, 28]. 따라서 열분해 구조체에 상당한 잔류 응력이 존재하며, 특히 비대칭 구조체에서 심합니다. 열분해 탄소 빔은 수축하며 양끝 기둥을 당겨 바닥에서 균열을 일으킵니다(그림 7d). 반면 대면적 메시는 응력이 각 방향에서 상대적 균형을 이루어 열분해 탄소 구조체에 뚜렷한 균열이 없습니다(그림 7e, f). 12 mm × 20 mm 크기의 자립형 탄소 메시를 얻었습니다(그림 7g-i). 탄소 메시의 시트 저항은 약 182 Ω/sq, 전파장 영역에서 투과율 ~67%에 달합니다. 우수한 전도성과 투명성을 가진 제조 탄소 메시는 페로브스카이트 태양전지 전극으로 적용 가능합니다[29-31], 반투명 태양전지 제작법을 제공합니다. 또한 제조 탄소 메시는 우수한 유연성을 보여 유연 투명 전극 응용에 큰 잠재력을 가집니다.

현수 SU-8 메시와 열분해 탄소 메시. a 현수 SU-8 빔. b, c 지지 기둥이 있는 현수 SU-8 메시. d 현수 탄소 빔, 탄소 구조체에 큰 응력 잔류로 기둥 바닥에 균열 발생. e, f 현수 탄소 메시. g 열분해 후 자립형 탄소 메시. h 자립형 탄소 메시 확대. i 12 mm × 20 mm 자립형 탄소 메시, 우수한 유연성과 투명성. 눈금 막대 100 μm

결론

요약하자면, 새로운 원스텝 마스크 기반 회절 리소그래피 방법으로 현수 구조체 제작을 시연했습니다. 포토레지스트 내 3D 빛 강도 분포를 시뮬레이션하여 d < 5 μm에서 선 패턴 폭 증가에 따라 노광 깊이가 증가함을 보였습니다. 이 현상을 이용해 SU-8 포토레지스트의 정의된 두께 현수 구조체 제작에 활용했습니다. SU-8은 거의 투명해 그레이스케일 리소그래피로 현수 구조체 형성이 어렵습니다. 실험도 수행했습니다. 현수 SU-8 빔 두께가 시뮬레이션 결과와 매우 가깝고, NR26-25000P는 높은 빛 흡수 특성으로 시뮬레이션 노광 깊이보다 훨씬 얇았습니다. 이에 포토레지스트 흡수 계수를 광학 모델에 도입했고, 시뮬레이션 결과가 실험과 잘 일치했습니다. 현수 3D 메시 제작을 위해 지지 기둥 유무에 따라 세 가지 교차 연결 패턴을 설계했고, 표면 텍스처가 잘 재현되었습니다. 기둥 있는 메시와 완전 현수 메시 모두 성공적으로 구현했습니다. 기울기 두께 현수 빔, 현수 동심원, 현수 문자 구조체 등 다른 복잡한 3D 현수 포토레지스트 구조체도 원스텝 마스크 기반 회절 리소그래피로 얻었습니다.

전형적 2단계 열분해 공정으로 탄소 현수 구조체와 자립형 탄소 메시도 추가 제작했습니다. 현수 3D 탄소 구조체는 넓은 표면적 덕분에 전기화학 전극, 슈퍼커패시터, 센서 등에 적용 가능합니다. 자립형 메시는 우수한 전도성, 유연성, 높은 투명성을 보입니다. 따라서 3D 현수 구조체와 탄소 메시 제작을 위한 간소화되고 유망한 방법을 개발했으며, 투명 전극, 반투명 태양전지, 에너지 저장 소자 응용에 큰 잠재력을 보입니다.

약어

3D:

3차원

C-MEMS:

탄소 마이크로전자기계시스템