제어된 나노스피어 리소그래피 기술 개발

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3350(2023) 이 기사 인용

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이 연구는 나노전자공학, 광전자공학, 플라즈몬 및 광전지 응용 분야를 위한 나노구조를 형성하는 저렴하고 효율적인 방법인 나노구체 리소그래피(NSL) 기술 개발에 전념하고 있습니다. 스핀 코팅으로 나노구체 마스크를 만드는 것은 유망하지만 충분히 연구되지 않은 방법이므로 다양한 크기의 나노구체에 대한 대규모 실험 기반이 필요합니다. 따라서 본 연구에서는 직경 300nm의 나노구체 단층을 기판 커버리지 영역에 스핀 코팅하여 NSL의 기술적 매개변수의 영향을 조사했습니다. 회전 속도 및 시간, 이소프로필 및 프로필렌 글리콜 함량이 감소하고 용액 내 나노구체 함량이 증가함에 따라 적용 범위가 증가하는 것으로 나타났습니다. 또한, 유도 결합 산소 플라즈마에서 나노구체의 크기를 제어 가능하게 줄이는 과정을 자세히 연구했습니다. 산소 유량을 9 sccm에서 15 sccm으로 증가시켜도 폴리스티렌 에칭 속도는 변하지 않는 반면, 고주파 전력을 250 W에서 500 W로 변경하면 에칭 속도가 증가하고 감소하는 직경을 높은 정확도로 제어할 수 있는 것으로 판단되었습니다. 실험 데이터를 기반으로 NSL의 최적 기술 매개변수가 선택되었으며 Si 기판의 나노스피어 마스크는 97.8%의 적용 면적과 98.6%의 공정 재현성을 갖도록 생성되었습니다. 이어서 나노구체 직경을 줄이면 전계 방출 음극에 사용할 수 있는 다양한 크기의 나노니들을 얻을 수 있습니다. 이 연구에서는 샘플을 대기로 배출하지 않고 플라즈마 에칭의 통일된 연속 프로세스에서 나노구 크기 감소, 실리콘 에칭 및 폴리스티렌 잔류물 제거가 발생했습니다.

실리콘 나노구조의 정렬된 배열 생성은 표면 강화 라만 분광학뿐만 아니라 전자1,2, 플라즈몬3,4, 포토닉5, 광전지6,7 장치의 다양한 구성 요소에서의 고유한 특성과 잠재적 응용으로 인해 연구자에게 큰 관심을 끌고 있습니다. SERS)8. 예를 들어, 저자9는 수직 방향 실리콘 구조를 기반으로 수직 집적형 나노와이어 전계 효과 트랜지스터(SiNW-FET)의 프로토타입을 만들었습니다. 또한 SiNW-FET는 초고감도, 선택성, 라벨 없는 실시간 감지 기능으로 인해 바이오센서에 유망합니다. 또한, 실리콘 수직배향 나노구조를 기반으로 제작된 태양전지는 태양에너지 산업에서도 유망한 것으로 알려져 있다. 이는 구조 내부의 다중 산란으로 인해 광 트래핑 효율이 증가하고 평면 셀에 비해 셀의 질량과 두께가 훨씬 낮은 장점 때문입니다. 실리콘 수직 배향 나노구조, 즉 나노바늘의 또 다른 유망한 응용은 전기진공 장치에서 전계 방출(냉) 음극으로 사용되는 것입니다. 열이온 음극과 달리, 이 경우 전자는 전기장의 작용 하에서 방출을 위해 미리 여기될 필요가 없습니다.

그러나 이 방향의 기술 개발의 주요 문제점 중 하나는 필요한 토폴로지를 얻기 위해 기판 표면에 패턴을 형성하는 간단한 방법이 부족하다는 것입니다. 일반적으로 극자외선(EUV) 리소그래피 및 전자빔 리소그래피(EBL)와 건식 플라즈마 에칭 공정이 결합된 전통적인 리소그래피 기술을 사용하여 크기와 모양을 제어할 수 있는 나노구조를 생성합니다. 예를 들어, 저자는 EBL 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 제작된 직경 330nm의 공진 실리콘 나노디스크 배열을 기반으로 한 굴절률 센서를 시연했습니다. 또 다른 논문15에서 저자는 EUV와 산소 플라즈마 에칭을 사용하여 직경이 100nm보다 작은 금속 나노와이어 어레이를 제조하는 공정을 제시합니다. 단파장 방사선과 대체 노출 방법을 사용하면 획득된 구조의 크기를 줄일 수 있다는 사실에도 불구하고 이러한 방법은 상당한 재정적, 시간적 지출과 구현의 기술적 복잡성이 특징입니다16. 이와 관련하여 특정 매개변수를 사용하여 나노 구조를 형성하는 더 간단하고 저렴하며 생산적인 접근 방식을 검색하고 연구하는 것이 가장 중요하고 실용적인 의미가 있습니다.