KR101989414B1 - 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 패턴이 형성된 기판; 및 상기 마이크로 패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 포함하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 제공한다.
본 발명에 따른 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법은 다양한 금속이 사용될 수 있으며, 포토리소그래피를 이용한 복잡하고 다양한 마이크로 패턴과 결합이 가능한 이점이 있다.

Description

블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 및 이의 제조방법{Metal nanowires in micropatterns using block copolymers and preparing method thereof}
본 발명은 전단응력을 이용한 대면적 내에서의 블록공중합체(block copolymer; BCP) 나노 구조체의 정렬과 포토리소그래피를 접목시켜 마이크로단위의 패턴 내부에 정렬된 금속 나노패턴 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
블록공중합체(block copolymers; BCP)의 미세 상분리(microphase separation)를 이용하여 제조된 다양한 나노 패턴은 바이오 센서, 포토닉스(photonics), 플라즈몬(plasmonics), 전자 및 에너지 장치를 포함한 많은 응용 분야에서 기존의 패턴 제조 기술에 대한 유망한 대안으로 고려되고 있다.
그러나, 자가 조립(self-assembling) BCP으로부터 제조된 나노 구조는 일반적으로 장거리 질서(long-range ordering)를 부여할 수 없다.
장거리 질서가 반드시 필요하지 않는 영역에 대해 BCP의 사용이 제한되었기 때문에 표면 화학적 패터닝 및 전단을 포함한 그래포에피탁시(graphoepitaxy)와 같은 직접 자기 조립(directed self-assembly; DSA) 기술이 제안되었다.
그러나, BCP 자기 조립의 또 다른 한계는 복잡하고 계층적인 구조를 제공할 수 없다는 것이다.
그리하여, 기존 리소그래피 기술과 BCP 자기 조립의 결합은 이러한 문제를 해결하는 방법으로 고려되었다.
예를 들어, 그래포에피탁시 기법을 이용할 경우 기판상의 마이크로 패턴을 따라 정렬된 BCP 패턴을 생성할 수 있으며, 또한 전기수력학적 젯프린팅(electrohydrodynamic jet printing) 방법은 BCP로 다양한 형상 크기와 기하학을 가진 복잡한 나노 패턴을 만들 수 있다.
그러나, 그래포에피탁시 기법의 경우, 정렬 방향은 마이크로 패턴의 방향으로 제한되고, 대면적을 패터닝하는데 적합하지 않으며, 전기수력학적 젯프린팅 방법의 경우 정렬된 나노 패턴을 얻는 것은 어려운 문제점이 있다.
이러한 예에서, 나노점 또는 나노선 어레이(array)의 정렬 방향은 마이크로 패턴의 형태와 독립적 일 수 없으며, 나노 패턴의 장거리 질서는 보장되지 않는다.
따라서, BCP의 전단 유도 자가 조립(shear-induced self-assembly)으로부터 준비된 마이크로 패턴 기판에서 잘 배열된 금속 나노선 어레이를 제조하는 방법에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.
한국등록특허 제1602942호(2016.03.15. 공고)
본 발명의 목적은 복잡한 구조의 나노패턴 제작의 공정을 단순화 할 수 있으며, 포토리소그래피 공정과 블록공중합체 나노패터닝 공정의 분리를 통해 훨씬 다양한 구조의 제작이 용이한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 마이크로 패턴이 형성된 기판; 및 상기 마이크로 패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 포함하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 제공한다.
또한 본 발명은 기판 상에 블록공중합체 용액을 적하하고 스핀코팅시켜 블록공중합체 박막을 제조하는 단계; 상기 스핀코팅된 블록공중합체 박막을 전단 정렬시키는 단계; 상기 전단 정렬된 블록공중합체 박막을 금속 전구체가 용액에 침지시켜 금속이 로딩된 블록공중합체 박막을 제조하는 단계; 상기 금속이 로딩된 블록공중합체 박막에 포토레지스트 박막을 코팅시키는 단계; 상기 코팅된 포토레지스트 박막을 포토 패터닝시킨 후 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 단계; 및 상기 에칭 후 리프트-오프하여 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법은 다양한 금속이 사용될 수 있으며, 포토리소그래피를 이용한 복잡하고 다양한 마이크로 패턴과 결합이 가능한 이점이 있다.
도 1은 미세 구조에서 금(Au) 나노선 패턴을 제조하는 전체 공정을 나타낸 개략도
도 2는 38 nm(a) 및 58 nm(b) 박막에서의 최적 전단 조건 및 필름 구조를 나타낸 도면;
도 3은 다양한 전단 응력 및 전단 온도에서 38 nm 박막의 전단 조건 최적화를 나타낸 도면;
도 4는 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막 위에서 네거티브톤 포토레지스트(AZ-nLof)를 사용하여 포토리소그래피 공정을 진행했을 때 미세 구조가 무너지는 것을 보여주는 도면;
도 5는 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막에서 포지티브톤 포토레지스트(AZ5214E)를 사용하여 생성된 미세 구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면;
도 6은 PS 단일 중합체 박막의 식각률을 통해 계산된 조건을 이용한 전체 공정을 보여주는 도면;
도 7은 30초(a) 및 60초(b) 동안 60 W, 10 mTorr, 및 10 sccm에서 RIE 공정 후 Au 라인 패턴의 SEM 이미지를 나타낸 도면;
도 8은 RIE 전력에 따른 금속 나노선의 품질을 보여주는 도면; 및
도 9는 전체 공정 후 마이크로패턴 내부에 정렬된 금 나노선을 제조하는 일련의 공정을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명인 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 및 이의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 전단응력을 이용한 대면적 내에서의 블록공중합체 나노 구조체의 정렬과 포토리소그래피를 접목시킬 경우 마이크로단위의 패턴 내부에 정렬된 금속 나노패턴을 제조할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 마이크로 패턴이 형성된 기판; 및 상기 마이크로 패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 포함하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 제공한다.
상기 마이크로 패턴은 평균 직경이 1.5 내지 10 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 나노선은 평균 직경이 5 내지 20 nm일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 나노선은 금 나노선, 백금 나노선, 팔라듐 나노선, 철 나노선, 코발트 나노선, 구리 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 기판 상에 블록공중합체 용액을 적하하고 스핀코팅시켜 블록공중합체 박막을 제조하는 단계; 상기 스핀코팅된 블록공중합체 박막을 전단 정렬시키는 단계; 상기 전단 정렬된 블록공중합체 박막을 금속 전구체가 용액에 침지시켜 금속이 로딩된 블록공중합체 박막을 제조하는 단계; 상기 금속이 로딩된 블록공중합체 박막에 포토레지스트 박막을 코팅시키는 단계; 상기 코팅된 포토레지스트 박막을 포토 패터닝시킨 후 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 단계; 및 상기 에칭 후 리프트-오프하여 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법을 제공한다.
상기 블록공중합체는 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine)), 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐피리딘)(polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine)), 및 폴리메틸메타크릴레이트-블록-폴리(2-비닐피리딘)(poly(methylmethacrylate)-block-poly(2-vinylpyridine))로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 블록공중합체 박막은 평균 두께가 30 내지 60 nm일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 블록공중합체 박막을 전단 정렬시키는 단계는 스핀코팅된 블록공중합체 박막을 150℃ 내지 190℃에서 5 내지 40 kPa의 전단 응력을 가하여 전단 정렬시키는 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속이 로딩된 블록공중합체 박막을 제조하는 단계에서, 블록공중합체를 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)로 이용할 경우 전단 정렬 후, 폴리(2-비닐피리딘) 실린더 영역에 금속 이온이 선택적으로 로딩된다.
이는 금속 이온과 P2VP 실린더 간의 선택적인 상호작용 때문에 쉽게 금속 이온이 P2VP 실린더에 쉽게 도핑될 수 있다.
상기 금속 전구체는 금 전구체, 백금 전구체, 팔라듐 전구체, 철 전구체, 코발트 전구체, 구리 전구체 및 니켈 전구체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속이 로딩된 블록공중합체 박막에 포토레지스트 박막을 코팅시키는 단계에서, 정렬된 금속 나노 패턴의 표면에 미세 구조를 생성하기 위해 포지티브톤 포토레지스트와 네거티브톤 포토레지스트를 이용할 수 있으나, 포지티브톤 포토레지스트가 금속이 로딩된 PS-b-P2VP 박막을 보호하기에 더 적합하며, 금속이 로딩된 P2VP 체인의 이동도가 크게 감소 되었기 때문에 포토리소그래피 공정 동안 패턴 구조를 유지할 수 있다.
상기 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 단계는 코팅된 포토레지스트 박막을 포토 패터닝시킨 후 30 내지 100 W, 8 내지 30 mTorr, 및 8 내지 30 sccm의 조건으로 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 단계는 10 내지 20분 동안 톨루엔으로 초음파 처리하여 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 제공한다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 및 이의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 블록공중합체를 이용한 마이크로패턴 내부에 정렬된 금 나노선 제조
1. 재료의 준비
모든 화학 물질은 추가 처리없이 사용되었습니다.
수평균 분자량이 44-b-18.5 kg/mol인 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine); 이하 'PS-b-P2VP')은 Polymer Source에서 구입하였다.
1.7 nm의 자연산화층(native-oxide layer)을 갖는 실리콘(Si) 웨이퍼는 Waferbiz로부터 구입하였고, 사용 전에 톨루엔으로 세정하였다.
폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; 이하 'PDMS') 키트(Sylgard 184)는 Dow Corning으로부터 구입하였다.
금 전구체 염인 테트라클로로아우릭산(Ⅲ)·3수화물(HAuCl4·3H2O)은 Acros로부터 구입하였다.
포지티브톤 포토레지스트(AZ5214E), 네거티브톤 포토레지스트(AZ nLoF), 및 포토레지스트 현상액(AZ 300 MIF)은 AZ Electronic Materials(USA)로부터 구입하였다.
2. 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막 제조
Si 웨이퍼 상에서 PS-b-P2VP 용액으로 스핀코팅시켜 PS-b-P2VP 박막을 제조하였다. PS-b-P2VP 용액의 농도와 회전 속도를 조절하여 PS-b-P2VP 박막의 두께를 조절하였다.
구체적으로, PS-b-P2VP를 톨루엔에 용해시켜 준비한 1.5 wt% 농도의 스핀코팅 용액을 Si 웨이퍼 상에 적하하고 2500 rpm으로 스핀 코팅시켜 58 nm의 두께를 갖는 PS-b-P2VP 박막과, 1.2 중량% 농도의 스핀코팅 용액을 3000 rpm으로 스핀 코팅시켜 38 nm의 두께를 갖는 PS-b-P2VP 박막을 각각 준비하였다.
스핀코팅된 PS-b-P2VP 박막들은 폴리스티렌과 폴리(2-비닐피리딘)의 유리전이온도 보다 높은 온도(170℃ 또는 180℃)에서 경화된 PDMS 패드(Sylgard 184(base)/Sylgard 184(curing-agent)= 10 : 1)로 20 kPa의 전단 응력을 가함으로써 전단 정렬되었다(도 1(a) 및 도 1(b) 참조).
3. 금이 로딩된 PS-b-P2VP 박막 제조
전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막(38 nm 및 58 nm)을 5 mM HAuCl4/3% HCl 용액에 30분 동안 침지시키고, 탈 이온수로 30분 동안 세정하고, 이어서 N2 가스를 불어 넣어 금이 로딩된 PS-b-P2VP 박막들을 제조하였다(도 1(a) 및 도 1(b) 참조).
4. 금이 로딩된 PS-b-P2VP 박막 상에 마이크로 패턴 형성
금이 로딩된 PS-b-P2VP 박막 상에 마이크로 패턴을 형성하기 위한 직접 포토리소그래피 공정를 최적화하기 위해 포지티브톤 포토레지스트 및 네거티브톤 포토레지스트를 이용하였다(도 1(c) 참조).
전단 정렬 및 금 이온의 로딩 후 PS-b-P2VP 박막 상에 4000 rpm으로 직접 스핀코팅을 수행하여 1.5 ㎛의 두께를 갖는 포지티브톤 포토레지스트 및 2.5 ㎛의 두께를 갖는 네거티브톤 포토레지스트 박막을 코팅하였다.
그 다음, 포지티브톤 포토레지스트가 코팅된 PS-b-P2VP 박막을 105℃에서 1분 30초 동안 베이킹(baking)시켰고, 네거티브톤 포토레지스트가 코팅된 PS-b-P2VP 박막을 110℃에서 2분 동안 베이킹시켰다.
PS-b-P2VP 박막 상에서 소성된 포지티브톤 포토레지스트 코팅층 및 네거티브톤 포토레지스트 코팅층은 12 mW/cm2의 램프 강도를 갖는 포토리소그래피 장치(MIDAS, MDA-400S)로 패터닝되었다.
포지티브톤 포토레지스트 코팅층 및 네거티브톤 포토레지스트 코팅층에 90 mJ 및 60 mJ 전력에서 자외선(UV, 350-450 nm)에 노출시켰다.
네거티브톤 포토레지스트 코팅층에 대해 120℃에서 2분 동안 포스트 베이킹(Post baking)을 수행하였다.
포토 패터닝된 포지티브톤 포토레지스트 코팅층 및 네거티브톤 포토레지스트 코팅층을 현상액에 침지시켜 현상시켰다.
5. O 2 반응성 이온 에칭(reactive ion etching; 이하 'RIE') 공정
포지티브톤 포토레지스트 및 네거티브톤 포토레지스트가 코팅되지 않은 영역에 금속 라인 패턴을 나타낼 수 있도록 포지티브톤 포토레지스트 코팅층 및 네거티브톤 포토레지스트 코팅층을 각각 포토 패터닝 한 후, LABStar RIE 에칭 장치로 PS 매트릭스를 제거하는 O2 RIE 공정(60 W, 10 mTorr, 10 sccm)을 수행하였다(도 1(d) 참조).
6. 리프트-오프 공정
RIE 공정 후, 15분 동안 톨루엔으로 초음파 처리(리프트-오프 공정)하여 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노 패턴을 제거함으로써 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선을 제조하였다(도 1(e) 참조).
<실험예 1> 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막의 구조 분석
1. 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막의 두께 분석
구체적으로, 박막의 두께는 엘립소미터(Ellipsometer, M-2000V)로 측정하였다.
PS-b-P2VP는 불균형 습윤 조건을 갖는 것으로 알려져 있으며, 평행 두께는 하기 식 1로 산출할 수 있다.
[식 1]
t = (n - 1/2) L 0
상기 식 1에서, t는 필름 두께이고, n은 양의 정수이고, L 0 는 실린더 층간 간격이다.
PS-b-P2VP 44-b-18.5 k의 경우 단층의 두께 t는 57 nm로 밝혀졌다.
2. 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막의 표면 분석
박막의 표면을 분석하기 위해 주사전자현미경(scanning-electron microscope; 이하 'SEM', FE-SEM Hitachi, S-4800, 5 keV, 3 mm 작동 거리)과 태핑 모드(tapping-mode) 원자힘현미경(atomic-force microscope; 이하 'AFM', Veeco, DI -3100)을 이용하였다.
전단 정렬된 58 nm 두께의 PS-b-P2VP 박막과, 38 nm 두께의 PS-b-P2VP 박막은 기판에 평행한 실린더가 양쪽 두께에 대해 전단 방향을 따라 잘 정렬되어 있음을 확인하였다(도 2의 첫번재 행 참조).
3. 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막의 깊이 분석
또한, 25keV Bi3 + 분석 빔과 0.25keV Cs+ 스퍼터 빔을 이용한 비행 시간형 2차 이온 질량분석(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry; 이하 'ToF-SIMS')을 수행하여 PS-b-P2VP 박막의 깊이 프로파일(Depth profiles)을 분석하였다.
측정된 빔 전류는 분석 빔과 스퍼터 빔에 대해 각각 0.438 pA와 9.758 nA이었고, 래스터 크기(raster size)는 각각 90 × 90 μm2 및 300 × 300 μm2이었다.
ToF-SIMS 깊이 프로파일은 도 2의 두번째 행에 나타내었다. 이는 하프-실린더(half-cylinders)와 풀-실린더(full-cylinders)가 각각 38 nm 두께의 PS-b-P2VP 박막 및 58 nm 두께의 PS-b-P2VP 박막에서 얻어진 것임을 분명히 나타내었다.
또한, 제안된 PS-b-P2VP 박막 구조를 세 번째 행에 표시하였다.
PS-b-P2VP 박막 구조는 박막에 대한 깊이 프로파일을 제공하는 ToF-SIMS 실험을 통해 얻어졌다.
각각의 성분을 규명하기 위해 음극 2차 이온(Negative secondary ions)을 검출하였고, 실리콘 웨이퍼의 경우 Si-, PS의 경우 C6H-, P2VP의 경우 C7H8N-가 검출되었다(도(a) 및 도 2(b) 참조).
상기 두 가지 두께의 전단 정렬된 PS-b-P2VP 박막에서 중합체-기판 경계면에 P2VP 습윤층이 존재함을 확인하였으며, 하프-실린더 및 풀-실린더 구조는 각각 38 nm 및 58 nm에서 발견되었다.
동일한 전단 조건에서 38 nm 및 58 nm의 두께를 비교할 때, 38 nm의 두께를 가질 경우 최상의 정렬 품질을 나타내기 때문에 38 nm를 최적 두께로 선택하였다.
4. 최적의 전단 조건 규명
온도와 전단 응력에 대한 최적의 전단 조건을 규명하였다.
도 3(a)를 참조하면, 고정 온도(150℃)에서 전단 응력이 5 kPa에서 27 kPa로 증가함에 따라 정렬 품질이 향상되었다.
도 3(b)에 도시 된 바와 같이, 필름은 150℃ 및 170℃의 온도에서 전단되었다.
고정된 전단 응력(5 kPa)에서 온도를 증가시킬 경우 잘 정렬된 구조가 얻어졌음을 확인하였다(도 3(b) 참조).
고온에서 정렬 품질이 향상된 사실로부터 충분한 이동성을 제공하는 것이 중요하다는 것을 확인하였다.
높은 온도와 높은 응력은 정렬 품질을 향상시키는 데 효과적이며, 최상의 조건은 170℃ 및 20 kPa였음을 확인하였다.
<실험예 2> 금이 로딩된 PS-b-P2VP 박막 상에 형성된 마이크로 패턴 분석
계층 구조 패터닝을 입증하기 위해 직경 2.5 ㎛의 실린더 형상의 마이크로 패턴을 사용하였다.
네거티브톤 포토레지스트 및 포지티브톤 포토레지스트를 이용하였다.
그러나, 네거티브톤 포토레지스트의 경우 포토레지스트 패턴과 PS-b-P2VP 박막 사이의 상호 작용 때문에 마이크로 패턴이 명확하게 현상되지 않았다(도 4 참조).
포지티브톤 포토레지스트를 이용할 경우 리프트-오프 공정 후 금속 나노선의 정렬의 방해 없이 바로 마이크로 패턴을 형성할 수 있음을 확인하였다.
도 5(a)는 포지티브톤 포토레지스트 패턴이 PS-b-P2VP 박막에서 잘 생성되었음을 나타낸 저배율 이미지로서, 도 5(a)를 참조하면, 포지티브톤 포토레지스트에 대한 포토리소그래피 공정은 금속-로딩된 PS-b-P2VP 박막 상에 날카롭고 균일한 마이크로 어레이를 생성함을 알 수 있다.
PS-b-P2VP 박막 나노 패턴은 금을 로딩한 후에 중합체 사슬 이동성이 현저하게 감소되었기 때문에 포지티브톤 포토레지스트 공정 중에 정렬을 유지할 수 있다.
또한, 포토레지스트가 코팅되지 않은 영역에서 금 나노 패턴을 관찰할 수 있었고, 초기 정렬 품질을 유지하였음을 확인하였다(도 5(b) 참조).
<실험예 3> 최적의 RIE 공정 조건 규명
에칭 조건은 나노선 정렬의 최종 품질에 영향을 미칠수 있으므로, 최적의 RIE 공정 조건을 규명하였다.
구체적으로, 포지트브톤 포토레지스트를 현상한 후, O2 RIE 공정을 통해 PS 매트릭스를 제거하여 포토레지스트가 코팅되지 않은 영역에서 금 나노선이 나타났다.
도 6(b)는 O2 RIE 공정 후의 실린더 형상의 마이크로 패턴에 나타난 금 나노선을 나타낸 도면이다.
PS 동종중합체(homopolymer) 막-에칭 속도(65.7 nm/min)에 기초하여 주어진 에칭 조건(60 W, 10 mTorr, 10 sccm)에 대한 PS 매트릭스의 에칭 시간을 계산하였다(도 6(d) 참조).
그러나, PS-b-P2VP에서 PS 매트릭스에 대한 에칭 시간은 PS 동종중합체가 금속 나노선을 드러내기 위해 계산된 것보다 1.5배 이상 필요했다.
주어진 압력에서 RIE 시간을 체계적으로 증가시킴에 따라 구조에 미치는 영향을 확인하였다(도 7 참조).
도 7(a) 및 도 7(b)의 우측 이미지는 리프트-오프(15분 동안 톨루엔에서 초음파 처리) 공정을 수행한 후의 구조를 나타내고 있다.
도 7(c)는 도 7(a)의 좌측 이미지인 단면 SEM 이미지로서, 30초의 RIE 공정이 중합체 잔사를 완전히 제거하기에는 불충분하다는 것을 명확하게 보여주며, 불충분한 에칭은 리프트-오프(톨루엔에서의 초음파 처리) 후에 나노 패턴을 파괴함을 확인하였다(도 6(c) 및 도 7 참조).
PS 동종중합체 에칭과 비교하여, PS-b-P2VP의 선택적 에칭이 특히 이방성 에칭에서 나노 패턴에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에, PS-b-P2VP 나노선에서 PS 매트릭스를 제거하는데 더 긴 에칭 시간이 필요했다.
또한, O2 RIE 공정 후 금 나노선의 품질을 향상시키기 위해 에칭 전력의 영향을 조사하였다.
에칭 전력이 증가하면(도 8 참조), RIE 공정 중에 종종 형성되는 금 클러스터가 방지되어 금 나노선의 품질을 향상시킬 수 있다.
<실험예 4> 리프트-공정 후 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선의 구조 분석
RIE 공정은 포토레지스트가 코팅되지 않은 영역에서 잔류 고분자를 제거하고, 이어서 계속되는 리프트 오프(lift-off)는 포토레지스트 잔류물을 제거하여 나노 패턴을 마이크로 패턴에 남겨 두었다.
포토레지스트의 리프트-오프는 톨루엔으로 초음파 처리하여 수행할 수 있으며, 상온에서 필름을 톨루엔에 침지시킨 후 15분 동안 초음파 처리하였다.
도 9(a)는 원형의 마이크로 패턴에서 정렬된 금속 선을 나타내고 있다.
도 9(a)의 저배율 SEM 이미지를 참조하면, 금 나노선 패턴이 포토리소그래피 공정을 통해 생성된 미세 구조(왼쪽)에 형성되었고, 1.2 × 1.2 cm2 영역의 마이크로 패턴에서 잘 정렬된 금 나노선이 제조되었음을 확인하였다.
또한, 도 9(b)의 다양한 RIE 시간에서 생성된 구조물의 밝은 영역에서의 고배율 SEM 이미지를 나타내고 있다.
도 9(b)를 참조하면, 80초 이상 RIE 공정을 수행할 경우 미세 구조가 형성됨을 확인하였다.
본 발명은 추가적인 패턴 전사 또는 희생층(sacrificial layer)을 필요로 하지 않으며, 직접적인 포토리소그래피 공정을 사용하여 전체 제조공정을 단순화시킬 수 있다.
또한, 넓은 영역에서 장거리 질서를 갖는 정렬된 나노선을 쉽게 제조할 수 있어 다양한 나노 패턴 분야에서 널리 사용되어 나노 패턴의 다양성을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 기판 상에 블록공중합체 용액을 적하하고 스핀코팅시켜 블록공중합체 박막을 제조하는 단계;
    상기 스핀코팅된 블록공중합체 박막을 전단 정렬시키는 단계;
    상기 전단 정렬된 블록공중합체 박막을 금속 전구체 용액에 침지시켜 금속이 로딩된 블록공중합체 박막을 제조하는 단계;
    상기 금속이 로딩된 블록공중합체 박막에 포토레지스트 박막을 코팅시키는 단계;
    상기 코팅된 포토레지스트 박막을 포토 패터닝시킨 후 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 단계; 및
    상기 에칭 후 리프트-오프하여 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 단계
    를 포함하며,
    상기 블록공중합체는,
    폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine)), 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐피리딘)(polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine)), 및 폴리메틸메타크릴레이트-블록-폴리(2-비닐피리딘)(poly(methylmethacrylate)-block-poly(2-vinylpyridine))으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 블록공중합체 박막은,
    평균 두께가 30 내지 60 nm이며,
    상기 블록공중합체 박막을 전단 정렬시키는 단계는,
    스핀코팅된 블록공중합체 박막을 150 ℃ 내지 190℃에서 5 내지 40 kPa의 전단 응력을 가하여 전단 정렬시키는 것을 특징으로 하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속 전구체는,
    금 전구체, 백금 전구체, 팔라듐 전구체, 철 전구체, 코발트 전구체, 구리 전구체 및 니켈 전구체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 단계는,
    코팅된 포토레지스트 박막을 포토 패터닝시킨 후 30 내지 100 W, 8 내지 30 mTorr, 및 8 내지 30 sccm의 조건으로 에칭하여 블록공중합체를 제거하는 것을 특징으로 하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 단계는,
    10 내지 20분 동안 톨루엔으로 초음파 처리하여 포토레지스트가 코팅된 영역의 나노패턴을 제거하는 것을 특징으로 하는, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선 제조방법.
  12. 청구항 5항, 청구항 9 내지 청구항 11항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된, 마이크로패턴 내부에 정렬된 금속 나노선.
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