KR101114286B1 - 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치 - Google Patents

나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치 Download PDF

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KR101114286B1
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Abstract

본 발명은 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치에 관한 것으로서, 임프린트(Imprint) 공정을 통한 고분자 기반의 광소자 제작에 사용되는 나노/마이크로 크기의 미세구조물이 각인된 스탬프와 고분자간에 이형막을 형성시키는 임프린팅 스탬프 이형장치에 있어서, 상기 스탬프에 기체상태의 이형막 형성물질이 증착되는 공간이 되는 챔버;와 상기 챔버 내부에서 상기 스탬프를 고정지지하는 스탬프홀더;를 포함하며, 상기 스탬프홀더를 이용하여 상기 스탬프의 회전속도 및/또는 경사도를 조절할 수 있도록 하되, 상기 이형막은 자기조립단분자막(SAM)이며, 액체상태의 자기조립단분자막 형성물질에 열을 가하여 증기상태로 상변화시키는 가열수단이 구비되고 상기 챔버와 연통하여 상기 상변화된 증기상태의 자기조립단분자막 형성물질을 상기 챔버로 공급하는 제1공급장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기상증착법을 통해 자기조립단분자막(SAM)을 스탬프에 코팅함으로써 액상법에 비해 공정이 단순하고 재현성 및 신뢰성이 큰 장점이 있고, 챔버 내부에서 스탬프를 고정지지하는 스탬프홀더를 이용하여 이형막이 형성되는 스탬프에 회전운동이나 경사도를 변경시킴으로써 효과적인 패턴의 측벽 코팅이 가능해져서 패턴 내부 측벽의 표면에너지를 낮추어 스탬프의 공정수명을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.

Description

나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치{IMPRINTING RELEASE LAYER COATER WITH STAMP FOR NANO/MICRO OPTICAL DEVICE}
본 발명은 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기상증착법에 의해 이형막이 코팅되는 스탬프에 회전운동이나 경사도를 변경시킴으로써 효과적인 패턴의 측벽 코팅이 가능한 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치에 관한 것이다.
지식정보화 사회의 고도화에 따라 정보전송량 증가 수요에 따른 광통신 기술의 발달로 FTTH(Fiber To The Home)가 확대 보급되고 이에 고정밀도, 초소형화 및 고집적화 광소자의 수요가 증대되고 있다. 기존 실리카 기반의 광소자는 복잡한 공정과 낮은 생산성 및 고비용 등의 문제점을 가지고 있었으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 고분자기반의 광소자 제작 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 중에서 나노 임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography,NIL)는 나노 크기의 미세구조물을 갖는 스탬프를 이용하여 고분자에 나노 구조물을 각인하고 복제하여 전사하는 기법으로, 공정이 단순하고 공정시간이 짧아서 경제적이며 나노 크기의 패턴을 정밀하면서도 신뢰성을 가지고 대량생산을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 고분자 기반의 광소자를 제작할 수 있는 매우 유용한 기법으로 볼 수 있다.
이러한 NIL 기법에는 크게 열과 압력을 이용하는 thermal 방식과 자외선을 이용하는 UV 방식으로 나눌 수 있는데, Thermal 임프린트 방식은 고분자의 유리전이 온도(Tg) 이상의 온도에서 물리적 접촉에 의해 패턴을 형성하는 방식으로서 UV 임프린트 방식보다 스탬프의 재료 선정이 쉽고 사용될 수 있는 레진 및 공정이 비교적 다양한 장점이 있다. 반면에, UV 임프린트 방식은 투명한 스탬프와 고분자를 접촉시킨 후에 자외선 경화를 통해 패턴을 형성하는 방식으로서, thermal 임프린트 방식에 비해 저압에서 공정이 이루어지기 때문에 깨지거나 부러지기 쉬운 재질 위에 패터닝할 때 유리하며, 다층화 공정이 비교적 용이하고 가열 및 냉각 시간이 필요하지 않아 작업 시간이 단축되어 생산성이 높은 장점이 있다.
한편, 임프린트 공정을 통한 고분자 기반의 광소자 제작은 나노 마이크로 크기의 미세구조물이 각인된 스탬프와 고분자가 직접적으로 물리적 접촉을 한 후에 이형(demolding)을 하는데, 이때 스탬프와 고분자(PolyMethyMethAcrylate,PMMA)의 상대적인 표면에너지 차이에 의해 스탬프와 고분자의 미세구조물에 손상 및 결함이 발생하게 되고, 불순물에 의한 오염현상이 발생하며, 들러붙음 현상(sticking)에 의해서 고분자의 표면이 거칠어져 광소자의 산란 손실이 증가되는 문제가 발생한다. 따라서 이를 해결하기 위한 이형 기법 연구 및 표면처리 기법 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 스탬프의 표면에 이형막을 형성하는 기법으로는 스핀 코팅법, 액체타입 단분자막형성법, 증기타입 단분자막 형성법, 플라즈마 반응법 등이 있는데, 그 중에서 단분자막형성법은 스탬프의 표면에 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayers,SAM)의 얇은 박막(2~3nm) 코팅을 통해 표면을 소수성(Hydro-phobic)으로 변환하여 표면에너지를 감소시키는 기법이다. 이에 사용되는 자기조립단분자막은 강한 소수성을 갖는 얇은 유기 박막으로서, 분자와 기판(스탬프)과의 상호 작용과 분자 간의 상호작용으로 분자기 기판표면에 자율적으로 정렬된 배열 상태를 이루는 1개의 분자층으로 구성된 얇은 막으로 이루어진다.
스탬프에 이러한 SAM을 코팅처리하는 방법으로는 크게 액상법(solution type)과 기상증착법(evaporation type)이 있는데, 액상법은 액체 상태의 SAM 용액에 스탬프를 담갔다가 일정시각이 흐른 후에 꺼내는 방식으로서 이는 패턴의 크기가 마이크로미터단위일 경우엔 충분하지만 나노 크기의 패턴은 패턴 안쪽에 SAM 용액이 들어가지 못하게 되는 문제가 있었다. 따라서 나노 크기의 패턴에 이형층을 형성하는 데에는 기상증착법이 재현성이 높고 신뢰성이 커서 더 효과적인 기법으로 인정되고 있다.
대한민국 공개특허 제2010-0073001호에서는 기상증착법에 의한 스탬프표면에 이형막을 형성하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(200)의 표면이 챔버의 바닥면을 향하도록 기판을 상부 덮개의 안쪽에 고정시킨 다음, 챔버에 담긴 자기 조립 단분자 물질(P)을 증발시켜 증발된 자기조립 단분자 물질이 상부 덮개에 고정된 기판에 증착되도록 함으로써, 기판 상에 자기 조립 단분자막을 빠르고 간단하게 형성할 수 있도록 하는 증발법을 이용한 자기조립 단분자막 제조 방법 및 장치에 관해 기술되어 있다.
그러나, 이러한 기존 기상증착법에서는 시료를 평면에 고정한 후에 이형층을 형성하기 때문에 윗면은 코팅이 균일하게 되지만 패턴내부의 측벽(sidewall)은 상대적으로 코팅의 효과가 떨어지며, 이는 공정수명을 단축시키는 원인이 된다. 특히 Y분기부를 가지는 패턴의 경우에 분기가 시작되는 지점은 스탬프와 고분자의 접촉면 세장비(aspect ratio)가 크기 때문에 효과적인 측벽의 코팅이 필요하다.
따라서, 스탬프에 증기상태의 SAM이 균일하게 증착되도록 하고, 패턴이 형성된 측벽까지도 효율적으로 코팅이 이루어질 수 있는 이형막 형성장치의 개발 필요성이 대두되어 왔다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기상증착법을 통해 자기조립단분자막(SAM)을 효과적으로 스탬프 패턴 내부 측벽까지 코팅함으로써, 스탬프의 공정수명을 향상시킬 수 있는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 스탬프의 패턴 구성에 따라 최적화된 공정조건을 선택/조절할 수 있는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치는 임프린트(Imprint) 공정을 통한 고분자 기반의 광소자 제작에 사용되는 나노/마이크로 크기의 미세구조물이 각인된 스탬프와 고분자간에 이형막을 형성시키는 임프린팅 스탬프 이형장치에 있어서, 상기 스탬프에 기체상태의 이형막 형성물질이 증착되는 공간이 되는 챔버;와 상기 챔버 내부에서 상기 스탬프를 고정지지하는 스탬프홀더;를 포함하며, 상기 스탬프홀더를 이용하여 상기 스탬프의 회전속도 및/또는 경사도를 조절할 수 있도록 하되, 상기 이형막은 자기조립단분자막(SAM)이며, 액체상태의 자기조립단분자막 형성물질에 열을 가하여 증기상태로 상변화시키는 가열수단이 구비되고 상기 챔버와 연통하여 상기 상변화된 증기상태의 자기조립단분자막 형성물질을 상기 챔버로 공급하는 제1공급장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
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이때, 상기 챔버를 가열하는 히터와, 상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 펌프 및, 상기 히터 및/또는 펌프를 조작하여 상기 챔버 내의 온도 및/또는 압력을 조절하는 챔버제어부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
삭제
또한, 순수(DeIonized water, DI water)에 열을 가하여 증기상태로 상변화시키는 가열수단이 구비되고 상기 챔버와 연통하여 상기 상변화된 증기상태의 순수를 상기 챔버로 공급하는 제2공급장치가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스탬프홀더는, 상기 스탬프가 고정설치되는 스탬프고정판과, 상기 스탬프고정판의 하부를 지지하는 스탬프지지구를 포함하여 이루어지고, 상기 스탬프고정판은 상기 스탬프지지구에 대해 회전가능하게 결합되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 스탬프지지구에 대한 상기 스탬프고정판의 회전정도를 조절할 수 있도록 하는 지그장치가 더 구비되는 것이 바람직하다.
특히, 상기 지그장치는, 상기 스탬프지지구에서 연장형성되고 관통홀이 구비되는 가이드바와, 상기 가이드바를 관통하면서 체결되는 볼트 및 너트를 포함하여 이루어지고, 상기 볼트에는 상기 스탬프고정판의 회전정도를 표시하는 마크(mark)가 구비되고, 상기 스탬프고정판의 하부는 상기 볼트의 말단부에 의해 지지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스탬프홀더를 회전시키는 구동부와, 상기 구동부를 조작하여 상기 스탬프홀더의 회전속도를 조절하는 홀더제어부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 구동부는, 상기 챔버 외부에 구비되는 모터장치와, 상기 모터장치와 연결되어 상기 스탬프홀더로 회전력을 전달시키는 동력전달장치를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
특히, 상기 홀더제어부는, 상기 모터장치와 연결되어 모터회전수를 조절함으로써 상기 스탬프홀더의 회전속도가 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스탬프의 회전속도는 5rpm 내지 15rpm 이고 경사도는 25°내지 35°인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 기상증착법을 통해 자기조립단분자막(SAM)을 스탬프에 코팅함으로써, 액상법에 비해 공정이 단순하고 재현성 및 신뢰성이 큰 장점이 있다.
둘째, 챔버 내부에서 스탬프를 고정지지하는 스탬프홀더를 이용하여 이형막이 형성되는 스탬프에 회전운동이나 경사도를 변경시킴으로써 이형막의 균일도 향상과 효과적인 패턴의 측벽 코팅이 가능해져서 패턴 내부 측벽의 표면에너지를 낮추어 스탬프의 공정수명을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
셋째, 지그장치와 홀더제어부를 더 구비하여, 스탬프홀더의 스탬프고정판 경사도와 스탬프홀더의 회전속도를 조절함으로써 스탬프의 패턴 구성에 따라 최적화된 공정조건을 선택/조절할 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 종래의 기상증착법을 이용한 자기조립단분자막 형성장치의 사용상태도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬프고정판의 경사도 조절을 위한 지그장치 사용상태도,
도 5(a)와 도 5(b)는 이형막 형성의 최적 공정조건을 찾기 위한 실험에서의 주효과 및 교호작용 분석데이터 값을 도시한 차트,
도 5(c)는 실험에 사용된 thermal NIL 공정조건을 도시한 그래프,
도 6은 실험에 사용된 각 시료에 대한 thermal NIL 횟수에 따른 표면접촉각의 변화를 도시한 그래프,
도 7과 도 8은 각각 실험에 사용된 시료A와 시료B를 이용하여 제작한 고분자 하부 클래드 Y분기부의 SEM 이미지
도 9는 상기 각 시료에 의해 제작된 하부 클래드의 패턴내부 측벽(sidewall)의 SEM 이미지이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자기 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치(100)의 사시도 및 개략적인 구성을 도시한 블록도를 도시하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치(100)는 챔버(10)와 스탬프홀더(20)를 포함하여 이루어진다.
상기 챔버(10)는, 임프린트 공정을 통한 고분자 기반의 광소자 제작에 사용되는 나노/마이크로 크기의 미세구조물(패턴)이 각인된 스탬프(1)에 기체상태의 이형막 형성물질이 증착되는 공간이 되며, 상기 이형막은 자기조립단분자막(SAM)으로 하는 것이 바람직하다. 또한 챔버(10)의 형상은 도시된 바와 같은 원통 형상에 국한되는 것은 아니고 다양하게 형성될 수 있다.
상기 스탬프홀더(20)는 챔버(10) 내부에서 스탬프(1)를 고정지지하며 스탬프(1)를 일정 속도로 회전시키거나 일정 경사도를 유지하게 하는 역할을 한다. 스탬프(1)를 회전시킴에 따라 기체상태의 이형막 형성물질의 챔버(10) 내부로의 유입위치나 물질의 밀도분포에 따라 스탬프(1) 상에 불균일하게 코팅이 이루어질 수 있는 문제를 해결하여 스탬프(1) 상의 이형막 균일도를 크게 향상시킬 수 있고, 또한 이러한 회전 이외에 기울기 변화도 줄 수 있도록 하여 스탬프(1)에 형성되어 있는 미세구조물의 구조 중 이형막이 형성될 스탬프(1) 표면과 수직이 되는 면까지도 이형막이 효과적으로 형성되도록 한다. 이로써 고 세장비(가로 대 세로 비율)의 미세구조물을 가진 스탬프라도 이형막을 효과적으로 형성시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치(100)는 히터(11)와 펌프(12) 및 챔버제어부(13)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 히터(11)는 챔버(10) 내부를 가열하여 기체상태의 이형막 형성물질의 응축을 방지하는 역할을 한다.
상기 펌프(12)는 기체상태의 이형막 형성물질을 챔버(10) 내부로 유입시키기 위해 챔버(10)의 내부 압력을 낮추거나, 유입양을 조절하기 위해 내부 압력을 조절하는 역할을 한다. 따라서 기체상태의 이형막 형성물질은 챔버(10) 내부와 외부 간의 압력차에 의해 챔버(10) 내로 유입된다.
상기 챔버제어부(13)는 히터(11) 및/또는 펌프(12)를 작동시켜 기체 상태의 이형막 형성물질이 스탬프에 최적 상태로 증착될 수 있는 온도를 유지하게 하고, 또한 적정한 내부압력이 유지될 수 있도록 한다. 또한 챔버(10) 내부나 외부에는 온도 센서를 부착하여 챔버제어부(13)로 피드백 제어가 이루어지게 구성될 수도 있다.
바람직하게는 전술한 챔버제어부(13) 뿐만 아니라 후술되는 홀더제어부(80)를 포함하는 모든 제어는 터치스크린을 통해 공정순서와 각 공정에 따른 변수를 임의대로 조작할 수 있도록 하며, 프로그래밍을 통해 전 공정을 자동으로 진행할 수 있는 PLC 제어장치가 더 구비될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치는 이형막을 자기조립단분자막(SAM)으로 하는 경우에는 가열수단이 구비된 제1공급장치(30)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 제1공급장치(30)는 기체상태의 자기조립단분자막 형성물질을 챔버(10)로 공급될 수 있도록 챔버(10) 외부에 설치되어, 액체상태의 자기조립단분자막 형성물질에 열을 가하여 증기상태로 상변화를 시킬 수 있는 가열수단이 구비되고 상변화된 증기를 챔버(10) 내부로 유입시킬 수 있도록 챔버(10)와 연통되도록 구성된다. 또한 증기상태의 단분자막 형성물질이 챔버(10) 내부로 이동하기 전에 응축되는 것을 방지하기 위해 연결 관 내부의 온도를 적절하게 유지할 수 있는 히팅장치를 더 구비하는 것이 바람직하다. 아울러 최대한 이상적인 상태로 스탬프에 증착될 수 있도록 가급적 챔버(10)와 제1공급장치(30)와의 거리는 최소한으로 되는 구조로 설계될 필요가 있고, 챔버 내로 공급되는 유량을 조절할 수 있도록 MFC(mass flow controller)나 LFC(liquid flow controller)가 더 부가될 수도 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치는 이송가스공급장치(40)가 더 구비되는 것이 바람직한데, 상기 이송가스공급장치(40)는 전술한 챔버(10)로 공급된 증기상태의 자기조립단분자막 형성물질이 스탬프에 용이하게 증착될 수 있도록 이송가스(Carrier gas)를 챔버(10) 내부로 공급하는 역할을 한다. 챔버(10) 내부로 공급되는 이송가스의 양은 기체유량제어장치(MFC)(41)를 더 구비하여 조절하는 것이 바람직하다.
이하에서는 SAM 용액을 이용하여 스탬프에 이형막을 형성시키는 공정예를 순서대로 설명한다.
먼저, 스탬프를 챔버(10) 내부의 스탬프홀더(20) 위에 놓고 챔버(10) 문을 닫은 다음에 챔버 히터(11)를 작동시키면서 설정된 온도의 약 ±5℃정도의 오차로 온도가 유지될 수 있도록 한다. 그 다음 진공 펌프(12)를 온(ON)시키고 SAM용액이 담긴 제1공급장치(30)를 가열한 후, 챔버(10) 내 진공이 10-3 Torr가 되면 진공 펌프(12)를 오프(OFF)시킨다. 챔버(10)와 제1공급장치(30) 사이에 설치된 밸브를 열어 증기상태인 SAM용액을 원하는 양만큼 투입한 후, 밸브를 잠그고 스탬프 위에 자기조립단분자막이 증착되기를 기다린다. 이때 이송가스인 질소가스(N2)를 투입하여 안정된 분위기 속에서 이형층이 형성되도록 하며, 반응이 끝나면 스탬프를 꺼낸다. 스탬프를 넣고 빼는 과정을 제외한 모든 공정은 터치스크린를 통해 제어한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치는 증기상태의 순수(DeIonized water, DI water)를 챔버(10) 내부로 공급할 수 있도록 가열수단이 구비된 제2공급장치(50)가 더 구비될 수 있다. DI water는 단분자막과 스탬프 표면의 접착력을 증가시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있기 때문에 단분자막 형성이 끝난 실리콘 웨이퍼를 DI water를 이용하여 한 번 더 증착하는 것이 바람직하다. 상기 제2공급장치(50)는 챔버(10)의 외부에 설치되고, 순수에 열을 가하여 증기상태로 상변화시키는 가열수단이 구비되며, 챔버(10) 내부와 연통되도록 구성된다.
아울러 단분자막 형성용액은 그 특성상 부식성이 매우 강하기 때문에, 챔버 내부나 스탬프홀더(20) 및 챔버(10)와 연결되는 연결 파이프 등의 각종 부품과 장치들은 테프론과 같은 내부식성이 강한 재질로 코팅할 필요가 있고, SAM 용액은 인체에 유해하기 때문에 스탬프의 착탈시에 사용자의 안전을 위해 기체상태의 SAM 물질을 배기시키는 별도의 배출기가 더 구비되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬프고정판(21)의 경사도 조절을 위한 지그장치(60)의 사용상태도를 도시하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임프린팅 스탬프 이형장치(100)의 스탬프홀더(20)는 스탬프고정판(21)과 스탬프지지구(22)를 포함하여 이루어진다.
상기 스탬프고정판(21)은 상부면에 스탬프가 안착될 수 있도록 평면형상으로 이루어지는 것이 바람직하고, 외주연에는 스탬프의 측면이 삽입고정될 수 있도록 걸림홈이 형성될 수 있다.
상기 스탬프지지구(22)는 스탬프고정판(21)의 하부에서 이를 지지하는 역할을 한다. 이때 스탬프고정판(21)과 스탬프지지구(22)는 회전가능하도록 힌지(23)결합되는 것이 바람직하며, 이로써 스탬프고정판(21)이 스탬프지지구(22)에 대해 원하는 경사도를 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치는 스탬프지지구(22)에 대한 스탬프고정판(21)의 회전정도를 조절할 수 있도록 하는 지그장치(60)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 지그장치(60)는 가이드바(61)와 볼트(62) 및 너트(63)를 포함하여 이루어지고, 상기 볼트(62)에는 스템프고정판의 회전정도를 표시하는 마크(mark)(621)가 도시되는 것이 바람직하다.
상기 가이드바(61)는 스탬프지지구(22)에서 연장형성되고 관통홀이 상하방향으로 형성된다. 이러한 관통홀을 통해 볼트(62)와 너트(63)가 가이드바(61)를 관통하면서 체결되도록 한다. 또한 상기 볼트(62)에는 스탬프고정판(21)의 회전정도를 표시하는 마크(mark)(621)가 표시되어 볼트(62)의 말단부에 의해 지지되는 스탬프고정판(21)의 회전정도를 조절가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치는 스탬프홀더(20)를 원하는 속도로 회전시킬 수 있도록 구동부(70)와 홀더제어부(80)가 더 구비될 수 있다.
상기 구동부(70)는 챔버(10) 외부에 구비되는 모터장치(71)와 이에 연결되어 회전력을 스탬프홀더(20)로 전달하는 동력전달장치(72)를 포함하여 이루어진다. 동력전달장치(72)는 기어나 벨트 등의 기 공지된 다양한 수단이 채용될 수 있다.
상기 홀더제어부(80)는 모터장치(71)와 연결되어 모터의 회전수를 원하는 속도로 조절가능하게 하여, 스탬프에 마련된 패턴의 형상에 따라 데이터베이스화된 적정 속도를 유지하며 스탬프가 회전될 수 있도록 제어하는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치(100)는 스탬프의 회전속도가 5rpm 내지 15rpm 이고 경사도는 25°내지 35°인 공정조건으로 작동되는 것이 바람직하다.
이하에서는 스탬프의 공정수명을 연장시키기 위해 이형막의 균일도를 향상시킬 수 있는 상기의 최적 공정조건을 얻기 위해 실시한 실험조건과 결과값에 대해 설명한다.
본 실험에서는 Aldrich사의 Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silane, 97% SAM 용액을 사용하였으며, 주요 변수로 스탬프의 기울기와 회전속도를 선정하였다. 스탬프의 기울기는 스탬프홀더(20)를 수동으로 기울여 조절하였으며 코팅이 진행되는 동안 기울기는 변하지 않도록 하였다. 스탬프의 회전 속도는 구동장치에 연결된 모터의 콘트롤러를 통해 제어하였다. 선정된 두 주요 변수를 이용하여 실험계획법에 따라 실험하였으며, 회전속도는 5rpm 에서 20rpm으로, 경사각도는 10°에서 45°를 실험을 위한 시료의 공정조건으로 하였다.
각 조건에 따른 실험 결과를 이용하여 주 효과 및 교호작용 분석 실시 후, 최적 공정조건을 찾기 위하여 반응표면 분석을 실시한 결과 패턴의 분기부 기준 종횡비 1:6일 때 기울기 30°, 회전 속도 10rpm의 최적 공정 조건을 찾을 수 있었고, 패턴 구조의 변화에 따른 오차를 고려할 때 스탬프의 기울기는 25° 내지 35°, 회전속도는 5rpm 내지 15rpm으로 하는 것이 스탬프 이형막의 균일도 향상을 위한 최적의 공정조건임을 확인할 수 있다. 도 5(a)와 도 5(b)는 최적 조건을 찾기 위해 실시한 주효과 및 교호작용 분석 데이터 값을 도시하고 있다.
시료는 챔버(10) 온도 80℃, 초기 진공도 10-3 torr, 이형층 형성 진공도 0.3torr의 공정 조건에서, 평면에 고정하여 이형층을 형성한 스탬프(시료A)와 본 발명의 시료 구동 장치를 이용하여 최적 공정 조건에 따라 30° 기울기를 준 상태에서 10rpm의 회전을 주며 이형층을 형성한 스탬프(시료B)를 제작하였다. 임프린트는 Oducat사의 eitre 6 장비를 이용하였으며 thermal NIL 기법으로 고분자 기반의 시트(sheet)에 각 시료에 대한 하부 클래드를 제작하였다. Thermal NIL 공정의 경우 고분자의 유동으로 발생되는 고분자 내부의 응력을 완화시키기 위하여 압력을 단계적으로 인가하였다. 1단계는 25bar의 압력으로 60초간, 2단계는 30bar 압력에서 60초간, 3단계는 35bar의 압력으로 120초간 수행하였고 임프린트 온도는 120℃, 이형 온도는 100℃로 수행하였다. 스탬프는 Si wafer에 Y분기부를 가지는 1x2 splitter (width 6㎛, depth 6㎛) 패턴이 형성된 것을 사용하였다. 표 1과와 도 5(c)에 thermal NIL의 조건을 나타내었다.
Thermal NIL 온도 120
이형 온도 100
Thermal NIL 압력 25bar - 30bar - 35bar
Thermal NIL 시간 60sec - 60sec - 120sec
모든 시료에 대하여 동일한 조건으로 thermal NIL을 수행하였으며 5회 수행 시마다 각 시료에 대한 표면접촉각을 측정하였으며, 결과 데이터 값은 동일 실험을 4번 반복한 평균값이다. 표면처리를 하지 않은 스탬프의 표면접촉각인 32°를 기준 각도로 선정하였으며, 각 시료에 대하여 이형층을 형성한 스탬프가 각각 몇 번의 공정을 수행한 후 기준 각도에 도달하는지 비교하였다.
도 6은 각 시료에 대한 thermal NIL 횟수에 따른 표면접촉각의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 도 6(a)는 시료A의 그래프로서 임프린트를 약 100회 수행하였을 때 표면접촉각이 기준 각도인 32°이하가 되었으나, 도 6(b)는 시료B의 그래프로 약 150회의 임프린트를 수행하였을 때 기준 각도 이하가 되었으며 이로써 시료A와 비교하여 약 50% 공정 수명이 증가하였음을 알 수 있다.
도 7과 도 8은 각각 시료A와 시료B를 이용하여 제작한 고분자 하부 클래드 Y분기부의 SEM 이미지를 도시하고 있다. 도 7(a)와 도 8(a)는 이형층 형성 후 1회째 thermal NIL기법을 통해 제작한 하부 클래드의 이미지로 둘다 모두 시료의 이형 특성이 효과적으로 나타났음을 알 수 있다. 반면에 도 7(b)와 도 8(b)는 50회째 임프린트 수행으로 제작된 하부 클래드의 이미지이며 패턴의 손상 정도에서 많은 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 동일한 횟수의 임프린트를 수행하였을 때 시료B가 시료A에 비해 더 뛰어난 이형 특성을 나타냄을 알 수 있으며, 기울기와 회전을 통한 효과적인 측벽(sidewall) 코팅이 이루어짐으로써 스탬프의 공정 수명이 증가되었음을 알 수 있다.
도 9는 각 시료에 의해 제작된 하부 클래드의 패턴 내부 sidewall의 SEM 이미지이다. 도 9(a)는 시료A의 경우로 표면조도가 3.1nm로 측정된 반면에, 도 9(b)는 시료B의 경우로 표면조도가 10.7nm로 측정되었다. 이는 매크로스케일(macro-scale)의 물리적인 관점에서 볼 때 표면 조도가 작을수록 스탬프와 고분자가 접촉하는 표면적이 증가하기 때문에 표면에너지가 커지는 것이며, 나노스케일(nano-scale)의 화학적인 관점에서 볼 때는 단분자막 최종 말단부의 불소(F)가 응착력을 낮추며 윤활특성을 향상시켜 표면에너지를 감소시킨 것이다. 따라서 시료B가 기울기와 회전을 통하여 패턴 내부 측벽(sidewall)에 이형층이 효과적으로 형성됨과 함께 수직한 면의 코팅의 균일도를 향상시켜 시료A보다 표면에너지가 낮아졌음을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치(100)는 기상증착법을 통해 자기조립단분자막(SAM)을 스탬프(1)에 코팅함으로써 액상법에 비해 공정이 단순하고 재현성 및 신뢰성이 큰 장점이 있고, 챔버(10) 내부에서 스탬프(1)를 고정지지하는 스탬프홀더(20)를 이용하여 이형막이 형성되는 스탬프에 회전운동이나 경사도를 변경시킴으로써 효과적인 패턴의 측벽 코팅이 가능해져서 패턴 내부 측벽의 표면에너지를 낮추어 스탬프의 공정수명을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
100 : 스탬프 이형장치 1 : 스탬프
10 : 챔버 11 : 히터
12 : 펌프 13 : 챔버제어부
20 : 스탬프홀더 21 : 스탬프고정판
22 : 스탬프지지구 23 : 힌지
30 : 제1공급장치 40 : 이송가스공급장치
41 : 기체유량제어장치(MFC) 50 : 제2공급장치
60 : 지그장치 61 : 가이드바
62 : 볼트 621 : 마크
63 : 너트 70 : 구동부
71 : 모터장치 72 : 동력전달장치
80 : 홀더제어부

Claims (12)

  1. 임프린트(Imprint) 공정을 통한 고분자 기반의 광소자 제작에 사용되는 나노/마이크로 크기의 미세구조물이 각인된 스탬프와 고분자간에 이형막을 형성시키는 임프린팅 스탬프 이형장치에 있어서,
    상기 스탬프에 기체상태의 이형막 형성물질이 증착되는 공간이 되는 챔버;와
    상기 챔버 내부에서 상기 스탬프를 고정지지하는 스탬프홀더;를 포함하며,
    상기 스탬프홀더를 이용하여 상기 스탬프의 회전속도 및/또는 경사도를 조절할 수 있도록 하되,
    상기 이형막은 자기조립단분자막(SAM)이며,
    액체상태의 자기조립단분자막 형성물질에 열을 가하여 증기상태로 상변화시키는 가열수단이 구비되고 상기 챔버와 연통하여 상기 상변화된 증기상태의 자기조립단분자막 형성물질을 상기 챔버로 공급하는 제1공급장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버를 가열하는 히터와, 상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 펌프 및, 상기 히터 및/또는 펌프를 조작하여 상기 챔버 내의 온도 및/또는 압력을 조절하는 챔버제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    순수(DeIonized water, DI water)에 열을 가하여 증기상태로 상변화시키는 가열수단이 구비되고 상기 챔버와 연통하여 상기 상변화된 증기상태의 순수를 상기 챔버로 공급하는 제2공급장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스탬프홀더는, 상기 스탬프가 고정설치되는 스탬프고정판과, 상기 스탬프고정판의 하부를 지지하는 스탬프지지구를 포함하여 이루어지고,
    상기 스탬프고정판은 상기 스탬프지지구에 대해 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스탬프지지구에 대한 상기 스탬프고정판의 회전정도를 조절할 수 있도록 하는 지그장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지그장치는,
    상기 스탬프지지구에서 연장형성되고 관통홀이 구비되는 가이드바와, 상기 가이드바를 관통하면서 체결되는 볼트 및 너트를 포함하여 이루어지고,
    상기 볼트에는 상기 스탬프고정판의 회전정도를 표시하는 마크(mark)가 구비되고, 상기 스탬프고정판의 하부는 상기 볼트의 말단부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  9. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 스탬프홀더를 회전시키는 구동부와, 상기 구동부를 조작하여 상기 스탬프홀더의 회전속도를 조절하는 홀더제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 챔버 외부에 구비되는 모터장치와, 상기 모터장치와 연결되어 상기 스탬프홀더로 회전력을 전달시키는 동력전달장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 홀더제어부는,
    상기 모터장치와 연결되어 모터회전수를 조절함으로써 상기 스탬프홀더의 회전속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스탬프의 회전속도는 5rpm 내지 15rpm 이고 경사도는 25°내지 35°인 것을 특징으로 하는 나노/마이크로 광소자용 임프린팅 스탬프 이형장치.
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