KR100623209B1 - 탄성중합체 스탬프를 이용한 미세접촉 인쇄장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소프트 리소그래피 공정에서 접촉하여 프린팅하는 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 탄성중합체 스탬프를 이용한 미세접촉 인쇄장치는, 베이스와, 이 베이스 상에 고정되며 상기 베이스면으로부터 상방으로 떨어져 위치하는 고정판을 포함하는 프레임과, 상기 고정판과 상기 베이스면 사이에서 고정되는 나사축에 볼나사 너트가 체결되어 마이크로미터 크기 단위의 움직임을 제어하는 볼나사와, 상기 볼나사 너트에 고정되어 상기 볼나사 너트가 상기 나사축을 따라 이동함에 따라 함께 구동되는 제1 홀더를 포함하는 마이크로 변위 제어부와, 상기 제1 홀더의 하방으로 배치되며, 상기 제1 홀더에 대하여 승강 가능하도록 상기 제1 홀더에 연결되는 제2 홀더와, 상기 제1 홀더와 제2 홀더 사이에 설치되어 나노미터 크기 단위의 움직임을 제어하는 피에조액츄에이터를 포함하는 나노 변위 제어부, 및 상기 제2 홀더의 하방으로 이와 대향하도록 설치되어 상기 마이크로 또는 나노 변위 제어부의 이동으로 가해지는 하중을 측정하는 로드셀을 포함하는 하중 측정부를 포함한다.

소프트 리소그래피, 탄성중합체, 미세접촉인쇄, 스탬프

Description

탄성중합체 스탬프를 이용한 미세접촉 인쇄장치{MICROCONTACT PRINTING DEVICE USING PDMS STAMP}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 부분적으로 확대하여 도시한 부분 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 부분적으로 확대하여 도시한 부분 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 작동하는 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.

본 발명은 소프트 리소그래피 공정에서 접촉하여 프린팅하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 변위 정밀도와 하중 제어를 할 수 있는 각종 센서를 부착하여 높은 해상도를 갖는 패턴을 형성할 수 있는 미세접촉 인쇄장치에 관한 것이다.

반도체 공정에서 프린팅 패턴의 소형화와 고집적화는 시간, 비용 및 시료의 크기를 감소시키고, 새로운 기능을 향상시키기 위해 중요한 요소이다.

그러나 마이크로/나노 크기의 해상도를 얻기 위해서 반도체 공정 방법들을 사용하자면 초기자본 및 유지비 등의 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 소스(source)가 방사능의 누출을 유발할 수 있기 때문에 환경 친화적이지 않고, 기존의 제조기술로는 불가능한 소프트한 물질과 평평하지 않은 표면이나 특이한 물질 혹은 넓은 면적에 대한 패터닝에는 쉽게 사용할 수 없다는 한계로 인하여 새로운 방법이 모색되고 있다.

소프트 리소그래피는 지금까지 마이크로 또는 나노구조물을 만들기 위해 포토 리소그래피나 복제기술의 대안으로 개발된 몇 개의 리소그래피 기술―미세접촉 인쇄(microcontact printing), 복제주조(replica molding), 미소전이 주조(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(polydimethylsiloxane; 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. 미세접촉 인쇄는 2차원의 형상을 만드는데 가장 적합하지만, 금속 박막도금과 같은 다른 공정과 결합되면 3차원 형상을 만드는데 이용할 수 있다.

미세접촉인쇄는 가공된 마스터(master)로부터 탄성중합체(PDMS) 스탬프에 패턴을 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.

현재까지는 이러한 미세접촉인쇄 공정을 수동작업으로 진행함에 따라 재현성 및 반복성 있는 미세패턴 제작이 어려웠으며, 인쇄압력과 인쇄시간의 불균일에 의해 탄성중합체의 패턴 형태가 파괴되는 현상이 있었다. 또한 대면적의 인쇄에 있어서 평탄도가 유지되거나 균일하고 결함 없는 미세구조물을 제작하는 데에도 어려움이 있었으며, 정합접촉 및 정렬오차에 의해 패턴이 변형되어 다층화 공정에도 또한 어려움이 있었다.

따라서 고해상도 프린팅 공정에 있어서 프린팅 시간, 패턴 형성시간, 패턴 확산현상 억제방법, 프린팅에 필요한 힘(compression) 제어방법, 잉크에 젖는 정도(wettability), 표면접착력(adhesion force), 취성파괴(brittle failure) 현상 및 처짐(sagging) 현상 등의 매우 중요한 요소를 최적화할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 소프트 리소그래피 공정 중에 스탬프와 기판 등과의 접촉을 자동으로 수행할 수 있도록 개선함으로써, 공정을 단축시킬 뿐만 아니라 최적화시킬 수 있고, 재현성과 반복성을 확보할 수 있으며, 대면적화에도 유리한 미세접촉 인쇄장치를 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 소프트 리소그래피 기술을 이용한 마이크로/나노 패턴 프린팅 기술에 적용될 뿐만 아니라, 플렉시블 프린팅(Flexible Printing) 기술개발에도 적용이 가능한 탄성중합체 스탬프를 이용한 미세접촉 인쇄장치를 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄성중합체 스탬프를 이용한 미세접촉 인쇄장치는, 베이스와, 이 베이스 상에 고정되며 상기 베이스면으로부터 상방으로 떨어져 위치하는 고정판을 포함하는 프레임과, 상기 고정판과 상기 베이스면 사이에서 고정되는 나사축에 볼나사 너트가 체결되어 마이크로미터 크기 단위의 움직임을 제어하는 볼나사와, 상기 볼나사 너트에 고정되어 상기 볼나사 너트가 상기 나사축을 따라 이동함에 따라 함께 구동되는 제1 홀더를 포함하는 마이크로 변위 제어부와, 상기 제1 홀더의 하방으로 배치되며, 상기 제1 홀더에 대하여 승강 가능하도록 상기 제1 홀더에 연결되는 제2 홀더와, 상기 제1 홀더와 제2 홀더 사이에 설치되어 나노미터 크기 단위의 움직임을 제어하는 피에조액츄에이터를 포함하는 나노 변위 제어부, 및 상기 제2 홀더의 하방으로 이와 대향하도록 설치되어 상 기 마이크로 또는 나노 변위 제어부의 이동으로 가해지는 하중을 측정하는 로드셀을 포함하는 하중 측정부를 포함한다.

상기 제2 홀더의 일측 모서리에는 상기 제2 홀더의 변위를 측정하는 변위측정센서가 설치되는 바, 상기 변위측정센서는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서가 적용될 수 있다.

상기 프레임의 고정판과 베이스 사이에서 고정되는 가이드 축과, 상기 가이드 축에 이 축을 따라 슬라이딩 가능하게 결합되고 상기 제1 홀더에 고정되어 상기 제1 홀더가 구동됨에 따라 이와 함께 상기 가이드 축을 따라 직선 이동하는 가이드 베어링을 포함하는 직동 가이드를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 홀더에 탄성중합체 스탬프를 장착하여 미세접촉 인쇄공정을 수행할 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 도시한 사시도이고, 도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 부분적으로 확대하여 도시한 부분 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르는 미세접촉 인쇄장치는 마이크로미터 단위의 변위를 제어하는 마이크로 변위 제어부, 나노미터 단위의 변위를 제어하는 나노 변위 제어부, 및 접촉 시 발생하는 하중을 측정하기 위한 하중 측정부를 포함하여 이루어진다. 마이크로 변위 제어부, 나노 변위 제어부 및 하중 측정부는 미세 접촉 인쇄장치의 외형을 이루는 프레임에 부분적으로 고정, 지지되면서 각각의 스케일에 따라 변위를 제어하거나, 하중을 측정한다.

상기 프레임은 베이스(10)와, 이 베이스(10) 상에 고정되며 상기 베이스면으로부터 상방으로 떨어져 위치하는 고정판(12)을 포함한다. 또한 상기 고정판(12)이 베이스(10) 상에 고정될 수 있도록 본 실시예에서는 측벽(14)이 형성된다.

마이크로 변위 제어부는 볼나사(21), 직동 가이드(23) 및 제1 홀더(25)를 포함하여 구성된다.

상기 고정판(12)과 베이스(10)면 사이에는 나사축(21a)이 고정되며, 상기 나사축(21a)에는 볼나사 너트(21b)가 체결되면서 볼나사(Ball Screw)(21)를 구성한다. 나사축(21a)은 상기 베이스(10) 면에 대하여 수직으로 세워지며, 별도로 형성된 모터(미도시)와 연결되어 축중심에 대하여 회전운동을 할 수 있다. 상기 나사축(21a)에 체결되는 볼나사(21)는 마이크로미터 크기 단위의 움직임을 제어한다. 즉 상기 나사축(21a)이 축중심에 대하여 회전함에 따라 상기 볼나사 너트(21b)는 상기 나사축(21a)의 축방향을 따라 직선운동을 하게 되며, 이 때 고정밀의 볼나사를 채택함으로써 제어될 수 있는 이송거리의 범위는 수 ㎛ 범위 내이다.

상기 볼나사(21)에서 볼의 순환 방식은 리턴파이프 타입을 적용할 수 있으며, 이로써 고정밀 제어가 가능하다. 그리고 상기 나사축(21a)은 고정도로 연삭가공된 정밀볼나사(정도 등급 C3)와 고정도의 전조가공으로 성형된 전조볼나사를 사용하여 변위를 제어할 수 있다. 또한 나사축단을 가공하여 장착시에 발생하는 문제점을 최소화 할 수 있다.

제1 홀더(25)는 상기 볼나사 너트(21b)에 고정되어 볼나사 너트(21b)가 나사축(21a)을 따라 이동함에 따라 함께 구동된다. 본 실시예에서 볼나사(21)는 한 쌍이 서로 소정의 간격을 두고 떨어져 배치되도록 구성되며, 제1 홀더(25)는 판상의 부재로 이루어져 상기 나사축(21a)과 수직하게 배치되면서 일측부가 상기 한 쌍의 볼나사 너트(21b)에 고정된다.

한편, 직동 가이드(Linear Motion Guide)(23)는 가이드 축(23a)과 가이드 베어링(23b)을 포함하여 구성된다. 가이드 축(23a)은 고정판(12)과 베이스(10) 사이에서 고정되는 바, 상기 베이스(10) 면에 대하여 수직으로 세워진다. 상기 가이드 축(23a)에는 이 가이드 축(23a)의 축방향을 따라 슬라이딩 가능하도록 가이드 베어링(23b)이 결합된다. 가이드 베어링(23b)은 상기 제1 홀더(25)에 고정되어 제1 홀더(25)가 구동됨에 따라 이와 함께 상기 가이드 축(23a)을 따라 직선 이동하게 된다. 이러한 가이드 베어링(23b)은 제1 홀더(25)의 원활한 변위 거동을 가능하게 하는 바, 직선 움직임에서 클리어런스 없이 가볍게 움직이며, 주행정도를 향상시켜 원하는 지점에서 위치를 결정할 수 있도록 한다. 또한 3축방향에서 발생하는 외력에 충분한 강성을 가질 수 있도록 하여 정밀도를 향상시킬 수 있으며 장시간동안 사용하여도 고정도를 가질 수 있다.

나노 변위 제어부는 피에조엑츄에이터(Piezoactuator)(33)와 제2 홀더(35)를 포함하여 구성된다.

도 2를 참조하면, 제2 홀더(35)는 제1 홀더(25)의 하방으로 배치되며, 상기 제1 홀더(25)에 대하여 승강 가능하도록 제1 홀더(25)에 연결된다. 본 실시예에서 제2 홀더(35)는 대략 사각형상의 판상 부재로 이루어지며, 상기 제1 홀더(25)의 볼나사 너트(21a)가 고정되는 일측부로부터 떨어진 다른 일측부로 치우쳐 그 하방으로 배치된다. 이러한 제2 홀더(35)는 실린더형의 가이드 부재(31a, 31b, 31c, 31d)에 의하여 상기 제1 홀더(25)에 연결되며, 또한 상기 가이드 부재(31a, 31b, 31c, 31d)는 제2 홀더(35)가 피에조엑츄에이터(33)에 의하여 미세하게 이송될 때 가이드 역할을 할 수 있다.

피에조엑츄에이터(33)는 제1 홀더(25)와 제2 홀더(35) 사이에 설치되어 나노미터 크기 단위의 움직임을 제어한다. 상기 피에조엑츄에이터(33)는 PZT를 이용한 직선 구동 엑츄에이터로 최대 행정이 30㎛이며, LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서(37)를 이용한 오픈 루프(open-loop)로 제어를 수행한다. 이 때, 0.3㎚의 정확성을 가지면서 구동하므로 매우 높은 정확도를 가진다. 또한 800N압축력과 300N의 인장력을 견딜 수 있는 구조를 채택하여 외력이나 자중에 의해서 발생하는 문제점을 배제시킬 수 있다.

본 실시예에서 피에조엑츄에이터(33)에는 이를 제어할 수 있는 단독의 컨트롤러(미도시)가 적용되어 외부에서 발생하는 잡음을 충분하게 제거할 수 있다.

상기 제2 홀더(35)의 일측 모서리에는 변위측정센서로 고정도의 LVDT 센서(37)가 설치되어 제2 홀더(35)의 변위를 측정하게 되며, 이렇게 측정된 변위 신호는 상기 컨트롤러로 전달되어 피에조엑츄에이터(33)의 움직임을 제어하게 된다.

LVDT 센서(37)는 절대위치 검출센서로 Linearity가 0.1% 정도이며, 우수한 반복 정밀도를 갖는다. 주코일에서 고주파 교류를 인가하면 두 개의 보조코일에 코 어의 위치에 따른 신호차이로 위치를 감지한다.

이러한 LVDT 센서(37)는 최대 ±1mm의 측정 변위를 가지며 최대 100㎚의 해상도를 가지므로 충분하게 높은 해상도를 가지는 변위가 가능하다. 이 때 회로는 오픈 루프(open-loop)를 적용한다.

한편, 하중 측정부는 로드셀(Load Cell)(41)을 포함하여 구성된다.

로드셀(41)은 제2 홀더(35)의 하방으로 이와 대향하도록 설치되며, 상기 마이크로 또는 나노 변위 제어부의 이동으로 가해지는 하중을 측정하게 된다. 본 실시예에서는 5N의 고정도 로드셀(41)을 사용하여 매우 높은 해상도를 구현할 수 있다. 또한 온도의 변화에 높은 보상효과를 가지고 있어 120℃의 고온에서도 적용이 가능하며, 10배의 하중에서도 충분한 강성을 가지고 있어 사용 중 과다한 하중에도 충분히 안전하도록 제작되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 미세접촉 인쇄장치를 작동하는 방법을 상세하게 설명한다.

도 4를 참조하면, 우선, 볼나사와 피에조엑츄에이터를 이동시키면서 초기 변위를 측정한다. 즉 볼나사를 구동하여 제1 홀더를 20㎛ 정도까지 근접이동 시킨 다음, LVDT 센서를 이용하여 변위를 측정하고 다시 피에조엑츄에이터로 제2 홀더를 이동시켜 로드셀에 접촉되도록 한다. 로드셀은 인가되는 하중을 측정함으로써 접촉여부를 판단하고 이에 대한 신호를 상기 피에조엑츄에이터의 컨트롤러에 전달하여 구동을 멈추도록 한다. 이로써 초기 변위를 측정할 수 있으며, 이후 이를 피에조엑츄에이터 구동의 기준으로 하게 된다. 초기 변위 측정 후 다시 피에조엑츄에이터를 이동시켜 상기 로드셀로부터 분리한다.

이와 같이 초기 변위를 측정한 다음, 시험편을 상기 제2 홀더에 장착한다. 그리고 볼나사로 20㎛ 정도까지 근접이동 시킨 다음, 상기에서 측정된 변위값을 기준으로 피에조엑츄에이터를 이용하여 제2 홀더를 구동시킴으로써 이에 장착된 시험편을 로드셀에 접촉시킨다. 이 때 소정의 시간동안 하중 및 변위를 측정함으로써 미세접촉 인쇄에 필요한 하중 및 변위를 제어할 수 있다.

작업이 완료된 후에는 피에조엑츄에이터를 구동하여 시험편을 로드셀로부터 분리한다.

미세접촉 인쇄공정 시에는 상기 로드셀에 기판을 올려놓고 탄성중합체 스탬프를 상기 제2 홀더에 장착하여 상기 설명한 순서에 따라 제1 홀더 및 제2 홀더를 이동시키면서 스탬프를 기판에 접촉시켜 인쇄공정을 수행할 수 있다.

이상을 통해 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.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 미세접촉 인쇄장치에 의하면, 탄성중합체 스탬프와 웨이퍼를 장착할 수 있는 프린팅 장치를 미세접촉 인쇄공정에 도입함으로써 공정이 단축될 뿐만 아니라 최적화될 수 있고, 재현성과 반복성이 확보될 수 있다. 또한 대면적화에도 유리하여 양산화 과정을 거쳐 대량생산이 가능하다.

한편, 미세접촉 인쇄장치를 사용하게 됨에 따라 다층화 공정 시 극히 미세한 비틀림과 부정합의 오차를 방지할 수 있고, 시간, 힘 및 변위를 제어할 수 있으므로 변형이나 결함을 초래하지 않으면서 패턴의 해상도를 높일 수 있어 수십 나노미터의 패턴구현이 가능하다.

나노 스케일의 변위 제어와 수 뉴턴의 하중 제어가 가능한 센서와 제어기를 장착하여 높은 해상도를 제공할 뿐 아니라 기존의 반도체 장비에 비해 작은 부피를 가지도록 설계하여 쉽게 이동이 가능하고, 변형 및 파괴방지에 대한 안정성을 고려한 다단 자동제어 방식으로 인쇄압력과 속도를 조절 가능하다.

아울러 다양한 마스크에 대한 프린팅 공정기술의 최적화 확보 및 변위, 압력 측정 및 프린팅 시간 조정을 통한 결함 없는 패턴 제작이 가능하며, 재현성 및 내구성 있는 평면과 다층화 패턴의 제작이 가능하다.

Claims (5)

1. 베이스와, 이 베이스 상에 고정되며 상기 베이스면으로부터 상방으로 떨어져 위치하는 고정판을 포함하는 프레임;

   상기 고정판과 상기 베이스면 사이에서 고정되는 나사축에 볼나사 너트가 체결되어 마이크로미터 크기 단위의 움직임을 제어하는 볼나사와, 상기 볼나사 너트에 고정되어 상기 볼나사 너트가 상기 나사축을 따라 이동함에 따라 함께 구동되는 제1 홀더를 포함하는 마이크로 변위 제어부;

   상기 제1 홀더의 하방으로 배치되며, 상기 제1 홀더에 대하여 승강 가능하도록 상기 제1 홀더에 연결되는 제2 홀더와, 상기 제1 홀더와 제2 홀더 사이에 설치되어 나노미터 크기 단위의 움직임을 제어하는 피에조액츄에이터를 포함하는 나노 변위 제어부; 및

   상기 제2 홀더의 하방으로 이와 대향하도록 설치되어 상기 마이크로 또는 나노 변위 제어부의 이동으로 가해지는 하중을 측정하는 로드셀을 포함하는 하중 측정부를 포함하는 미세접촉 인쇄장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 홀더의 일측 모서리에 설치되어 상기 제2 홀더의 변위를 측정하는 변위측정센서를 포함하는 미세접촉 인쇄장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 변위측정센서는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서인 미세접촉 인쇄장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 프레임의 고정판과 베이스 사이에서 고정되는 가이드 축과, 상기 가이드 축에 이 축을 따라 슬라이딩 가능하게 결합되고 상기 제1 홀더에 고정되어 상기 제1 홀더가 구동됨에 따라 이와 함께 상기 가이드 축을 따라 직선 이동하는 가이드 베어링을 포함하는 직동 가이드(Linear Motion Guide)를 포함하는 미세접촉 인쇄장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2 홀더에 탄성중합체 스탬프를 장착하여 미세접촉 인쇄공정을 수행하는 미세접촉 인쇄장치.

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