KR100973828B1 - Glass nano fabrication method using deposition of metal thin film - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유리 나노 가공 방법은, 유리 기판 위에 금속 박막을 패터닝(patterning)하여 증착시키는 단계; 상기 패터닝된 금속 박막이 증착된 유리 기판에 열을 가하는 단계; 상기 금속 박막과 상기 유리 기판 사이에 전기장을 형성하는 단계; 상기 금속 박막이 형성된 유리 기판을 왕수(aqua regia) 또는 피라냐 세정액(piranha cleaning solution)에 기 설정된 시간 동안 담가두어 금속 박막과 함께 유리 기판을 식각시키는 단계를 포함한다. Glass nano processing method according to the present invention comprises the steps of: depositing by patterning a metal thin film on a glass substrate (patterning); Applying heat to the glass substrate on which the patterned metal thin film is deposited; Forming an electric field between the metal thin film and the glass substrate; Immersing the glass substrate on which the metal thin film is formed in an aqua regia or a piranha cleaning solution for a predetermined time to etch the glass substrate together with the metal thin film.

유리, 나노 가공, 철 박막, 분자 치환, 왕수 Glass, nano processing, iron thin film, molecular substitution, aqua regia

Description

금속 박막의 증착을 이용한 유리 나노 가공 방법{GLASS NANO FABRICATION METHOD USING DEPOSITION OF METAL THIN FILM}Glass nano processing method using deposition of metal thin film {GLASS NANO FABRICATION METHOD USING DEPOSITION OF METAL THIN FILM}

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. The present invention relates to a glass nano-processing method, and more particularly to a glass nano-processing method that can be processed to a nano-scale three-dimensional structure by molecular substitution of the glass crystal structure.

최근 몇 년 동안 나노 스케일 제작에 관하여 연구 단계는 물론 산업화에도 많은 관심을 가지게 되었다. In recent years, much attention has been paid to nanoscale fabrication as well as industrialization.

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 부분을 없애며 나노 구조물을 만들어 가는 방식이고, 바텀업(bottom-up) 방식은 자기 조립(self-assembly)에 의하여 작은 건조 블록에서 점점 쌓아서 나노 구조물을 만드는 방식이다. Nanoscale fabrication is largely divided into a top-down approach and a bottom-up approach. The top-down method is to create nanostructures by removing unwanted parts from thin films or lumps of material, and the bottom-up method is self-assembly in small dry blocks. Stacking up to make nanostructures.

지금까지 나노 구조물을 만드는 가장 인기 있는 방법은 리소그라피(lithography)방법이며 그 중 전자빔을 이용하는 방식이 가장 일반적이다. Until now, the most popular method of making nanostructures is lithography, the most common of which uses electron beams.

이 전자빔 리소그라피는 전자빔을 이용하여 전자에 반응하는 물질을 패턴닝 하는 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. The electron beam lithography is a patterning material that reacts with electrons using an electron beam, which is used in combination with lift-off, etching, and electro-deposition to create various nanoscale structures. use. However, electron beam lithography has a disadvantage of low productivity as a serial process, and has a fatal weakness when it is intended for mass production.

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. Therefore, a nano-imprint method that can compensate for the weakness of electron beam lithography has been in the spotlight. This nano-imprint method can produce a large number of nanostructures in a single time with a single stamp.

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.  Scanning probe microscopy (SPM) systems enable tip adjustment of molecular size with sub-nanoscale accuracy. Therefore, nanostructure fabrication has been attempted in various directions using the SPM system. However, the SPM system will also be serial work if working as a team, so the process itself is very slow and not suitable for mass production.

그리고 자기 조립(self-assembly)은 나노 입자가 화학적 또는 물리적으로 서로 뭉쳐서 구조물을 형성하는 것을 기본으로 하며, 이는 물리적 자기 조립(physical self assembly)와 화학적 자기 조립(chemical self assembly)로 나뉜다.Self-assembly is based on the nanoparticles chemically or physically agglomerating together to form a structure, which is divided into physical self assembly and chemical self assembly.

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. Physical self-assembly is a phenomenon caused by entropy, which refers to the formation of a stable structure by naturally occurring interactions caused by particles colliding. The template-assist self-assembly forms a structure in a desired pattern. It is also possible. In chemical self-assembly, a molecular layer is formed by contact with molecular recognition, and a plurality of layers are formed based on this, thereby forming a complex structure.

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. The above-mentioned nano-processing methods have a disadvantage in that it takes a long time to produce a complex-scale nanoscale structure, and other relatively simple structures can be made faster but more complicated structures require more time. Most of this is.

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. Therefore, there is an urgent need for a new nanofabrication method capable of quickly and simply manufacturing a nanoscale structure having a complex shape so as to compensate for both of these disadvantages.

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 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above-mentioned problems, the glass nano-processing method according to the present invention is to make it easier and faster to process the shape of a more complex nano-scale structure by molecular replacement of the glass crystal atoms and metal atoms with each other. The purpose.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유리 나노 가공 방법은, 유리 기판 위에 금속 박막을 패터닝(patterning)하여 증착시키는 단계; 상기 패터닝된 금속 박막이 증착된 유리 기판에 열을 가하는 단계; 상기 금속 박막과 상기 유리 기판 사이에 전기장을 형성하는 단계; 상기 금속 박막이 형성된 유리 기판을 왕수(aqua regia) 또는 피라냐 세정액(piranha cleaning solution)에 기 설정된 시간 동안 담가두어 금속 박막과 함께 유리 기판을 식각시키는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the glass nano-processing method according to the present invention comprises the steps of: depositing by patterning a metal thin film on the glass substrate (patterning); Applying heat to the glass substrate on which the patterned metal thin film is deposited; Forming an electric field between the metal thin film and the glass substrate; Immersing the glass substrate on which the metal thin film is formed in an aqua regia or a piranha cleaning solution for a predetermined time to etch the glass substrate together with the metal thin film.

상기 금속 박막은 스퍼터링법 또는 필라멘트 증착, 전자빔 증착, RF 전력 증착 및 플래쉬 증착 중 어느 하나의 열 증착법에 의해 형성될 수 있다. The metal thin film may be formed by any one of sputtering or filament deposition, electron beam deposition, RF power deposition and flash deposition.

상기 금속 박막은 철 박막이 될 수 있으며, 상기 유리 기판은 붕규산 유리 기판을 포함한다.The metal thin film may be an iron thin film, and the glass substrate may include a borosilicate glass substrate.

상기 금속 박막을 패터닝하여 증착시키는 단계는, 상기 유리 기판 위에 포토레지스트층을 형성하고 기 설정된 형상으로 패터닝하는 단계; 상기 포토레지스트층이 패터닝된 유리 기판 상에 금속 박막을 증착시키는 단계; 및 상기 금속 박막이 증착된 유리 기판에 리프트 오프 공정을 실시하여 금속 박막을 패터닝하는 단계를 포함한다.The patterning and depositing the metal thin film may include forming a photoresist layer on the glass substrate and patterning the photoresist layer into a predetermined shape; Depositing a metal thin film on the glass substrate on which the photoresist layer is patterned; And patterning the metal thin film by performing a lift-off process on the glass substrate on which the metal thin film is deposited.

상기 왕수는 HCl : HNO3 = 3 내지 7 : 1 의 부피비로 이루어질 수 있고, 상기 피라냐 세정액은 H2SO4 : H2O2 = 2 내지 4 : 1 의 부피비로 이루어질 수 있다.The aqua regia may be made of a volume ratio of HCl: HNO 3 = 3 to 7: 1, and the piranha cleaning liquid may be made of a volume ratio of H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 2 to 4: 1: 1.

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. As described above, the glass nanofabrication method of the present invention makes it possible to more easily and quickly process the shape of a nanoscale structure through etching after molecular substitution of a glass crystal atom and a metal atom.

또한, 금속막 패턴의 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기 및 인가 시간에 따라 가공되는 깊이 조절이 가능하므로 나노 스케일의 보다 복잡한 3차원 구조물의 형상을 보다 효과적으로 가공할 수 있도록 한다. In addition, the depth can be processed according to the thickness of the metal film pattern, the heat treatment temperature and the voltage intensity and the application time to form the electric field can be processed more effectively the shape of the more complex three-dimensional structure of the nano-scale.

먼저, 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 이론적 배경을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. First, the theoretical background of the glass nanofabrication method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 이론적 배경을 설명하는 도면이다. 1A to 1D illustrate the theoretical background of the glass nanofabrication method of the present invention.

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. Referring to these drawings, the basic principle of the glass nanofabrication method of the present invention is that the etching process is performed by the weakening of the molecular structure caused by the substitution of molecules when two materials are exposed to heat and an electric field.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 1a에 도시한 바와 같이, 유리 기판으로 사용되는 붕규산 유리 기판 위에 철(Fe) 박막 패턴을 형성한다. More specifically, as shown in FIG. 1A, an iron (Fe) thin film pattern is formed on the borosilicate glass substrate used as the glass substrate.

도 1b 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 열과 전기장에 노출시키게 되면 박막 패턴을 이루는 철 금속 원자(Fe) 원자는 붕규산 유리 기판의 결정구조 내의 붕소(B) 원자와 서로 분자 치환된다. As shown in FIGS. 1B and 1C, when exposed to heat and an electric field, ferrous metal atoms (Fe) atoms forming a thin film pattern are molecularly substituted with boron (B) atoms in a crystal structure of a borosilicate glass substrate.

따라서, 도 1d에서 도시한 바와 같이, 분자 치환된 철 금속 원자(Fe)는 붕소(B) 원자 보다 사이즈가 더 크기 때문에 분자 치환된 유리 기판의 분자 구조를 약화시킨다. 따라서, 분자 치환된 유리 기판을 왕수(aqua regia) 또는 피라냐 세정액(piranha cleaning solution)과 같은 식각액에 넣어 식각하면 분자 구조가 약화된 부분이 식각되며 가공된다.Therefore, as shown in FIG. 1D, the molecular substituted iron metal atoms (Fe) are larger in size than the boron (B) atoms, thereby weakening the molecular structure of the molecular substituted glass substrate. Therefore, when the molecular substituted glass substrate is etched in an etchant such as aqua regia or piranha cleaning solution, the weakened portion of the molecular structure is etched and processed.

상기와 같은 유리 나노 가공 방법에는 철(Fe) 뿐만 아니라 Non blocking anode material이라고 알려진 금속 물질들은 동일하게 이용할 수 있다. Non blocking anode material이란 양극 접합(anodic bonding) 과정 중 양극(anode)으로 사용하는 물질이 붕규산 유리로 확산되어 들어가는 물질들을 가리키는데, 대표적인 예로 은(Ag), 철(Fe), 알루미늄(Al) 등이 있다.In the glass nano-processing method as described above, not only iron (Fe) but also metal materials known as non blocking anode materials may be used in the same manner. Non blocking anode material refers to materials in which the material used as an anode is diffused into borosilicate glass during the anodic bonding process, and representative examples are silver (Ag), iron (Fe), and aluminum (Al). There is this.

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 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described below are merely to illustrate the invention, the invention is not limited thereto.

도 2의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법을 도시한 도면이다. 2 (a) to (e) is a view showing a glass nano processing method according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법은 포토레지스트층 패터닝 단계, 철(Fe) 박막 증착단계, 철 박막 패터닝 단계, 가열 단계, 전기장 형성 단계, 유리 기판 식각단계를 포함하여 구성된다. Glass nano-processing method according to the present embodiment comprises a photoresist layer patterning step, iron (Fe) thin film deposition step, iron thin film patterning step, heating step, electric field forming step, glass substrate etching step.

도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 먼저 유리 기판(10) 위에 포토레지스트층(20)을 형성하고 이를 패터닝한다.Referring to FIGS. 2A and 2B, a photoresist layer 20 is first formed on a glass substrate 10 and patterned.

상기 포토레지스트층(20)의 패터닝은 크롬(Cr) 마스크를 이용한 포토 리소그래피 과정을 거쳐 이루어질 수 있다. 이 때 원하는 형상의 마스크 패턴이 포토레지스트층(20)으로 전사되며 상기 포토레지스트층(20)은 기 설정된 형상의 패턴을 갖게 된다.Patterning of the photoresist layer 20 may be performed through a photolithography process using a chromium (Cr) mask. At this time, a mask pattern having a desired shape is transferred to the photoresist layer 20, and the photoresist layer 20 has a pattern having a predetermined shape.

도 2의 (c)를 참조하면, 상기 포토레지스트층(20)이 패터닝된 유리 기판(10) 상에 철(Fe) 박막(30)을 증착시킨다.Referring to FIG. 2C, an iron (Fe) thin film 30 is deposited on the glass substrate 10 on which the photoresist layer 20 is patterned.

여기서, 상기 철(Fe) 박막(30)을 이루는 원자와 유리 기판(10)의 결정 구조를 이루는 원자는 서로 분자 치환할 수 있다. Here, the atoms constituting the iron (Fe) thin film 30 and the atoms constituting the crystal structure of the glass substrate 10 may be molecularly substituted with each other.

유리 기판(10)의 결정 구조 안에서 결정 원자가 철 박막(30)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. 따라서, 유리 기판(10) 위에 형성된 철 박막(30)은 분자 치환된 유리 기판(10)의 분자 구조를 약화시킬 수 있도록 유리 결정을 이루는 결정 원자보다 사이즈가 큰 원자로 이루어진다.Substitution of the crystal atoms in the crystal structure of the glass substrate 10 with the atoms of the iron thin film 30 is performed according to the Goldschmidt's rule. According to this Goldschmidt's rule, the difference in the size of the mutually substituted molecules should be within 15% and the difference in charge should be one or less. Therefore, the iron thin film 30 formed on the glass substrate 10 is made of atoms larger in size than the crystal atoms forming the glass crystal so as to weaken the molecular structure of the molecular substrate glass substrate 10 is substituted.

이와 같이, 유리 기판(10) 위에 철 박막(30)을 형성하는 경우 박막 형태로 이루어지며, 이 박막은 비교적 낮은 온도에서 형성되어야 한다. 따라서, 상기 박막은 일반적으로 낮은 압력에서의 박막 성장을 포함하므로 진공 증착의 범주에 속한다. As such, when the iron thin film 30 is formed on the glass substrate 10, the thin film is formed in a thin film form, and the thin film should be formed at a relatively low temperature. Thus, the thin film generally includes thin film growth at low pressure and thus belongs to the category of vacuum deposition.

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. Sputtering and thermal evaporation can be used as the vacuum evaporation method, and the thermal evaporation method includes filament evaporation, electron beam evaporation, RF power evaporation, and flash evaporation. It includes. Detailed description thereof will be omitted.

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 wafer)가 사용될 수 있다. In this embodiment, a borosilicate glass substrate in which boron atoms are included in the glass crystal structure is illustrated. The borosilicate glass substrate may be a Pyrex glass wafer manufactured by Corning, USA.

따라서, 철 박막(30) 증착 단계에서는 철(Fe) 금속을 E-빔 증착기(E-beam evaporator)를 이용하여 상기 포토레지스트층(20)이 패터닝된 파이렉스 유리 기판(10) 위에 박막형태로 형성한다. Therefore, in the iron thin film 30 deposition step, the iron (Fe) metal is formed on the Pyrex glass substrate 10 on which the photoresist layer 20 is patterned by using an E-beam evaporator. do.

도 2의 (d)를 참조하면, 철 박막 패터닝단계에서는 상기 철 박막(30)이 증착된 유리 기판(10)에 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하여 상기 철 박막(30)을 패터닝한다. Referring to FIG. 2D, in the iron thin film patterning step, the iron thin film 30 is patterned by performing a lift off process on the glass substrate 10 on which the iron thin film 30 is deposited.

즉, 철 박막(30)이 증착된 유리 기판(10)을 현상액에 담궈 리프트 오프 공정을 실시하면 포토레지스트층(20)이 상기 유리 기판(10)으로부터 제거되면서 그 위에 증착된 철 박막(30)도 함께 제거되고, 상기 유리 기판(10)에 직접 증착된 철 박막(30)만 남아 패턴을 형성하게 된다.That is, when the glass substrate 10 on which the iron thin film 30 is deposited is immersed in a developer, a lift-off process is performed to remove the photoresist layer 20 from the glass substrate 10 and to deposit the iron thin film 30 thereon. Also removed together, only the iron thin film 30 deposited directly on the glass substrate 10 will remain to form a pattern.

다음으로, 상기 철 박막(30)이 증착된 유리 기판(10)을 가열하고, 상기 철 박막(30)과 상기 유리 기판(10)의 사이에 전기장을 형성한다.Next, the glass substrate 10 on which the iron thin film 30 is deposited is heated, and an electric field is formed between the iron thin film 30 and the glass substrate 10.

이 때, 상기 철 박막(30)에는 양(+)극이 인가되고, 상기 유리 기판(10)에는 접지(ground) 또는 음(-)극이 인가되도록 하여 전기장을 형성하며, 도 3에 도시된 것과 같이 상기 철 박막(30)의 상부에 스테인레스 전극(35)을 접촉시키고 상기 유리 기판(10)의 하부에 실리콘(Si) 전극(15)을 접촉시켜 전압을 인가할 수 있다. 도 3은 또한 유리 기판(10) 가열 시스템(12)을 함께 도시하고 있다.At this time, a positive (+) pole is applied to the iron thin film 30, and a ground or negative (-) pole is applied to the glass substrate 10 to form an electric field, as shown in FIG. As described above, a voltage may be applied by contacting the stainless electrode 35 to the upper portion of the iron thin film 30 and contacting the silicon (Si) electrode 15 to the lower portion of the glass substrate 10. 3 also shows the glass substrate 10 heating system 12 together.

이와 같이 철 박막(30) 패턴이 형성된 유리 기판(10)에 전기장 처리를 하여 유리 기판(10)의 결정 구조를 이루는 붕소(B) 원자와 철 박막(30) 패턴의 철(Fe) 원자가 분자 치환하도록 한다. Thus, the boron (B) atoms forming the crystal structure of the glass substrate 10 and the iron (Fe) valence molecules of the iron thin film 30 pattern are subjected to electric field treatment on the glass substrate 10 on which the iron thin film 30 pattern is formed. Do it.

이 때, 열과 전기장 처리는 동시에 이루어져야 하나, 유리 기판(10)에 가해진 열 처리 온도 및 전압의 세기에 따라 서로 다른 가공 깊이를 얻을 수 있다. 따라서, 온도 및 전압의 세기는 각각 유리 기판(10)의 가공 깊이를 결정하는 각각의 주요 변수로 작용한다. At this time, heat and electric field treatment should be performed at the same time, but different processing depths can be obtained according to the heat treatment temperature and voltage intensity applied to the glass substrate 10. Thus, the strength of the temperature and the voltage each serve as each major variable that determines the processing depth of the glass substrate 10.

이와 같은 분자 치환을 통해 철 박막(30) 패턴의 형상에 대응하는 유리 기판(10)면의 분자 구조가 약해지게 된다. Through such molecular substitution, the molecular structure of the surface of the glass substrate 10 corresponding to the shape of the iron thin film 30 pattern is weakened.

도 2이 (e)를 참조하면, 유리 기판 식각단계에서는 열과 전기장 처리를 하여 분자 치환시킨 후 유리 기판(10) 위에 남아 있는 철 박막(30)을 제거하면서 함께 유리 기판을 식각한다. Referring to (e) of FIG. 2, in the glass substrate etching step, the glass substrate is etched together while removing the iron thin film 30 remaining on the glass substrate 10 after molecular substitution by heat and electric field treatment.

유리 기판(10) 위에 남아 있는 철 박막(30) 패턴을 제거하고 유리 기판(10) 을 식각하여 가공하기 위해서 식각액으로 왕수(aqua regia) 또는 피라냐 세정액(piranha cleaning solution)을 사용한다. 특히 왕수는 HCl : HNO3 = 3 내지 7 : 1 부피비, 피라냐 세정액은 H2SO4 : H2O2 = 2 내지 4 : 1 부피비로 이루어질 수 있다. 바람직하게 왕수는 HCl : HNO3 : DI(H2O) = 7 : 1 : 8 의 부피비 또는 HCl : HNO3 = 3 : 1 부피비로 이루어질 수 있으며, 피라냐 세정액은 H2SO4 : H2O2 = 2 : 1 부피비 또는 H2SO4 : H2O2 = 4 : 1 부피비로 이루어질 수 있다.An aqua regia or piranha cleaning solution is used as an etchant to remove the iron thin film 30 pattern remaining on the glass substrate 10 and to etch and process the glass substrate 10. In particular, the aqua regia may be composed of HCl: HNO 3 = 3 to 7: 1 volume ratio, Piranha washing liquid is H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 2 to 4: 1 volume ratio. Preferably, the aqua regia may consist of a volume ratio of HCl: HNO 3 : DI (H 2 O) = 7: 1: 8 or a volume ratio of HCl: HNO 3 = 3: 1, and the piranha cleaning solution is H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 2: 1 volume ratio or H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 4: 1 volume ratio.

이와 같이 유리의 식각에 왕수 또는 피라냐 세정액을 식각액으로 사용하는 경우, HF를 식각액으로 사용하는 경우보다 보다 정교한 식각이 가능하다. 즉, HF를 식각액으로 사용하는 경우에는 식각되지 않기를 바라는 부분도 식각되어 버리는 문제점이 있었는데, 상기 왕수 또는 피라냐 세정액을 사용하는 경우에는 이러한 문제점이 없다.As such, when aqua regia or piranha cleaning solution is used as an etchant for etching the glass, more precise etching is possible than when using HF as an etchant. That is, when HF is used as an etchant, there is a problem in which portions not desired to be etched are also etched, but there is no such problem when the aqua regia or piranha cleaning solution is used.

한편, 상기 식각액은 상기 유리 기판 위에 증착되는 금속의 종류에 따라 선택적으로 적용될 수 있다. 즉, 사용되는 금속 박막에 대응하는 전용 금속 식각액을 적용하는 것이 가능하다.On the other hand, the etchant may be selectively applied according to the type of metal deposited on the glass substrate. That is, it is possible to apply a dedicated metal etchant corresponding to the metal thin film used.

이와 같이 철 박막(30) 패턴의 두께, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기를 조절하여 서로 다른 가공 깊이와 좀더 복잡한 나노 스케일의 3차원 형상의 구조물 가공이 가능해진다. Thus, by adjusting the thickness of the iron thin film 30 pattern, the heat treatment temperature and the strength of the voltage forming the electric field, it is possible to process the structure of the three-dimensional structure of different processing depths and more complex nano-scale.

이하에서는, 철 박막(30) 패턴의 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.Hereinafter, the experimental results of experiments using the thickness of the iron thin film 30 pattern, the heat treatment temperature, and the strength of the voltage forming the electric field as the respective variables will be described. Such experimental examples of the present invention are merely for illustrating the present invention and the present invention is not limited thereto.

[실험예1]Experimental Example 1

본 실험에서는 Pyrex 7740 glass wafer를 사용하였다. 먼저, 식각 되기를 원하는 패턴 형성을 위해 깨끗한 Pyrex wafer 위에 HMDS와 AZ 5214E 포토레지스트를 이용하여 Cr 마스크를 통한 포토 리소그래피 과정을 거친다. 그리고 E-beam evaporator를 사용하여 Fe(iron)를 앞에서 만든 PR patterned wafer에 증착 시킨다. 본 실험에서는 일관적으로 3000Å 두께로 증착한 시편을 사용하였으며, 경우에 따라서는 원하는 두께만큼을 증착하여 사용할 수 있다. Fe까지 증착된 시편을 아세톤(acetone)에 담가서 리프트 오프(lift-off) 공정을 실시한다. 이렇게 만들어진 (Fe/Pyrex) 시편들을 사용하여 열/전기장 처리(heat and electric field treatment) 실험을 실시하였다.In this experiment, Pyrex 7740 glass wafer was used. First, a photolithography process using a Cr mask is performed using HMDS and AZ 5214E photoresist on a clean Pyrex wafer to form a pattern to be etched. And using an E-beam evaporator, Fe (iron) is deposited on the PR patterned wafer made earlier. In this experiment, the specimens were deposited with a thickness of 3000Å consistently. The specimen deposited up to Fe is immersed in acetone and subjected to a lift-off process. Heat and electric field treatment experiments were performed using these (Fe / Pyrex) specimens.

도 3과 같은 시스템을 구성하여, 만들어 놓은 시편에 열/전기장을 가했다. 시편에 열을 가하기 위하여 Schott laboratory stirrer SLR (with glass-ceramics heating zone)을 hot plate로 사용하였으며, 전기장을 인가하기 위하여 MATSUSADA Precision Inc. 의 high voltage power source series 인 AU-50R1.2 모델을 이용하였다. 전기장의 세기는 항상 일정한 전극 사이의 거리를 유지하면서(본 실험에서의 유지 거리는 Pyrex wafer의 두께인 500um 정도), 전압 소스의 전압을 조정 하는 것으로 조절하였다.A system as shown in FIG. 3 was constructed, and a thermal / electric field was applied to the prepared specimen. A Schott laboratory stirrer SLR (with glass-ceramics heating zone) was used as a hot plate to heat the specimens, and MATSUSADA Precision Inc. The high voltage power source series of AU-50R1.2 was used. The field strength was always controlled by adjusting the voltage of the voltage source, while maintaining a constant distance between the electrodes (the retention distance in this experiment was about 500um, the thickness of the Pyrex wafer).

실험에 필요한 열을 가하기 위하여, 원하는 온도를 hot plate에서 설정을 한다. 설정한 온도에 확실히 도달 시키기 위하여, 온도 설정 후 약 30분 정도를 기다린 뒤 모든 실험을 실시하였다.To apply the heat required for the experiment, set the desired temperature on the hot plate. In order to surely reach the set temperature, all experiments were performed after waiting about 30 minutes after setting the temperature.

원하는 전압을 인가하기 위하여, high voltage source의 knob을 조절한다. 그런데, 특정 전압을 설정하는 것이 단번에 되지 않는다. 예를 들어 1.2kV를 설정한다고 하였을 때, 0kV에서 시작하여 빠르게 전압을 올리면 0.4~0.5kV에서 high voltage source 최대 용량 이상의 과전류가 흐르게 되어 전압 소스가 작동을 자동으로 멈추게 된다. 따라서, 과전류가 흐르지 않을 정도만큼만 전압을 천천히 올린 뒤 일정시간(1~2분) 기다리면 전류의 값이 줄어들게 된다. 그렇게 되면 다시 한번 전압을 올리고, 전류가 줄어 들 때까지 기다리기를 반복하여 원하는 1.2kV를 설정한다. To apply the desired voltage, adjust the knob of the high voltage source. By the way, setting a specific voltage is not done at once. For example, if you set 1.2kV, if you start the voltage from 0kV and raise the voltage quickly, the overvoltage of the high voltage source exceeds the maximum capacity from 0.4 ~ 0.5kV and the voltage source stops automatically. Therefore, if the voltage is slowly raised to the extent that no overcurrent flows and then waits for a certain time (1 ~ 2 minutes), the value of current decreases. Then increase the voltage once again and wait until the current decreases to set the desired 1.2kV.

열/전기 처리 시간의 측정은 최종 전압이나 온도 설정에 상관없이, 동일하게 0.8kV 이상이 되었을 때를 기준으로 시작하여 기록하였다. 모든 실험은 상온, 대기압 상태에서 이루어졌으며, 특별한 습도 조절은 하지 않았다.The measurement of the thermal / electrical treatment time was recorded starting from the time when the same voltage was 0.8 kV or more, regardless of the final voltage or temperature setting. All experiments were conducted at room temperature and atmospheric pressure, with no special humidity control.

본 실험에서 철(Fe)의 제거 및 glass 식각으로 사용한 용액은 왕수(aqua regia)이다. 여기서 사용한 왕수는 부피비로 HCl : HNO3 : DI(H2O) = 7 : 1 : 8 의 조성비율을 사용하였으며, 식각하는 동안의 온도는80℃로 유지하였다. 왕수뿐만 아니라 piranha cleaning solution (H2SO4 : H2O2 = 2 : 1, volume ratio)을 통하여 에칭을 해도 같은 유리 에칭 식각 결과를 얻을 수 있으나, 본 실험에서는 앞에서 소 개한 비율의 왕수를 사용하여 데이터를 얻어 내었다.In this experiment, the solution used for iron removal and glass etching is aqua regia. As the aqua regia used, the composition ratio of HCl: HNO 3 : DI (H 2 O) = 7: 1: 8 was used as the volume ratio, and the temperature during etching was maintained at 80 ° C. The same glass etching results can be obtained by etching not only aqua regia but also piranha cleaning solution (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 2: 1, volume ratio). Data was obtained.

에칭까지 끝난 시편의 단차 측정은 KLA Tencor Alpha-Step IQ profiler를 기본으로 사용하였으며, JEOL사의 전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 식각 형태를 직접 확인하였다. Alpha-Step 측정의 경우, 기기 설치 문제에 따른 기본 기울기가 존재하기 때문에, 시편 자체만의 식각 profile을 얻기 위해서 각각의 경우에 적당한 leveling 과정을 실시하였다.KLA Tencor Alpha-Step IQ profiler was used as the basis for measuring the step height of the finished specimen, and the etching form was directly confirmed by using a scanning electron microscope of JEOL. In the case of Alpha-Step measurement, since there is a basic slope due to the installation problem, appropriate leveling process was performed in each case to obtain an etching profile of the specimen itself.

철 패턴이 되어 있는 시편에 앞에서 언급한 방법대로 전기장을 가할 때, 철이 패터닝 되어 있는 쪽이 양(+) 전압을 갖게 만들고 반대 쪽은 접지(ground)로 잡는다. 그리고 나서 상기 비율의 왕수에 기 처리된 시편을 1시간 담가 두면, 철의 제거와 함께 glass etching이 함께 일어나게 되었다.When an electric field is applied to an iron patterned specimen in the manner described above, the patterned side of iron has a positive voltage and the other side is grounded. Then, if the specimen was immersed in the aqua regia of the above ratio for 1 hour, the glass etching with the removal of iron occurred.

열/전기 처리를 한 sample의 경우 상온 중에 나오게 되면, 철 표면이 붉게 변해 있고 가루처럼 부서져서 일어난다. 이것은 고온/고전압으로 인하여 철의 산화 과정이 일어났기 때문이고, 상온에 노출 되면서 철의 겉 표면과 아랫면의 stress 차이가 발생한 결과로 보여진다. 도 4a 내지 도 4c에서 열/전기 처리 과정에서의 시편 변화 모습을 볼 수 있다.In the case of thermally / electrically treated samples, when they come out at room temperature, the iron surface turns red and breaks like powder. This is because the oxidation process of iron occurred due to the high temperature / high voltage, and it appears that the stress difference between the outer surface and the lower surface of iron occurs when exposed to room temperature. In Figures 4a to 4c it can be seen that the specimen changes during the thermal / electrical treatment process.

왕수를 이용하여 유리 식각까지 끝마친 시편을 alpha-step profiler로 그 식각 된 깊이를 측정하고, 현미경과 SEM을 이용하여 관찰하였다. 그 대표적인 예를 도 5a 및 도 5b에서 보여주고 있다.Using the aqua regia, the finished specimens were etched by glass using an alpha-step profiler and observed using a microscope and SEM. Representative examples are shown in FIGS. 5A and 5B.

[실험예2]Experimental Example 2

유리가 식각 되는 최고 깊이는 열/전기장 처리 과정에서 가해준 온도와 전압 의 세기, 총 열/전기장 처리 시간에 따라 결정된다. 따라서, 각각의 parameter 변화가 유리 식각 깊이에 미치는 영향에 관하여 실험을 통하여 알아보았다.The maximum depth at which the glass is etched depends on the temperature and voltage intensity applied during the heat / field treatment and the total heat / field treatment time. Therefore, the effect of each parameter change on the glass etching depth was examined through experiments.

철의 두께가 300nm 이고, 온도는 530℃인 경우에 대하여 전압의 세기를 1kV, 1.3kV, 1.5kV로 바꾸어 가면서 30분 동안 실험을 하였다. 최종적으로 얻은 유리 에칭의 깊이는 도 6에서 확인할 수 있다. 1.5kV 이상에서의 전압에서는 공기 중 방전이 심하게 일어나는 어려움이 있어 실험해 보지 못하였으나, 그보다 전압이 작은 구간에서는 도 6에서 볼 수 있듯이 전압이 증가함에 따라 최종 식각 되는 깊이가 선형적으로 증가 되는 것을 볼 수 있다.When the thickness of the iron is 300nm, the temperature was 530 ℃ experiments for 30 minutes while changing the intensity of the voltage to 1kV, 1.3kV, 1.5kV. The depth of the finally obtained glass etching can be seen in FIG. 6. At the voltage above 1.5kV, there was a difficulty in severely discharging in the air, but in the lower voltage section, as shown in FIG. 6, the depth of final etching increases linearly as the voltage increases. can see.

[실험예3]Experimental Example 3

온도 변화에 따라서 식각되는 깊이 차이를 보기 위하여, 철 두께 300nm와 1kV, 처리 시간을 30분으로 고정시키고 온도는 500℃, 530℃, 550℃ 바꾸어 가면서 실험을 실시하였으며, 그 결과는 도 7에 도시하였다. 500℃ 이하에서는 눈여겨볼만한 결과가 나오지 않았으며, 550℃ 이상은 사용한 hot plate 기기의 한계와 glass의 annealing point를 넘어서기 때문에 실험하지 않았다. 전압 변화 실험과 마찬가지로 주어진 구간 안에서 온도가 증가할수록 최종 식각 깊이가 선형적으로 증가 하는 것을 볼 수 있다.In order to see the difference in depth etched according to the temperature change, iron thickness 300nm and 1kV, the treatment time was fixed to 30 minutes and the experiment was carried out while changing the temperature 500 ℃, 530 ℃, 550 ℃, the results are shown in Figure 7 It was. At 500 ℃ and below, no noticeable results were observed. Above 550 ℃, the test was not performed because it exceeds the limit of the hot plate device used and the annealing point of glass. As with the voltage change experiments, the final etch depth increases linearly with increasing temperature within a given interval.

[실험예4]Experimental Example 4

마지막으로 열/전기 처리 시간이 길어지는 것에 대한 식각 깊이 변화를 알아보았다. 철의 두께 300nm와 1.3kV, 530℃ 조건 하에서 처리시간을 증가시켜 가면서 실험을 실시하였다. 도 8에서 보는 것과 같이 처리 시간이 증가하면서 최종 유리 식각 깊이도 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. Finally, the change in etching depth for the longer heat / electric treatment time was examined. The experiment was performed while increasing the treatment time under the conditions of 300 nm, 1.3 kV, and 530 ° C iron thickness. As shown in FIG. 8, it can be seen that as the processing time increases, the final glass etching depth also increases linearly.

결과적으로, 온도와 전압의 세기, 열/전기장 처리 시간을 적절히 조합해 조절하면 원하는 유리 식각 깊이를 얻을 수 있는 것이다.As a result, a suitable combination of temperature, voltage intensity, and thermal / field treatment time can be adjusted to achieve the desired glass etch depth.

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.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 유리 나노 가공 방법에 대한 이론적 배경을 설명하는 도면이다. 1A to 1D illustrate the theoretical background of the glass nanofabrication method of the present invention.

도 2의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법을 도시한 도면이다. 2 (a) to (e) is a view showing a glass nano processing method according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법을 구현하기 위한 열/전기장 처리 시스템의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a heat / field treatment system for implementing a glass nanofabrication method according to an embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법에서 열 및 전기장 처리에 따른 Fe/Pyrex 샘플의 변화를 나타내는 사진으로, 도 4a는 Fe/Pyrex 샘플을 나타내는 것이고, 도 4b는 열만 잠시 가한 샘플이며, 도 4c는 열/전기장 처리 후 샘플을 나타내는 것이다.4A to 4C are photographs showing changes in Fe / Pyrex samples according to heat and electric field treatments in the glass nanofabrication method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4A is a Fe / Pyrex sample, and FIG. 4B is Only the heat was briefly applied and FIG. 4C shows the sample after the heat / field treatment.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법을 수행한 후 샘플의 단면을 측정한 alpha-step 측정 그래프이고, 도 5b는 상기 샘플의 단면 SEM 사진이다.5a is an alpha-step measurement graph of measuring a cross section of a sample after performing the glass nanofabrication method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5b is a cross-sectional SEM photograph of the sample.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법에 있어서, 인가 전압의 크기에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다. 6 is a graph showing the relationship between the processing depth according to the magnitude of the applied voltage in the glass nano processing method according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법에 있어서, 열처리 온도에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다. 7 is a graph showing the relationship between the processing depth according to the heat treatment temperature in the glass nano processing method according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 나노 가공 방법에 있어서, 열/전기장 처리 시간에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다. 8 is a graph showing the relationship between the processing depth according to the heat / electric field treatment time in the glass nano processing method according to an embodiment of the present invention.

Claims (7)

유리 기판 위에 금속 박막을 패터닝(patterning)하여 증착시키는 단계;Patterning and depositing a metal thin film on the glass substrate; 상기 패터닝된 금속 박막이 증착된 유리 기판에 열을 가하는 단계;Applying heat to the glass substrate on which the patterned metal thin film is deposited; 상기 금속 박막과 상기 유리 기판 사이에 전기장을 형성하는 단계;Forming an electric field between the metal thin film and the glass substrate; 상기 금속 박막이 형성된 유리 기판을 왕수(aqua regia) 또는 피라냐 세정액(piranha cleaning solution)에 기 설정된 시간 동안 담가두어 금속 박막과 함께 유리 기판을 식각시키는 단계Etching the glass substrate together with the metal thin film by immersing the glass substrate on which the metal thin film is formed in aqua regia or piranha cleaning solution for a predetermined time. 를 포함하는 유리 나노 가공 방법.Glass nano processing method comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막은 스퍼터링법 또는 필라멘트 증착, 전자빔 증착, RF 전력 증착 및 플래쉬 증착 중 어느 하나의 열 증착법에 의해 형성되는 유리 나노 가공 방법.The metal thin film is formed by the thermal evaporation method of any one of sputtering or filament deposition, electron beam deposition, RF power deposition and flash deposition. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막은 철 박막인 유리 나노 가공 방법.The metal thin film is an iron thin film glass nano processing method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막을 패터닝하여 증착시키는 단계는,Patterning and depositing the metal thin film, 상기 유리 기판 위에 포토레지스트층을 형성하고 기 설정된 형상으로 패터닝하는 단계;Forming a photoresist layer on the glass substrate and patterning the photoresist layer into a predetermined shape; 상기 포토레지스트층이 패터닝된 유리 기판 상에 금속 박막을 증착시키는 단계; 및Depositing a metal thin film on the glass substrate on which the photoresist layer is patterned; And 상기 금속 박막이 증착된 유리 기판에 리프트 오프 공정을 실시하여 금속 박막을 패터닝하는 단계를 포함하는 유리 나노 가공 방법.And performing a lift-off process on the glass substrate on which the metal thin film is deposited to pattern the metal thin film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유리 기판은 붕규산 유리 기판을 포함하는 유리 나노 가공 방법.The glass substrate is a glass nano processing method comprising a borosilicate glass substrate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 왕수는 HCl : HNO3 = 3 내지 7 : 1 의 부피비로 이루어지는 유리 나노 가공 방법.The aqua regia is glass nano processing method consisting of HCl: HNO 3 = 3 to 7: 1 by volume ratio. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 피라냐 세정액은 H2SO4 : H2O2 = 2 내지 4 : 1 의 부피비로 이루어지는 유리 나노 가공 방법. The piranha cleaning solution is glass nano processing method consisting of a volume ratio of H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 2 to 4: 1.
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