해외기술

광자 흡수가 저비용 칩 제조를 가능케 한다

 편집부(외신)

레이저가 폴리머 수지에 존재하는 특별한 염료의 특성을 활성화 한다.

칩 제조회사들이 세계에서 앞으로 나아가야 할 방향은 어디인가?
한편으로 반도체/MEMS의 제조경영진과 공급자의 협회인 팹소유기업협회 (Fab Owners Association, FOA)는 최근 두 디바이스 제조회사인 Microchip Technology Inc.와 Skyworks Solutions Inc.의 새로운 멤버로서의 가입을 환영하였다.
하지만 3월 캘리포니아 San Jose에서 개최된 International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED)에서 제시된 일반적인 의견은 공급자 대부분이 칩 제조 사업으로부터 밀려난다는 것이다.
이러한 사항에 따르면 오직 몇 개의 매우 크게 성공한 관계사만이 칩 설계와 제조의 비용이 급격히 증가한 것에 대해 감사하게 생각하며 결국 남게 된다는 것이다.

광자 흡수
Atlanta의 Georgia Institute of Technology의 타개책에 감사하며, 적어도 물건은 제조공정 마지막 단계에서 도움으로 인해 가시거리에 들어왔다.

The Center for Organic Photonics & Electronics의 생화학과 교수인 Joseph Perry가 이끄는 연구팀은 상대적으로 간단하고 가격이 싼 칩 생산 방법을 제안하였다. 그 비밀은 폴리머에 있었다.
The Engineering Ceramics Division Daytona Beach meeting에서 오직 자신에게만 중점을 둔 분야에만 이점이 있는 지오폴리머를 제외하곤, 세라믹이나 폴리머는 종종 재료에서 경쟁 상대로서 나타나곤 한다.
이러한 경쟁은 전자 분야에서 특히 심한데, 그 이유는 이러한 연구가 구부릴 수 있는 능력(flexibility)과 같은 이전에 듣지 못했던 이점을 갖는 폴리머를 제공한다는 것이다.
분자구조가 차이점을 만든다
그러나 Perry팀의 연구의 경우 잘 알려진 기름과 물을 섞었다. Perry의 그룹은 65nm만큼 아주 작은 3차원 폴리머 선 구조를 생산해냈다.
연구팀은 대학원생으로 Wojciech Haske와 Vincent Chen, 연구원으로 Joel Hales, 그리고 박사 후 과정으로 Wenting Dong으로 구성되어 있다. 공정은 이광자를 흡수하는 분자구조에 기초한다. 짧은 파장의 레이저 빛에 민감하기 때문에 분자구조는 좀 더 복잡하고 비싼 제조 방법을 제공해야 한다. 여전히 부족한 것은 전형적인 칩 제조공정과 거의 같은 속도로 진행되게 할 수 있는 장비이다.
하지만 Perry팀은 그러한 장비가 결국에는 가능하다는 것을 믿고 있었다. 여기서 65-nm 수준의 생산 특성은 가격이 비싼 아주 짧은 파장의 자외선 식각장비 혹은 e-beam 장비가 요구된다는 점이다. 그러나 소위 3차원 다중 양자 식각 공정은 훨씬 더 간단하다. 이것은 레이저와 특수 염료를 포함한 폴리머 수지로 코팅된 기판만 요구된다. 코팅된 수지 위를 레이저 빔으로 조사하는 것은 폴리머 구조의 경화를 초래한다. 이것은 상호 연계된 화학 반응이 오직 빔의 이광자를 흡수한 분자에서만 발생한다는 이점을 가진다. 이광자를 흡수하는 속도가 레이저가 조사되는 점으로부터 멀어질수록 급격히 떨어지기 때문에 오직 조사되는 점에서의 분자만이 충분히 광자를 흡수할 수 있다.
“선폭이 65nm이하로 떨어뜨리는 것이 가능하다는 것은 현재 공증된 100nm 공정을 대체할 수 있고, 다중 광자 식각공정의 새로운 장을 여는 것이다”라고 Perry교수는 밝혔다.

이광자 흡수
유일하게 이광자를 흡수하는 분자는 Georgia Tech의 연구원인 Seth Marder와 Stephen Barlow에 의해 합성되었다. 4,4’-bis(di-n-butylamino)biphenyl로 DAPB로 불리는 이것은 레이저 빛에 노출될 때 화학반응을 일으켜 폴리머의 경화를 일으킨다.
“우리는 520nm의 파장에서 이광자를 잘 흡수하는 염료가 필요했고, 그래서 우리는 DAPB를 시도하였다”라고 Perry 교수는 설명하였다. 그것은 이러한 종류의 식각공정에서 매우 효과적인 것을 증명하였다.
그러한 분자는 일반 상업적인 자외선 광활성의 재료보다 대략 10배 정도 효과적으로 이광자를 흡수하였다. 이러한 효율은 Perry의 연구팀이 폴리머에 손상을 주지 않을 정도로 낮은 빔 강도에서 나노스케일의 선으로 3차원 패턴을 그릴 수 있도록 하였다.
3차원으로 적층된 나노구조는 각 층에 대해 서로 다른 패턴으로 주사할 수 있는 컴퓨터 프로그램으로 간단히 만들 수 있다. 마스크 형판은 점점 불필요하게 되었고 코팅과 노광 그리고 현상 공정은 단 한번만 행하면 된다.
Perry 교수는 컴퓨터 프로그램으로 Ti:사파이어 펄스 레이저를 주사할 곳을 조절하였기 때문에 연결되고 견고한 직선 형태의 3차원 적층구조를 포함한 어떠한 패턴에서도 폴리머는 상호 연결을 할 수 있다. 레이저 빔을 켜면 폴리머 선이 노광되고 끄면 어떠한 선도 그려지지 않는다.
“우리는 우리가 원하는 본래의 어떠한 패턴도 만들 수 있다”고 Perry 교수는 말한다. 이러한 연구는 목적에 맞게 전달되는 능력을 갖는 기능성의 광자 마이크로 디바이스까지 제작할 수 있다는 것을 보여준다.
30층의 20㎛ 간격을 갖는 구조를 만드는 데 겨우 10분 정도 걸린다. Perry 교수는 통신과 센서에 사용되는 칩에서 조밀한 광학 분광 광도계를 만드는 기술에 사용하려는 계획을 세우고 있다. 그것은 또한 광수지 케이블을 통하여 전달되는 다중 파장을 나누기 위한 조밀한 방법에 사용될 수 있다.

다른 응용 가능성
간단하고 정밀한 기술의 이러한 타입은 많은 층을 갖는 주문 생산되는 회로를 제조하는 데 유용하다. 이러한 것은 각 층마다 특별한 마스크가 필요하기 때문에 극히 비싸다.
Perry와 Marder는 이러한 제조 기술을 상업화하기 위해 2003년에 Focal Point Microsystems라 불리는 회사에 공동 출자하였다.
“우리는 현재 65nm의 세계에 있으며 더 작게 만들기 위해 여전히 노력하고 있다”고 Perry 교수는 밝혔다.
이 조사는 Naval Research APEX Consortium 사무소와 National Science Foundation, Science & Technology Center for Materials & Devices for Information Technology Research에 의해 지원받았다.
 (Ceramic Bullletin)

아코디언 형상의 나노리본으로 형성된 반도체

Argonne National Lab과 Urbana-Champaign에 있는 Illinois 대학의 연구자들은 제 기능을 하면서 아코디언처럼 구부리고 늘리고 압축할 수 있는 실리콘의 얇은 리본을 제작하였다. 이러한 구부릴 수 있는 구조는 인공 근육 혹은 생체조직에 집적할 수 있는 센서나 전자 디바이스로 유용하다는 것을 증명할 수 있다. 그리고 또 다른 응용분야는 연료 전지에서의 구부리기 쉬운 수소 센서이다. 아코디언과 같은 모양의 구조에 대한 아이디어는 Argonne의 과학자 Yugang Sun과 Urbana-Champaign에 있는 John A. Rogers가 이끄는 Illinois 대학의 연구팀에 의해 처음 만들어졌다. “구부릴 수 있는 전자부품은 전형적으로 얇고 휠 수 있는 표면에 인쇄할 수 있는 액체를 바탕으로 하는 플라스틱을 적용함으로써 특징지어질 수 있다”라고 Sun은 밝혔다. 또 “우리 연구의 목적은 항공기와 로봇에서 센서를 탑재한 외형과 심지어 인간의 보정 피부를 대신할 수 있는 고무 밴드나 아코디언과 같이 잡아 늘일 수 있는 전기 와이어와 회로와 같은 대체 기술을 창조해내는 것이다”라고 했다.
이러한 개념은 제조하는 데 사용되는 재료 및 표면 화학 그리고 변형에 대한 그것의 기계적인 대응에 중점을 두어 잡아 늘일 수 있는 기하학적 형상을 띤 단결정 반도체 나노리본을 형성하는 데 중점을 둔다.
2006년 8월 Sun이 Argonne에 오기 전 그는 이 프로젝트가 처음으로 시작된 Urbana-Champaign에 있는 Illinois 대학의 John A. Roger 밑에서 일하는 연구원이었다. 지난해 말 Argonne’s Center for Nanoscale Materials 연구소가 열리면서 그는 나노스케일 범위에서의 재료의 특성에 대한 연구에 대해 그의 연구 성과를 인정받아 이 연구소로 오게 되었다.
Argonne의 Center for Nanoscale Materials 연구소는 싱크로트론 X-ray 연구, 중성자 바탕의 재료 연구 그리고 나노 수준의 조성과 나노 제조, 나노재료의 특성과 이론, 시뮬레이션에서의 새로운 전자 현미경 등과 같은 기존에 가지고 있던 Argonne의 능력과 새로운 나노스케일의 연구를 통합시켰다. Argonne에서 그의 의사에 따라 많은 지원으로 Sun은 다른 생체 화학 센서 분야에서의 적용에 중점을 둔 그의 연구를 계속 확장시킬 계획이다. 이 연구에 대한 지원은 Basic Energy Science의 DOE에서 제공하였다.

기계적으로 늘일 수 있는 능력을 나타내는 표면 화학 결합의 기능을 갖는 polydimethylsiloxane 표면에서의 죔쇠와 같은 윤곽의 반도체 리본

DAPB를 이용한 (a)높은 전력과 (b)낮은 전력 하에서 보이는 광자 격자 구조의 주사 전자 현미경의 사진. 각 구조의 확대 사진은 각각 전체 사진 밑에 보이고 있다.
실험에서 DAPB를 포함하고 있는 폴리머 수지의 박막을 형성하였다. 그 박막이 레이저 빛에 노출되면 DAPB는 여기되고 상호 연계를 유발하여 현상액에 담갔을 때 기판 표면에는 용해되지 않는 주사된 구조만 남게 된다.

새로운 이광자 흡수 분자를 이용하여 65nm 만큼 작은 3차원 폴리머 선 구조를 만든 Joe Perry (왼쪽)의 연구팀. 연구원 Vincent Chen은 오른쪽에 있다.