KR100666502B1 - 유리 나노 가공 방법 - Google Patents

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임근배
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학교법인 포항공과대학교
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Abstract

본 발명은 유리 나노 가공 방법에 관한 것으로, 유리 기판 위에 분자 치환층을 형성하는 분자 치환층 형성 단계와, 유리 기판 위에 가공하고자 하는 형상과 대칭되게 분자 치환층을 패터닝(patterning) 하는 패터닝 단계와, 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환층을 이루는 원자를 서로 치환시키는 분자 치환 단계와, 유리 기판으로부터 패터닝된 분자 치환층을 제거하는 분자 치환층 제거 단계, 및 유리 기판에서 분자 치환된 부분의 깊이 조절을 통하여 식각 가공하는 가공 단계를 포함한다.
유리, 나노 가공, 금속막, 분자 치환

Description

유리 나노 가공 방법{GLASS NANO FABRICATION METHOD}
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 이론적 배경을 설명하는 도면이다.
도 2의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 일실시예에 따른 유리 나노 가공 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 금속막의 두께에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4은 본 발명의 열처리 온도에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 전압의 세기에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6는 실험예1의 알루미늄 금속막 패턴의 두께에 따른 유리 나노 가공 과정을 도시한 도면이다.
도 7a는 실험예1의 알루미늄 금속막 패턴의 형상을 도시한 그래프이다.
도 7b는 실험예1의 알루미늄 금속막 패턴의 형상에 따른 유리 나노 가공의 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 실험예2의 열처리 온도에 따른 유리 나노 가공 과정을 도시한 도면이 다.
도 9의 (a) 내지 (d)는 실험예2의 열처리 온도에 따른 유리 나노 가공의 결과를 보이는 사진이다.
도 10은 실험예3에서 전압의 세기에 따른 유리 나노 가공 과정을 도시한 도면이다.
도 11의 (a) 내지 (d)는 실험예3의 전압의 세기에 따른 유리 나노 가공의 결과를 보이는 사진이다.
도 12a 내지 도 12d는 실험예3의 전압의 세기에 따른 유리 나노 가공의 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명은 유리 나노 가공 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 유리 결정 구조를 분자 치환시켜 나노 스케일의 3차원 형상의 구조물을 가공할 수 있도록 하는 유리 나노 가공 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 나노 스케일 제작에 관하여 연구 단계는 물론 산업화에도 많은 관심을 가지게 되었다.
나노 스케일 제작은 크게 톱다운(top-down) 접근 방식과 바텀업 (bottom-up) 접근 방식으로 나뉜다.
톱다운(top- down) 방식은 얇은 필름이나 덩어리 물질에서 원하지 않는 부 분을 없애며 나노 구조물을 만들어 가는 방식이다.
그리고 바텀업(bottom-up) 방식은 자기 조립(self-assembly)에 의하여 작은 건조 블록에서 점점 쌓아서 나노 구조물을 만드는 방식이다.
지금까지 나노 구조물을 만드는 가장 인기 있는 방법은 리소그라피(lithography)방법이며 그 중 전자빔을 이용하는 방식이 가장 일반적이다.
이 전자빔 리소그라피는 전자빔을 이용하여 전자에 반응하는 물질을 패턴닝하는 것으로 리프트 오프(lift-off), 식각(etching), 전기증착(electro-deposition) 등과 함께 사용하여 여러 가지 나노 스케일의 구조물을 만드는데 사용한다.
그러나, 전자빔 리소그라피는 시리얼 공정으로써 생산성이 낮은 단점이 있으며, 대량 생산을 목적으로 할 경우 보다 치명적인 약점을 갖는다.
따라서, 전자빔 리소그라피의 약점을 보완 할 수 있는 나노 임프린트(nano-imprint) 방법이 각광을 받고 있다. 이 나노 임프린트(nano-imprint) 방법은 하나의 스탬프로 많은 수의 나노 구조물을 보다 빠른 시간에 제작할 수 있다.
SPM(scanning probe microscopy, 주사 탐침 현미경) 시스템은 나노 스케일 이하의 정확도로 분자 사이즈의 팁 조절이 가능하다. 따라서 SPM 시스템을 이용하여 여러 방향으로 나노 구조물 제작이 시도되고 있다.
그러나, SPM 시스템도 하나의 팀으로 작업을 수행할 경우 시리얼 작업이 될 것이므로 공정 자체가 매우 늦어져 대량 생산에는 적합하지 못하다.
그리고 자기 조립(self-assembly)은 나노 입자가 화학적 또는 물리적으로 서 로 뭉쳐서 구조물을 형성하는 것을 기본으로 하며, 이는 물리적 자기 조립(physical self assembly)와 화학적 자기 조립(chemical self assembly)로 나뉜다.
물리적 자기 조립은 엔트로피로 인하여 생기는 현상으로 입자들이 부딪힘으로 해서 자연적으로 일어나는 상호작용으로 안정적인 구조물이 생성되는 것을 말하며, 주형 보조 자기 조립(template-assist self-assembly)를 이용하면 원하는 패턴으로 구조물을 형성하는 것도 가능하다.
그리고 화학적 자기 조립은 분자 인식과 접함에 의하여 분자층이 형성되고 이를 바탕으로 여러 층이 형성됨으로써 복잡한 구조물 형성이 가능하다.
전술된 나노 가공 방법들은 복잡한 형상의 나노 스케일의 구조물을 만들 경우 그 제작시간이 오래 걸리는 단점이 있으며, 그 외 비교적 간단한 구조를 보다 빨리 만들 수는 있으나 어느 이상 복잡한 구조에서는 더 많은 시간을 요구하는 경우가 대부분이다.
따라서, 이러한 두 가지 단점을 모두 보완할 수 있도록 복잡한 형상의 나노 스케일의 구조물을 보다 빠르고 간단하게 제작할 수 있는 새로운 나노 가공 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 유리 나노 가공 방법은 유리 결정 원자와 금속 원자를 서로 분자 치환시켜 보다 복잡한 나노 스케일의 구조물의 형상을 보다 쉽고 빠르게 가공할 수 있도록 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 유리 나노 가공 방법은유리 기판 위에 분자 치환층을 형성하는 분자 치환층 형성 단계와, 유리 기판 위에 가공하고자 하는 형상과 대칭되게 분자 치환층을 패터닝(patterning) 하는 패터닝 단계와, 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환층을 이루는 원자를 서로 치환시키는 분자 치환 단계와, 유리 기판으로부터 패터닝된 분자 치환층을 제거하는 분자 치환층 제거 단계, 및 유리 기판에서 분자 치환된 부분을 식각하여 가공하는 가공 단계를 포함한다.
분자 치환층 형성 단계에서 분자 치환층은 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 금속막으로 이루어질 수 있다.
금속막은 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성되거나, 필라멘트 증착, 전자빔 증착, RF 전력 증착 및 플래쉬 증착 중 어느 하나의 열 증착법에 의해 형성될 수 있다.
유리 기판은 붕규산 유리 기판을 포함하고, 금속막은 알루미늄인 것을 포함한다.
분자 치환층 형성 단계에서 분자 치환층은 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 비금속막으로 이루어질 수 있다. 비금속막은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)에 의해 형성될 수 있다.
분자 치환층은 노광, 현상 및 식각 공정에 의해 패터닝될 수 있다. 상기 분자 치환층의 패턴닝 두께와 상기 유리 기판의 가공 깊이가 비례할 수 있다. 유리 기판과 금속막에 열과 전기장을 가하여 분자 치환시킬 수 있다.
전기장을 형성하는 전압의 세기와 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례한다. 열처리 온도와 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례한다. 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기의 조합에 의해 상기 유리 기판의 가공 깊이를 조절할 수 있다.
먼저, 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 이론적 배경을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 이론적 배경을 설명하는 도면이다.
이 도면들을 참조하여 설명하면, 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 기본 원리는 두 물질이 열과 전기장에 노출되었을 경우 분자의 치환이 이루어지면서 생기는 분자 구조상의 약화에 의해 식각 가공이 이루어지는 것이다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 1a에 도시한 바와 같이, 유리 기판으로 사용되는 붕규산 유리 기판 위에 알루미늄 금속막 패턴을 형성한다.
도 1b 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 열과 전기장에 노출시키게 되면 금속 패턴을 이루는 알루미늄 금속 원자(Al) 원자는 붕규산 유리 기판의 결정구조 내의 붕소(B) 원자와 서로 분자 치환된다.
따라서, 도 1d에서 도시한 바와 같이, 분자 치환된 알루미늄 금속 원자(Al)는 붕소(B) 원자 보다 사이즈가 더 크기 때문에 분자 치환된 유리 기판의 분자 구조를 약화시킨다. 따라서, 분자 치환된 유리 기판을 불산(HF)등에 식각액에 넣어 식각하면 분자 구조가 약화된 부분이 식각되며 가공된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나, 이하에서 설명하는 실시예들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 2의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 일실시예에 따른 유리 나노 가공 방법을 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법은 분자 치환층 형성 단계, 패터닝 단계, 분자 치환 단계, 분자 치환층 제거 단계 및 가공 단계를 포함하여 구성된다.
도 2의 (a)를 참조하여 설명하면, 분자 치환층 형성 단계는 유리 기판(1) 위에 분자 치환층(2)을 형성하는 단계이다.
여기서, 분자 치환층(2)을 이루는 원자와 유리 기판의 결정 구조를 이루는 원자가 서로 분자 치환할 수 있는 금속 또는 비금속으로 이루어진다.
유리 기판(1)의 결정 구조 안에서 결정 원자가 분자 치환층(2)의 원자와 분자 치환하는 것은 Goldschmidt's rule에 따라 이루어진다. 이 Goldschmidt's rule에 의하면 서로 치환되는 분자 크기의 차이가 15% 이내이어야 하고, 전하 차가 하나나 그 보다 적어야 한다. 그러나, 이 두 조건을 만족하더라도 전기 음성도(electrogrativites)나 분자 본드의 종류가 다른 경우 분자치환은 이루어지기가 어렵다.
따라서, 유리 기판(1) 위에 형성된 분자 치환층(2)의 재질은 유리 기판(1)의 결정 구조를 이루는 유리 결정 원자와 분자 치환 가능하며, 분자 치환된 유리 기판(1)의 분자 구조를 약화시킬 수 있도록 유리 결정을 이루는 결정 원자보다 사이즈 가 큰 원자로 이루어진 금속이나 비금속 모두 가능하다.
이와 같이, 유리 기판(1) 위에 금속 재질의 분자 치환층(2)을 형성하는 경우 박막 형태로 이루어지며, 이 금속막은 비교적 낮은 온도에서 형성되어야 한다. 따라서, 금속막은 일반적으로 낮은 압력에서의 박막 성장을 포함하므로 진공 증착의 범주에 속한다.
이 진공 증착법으로는 스퍼터링(sputtering)과, 열 증착법(thermal evaporation)이 사용가능하며, 열 증착법은 필라멘트 증착(filament evaporation), 전자빔 증착(electron beam evaporation), RF 전력 증착, 플래쉬 증착(flash evaporation)을 포함한다. 이들에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.
또한, 유리 기판(1) 위에 비금속 재질의 분자 치환층(2)을 형성하는 경우 이미 언급한 스퍼터링으로도 가능하나, 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)으로 형성하는 것이 보다 바람직하다. 이 화학 기상 증착법은 기체 상태의 화합물을 분해한 후 화학적 반응에 의해 반도체 기판 위에 박막이나 에피층을 형성하는 방법이다.
본 실시예에서는 유리 결정 구조에 붕소 원자가 포함된 붕규산 유리 기판을 예시하고 있다. 이 붕규산 유리 기판은 미국 코닝사에서 제조되는 파이렉스 유리 기판(pyrex glass) 사용한다.
그리고, 파이렉스 유리 기판(1) 위에 형성된 분자 치환층(2)의 재질은 파이렉스 유리 기판(1)의 결정 구조를 이루는 붕소(B) 원자와 분자 치환이 잘 이루어지며 그 원자 사이즈가 더 큰 알루미늄(Al) 금속을 예시하고 있다.
따라서, 금속막 형성 단계에서는 파이렉스 유리 기판(1) 위에 알루미늄(Al) 금속을 스퍼터링시켜 알루미늄 금속막(2)을 형성한다.
도 2의 (b)를 참조하여 설명하면, 패터닝 단계에서는 파이렉스 유리 기판(1) 위에 가공하고자 하는 형상과 대칭되게 알루미늄 금속막(2)을 패터닝한다.
알루미늄 금속막(2)을 패터닝하는 과정은 알루미늄 금속막(2) 상면에 감광제(AZ5214)를 도포한 다음 노광, 현상 및 식각 공정을 통해 이루어질 수 있다.
노광은 UV 광원에서 노출시킨 후 AZ300MIF 현상액을 사용하여 현상한다. 사진 식각(photolithography) 공정 후, H3PO4, HNO3, HC2H3O2, H2O를 16: 1: 1: 2의 비율로 섞은 알루미늄 식각 용액에 넣어서 원하는 패턴을 얻는다.
알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께는 알루미늄(Al) 원자가 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소(B) 원자와 분자 치환되는 깊이에 영향을 미치게 된다. 따라서, 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께는 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이를 결정하는 하나의 주요 변수로 작용한다.
도 2의 (c)를 참조하여 설명하면, 분자 치환 단계에서는 알루미늄 금속막 패턴(2a)이 형성된 파이렉스 유리 기판(1)에 열과 전기장 처리를 하여 파이렉스 유리 기판(1)의 결정 구조를 이루는 붕소(B) 원자와 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 알루미늄(Al) 원자가 분자 치환하도록 한다.
이 때, 열과 전기장 처리는 동시에 이루어져야 하나, 파이렉스 유리 기판(1)에 가해진 열 처리 온도 및 전압의 세기에 따라 서로 다른 가공 깊이를 얻을 수 있 다.
따라서, 온도 및 전압의 세기는 각각 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이를 결정하는 각각의 주요 변수로 작용한다.
여기서, 파이렉스 유리 기판(1)에 전압을 가하여 전기장 처리를 할 때는 극성 방향에 영향을 받는다.
따라서, 분자의 움직임을 고려했을 때 파이렉스 유리 기판(1)의 저면에는 음전압(-)을 걸어주고, 상면에 형성된 알루미늄 금속막 패턴(2a)에는 양전압(+)을 걸어 주는 것이 바람직하다.
이와 같은 분자 치환을 통해 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 형상에 대응하는 파이렉스 유리 기판(1)면의 분자 구조가 약해지게 된다.
도 2이 (d)를 참조하여 설명하면, 금속막 제거 단계에서는 열과 전기장 처리를 하여 분자 치환시킨 후 파이렉스 유리 기판(1) 위에 남아 있는 알루미늄 금속막 패턴(2a)을 제거한다.
파이렉스 유리 기판(1) 위에 남아 있는 알루미늄 금속막 패턴(2a)을 제거하기 위해서는 패터닝 단계에서 사용된 알루미늄 식각 용액을 사용한다.
이 때, 알루미늄 금속막 패턴(2a)이 남아 있을 경우 후 공정에 영향을 미칠 수 있기 때문에 알루미늄 금속막 패턴(2a)를 깨끗이 제거하는 것이 바람직하다.
도 2의 (e)를 참조하여 설명하면, 가공 단계는 파이렉스 유리 기판(1)이 분자 치환되어 분자 구조가 약해진 부분을 식각하여 원하는 형상(1a)으로 가공하도록 한다.
파이렉스 유리 기판(1)을 식각하기 위한 사용되는 식각 용액은 불산(HF)용액이며, 식각되는 속도를 높이기 위하여 불산(HF)용액의 희석 농도를 높여서 사용할 수도 있다. 이때 식각액은 다른 종류 식각액을 사용할 수도 있다.
이와 같이 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기를 조절하여 서로 다른 가공 깊이와 좀더 복잡한 나노 스케일의 3차원 형상의 구조물 가공이 가능해진다.
도 3은 본 발명의 금속막의 두께에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 전술된 유리 나노 가공 방법에 따라 나노 스케일의 형상을 가공 시 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께가 두꺼워 질수록 분자 치환 단계에서 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 알루미늄(Al) 원소가 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소(B) 원자와 더 깊이 분자 치환이 이루어지기 때문에 이에 비례하여 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이는 깊어진다.
도 4은 본 발명의 열처리 온도에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4을 참조하여 설명하면, 나노 스케일의 형상을 가공 시 분자 치환 단계에서 열처리 온도를 높일수록 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소 원자와 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 알루미늄 원소가 더 많은 분자 치환이 이루어지기 때문에 이에 비례하여 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이는 깊어진다.
도 5는 본 발명의 전압의 세기에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이 다.
도 5를 참조하여 설명하면, 전술된 유리 나노 가공 방법에 따라 나노 스케일의 형상을 가공 시 분자 치환 단계에서 전기장을 형성하기 위해 걸어주는 전압의 세기에 비례하여 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소 원자와 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 알루미늄 원소가 더 많은 분자 치환이 이루어지기 때문에 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이는 깊어진다.
따라서, 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기를 주요 변수로 하여 보다 다양한 가공 깊이를 얻을 수 있도록 함과 아울러 보다 복잡한 나노 스케일의 3차원 형상 가공이 가능하도록 한다.
이하에서는, 알루미늄 금속막 패턴(2a) 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기를 각각의 변수로 하여 실험한 실험결과들을 설명한다. 이러한 본 발명의 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예1
실험예1에서 파이렉스 유리 기판(1) 위에 형성된 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께를 변수로 하여 온도 및 전류의 세기를 일정하게 유지한 상태에서 파이렉스 유리 기판(1)에서 서로 다른 가공 깊이를 갖도록 하였다.
도 6는 실험예1의 금속막 두께에 따른 유리 나노 가공 과정을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 패터닝 단계에서 파이렉스 유리 기판(1) 위에 형성되는 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께를 2단으로 단차지게 형성하였다. 이 경우 분자 치환 단계에서 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께가 더 두꺼운 부분에서 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소 원자와 알루미늄 원소가 더 깊이 분자 치환이 이루어진다.
따라서, 금속막 제거 단계에서 파이렉스 유리 기판(1) 위에 남겨진 알루미늄 금속막 패턴(2a)을 제거한 후, 가공 단계서 불산(HF)용액에 넣어 식각하면 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 형상과 파이렉스 유리 기판(1)면을 중심으로 대칭을 이루며 이미지가 반전된 형상(1a)으로 가공된다.
도 7a는 실험예1의 가공 전 금속막 패턴의 형상을 도시한 그래프이고, 도 7b는 실험예1의 금속막 패턴의 형상에 따른 유리 나노 가공의 결과를 도시한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 그래프들을 통해 알 수 있듯이, 가공단계의 식각 공정 이전의 알루미늄 금속막 패턴(2a) 형상에 대한 폭과 깊이(보다 정확히는 두께)는 식각 공정 이후 파이렉스 유리 기판(1)에 가공된 형상(1a)의 두께 및 폭이 서로 대칭을 이루며 이미지가 반전된 형태로 가공되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께를 조절하여 보다 다양한 가공 깊이를 갖도록 가공함으로써 나노 스케일의 보다 복잡한 3차원 형상의 구조물 제작이 가능하다.
실험예2
실험예2는 열처리 온도를 변수로 하여 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께 및 전류의 세기를 일정하게 유지한 상태에서 파이렉스 유리 기판(1)에서 서로 다른 가공 깊이를 갖도록 하였다.
도 8은 실험예2의 열처리 온도에 따른 유리 나노 가공 과정을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 금속막 형성 단계 및 패터닝 단계를 통해 동일한 두께의 알루미늄 금속막 패턴(2a)들을 파이렉스 유리 기판(1)에 형성한다.
그리고 분자 치환 단계에서 모두 동일하게 1000v의 전압을 인가하여 전기장을 걸어준 상태로 각각 350℃, 400℃, 450℃, 500℃의 온도로 열처리 하였다.
이후, 금속막 제거 단계 및 가공 단계를 거쳐 파이렉스 유리 기판(1)에 가공된 깊이는 열처리 온도가 높아질수록 점점 더 깊어진다.
도 9의 (a) 내지 (d)는 실험예2의 열처리 온도에 따른 유리 나노 가공의 결과를 보여주는 사진이다.
도 9의 (a)는 350℃, 도 9의 (b)는 400℃, 도 9의 (c)는 450℃, 도 9의 (d)는500℃로 열처리한 후 가공된 상태를 현미경을 통해 촬영한 것이다.
도 9의 (a) 내지 (d)에 도시된 사진들을 통해 알 수 있듯이, 온도가 올라갈수록 그 이미지가 점점 더 뚜렷해지며 가공 깊이가 좀더 깊어지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 유리 나노 가공 방법에 의한 나노 스케일의 형상 가공시 분자 치환 단계에서 열처리 온도를 서로 다르게 조절함으로써 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이를 조절할 수 있다.
실험예3
실험예3에서는 전기장을 형성하는 전압의 세기를 변수로 하여 알루미늄 금속막 패턴(2a)의 두께 및 열처리 온도(500℃)를 일정하게 유지한 상태에서 파이렉스 유리 기판(1)에서 서로 다른 가공 깊이를 갖도록 하였다.
도 10은 실험예3에서 전압의 세기에 따른 유리 나노 가공 과정을 도시한 도면이다.
이들 도면을 참조하여 설명하면, 분자 치환 단계에서 모두 동일하게 온도를 500℃로 유지시킨 상태에서 각각 700V, 800V, 900V, 1000V의 서로 다른 전압을 걸어 주면 이후, 금속막 제거 단계 및 가공 단계를 거쳐 파이렉스 유리 기판(1)에 가공된 깊이는 전압(V)의 세기가 커질수록 가공 깊이는 점점 더 깊어진다.
도 11의 (a) 내지 (d)는 실험예3의 전압의 세기에 따른 유리 나노 가공의 결과를 보여주는 사진이며, 도 12a 내지 도 12d는 실험예3의 전압의 세기에 따른 유리 나노 가공의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 11의 (a) 내지 (d)에 도시된 현미경을 통해 본 사진들로 알 수 있듯이, 전압의 세기가 올라갈수록 그 이미지가 점점 더 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 12a 내지 도 12d에 도시된 그래프들을 통해 알 수 있듯이 전압의 세기가 올라갈수록 가공 깊이가 깊어지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 유리 나노 가공 방법에 의해 나노 스케일의 형상 가공시 분자 치환 단계에서 전기장을 형성하는 전압(V)의 세기를 조절함으로써 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이를 조절할 수 있다.
특히, 동일 유리 기판에 서로 다른 전압을 가해줌으로써 서로 다른 가공 깊이를 갖도록 하는 것이 가능하다. 따라서, 동일 유리 기판에 서로 다른 가공 깊이를 갖는 좀더 복잡한 형상의 구조물 제작이 가능하다.
이와 같이 전술한 실시예 및 실험예들을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 유리 나노 가공 방법은 알루미늄 금속막 패턴(2)의 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기에 따라 가공되는 가공 깊이의 조절이 가능하므로 복잡한 나노 스케일의 3차원 형상을 제작할 수 있도록 한다.
또한, 일반적인 습식 식각은 속도 및 경제성에 큰 장점이 있지만 등방성 식각 프로파일이 일반적이라 작은 사이즈의 패턴을 만드는 경우에는 한계를 가지며 현재의 나노 구조물에 이용되는 식각은 건식 식각을 기본으로 하고 있다.
하지만, 본 발명의 유리 나노 가공 방법은 습식 식각을 사용하지만 이방성 식각 프로파일을 나타내므로 나노 스케일에서도 사용이 가능하며, MEMS(micro electro mechanical system, 마이크로머신) 가공법에 약간의 변화를 주어 기존의 장비들을 그대로 활용할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 유리 나노 가공 방법은 유리 결정 원자와 금속 원자를 서로 분자 치환시킨 후 식각을 통해 나노 스케일의 구조물의 형상을 보다 쉽고 빠르게 가공할 수 있도록 한다.
또한, 금속막 패턴의 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기에 따라 가공되는 깊이 조절이 가능하므로 나노 스케일의 보다 복잡한 3차원 구조물의 형상을 보다 효과적으로 가공할 수 있도록 한다.

Claims (14)

  1. 유리 기판 위에 유리 결정 원자보다 결정 원자의 사이즈가 크고, 전하차가 하나 이하인 분자 치환층을 형성하는 분자 치환층 형성 단계,
    상기 유리 기판 위에 가공하고자 하는 형상과 대칭되게 상기 분자 치환층을 패터닝(patterning) 하는 패터닝 단계,
    상기 유리 기판의 상기 유리 결정 원자와 상기 분자 치환층을 이루는 결정 원자를 서로 치환시키는 분자 치환 단계,
    상기 유리 기판으로부터 패터닝된 상기 분자 치환층을 제거하는 분자 치환층 제거 단계, 및
    상기 유리 기판에서 분자 치환되어 유리 결정 구조가 약화된 부분을 식각하여 가공하는 가공 단계
    를 포함하는 유리 나노 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분자 치환층 형성 단계에서,
    상기 분자 치환층은 상기 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 금속막으로 이루어지는 유리 나노 가공 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속막은,
    스퍼터링(sputtering)에 의해 형성되는 유리 나노 가공 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속막은,
    필라멘트 증착, 전자빔 증착, RF 전력 증착 및 플래쉬 증착 중 어느 하나의 열 증착법에 의해 형성되는 유리 나노 가공 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유리 기판은 붕규산 유리 기판을 포함하는 유리 나노 가공 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속막은 알루미늄인 것을 포함하는 유리 나노 가공 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분자 치환층 형성 단계에서,
    상기 분자 치환층은 상기 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 비금속막으로 이루어지는 유리 나노 가공 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비금속막은,
    화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)에 의해 형성되는 유리 나노 가공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패터닝 단계에서,
    상기 분자 치환층은 노광, 현상 및 식각 공정에 의해 패터닝되는 유리 나노 가공 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분자 치환층의 패턴닝 두께와 상기 유리 기판의 가공 깊이가 비례하는 유리 나노 가공 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 분자 치환 단계는,
    상기 유리 기판과 상기 금속막에 열과 전기장을 가하여 분자 치환시키는 유리 나노 가공 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기장을 형성하는 전압의 세기와 상기 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례하는 유리 나노 가공 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열처리 온도와 상기 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례하는 유리 나노 가공 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 열처리 온도 및 상기 전기장을 형성하는 전압의 세기의 조합에 의해 상기 유리 기판의 가공 깊이를 조절하는 유리 나노 가공 방법.
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