KR101027470B1 - 미세 패턴 임프린트 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 패턴이 형성된 기판을 대량으로 생산하기 위한 임프린트 장치 및 방법에 관한 것으로, 상호 밀착 또는 이격되도록 가동되며 밀착시 광경화성 수지가 도포된 기판에 패턴이 형성된 스탬프로 임프린트 리소그래피를 수행하기 위한 처리공간을 제공하는 제1 챔버 및 제2 챔버와, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버의 측방에 배치되어 상기 제1 챔버 및 제2 챔버 사이로 진입하도록 가동되는 광원을 포함하여 이루어진 미세 패탠 임프린트 장치가 제공된다.

미세패턴, 임프린트, 자외선, 노광, 조사.

Description

미세 패턴 임프린트 장치 및 방법{APPARATUS FOR IMPRINTING FINE STRUCTURES}

본 발명은 미세 패턴이 형성된 기판을 대량으로 생산하기 위한 임프린트 장치 및 방법에 관한 것이다.

미세 패턴을 대량으로 형성하기 위한 방법으로 나노 임프린팅 리소그래피(Nano-Imprinting Lithography, NIL) 기법이 각광받고 있다.

나노 임프린팅 리소그래피(이하 '임프린트')는 상대적 강도가 강한 물질의 표면에 필요로 하는 구조물의 형상을 미리 제작한 몰드(mold)를 상대적 강도가 약한 다른 물질 위에 마치 도장 찍듯이 찍어서 패터닝 시키거나, 원하는 구조물 형상의 몰드를 제작한 후 몰드 내부로 폴리머 물질을 도포하여 패턴을 형성하는 방법이다. 전자의 경우, 몰드를 특히 스탬프라 부르기도 한다. 이와 같은 나노 임프린트 기법은 미세 패턴의 생산성이 극히 낮다는 문제점을 극복할 수 있으며, 나노 크기의 미세 패턴을 대량 제조할 수 있다는 장점이 있다. 한편 나노 임프린팅 리소 그래피는 반드시 나노 스케일의 구조물에만 적용되는 것은 아니고, 마이크로 스케일의 구조물에도 적용되고 있으므로, 미세 패턴을 제조하기 위한 기법이라 할 수 있다.

일반적인 나노 임프린팅 리소그래피 기법을 통해 미세 패턴을 형성하는 과정을 도 1 내지 도 6을 참조로 설명하면 다음과 같다.

우선 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(S) 상에 자외선 경화성 수지(R)를 얇게 도포한다. 자외선 경화성 수지는 자외선을 조사하면 단단하게 굳어지는 폴리머를 말한다.

다음으로는 도 2에 도시된 바와 같이, 자외선 경화성 수지(R)가 도포된 기판(S) 상부에 스탬프(M)를 올려 놓는다. 여기에서 스탬프(M)의 하부에는 기판(S) 상에 형성시키고 싶은 일정한 패턴이 양각으로 형성된다. 따라서 이 스탬프(M)를 수지(R)가 도포된 기판(S) 상부에 올려 놓고 가압하면, 기판 상의 수지(R)가 변형되어 스탬프(M)에 형성된 패턴과 상응하는 형상이 기판(S) 상에 형성된다. 물론 이 단계에서는 기판(S)과 스탬프(M)의 정확한 합착을 위하여 스탬프(M)와 기판(S)의 위치를 정렬하는 과정이 필요할 수도 있다. 또한 스탬프와 수지 사이에 기포가 형성되는 등의 문제를 방지하기 위하여 스탬프(M)와 기판(S)의 합착은 진공 분위기 하에서 이루어진다.

스탬프(M)와 기판(S)이 상호 합착된 상태에서 도 3에 도시된 바와 같이 스탬프(M)의 상부로부터 자외선 램프(L)를 사용하여 자외선을 조사한다. 이때 스탬프(M)는 자외선 투과성 재질로 되어 있으므로, 자외선은 스탬프(M)를 투과하여 자 외선 경화성 수지(R)를 경화시킨다. 그러면 스탬프(M)에 미리 형성된 패턴 형상에 대응하는 형상이 기판 상에 정착된다.

다음으로는 도 4에 도시된 바와 같이, 경화된 수지(R)로부터 스탬프(M)를 분리시키는 공정이 진행된다. 즉, 자외선 경화성 수지(R)가 자외선 조사에 의하여 충분히 경화된 후에, 스탬프(M)를 상부로 들어올려 수지로부터 분리시키는 것이다.

스탬프(M)와 기판(S)을 분리한 후, 도 5에 도시된 바와 같이 기판(S) 상부에 남아 있는 불필요한 수지(R)를 에칭 등의 방법으로 제거하여 도 6에 도시된 바와 같이 원하는 패턴이 형성된 기판(S)을 얻는다.

그런데, 임프린트 리소그래피 기법에서 기판에 형성되는 패턴의 정밀도를 향상시키기 위해서는 기판(S)과 스탬프(M) 의해 형성된 미세 패턴의 품질은, 스탬프(M)와 기판(S)이 얼마나 치밀하게 밀착되었는지에 따라 결정된다. 즉, 스탬프(M)와 기판(S) 사이에 기포가 존재하는 경우, 기판(S)에 형성된 미세 패턴은 목표하는 형상보다 부피도 작을 뿐더러 모양도 달라진다. 따라서 기판(S)에 도포된 수지가 스탬프(M)에 형성된 형상에 빈틈없이 침투하도록 할 것이 요구된다.

이를 위해, 스탬프(M)와 기판(S)의 합착을 챔버 내부에서 진행하되, 이 챔버를 진공 분위기로 한 채로 합착하며, 나아가 스탬프(M)와 기판(S)이 합착된 상태에서 챔버를 다시 고압으로 충진하여 기체 압력에 의해 스탬프(M)와 기판(S)이 서로 압착되도록 가압하는 임프린트 장치가 알려져 있다. 즉, 대기압과 다른 조건에서 스탬프(M)와 기판(S)을 압착시킨 다음, 수지를 향해 자외선을 조사하여 경화시키는 것이다.

수지를 경화시키기 위해서는 챔버 내부에 자외선 광원을 설치하거나 압착된 스탬프(M)와 기판(S)을 챔버 외부로 반출한 후 외부에 설치된 자외선 광원에 의해 경화시켜야 한다.

전자의 경우 챔버의 벽체가 자외선이 투과할 수 있는 재질로 이루어져 있어야 해야 한다. 예컨대 석영이나 유리 재질은 자외선을 투과시키므로 챔버의 재질로 선택될 수 있다. 그러나 이런 재질로 챔버의 벽체를 형성할 경우, 챔버의 자중이 지나치게 늘어날 뿐만 아니라, 석영과 유리는 금속 재질에 비해 인성이 낮으므로, 챔버 내부를 진공 분위기로 하거나 대기압 이상으로 가압할 경우 구조적 강도가 문제된다.

반면 후자의 경우 스탬프(M)와 기판(S)을 챔버 외부로 반출하는 과정에서는 아직 수지가 경화된 단계가 아니므로 스탬프(M)와 기판(S)이 상호 움직일 수 있다. 즉, 수지의 유동성에 의해 스탬프(M)와 기판(S) 사이의 정렬이 흐트러질 수 있으며, 이 경우에는 기판(S)에 형성할 패턴이 변형되는 등 불량으로 이어진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 챔버의 구조적 강도를 저하시키거나 스탬프 및 기판을 챔버 외부로 반출하지 않고도 광경화성 수지를 경화시킬 수 있는 미세 패턴 임프린트 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들 과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치는, 상호 밀착 또는 이격되도록 가동되며 밀착시 광경화성 수지가 도포된 기판에 패턴이 형성된 스탬프로 임프린트 리소그래피를 수행하기 위한 처리공간을 제공하는 제1 챔버 및 제2 챔버와, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버의 측방에 배치되어 상기 제1 챔버 및 제2 챔버 사이로 진입하도록 가동되는 광원을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치에 있어서, 상기 제2 챔버는 상기 제1 챔버의 하방에서 마주보도록 위치하고, 상기 제1 챔버 또는 제2 챔버 중 적어도 하나 이상은 상하 방향으로 가동되도록 설치되며, 상기 광원은 수평방향으로 가동되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치는, 상기 스탬프를 지지하기 위해 상기 제1 챔버에 설치된 제1 척과, 상기 기판을 지지하기 위해 상기 제2 챔버에 설치된 제2 척을 더 포함하고, 상기 제1 척 및 제2 척은 상호 근접 및 이격되도록 가동되며, 상기 광원은 상기 제1 척 및 제2 척 사이에서 가동되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치에 있어서, 상기 광원은, 자외선 램프 또는 자외선 LED 중 선택된 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 광원에 설치되어 상기 광원 주위의 기체를 흡입하는 흡입부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 방법은, 제1 챔버와 제2 챔버를 밀착하여 제공되는 처리공간 내에서 기판과 스탬프를 밀착시키는 단계와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 이격시키는 단계와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 광원을 진입시키는 단계와, 상기 광원을 점등하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면 제1 챔버와 제2 챔버로 하나의 챔버를 구성하고 이 챔버 내부에서 기판과 스탬프를 밀착시킨 후 제1 챔버와 제2 챔버를 이격시키고 그 사이로 광원을 진입시켜 경화광을 조사하도록 하므로, 수지가 경화되기 이전에 외부로 반출됨으로 인해 정렬상태가 흐트러지는 문제를 해결할 수 있다. 또한 챔버의 벽체를 변형시키거나 다른 것으로 대체하는 것이 아니므로 챔버의 구조적 강도를 저하시키는 문제도 방지된다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치의 일실시예의 단면도이고, 도 8 내지 도 11은 도 7의 실시예의 각 작동상태를 도시한 단면도이다.

챔버(110, 120)는 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)로 분리되어 있으며, 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)는 서로 밀착되거나 이격되도록 가동된다. 따라서 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)가 밀착되어 있을 때에는 양자 사이에 스탬프(M)로 기판(S)을 임프린트하기 위한 처리공간(C)이 제공되며, 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)가 서로 이격되어 있을 때에는 기판(S)이나 스탬프(M)를 반입하거나 반출할 수 있게 된다. 도 7 내지 도 11에서는 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)는 상하로 나뉘어 배치된 것으로 예시되어 있다.

제1 챔버(110)에는 스탬프(M)를 지지하기 위한 제1 척(210)이 구비되어 있으며, 제2 챔버(120)에는 기판(S)을 지지하기 위한 제2 척(220)이 구비된다. 기판(S)에는 그 일면에 광경화성 수지가 도포되어 있는 상태이다. 도 7은 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)가 상하로 이격되어 있는 상태에서 외부로부터 스탬프(M)와 기판(S)이 반입되어 각각 제1 척(210)과 제2 척(220)에 의해 지지되어 있는 상태이고, 도 8은 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)가 서로 밀착되어 외부와 차단된 처리공간(C)을 제공하고 있는 상태이다. 이 상태에서 처리공간(C)을 대기압보다 높거나 낮도록 하는 등, 필요한 공정의 특성에 따라 압력 조절을 한 채로 스탬프(M)와 기판(S)을 밀착시킨다. 이때 제1 척(210) 또는 제2 척(220)이 상하방향으로 승강 작동되는데, 도 9에는 그 예로서 제2 기판(S)이 상승하여 기판(S)을 스탬프(M) 측으로 밀착시키는 것을 도시하고 있다. 이와 달리 제1 척(210)을 하강시킬 수도 있으며, 제1 척(210)과 제2 척(220)이 모두 승강되는 구성도 가능하다.

스탬프(M)와 기판(S)이 밀착되면, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 척(210)은 스탬프(M)에 대한 지지를 해제하고 제2 척(220)이 기판(S)을 지지하도록 한다. 이 상태에서는 아직 기판(S)에 도포된 광경화성 수지가 경화되지 않은 상태이다.

광원(300)은 이상의 과정에서 모두 챔버(110,120)의 외부에 대기하고 있는 상태로서, 도 7 내지 도 11에 예시된 바와 같이 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)가 상하로 나뉘어 배치된 경우라면 광원(300)은 각 챔버(110,120)의 측방에 배치되어 있다. 광원(300)은 기판(S)에 도포된 광경화성 수지를 경화시키기 위해 경화광을 조사하는 것으로, 자외선 램프 또는 자외선 LED를 포함하는 것이 바람직하다.

스탬프(M)와 기판(S)이 서로 밀착되고, 제2 척(220)에 의해 양자가 모두 지지된 상태에서, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120)를 서로 이격시키고, 제1 챔버(110)와 제2 챔버(120) 사이로 광원(300)을 진입시킨다. 이 경우 광원(300)은 대체로 수평방향으로 가동된다. 제1 척(210) 및 제2 척(220)이 구비된 경우, 광원(300)은 제1 척(210)과 제2 척(220) 사이로 진입하게 된다. 광원(300)이 양 챔버(110,120) 사이로 진입한 상태에서 광원(300)을 점등하면, 제2 척(220)에 지지된 기판(S) 및 스탬프(M)가 광원(300)으로부터 조사된 경화광에 노출되고, 기판(S)에 도포된 광경화성 수지가 경화된다.

광경화성 수지를 경화시킨 뒤에는 광원(300)을 다시 수평방향으로 가동시켜 챔버(110,120) 외부로 복귀시키고, 수지가 경화된 상태로 상호 밀착된 스탬프(M) 및 기판(S)에 대해서는 챔버(110,120) 내부에서 분리공정을 진행하거나, 다른 장치로 반송시킬 수 있다.

이와 같은 제1 챔버(110), 제2 챔버(120), 제1 척(210), 제2 척(220) 및 광원(300)의 동작은 통상의 구동수단에 의해 구현가능하므로 상세한 구조에 대한 설명은 생략한다.

한편, 경화광으로는 자외선과 같은 것이 사용된다. 그런데, 자외선은 주변의 대기와 광화학 반응을 통해 오존과 같은 유해물질을 생성하기도 한다. 따라서 개방된 공간에서 자외선을 조사하는 것은 사용자에게 유익하지 않을 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 광원(300)은 흡입부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 흡입부는 광원(300) 주변의 공기를 흡입하여 그 속에 포함된 오존과 같은 유해물질을 직접 분해하거나, 별도의 분해장치 또는 저장용기 측으로 안내하기 위한 것으로, 흡입모터와, 흡입모터로부터 광원까지 연결된 흡입관으로 구성할 수 있으며, 흡입관의 광원측 끝단이 개방되어 있으면 된다. 그러면 광원(300)에서 조사된 자외선이 주변의 산소로부터 오존을 생성시키더라도, 오존이 흡입관을 통해 흡입되어 사용자에게 악영향을 미치지 않는다.

도 12는 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 방법의 일실시예의 순서도이다.

기판과 스탬프는 외부와 차단된 처리공간 내에서 처리된다. 즉, 제1 챔버와 제2 챔버를 밀착하여 처리공간을 형성하고, 이 처리공간 내에서 기판과 스탬프를 밀착한다(S110). 기판에는 광경화성 수지가 도포되어 있는 상태이며, 스탬프는 기판에 형성할 패턴에 대응하는 패턴이 미리 형성되어 있는 상태이다. 스탬프와 기판이 밀착되면 양자 사이에 광경화성 수지가 위치하게 된다. 이와 같이 외부와 차단된 처리공간에서 공정이 진행되는 이유는 앞서 설명한 바와도 같이 기판과 스탬프를 밀착하여 패턴을 전사할 때 대기압보다 높거나 낮은 압력조건이 유리하기 때문이다.

기판과 스탬프의 밀착이 완료되면 제1 챔버와 제2 챔버를 이격시켜 개방시킨다(S120). 그러면 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 간격이 확보되며, 이 간격으로 광원을 진입시킨다(S130). 이를 위해 광원은 제1 챔버와 제2 챔버의 측방에 미리 배치해두되, 직선방향으로 왕복이동될 수 있도록 설치한다.

광원을 제1 챔버와 제2 챔버 사이로 진입시킨 뒤 점등한다(S140). 그러면 스탬프와 밀착된 기판은 광원으로부터 조사된 경화광에 노출되고, 기판에 도포된 광경화성 수지가 경화되기 시작한다.

수지의 경화가 완료되면, 광원은 소등한 뒤 다시 외부로 반출시키고, 스탬프와 기판의 분리공정을 진행하거나, 스탬프와 기판이 밀착된 채로 다른 장치에 공급하기 위하여 반출한다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1 내지 도 6은 종래기술에 따른 임프린트 기법의 각 공정을 개략 도시한 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 장치의 일실시예의 단면도,

도 8 내지 도 11은 도 7의 실시예의 다른 작동상태를 도시한 단면도,

도 12는 본 발명에 따른 미세 패턴 임프린트 방법의 일실시예의 순서도이다.

Claims (6)

1. 상호 밀착 또는 이격되도록 가동되며 밀착시 광경화성 수지가 도포된 기판에 패턴이 형성된 스탬프로 임프린트 리소그래피를 수행하기 위한 처리공간을 제공하는 제1 챔버 및 제2 챔버와,

   상기 제1 챔버 및 제2 챔버의 측방에 배치되어 상기 제1 챔버 및 제2 챔버 사이로 진입하도록 가동되는 광원을 포함하고,

   상기 스탬프를 지지하기 위해 상기 제1 챔버에 설치된 제1 척과,

   상기 기판을 지지하기 위해 상기 제2 챔버에 설치된 제2 척을 더 포함하고,

   상기 제1 척 및 제2 척은 상호 근접 및 이격되도록 가동되며,

   상기 광원은 상기 제1 척 및 제2 척 사이에서 가동되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 임프린트 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 챔버는 상기 제1 챔버의 하방에서 마주보도록 위치하고,

   상기 제1 챔버 또는 제2 챔버 중 적어도 하나 이상은 상하 방향으로 가동되도록 설치되며,

   상기 광원은 수평방향으로 가동되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 임프린트 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원은,

   자외선 램프 또는 자외선 LED 중 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 임프린트 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 광원에 설치되어 상기 광원 주위의 기체를 흡입하는 흡입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 임프린트 장치.
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