KR101205392B1 - 대면적의 플라즈모닉 결정 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대면적의 플라즈모닉 결정(plasmonic crystal) 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
플라즈모닉 결정은 2차원의 나노 범프(nanobump)와 나노 우물(nanowell)로 구성되어져 있으며, NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 이용하여 제조되었다. 이러한 구조는 공명 파장을 제어하는 여러 구조적인 변수를 가지고 있어, 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 센서와 표면강화 라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)에 이용될 수 있다.

Description

대면적의 플라즈모닉 결정 구조 및 그 제조방법{LARGE-SCALE PLASMONIC CRYSTAL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 플라즈모닉 결정(plasmonic crystal) 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NFH(near field holography) 리소그래피(lithography)를 이용하여 다수의 2차원의 나노 범프(nanobump)와 나노 우물(nanowell)로 구성되는 대면적의 플라즈모닉 결정 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
금속과 유전체의 경계에서 특정 조건을 만족하는 경우, 광파가 금속 표면의 자유전자들과 상호 작용하여 공진을 일으킨다. 이러한 공진은 금속 외부의 전자기파와 금속의 자유전자 간의 공진에 해당하는 것이다.
이러한 결과로 생성되는 것이 물결 파가 표면을 따라 진행하는 것과 같은 형태와 유사한 고밀도 전자의 진행파인 표면 플라즈몬(SP : Surface Plasmon)이다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속과 유전체의 경계면에서 발생하는 양자화된 전자들의 집단적인 진동으로서 표면 플라즈몬이 전자기파와 결합하여 진행할 때 이를 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)이라 하고 간단히 표면 플라즈몬이라 부른다.
금속과 유전체의 경계면에 TM 편광(Transverse Magnetic Polarization)으로 입사하는 광파가 적절한 방법에 의해 위상정합 조건을 만족시킬 수 있게 되면, 금속 표면에 플라즈마를 만들어 내고, 이 결합은 금속과 유전체의 경계면 상의 근접장을 만들어 낸다.
이러한 표면 플라즈몬 파의 모드 크기는 기본적으로 수 나노에서 수십 마이크로미터 이상이 되도록 만들 수 있으며, 세기가 강한 국소 근접장의 성질 및 특유의 분산 현상과 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 현상을 가진다.
이러한 표면 플라즈몬 파를 이용한 도파로 (Waveguide), 변조기 (Modulator), 광원 (Light source), 수신소자, 분배기, 결합기, 반사격자, 필터 등을 연구하는 분야를 표면 플라즈모닉스(Plasmonics)라고 한다.
이러한 표면 플라즈몬을 이용한 센서 기술에는, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서와 극미세 구조물을 이용하여 국소적으로 전기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 표면강화 라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 등이 있다.
일반적으로, 플라즈모닉 결정 구조는 단위 격자(unit cell)의 모양이나, 격자 상수(lattice constant), 결정의 대칭성(crystal symmetry)등에 따라 공명 파장을 변화시킬 수 있어 센서의 감도를 높이거나 센서 제작에 유연성을 제시한다.
이러한 플라즈모닉 결정 구조는 집속 이온빔 밀링(focused ion-beam milling)이나 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography)를 이용하여 제작하였다.
공개특허공보 제2002-0053957호에서는 나노결정체 형성방법에 관한 기술에 관한 것으로, 이러한 공개특허공보 제2002-0053957호에서 집속이온빔(foused ion-beam)을 이용하여 상온에서 쿨롱섬으로 작용하는 나노결정체를 형성시키는 나노결정체 형성방법이 개시되고 있다.
또한, 공개특허공보 제2009-0082825호는 집속이온빔을 이용하여 나노패턴을 형성함에 있어서, 지정면적 내에 보다 조밀하게 패턴을 형성하면서도 균일한 사이즈와 일정한 간격으로 형성시킬 수 있는 집속이온빔을 이용한 나노패턴 형성방법을 기재하고 있다.
또한, 등록특허공보 제10-0590575호에서는 리소그래피를 수행할 때 새로운 물질을 채용하여, 구현할 수 있는 선폭의 한계값을 개선할 수 있는 전자빔 리소그래피 방법에 관하여 기술하고 있다.
그러나, 종래 기술과 같이 집속이온빔 또는 전자빔을 이용하여 플라즈모닉 결정 구조를 형성하는 경우, 공정 시간이 길어지고, 그 비용이 너무 많이 든다는 문제점이 있다. 또한, 대면적의 플라즈모닉 결정 구조를 형성하는 것에도 어려움이 따른다.
상기한 문제점을 개선하기 위해 안출된 본 발명의 기술적 과제는, NFH(Near Field Holography) 리소그래피를 이용하여 제조할 수 있는 플라즈모닉 결정 구조 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 센서 또는 표면강화 라만산란 (surface enhanced Raman scattering, SERS)에 이용될 수 있는 대면적의 플라즈모닉 결정 구조 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 대면적의 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법은, 유리기판 위에 포토레지스트를 코팅하는 제 1 단계; 코팅된 상기 포토레지스트에 제 1 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하여 간격이 일정한 제 1 격자구조를 형성하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계 이후, 상기 기판을 90°회전한 후에 상기 제 1 격자구조가 형성된 상기 포토레지스트에 대해 제 2 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하여 간격이 일정한 제 2 격자구조를 형성하는 제 3 단계; 및 상기 제 1 NFH 리소그래피 및 제 2 NFH 리소그래피가 수행된 상기 포토레지스트 위에 금속을 증착하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법은, 상기 제 1 단계에서 상기 기판 위에 코팅되는 상기 포토레지스트는 스핀 코팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법은, 상기 제 3 단계에서, 상기 제 1 NFH 리소그래피가 수행된 상기 포토레지스트에 대해 상기 제 2 NFH 리소그래피를 수행함으로써, 상기 포토레지스트에 2차원의 나노 범프와 나노 우물이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법은, 상기 제 2 단계 및 상기 제 3 단계에서, 각각 수행되는 상기 제 1 및 제 2 NFH 리소그래피는 일정한 주기의 격자 구조를 가지는 위상 마스크(phase mask)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 대면적의 플라즈모닉 결정 구조는, 빛이 투과되는 기판; 상기 기판 위에 형성되며, 적어도 하나 이상의 2차원의 나노 범프와 나노 우물이 형성된 포토레지스트; 상기 나노 범프와 나노 우물이 형성된 포토레지스트의 표면에 증착된 금속면;을 포함하되, 상기 금속면은 상기 기판에 형성된 상기 나노 범프 및 상기 나노 우물의 위치에 따라 금속 나노 범프 및 금속 나노 우물(metallic nanowell)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조는, 상기 2차원의 나노 범프와 나노 우물은 상기 기판에 스핀 코팅으로 코팅된 포토레지스트에 제 1 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하고, 상기 제 1 NFH 리소그래피가 수행된 포토레지스트에 대해 90°회전한 후 제 2 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, NFH(Near Field Holography) 리소그래피 수행시 일정한 주기의 격자 구조를 가지는 위상 마스크(phase mask)를 이용함으로써 대면적의 플라즈모닉 결정 구조를 제조할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 센서 또는 표면강화 라만산란 (surface enhanced Raman scattering, SERS)에 이용될 수 있는 대면적의 플라즈모닉 결정 구조를 제조할 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 일정한 격자 구조를 나타내기 위해 사용된 NFH 리소그래피 기술의 개요도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조를 나타내는 예시도이다.
도 4는 도 3의 NFH 리소그래피 기술을 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 7은 SPR 센서에 적용된 플라즈모닉 결정 구조를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 일정한 격자 구조를 나타내기 위해 사용된 NFH 리소그래피 기술의 개요도이다.
도면을 참조하면, 플라즈모닉 결정 구조(1)는 기판(10), 감광물질인 포토레지스트(20) 및 금속면(30)을 포함하여 구성될 수 있고, 기판(10)을 빛이 투과될 수 있는 유리기판으로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 기판(10) 위에 코팅된 포토레지스트(20)에는 다수의 2차원의 나노 범프(nanobump)(21)와 나노 우물(nanowell)(22)이 형성되고, 포토레지스트(20) 위에 증착된 금속면(30)에는 포토레지스트(20)에 형성된 나노 범프(21) 및 나노 우물(22)의 위치에 따라 금속 나노 범프(metallic nanobump)(31) 및 금속 나노 우물(metallic nanowell)(32)이 형성된다.
포토레지스트(20)에 2차원의 나노 범프(21) 및 나노 우물(22)을 형성하기 위해, 도 2에 나타낸 바와 같이, NFH 리소그래피(Near Field Holography lithography) 기술이 사용된다.
일정한 주기(Λ)의 격자 구조(41)를 갖는 위상 마스크(phase mask)(40)를 유리기판(10)에 증착된 포토레지스트(20) 위에 위치시키고, 이 위상 마스크(40)에 특정 각도(θ)로 평행광을 입사시키면, 위상 마스크(40)를 통과한 빛은 0thoredr와 -1thorder의 빛으로 회절되어 포토레지스트(20)에 입사된다.
이때 θ는 위상 마스크의 주기(Λ)와 입사광의 파장(λ)에 의해 결정되며, θ=arcsin(λ/2Λ)과 같은 관계식을 갖는다. 예를 들어, 입사광의 파장(λ)이 365㎚이고, 위상 마스크의 주기(Λ)가 540㎚이면, θ는 19.75°이다.
이때 회절된 빛은 서로 보강간섭과 상쇄간섭을 일으키고, 간섭된 빛이 포토레지스트(20)에 쪼여지게 된다.
이때 positive 포토레지스트의 경우 보강간섭된 빛이 닿은 부분은 현상(develop)을 통해 많이 사라지고, 상쇄간섭된 빛이 닿은 부분은 적게 사라지므로 위상 마스크(40)와 같은 주기의 격자 구조가 포토레지스트(20)에 형성된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조를 나타내는 예시도이고, 도 4는 도 3의 NFH 리소그래피 기술을 상세히 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 제조를 나타내는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 플라즈모닉 결정 구조를 제조하는 방법을 설명한다. 먼저, 유리기판(10) 위에 감광 물질인 포토레지스트(photoresist)(20)를 코팅한다(S1). 이때, 유리기판(10) 위에 코팅되는 포토레지스트(20)는 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다.
이후, 코팅된 포토레지스트(20)에 일정한 주기(Λ)의 격자 구조(41)를 가지는 위상 마스크(40)를 이용하여 제 1 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하여 포토레지스트(20)에 간격이 일정한 제 1 격자구조를 형성한다(S2).
또한, 단계(S2)에서 제 1 격자구조를 형성한 후, 유리기판(10)을 90°회전하고(S3), 제 1 격자구조가 형성된 포토레지스트(20)에 대해 동일하게 위상 마스크(40)를 이용하여 제 2 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하여 간격이 일정한 제 2 격자구조를 형성한다(S4).
도 4에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트(20)에 제 1 NFH 리소그래피를 수행하면 위상 마스크(40)에 의해 보강간섭된 빛이 닿은 부분(exposed region)과 상쇄간섭된 빛이 닿은 부분(unexposed region)의 차이로 인해 격자 구조가 형성이 되고, 유리기판(10)을 90° 회전한 후에 제 2 NFH 리소그래피를 수행하면 보강간섭된 빛이 이중으로 닿은 부분(double exposed region)과 상쇄간섭된 빛이 닿은 부분(unexposed region)의 차이로 인해 포토레지스트(20)에는 다수의 2차원의 나노 범프(21)와 나노 우물(22)이 형성된다(S5).
이후, 2차원의 나노 범프(21)와 나노 우물(22)이 형성된 포토레지스트(20) 위에 금속을 증착하여 금속면(30)을 형성한다(S6). 이때, 포토레지스트(20) 위에 증착된 금속면(30)에는 포토레지스트(20)에 형성된 나노 범프(21) 및 나노 우물(22)의 위치에 따라 다수의 금속 나노 범프(metallic nanobump)(31) 및 금속 나노 우물(metallic nanowell)(32)이 형성된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 결정 구조의 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 540㎚의 주기를 가지는 위상 마스크를 이용함으로써, 금속 나노 범프(31)의 지름이 320㎚, 높이 22㎚이고, 금속 나노 우물(32)의 지름이 220㎚, 높이가 20㎚인 플라즈모닉 결정 구조를 제조할 수 있다. 이러한 구조는 가시광 영역에 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 파장이 존재하며, 위상 마스크의 주기를 변경함에 따라 표면 플라즈몬 공명 파장도 변경할 수 있다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 플라즈모닉 결정 구조(1)에 프리즘(2)을 부착함으로써 표면 플라즈몬을 이용한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서에 적용시킬 수 있다.
입사광이 프리즘(2)을 통하여 입사할 때, 입사광의 각도(φ)를 변경시키면 특정 각도(또는 공명 각)에서 반사광의 세기가 급격하게 줄어들게 된다. 그 이유는 공명 각으로 입사한 입사광의 에너지가 대부분 표면 플라즈몬을 여기 시키기 때문이다. 이때 공명 각은 플라즈모닉 결정 구조(1) 위에 놓이는 분석물질(3)의 종류 및 농도 등에 따라서 변화하고, 이러한 공명 각의 차이를 이용하여 분석물질(3)의 종류 및 농도 등을 측정할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 일정한 주기의 격자 구조를 가지는 위상 마스크(phase mask)를 이용하여 NFH(Near Field Holography) 리소그래피 수행함으로써, 2차원의 나노 우물과 나노 범프가 형성된 플라즈모닉 결정 구조, 특히, 대면적의 플라즈모닉 결정 구조를 제조할 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 플라즈모닉 결정 구조 2 : 프리즘
3 : 분석물질 10 : 유리기판
20 : 포토레지스트 30 : 금속면
40 : 위상 마스크 21 : 나노 범프
22 : 나노 우물 31 : 금속 나노 범프
32 : 금속 나노 우물 41 : 격자 구조

Claims (6)

  1. 대면적의 플라즈모닉 결정구조의 제조방법에 있어서,
    유리기판 위에 포토레지스트를 코팅하는 제 1 단계;
    코팅된 상기 포토레지스트에 제 1 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하여 간격이 일정한 제 1 격자구조를 형성하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계 이후, 상기 기판을 90°회전한 후에 상기 제 1 격자구조가 형성된 상기 포토레지스트에 대해 제 2 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하여 간격이 일정한 제 2 격자구조를 형성하는 제 3 단계; 및
    상기 제 1 NFH 리소그래피 및 제 2 NFH 리소그래피가 수행된 상기 포토레지스트 위에 금속을 증착하는 제 4 단계를 포함하고,
    상기 제 2 단계 및 상기 제 3 단계에서 각각 수행되는 상기 제 1 및 제 2 NFH 리소그래피는, 일정한 주기(Λ)의 격자 구조를 가지는 위상 마스크(phase mask)를 상기 유리기판에 코팅된 상기 포토레지스트 위에 위치시키고, 상기 위상 마스크에 특정 각도(θ)로 평행광을 입사시킴으로써 상기 위상 마스크를 통과한 빛이 회절되어 상기 포토레지스트에 입사되도록 수행되며,
    상기 특정 각도(θ)는, 상기 위상 마스크의 주기(Λ)와 입사광의 파장(λ)에 의해 이하의 수학식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법.

    θ = arcsin(λ/2Λ)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서 상기 기판 위에 코팅되는 상기 포토레지스트는 스핀 코팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서, 상기 제 1 NFH 리소그래피가 수행된 상기 포토레지스트에 대해 상기 제 2 NFH 리소그래피를 수행함으로써, 상기 포토레지스트에 2차원의 나노 범프와 나노 우물이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈모닉 결정 구조의 제조방법을 이용하여 제조되는 플라즈모닉 결정 구조에 있어서,
    빛이 투과되는 기판;
    상기 기판 위에 형성되며, 적어도 하나 이상의 2차원의 나노 범프와 나노 우물이 형성된 포토레지스트;
    상기 나노 범프와 나노 우물이 형성된 포토레지스트의 표면에 증착된 금속면을 포함하고,
    상기 금속면은 상기 기판에 형성된 상기 나노 범프 및 상기 나노 우물의 위치에 따라 금속 나노 범프 및 금속 나노 우물(metallic nanowell)이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 결정 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2차원의 나노 범프와 나노 우물은 상기 기판에 스핀 코팅으로 코팅된 포토레지스트에 제 1 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행하고, 상기 제 1 NFH 리소그래피가 수행된 포토레지스트에 대해 90°회전한 후, 제 2 NFH(Near Field Holography) 리소그래피(lithography)를 수행함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 결정 구조.
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