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Nanoscale Lithography

 

 



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Fig. 1. Electron beam lithography를 이용한 한양 사자 Pattern

 Nano patterning 기술의 한 분야로써의 Electron beam lithography기술은 Electron beam resistcoating한 시료 면에 electron beam을 조사하여 resist를 구성하는 고분자를 결합 또는 절단하여 시료 면상에 resist pattern을 형성하는 기술이다. 연구개발용에서는 Throughput 보다는 Lithography resolution이 높고 자유도가 높은 장치가 요구되고 있고, 그 특징으로는 높은 안정도를 갖는 전자 광학계와 진공 중에 레이저 측정에 의해서 빔 편향계의 자기교정이 가능하고, 미세패턴 Lithography가 레이저 측정 resolution에 가까운 정밀도로 가능하며, wafer 기판상에 직접 Lithography 함으로써 다른 공정처리에 의해서 형성한 패턴과 연계하여 고정밀도의 미세패턴 형성이 가능하다.

 

Positive & Negative Electron Beam Resist

 

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Fig. 2. Negative/Positive 방식에 따른 lithography 방식

  Electron beam lithography에 사용되는 시료(resist)photoresist와 마찬가지로 2가지로 분류할 수 있다. Electron beam을 주사 한 부분의 결합이 약해지는 Positive Electron beam Resist(PER)와 주사한 부분의 결합이 단단하게 연결되는 Negative Electron beam Resist(NER)로 분류할 수 있다. 우리 연구실에서는 PMMA(Poly methyl Meth Acrylate) 950k seriesPER로 사용하고 있고, NERAR-N 7520.18(Propylene glycol monomethyl ether acetate, nanobeam), HSQ(Hydrogen silsesquioxane, nanobeam)을 주로 사용하고 있다.

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Fig. 3. (a) Positive electron beam resist (PMMA 950K A8), (b) Negative electron beam resist(AR-N 7520.18)

 

Electron beam lithography (EBL)의 특징

  전자를 source로 사용하는 electron beam lithographyelectron beam resist 위에 전자빔을 주사하여 패턴을 형성하는 lithography로 장비 자체의 원리와 구조는 SEM과 매우 흡사하다. 단지, field 전체를 scan 하는 SEM과는 달리 전자빔을 패턴 부분에만 주사하기 위한 pattern generatordeflector 그리고 빔이 이동 중 패턴 이외의 부분에 전자빔이 주사되는 것을 막기 위한 blanker가 존재 한다. 실제로 EBL 전용 장비 대신 SEMpattern generator, deflector, blanker 등의 system을 추가하여 EBL로 사용하는 경우도 많다.

 

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Fig. 4. 기본적인 EBLelectron optics 개략도

  전자를 source로 사용하는 electron beam lithographyelectron beam resist 위에 전자빔을 주사하여 패턴을 형성하는 lithography로 장비 자체의 원리와 구조는 SEM과 매우 흡사하다. 단지, field 전체를 scan 하는 SEM과는 달리 전자빔을 패턴 부분에만 주사하기 위한 pattern generatordeflector 그리고 빔이 이동 중 패턴 이외의 부분에 전자빔이 주사되는 것을 막기 위한 blanker가 존재 한다. 실제로 EBL 전용 장비 대신 SEMpattern generator, deflector, blanker 등의 system을 추가하여 EBL로 사용하는 경우도 많다.

 

  Electron gun에서 전자빔이 방출되는데, gun 내부는 source인 전자를 방출하는 tipaperture로 이루어져 있다. aligner전자빔의 궤적을 수직으로 만들어 주며, condenser lens전자빔을 집속 시켜준다. 이때 사용되는 aligner lens 들은 coil로 이루어진 virtual lens로 전류에 의한 magnetic field를 발생시켜 전자빔의 궤적을 조절한다. blanker는 패턴 이외의 부분에서 빔을 차단하는 역할을 하는 장치로 두 개의 평행한 금속으로 이루어져있고, 이 두 금속 사이로 전자빔이 지나가게 된다. blankeroff 되어있을 때는 빔이 통과하고, 두 금속 사이에 전압을 걸어 electric field를 발생시키면 이 field에 의해 전자빔이 휘어져 blanker body에 부딪혀 반사되게 된다. 이렇게 내려온 전자빔은 deflector에 의해 미세 조절되어 패턴을 만들고, final lens에 의해 정확한 focus가 보정된다. deflector에 의한 전자빔의 회절에는 한계가 있으며, 이 때문에 한번에 writing 할 수 있는 영역이 한정되어있다. 이를 writing field라고 부르며, 보통 1 mm 이하의 크기를 가진다. 이러한 writing field로는 넓은 면적의 칩이나 웨이퍼에 writing 할 수 없으므로, EBLstage를 움직여 writing field를 이어 붙이는 방식으로 작동한다.

 

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Fig. 5. 본 연구실에서 사용하는 EBLTip micrograph ( X 10,000) (TFE tip)

  EBLemission tip의 종류에 따라 크게 2가지로 분류될 수 있다. tip에 전류를 흘려주어 thermionic emission을 유도하는 thermionic tipopen circuit에 고전압을 걸어주고 extractorbiasing 하여 electric fieldemission을 유도하는 field emission(FE) tip이 있다. 기본적으로 FE tip 방식이 tip 수명이 길며 resolution도 월등하다. 이 밖에도 FE tipfilament가 추가하여 열로 emission을 도와주는 thermionic field emission(TFE) tip이 있다.

  EBLresist coating, develop exposure 이외의 공정은 optical lithography와 동일하지만 exposure 과정은 다른 lithography와 상당한 차이를 보인다. mask 상의 모든 패턴을 한번에 exposure하는 optical lithography와 달리 수 nm 에 이르는 작은 beam spot으로 패턴영역을 채워가며 exposure하는 방식을 사용한다. 때문에 EBL에서는 exposurewriting이라 표현한다. 이러한 writing 방식은 인접 패턴간의 광간섭이 없어 작고 우수한 패턴을 제작할 수 있으나, 공정 속도가 매우 낮다는 단점이 있다. Throughput을 높이기 위해 aperture에 패턴의 형상을 넣어 마스크를 대신함으로써 패턴의 일부분 혹은 그 전부를 한번에 exposure하는 방식이 개발되었으나, 이 역시 대량생산에는 부족하며 EBL의 최대 장점중 하나인 유연한 패턴이 불가능하게 된다.

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Fig. 6. EBLwriting 방식

 

  Deflector에 의해 회절된 전자빔으로 패턴을 scan 하는 방식은 기본적으로 두 가지가 방법이 있으며, Fig. 7.의 오른쪽 그림이 그 예시이다. Raster scan 방식은 deflector에 의해 회절된 전자빔이 전체 writing field를 규칙적으로 scan하며 패턴 이외의 부분은 blanking한다. raster scan은 간단한 반면 writing 시간이 매우 길다는 단점이 있다. Raster scan보다 진보된 vector scan방식은 deflector를 좀 더 복잡하게 조절하여 패턴 위에서만 scan하고 패턴 이외의 부분은 blanking 후 다음 패턴으로 바로 넘어간다. 실제 반도체 칩에서 패턴의 면적은 전체 면적에 비해 매우 작으므로, vector scan을 사용하면 writing 시간을 1/3 이하로 줄일 수 있다.

 

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Fig. 7. EBLscan 방식

 

본 연구실의 연구내용

 

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Fig. 8. Schematic of positive tone Sidewall Spacer Double Patterning, with definition of “Core space” and “gap space”. Gap space always has the greatest tolerance stack-up (출처: ITRS 2011 Lithography)

 

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  Nano lithography를 위해 저희 연구실은 Nano beam사의 nB3를 사용하여 electron beam lithography를 진행하고 있다. 이 장비를 통하여 현재 매우 안정적으로 수십 Nano 크기의 patterning을 구현하고 있다. 이렇게 형성된 pattern을 가지고 O2 plasma asher을 이용하여 더 작은 resist를 제작하는 resist streaming실험이 진행 중이다. 또한 ITRS 2011에서 제시한 Spacer공정도 진행 중이다.

 

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Fig. 9. O2 Plasma asher를 이용한 Electron beam resist Streaming