Photolithography is one of the most important technologies used in semiconductor and display processes. However, it has a pattern size limit due to diffraction of light, which is referred to as a resolution limit. To overcome the limitations of resolution, many researchers have studied ways to reduce the wavelength of light or change the process to produce the desired pattern. Surface plasmon has been studied as the one of nanolithography technique with the same effect of reducing the wavelength of light. Surface plasmons refer to the oscillation of electrons between the metal and the dielectric, and Maxwell 's equation can be derived by analysis. It has the same effect as the wavelength of the light source is reduced without changing the incident light source, and thus has a great advantage in terms of the fabrication process cost. However, since surface plasmons are difficult to resonate with incident light in a planar structure, researches have been conducted to apply surface plasmons to photolithography using special structures (prisms, lattice structures, nano slits). Since the structures in lithography using SP are difficult to implement the fabrication process by the complex structure, there are many papers reported as simulations.
In this study, surface plasmon resonance lithography (SPIL) was performed using a lattice structure, which is one of various methods for applying surface plasmon to photolithography. The interference pattern of the surface plasmon polariton generated between the aluminum(Al) lattice structure and the photoresist(PR) was confirmed by FDTD simulation and the SPIL process result was predicted by using the change of the electric field intensity in the simulation result. In order to realize this, Al lattice structure was fabricated by using various semiconductor processes and the results of SPIL process were confirmed. Simulation results of the predicted pattern pitch in the SPIL structure are 120 nm, the result of the formula is 121.7 nm, and the SPIL process result was 113 nm on the average. This results were an indication of the result of the surface plasmon interference pattern was applied to photolithography.
It was confirmed that the result of SPIL can be different from the simulation design due to various errors in the manufacturing process. The variation of the process results was analyzed by applying the simulation according to the transformation factors (Al nanodot mask structure, incident light source angle, and Al film roughness) in various process steps. As the precision of the Al nanodot mask increases, the deformation of the SPIL process resultant shape is reduced. It was also confirmed that the shape of the process result was maintained by reducing the angle of the incident light source and the roughness of the Al film. In the design of surface plasmon interferometry lithography using the lattice structure, the difference from the actual process was verified based on the simulation, and the method and solution for controlling the lithography process errors were suggested.
Through the confirmation and analysis of the process results of SPIL, the guidelines for the application of semiconductor and display process were presented. Since SPIL surpasses the diffraction limit without changing the light source of photolithography, many studies could be done with the future fine patterning technique. It was applicable to a technology fields requiring various structures because SPIL is possible to produce special patterns.
포토리소그래피는 빛을 활용하여 넓은 영역에 정밀한 구역을 설정할 수 있는 기술로써, 반도체 및 디스플레이 공정에서 사용되는 중요한 기술 중 하나이다. 그러나, 빛의 회절에 의한 패턴 사이즈의 한계를 갖고 있으며 이를 분해능 한계라고 한다. 많은 연구자들이 분해능 한계를 극복하기 위하여 빛의 파장을 줄이거나 공정을 변화하여 원하는 패턴을 제작하기 위한 방법들을 연구하였고, 표면 플라즈몬은 빛의 파장을 줄이는 것과 동일한 효과를 갖는 나노리소그래피 기술로써 연구되었다. 표면 플라즈몬은 금속과 유전체 사이에 존재하는 전자의 진동을 의미하며 Maxwell의 방정식은 해석에 의해 유도 될 수 있다. 입사하는 광원을 변경하지 않고 광원의 파장이 줄어든 것과 동일한 효과를 갖기 때문에 공정 비용 측면에서 큰 이점을 갖는 기술이다. 그러나, 표면 플라즈몬은 평판형 구조에서 입사광과의 공진이 어렵기 때문에, 특수한 구조들(프리즘, 격자구조, 나노슬릿)을 사용하여 포토리소그래피에 표면 플라즈몬을 접목시키는 연구들이 진행되었다. SP를 이용한 리소그래피의 구조는 복잡한 구조로 반도체 공정으로 구현하기가 어렵 기 때문에 시뮬레이션으로 보고된 논문이 많이 있다.
본 연구는, 표면 플라즈몬을 포토리소그래피에 적용하기 위한 다양한 방법들 중 하나인 격자 구조를 사용하여 표면 플라즈몬 간섭 리소그래피(SPIL)를 진행하였다. 알루미늄 격자 구조와 포토레지스트 사이에 발생하는 표면 플라즈몬 폴라리톤의 간섭 무늬를 FDTD simulation을 통해 예측하고, 시뮬레이션 결과인 electric field intensity의 변화를 활용하여 SPIL 공정 결과를 예측하였다. 이를 구현하기 위하여 알루미늄 격자 구조를 다양한 반도체 공정을 활용하여 제작하고 SPIL 공정 결과를 확인하였다. SPIL 공정 결과에서 예상된 패턴의 pitch의 시뮬레이션 결과는 120 nm이며, 수식을 통한 결과는 121.7 nm임을 확인하였다. 실제 공정을 통한 제조 결과에서 발생한 패턴의 pitch는 평균 113 nm 임을 확인하였다. 이러한 결과는 표면 플라즈몬이 포토리소그래피에 적용된 결과를 보여주는 지표가 된다.
제작 과정에서 발생하는 다양한 오차로 인하여 SPIL의 결과가 시뮬레이션 설계와 다르게 발생할 수 있음을 확인하였다. 다양한 공정 과정 내부의 변형 요소(Al nanodot mask의 구조 변화, 입사 광원의 각도, Al film roughness)에 따른 시뮬레이션을 적용하여 공정 결과의 변화 양상을 분석하였다. Al nanodot mask의 정밀도가 높아짐에 따라 SPIL 공정 결과 형태의 변형이 줄어들었다. 그리고, 입사 광원의 각도 및 Al film roughness의 변형을 감소시킴에 공정 결과의 형태를 유지할 수 있음을 확인하였다. 격자 구조를 활용한 표면 플라즈몬 간섭 리소그래피의 설계에서 실제 공정과의 차이를 시뮬레이션을 기반으로 검증하였으며, 그 결과를 통해 리소그래피 공정 오차들을 제어하는 방법과 해결 방안을 제시하였다.
SPIL의 공정 결과 확인 및 분석을 통하여 반도체 및 디스플레이 공정 적용을 위한 가이드라인을 제시하였다. SPIL이 포토리소그래피의 광원의 변화 없이 회절 한계를 뛰어넘기 때문에, 차후 미세 패터닝 기술로써 많은 연구가 진행 될 수 있다. 그리고, SPIL이 특수한 패턴의 제작이 가능하기 때문에 다양한 구조가 필요한 분야에 적용 가능하다.
