KR101419523B1 - 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 있어서, 기판 상층에 희생층을 형성하는 제1단계와, 상기 희생층 상층에 도금을 위한 시드층을 형성하는 제2단계와, 전기 도금을 통하여 상기 시드층 상에 금속 필름을 형성하는 제3단계와, 상기 금속 필름 상층에 감광성 수지층을 형성한 후 노광 패터닝 및 현상 공정을 거쳐 상기 금속 필름 상층에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴을 형성하는 제4단계 및 상기 희생층을 제거하여 상기 기판으로부터 나노패턴이 형성된 금속 필름을 분리시키는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 공정의 단순화로 공정 비용 및 공정 시간을 절감시키면서 100nm 이하의 미세한 나노패턴을 균일하게 형성시킬 수 있으며, 간단하게 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법{A Manufacturing Method of Metal Film with Nano Pattern}
본 발명은 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 희생층과 도금 방식을 통한 금속 필름을 형성시킨 후 금속 필름 상에 나노패턴을 형성시키는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 그라파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그라핀 시트(graphine sheet)가 적층되어 있는 구조인데, 최근 그라파이트로부터 한층 또는 수층의 그라핀 시트를 벗겨 내어, 상기 그라핀 시트의 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.
가장 주목할 특징으로는 그라핀 시트에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다.
상기 그라핀 시트는 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다. 또한, 현재까지 알려진 상기 그라핀 시트의 전자 이동도는 약 20,000~50,000cm2/Vs의 높은 값을 가진다고 알려져 있다.
이러한 그라핀 시트를 제조하기 위하여 그라핀 시트 패터닝 내지는 그라핀 시트 전사 등의 방법이 활용되고 있으며, 그라핀 시트의 제작 및 활용을 위해서 나노 패턴된 금속 필름이 유용하게 사용되고 있다.
그러나, 금속 필름의 경우 강도가 약하여 공정 중에 손상이 빈번하게 발생하고 필름의 높이를 일정하게 맞추기 어려워 균일한 패턴의 형성이 어려운 문제점이 있다.
또한, 생명 공학 및 의료공학의 활발한 연구와 더불어 초소형 시스템을 제작할 수 있는 멤스(Micro Electro Mechanical System, MEMS)에 대해서도 관심이 증대하고 있다.
특히, 폴리머(polymer)를 기반으로 한 연구가 많은 관심을 불러오고 있다. 폴리머는 우수한 광학적 특성을 가지고 있기 때문에, 형광 물질의 검출에 적합하다. 그리고, DNA Chip이나 광학 렌즈와 같은 광학 부품 제작에 응용될 수 있다. 또한, 생체친화적인 특성과 표면처리를 통하여 친수성 또는 소수성의 표면으로 개질할 수가 있어 미세분석시스템(Micro Total Analysis System, M-TAS)과 LOC에 폭 넓게 응용될 수 있다. 또한, 생산 단가가 저렴하고 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 LOC의 핵심 기술은 마이크로 유체 제어 기술이며 이를 실현하기 위한 폴리머 기반의 마이크로 유체 시스템(Micro Fluidic System) 제작이 중요 기술로 여기고 있다. 이와 같은 마이크로 크기의 채널을 제작하기 위해서는 사출 성형을 위한 금속 몰드(금형)의 제작이 필요하다.
한편, 센서, 배터리, 수퍼커패시터 등 다양한 분야에서는 마이크로/나노 크기의 패턴을 전극 등에 형성하여 성능을 높이고 있다.
이와 같이 금속 필름 특히 나노 패턴을 가지는 금속 필름은 재료, 전기, 전자 분야뿐만 아니라, 생명 공학 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 활발한 연구가 진행되고 있다.
가장 손쉽게 이용할 수 있는 방법은 나노/마이크로 입자를 기판에 코팅하고, 소결과정을 거쳐 사용하는 것이다. 이는 낮은 생산 비용으로 대량 양산이 가능하기 때문에 많이 사용하고 있는 방법이다.
하지만, 상술한 방법으로는 원하는 형태의 패턴을 형성하기 어렵고, 소결 공정의 온도와 압력을 견뎌야 하는 제약이 존재하기 때문에 제품 설계 과정에서 이러한 변수를 고려해야 한다. 또한, 입자의 분산도를 조절하지 못하면 표면적을 늘리는 효과가 반감되기 때문에 이러한 변수를 조절하는 것이 나노 입자를 이용한 표면적 증가에 매우 중요한 요소가 되고 있다.
특히, 패턴의 주기, 크기 밀도에 따라 다양한 특성을 나타내는데, 이러한 특성을 이용하기 위해서는 패턴을 원하는 위치에 형성해야 한다. 하지만 나노 입자를 원하는 곳에 패터닝 하는 것은 비용 및 시간의 비효율성으로 인해 이용하기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라 다양한 수단의 패터닝 방법을 개발하여 산업적으로 이용하고 있는데, 대중적으로 사용하는 포토리소그래피 뿐만 아니라 나노 임프린트 리소그래피, 롤투롤 임프린트 리소그래피 등 다양한 방법이 개발되고 있다.
하지만, 포토리소그래피는 필름 형태의 기판을 사용하기 어려운 문제점이 있으며, 임프린트 리소그래피의 경우 스탬프 제작 문제 등 해결해야 할 과제가 남아있다.
이와 관련된 종래의 기술로, 한국특허공개 제2011-0048395호에는 복제된 원판 클리체를 기반으로 복제 클리체의 반복적인 제작을 하는 액정표시장치용 클리체 및 그 제조방법, 이를 이용한 복제용 마스터몰드 및 복제 클리체의 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 기술은 패턴이 형성된 기판을 복제할 때, Seed-layer 제거 공정이 반드시 포함되어야 하므로, 공정이 복잡한 단점이 있다.
또한, 한국특허공개 제2009-0059641호에는 포토리소그래피 및 니켈 도금을 통해 임프린트용 스탬프를 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 니켈 스탬프를 제작하기 위해, 여러 번의 시드층(seed-layer) 증착 및 제거 공정이 필요한 단점이 있다.
이와 같이, 나노패턴이 형성된 필름은 기존 산업의 틀을 유지한 상태로 다양하게 응용될 수 있다. 하지만 이러한 필름을 제작하기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 하거나, 생산성이 낮아 아직은 활용하기 어려운 방법이 대부분이다.
또한, 종래의 이러한 도금 방식을 통한 금속 몰드의 제작은 나노 패턴에 균일한 시드층 형성이 어렵기 때문에 미세 패턴의 경우 제작이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 희생층을 형성하고, 도금 방식을 통한 금속 필름을 형성시킨 후 금속 필름 상에 나노패턴을 형성시키는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 있어서, 기판 상층에 희생층을 형성하는 제1단계와, 상기 희생층 상층에 도금을 위한 시드층을 형성하는 제2단계와, 전기 도금을 통하여 상기 시드층 상에 금속 필름을 형성하는 제3단계와, 상기 금속 필름 상층에 감광성 수지층을 형성한 후 노광 패터닝 및 현상 공정을 거쳐 상기 금속 필름 상층에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴을 형성하는 제4단계 및 상기 희생층을 제거하여 상기 기판으로부터 나노패턴이 형성된 금속 필름을 분리시키는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 제3단계에서 형성되는 금속 필름의 두께를 10~10000㎛로 하여 금속 필름의 유연성을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제4단계 이후에, 감광성 수지로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름 상층에 금속층을 증착하고, 상기 감광성 수지층을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름을 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제4단계 이후에, 감광성 수지로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름 상층에 전기 도금을 통하여 금속층을 형성하고, 상기 감광성 수지층을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름을 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제4단계 이후에, 감광성 수지로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름에 건식 식각 공정을 실시하고, 상기 감광성 수지층을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름을 제조하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 제5단계의 희생층의 제거는, 용매를 이용하여 상기 희생층을 용해시킴으로써 제거하는 것이 더욱 바람직하며, 상기 용매는, 물(H2O), KOH, NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH 및 H2O2 중 하나 이상 또는 EKC800(N-Methylpyrrolidone), 현상액(TMAH 계열 용매), Acetone, ZDMAC(N,N-Dimethylacetamide)와 같은 유기용매 중 어느 하나를 포함하며, 디핑(Dipping) 또는 초음파 sonication을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1단계의 희생층은 레진 또는 금속으로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 희생층이 레진인 경우, PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PVA(Polyvinyl Alcohol), PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, SOG(Spin On Glass), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Urethane, Thiophene Polymer, PPV(Polyphenylene Vinylene), Polyether 및 Polyimide 계열의 고분자 재료 중 어느 하나의 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 상기 희생층이 금속인 경우, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Ag, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Li 및 Zr으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 희생층 형성 및 도금 공정 그리고 노광 패터닝 공정을 이용함으로써, 공정의 단순화로 공정 비용 및 공정 시간을 절감시키면서 간단하게 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 희생층을 금속으로 형성하는 경우에는 도금 공정을 위한 시드층 형성 공정이 필요없으며, 이에 따른 시드층 제거 공정 또한 필요하지 않게 되어 공정이 더욱 간단해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 공정에 의하면, 나노패턴을 형성하기 전에 시드층을 형성함으로써 시드층을 균일하게 형성할 수 있어 균일한 나노패턴을 제공할 수 있으며, 이에 의해 금속 필름 상에 100nm 이하의 미세 나노패턴도 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노패턴을 가지는 금속 필름은 다양한 분야에서 패턴 형성을 위한 몰드로 사용할 수 있으며, 특히, 기판을 제거하게 되면 플렉시블한 금속 필름을 제공하게 되어, 롤투롤 공정의 스탬프로도 사용할 수 있고, 플렉시블한 전자 소자의 전극으로의 사용도 가능한 효과가 있다.
특히, 본 발명은 그라핀 시트의 패터닝 형성, 생명 공학이나 의료 공학에서의 MEMS, 전기센서, 배터리, 수퍼커패시터 등 다양한 분야에서의 전극 등에 사용할 수 있으며, 나노패턴이 형성됨에 따라 성능이 증가하는 다양한 소자에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1 - 본 발명에 따른 나노패턴을 가지는 금속 필름 제조방법에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명의 제1실시예에 따라 제작된 나노패턴을 가지는 금속 필름에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 도.
도 3 - 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 나노패턴을 가지는 금속 필름에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 나노패턴을 가지는 금속 필름(Ni필름)을 기판으로부터 분리한 상태를 나타낸 도.
본 발명은 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 희생층과 도금 방식을 통한 금속 필름을 형성시킨 후 금속 필름 상에 나노패턴을 형성시키는 방법으로 나노패턴을 가지는 금속 필름을 얻는 것이다.
또한, 상기 희생층을 제거하여 기판으로부터 나노패턴이 형성된 금속 필름을 용이하게 분리하여 나노패턴을 가지면서 플렉시블한 특성을 갖는 금속 필름을 얻는 것이다.
특히, 금속 필름 상층에 나노패턴이 감광성 수지로 이루어진 경우, 또는 금속 필름 상층에 금속 필름과 동일 또는 이종의 금속층을 형성한 후 상기 금속층에 나노패턴을 형성하여 나노패턴이 금속으로 이루어진 경우 등 다양한 방법으로 수지 또는 금속으로 이루어진 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제공하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법에 대한 모식도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법은, 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 있어서, 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 있어서, 기판(100) 상층에 희생층(200)을 형성하는 제1단계와, 상기 희생층(200) 상층에 도금을 위한 시드층(300)을 형성하는 제2단계와, 전기 도금을 통하여 상기 시드층(300) 상에 금속 필름(400)을 형성하는 제3단계와, 상기 금속 필름 상층에 감광성 수지층(500)을 형성한 후 노광 패터닝 및 현상 공정을 거쳐 상기 금속 필름(400) 상층에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)을 형성하는 제4단계 및 상기 희생층(200)을 제거하여 상기 기판(100)으로부터 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)을 분리시키는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법으로 크게 이루어진다.
먼저, 제1단계는 기판(100) 상층에 희생층(200)을 형성하는 것이다.
상기 기판(100)은 어떠한 종류의 금속, 비금속 재질이어도 상관없으며, 플렉시블한 재질도 무방하다.
그리고, 상기 희생층(200)은 상기 기판(100) 상층에 스핀 코팅, 딥 코팅, 블레이드 코팅 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 레진 또는 금속으로 형성된다.
상기 희생층(200)이 레진인 경우는 PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PVA(Polyvinyl Alcohol), PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, SOG(Spin On Glass), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Urethane, Thiophene Polymer, PPV(Polyphenylene Vinylene), Polyether 중 어느 하나의 재료 또는 Polyimide 계열의 고분자 재료를 사용한다.
여기에서, 상기 희생층(200)은 상기 기판(100)으로부터 시드층(300)의 분리가 용이하도록 희생층(200)을 용해시키고자 하는 용매에 잘 녹는 재료를 사용한다.
또한, 상기 희생층(200)이 금속인 경우에는, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Ag, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Li 및 Zr으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 선택하여 사용한다.
여기에서, 상기 희생층(200)은 전기 도금되는 금속 필름(400)과 다른 금속 재료를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 희생층(200)을 금속 필름(400)과 동일한 금속 재료를 사용하는 경우에는 금속 필름(400)을 기판(100)으로부터 분리하는 것이 용이하지 않기 때문이다.
그리고, 상기 희생층(200)을 금속 필름(400)과 다른 금속 재료를 사용하여 형성하는 경우에는, 상기 희생층(200)이 금속으로 형성되었기 때문에 경우에 따라서는 시드층(300)의 역할을 할 수 있으므로, 시드층(300)의 증착 공정을 생략할 수도 있다.
다음으로, 상기 제2단계는, 상기 희생층(200) 상층에 도금을 위한 시드층(300)을 형성하는 것이다.
상기 시드층(300)은 기판(100)으로부터 분리되면 나노패턴(600)을 가지는 금속 필름(400)의 바닥면이 되므로, 절연체, 금속, 고분자 등 원하는 물질을 단층, 혹은 다층으로 증착하여 공정을 진행할 수 있다.
즉, 상기 시드층(300)을 단층으로 형성하는 경우에는 도금 공정을 위해 금속으로 형성하여야 하나, 다층으로 형성하는 경우에는 도금되는 상부 영역에만 금속으로 형성되면 되므로, 예를 들어, 금속/절연체 또는 고분자/금속과 같은 구조를 형성하여 필요에 의해 커패시터로 사용할 수 있도록 한다.
이와 같이 나노패턴(600)을 형성하기 전에 시드층(300)을 형성함으로써 종래의 나노패턴(600) 상에 시드층(300)을 형성시킬 때, 패턴이 미세할수록 시드층(300)의 형성이 불균일해져 나노패턴(600)의 형성이 제대로 되지 않았으나, 본 발명의 경우는 희생층(200) 상층에 바로 시드층(300)을 형성하여 이러한 문제점을 해결한 것이다.
한편, 상기 시드층(300)이 금속인 경우에는 금속 타겟을 이용한 스퍼터링(Sputtering), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 전자 빔 증착법(Electron Beam Evaporator), 분자 빔 결정법 (Molecular Beam Epitaxy), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)이나, 졸-겔법(Sol-Gel method) 중 어느 하나의 방법에 의해 형성한다.
즉, 사용하고자 하는 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)의 용도나 목적에 따라 시드층(300)의 재료를 선택하여 형성함으로써, 따로 시드층(300)을 제거하지 않아도 되며, 또한, 시드층(300)이 금속 필름(400)의 바닥면이기 때문에 시드층(300)의 제거가 필수적이지는 않다. 또한, 시드층(300)이 금속 필름(400)의 재료와 동일하다면 시드층(300)을 제거하지 않아도 되므로 공정이 단순화된다.
다음으로, 상기 제3단계는, 전기 도금을 통하여 상기 시드층(300) 상에 금속 필름(400)을 형성하는 것이다. 여기에서 도금 공정은 종래의 전해 도금의 방법에 의한다.
도금되는 금속은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Ag, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Li 및 Zr으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용하여 단층 또는 다층의 금속 필름(400)을 형성한다.
또한, 상기 금속 필름의 두께를 10~10000㎛로 하여 금속 필름의 유연성을 조절할 수 있도록 한다. 즉, 두께가 두꺼울수록 금속 필름의 유연성이 떨어지게 되며, 얇을수록 금속 필름의 유연성은 높아지게 된다.
이 경우 상기 전기 도금을 진행할 때, 전압의 방향, 전류의 On/Off 주기, 시간 및 전류량 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조건을 변경하면서 이루어지도록 하여, 금속 필름(400)의 증착 속도, 밀도, 두께, 물질 구조 등의 특성을 제어할 수 있도록 한다.
다음으로, 상기 제4단계는 상기 금속 필름(400) 상층에 감광성 수지층(500)을 형성한 후, 노광 패터닝 및 현상 공정을 거쳐 상기 금속 필름(400) 상층에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)을 형성하는 것이다.
즉, 패턴이 형성된 마스크를 상기 감광성 수지층(500) 상에 위치시켜 노광 패터닝 및 현상 공정을 거쳐 경화되지 않은 감광성 수지를 제거하여 금속 필름(400) 상층에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)을 형성하는 것이다.
여기에서, 상기 감광성 수지층(500)은, 가교성 모노머, 아크릴산 에스테르 모노머, 방향족 비닐계 모노머, 수산기를 갖는 불포화 모노머, 산기를 갖는 불포화 모노머, 중합 연쇄 이동제, 산화 안정제 또는 중합 개시제 중 어느 하나 이상을 포함하는 재료를 사용한다.
또한, 상기 노광 패터닝은 자외선 또는 전자빔 노광 공정에 의해 이루어지며, 자외선 노광인 경우 자외선 도즈(Dose)를 20mJ/cm2~500mJ/cm2 정도의 노광량으로 조사하여 감광성 수지층(500)을 경화시킨 후 현상하여 경화되지 않은 감광성 수지층(500)을 제거하게 되면 상기 감광성 수지층(500)에 나노패턴(600)이 형성되는 것이다.
또한, 전자빔 노광 공정인 경우 전자빔 리소그래피 장치를 이용하여 10~10000μC/cm2 정도의 에너지량으로 선택적으로 조사하여 감광성 수지층(500)을 경화(negative인 경우) 또는 분해(positive인 경우)시킨 후 현상을 통해 감광성 수지층(500)에 나노패턴(600)을 형성한다.
상기 나노패턴(600)의 음각 또는 양각 패턴에 따라 네거티브(negative) 또는 파지티브(positive) 감광성 수지를 사용한다. 본 발명의 일실시예로는 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 상기 금속 필름(400) 상에서 돌출되게 형성된 즉, 나노패턴(600)만 양각으로 보이도록 형성한 것이다. 이를 도 1(a)에 도시하였다.
이와 같이, 상기 기판(100) 상에 희생층(200)을 형성하고, 그 상층에 시드층(300) 및 금속 필름(400)을 형성한 후, 감광성 수지층(500)을 형성하여 패터닝 공정을 거쳐 금속 필름(400) 상에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)을 가지도록 하였으며, 필요에 의해 희생층(200)을 금속으로 형성한 경우에는 시드층(300)의 증착을 생략할 수도 있다. 또한, 시드층(300)이 금속 필름(400)과 동일한 재료로 형성된 경우에는 추후 시드층(300)의 제거 공정이 필요할 시, 시드층의 제거 공정을 생략할 수 있다.
이러한 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)을 가지는 금속 필름(400)은 그 자체로 나노패터닝을 위한 몰드로 사용될 수 있으며, 상기 희생층(200)의 제거를 통해 기판(100)으로부터 분리하여 플렉시블한 금속 필름(400)을 제공하여 롤투롤 공정의 스탬프로도 응용이 가능하게 된다.
이와 같이 스탬프나 몰드로 사용하는 경우에는 상술한 바와 같이 금속 필름의 두께를 조절하는 등 유연성을 조절하여 사용할 수 있으며, 특히, 그라핀 시트의 패터닝 형성시에도 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 상기 제4단계 이후에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400) 상층에 금속층(700)을 증착하고, 상기 감광성 수지층(500)을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)을 제조할 수 있다.
상세하게는, 상기 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400) 상층에 금속층(700)을 증착하게 되며, 상기 금속층(700)은 상기 시드층(300)의 증착 방법과 동일한 방법으로 형성한다. 즉, 감광성 수지층(500)이 형성된 상태에서 증착되므로 저온 증착 분위기에서, 스퍼터링(Sputtering), 전자 빔 증착법(Electron Beam Evaporator), 분자 빔 결정법 (Molecular Beam Epitaxy), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)이나, 졸-겔법(Sol-Gel method) 등으로 형성한다.
상기의 일실시예에서 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 양각의 형태를 가지게 되므로, 상기 나노패턴(600) 주변부 및 나노패턴(600) 사이로 상기 금속층(700)이 증착된 후, 상기 감광성 수지층(500)을 화학적으로 용해시켜 제거하게 되면, 상기 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)에 대응하여 음각으로 상기 금속층(700)에 나노패턴(600)이 형성되게 된다(Lift-Off 공정).
따라서, 금속 필름(400) 상층에 금속으로 이루어진 나노패턴(600)이 형성되게 된다. 여기에서, 상기 금속층(700)은 금속 필름(400)과 동일한 재료의 금속으로 형성되는 것이 바람직하나, 필요에 의해 이종 금속 재료로 다층으로 형성하여도 무방하다.
또한, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 상기 제4단계 이후에, 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400) 상층에 전기 도금을 통하여 상기 시드층(300)으로부터 금속층(700)을 형성하고, 상기 감광성 수지층(500)을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)을 제조할 수 있다.
상기의 일실시예에서 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 양각의 형태를 가지게 되므로, 상기 나노패턴(600) 주변부 및 나노패턴(600) 사이로 상기 금속층(700)이 전기 도금되어 두껍게 형성된 후, 상기 감광성 수지층(500)을 화학적으로 용해시켜 제거하게 되면, 상기 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)에 대응하여 음각으로 상기 금속층(700)에 나노패턴(600)이 형성되게 된다.
따라서, 금속 필름(400) 상층에 금속으로 이루어진 나노패턴(600)이 형성되게 된다. 여기에서, 상기 금속층(700)은 금속 필름(400)과 동일한 재료의 금속으로 형성되는 것이 바람직하나, 필요에 의해 이종 금속 재료로 다층으로 형성하여도 무방하다.
또한, 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 상기 제4단계 이후에, 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)에 건식 식각 공정을 실시하고, 상기 감광성 수지층(500)을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)을 제조할 수 있다.
즉, 상기 감광성 수지로 이루어진 나노패턴(600)을 마스크로 하여 건식 식각 공정을 수행하여 상기 나노패턴(600)에 대응되게 금속 필름(400) 상에 나노패턴(600)을 형성하는 것이다.
이 경우엔 상기에서처럼 별도의 금속층(700)을 증착이나 도금 공정 후 건식 식각 공정을 수행하여도 되지만, 금속층(700)을 증착하지 않고 바로 건식 식각 공정을 수행하여도 무방하다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 금속 필름(400)은 감광성 수지, 금속 등 여러 가지 재료의 나노패턴(600)을 가지는 것으로서, 리프트 오프 공정, 전기 도금, 건식 식각 등 다양한 방법을 이용하여 금속으로 이루어진 나노패턴(600)을 가지는 금속 필름(400)을 제공하게 된다.
그리고, 제5단계로, 본 발명에 따른 나노패턴(600)을 가지는 금속 필름(400)을 기판(100)으로부터 분리하여 금속 필름(400) 자체만 이용할 수 있으며, 이는 상기 희생층(200)을 제거하는 공정에 의해 구현될 수 있다. 여기에서, 기판(100)으로부터 분리된 나노패턴(600)을 가지는 금속 필름(400)은 시드층(300)을 포함하고 있을 수도 있다. 상기 희생층 제거 공정 후 필요에 의해 시드층(300)을 제거할 수도 있으며, 시드층(300) 제거공정이 필요하지 않도록 시드층(300)을 금속 필름(400)과 같은 재료로 형성할 수도 있다.
상기 희생층(200)의 제거를 위한 공정은 용매를 이용하여 상기 희생층(200)을 용해시킴으로써, 상기 기판(100)으로부터 나노패턴(600)이 형성된 금속 필름(400)을 분리시키게 되는데, 상기 용매는 희생층(200)을 용해시키고, 금속 필름(400) 및 나노패턴(600)을 손상시키지 않는 것을 적절하게 선택하여 사용한다.
구체적으로는, 상기 용매는, 물(H2O), KOH, NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH 및 H2O2 중 하나 이상 또는 EKC800(N-Methylpyrrolidone), 현상액(TMAH 계열 용매), Acetone, ZDMAC(N,N-Dimethylacetamide)와 같은 유기용매 중 어느 하나를 포함하며, 디핑(Dipping) 또는 초음파 sonication을 이용한다.
특히, 희생층(200)을 Mo나 Al 등과 같은 금속으로 형성한 경우에는 EKC800(N-Methylpyrrolidone) 또는 현상액(TMAH 계열 용매)과 같은 유기용매에 의해 쉽게 제거되므로, 금속 필름(400)에 손상을 주지 않으면서 기판(100)과 금속 필름(400)을 용이하기 분리할 수 있다.
이와 같이 상기 희생층(200)의 제거에 의한 기판(100)으로부터 분리된 나노패턴(600)을 가지는 금속 필름(400)은 플렉시블하게 형성되어 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 설명하고자 한다.
<제1실시예 - 20nm급 감광성 수지로 이루어진 나노패턴을 가지는 금속 필름>
먼저, 기판으로 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 희생층으로는 Mo 금속을 전자 빔 증착법으로 두께 200nm로 증착한다. 이 경우 희생층을 금속으로 형성하였으므로, 시드층의 형성은 생략한다.
그리고, 금속 필름을 Cu/Ni 도금 장치를 이용하여 Ni 금속으로 10㎛ 형성한 후, 그 상층에 감광성 수지층으로 ZEP-520A를 사용하여 150nm로 형성한다. 그리고, 전자빔리소그래피 장치를 이용하여 250μC/cm2 정도의 에너지량으로 선택적으로 조사하여 감광성 수지층의 구조를 변화시킨 후, ZED-N50 현상액으로 90초 정도 현상하였다.
이에 의해 감광성 수지로 이루어진 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하였으며, 상기 희생층을 제거하여 기판으로부터 금속 필름을 분리하여 최종적으로 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하였다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따라 제작된 나노패턴을 가지는 금속 필름에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 것으로, 20nm 싸이즈의 나노패턴이 균일하고 일정한 간격으로 형성된 금속 필름을 제작할 수 있음을 확인할 수 있었다.
<제2실시예 - 20nm급 금속으로 이루어진 나노패턴을 가지는 금속 필름>
먼저, 기판으로 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 희생층으로는 Mo 금속을 전자 빔 증착법으로 두께 200nm로 증착한다. 이 경우 희생층을 금속으로 형성하였으므로, 시드층의 형성은 생략한다.
그리고, 감광성 수지층으로 ma-N2401 100nm로 형성하여 전자빔 리소그래피 장치를 이용하여 250μC/cm2 정도의 에너지량으로 선택적으로 조사하여 감광성 수지층을 경화시킨 후 TMAH 2.38% 현상액으로 30초 현상을 통해 나노패턴을 형성하고 그 후 전해 도금을 다시 실시한 후, Acetone으로 감광성 수지층을 제거하였다.
이에 금속으로 이루어진 나노 패턴을 가지는 금속 필름을 제조하였으며, 상기 희생층을 EKC800으로 제거하여 기판으로부터 금속 필름을 분리하여 최종적으로 금속 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하였다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 나노패턴을 가지는 금속 필름에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 것으로, 20nm 싸이즈의 나노패턴이 균일하고 일정한 간격으로 형성된 금속 필름을 제작할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 나노패턴을 가지는 금속 필름(Ni필름)을 기판으로부터 분리한 상태를 나타낸 것으로, 플렉시블하며 유연성을 가지는 금속 필름도 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이러한 다양한 재료의 나노패턴을 가지는 금속 필름은 그라핀 시트의 패터닝 형성, 생명 공학이나 의료 공학에서의 MEMS, 전기센서, 베터리, 수퍼커패시터 등 다양한 분야에서의 전극 등에 사용할 수 있으며, 나노패턴을 가지는 금속 필름에 의해 그 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 일반적인 반도체 공정을 이용하며, 공정의 단순화로 공정 비용 및 공정 시간의 절감이 가능하며, 나노/마이크로 패턴이 필요한 다양한 분야에 응용 가능성이 있다.
100 : 기판 200 : 희생층
300 : 시드층 400 : 금속 필름
500 : 감광성 수지층 600 : 나노패턴
700 : 금속층

Claims (10)

  1. 나노패턴을 가지는 금속 필름을 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상층에 희생층을 형성하는 제1단계;
    상기 희생층 상층에 도금을 위한 시드층을 형성하는 제2단계;
    전기 도금을 통하여 상기 시드층 상에 금속 필름을 형성하는 제3단계;
    상기 금속 필름 상층에 감광성 수지층을 형성한 후 노광 패터닝 및 현상 공정을 거쳐 상기 금속 필름 상층에 감광성 수지로 이루어진 나노패턴을 형성하는 제4단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 상기 기판으로부터 나노패턴이 형성된 금속 필름을 분리시키는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제3단계에서 형성되는 금속 필름의 두께를 10~10000㎛로 하여 금속 필름의 유연성을 조절하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제4단계 이후에,
    감광성 수지로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름 상층에 금속층을 증착하고, 상기 감광성 수지층을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제4단계 이후에,
    감광성 수지로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름 상층에 전기 도금을 통하여 금속층을 형성하고, 상기 감광성 수지층을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제4단계 이후에,
    감광성 수지로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름에 건식 식각 공정을 실시하고, 상기 감광성 수지층을 제거하여 금속으로 이루어진 나노패턴이 형성된 금속 필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제5단계의 희생층의 제거는,
    용매를 이용하여 상기 희생층을 용해시킴으로써 제거하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 용매는, 물(H2O), KOH, NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH 및 H2O2 중 하나 이상 또는 EKC800(N-Methylpyrrolidone), 현상액(TMAH 계열 용매), Acetone, ZDMAC(N,N-Dimethylacetamide)와 같은 유기용매 중 어느 하나를 포함하며, 디핑(Dipping) 또는 초음파 sonication을 이용하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계의 희생층은 레진 또는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 희생층을 레진으로 형성한 경우, PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), PVA(Polyvinyl Alcohol), PVC(Polyvinyl Chloride), Neoprene, PBMA(Poly Benzyl Meta Acrylate), PolyStylene, SOG(Spin On Glass), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVFM(Poly Vinyl formal), Parylene, Polyester, Epoxy, Urethane, Thiophene Polymer, PPV(Polyphenylene Vinylene), Polyether 및 Polyimide 계열의 고분자 재료 중 어느 하나의 재료를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 희생층을 금속으로 형성한 경우, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Ag, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Li 및 Zr으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노패턴을 가지는 금속 필름의 제조방법.
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