Nano-film Technology Lithography process and technique

나노필름(Nano Films) 박막제조법 (Thin Film Deposition Techniques) Spin coating (회전력에 의한 물질 코팅) Thermal evaporation (진공증착이라 불림,5) Molecular beam epitaxy –(초진공 분자 결정형 성장,증착) Sputtering(6) Chemical Vapor Deposition(7) Electrochemical Methods Self Assembly(1) LB-film(2) Layer-by-Layer (LbL) process(3) Lithography techniques (Soft lithography, 4) 분자성 나노박막 관능기의 배향의 조절이 분자수준에서 가능한 막 숫자는 수업진행 순서입니다. 주의: 파워포인터 파일을 플래시 파일은 개인이 모두 내용을 확인하여 정리바람. 참고: 박막의 응용분야는 Display, 연료전지, 태양전지, 분석장비, 표면화학등이다.

반도체 제조 공정-Overview

반도체 제조 공정-1 2. 규소봉 절단 :성장된 규소봉을 균일한 두께의  얇은 웨이퍼로 잘라낸다.  웨이퍼의 크기는 규소 봉 의 구경에 따라 3",4", 6", 8"로 만들어지며 생산성 향상을 위해 점점  대구경화 경향을 보이고 있음 3. 웨이퍼 표면연마 :  웨이퍼의 한쪽면을 연마하여 거울면처럼 만들어주며, 이 연마된 면에 회로 패턴을 그려넣게 됨. 1.단결정 성장 :고순도로 정제된 실리콘용 융액에 SEED 결정을 접촉, 회전시키면서 단결정 규 소봉(INGOT)을 성장 시킴.

반도체 제조 공정-2 4.회로 설계 : CAD시스템을 사용하 여 전자회로와 실제 웨이퍼 위에 그려질 회로패턴을 설계함. 5.MASK(RETICLE)제작 :  설계된 회로패턴을 E-beam 리소그래피로 유리판 위에 그려 MASK(RETICLE) 를 만듬.

반도체 제조 공정-3 6. 산화 (OXIDATION)공정 : 고온 (800~1200℃)에서  산소나수증기를 실리콘  웨이퍼 표면과 화학 반응시켜  얇고 균일한 실리콘 산화막 (SiO2)를 형성 시키는 공정 7. 감광액 (PR;PhotoResist)도포 :  빛에 민감한 물질인 PR을 웨이퍼 표면에 고르게 도포 시킴. 8.노광(EXPOSURE):  MASK에 그려진 회로패턴에 빛을 통과시켜 PR막이 형성된  웨이퍼 위에 회로패턴을  사진 찍는 공정 9.현상(DEVELOPMENT) :  웨이퍼표면에서 빛을   받은 부분의 막을 현상시  키는 공정.   (일반 사진현상과 동일).

반도체 제조 공정-4 11. 이온주입 (ION IMPLAN-TATION)공정 : 회로패턴과 연결된 부분에 회로패턴과 연결된 부분에  불순물을 미세한 GAS입자 형태로 가속하여 웨이퍼의  내부에 침투시킴으로써 전자 소자의 특성을 만들어줌. 이러한 불순물주입은 공온의 전기로속에서 불순물입자를  웨이퍼 내부로 확산시켜 주 입하는 DIFFUSION(확산) 12. 화학기상증착  (CVD; Chemical Vapor  Deposition) 공정 :  GAS간의 화학반응으로   형성된 입자들을 웨이퍼  표면에 증착(蒸着)하여   절연막이나 전도성막을   형성시키는 공정. 13. 금속배선(METALLIZATION) : 웨이퍼표면에 형성된 각  회로를 알루미늄선을 연결 시키는 공정. 10.식각 (ETCHING) :  회로패턴을 형성시켜 주기  위해 화학물질이나 반응성  GAS를 사용하여 필요 없는  부분을 선택적으로 제거  시키는 공정.  이러한 패턴형성과정은 각  패턴층에 대해 계속적으로  반복됨.

반도체 제조 공정-5 14.웨이퍼 자동선별 (EDS TEST) : 웨이퍼에 형성된 IC칩들의 전기적 동작여부를 컴퓨터로 14.웨이퍼 자동선별        (EDS TEST) :  웨이퍼에 형성된 IC칩들의   전기적 동작여부를 컴퓨터로   검사하여 불량품을 자동선별  하는 공정.   15. 웨이퍼 절단(SAWING) :   웨이퍼상의 수많은 칩들을    분리하기 위해 다이아몬드    톱을 사용하여 웨이퍼를    절단하는 공정.  16. 웨이퍼 표면연마 :   웨이퍼의 한쪽면을 연마  하여 거울면처럼 만들어  주며, 이 연마된면에 회로  패턴을 그려넣게 됨.

반도체 제조 공정-6 5-18번 과정이 리소그래피와 관련 있음 19. 최종검사 (FINAL TEST) : 19. 최종검사        (FINAL TEST) :    성형된 칩의 전기적 특성  및 기능을 컴퓨터로 최종  검사하는 공정으로 최종   합격된 제품들은 제품명과  회사명을 MARKING한 후  입고검사를 거쳐 최종소  비자에게 판매됨. 17. 금속 연결         (WIRE BONDING) :  칩 내부의 외부연결단자와   리드프레임을 가는 금선으로   연결하여 주는 공정.  18. 성형(MOLDING) :  칩과 연결금선부분을 보호  하기 위해 화학수지로 밀봉해   주는 공정. 5-18번 과정이 리소그래피와 관련 있음

Lithography란? Lithography 정의 석판화 기술, 인쇄 기술 : litho(돌) + graphy(그림, 글자) - Semiconductor manufacturing : microlithography = transfer the pattern of circuitry from a photomask (a quartz plate containing the "master copy" of microscopic integrated circuitry) to a wafer (a thin slice of silicon or other semiconductor material on which chips are made) - Today’s approach : use a combination of shorter wavelengths of light and larger lenses to create smaller, more precise circuit patterns. 교과서에서는 전자빔 노광기술(E-beam lithography)이 설명되어 있다.

전통적인 리소그래피 : 광학 리소그래피 마스크의 패턴을 감광저항체(Photoresist)에 전사하는 방법  장점: 대량 생산에 적합.  단점: 1. 100nm 장벽’을 극복할 수 없다. (100nm 장벽: 렌즈로 사용되는 광학물질의 투명도에 대한 단파장 차단과 광학 굴절에 의해 결정되는 대상체 축소의 한계 값 ) 2.비평면 표면에 부적합 3.표면에 특정한 화학적 기능성을 가진 패턴 형성 불가 4.2차원 구조물 제작만 가능. 5.감광저항체에 대해서만 적용(적용 물질 한정)

Lithography Process -optical

Mask란 무엇인가?//01 광 리소 그래피에서 mask(도장)은 빛이 통과하는 부분과 통과하지 않는 부분으로 구분.

Optical lithography에서 패턴의 전사(이동, stamp) 나노도장은 어떻게 찍는가? 노광 Mask chrome Resist 전사될 표면 빛을 받았을 때 광중합이 일어나면 Negative resist(모양이 남는다), 광중합이 안 일어나면 Positive resist라(모양이 안 남는다) 한다. Resist라는 말이 저항이라는 개념이기 때문에 패턴이 남고 남지 안는 것에 비교하면 반대의 말이 된다.

Positive and negative resist: Mask 제작 및 stamp제작 P.R. : 빛이 닿은 부분이 떨어져 나감 회절의 한계:100 nm

소프트 리소그래피(비광학적 방법) 소프트 리소그래피의 장점 및 단점 장점(비광학리소그래피) 저렴한 제작비 표면에 다양한 화학적 성질을 가진 패턴 형성 가능 다양한 재료에 적용 유사 3차원 구조물 제작 가능 비평면 표면에 구조물 및 패턴 생성 가능 100nm 장벽 극복 ( 크기가 30 nm~500 μm 사이의 형상 또는 구조물 제작 가능 ) 단점 스탬프, 주형(mold)의 변형 형성된 패턴 내에서 결함 밀도(density of defect) 고 분해능 맞춰 찍기의 어려움

Soft lithography: 폴리머 스탬프 탄성 중합체 스탬프(elastometric stamp) 정의 소프트 리소그래피의 핵심요소 표면에 양각 패턴이 새겨진 탄성 중합체 재료 PDMS (polydimethysiloxane): 가장 널리 쓰임, 열중합재료. 폴리마이드 (polyimide) 폴리우레탄 (polyurethanes) 교차결합 노발릭 수지(cross-linked NovolacTM resins) 2. PDMS 낮은 유리전이 온도를 갖고 있어, 상온에서 액체 상태 교차 결합(열경화성)을 시키면 고체상태의 탄성체로 쉽게 변화 CH2 CH2

폴리머 스탬프 제작공정 주형성형(Casting molding)을 이용. 제작순서 마스터(Mask) 또는 Stamp제작  포토 리소그래피(혹은 전자빔 리소그래피, sub100 nm)를 이용하여 제작한다.  마스터 표면은 양각 패턴를 갖고 있다.

폴리머 스탬프 - 마스터 표면에 액상 폴리머를 주입한다. 경화 및 탈형 액상 폴리머 주입 경화 및 탈형 - 마스터 표면에 액상 폴리머를 주입한다. - 경화 : 액상 폴리머를 경화시켜 고상 폴리머로 만든다(온도처리 50-60C). - 탈형 : 마스터를 식각을 통해 제거한다 - 양각의 패턴이 있는 스탬프를 생성한다

폴리머 스탬프 PDMS 스탬프의 장점과 단점 장점 단점 화학적 비활성 비 공기흡식성(공기에 의해 변형이 없음) 중합 후 우수한 열 안정성(공기 중에서 186℃) 파장 300nm까지의 빛 투과 등방성, 균질성 물질 내구성이 우수(물리화학적 안정성) 쉽게 변경할 수 있는 계면 특성 단분자 수준에서 수십 나노미터 높이까지 막의두께 조절가능(점성이 낮다) 단점 경화과정에서 발생하는 1% 수축 경화 후 용매에 의한 팽창 탄성과 열팽창으로 인한 넓은 영역에서의 정확도 표시 난해 재료의 유연성으로 인한 외형비 (aspect ratio) 제한 - 접합(pairing) , 처짐(sagging, d≥20h): 어떻게 해결할 수 있나?

나노입자를 이용한 soft lithography

폴리머스탬프를 이용한 회로설계 금속성 물질을 stamp에 적시어 실리콘 기판에 전사하는 방법

Sputtering process 물리적 박막성장법 Ar+ impact, momentum transfer at cathode e- 의 급격한 축적 및 target atoms, ions가 방출됨: 플라즈마: 이온과전자의 흐름 Atomic billards(원자당구) Elastic energy transfer But e- can give up all its Ek in inelastic collision

Thermal Evaporation(열증발 박막제작, 진공증착)

MBE와 Sputtering의 원리//01 교과서의 Molecular beam epitaxy(분자빔 적층성장법)참고

플라즈마가 막으로 변환되는 과정정리 5) Deposited at anode: Al, some Ar, some impurity 1) Ar+ accelerated to cathode(전자와의 접촉) 2) Neutral target species (Al) kicked off; 3) Some neutral Ar and e- also come out 4) e- may ionize impurity (ex) O O-) 5) Deposited at anode: Al, some Ar, some impurity 6) Some physical resputtering of Al by Ar Ar이온은 분자운동이 극대화 되어 있는 상태. 외부에서 가한 전압에 의하여 ‘+’와 ‘-’극이 생성되어 있다. 일반적으로 운동에너지를 받은 금속원자는 anode로 돌진하여 축적. 이때 중성의 Ar도 함께 축적. 반복된 축적은 Ar의 밀도를 낮게 하여 결국 순수한 박막이 형성된다.

Sputtering process: Experimental movie 장비가 어렵다구? 겁먹지 말자.. 펌프가 장비를 복잡하게 한다.

Sputtering법에 의해 제조된 박막 스파터링 된 알루미늄 박막 막의 두께 조정은 적층시간에 의하여 조절되며 10 nm 이상의 박막을 만들기에 적당하다. Target재료는 일반적으로 금속이 대부분이지만, 장비의 반응셀에 산소를 주입하면 산화물 박막도 제작이 가능하다. 박막의 순도는 일반적으로 99 % 이상이다.

Chemical vapor deposition (CVD)//02

원리 disproportionation: 생성물의 불균일화 반응

CVD장치

CVD요약

CVD요약 boundary

CVD의 장단점 챔버설계, 기체의 이동에 대한 정확한 설계가 어렵다 불균질한 막 제작 layer by layer의 성장에 의해 막성장 속도가 늦다. 실제로 가능한 모든 반응은 막의 형태로 만들 수 있다.

CVD에 의한 나노입자제작 Particle formation mechanisms in (a) homogeneous thermal CVD and (b) electrospray (ES)-CVD

CVD로 가능한 반응들

생각할 점 광학 리소그래피가 100 nm이하의 구조물을 제작하기 힘든 이유를 설명 하시요. Homogeneous하게 박막을 제작할 수 있는 방법의 이름을 모두 열거 하시요. 분자성 박막과 일반적인 성장박막은 어떤 차이점이 있습니까? SAM박막의 제작법의 원리를 설명 하시요. LB법에 있어서 다층박막의 형성법과 LBL의 다층 박박의 형성법은 원리적으로 어떤 차이가 있고, 이들 두 방법에 있어서 박막의 원료(재료)는 어떻게 다른가요? LB법에 있어서 분자의 밀도가 아주 높은 막을 만드는 방법을 설명 하시요. PDMS 와 SAM기술을 이용하면 분자성 나노 박막(배향성이 제어된 막)을 원하는 패턴모양으로 만들 수 있다고 합니다. 어떻게 하면 될까요. 박막의 응용분야(OLED, Solar cell, Fuel Cell 등)에 대하여 조사하시오.