KR100843342B1 - Ｕｖ 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치 - Google Patents

Ｕｖ 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균일한 압력 인가 방식을 통해 고분자 잔여층을 제거하고, 에어 트랩(Air trap)에 의한 결함을 감소시키며, 대면적의 균일한 패턴(Pattern) 전사성을 가지고 전체 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정은 (a) 메탈 기질에 레진을 스핀 코팅한 후, 상기 레진 상부에 몰드를 올려 놓는 단계; (b) 균일한 압력 인가를 위해 상기 몰드 상부에 폴리디메틸실록산(PDMS) 패드를 올려 놓는 단계; (c) 석영 샤프트를 이용하여 상기 PDMS 패드에 압력을 인가하는 단계; (d) 상기 압력이 인가된 상태에서 상기 석영 샤프트를 통해 UV를 조사하는 단계; (e) UV 경화 반응에 의해 경화된 상기 레진에서 상기 몰드를 떼어 내는 단계; (f) 패턴과 패턴 사이의 고분자 잔여층을 산소 플라즈마 애싱(O2 plasma ashing) 처리를 통해 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치는 진공 챔버; 상기 진공 챔버의 내부에 수납되며, 샘플의 틸트(Tilt) 및 센터링(Centering)을 확보시키는 틸트 및 디센터링 보정부; 상기 틸트 및 디센터링 보정부의 상부에 설치되며, 상기 샘플에 자외선을 조사하는 UV 조사부; 그리고 상기 UV 조사부에 UV를 공급하는 UV 파이버 소스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
NIL, 진공 챔버, 레진, 석영 샤프트, PDMS

Description

ＵＶ 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치{Process and device for ultraviolet nano imprint lithography}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 전체 수행 공정을 나타낸 도면
도 2는 틸트(Tilt)에 따른 NIL 공정 후의 비균등 패턴을 나타낸 도면
도 3a 및 도 3b는 틸트에 따른 NIL 공정 후의 비균등 패턴과 미경화된 패턴을 나타낸 사진
도 4는 PDMS 패드의 위치 변경을 통해 틸트 현상에 따른 문제점 보정 방법을 나타낸 도면
도 5는 디센터링(Decentering)에 따른 NIL 공정 후의 비균등 패턴을 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치에 있어서의 틸트 및 디센터링 보정부를 나타낸 정면도
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정을 나타낸 도면
도 8은 틸트와 디센터링 보정 후의 NIL 공정 결과를 나타낸 사진
도 9는 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치의 전체 구성 을 나타낸 사시도 및 부분 확대도
도 10은 폴리머 몰드를 사용하여 NIL 공정을 수행한 후 비균등 UV 소스(Source) 인가에 따른 패턴 비균등 현상을 나타낸 사진
도 11a는 도 9에 도시된 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치에 있어서의 UV 조사기와 석영 샤프트를 나타낸 정면도
도 11b는 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치에 있어서의 UV 조사부의 구성을 나타낸 사진
도 11c는 도 11b에 도시된 UV 조사부의 조립 단면도
도 11d는 도 11b에 도시된 UV 조사부에 있어서의 고정 지그와 석영 샤프트, 화인 헤이즈 디퓨저 필름(fine haze diffuser film,FHDF)을 나타낸 사진
도 12a 및 도 12b는 도 11d에 나타난 FHDF 적용 전후의 UV 소스 분포를 나타낸 사진
도 13은 본 발명에 따른 균일한 UV 소스 인가후의 NIL 공정 결과를 나타낸 사진
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 베이스 플레이트 2 : 메탈 기질
3 : 레진 4 : 석영 몰드
5 : PDMS 패드 7 : 센터링 가이드
8 : 센터링 가이드 로드 9 : 몰드 로딩 플레이트
10 : 스프링 11 : 로딩 플레이트
12 : 볼 20 : 제어반
30 : 진공 챔버 32 : 본체
34 : 도어 40 : UV 파이버 소스
51 : 지지부재 52 : 끼움부재
53 : UV 조사기 54 : 고정 지그
55 : 석영 샤프트 60 : FHDF
본 발명은 나노 임프린트 리소그래피에 관한 것으로, 특히 몰드와 레진이 진공 상태에서 서로 접촉함으로써 에어 트랩(Air trap)에 의한 결함을 줄이고, 몰드 패턴 표면의 거칠함(Roughness)을 개선하며, 고출력 UV 소스(Source)를 샘플(Sample)에 균일하게 인가하여 고분자 잔여층의 제거와 함께 균일한 패턴의 전사가 가능하도록 구성된 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 패턴 전사 기술의 핵심은 포토 리소그래피(Photo lithography) 기술로서 포토 리소그래피용 마스크 제작이나 미세 패턴 형성 등에는 전자선 빔 리소그래피 기술, 나아가서는 방사광 등을 이용하는 X선 노광 기술이 이 용되고 있다. 하지만 이들 기술은 미세화를 추구하는 과정에서 더 고도화되고 비용이 많이 드는 기술이 되어 한정된 기관에서만 그 기술의 혜택을 받을 수 있는 실정이다.
효율적이고 경제적인 패턴 형성 기술로서 실리콘(Si)상에 형성된 이산화규소(SiO2) 요철 패턴(몰드)을 레지스트 등에 프레스 전사하는 나노 임프린트 기술(nano imprint lithography, NIL)이 1995년경부터 주목받아, 이 기술로 대면적 극미세 패턴도 형성할 수 있게 되었다. 그 중에서도 특히 미네소타(Minnesota) 대학 그룹은 NIL을 통한 서브 미크론 패턴 전사를 선구적으로 시작하여, 10㎚ 도트 패턴 전사 보고로 Nano-CD라는 초고밀도 기억 매체에 응용할 수 있는 가능성을 가장 먼저 제시했다.
NIL을 통한 기존 리소그래피의 대체로 MOS-FET, MSM, 회절 격자 등의 전자 디바이스나 광학소자에 응용하는 것도 이미 보고되었으며, NIL을 통한 일괄 패턴 전사는 나노대의 미세 구조까지 가능해지고 있는데 일반적인 포토 리소그래피로 실시되고 있는 위치 조절을 동반하는 패터닝은 현재로서는 곤란하다.
텍사스(Texas) 대학 그룹은 그 문제를 UV 투과성 템플레이트와, 2층 레지스트를 이용하여 해결하고 0.25미크론 이하의 정도로 위치를 조절해 패턴을 형성한 결과를 발표하였고, 스텝 앤드 플래시(step & flash) 임프린트 리소그래피(SFIL)라고 명명하여, 현재 포토 리소그래피로 실시하고 있는 집적소자의 작성도 가능하다는 것을 시사하고 있다.
나노 프린팅 기술이란 프레스로 몰드 패턴을 기판에 직접 전사하는 것으로, 피가공 기판에 복잡한 단차를 비교적 간편하게 형성할 수 있으며, 직접 프린트하여 지금까지 여러 번의 포토 리소그래피 프로세스가 필요하던 것이 한 번의 프레스 전사로 완료되므로 특히 다단 형상을 제작할 때 이 기술은 매우 효과적인 리소그래피 기술이 될 것으로 보인다.
상기한 나노 임프린트 리소그래피는 크게 2가지 방법으로 나뉠 수 있다. 첫째로, 누르고자 하는 고분자 층에 빛을 조사하여 화학구조를 변형시키는 노광공정과는 달리 열적으로 고분자 층을 유동성 있게 만든 다음 패턴이 있는 주형을 접촉시키고 물리적으로 눌러서 고분자 층에 원하는 패턴을 만들어 내는 방법으로서, 이를 열전사(Hot Embossing) 혹은 서멀 임프린트 리소그래피(Thermal Imprint Lithography)라고 부르기도 한다.
그런데 이렇게 열을 가하면서 강한 압력을 누르게 되면 장치가 복잡해지고 따라서 공정의 경제성에 흠이 된다. 또한 강한 압력으로 인한 대면적 공정의 어려움 및 기판이 깨지기 쉬운 문제 등 여러 가지 공정상의 문제점이 대두된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 두 번째 방법으로서 UV로 경화되는 고분자를 이용한 UV조력 임프린트 리소그래피(UV assisted Imprint Lithography)가 소개되었다. 텍사스(Texas) 대학의 C. G. Willson 및 S. V. Sreenivasan 교수가 제안한 이 방법은 대체적으로 기존의 열전사 방법과 일치하나 UV를 통해 경화시키기 때문에 거의 물과 같은 점도를 가지고 있는 액체를 누르는 방식이며 따라서 누르는 압력이 상압 이하로도 떨어질 수 있다.
또한 UV를 통해 경화시켜야 하므로 사용하는 몰드는 석영(Quartz) 계통의 투명한 몰드가 사용되어야 한다. 이 방법은 공정상으로 볼 때 기존의 임프린트 방법보다 많은 장점이 있는 것은 사실이나 석영 몰드에 나노패턴을 새기는 작업이 상당히 어려우며, 따라서 몰드 제작 비용이 천문학적으로 증가하게 된다. 또한 몰드를 접촉시킬 때 기포가 갇히게 되어 결함(Defect)이 많이 생기게 되므로 이에 대한 조절이 문제가 된다. 현재 이 두 가지 임프린트 방법이 세계적으로 양분화되어 사용되고 있으며 각각이 장단점에 따라 다양한 적용 분야에 사용되고 있는 상황이다.
최근 NIL 공정의 화두로 떠오르는 것은 크게 세가지가 있는데 첫째는, 대면적 공정이고, 두번째는 고분자의 잔여층을 최소화하는 것이며, 세번째는 얼라인먼트(Alignment)이다. 이외에도 공정상에 어떻게 하면 몰드를 깨끗이 떼어낼 수 있는 가와, 사용하는 압력, 온도를 좀더 낮은 압력, 낮은 온도로 낮추려는 노력이 필요하다.
먼저, 대면적 공정에 관해서는 4인치 정도의 공정은 결함(Defect)이 거의 없이 성공적으로 진행될 수 있음이 많이 보고되었으며, 그 이상의 사이즈에 대해서는 아직 웨이퍼(Wafer)를 한 번의 공정으로 전면적으로 패턴 이송한 결과가 발표되지 않고 있다. 그 이유는 그렇게 큰 면적에 고른 압력을 가하기가 매우 어려운 문제도 있으며 몰드 자체의 단가가 매우 고가여서 경제적이지 못하다는 단점 때문이다.
따라서 최근에는 작은 크기의 몰드를 여러 번 반복해서 찍어내는 스텝 앤드리피트(Step and Repeat) 방법이 널리 사용되며 이 경우 이론적으로는 8인치 이상의 대면적 웨이퍼에도 무리없이 공정이 적용 가능하다.
두번째로 고분자 잔여층의 문제는 임프린트 공정이 가지고 있는 큰 약점으로 보이며, 이는 몰딩 공정의 전반적인 문제이기도 하다. 즉, 몰드로 고분자를 누른 후 기판에는 항상 일정 두께 이상의 고분자 잔여층이 남기 때문에 이를 제거하는 고분자 에칭 공정을 포함하여 항상 2단계의 건식 식각이 이루어져야 하는 문제가 있다. 이는 100나노 이상의 극심한 영역에서 특히 문제가 될 것으로 보이며 이를 줄이기 위한 공정상의 노력이 현재에도 활발히 진행 중이다.
세번째로, 얼라인먼트 문제가 있다. 노광 공정은 비접촉 공정 방식이기 때문에 얼라인먼트가 상대적으로 자유로우며 특히 곡면이나 다층 구조에 적용할 때 큰 위력을 발휘한다. 나노 임프린트 공정에 있어 이렇게 곡면이나 다층 구조에 적용할 때는 패턴 전송이 실패할 확률이 높고 또한 접촉식으로 정렬(Align)을 해야 하므로 그 횟수에 제한을 받기 쉽다. 현재 얼라인 마커(Align marker)를 이용한 정확도는 수백 나노 정도로 알려져 있고 앞으로 보다 정확한 얼라인먼트를 위해 많은 해결 과제가 남아 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점과 필요성을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 균일한 압력 인가 방식을 통해 고분자 잔여층을 제거하고, 에어 트랩(Air trap)에 의한 결함을 줄일 수 있는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 대면적의 균일한 패턴(Pattern) 전사성을 가지고, 전체 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적은 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정에 있어서, (a) 메탈 기질에 레진을 스핀 코팅한 후, 상기 레진 상부에 몰드를 올려 놓는 단계; (b) 균일한 압력 인가를 위해 상기 몰드 상부에 폴리디메틸실록산(PDMS) 패드를 올려 놓는 단계; (c) 석영 샤프트를 이용하여 상기 PDMS 패드에 압력을 인가하는 단계; (d) 상기 압력이 인가된 상태에서 상기 석영 샤프트를 통해 UV를 조사하는 단계; (e) UV 경화 반응에 의해 경화된 상기 레진에서 상기 몰드를 떼어 내는 단계; (f) 패턴과 패턴 사이의 고분자 잔여층을 산소 플라즈마 애싱(O2 plasma ashing) 처리를 통해 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정에 의하여 달성된다.
바람직하게는 이러한 본 발명에서 상기 (a) 단계에서 상기 레진은 상기 메틸 기질위에서 디웨팅(Dewetting)되지 않기 위한 계면활성제를 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 본 발명에서 상기 (a) 단계에서 사용되는 몰드는 석영 또는 폴리머 몰드인 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 본 발명에서 상기 석영 몰드는 자기조립분자막(SAM) 코팅 처리 되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 이러한 본 발명에서 상기 자기조립분자막(SAM) 코팅은 진공 상태에서 반응성 베이퍼에 상기 메탈 기질을 노출시키는 기상 처리 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 이러한 본 발명에서 상기 (a) 단계에서 상기 메탈 기질 표면에 헥사메틸다이사이레인(HMDS) 처리를 통해 코팅 안정성을 높이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기한 본 발명의 목적은 진공 챔버; 상기 진공 챔버의 내부에 수납되며, 샘플의 틸트(Tilt) 및 센터링(Centering)을 확보시키는 틸트 및 디센터링 보정부; 상기 틸트 및 디센터링 보정부의 상부에 설치되며, 상기 샘플에 자외선을 조사하는 UV 조사부; 그리고 상기 UV 조사부에 UV를 공급하는 UV 파이버 소스를 포함하여 구성되는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치에 의하여 달성된다.
바람직하게는 이러한 본 발명에서 상기 틸트 및 디센터 보정장치부는, 상면에 소정 곡률의 오목홈이 구비된 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부에서 볼을 매개로 접촉하는 로딩 플레이트와, 상기 로딩 플레이트의 상면에 설치되며 상면에 형성된 안착홈을 통해 PDMS 패드와 샘플이 순차적으로 놓이는 센터링 가이드와, 상기 센터링 가이드의 둘레를 따라 설치되는 다수의 센터링 가이드 로드와, 상기 센터링 가이드 로드에 탄성수단을 매개로 설치되는 몰드 로딩 플레이트와, 상기 몰드 로딩 플레이트상에 놓이는 석영 몰드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 본 발명에서 상기 로딩 플레이트의 내부에 사각 형상을 갖는 수납홈이 형성되고, 상기 수납홈의 입구 양측에 상기 볼의 회전에 따른 좌우 이동을 방지하기 위한 가이더가 장착된 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 본 발명에서 상기 오목홈은 상기 볼의 직경보다 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 본 발명에서 상기 샘플은 기질과, 상기 기질에 스핀 코팅된 레진을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 본 발명에서 상기 UV 조사부는 내주면에 나사산이 형성된 지지부재와, 상기 지지부재에 나사결합되는 끼움부재와, 일단부가 상기 끼움부재에 나사결합되는 UV 조사기와, 내부에 석영 샤프트가 내장되고 상기 끼움부재가 나사결합되는 고정 지그를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 이러한 본 발명에서 상기 지지부재와, 끼움부재는 링 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 이러한 본 발명에서 상기 석영 샤프트의 상면에 장착되어 UV광의 인가가 균일하게 인가되도록 하는 화인 헤이즈 디퓨저 필름(FHDF)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 열전사 방법에 비해 상대적으로 저온(상온) 저압 공정이 가능한 UV-NIL 방법을 적용코자 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV 나노 임 프린트 리소그래피 전체 수행 공정을 나타낸 도면으로서, UV 소스(Source)에 의해 폴리머(Polymer)를 경화하기 위해서는 사용되는 몰드(Mold)는 투명한 석영(Quartz)이나 폴리머가 사용되어야 한다. 석영 몰드(Quartz Mold)는 통상적으로 크롬(Cr)이 얇게 올라가 있는 석영 베어 웨이퍼(Quartz Bare Wafer) 위에 E-Beam 반응성 폴리머를 도포하고 E-Beam 리소그래피에 의해 패터닝(Patterning)과 디베로핑(Developing)을 거친 후 드라이 에칭(Dry Etching)에 의해 제작이 된다.
이를 UV-NIL 공정에 적용하기 위해서는 UV 경화 후 패턴(Pattern)과의 이형을 위해 자기조립분자막(Self Assembled Monolayer, SAM) 코팅(Coating)이 수행되어야 한다. SAM 코팅은 크게 3가지 방법으로 수행될 수 있다. 첫째는, 기질(Substrate)와 반응할 수 있는 리간드(Ligand) 또는 프리커서(Precursor)가 포함된 솔루션(Solution)에 기질을 디핑(Deeping) 또는 이머싱(Immersing)하는 방식으로 대략 12시간 정도 소요가 된다.
둘째는, 위의 솔루션을 스핀 코팅(Spin Coating)하는 방식이 있는데 이 방법은 전면에 고르게 코팅하는 것이 어렵다. 셋째는, 진공 상태에서 반응성 베이퍼(Vapor)에 기질을 노출시키는 기상 처리 방식이 있다.
3가지 방법 중 세 번째 방법이 가장 신뢰성 있는 SAM 코팅이 가능한 것으로 알려져 있다. 몰드(Mold)가 나노 사이즈 패턴(Nano-size pattern)인 경우에 SAM 코팅시 패턴의 왜곡이 될 수 있으므로 기상 처리 방식을 적용하는 것이 가장 타당하리라 판단된다. SAM 코팅에 있어서 사용되는 반응 물질인 리간드 또는 프리커서는 기질의 종류에 따라 달라진다.
석영 몰드를 사용하는 경우에는 리간드로 RSiCl3 또는 RSi(OR')3이 사용되는 데, 기질과 화학적 결합을 이루는 앵커링 그룹(Anchoring Group)은 -SiCl3 또는 -Si(OR')3이며, 헤드 그룹(Head Group) R-은 발유 및 발수 특성이 우수한 플루오린(Fluorine) 계열이 주로 사용된다. 한가지 예로 Tridecafluoro-1,1,2,2-Tetrahydrooctyl)-Trichlorosilane[CF3-(CF2)5-CH2-CH2-SiCl3](FOTCS) (Gelest, Inc.)이 사용되어 질 수 있는데, 무수(無水,Andydrous) n-Heptane(C7H6) 솔벤트(Solvent)에 녹여 1ppm 솔루션(Solution) 형태로 사용해야 한다.
n-Heptane은 증발해서 증기상태에서 SAM 리간드가 몰드에 흡착하는 것을 도와주는 매개체이며, FOTCS는 수분에 매우 민감하기 때문에 무수(Andydrous)해야 한다. 그렇지 않으면, 수분과 접촉하여 자체 내에서 화학 반응이 일어나 여러 분자들이 뭉치게 되고, 액상 상태에서 백탁 현상이 일어나게 된다. 이러한 상태로 SAM 코팅 처리가 되거나 SAM 코팅 처리 도중 수분이 들어 가면 몰드 패턴 표면을 완전히 덮어서 패턴이 왜곡될 염려가 있다.
SAM 코팅 전에는 기질 표면이 깨끗해야 하며, 많은 Silanol(Si-OH) 그룹(Group)이 형성되어 있어야 한다. 이를 위해서 산소 플라즈마 애싱(O2 Plasma Ashing)을 5~10초 정도 수행한다. 이를 통해 석영 몰드 표면에는 많은 -OH기들이 분포하게 되고 친수성 표면(Hydrophilic Surface)을 형성하게 된다. 위의 솔루션을 진공 챔버(Vacuum Chamber)에 넣으면 SAM 리간드가 베이퍼(Vapor)형태로 실라놀 그 룹(Silanol Group)이 형성되어 있는 기질 표면과 반응하여 리간드쪽의 Cl과, 기질의 H가 결합하여 HCl 형태로 빠지고, 리간드쪽의 실리콘(Si)과, 기질쪽의 산소(O)사이에 화학적 결합이 이루어진다.
UV-NIL에 사용되는 패터닝(Patterning)용 레진(Resin)은 우선 UV 반응성이 있어야 하고, 점도가 ~5cPs로 매우 낮아야 하며, 솔벤트 프리(Solvent Free)형태로 스핀 코팅 하면서 대기 중으로 쉽게 건조되지 않아야 한다. 또한 UV 경화 후 기계적인 강도(Mechanical Strength)를 유지해야 하며, 저온 저압으로 공정이 가능해야 한다. 그리고, 에칭 저항(Etching Resistance) 특성도 있어야 한다. 이러한 조건을 만족하도록 레진(Resin)은 크게 액티브 인그리던트(Active Ingredient), 릴리싱 에이전트(Releasing Agent), 비스코시티 모디파이어(Viscosity Modifier) 및 포토 이니시에이터(Photo Initiator)로 구성이 된다.
액티브 인그리던트(Active Ingredient)는 단분자의 모노머(Monomer) 형태이며, 릴리싱 에이전트(Releasing Agent)는 경화 후에 몰드의 이형을 좋게 하기 위해 첨가되는 성분으로 점도가 큰 관계로 몰드 패턴으로의 젖음성(Wetting)이나 충전(Filling)을 저해하므로 적절한 함량이 되어야 한다. 이러한 이형제의 적절 함량 조절을 위해 비스코시티 모디파이어(Viscosity Modifier)가 첨가된다. 그러나, 이 또한 기계적인 강도가 약한 관계로 적절한 함량으로 조절이 되어야 한다.
포토 이니시에이터(Photo Initiator)는 UV 광에 의해 쉽게 라디칼 이온을 형성하게 되어 액티브 인그리던트(Active Ingredient)에 포함되어 있는 이중결합을 끊고 결합을 이루게 되어 체인(Chain)을 형성하게 된다.
스핀 코팅시, 레진(Resin)이 기질위에서 디웨팅(Dewetting)되지 않도록 추가로 계면활성제(Surfactant)를 함유할 수 있는데, 이 계면활성제는 소수성(疏水性) 그룹(Hydrophobic Group)과, 친수성(親水性) 그룹(Hydrophilic Group)을 모두 가지고 있는 유기 화합물(Organic Compound)로 유기 솔벤트(Organic Solvent) 및 물에 모두 가용된다. 이것은 유체(Fluid) 경계에서의 표면장력(Surface Tension)을 낮추어 줌으로써 표면에 잘 젖도록(Wet) 한다. 이때, 기질 표면에 통상적인 헥사메틸다이사이레인(Hexamethyldisilane,HMDS) 처리를 하게 되면, 계면활성제 처리된 레진과 밀착성이 향상되어 더욱 코팅 안정성(Coating Stability)을 높일 수 있다.
도 1을 참조하면, 메탈 기질(Metal substrate)(2)에 레진(3)을 스핀 코팅한 후, 그 위에 석영 몰드(4)를 올려 놓고(도 1의 (a)), 균일한 압력인가를 위한 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane,PDMS) 패드(Pad)(5)를 놓은 후(도 1의 (b)), UV가 통과 가능한 석영 샤프트(Quartz shaft)(55)를 이용하여 압력을 인가한다(도 1의 (c)). 압력이 인가된 상태에서 상기 석영 샤프트(55)를 통해 UV를 조사시키면(도 1의 (d)), 레진(3)에서 UV 경화 반응이 일어나 경화가 된다. 이후에 석영 몰드(4)를 떼어 내면(도 1의 (e)), 패턴과 패턴 사이에 고분자 잔여층(원형 실선 참조)이 남게 되는 데 이는 산소 애싱(O2 Ashing)을 통해 완전히 제거할 수 있다(도 1의 (f)).
도 1에 나타난 UV-NIL 공정에서 석영 샤프트(55)와 샘플(Sample) 즉, 메탈 기질(2)과 레진(3)과의 혼합층이 놓여진 베이스 플레이트(Base Plate)(1) 사이에 틸트(Tilt)가 있게 되면 도 2와 같이 공정 후 비균등 패턴이 예상된다. 틸트가 있는 경우에 레진(3)과 석영 몰드(4) 엣지(Edge)부에 산소가 유입되어 UV 경화 시 상기한 포토 이니시에이터(Photo Initiator)에 의해 형성된 라디칼(Radical)들이 산소와 더 쉽게 반응하게 되어 패턴 엣지(Pattern Edge)부에서는 미경화 현상이 발생하게 된다(도 2의 원형 점선부 참조).
도 3a 및 도 3b는 틸트에 따른 NIL 공정 후의 비균등 패턴과 미경화된 패턴을 보여 준다. 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 샘플(2)(3) 전면에 부차적인 패턴(Fringe Pattern)이 관찰되는 데 이것은 패턴의 높이가 비균등하고(도 3b), 잔여층이 완전히 제거 안되고 비균등한 높이를 갖기 때문에 광학적으로 관찰이 되는 것이다.
또한 패턴 엣지(Pattern Edge)부에서는 도 3b와 같이 경화가 안 된 부분이 있게 된다. 이러한 틸트 시스템의 경우에는 도 4와 같이 PDMS 패드(5)의 위치를 석영 샤프트(55)와 석영 몰드(4) 사이에서, 상기 샘플(2)(3)과 베이스 플레이트(1) 사이로 옮겨 줌으로써 간단히 해결이 가능하다. 패턴 비균등의 또 하나의 원인은 도 5와 같은 샘플(2)(3)과 석영 몰드(4) 간의 디센터링(Decentering)에 의해 기인한다.
대면적에서의 패턴 균일성 확보를 위해서는 압력을 균일하게 인가할 수 있도록 해야 하며, 이를 위해서는 위에서 논의한 바와 같이 틸트 보정과 함께 샘플(2)(3)과 석영 몰드(4) 간의 센터링이 확보되어야 한다.
본 발명에서는 이를 위해 도 6에 나타난 바와 같은 틸트 및 디센터링 보정부 를 제시하였다.
상기 틸트 및 디센터링 보정부는, 베이스 플레이트(1)의 상면 중앙부에 소정 곡률을 갖는 오목홈(1a)이 형성되고, 로딩 플레이트(Loading plate)(11)가 볼(Ball)(12)을 매개로 하여 상기 베이스 플레이트(1)와 접촉한다.
즉, 상기 로딩 플레이트(11)의 내부에 사각 형상을 갖는 수납홈(11a)이 형성되어 있어서, 볼(12)의 일부가 상기 수납홈(11a)에 수납되고, 볼(12)의 다른 일부는 상기 오목홈(1a)에 수납되며, 도면 부호 11b는 상기 볼(12)의 회전에 따른 좌우 이동을 방지하기 위한 가이더(Guider)이다.
한편, 상기 로딩 플레이트(11)의 상면 중앙부에는 센터링 가이드(Centering guide)(7)가 고정 설치되어지되, 상기 센터링 가이드(7)의 상면에는 사각 형상의 안착홈(7a)이 형성되어 있어서, 상기 안착홈(7a)에 PDMS 패드(5)와 샘플(2)(3)이 순차적으로 안착되므로 샘플(2)(3)의 기구적인 센터링(Centering)이 가능하게 된다.
또한, 상기 센터링 가이드(7)의 둘레를 따라 4개의 센터링 가이드 로드(Centering guide rod)(8)가 방사상으로 고정 설치되고, 상기 센터링 가이드 로드(8)의 외주에 스프링(Spring)(10)과 같은 탄성수단이 장착되며, 상기 스프링(10)의 상부에 몰드 로딩 플레이트(Mold loading plate)(9)가 설치되는 한편, 상기 몰드 로딩 플레이트(9)의 상부에는 석영 몰드(4)가 놓여진다.
이때, 상기 오목홈(1a)은 상기 볼(12)의 직경보다 크게 구성하는 것이 바람직하며, 미소하게 발생되는 틸트는 상기 볼(12)과, 상기 오목홈(1a)과의 곡면간의 점 접촉에 의해 보정되므로, 상기 틸트 및 디센터링 보정부 전체와, 상기 석영 샤프트(55)와의 센터링 및 틸트가 보정된다.
또한, 상기 몰드 로딩 플레이트(9)가 상기 센터링 가이드 로드(8)를 따라 움직이게 되므로 압력인가 시에 균일한 압력 인가가 가능하고, 석영 몰드(4)와 샘플(2)(3)간의 디센터링없이 프레싱(Pressing)이 가능하다.
도 7은 도 6에 제시된 틸트 및 디센터링 보정부를 적용한 각각의 NIL 수행 공정을 보여 준다. 본 발명에 따른 틸트 및 디센터링 보정부는 카트리지(Cartridge) 형태로 구성이 될 수 있다. 상기와 같이 카트리지 형태로 구성이 되면 몇 가지 추가적인 이점이 있게 되는데, 먼저 프레싱 전에 도 7a와 같이 석영 몰드(4)와, 상기 샘플(2)(3)사이에 접촉이 없고, 도 9에 도시된 진공 챔버(Vacuum Chamber)(30)안에 석영 몰드(4)와, 샘플(2)(3)이 로딩된 카트리지를 올려 놓은 후, 진공 챔버(30)의 에어(Air)를 뽑아 내어 진공 분위기로 만들고 도 7b 공정이 수행된다.
이때 진공 분위기에서 프레싱 할때, 접촉(Contact)이 이루어 지므로 에어 트랩에 의한 패턴 비균등 현상을 제거할 수 있게 된다. 또 하나의 이점은 카트리지 형태로 틸트 및 디센터링 보정부가 구성되므로 다양한 크기의 샘플이나 석영 몰드에 맞게 카트리지가 수정될 수 있기 때문에 다양한 형상의 샘플이나 석영 몰드에 맞게 NIL 공정 수행이 가능하다.
도 9는 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 장치의 구성을 나타낸 도면 및 부분 확대도로서, 제어반(20)의 상부에 진공 챔버(Vacuum Chamber)(30)가 구비된다. 상기 제어반(20)에는 후술하는 압력 실린더(Pressure Cylinder)(36)를 통해 압력을 인가하기 위한 다수의 작동 스위치(22), 압력이 디지털 수치로 표시되는 압력 표시창(24), 그리고 압력 게이지(26)가 구비된다. 또한, 제어반(20)의 일측에는 상기 진공 챔버(30)내의 에어를 흡입하기 위한 에어 석션(Air Suction)기(28)가 구비된다.
상기 진공 챔버(30)는 수납부가 구비된 본체(32)와, 이 본체에 힌지(Hinge) 연결된 도어(34)를 포함한다. 상기 본체(32)의 일측에는 벤트 밸브(Vent Valve)(32a)와, 진공 밸브(32b)가 각각 구비되고, 본체(32)의 상면에는 후술하는 UV 화이버(Fiber) 소스가 공급되는 유입부(32c)가 구비된다.
또한, 상기 본체(32)의 저면에는 상기한 압력이 인가되는 압력 실린더(36)가 연결 설치되고, 상기 진공 챔버의 상부에 UV 화이버(Fiber) 소스(Source)(40)가 받침대(42)를 통해 설치된다.
도 7c 및, 도 7d와 도 9에 도시된 바와 같이, 진공 분위기에서 하부의 압력 실린더(36)를 통해 압력을 인가하고, 상부의 석영 샤프트(55)를 통해 UV 소스(Source)를 인가하면 경화가 이루어진다. 경화 후에 압력 실린더(36)의 압력을 제거하면 경화된 샘플(2)(3)이 석영 몰드(4)에 붙게 되고, 이 석영 몰드를 디몰딩(Demolding)하면 간단히 패턴화된 샘플(Patterned Sample)을 얻을 수 있다.
상기 압력은 압력 실린더(36)를 통해 20bar의 고압까지 인가가 가능하며, UV 소스(Source)는 3000mW/cm2이상의 고출력이 가능한 UV 파이버(Fiber) 소 스(Source)(40)를 이용한다. 상기 로딩 플레이트(11)에는 히팅 라인(Heating Line)(도 9의 38)이 연결되어 그 온도를 약 100℃까지 올려 줄 수 있다. 본 발명의 UV NIL 공정은 상온에서 공정이 가능하나 압력과 함께 온도 인가 시, 레진의 점도를 추가적으로 줄일 수 있기 때문에 패턴 충전(Pattern Filling)에 유리하게 된다. 5×10-3 Torr까지 가능한 진공 챔버(30)를 이용하여 상기 에어 석션기(도 9의 28)를 통해 에어 석션 후에 패터닝 공정이 이루어지므로 에어 트랩에 의한 비균등 패턴 현상을 없앨 수 있다.
추가적인 이점으로 대기 중에서 공정 시 패턴 내부로의 레진의 충전(Filling)을 위해 소정의 시간이 필요하며, UV 경화 시간이 많이 소요되는 문제가 있는 데, 본 발명과 같이 진공 챔버(30) 내에서 에어와 접촉없이 공정을 수행하는 경우 1/10수준(1분 이내)으로 공정을 완료되는 결과를 얻었다.
따라서, 전체적인 공정 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다. 또한 전술한 바와 같이 로딩 플레이트(11) 하부에 볼(12)이 장착되고, 플렉시블(Flexible) 한 PDMS 패드(5)의 적용을 통해 틸트 및 디센터링이 보정되어 균일한 압력 인가가 가능하다.
도 8은 틸트 및 디센터링 보정을 위해 본 발명을 적용하여 NIL 공정을 수행한 결과이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 보정 전에 관찰되던 부차적인 패턴(Fringe Pattern)이 관찰되지 않고 SEM 측정 결과에서는 잔여층이 거의 없는 결과를 보여 준다(원형 점선부 참조).
전술한 바와 같이 석영 몰드(4)는 E-Beam 리소그래피와 에칭(Etching) 공정 에 의해 제조가 가능한데, 나노 패턴(Nano Pattern) 크기를 갖는 경우 에칭 공정이 용이치 않고 또한 그 제조 비용이 고가인 문제점이 있다. 고가의 석영 몰드(4)를 가지고 NIL 공정 시 파손이나 오염의 문제를 피할 수 없기 때문에 석영 몰드(4)를 원형으로 하고 폴리머(Polymer)를 이용한 제 2의 몰드(Mold)를 만들어 폴리머 몰드(Polymer Mold)를 이용한 NIL 공정 연구가 시도되고 있다. 폴리머 몰드는 기본적으로 표면의 임계 표면 에너지(Critiical Surface Energy)가 낮고 소수성(疏水性)의 성향을 가지고 있어 서 패터닝(Patterning)에 사용되는 레진의 표면 장력보다 작으면 경화 후 이형에 큰 문제가 없다.
만일, 이형에 문제가 있다면 폴리머 몰드 표면에 추가적인 SAM 코팅 공정이 수반되어야 한다. 또한 폴리머 몰드를 몰드(Mold)로 사용하기 위해서는 패터닝 레진(Patterning Resin)에 비해 상대적으로 기계적 강도를 갖도록 조성이 이루어져야 한다. 폴리머 몰드 또한 UV 또는 열경화에 의해 제조가 가능하기 때문에 UV나 열에 의해 반응이 일어나도록 하는 반응성 폴리머들이 함유되어야 한다.
도 10은 폴리머 몰드를 사용하여 NIL 공정을 수행한 후 거시적인 결과를 보여 준다. 그림의 사각 점선 부분이 실제 폴리머 몰드의 패턴이 있는 부분이다. 결과에서 알 수 있는 바와 같이 패터닝이 된 부분과 미 패턴 영역이 동시에 존재함을 확인할 수 있다. 특히 UV 소스(Source) 강도(Intensity) 차에 의해 그 양상이 다름을 알 수 있는 데 패터닝 양상이 UV 소스(Source)의 강도(Intensity) 차에 의해 좌우됨을 확인할 수 있다. 따라서, 균일한 UV 소스 인가 또한 패턴 동일성(Pattern Uniformity) 확보에 필수적임을 알 수 있다.
본 발명에서는 패턴 동일성 확보를 위한 균일한 UV 소스 인가를 위해 도 9 및 도 11에 도시된 바와 같은 UV 조사부를 도출하였다.
상기 UV 조사부는 링(Ring) 형상으로서 내주면에 나사산(51a)이 형성된 지지부재(51)가 상기 본체(32)의 내면에 고정 부착되고, 역시 링 형상으로서 내주면과 외주면에 각각 나사산(52a)(52b)이 형성된 끼움부재(52)가 외주면을 통해 상기 지지부재(51)에 나사결합되며, UV 조사기(53)의 일단부에서 돌출된 나사부(53a)가 상기 끼움부재(52)의 내주면에 나사결합된다.
또한, 상부가 개방되고, 저면에 관통공(54b)이 형성된 고정 지그(Jig)(54)의 내주면 나사산(54a)에 석영 샤프트(55)가 나사결합되고, 상기 고정 지그(54)의 내주면 타측에 상기 끼움부재(52)의 외주면이 나사결합된다.
상기 UV 파이버(Fiber) 소스(Source)(40)는 그 특성상 넓은 면적에 균일하게 소스 인가가 불가능하다. 따라서, 도 11d와 같이 석영 샤프트(55) 상면에 화인 헤이즈 디퓨저 필름(Fine Haze Diffuser Film, FHDF)(60)을 장착하여 UV 소스를 산란시킴으로써 아래의 샘플(2)(3)에 균일하게 UV 광이 인가되도록 하였다.
도 12는 FHDF 적용 전후의 UV 소스 분포를 보여 준다. 도 12a는 183mW의 광 파워로서 20초간, 도 12b는 81.7mW의 광 파워로서 20초간 인가시킨 것이다. FHDF 적용 시, 도 12b에 도시된 바와 같이, UV 광 파워는 작아지지만 보다 넓게 퍼져 확산됨을 확인할 수 있다. 도 13은 본 발명을 적용한 후의 NIL 공정을 수행한 결과를 보여 준다. 균일한 UV 소스 인가가 가능하게 되어 미 패턴(Pattern) 영역 없이 모두 패터닝(Patterning)이 된 결과를 보여 주며, SEM 측정 결과에서 알 수 있는 바 와 같이 고분자 잔여층 없이 균일한 패터닝(Patterning) 결과를 보여 준다.
이상과 같이 본 발명에 따른 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정 및 장치를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기구적으로 회피가 불가능한 틸트 및 디센터링 문제를 해결하여 균일한 압력 인가를 통해 고분자 잔여층의 제거가 가능하고, 진공 분위기에서 샘플과 몰드간의 프레싱 공정이 가능하게 되어 에어 트랩에 의한 비균등 패턴 현상을 해소하는 효과가 있다.
또한, 고출력 UV 소스(Source)를 샘플에 인가할 수 있으므로 짧은 UV 컬링(Curing) 시간으로 균일한 패턴 전사가 가능하고, 이로 인해 대면적의 NIL 공정및 전체 공정시간이 대폭 감소되는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정에 있어서,
    (a) 메탈 기질에 레진을 스핀 코팅한 후, 상기 레진 상부에 몰드를 올려 놓는 단계;
    (b) 균일한 압력 인가를 위해 상기 몰드 상부에 폴리디메틸실록산(PDMS) 패드를 올려 놓는 단계;
    (c) 석영 샤프트를 이용하여 상기 PDMS 패드에 압력을 인가하는 단계;
    (d) 상기 압력이 인가된 상태에서 상기 석영 샤프트를 통해 UV를 조사하는 단계;
    (e) UV 경화 반응에 의해 경화된 상기 레진에서 상기 몰드를 떼어 내는 단계;
    (f) 패턴과 패턴 사이의 고분자 잔여층을 산소 플라즈마 애싱(O2 plasma ashing) 처리를 통해 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 레진은 상기 메틸 기질위에서 디웨팅(Dewetting)되지 않기 위한 계면활성제를 함유하는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그 래피 수행 공정.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 사용되는 몰드는 석영 또는 폴리머 몰드인 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 석영 몰드는 자기조립분자막(SAM) 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자기조립분자막(SAM) 코팅은 진공 상태에서 반응성 베이퍼에 상기 메탈 기질을 노출시키는 기상 처리 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 메탈 기질 표면에 헥사메틸다이사이레인(HMDS) 처리를 통해 코팅 안정성을 높이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 공정.
  7. UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치에 있어서,
    수납부가 구비된 본체와, 이 본체에 힌지 연결된 도어를 포함하여 구성되는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버의 내부에 수납되며, 샘플의 틸트(Tilt) 및 센터링(Centering)을 확보시키는 틸트 및 디센터링 보정부;
    상기 틸트 및 디센터링 보정부의 상부에 설치되며, 상기 샘플에 자외선을 조사하는 UV 조사부; 그리고
    상기 진공챔버의 상부에 설치되어 상기 UV 조사부에 UV를 공급하는 UV 파이버 소스;를 포함하여 구성되며,
    상기 UV 조사부는,
    내주면에 나사산이 형성된 지지부재와, 상기 지지부재에 나사결합되는 끼움부재와, 일단부가 상기 끼움부재에 나사결합되는 UV 조사기와, 내부에 석영 샤프트가 내장되고 상기 끼움부재가 나사결합되는 고정 지그를 포함하는 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 틸트 및 디센터링 보정부는, 상면에 소정 곡률의 오목홈이 구비된 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부에서 볼을 매개로 접촉하는 로딩 플레이트와, 상기 로딩 플레이트의 상면에 설치되며 상면에 형성된 안착홈을 통해 PDMS 패드와 샘플이 순차적으로 놓이는 센터링 가이드와, 상기 센터링 가이드의 둘레를 따라 설치되는 다수의 센터링 가이드 로드와, 상기 센터링 가이드 로드에 탄성수단을 매개로 설치되는 몰드 로딩 플레이트와, 상기 몰드 로딩 플레이트상에 놓이는 석영 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 로딩 플레이트의 내부에 사각 형상을 갖는 수납홈이 형성되고, 상기 수납홈의 입구 양측에 상기 볼의 회전에 따른 좌우 이동을 방지하기 위한 가이더가 장착된 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 오목홈은 상기 볼의 직경보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 샘플은 기질과, 상기 기질에 스핀 코팅된 레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
  12. 삭제
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 지지부재와, 끼움부재는 링 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
  14. 제 7항에 있어서,
    상기 석영 샤프트의 상면에 장착되어 UV광의 인가가 균일하게 인가되도록 하는 화인 헤이즈 디퓨저 필름(FHDF)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 나노 임프린트 리소그래피 수행 장치.
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