KR102105881B1

KR102105881B1 - 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법

Info

Publication number: KR102105881B1
Application number: KR1020180006986A
Authority: KR
Inventors: 안치원; 송태은; 전환진; 한희
Original assignee: 한국과학기술원; 한국산업기술대학교산학협력단
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2020-04-29
Also published as: KR20190088650A

Abstract

본 발명은 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 스퍼터링을 통해서 3차원의 초고해상도 나노구조 패턴을 만든 뒤에 초미세나노구조물이 이온 용액에 투입되고, 초미세나노구조물에 미리 설정된 전류를 가하여 상기 이온이 상기 초미세나노구조물의 표면에 미리 설정된 두께만큼 증착되도록 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법 {NANOPATTERNING TECHNIQUE COMPRISING SECONDARY SPUTTERING PROCESS AND NANOSCALE ELECTROPLATING PROCESS}

본 발명은 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 스퍼터링을 통해서 3차원의 초고해상도 나노패턴을 만든 뒤에 전기도금을 이용하여 이 패턴의 크기를 자유자재로 조절하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 전기/전자 소자를 비롯한 다양한 소자 기술에서는 소자의 표면상에 패턴을 형성해야 한다. 이 때 소자의 소형화와 고성능화를 이루기 위해서는 100 nm 이하의 해상도의 나노패턴을 구현해야 한다.

나노패턴은 소자의 종류에 따라서 제조 기술이 상이하다. 본 발명에서 다룰 리소그래픽(lithographic) 기술은 이중 하나의 기술이다. 리소그래픽 계열의 나노패턴닝 기술과, 이외에 다른 대체 가능한 기술들이 아래와 같이 이제까지 개발되어왔다.

종래에 가장 많이 보급된 방법은 포토리소그래피(photolithography) 기술이다. 이 기술은 경제적이고 상업적이며 100nm이하 구조를 대량생산 할 수 있어 굉장히 인기가 많았다.

하지만 포토리소그래피 기술에도 단점이 있다. 포토리소그래피는 종횡비가 큰, 즉 넓은 면적에 걸쳐 패터닝을 할 경우, 그 제작이 어렵기 때문에 가격이 급격하게 증가하게 된다.

이에 따라 최근에 여러 대체 방법들이 제시되고 있다. 이중에는 나노임프린트기술(nanoimprint technology), 모세관기술(capillary force technology), 다공질블록기술(colloidal block technology) 공중합체기술(copolymer technology), 에지리소그래피(edge lithography) 등이 있다.

이러한 대체 방법들은 고해상도의 패터닝은 구상이 가능하지만, 여전히 고가의 제작비가 요구되며, 장비가 대중화가 되어있지 않고, 나아가 결과물에 하자가 있을 가능성이 크다.

따라서 본 발명은 앞선 기술들과 차별화를 위해 정 그룹(Jung Group)이 비교적 최근 개발한 2차스퍼터링기술(secondary sputtering lithography)을 발명의 일부로 채용하였다.

2차스퍼터링기술이란 플라즈마이온에칭(plasma ion etching)을 할 때 일어나는 현상으로, 플라즈마 이온 에칭으로 인해 식각된 목표물질의 분진이 프리패턴에 스퍼터링하여 결국 나노패턴을 형성하는 것이다.

2차스퍼터링기술은 초고해상도(10nm 단위)의 나노패턴을 만들 수 있으며, 3차원 구조의 패턴을 만들 수 있다. 또한 가장 큰 장점은 플라즈마 이온 에칭을 사용하기 때문에 넓은 부위에 걸쳐 높은 종횡비의 패턴을 구사할 수 있다는 점과 대중적인 장비를 이용할 수 있다는 점이다.

본 발명에서 사용하는 전기화학적 미세 제어 증착 기술은 전기도금 기술의 한 종류이다. 표적물질과 동일한 성분으로 이루어진 이온이 용해된 용액에 표적물질을 넣고 전류를 가해줄 경우 금속의 환원작용이 이루어지며 전기도금이 된다. 종래에는 주로 나노패턴을 만드는 과정에서 2차스퍼터링기술과 전기도금을 같이 사용하는 시도가 없을 뿐만 아니라 전기도금을 하는 과정에서 주로 직류를 사용하는 경우가 대부분이었다. 하지만 후술하는 바와 같이 펄스식 전류는 다른 형태의 전류보다 장점이 매우 많다.

이 때 전류를 직류로 가해줄 경우 전류밀도라는 척도로 인해서만 도금 상태를 조절하기 때문에 미세 제어가 불가능하다. 따라서 전류밀도와, 최대전류구간 시간, 최소전류구간 시간 이 세가지 요소를 제어할 경우 무한하게 다양한 조건을 형성할 수 있기 때문에 도금 상태를 미세하게 제어할 수 있다.

종래 기술에서 살펴본 바와 같이, 종래의 기술보다 품질적으로, 비용적으로 또한 시간적으로 월등히 뛰어난 나노패터닝 방법이 필요하다.

미국 등록특허 12190607

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 2차 스퍼터링을 통해서 3차원의 초고해상도 나노구조 패턴을 만든 뒤에 전기도금을 이용하여, 나노패턴의 분해능을 조절하기 위함이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, a) 유동성을 가지는 프리패턴물질이 표적물질의 표면 위에 도포되어 프리패턴물질 박막이 형성되는 단계, b) 상기 프리패턴물질 박막 상부에 패턴이 형성되어 있는 몰드가 미리 설정된 간격으로 배치되어 상기 프리패턴물질을 가압함으로써 상기 몰드에 형성된 패턴과 대응되도록 상기 프리패턴물질의 패턴전사가 이루어지는 단계, c) 상기 표적물질에 제1반응이온에칭(reactive ion etching)이 수행되는 단계, d) 상기 제1반응이온에칭에 의해 상기 패턴 사이로 채워지지 않은 상기 표적물질 위에 남아있는 잔여 프리패턴물질이 식각되는 단계, e) 상기 표적물질에 플라즈마이온에칭(plasma ion etching)이 수행되는 단계, f) 상기 플라즈마이온에칭의 부산물이 정전기적 전위차에 의해 상기 프리패턴의 옆면에 스퍼터링(sputtering) 하여 초미세나노구조물이 형성되는 단계, g) 상기 초미세나노구조물이 이온 용액에 투입되고, 상기 초미세나노구조물에 미리 설정된 전류를 가하여 상기 이온이 상기 초미세나노구조물의 표면에 미리 설정된 두께만큼 증착되도록 조절되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 f) 단계와 g) 단계 사이에, 상기 표적물질에 제2반응이온에칭이 수행되는 단계; 및 상기 c) 내지 상기 f)단계를 거친 후에 삽입부에 남은 상기 프리패턴물질이 상기 제2반응이온에칭 후에 식각되는 단계;를 더 포함하며, 위 두 단계는 동시에 일어나는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b)단계의 상기 몰드는 실리콘 계열의 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어져있으며, 상기 프리패턴물질 박막 층의 가운데에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계 및 d) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 e) 단계 및 f) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 f) 단계의 상기 초미세나노구조물은 미리 설정된 두께가 되면 더 이상 상기 부산물이 스퍼터링되지 않아 해당 두께가 유지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 g) 단계의 상기 전류는, 펄스형태로 걸어주어 주기적으로 최고치와 최저치를 띄며, 이로 인해 상기 이온이 증착되는 양을 미세하게 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 프리패턴물질은 폴리스티렌인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서 프리패턴물질을 프리패턴으로 변화시키는 과정은, 상기 표적물질 위에 패턴이 형성된 상기 프리패턴물질을 가열하는 공정인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c)단계의 제1반응이온에칭은, 상기 제1반응이온에칭이 일어나는 채임버의 산소가 40sccm, 사불화탄소가 60sccm, 압력이 20mTorr, 파워밀도가 80W인 상태로 진행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2반응이온에칭은, 상기 제2반응이온에칭이 일어나는 채임버의 산소가 100sccm인 상태로 20분간 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법으로 만들어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 종래에 만들어진 나노패턴에 비해 품질적으로, 비용적으로 또한 시간적으로 뛰어나다는 것이다.

우선 품질을 논하기 위해서는 분해능이라는 척도가 필요하다. 분해능이란 나노패턴을 얼마나 미세한 단위까지 조절할 수 있는지를 의미하는 것이다. 일반적으로 근래의 추세를 따르기 위해서는 100nm이하의 분해능이 필요하다. 종래에 가장 많이 보급된 방법은 포토리소그래피(photolithography)의 경우에도 10nm급의 해상도를 구현을 할 수 있다. 이와 마찬가지로 본 발명 또한 10nm급의 해상도를 구현을 할 수 있다.

나아가 본 발명은 나노패턴을 구현함에 있어서 용액기반의 전기화학적 도금과정을 거치기 때문에 훨씬 더 섬세하게 나노패턴을 만들 수 있다. 즉 본 발명은 높은 분해능을 구사할 수 있을 뿐만 아니라 분해능 자체를 자유자제로 조절할 수 있다.

본 발명의 종래의 기술들 보다 비용 면에서도 훨씬 뛰어나다. 위에서 언급한 포토리소그래피의 경우 본 발명과 같이 대중적인 패터닝 머신으로도 제작이 가능하다. 하지만 포토리소그래피의 경우 넓은 면적에 걸쳐 패터닝을 할 경우, 그 제작이 어렵기 때문에 가격이 급격하게 증가하게 된다.

그에 비해 본 발명에서 이용하는 2차스퍼터링기술과 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방식은 모두 제조 비용이 표적물질의 면적에 큰 영향을 받지 않는다. 2차스퍼터링기술은 플라즈마 이온 에칭을 사용하기 때문에 넓은 부위에 걸쳐 높은 종횡비의 패턴을 구사할 수 있다. 따라서 본 발명은 표적물질의 종횡비가 큰 경우에도 비용이 비교적 저렴하다. 또한 용액기반의 전기화학적 미세 제어 증착 기술은 이온이 용해된 용액에 표적물질을 넣고 전류를 가하는 것이기 때문에, 용액이 담긴 수조의 크기만 준비가 되어있다면, 표적물질의 면적은 문제가 되지 않는다.

아울러 본 발명은 분해능을 자유롭게 조절할 수 있다. 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 기술을 이용할 시에 전류밀도와, 최대전류구간 시간, 최소전류구간 시간 이 세가지 요소를 제어할 경우 분해능을 아주 미세하게 제어할 수 있다. 따라서 본 발명을 이용할 경우 분해능 조절 실패로 제작품을 폐기 처분하는 경우가 상대적으로 줄어든다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드에 의한 프리패턴물질의 패턴전사를 도시한 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리패턴이 만들어진 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리패턴 옆면에 스퍼터링 된 모식도이다.
도 4a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세나노구조물이 형성된 모식도이다.
도 4b 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세나노구조물이 형성된 모식도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 기술의 모식도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착기술의 전류밀도 조절 그래프이다.
도 7 (a), (b), (c) 는 각각 60분간 펄스 전류를 가한 후 (a) Si 웨이퍼, (b) 글래스, (c) PC 필름 상에 금(Au)이 증착된 디지털 사진이다.
도8 은 펄스 전류가 가해지는 시간에 따라 금(Au)이 증착된 나노구조 및 두께의 선형적 변화를 도시한 그래프 및 사진이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

나노패턴의 제작법에 대해 논하기에 앞서, 나노패턴이 무엇인지 먼저 파악해야 한다. LED조명, 태양전지, 반도체와 같이 정밀한 회로를 요하는 제품은 일정한 재료로 이루어진 초미세나노구조물(500)을 만들 필요성이 있다. 이 초정밀 구조물의 전반적인 형태를 나노패턴이라고 한다.

또한 나노패터닝이란 1nm에서 100nm의 크기를 갖는 구조를 만드는 기술을 의미한다. 이 기술에는 여러가지 종류가 있다. 전자빔을 이용하는 기술, 이온빔을 이용하는 기술, 광자빔을 이용하는 기술등이 있다. 나노패턴은 소자의 종류에 따라서 제조 기술이 상이하다. 본 발명에서 다룰 리소그래픽(lithographic) 기술은 이중 이온빔을 이용하는 기술이다.

종래에 가장 많이 보급된 방법은 포토리소그래피(photolithography) 기술이다. 이 기술은 경제적이고 상업적으로 100nm이하 구조를 대량생산 할 수 있어 굉장히 인기가 많았다.

하지만 포토리소그래피 기술에도 단점은 있었다. 포토리소그래피는 종횡비가 큰, 즉 넓은 면적에 걸쳐 패터닝을 할 경우, 그 제작이 어렵기 때문에 가격이 급격하게 증가하게 된다.

2차 스퍼터링 기술이란 플라즈마 이온 에칭(plasma ion etching)을 할 때 일어나는 현상으로, 플라즈마 이온 에칭으로 인해 식각된 목표물질의 분진이 프리패턴물질에 스퍼터링하여 결국 나노패턴을 형성하는 것이다.

2차 스퍼터링 기술은 초고해상도(10nm 단위)의 패턴을 만들 수 있으며, 3차원 구조의 패턴을 만들 수 있다. 또한 가장 큰 장점은 플라즈마 이온 에칭을 사용하기 때문에 넓은 부위에 걸쳐 높은 종횡비의 나노패턴을 구사할 수 있다는 점과 대중적인 장비를 이용할 수 있다는 점이다.

그렇다면 이하에서는 2차스퍼터링 기술 분야의 본 발명에 대하여 설명하여 본다.

초미세나노구조물(500)을 이루는 물질을 표적물질(100)이라고 한다. 본 발명에서는 일 실시예로 표적물질(100)은 플라즈마 이온 에칭이 가능한 메탈로 금이 될 수 있다. 표적물질(100)은 그 자체로 처음에는 평평한 판을 이룬다. 그 평평한 판에 프리패턴(400)을 만들고, 프리패턴(400)을 틀 삼아 초미세나노구조물(500)을 만드는 것이다.

도 1 에서 도시된 바와 같이, 프리패턴(400)을 만들기 위해서는 표적물질(100) 이외에 프리패턴물질(200)과 몰드(300)라는 것이 필요하다. 프리패턴물질(200)은 폴리스티렌(polystyrene)으로 만들어질 수 있고 몰드(300)는 PDMSprepolymer(sklgard 184A/B=10:1, Dow Corning)으로 만들어질 수 있다. 몰드(300) 같은 경우, 제조자가 원하는 형상대로 만들어져야 되기 때문에 몇가지 과정을 거쳐서 만들어진다. 일 실시예로, 우선 실리콘 마스터에 PDMS prepolymer 반죽을 주입하고, 반죽 속의 공기방울을 제거한 뒤에 80°c에서 두 시간 가량 굳히는 방법이 있다.

프리패턴물질(200)과 몰드(300)의 속성을 이용한 아래와 같은 몇 가지 과정을 거쳐서 프리패턴(400)이 만들어진다.

우선 유동성을 가지는 프리패턴물질(200)을 표적물질(100) 위에 도포하여 프리패턴물질(200) 박막을 만든다. 도포하는 방식은 다양하며, 일 실시예로 스핀코팅기법(Spin-coating)을 이용하는 것이다. 스핀코팅기법이란, 스핀 코팅은 UV 경화수지를 광 디스크 표면 등에 코팅하는 방법이다. 스핀코팅(회전도포)은 감광제(광경화성 수지)를 웨이퍼(반도체 기판)에 바를 때 가장 널리 사용되는 기법이다. 스핀 코팅이란 유체를 기판 위에 미리 배치 시킨 후, 기판을 매우 빠른 속도로 회전시키면서 원심력에 의해 유체를 펼치게 된다.

스핀코터는 평평한 웨이퍼나 평판에 얇게 막을 형성하는 것으로 박막 공정의 기본 장비이다. 평판 위에 코팅하고자 하는 물질(PR 또는 액상의 물질)을 놓고 회전을 시키면 얇은 막이 형성된다.

이후, 프리패턴물질(200) 박막 상부에 패턴이 형성되어 있는 몰드(300)를 미리 설정된 간격으로 배치한 후, 몰드(300)에 의하여 유동성을 가지는 프리패턴물질(200)을 가압함으로써, 몰드(300)에 미리 형성되어 있는 패턴 사이로 프리패턴물질(200)이 채워지게 되면서, 프리패턴물질(200)은 몰드(300)의 패턴과 대응되도록 형성된다. 즉, 고분자의 유동성을 이용하여 프리패턴물질(200) 표면위에 몰드(300)을 눌러주게 되면 유동성을 가지고 있는 프리패턴물질(200)이 압력을 받아 몰드(300) 패턴 사이로 채워지게 되면서, 프리패턴물질(200)의 패턴전사가 이루어지게 되는 것이다.

그 다음으로는 도 2 에서 도시된 바와 같이, 프리패턴물질(200)을 미리설정된 시간동안 가열시키면 프리패턴물질(200)을 경화시키면서 프리패턴(400)이 형성되는 것이다. 보통, 고분자의 유리 전이온도(Tg)와 연관성이 높으며, 스핀 코팅을 한 물질은 유동성을 가지고 있기에, 경화를 시킴으로써 패턴이 형성될 수 있다. 이때 가열온도와 시간의 일 실시예로 135°c로의 45분동안 진공에서 가열할 수 있다.

위의 과정들이 끝나고 표적물질(100)에 제1반응이온에칭(reactive ion etching)을 하는 패턴 사이로 채워지지 않은, 즉 표적물질 위에 있는 잔여 프리패턴물질(200)이 식각된다. 이 때 제 1 반응이온에칭 조건의 일 실시예로 기계 내 채임버의 산소가 40sccm, 사불화탄소가 60sccm, 압력이 20mTorr, 파워밀도가 80W인 상태로 진행될 수 있다. 이러한 조건 하에서는 몰드(300)는 아무런 영향을 받지 않고 그 상태를 유지할 수 있다.

그 다음으로, 도 3에서 도시된 바와 같이 표적물질(100)에 플라즈마이온에칭(plasma ion etching)을 수행하게 된다. 바로 이 단계에서 2차 스퍼터링이 일어나게 된다. 2차 스퍼터링이란 플라즈마이온에칭(plasma ion etching)을 할 때 일어나는 현상으로, 플라즈마 이온 에칭으로 인해 식각된 목표물질의 분진이 프리패턴(400)에 스퍼터링하여 초미세나노구조물(500)을 형성하는 것이다. 이때 목표물질의 분진이 프리패턴(400)에 스퍼터링하는 이유는 정전기적 전위차 때문이다. 스퍼터링 현상은 주로 프리패턴(400)의 옆면에서 발생하며, 이 때문에 초미세나노구조물(500)은 프리패턴(400)의 옆면을 따라서 평행하게 생긴다.

초미세나노구조물(500)이 만들어진 다음에는 삽입부에 남은 프리패턴물질(200)을 식각해야 하며, 이는 제2반응이온에칭을 통해 이루어진다. 도 4a와 도 4b 는 서로 다른 나노패턴을 갖고 있으나, 이를 확대해볼 경우 보이는 바와 같이 초미세나노구조물(500)이 평행하게 배열되어 있다. 이 원리는 앞서 설명한 제1반응이온에칭과 동일하며, 조건에 대한 일 실시예로 기계의 채임버의 산소가 100sccm인 상태로 20분간 진행되는 것이 있다.

초미세나노구조물(500)의 형태는 도 4a 및 도 4b에서 도시된 바와 같다. 도 4a와 도 4b 는 서로 다른 패턴을 갖고 있으나, 이를 확대해볼 경우 보이는 바와 같은 초미세나노구조물(500)인 판이 평행하게 배열되어 있다.

초미세나노구조물(500)의 분해능은 2차 스퍼터링을 진행할 때 전위차를 바꿔가며 조절할 수 있다. 특히 초미세나노구조물(500)이 일정 두께 이상이 되면 전위차가 더 이상 걸리지 않아 두께가 더 이상 늘어나지 않기 때문에, 2차스퍼터링 만으로도 일정한 두께의 초미세나노구조물(500)을 제작할 수 있다. 하지만 후술하는 바와 같이 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법을 쓰게 되면 더 세밀하게 분해능 조절이 가능하다.

도 5 에서 도시된 바와 같이 이온용액(600)을 준비하고, 이때의 이온은 표적물질(100)과 같은 성분으로 한다. 그 다음에 표적물질(100)과 같은 성분으로 이루어진 초미세나노구조물(500)을 이온용액(600)에 넣고 미리 설정된 전류를 가하면 이온이 초미세나노구조물(500)의 표면에 미리 설정된 두께만큼 증착된다.

펄스 전류의 주파수(The pulse rate, frequency) 및 ON/OFF 시간(duty cycle)은 특정한 목적에 맞도록 조절될 수 있는데, 구체적인 펄스 전류의 형상은 도 6 에 도시된 바와 같다.

도 6은 작동의 일정한 전류 모드를 도시한 것인데, 펄스가 ON 되는 시간 동안 전압을 다양하게 인가하면서 펄스 전류의 상단부는 평평하게 유지될 수 있다.

이와 같은 펄스 전류를 사용하는 것의 장점은 다음과 같다.

- 펄스 전류는 밀집한 좋은 알갱이를 증착함에 있어 최종 요구조건을 만족시키기 위하여 금 사용량을 절감할 수 있다.

- 도금 속도를 일반적으로 증가시킬 수 있으며, 직류 DC 를 사용하는 경우에 비하여 전류 효율이 상대적으로 좋다.

- 대부분의 케이스에서, 생체 첨가제의 사용을 50 내지 60% 절감할 수 있다.

- 펄스 코팅으로 인하여, 1) 수지상의 성장을 방지하고, 2) 정교한 결정체 구조를 가질 수 있고, 3) 코팅층이 부드럽고, 4) 미세 구멍으로부터 거의 자유로우며, 5) 직류 DC 를 사용하는 경우에 비하여 전류 효율이 상대적으로 좋다.

뿐만 아니라, 펄스 도금과정이 매우 단순해지는데, 음극 (cathode) 필름이 최대한 많은 금속 이온을 유지하도록 할 수 있다. 전류가 흐르는 기간 동안, 음극 주위의 금속 이온은 고갈되는 동시에 물 분자가 풍부한 층이 남게 된다.

전류가 차단될 때의 사이클 동안, 도금 용액으로부터의 금속 이온은 음극 주위의 층으로 널리 분산되며, 이러한 과정이 계속해서 반복된다. 또한 전류가 차단되는 시간 동안, 음극에 흡수된 가스 기포와 불순물은 제거될 수 있다.

전류가 흐르는(ON) 시간은 0.1 에서 1 밀리초 (milliseconds) 이고, 전류가 차단되는(OFF) 시간은 1 에서 10 밀리초 (milliseconds) 이다. 전류가 흐르는 시간 동안 전류의 범위는 50uA 내지 1mA 이고, 전류가 차단되는 시간 동안의 전류의 범위는 0 이다.

상기 도금 변수를 변화시키면서, 물리적인 또는 화학적인 증착 물성치들은 정교하게 조절될 수 있다. 전류가 흐르는 시간을 0 min 에서 60 min 까지 조절하면서 금속 이온 (특히 Au) 의 증착 두께를 10nm 내지 110nm 까지 점차적으로 늘릴 수 있다.

본 발명에서 사용하는 전기화학적 미세 제어 증착기술은 전기도금 기술의 한 종류이다. 표적물질과 동일한 성분으로 이루어진 이온이 용해된 용액에 표적물질을 넣고 전류를 가해줄 경우 금속의 환원작용이 이루어지며 도금이 된다. 이 때 전류는 직류뿐만 아니라 펄스 형식으로도 가해질 수 있다. 어떠한 형태의 전류를 가하던 초미세나노구조물(500)의 두께가 굵어지게 된다. 하지만 본 발명의 목적과 같이 섬세하게 분해능을 조절하기 위해서는 최대한 조작 가능한 요소가 많은 형태의 전류를 선택해야 한다.

직류 전류의 경우 전류밀도라는 하나의 조작 가능한 요소가 있다. 반면 펄스 전류의 경우 도 6 에서 도시된 바와 같이 전류밀도, 최대전류구간 시간, 최소전류구간 시간 이 세가지 요소를 제어할 경우 무한하게 다양한 조건을 형성할 수 있기 때문에 도금 상태를 미세하게 제어할 수 있다. 따라서 펄스전류를 이용하는 것이 직류전류 보다 더 유리하고 볼 수 있다.

결론적으로 2차스퍼터링 현상과 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 기술을 동시에 채택하는 방법은, 종래에는 시도된 적이 없는 방법으로 그 효과 또한 매우 뛰어나다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 표적물질 200 : 프리패턴물질
300 : 몰드 400 : 프리패턴
500 : 초미세나노구조물 600 : 이온용액

Claims

a) 유동성을 가지는 프리패턴물질이 표적물질의 표면 위에 도포되어 프리패턴물질 박막이 형성되는 단계;
b) 상기 프리패턴물질 박막 상부에 패턴이 형성되어 있는 몰드가 미리 설정된 간격으로 배치되어 상기 프리패턴물질을 가압함으로써 상기 몰드에 형성된 패턴과 대응되도록 상기 프리패턴물질의 패턴전사가 이루어지는 단계;
c) 상기 표적물질에 제1반응이온에칭(reactive ion etching)이 수행되는 단계;
d) 상기 제1반응이온에칭에 의해 상기 패턴 사이로 채워지지 않은 상기 표적물질 위에 남아있는 잔여 프리패턴물질이 식각되는 단계;
e) 상기 표적물질에 플라즈마이온에칭(plasma ion etching)이 수행되는 단계;
f) 상기 플라즈마이온에칭의 부산물이 정전기적 전위차에 의해 상기 프리패턴의 옆면에 스퍼터링(sputtering) 하여 초미세나노구조물이 형성되고, 정전기적 전위차를 조절하여 상기 초미세나노구조물의 두께를 조절하는 단계; 및
g) 상기 초미세나노구조물이 이온 용액에 투입되고, 미리 설정되고 펄스형태로써 주기적으로 최고치와 최저치를 띄는 펄스 전류를 상기 초미세나노구조물에 가하고, 상기 이온이 상기 초미세나노구조물의 표면에 미리 설정된 두께만큼 증착되도록 상기 펄스 전류의 전류밀도, 최대전류구간 시간 또는 최소전류구간 시간 중 선택되는 하나 이상이 조절되는 단계;를 포함하고,
상기 f) 단계에서의 정전기적 전위차를 조절에 의한 상기 초미세나노구조물의 두께 조절과 상기 g) 단계에서의 펄스 전류 조절에 의한 이온이 증착되는 양 제어에 의해 상기 초미세나노구조물의 두께 조절이 순차적으로 수행됨으로써, 상기 초미세나노구조물의 분해능이 증대되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 f) 단계와 g) 단계 사이에,
상기 표적물질에 제2반응이온에칭이 수행되는 단계; 및
상기 c) 내지 상기 f)단계를 거친 후에 삽입부에 남은 상기 프리패턴물질이 상기 제2반응이온에칭 후에 식각되는 단계;를 더 포함하며,
위 두 단계는 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 b)단계의 상기 몰드는 실리콘 계열의 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어져있으며,
상기 프리패턴물질 박막 층의 가운데에 삽입되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법..
제1항에 있어서,
상기 c) 단계 및 d) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 e) 단계 및 f) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 f) 단계의 상기 초미세나노구조물은 미리 설정된 두께가 되면 더 이상 상기 부산물이 스퍼터링되지 않아 해당 두께가 유지되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 프리패턴물질은 폴리스티렌인 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계에서 프리패턴물질을 프리패턴으로 변화시키는 과정은,
상기 표적물질 위에 패턴이 형성된 상기 프리패턴물질을 가열하는 공정인 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 c)단계의 제1반응이온에칭은,
상기 제1반응이온에칭이 일어나는 채임버의 산소가 40sccm, 사불화탄소가 60sccm, 압력이 20mTorr, 파워밀도가 80W인 상태로 진행되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제2항에 있어서,
상기 제2반응이온에칭은,
상기 제2반응이온에칭이 일어나는 채임버의 산소가 100sccm인 상태로 20분간 진행되는 것을 특징으로 하는 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법.
제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 나노패턴의 분해능 제어를 위한 용액기반의 전기화학적 미세제어 증착 방법으로 제작되는 것을 특징으로 하는 나노패턴.