This thesis describes a novel method for the fabrication of high-aspect-ratio nano structures (HAR-nano structures) using a nano X-ray shadow mask and deep X-ray lithography (DXRL).
The nano X-ray shadow mask is fabricated by depositing an X-ray absorber layer (Au, 3 ㎛) onto the back side of a nano shadow mask. The nano shadow mask is produced with nano-sized apertures whose dimensions are reduced to several tens of nanometers by the accumulation of low-stress silicon nitride $(Si_xN_y)$ using the LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) process on the shadow mask. The shadow mask containing apertures with a size of 1㎛ is fabricated on a bulk micromachined $Si_xN_y$ membrane.
The thickness of an absorber layer must be in the range of several tens of micrometers in order to obtain a contrast of more than 100 for the conventional DXRL process at the Pohang Light Source (PLS). However, an absorber layer with a thickness of 3 ㎛ can provide a sufficient contrast if the modified DXRL of the central beam stop method is used, which blocks high-energy X-rays.
The nano shadow mask with 30 nm-sized apertures is fabricated and the nano X-ray shadow mask with 250 nm-sized apertures is fabricated by depositing a 3-㎛ thick-absorber layer on the nano shadow mask with 500 nm sized apertures. HAR-nano structures(circles with a diameter of 420 nm and lines with a width of 274 nm) with aspect-ratios of over 10:1 on a 3.2 ㎛ SU-8 are successfully fabricated by using the nano X-ray shadow mask and the central beam stop method.
In this experiment, since the adhesion between the fabricated nano SU-8 structures and the substrate is weak, a nano structure is separated from a substrate or becomes inclined due to the high-aspect-ratio structures during the developing and drying processes. To minimize these phenomena, agitation was not utilized in the developing process, while D.I water was evaporated by using an natural drying process.
최근 몇 년간 여러 가지 방식의 나노 패터닝 기술이 급속한 발전을 이루었으며, 그 크기는 수십 나노로 점점 더 작아지는 추세에 있다. 나노 구조물을 제작하는 기존의 방법으로는 direct E-beam lithography, nanoimprint, dip-pen 방식이 대부분을 차지하고 있다. Direct E-beam lithography방식은 감광제에 E-beam을 직접 조사하는 방식으로 공정의 정확도가 매우 높지만 면적당 단가가 매우 높으며 대면적에 나노 형상을 제작하는데 오랜 시간이 소요되며 일회성의 공정으로 반복성이 없는 단점을 가지고 있다. 반복성의 문제점을 보완하기위한 방식으로 E-beam lithography로 나노 스템퍼를 제작하여 나노 구조물을 반복적으로 제작 할 수 있는 nanoimprint방식이 수행되고 있다. 하지만 이 경우에도 대면적 및 고폭비를 가지는 나노 구조물의 구현에 대한 한계는 벗어나지 못하고 있다.
한편 나노 구조물을 반복적으로 제작하는 또 다른 방법으로는 나노 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 이용하는 방법이 있다. Direct E-beam lithography와 FIB (focused ion beam)을 이용하여 멤브레인 (membrane) 위에 나노구멍 (aperture)을 제작하고 이를 쉐도우 마스크로 이용해 금속을 증착하여 기판 위에 나노 형상을 제작 하는 방법으로 이 또한 고폭비를 가지는 나노 구조물을 제조하기 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서 본 연구에서는 나노 쉐도우 마스크 개념과 X-선 노광 공정 (deep X-ray lithography)을 이용한 새로운 방식의 고폭비를 가지는 나노 구조물을 제작할 수 있는 방법을 제안한다. 기존의 나노 구조물 제작 방법으로는 고폭비를 가지는 나노 구조물을 제작이 불가능 하지만 이 논문에서 제시한 방법으로는 고폭비를 가지는 나노 구조물의 제작이 가능하다. Shadow mask 개념을 이용하여 실리콘 질화막 멤브레인 위에 1㎛ 크기의 aperture를 제작한다. 이렇게 제작 된 shadow mask 위에 LPCVD로 저응력 실리콘 질화막을 증착하여 그 두께에 따라 1㎛의 aperture를 200nm이하의 크기로 줄이 수 있다. Nano aperture로 제작된 shadow mask 뒷면에 Au (X-ray absorber)를 3㎛ 증착하여 Deep X-ray mask를 제작할 수 있다. 기존의 Deep x-ray lithography는 100이상의contrast를 얻기 위해 Au (X-ray absorber)를 수 십 ㎛ 이상을 증착해야한다. 하지만 central beam stop 방법을 사용하여 hard X-ray를 막아줌으로써 3㎛ Au의 두께로 충분한 contrast를 얻을 수가 있다. 이렇게 제작된 nano X-ray mask를 이용하여 SU-8에 deep X-ray lithography 실험을 수행한 결과 고폭비를 가지는 200nm 이하의 나노 구조물을 제작할 수 있었다.
