AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용한 나노리소그라피는 UV와 같은 광원을 쓰지 않고 국소적인 힘이나 화학 반응을 통해 직접 패터닝을 수행하는 방식이다. 기계적 스크래칭, 국소 산화(LAO, Local Anodic Oxidation), 딥펜 나노리소그라피(DPN) 등이 대표적인 응용법이며, 수십 나노미터 이하의 해상도를 구현할 수 있다. 

나노기술은 과학 및 공학 분야 특히 반도체 산업에서, 나노스케일에서는 고집적화를 위한 패터닝 정밀도, 정합 및 위치 정확도가 기존 공정의 범위를 뛰어넘는 수준으로 요구된다. 원자현미경(AFM) 기반 나노리소그래피는 높은 해상도, 정밀한 제어, 재료 호환성 및 저비용 등 독특한 이점 덕분에 유망한 나노제조 기술로 부상했다.

현재의 주류 리소그래피 기술은 본질적인 구조적 제약을 지닙니다. 광학 리소그래피는 회절 한계로 인해 일반적인 UV 조건에서 해상도가 약 500 nm에 머물러 진정한 나노미터 정밀도 달성이 어렵다. 이는 특히 가시광선 파장 스케일의 플라즈몬 간극 구조 제작에 비효율적입니다. EBL의 경우 1–5 nm, FIB의 경우 5–20 nm의 명목 해상도를 달성하지만, 고가 장비, 높은 유지보수 비용, 그리고 진공(UHV) 환경에 의존해야 한다. 또한, 직렬 노광 방식으로 인해 제한적인 처리량이 병목 현상으로 작용하며, 근접 효과는 패턴 충실도를 떨어뜨리고, 고에너지 입자 노출은 민감한 재료에 손상이나 오염을 유발할 수 있다.

• 회절 한계 ArF(193 nm): DUV 리소그라피는 빛의 회절 한계로 인해 이론상 20 – 30 nm급 해상도까지 접근할 수 있으나, 이를 위해 멀티 패터닝 공정이 필수적이다.

• 멀티 패터닝 복잡도 떨림(overlay): 오차와 마스크 결함을 줄이기 위해 스페이스 패터닝, 라이프 패터닝 등 복잡한 공정이 반복되어야 한다.

산업에 미치는 가치

• 장비 운용 및 계측 기술: DUV/EUV 스테퍼, 스캐너, 나노임프린트 리소그래피(NIL) 장비, 스테이지 제어 시스템 운용 역량이 반도체 소자 제조 라인에서 요구하는 정밀 패터닝 분석 단계와 직접 연결

• 패턴 해상도 최적화 역량: 포토레지스트 두께·베이크 조건, 마스크 설계, 노광 파라미터(파장·노출량·초점) 조절 경험은 10nm 이하 공정 노드에서 공정 수율을 높이기 위한 핵심 능력

• 소자·재료 공정 이해도: 저유전율(ULK) 레지스트, 반사 방지막(ARC), 전기적 특성에 따른 레지스트-기판 상호작용 이해는 CMP, 에칭, 증착 후공정 개발 업무에 필수적

• 문제 해결 및 데이터 드리븐 접근: 공정 설계 → SEM·AFM 분석 → CD(critical dimension)·오버레이 오차 분석 → 피드백 루프를 통한 최적화 반복 경험은 산업 현장의 공정·테스트 파라미터 조정 프로세스

PFM을 통해 강유전체 소자의 분극을 국소적으로 조절하고 감지하는 경험은 반도체 산업, 특히 메모리 소자 개발 분야에서 충분히 의미 있는 경험으로, 나노스케일 장비 운용, 데이터 분석, 장치 물성 해석 같은 핵심 역량을 기를 수 있다.

! 메모리 소자 !

• 분극 상태 유지: 전원이 꺼져도 유지되므로 비휘발성 특성 확보

• 쓰기(Write): PFM을 통해 국소적으로 전기장을 가해 분극 방향 변경 → 데이터 저장

• 읽기(Read): PFM으로 분극 방향을 감지 → 데이터 읽기

• 지우기(Erase): 반대 방향 전기장으로 분극 재설정 가능

산업에 미치는 가치

• 장비 운용 및 계측 기술: AFM 기반 PFM, 전기장 인가 시스템, 나노포지셔닝 장비 운용 역량이 반도체 공정의 세부 분석 단계와 직접 연결

• 장치 물성 분석 역량: 분극(Polarization) 상태 해석, 전기-기계 응답 특성 데이터 처리, 위상·진폭 맵 해석 능력은 신소재·신소자 평가 역량으로 연결

• 소자 공정 이해도 얇은 강유전체 박막 증착, 리소그래피 패턴 정의, 표면 거칠기·도메인 구조 제어 과정에 대한 이해는 반도체 후공정 개발 분야에서 연결

• 문제 해결 및 데이터 드리븐 접근: 실험 설계→결과 분석→피드백 사이클을 반복하며 최적화하는 경험은 산업 전반의 공정·테스트 업무와 동일한 문제 해결 프로세스

물성분석에서 장비 선정 기준 Detection range vs. resolvable feature size

AFM - 표면 거칠기