KR20040026769A - 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임의의 패턴을 갖는 주형과 박막 표면상에서 발생하는 좌굴 현상을 이용하는 간단한 공정을 통해 기판 상에 목표로 하는 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 형성할 수 있도록 한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 포토리소그라피 방법, 각인 방법, 미세 접촉 프린팅 방법, 모세관력 리소그라피 방법, 연성 성형법 등을 이용하여 미세 패턴을 형성하는 종래 기술과는 달리, 다층 구조의 박막이 형성된 기판 상에 목표 형상을 갖는 고분자 주형을 밀착 접촉시키고, 열처리를 통해 하부층에 유동성을 부여하여 계면간 응력 발생에 기인하는 좌굴 현상을 유도하며, 좌굴 현상을 고분자 주형의 형상에 따라 물리적으로 제어하는 간단한 공정을 통해, 기판 상에 목표로 하는 다양한 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 확실하게 형성할 수 있는 것이다.

Description

좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법{METHOD FOR FABRICATING MICRO PATTERN ON SURFACE BY USING BUCKLING PHENOMENON}

본 발명은 기판(예를 들면, 실리콘 기판, 세라믹 기판, 금속층, 고분자층 등) 상에 박막의 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광 프리즘(Polarizer), 홀로그램, 회절격자(Grating), 반사판 등에 사용하는데 적합한좌굴(Buckling) 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 전기, 전자, 디스플레이, 광학 소자 등을 제조할 때 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 공정을 수행하게 되는 데, 이와 같이 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 대표적인 기법으로는 빛을 이용하여 미세 패턴을 형성하는 포토리소그라피(phtolithography) 방법이 있다.

상기한 포토리소그라피 방법에서는, 빛에 대한 반응성을 갖는 고분자 물질(예를 들면, 포토레지스트 등)을 패터닝하고자 하는 물질이 적층(또는 증착)된 기판 상에 도포하고, 목표로 하는 임의의 패턴으로 설계된 레티클을 통해 고분자 물질 상에 빛을 투과시켜 노광하며, 현상 공정을 통해 노광된 고분자 물질을 제거함으로써, 패터닝하고자 하는 물질 위에 목표로 하는 패턴을 갖는 패턴 마스크(또는 식각 마스크)를 형성한다. 이후에, 패턴 마스크를 이용하는 식각 공정을 수행함으로써, 기판 상에 적층된 물질을 원하는 패턴으로 패터닝한다. 또한, 포토리소그라피 방법에서는 패터닝 공정 이외에도 식각, 세척, 증착 등과 같은 복잡한 공정이 필연적으로 수반된다.

최근 들어서는, 상기와 같이 복잡학 고비용적인 포토리소그라피 공정을 대체하기 위한 다양한 종류의 기술들이 제시되고 있으며, 이러한 대체 기술로서는 각인(imprinting) 방법, 미세 접촉 프린팅(micro-contact printing) 방법, 모세관력 리소그라피(capillary force lithography) 방법, 연성 성형(soft molding) 방법 등이 있다.

상기한 종래의 다양한 대체 기술들 중 각인 방법은 원하는 형상(패턴)을 가지고 있는 경도가 큰 패턴 주형을 물리적인 힘으로 가압하여 고분자 위에 미세 패턴을 형성하고, 예를 들면 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 등의 방법을 이용하여 이를 기판에 전송하는 방법이다.

그러나, 상기한 각인 방법은 가압할 때 높은 압력을 이용하기 때문에 고분자 박막 및 기판이 변형되거나 파손되는 현상이 야기된다는 치명적인 단점을 갖는다.

또한, 종래의 미세 접촉 프린팅 방법은 원하는 모양의 형상을 가지고 있는 탄성체 고분자 주형(mold)을 기판 상에 접촉시켜 표면 상태를 화학적으로 변화시키고 이를 통해 원하는 부분만을 남긴 후 식각하거나 선택적으로 증착하는 방법이다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 미세 접촉 프린팅 방법은 구현된 패턴의 분리도나 식각시의 선택성이 떨어진다는 단점을 갖는다.

다음에, 종래의 모세관력 리소그라피 방법과 연성 성형 방법은, 탄성의 고분자 주형을 박막 기판 상에 직접 접촉시킴으로써 물리적인 모세관력을 이용하여 원하는 형상의 미세 패턴을 구현하는 방법인 것으로, 이들 방법은 매우 저렴한 가격으로 대면적의 기판에 미세 패턴을 형성할 수 있는 장점을 갖는 반면에, 형성하고자 하는 패턴이 주형인 몰드의 역상에 직접적으로 의존하기 때문에 곡면 형태 등과 같은 다양한 패턴을 형성하는데는 기술적인 한계를 가질 수밖에 없었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 임의의 패턴을 갖는 주형과 박막 표면상에서 발생하는 좌굴 현상을 이용하는 간단한 공정을 통해 기판 상에 목표로 하는 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 형성할 수 있는 미세패턴 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 임의의 패턴 구조를 갖는 주형을 이용하여 기판 상에 목표로 하는 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 양각 부분과 음각 부분으로 된 임의의 패턴 구조를 갖는 주형을 준비하는 과정; 상기 기판 상에 하부층과 상부층으로 된 다층 박막을 형성하는 과정; 상기 주형을 상기 다층 구조에 접촉시킨 후, 상기 하부층과 상부층 간의 계면에 응력을 발생시켜 상기 상부층과 하부층의 계면에 좌굴 현상을 유도함으로써, 상기 다층 구조를 목표 형상으로 패터닝하는 과정; 및 상기 주형을 탈거하여 목표 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 형성하는 과정으로 이루어진 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법을 제공한다.

도 1a 내지 1d는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 좌굴 현상을 이용하여 기판 상에 박막의 미세 패턴을 형성하는 과정을 도시한 공정 순서도,

도 2a 및 2b는 본 발명에 따라 선형 주형을 이용하여 기판 상에 선형의 미세 패턴을 형성한 실험 예들을 도시한 예시도,

도 3a 및 3b는 본 발명에 따라 격자형 주형을 이용하여 기판 상에 격자형의 미세 패턴을 형성한 실험 예들을 도시한 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

102 : 기판 104 : 하부층

106 : 상부층 108 : 고분자 주형

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 핵심 기술사상은, 패터닝하고자 하는 형상을 갖는 고분자 주형(mold)을 준비하고, 유기물(고분자)-금속의 다층 구조가 적층된 기판 상에 접촉시킨 후 열처리 공정을 수행하여 주형의 패턴에 의해 제어되는 표면의 좌굴 현상을 유도함으로써 기판 상에 목표로 하는 형상의 미세 패턴을 한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

이때, 본 발명에서는 고분자 주형(PDMS 고분자 주형)뿐만 아니라 SiO₂등과 같은 무기물 주형이나 금속 이외의 계면간 응력을 발생시킬 수 있는 기타의 무기 주형을 사용할 수도 있다.

도 1a 내지 1d는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 좌굴 현상을 이용하여 기판 상에 박막의 미세 패턴을 형성하는 과정을 도시한 공정 순서도이다.

도 1a를 참조하면, 이 기술분야에 잘 알려진 스핀 코팅, 열 증착, 스퍼터링 등과 같은 공정을 순차 진행하여 기판(102) 상에 유기 물질(또는 무기 물질)(104a)과 금속 물질(106a)을 순차 형성하고, 준비된 탄성체의 고분자 주형(108)을 목표 위치에 정렬시킨다. 여기에서, 고분자 주형(108)은 기 제작된 원형 몰드에 PDMS 등을 주입시킨 후 경화시키고, 이를 원형 몰드로부터 탈착하는 방식 등을 통해 제작할 수 있다.

다음에, 탄성체의 고분자 주형(108)을 다층 박막 상에 밀착 접촉, 즉 일 예로서 도 1b에 도시된 바와 같이, 금속 물질(106a)에 밀착 접촉시킨 후 열처리 공정을 수행한다.

이때, 고분자 주형(108) 접촉 후의 열처리는, 금속 물질(106a)의 하부층이 유기물(고분자)인 경우 해당 고분자의 유리 전이 온도 이상의 조건으로 수행하고, 금속 물질(106a)의 하부층이 무기물인 경우 융점 이상의 조건으로 수행하며, 이와 같은 조건으로 열처리를 하게 되면, 다층 박막의 하부층(유기물 또는 무기물)만이선택적으로 유동성을 갖게 되므로 박막 층간의 계면(즉, 금속 물질(106a)과 유기 물질(또는 무기 물질)(104a)간의 계면)에서 유동과 열팽창성의 차이에 의해 응력(stress)이 발생하게 된다. 이때 발생하는 응력은 계면상에 축적되지만, 다층 박막이 포함할 수 있는 절대 응력치(critical stress)를 넘어서게 되면, 좌굴(buckling) 현상을 발생시켜서 축적된 응력을 발산하게 된다.

이러한 좌굴 현상은 표면 상에서 무작위적으로 발생하는 것이 일반적이지만, 본 발명에서와 같이 임의의 형상을 갖는 고분자 주형(108)이 밀착 접촉되어 있는 경우에는, 일 예로서 도 1c에 도시된 바와 같이, 접촉되어 있는 주형의 영향을 받기 때문에 주형의 패턴을 따라 좌굴 현상이 일정하게 발생하게 된다. 즉, 기판(102) 상에 형성된 유기 물질 또는 무기 물질(104a)과 금속 물질(106a)이, 좌굴 현상에 의해 변형되어 하부층(104)과 상부층(106)으로 되는 임의의 패턴으로 패터닝된다.

이어서, 열처리 공정을 종료하고 냉각 처리를 통해 온도를 냉각시킨 후 상부의 고분자 주형(108)을 제거함으로써, 일 예로서 도 1d에 도시된 바와 같이, 기판(102) 상에 일정한 곡면 형태를 갖는 박막의 미세 패턴이 완성된다.

즉, 본 발명에 따르면, 각인 방법, 미세 접촉 프린팅 방법, 모세관력 리소그라피 방법, 연성 성형법 등과 같은 기법을 통해 기판 상에 박막의 미세 패턴을 형성하는 전술한 종래 기술과는 달리, 좌굴 현상과 이를 유도하는 열처리를 이용하는 간단한 공정을 통해 기판 상에 목표로 하는 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 상기와는 달리, 원하는 형상을 갖는 박막의 금속층이 아닌 박막의 고분자 패턴을 얻고자하는 경우, 전면 식각 등의 방법을 통해 상부층(106)을 제거함으로써, 원하는 형상을 갖는 박막의 고분자 패턴을 형성할 수도 있다.

더욱이, 본 발명은 2층의 박막 구조 뿐만 아니라 필요 또는 용도에 따라 공정을 반복 수행함으로써 N차의 구조를 갖는 박막의 미세 패턴을 형성할 수도 있다.

한편, 본 실시 예에서는 공정 온도의 조절을 통해 하부층에 선택적인 유동성을 부여함으로써 계면간에 응력을 발생시키는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고온에서의 냉각 처리를 통해 발생하는 열팽창 응력의 차이를 이용하여 상부층과 하부층 간의 계면에서의 좌굴 현상을 유도할 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명은, 공정 온도의 조절, 고온에서의 냉각 처리를 통해 계면간에 응력을 발생시키는 방식 대신에 용제를 이용하여 하부층에 선택적인 유동성을 부여함으로써 계면 응력을 발생시키는 방식으로 할 수도 있으며, 이와 같이 하더라도 실질적으로 동일한 결과를 얻을 수 있음은 물론이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 간단한 공정을 통해 곡면 형태를 갖는 박막의 미세 패턴을 기판 상에 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 미세 패턴 형성 방법은, 편광 프리즘(Polarizer), 홀로그램, 회절격자(Grating), 반사판 등의 제작에 응용될 수 있다.

한편, 본 발명의 발명자들은 본 발명의 기법에 대해 실험을 실시하였으며,그 실험 결과는 아래와 같다.

[실험 예1]

도 2a 및 2b는 본 발명에 따라 선형 주형을 이용하여 기판 상에 선형의 미세 패턴을 형성한 실험 예들을 도시한 예시도이다.

본 실험 예에서는 패턴 간격(주기)이 2.0㎛인 주형(도 2a)과 패턴 간격이 4.0㎛인 주형(도 2b)을 각각 사용하여 실험하였다.

본 실험 예에 따르면, 포토리소그라피 방법이나 기타의 다른 패터닝 방법(각인 방법, 미세 접촉 프린팅 방법, 모세관력 리소그라피 방법, 연성 성형법)을 이용하여 미세 패턴을 형성하는 전술한 종래 기술과는 달리, 다층 구조의 박막이 형성된 기판 상에 목표 형상을 갖는 고분자 주형을 밀착 접촉시키고, 열처리를 통해 하부층에 유동성을 부여하여 계면간 응력 발생에 기인하는 좌굴 현상을 유도하며, 좌굴 현상을 고분자 주형의 형상에 따라 물리적으로 제어함으로써, 기판 상에 원하는 곡면 형상을 갖는 선형의 미세 패턴을 확실하게 형성할 수 있음을 알 수 있었다.

[실험 예2]

도 3a 및 3b는 본 발명에 따라 격자형 주형을 이용하여 기판 상에 격자형의 미세 패턴을 형성한 실험 예들을 도시한 예시도이다.

본 실험 예에서는 패턴 간격(주기)이 2.4㎛인 주형(도 3a)과 패턴 간격이 6.3㎛인 주형(도 3b)을 각각 사용하여 실험하였다.

본 실험 예에 따르면, 포토리소그라피 방법이나 기타의 다른 패터닝 방법(각인 방법, 미세 접촉 프린팅 방법, 모세관력 리소그라피 방법, 연성 성형법)을 이용하여 미세 패턴을 형성하는 전술한 종래 기술과는 달리, 다층 구조의 박막이 형성된 기판 상에 목표 형상을 갖는 고분자 주형을 밀착 접촉시키고, 열처리를 통해 하부층에 유동성을 부여하여 계면간 응력 발생에 기인하는 좌굴 현상을 유도하며, 좌굴 현상을 고분자 주형의 형상에 따라 물리적으로 제어함으로써, 기판 상에 원하는 격자 형상을 갖는 미세 패턴을 확실하게 형성할 수 있음을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 포토리소그라피 방법, 각인 방법, 미세 접촉 프린팅 방법, 모세관력 리소그라피 방법, 연성 성형법 등을 이용하여 미세 패턴을 형성하는 전술한 종래 기술과는 달리, 다층 구조의 박막이 형성된 기판 상에 목표 형상을 갖는 고분자 주형을 밀착 접촉시키고, 열처리를 통해 하부층에 유동성을 부여하여 계면간 응력 발생에 기인하는 좌굴 현상을 유도하며, 좌굴 현상을 고분자 주형의 형상에 따라 물리적으로 제어하는 간단한 공정을 통해, 기판 상에 목표로 하는 다양한 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 확실하게 형성할 수 있다.

Claims (12)

1. 임의의 패턴 구조를 갖는 주형을 이용하여 기판 상에 목표로 하는 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서,

   양각 부분과 음각 부분으로 된 임의의 패턴 구조를 갖는 주형을 준비하는 과정;

   상기 기판 상에 하부층과 상부층으로 된 다층 박막을 형성하는 과정;

   상기 주형을 상기 다층 구조에 접촉시킨 후, 상기 하부층과 상부층 간의 계면에 응력을 발생시켜 상기 상부층과 하부층의 계면에 좌굴 현상을 유도함으로써, 상기 다층 구조를 목표 형상으로 패터닝하는 과정; 및

   상기 주형을 탈거하여 목표 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 형성하는 과정으로 이루어진 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 계면간 응력 발생은, 공정 온도 조건 조절을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 공정 온도 조건은, 상기 하부층의 물질 특성에 따라 유리 전이 온도 또는 융점 온도 이상으로 조절되는 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 계면간 응력 발생은, 고온에서의 냉각을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 계면간 응력 발생은, 용제를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주형은, 고분자 주형 또는 무기물 주형인 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층은, 금속인 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층은, 상기 좌굴 현상에 의해 자유 변형 가능한 무기물인 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부층은, 유기물인 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부층은, 무기물인 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 주형의 탈거 후에 상기 상부층을 제거함으로써, 목표 형상을 갖는 박막의 미세 패턴을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 적층 및 패터닝 과정을 필요한 횟수만큼 반복 수행함으로써 N차 구조를 갖는 박막의 미세 패턴을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 좌굴 현상을 이용한 미세 패턴 형성 방법.