KR20050065955A - 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정 - Google Patents

나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정 Download PDF

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KR20050065955A
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Abstract

본 발명은 임프린트 리쏘그라피 방식(imprint lithography method)를 이용한 메탈 리프트오프(metal lift-off) 공정에 관한 것이다.
본 발명에 따른 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정은 (a)기판 위에 제1폴리머 층을 스핀 코팅하는 단계; (b)상기 제1폴리머 층 위에 제 2폴리머 층을 스핀 코팅하는 단계; (c)상기 제2폴리머 층 및 제1폴리머 층에 몰드를 이용하여 임프린팅 하는 단계; (d)상기 몰드를 제거시켜, 원하는 패턴을 각인하는 단계; (e)상기 패턴된 제1폴리머 층을 현상제를 이용하여 현상하여 언더컷 단면을 형성하는 단계; (f)상기 언더컷 단면을 토대로 메탈을 증착하는 단계; (g)상기 메탈 증착이 완료되고 난 후, 마스크로 사용했던 제1폴리머 층과 제2폴리머 층 및 그 상부의 메탈을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 성질이 다른 여러 개의 고분자 층을 적층하고, 상기 복수 층에 몰드를 이용하여 패턴을 동시에 전사한 후, 잔류 층으로 남는 두께정도만을 습식 현상하여 쉽게 언더컷 단면을 형성할 수 있기 때문에 두께가 두꺼운 경우에도 정교한 패턴 형성이 가능한 효과가 있다.

Description

나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정{metal lift-off process with Nano imprint lithography}
본 발명은 임프린트 리쏘그라피 방식(imprint lithography method)를 이용한 메탈 리프트오프(metal lift-off) 공정에 관한 것이다.
최근 다양한 나노 소자들의 개발이 진행되고 있고 새로운 응용개발을 위하여 다방면에서 많은 연구들이 진행되고 있다. 나노 소자개발을 위해서는 나노 사이즈의 공정기술 개발 및 새로운 개념의 분석기술 및 장비의 보급이 필수적으로 요구된다.
특히, 대면적 나노선, 나노점들의 제작기술은 다양한 응용성을 가지면서 나노 사이즈의 소자응용에 필수적으로 요구되는 기본 기술이라 할 수 있다.
상기 나노선의 경우는 나노 전자소자 등에 폭 넓게 응용될 수 있고, 나노점의 경우는 양자점 형성과 새로운 개념의 나노소자 제작 등에 응용될 수 있다.
이러한, 금속 나노선 또는 나노점 형성기술의 일반적인 제작공정은 반도체 공정을 이용한 에칭기술을 예로 들 수 있고, 또 하나의 방법은 나노 임프린팅을 통한 에칭공정을 적용한 기술을 들 수 있다.
하지만, 두 가지 공정 모두 단점들을 가지고 있는데, 먼저 반도체 공정에 이를 적용할 경우, 100nm 이하의 정밀도를 요하는 작업에서 금속 층의 에칭공정에서 정교한 패턴의 제작이 어렵고, 고가의 장비를 사용해야 하기 때문에 제작원가가 상승되는 문제가 있다.
다음으로, 나노 임프린팅 방법을 적용할 경우, 동일한 에칭 문제가 있고, 대면적에 대한 에칭 균일성의 확보가 쉽지 않은 문제가 있다.
이를 해소하기 위해 다음 도 1을 통해 보여지는 바와 같은 메탈 리프트오프(lift-off) 방법을 적용한 제작공정이 개발되었다.
도 1은 종래에 따른 메탈 리프트오프 공정을 보인 공정도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 나노 임프린팅 방법을 통하여 나노선을 형성하기 위한 기존의 메탈 리프트오프 방법을 보여주고 있다.
먼저, 기판(10) 상에 성질이 다른 두 층의 고분자 즉, 제1폴리머 층(20), 제2폴리머 층(30)을 적층하고, 상부의 제2폴리머 층(30)에 몰드(60)를 이용하여 패턴을 전사한 다음, 몰드(60)를 제거시킴으로서, 원하는 패턴을 각인한다.(도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d)
이때, 상기 제2폴리머 층(30)의 패턴 작업 시, 잔류층(residue layer)(31)이 남게 되는데, O2이온반응 식각(O2 Reactive Ion Etching)을 통해서 이를 제거함과 동시에, 제1폴리머 층(20)까지 에칭한다.(도 1e)
그리고 나서, 습식 현상을 통해 제2폴리머 층(30)을 제외한, 제1폴리머 층(20)만이 식각되도록 하여 언더컷 단면(undercut profile)을 형성하도록 한다.(도 1f)
그 다음, 제2폴리머 층(30) 상에 메탈(40)을 증착한다.(도 1g) 이때, 메탈(40)은 이미 형성된 패턴에 따라 제2폴리머 층(30)과 기판(10)에 각각 증착되는데, 상기 도 1f에서의 언더컷 단면 형성으로 인해 기판(10) 상의 메탈(40)과 제2폴리머 층(30) 상의 메탈(40)이 서로 연결되지 않고 독립 증착된다.
그리고 나서, 제1폴리머 층(20) 및 제2폴리머 층(30)을 식각하여 제거함으로서, 기판(10) 상에 메탈 즉, 나노선(50)만이 남게 된다.(도 1b)
그러나, 상기와 같은 종래에 따른 메탈 리프트오프 공정은, 잔류층(31)을 제거한 다음, O2이온반응 식각 없이 바로 습식 현상을 진행할 경우, 일반적으로 등방성(等方性) 에칭이 진행되므로 깊이가 깊어질수록 정교한 패턴형성이 어려운 단점이 있다.
또한, O2이온반응 식각을 통해서 에칭할 경우, 이방성(異方性) 에칭조건을 선정하여 진행할 수 있으나, 이의 경우에도 추후 습식 현상과정에서 언더컷 단면을 형성하기 위해서는 제작 가능한 피치에 한계를 갖는 문제가 있다.
또한, 제1폴리머 층(20)과 제2폴리머 층(30)의 두 층을 코딩하기 위해 별도의 가경화(pre baking) 시간이 소요되어 공정시간이 길어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 저가로 금속 나노선 및 나노점등과 같은 나노 구조물의 대량제작이 가능한 임프린트 리쏘그라피 방법을 적용한 메탈 리프트오프(lift-off)공정을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 설계에 따라 원하는 몰드 제작공정을 이용함으로서 다양한 사이즈의 나노선 또는 나노점 제작이 가능하도록 하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정은 (a)기판 위에 제1폴리머 층을 스핀 코팅하는 단계; (b)상기 제1폴리머 층 위에 제 2폴리머 층을 스핀 코팅하는 단계; (c)상기 제2폴리머 층 및 제1폴리머 층에 몰드를 이용하여 임프린팅 하는 단계; (d)상기 몰드를 제거시켜, 원하는 패턴을 각인하는 단계; (e)상기 패턴된 제1폴리머 층을 현상제를 이용하여 현상하여 언더컷 단면을 형성하는 단계; (f)상기 언더컷 단면을 토대로 메탈을 증착하는 단계; (g)상기 메탈 증착이 완료되고 난 후, 마스크로 사용했던 제1폴리머 층과 제2폴리머 층 및 그 상부의 메탈을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a)단계의 제1폴리머 층을 200 ~ 400nm 두께로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기(a)단계의 제1폴리머 층은 가경화(pre baking)를 하지 않은 실온에서 임프린팅이 가능한 정도의 유동성을 가지는 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (b)단계의 제2폴리머 층을 100~300nm 두께로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기(b)단계의 제2폴리머 층은 임프린팅 시에 가해지는 열에 의해 경화가 일어나는 열경화성 폴리머인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c)단계는 약 60도에서 임프린팅을 진행하여 온도를 150~180도까지 가열하여 제2폴리머 층의 열 경화 및 제1폴리머 층의 가경화를 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c)단계에 사용되는 몰드는 레이저 간섭 리쏘그라피 방식과 반도체 공정기술인 사이드 월 패터닝(side wall patterning)공정으로 제작되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 몰드 제작에 실리콘(Si), 니켈(Ni) 또는 쿼츠(quartz) 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 몰드는 선형의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 몰드는 콘형상의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (f)단계의 메탈은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr) 또는 산화실리콘(SiO2) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (f)단계의 메탈은 언더컷 단면에 의해 기판 상의 메탈과 제2폴리머 층 상의 메탈이 서로 연결되지 않고 독립 증착되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (f)단계의 메탈은 리프트오프 층 두께의 75%수준으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (f)단계의 메탈은 200nm 이상의 두께로 증착되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (g)단계는 습식 에칭 또는 건식 에칭을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a)단계 전에 기판 위에 용해도가 좋은 고분자층을 형성하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 메탈 리프트오프 공정을 이용한 나노선 제작을 보인 공정도로서, 기존의 공정과 달리 높은 종횡비의 몰드(mold)를 이용하여 물성이 다른 두 층의 고분자를 동시에 임프린팅함으로서, 별도의 잔류층(residue layer)제거공정 없이 습식현상만으로 쉽게 언더컷 프로필(undercut profile)을 형성할 수 있는 공정이다.
이를 설명하면, 먼저 적절한 기판(110) 위에 제1폴리머 층(120)을 200 ~ 400nm로 스핀 코팅한다. 이때, 200nm 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.(도 2a)
그리고 나서, 상기 제1폴리머 층(120) 위에 제 2폴리머 층(130)을 100~300nm 두께로 스핀 코팅한다. 이때, 150nm 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.(도 2b)
그 다음, 상기 제2폴리머 층(130) 및 제1폴리머 층(120)에 몰드(160)를 5분 이상 임프린팅을 진행하여 패턴을 전사한 다음, 몰드(160)를 제거시킴으로서, 원하는 패턴을 각인한다.(도 2c, 도 2d)
여기서, 본 발명에 사용되는 상기 제2폴리머 층(130)은 열경화성 폴리머로서, 임프린팅 시에 가해지는 열에 의해 경화가 일어나게 되는 반면, 상기 제1폴리머 층(120)은 가경화(pre baking)를 하지 않으면, 실온에서 임프린팅이 가능한 정도의 유동성을 가지는 성질이 있다.
따라서, 형성된 두 층의 박막 위에 높은 종횡비의 몰드를 이용하여 약 60도에서 임프린팅을 진행하여 온도를 150~180도까지 가열하여 제2폴리머 층(130)의 열 경화 및 제1폴리머 층(120)의 가경화까지 동시에 수행 가능하게 된다.
그리고 나서, 상기 패턴된 제1폴리머 층(120)을 현상제를 이용하여 현상하여 언더컷 단면(undercut profile)을 형성한다.(도 2e)
이때, 현상시간은 잔류층(121)의 두께 및 가경화 온도에 의존하게 되는데, 일반적으로 수초 내에 언터컷 단면이 형성되므로 최적의 타이밍 선정이 중요한 변수가 된다.
그 다음, 상기 언더컷 단면을 토대로 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 산화실리콘(SiO2) 등의 메탈(140)을 증착한다.(도 2f) 이때, 메탈(40)은 상기 도 2e에서의 언더컷 단면 형성으로 인해 기판(110) 상의 메탈(140)과 제2폴리머 층(130) 상의 메탈(140)이 서로 연결되지 않고 독립 증착된다.
이때, 증착 가능한 메탈의 두께는 리프트오프 층 즉, 제1폴리머 층(120)의 두께에 의존하게 되는데, 일반적으로 리프트오프 층 두께의 75% 수준까지 증착 가능하다.
이는, 기존의 방법으로는 두께가 높아지는 만큼 에칭시간이 늘어나기 때문에 나노 사이즈의 정교한 패턴형성에는 한계가 있게 되지만, 본 발명의 공정을 적용할 경우에는 200nm 이상의 메탈 증착이 가능해진다.
그리고 나서, 상기 메탈(140) 증착이 완료되고 나면, 마스크로 사용했던 제1폴리머 층(120)과 제2폴리머 층(130)을 일반적인 유기용매, 아세톤, IPA, 알콜 또는 건식 에칭 등을 이용하여 제거함으로서, 기판(110) 상에 메탈 즉, 나노선(150)만이 남게 된다.(도 2g)
그리고, 본 발명의 공정에 사용되는 몰드 제작은 레이저 간섭 리쏘그라피 방식과 반도체 공정기술인 사이드 월 패터닝(side wall patterning)공정을 통하여 원하는 형상의 제작이 가능하고, 실리콘(Si), 니켈(Ni), 쿼츠(quartz)등의 다양한 재료의 사용이 가능하다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 메탈 리프트오프 공정을 이용한 나노점 제작을 보인 공정도로서, 도 3c의 임프린팅 작업에 사용되는 몰드(260)의 형상이 도 4a에서 보여지는 바와 같이 첨예한 콘형상 들의 집합으로 제작되어진다는 점을 제외한 모든 공정이 도 2a 내지 도 2g에 보여지는 기본공정과 동일하게 진행된다. 따라서, 도 3a 내지 도 3g의 설명은 생략하기로 한다.
도 4a는 본 발명에 따른 나노점 제작을 위한 몰드를 보인 개략사시도 이고, 도 4b는 이를 이용하여 제작된 나노점이 형성된 기판을 보인 개략사시도 이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메탈 리프트오프 공정을 이용한 나노선 제작을 보인 공정도로서, 최종공정에서 나노선을 제외한 다른 층을 손쉽게 제거할 수 있도록 하기 위해 기판 위에 용해도가 좋은 별도의 고분자층(370)을 형성하는 것을 제외한 모든 공정이 도 2a 내지 도 2g에 보여지는 기본공정과 동일하게 진행된다. 따라서, 도 5a 내지 도 5g의 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 본 발명은 성질이 다른 여러 개의 고분자 층을 적층하고, 상기 복수 층에 몰드를 이용하여 패턴을 동시에 전사한 후, 잔류 층으로 남는 두께정도만을 습식 현상하여 쉽게 언더컷 단면을 형성할 수 있기 때문에 두께가 두꺼운 경우에도 정교한 패턴 형성이 가능하다.
그리고, 단시간에 대량으로 나노선 또는 나노점의 저가제작이 가능하다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은 성질이 다른 여러 개의 고분자 층을 적층하고, 상기 복수 층에 몰드를 이용하여 패턴을 동시에 전사한 후, 잔류 층으로 남는 두께정도만을 습식 현상하여 쉽게 언더컷 단면을 형성할 수 있기 때문에 두께가 두꺼운 경우에도 정교한 패턴 형성이 가능한 효과가 있다.
둘째, 단시간에 대량으로 나노선 또는 나노점의 저가제작이 가능한 효과가 있다.
셋째, 다양한 몰드의 설계를 통하여 비교적 손쉽게 다양한 사이즈의 나노선 및 나노점 제작이 용이한 효과가 있다.
넷째, 고가의 장비를 필요로 하지 않고, 공정단순화로 인한 비용절감이 가능한 효과가 있다.
다섯째, 별도의 에칭공정 없이 습식 현상공정만으로 진행되므로 높은 종횡비의 정교한 패턴의 나노 구조물 제작에 유리한 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1h는 종래에 따른 메탈 리프트오프 공정을 보인 공정도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 메탈 리프트오프 공정을 이용한 나노선 제작을 보인 공정도.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 메탈 리프트오프 공정을 이용한 나노점 제작을 보인 공정도.
도 4a는 본 발명에 따른 나노점 제작을 위한 몰드를 보인 개략사시도 이고, 도 4b는 본 발명에 따른 나노점이 형성된 기판을 보인 개략사시도.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메탈 리프트오프 공정을 이용한 나노선 제작을 보인 공정도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110,210,310: 기판 120,220,320: 제1폴리머 층
130,230,330: 제2폴리머 층 140,240,340: 메탈
150,350: 나노선 250: 나노점
160,260,360: 몰드 370: 고분자 층

Claims (16)

  1. (a)기판 위에 제1폴리머 층을 스핀 코팅하는 단계;
    (b)상기 제1폴리머 층 위에 제 2폴리머 층을 스핀 코팅하는 단계;
    (c)상기 제2폴리머 층 및 제1폴리머 층에 몰드를 이용하여 임프린팅 하는 단계;
    (d)상기 몰드를 제거시켜, 원하는 패턴을 각인하는 단계;
    (e)상기 패턴된 제1폴리머 층을 현상제를 이용하여 현상하여 언더컷 단면을 형성하는 단계;
    (f)상기 언더컷 단면을 토대로 메탈을 증착하는 단계;
    (g)상기 메탈 증착이 완료되고 난 후, 마스크로 사용했던 제1폴리머 층과 제2폴리머 층 및 그 상부의 메탈을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계의 제1폴리머 층을 200 ~ 400nm 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기(a)단계의 제1폴리머 층은 가경화(pre baking)를 하지 않은 실온에서 임프린팅이 가능한 정도의 유동성을 가지는 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)단계의 제2폴리머 층을 100~300nm 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기(b)단계의 제2폴리머 층은 임프린팅 시에 가해지는 열에 의해 경화가 일어나는 열경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 약 60도에서 임프린팅을 진행하여 온도를 150~180도까지 가열하여 제2폴리머 층의 열 경화 및 제1폴리머 층의 가경화를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (c)단계에 사용되는 몰드는 레이저 간섭 리쏘그라피 방식과 반도체 공정기술인 사이드 월 패터닝(side wall patterning)공정으로 제작되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 몰드 제작에 실리콘(Si), 니켈(Ni) 또는 쿼츠(quartz) 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 몰드는 선형의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 몰드는 콘형상의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 (f)단계의 메탈은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr) 또는 산화실리콘(SiO2) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 (f)단계의 메탈은 언더컷 단면에 의해 기판 상의 메탈과 제2폴리머 층 상의 메탈이 서로 연결되지 않고 독립 증착되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 (f)단계의 메탈은 리프트오프 층 두께의 75%수준으로 증착되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 (f)단계의 메탈은 200nm 이상의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 (g)단계는 습식 에칭 또는 건식 에칭을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리프트오프 공정.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계 전에 기판 위에 용해도가 좋은 고분자층을 형성하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 리쏘그라피를 이용한 메탈 리트트오프 공정.
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