1분 안에 4인치까지, 한 방향으로 정렬된 10 나노 이하

초미세 패터닝 기술 나온다.

- 블록공중합체의 초고속 대면적 단방향 배향 수직 패터닝 기술 개발

손정곤 교수(KU-KIST융합대학원 학연교수, 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 책임연구원)팀은 최근 반도체 분야에서 초미세패턴 기술 선점이 고성능 소자 개발 및 점유율 확대와 직결되는 상황에서 차차세대 1.X 나노 노드 공정에 사용가능한 나노 패터닝(Nano Patterning) 기술을 선보였다. 손정곤 교수팀은 아주 손쉽고 간단한 공정을 통해 1분안에 4인치 웨이퍼 전체에 블록공중합체*의 자기조립 방법을 통하여 한 방향으로 정렬된 10나노미터 이하의 초미세 나노패턴 제작 기술을 개발했다고 밝혔다.

*블록공중합체(Block copolymer) : 두 개 이상의 고분자가 하나의 고분자 사슬에 규칙적으로 연결된 고분자

현재 반도체 업계는 초미세패턴 기술의 고도화로 인해 EUV 리소그래피 기술을 선점한 삼성전자 및 TSMC에서만 5 nm 노드 (실제 선폭은 18 nm 수준)의 양산 공정이 진행되고 있는 상황에서 1.X 노드급의 차차세대 초미세선폭 패턴에 대한 고품질 초저결함의 패터닝 기술의 선도적 개발이 시급한 상황이다. 특히 극자외선 (EUV) 패턴 공정에서는 수천억원을 상회하는 EUV 리소그래피 장비의 독점 공급 및 공급 부족과 고가의 공정 등의 문제가 있음에 반해, 블록공중합체의 스스로 나노구조를 만드는 자기조립(Self-Assembly) 특성을 이용하여 저렴하고 빠르게 대면적의 초미세 나노 패턴을 얻을 수 있어 EUV 이후의 차차세대 나노 패터닝 기술의 대안으로 고려되고 있다.

그러나 그동안 블록공중합체를 활용해 나노패턴을 만드는 과정에서 자연스럽게 조립되어 패턴을 형성하는 자기조립의 특성상 특정한 한 방향으로 배향**되거나 구조적인 결함을 제거하는 등에 기술적 한계가 있었다. 특히 패턴 전사에 필요한 고종횡비의 수직 나노 구조 구현과 함께 일직선으로 배향된 패턴을 구현하기 위해서는 매우 좁은 면적에서 오랜 시간과 복잡하고 까다로운 공정을 이용해야 하는 등, 실제 공정에 적용하는데 큰 제약이 따랐다.

**배향(Orientation) : 특정 구조의 방향

손정곤 교수팀은 이러한 한계를 극복하고, 아주 쉽고 간단한 공정으로 한 방향으로 일직선으로 배향을 구현할 수 있는 방법을 개발하였다. 연구진은 금속 강판의 압연 시에 두 롤러의 속도를 다르게 하여 결정을 잘 배향하게 하는 기술과, LCD 디스플레이의 액정 배향시에 기판에 롤러로 러빙을 진행하는 공정 기술에 착안하여, 이를 반도체 초미세패턴의 단방향 배향에 적용하여 대면적 웨4인치 실리콘 웨이퍼 전체에 1분 이내에 높은 정렬도의 일직선 배향 패턴을 구현할 수 있는 공정을 개발하였다. 또한, KIST 연구팀은 이 기술을 통해 실제 반도체 공정의 미세 화학 패턴 위에서도 결함이 거의 없는 10나노 이하의 일직선 줄무늬 패턴을 형성할 수 있음을 보였다.

손정곤 교수는 “최근 반도체 업계에서 가장 화두가 되는 초미세패턴 공정 기술에서, 실제적으로 차차세대급 1.X nm 노드 패터닝 공정에 적용 가능성이 있는 대안적인 유도자기조립(DSA) 기술을 개발한 점에서, 초미세패턴 공정 기술의 선도적 기술로 실질적으로 적용되길 기대한다.”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 세계적인 나노분야의 과학저널인 ACS NANO 최신호에 게재되었다.

* (논문명) Shear-Rolling Process for Unidirectionally and Perpendicularly Oriented Sub-10-nm Block Copolymer Patterns on the 4 in Scale

- (제1저자) 한국과학기술연구원 오진우 박사후연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원

① Title : Shear Rolling Process for the Unidirectionally and Perpendicularly Oriented Sub-10-nm Block Copolymer Patterns on the 4 in Scale within 1 minute

- Caption/Description : Schematic image of shear rolling process for the unidirectionally and perpendicularly oriented sub-10-nm block copolymer patterns.

② Title : Detailed schematic images of filtered plasma treatment and shear rolling process for perpendicular oriented and unidirectionally aligned block copolymer nanopatterns.

• Caption/Description : Schematic illustration of filtered plasma treatment for universal perpendicular orientation of sub-10 nm BCP directed self-assembly patterns and shear rolling process for unidirectional alignment for a large area (~4 inch) with high speed within 1 minute.

③ Title : Unidirectional aligned sub-10 nm patterns on 4-inch wafer within 1 minute.

- Caption/Description : Scanning electron microscopic image of unidirectional alignment of sub-10 nm BCP patterns at different spots in 4 inch wafer which process were done within 1 minute for 10 times repetitive shear process with 20 mm/s speed.