KR100543130B1 - 임프린트된 실리콘 기판을 이용한 복합 미세접촉 인쇄방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 임프린트된 실리콘기판을 스탬프로 이용하여 금속박막이 코팅된 기판에 미세접촉인쇄를 수행하는 복합 미세접촉 인쇄방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법은, 소정의 패턴을 갖는 마스터(master)를 준비하는 단계와; 실리콘기판의 상면에 레지스트(resist)를 도포하는 단계와; 상기 마스터를 상기 레지스트 상면에 접촉하여 가압시켰다가 분리해내는 임프린트(imprint) 단계와; 상기 임프린트된 실리콘기판의 레지스트를 경화시켜 미세접촉 스탬프로 제작하는 단계와; 상기 미세접촉 스탬프 표면에 소수성 물질인 자기조립 단층막(SAM, self-assembled monolayer)을 잉킹(inking)하는 단계와; 상기 미세접촉 스탬프를 금속박막이 코팅된 기판에 접촉하여 인쇄패턴을 전사하는 단계; 및 상기 인쇄패턴이 전사된 기판상의 금속박막을 식각하여 기판 상에 원하는 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
미세접촉인쇄, 임프린트, 탄성중합체(PDMS) 스탬프, 실리콘기판, 금속박막 코팅기판, 자기조립 단층막(SAM)

Description

임프린트된 실리콘 기판을 이용한 복합 미세접촉 인쇄방법{HYBRID MICROCONTACT PRINTING METHOD USING IMPRINTED SILICON SUBSTRATE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법의 공정을 순서대로 도시한 순서도이다.
도 2의 (a) 내지 (g)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법의 공정을 순서대로 도시한 공정도이다.
도 3은 종래의 탄성중합체(PDMS) 스탬프를 이용하는 미세접촉 인쇄방법의 공정을 순서대로 도시한 순서도이다.
도 4의 (a) 내지 (g)는 종래의 탄성중합체(PDMS) 스탬프를 이용하는 미세접촉 인쇄방법의 공정을 순서대로 도시한 공정도이다.
본 발명은 소프트 리소그래피(soft lithography)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수 마이크로미터 또는 수십 나노미터 크기의 패턴을 만들거나 전이함으로써 MEMS(microelectro mechanical systems)와 응용광학분야의 센서나 마이크로 분석시스템의 소자로 사용되는 구조물을 제작할 수 있는 미세접촉식 인쇄방법(microcontact printing)에 관한 것이다.
소프트 리소그래피는 지금까지 마이크로 또는 나노구조물을 만들기 위해 포토 리소그래피나 복제기술의 대안으로 개발된 몇 개의 리소그래피 기술―미세접촉인쇄(microcontact printing), 복제주조(replica molding), 미소전이 주소(microtransfer molding), 모세관내 미소몰딩(micromolding in capillaries), 용매를 이용한 미소주조(solvent-assisted micromolding)와 엘라스토머 상전이 마스크를 이용한 near-field conformal 포토 리소그래피―을 총칭하여 일컫는 말이다. 이 방법은 모든 공정에서 단단한 무기질의 재료보다는 유연한 유기질 재료인 탄성중합체(PDMS) 스탬프나 몰드(mold)로 미세패턴을 만들어 기판으로 전이한다.
소프트 리소그래피 공정의 가장 대표적인 방법인 미세접촉인쇄는 단순성과 편리성 외에도 많은 수의 패턴을 복제할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 탄성중합체 스탬프와 기판 표면 사이의 정합접촉이 패턴 전이의 핵심기술이다. 미세접촉인쇄는 2차원의 형상을 만드는데 가장 적합하지만, 금속 박막도금과 같은 다른 공정과 결합되면 3차원 형상을 만드는데 이용할 수 있으며, 이러한 미세접촉인쇄를 이용하면 알칸티올(alkanethiols)이 금(gold) 박막 위에서 정렬된 자기조립 단층막(self-assembled monolayer)을 형성하는 과정이 빠르게 진행되므로 패턴 크기가 100나노미터까지는 제작할 수 있으나, 100나노미터보다 작은 패턴을 형성하는 것은 자기조립 단층막의 결함(defect)과 확산(diffusion) 문제 때문에 현재의 기술로 다소 어려움이 있다.
미세접촉인쇄는 가공된 마스터(master)로부터 탄성중합체(PDMS) 스탬프에 패 턴을 복제하고, 단층형성잉크(monolayer-forming ink)를 wet inking 이나 contact inking 방식으로 자기조립 단층막을 형성한다. 이와 같이 기능성 잉크가 적셔진 스탬프로 금 또는 은이 코팅된 기판에 미세패턴을 전이한다. 인쇄된 미세패턴은 식각(etching) 공정 또는 증착(deposition) 공정을 통해 마스터에 따른 패턴을 제작할 수 있게 된다.
도 3은 종래의 탄성중합체(PDMS) 스탬프를 이용하는 미세접촉 인쇄방법의 공정을 순서대로 도시한 순서도이고, 도 4는 공정도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 종래의 미세접촉 인쇄방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.
마스터(master)(50)를 준비한 다음, 이를 이용하여 스탬프를 만들기 위해 고분자(polymer) 몰드재료를 혼합한다. 마스터(50)는 웨이퍼(wafer)나 쿼츠(quartz)로 제작될 수 있으며, 탄성중합체 스탬프(52)는 패턴의 크기와 제작 가능성에 따라 고분자 몰드재료를 달리하여 소프트 또는 하드 탄성중합체 스탬프로 제작될 수 있다.
다음으로, 마스터(50) 위에 혼합된 고분자 몰드재료를 붓는다. 탄성중합체 스탬프를 만들었을 때 이동이나 잉킹(inking)을 쉽게 할 수 있을 정도의 두께가 필요하며, 이 때 기포가 발생하므로 진공펌프를 이용하여 기포를 없앤다.
다음으로, 핫 챔버(hot chamber)에서 고분자 몰드를 경화시킨다. 그리고 경화된 탄성중합체 스탬프(52)의 원형을 벗겨내어 필요한 부분(마스터 부분)만 오려냄으로써 탄성중합체 스탬프(52)를 완성한다.
이와 같은 방법으로 만들어진 탄성중합체 스탬프(52)는 유연(flexible)하므로 유리기판(미도시)에 접착제를 바르고 부착시킨다.
그리고 자기조립 다층막 용액(54)을 상기 탄성중합체 스탬프(52) 표면에 적신 다음, 금속박막(57)이 코팅된 실리콘기판(56) 표면에 접촉시켜 인쇄한다. 인쇄된 금속박막(57)은 에칭공정을 거쳐 소정의 패턴이 구현되게 된다.
상기한 바와 같은 공정을 거치는 미세접촉 인쇄방법에 따를 경우 고분자를 이용하여 싼 가격으로 탄성중합체 스탬프를 제작하는 것이 가능하지만, 유연성 때문에 인쇄 장치에 장착할 경우 유리기판과 같은 백 플레인(backplane)에 접착하여 장착하여야 하고, 이 때 평탄화 문제가 발생할 수 있다.
또한 탄성중합체의 특성상 300㎚ 까지 미세패턴의 구현이 가능하지만 해상도가 나쁘고 결함이 많으며, 100㎚ 이하의 미세패턴은 구현이 거의 불가능하다.
더욱이 다층(multi-layer)으로 제작할 경우, 적층화 공정에서 패턴의 변형과 구조물의 비틀림에 의한 정렬의 부정합이 발생할 우려가 크다는 문제점도 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 임프린트된 실리콘기판을 미세접촉 인쇄공정에 도입함으로써 스탬프 제작 시의 공정이 단축 및 최적화될 수 있고, 대면적화에도 유리하여 양산화 과정을 거쳐 대량생산이 가능한 복합 미세접촉 인쇄방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 단단한 스탬프를 사용하게 됨에 따라 다층화 공정 시 극히 미세한 비틀림과 부정합의 오차를 방지할 수 있고, 변형이나 결합을 초래 하지 않으므로 패턴의 해상도를 높일 수 있어 수십 나노미터의 패턴 구현이 가능한 복합 미세접촉 인쇄방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법은, 소정의 패턴을 갖는 마스터(master)를 준비하는 단계와; 실리콘기판의 상면에 레지스트(resist)를 도포하는 단계와; 상기 마스터를 상기 레지스트 상면에 접촉하여 가압시켰다가 분리해내는 임프린트(imprint) 단계와; 상기 임프린트된 실리콘기판의 레지스트를 경화시켜 미세접촉 스탬프로 제작하는 단계와; 상기 미세접촉 스탬프 표면에 자기조립 단층막(self-assembled monolayer)을 잉킹(inking)하는 단계와; 상기 미세접촉 스탬프를 금속박막이 코팅된 기판에 접촉하여 인쇄패턴을 전사하는 단계; 및 상기 인쇄패턴이 전사된 기판상의 금속박막을 식각하여 기판 상에 원하는 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 임프린트 단계는 가압된 레지스트를 자외선 또는 열로 경화시킨 다음 상기 마스터를 분리해내는 것을 특징으로 한다.
상기 마스터는 자외선이 투과할 수 있는 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 레지스트로는 자외선 경화성 또는 열경화성 고분자 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 기판에 코팅된 금속박막은 금(Au) 박막, 은(Ag) 박막, 및 팔라듐(Pd) 박막으로 이루어지는 군에서 어느 하나가 선택될 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음 과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법의 공정을 순서대로 도시한 순서도이고, 도 2는 이의 공정도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법은 마스터(10)로부터 임프린트된 실리콘기판(20)을 제작한 다음, 이를 금속박막(32)이 코팅된 기판(30) 상에 접촉시켜 인쇄한다.
이를 위하여, 먼저 기(旣) 설정된 패턴을 갖는 마스터(10)를 준비한다. 마스터(10)는 자외선이 투과될 수 있는 소재로 제작되는 것이 바람직한데, 실리콘웨이퍼 또는 쿼츠 등으로 제작될 수 있다.
다음으로, 임프린트 공정으로 제작될 실리콘기판(20)에 레지스트(15)를 도포한다. 이 때, 레지스트(15)로는 자외선 경화성이나 열경화성 고분자 소재를 적용하는 것이 바람직하고, 실리콘기판(20)으로는 실리콘웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 소정의 패턴이 형성된 마스터(10)를 상기 레지스트(15) 상면에 접촉시켜 소정의 압력으로 가압한 후, 자외선으로 노광하거나 열을 가한다. 이 때, 자외선은 상기 마스터(10)를 투과하여 레지스트(15)에 조사된다. 자외선에 노출되거나 열을 받은 레지스트(15)는 1차 경화된다.
다음으로, 상기 임프린트된 실리콘기판(20)으로부터 마스터(10)를 분리한 후 레지스트(15)가 도포된 실리콘기판(20) 상면을 상온이나 고온에서 경화시키면 미세접촉 스탬프(21)가 완성된다. 도 2에서 임프린트된 실리콘기판(20)과 미세접촉 스 탬프(21)는 동일한 대상이지만, 경화 전과 후로 구분하여 패턴 경화 전은 임프린트된 실리콘기판(20)으로 명명하였고, 경화 후는 미세접촉 스탬프(21)로 명명하였다.
이렇게 완성된 미세접촉 스탬프(21)를 이용하여 마스터(10)의 패턴을 인쇄할 금속박막(32)이 코팅된 기판(30)에 미세접촉 인쇄공정을 수행한다. 패턴을 전사받을 기판(30)에는 금속박막(32)이 전면에 소정의 두께로 코팅되어 있으며, 금속박막(32)으로 도전성이 좋은 금(Au), 은(Ag) 또는 팔라듐(Pd) 박막 등이 코팅된다.
이와 같이 금속박막(32)이 코팅된 기판(30)에 패턴을 인쇄하기 위하여, 먼저 상기 미세접촉 스탬프(21) 표면에 소수성 물질인 자기조립 단층막(SAM)(25)을 잉킹(inking)한다. 이 때, 자기조립 단층막 용액은 확산(diffusion) 억제와 고해상도 패턴 구현 등을 고려하여 기판(30)에 코팅된 금(Au), 은(Ag) 또는 팔라듐(Pd) 등의 금속박막(32)과 우수한 표면 접촉력을 가지는 것이 바람직하다. 뿐만 아니라 임프린트 공정에서 도포된 레지스트(15)는 PDMS와 다른 PMMA 이거나 MMA 계열의 탄성중합체이므로, 자기조립 스탬프(21)는 화학적으로 흡착되거나 자가조립이 자발적으로 형성되는 것이 필요하다.
상기 미세접촉 스탬프(21)에 자기조립 단층막(25)을 잉킹하는 방법에는 웨트 잉킹(wet inking)과 콘택트 잉킹(Contact inking)이 있다. 웨트 잉킹은 도 2(e)에서 보는 바와 같이, 잉크 용액, 즉 자기조립 단층막(25) 용액을 스탬프 위에 떨어뜨리고 일정시간 동안 지속시키는 방법이다. 콘택트 잉킹은 스탬프 표면 중에서 잉크, 즉 자기조립 단층막(25) 용액이 필요한 부분에만 선택적으로 묻히는 방법이 다.
다음으로, 상기 미세접촉 스탬프(21)를 인쇄할 대상 기판(30)의 금속박막(32)에 접촉하여 인쇄패턴을 전사한 후 미세접촉 스탬프(21)를 다시 분리하면, 기판(30)에 코팅된 금속박막(32) 상면에 소정의 자기조립 단층막(25)에 의한 패턴이 형성된다.
다음으로, 인쇄패턴이 전사된 금속박막(32)이 코팅된 기판(30)은 자기조립 단층막(25)이 마스크(mask) 역할을 하므로 선택된 부분만 식각이 가능하며, 식각에 의해 원하는 양각 또는 음각 패턴의 금속박막(32)이 형성된 기판(30)을 얻을 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 복합 미세접촉 인쇄방법에 의하면, 임프린트된 실리콘기판을 미세접촉 스탬프로 이용하여 미세접촉 인쇄공정을 수행하기 때문에 스탬프 제작 시의 공정이 단축 및 최적화될 수 있고, 대면적화에도 유리하여 양산화 과정을 거쳐 대량생산이 가능하다.
또한, 단단한 스탬프를 사용하게 됨에 따라 다층화 공정 시 극히 미세한 비틀림과 부정합의 오차를 방지할 수 있고, 변형이나 결합을 초래하지 않으므로 패턴 의 해상도를 높일 수 있어 수십 나노미터의 패턴 구현이 가능하며, 나아가 적층화 정렬을 보다 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 소정의 패턴을 갖는 마스터(master)를 준비하는 단계;
    실리콘기판의 상면에 레지스트(resist)를 도포하는 단계;
    상기 마스터를 상기 레지스트 상면에 접촉하여 가압시켰다가 분리해내는 임프린트(imprint) 단계;
    상기 임프린트된 실리콘기판의 레지스트를 경화시켜 미세접촉 스탬프로 제작하는 단계;
    상기 미세접촉 스탬프 표면에 자기조립 단층막(SAM, self-assembled monolayer)을 잉킹(inking)하는 단계;
    상기 미세접촉 스탬프를 금속박막이 코팅된 기판에 접촉하여 인쇄패턴을 전사하는 단계; 및
    상기 인쇄패턴이 전사된 기판상의 금속박막을 식각하여 기판 상에 원하는 패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 임프린트된 실리콘기판을 이용한 복합 미세접촉 인쇄방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임프린트 단계는 가압된 레지스트를 자외선 또는 열로 경화시킨 다음 상기 마스터를 분리해내는 것을 특징으로 하는 복합 미세접촉 인쇄방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터는 자외선이 투과할 수 있는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 임프린트된 실리콘기판을 이용한 복합 미세접촉 인쇄방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레지스트로는 자외선 경화성 또는 열경화성 고분자 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 임프린트된 실리콘기판을 이용한 복합 미세접촉 인쇄방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에 코팅된 금속박막은 금(Au) 박막, 은(Ag) 박막, 및 팔라듐(Pd) 박막으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 미세접촉 인쇄방법.
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