Lithography techniques have been developed with the growth of the electronic industry. As the size of electronic devices has been significantly reduced, demand for nano-patterning has increased. The wavelength of the light source for photolithography has been shortened for high resolution, and an Extreme Ultra-Violet (EUV) lithography technique using wavelength of 13.5 nm has been developed. Direct patterning techniques without a mask, for instance, electron beam lithography and Focused Ion Beam (FIB) lithography have been introduced for nano-scale features. However, high cost and long processing time is required to adopt these lithography techniques in fabrication processes. In addition to the “top-down” lithography processes noted above, interest in “bottom-up” lithography processes, represented by self-assembly systems, as next genera-tion patterning technology has been increasing considerably. Nonetheless, further research on materials is necessary for mass production as well as on technology for defining the area such as the electrode and channel in electronic devices is required.
Recently, diverse studies related with near-field lithography assisted by surface plasmons have been car-ried out due to increasing interest in surface plasmon phenomena. Surface plasmon lithography utilizes the electric field of a wave oscillating the surface between a metal layer and a dielectric layer for light exposure to the photoresist. Notably, patterning of nano-scale features can be more easily accomplished using the larger wave vector of surface plasmons than that of incident light. Lithography assisted by surface plasmons thus provides a cost advantage and comparable resolution relative to other alternative lithography techniques. Various techniques using a prism, which is one of the methods of exciting surface plasmons, to fabricate a one-dimensional line pattern with sub-100 nm line-width have been reported. Also, fabrication of nano-scale features beyond the diffraction limit has been investigated using a grating metal mask fabricated with FIB lithography or electron beam lithography, another method to achieve surface plasmon resonance. Various simulation studies have also been carried out in efforts to shed light on the physics of surface plasmon lithog-raphy and provide the possibility of nano-fabrication assisted by surface plasmons . However, practical use of this approach is impeded by the complex and challenging fabrication process and limitations related to mass production. Because the surface plasmon wave decays exponentially in a direction perpendicular to the metal/dielectric surface, the propagation length of a wave in a direction perpendicular to the surface is not sufficiently long. Furthermore, the dimensions of the metal grating should be nano-scale. These factors pre-sent a barrier to economical application of surface plasmon lithography.
First, the electric field intensity at the interface of the metal and the photoresist, the decay characteristic of the electric field in the perpendicular direction to the surface, and the electric field profile at the bottom contact which is the interface layer between the photoresist and the Si substrate, were investigated while the width of the metal grating lines and the width of the apertures (spaces) were varied during a period in which the grating remained constant. Furthermore, the contrast, in accordance with the variation of the ratio of the line width and the space width, was calculated. The electric field distributions of the photoresist layer, at the top contact between the mask and the photoresist, and the bottom contact between the photoresist and the substrate, were determined in accordance with the ratio of the line to the space and the contrast of each case was calculated. Although all cases showed sub-60nm feature size of less than lambda/7, the intensity and its effect on the nano-lithography could be different depending on the ratio of lines to spaces. Therefore, an optimum point for nano-lithography can exist, allowing simultaneous achievement of both high contrast and long propagation length.
Second, we propose a novel nano-patterning method that exploits the surface plasmon phenomenon to create a photoresist pattern with two-dimensional hexagonal nano arrays. Notably, direct deposition of the mask metal on the photoresist can overcome the costly fabrication process and decay characteristics of the surface plasmons. The use of colloidal lithography for a mask layer is a cost effective and advantageous approach for mass production compared to previous lithography technologies. In addition, the suggested fabrication process provides gapless contact between the metal mask and PR layer, thereby minimizing the surface plasmon loss by direct deposition of the metal layer on the photoresist layer. The experimental results show good agreement with numerical calculations. Distinct from other previous SPL studies, we dealt with two-dimensional hexagonal metal dot arrays as a metal layer for excitation of surface plasmons. In addition, we suggested a simple and cost-effective fabrication process for a nano-scale mask using polystyrene spheres. Furthermore, in spite of the challenging SPL implementation due to the decay characteristics of surface plasmons and the sophisticated and costly fabrication process, our fabrication patterns showed good agreement with the simulation results. We believe that our work shows the strong possibility of SPL as a promising alternative lithography technique that is economical and offers high resolution and applicability to not only the fabrication of semiconductors and display devices but also plasmonic waveguides and photonic crystals. It is anticipated that this work will provide highly interesting opportunities for the use of nanotechnology in conjunction with industry.
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 lithography를 통한 patterning이 numerical simulation과 experimental fabrication을 통해 진행되었다. 시뮬레이션에서는 각각 주기가 460 nm, 800 nm, 인 hexagonal 한 dot 구조를 갖는 마스크가 가정되었고dot의diameter, photoresist의 두께를 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였다. Photoresist 층에 분포하는 field의 세기와, 깊이에 따른 contrast를 계산하였다. 또한 field 값으로부터 예상되는 pattern의 모양을 분석하였다. 436nm 의 파장의 빛을 입사시켰을 때, dot 내부에 field enhancement area가 생기는 것을 확인하였고 460 nm의 주기의 경우에는 annular ring의 width는 약 70 nm 였다. E-field의 intensity로 계산한 contrast 값은 모두 minimum contrast값인 0.4 이상의 값을 갖는 것으로 확인되었다. Fabrication은 두 가지 방법으로 진행되었는데, 첫 번째 경우는 Si substrate에 photoresist를 코팅한 후, 그 위에 PS monolayer 를 배열하고, plasma장비를 이용하여 그 사이즈를 줄인다. 그 후 Cr deposition과 PS 제거 과정을 거쳐 Cr hole layer를 만든 뒤, Al deposition과 Cr lift off 과정을 거쳐 Photoresist위에 perfectly contact된 Al dot mask를 만드는 것이다. 두 번 째 경우는, photoresist를 코팅한 Si wafer에 mask 역할을 할 Al layer를 덮고, 그 위에 PS monolayer 를 배열한다. 그리고 PS sphere가 dry etching 에 견딜 수 있는 특성을 이용하여 Al 을 dry etching 한다. g- line의 빛을 조사시켜, annular ring 형태의 photoresist pattern을 확인할 수 있었고, AFM analysis를 통해 확인한 결과, 시뮬레이션과 상당부분 일치를 보였다.
본 연구는 경제적이고, 고해상도를 만족시키는 차세대 나노 리소그래피 기술이 될 가능성이 있고, 전자소자의 영역 patterning을 위한 lithography 뿐만 아니라, display devices, plasmonic waveguide, photonic crystal 등에 적용될 수 있다. 아직 fabrication에서 저가 공정으로 다양한 mask fabri-cation하는방법, 표면 플라즈몬의 propagation 특성을 좋게 하고, 이를 fabrication에 적용하는 방법에 대해 추가적인 연구가 필요하다. 그리고 표면 플라즈몬 리소그래피를 통한 얻은 PR pattern으로부터 metal 이나 dielectric의 추가적인 etching 단계에 이르기까지는 많은 노력이 예상된다. 본 연구는 위와 같은 연구의 발판이 될 것이고, surface plasmon lithography가 산업기술로 적용되는 nano-lithography로서의 가능성을 기대해본다.
