KR101100859B1 - Method for fabricating multiple-scale surface and solid substrate with the multiple-scale surface by the same method - Google Patents

Method for fabricating multiple-scale surface and solid substrate with the multiple-scale surface by the same method Download PDF

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Abstract

마이크로미터 스케일의 구조물과 나노미터 스케일의 구조물이 혼합된 다중 스케일 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 제조된 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재를 제공한다. 본 발명에 따른 다중 스케일 표면 가공 방법은, 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계와, 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로미터 크기의 희생층을 형성하여 실리콘 웨이퍼 표면을 희생층 영역과 그 이외의 노출 영역으로 분리하는 단계와, 보호막 공정과 식각 공정이 주기적으로 반복되는 심도 반응성 이온 식각을 희생층이 제거된 이후까지 진행하여 희생층 영역에 마이크로미터 스케일 구조물을 형성함과 동시에 희생층 영역과 노출 영역 전체에 나노미터 스케일의 나노그라스(nanograss)를 형성하는 단계를 포함한다.Provided are a multi-scale surface processing method in which a micrometer-scale structure and a nanometer-scale structure are mixed, and a solid substrate having a multi-scale surface produced by the method. A multi-scale surface processing method according to the present invention comprises the steps of preparing a silicon wafer, forming a sacrificial layer of micrometer size on the silicon wafer to separate the silicon wafer surface into a sacrificial layer region and other exposed regions, Depth-reactive ion etching, in which the protective and etching processes are repeated periodically, is performed after the sacrificial layer is removed to form a micrometer-scale structure in the sacrificial layer area, and at the nanometer scale in the entire sacrificial layer and the exposed area. Forming grass (nanograss).

Description

다중 스케일 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 제조된 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재 {METHOD FOR FABRICATING MULTIPLE-SCALE SURFACE AND SOLID SUBSTRATE WITH THE MULTIPLE-SCALE SURFACE BY THE SAME METHOD}METHOD FOR FABRICATING MULTIPLE-SCALE SURFACE AND SOLID SUBSTRATE WITH THE MULTIPLE-SCALE SURFACE BY THE SAME METHOD}

본 발명은 다중 스케일 표면 가공 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로미터 스케일의 구조물과 나노미터 스케일의 구조물이 혼합된 다중 스케일 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 제조된 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-scale surface processing method, and more particularly, to a multi-scale surface processing method in which a micrometer-scale structure and a nanometer-scale structure are mixed, and to a solid substrate having a multi-scale surface manufactured by the method. It is about.

마이크로미터 스케일의 구조물과 나노미터 스케일의 구조물이 융합된 다중 스케일 구조는 자연에서 다양하게 발견되는 프랙탈(fractal)과 유사한 복합 구조로서, 기존의 마이크로미터 스케일 또는 나노미터 스케일의 한 가지 크기를 가지는 구조에 비해 진보된 구조라 할 수 있다.The multi-scale structure, in which micrometer-scale and nanometer-scale structures are fused, is a complex structure similar to fractals found in nature, and has one size of a conventional micrometer scale or nanometer scale. Compared to the advanced structure.

이러한 다중 스케일 구조는 표면적 극대화, 무반사, 및 표면 코팅을 통한 초소수성(super-hydrophobic)/초친수성(super-hydrophilic) 등 다양한 특성을 가진다. 따라서 다중 스케일 구조는 전술한 특성을 이용하여 표면적을 극대화할 수 있는 초소수성/초친수성 표면, 열전달 재료, 높은 전자기파 흡수율을 이용한 고성능 전자기파 측정용 소자, 및 태양 전지 등에 응용될 수 있다.Such multi-scale structures have various properties such as super-hydrophobic / super-hydrophilic surface maximization, antireflection, and surface coating. Therefore, the multi-scale structure can be applied to a superhydrophobic / superhydrophilic surface that can maximize the surface area by using the aforementioned characteristics, a heat transfer material, a high-performance electromagnetic wave measuring device using a high electromagnetic wave absorption rate, and a solar cell.

그러나 이러한 다중 스케일 구조는 제작 자체가 어려울 뿐만 아니라 제조 방법이 매우 복잡하고 원하는 모양과 스케일의 형상을 얻기 어려운 한계가 있다.However, such a multi-scale structure is not only difficult to manufacture itself, but also has a limitation in that the manufacturing method is very complicated and difficult to obtain a desired shape and scale shape.

본 발명은 한 번의 공정으로 마이크로미터 스케일의 구조물과 나노미터 스케일의 구조물이 융합된 다중 스케일 표면을 가공하는 방법 및 이 방법에 의해 가공된 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a method for processing a multi-scale surface in which a micrometer-scale structure and a nanometer-scale structure are fused in one process and a solid substrate having a multi-scale surface processed by the method.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 스케일 표면 가공 방법은 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계와, 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로미터 크기의 희생층을 형성하여 실리콘 웨이퍼 표면을 희생층 영역과 그 이외의 노출 영역으로 분리하는 단계와, 보호막 공정과 식각 공정이 주기적으로 반복되는 심도 반응성 이온 식각을 희생층이 제거된 이후까지 진행하여 희생층 영역에 마이크로미터 스케일 구조물을 형성함과 동시에 희생층 영역과 노출 영역 전체에 나노미터 스케일의 나노그라스(nanograss)를 형성하는 단계를 포함한다.In a multi-scale surface processing method according to an embodiment of the present invention, preparing a silicon wafer, forming a sacrificial layer having a micrometer size on the silicon wafer to separate the silicon wafer surface into a sacrificial layer region and other exposed regions And the depth reactive ion etching in which the protective film process and the etching process are repeated periodically until after the sacrificial layer is removed to form a micrometer scale structure in the sacrificial layer area, and at the same time, a nanometer in the entire sacrificial layer area and the exposed area. Forming nanograss on a scale.

희생층은 포토레지스트 물질로 형성되며, 포토리소그래피 공정으로 패터닝 될 수 있다.The sacrificial layer is formed of a photoresist material and can be patterned by a photolithography process.

희생층은 일정한 두께로 형성될 수 있다. 이 경우 마이크로미터 스케일 구조물은 희생층과 같은 평면 형상을 가지면서 일정한 두께로 형성될 수 있다. 나노그라스는 희생층 영역과 노출 영역 각각에서 균일한 밀도와 일정한 높이로 형성될 수 있다.The sacrificial layer may be formed to a certain thickness. In this case, the micrometer scale structure may have a planar shape such as a sacrificial layer and may be formed to have a constant thickness. Nanograss may be formed to have a uniform density and a constant height in each of the sacrificial layer region and the exposed region.

나노그라스는 노출 영역보다 희생층 영역에서 높은 밀도와 낮은 높이로 형성될 수 있다. 나노그라스는 심도 반응성 이온 식각이 진행될수록 역삼각형의 단부를 가진 기둥 모양에서 윗면이 뾰족한 스파이크 모양으로 변화할 수 있다.Nanograss may be formed with higher density and lower height in the sacrificial layer region than in the exposed region. As the depth-reactive ion etching progresses, the nanograss can change from a pillar with an inverted triangle end to a spiked top.

다른 한편으로, 희생층은 가운데 부분의 두께가 가장 큰 볼록 렌즈 모양으로 형성될 수 있다. 이 경우 마이크로미터 스케일 구조물은 희생층과 동일한 평면 형상을 가지면서 불균일한 두께로 형성될 수 있다.On the other hand, the sacrificial layer may be formed in the shape of a convex lens having the largest thickness of the center portion. In this case, the micrometer scale structure may have the same planar shape as the sacrificial layer and have a non-uniform thickness.

희생층 영역에서 나노그라스는 심도 반응성 이온 식각이 진행될수록 점차 균일한 밀도로 형성될 수 있다. 나노그라스는 희생층 영역과 노출 영역에서 윗면이 뾰족한 스파이크 모양으로 형성될 수 있다.In the sacrificial layer region, nanograss may be formed to have a uniform density as the depth reactive ion etching proceeds. The nanograss may be formed in the shape of spikes on the top of the sacrificial layer region and the exposed region.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체 기재는 전술한 방법으로 제조되며, 마이크로미터 스케일 구조물과 나노그라스가 융합된 다중 스케일 표면을 가진다. 나노그라스는 50nm 내지 1,000nm의 폭과, 1㎛ 내지 100㎛의 높이를 가질 수 있다.The solid substrate according to the embodiment of the present invention is manufactured by the above-described method, and has a multi-scale surface in which a micrometer scale structure and nanograss are fused. The nanograss may have a width of 50 nm to 1,000 nm and a height of 1 μm to 100 μm.

본 발명의 실시예에 따르면, 희생층을 사용함으로써 마이크로미터 스케일 구조물과 나노미터 스케일의 나노그라스가 융합된 다중 스케일 표면을 한 번의 심도 반응성 이온 식각 공정을 통해 쉽고 간단하게 형성할 수 있다. 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재는 초소수성 표면 개발, 대면적의 열전달 표면을 가지는 열전달 재료 개발, 반사율을 최소화한 고성능 전자기파 측정용 소자 개발, 및 태양광선 흡수율을 높인 태양전지 개발 등에 적용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by using a sacrificial layer, a multi-scale surface in which a micrometer-scale structure and nanometer-scale nanograss are fused may be easily and simply formed through a single depth reactive ion etching process. The solid substrate having a multi-scale surface can be applied to the development of a super hydrophobic surface, a heat transfer material having a large heat transfer surface, the development of a high-performance electromagnetic wave measuring device with minimized reflectance, and the development of a solar cell with high solar absorption.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 스케일 표면 가공 방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 일정 두께의 희생층을 사용하는 경우 다중 스케일 표면 가공 방법을 나타낸 공정도이다.
도 3은 불균일한 두께의 희생층을 사용하는 경우 다중 스케일 표면 가공 방법을 나타낸 공정도이다.
도 4와 도 5는 일정한 두께의 희생층을 사용하여 제작된 나노그라스의 주사전자현미경 사진이다.
도 6과 도 7은 불균일한 두께의 희생층을 사용하여 제작된 다중 스케일 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 특정 알파벳 모양으로 패터닝된 마이크로미터 스케일 구조물을 가지는 다중 스케일 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 정사각 모양으로 패터닝된 마이크로미터 스케일 구조물을 가지는 다중 스케일 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 10과 도 11은 도 9의 부분 확대 사진이다.
도 12는 원형으로 패터닝된 마이크로미터 스케일 구조물을 가지는 다중 스케일 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.1 is a process chart showing a multi-scale surface processing method according to an embodiment of the present invention.
2 is a process chart showing a multi-scale surface processing method when using a sacrificial layer of a predetermined thickness.
3 is a process chart showing a multi-scale surface processing method when using a sacrificial layer of non-uniform thickness.
4 and 5 are scanning electron micrographs of nanograss fabricated using a sacrificial layer of a constant thickness.
6 and 7 are scanning electron micrographs of multi-scale surfaces fabricated using non-uniform thickness sacrificial layers.
8 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface having a micrometer scale structure patterned into a specific alphabet.
9 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface having a micrometer scale structure patterned in a square shape.
10 and 11 are partially enlarged photographs of FIG. 9.
12 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface having a micrometer scale structure patterned in a circle.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 스케일 표면 가공 방법을 나타낸 공정도이다.1 is a process chart showing a multi-scale surface processing method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 다중 스케일 표면 가공 방법은 실리콘 웨이퍼(10)를 준비하는 단계와, 실리콘 웨이퍼(10) 전체에 희생층(12)을 형성하고 희생층(12)을 마이크로미터 크기로 패터닝하는 단계와, 희생층(12)이 제거된 이후까지 보호막 공정과 식각 공정이 주기적으로 반복되는 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching, DRIE)을 진행하여 마이크로미터 스케일 구조물(14)과 나노미터 스케일의 나노그라스(nanograss)(16)를 동시에 형성하는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1, in the multi-scale surface processing method according to the present embodiment, preparing a silicon wafer 10, forming a sacrificial layer 12 on the entire silicon wafer 10, and forming the sacrificial layer 12 as a micro-structure. Patterning to a metric size, and performing deep reactive ion etching (DRIE) where the passivation process and the etching process are repeated periodically until the sacrificial layer 12 is removed. And simultaneously forming nanograss (nanograss) 16 on a nanometer scale.

본 실시예에서 마이크로미터 스케일은 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속하는 크기를 의미하고, 나노미터 스케일은 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다. 그리고 다중 스케일 표면은 마이크로미터 스케일의 구조물과 나노미터 스케일의 나노그라스가 융합된 구조를 의미한다.In the present embodiment, the micrometer scale means a size in the range of 1 μm or more and less than 1,000 μm, and the nanometer scale means a size in the range of 1 nm or more and less than 1,000 nm. The multi-scale surface refers to a structure in which a micrometer-scale structure and a nanometer-scale nanograss are fused together.

실리콘 웨이퍼(10)로는 통상의 실리콘 웨이퍼가 모두 적용 가능하며, 특정 종류로 한정되지 않는다.As the silicon wafer 10, all conventional silicon wafers are applicable, and are not limited to a specific kind.

희생층(12)은 포토레지스트 물질로 형성되어 공지의 포토리소그래피 방법으로 패터닝될 수 있다. 희생층(12)은 실리콘 웨이퍼(10) 전체에 도포된 후 마이크로미터 스케일의 폭을 가지도록 패터닝된다. 희생층(12)의 모양은 특정 모양으로 한정되지 않는다.The sacrificial layer 12 may be formed of a photoresist material and patterned by known photolithography methods. The sacrificial layer 12 is applied to the entire silicon wafer 10 and then patterned to have a micrometer scale width. The shape of the sacrificial layer 12 is not limited to a particular shape.

희생층(12)은 제조 공정 중에만 사용되는 층으로서 공정 완료 후에는 잔류하지 않는다. 본 실시예에서 희생층(12)은 다음에 이어지는 심도 반응성 이온 식각의 진행을 늦추는 역할을 한다. 즉, 실리콘 웨이퍼(10)는 희생층 영역(A10)과 그 이외의 노출 영역(A20)으로 나뉘어지며, 희생층 영역(A10)의 식각 정도는 노출 영역(A20)의 식각 정도보다 훨씬 느려진다. 이때 희생층 영역(A10)은 희생층(12)에 대응하여 실리콘 웨이퍼(10) 표면에 설정된 영역으로 정의되며, 희생층(12)이 제거된 후에도 실리콘 웨이퍼(10) 표면에는 희생층 영역(A10)이 지속적으로 설정된다.The sacrificial layer 12 is a layer used only during the manufacturing process and does not remain after the completion of the process. In this embodiment, the sacrificial layer 12 serves to slow down the progress of subsequent depth reactive ion etching. That is, the silicon wafer 10 is divided into the sacrificial layer area A10 and the other exposed area A20, and the etching degree of the sacrificial layer area A10 is much slower than that of the exposed area A20. In this case, the sacrificial layer region A10 is defined as a region set on the surface of the silicon wafer 10 corresponding to the sacrificial layer 12, and the sacrificial layer region A10 is formed on the surface of the silicon wafer 10 even after the sacrificial layer 12 is removed. ) Is set continuously.

심도 반응성 이온 식각은 보호막(passivation) 공정과 식각(etch) 공정을 반복하여 실리콘 웨이퍼(10)를 큰 깊이까지 안정적으로 식각할 수 있는 공정이다.Depth reactive ion etching is a process capable of stably etching the silicon wafer 10 to a large depth by repeating a passivation process and an etching process.

보호막 공정에 사용되는 가스는 C4F8 가스일 수 있으며, 이 가스를 이용하여 실리콘 웨이퍼(10) 표면에 보호막(도시하지 않음)을 형성한다. 식각 공정에 사용되는 가스는 SF6/O2 플라즈마 가스일 수 있고, 이 가스를 단방향(실리콘 웨이퍼의 두께 방향)으로 주입하여 보호막과 실리콘 웨이퍼(10)를 식각한다.The gas used in the protective film process may be a C 4 F 8 gas, and the gas is used to form a protective film (not shown) on the surface of the silicon wafer 10. The gas used in the etching process may be SF 6 / O 2 plasma gas, and the gas is injected in one direction (thickness direction of the silicon wafer) to etch the protective film and the silicon wafer 10.

보호막 공정은 대략 4초간 진행되고, 식각 공정은 대략 6초간 진행될 수 있다. 한 번의 보호막 공정과 한 번의 식각 공정이 하나의 사이클을 이루며, 한 사이클은 대략 10초로 이루어진다. 심도 반응성 이온 식각은 대략 100사이클 내지 300사이클 진행될 수 있다.The passivation process may be performed for about 4 seconds, and the etching process may be performed for about 6 seconds. One passivation process and one etching process constitute one cycle, and one cycle is approximately 10 seconds. Depth-reactive ion etching can proceed approximately 100 to 300 cycles.

심도 반응성 이온 식각 공정에서 희생층 영역(A10)과 노출 영역(A20) 전체에 걸쳐 도트 모양의 셀프-마스크(self-mask)(20)가 형성된다. 이 셀프-마스크(20)에 의해 셀프-마스크(20)로 덮이지 않은 실리콘 웨이퍼(10) 부위가 깊게 식각되면서 뾰족한 나노그라스(nanograss, NG)(16)가 형성된다.In the depth reactive ion etching process, a dot-shaped self-mask 20 is formed over the sacrificial layer region A10 and the exposed region A20. The self-mask 20 forms a sharp nanograss (NG) 16 as the portion of the silicon wafer 10 not covered with the self-mask 20 is deeply etched.

셀프-마스크(20) 형성과 관련해서는 심도 반응성 이온 식각 공정에서 생성되는 각종 화합물이 실리콘 웨이퍼(10) 표면에 침전하여 셀프-마스크(20)를 형성한다는 이론과, 보호막이 불균일하게 식각되어 남은 잔여물이 셀프-마스크(20)를 형성한다는 이론이 알려져 있다. 공정 조건에 따라 나노그라스(16)는 50nm 내지 1,000nm의 폭과, 수㎛ 내지 수십㎛의 높이, 예를 들어 1㎛ 내지 100㎛의 높이를 가질 수 있다.Regarding the formation of the self-mask 20, the theory that various compounds generated in the depth-reactive ion etching process are deposited on the surface of the silicon wafer 10 to form the self-mask 20, and the remaining protective film is unevenly etched remaining The theory is known that water forms a self-mask 20. Depending on the process conditions, the nanograss 16 may have a width of 50 nm to 1,000 nm and a height of several μm to several tens of μm, for example, a height of 1 μm to 100 μm.

심도 반응성 이온 식각 공정에서 희생층 영역(A10)은 노출 영역(A20)보다 낮은 비율로 식각되나, 희생층(12)이 완전히 제거된 이후까지 공정 시간을 유지한다. 따라서 희생층 영역(A10)에는 희생층(12)과 같은 패턴을 가지는 마이크로미터 스케일 구조물(14)이 형성되며, 마이크로미터 스케일 구조물(14) 위에 나노그라스(16)가 형성된다.In the depth reactive ion etching process, the sacrificial layer region A10 is etched at a lower rate than the exposed region A20, but the process time is maintained until the sacrificial layer 12 is completely removed. Accordingly, the micrometer scale structure 14 having the same pattern as the sacrificial layer 12 is formed in the sacrificial layer region A10, and the nanograss 16 is formed on the micrometer scale structure 14.

이때, 희생층 영역(A10)과 노출 영역(A20)의 식각 정도 차이에 따라 마이크로미터 스케일 구조물(14) 위의 나노그라스(16)는 노출 영역(A20)에 형성된 나노그라스(16)에 비해 작은 높이를 가진다.In this case, the nanograss 16 on the micrometer scale structure 14 is smaller than the nanograss 16 formed in the exposed region A20 according to the difference in the etching degree between the sacrificial layer region A10 and the exposed region A20. Has height

이와 같이 본 실시예에 따르면 한 번의 심도 반응성 이온 식각 공정으로 마이크로미터 스케일 구조물(14)과 나노미터 스케일의 나노그라스(16)를 동시에 형성할 수 있으며, 그 결과 쉽고 단순한 방법으로 다중 스케일 표면을 가공할 수 있다. 이는 희생층(12) 형성으로 희생층 영역(A10)과 노출 영역(A20)의 식각 정도에 차이를 두었기 때문에 가능하다.As described above, according to the present embodiment, the micrometer scale structure 14 and the nanometer scale nanograss 16 may be simultaneously formed in one depth reactive ion etching process, and as a result, the multi scale surface may be processed in an easy and simple manner. can do. This is possible due to the difference in the degree of etching of the sacrificial layer region A10 and the exposed region A20 due to the formation of the sacrificial layer 12.

한편, 본 실시예에 따른 다중 스케일 표면은 희생층(12)의 모양과 심도 반응성 이온 식각의 공정 시간에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 희생층(12)은 일정한 두께로 형성된 경우와, 가운데 부분의 두께가 가장 큰 볼록 렌즈 모양으로 형성된 경우로 나누어 가정할 수 있다.Meanwhile, the multi-scale surface according to the present exemplary embodiment may have various shapes depending on the shape of the sacrificial layer 12 and the processing time of the depth reactive ion etching. The sacrificial layer 12 may be divided into a case where the sacrificial layer 12 is formed to have a constant thickness and a case where the center portion has a thickest convex lens shape.

도 2는 일정 두께의 희생층을 사용하는 경우 다중 스케일 표면 가공 방법을 나타낸 공정도이다.2 is a process chart showing a multi-scale surface processing method when using a sacrificial layer of a predetermined thickness.

도 2를 참고하면, 희생층(12)은 스핀 코팅(spin coating)법 등을 이용하여 균일한 두께로 형성될 수 있다. 이 경우, 마이크로미터 스케일 구조물(14)은 일정한 높이를 가지며, 희생층 영역(A10)과 노출 영역(A20) 각각에서 나노그라스(16)는 균일한 밀도와 일정한 높이로 형성된다. 이때 희생층 영역(A10)의 나노그라스(16)는 노출 영역(A20)의 나노그라스(16)보다 높은 밀도를 가질 수 있으며, 식각이 늦게 진행됨에 따라 노출 영역(A20)의 나노그라스(16)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.Referring to FIG. 2, the sacrificial layer 12 may be formed to have a uniform thickness by using a spin coating method or the like. In this case, the micrometer scale structure 14 has a constant height, and in each of the sacrificial layer region A10 and the exposed region A20, the nanograss 16 is formed to have a uniform density and a constant height. In this case, the nanograss 16 of the sacrificial layer region A10 may have a higher density than the nanograss 16 of the exposed region A20, and as the etching progresses later, the nanograss 16 of the exposed region A20 may have a higher density. May have a lower height.

특히 심도 반응성 이온 식각의 초기 단계에서 나노그라스(16)는 평평한 윗면을 가지는 칵테일 잔 모양(즉, 역삼각형의 단부를 가진 기둥 모양)을 이루며, 공정 시간이 증가할수록 나노그라스(16)는 평평한 윗면이 사라진 뾰족한 스파이크 모양을 이룬다.In particular, in the early stages of deep reactive ion etching, the nanograss 16 is shaped like a cocktail glass with a flat top (ie, a column with an inverted triangle end), and as the process time increases, the nanograss 16 is flat. This disappears and forms a sharp spike.

칵테일 잔 모양의 나노그라스(16)는 표면 접착력을 최대로 높일 수 있는 구조로서, 이를 이용하여 초소수성 표면을 개발할 수 있다. 스파이크 모양의 나노그라스(16)는 반사율을 극도로 낮출 수 있는 구조로서, 무반사 구조물 또는 저반사 구조물에 응용할 수 있고, 액체와 닿는 면적을 최소화하여 초소수성 표면을 개발할 수 있다. 또한, 스파이크 모양의 나노그라스(16)는 실리콘 웨이퍼의 표면적을 극대화할 수 있으므로 센서나 전극 캐패시터와 같은 다양한 분야에 응용 가능하다.Cocktail glass nanograss 16 has a structure that can maximize the surface adhesion to the maximum, it can be used to develop a super hydrophobic surface. Spike-shaped nanograss 16 is a structure capable of extremely low reflectance, can be applied to an antireflection structure or low reflection structure, it is possible to develop a super hydrophobic surface by minimizing the area in contact with the liquid. In addition, since the spike-shaped nanograss 16 can maximize the surface area of the silicon wafer, it can be applied to various fields such as a sensor or an electrode capacitor.

도 3은 불균일한 두께의 희생층을 사용하는 경우 다중 스케일 표면 가공 방법을 나타낸 공정도이다.3 is a process chart showing a multi-scale surface processing method when using a sacrificial layer of non-uniform thickness.

도 3을 참고하면, 희생층(12)은 전기 분무 방식 등을 이용하여 가운데 부분의 두께가 가장 큰 볼록 렌즈 모양으로 형성될 수 있다. 이 경우, 마이크로미터 스케일 구조물(14)은 희생층(12) 모양에 대응하여 불균일한 두께의 언덕 모양으로 형성되며, 희생층 영역(A10)의 나노그라스(16)는 불균일한 밀도와 불균일한 높이로 형성된다. 반면 노출 영역(A20)의 나노그라스(16)는 균일한 밀도와 균일한 높이로 형성된다.Referring to FIG. 3, the sacrificial layer 12 may be formed in the shape of a convex lens having the largest thickness at the center portion by using an electrospray method or the like. In this case, the micrometer scale structure 14 is formed into a hill shape having a non-uniform thickness corresponding to the shape of the sacrificial layer 12, and the nanograss 16 of the sacrificial layer region A10 has a nonuniform density and a nonuniform height. Is formed. On the other hand, the nanograss 16 of the exposed area A20 is formed to have a uniform density and a uniform height.

공정 시간에 상관없이 희생층 영역(A10)과 노출 영역(A20) 전체에서 나노그라스(16)는 스파이크 모양으로 형성되며, 공정 시간이 증갈수록 희생층 영역(A10)의 나노그라스(16)는 균일한 밀도로 형성된다.Regardless of the process time, the nanograss 16 is formed in a spike shape in the entire sacrificial layer region A10 and the exposed region A20. As the process time increases, the nanograss 16 of the sacrificial layer region A10 becomes uniform. It is formed to one density.

다음으로, 다중 스케일 표면의 실제 가공예에 대해 설명한다.Next, an example of actual processing of the multi-scale surface will be described.

먼저 4인치 n-타입 일반 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 포토레지스트 물질로 희생층을 형성한 다음 이를 마이크로미터 크기로 패터닝하였다. 이후 Surface Technology Systems 사(社)의 유도 플라즈마 멀티플랙스 시스템을 이용하여 심도 반응성 이온 식각을 진행하였다. 다중 스케일 표면 가공을 위한 심도 반응성 이온 식각 조건은 하기 표 1과 같다.First, a 4 inch n-type general silicon wafer was prepared, a sacrificial layer was formed of photoresist material, and then patterned to a micrometer size. Subsequently, depth-reactive ion etching was performed using an induction plasma multiplex system of Surface Technology Systems. Depth reactive ion etching conditions for multi-scale surface processing are shown in Table 1 below.

Figure 112010017612619-pat00001
Figure 112010017612619-pat00001

도 4는 일정한 두께의 희생층을 사용하고 심도 반응성 이온 식각을 400 사이클 진행 후 촬영한 나노그라스의 주사전자현미경 사진이다. 도 4를 참고하면, 평평한 윗면을 가지는 칵테일 잔 모양의 나노그라스가 균일한 밀도와 균일한 높이로 형성된 것을 확인할 수 있다.FIG. 4 is a scanning electron micrograph of nanograss, which is taken after 400 cycles of depth reactive ion etching using a sacrificial layer having a constant thickness. Referring to FIG. 4, it can be seen that the cocktail glass-shaped nanograss having a flat top surface is formed with a uniform density and a uniform height.

도 5는 일정한 두께의 희생층을 사용하고 심도 반응성 이온 식각을 500 사이클 진행 후 촬영한 나노그라스의 주사전자현미경 사진이다. 도 5를 참고하면, 공정 시간이 증가할수록 나노그라스의 평평한 윗면이 식각으로 제거되면서 윗면이 뾰족한 스파이크 모양의 나노그라스가 형성된 것을 확인할 수 있다.FIG. 5 is a scanning electron micrograph of nanograss, which is taken after 500 cycles of depth reactive ion etching using a sacrificial layer having a constant thickness. Referring to FIG. 5, it can be seen that as the process time increases, the flat top surface of the nanograss is removed by etching, so that the top surface has a sharp spike-shaped nanograss.

도 6은 볼록 렌즈 모양의 희생층을 사용하고 심도 반응성 이온 식각을 300 사이클 진행 후 촬영한 다중 스케일 표면의 주사전자현미경 사진이다. 도 6을 참고하면, 사진 가운데의 원형은 마이크로미터 스케일의 구조물을 의미하며, 희생층 영역과 노출 영역 전체에서 불균일한 밀도의 나노그라스가 형성된 것을 확인할 수 있다.FIG. 6 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface taken after using a convex lens-shaped sacrificial layer and performing 300 cycles of depth reactive ion etching. Referring to FIG. 6, the circle in the photograph refers to a micrometer-scale structure, and it can be seen that nanograss having a non-uniform density is formed in the sacrificial layer region and the entire exposed region.

도 7은 볼록 렌즈 모양의 희생층을 사용하고 심도 반응성 이온 식각을 400 사이클 진행 후 촬영한 다중 스케일 표면의 주사전자현미경 사진이다. 도 7을 참고하면, 마이크로미터 스케일 구조물 위에 형성된 나노그라스의 밀도가 도 6과 비교하여 보다 균일해진 것을 확인할 수 있다. 도 6과 도 7에서 나노그라스는 스파이크 형상으로 이루어진다.FIG. 7 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface taken after using a convex lens-shaped sacrificial layer and performing 400 cycles of depth reactive ion etching. Referring to FIG. 7, it can be seen that the density of the nanograss formed on the micrometer scale structure is more uniform than that of FIG. 6. 6 and 7 the nanograss is formed in a spike shape.

도 8 내지 도 12에 다양한 모양으로 패터닝된 다중 스케일 표면을 나타내었다. 도 8은 특정 알파벳 모양으로 패터닝된 마이크로미터 스케일 구조물을 가지는 다중 스케일 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다. 도 8 (a)사진의 스케일 바는 50㎛를 나타내고, (b)확대 사진의 스케일 바는 5㎛를 나타낸다.8 to 12 show multi-scale surfaces patterned in various shapes. 8 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface having a micrometer scale structure patterned into a specific alphabet. The scale bar of FIG. 8 (a) photograph shows 50 micrometers, and (b) The scale bar of enlarged photograph shows 5 micrometers.

도 9는 정사각 모양으로 패터닝된 마이크로미터 스케일 구조물을 가지는 다중 스케일 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이고, 도 10과 도 11은 도 9의 부분 확대 사진이다. 도 12는 원형으로 패터닝된 마이크로미터 스케일 구조물을 가지는 다중 스케일 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.9 is a scanning electron microscope photograph of a multi-scale surface having a micrometer scale structure patterned in a square shape, and FIGS. 10 and 11 are partially enlarged photographs of FIG. 9. 12 is a scanning electron micrograph of a multi-scale surface having a micrometer scale structure patterned in a circle.

희생층의 형상과 두께 및 심도 반응성 이온 식각의 공정 시간 등에 따라 다양한 모양의 마이크로미터 스케일 구조물과 다양한 높이와 밀도를 가지는 나노미터 스케일의 나노그라스를 용이하게 제작할 수 있다.According to the shape and thickness of the sacrificial layer and the processing time of the reactive ion etching, nanoglasses having nanometer scales having various shapes and various heights and densities can be easily manufactured.

본 실시예에 따른 고체 기재는 전술한 방법으로 제작된 다중 스케일 표면을 가진다. 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재는 초소수성 표면 개발, 대면적의 열전달 표면을 가지는 열전달 재료 개발, 반사율을 최소화한 고성능 전자기파 측정용 소자 개발, 및 태양광선 흡수율을 높인 태양전지 개발 등에 적용될 수 있다.The solid substrate according to this embodiment has a multi-scale surface fabricated by the method described above. The solid substrate having a multi-scale surface can be applied to the development of a super hydrophobic surface, a heat transfer material having a large heat transfer surface, the development of a high-performance electromagnetic wave measuring device with minimized reflectance, and the development of a solar cell with high solar absorption.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

10: 실리콘 웨이퍼 12: 희생층
14: 마이크로미터 스케일 구조물 16: 나노그라스
20: 셀프-마스크 A10: 희생층 영역
A20: 노출 영역10 silicon wafer 12 sacrificial layer
14: micrometer scale structure 16: nanograss
20: self-mask A10: sacrificial layer area
A20: exposed area

Claims (11)

실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계;
상기 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로미터 크기의 희생층을 형성하여 상기 실리콘 웨이퍼 표면을 희생층 영역과 그 이외의 노출 영역으로 분리하는 단계; 및
보호막 공정과 식각 공정이 주기적으로 반복되는 심도 반응성 이온 식각을 상기 희생층이 제거된 이후까지 진행하여 상기 희생층 영역에 마이크로미터 스케일 구조물을 형성함과 동시에 상기 희생층 영역과 상기 노출 영역 전체에 나노미터 스케일의 나노그라스(nanograss)를 형성하는 단계
를 포함하며,
상기 희생층은 일정한 두께로 형성되고, 상기 마이크로미터 스케일 구조물은 상기 희생층과 같은 평면 형상을 가지면서 일정한 두께로 형성되는 다중 스케일 표면 가공 방법.Preparing a silicon wafer;
Forming a sacrificial layer of micrometer size on the silicon wafer to separate the silicon wafer surface into a sacrificial layer region and other exposed regions; And
Depth-reactive ion etching in which the passivation process and the etching process are repeated periodically until after the sacrificial layer is removed to form a micrometer scale structure in the sacrificial layer region and at the same time nano Forming metric scale nanograss
Including;
The sacrificial layer is formed of a constant thickness, and the micrometer scale structure is a multi-scale surface processing method having a planar shape and the same thickness as the sacrificial layer. 제1항에 있어서,
상기 희생층은 포토레지스트 물질로 형성되며, 포토리소그래피 공정으로 패터닝되는 다중 스케일 표면 가공 방법.The method of claim 1,
Wherein said sacrificial layer is formed of a photoresist material and patterned by a photolithography process. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노그라스는 상기 희생층 영역과 상기 노출 영역 각각에서 균일한 밀도와 일정한 높이로 형성되는 다중 스케일 표면 가공 방법.The method of claim 1,
Wherein said nanograss is formed with a uniform density and a constant height in each of said sacrificial layer region and said exposed region. 제4항에 있어서,
상기 나노그라스는 상기 노출 영역보다 상기 희생층 영역에서 높은 밀도와 낮은 높이로 형성되는 다중 스케일 표면 가공 방법.The method of claim 4, wherein
Wherein said nanograss is formed at a higher density and lower height in said sacrificial layer region than said exposed region. 제4항에 있어서,
상기 나노그라스는 상기 심도 반응성 이온 식각이 진행될수록 역삼각형의 단부를 가진 기둥 모양에서 윗면이 뾰족한 스파이크 모양으로 변화하는 다중 스케일 표면 가공 방법.The method of claim 4, wherein
The nanograss is multi-scale surface processing method that changes as the depth of the reactive ion etching proceeds from the column shape having the end of the inverted triangle to the pointed spike shape. 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계;
상기 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로미터 크기의 희생층을 형성하여 상기 실리콘 웨이퍼 표면을 상기 희생층에 대응하는 희생층 영역과 그 이외의 노출 영역으로 분리하는 단계; 및
보호막 공정과 식각 공정이 주기적으로 반복되는 심도 반응성 이온 식각을 상기 희생층이 제거된 이후까지 진행하여 상기 희생층 영역에 마이크로미터 스케일 구조물을 형성함과 동시에 상기 희생층 영역과 상기 노출 영역 전체에 나노미터 스케일의 나노그라스(nanograss)를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 희생층은 가운데 부분의 두께가 가장 두꺼운 볼록 렌즈 모양으로 형성되며, 상기 마이크로미터 스케일 구조물은 상기 희생층과 동일한 평면 형상을 가지면서 불균일한 두께로 형성되는 다중 스케일 표면 가공 방법.Preparing a silicon wafer;
Forming a sacrificial layer having a micrometer size on the silicon wafer to separate the silicon wafer surface into a sacrificial layer region corresponding to the sacrificial layer and other exposed regions; And
Depth-reactive ion etching in which the passivation process and the etching process are repeated periodically until after the sacrificial layer is removed to form a micrometer scale structure in the sacrificial layer region and at the same time nano Forming metric scale nanograss
Including,
The sacrificial layer is formed in the shape of the convex lens having the thickest thickness of the center portion, the micrometer scale structure is formed with a non-uniform thickness while having the same planar shape as the sacrificial layer. 제7항에 있어서,
상기 희생층 영역의 나노그라스는 상기 심도 반응성 이온 식각의 진행 회수에 비례하는 밀도 균일성을 가지는 다중 스케일 표면 가공 방법.The method of claim 7, wherein
The nanograss of the sacrificial layer region has a density uniformity proportional to the number of times the depth reactive ion etching proceeds. 제8항에 있어서,
상기 나노그라스는 상기 희생층 영역과 상기 노출 영역에서 윗면이 뾰족한 스파이크 모양으로 형성되는 다중 스케일 표면 가공 방법.The method of claim 8,
The nanograss is multi-scale surface processing method wherein the top surface is formed in the shape of spike spikes on the sacrificial layer region and the exposed region. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 상기 마이크로미터 스케일 구조물과 상기 나노그라스가 융합된 다중 스케일 표면을 가지는 고체 기재.10. A solid substrate prepared by the method of any one of claims 1, 2 and 4-9, and having a multi-scale surface in which the micrometer scale structure and the nanograss are fused. 제10항에 있어서,
상기 나노그라스는 50nm 내지 1,000nm의 폭과, 1㎛ 내지 100㎛의 높이를 가지는 고체 기재.The method of claim 10,
The nanograss is a solid substrate having a width of 50nm to 1,000nm, and a height of 1㎛ 100㎛.
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