KR101367662B1 - 임프린트용 스탬프 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임프린트용 스탬프 제조 방법에 관한 것으로 유리 기판의 상부면에 포토 레지스트 층을 형성하는 단계; 상기 형성된 포토 레지스트 층 위에서 상기 유리 기판에 대한 식각률(etching rate)이 건식 식각법 보다 높은 레이저를 조사하여, 상기 포토 레지스트 층 및 상기 유리 기판의 상부면에 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴이 형성된 포토 레지스트 층을 마스크로 사용하여, 상기 유리 기판에 형성된 패턴의 측면이 수직한 모양이 되도록 상기 유리 기판을 건식 식각(etching)하는 단계; 및 상기 패턴이 형성된 포토 레지스트 층을 상기 유리 기판에서 제거하는(ashing) 단계를 포함하며, 이에 따라 고가의 쿼츠(quartz) 대신 유리를 기판으로 사용함으로써, 스탬프의 제조 비용을 줄일 수 있다. 또한, 유리 기판에 건식 식각법만 사용하여 패턴을 형성하는 것보다 빠르게 패턴을 형성할 수 있어, 스탬프의 제조 공정 시간을 줄일 수 있다.
Description
도 1a 내지 도 1e는 종래 스탬프 제조방법의 공정과정에 따른, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 개략도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 레이저에 의하여 포토 레지스트 층 및 유리 기판의 상부면에 형성될 수 있는 패턴 단면의 예를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 기판을 건식 식각한 후 기판에 형성된 패턴의 확대 단면도이다.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
10 : 기판(Substrate)
11 : 포토 레지스트(Photo Resist)
본 발명은 임프린트(Imprint)용 스탬프(stamp) 제조방법에 관한 것으로, 보 다 상세하게는 미세크기(예를 들면 micro/nano 등의 크기) 임프린트 기술에 사용되는 스탬프에 대해, 보다 적은 비용(low-cost)을 들이면서 스탬프의 제작공정 시간을 줄일 수 있는 제조 방법에 관한 것이다.
미세크기 임프린트 기술은 상대적 강도가 강한 물질(예를 들면 실리콘, 쿼츠, 니켈 등)의 표면에 필요로 하는 패턴(pattern)을 미리 제작한 스탬프(stamp)를 만들고, 이 스탬프를 상대적 강도가 약한 다른 물질(예를 들면 폴리머 필름) 위에 마치 도장을 찍듯이 찍어서 패턴을 전사하는 기술이다.
미세크기 임프린트 기술은 스탬프를 재사용할 수 있고, 넓은 면적의 스탬프를 사용할 경우 미세크기의 구조물을 빠르게 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 이러한 경제적인 측면에서의 장점과 높은 생산성을 확보할 수 있어, 미세크기 임프린트 기술은 반도체 공정을 비롯한 많은 부분에서 주목받고 있다.
상기한 나노 임프린트 기술에서는 스탬프를 제작하는 것이 필수적이라 할 수 있는데, 이러한 스탬프의 종래의 제조방법을 살펴본다.
도 1a 내지 도 1e는 종래의 스탬프 제조방법을 공정과정에 따라 기판의 단면을 도시한 단면도이다. 도 1a 내지 도 1e를 참조하면, 먼저, 스탬프로 사용될 기판(substrate)(10)을 준비한다(도 1a). 준비된 기판(10) 위에 적당한 레지스트(resist)(11)를 도포한다(도 1b). 기판(10)위에 레지스트(11)가 도포되면 예를 들면, 전자빔(Electron beam) 리소그래피(Lithography)을 이용하여 패턴을 전사하고, 현상과정을 거쳐 패턴을 형성한다(도 1c). 여기서 상기 전자빔 리소그래피 기술은 전자빔 감광제를 도포한 시료면에 전자빔을 조사하여 감광제를 구성하는 고분 자를 결합 또는 절단하여 시료 면상에 감광제 패턴을 형성하는 기술이다.
이렇게 패턴이 형성된 레지스트를 마스크로 하여 기판(10)을 습식 식각(wet etching) 또는 건식 식각(dry etching)을 한다(도 1d). 그리고, 레지스트(11)를 제거함(ashing)으로써 스탬프를 제작하였다(도 1e).
그런데, 이러한 종래의 스탬프 제작방법에서 사용되는 전자빔 리소그래피 기술은 공정에 사용되는 장비가 고가이며, 직접 기록(direct writing)방식이므로 처리량(throughput) 측면에서 문제가 있다. 특히, 대면적의 스탬프를 제조하고자 하는 경우 패턴 형성에 많은 공정시간이 소요되는 문제가 있다.
또한, 종래 스탬프 제작방법에서는 주로 기판(10)의 재료로 쿼츠(quartz)를 사용하였다. 쿼츠는 화학성분이 이산화 규소(SiO2)만으로 된 물질이다. 쿼츠는 경도가 우수한 반면 취성(brittleness)이 강한 재료이다. 여기서 취성이란, 물질에 힘이 가해질 때 변형이 별로 없는 상태에서 파괴되는 성질을 말한다. 이러한 쿼츠는 임프린트 공정에서 발생하는 주기적인 압력과 열을 견디기 어려워 스탬프로서의 수명이 짧은 단점이 있다. 또한, 쿼츠는 가격이 비싸 경제적인 측면에서 문제가 있다.
이에 대한 대안으로, 기판을 상대적으로 저가의 재료인 유리(glass)를 사용하여 만드는 방법이 있다. 여기서, 유리는 주 성분이 이산화규소(SiO2)이고, Na2O, Al2O3, CaO와 같은 금속 산화물(metal oxide)을 포함하고 있는 것을 의미한다. 그런데, 유리는 상기와 같은 금속산화물(metal oxide) 등을 포함하고 있어, 건식식각 공정에서 식각률(etching rate)이 쿼츠에 비해 상대적으로 낮다. 특히, 유리 표면에 수 마이크로 깊이로 패턴을 제작하여야 할 경우 건식 식각법만 사용하는 경우 상당히 오랜 공정시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판의 재료를 고가의 쿼츠가 아닌 저가의 재료(예를 들면, 유리)를 선택하고, 이러한 재료로 된 기판을 건식 식각할 때보다 빠르게 식각할 수 있는 레이저를 기판에 조사하여, 기판에 패턴을 일차적으로 형성한다. 그 후, 상기 기판에 형성된 패턴의 측면을 수직으로 만들기 위해 이차적으로 기판을 건식 식각하는 방법으로 스탬프를 만드는 임프린트용 스탬프 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 임프린트용 스탬프 제조방법은 유리 기판의 상부면에 포토 레지스트 층을 형성하는 단계; 상기 형성된 포토 레지스트 층 위에서 상기 유리 기판에 대한 식각률(etching rate)이 건식 식각법 보다 높은 레이저를 조사하여, 상기 레이저에 의해 상기 포토 레지스트 층 및 상기 유리 기판의 상부면에 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴이 형성된 포토 레지스트 층을 마스크로 사용하여, 상기 유리 기판에 형성된 패턴의 측면이 수직한 모양이 되도록 상기 유리 기판을 건식 식각(etching)하는 단계; 및 상기 패턴이 형성된 포토 레지스트 층을 상기 유리 기판에서 제거하는(ashing) 단계를 포함한다.
상기 레이저는 엑시머 레이저, 팸토초 레이저 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기판을 건식 식각하는 단계는, CF4 가스, SF6 가스 중 어느 하나를 이용하여 건식 식각할 수 있다.
또한, 상기 유리 기판의 상부면에 포토 레지스트 층을 형성하는 단계는 스핀 코팅법, 화학 증착법, 물리적 증착법 중 어느 하나의 방법에 의하여 포토 레지스트 층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 포토 레지스트 층을 제거하는 단계는 산소(O2) 플라즈마 가스에 의해 포토 레지스트 층을 제거하는 단계일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 먼저 스탬프로 사용될 기판(10)을 준비한다(도 2a).
여기서 기판(10)은 실리콘(Si), 쿼츠(quartz), 유리(Glass), 니켈(Ni), 플래 티늄(Pt), 크롬(Cr), 고분자 물질 등이 사용될 수 있는데, 유리인 것이 바람직하다. 기판의 재료로는 보통 쿼츠를 많이 사용하는데, 쿼츠는 화학성분이 SiO2 한가지 만으로 되어 있다. 앞서 설명한 것과 같이 쿼츠는 취성(brittleness)이 높고, 고가의 재료라는 점에서 소모성 부품인 스탬프의 기판으로 사용하기에는 경제적인 측면에서 문제가 있다. 따라서, 이러한 쿼츠를 대신하여 저가의 유리를 기판의 재료로 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 유리는 SiO2 를 주성분으로 하되, Na2O, CaO , Al2O3 등의 금속산화물이 포함된 것을 의미한다.
유리 기판이 준비되면, 유리 기판(10)의 상부면(Upside)에 포토 레지스트(11) 층을 형성시킨다(도 2b).
포토 레지스트(11) 층을 형성시키는 이유는 후술할 유리 기판(10)의 건식 식각 공정(도 2d)에서 포토 레지스트(11) 층을 유리 기판(10)에 대한 마스크로 사용하기 위해서이다. 상기 포토 레지스트(11)는 특정한 파장의 빛을 받으면 반응을 하는 일종의 감광 고분자 화합물(photosensitive polymer)이다. 포토 레지스트에는 노광된 부분의 폴리머(polymer) 결합 사슬이 끊어지는 양성 포토 레지스트(positive PR)와, 노광된 부분의 폴리머 결합 사슬이 더 강하게 결합하는 음성 포토 레지스트(negative PR)가 있다. 이러한 포토 레지스트(11)를 유리 기판(10) 위에 박막(Thin film) 형태로 형성시킨다.
이 경우, 포토 레지스트(11)를 유리 기판(10) 위에 박막 형태로 형성시키는 방법은 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating)법, 화학 증착(chemical vapor deposition)법, 물리적 증착(Physical vapor deposition)법 등이 있을 수 있다. 스핀 코팅법은 기판을 고속으로 회전시켜 포토 레지스트가 균일하게 얇은 박막의 형태로 도포되게 하는 방식이다. 화학 증착법은 원료가 되는 물질을 기화시켜 이 가스를 화학적 반응을 통해 기판에 박막을 형성하는 방법이다. 또한, 물리적 증착법은 큰 운동에너지를 가진 이온입자를 목적 물질과 충돌시킴으로 물질을 방출시키고, 방출된 물질이 기판에 부착되어 박막을 형성시키는 방법이다.
상기와 같이 유리 기판(10)에 포토 레지스트(11) 층을 형성시킨 후, 상기 형성된 포토 레지스트(11) 층 위에서 상기 유리 기판(10)에 대한 식각률(etching rate)이 건식 식각법 보다 높은 레이저를 조사하여, 상기 포토 레지스트(11) 층 및 상기 유리 기판(10)의 상부면에 패턴을 형성시킨다(도 2c).
앞서 설명한 바와 같이, 유리는 고가의 쿼츠에 비해 상대적으로 저가의 재료라는 장점이 있기 때문에 기판의 재료로 사용하지만, 유리에는 금속산화물 등이 포함되어 있어 건식 식각 공정에서 식각률이 낮다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 유리 기판에 대한 식각률이 높은 레이저를 이용하여 포토 레지스트 층 뿐만 아니라 유리 기판의 상부면에도 일차적으로 패턴을 형성시키는 것이다.
이 때, 상기 레이저에 의하여 포토 레지스트 층 및 유리 기판의 상부면에 형성되는 패턴의 단면에 대해 살펴본다. 도 3은 레이저에 의하여 포토 레지스트 층 및 유리 기판의 상부면에 형성될 수 있는 패턴 단면의 예를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 레이저에 의해 포토 레지스트 층 및 그 아래의 유리 기판의 상부면에 형성된 패턴은 측면이 수직이 되지 않고 비스듬하게 기울어져 패턴 전체의 모양이 테이퍼(taper) 형상인 것을 볼 수 있다. 이것은 상기 레이저에 의하여 언제나 이러한 형상의 패턴이 생성된다는 의미는 아니며, 하나의 예일 뿐이다.
그런데, 상기 유리 기판의 상부면에 형성된 패턴의 측면이 수직이 되지 않고 비스듬한 모양이 되는 것은 바람직하지 않다. 왜냐하면, 유리 기판의 상부면에 형성되는 패턴은 폴리머 필름 등에 생성시키고자 하는 복제 패턴의 형상과 반대 형상을 가지는 금형(Mold)의 역할을 하기 때문이다. 이러한, 금형의 표면품위, 균일도, 평탄도 등은 최종적으로 폴리머 필름 등에 생성되는 복제 패턴에 큰 영향을 미친다. 따라서, 상기 유리 기판의 상부면에 생성되는 패턴은 수직에 가까운 측면을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 패턴의 측면이 비스듬한 문제는 후술할 기판의 건식 식각 공정(2-d)에서 패턴의 측면을 수직한 모양으로 만들어 해결한다.
또한, 레이저를 이용하여 포토 레지스트 층과 유리 기판의 상부면에 패턴을 형성시키는 공정(도 2c)에서, 사용되는 레이저는 엑시머 레이저(Excimer laser), 팸토초(Femto- second) 레이저 인 것이 바람직하다.
상기 엑시머 레이저는 엑시머를 이용하여 레이저를 생성하는 경우를 말한다. 여기서, 엑시머란 아르곤(Ar), 크립톤(kr), 크세논(Xe) 등의 안정된 원자 상태의 불활성 기체에 방전, 전자빔, X-선 등을 이용하여 에너지를 주어, 여기된 분자 상태로 만든 것을 의미한다. 상기한 아르곤, 크립톤, 크세논 등의 기체는 여기되면 주위에 있는 불소(F), 염소(Cl), 붕소(B) 등과 결합하여 분자상태(예를 들면 XeF, KrF, ArF 등)가 될 수 있다. 엑시머 레이저는 이러한 여기 상태의 XeF, KrF, ArF 분자가 유도방출을 일으키며 안정된 원자 상태로 돌아가는 과정에서 발생하는 레이저이다. XeF의 경우에는 351nm, KrF는 248nm, ArF는 193nm의 파장을 가진다.
또한, 펨토초 레이저는 발생되는 광펄스의 지속시간이 1000 펨토초(10-15 second) 이하인 레이저를 말한다. 이는 광섬유 레이저, 티타늄 사파이어 레이저 등을 이용하여 제작할 수 있다.
상기와 같이 포토 레지스트(11) 층과 유리 기판(10)에 1차적으로 패턴을 형성시킨 후, 상기 패턴이 형성된 포토 레지스트(11) 층을 마스크로 사용하여, 상기 유리 기판(10)에 형성된 패턴의 측면이 수직한 모양이 되도록 상기 기판(10)을 건식 식각(Dry etching)한다(도 2d).
여기서, 건식 식각은 기체상태의 화학물질이 제거하고자 하는 대상 물질과 반응하여 식각이 일어나게 하는 것이다. 건식 식각법에는 예를 들면, 화학 플라스마 에칭(Chemical plasma etching), 리액티브 이온 에칭(Reactive ion etching), 이온빔 에칭(Ion beam etching)법 등이 있다. 이중에서 주로 화학 플라스마 에칭을 사용하는데, 화학 플라즈마 에칭 방법에서는 플라스마가 기체 상태의 화학물질을 반응성이 강한 활성종(Radical)으로 만들어 반응성을 증가시킨다.
습식 식각법(wet etching)과 비교하여 건식 식각법은 미세구조에 있어 기하학적인 제한이 적어서 정밀한 가공이 가능한 장점을 가진다. 건식 식각법은 식각 속도가 느리기는 하지만, 기판의 결정 구조면에 따라 다른 속도로 식각이 되어 정 밀성을 높일 수 있는 비등방성 식각법(Anisotropic etching)이다. 이러한 건식 식각법을 이용하여 레이저에 의해 일차적으로 형성된 패턴의 측면을 수직한 모양으로 만들 수 있다.
이 경우, 건식 식각에 사용하는 공정기체는 CF4, C2F6, C3F8, CHF3, SF6등의 다양한 가스를 사용할 수 있다. 이 때, 기판이 건식 식각되는 속도는 C/F 비율이 감소할수록 즉, F원자가 C원자에 비해서 증가할수록 빨라진다. 상기 건식 식각에 사용하는 공정기체는 CF4, SF6인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 건식 식각에 의하여 기판(10)에 형성된 패턴의 모양을 살펴본다. 도 4는 기판을 건식 식각한 후 기판에 형성된 패턴의 확대 단면도이다. 도 4를 참조하면, 유리 기판의 상부면에 형성된 패턴의 측면이 수직한 모양으로 형성된 것을 볼 수 있다.
유리 기판(10)의 패턴이 수직 측면을 가지도록 유리 기판을 건식 식각한 후, 유리 기판 위의 포토 레지스트(11) 층을 상기 기판에서 제거한다(도 2e).
일반적으로 산소 플라스마 등을 사용하여 포토 레지스트를 제거하는 것을 애싱(ashing)이라 한다. 애싱 공정은 다양한 방법이 적용될 수 있으며 예를 들면, 산소 플라스마 방전을 이용하는 방법 또는 오존을 이용하는 방법에 의할 수 있다.
산소 플라스마 방전을 이용하는 방법은 산소 플라스마의 부산물인 산소 라디컬(radical)과 유기물인 포토 레지스트가 반응하여 이산화탄소로 변하고, 이 이산화탄소가 진공펌프를 통해 배출되면서 포토 레지스트를 제거하는 방법이다.
상기 오존( O3 )을 이용하는 방법은 오존의 강력한 산화작용을 이용한다. 오존은 자연계에서 불소 다음가는 강력한 산화력을 가지며 염소에 비해 7배나 되는 산화력을 가지고 있는 물질이다. 이러한 오존은 열을 가하면 산소분자와 산소원자로 분해되고, 분해된 산소원자가 포토 레지스트와 반응하여 이산화탄소나 물과 같은 휘발성 있는 물질로 변하여 포토 레지스트를 제거하는 방법이다. 오존을 이용하는 방법은 산소 플라스마 방전을 이용하는 방법과 달리 상압 중의 반응이기 때문에, 진공을 필요로 하지 않기 때문에 경제적인 측면에서 우수한 방법이다.
이상과 같은 과정에 의해 임프린트용 스탬프를 제작할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형, 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 임프린트용 스탬프 제조 방법에 의하면, 고가의 쿼츠(quartz) 대신 유리를 기판으로 사용함으로써, 스탬프의 제조 비용을 줄일 수 있다. 또한, 유리 기판에 건식 식각법 만을 사용하여 패턴을 형성하는 것보다 빠르게 패턴을 형성할 수 있어, 스탬프의 제조 공정 시간을 줄일 수 있다.
Claims (5)
- 유리 기판의 상부면에 포토 레지스트 층을 형성하는 단계;상기 형성된 포토 레지스트 층 위에서 상기 유리 기판에 대한 식각률이 건식 식각법 보다 높은 레이저를 조사하여, 상기 레이저에 의해 상기 포토 레지스트 층 및 상기 유리 기판의 상부면에 동일한 패턴을 형성하는 단계;상기 패턴이 형성된 포토 레지스트 층을 마스크로 사용하여, 상기 유리 기판에 형성된 패턴의 측면이 수직한 모양이 되도록 상기 유리 기판을 건식 식각(etching)하는 단계; 및상기 포토 레지스트 층을 상기 기판에서 제거하는 단계를 포함하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저는 엑시머 레이저, 팸토초 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 유리 기판을 건식 식각하는 단계는, CF4 , SF6 가스 중 어느 하나를 이용하여 건식 식각하는 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 유리 기판의 상부면에 포토 레지스트 층을 형성하는 단계는스핀 코팅법, 화학 증착법, 물리적 증착법 중 어느 하나의 방법에 의하여 포 토 레지스트 층을 형성하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 포토 레지스트 층을 제거하는 단계는산소(O2) 플라즈마 가스에 의해 포토 레지스트 층을 제거하는 단계를 포함하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
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