KR100533903B1 - 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체가 고체 표면에서 디웨팅되는 현상을 이용하는 간단한 공정을 통해 기판 상에 미세 패턴을 형성할 수 있도록 한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 단단한 주형과 고온, 고압의 공정 조건을 이용하거나 혹은 고분자 탄성체의 일종인 PDMS의 가압 접촉을 이용하는 종래 방식과는 달리, 공기를 포함하는 기체 등의 블로잉이나 혹은 온도 구배를 이용하여 액체가 고체 표면에서 디웨팅되는 현상을 유발시킴으로써 주형의 음각 부분에만 액체 박막 물질을 잔류시키고, 이러한 주형을 기판에 접촉시켜 액체 박막 물질을 전이 및 경화시킴으로써 기판 상에 목표로 하는 고분자의 미세 패턴을 고 정밀하게 형성할 수 있으며, 이와 같이 형성된 고분자 미세 패턴을 이용하는 증착 또는 식각 공정을 통해 기판 상에 박막 패턴을 형성할 수 있는 것이다.

Description

디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법{METHOD FOR FORMING A MICRO-PATTERN BY USING A DEWETTING}

본 발명은 기판(예를 들면, 실리콘 기판, 세라믹 기판, 금속층, 고분자층 등) 상에 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집적 회로, 전자 소자, 광소자, 자기 소자, 표시 소자 등의 제조 공정시에 액체가 고체 표면에서 디웨팅(dewetting)되는 현상을 이용함으로써 기판 상에 초 미세 패턴(1㎛ 이하 ∼ 수㎚ 등), 미세 패턴(수십 내지 수백 ㎛ 등) 또는 패턴을 형성하는 데 적합한 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 반도체, 전자, 광전, 자기, 표시 소자, 미세 전자기계 소자 등을 제조할 때 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 공정을 필연적으로 수행하게 되는 데, 이와 같이 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 대표적인 기법으로는 빛을 이용하여 미세 패턴을 형성하는 포토리소그라피(photolithography) 방법이 있다.

상기한 포토리소그라피 방법은 빛에 대한 반응성을 갖는 고분자 물질(예를 들면, 포토레지스트 등)을 패터닝하고자 하는 물질이 적층(또는 증착)된 기판 상에 도포하고, 목표로 하는 임의의 패턴으로 설계된 레티클을 통해 고분자 물질 상에 빛을 투과시켜 노광하며, 현상 공정을 통해 노광된 고분자 물질을 제거함으로써, 패터닝하고자 하는 물질 위에 목표로 하는 패턴을 갖는 패턴 마스크(또는 식각 마스크)를 형성한다. 이후에, 패턴 마스크를 이용하는 식각 공정을 수행함으로써, 기판 상에 적층된 물질을 원하는 패턴으로 패터닝한다.

한편, 상기한 바와 같은 포토리소그라피 방법은 회로 선폭(또는 패턴 선폭)이 노광 공정에 사용되는 빛의 파장에 의해 결정된다. 따라서, 현재의 기술수준을 고려할 때 포토리소그라피 공정을 이용하여 기판 상에 초미세 패턴, 예를 들면 선폭이 100㎚ 이하인 초미세 패턴을 형성하는 것이 매우 어려운 실정이다.

또한, 종래의 포토리소그라피 방법은 기판 상에 미세 패턴을 형성하기 위해서는 여러 단계의 공정, 예를 들면 기판 세정, 기판 표면 처리, 감광성 고분자 코팅, 저온 열처리, 노광, 현상, 고온 열처리, 세정 등의 공정들을 수행해야만 하기 때문에 제조 시간이 길고 복잡하다는 문제가 있을 뿐만 아니라 고가의 장비를 사용해야 하는 문제가 있으며, 이러한 문제들은 결국 제조 원가의 상승과 생산성의 저하를 유발시키는 요인으로 작용하고 있다.

최근 들어, 상기한 종래 포토리소그라피 방법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 패턴 형성 방법(비전통적 방법에 의한 리소그라피 방법)들에 대한 연구 개발이 도처에서 활발하게 진행되고 있는데, 이러한 비전통적 방법에 의한 리소그라피 방법 중의 하나로서 나노 임프린트 리소그라피(nano-imprint lithography) 방법이 제안되었다.

이러한 나노 임프린트 리소그라피 방법은 먼저 원하는 패턴이 형성된 규소(Si) 등의 단단한(hard) 주형(mold)을 준비하고, 열가소성의 고분자 박막을 기판 상에 코딩하며, 주형을 기판에 대향시킨 상태에서 프레스 판 사이에 넣어 고온, 고압으로 처리한 후 기판으로부터 주형을 분리함으로써, 기판 상에 형성된 고분자 박막 표면에 주형의 패턴을 전사시키는 방법이다.

상기한 종래의 나노 임프린트 리소그라피 방법은 규소 등의 단단한 주형을 사용하기 때문에 초 미세 패턴을 쉽게 구현할 수 있다는 장점을 갖는다. 문헌에 보고된 바에 의하면, 종래의 나노 임프린트 리소그라피 방법은 대략 7㎚의 패턴 크기까지 구현 가능한 것으로 알려져 있다.

그러나, 종래의 나노 임프린트 리소그라피 방법은 높은 공정 압력을 이용하기 때문에 주형 및 기판이 변형되거나 파손되는 등의 단점을 가지며, 또한 고온으로 가열된 고분자 물질의 유동성을 이용하여 패터닝을 하기 때문에 크기가 큰 패턴의 경우에는 완벽한 패터닝에 많은 시간이 소요된다는 단점을 갖는다.

또한, 종래의 나노 임프린트 리소그라피 방법은 주형의 돌출부위(양각 패턴)에 의해 눌려진 부분의 고분자 물질이 완전히 제거되지 않고 잔류하기 때문에 추가적인 공정, 즉 플라즈마 식각 공정 등을 더 필요로 하는 문제가 있으며, 이러한 공정 추가의 문제는 결국 경제성의 저하와 함께 미세 패턴의 변형 가능성을 상존하게 하는 문제점을 야기시킨다.

한편, 비전통적 방법에 의한 리소그라피 방법의 다른 예로는, 예를 들면 미세 접촉 인쇄법(micro-contact printing), 미세 모세관 몰딩(micro-molding incapillaries), 미세 전이 몰딩(micro-transfer molding), 연성 성형 몰딩(soft-molding), 모세관 힘 리소그라피(capillary force lithography) 등의 방법들이 있는데, 이러한 방법들의 공통점은 주형으로서 고분자 탄성체의 일종인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 사용한다는 점이다.

여기에서, PDMS 주형의 장점으로는 탄성체이므로 패터닝할 기판 표면과의 균일한 접촉(conformal contact)이 쉽고, 표면 에너지가 낮은 물질이므로 다른 물질 표면과의 접착력이 작아 패터닝 후 기판 표면으로부터 쉽게 분리가 가능하며, 3차원 그물구조에 기인한 높은 기체 투과성(high gas permeability)으로 인해 용매의 흡수가 용이하다는 점이다.

반면에, PDMS 주형은, 기계적 강도가 낮은 탄성체이므로 변형이 쉽게 일어나 대략 500㎚ 이하의 미세 패턴 구현이 불가능하고, 구현하고자 하는 패턴의 종횡비(aspect ratio)에 크게 의존하며, 톨루엔 등의 일반적인 유기 용매에 의해 팽윤(swelling)되어 변형이 발생하므로 패터닝에 사용할 고분자 및 용매의 선택에 상당한 제약이 따르는 등의 단점을 갖는다.

또한, 상기한 방법들 중의 일부는 패터닝 후 잔류막이 남지 않도록 할 수도 있으나 이것은 극히 예외적인 경우에만 가능한, 즉 특정한 형상의 주형이나 패턴의 경우에만 잔류막이 남지 않도록 가능할 뿐이다. 특히, 미세 접촉 인쇄법은 패터닝 층으로서 단분자막(self-assembled monolayer : SAM)을 사용하기 때문에 식각 저지층(etch-resistant layer)으로서의 역할이 불충분하다는 문제가 있으며 이러한 점 때문에 표면 패터닝 용도보다는 표면의 개질 용도로 주로 사용되고 있는 실정이다. 더욱이, SAM 물질은 매우 고가이기 때문에 취급상의 매우 세심한 주의가 요구되어 공정의 번거로움이 야기되는 문제점을 갖는다.

본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 액체가 고체 표면에서 디웨팅되는 현상을 이용하는 간단한 공정을 통해 기판 상에 패턴 또는 미세 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 형태에 따른 본 발명은, 양각 부분과 음각 부분으로 된 패턴 면을 갖는 기판 상에 목표로 하는 박막의 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 임의의 패턴 면을 갖는 기판을 준비하는 과정과, 상기 기판의 패턴 면을 표면 처리하는 과정과, 상기 기판의 패턴 면에 액체의 박막 물질을 코팅하는 과정과, 상기 액체 박막 물질의 디웨팅을 유발시켜, 상기 양각 부분에 있는 상기 액체 박막 물질을 제거하고 상기 음각 부분에만 상기 액체 박막 물질을 잔류시킴으로써, 상기 기판 상에 박막 패턴을 형성하는 과정을 포함하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 다른 형태에 따른 본 발명은, 임의의 패턴 면을 갖는 주형을 이용하여 기판 상에 목표로 하는 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 양각 부분과 음각 부분으로 된 패턴 면을 갖는 주형을 준비하는 과정과, 상기 주형의 패턴 면을 표면 처리하는 과정과, 상기 주형의 패턴 면에 액체의 박막 물질을 코팅하는 과정과, 상기 액체 박막 물질의 디웨팅을 유발시킴으로써, 상기 양각 부분에 있는 상기 액체 박막 물질을 제거하고 상기 음각 부분에만 상기 액체 박막 물질을 잔류시키는 과정과, 상기 주형을 상기 기판 상에 가압 접촉시켜 상기 잔류 액체 박막 물질을 상기 기판으로 전이시키는 과정과, 열처리 공정을 수행하여 상기 기판 상의 액체 박막 물질을 경화시키는 과정과, 상기 주형을 탈거하여 상기 기판 상에 고분자 미세 패턴을 완성하는 과정을 포함하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법을 제공한다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 핵심 기술사상은, 단단한 주형과 고온, 고압의 공정 조건을 이용(나노 임프린트 리소그라피 방법)하거나 혹은 고분자 탄성체의 일종인 PDMS의 가압 접촉을 이용하는 전술한 종래 방식과는 달리, 액체가 고체 표면(주형 표면)에서 디웨팅되는 현상을 이용하여 목표로 하는 미세 패턴을 형성한다는 것으로, 이러한 기술적 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

본 발명에서는 양각 부분과 음각 부분의 패턴이 형성된 주형의 표면에서 액체의 박막 물질을 디웨팅될 수 있도록 하기 위하여, 액체의 박막 물질을 주형 표면에 형성한 후 공기 등의 기체, 용매/공기, 용매/불활성 기체 등을 주형 표면의 상측 부분에서 블로잉하거나 혹은 주형 내부에 온도 차이(온도 구배)를 유발시켜 표면장력(상대적으로 뜨거운 곳에 있는 액체를 상대적으로 차가운 곳으로 끌어당기는 표면장력)이 발생하도록 함으로써, 액체의 박막 물질이 주형 표면에서 방향성을 가지고 선택적으로 디웨팅되도록 하는 기술적 수단을 이용한다.

또한, 액체의 박막 물질에는 점도를 조절하여 액체 코팅의 두께 및 디웨팅 속도를 조절할 수 있도록 용매(예컨대, 톨루엔 등의 유기 용제)를 첨가하거나, 액체의 표면장력 및 주형 표면과의 계면장력을 적절하게 조절할 수 있도록 계면활성제(예컨대, 미국 다우코닝의 DC244 등)를 첨가하거나 혹은 박막 특성 향상제 등을 첨가할 수 있다. 여기에서, 박막 특성 향상제로는 기판과의 접착력 향상제(dialkylaminoalkyl benzotriazole), 박막의 경도(hardness) 향상제(ether, styrene, benzoinisobutyl ether), 박막의 강인성(toughness) 향상제(isobornyl acrylate, 2-ethoxyethoxyethyl acrylate), 박막의 충격내성(impact resistance) 향상제(2-hydroxyethyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate) 등을 들 수 있다.

먼저, 임의의 고체 표면에 액체 방울을 떨어뜨리면 고체와 액체의 표면장력(surface tension), 고체/액체 사이의 계면장력(interfacial tension) 등의 상호관계에 의해 액체 필름 형태로 고체 표면에 젖거나(wetting) 혹은 액체 방울 형태로 디웨팅 된다는 것은 표면 화학 분야에서 매우 잘 알려진 사실이다. 이때, 액체 방울은 고체 표면과 일정한 각도를 유지하는데 이를 접촉각(contact angle)이라 한다. 주어진 액체/고체 시스템에서 액체 방울의 젖음/비젖음(wetting/non-wetting) 특성을 나타내주는 지표로서 확산계수(spreading coefficient, S)를 다음의 수학식과 같이 정의하여 사용한다.

상기한 수학식 1에 있어서, 참조부호 γ은 표면/계면장력을 나타내고, s, l, v는 고체(solid), 액체(liquid) 및 기체(vapor)를 각각 나타낸다.

상기한 수학식 1에서 S가 양의 값을 가지면, 액체가 고체 표면에 잘 젖기(wetting) 때문에, 일 예로서 도 1a에 도시된 바와 같이, 액체 방울은 고체 표면에 얇은 필름 형태로 형성된다. 반면에, S가 음의 값을 갖게 되면, 고체 표면에 떨어뜨린 액체 방울은, 일 예로서 도 1b에 도시된 바와 같이, 고체 표면에 넓게 퍼지지 않고 반대로 공 형태로 뭉치게 되는데, 이러한 현상을 디웨팅이라 한다. 도 1a 및 1b에 있어서, 참조번호 102는 고체 기판을 나타내고, 104는 액체 박막 물질을 나타낸다.

한편, 상기한 수학식 1에서 정의된 S는 주어진 액체/고체 시스템의 젖음/젖지 않음 특성만을 나타내주는 척도이며, 디웨팅 현상이 어떤 조건에서 얼마나 빨리 혹은 느리게 진행될 것인지에 대해서는 별도의 파라메터들, 즉 S 값의 크기, 액체의 점도(viscosity), 액체의 두께 등에 의해 결정된다.

따라서, 편평한 고체 표면에 액체 필름이 존재하고 있을 때, 이 시스템의 S 값이 음수라면, 액체는 고체 표면에서 디웨팅되는데, 이때 디웨팅되는 양상은 고체 표면상의 임의의 장소들에서부터 드라이 스폿(dry spot)이 생겨나고 이것들이 점점 넓어지는 양상을 띠게 된다. 즉, 편평한 고체 표면에서의 디웨팅은, 일 예로서 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 랜덤하게 발생(즉, 선택성과 방향성 없이 랜덤하게 발생)하게 된다. 도 2a 및 2b에 있어서, 참조번호 202는 고체 기판을 나타내고, 204는 액체 박막 물질을 나타내며, 206은 드라이 스폿을 나타낸다.

다음에, 상술한 바와 같이 액체가 고체 표면에서 디웨팅되는 현상을 이용하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 과정에 대하여 설명한다.

도 3a 내지 3e는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 액체가 고체 표면에서 디웨팅(dewetting) 현상을 이용하여 기판 상에 고분자의 미세 패턴을 형성하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도이다.

도 3a를 참조하면, 양각 부분과 음각 부분으로 패터닝된 표면을 갖는 주형(302)을 준비하는데, 이러한 주형(302)의 재질로는, 예를 들면 무기물(Si, SiO2, 세라믹 등), 유기물(고분자, 탄성체(PDMS) 등), 금속, 복합 재료 등이 이용될 수 있다.

이때, 주형(302)의 표면은 미세 패턴의 형성을 위해 형성되는 액체(예를 들면, 자외선으로 경화 가능한 고분자 전구체(pre-polymer) 액체), 즉 디웨팅 현상을 이용하여 패턴의 음각 부분에 채워진 액체(즉, 패터닝된 고분자의 미세 패턴)가 주형(302)으로부터 용이하게 탈착될 수 있도록 표면 처리를 하는데, 이러한 표면 처리 방법으로는 자기조합 단분자막(self-assembled monolayer(SAM)) 처리, 플라즈마 처리, 열처리, 기타 화학적/물리적 표면 처리 등이 있다.

다음에, 예를 들면 디핑(dipping), 스핀 코팅, 롤 코팅 등의 방법을 이용하여, 표면 처리된 주형의 패턴 면에 액체 박막 물질(304a)을 형성하는데, 이러한 액체 박막 물질(304a)에는 점도를 조절하여 액체 코팅의 두께 및 디웨팅 속도를 조절할 수 있도록 용매(예컨대, 톨루엔 등의 유기 용제)를 첨가하거나, 액체의 표면장력 및 주형 표면과의 계면장력을 적절하게 조절할 수 있도록 계면활성제(예컨대, 미국 다우코닝의 DC244 등)를 첨가하거나 혹은 기판과의 접착성, 박막의 강도, 식각 내성 등의 향상을 위한 박막 특성 향상제 등을 첨가할 수 있다.

여기에서, 박막 특성 향상제로는 기판과의 접착력 향상제(dialkylaminoalkyl benzotriazole), 박막의 경도(hardness) 향상제(ether, styrene, benzoinisobutyl ether), 박막의 강인성(toughness) 향상제(isobornyl acrylate, 2-ethoxyethoxyethyl acrylate), 박막의 충격내성(impact resistance) 향상제(2-hydroxyethyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate) 등이 있다.

이어서, 외부적인 요인을 이용하여 주형(302)의 패턴 면에 형성된 액체 박막 물질(304a)을 선택성(즉, 음각 부분으로의 선택성)과 방향성을 가지고 디웨팅되도록 유도하는데, 이러한 디웨팅 유도 방법으로는 공기 등의 기체, 용매/공기, 용매/불활성 기체 등을 주형 표면의 상측 부분에서 블로잉(도 3b에 도시된 화살표 A 방향으로의 블로잉)하거나 혹은 기체를 일정 온도로 뜨겁게 가열한 상태에서 블로잉하거나 혹은 주형 내부에 온도 차이(온도 구배)를 유발시켜 표면장력(상대적으로 뜨거운 곳에 있는 액체를 상대적으로 차가운 곳으로 끌어당기는 표면장력)이 발생하도록 함으로써, 액체의 박막 물질이 주형 표면에서 방향성을 가지고 선택적으로 디웨팅되도록 하는 방식을 이용할 수 있다.

여기에서, 주형 내부의 온도 구배를 이용하여 디웨팅을 유도하는 방식의 경우, 히터 등의 발열 수단을 이용하여 주형 일측 면의 내부 온도를 올려주면 상대적으로 차가운 곳의 표면장력이 커져 상대적으로 뜨거운 곳에 있는 액체 박막 물질을 끌어당기게 되는데, 이러한 현상을 이용하여 주형의 패턴 면에 코팅된 액체 박막 물질의 디웨팅을 유발시킨다.

따라서, 상술한 바와 같은 다양한 블로잉 기법이나 혹은 주형 내부의 온도 구배를 이용하여 주형(302)의 패턴 면에 코팅된 액체 박막 물질(304a)의 디웨팅을 유발시키면, 일 예로서 도 3c에 도시된 바와 같이, 주형(302) 패턴 면의 음각 부분에만 액체 박막 물질(304a)이 잔류(채워짐)하게 되고 패턴 면의 양각 부분에는 액체 박막 물질이 잔류하지 않게 된다. 즉, 주형 패턴 면의 음각 부분에만 액체 박막 물질이 선택적으로 형성된다.

즉, 본 발명에 따르면, 집적 회로, 전자 소자, 광소자, 자기 소자, 표시 소자 등을 제조할 때 기판의 표면을 원하는 패턴으로 패터닝한 후에 상술한 바와 같은 과정, 즉 기판의 표면 처리 → 액체의 박막 물질 코팅 → 디웨팅 유도에 의한 액체 박막 물질의 선택적 잔류 등과 같은 처리 과정을 통해 패턴의 음각 부분에 원하는 물질을 선택적으로 형성(임의의 패턴 형성)할 수 있으며, 또한 필요 또는 용도에 따라 자외선 등의 조사를 통해 패턴의 음각 부분에 잔류하는 액체 박막 물질을 경화(고형화)시켜 사용할 수 있다.

이때, 다양한 블로잉 기법이나 혹은 주형 내부의 온도 구배를 이용한 디웨팅을 통해 주형(302) 패턴 면의 음각 부분에만 액체 박막 물질(304a)이 잔류(채워짐)시킬 때, 다양한 공정 조건 등에 기인하여 주형(302) 패턴 면의 양각 부분에 액체 박막 물질이 미세한 액체 방울(liquid droplets) 형태로 잔류할 수 있는데, 경우(즉, 후속 공정에 바람직하지 못한 영향을 미치거나 혹은 제품 신뢰도에 영향을 미치는 경우)에 따라서는 이러한 미세 액체 방울을 제거해 줄 필요가 있다.

상기한 미세 액체 방울(또는 미세 액체 잔류물)은, 예를 들면 아세톤, 톨루엔 등의 미량의 액체 상태 용매를 미세 액체 방울에 가하여 미세 액체 방울이 부근의 음각 패턴 부분으로 이동되도록 하는 방법 혹은 증기 상태의 용매를 스프레이 등으로 분사하거나 혹은 용매를 분사하면서 주형(302)을 회전시키는 방법 등을 통해 제거할 수 있다. 여기에서, 미세 액체 방울의 제거를 위해 사용된 용매는 자연 증발 또는 강제 증발시켜 제거할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 주형의 음각 부분에 잔류하는 액체 박막 물질을 기판 상에 전이시켜 고분자 미세 패턴을 형성할 수도 있다.

즉, 일 예로서 도 3d에 도시된 바와 같이, 패턴의 음각 부분에만 액체 박막 물질이 채워진 주형(302)의 패턴 면을 기판(306) 상에 저압으로 가압 접촉시킨다. 여기에서, 주형(302)을 기판(306) 상에 저압으로 가압하는 것은 주형(302)이 기판(306) 상에 균일하게 접촉되도록 하기 위해서이다.

또한, 기판(306)으로는, 예를 들면 PET 기판, 유리 기판, 실리콘 기판, PMMA 고분자 기판 등이 될 수 있으며, 주형(302)과 기판(306) 간의 접촉은, 예를 들면 대기 중 접촉, 진공 접촉, 불활성 기체 분위기 하에서의 접촉 등의 방법을 이용할 수 있다.

더욱이, 기판(306)의 표면은, 주형(302)의 음각 부분에 있는 액체 박막 물질(304a)이 기판(306)으로 용이하게 전이될 수 있도록, 예를 들면 열처리, HMDS(hexamethyldisilazane) 증기 처리 등의 표면 처리를 해주는 것이 바람직하다.

이어서, 음각 부분에만 액체 박막 물질(304a)이 선택적으로 잔류하는 주형(302)의 패턴 면을 기판(306) 상에 가압 접촉시킨 후에 열처리, 예를 들면 자외선 조사, 램프(예컨대, 8W 블랙 램프) 조사 등을 이용한 열처리를 통해 액체 박막 물질(304a)을 경화시키고, 이후 기판(306)으로부터 주형(302)을 탈거함으로써, 일 예로서 도 3e에 도시된 바와 같이, 기판(306) 상에 목표로 하는 고분자의 미세 패턴(304)을 완성한다.

다음에, 본 발명의 다양한 방법에 따라 기판 상에 형성한 고분자 미세 패턴을 이용하는 부가적 방법(박막 물질 성장 방법) 또는 감쇄적 방법(박막 물질 식각 방법)을 통해 기판(예컨대, PET 기판, 유리 기판, 실리콘 기판, PMMA 고분자 기판 등) 상에 원하는 형상의 박막 패턴을 형성할 수 있는데, 이러한 박막패턴 형성 기법에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명에 따라 기판 상에 형성한 고분자의 미세 패턴을 이용하여 부가적 방법(박막 물질 성장 방법)으로 기판 상에 원하는 박막 패턴을 형성하는 과정에 대하여 설명한다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 고분자의 미세 패턴을 이용하는 부가적 방법을 통해 기판 상에 박막 패턴을 형성하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도이다.

도 4a를 참조하면, 전술한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 기판(402) 상에 임의의 패턴을 갖는 고분자 미세 패턴(404)을 형성한 후, 스퍼터링 등의 공정을 수행하여 고분자 미세 패턴(404)이 형성된 기판(402)의 전면에 박막 물질(406a)을 형성한다. 여기에서, 박막 물질(406a)은, 예를 들면 전도체, 절연체, 반도체, 유기물 등이 될 수 있다.

이어서, 리프트 오프 공정을 수행하여 고분자 미세 패턴(404)을 제거하는데, 이때 고분자 미세 패턴(404) 위에 형성되어 있던 박막 물질(406a)도 함께 제거되며, 이를 통해, 일 예로서 도 4b에 도시된 바와 같이, 기판(402) 상에 원하는 형상을 갖는 박막 패턴(406)을 완성한다.

따라서, 본 발명에 따라 기판 상에 형성한 고분자 미세 패턴을 이용하는 부가적 방법(박막 물질 성장 방법)을 통해 기판 상에 원하는 형상의 박막 패턴을 형성할 수 있다.

다음에, 본 발명에 따라 기판 상에 형성한 고분자의 미세 패턴을 이용하여 감쇄적 방법(박막 물질 식각 방법)으로 기판 상에 원하는 박막 패턴을 형성하는 과정에 대하여 설명한다.

도 5a 내지 5c는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 고분자의 미세 패턴을 이용하는 감쇄적 방법을 통해 기판 상에 박막 패턴을 형성하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도이다.

먼저, 감쇄적 방법으로 기판 상에 박막 패턴을 형성하기 위해서는 기판 상에 고분자 미세 패턴을 형성하기 전에 패턴 형성하고자 하는 박막 물질을, 예를 들면 스핀 코팅 등의 방법을 이용하여 기판 상에 먼저 형성해야 한다.

따라서, 기판(502) 상에 박막 물질(504a)을 형성한 상태에서 본 발명의 다양한 방법에 따라 고분자 미세 패턴(506)을 형성하게 되면, 그 형상은, 일 예로서 도 5a에 도시된 바와 같이 된다.

다음에, 박막 물질(506a) 상에 형성된 고분자 미세 패턴(506)을 식각 마스크로 이용하는 식각 공정을 수행하여, 일 예로서 도 5b에 도시된 바와 같이, 박막 물질(504a)의 일부를 선택적으로 제거하여 기판(502)의 상부 일부를 선택적으로 노출시킨다.

마지막으로, 아세톤 등의 용매를 이용하여 박막 물질(504a) 상에 잔류하는 고분자 미세 패턴(506)을 제거한 후 질소 등을 불어넣어 건조시킴으로써, 일 예로서 도 5c에 도시된 바와 같이, 기판(502) 상에 원하는 박막 패턴, 예를 들면 전도체, 절연체, 반도체, 유기물 등의 박막 패턴(504)을 완성한다.

따라서, 본 발명의 다양한 방법에 따라 기판 상에 형성한 고분자 미세 패턴을 이용하는 감쇄적 방법(박막 물질 식각 방법)을 통해 기판 상에 원하는 형상의 박막 패턴을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 발명자들은 본 발명에 따라 액체가 고체 표면에서 디웨팅되는 현상을 이용하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 실험을 수행하였으며, 그 실험 결과는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같다.

도 6a 내지 6f는 주형 내부의 온도 구배를 이용한 디웨팅 유도 방식으로, 양각 부분과 음각 부분으로 패터닝된 주형 표면에서 액체가 선택적으로 디웨팅되는 실험 결과를 광학 현미경을 이용해 시간적으로 연속하여 촬영, 즉 시작 시점으로부터 20초, 40초, 60초, 80초, 100초 등의 시간이 경과했을 때를 각각 촬영한 사진이다. 도 6c에 있어서의 화살표는 디웨팅 방향을 나타내는데, 이러한 방향은 주형의 좌하단 측(화살표의 반대 방향 측)에 열을 가했을 경우에 나타나게 된다.

따라서, 본 발명의 발명자들은 양각 부분과 음각 부분으로 패터닝된 주형에 액체 박막 물질을 코팅한 후 주형의 일측 부분에 열을 가함으로서 디웨팅 현상이 유발되어 음각 부분에만 액체 박막 물질이 잔류하고 양각 부분에 있는 액체 박막 물질이 제거됨을 알 수 있었다.

도 7a 내지 7c는 주형 표면의 음각 부분에만 선택적으로 액체를 채운 후 기판과 접촉시켜 전이 및 고형화시킴으로써 기판 상에 고분자의 미세 패턴을 형성한 실험 결과를 보여주는 광학 현미경 사진(점진적인 확대 사진)이다. 도 7a 내지 7c에 있어서, 참조번호 702는 기판 표면을 나타내고, 704는 기판 표면에 전이되어 경화된 고분자 미세 패턴을 나타낸다.

즉, 본 발명의 발명자들은, 주형의 음각 부분에만 액체 박막 물질을 잔류시킨 후 주형의 패턴 면을 기판 상에 가압 접촉시키고, 이후 자외선 조사 등의 열처리를 통해 액체 박막 물질을 경화시킨 후 주형을 탈거함으로써, 기판 상에 임의의 패턴을 갖는 박막 패턴이 형성됨을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 단단한 주형과 고온, 고압의 공정 조건을 이용하거나 혹은 고분자 탄성체의 일종인 PDMS의 가압 접촉을 이용하는 전술한 종래 방식과는 달리, 기체 등의 블로잉이나 혹은 온도 구배를 이용하여 액체가 기체 표면(주형 표면)에서 디웨팅되는 현상을 유발시킴으로써 주형의 음각 부분에만 액체 박막 물질을 잔류시키고, 이러한 주형을 기판에 접촉시켜 액체 박막 물질을 전이 및 경화시킴으로써 기판 상에 목표로 하는 고분자의 미세 패턴을 고 정밀하게 형성할 수 있으며, 또한 이와 같이 형성된 고분자 미세 패턴을 이용하는 증착 또는 식각 공정을 통해 기판 상에 박막 패턴을 형성할 수 있다.

도 1a 및 1b는 확산계수(spreading coefficient)가 양의 값을 가질 때와 음의 값을 가질 때 액체가 고체 기판 상에서 얇은 필름 형태로 형성되거나 혹은 공 형태로 뭉쳐 디웨팅되는 현상을 설명하기 위한 도면,

도 2a 및2b는 확산계수가 양의 값을 가질 때 편평한 고체 표면에서 액체 필름 형태로 되고, 음의 값을 가질 때 임의의 장소들로부터 드라이 스폿(dry spot)이 생겨나는 디웨팅 현상을 설명하기 위한 도면,

도 3a 내지 3e는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 액체가 고체 표면에서 디웨팅(dewetting) 현상을 이용하여 기판 상에 고분자의 미세 패턴을 형성하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도,

도 4a 및 4b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 고분자의 미세 패턴을 이용하는 부가적 방법을 통해 기판 상에 박막 패턴을 형성하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도,

도 5a 내지 5c는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 고분자의 미세 패턴을 이용하는 감쇄적 방법을 통해 기판 상에 박막 패턴을 형성하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도,

도 6a 내지 6f는 양각 부분과 음각 부분으로 패터닝된 주형 표면에서 액체가 선택적으로 디웨팅되는 실험 결과를 광학 현미경을 이용해 시간적으로 연속하여 촬영한 사진,

도 7a 내지 7c는 주형 표면의 음각 부분에만 선택적으로 액체를 채운 후 기판과 접촉시켜 전이 및 고형화시킴으로써 기판 상에 고분자의 미세 패턴을 형성한 실험 결과를 보여주는 광학 현미경 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

302 : 주형 304, 404, 506 : 고분자 미세 패턴

306, 402, 502 : 기판 406, 504 : 박막 패턴

Claims (25)

1. 양각 부분과 음각 부분으로 된 패턴 면을 갖는 기판 상에 목표로 하는 박막의 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 임의의 패턴 면을 갖는 기판을 준비하는 과정과,

   상기 기판의 패턴 면을 표면 처리하는 과정과,

   상기 기판의 패턴 면에 액체의 박막 물질을 코팅하는 과정과,

   상기 액체 박막 물질의 디웨팅을 유발시켜, 상기 양각 부분에 있는 상기 액체 박막 물질을 제거하고 상기 음각 부분에만 상기 액체 박막 물질을 잔류시킴으로써, 상기 기판 상에 박막 패턴을 형성하는 과정

   을 포함하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판의 패턴 면은, 자기조합 단분자막(SAM) 처리, 플라즈마 처리, 열처리, 화학적/물리적 표면 처리 중 어느 하나를 통해 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 박막 물질은, 점도 조절과 액체 코팅의 두께 및 디웨팅 속도를 조절할 수 있는 용매가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 박막 물질은, 상기 액체 박막 물질의 표면장력과 상기 기판 표면과의 계면장력을 조절할 수 있는 계면활성제가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 액체 박막 물질의 디웨팅은, 공기를 포함하는 기체, 용매/공기 또는 용매/불활성 기체를 상기 기판의 패턴 면에 블로잉 시킴으로써 유발되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 액체 박막 물질의 디웨팅은, 공기를 포함하는 기체, 용매/공기 또는 용매/불활성 기체를 일정 온도로 가열한 상태에서 상기 기판의 패턴 면에 블로잉 시킴으로써 유발되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 액체 박막 물질의 디웨팅은, 상기 기판 내부의 온도 구배에 의한 표면장력에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 미세 패턴 형성 방법은, 상기 디웨팅 후 패턴 면의 양각 부분에 미세 액체 잔류물이 존재할 때, 미량의 용매를 이용하여 상기 미세 액체 잔류물을 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 미세 액체 잔류물은, 미량의 액체 상태 용매를 상기 미세 액체 잔류물에 가하여 부근의 음각 부분으로 이동시키는 방식으로 제거되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 미세 액체 잔류물은, 증기 상태 용매를 상기 미세 액체 잔류물에 분사하거나 혹은 상기 증기 상태 용매를 분사하면서 상기 기판을 회전시키는 방식으로 제거되는 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
11. 임의의 패턴 면을 갖는 주형을 이용하여 기판 상에 목표로 하는 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서,

    양각 부분과 음각 부분으로 된 패턴 면을 갖는 주형을 준비하는 과정과,

    상기 주형의 패턴 면을 표면 처리하는 과정과,

    상기 주형의 패턴 면에 액체의 박막 물질을 코팅하는 과정과,

    상기 액체 박막 물질의 디웨팅을 유발시킴으로써, 상기 양각 부분에 있는 상기 액체 박막 물질을 제거하고 상기 음각 부분에만 상기 액체 박막 물질을 잔류시키는 과정과,

    상기 주형을 상기 기판 상에 가압 접촉시켜 상기 잔류 액체 박막 물질을 상기 기판으로 전이시키는 과정과,

    열처리 공정을 수행하여 상기 기판 상의 액체 박막 물질을 경화시키는 과정과,

    상기 주형을 탈거하여 상기 기판 상에 고분자 미세 패턴을 완성하는 과정

    을 포함하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 주형의 패턴 면은, 자기조합 단분자막(SAM) 처리, 플라즈마 처리, 열처리, 화학적/물리적 표면 처리 중 어느 하나를 통해 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 액체 박막 물질은, 점도 조절과 액체 코팅의 두께 및 디웨팅 속도를 조절할 수 있는 용매가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 액체 박막 물질은, 상기 액체 박막 물질의 표면장력과 상기 주형 표면과의 계면장력을 조절할 수 있는 계면활성제가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 액체 박막 물질은, 상기 기판과의 접착성, 박막의 강도, 식각 내성 등의 향상을 위한 박막 특성 향상제가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 액체 박막 물질의 디웨팅은, 공기를 포함하는 기체, 용매/공기 또는 용매/불활성 기체를 상기 주형의 패턴 면에 블로잉 시킴으로써 유발되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
17. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 액체 박막 물질의 디웨팅은, 공기를 포함하는 기체, 용매/공기 또는 용매/불활성 기체를 일정 온도로 가열한 상태에서 상기 주형의 패턴 면에 블로잉 시킴으로써 유발되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
18. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 액체 박막 물질의 디웨팅은, 상기 주형 내부의 온도 구배에 의한 표면장력에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
19. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 미세 패턴 형성 방법은, 상기 디웨팅 후 패턴 면의 양각 부분에 미세 액체 잔류물이 존재할 때, 미량의 용매를 이용하여 상기 미세 액체 잔류물을 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 미세 액체 잔류물은, 미량의 액체 상태 용매를 상기 미세 액체 잔류물에 가하여 부근의 음각 부분으로 이동시키는 방식으로 제거되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
21. 제 19 항에 있어서,

    상기 미세 액체 잔류물은, 증기 상태 용매를 상기 미세 액체 잔류물에 분사하거나 혹은 상기 증기 상태 용매를 분사하면서 상기 주형을 회전시키는 방식으로 제거되는 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
22. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 주형과 기판간의 접촉은, 대기 중 접촉, 진공 접촉, 불활성 기체 분위기하에서의 접촉 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
23. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 기판은, 고분자, 무기물, 금속, 복합 재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
24. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 방법은, 상기 잔류 액체 박막 물질의 상기 기판으로의 전이를 원활하게 하기 위하여 상기 기판을 표면 처리하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
25. 제 24 항에 있어서,

    상기 기판의 표면 처리는, 열처리 또는 HMDS(hexamethyldisilazane) 증기 처리를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 디웨팅을 이용한 미세 패턴 형성 방법.