이해원교수, 세계 최고속 원자힘 현미경 개발

고속 나노패턴 제작 위한 고감도 레지스트

이해원 박사

[프라임경제] 한양대학교 이해원 교수 연구팀은 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope) 리소그래피 기술의 고속화 실현을 위한 세계 최고속 AFM 리소그래피 시스템과 고속 나노패턴 제작 전용 고감도 레지스트를 개발했다고 28일 밝혔다.

과기부에 따르면 이번에 고속 AFM 리소그래피 전용 시스템은 광 리소그래피의 고속 나노 구조물 형성속도와 AFM 시스템의 고해상성 기술을 접목해 종전보다 10배 이상 빠른 1cm/s 이상의 속도에서도 기판위의 원하는 위치에 정확하게 나노 구조물을 형성할 수 있다.

특히 이 시스템은 기존 AFM 리소그래피의 문제점이었던 속도의 한계를 극복해 고속 AFM 리소그래피 원천 기술 확보와 함께 차세대 리소그래피 기술로서도 상용화될 수 있는 기반을 마련했다고 평가된다.

또한, 리소그래피 속도가 빨라지면 실리콘 기판과 AFM 탐침 사이에 반응시간이 충분하지 못해 나노 구조물 형성이 어렵게 되며, 높은 전압에서 리소그래피를 실행하면 AFM 미세 탐침에서 발생하는 고에너지로 인해 팁과 기판에 손상을 줄 수 있다.

이에 자체 개발한 고감도 레지스트(광산발생제 포함)를 이용하여 반응이 일어나는 전압을 기존보다 5V 이상 낮추면서 고속(1 cm/s)에서 나노 구조물을 형성할 수 있었다. 고감도 레지스트 개발은 향후 나노구조물 패턴형성기술을 고속화하는데 매우 중요한 요소 기술로 손꼽힌다.

이에 따라 2005년 전세계 AFM 시장이 2000억원에서 2010년 3000억원 정도로 약 1.5 배 증가할 것으로 예측되는 가운데, 고속 AFM 리소그래피 전용기술이 상용화 될 경우, 광 리소그래피와 전자빔 리소그래피 기술을 부분적으로 대체해 Mask 제작과 소자 제작 등의 나노패턴 공정 분야에서 틈새시장을 열 수 있을 것으로 보인다.

특히 지금까지 나노-바이오 분야에서 적절한 리소그래피 장비가 없어 나노-바이오소자 패턴 제작에 어려움을 겪어왔으나 이를 해결할 수 있는 시스템이 개발됨으로써 향후 큰 시장이 형성될 것으로 기대된다.

또한 초청정실(Clean Room) 시설이 반드시 필요한 광 및 전자빔 리소그래피 기술과는 달리 일반 실험실이나 대기 중에서도 측정 및 제작이 가능하여 10～20만불 정도로 저가의 고속 리소그래피 전용 장비를 공급할 수 있게 될 전망이다.

이해원 교수 연구팀에서는 지난 2002년 유기물 레지스트 자체개발로 원자힘 현미경을 이용하여 나노패턴 제작 속도를 100배 이상 향상시킨 바 있으며, 이 후 이보다 빠른 시스템이 없는 상황에서 다시 한번 10배 이상의 고속 시스템을 개발하여 우수한 기술력을 인정받게 됐다.

이번 연구성과와 관련된 논문은 랭뮤어(Langmuir) 2005년 7월호와 나노테크놀로지(Nanotechnology) 2005년 8월호에 게재됐으며, 국내외 특허 4건 출원 및 1건이 등록됐다.

한편, 이해원 교수 연구팀은 산·학·연(한양대학교, 표준과학연구원, (주)나노포커스) 공동 연구를 통해 고속 AFM 리소그래피 통합시스템 연구를 수행중이며, 초정밀 다중벽 탄소나노튜브 AFM 탐침을 이용하여 10 nm 이하 패턴 제작을 진행 중이다.

☞용어설명
 
1. 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope)
  광학현미경과 전자현미경의 뒤를 잇는 제3세대 현미경으로, 나노기술 발전에 꼭 필요한 첨단 계측장비이다. 극미세 탐침(Probe)을 이용하여 표면을 주사함으로써 표면의 이미지를 얻어내는 현미경으로, 날카로운 탐침의 끝을 샘플 표면에 X-Y평면상으로 주사하므로 시료의 형상을 수평·수직 방향 모두 정확하게 측정할 수 있고, 시료의 물리적 성질과 전기적 성질까지도 알아낼 수 있다.
  또 진공에서만 관찰이 가능한 전자현미경과 달리 대기 중에서도 사용할 수 있으며, 배율은 광학현미경이 최고 수천 배, 전자현미경이 최고 수십만 배인 데 비해 최고 수천만 배까지 가능해 하나하나의 원자까지 상세하게 관찰할 수 있다.

2. 원자힘 현미경 리소그래피(Atomic Force Microscope Lithography)
  원자힘 현미경 시스템을 이용하여 시료의 표면과 극미세 탐침 사이에 전류를 흘려주어 시료의 표면을 산화시켜 나노 구조물을 형성하는 극미세 가공 기술이다. 특히 수십 나노미터의 선폭을 가지는 나노 구조물을 원하는 위치에 손쉽게 정확히 패터닝 할 수 있어 광 리소그래피가 가지는 선폭의 한계를 극복하기 위해 연구되는 차세대 리소그래피 기술 중에 하나로 각광을 받고 있다.

3. 레지스트(Resist)
  리소그래피 공정을 위하여 사용되는 점액성 액체를 말하며, 빛이나 전자빔(Electron Beam)등에 의해 물질의 성질이 변하는 감광물로서 용해도에 따라 양각이나 음각의 패턴을 만들 수 있다. 특히 차세대 전자 부품 소재 산업과 전자 산업에서 중요한 소재이다.

4. 광산발생제(Photo Acid Generator)
  빛을 받으면 화학 구조가 변해 레지스트의 물성변화를 도와주는 산을 발생하는 물질로 반도체 기판 위에 극 미세 구조 패턴 형성시 감도를 향상시키는 화학증폭 역할을 한다.