Digital photolithography techniques for submicron pattern generation

Abstract

Digital photolithography based on digital micromirror device (DMD) is considered the next-generation low-cost lithographic technology. However, DMD-based digital photolithography has been implemented only for micrometer-scale pattern generation, whereas sophisticated photonic devices require feature sizes of submicron. In this thesis, we adopt a high-magnification imaging optical system for a custom-built digital photolithography system to generate submicron-scale patterns. We propose techniques to enhance the versatility of the digital photolithography, pattern tilting and grayscale exposure. We demonstrate that photonic crystal band-edge lasers of various lattice structures and periods can be quality-assessment testbeds. We also tried to enhance pattern uniformity. The experimentally determined pixel spread function predicted the exposure result well, which means that we can improve the pattern quality through preliminary correction.

디지털 미세거울 장치에 기반한 디지털 포토리소그래피는 차세대 저비용 리소그래피 기술로 여겨진다. 그러나 디지털 미세거울 장치 기반 디지털 포토리소그래피는 주기가 1 마이크론 이상인 패턴 제작시에만 사용되었다. 광자결정레이저 등의 광소자 제작을 위해서는 패턴의 주기가 수백나노미터 수준이어야 하는데, 아직 디지털 포토리소그래피로 이러한 광소자를 제작한 사례는 없었다. 회절 한계를 계산해 보았을 때, 1 마이크론 이하 주기의 패턴 제작이 충분히 가능할 것으로 판단되어, 고배율 결상광학계를 활용하여 디지털 포토리소그래피 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템을 사용하여 감광액이 코팅된 시편에 노광을 진행하였으며, 1 마이크론 이하 주기의 패턴 제작이 가능함을 보였다. 마이크로미터 이하 주기의 패턴을 제작할 때, 디지털 포토리소그래피의 패턴 설계 자유도를 향상시키기 위한 두 가지 방법인 패턴 기울임, 회색조 노광을 제안하였으며 실험적으로 시연하였다. 디지털 리소그래피 시스템의 검증에는 광자결정 띠 가장자리 레이저가 주로 사용되었는데, 레이저 발진 여부를 통해 노광 패턴의 품질을 파악할 수 있고 레이저 파장을 통해 노광 패턴의 주기를 파악할 수 있기 때문이다. 또한 픽셀 분산 함수를 도입하여 이미지의 회절 계산 및 패턴 품질 향상을 위한 밝기 보정을 제안하였다. 보정에 의해 패턴의 품질이 크게 향상되어, 전자빔 리소그래피로 제작한 것과 비교할 수 있는 수준이 되었다.