KR20060072864A - Porous mask via colloidal self-assembly and uses thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메트릭스를 구성하는 단분산 입자와 구형을 형성하는 단분산 입자를 함유하는 용액으로부터 콜로이드 자기조립에 의해서 메트릭스 안쪽에 구형입자가 적층된 필름형상의 마스크기재를 제조하고, 제조된 마스크 기재의 구형입자를 에칭하여 구멍을 형성시킨 다공성 마스크, 이를 이용하여 제조한 다공성 입자, 나노복합체와 바이오 및 광전자 소자에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 일반적인 식각공정으로는 제조하기 힘든 100nm 이하의 구멍을 가지는 다공성 마스크를 쉽게 제작할 수 있고, 단일 층 마스크뿐만아니라 다층으로 구성된 다층 마스크의 활용이 가능하며, 마스크 구멍이 2차원적 평면구조가 아니라 3차원적인 구조를 가지고 있어서 곡면 패터닝이 가능하고, 균일한 구멍을 가지는 입자를 제조할 수 있으며, 이러한 입자를 이용하여 다양한 바이오 소자 및 광전자 소자를 제조할 수 있게 된다. The present invention provides a film-type mask base material in which spherical particles are laminated inside a matrix by colloidal self-assembly from a solution containing monodisperse particles constituting the matrix and monodisperse particles forming a sphere, The present invention relates to a porous mask in which holes are formed by etching spherical particles, porous particles prepared by using the same, nanocomposites, and bio and optoelectronic devices. It is easy to manufacture masks, and it is possible to use not only single layer masks but also multilayer masks composed of multilayers, and mask holes have three-dimensional structures instead of two-dimensional planar structures, which enables curved patterning and uniform holes. Branch can produce particles, Various bio devices and optoelectronic devices can be manufactured.

콜로이드 자기조립, 나노마스크, 나노복합체, 바이오소자, 광전자 소자 Colloidal self-assembly, nanomasks, nanocomposites, biodevices, optoelectronic devices

Description

콜로이드 자기조립에 의한 다공성 마스크의 제조방법 및 그 용도{Porous mask via colloidal self-assembly and uses thereof} Porous mask via colloidal self-assembly and uses             

도 1은 본 발명에 따르는 일 실시예에서 제조된 다공성 실리카 마스크의 주사전자현미경(SEM) 사진.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a porous silica mask prepared in one embodiment according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 자기조립 다공성 마스크를 이용한 나노리소그래피의 설명도.2 is an explanatory diagram of nanolithography using a self-assembled porous mask according to the present invention.

도 3은 균일한 구멍을 가진 입자의 구멍속으로 상이한 성질을 갖는 제3의 물질을 넣어 나노복합체입자를 제조하는 공정을 설명하기 위한 설명도.FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a step of preparing nanocomposite particles by inserting a third material having different properties into the pores of particles having uniform pores; FIG.

도 4는 본 발명에 의해 제조되는 나노복합체 입자를 이용하여 나노소자를 제조하는 일예를 설명하기 위한 설명도.4 is an explanatory diagram for explaining an example of manufacturing a nanodevice using the nanocomposite particles produced by the present invention.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라 다공성 나노마스크가 제조되는 과정을 보여주는 주사전자현미경 사진들.5a to 5d are scanning electron micrographs showing the process of manufacturing a porous nanomask in accordance with an embodiment of the present invention.

도 6a 내지 도 6c는 서로다른 적층수에서 제조한 마스크를 보여주는 주사전자현미경 사진들. 6a to 6c are scanning electron micrographs showing a mask made from different stacking water.

도 7a는 3개의 균일한 구멍을 가진 입자의 형태를 보여주는 주사전자현미경 사진.7A is a scanning electron micrograph showing the shape of particles with three uniform holes.

도 7b는 4개의 균일한 구멍을 가진 입자의 형태를 보여주는 주사전자현미경 사진.FIG. 7B is a scanning electron micrograph showing the shape of particles with four uniform holes. FIG.

도 8은 균일한 구멍을 가지는 입자에 제3의 물질인 플라티늄을 넣어 제조한 나노복합체 입자를 보여주는 주사전자현미경 사진.FIG. 8 is a scanning electron micrograph showing nanocomposite particles prepared by adding platinum as a third material to particles having uniform pores. FIG.

본 발명은 나노식각공정 및 패턴공정에 관한것으로, 보다 상세하게는 콜로이드 입자의 자기조립에 의한 다공성 마스크의 제조, 제조된 마스크를 이용한 단분산 입자 및 나노복합체 입자의 제조에 관한 것이다. The present invention relates to a nano-etching process and a patterning process, and more particularly to the production of a porous mask by self-assembly of colloidal particles, the production of monodisperse particles and nanocomposite particles using the manufactured mask.

전자제품의 소형화와 집적화에 따라 보다 많은 정보를 저장하기 위해서는 마이크로 또는 나노미터 패턴공정이 필요하다. 지금까지 주로 이러한 패턴을 제조하기 위해서 주로 포토리소그래피를 이용하였다. 그러나 포토리소그래피는 빛의 회절현상과 간섭에 의해 구현할 수 있는 선폭이 제한적이며 이로 인해 극미세의 패턴을 제조하기 위해 전자빔 리소그래피 또는 X-선 리소그래피가 도입되었다. 하지만 이러한 방법들은 포토리소그래피에 비해 보다 긴 공정시간과 보다 많은 비용이 소요되는 단점이 있다. As electronics become smaller and more integrated, micro or nanometer pattern processes are needed to store more information. Until now, photolithography was mainly used to manufacture such a pattern. However, photolithography has a limited line width that can be realized by diffraction and interference of light, and thus, electron beam lithography or X-ray lithography has been introduced to manufacture microscopic patterns. However, these methods have a disadvantage in that they require longer processing time and more cost than photolithography.

이에 보다 간단하면서도 넓은 면적에 저가의 미세패턴을 구현할 수 있는 자기조립패터닝방법이 주목을 받고 있다. 그 중 단분산 입자의 자리조립현상을 이용 하는 콜로이드 리소그래피는 주로 마이크로 혹은 그 이하의 균일한 크기의 입자를 제조하고 그것을 기저물질위에 스핀코팅이나 딥코팅, 화학기상증착법 및 전기도금의 방법 등을 이용해 적층시킨 후 이로부터 다양한 패턴을 만드는 방법으로서 극도의 청정을 요구하는 클린룸의 필요없이 실험실 수준에서도 제작이 가능하다. 또한 이 방법은 입자의 자기조립을 이용하기 때문에 대면적의 균일한 배열을 가진 패턴을 저렴한 비용으로 쉽게 만들 수 있다는 장점이 있다. The self-assembly patterning method that can implement a simpler and cheaper fine pattern in a larger area has attracted attention. Among them, colloidal lithography using the monolithic dispersing of particles is used to produce particles of uniform size of micro or less, and then spin or dip coating on the base material, chemical vapor deposition, and electroplating. After lamination, a variety of patterns can be created from this and can be manufactured at the laboratory level without the need for a clean room requiring extreme cleanliness. In addition, this method uses the self-assembly of particles, which makes it possible to easily create a pattern with a large array of uniform arrays at low cost.

이와 같은 이유에서 최근 콜로이드의 자기조립을 이용하여 수나노에서 수십나노미터 크기의 미세패턴을 제조하는 연구가 활발히 진행되어져 왔다. (관련특허: 1. Ozin. G. A.: Yang. S. M.; Miguez, H., WO0101436, EP01975922, WO02/33461 A2. 2. Winningham, Thomas Andrew; Douglas, Kenne, US200220123, 3. Van Duyne et al., US00401803. ; 참고논문: 1. Haynes, C. L.; Van Duyne, R.P. J. Phys. Chem. V, 2001, 105, 5599. 2. Yi, D.K.; Kim, D.Y. Chem. Commun., 2003, 982. 3.Kuo, C.W.; Shiu, J.Y.; Chen, P. Chem. Mater., 2003, 15, 2917. 4. Love, J.C.; Gates, B.D.; Wolfe, D.B.; Paul, K.W.; Whitesides, G.M. Nano. Lett. 2002, 2, 891). For this reason, studies have been actively conducted to manufacture micropatterns of several tens of nanometers in size by using colloid self-assembly. (Related patents: 1. Ozin. GA: Yang. SM; Miguez, H., WO0101436, EP01975922, WO02 / 33461 A2. 2. Winningham, Thomas Andrew; Douglas, Kenne, US200220123, 3. Van Duyne et al., US00401803 References: 1.Hanenes, CL; Van Duyne, RPJ Phys. Chem. V, 2001, 105, 5599. 2. Yi, DK; Kim, DY Chem. Commun., 2003, 982. 3.Kuo, CW Shiu, JY; Chen, P. Chem. Mater., 2003, 15, 2917. 4.Love, JC; Gates, BD; Wolfe, DB; Paul, KW; Whitesides, GM Nano.Let. 2002, 2, 891. ).

하지만 위의 연구결과들을 포함한 기존의 콜로이드 자리조립을 이용한 나노패터닝 공정 및 식각공정은 자기조립패턴된 입자를 희생층으로 사용하거나 혹은 최종적으로 들어내서(Lift-off 공정) 없애버리기 때문에 자기조립패턴은 일회용으로 사용에 제한적이고 매 사용시 자기조립패턴을 다시 만들어야만 하는 불편함을 가지고 있다. However, since the nanopatterning process and etching process using the colloidal site assembly including the above findings use the self-assembled patterned particles as a sacrificial layer or finally lift off (Lift-off process), the self-assembly pattern It is limited to the use for single use and has the inconvenience of having to recreate the self-assembly pattern in every use.

본 발명의 한 목적은 콜로이드 자기조립에 의해서 제조된 역전된 광결정구조를 가지는 필름을 나노식각공정 및 패턴공정의 다공성 마스크로 활용하는 새로운 방법을 제시함에 있다. One object of the present invention is to propose a new method for utilizing a film having an inverted photonic crystal structure prepared by colloidal self-assembly as a porous mask for nanoetching and patterning.

또한 본 발명의 다른 목적은 연속된 콜로이드 층을 이용하여 균일한 구멍을 가지는 단분산 입자를 제조하는 것과, 이 내부에 제3의 물질을 넣어 나노복합체 입자를 만들고 바이오 및 광전자 소자에 활용하는 것에 있다.
In addition, another object of the present invention is to produce monodisperse particles having a uniform hole by using a continuous colloid layer, and to put nanomaterials into a third material therein to make nanocomposite particles and use them in bio and optoelectronic devices. .

상기한 목적을 달성한 본 발명에 의하면, 메트릭스를 구성하는 단분산 입자와 구형을 형성하는 단분산 입자를 함유하는 용액으로부터 콜로이드 자기조립에 의해서 메트릭스 안쪽에 구형입자가 적층된 필름형상의 마스크기재를 제조하는 단계; According to the present invention which achieves the above object, a film-shaped mask substrate in which spherical particles are laminated inside a matrix by colloidal self-assembly from a solution containing the monodisperse particles constituting the matrix and the monodisperse particles forming a sphere. Manufacturing;

제조된 마스크 기재의 구형입자를 에칭하여 구멍을 형성시키는 단계를 포함하는 다공성 마스크의 제조방법이 제공된다. There is provided a method of manufacturing a porous mask comprising the step of forming a hole by etching the spherical particles of the prepared mask substrate.

또한 본 발명에 의하면, 상기한 방법으로 제조한 다공성 마스크가 제공된다. According to the present invention, there is also provided a porous mask prepared by the above-described method.

또한 본 발명에 의하면, 상기한 다공성 마스크를 이용한 패터닝 방법이 제공된다. In addition, according to the present invention, a patterning method using the porous mask described above is provided.

또한 본 발명에 의하면, 상기한 패터닝방법으로 제조된 다공성 입자가 제공된다. According to the present invention, there is also provided a porous particle produced by the above patterning method.

또한 본 발명에 의하면, 상기한 다공성 입자에 나노물질이 부여된 복합체 입 자가 제공된다. In addition, according to the present invention, a composite particle provided with a nanomaterial to the porous particles is provided.

또한 본 발명에 의하면, 상기한 복합체 입자를 이용한 바이오 소자 및 광전자소자가 제공된다. In addition, according to the present invention, there is provided a bio device and an optoelectronic device using the composite particles.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따라 콜로이드 자기조립으로 제조된 다공성 마스크의 한 예를 보여주는 SEM 사진이다. 1 is a SEM photograph showing an example of a porous mask manufactured by colloidal self-assembly according to the present invention.

본 발명에 따르는 다공성 마스크는 메트릭스를 구성하는 단분산 입자와 구형을 형성하는 단분산 입자를 함유하는 용액으로부터 콜로이드 자기조립에 의해서 메트릭스 안쪽에 구형입자가 적층된 필름형상의 마스크 기재를 제조한 후, 이 기재의 구형입자를 에칭하여 구멍을 형성시키는 것에 의해 제조된다. In the porous mask according to the present invention, after preparing a film-shaped mask substrate in which spherical particles are laminated inside the matrix by colloidal self-assembly from a solution containing monodisperse particles constituting the matrix and monodisperse particles forming a sphere, It manufactures by etching a spherical particle of this base material and forming a hole.

콜로이드 자기조립에는 당분야에 공지된 기술, 예를 들어 딥코팅, 스핀코팅, 랭뮤어-블로제트, 화학기상증착, 스퍼터링, 전기도금 등의 방법이 이용될 수 있다.Colloidal self-assembly may use techniques known in the art, such as dip coating, spin coating, Langmuir-Blozet, chemical vapor deposition, sputtering, electroplating and the like.

특별히 제한하기 위한 것은 아니지만, 본 발명에 따라 마스크 기재를 제조하는 데에는 단분산 입자들이 분산된 용액으로부터 랭뮤어-블로제트, 딥코팅 또는 스핀코팅하여 상기 단분산입자들을 자기조립하는 방법 등을 이용할 수 있다. Although not particularly limited, according to the present invention, a method of self-assembling the monodisperse particles may be used to prepare a mask substrate according to the present invention by using Langmuir-Bjett, dip coating or spin coating from a solution in which monodisperse particles are dispersed. have.

자기조립과정에 대해서는 여러 문헌들에 상세하게 기술되어 있다.(참조: Fengqiang Sun ey al., Adv Mater., 2004, 16, 1116.; Chen. X. Chen, Z. Fu, N. Lu, G. Yang, B. Adv. Mater., 2003, 15, 1413., Peng Jiang, Michael J. McFarland, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13778, Feng Yang, Werner A. Goedel, Adv. Mater., 2004, 16, 911, Xu Dong Wang et al., Nano Lett., 2004, 4, 2003., Aaron E. Saunders et al., Nano Lett., 2004, 4. 1943.) The self-assembly process is described in detail in several literatures (Fengqiang Sun ey al., Adv Mater., 2004, 16, 1116 .; Chen. X. Chen, Z. Fu, N. Lu, G Yang, B. Adv. Mater., 2003, 15, 1413., Peng Jiang, Michael J. McFarland, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13778, Feng Yang, Werner A. Goedel, Adv. Mater., 2004, 16, 911, Xu Dong Wang et al., Nano Lett., 2004, 4, 2003., Aaron E. Saunders et al., Nano Lett., 2004, 4.1943.)

상기 다공성 마스크를 형성하기 위해서 사용되는 콜로이드 입자는 상기 입자가 기저물질위에 적층될 수 있는 한, 입자의 크기나 형태에는 특별한 한정을 요하지 않는다. 바람직한 크기는 수마이크로미터에서 수십나노미터까지의 단분산입자가 유리하다. The colloidal particles used to form the porous mask do not require any particular limitation on the size or shape of the particles as long as the particles can be laminated on the base material. Preferred sizes are advantageously monodisperse particles ranging from several micrometers to tens of nanometers.

콜로이드 자리조립에 의해 메트릭스 안쪽에 구형입자가 적층되는 정도 혹은 층수는 적용되는 방법의 조건을 변경시켜 다양하게 할 수 있다. 예를 들어 딥코팅을 이용하는 경우 입자가 들어있는 용액의 농도, 기저물질을 용액으로부터 들어올리는 속도, 그리고 용매의 증발속도 등으로 적층정도를 조절할 수 있다.  The degree or number of layers of spherical particles deposited inside the matrix by colloidal site assembly can be varied by changing the conditions of the method applied. For example, when the dip coating is used, the degree of lamination may be controlled by the concentration of the solution containing the particles, the rate of lifting the base material from the solution, and the evaporation rate of the solvent.

특별히 제한하기 위한 것은 아니지만, 마스크기재로부터 구멍이 형성된 마스크를 제조하기 위하여 구형입자를 에칭하는 데에는 고온소성처리, 플라즈마를 이용한 반응성 이온식각, 레이저 및 빛을 이용한 식각, 화학적 에칭용액을 이용하는 방법 등이 사용되어 질 수 있다. 에칭소스로는 예를 들어 열; 불산 등과 같은 강산용액, 톨루엔, 아세톤, 포토레지스트(PR) 제거제 등과 같은 유,무기 에칭용액; 플라즈마, 고에너지 전자빔, 자외선조사, 오존과 같은 에칭가스를 이용할 수 있다. Although not particularly limited, etching of spherical particles to prepare a mask having a hole formed from a mask substrate includes high temperature firing, reactive ion etching using plasma, etching using laser and light, and chemical etching solution. Can be used. As the etching source, for example, heat; Strong acid solutions such as hydrofluoric acid, organic and inorganic etching solutions such as toluene, acetone, and photoresist (PR) remover; Etching gases such as plasma, high energy electron beam, ultraviolet irradiation, and ozone can be used.

또한 본 발명에 있어서 특별히 제한하기 위한 것은 아니지만 역전된 광결정 구조를 형성하여 다공성 마스크의 뼈대(메트릭스)를 형성하는 물질로는 고분자, 무기 세라믹, 금속물질이 사용될 수 있으며 특별히 한정을 요하는 것은 아니나 에칭과정에서 남아 있기 위해서는 구멍을 형성하는 희생물질(구형을 형성하는 입자)와 비교해서 화학적, 물리적 에칭에 있어서 저항성이 강한 것이면 된다. In addition, although not particularly limited in the present invention, as a material for forming the skeleton (metrics) of the porous mask by forming an inverted photonic crystal structure, a polymer, an inorganic ceramic, or a metal material may be used, but is not particularly limited. In order to remain in the process, the material may be resistant to chemical and physical etching in comparison with the sacrificial material (spherical particles) forming holes.

예를 들어 메트릭스를 형성하는 물질로는 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 에폭시 등과 같은 고분자 또는 유기분자; 실리카, 타이타니아 등과 같은 세라믹입자; 금, 은, 플라티늄, 구리, 니켈 등과 같은 금속입자; , 카드뮴-황, 갈륨-질소 등과 같은 화합물반도체 입자 등이 이용될 수 있으며, 또한 구형을 형성하는 단분산 입자로도 상기한 것들을 이용할 수 있다. 이러한 입자들 중에서 메트릭스 형성하는 입자와 구형을 형성하는 입자를 선택할 때에는 적용되는 에칭방법에 에칭이 잘되는 입자를 구형을 형성하는 입자로 하고 에칭에 대한 저항성이 있는 것을 메트릭스 형성하는 입자로 하여야 한다. For example, the material forming the matrix may be a polymer or organic molecule such as polystyrene, polymethyl methacrylate, polyurethane, epoxy, or the like; Ceramic particles such as silica, titania and the like; Metal particles such as gold, silver, platinum, copper, nickel, and the like; Compound semiconductor particles, such as cadmium-sulfur, gallium-nitrogen, and the like, may be used, and the above-mentioned ones may also be used as monodisperse particles forming a sphere. When selecting the particles which form a matrix and the particle | grains which form a sphere among these particles, the particle | grains which are well etched shall be used as the particle | grains which form a sphere, and the particle | grains which form a matrix which are resistant to an etching are used for the etching method applied.

본 발명에 따라 마스크 기재의 구형형성입자를 에칭하면 구멍이 형성되는데, 구멍의 크기 및 개수 등은 에칭방법, 에칭정도, 입자의 종류 등에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 바람직하기로는 하나의 구형 입자에, 즉 단위 메트릭스당 3개 또는 4개의 구멍이 형성되는 정도로 에칭하는 것이다. According to the present invention, when the spherical forming particles of the mask substrate are etched, holes are formed, and the size and number of the holes can be variously adjusted according to the etching method, the degree of etching, the type of particles, and the like. Preferably it is etched to one spherical particle, ie to form three or four holes per unit matrix.

도 2는 콜로이드 자기조립을 이용해서 제조된 다공성 마스크를 통하여 나노식각 및 패턴공정의 마스크로 사용되어지는 것을 예시한 것이다. 형성되는 구멍의 크기는 사용되는 나노입자의 크기와 에칭정도에 따라 쉽게 조절될 수 있으며 그 크기는 약 수나노에서 수백나노까지 다양하게 조절될 수 있다. 본 발명의 다공성의 마스크는 규칙적인 구멍을 가지고 있으며, 이 구멍을 통해 에칭소스, 예를 들어 빛, 플라즈마, 전자빔, 레이저, 화학에칭용액 등을 통과시키면 구멍크기에 해당되는 만큼의 패턴을 제작할 수 있게 된다.Figure 2 illustrates that the mask is used as a mask of the nano-etching and patterning process through a porous mask manufactured using colloidal self-assembly. The size of the hole to be formed can be easily adjusted according to the size of the nanoparticles used and the degree of etching, and the size can be varied from about several nanometers to several hundred nanometers. The porous mask of the present invention has a regular hole, and through this hole through the etching source, for example, light, plasma, electron beam, laser, chemical etching solution, etc. can produce a pattern corresponding to the hole size. Will be.

예를 들어 패터닝하고자하는 기질상에 본 발명의 다공성 마스크를 올려놓고 마스크의 구멍(윈도우)를 통해 에칭소스를 가하면 기질에 마스크의 구멍에 대응하는 형상의 구멍(pore)이 형성된다. 예를 들어 기질로서 단분산 입자의 자기조립층을 사용하게 되면 균일하게 형성된 구멍을 갖는 단분산 입자를 얻을 수 있게 된다. For example, when the porous mask of the present invention is placed on a substrate to be patterned and an etching source is applied through a hole (window) of the mask, a hole having a shape corresponding to the hole of the mask is formed in the substrate. For example, when a self-assembled layer of monodisperse particles is used as a substrate, monodisperse particles having uniformly formed pores can be obtained.

이때 에칭소스로는 에칭용액, 에칭가스, 에칭 플라즈마, 자외선, 전자빔 등이 이용될 수 있다. In this case, an etching solution, an etching gas, an etching plasma, an ultraviolet ray, an electron beam, or the like may be used.

이와 같이 구멍이 형성된 단분산 입자는 나노복합체 제조에 이용될 수 있으며, 제조되는 나노복합체는 바이오 소자나 광전자 소자에 이용될 수 있다. 도 3은 구멍이 형성된 입자에 바이오재료, 전자재료, 광학재료 및 기타 유,무기 재료 등과 같은 제3의 물질을 넣어 나노복합체를 제조하는 것이 예시된다. 이러한 재료의 구체적인 예로는 DNA, 단백질 등과 같은 바이오 물질; 실리카, 타이타니아 등과 같은 세라믹물질; 카드뮴-황, 갈륨-질소 등과 같은 화합물 반도체; 금, 은, 백금, 구리 등과 같은 금속 물질, 그외 유기물, 고분자 등 다양한 물질이 있으며, 구멍속에 넣어 복합체 입자를 만들 수 있는 것이면 그 종류에 특별히 제한되지 않는다.   As described above, the monodisperse particles having pores may be used to prepare nanocomposites, and the nanocomposites to be prepared may be used in bio devices or optoelectronic devices. 3 illustrates the preparation of a nanocomposite by inserting a third material such as a biomaterial, an electronic material, an optical material, and other organic or inorganic materials into a hole-shaped particle. Specific examples of such materials include biomaterials such as DNA, proteins, and the like; Ceramic materials such as silica, titania and the like; Compound semiconductors such as cadmium-sulfur, gallium-nitrogen and the like; Metal materials such as gold, silver, platinum, copper, and the like, and various other materials such as organic materials and polymers, are not particularly limited as long as they can be made into composite particles in a hole.

나노복합체를 만들기 위해서 구멍속에 제3의 물질을 충전시키는 방법으로는 기상방법인 스퍼티링 방법, 전자빔 증착방법(E-beam), 화학기상증착법(CVD and ALD)과 액상방법인 화학적인 솔-겔 방법 및 공유결합 및 표면처리를 통한 물리적 흡착 및 화학반응등이 사용되어 질 수 있다. In order to make the nanocomposite, the third material is filled into the pores by the sputtering method, which is a vapor phase method, the electron beam deposition method (E-beam), the chemical vapor deposition method (CVD and ALD), and the chemical solvent, which is a liquid method. Gel adsorption and physical adsorption and chemical reactions through covalent bonding and surface treatment can be used.

이렇게 제조된 복합체 입자들은 다양한 응용분야에 적용될 수 있으며 내부에 넣는 물질에 따라서 바이오센서, 바이오칩 및 약물전달 등의 바이오 응용분야, 광결정 디스플레이등의 광전자 소자, 시약분리 및 검출등의 실험용, 산업용 적용분야 에 다양하게 적용될 수 있다. The composite particles prepared in this way can be applied to various application fields, and depending on the materials put therein, biosensors such as biosensors, biochips, and drug delivery, optoelectronic devices such as photonic crystal displays, experimental and industrial applications such as reagent separation and detection, etc. It can be applied in various ways.

예를 들어 도 4에 예시되는 바와 같이 본 발명에 의해 제조되는 다공성 입자의 구멍 내부에 신체 일부나 물질표면의 특이한 부분과 결합하거나 흡착하는 바이오 친화적 혹은 표면특이적인 성질을 가지는 물질을 넣어 제조한 복합체 입자를 원하는 부위에 붙이고 나서 그 부위에서 시약을 퍼트려서 치료 혹은 화학실험을 할 수 있다. 중간의 핵부분(core)에 어떤 물질이 있느냐에 따라서 다양한 분야에 응용할 수 있으며 핵부분은 액체뿐만아니라 응용분야에 따라 금속, 세라믹 등과 같은 고체상태의 무기물이 사용될 수 있다. For example, as illustrated in FIG. 4, a composite prepared by inserting a material having a bio-friendly or surface-specific property that binds to or adsorbs a body part or a specific part of a material surface inside a pore of the porous particle manufactured by the present invention. The particles can be attached to the desired area and then a reagent can be spread from the site for treatment or chemical experiments. Depending on what kind of material is in the middle core, it can be applied to various fields. In addition to the liquid, the inorganic part in the solid state such as metal, ceramic, etc. may be used depending on the application.

이하, 본 발명을 실시예의 방법으로 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 쉽도록 하기 위해서 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. However, these examples are only presented to make the contents of the present invention easy to understand, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to these examples.

[실시예]EXAMPLE

다공성 마스크의 제조Preparation of Porous Mask

다공성 마스크를 제조하기 위해서, 구형을 형성하는 물질로 1.01㎛의 폴리스티렌 고분자 입자와 메트릭스를 형성하는 물질로 50nm의 실리카 입자를 선정하여 용액속에 함께 넣고 딥코팅을 통하여 적층시켰다. 이때 입자가 적층되는 층수는 입자가 들어있는 용액의 농도, 기저물질을 용액으로부터 들어올리는 속도, 그리고 용매의 증발속도에 따라 조정될 수 있다. In order to manufacture a porous mask, 1.01 μm polystyrene polymer particles and a matrix forming material and silica particles of 50 nm were selected as a material for forming a sphere, put together in a solution, and laminated through dip coating. In this case, the number of layers in which the particles are stacked may be adjusted according to the concentration of the solution containing the particles, the speed of lifting the base material from the solution, and the evaporation rate of the solvent.

이렇게 제조된 마스크기재는 입자들의 자기조립에 의해서 규직적인 질서를 형성하여 바깥구조(matrix)를 형성하는 물질은 실리카로 구성되며 안쪽 큰 구형은 폴리스티렌 고분자 입자로 형성된다(도 5a의 SEM 사진 참조). The mask base material thus prepared is formed by the self-assembly of particles to form a normal order, and the material forming the matrix is made of silica, and the inner large sphere is made of polystyrene polymer particles (see SEM photograph in FIG. 5A). .

다공성 구조를 가지는 필름형태의 마스크를 형성하기 위해서 구형을 형성하고 있는 폴리스티렌입자를 건식식각 방식의 일종인 이방성 반응성 이온식각(anisotropic reactive ion etching)으로 에칭을 하게 되면 폴리스티렌이 에칭이 된다. 도 5b는 약 10% 정도만 폴리스티렌 입자를 제거한 경우에 쵤영한 SEM 사진이고, 도 5c는 50% 이상 폴리스티렌 입자를 제거한 경우에 쵤영한 SEM 사진이다. 도 5d는 최종적으로 다공성 구멍이 형성된 마스크의 SEM 사진이다. In order to form a film-type mask having a porous structure, polystyrene particles having a spherical shape are etched by anisotropic reactive ion etching, which is a kind of dry etching. 5B is a SEM photograph taken when only about 10% of the polystyrene particles are removed, and FIG. 5C is a SEM photograph taken when 50% or more of the polystyrene particles are removed. Figure 5d is a SEM image of the mask finally formed a porous hole.

마스크 기재의 제조시 적층정도에 따라, 즉 필름두께에 따라 단일층(도 6a), 이중층(도 6b), 삼중층(도 6c)의 마스크 기재를 만들 수 있다. 도 6a는 단일층에서 에칭을 실시하여 마스크를 제조하는 것을 촬영한 SEM 사진, 도 6b는 이중층에서 에칭을 실시하여 마스크를 제조하는 것을 촬영한 SEM 사진, 도 6c는 삼중층에서 에칭을 실시하여 마스크를 제조하는 것을 촬영한 SEM 사진이다. 이와 같이 하면 단일 층 마스크뿐만아니라 다층으로 구성된 다층 마스크의 활용이 가능하며 또한 마스크 구멍이 2차원적 평면구조가 아니라 3차원적인 구조를 가지고 있어서 곡면 패터닝이 가능하다. According to the degree of lamination in the manufacture of the mask base material, that is, the film base material of the single layer (FIG. 6A), the double layer (FIG. 6B), and the triple layer (FIG. 6C) can be made. Figure 6a is a SEM photograph taken to produce a mask by etching in a single layer, Figure 6b is a SEM photograph taken to manufacture a mask by etching in a double layer, Figure 6c is a mask by etching in a triple layer SEM picture taken to manufacture the. In this way, not only a single layer mask but also a multilayer mask composed of multiple layers can be utilized, and since the mask hole has a three-dimensional structure instead of a two-dimensional planar structure, curved patterning is possible.

본 예에서는 딥코팅과 건식식각 방법을 이용하여 마스크를 제조하는 것을 설명하고 있으나, 예를 들어 스핀코팅방법으로 본 예에서와 같은 구조를 만들 수 있으며 에칭방법도 필름형성을 하는 메트릭스 물질과 희생층으로 사용되는 큰 구형입 자에 따라서 달라질 수 있는 것이다. 예를 들어 희생층의 큰 구형입자가 고분자이고 메트릭스 물질이 세라믹이나 금속일 경우, 고온소성을 이용해서 고분자를 제거하여 다공성 구조를 만들 수 있으며, 반대로 메트릭스 물질이 고분자이고 내부 희생층의 구형입자가 금속이나 실리카와 같은 세라믹일 경우 불산(HF)과 같은 산용액을 이용해서 내부 금속이나 실리카를 제거해 낼 수도 있다. In this example, a mask is manufactured by using a deep coating method and a dry etching method. For example, the spin coating method can form a structure as in the present example, and the etching method also uses a matrix material and a sacrificial layer to form a film. It can vary depending on the large spherical particles used. For example, if the large spherical particles of the sacrificial layer are polymers and the matrix material is ceramics or metals, the porous structure can be formed by removing the polymers using high temperature firing, whereas the matrix material is a polymer and the spherical particles of the inner sacrificial layer In the case of ceramics such as metals or silica, an acid solution such as hydrofluoric acid (HF) may be used to remove the internal metal or silica.

다공성 입자의 제조Preparation of Porous Particles

제조된 다공성 마스크를 패턴하고자 하는 기질 위에 올려놓고 마스크의 다공을 통하여 에칭용액이나 에칭가스 혹은 고에너지 전자빔 및 빛 등을 주입하게 되면 상기 기질을 패터닝할 수 있다. The prepared porous mask is placed on a substrate to be patterned, and the substrate may be patterned by injecting an etching solution, an etching gas, or a high energy electron beam and light through the pores of the mask.

패턴하고자하는 기질(본 예에서는 구형의 단분산 폴리스티렌 자기조립층) 위에 상기 예에서 제조된 마스크를 올려놓고 산소플라즈마를 마스크의 구멍속으로 흘려주게 되면 아래층의 구형 폴리스타이렌 입자층이 식각되어 마스크의 구멍에 해당되는 크기 정도의 구멍을 가지는 폴리스티렌 입자들을 얻을 수 있다.When the mask prepared in the above example is placed on the substrate to be patterned (in this example, spherical monodisperse polystyrene self-assembled layer) and oxygen plasma is flowed into the hole of the mask, the spherical layer of polystyrene particles in the lower layer is etched and inserted into the mask hole. Polystyrene particles having holes of the corresponding size can be obtained.

도 7a와 도 7b에서 볼 수 있듯이 구멍을 가지는 고분자 입자의 구멍의 크기와 형태는 사용된 다공성 마스크의 모양과 크기 따라 조절될 수 있다. 예를 들어 3개의 구멍이 교대로 배열된 마스크를 사용하는 경우 도 7a와 같이 마스크 아래층의 고분자 입자들도 3개의 구멍을 가지며 그 크기도 마스크 구멍의 크기에 의존한다. 또한 4개의 구멍이 교대로 배열된 마스크를 사용하는 경우 도 7b와 같이 마스크 아래층의 고분자 입자들도 4개의 구멍을 가지게 된다. 패턴된 또는 식각된 고분자 입 자의 구멍크기가 마스크의 구멍크기에 의존하므로 구멍의 크기는 마스크 제조시 사용된 입자의 크기에 따하 쉽게 조절가능하다. As shown in Figure 7a and 7b the size and shape of the hole of the polymer particles having a hole can be adjusted according to the shape and size of the porous mask used. For example, in the case of using a mask in which three holes are alternately arranged, as shown in FIG. 7A, the polymer particles under the mask also have three holes, and the size depends on the size of the mask hole. In addition, in the case of using a mask in which four holes are alternately arranged, as shown in FIG. 7B, the polymer particles under the mask also have four holes. Since the pore size of the patterned or etched polymer particles depends on the pore size of the mask, the pore size can be easily adjusted depending on the size of the particles used in the manufacture of the mask.

복합체의 제조Preparation of the complex

도 8은 바깥 구조를 실리카 메트릭스로 감싸고 본 발명에 의한 리소그래피 공정으로 균일한 구멍을 가지는 폴리스티렌 입자를 제조한 후에 그 내부에 스퍼터링 방법으로 플라티늄(Pt)를 삽입하여 제조된 폴리스트렌-플라티늄 복합체 입자를 쵤영한 SEM 사진이다. 8 is a polystyrene-platinum composite particle prepared by wrapping the outer structure with silica matrix and preparing a polystyrene particle having a uniform hole by a lithography process according to the present invention, and then inserting platinum (Pt) therein by a sputtering method therein. SEM picture taken.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 일반적인 식각공정으로는 제조하기 힘든 10nm 이하의 구멍을 가지는 다공성 마스크를 쉽게 제작할 수 있고, 단일 층 마스크뿐만아니라 다층으로 구성된 다층 마스크의 활용이 가능하며, 마스크 구멍이 2차원적 평면구조가 아니라 3차원적인 구조를 가지고 있어서 곡면 패터닝이 가능하고, 균일한 구멍을 가지는 입자를 제조할 수 있으며, 이러한 입자를 이용하여 다양한 바이오 소자 및 광전자 소자를 제조할 수 있게 된다.
According to the present invention as described above, it is possible to easily produce a porous mask having a hole of less than 10nm difficult to manufacture in a general etching process, it is possible to use not only a single layer mask but also a multilayer mask composed of a multi-layered mask, Since it has a three-dimensional structure instead of a two-dimensional planar structure, curved surfaces can be patterned, particles having uniform holes can be manufactured, and various bio- and opto-electronic devices can be manufactured using such particles.

Claims (14)

메트릭스를 구성하는 입자와 구형을 형성하는 입자를 함유하는 용액으로부터 콜로이드 자기조립에 의해서 메트릭스 안쪽에 구형입자가 적층된 필름형상의 마스크기재를 제조하는 단계; Manufacturing a film-shaped mask base material in which spherical particles are laminated inside the matrix by colloidal self-assembly from a solution containing particles constituting the matrix and particles forming a sphere; 제조된 마스크 기재의 구형입자를 에칭하여 구멍을 형성시키는 단계를 포함하는 다공성 마스크의 제조방법.Method for producing a porous mask comprising the step of forming a hole by etching the spherical particles of the prepared mask substrate. 제 1 항에 있어서, 메트릭스를 형성하는 입자가 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 에폭시와 같은 유기분자; 실리카, 타이타니아와 같은 세라믹입자; 금, 은, 플라티늄, 구리, 니켈과 같은 금속입자; , 카드뮴-황, 갈륨-질소와 같은 화합물반도체 입자로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the particles forming the matrix are organic molecules such as polystyrene, polymethylmethacrylate, polyurethane, epoxy; Ceramic particles such as silica and titania; Metal particles such as gold, silver, platinum, copper and nickel; , Cadmium-sulfur, gallium-nitrogen, such as a compound semiconductor particles, characterized in that selected from the group consisting of. 제 1 항에 있어서, 상기 구형을 형성하는 입자가 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 에폭시와 같은 유기분자; 실리카, 타이타니아와 같은 세라믹입자; 금, 은, 플라티늄, 구리, 니켈과 같은 금속입자; , 카드뮴-황, 갈륨-질소와 같은 화합물반도체 입자로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the particles forming the sphere is an organic molecule such as polystyrene, polymethyl methacrylate, polyurethane, epoxy; Ceramic particles such as silica and titania; Metal particles such as gold, silver, platinum, copper and nickel; , Cadmium-sulfur, gallium-nitrogen, such as a compound semiconductor particles, characterized in that selected from the group consisting of. 제 1 항에 있어서, 상기 콜로이드 자기조립에 딥코팅, 스핀코팅, 랭뮤어-블로제트, 화학기상증착, 스퍼터링 및 전기도금으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the colloid self-assembly is selected from the group consisting of dip coating, spin coating, Langmuir-Blozet, chemical vapor deposition, sputtering and electroplating. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭에 고온소성; 불산과 같은 강산용액, 톨루엔, 아세톤, 포토레지스트(PR) 제거제와 같은 유,무기 에칭용액을 이용하는 용액에칭; 플라즈마, 고에너지 전자빔, 자외선조사, 오존과 같은 에칭가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, further comprising: hot baking the etching; Solution etching using a strong acid solution such as hydrofluoric acid, an organic or inorganic etching solution such as toluene, acetone, a photoresist (PR) remover; Etching gas such as plasma, high energy electron beam, ultraviolet irradiation, ozone is used. 제 1 항에 있어서, 마스크 기재의 하나의 구형 입자에 3개 또는 4개의 구멍이 형성되는 정도로 에칭하는 것을 특징으로 하는 방법. The method according to claim 1, wherein the etching is carried out to the extent that three or four holes are formed in one spherical particle of the mask substrate. 청구항 1 내지 6 중 어느 한항 기재의 방법으로 제조한 다공성 마스크.A porous mask prepared by the method of any one of claims 1 to 6. 청구항 7 기재의 다공성 마스크를 이용한 패터닝 방법.The patterning method using the porous mask of Claim 7. 제 8항에 있어서, 다공성 마스크를 패터닝하고자하는 기질에 올려놓고 다공성 마스크의 구멍을 통해 에칭용액, 에칭가스, 에칭 플라즈마, 자외선 및 전자빔으로 이루어진 군에서 선택되는 에칭 소스로 기질의 표면을 에칭하는 것을 특징으로 하는 패터닝방법. The method of claim 8, wherein the surface of the substrate is etched with an etching source selected from the group consisting of etching solution, etching gas, etching plasma, ultraviolet rays and electron beams by placing the porous mask on the substrate to be patterned. Patterning method characterized by. 제 9 항에 있어서, 상기 기질이 단분산 입자의 자기조립층인 것을 특징으로 하는 패터닝방법. 10. The method of claim 9, wherein said substrate is a self-assembled layer of monodisperse particles. 청구항 7 내지 9중 어느 한항 기재의 패터닝방법으로 제조된 다공성 입자.Porous particles prepared by the patterning method of any one of claims 7 to 9. 청구항 11 기재의 다공성 입자에 나노물질이 부여된 복합체 입자.11. A composite particle in which nanomaterials are imparted to porous particles of the substrate. 청구항 12기재의 복합체 입자를 이용한 바이오 소자.The bio device using the composite particle of claim 12. 청구항 12기재의 복합체 입자를 이용한 광전자소자. An optoelectronic device using a composite particle of claim 12.
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