KR101155515B1 - 나노 채널 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 채널을 형성하는 방법으로서 특히 나노 트렌치를 형성하기 위한 주형을 형성하는 주형 가공 단계와, 상기 주형을 나노 유동 장치의 본체에 스탬핑하여 상기 나노 유동 장치의 본체에 나노 트렌치를 형성하는 임프린트 단계와, 상기 나노 트렌치를 실링하는 실링 단계를 포함하여 상기 나노 유동 장치에 나노 채널을 형성하는 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 의해 고가의 나노 가공 툴을 사용하지 않고 높은 종횡비(HAR)을 가지는 나노 채널을 간이하고도 저렴하게 가공할 수 있는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 의해 단일의 나노 유동 장치에 다양한 폭을 갖는 나노 채널을 구비할 수 있으며, 이는 상기 실험을 위한 시간이나 비용을 크게 절감시킬 수 있어 바이오 분자 연구(예를 들어 DNA 스트레칭 거동)에 큰 혜택을 줄 수 있는 효과가 있다
나노 채널, 실링, 증기, 나노 트렌치, 나노 임프린트 주형

Description

나노 채널 형성 방법{Method of fabrication for nano channel}
본 발명은 나노 채널을 형성하는 방법으로서 특히 나노 트렌치를 형성하기 위한 주형을 형성하는 주형 가공 단계와, 상기 주형을 나노 유동 장치의 본체에 스탬핑하여 상기 나노 유동 장치의 본체에 나노 트렌치를 형성하는 임프린트 단계와, 상기 나노 트렌치를 실링하는 실링 단계를 포함하여 상기 나노 유동 장치에 나노 채널을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 나노 유동 장치(nanofluidic devices)는 새로이 각광받는 나노 바이오 테크놀러지에서 필수적인 기능을 하는 것으로서 DNA나 단백질과 같이 단일의 바이오 분자를 고립시키거나 조작하거나 분석할 수 있도록 한다.
이때, 상기 바이오 분자는 나노 스케일의 나노 채널(nanochannel)을 통해 상기 나노 유동 장치에서 유동한다.
특히 상기 DNA의 회전 반경은 나노 채널의 크기와 조화되어, 상기 나노 채널은 상기 단일 DNA 스트랜드의 거동이나 운동의 조작 또는 분석을 위한 제일 효과적인 툴의 하나가 될 수 있다.
따라서 상기 나노 채널을 포함하는 나노 유동 장치의 수요가 증대되고 이를 만족시키기 위한 다양한 가공 기법이 개발되어 왔다.
예를 들어 집중 이온 빔(FIB ; focused ion beam)을 이용한 탑-다운 방식의 미소 리쏘그라피 기법이나 전자 빔 리쏘그라피(EBL ; e-beam lithography) 그리고 스캐닝 프로브 패터닝 기법등이 나노 채널을 가공하기 위한 바람직한 방법으로 제시된다.
그러나 상기 방법의 고성능 나노 가공 성능에도 불구하고 낮은 효율과 비용이 많이 드는 문제점이 있어 미소 유동 장치의 대량 생산에는 적합하지 않다.
또한 재현가능하고 적절히 제어될 수 있도록 하기 위해서는 상기 미소 유동 장치는 오염에 민감하고 정화하기가 어려우며 재사용이 쉽지 않아 많은 수의 장치가 소요되는 문제가 있어 상기 나노 유동 장치의 대량 생산을 위한 새로운 가공방법의 필요성이 증대되고 있다.
나노 임프린트 리쏘그라피(NIL ; nanoimprint lithograpy)는 대 면적에 대해 나노 스케일의 형상을 형성함에 있어 저렴한 원가와 높은 효율달성 할 수 있는 유망한 기법중의 하나이다.
상기 NIL기법에서 나노 스케일의 구조를 포함하는 각인 템플레이트에 의해 바로 폴리머 기판이나 레지스트로 복제된다.
상기 방법에 의해 수많은 복제품이 단일한 각인 주형에 의해 생산될 수 있다.
따라서 고해상의 임프린트 주형의 가공이 고성능 나노 리쏘그라피에서 아주 중요한 이슈가 된다.
상기 나노 식각 주형의 가장 흔한 방법은 상술한 바와 같은 EBL이나 FIB 밀링과 같은 탑-다운 방식의 나노 리쏘그라피 기법이다.
그러나 상술한 기법에 의해 극도로 잘 정의되는 미소 구조를 얻을 수 있다 하더라도 가공 비용이 높은 점은 여전하다.
대안으로서 상기 NIL 가공 기법을 위한 에지 식각 방법이 제시되고 있는데, 상기 에지 식각 방법은 마이크로 스케일의 모서리에서 특정 물질의 선택적 제거 또는 선택적 적층을 이용한다.
예를 들어 상기 NIL가공에 있어서 국부 실리콘 산화(LOCOS ; Local Oxidation Silicon) 방법을 들 수 있다.
비록 상기 방법에 의해 폭과 높이를 용이하게 조절할 수 있다 하여도, 하나의 주형은 산화 시간에 의해 조절되는 하나의 패턴만을 포함할 수 있는 문제가 있다.
또한 에칭 시간의 변화에 의해 나노 구조의 양측면에 발생하는 레벨 차이로 인해 높이의 비균일성 문제가 발생함은 물론 실링의 어려움이 있는 문제가 있다.
특히 길이가 긴 나노 채널에서 상당한 유량이 유동될 수 있도록 유체를 가압함에 있어 통상 추가적인 가압이 필요하며 이에 의해 나노 유동 실험을 수행함에 있어 장치의 불능을 야기하거나 실험의 어려움을 야기한다.
이때, 전자기 동력학적 구동 방식의 유동이 대안이 될 수 있으나 이는 물에 대해서 사용가능하여 적용 범위가 제한되는 문제가 있다.
따라서 가압방식의 유동 컨트롤 기법이 일반적인 구동방법으로 선호된다. 많 은 응용예에서 높은 유량 또는 가압 구동 유동방식에서 높은 종횡비(HAR ; high-aspect-ratio)를 갖는 나노 채널이 최적의 선택이 될 수 있다.
상술한 바와 같은 SiO2 임프린트 주형에 기반한 저 비용 가공방법이 사용될 수는 있으나 상기 주형이 전형적으로 Si 스탬프에 비해 기계적으로 충분한 강도를 갖지 못하여 임프린트 공정 중 파손되기 쉽다.
다시 말해서 종래의 가공 기법에 의한 경우 나노 채널 형성시 많은 비용이 소요되고 효율 또한 낮은 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 임프린트 기법을이용한 나노 채널 가공 기법과 증기에 의한 실링 기법에 의해 나노 채널을 저렴한 비용으로 가공함은 물론 효율 또한 향상시킬 수 있는 가공 방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노 트렌치의 개방부를 증기에 노출하는 실링 단계를 포함하여, 상기 나노 트렌치의 개방부 단부가 상호 융착됨에 의해 상기 나노 트렌치의 개방부를 실링하여 나노 채널을 형성하는 나노 채널 형성 방법에 일 특징이 있다.
또한, 나노 트렌치를 형성하기 위한 주형을 형성하는 주형 가공 단계와, 상기 주형을 나노 유동 장치의 본체에 스탬핑하여 상기 나노 유동 장치의 본체에 나노 트렌치를 형성하는 임프린트 단계와, 상기 나노 트렌치를 실링하는 실링 단계를 포함하여 상기 나노 유동 장치에 나노 채널을 형성하는 방법에 다른 특징이 있다.
이때, 상기 나노 트렌치의 실링 단계에 사용되는 증기는 톨루엔 또는 메탄올 증기일 수 있다.
또한, 상기 임프린트 단계는 175℃온도에서 5분간 5MPa의 압력으로 상기 주형을 상기 나노 유동 장치의 본체에 가압하여 상기 본체에 나노 트렌치를 형성할 수 있다.
또한, 상기 임프린트 단계 수행 후 상기 나노 유동 장치가 친수성 특성을 갖 도록 산소 플라즈마 처리를 하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 나노 채널을 의해 저렴한 비용으로 가공함은 물론 생산 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1e는 나노 임프린트용 주형을 형성하기 위한 공정을 나타내는 개념도이다.
도 2a 내지 도 2d는 상기 임프린트용 주형에 의해 나노 트렌치 및 나노 채널을 형성하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 3 내지 도 10는 본 방법에 의해 형성된 나노 주형 및 채널의 SEM 사진이다.
이하 본 발명을 각 실시예를 통해 설명하기로 하며 우선 본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 정의한다.
우산 "나노"라는 용어는 널리 알려진 바와 같이 10-9을 뜻하는 것으로서 본 명세서에서는 "나노미터"(nm ; 10-9m)를 뜻한다.
예를 들어 나노 리쏘그라피(nano lithography)라고 하는 용어는 리쏘그라피 공정에 의해 식각되는 패턴의 폭이나 깊이등의 크기가 상술한 바와 같이 나노미터(nm)의 스케일이라는 의미이다.
또한, 나노 임프린트(nano imprint)라고 하는 용어는 임프린트 공정에 의해 형성되는 트렌치의 폭이나 깊이등의 크기가 나노미터(nm)의 스케일이라는 의미이다.
또한, 나노 트렌치(nano trench)라는 용어는 트렌치(홈과 같이 요홈되되 일측면은 개방된 형상을 말함)의 폭이나 깊이 등의 크기가 나노미터(nm)의 스케일이라는 의미이다.
유사하게 나노 채널(nano channel)이라는 용어는 채널(홈과 같이 요홈되되 개방부가 덮여져서 밀폐된 공간을 말함)의 폭이나 깊이 등의 크기가 나노미터(nm)의 스케일이라는 의미이다.
또한, 나노 유동 장치(nanofluidic device)는 상술한 바와 같이 DNA나 단백질과 같은 분자 크기의 물질이 유동할 수 있도록 상기 나노 채널이 형성되어 있는 장치를 말한다.
상술한 바와 같은 용어 "나노"는 널리 사용되는 용어(예를 들어 한국공개특허 2008-0114681, 한국공개특허 2009-0028224, 한국공개특허 2009-0033464등)로서 본 용어에 의해 본 발명을 명확히 특정할 수 있다.
실시예1
본 실시예에서 설명하고자 하는 발명은 나노 트렌치의 개방면을 덮어 실링하는 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 나노 트렌치(230, 도 2c 참조)의 개방부(230a)를 증기에 노출하는 실링 단계를 포함하여, 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230a) 단부가 상호 융착됨에 의해 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230a)를 실링하여 나노 채널(240, 도 2d 참조)을 형성하는 것이다.
종래에는 상기 나노 채널을 형성하기 위해서는 나노 트렌치상에 별도의 커버를 덮는 공정을 이용해왔다.
그러나, 이러한 공정을 이용하는 경우 고 종횡비(High Aspect Ratio)를 갖는 나노 채널을 형성하기 어렵고 이러한 이유로 상기 나노 채널을 구비하는 나노 유동 장치를 대량 생산하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상술한 바와 같이 상방향 측면이 개방되어 있는 나노 트렌치(230)의 개방부(230a)측에 증기를 가하여 나노 채널(240)을 형성하도록 하여 종래에 비해 간단하고도 저렴하게 대량의 나노 유동 장치를 생산할 수 있다.
다시 말해서 본 발명은 도 2a 내지 도 2d에 나타난 바와 같이 나노 유동 장치(200)의 본체(210)에 요홈되게 형성되는 나노 트렌치(230)의 개방부(230a)를 증기에 노출하는 실링 단계를 포함하여, 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230a) 단부가 상호 융착됨에 의해 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230a)를 실링하여 상기 나노 유동 장치(200)에 나노 채널(240)을 형성하게 되는 것이다.
그러나 본 발명은 이에 한하지 않고 앞서 설명한 바와 같이 나노 트렌치에 증기를 부가하여 실링하는 한 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이에 대한 보다 상세한 설명은 실시예2에서 설명한다.
실시예2
본 실시예에서 설명하고자 하는 나노 채널 형성 방법(S10)은 도 1a 내지 도 1e에 나타난 바와 같이 나노 트렌치(230)를 형성하기 위한 주형(100)을 형성하는 주형 가공 단계(S100)와, 상기 주형(100)을 나노 유동 장치(200)의 본체(210)에 스탬핑하여 상기 나노 유동 장치(200)의 본체(210)에 나노 트렌치(230)를 형성하는 임프린트 단계(S200)와, 상기 나노 트렌치(230)를 실링하는 실링 단계(S300)를 포함한다.
상기 주형(100) 가공 단계(S100)는 실리콘 웨이퍼(110)상에 Si3N4층(120)이 일정 패턴을 구비하도록 하는 단계(S110)와, 상기 실리콘 웨이퍼(110)를 이방성 에칭하여 상기 Si3N4 패턴(120)의 저면에 폭이 좁은 수직방향의 실리콘 릿지(140)를 각각 형성하는 단계(S120)와, 상기 Si3N4 패턴(120)을 제거하여 상기 실리콘 릿지(140)를 노출시키는 단계(S130)를 포함한다.
이때, 상기 Si3N4층(120)이 일정 패턴을 구비하도록 하는 단계(S110)은 상기 실리콘 웨이퍼(110)상에 Si3N4층(120) 및 상기 Si3N4층(120)상에 일정 패턴을 갖는 포토 레지스트(130)를 적층하는 단계(S111)와, 상기 Si3N4층(120) 및 포토 레지스트(130)가 적층된 실리콘 웨이퍼(110)를 포토리쏘그라피 처리하는 단계(S112)와, 상기 실리콘 웨이퍼(110)를 반응성 이온 에칭(RIE)하는 단계(S113)와, 상기 포토 레지스트(130)를 제거하여 상기 Si3N4층(120)이 상기 포토 레지스트(130)의 패턴과 동일한 패턴을 구비하도록 하는 단계(S114)를 포함한다.
상기 Si3N4층(120) 및 포토 레지스트(130)는 실리콘 웨이퍼(110)상에 저압의 화학 기상 증착법(LPCVD)에 의해 적층할 수 있다.(단계(S111))
이때, 상기 포토 레지스트(130)는 상기 Si3N4층(120)상에 일정한 패턴을 구비하도록 적층된다.(도 1a 참조)
한편 상기 포토 레지스트(130)가 적층된 후 통상의 포토리쏘그라피(photolithography)단계(S112)에 의해 상기 포토 레지스트(130)가 덮여진 영역 외의 Si3N4층(120)영역은 후술하는 RIE에 의해 제거될 수 있도록 한다.
상기 RIE(Reactive Ion Etching) 공정(S113)은 널리 알려진 바와 같이 식각용 가스를 플라즈마 상태로 만든 후 상하 전극을 이용하여 플라즈마 상태의 식각용 가스를 실리콘 웨이퍼에 충돌시킨다. 이 때 식각과정은 물리적인 충격과 화학반응의 결합에 의하여 이루어 지며, 방향성 식각을 할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 식각용 가스로서 50sccm유량을 가지는 CF4를 사용하였고 March Plasma System사의 모델 CS-1701(압력 : 75mTorr, 출력 75W)를 사용하였다.
상술한 바와 같은 반응성 이온 에칭(RIE)하는 단계(S113)에 의해 상기 포토 레지스트(130) 및 상기 포토 레지스트(130)의 저면에 배치된 Si3N4층(120)은 잔류하고 나머지는 제거된다.
이후, 상기 포토 레지스트(130)를 제거하여 상기 Si3N4층(120)이 상기 포토 레지스트(130)의 패턴과 동일한 패턴을 구비하도록 하는 단계(S114)를 수행한다.(도 1b 참조)
상기 실리콘 릿지(140)를 각각 형성하는 단계(S120)는 상기 Si3N4층(120)이 패터닝된 실리콘 웨이퍼(110)를 이방성 에칭하여 상기 Si3N4층(120)의 저면에 상기 실리콘 릿지(140)이 폭이 좁고 수직방향으로 형성되도록 한다.(도 1c참조)
상기 실리콘 릿지(140)는 상기 Si3N4층(120)이 제거된 실리콘 웨이퍼(110)를 염기성 용액에 함침하여 형성할 수 있다.
이는 도 1c에서 방향II의 에칭 속도가 방향 I의 에칭 속도보다 상대적으로 늦는 특성을 이용한 것이다.
이때, 상기 염기성 용액은 수산화칼륨(KOH) 수용액(농도 20wt% 내지 50wt%, 온도 40℃ 내지 70℃)을 포함하되 상기 실리콘 웨이퍼(110)를 1분 내지 5분 동안 함침하여 상기 실리콘 릿지(140)를 형성할 수 있다.
특히, 상기 수산화칼륨 수용액의 농도는 40wt%, 온도는 56℃, 함침 시간은 3분이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 상기 KOH를 이용하여 에칭을 하게 되는데, 상기 에칭시간에 의해 상기 실리콘 릿지(140)의 높이나 폭이 결정되며 이에 의해 본 발명의 나노 채널의 구조가 결정된다.
한편, 상술한 바와 같이 실리콘 릿지(140)를 형성한 후 상기 Si3N4층(120)을 제거하여 상기 실리콘 릿지(140)를 노출시키는 단계(S130)를 수행한다.
상기 실리콘 릿지(140)를 노출시키는 단계(S130)는 상기 실리콘 웨이퍼(110)를 산화시켜 SiO2층(150)을 형성하는 단계(S131)(도 1d참조)
와, 상기 실리콘 웨이퍼(110)상의 SiO2층(150)과 Si3N4층(120)을 제거하여 상기 실리콘 릿지(140)를 노출시키는 단계(S132)를 포함할 수 있다.(도 1e참조)
이때, 상기 SiO2층(150)을 형성하는 단계(S131)는 상기 실리콘 웨이퍼(110)의 최종 두께가 200nm 내지 500nm가 되도록 800℃ 내지 1500℃(바람직하기로는 1100℃)의 산화로에서 3시간 내지 5시간 (바람직하기로는 4시간)산화시키는 방법에 의해 수행할 수 있다
한편 상기 실리콘 릿지(140)를 노출시키는 단계(S132)는 불산(HF)을 이용한 상기 SiO2층(150)을 제거하는 단계(S132a)와, 상기 Si3N4층(120)을 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 제거되는 단계(S132b)를 포함할 수 있다.
불산(HF)을 이용한 상기 SiO2층(150)을 제거하는 단계(S132a)는 불산을 이용한 습식 식각 방법인다.
널리 알려진 바와 같이 식각 공정은 크게 습식 식각(wet etching)과 건식 식각(dry etching)으로 구분되는데, 이중 습식 식각 공정은 일반적으로 식각 용액(액체)에 실리콘 웨이퍼를 넣어 액체-고체(liquid-solid) 화학반응에 의해 식각이 이 루어지게 하는 것을 말하며, 이때, 상술한 바와 같이 불산(HF)를 사용하는 것이다.
본 실시예에서는 상술한 습식 식각 방법을 6분동안 시행하였다.
한편 상기 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 제거되는 단계(S132b)는 앞서 설명한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(110)상에 Si3N4층(120)이 일정 패턴을 구비하도록 하는 단계(S110)와, 상기 실리콘 웨이퍼(110)를 이방성 에칭하여 상기 Si3N4층(120)의 저면에 폭이 좁은 수직방향의 실리콘 릿지(140)를 각각 형성하는 단계(S120)와, 상기 Si3N4층(120)을 제거하여 상기 실리콘 릿지(140)를 노출시키는 단계(S130)를 포함하여 주형(100)을 가공하는 단계(S100)를 수행한다.
상기 주형(100)을 이용하여 후술하는 나노 트렌치를 형성하게 된다.
이는 상기 주형(100)을 나노 유동 장치(200)의 본체(210)에 스탬핑하여 상기 나노 유동 장치(200)의 본체(210)에 나노 트렌치(230)를 형성하는 임프린트 단계(S200)에 의해 수행된다.(도 2b , 2c참조)
상기 임프린트 단계(S200)는 150℃ 내지 200℃온도(바람직하기로는 175℃)에서 1분 내지 10분(바람직하기로는 5분)간 1MPa 내지 10MPa(바람직하기로는 5MPa)의 압력으로 상기 주형(100)을 상기 나노 유동 장치(200)의 본체(210)에 가압하여 상기 본체(210)에 나노 트렌치(230)를 형성할 수 있다.
한편 상기 나노 유동 장치(200)라고 하는 것은 앞서 설명한 바와 같이 DNA나 단백질과 같은 분자 크기의 물질이 유동할 수 있도록 나노 채널이 형성되어 있는 장치를 말한다.
이때, 상기 나노 채널(nano channel)이라는 용어는 채널(홈과 같이 요홈되되 개방부가 덮여져서 밀폐된 공간을 말함)의 폭이나 깊이 등의 크기가 나노미터(nm)의 스케일이라는 의미임은 이미 설명한 바와 같다.
이때, 상기 나노 유동 장치(200)는 상기 나노 트렌치(230)가 형성되는 본체(210)를 포함한다.
상기 나노 유동 장치(200)의 재질은 PMMA(poly(methyl methacrylate)) 를 사용할 수 있다. 상기 PMMA는 양호한 광학적 투명성과 낮은 자발광 특성을 구비하여 분자 탐색을 위한 발광에 적합하다
이때, 상기 본체(210)는 2가지 종류의 PMMA기판(211,212)를 사용할 수 있다.
하나는 분자량 75,000(Scientific Polymer Products, Inc., Ontario, NY)를 가지는 PMMA 레지스트를 스핀 코팅법에 의해 형성할 수 있다.
다른 하나는 분자량 100,000이상(Plexiglas, Philadelphia, PA) (Tg = 105 ℃)를 구비하며1.5mm두께의 PMMA 플레이트를 사용할 수 있다.
이때, 상기 Tg라고 하는 것은 유리전이온도(glass transition temperature)를 말하며 상기 유리전이온도라고 하는 것은 고분자물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는, 상변화를 거치기 전 변화를 보이기 시작하는 시점의 온도를 뜻한다.
이상 설명한 임프린트(S200)단계 수행 후 상기 주형(100)과 나노 유동 장치(100)를 60℃까지 냉각한 후 상기 주형(100)과 나노 유동 장치(200)의 본체(210)를 상호 분리할 수 있다.
또한, 상기 임프린트(S200)단계 수행 후 상기 나노 유동 장치(200)가 친수성 특성을 갖도록 산소 플라즈마 처리를 하는 것도 바람직하다.
또한, 상기 임프린트 단계(S200)를 위한 주형(100)은 비 마찰 특성과 양호한 이형 특성을 갖도록 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosilane (FDTS, Gelest, Inc., Morrisville, PA)로 코팅하는 것도 바람직하다.
이상 설명한 바와 같은 임프린트 단계(S200)에 의해 상기 주형(100)에 형성되는 실리콘 릿지(140)가 상기 나노 유동 장치(200)의 본체(210)를 가압하여 상기 본체(210)에 나노 트렌치(230)가 형성된다.
한편 상기 임프린트 단계(S200) 수행 후 상기 나노 트렌치(230)를 실링하기 위한 실링 단계(S300)를 수행한다.
상기 실링 단계(S300)는 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230a)를 증기에 노출하여 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230) 단부가 상호 융착됨에 의해 상기 나노 트렌치(230)의 개방부(230a)를 실링하게 된다.
즉, 상기 나노 트렌치(230)의 상단부만이 상기 증기와 반응하고 상기 나노 트렌지(230)의 하단부는 반응하지 않아 손상되지 않는다.
이에 의해 상기 나노 트렌치(230)의 상단부가 용융되고 붕괴되어 상호 융착 하게 되며, 이에 의해 나노 채널(240) 구조를 형성하게 된다.(도 2d 참조)
이때, 상기 증기는 톨루엔 또는 메탄올 증기를 사용할 수 있다.
상기 톨루엔은 200℃ 내지 300℃로 가열되어 증기로 사용하는 것이 바람직하며, 상기 메탄올은 50℃ 내지 150℃로 가열되어 증기로 사용하는 것이 바람직하다.
이때 상기 톨루엔과 메탄올은 핫 플레이트를 이용하여 가열할 수 있다.
또한, 상기 증기는 10초 내지 30초 동안의 시간과 상기 나노 트렌치로부터 3cm 내지 10cm 이격된 상태에서 상기 나노 트렌치측으로 제공하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 나노 리쏘그라피(nanolithography)기법을 사용하지 않고 고 종횡비(HAR)의 임프린트 주형 및 이를 이용한 나노 채널을 형성할 수 있으며, 상기 나노 채널을 용이하고도 저렴하게 실링할 수 있다.
도 3은 발명에 의해 형성된 주형의 SEM사진이며 도 4는 도 3 일부분의 확대도이다.
특히 도 3은 폭이 200nm이고 높이는 1.1um(종횡비 1:5.5)인 HAR 나노 임프린트 주형을 나타낸다.
이때, 상기 나노 임프린트 주형의 균일성은 11개의 상이한 폭을 가지는 패턴을 구비하는 550개의 실리콘 릿지를 가지는 2cm x 2cm의 실리콘 웨이퍼로부터 확인할 수 있다.
다시 말해서 제일 작은 실리콘 릿지는 평균 폭이 200 ±10 nm (n = 10)이고, 제일 큰 미소 봉우리는 평균 폭이 500 ±15 nm (n = 10)를 가진다.
이때, 상기 n은 상기 평균 폭을 측정하기 위한 샘플 수를 뜻한다. 다시 말해서 n=10이라고 하는 것은 10개의 샘플을 측정하여 평균을 구한 것이다.
다른 미소 봉우리는 편차가 15nm이하인 표준 편차를 갖는다.
이러한 결과로부터 본 발명의 Si 주형 가공 방법에 의해 균일한 실리콘 릿지를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
한편 본 발명의 실리콘 릿지의 하단부는 상기 SiO2층(150)을 형성하는 단계(S131)를 수행한 후 상단부보다 넓어진다.
이러한 현상은 상기 실리콘 릿지의 코너부에서의 등방성 산화에 기인하며 이는 나노 임프린트 후 나노 채널의 상단부 크기에 영향을 미친다.
도 5에서는 실리콘 릿지의 폭이 각각 200nm,250nm,300nm,350nm,400nm 그리고 450nm등 다양하게 가질 수 있음을 도시하는데, 이는 최초 포토 레지스트 패턴의 폭(2.0um,2.05um,2.1um,2.15um,2.2um 그리고 2.25um)에 의해 결정된다.
다시 말해서 단일한 나노 유동 장치에서 다양한 폭을 갖는 나노 채널을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 6 및 도 7에서는 나노 유동 장치의 나노 트렌치에 대한 현미경 및 SEM이미지를 도시한다.
상기 나노 트렌치사이의 간격은 20um이고 길이는 1cm이상이다.
폭 240nm의 나노 트렌치의 상단부 폭은 실리콘 릿지의 폭(200nm)보다 40nm 넓은데, 이는 실리콘 릿지(140)의 바닥부의 폭이 상단부보다 넓기 때문이다.
도 7에 나타난 SEM 이미지에서의 단면은 명료하지 않은데 이는 상기 나노 유동 장치를 액체 질소에서 수작업으로 벤딩하여 절단되었기 때문이다.
이는 상기 절단 과정에서 벤딩 및 인장의 영향을 최소화 하기 위함이며, 이러한 기법에 의해 트렌치의 형상에 중대한 변화는 없었다.
도 8 내지 도 10은 톨루엔 증기를 10초동안 공급하여 나노 채널을 실링한 SEM 이미지이다
도 8에서는 상기 실링 공정 후 나노 채널이 실링된 표면을 도시하는데, 상기 도 8에 나타난 바와 같이 실링 공정 후 표면에서는 큰 변화가 관찰되지 않는다
도 9에 나타난 바와 같이 상기 나노 트렌치의 상단부만이 상기 톨루엔 증기의 영향을 받아 실링되며, 상기 나노 트렌치의 바닥면에서 폭 240nm, 높이 1.1um크기의 나노 스케일의 공간이 형성된다.
한편 상기 나노 트렌치를 솔벤트 증기에 너무 장시간(예를 들어 30초 이상) 노출하면 상기 솔벤트 증기는 나노 유동 장치의 표면에 영향을 미쳐 중대한 손실을 야기하게 되고 그 결과 나노 트렌치의 구조는 더 이상 인식할 수 없게 된다.
또한, 만일 상기 나노 트렌치가 상기 솔벤트 증기로부터 너무 멀리(예를 들어 10cm이상) 이격되면, 상기 나노 트렌치가 오픈된 상태로 유지되어 아무런 변화가 없다.
또한 종횡비가 2보다 작은 경우(예를 들어 폭 500nm, 높이 1um) 상기 솔벤트에 의한 실링 방법은 상기 트렌치를 실링하지 못하고 상기 나노 트렌치의 모서리만이 용융된다.(도 10 참조)
이상 설명한 본 발명에 의해 본 발명은 고가의 나노 가공 툴을 사용하지 않고 높은 종횡비(HAR)을 가지는 나노 채널을 간이하고도 저렴하게 가공할 수 있는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 의해 단일의 나노 유동 장치에 다양한 폭을 갖는 나노 채널을 구비할 수 있으며, 이는 상기 실험을 위한 시간이나 비용을 크게 절감시킬 수 있어 바이오 분자 연구(예를 들어 DNA 스트레칭 거동)에 큰 혜택을 줄 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 나노 임프린트용 주형을 형성하기 위한 공정을 나타내는 개념도이다.
도 2a 내지 도 2d는 상기 임프린트용 주형에 의해 나노 트렌치 및 나노 채널을 형성하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 3 내지 도 10은 본 방법에 의해 형성된 나노 주형 및 채널의 SEM 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 주형 110 : 실리콘 웨이퍼
120 : Si3N4층 140 : 실리콘 릿지
200 : 나노 유동 장치 230 : 나노 트렌치
240 : 나노 채널

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 나노 트렌치를 형성하기 위한 주형을 형성하는 주형 가공 단계(S100)와, 상기 주형을 나노 유동 장치의 본체에 스탬핑하여 상기 나노 유동 장치의 본체에 나노 트렌치를 형성하는 임프린트 단계(S200)와, 상기 나노 트렌치를 실링하는 실링 단계(S300)를 포함하여 상기 나노 유동 장치에 나노 채널을 형성하는 방법(S10)으로서,
    상기 주형 가공 단계(S100)는
    실리콘 웨이퍼상에 Si3N4층이 일정 패턴을 구비하도록 하는 단계(S110)와,
    상기 실리콘 웨이퍼를 이방성 에칭하여 상기 Si3N4층의 저면에 폭이 좁은 수직방향의 실리콘 릿지를 각각 형성하는 단계(S120)와,
    상기 Si3N4층을 제거하여 상기 실리콘 릿지를 노출시키는 단계(S130)를 포함하고,
    상기 실링 단계(S300)는 상기 나노 트렌치의 개방부를 증기에 노출하여 상기 나노 트렌치의 개방부 단부가 상호 융착됨에 의해 상기 나노 트렌치의 개방부를 실링하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 나노 트렌치의 실링 단계(S300)에 사용되는 증기는 톨루엔 또는 메탄올 증기인 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 릿지를 형성하는 단계(S120)는 상기 Si3N4층이 제거된 실리콘 웨이퍼를 염기성 용액에 함침하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 염기성 용액은 수산화칼륨 수용액(농도 20wt% 내지 50wt%, 온도 40℃ 내지 70℃)을 포함하되 상기 실리콘 웨이퍼를 1분 내지 5분동안 함침하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 증기는 10초 내지 30초 동안 상기 나노 트렌치측으로 제공되는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 증기는 상기 나노 트렌치로부터 3cm 내지 10cm 이격된 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 톨루엔은 200℃ 내지 300℃로 가열되어 증기로 되는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 메탄올은 50℃ 내지 150℃로 가열되어 증기로 되는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 Si3N4층이 일정 패턴을 구비하도록 하는 단계(S110)은 상기 실리콘 웨이퍼상에 Si3N4층 및 상기 Si3N4층상에 일정 패턴을 갖는 포토 레지스트를 적층하 는 단계(S111)와,
    상기 Si3N4층 및 포토 레지스트가 적층된 실리콘 웨이퍼를 포토리쏘그라피 처리하는 단계(S112)와,
    상기 실리콘 웨이퍼를 반응성 이온 에칭(RIE)하는 단계(S113)와,
    상기 포토 레지스트를 제거하여 상기 Si3N4층이 상기 포토 레지스트의 패턴과 동일한 패턴을 구비하도록 하는 단계(S114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 릿지를 노출시키는 단계(S130)는 상기 실리콘 웨이퍼를 산화시켜 SiO2층을 형성하는 단계(S131)와,
    상기 실리콘 웨이퍼상의 SiO2층과 Si3N4층을 제거하여 상기 실리콘 릿지를 노출시키는 단계(S132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼를 산화시켜 SiO2층을 형성하는 단계(S131)는 상기 실리콘 웨이퍼의 최종 두께가 200nm 내지 500nm가 되도록 800℃ 내지 1500℃의 산화로에서 3시간 내지 5시간 산화시키는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 릿지를 노출시키는 단계(S132)는
    불산(HF)을 이용한 상기 SiO2층을 제거하는 단계(S132a)와,
    상기 Si3N4층을 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 제거되는 단계(S132b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  15. 제11항 또는 제14항에 있어서,
    상기 반응성 이온 에칭(RIE)은 50sccm 유량을 가지는 CF4가스를 75mTorr의 기압과 75W 출력조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 나노 유동 장치의 재질은 PMMA인 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 임프린트 단계(S200)는 150℃ 내지 200℃온도에서 1분 내지 10분간 1MPa 내지 10MPa의 압력으로 상기 주형을 상기 나노 유동 장치의 본체에 가압하여 상기 본체에 나노 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 임프린트(S200)단계 수행 후 60℃까지 냉각한 후 상기 주형과 나노 유 동 장치의 본체를 상호 분리하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 임프린트(S200)단계 수행 후 상기 나노 유동 장치가 친수성 특성을 갖도록 산소 플라즈마 처리를 하는 것을 특징으로 하는 나노 채널 형성 방법.
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