다양한 주기적 마스크 패턴에 따른 표면 플라즈몬 리소그래피의 구현 및 해석

Abstract

최근 나노 기술의 응용범위가 광범위해짐에 따라 나노 패터닝을 위한 대체 리소그래피 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 더불어 표면 플라즈몬 현상에 대한 관심이 높아지고 연구의 응용분야가 확대되어 대체 리소그래피 기술중의 하나로 손꼽히고 있다. 표면 플라즈몬은 금속과 유전체 사이의 경계면에 빛이 입사되었을 때 생성되는 전자의 진동을 말하며, 특정 파장에서 표면 플라즈몬 공진 효과가 나타나는데, 입사파보다 큰 wave-vector를 갖는 표면 플라즈몬 파가 만들어 내는 전기장을 이용하여 수십 나노의 선폭을 갖는 패턴을 형성할 수 있다. 그러나 마스크 패터닝의 어려움과 고가의 공정비용, near field를 이용하는 특성 등으로 인하여, 이론적으로 분석하고 도출한 표면 플라즈몬 리소그래피 결과를 실제 공정에서 구현하기는 쉽지 않다. 본 논문에서는 다양한 주기적 마스크 패턴을 제안하고 그 구조에서의 표면플라즈몬 현상을 수치해석적으로 알아보았으며 공정비용이 낮고 간단한 방식을 통하여 표면 플라즈몬 리소그래피를 구현하였다. 1차원 line and space 형태를 갖는 마스크 구조에서 수치해석적인 분석을 통해 표면 플라즈몬 현상을 살펴보고, 구조의 변화에 따라 표면 플라즈몬 현상이 리소그래피 결과에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 그리고 hexagonal dot 형태의 마스크를 저가 공정으로 제작하고 주어진 구조에서 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 photoresist patterning을 구현하였다. 1차원 Line 패턴의 마스크인 Al grating mask, photoresist layer, Si substrate로 구성된 구조에서line-to-space ratio의 변화의 영향에 대하여 FDTD 시뮬레이션 툴을 이용하여 살펴보았다. Metal mask의 주기를 1000 nm 로 고정하고 metal width와 aperture width를 변화시킴에 따라 photoresist lay-er의electric field distribution, contrast, decay 특성(propagation 특성)에 대하여 알아보았다. Dispersion curve를 통하여 약 470 nm 대역의 incident wave에서 surface plasmon resonance가 일어나는 것을 확인 할 수 있었고, 이와 가장 근접한 g-line인 436 nm 파장의 incident wave를 조사하였을 때, sub-60 nm의 주기적인 구조가 형성됨을 예상할 수 있었으며, 이는 입사파장의 lambda/7보다 작은 값으로 L/S ratio에 관계없이 동일하였다. 그러나 L/S ratio의 변화에 따라 top-contact과 bottom contact에서의 electric field profile이 달라진다. Surface plasmon wave의 Ex 성분과 Ey 성분을 비교한 결과 pi/2만큼의 phase shift 현상을 보였고 Ex 값과 Ey 값을 이용하여 contrast값을 계산한 결과 L/S ratio에 따라 contrast값이 달라짐을 확인할 수 있었다. 표면 플라즈몬의 감쇄 특성 및 예상되는 pattern의 결과 또한 달라지는데, 이는 metal의 전하 분포에 따라 symmetric mode와 anti-symmetric mode로 나뉘어 지고, 이에 따라 Ey field 분포가 달라지며, 결과적으로 propagation 특성이 달라지는 것이다. 본 연구를 통하여, 나노 리소그래피를 위한 mask dimension의optimum point가 존재하고, 이 point는 high contrast와 long propagation length (less loss)를 모두 만족한다. 이러한 시뮬레이션 연구를 통하여 mask design을 보다 쉽게 할 수 있고, 나노 스케일 리소그래피에서 만들어지는 패턴의 사이즈와 필드 분포를 예측할 수 있다. Hexagonal한 dot array를 갖는Mask와 photoresist 사이에ideal 한 contact을 갖는 구조에서 surface plasmon lithograp