Photolithography is widely used micro fabrication process. However it is limited by diffraction limit, and therefore nano-scale fabrication is hard to realize with conventional photolithography machine. To overcome this limitation, other technologies are developed to perform nano-scale fabrication. These includes e-beam lithography, dip-pen lithography, X-ray lithography, etc. However these techniques are very expensive, time consuming, and complicated process. Other technologies to break diffraction limit are needed. In this research, nanolithography process which uses metamaterial is proposed to overcome diffraction limit with photolithography process. For that purpose, hyperbolic metamaterial that is composed of metal and dielectric lamellar structure is used. The unique property of hyperbolic metamaterial is hyperbolic dispersion. In conventional dielectric medium, high-k waves cannot propagate and decay exponentially as it propagates. However, in hyperbolic metamaterial, high-k waves can propagate through the medium due to hyperbolic dispersion. Therefore, when light is incident to hyperbolic metamaterial together with nanometer sized periodically patterned Cr mask, diffracted waves which are in the passband of hyperbolic metamaterial and have high-k component pass through hyperbolic metamaterial. Trnasmitted waves interfere with one another at the other surface of hyperbolic metamaterial and it shows periodic sub-diffraction limited pattern. This scheme is verified by numerical simulation. In addition, nanometer scale pattern generation using hyperbolic metamaterial with micro size patterned Cr mask is also verified by numerical simulation and experiment. in contrast to the preceding scheme, it does not use any nano fabrication process. As a result, it is revealed that about 300 nm pattern can be generated only using photolithogrphy process.
포토리소그래피는 마이크로 공정에 주로 이용이 되는 공정 방법이다. 하지만 회절한계에 의해 제한을 받아 일반적인 노광기를 이용하여 나노 스케일의 공정을 구현하기 어렵다. 이러한 한계를 극복하고 나노 스케일의 공정을 구현하기 위해 다양한 기술들이 개발되어왔다. 그 방법으로는 전자빔 리소그래피, 딥펜 리소그래피, 엑스선 리소그래피 등이 있다. 그러나 이러한 기술들은 매우 비싸고, 시간이 오래 걸리고, 공정이 복잡하다는 단점을 가지고 있어, 회절한계를 극복하기 위한 새로운 방법들이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 포토리소그래피 공정을 이용하되 메타물질을 이용하여 회절한계를 극복한 나노리소그래피 공정 방법에 대해 연구하였다. 이러한 목적을 위하여 금속과 유전체의 다층 구조로 이루어진 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하였다. 하이퍼볼릭 메타물질의 독특한 특성은 쌍곡선 형태의 분산관계를 가지는 것으로, 일반적인 유전체의 경우는 높은 파수를 가지는 빛이 투과를 못하고 지수적으로 감소를 하지만 하이퍼볼릭 메타물질은 높은 파수를 가지는 빛이 물질을 투과를 할 수 있게 된다. 그러므로 나노미터 크기의 주기적인 패턴을 가지는 마스크와 하이퍼볼릭 메타물질을 결합하였을 때, 마스크에서 회절된 빛 중에 하이퍼볼릭 메타물질의 투과대역에 속하는 높은 파수의 빛이 물질을 투과하여 반대편으로 나오게 된다. 이렇게 투과한 빛들이 서로 간섭현상을 일으켜 회절한계 이하의 주기적인 패턴을 얻을 수 있게 된다. 이를 수치적인 계산을 통하여 검증하였다. 또한, 마이크로 크기의 패턴을 가지는 마스크를 이용한 나노 패터닝에 대해서도 수치적인 방법과 실험을 통해 검증을 하였다. 이러한 방법은 앞서 제안한 방법과 달리 나노 공정을 전혀 이용하지 않는 공정 방법이다. 그 결과, 포토리소그래피 공정만을 이용하여 약 300 nm 크기의 패턴이 생성되는 것을 확인하였다.
