마이크로 스케일 패터닝을 위한 프로젝터 포토리소그래피 및 2차원 전계효과 트랜지스터 구현

신소정, 이현석, New Physics: Sae Mulli 70, 715 (2020).

나노(nano) 및 마이크로(micro) 소자 제작을 위해서는 포토리소그래피(photolithography) 패터닝 기술이 필수적으로 사용된다. 이는 대면적 소자를 대량으로 제작하기에는 적합하나, 하드마스크 설계가 필수적이기 때문에 자유롭게 패터닝을 하기에는 한계가 있다. 반면, 최근 나노구조 반도체 소자에 대한 연구가 활발해지면서 각각의 나노구조 형태에 맞는 다양한 패턴을 국부적으로 제작하는 리소그래피 방법으로 전자빔(electron-beam) 리소그래피 방식이나 레이저 패터닝 기술을 사용하며, 이를 통해 나노/마이크로 패턴을 자유롭게 생성할 수 있다. 하지만, 이러한 방식은 전자현미경과 레이저 장비와 같은 고가의 장비구축이 전제되어야 하기 때문에 많은 유지비용이 필요하다. 또한 스캐닝 방식을 사용하기 때문에 패턴 제작시간 또한 오래 걸린다는 한계가 있다.

따라서 본고에서는 비교적 저렴한 비용이 드는 포토리소그래피 방식과 마스크 설계가 필요하지 않은 패터닝 방식의 장점만 가진 (주)일루미네이드사의 LITHO maskless 리소그래피 모듈을 소개한다. 본 연구를 위해 일반적인 고해상도 광학 현미경에 digital micromirror device(DMD) 모듈을 설치하여 입사된 빛을 픽셀형태로 마스크화 한다. 이 모듈은 Full-HD(1920\(\times\)1080)의 해상도를 가지는 이미지와 호환되며 이미지가 마스크를 대신하여 추가적인 하드마스크가 필요하지 않다. 원하는 패턴이 바뀔 때마다 이미지를 새로 그리면 되며, 광학 현미경의 렌즈를 통해 자외선이 방출되므로 광학 현미경에서 보이는 상의 임의 위치에 노광이 가능하다. 본고에서는 (주)일루미네이드사의 LITHO maskless 리소그래피 모듈을 활용하여 광회절한계 근방의 미세 리소그래피 패턴 제작 공정의 최적화 과정을 기술하였고, 실제로 최적화된 조건을 사용하여 약 560 nm 수준의 광회절한계에 근접한 미세 선폭을 구현하였다 [그림].

HVPE 법에 의한 마이크로 AlN 구의 성장 메커니즘 및 특성

김경화 외, New Physics: Sae Mulli 70, 738 (2020).

최근 마이크로 일렉트로닉스(microelectronics)는 많은 산업분야에서 광범위하게 적용되고 있으며, 전자 소자 설계와 미세 가공과 연관되어 중요한 반도체 재료로 주목받고 있다. 마이크로 일렉트로닉스에 적용되는 AlN 구조로는 나노 와이어(nanowires), 나노로드(nanorod), 나노 플레이트(nanoplate) 및 나노 위스커(nanowhisker) 등이 있다. 순수한 마이크로 AlN 구(AlN microspheres)는 구조적 및 화학적으로 매우 안정된 물질이다. AlN은 GaN에 가까운 격자 상수와 높은 열 전도율(3.2 W/cm·K) 그리고 높은 고유 전기 저항 및 넓은 밴드 갭(6.2 eV)의 특성이 있어 발광다이오드(light emitting diodes, LED) 및 레이저 다이오드(laser diodes, LD), 자외선 검출기, 초고주파 전자 소자(AlGaN/GaN HEMT), 전력반도체 소자(power semiconductor devices) 등과 같은 다양한 분야에 적용되고 있다. AlN은 육각 결정 구조(hexagonal crystal system)의 우르자이트(wurtzite) 구조를 갖는다. 흔히 h-AlN 혹은 α-AlN(alpha)이라 하며 보통의 결정성장에서 얻을 수 있으며, 결정이 매우 안정적이고 분말 혹은 소결된 형태로 존재할 수 있다. 반면 입방체 AlN은 (cubic or zinc-blende AlN, c-AlN or α-AlN)은 준안정적(metastable) 구조이며 h-AlN과는 특성이 매우 다른 물질로서, 비저항이 매우 큰 장점은 있으나 준 안정적인 상태이기 때문에 합성 방법이 매우 어려운 특징이 있다.

본 연구에서는 Ga과 Al의 혼합소스로 채워진 흑연 보트와 성장 영역과 소스 영역을 결합하는 반응관을 사용한 혼합 소스 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 방법을 이용하여 마이크로 AlN 구를 성장시켰다. Si 기판과 Ga 원자 간의 멜트 백 에칭되어 마이크로 웅덩이가 형성되고, 여기에 100 nm 정도의 초기 Ga 물방울이 만들어져 촉매 역할을 하여 AlCl에 의해 AlN의 결정이 형성되면서 마이크로 AlN 구가 성장되는 메커니즘을 제안하였다. 이 결과는 마이크로 AlN 구를 대량으로 성장시키는 새로운 기술로 자외선과 관련된 마이크로 일렉트로닉스 분야에 기여할 수 있으리라 기대된다 [그림].