복잡한 미세패턴도 척척..‘나노 모자이크 컨트롤러’개발

미세한 기판 위에서 복잡하고 정교한 형태를 미세하게 조절 하는 기술이 나왔다. 더 작은 반도체 소자 제작을 위해 필요한 나노 패터닝(Nano Patterning) 공정 개발에 도움이 될 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀은 ‘나노 모자이크 코팅’을 이용해 블록공중합체의 복잡한 패턴을 제어 할 수 있는 기술을 개발했다. 블록 공중합체(block copolymer)는 고분자 물질로 스스로 머리카락 10만분의 1 두께로 특정 패턴을 만든다. 연구팀이 개발한 기술을 이용하면 블록 공중합체가 스스로 만드는 ‘그림’을 더 정밀하게 조절 할 수 있다. 

반도체 같은 미세 소자는 강한 빛을 이용해 기판에 회로를 그리는 리소그래피 공정을 이용해 제작한다. 더 성능 좋은 전자기기를 만들려면 반도체 크기가 작아져야 하고, 회로 폭도 더 가늘어져야 한다. 하지만 현재 기술로는 10나노미터 폭 이하로는 회로 구현이 힘들다. 게다가 공정 비용이 비싸고, 각종 화학약품을 사용하는 문제도 있다.

블록 공중합체는 박막(thin flim) 상에서 자기조립을 통해 스스로 주기적인 나노패턴을 형성한다. 이 성질을 이용하면 10나노미터(10억분의 1미터) 이하의 초미세 패터닝이 가능하다. 하지만 블록 공중합체를 이용해 원하는 나노패턴을 얻으려면 박막과 기판 사이의 ‘계면 조건(계면에너지)’이나 박막의 표면 조건(표면에너지)을 정확하게 통제해야 한다는 한계가 있다.

그림1. 블록공중합체 패터닝에 적용 가능한 나노모자이크의 개념도

김소연 교수팀은 ‘나노 모자이크’ 코팅 기술을 통해 블록 공중합체 박막의 계면을 정확하고 정교하게 통제해 블록 공중합체 나노 패턴을 얻는 데 성공했다. 고분자 용액을 물 표면에 몇 방울 떨어트리면 조밀한 점 무늬인 ‘나노 모자이크’가 만들어지는데, 이렇게 형성된 ‘나노 모자이크’ 위에 블록 공중합체를 올려 원하는 형태의 나노 패턴을 얻는 방식이다. 블록 공중합체와 기판 사이의 나노 모자이크 막(코팅)이 계면 에너지를 조절 하는 ‘컨트롤러’ 역할을 한다. 나노 모자이크 간격을 얼마나 조밀하게 만드느냐에 따라 계면에너지 크기 쉽게 조절 할 수 있다.

연구팀은 블록 공중합체와 기판 사이에 나노 모자이크를 만들어 아무 처리 하지 않은 기판 위에서는 얻을 수 없었던 블록 공중합체 초미세 나노패턴을 손쉽게 얻을 수 있다. 게다가 나노 모자이크를 기판에 코팅하는 방법도 매우 간단하다.

그림2. 기판의 물질과 모양에 구애 받지 않고 적용 가능한 나노모자이크 코팅

제1저자인 김동협 UNIST 화학공학과 석·박사통합과정 연구원은 “블록 공중합체를 패터닝 하려는 기판을 고분자 용액을 떨어뜨린 물 표면에 통과하기만 하면 나노 모자이크가 영구적(비가역적)으로 코팅된다”며 “기판의 종류와 모양에 관계없이 코팅이 가능하다”고 설명했다. 연구팀은 실리콘 기판 외에도 인듐틴옥사이드, 몰리브덴 기판 등 16가지 종류의 기판에 나노 모자이크를 코팅해 블록 공중합체 나노 패터닝에 성공했다. 또 미세한 피라미드나 원통모양의 형태의 기판에도 나노 모자이크 코팅을 적용해 3차원 나노패터닝이 가능했다.

김소연 교수는 “블록 공중합체 나노 패터닝은 차세대 리소그래피 방식으로 주목을 받았지만 정확한 계면조절이 필요하다는 한계점이 있다”며 “나노 모자이크 코팅이라는 간단한 방식을 이용해 블록 공중합체 박막의 계면을 조절하는 데 성공했다”고 연구 의의를 밝혔다. 그는 이어 “나노 모자이크 코팅은 기존 고분자 박막 계면 조절 방식보다 훨씬 간단해 대면적으로 산업화가 용이하며, 향후 다양한 시스템의 계면조절에 응용 가능 할 것”이라고 기대했다.

이 연구 결과는 나노과학 및 재료과학 (Nanoscience & Material science) 분야 세계적 권위지인 ‘ACS 나노 (ACS Nano)’에 6월 4일자로 온라인 출판됐다. 연구 지원은 한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업 및 글로벌박사양성사업을 통해 이뤄졌으며, 박막의 나노구조 분석에는 포항가속기연구소의 9A U-SAXS 빔라인이 활용됐다.