KR101885174B1 - 플라즈모닉 메타표면 제작방법 - Google Patents

플라즈모닉 메타표면 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적 제작 및 롤 스탬프를 이용한 연속 공정이 가능한 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 일면에 일면에 나노 구조체를 가지는 스탬프를 준비하고, 상기 일면에 이방성 진공 증착으로 마스크층을 형성하는 마스크층 형성단계; 기판 위에 금속막을 형성하는 금속막 형성단계; 상기 마스크층 중 상기 나노 구조체 위에 위치하는 마스크층을 상기 금속막 위로 전사하는 마스크층 전사단계; 그리고 상기 금속막 중 상기 마스크층으로 덮이지 않은 영역을 제 1 식각 가스로 건식 식각하여 상기 금속막을 금속패턴으로 패터닝 하는 금속막 패터닝단계;를 포함하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공한다.

Description

플라즈모닉 메타표면 제작방법{Manufacturing method of plasmonic meta-surface}
본 발명은 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대면적 제작 및 롤 스탬프를 이용한 연속 공정이 가능하며, 컬러필터로 구현이 가능한 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것이다.
플라즈모닉 메타표면은 외부 광으로부터 특정 파장 만을 선택적으로 흡수하거나 투과함으로써 색깔을 나타내는 광학적 장치이다. 메타표면은 나노스케일 구조체의 규칙적인 반복으로 구성되며 일반적으로 금속과 유전 물질의 반복적인 적층으로 구성된다. 즉, 두께 방향으로는 금속, 유전물질이 교대로 적층 되어있고, 면방향으로 십자, 마름모, 원형 등의 다각형의 단면을 가지는 나노 홀 또는 나노 기둥의 주기적인 배열로 이루어진다. 나노 구조체가 이와 같이 배열되어 있을 경우 구조체의 특성에 따라 플라즈모닉 공진 현상을 일으키는 흡수 또는 투과 파장의 위치가 달라지게 된다. 구조체의 특성이란 수직 방향으로는 각 구성층의 종류, 두께, 적층수 또는 이들의 조합 등이며, 수평방향으로는 구조체의 주기, 나노 홀 및 나노 기둥의 지름, 배열 방법 등이며, 특히 주기에 따라 플라즈모닉 스펙트럼 피크의 범위가 결정된다. 즉, 플라즈모닉 현상에 의한 흡수 및 투과 파장이 구조체의 주기에 의해 결정되며, 가시광 영역에서 플라즈모닉 공진 현상을 일으키는 나노 구조체의 주기는 약 200-800nm이다.
종래의 플라즈모닉 메타표면 제작은 이빔 공정, 노광 공정, 나노 임프린트 공정 등을 통한 일반적인 패터닝 공정이 사용되었다. 이빔 공정과 노광 공정은 고가이거나 선폭을 줄이는데 한계가 있고 나노 임프린트 공정은 다음과 같은 기술적 난제를 갖고 있다.
기존 나노 임프린트 공정은 유기물이나 유-무기 복합소재를 기판에 도포한 후 나노 구조체가 있는 스탬프로 가압한 후 경화시키는 공정으로 수십 나노 급 패터닝이 가능하나, 가압공정의 특성상 대면적 공정과 롤 연속공정에 있어 잔여층 제어가 어려워 기판 상 나노박막에 대한 식각 공정이 매우 어렵다.
도 12는 나노 임프린트 공정을 이용한 종래 플라즈모닉 메타표면의 제작방법을 나타낸 개략도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 나노 임프린트 기술은 금속막(310) 위에 유기물 또는 유-무기 복합물질로 이루어진 마스크층(345)을 형성하고, 나노 구조체(320)가 형성된 스탬프(330)로 상기 마스크층(345)을 가압한 후 경화시켜 식각 마스크(340)로 패터닝하고, 상기 금속막(310)을 건식 식각하여 일정한 주기로 형성되는 금속패턴(315)으로 패터닝하는 단계들을 포함한다.
예를 들어, 기판(350)이 대형화될수록 상기 기판(350)의 표면 불균일(평탄도 저하)에 의한 상기 식각마스크(340)의 잔여층(346)이 생길 수 있으며, 이는 상기 금속패턴(315) 패턴 불량을 야기하는 문제점을 가지고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1638981호(발명의 명칭: 3차원 플라즈모닉 나노 구조체 및 그 제조방법, 공고일: 2016년 7월 6일)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 대면적 제작 및 롤 스탬프를 이용한 연속 공정이 가능한 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일면에 나노 구조체를 가지는 스탬프를 준비하고, 상기 일면에 이방성 진공 증착으로 마스크층을 형성하는 마스크층 형성단계; 기판 위에 금속막을 형성하는 금속막 형성단계; 상기 마스크층 중 상기 나노 구조체 위에 위치하는 마스크층을 상기 금속막 위로 전사하는 마스크층 전사단계; 그리고 상기 금속막 중 상기 마스크층으로 덮이지 않은 영역을 제 1 식각 가스로 건식 식각하여 상기 금속막을 금속패턴으로 패터닝 하는 금속막 패터닝단계;를 포함하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공한다.
상기 나노 구조체의 주기는 200nm 내지 800nm의 범위를 가질 수 있다.
상기 마스크층은 실리콘질화물, 폴리실리콘, 실리콘산화물, 알루미늄, 구리, 금, 텅스텐, 티타늄, 티타늄-텅스텐, 알루미늄산화물 및 유기물 중 어느 하나의 물질로 구성된 단일막 또는 상술된 물질의 적층막으로 형성될 수 있다.
상기 금속막 위에 접착 프라이머를 포함하는 접착층을 형성하는 접착층 형성단계를 더 포함하며, 상기 마스크층은 상기 접착층의 위에 전사될 수 있다.
상기 금속막 위에 상기 금속막 및 상기 마스크층과 다른 종류의 금속으로 구성되는 하드 마스크층을 형성하는 하드 마스크층 형성단계를 더 포함하며, 상기 접착층은 상기 하드 마스크층 위에 형성될 수 있다.
상기 하드 마크층을 식각하는 제 2 식각 가스에 대한 상기 하드 마스크층 대비 상기 마스크층의 식각 비율은 1 이하일 수 있다.
상기 마스크층은 상기 하드 마스크층 위에 전사되며, 상기 금속막 패터닝 단계는 상기 제 2 식각 가스를 이용하여 상기 하드마스크층을 건식 식각하는 제 1 식각단계와, 상기 제 1 식각 가스를 이용하여 상기 금속막을 건식 식각하는 제 2 식각단계를 포함할 수 있다.
상기 제 2 식각과정에서는 상기 마스크층 중 제 1 식각과정에서 식각되지 않은 상기 마스크층의 잔여층과, 상기 하드 마스크층의 일부가 식각으로 제거될 수 있다.
상기 마스크층은 적어도 하나의 마스크 물질층과, 적어도 두 개의 기능층을 포함하는 다층막 구조로 형성되고, 상기 기능층은 상기 스탬프의 표면과 접하는 이형층과, 상기 마스크 물질층 위에 형성된 접착 강화층을 포함할 수 있다.
상기 이형층의 재질은 금속으로 구성되며, 상기 마스크 물질층의 재질은 무기물 또는 상기 이형층 및 상기 금속막과 다른 종류의 금속으로 구성되고, 상기 접착 강화층의 재질은 상기 금속막과 같은 종류의 금속으로 구성될 수 있다.
상기 마스크 물질층은 제 1 마스크 물질층, 제 2 마스크 물질층 및 상기 제 1 마스크 물질층과 상기 제 2 마스크 물질층 사이에 형성되어 상기 마스크층 전체의 유연성을 높이는 유연층을 포함할 수 있다.
상기 스탬프는 가요성 물질로 형성되고, 상기 마스크층이 상기 기판을 향하도록 상기 기판 위에 정렬되며, 롤러에 의해 가압된 후 상기 기판으로부터 분리될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 스탬프를 대형화하거나, 가요성 스탬프와 롤러의 조합을 이용하여 마스크층의 전사를 연속 공정으로 수행할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 상술한 마스크층 전사의 연속 공정을 통해 플라즈모닉 메타표면을 대량으로 용이하게 제작할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 막 특성이 우수한 금속막을 1 이상의 높은 종횡비로 정밀하게 패터닝 할 수 있으므로, 이에 따라 고품질의 플라즈모닉 메타표면을 제작할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 3a 내지 도3b는 도 1에 도시한 마스크층 전사단계의 첫번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 마스크층 전사단계의 두번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 9a 내지 도 9b는 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면의 마스크층의 변형 예를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 10a는 도 9a 내지 도 9d에 도시한 마스크층의 첫번 째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 10b는 도 9a 내지 도 9d에 도시한 마스크층의 두번 째 변형 예를 나타낸 걔략 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법에 의해 제작된 플라즈모닉 메타표면의 사진이다.
도 12는 나노 임프린트 기술을 이용한 종래의 플라즈모닉 메타표면의 제작방법을 나타낸 개략도이다.
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때 이는 다른 부분의 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고 "~위에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법의 제 1 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈모닉 메타표면 제작방법은 마스크층 형성단계(S110), 금속막 형성단계(S120), 마스크층 전사단계(S130) 및 금속막 패터닝단계(S140)를 포함한다.
상기 마스크층 형성단계(S110)에서는 일면에 나노 구조체(110)를 가지는 스탬프(120)를 준비하고, 상기 일면에 이방성 진공 증착으로 마스크층(130)이 형성된다.
상기 금속막 형성단계(S120)에서는 기판(140) 위에 금속막(150)이 형성된다.
상기 마스크층 전사단계(S130)에서는 상기 마스크 중 상기 나노 구조체(110) 위에 위치하는 마스크층(130)을 상기 금속막(150) 위로 전사한다.
상기 금속막 패터닝단계(S140)에서는 상기 금속막(150) 중 상기 마스크층(130)으로 덮이지 않은 영역을 제 1 식각 가스로 건식 식각하여 상기 금속막(150)을 금속패턴(155)으로 패터닝한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플라즈모니 메타표면 제작방법을 설명하기 위한 개략단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 마스크층 형성단계(S110)에서 일면에 나노 구조체(110)를 가지는 스탬프(120)(또는 몰드)가 준비되어 있고, 이방성 진공증착으로 스탬프(120)의 일면에 마스크층(130)이 형성된다.
상기 스탬프(120)는 고분자, 유리 실리콘등 다양한 소재로 제작될 수 있으며, 전자빔, 노광, 나노 임프린트 등의 패터닝 기술로 일면이 가공되어 나노 구조체(110)를 형성할 수 있다.
상기 나노 구조체(110)는 돌출부(115)들로 구성되어 형성되며, 상기 돌출부(115)는 제작하고자 하는 금속패턴(155)의 크기 및 주기와 대응되도록 같은 높이를 가지며, 일정한 거리로 서로 이격되어 배치된고, 서로 평행하게 배열된다.
이때, 제작되는 상기 금속패턴(155)의 주기에 따라 플라즈모닉 현상에 의한 빛의 흡수 및 투과 파장이 결정되므로, 상기 나노 구조체(110)의 주기는 200nm 내지 800nm의 범위를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 상기 스탬프(120)는 전자빔, 노광, 나노 임프린트 등의 패터닝 기술로 제작된 마스터 스탬프(120)를 복제하는 방법으로 제작될 수도 있다. 상기 마스크층(130)의 이형성을 높이기 위해서, 상기 스탬프(120)의 일면에는 FOTS(tridecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrooctyltrichlorosilane) 등과 같은 유기 규소화합물 소재의 자기 조립 단분자막(미도시) 또는 나노 박막(미도시)이 용액 공정 또는 증착 공정 등에 의해 형성될 수 있다.
상기 스탬프(120)는 진공 증착 설비에 투입되어 상기 나노 구조체(110)가 형성된 상기 스탬프(120)의 일면에 이방성 진공 증착을 통해 마스크층(130)이 형성될 수 있다. 이방성 진공 증착은 증착 방향이 특정한 하나의 방향으로 제어된 증착 기술로서, 도 2a 도시된 바와 같이, 제 1 실시 예에서 상기 마스크층(130)의 증착 방향(점선 화살표 방향)은 상기 스탬프(120)의 두께방향 즉 도 2a를 기준으로 수직한 방향과 일치한다. 따라서 상기 마스크층(130)은 상기 돌출부(115)의 상부 표면과, 상기 돌출부(115)들 사이의 오목한 표면에 일정한 두께로 증착된다.
상기 스탬프(120)의 일면에 증착된 마스크층(130)은 상기 금속막 패터닝단계(S140)에서 수행되는 금속막(150) 패터닝에 사용되는 식각 마스크의 역할을 한다.
따라서 상기 마스크층(130)은 상기 금속막 형성단계(S120)에의 금속막(150)과 다른 물질로 형성되며, 더 구체적으로는 상기 금속막 패터닝단계(S140)에서 상기 금속막(150)을 식각하는 제 1 식각 가스에 대하여 상기 마스크 층은 상기 금속막(150)보다 반응성이 낮은 물질로 형성된다. 여기서 반응성이 낮다는 것을 상기 금속막(150)에 작용하는 상기 제 1 식각가스에 대하여 상기 금속막(150) 대비 상기 마스크층(130)의 식각 비율이 1 이하인 것을 의미한다.
또한, 상기 마스크층(130)은 이방성 진공 도포가 가능한 물질로 형성되며, 유기물 또는 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 마스크층(130)은 실리콘질화물, 폴리실리콘, 실리콘산화물, 알루미늄, 구리, 금, 텅스텐, 티타늄, 티타늄-텅스텐, 알루미늄산화물 및 유기물 중 어느 하나의 물질로 구성된 단일막 또는 상술된 물질의 적층막으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 금속막 형성단계(S120)에서 상기 금속막(150)이 알루미늄인 경우, 상기 마스크층(130)은 알루미늄의 식각 가스에 대해 전술한 식각 비율을 만족하는 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 금속막 형성단계(S120)에서 상기 기판(140) 위에 금속막(150)이 형성되며, 상기 금속막(150)을 구성하는 재질로는 알루미늄, 은, 금, 백금, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 텅스텐, 티타늄 및 티타늄-텅스텐 및 유전물질 등 다양한 물질을 포함할 수 있으며, 상기 기판(140)의 전면에 화학적 진공증착(CVD, chemical vapor deposition)으로 형성될 수 있다. CVD로 형성된 금속막(150)은 물리적 진공증착(PVD, physical vapor deposition)으로 형성된 금속막(150)보다 우수한 막 특성을 가진다.
상기 금속막(150)은 하나의 재질로 구성된 단일막으로 형성될 수도 있고, 금속박막층과 비금속박막층이 교대로 적층되어 적층막 형태로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 금속막(150)이 적층막 형태로 형성될 경우 상기 금속막(150)은 제 1 금속박막층(151a), 제 1 비금속박막층(152a), 제 2 금속박막층(151b)의 순서로 상기 스탬프(120)에 적층될 수 있다.
또한, 상기 금속막(150)은 상기 금속막(150)으로 발현되는 메타표면의 용도 및 목적에 따라 상기 금속박막층 및 상기 비금속박막층의 증착 순서와, 상기 금속박막층과 상기 비금속박막층을 구성하는 재질을 자유롭게 선택하여 변경할 수 있다.
상기 금속막(150)을 금속박막층과 비금속박막층을 교대로 적층하여 MIM(Metal-Innulator-Metal) 구조로 형성하는 것은 Fabry-Perot 공명으로 알려진 공명 구조체를 구현하기 위한 것으로, 비금속박막층 즉 유전체의 두께와 굴절률에 의해 나노 구조체(110) 상에서 공명하는 빛의 파장이 결정된다.
상술한 바와 같이 다층으로 상기 금속막(150)이 구성될 때, 상기 금속막(150)을 구성하는 적층 재질과 순서에 따라 상기 마스크층(130) 또는 후술할 하드마스크층(170)의 재질과 순서가 대응되도록 구성하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 금속막(150)이 제 1 금속박막층(151a), 제 1 비금속박막층(152a), 제 2 금속박막층(151b)의 순서로 상기 스탬프(120)에 적층되는 경우, 상기 마스크층(130)은 금속재질로 구성된 제 1 마스크 물질층(136a), 비금속재질로 구성된 제 2 마스크 물질층(136b), 금속재질로 구성된 제 3 마스크 물질층(136c)으로 적층되어 상기 금속막(150)의 적층 재질과 순서에 대응되도록 구성될 수 있다.
상기 마스크층 전사단계(S130)에서는 상기 스탬프(120)의 마스크층(130) 중 상기 나노 구조체(110) 상부의 마스크층(130)이 상기 금속막(150) 위로 전사된다.
상기 기판(140)은 유리, 수정, 고분자 등 다양한 소재로 제작될 수 있다.
상기 스탬프(120)의 하강에 의해 상기 나노 구조체(110) 상부의 마스크층(130)은 상기 금속막(150)에 밀착되며, 상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로부터 이격되어 분리됨에 따라 상기 마스크층(130)은 상기 나노 구조체(110)로부터 분리되고, 이에 따라 상기 마스크층(130)은 상기 금속막(150) 위로 전사된다.
상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로 하강할 때, 상기 스탬프(120)는 상기 기판(140)에 대하여 전체적으로 균일한 압력을 가하며 상기 마스크층(130)이 상기 금속막(150) 위로 안정적으로 접촉되도록 한다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 금속막 패터닝단계(S140)에서 상기 금속막(150)은 건식 식각 공정을 통해 금속패턴(155)으로 패터닝 된다.
구체적으로, 상기 마스크층(130)이 전사된 기판(140)은 건식 식각 공정을 수행하는 설비로 투입되며, 상기 금속막(150) 중 마스크층(130)으로 덮이지 않은 영역은 식각 가스에 의하여 식각되어 플라즈모닉 메타표면(200)을 제작할 수 있다.
또한, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 금속막(150) 상부에 잔류한 상기 마스크층(130)을 제거함으로써 플라즈모닉 메타표면(200a)을 제작할 수 있다.
상술한 제 1 실시 예는 상기 스탬프(120)에 이방성 진공 증착을 통하여 유기물 또는 금속을 포함하는 재질로 마스크층(130)을 형성하고, 상기 마스크층(130)을 상기 금속막(150) 위에 전사시키며, 전사된 상기 마스크층(130)을 이용하여 상기 금속막(150)을 건식 식각하는 특징을 가진다.
도 12를 참조하여 설명한 종래의 나노 임프린트 기술과 대비할 때, 상술한 제 1 실시 예의 마스크층(130)에서는 패터닝되지 않고, 식각 이후에 발생하는 마스크층(130)의 잔여층이 존재하지 않게 된다.
구체적으로, 제 1 실시 예의 마스크층(130)은 가압에 의한 변형을 거치지 않으므로, 상기 기판(140)과 상기 스탬프(120)가 대형화 되어도 잔여층이 발생되지 않으며, 이에 따라 마스크층(130)의 잔여층으로 인한 금속패턴(155) 불량을 방지할 수 있다.
한편, 상기 기판(140)이 대형화할수록 기판(140)의 표면 불균일, 즉 평탄도 저하에 의해 상기 마스크층(130)의 전사 품질이 다소 저하될 우려가 있으나, 고분자 필름과 같은 가요성(flexible) 물질로 스탬프(120)를 제작하게 되면 상술한 문제점을 해결할 수 있게된다.
즉, 가요성 물질로 제작된 스탬프(120)는 외압에 의해 상기 금속막(150)의 표면 굴곡을 용이하게 변형되므로, 상기 마스크층(130)의 전사 품질을 향상시킬 수 있다.
제 1 실시 예의 제조 방법에 따르면, 상기 스탬프(120)를 대형화하거나 롤 스탬프(120)로 제작하여 상기 마스크층(130)의 전사를 연속 공정으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 플라즈모닉 메타표면을 대량으로 용이하게 제조할 수 있게된다.
도 3a와 도3b는 도 1에 도시된 마스크층 전사단계(S130)의 첫번째 변형 예를 나타난 개략 단면도이다.
도 3a와 도3b에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프(120)는 고분자 필름과 같은 가요성 물질로 형성되며, 상기 나노 구조체(110)와 상기 마스크층(130)이 상기 기판(140)을 향하도록 상기 기판(140)위에 정렬된다. 이후 상기 스탬프(120) 위로 롤러가 이동함에 따라 상기 스탬프(120) 및 상기 마스크층(130)을 눌러 상기 마스크층(130)을 상기 금속막(150)에 밀착시킨다.
상기 마스크층(130)을 상기 금속막(150)에 밀착시키고, 일정 시간이 경과된 후 상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로부터 이격되어 분리되면서 상기 마스크층(130)이 상기 금속막(150) 위로 전사된다.
상술한 전사 과정에서는 상기 마스크층(130)에 열이 가해질 수 있으며, 상기 롤러에 의한 가압 이후 시간차를 두고 스탬프(120)는 분리시키면 상기 금속막(150)에 대한 상기 마스크층(130)의 접착력을 높일 수 있게 된다.
도 4는 도 1에 도시된 상기 마스크층 전사단계(S130)의 두번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프(120)는 고분자 필름과 같은 가요성 물질로 형성되며, 상기 나노 구조체(110)와 상기 마스크층(130)이 외측을 향하도록 상기 롤러 표면에 로딩된다. 상기 스탬프(120)를 감은 상기 롤러는 상기 기판(140) 위에서 일정 속도로 회전하고, 상기 스탬프(120)에 증착된 상기 마스크층(130)은 상기 롤러의 하단을 통과할 때 상기 롤러에 의해 눌리면서 상기 금속막(150)에 밀착된 후 상기 금속막(150) 위로 전자된다.
상술한 바와 같이, 휘어지는 상기 스탬프(120)와 상기 롤러를 이용하면 대형화한 상기 기판(140) 위에 상기 마스크층(130)을 신속하게 형성할 수 있게된다.
상술한 제 1 실시 예를 통하여 플라즈모닉 메타표면은 도 11에 도시된 바와 같이 제작될 수 있다.
상술된 실시 예를 이용하여 제작된 플라즈모닉 메타표면은 상기 나노 구조체(110)의 주기에 따라 외부에서 조사되는 빛과 상기 나노 구조체(110) 간의 상호 작용으로 특정한 파장 대역에서 빛의 흡수 또는 투과가 일어나는 플라즈모닉 공진 현상을 이용하여 컬러 필터 또는 RGB기판으로도 구현될 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면은 기본 삼원색을 포함한 모든 가시광 영역의 색상을 구현할 수 있게 되고, 이는 상기 나노 구조체(110)의 모양, 주기, 박막의 종류 등에 따라 빛의 흡수 또는 투과를 적절히 제어함으로써 나타난다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면은 플라즈모닉 현상을 이용하여 홀로그램을 구현할 수 있게 된다.
도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법의 제 2 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법이 스탬프(120)에 마스크층(130)하고, 기판(140)위에 금속막(150)을 형성하며, 상기 금속막(150) 위에 마스크층(130)을 전사한 후 금속막(150)을 건식식각 함으로써 플라즈모닉 메타표면을 제작하는 것은 상술한 제 1 실시 예와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다만, 본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법은 금속막 형성단계(S220) 이후에 접착층 형성단계(S230)를 더 포함한다.
상기 접착층 형성단계(S230)는 상기 금속막(150) 위에 접착 프라이머를 포함하는 접착층(160)을 형성하는 단계이며, 이에 따라 상기 마스크층(130)은 상기 접착층(160)의 위에 전사될 수 있다.
상기 스탬프(120)의 하강에 의해 상기 나노 구조체(110) 상부의 마스크층(130)은 상기 접착층(160)에 밀착되며, 상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로부터 이격되어 분리됨에 따라 상기 마스크층(130)은 상기 나노 구조체(110)로부터 분리되고, 이에 따라 상기 마스크층(130)은 상기 접착층(160) 위로 전사된다.
상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로 하강할 때, 상기 스탬프(120)는 상기 기판(140)에 대하여 전체적으로 균일한 압력을 가하며 상기 마스크층(130)이 상기 기판(140) 위로 안정적으로 접촉되도록 하며, 상기 접척층의 접착성을 강화시키기 위하여 추가적인 압력 또는 열이 가해지거나 자외선 조사가 이루어질 수 있다.
상기 접착층(160)은 n-(3-(trimethoxysilyl)propyl)ethylenediamine 또는 PMMA 등과 같은 접착 프라이머로 형성될 수 있으며, 상기 접착층(160)은 상기 마스크층 전사단계(S240)에서 금속막(150)에 대한 마스크층(130)의 접착력을 높이는 기능을 하며 본 실시 예에 따른 제작 방법에 따라 플라즈모닉 메타표면(200b)이 제작될 수 있다.
도 7 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법의 제 3 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법이 스탬프(120)에 마스크층(130)하고, 기판(140)위에 금속막(150)을 형성하며, 상기 금속막(150) 위에 마스크층(130)을 전사한 후 금속막(150)을 건식식각 함으로써 플라즈모닉 메타표면을 제작하는 것은 상술한 제 1 실시 예와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다만, 본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법은 금속막 형성단계(S220) 이후에 하드 마스크층 형성단계(S330)를 더 포함한다.
상기 하드 마스크층 형성단계(S330)는 상기 금속막(150) 위에 상기 금속막(150) 및 상기 마스크층(130)과 다른 종류의 금속으로 구성되는 하드 마스크층(170)을 형성한다.
상기 하드 마스크층(170)을 구성하는 물질에 따라 상기 하드 마스크층(170) 위에 접착층(160)이 형성되는 접착층 형성단계(S340)가 포함될 수 있다.
또한, 상기 하드 마스크층(170)이 상기 금속막(150) 위에 형성됨에 따라 상기 금속막 패터닝단계(S360)는 제 2 식각 가스를 이용하여 상기 하드마스크층(130)을 건식 식각하는 제 1 식각단계(S361)와, 상기 제 1 식각 가스를 이용하여 상기 금속막(150)을 건식 식각하는 제 2 식각단계(S362)를 포함하며, 상기 하드 마크층을 식각하는 제 2 식각 가스에 대한 상기 하드 마스크층(170) 대비 상기 마스크층(130)의 식각 비율은 1 이하이다.
상기 제 1 식각단계(S361)에서 상기 하드 마스크층(170) 가운데 상기 마스크층(130)으로 덮이지 않은 영역이 제 2 식각가스에 의한 식각으로 제거되며, 상기 금속막(150)의 표면이 노출될 때까지 식각된다. 이때 상기 제 2 식각 가스에 대한 상기 하드 마스크층(170) 대비 상기 마스크층(130)의 식각 비율을 1 이하이다.
상기 제 2 식각단계(S362)에서 상기 금속막(150) 가운데 상기 하드 마스크층(170)으로 덮이지 않은 영역이 제 1 식각가스에 의한 식각으로 제거되며, 상기 금속막(150)은 금속패턴(155)으로 패터닝 된다. 상기 제 2 식각단계(S362)에서 상기 마스크층(130)은 상기 제 1 식각 가스에 의해 제거되나, 상기 금속막(150) 위에 상기 하드 마스크층(170)의 잔여층이 남게되며, 이에 따라 상기 하드 마스크층(170)의 잔여층은 식각 마스크로 작용할 수 있게된다.
상기 제 2 식각단계(S362)에서 상기 하드 마스크층(170) 또한 상기 제 1 식각 가스에 의해 일부 식각될 수 있으나, 상기 금속패턴(155)들이 의도된 종횡비를 갖도록 식각될 때 까지, 예를 들면 기판(140)의 표면이 노출될 때까지 상기 하드 마스크층(170)이 잔류한다.
이를 위하여 제 1 식각 가스에 대한 상기 하드 마스크층(170)과 상기 금속막(150)의 식각률을 고려하여 상기 하드 마스크층(170)을 적정 두께로 형성할 수 있으며, 결과적으로 본 실시 예에 따른 제작 방법에 따라 플라즈모닉 메타표면(200c)이 제작될 수 있다.
도 9 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면의 마스크층(130)의 변형 예를 설명하면 다음과 같다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 마스크층 형성단계(S110)에서 스탬프(120)의 일면에 형성된 마스크층(130e)은 이종물질의 다층막으로 구성된다.
구체적으로, 상기 마스크층(130e)은 상기 스탬프(120)의 표면과 접하는 이형층(135)과, 상기 이형층(135) 위에 형성되며, 실질적인 식각 마스크로 기능하는 마스크 물질층(136)과, 상기 마스크 물질층(136) 위에 형성된 접착 강화층(137)을 포함한다. 상기 이형층(135)과 상기 마스크 물질층(136) 및 상기 접착 강화층(137) 모두 이방성 진공 증착으로 형성된다.
상기 이형층(135)은 상기 마스크층 전사단계(S130)에서 상기 마스크층(130)을 상기 금속막(150) 위로 전사할 때, 상기 스탬프(120)에 대한 상기 마스크층(130)의 이형 성능을 높이는 기능을 한다.
상기 이형층(135)은 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있고, 상기 마스크 물질층(136)은 무기물 또는 이형층(135)과 다른 중류의 금속으로 형성될 수 있다.
상기 접착 강화층(137)은 상기 금속막(150)에 대한 상기 마스크 물질층(136)의 접착력을 높이는 기능을 한다. 상기 접착 강화층(137)은 상기 기판(140) 상의 상기 금속막(150)과 같은 금속으로 형성되거나, 상기 금속막(150)과 다른 중류의 금속들 중 상기 금속막(150)과의 접착력이 우수한 금속으로 형성될 수 있다.
도 9b와 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 마스크층 전사단계(S130)에서 상기 마스크층(130e)은 상기 금속막(150) 위로 전사된다. 이때, 상기 이형층(135)은 전사되지 않고 상기 스탬프(120)에 형성된 상기 돌출부(115)들 위에 잔류하거나, 상기 마스크 물질층(136) 밀 상기 접착 강화층(137)과 함께 상기 금속막(150) 위에 전사될 수 있다.
상술된 두 경우 모두 상기 마스크 물질층(136)은 상기 접착 강화층(137)에 의해 상기 금속막(150) 위에 견고하게 고정될 수 있게 된다.
이때, 상기 접착 강화층(137)이 상기 금속막(150)과 동일한 금속으로 형성되는 경우, 상기 금속막(150)과 상기 마스크층(130e)의 상온 접합이 가능해진다. 따라서 전사 과정에서 상기 마스크층(130)의 접합력을 높이기 위한 승온 과정을 생략할 수 있다.
도 9d에 도시된 바와 같이, 상기 금속막 패터닝단계(S140)에서 상기 금속막(150) 중 상기 마스크 물질층(136)으로 덮이지 않은 부위가 식각 가스에 의해 제거되며, 상기 금속막(150)은 높은 종횡비를 갖는 금속패턴(155) 패터닝 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 변형된 상기 마스크층(130e)은 각종 기능층들을 포함하는 다층막으로 구성될 수 있다.
이때 상기 기능층들은 상기 마스크 물질층(136)의 이형 성능을 높이는 이형층(135)과, 상기 금속막(150)에 대한 상기 마스크 물질층(136)의 접착력을 높이는 접착 강화층(137)을 포함한다.
본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법에서는 상기 이형층(135)을 이용하여 상기 스탬프(120)로부터 상기 마스크 물질층(136)의 이형을 원활하게 할 수 있으며, 그 결과 상기 마스크 물질층(136)의 전사 품질을 높일 수 있다.
또한, 상기 접착 강화층(137)을 이용하여 상기 금속막(150)에 대한 상기 마스크 물질층(136)의 접착력을 높임으로써 플라즈모닉 메타표면의 제작과정에서 발생할 수 있는 마스크 물질층(136)의 탈락이나 벗겨짐 등을 방지하여 상기 금속패턴(155)의 패터닝 품질을 높일 수 있다(도 9d의 200d).
도 10a는 도 9a에 도시한 마스크층(130)의 첫번째 변형 예를 나타낸 개략도이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 마스크층(130f)은 스탬프(120)의 표면과 접하는 이형층(135)과, 상기 이형층(135) 위에 형성된 제 1 마스크 물질층(136a)과, 상기 제 1 마스크 물질층(136a) 위에 형성된 유연층(138)과, 상기 유연층(138) 위에 형성된 제 2 마스크 물질층(136b)과, 상기 제 2 마스크 물질층(136b) 위에 형성된 접착 강화층(137)을 포함한다.
상기 이형층(135), 상기 제 1 마스크 물질층(136a), 상기 유연층(138), 상기 제 2 마스크 물질층(136b) 및 상기 접착 강화층(137) 모두 이방성 진공 증착으로 형성된다.
상기 제 1 마스크 물질층(136a) 및 상기 제 2 마스크 물질층(136b)은 실직적인 식각 마스크의 기능을 수행하며, 무기물 또는 상기 이형층(135)과 다른 종류의 금속으로 형성될 수 있다.
상기 유연층(138)은 상기 마스크층(130) 전체의 유연성을 높여 대면적 패터닝을 가능하게 한다.
예를 들어, 상기 유연층(138)은 알루미늄과 같이 연성이 우수한 금속으로 형성될 수 있다.
무기물을 표함하는 마스크층(130f)은 유연성이 높지 않은데, 상기 마스크 층이 상기 제 1 마스크 물질층(136a) 및 상기 제 2 마스크 물질층(136b)으로 2개로 분리되고, 분리된 상기 제 1 마스크 물질층(136a) 및 상기 제 2 마스크 물질층(136b) 사이로 상기 유연층(138)이 위치함에 따라, 첫번째 변형 예의 마스크층(130)은 전체적으로 유연성이 향상될 수 있게 된다.
따라서 상기 마스크층(130f)은 가요성 스탬프(120)에 매우 유리하게 적용될 수 있게 되며, 기판(140)과 스탬프(120)를 대형화하여 대면적 패터닝을 용이하게 실현할 수 있다.
도 10b는 도 9에 도시한 마스크층(130g)의 두번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 마스크층(130g)은 스탬프(120)의 표면과 접하는 이형층(135)과, 상기 이형층(135) 위에 순차적으로 적층된 제 1 마스크 물질층(136a)과, 상기 제 1 마스크 물질층(136a) 위에 형성된 제 1 유연층(138a)과, 상기 제 1 유연층(138a) 위에 형성된 제 2 마스크 물질층(136b)과, 상기 제 2 마스크 물질층(136b) 위에 형성된 제 2 유연층(138b)과, 상기 제 2 유연층(138b) 위에 형성된 제 3 마스크 물질층(136c)과, 상기 제 3 마스크 물질층(136c) 위에 형성된 접착 강화층(137)을 포함한다.
상기 이형층(135), 상기 제 1 마스크 물질층(136a), 상기 제 1 유연층(138a), 상기 제 2 마스크 물질층(136b), 상기 제 2 유연층(138b), 상기 제 3 마스크 물질층(136c) 및 상기 접착 강화층(137) 모두 이방성 진공 증착으로 형성된다.
상기 제 1 마스크 물질층(136a), 상기 제 2 마스크 물질층(136b) 및 상기 제 3 마스크 물질층(136c)은 실직적인 식각 마스크의 기능을 수행하며, 무기물 또는 상기 이형층(135)과 다른 종류의 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 유연층(138a) 및 상기 제 2 유연층(138b) 상기 마스크층(130) 전체의 유연성을 높여 대면적 패터닝을 가능하게 한다.
예를 들어, 상기 제 1 유연층(138a) 및 상기 제 2 유연층(138b)은 알루미늄과 같이 연성이 우수한 금속으로 형성될 수 있다.
두번째 변형 예의 마스크층(130g)은 상술된 첫번째 변형 예의 마스크층(130f)과 같이 전체적으로 유연성이 향상될 수 있으며, 이에 따라 상기 마스크층(130g)은 가요성 스탬프(120)에 매우 유리하게 적용될 수 있고, 상기 기판(140)과 상기 스탬프(120)를 대형화 하여 대면적 패터닝을 실현할 수 있게 된다.
상술된 상기 마스크층에서의 마스크 물질층과 유연층의 개수는 도 10a 및 도 10b에 도시한 예로 한정되지 아니하며, 공정이 수행되는 목적 및 사용되는 용도에 따라 자유롭게 변경 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
110: 나노 구조체 115: 돌출부
120: 스탬프 130, 130e, 130f, 130g: 마스크층
135: 이형층 137: 접착 강화층
136: 마스크 물질층 136a: 제 1 마스크 물질층
136b: 제 2 마스크 물질층 136c: 제 3 마스크 물질층
138: 유연층 138a: 제 1 유연층
138b: 제 2 유연층 140: 기판
150: 금속막 151a: 제 1 금속박막층
152a: 제 1 비금속박막층 151b: 제 2 금속박막층
155: 금속패턴 160: 접착층
170: 하드 마스크층
200, 200a, 200b, 200c, 200d: 플라즈모닉 메타표면

Claims (13)

  1. 일면에 나노 구조체를 가지는 스탬프를 준비하고, 상기 일면에 이방성 진공 증착으로 마스크층을 형성하는 마스크층 형성단계;
    기판 위에 금속막을 형성하는 금속막 형성단계;
    상기 마스크층 중 상기 나노 구조체 위에 위치하는 마스크층을 상기 금속막 위로 전사하는 마스크층 전사단계; 그리고
    상기 금속막 중 상기 마스크층으로 덮이지 않은 영역을 제 1 식각 가스로 건식 식각하여 상기 금속막을 금속패턴으로 패터닝 하는 금속막 패터닝단계;를 포함하며,
    상기 금속막 위에 접착 프라이머를 포함하는 접착층을 형성하는 접착층 형성단계를 더 포함하고,
    상기 마스크층은 상기 접착층의 위에 전사되며,
    상기 금속막 위에 상기 금속막 및 상기 마스크층과 다른 종류의 금속으로 구성되는 하드 마스크층을 형성하는 하드 마스크층 형성단계를 더 포함하며,
    상기 접착층은 상기 하드 마스크층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체의 주기는 200nm 내지 800nm의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크층은 실리콘질화물, 폴리실리콘, 실리콘산화물, 알루미늄, 구리, 금, 텅스텐, 티타늄, 티타늄-텅스텐, 알루미늄산화물 및 유기물 중 어느 하나의 물질로 구성된 단일막 또는 상술된 물질의 적층막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막은 금속박막층과 비금속박막층이 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하드 마스크층을 식각하는 제 2 식각 가스에 대한 상기 하드 마스크층 대비 상기 마스크층의 식각 비율은 1 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 마스크층은 상기 하드 마스크층 위에 전사되며,
    상기 금속막 패터닝 단계는 상기 제 2 식각 가스를 이용하여 상기 하드마스크층을 건식 식각하는 제 1 식각단계와, 상기 제 1 식각 가스를 이용하여 상기 금속막을 건식 식각하는 제 2 식각단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 식각과정에서는 상기 마스크층 중 제 1 식각과정에서 식각되지 않은 상기 마스크층의 잔여층과, 상기 하드 마스크층의 일부가 식각으로 제거되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스크층은 적어도 하나의 마스크 물질층과, 적어도 두 개의 기능층을 포함하는 다층막 구조로 형성되고,
    상기 기능층은 상기 스탬프의 표면과 접하는 이형층과, 상기 마스크 물질층 위에 형성된 접착 강화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 이형층의 재질은 금속으로 구성되며,
    상기 마스크 물질층의 재질은 무기물 또는 상기 이형층 및 상기 금속막과 다른 종류의 금속으로 구성되고,
    상기 접착 강화층의 재질은 상기 금속막과 같은 종류의 금속으로 구성되며,
    상기 이형층을 구성하는 재질에 따라 상기 마스크층 전사단계에서 상기 마스크층은 상기 이형층을 포함하여 상기 스탬프로부터 이형되거나, 상기 이형층을 포함하지 않고 상기 스탬프로부터 이형되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 마스크 물질층은 제 1 마스크 물질층, 제 2 마스크 물질층 및 상기 제 1 마스크 물질층과 상기 제 2 마스크 물질층 사이에 형성되어 상기 마스크층 전체의 유연성을 높이는 유연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 스탬프는 가요성 물질로 형성되고, 상기 마스크층이 상기 기판을 향하도록 상기 기판 위에 정렬되며, 롤러에 의해 가압된 후 상기 기판으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
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