차세대 기술로 주목받고 있는 나노 임프린트 공정 기술(Nano Imprint Lithography; NIL)에 대해서 설명해 보세요.

나노 임프린트는 초미세 가공인 나노 가공(1~100nm)을 실현하기 위해 제안되고 있는 기술로 기판 위에 열가소성 수지나 광경화성 수지를 도포한 후 전자빔을 이용, 나노 크기의 몰드로 압력을 가해 경화시켜 패턴을 전사하는 기술을 말한다. 나노 임프린트 기술을 활용하면 현재 반도체 공정에서 사용하는 사진현상 방식의 미세화 한계점을 극복하고 도장 찍듯 간단하게 나노 구조물을 제작할 수 있다. 또한 나노 임프린팅 공정 기술은 100nm급 이하의 나노 구조물을 저가로 대량 생산하는 기술이지만 차세대 반도체 기술로도 주목받고 있다.

반도체 제조 공정에서 리소그래피(lithograph)과정을 개선하기 위해서는 다양한 연구가 이루어지고 있다. 전통적인 광학 프로젝션 리소그래피 기술은 광회절 한계로 인해 100nm 근처에서 어려움을 겪을 것으로 예상되며, 광학소스와 렌즈의 물리적 한계로 인해 패턴 밀도의 증대가 필연적으로 광학 리소그래피 장비의 고가화를 불러일으키고 있다. 또한 전통적인 광학 프로젝션 리소그래피 기술의 대체 기술로 EUV(Extreme UV) 파장을 사용하여 패턴의 크기를 줄이기 위한 연구가 이루어지고 있고, 전가 빔(Eletron-beam)을 이용한 미세패턴과 High throughput을 구현하고자 하는 멀티 전자빔 리소그래피 등에 대한 연구가 이루어지고 있으나 모두 고가의 장비가 요구되어 저가의 기술 실용화를 기대하기는 어렵다고 판단된다. 이러한 배경에 따라, 나노 임프린트 기법이 차세대 반도체 기술로 주목받고 있는 상황이다.

기존의 리소그래피와 나노 임프린트 기술의 차이점은 기존의 리소그래피가 빛의 파장 한계, 그리고 마스크 재질, 높은 에너지의 광 소스가 필요하다는 문제점이 있었는데 반하여 나노 임프린트 기법은 공정이 쉽고 간단하고 장비 자체가 현재 반도체 공정에서 쓰이고 있는 광 리소그래픽 장비들에 비해 훨씬 싸다는 장점이 있다. 나노 임프린팅에는 가열식 임프린팅과 UV 나노 임프린팅이 있으며, 특히 UV를 이용한 임프린트 공정이 주목받고 있다. UV 나노 임프린팅 공정의 개요는 아래 그림과 같다.

나노 임프린트의 주요 기술은 스탬프 제조 기술, 나노 임프린트 레지스트, 성형 후 스탬프의 이형성을 향상시키기 위한 AntiAdhesion기술, 적정 공정조건 확보와 관련된 장비 기술 등이 있다.

한편 UV 임프린팅 공정의 시작은 기판위에 UV 경화용 레지스트를 캐스팅하는 것이다. 그 이후 스탬프를 누르면 경화용 레지스트 용액이 스탬프 패턴 사이를 채운다. 점도가 낮기 때문에, 낮은 압력에서도 쉽게 스탬프의 패턴 사이를 채울 수 있다. 이후 UV광원이 투명한 스탬프를 토하여 레지스트를 감광시키면 레지스트가 경화가 일어나면서 단단해지게 된다. 이 공정은 상온에서 낮은 압력에서 수행이 가능하지만, 투명한 석영 스탬프를 제작하는 데는 다소 어려움이 있다. Eletron beam을 통한 나노 패터닝 제작시 석영기판이 비전도성이기 때문에 나타나는 전자의 Charging effect로 인해 전자빔의 왜곡을 일으키게 된다. 또한 석영을 에칭하는 건식 에칭 조건이 잘 잡혀져 있지 못하기 때문에, 전자빔의 왜곡을 방지하기 위해서 석영 위에 크롬을 얇게 증착하고 전자빔을 이용한 패터닝을 수행하기도 한다. 이 때 크롬막은 전자의 Charging을 없애주고, 에칭 시 마스크로 이용할 수 있는 장점이 있다.

이와 유사한 방법으로, Step and repeat 공정을 활용하면 기존의 Stepper와 유사한 장비개념으로 Reticle과 상응하는 반복적인 패턴을 가지는 스탬프를 이용하여 패턴 전달층이 도포된 기판 위에 UV 경화용 용액을 기판 사이에 점적하여 임프린트를 수행한 후, 이동하여 같은 패턴을 반복적으로 웨이퍼 전체에 찍어내는 기술이다. 임프린트 패턴을 에칭마스크로 하여 패턴을 패턴 전달층으로 전사하여 공정을 마치게 된다.

위의 UV 임프린트 공정은 대면적 공정에서 매우 불균일한 잔류층을 형성하고, 다층화 공정 시 전체적으로 정렬을 맞추기 어려워 실제 산업화에 어려움을 내재하고 있다. 그러나 Step and repeat 방법을 이용하면 임프린트 면적이 작기 때문에 잔류층 두께 조절이 용이할 뿐만 아니라 다층화를 위한 정렬이 가능한 장점이 있다. UV 나노 임프린트는 UV에 의하여 폴리머 레진을 소결하기 때문에 수초에서 수십 초 동안의 짧은 시간에 공정이 이루어질 수 있다. 또한, UV의 투과가 가능한 투명한 재질의 석영(Quartz)판이나 유리판 또는 폴리머 필름 등 으로 된 스탬프를 사용하기 때문에 얼라인먼트가 가능하다는 장점이 있다. 저점도의 폴리머 렌지를 사용함으로써 레진의 증착 두께를 수십 nm 이하까지 제어할 수 있어서 공정 후 스탬프와 기판 사이에 형성된 폴리머 잔류층을 최소화할 수 있는 장점도 있다.