KR100724598B1 - 열가소성 고분자 필름을 이용한 나노 임프린트용 스탬프제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 나노 스케일의 구조를 갖는 임프린트 리소그래피용 스탬프를 제조함에 있어서, 기존에 제작된 마스터 스탬프를 이용하여 복제 스탬프를 만들어내어 이를 반복 사용할 수 있도록 하며, 다수의 복제 스탬프를 언제든지 필요할 때 공급할 수 있도록 하여 보다 낮은 공정 단가의 나노 임프린트 공정이 가능하도록 하며, 또한, 열가소성 수지 등을 사용하여 마스터 스탬프로부터 복제 스탬프를 얻는 방법을 제공하여, 재료비의 저감과 함께 공정 난이도를 낮추어 보다 생산성이 향상된 나노 임프린트 공정을 달성할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법은, 집적 회로 제조를 위한 소정 패턴이 적어도 한쪽 면에 인각된 마스터 스탬프를 준비하는 단계; 열가소성 고분자 재질의 소정 두께의 필름을 제1 온도로 가열하는 단계; 상기 마스터 스탬프의 상기 소정 패턴이 인각된 면을 상기 열가소성 고분자 재질의 필름에 압착하는 단계; 상기 열가소성 고분자 재질의 필름을 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및 상기 마스터 스탬프를 상기 열가소성 고분자 재질의 필름으로부터 분리하는 단계를 포함한다.

나노 임프린트, 리소그래피, 스탬프, 열가소성 수지, PVC, PET

Description

열가소성 고분자 필름을 이용한 나노 임프린트용 스탬프 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING NANO-SCALE IMPRINTING STAMP USING THERMOPLASTIC POLYMER FILM}

도 1은 열경화 방식을 이용한 일반적인 나노 임프린트 공정을 나타낸 도면

도 2는 자외선 경화 방식을 이용한 일반적인 나노 임프린트 공정을 나타낸 도면

도 3은 본 발명에서 사용하고자 하는 재질의 유리전이 특성을 알아보기 위한 실험 그래프

도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 핫엠보싱 공정을 이용한 나노 임프린트용 스탬프 제조 공정을 나타내는 예시도

도 8과 도 9는 마스터 스탬프의 전자 현미경 사진 예시도

도 10과 도 11은 본 발명에 따라 PVC재질의 필름에 복재한 상태의 전자 현미경 사진 예시도

도 12는 본 발명에 따라 6인치 웨이퍼에 나노 임프린트 공정을 수행하기 위한 PVC재질의 스탬프 사진 예시도

본 발명은 나노 임프린트 리소그래피 공정에 관한 것으로, 특히, 나노 스케일의 구조를 갖는 스탬프를 단순한 공정에 의하여 낮은 생산 단가로 대량 생산할 수 있는 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 나노기술은(NT : Nano Technology)은 정보기술(IT : Information Technology) 및 생명공학기술(BT : Bio Technology)과 더불어 21세기 산업 발전을 주도할 새로운 패러다임의 기술로서 주목받고 있다.

상기 나노기술은 물리학, 화학, 생물학, 전자공학 및 재료공학 등 여러 과학기술 분야가 융합되어, 기존 기술의 한계를 극복하고, 다양한 산업 분야에 기술 혁신을 줌으로써, 인류의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.

나노기술은 접근 방법에 따라, 크게 위로부터 아래로의 접근(Top-down) 방식과 아래로부터 위로의 접근(Bottom-up) 방식으로 나누어질 수 있다. 위로부터 아래로의 접근 방식은 지난 수십여년 동안 발전되어온 반도체 직접 소자의 역사에서 볼 수 있듯이, 기존의 미세 구조 제작 기술을 나노미터 스케일까지 더욱 발전시켜 정보 저장 용량 및 정보 처리 속도의 증대를 지속하고자 하는 기술이다. 이에 반해, 아래로부터 위로의 접근 방식은 물질을 원자 혹은 분자 단위 수준에서 제어하거나 자발적인 나노 구조 형성 현상을 이용하여 기존의 기술로는 불가능한 새로운 물리적, 화학적 성질을 유도하고 이를 이용하여 새로운 소재 및 소자를 제작하도록 하는 기술이다.

위로부터 아래로의 접근 방식의 대표적인 예로는, 기존의 반도체 소자 제조 공정에 사용되고 있는 광학 리소그래피(Optical Lithography) 기술을 들 수 있다. 정보 기술 혁명으로 일컬어지는 20세기의 기술 발전은 반도체 소자의 소형화 및 직접화에 크게 의존해 왔으며, 이러한 반도체 소자 제조 공정의 핵심 기술이 바로 광학 리소그래피 기술이다. 현재 광학 리소그래피의 광원은 최소 선폭이 130nm인 불화크립톤(KrF) 레이저로부터 고해상도의 불화아르곤(ArF) 레이저로 이행되고 있다. 하지만, 불화아르곤 레이저에 의한 제조되는 반도체 소자의 최소 선폭은 100nm인데 반해, 근래 들어 100nm 이하의 최소 선폭이 요구되고 있는 실정이다.

이러한 상황에서 초미세 기술로서 기대되고 있는 것은 F2 레이저 리소그래피, 극자외선 리소그래피, 전자빔 투영 리소그래피, X-선 리소그래피 등이다.

이들 리소그래피 기술들은 40nm에서 70nm까지의 패턴 제작에는 적용될 수 있지만, 점차 미세화가 진행됨에 따라 노광 장비 자체의 초기 투자비용의 지수 함수적 증가와 더불어, 사용되는 빛의 파장과 같은 정도의 해상도를 갖는 마스크의 가격도 급등하게 되는 등 여러 가지 문제들을 내포하고 있다. 다시 말해, 기존의 리소그래피 기술들은 나노미터 영역까지 연장해 가는 기술 개발의 어려움과 더불어 이러한 기술이 과연 경제적 효용성을 갖고 있느냐에 커다란 의문을 불러일으키고 있다.

이러한 상황에서 대두된 것이 나노 임프린트(nano imprint) 기술이다. 나노 임프린트 기술은 1990년대 중반 미국의 스테판 츄(Stephen Y. Chou) 교수에 의해 도입된 나노 소자 제작 방법으로서, 낮은 생산성을 갖는 전자빔 리소그래피나 고가의 광학 리소그래피를 대신할 기술로 주목받고 있다.

나노 임프린트의 핵심은 전자빔 리소그래피나 다른 방법을 이용하여 나노스케일의 구조를 갖는 스탬프(stamper)(또는 몰드)를 제조하고, 제작된 스탬프를 고분자 박막에 임프린트하여 나노 스케일의 구조를 전사하고, 이를 반복 사용함으로써 전자빔 리소그래피의 생산성 문제를 극복하는 것이다.

첨부한 도 1과 도 2는 두 가지 방식의 나노 임프린트 공정을 간략히 설명한 도면으로써, 도 1은 열경화 방식을 이용한 나노 임프린트 공정을 나타낸 도면이고, 도 2는 자외선 경화 방식을 이용한 나노 임프린트 공정을 나타낸 도면이다.

우선 첨부한 도 1을 참조하여 열경화 방식을 이용한 나노 임프린트 공정을 살펴보면, 도 1의 참조번호 (a)로 지칭되는 공정에서와 같이, 실리콘과 같은 기판(111)에 고분자 박막(113)이 스핀 코팅에 의해 형성된다. 이때, 미리 제작된 스탬프(115)(또는 몰드)를 기판(111)에 평행하게 위치시키고, 고분자 박막(113)의 유리 전이 온도까지 가열시킨다.

이어서, 도 1의 참조번호 (b)로 지칭되는 공정에서와 같이, 스탬프(115)를 고분자 박막(113)과 물리적 접촉을 시킨 다음 압력을 가한 후 온도를 낮춘다.

이후 도 1의 참조번호 (c)로 지칭되는 공정에서와 같이, 온도가 유리 전이 온도 이하가 되면, 스탬프(115)를 고분자 박막(113)으로부터 분리시킨다.

그리고 도 1의 참조번호 (d)로 지칭되는 공정에서와 같이, 잔류 고분자를 제거하게 되면, 기판(111) 상의 고분자 박막(113)에 소정의 패턴이 형성되게 된다.

한편, 첨부한 도 2를 참조하여 자외선 경화 방식을 이용한 나노 임프린트 공정을 살펴보면, 도 2의 참조번호 (a)로 지칭되는 공정에서와 같이, 실리콘과 같은 기판(121)에 고분자 박막(123)이 스핀 코팅에 의해 형성되고, 고분자 박막(123) 상에 광 경화 액체 물질(125)이 올려진다.

이때, 미리 제작된 스탬프(127)를 상기 광 경화 액체 물질(125)에 접촉되게 하면서 자외선(UV)을 조사하고, 이에 따라 액체 물질이 경화되면서, 스탬프(127)의 패턴이 경화된 액체(125)에 임프린트되게 된다(도 2의 참조번호 (b)로 지칭되는 공정 참조). 여기서, 상기 스탬프(127)에는 경화된 액체(125)와의 분리를 용이하게 하기 위한 물질이 코팅될 수 있다.

다음에, 도 2의 참조번호 (c)로 지칭되는 공정과 같이, 임프린트된 스탬프(127)를 경화된 액체 물질(125)로부터 분리한다. 따라서 고분자박막(123) 상의 경화된 액체 물질(125)에 패턴이 형성되게 된다.

이때, 상기 경화된 액체 물질(125)에 의한 패턴을 마스크로 사용하여 노광을 하여 고분자 박막(123)을 식각한 다음, 경화된 물질(125)을 제거함으로써, 기판(121) 상에 고분자 박막(123) 패턴이 형성되게 된다(도 2의 참조번호 (d)로 지칭되는 공정 참조).

여기서, 자외선 경화 방식을 이용한 임프린트 리소그래피 기술은 높은 온도와 압력을 필요로 하지 않기 때문에 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.

그런 상술한 임프린트 리소그래피 기술을 적용하기 위해 현재까지 사용하고 있는 스탬프는 석영(Quartz) 계열을 사용하고 있는데, 석영계열은 그 특성상 전사능력의 우수성은 인정되나 제조 공정이 복잡하고 제조 시간, 재료비용 및 공정 비용이 높을 뿐만 아니라, 재료가 유연성이 없고 취성이 크므로 깨지거나 손상되기가 쉬워 생산 현장에서 핸들링(handling)이 까다롭다는 단점을 가지고 있어, 점차 경쟁이 치열해지고 있는 반도체 분야의 산업 현장에서 생산 단가의 절감을 위해 이를 대체할 만한 기술의 개발이 절실한 실정이다.

또한, 석영은 표면이 친수성이므로 스탬핑 하고자 하는 표면의 고분자 레진과는 잘 붙는 경향이 있으며, 따라서 표면을 소수성으로 만들어주는 코팅을 항상 하여야 한다. 고온에 잘 견디고 투명도가 높은 것이 석영 재질의 장점이기는 하나, 자외선을 이용하여 경화시키는 공정의 경우 고온이 필요 없으며, 일반적인 고분자 재료들도 석영의 80-90%의 투명도를 가지는 것들을 용이하게 찾을 수 있다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 나노 임프린트 리소그래피 공정에 관한 것으로 특히, 나노 스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제조함에 있어서, 실리콘 기판 등으로 제작된 마스터 스탬프를 이용하여 고분자 재료로 된 복제 스탬프를 만들어내고, 이를 반복 사용할 수 있도록 하며, 다수의 복제 스탬프를 언제든지 필요할 때 공급할 수 있도록 하는 방식을 통하여 보다 낮은 공정 단가의 나노 임프린트 공정을 달성할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 열가소성 수지 등을 사용하여 마스터 스탬프로부터 복제 스탬프를 얻는 방법을 제공하여, 재료비의 저감과 함께 공정 난이도를 낮추어 보다 생산성이 향상된 나노 임프린트 공정을 달성할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 임프린트 리소 그래피용 스탬프 제조 방법은, 집적 회로 제조를 위한 소정 패턴이 적어도 한쪽 면에 인각된 마스터 스탬프를 준비하는 단계; 열가소성 고분자 재질의 소정 두께의 필름을 제1 온도로 가열하는 단계; 상기 마스터 스탬프의 상기 소정 패턴이 인각된 면을 상기 열가소성 고분자 재질의 필름에 압착하는 단계; 상기 열가소성 고분자 재질의 필름을 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및 상기 마스터 스탬프를 상기 열가소성 고분자 재질의 필름으로부터 분리하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 마스터 스탬프는, 유리 전이 온도 또는 상전이 온도가 상기 제1온도를 초과하는 재질인 것이 바람직하다. 특히, 상기 마스터 스탬프는 실리콘(Si) 또는 석영(quartz) 재질일 수 있다.

또한, 상기 열가소성 고분자 재질의 필름은, 자외선(UV)에 대하여 투명한 재질인 것이 바람직하다. 특히, 상기 열가소성 고분자 재질의 필름은, 염화 비닐 수지(PVC) 또는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET)일 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 온도는, 상기 열가소성 고분자 재질 필름의 유리 전이 온도 이상의 온도이다. 또한, 상기 제2 온도는, 상기 열가소성 고분자 재질 필름의 유리 전이 온도 미만의 온도임이 바람직하다.

특히, 상기 열가소성 고분자 재질의 필름이 PVC일 경우, 상기 제2 온도는 120℃ 미만인 것이 적당하다.

본 발명의 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법은, 필요에 따라, 상기 준비된 마스터 스탬프의 표면에 대하여, 상기 열가소성 고분자 재질 필름과의 점착성(adhesion) 저하를 위한 버퍼 층을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 버퍼 층은 액상 자기 결합 단일 층(self-assembled monolayer) 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 따른 임프린트 리소그래피용 스탬프는, 상술한 제조 방법에 의하여 제조된 것임을 특징으로 한다.

나아가서, 본 발명의 제3 특징에 따른 집적 회로 제조 방법은, 상술한 임프린트 리소그래피용 스탬프를 회로 패턴 형성을 위해 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야의 통상의 지식을 갖는 자들에게는, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

우선 본 발명에 적용되는 기술적 사상을 간략히 살펴보면, 반도체 공정(photo lithography나 e-beam lithography)으로 만든 Si 또는 Quartz 스탬프는 너무 고가이고 만들기 어려우므로 다른 재질의 스탬프로 duplicate, replicate 하여서 값싼 replicated 스탬프를 이용하여 임프린팅 함이 원칙이다.

이때, 스탬프로 적용되기 위한 재질의 특성은 적절한 유연성과 강도를 지니고 있으면서 열 혹은 자외선 경화 방식에 적용가능 하여야 한다.

따라서 염화 비닐(PVC)이나 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 열가소성 고분자 물질이므로 열경화 방식에 적용가능하며 더욱이 자외선(UV)에 대하여 투명(transparent)하기 때문에 자외선 경화 방식에 적용가능 할 것이라는 데 착안한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한 다.

첨부한 도 3은 본 발명에서 사용하고자 하는 재질의 유리전이 특성을 알아보기 위한 실험 그래프로써, 우선 PVC 필름(film)의 유리전이온도를 알기 위해서 DSC 측정을 한 것이다.

첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 PVC의 유리전이온도는 80℃~120℃ 임을 알 수 있었다.

따라서 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 소정두께의 PVC 필름(film)(200)을 구비하고, 참조번호 201로 지칭되는 미리 제작되어진 마스터 스탬프를 상기 PVC 필름(film)(200)에 평행하게 위치시키며, 상기 PVC 필름(200)의 유리 전이 온도인 80℃~120℃의 열환경을 형성시킨다.

이후 첨부한 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 마스터 스탬프(201)를 상기 PVC 필름(200)과 물리적 접촉을 시킨 다음 균등 압력(예를 들어, 20 atm)을 가한 후 온도를 낮춘다.

상술한 과정을 수행하여 열환경의 온도가 유리 전이 온도인 80℃~120℃에 비해 낮아지면, 첨부한 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 마스터 스탬프(201)를 PVC 필름(200)으로부터 분리시킨다.

따라서 첨부한 도 7에 도시되어 있는 바와 같은 나노 임프린트용 스탬프를 완성하게 된다.

상술한 바와 같은 과정에 의해 염화 비닐(PVC)이나 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 열가소성 고분자 물질을 나노 임프린트용 스탬프로 사용하는 경우 신뢰성에 대해 첨부한 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 8과 도 9는 마스터 스탬프의 전자 현미경 사진 예시도으로, 도 8과 도 9에 도시되어 있는 패턴을 갖는 마스터 스탬프는 실리콘 재질의 100㎚ 라인 패턴을 갖는 경우이다.

따라서 상기 도 8과 도 9에 나타나 있는 패턴의 마스터 스탬프를 사용하여 상기 도 4 내지 도 7의 과정을 통해 형성되어진 PVC재질의 나노 임프린트용 스탬프에 대해 복재한 상태의 전자 현미경 사진 예가 첨부한 도 10과 도 11에 도시되어 있다.

도 8과 도 9에 도시되어진 원래의 패턴과 도 10과 도 11에 도시되어진 전사패턴의 상태를 볼 때 매우 신뢰성이 높다는 것을 알수 있다.

첨부한 도 12는 본 발명에 따라 6인치 웨이퍼에 나노 임프린트 공정을 수행하기 위한 PVC재질의 스탬프 사진 예시도이다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 의하여, 나노 스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제조함에 있어서, 기존에 제작된 마스터 스탬프를 이용하여 복제 스탬프를 만들어내고, 이를 반복 사 용할 수 있도록 하며, 다수의 복제 스탬프를 언제든지 필요할 때 공급할 수 있도록 하는 방식을 통하여 보다 낮은 공정 단가의 나노 임프린트 공정을 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 제공되는, 열가소성 수지 등을 사용하여 마스터 스탬프로부터 복제 스탬프를 얻는 방법을 사용하여, 재료비의 저감과 함께 공정 난이도를 낮추어 보다 생산성이 향상된 나노 임프린트 공정을 달성할 수 있다.

Claims (12)

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2. 삭제
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5. 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법에 있어서,

   집적 회로 제조를 위한 소정 패턴이 적어도 한쪽 면에 인각된 마스터 스탬프를 준비하는 단계;

   열가소성 고분자 재질의 소정 두께의 필름을 제1 온도로 가열하는 단계;

   상기 마스터 스탬프의 상기 소정 패턴이 인각된 면을 상기 열가소성 고분자 재질의 필름에 압착하는 단계;

   상기 열가소성 고분자 재질의 필름을 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및

   상기 마스터 스탬프를 상기 열가소성 고분자 재질의 필름으로부터 분리하는 단계를 포함하며,

   상기 열가소성 고분자 재질의 필름은, 염화 비닐 수지(PVC) 또는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET)인 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법에 있어서,

   집적 회로 제조를 위한 소정 패턴이 적어도 한쪽 면에 인각된 마스터 스탬프를 준비하는 단계;

   열 가소성 고분자 재질의 소정 두께의 필름을 제1 온도로 가열하는 단계;

   상기 마스터 스탬프의 상기 소정 패턴이 인각된 면을 상기 열가소성 고분자 재질의 필름에 압착하는 단계;

   상기 열가소성 고분자 재질의 필름을 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및

   상기 마스터 스탬프를 상기 열가소성 고분자 재질의 필름으로부터 분리하는 단계를 포함하며,

   상기 열가소성 고분자 재질의 필름은 PVC이고, 상기 제2 온도는 120℃ 미만인 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피용 스탬프 제조 방법.
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