KR101345109B1 - 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 또는 박막에 고분자 층 및 패터닝된 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하여 박막의 식각 선택비에 따른 식각으로 언더컷(Undercut)을 형성하고, 3차원 구조의 나노구조체 제조를 위한 금속 또는 금속 산화막 증착 시 기판의 회전 유무를 조절하여 3차원 구조의 나노 구조체를 제조하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography) 공정과 리프트 오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 3차원 형태의 금속 또는 금속 산화막 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 기판에 고분자 층을 형성하는 단계, 고분자 층 상부에 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하는 단계, 패턴(Pattern)이 형성된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 준비하는 단계, 감광성 금속-유기물 전구체 층을 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계, 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 패턴층으로부터 제거하는 단계, 건식 식각으로 패턴층 하부의 고분자 층을 식각하여, 기판이 노출되도록 언더컷(Undercut)을 형성하는 단계, 패턴층 상부 또는 노출된 기판의 상부에 전자 빔 증착기를 이용하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하는 단계 및 용매를 이용하여 패턴층을 리프트 오프(Lift-Off)하여 나노구조체를 취득하는 단계를 포함한다.

Description

임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조방법{Method of Manufacturing for 3-Dimensional Aligned Nanostructure Prepared by Both Imprint Lithography and Lift-Off Processes}
본 발명은 3차원 구조의 나노구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 또는 박막에 고분자 층 및 패터닝된 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하여 박막의 식각 선택비에 따른 식각으로 언더컷(Undercut)을 형성하고, 3차원 구조의 나노구조체 제조를 위한 금속 또는 금속 산화막 증착 시 기판의 회전 유무를 조절하여 3차원 구조의 나노 구조체를 제조하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자소자의 고집적화, 소형화 추세에 따라 나노구조체 및 그 제조방법에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 나노구조체는 수 ㎚ 크기의 입자로 이루어져 광학적, 자기적, 전기적 성질을 가지며, 입자의 크기에 따라 상이한 성질을 나타낸다. 따라서, 단일 전자 소자(Single electron device), 광결정(Photonic crystal), 패터닝된 자기 저장 소자(Patterned magnetic storage device), 전기화학적 센서(Electrochemical sensor), 생물학적 센서(Biological sensor) 등에 응용이 가능하다. 일반적으로 나노구조체는 박막의 증착, 패터닝 및 식각 공정에 의해 제조된다.
한국공개특허 제 10-2009-0039278호는 나노도트를 이용한 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 게르마늄과 같은 재료를 이용하여 나노도트층을 형성하여 플로팅게이트를 구성함으로써, 소자의 특성을 개선시킨 나노도트를 이용한 반도체 소자 및 제조방법에 관한 기술이다. 그러나, 이 기술은 동일 계열로 박막을 형성하기 때문에 식각 선택비 조절이 어렵다. 또한, 3차원 구조의 나노구조체 형성을 위해 복수의 산화박막 및 나노도트층을 증착해야 하고, 증착 및 식각 공정이 반복적으로 이루어지기 때문에 공정 시간이 길고 생산성이 낮다.
한국등록특허 제10-0907473호는 실리사이드 나노도트(Silicide Nanodot) 형성 방법 및 실리사이드 나노도트가 형성되는 적층구조물에 관한 기술이다. 이 기술은 기판 상에 금속층과 산소를 함유하는 실리콘층으로 이루어진 계면이 적어도 하나 형성된 적층구조물을 준비하고, 이 적층구조물 상에 전자빔을 조사하여 계면 상에 실리사이드 나노도트를 형성하는 것이다. 그러나, 이 기술은 기판 상에 하나의 적층구조물을 형성함으로써, 나노구조체 형성을 위한 적층구조물의 식각 선택비를 조절할 수 없다. 또한, 적층구조물의 계면 상에 나노구조물을 형성함으로써, 균일한 크기와 다양한 형상의 나노구조물을 제조하기 어렵고, 나노구조체의 일정한 배열이 불가능하다.
본 발명은 위에서 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3차원 구조의 나노구조체 형성을 위한 다층 구조물의 선택비 조절이 가능하고, 다양한 형상, 크기 및 패터닝이 가능한 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
나아가, 기판상에 3차원 나노구조체의 형성 시 유착 또는 변형을 방지하고, 균일한 나노구조체의 형성 및 배열이 가능한 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법은 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography) 공정과 리프트 오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 3차원 형태의 금속 또는 금속 산화막 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 기판에 고분자 층을 형성하는 단계, 고분자 층 상부에 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하는 단계, 패턴(Pattern)이 형성된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 준비하는 단계, 감광성 금속-유기물 전구체 층을 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계, 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 상기 패턴층으로부터 제거하는 단계, 건식 식각으로 상기 패턴층 하부의 고분자 층을 식각하여, 기판이 노출되도록 언더컷(Undercut)을 형성하는 단계, 상기 패턴층 상부 또는 노출된 기판의 상부에 전자 빔 증착기를 이용하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하는 단계 및 용매를 이용하여 상기 패턴층을 리프트 오프(Lift-Off)하여 나노구조체를 취득하는 단계를 포함한다.
나아가, 본 발명에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체는 기판 및 기판 상부의 일부 영역에 금속 또는 금속 산화막으로 이루어지는 요철 구조로 형성된 나노구조물을 포함한다.
위에서 상술한 바와 같이 본 발명은 3차원 구조의 나노구조체 형성을 위한 적층구조물로 기판상에 고분자 층을 형성하고, 고분자 층 상부에 패터닝된 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성함으로써, 건식 식각에 대한 식각 선택비 조절이 가능하다. 따라서, 리프트 오프(Lift-Off) 공정이 용이한 언더컷(Undercut)을 형성할 수 있다.
상기 패턴층 하부의 고분자 층에 언더컷(Undercut)을 형성하고, 이 패턴층을 마스크로 이용하며, 전자빔 증착기의 회전력을 조절함으로써, 균일한 크기와 다양한 형상의 나노구조물을 제조할 수 있고, 나노구조체의 일정한 배열이 가능하다.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조과정을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조과정을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체를 나타내는 SEM 이미지이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조방법을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조방법은 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography) 공정과 리프트 오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 3차원 형태의 금속 또는 금속 산화막 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 기판에 고분자 층을 형성하는 단계(s101), 고분자 층 상부에 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하는 단계(s102), 패턴(Pattern)이 형성된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 준비하는 단계(s103), 감광성 금속-유기물 전구체 층을 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계(s104), 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 상기 패턴층으로부터 제거하는 단계(s105), 건식 식각으로 상기 패턴층 하부의 고분자 층을 식각하여, 기판이 노출되도록 언더컷(Undercut)을 형성하는 단계(s106), 상기 패턴층 상부 또는 노출된 기판의 상부에 전자 빔 증착기를 이용하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하는 단계(s107), 용매를 이용하여 상기 패턴층을 리프트 오프(Lift-Off)하여 나노구조체를 취득하는 단계(s108)를 포함한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 기판에 고분자 층을 형성하는 단계(s101)는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP), SiC, GaN, 실리카, 사파이어, 석영, 유리 기판 중 어느 하나의 기판(101)에 고분자 층(102)을 코팅 또는 증착하는 단계다. 고분자 층(102)은 PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PVA(Polyvinyl Alcohol), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStyrene, PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Polyether, Polyimide 중 어느 하나로 이루어진다.
아울러, 고분자 층(102)은 50㎚~1000㎚ 두께로 형성된 것을 특징으로 하고, 기판(101)상에 고분자 물질을 스핀 코팅(Spin Coating)한 후, 100℃~200℃의 온도에서 30초~500초간 열처리하여 형성한다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 기판(101) 또는 고분자 물질의 종류와 두께에 따라, 코팅의 조건을 상이하게 설정할 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 고분자 층 상부에 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하는 단계(s102)는 도 1a의 s101 단계에서 설명한 고분자 층(102) 상부에 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)을 형성한다. 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)의 코팅은 고분자 층(102)의 코팅을 위해 사용되는 방법에 의해 가능하다.
감광성 금속-유기물 전구체 층(103)은 지르코늄(Zr)을 포함한다.
삭제
아울러, 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)은 헥산 용매를 이용해 생성된다.
본 발명에 따른 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)의 형성을 위해 감광성 ZrO2 레진을 합성할 수 있다. 감광성 ZrO2 레진의 합성을 위해 Zirconyl 2-ethylhexanoate과 헥산(hexane)을 일정 양 혼합한다. 이 감광성 ZrO2 레진을 도 1a의 s101단계에서 형성한 고분자 층(102) 상부에 스핀 코팅(Spin Coating)한 후, 50℃~100℃의 온도에서 30초~500초 동안 열처리하여 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)을 형성할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 패턴(Pattern)이 형성된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 준비하는 단계(s103)는 1b의 s102 단계의 감광성 금속-유기물 전구체 층(103) 상면에 패턴(Pattern)을 형성하기 위한 단계다. 본 발명에 따른 패턴형성을 위한 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)는 Pillar-Patterned PTFE(PolyTetraFluoroEthylene) 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)로서, 실리콘 마스터 스탬프(Hole-Patterned Si Stamp) 상단에 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene) 레진을 적하시키고, PET(PolyEthylene-Terephthalate) 기판을 압착시킨 후 자외선을 3분간 조사하여 제조할 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 감광성 금속-유기물 전구체 층을 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계(s104)는 도 1c의 s103 단계 제조된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)를 이용해 도 1b의 s102 단계에서 형성한 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 패턴(Pattern)을 형성한다. 또한, s104 단계는 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)를 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 압착하고, 30℃~300℃ 온도에서 1초~5시간 동안 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 가열하여 경화시킨다. 경화된 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)으로부터 패턴층(105)을 취득한다.
또한, s104 단계는 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)를 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 압착하고, 1초~5시간 동안 마이크로웨이브(Microwave), X선, 감마선 또는 자외선 중 어느 하나를 조사하여 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)을 경화할 수 있다.
삭제
도 1e에 도시된 바와 같이, 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 패턴층으로부터 제거하는 단계(s105)는 도 1d의 s104 단계에서 형성된 패턴층(105)으로부터 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)를 분리(Relief)한다. 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)(104)를 분리(Relief)함으로써, 최종 취득한 패턴층(105)의 깊이, 형상 또는 선폭은 특정하게 제한되지 않으며, 다양한 깊이, 형상 또는 선폭으로 구현될 수 있다. 도 1b에서 설명한 바와 같이 패턴층(105)의 두께는 50㎚~500㎚의 범위에 속한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 도 1a 내지 도 1g의 s101 단계 내지 s105 단계를 통해, 기판 상에 고분자 층을 형성하고, 고분자 층 상부에 패터닝된 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하여 패턴층을 취득함으로써, 건식 식각에 대한 식각 선택비 조절이 가능하다. 따라서, 리프트 오프(Lift-Off) 공정이 용이한 언더컷(Undercut)을 형성할 수 있다. 아울러, 언더컷(Undercut) 형성 또는 패턴 형성을 위해 반복적인 증착 또는 식각이 불필요해 생산 공정의 간소화, 생산 비용의 절감을 이룰 수 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 건식 식각으로 패턴층 하부의 고분자 층을 식각하여, 기판이 노출되도록 언더컷(Undercut)을 형성하는 단계(s106)는 Cl2, HBr, HCl, SF6, CF4, CHF3, NF3, O2 또는 CFCs(ChloroFluoroCarbons)로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 이용하며, N2, Ar 또는 He 중 하나 이상의 불활성 가스를 더 포함하여 식각에 이용한다. 식각 공정 시 패턴층(105)은 마스크(Mask)와 같은 역할을 하게 되고, 패턴층(105) 하부의 고분자 층(102)이 식각되어 언더컷(Undercut)을 형성하게 된다. s106 단계에서 형성한 언더컷(Undercut)에서 3차원 구조의 정렬된 나노구조체가 형성된다.
도 1g에 도시된 바와 같이, 패턴층 상부 또는 노출된 기판의 상부에 전자 빔 증착기를 이용하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하는 단계(s107)는 전자 빔 증착기(E-Beam Evaporator)를 이용하여 50㎚~1000㎚의 두께로 금속 또는 금속 산화막(107)을 형성한다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 열 증착(Thermal Evaporator), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 스퍼터링(Sputtering), PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)와 같은 다양한 방법에 의해 금속 산화막(107)의 형성이 가능하다.
이때, 금속 또는 금속 산화막(107) 증착을 위해 전자 빔 증착기(E-Beam Evaporator)를 이용 시 회전의 유무 또는 속도를 조절하여 언더컷(Undercut)에 형성되는 나노구조물(108)의 형상 또는 높이를 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명은 패턴층(105) 하부의 고분자 층(102)에 언더컷(Undercut)(106)을 형성하고, 이 패턴층(105)을 마스크로 이용하며, 전자빔 증착기의 회전력을 조절함으로써, 균일한 크기와 다양한 형상의 나노구조물(108)을 제조할 수 있고, 나노구조물(108)의 일정한 배열이 가능하다.
도 1h에 도시된 바와 같이, 용매를 이용하여 패턴층을 리프트 오프(Lift-Off)하여 나노구조체를 취득하는 단계(s108)는 3차원 구조로 정렬된 나노구조체를 취득하기 위해 도 1a의 s101 단계에서 형성한 고분자 층(102)도 도 1g의 s107 단계에서 형성한 패턴층(105)을 분리한다. 이때, 사용되는 용매는 박막의 분리 또는 박막을 제거하는 다양한 용매를 의미한다.
본 발명에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체는 도 1a 내지 도 1h에서 설명한 제조방법으로 구현가능하며, 도 1a의 s101 단계에서 고분자 층을 기판이 아닌 박막의 상부에 형성하여 본 발명을 구현할 수 있다.
본 발명은 도 1b의 s102 단계에서 설명한 바와 같이, 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)의 형성을 위해 감광성 ZrO2 레진을 합성할 수 있으며, 이러한 감광성 금속-유기물 전구체 층을 이용한 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조는 도 2와 도 3의 SEM 이미지를 참조하여 설명할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조과정을 나타내는 SEM 이미지이다. 도 2의 (a)는 감광성 ZrO2 레진을 이용한 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 패턴이 형성된 이미지이다. (a)에서 기판(101)의 상부에 형성된 고분자 층(102)은 도 1a의 s101 단계에서 설명한 바와 같이, PMMA를 기판(101) 상부에 스핀 코팅(Spin Coating)하고, 170℃의 온도로 300초간 열처리(Baking)하여 형성한다. 또한, 도 1b의 s102 단계에서 설명한 바와 같이, 형성된 고분자 층(102)에 감광성 ZrO2 레진을 스핀 코팅(Spin Coating)한 후 80℃의 온도로 120초간 열처리(Baking)하여 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)을 형성한다.
(a)의 SEM 이미지에서 설명한 바와 같이, 기판상에 고분자 층을 형성하고, 고분자 층 상부에 패터닝된 감광성 금속-유기물 전구체 층 즉, 패턴층(105)을 형성함으로써, 건식 식각에 대한 식각 선택비 조절이 가능하다. 따라서, 리프트 오프(Lift-Off) 공정이 용이한 언더컷(Undercut)을 형성할 수 있다.
또한, 도 1c 내지 도 1e에서 설명한 바와 같이, 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 임프린트용 스탬프(104)를 압착하고, 30분간 자외선을 조사한 후 임프린트용 스탬프(104)를 분리한다. 따라서, 213㎚ 두께의 고분자 층(102) 상면에 깊이 253㎚, 상측 패턴 선폭 273㎚, 하측 패턴 선폭 248㎚의 패턴층(105)을 형성할 수 있다.
(b)는 패턴층(105)을 O2 가스를 이용해 식각한 상태의 SEM 이미지이다. O2 가스를 이용한 식각은 20mTorr의 압력, O2 45SCCM 유량부피 및 RF Power 100W의 조건에서 이루어진다. 또한, 이 조건에서 O2 가스 식각 선택비는 1:20이다. 식각 결과, 패턴층(105)은 10㎚ 식각되고, PMMA로 이루어진 고분자 층(102)은 213㎚가 모두 식각되어 언더컷(Undercut)(106)을 형성한다.
(c)는 전자 빔 증착기(E-Beam Evaporator)를 이용해 Ni를 2Å/s 조건으로 200㎚를 증착한 SEM 이미지이다. 이때, Ti를 접착층(Adhesion Layer)으로 10㎚를 증착한다.
(d)는 접착층(Adhesion Layer) Ti와 Ni를 증착한 후 아세톤(Acetone)에 60초동안 담근 후 질소가스로 Blowing하여 패턴된 Ni막을 나타낸 SEM 이미지이다.
(a)에서 (d)까지의 SEM 이미지를 참조하여 알 수 있듯이 PMMA로 이루어진 고분자 층(102)과 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 O2 가스에 대한 1:20의 높은 식각 선택비를 유도하여 언더컷(106)의 형성 및 나노패턴된 Ni 박막의 형성이 용이하다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체의 제조과정을 나타내는 SEM 이미지이다. 도 3의 (a′)는 감광성 SnO2 레진을 이용하여 합성된 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 패턴이 형성된 이미지이다. (a′)에서 기판(101)의 상부에 형성된 고분자 층(102)은 도 1a의 s101 단계에서 설명한 바와 같이, PMMA를 기판(101) 상부에 스핀 코팅(Spin Coating)하고, 170℃의 온도로 300초간 열처리(Baking)하여 형성한다. 또한, 도 1b의 s102 단계에서 설명한 바와 같이, 형성된 고분자 층(102)에 감광성 SnO2 레진을 스핀 코팅(Spin Coating)한 후 80℃의 온도로 120초간 열처리(Baking)하여 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)을 형성한다.
(a′)의 SEM 이미지에서 설명한 바와 같이, 기판상에 고분자 층을 형성하고, 고분자 층 상부에 패터닝된 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성함으로써, 건식 식각에 대한 식각 선택비 조절이 가능하다. 따라서, 리프트 오프(Lift-Off) 공정이 용이한 언더컷(Undercut)을 형성할 수 있다.
또한, (a′)는 도 1c 내지 도 1e에서 설명한 바와 같이, 감광성 금속-유기물 전구체 층(103)에 임프린트용 스탬프(104)를 압착하고, 20분간 자외선을 조사하여 200nm 두께의 패턴층(105)을 형성할 수 있으며, 그 후 임프린트용 스탬프(104)를 분리한다.
(b′)는 패턴층(105)을 O2 가스를 이용해 식각한 상태의 SEM 이미지이다. O2 가스를 이용한 식각은 20mTorr의 압력, O2 45SCCM 유량부피 및 RF Power 100W의 조건에서 이루어진다. 또한, 이 조건에서 O2 가스 식각 선택비는 1:5이다. 식각 결과, 패턴층은 40㎚ 식각되고, PMMA로 이루어진 고분자 층(102)은 200㎚가 모두 식각되어 언더컷(Undercut)(106)을 형성한다.
(c′)는 전자 빔 증착기(E-Beam Evaporator)를 이용해 Au를 2Å/s 조건으로 200㎚를 증착한 SEM 이미지이다. 이때, Ti를 접착층(Adhesion Layer)으로 10㎚를 증착한다.
(d′)는 접착층(Adhesion Layer) Ti와 Au를 증착한 후 아세톤(Acetone)에 60초동안 담근 후 질소가스로 Blowing하여 패턴된 Au 막을 나타낸 SEM 이미지이다.
(a′)에서 (d′)까지의 SEM 이미지를 참조하여 알 수 있듯이, 패턴층(105)을 사용하여, PMMA와 같은 고분자 층(102)과의 건식 식각에 대한 높은 O2 에칭 선택비를 유도하여 언더컷(106)을 형성하였으며, 전자 빔 증착기에 있어서 금속 소스(Source)와 Ni 또는 Au가 증착되는 샘플의 위치 및 회전 유무 조절을 통하여 3차원으로 패턴된 금속 나노구조체의 형성이 가능함을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체를 나타내는 SEM 이미지이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체는 기판(101) 및 기판(101) 상부의 일부 영역에 금속 또는 금속 산화막으로 이루어지는 요철 구조로 형성된 나노구조물(108)을 포함한다.
도 4의 SEM 이미지에서와 같이 본 발명에 따른 나노구조물(108)은 전자 빔 증착기를 이용해 회전의 유무 또는 속도를 조절하여 점, 원뿔 및 원기둥 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 전자 빔 증착기의 회전력에 의해 기판(101)과 접하는 하부의 폭이 상부의 폭 보다 넓게 형성될 수 있고, 수직방향을 기준으로 좌우 비대칭 구조로 이루어질 수 있다. 나아가, 식각 공정 중 발생하는 폴리머 접착 현상이 없어, 상기 나노구조체의 일 측부에 폴리머가 남아있지 않은 것을 특징으로 한다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조 되는 바람직한 실시 예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
101: 기판
102: 고분자 층
103: 감광성 금속-유기물 전구체 층
104: 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)
105: 패턴층
106: 언더컷(Undercut)
107: 금속 산화막
108: 나노 구조물

Claims (17)

  1. 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography) 공정과 리프트 오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 3차원 형태의 금속 또는 금속 산화막 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    기판에 고분자 층을 형성하는 단계;
    Zirconyl 2-ethylhexanoate과 헥산(hexane)을 이용하여 감광성 ZrO2 레진을 합성하고, 상기 고분자 층 상부에 스핀 코팅(Spin Coating)한 후, 50℃~100℃의 온도에서 30초~500초 동안 열처리하여 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하는 단계;
    실리콘 마스터 스탬프 상단에 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene) 레진을 적하시키고, PET(PolyEthylene-Terephthalate) 기판을 압착시킨 후 자외선을 조사하여 제조된 패턴(Pattern)이 형성된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 준비하는 단계;
    상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 상기 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계;
    상기 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 상기 패턴층으로부터 제거하는 단계;
    건식 식각으로 상기 패턴층 하부의 상기 고분자 층을 식각하여, 상기 기판이 노출되도록 언더컷(Undercut)을 형성하는 단계;
    상기 패턴층 상부 또는 노출된 상기 기판의 상부에 전자 빔 증착기를 이용하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하되, 상기 전자 빔 증착기 이용시에 상기 기판의 위치, 회전 및 속도 중 어느 하나를 조절하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하는 단계;
    용매를 이용하여 상기 패턴층을 리프트 오프(Lift-Off)하여 나노구조체를 취득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  2. 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography) 공정과 리프트 오프(Lift-Off) 공정을 이용하여 3차원 형태의 금속 또는 금속 산화막 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    박막에 고분자 층을 형성하는 단계;
    Zirconyl 2-ethylhexanoate과 헥산(hexane)을 이용하여 감광성 ZrO2 레진을 합성하고, 상기 고분자 층 상부에 스핀 코팅(Spin Coating)한 후, 50℃~100℃의 온도에서 30초~500초 동안 열처리하여 감광성 금속-유기물 전구체 층을 형성하는 단계;
    실리콘 마스터 스탬프 상단에 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene) 레진을 적하시키고, PET(PolyEthylene-Terephthalate) 기판을 압착시킨 후 자외선을 조사하여 제조된 패턴(Pattern)이 형성된 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 준비하는 단계;
    상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 상기 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계;
    상기 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)를 상기 패턴층으로 부터 제거하는 단계;
    건식 식각으로 상기 패턴층 하부의 상기 고분자 층을 식각하여, 상기 박막이 노출되도록 언더컷(Undercut)을 형성하는 단계;
    상기 패턴층 상부 또는 노출된 상기 박막의 상부에 전자 빔 증착기를 이용하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하되, 상기 전자 빔 증착기 이용시에 상기 박막의 위치, 회전 및 속도 중 어느 하나를 조절하여 금속 또는 금속 산화막을 형성하는 단계;
    용매를 이용하여 상기 패턴층을 리프트 오프(Lift-Off)하여 나노구조체를 취득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  3. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고분자 층은,
    PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PVA(Polyvinyl Alcohol), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Polyether, Polyimide 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 고분자 층은,
    50㎚~1000㎚ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 상기 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계는,
    30℃~300℃ 온도에서 1초~5시간 동안 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 가열하는 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 상기 임프린트용 스탬프(Imprint Stamp)로 가압하고, 가열 또는 빛 조사 방법 중 어느 하나 또는 혼용한 방법으로 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층을 경화하여 패턴층을 형성하는 단계는,
    마이크로웨이브(Microwave), X선, 감마선 또는 자외선 중 어느 하나를 상기 감광성 금속-유기물 전구체 층에 조사하며, 상기 자외선 조사 시 조사시간은 1초~5시간인 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 건식 식각은,
    Cl2, HBr, HCl, SF6, CF4, CHF3, NF3, O2 또는 CFCs(ChloroFluoroCarbons)로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 건식 식각은,
    N2, Ar 또는 He 중 하나 이상의 불활성 가스를 더 포함하여 이용하는 것을 특징으로 하는 임프린트 리소그래피와 리프트 오프 공정을 이용한 3차원 구조의 정렬된 나노구조체 제조방법.
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