KR20070007852A - 소프트 리소그래피용 복합 패터닝 장치 - Google Patents

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KR20070007852A
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더 보오드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이즈
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Abstract

본 발명은 기판 표면 위에 패턴, 특히 1, 2 또는 3차원의 선택된 길이를 갖는 마이크로 규모 및/또는 나노규모의 지형을 갖는 구조물을 포함하는 패턴을 제조하는 방법, 장치 및 장치 부품을 제공한다. 본 발명은 다양한 기판 표면 및 표면 형상 위에 고해상도 패터닝을 제공하기 위해 영 모듈러스나 굽힘 강성과 같은 선택된 기계적 성질; 두께, 표면적 및 양각 패턴 치수와 같이 선택된 물리적 치수; 및 열팽창 계수와 같은 선택된 열적 성질을 각각 갖는 복수개의 폴리머층을 포함하는 복합 패터닝 장치를 제공한다.

Description

소프트 리소그래피용 복합 패터닝 장치{Composite patterning devices for soft lithography}
본 발명은 소프트 리소그래피용 복합 패터닝 장치 및 그의 제조 방법, 상기 장치를 이용하여 기판 위에 패턴을 형성하는 방법, 패터닝 장치와 기판의 정렬 시스템 및 패터닝 장치와 기판을 정렬하는 방법에 관한 것이다.
<관련 출원의 상호참조>
본 출원은 2004년 4월 27일에 출원된 미합중국 가출원 제60/565,604호의 우선권을 주장하며, 여기에 개시된 바와 일치하는 범위 내에서 상기 가출원의 전체가 여기에 인용되어 포함된다.
<발명의 배경>
마이크로미터 규모의 구조물 및 소자의 설계와 제조는 마이크로 일렉트로닉스, 옵토일렉트로닉스(optoelectronics), 마이크로 유체공학(microfluidics) 및 마이크로 센싱(microsensing)을 포함하는 수많은 중요한 기술 분야에 엄청난 영향력을 갖는다. 마이크로 규모의 전자 소자를 제조할 수 있는 능력은, 예를 들면, 실질적으로 적은 전력을 요구하면서 더 빠르고 더 우수한 성능을 갖는 전자 부품을 가져올 수 있도록 전자공학 분야에 혁명을 일으켰다. 이러한 기술 분야가 지속적으로 빠르게 발전함에 따라 물체를 나노미터 스케일로 다루고 구성하는 능력의 개발에 의해 추가적인 이득이 실현될 것이 점차 더 확실해져 왔다. 나노과학 및 기술분야에서의 발전은 재료 과학에서부터 바이오 기술의 응용 공학 분야에 이르기까지 수많은 기술 분야에 많은 영향을 끼칠 것으로 예상된다.
나노스케일의 치수를 갖는 소자의 제조는 단지 소형화(miniaturization) 개념의 자연스러운 확장이 아니라 더 큰 규모의 시스템과 물리적 및 화학적 거동에서 차이가 발생하는 근본적으로 상이한 영역이다. 예를 들면, 많은 소재의 나노스케일 집합체(assembly)의 거동은 이들의 큰 계면 부피 분율(interfacial volume fraction) 및 전자 제한(electronic confinement)에 기인하는 양자 역학 효과에 의해 크게 영향을 받는다. 잘 정의된 지형(feature)을 갖는 구조물을 나노미터 스케일로 제조하는 능력은 단일전자 터널링, 쿨롬 차폐(Coulomb blockage), 및 양자 규모 효과와 같이 나노미터 규모에서만 발생하는 성질 및 과정에 기초한 소자의 제조에 관한 가능성을 열었다. 그러나, 광범위한 소재로부터 마이크로미터 이하 규모의 구조물을 제조하는 상용화의 실용화가 가능한 방법의 개발은 나노과학 및 기술의 계속적인 발전에 중요하다.
광 리소그래피는 현재 마이크로 가공 방법에서 가장 널리 사용되는 방법이고, 거의 모든 집적 전자 회로는 이 기술을 이용하여 제조된다. 통상의 투사형(projection mode) 광 리소그래피에서 선택된 2차원 패턴에 대응되는 광학적 이미지는 포토마스크를 이용하여 생성된다. 상기 이미지는 기판 위에 스핀 코팅된 포토레지스트의 박막 필름 위에 광학적으로 축소되어 투사된다. 선택적으로, 웨이퍼 직접 쓰기(Direct Write to Wafer) 광 리소그래피 기술에서, 포토마스크를 사용하지 않고 레이저광, 전자빔 또는 이온빔에 포토레지스트가 직접 노광된다. 빛, 전자 및/또는 이온들과 포토레지스트를 포함하는 분자간의 상호작용은 잘 정의된 물리적 치수를 갖는 구조물의 제조가 가능하도록 포토레지스트의 선택된 영역을 화학적으로 변화시킨다. 광 리소그래피는 편평한 표면 위에 2차원 분포를 갖는 구조물을 생성하기에 매우 적합하다. 또한, 광 리소그래피는 다층 스택의 형성을 포함하는 추가적인 가공 기술을 이용하여 편평한 표면 위에 3차원 분포를 갖는 구조물을 생성할 수 있다.
광 리소그래피 분야에서의 최근의 발전은 마이크론 이하 범위의 크기를 갖는 구조물의 제조에까지 그 응용범위를 넓혀왔다. 예를 들면, 심층 UV(deep UV) 투사형 리소그래피, 소프트 X-선 리소그래피, 전자빔 리소그래피 및 스캐닝 프로브법(scanning probe methods)과 같은 나노 리소그래피 기술은 수십 내지 수백 나노미터 수준의 지형을 갖는 구조물을 제조하기 위해 성공적으로 채용되어 왔다. 비록 나노 리소그래피가 나노미터의 크기를 갖는 구조물 및 소자의 실용적인 제조 방법을 제공하지만 이들 방법은 저렴한 가격, 나노 물질의 대량 가공을 제공하는 상업적 방법으로 실용적으로 통합되는 것을 제한하는 한계를 갖는다. 첫째, 나노 리소그래피 방법은 포토레지스트 표면 위에 빛, 전자 및/또는 이온을 보내기 위해 정밀하고 값비싼 스텝퍼(stepper) 또는 라이팅(writing) 도구를 요구한다. 둘째, 이들 방법들은 매우 좁은 범위의 특수한 소재를 패터닝 하는 데 한정되고, 나노구조물에 특정한 화학적 기능성을 도입하는 데는 적합하지 않다. 셋째, 통상의 나노 리소그 래피는 극히 평탄하고, 강직한 표면을 갖는 무기 기판의 작은 영역 위에 나노 규모의 구조물을 제조하는 데 한정되고, 따라서 유리, 탄소 및 플라스틱 표면 위에 이루어지는 패터닝과는 양립하기 어렵다. 마지막으로, 나노 리소그래피 방법에 의해 제공되는 초점 깊이의 한계 때문에 3차원의 선택된 길이를 갖는 지형을 포함하는 나노 구조물의 제조는 어려웠고, 이를 위해서는 다층 구조의 노동 집약적인 반복적 가공이 통상 요구되었다.
나노 가공에 사용될 때, 광 리소그래피 방법의 실용적인 한계는 나노 스케일 구조물의 제조를 위해 광 리소그래피가 아닌 대안적인 방법의 개발에 관한 실질적인 관심을 자극하였다. 최근 수년동안 소프트 리소그래피라고 일괄 호칭되는 몰딩, 접촉 프린팅 및 엠보싱에 기초한 새로운 기술들이 개발되었다. 이들 기술들은 잘 정의된 양각(relief) 패턴을 포함하는 전사면(transfer surface)을 갖는 스탬프, 몰드 또는 마스크와 같은 콘포말(conformal)한 패터닝 장치를 이용한다. 마이크로 규모 및 나노 규모의 구조물은 기판과 상기 패터닝 장치의 전사면 사이의 분자 스케일의 콘포말한 접촉을 포함하는 소재의 처리과정에 의해 형성된다. 소프트 리소그래피에서 사용되는 패터닝 장치는 보통 폴리(디메틸실록산)(PDMS)와 같은 엘라스토머 물질을 포함하고, 통상의 리소그래피를 이용하여 생성된 마스터에 프리폴리머(prepolymer)를 캐스팅함으로써 흔히 제조된다. 패터닝 장치의 기계적 특성은 우수한 충실도(fidelity) 및 위치 정확성을 갖는 피전사 물질 패턴을 기계적으로 강건하게 제조하는 데 있어 중요하다.
마이크로 규모 및/또는 나노 규모의 구조물을 생성할 수 있는 소프트 리소그 래피 방법은 나노 전사 프린팅, 마이크로 전사 몰딩, 복제 몰딩(replica molding), 모세관내 마이크로 몰딩, 근접장 위상 이동 리소그래피(near field phase shift lithography), 및 용매원용 마이크로몰딩(solvent-assisted micromolding)을 포함한다. 통상의 소프트 리소그래피 접촉 접촉 프린트법은, 예를 들면, 측방향 길이가 약 250 nm정도로 매우 작은 지형을 갖는 자기조립된(self assembled) 금의 단일층(monolayer)을 생성하기 위해 사용되어 왔다. 소프트 리소그래피에 의해 생성된 구조물은 다이오드, 발광(photoluminescent) 다공성 실리칸 픽셀, 유기 발광 다이오드 및 박막 트랜지스터를 포함하는 넓은 범위의 소자에 통합되어 왔다. 이 기술의 다른 응용분야는 일반적으로, 가요성 전자 부품 제조, MEMS(microelectromechanical system), 마이크로 분석 시스템 및 나노광학 시스템을 포함한다.
나노 구조물을 만드는 소프트 리소그래피 방법들은 나노 규모의 구조물 및 소자를 만드는 데 있어 중요한 수많은 이점을 제공한다. 첫째, 이들 방법들은 가요성의 플라스틱류, 탄소계(carbonaceous) 물질, 세라믹, 실리콘 및 유리와 같은 광범위한 기판과 양립하고, 금속, 복합 유기 화합물, 콜로이드 물질, 현탁물질, 생물학적 분자, 세포 및 염 용액을 포함하는 광범위한 전사 물질을 허용한다. 둘째, 소프트 리소그래피는 편평한 표면 및 컨투어(contour) 표면 모두에 피전사 물질의 지형을 생성할 수 있고, 대면적의 기판을 신속하고도 효율적으로 패터닝할 수 있다. 셋째, 소프트 리소그래피 기술은 3차원에서 선택적으로 조절할 수 있는 길이를 갖는 지형에 의해 특성화되는 3차원 구조물의 나노규모 제조에 적합하다. 마지막으 로, 소프트 리소그래피는 기존의 상업적 프린팅 및 몰딩 기술에 적용할 가능성이 있는 저렴한 방법을 제공한다.
통상의 PDMS 패터닝 장치는 여러 가지 기판 물질 및 표면 컨투어와의 재현성이 있는 콘포말 접촉을 만들 수 있지만, 100 nm 이하 범위의 지형을 만들기 위해 이들 장치를 사용하는 것은 통상의 단일층 PDMS 스탬프와 몰드의 모듈러스가 낮고(3 MPa) 높은 압축성(2.0 N/mm2) 때문에 압력에 의한 변형과 관계된 문제가 발생한다. 첫째, 약 0.3 미만의 종횡비(aspect ratio)에서, 넓고 얕은 양각 지형을 갖는 통상의 PDMS 패터닝 장치는 기판의 표면과 접촉하면 붕괴되는 경향이 있다. 둘째, 간격이 좁고(< 약 200 nm), 폭이 좁은(< 약 200 nm) 구조물을 갖는 통상의 단일층 PDMS 패터닝 장치에서 이웃하는 지형들은 기판 표면과 접촉하면 함께 붕괴되는 경향이 있다. 마지막으로, 통상의 PDMS 스탬프는 표면장력 때문에 스탬프가 기판으로부터 떨어질 때 피전사 패턴의 날카로운 코너가 뭉툭해지기 쉽다. 이러한 문제점들의 영향이 조합되어 기판에 전사되는 물질의 패턴에 원하지 않는 왜곡을 가져온다. 통상의 단일층 PDMS 패터닝 장치에 의해 야기되는 패턴 왜곡을 최소화하기 위해, 다층 스탬프 및 몰드를 포함하는 복합 패터닝 장치가 100 nm 미만의 치수를 갖는 구조물을 생성할 수 있는 수단으로서 검토되어 왔다.
Michel 및 공저자들은 양각 패턴의 전사 표면을 갖는 엘라스토머층에 부착된 금속, 유리 또는 폴리머의 얇은 가요성층(bendable layer)으로 이루어진 복합 스탬프를 이용하는 마이크로 접촉 프린트 방법을 보고한다. [Michel et al. Printing Meets Lithography: Soft Approaches to High Resolution Patterning, IBM J. Res. & Dev., Vol. 45, No. 5, pgs 697-719 (Sept. 2001)] 이들 저자들은 강직한 지지층과, 제 1 연질 폴리머층이 양각 패턴의 전사 표면을 갖는 제 2 경질층(second harder layer)에 부착되어 있는 것을 포함하는 고분자 배면층(backing layer)으로 이루어지는 복합 스탬프 설계도 설명하고 있다. 상기 저자들은 개시된 복합 스탬프 설계가 "80 nm 밖에 안되는 지형 크기를 갖는 대면적, 고해상도 프린팅 응용분야"에 유용하다고 보고하고 있다.
Odom 및 공저자들은 184 PDMS로 된 두꺼운 배면층(약 3 mm)이 양각 패턴의 전사 표면을 갖는 얇은(30-40 마이크론) h-PDMS 층에 부착된 것으로 이루어진 복합 2층 스탬프 설계를 개시한다. [Odem et al., Langmuir, Vol. 18, pgs 5314-5320 (2002)] 이 연구에서 상기 복합 스탬프는 소프트 리소그래피 위상 이동 포토리소그래피 방법을 이용하여 100 nm 오더의 치수를 갖는 지형을 몰딩하기 위해 사용되었다. 저자들은 개시된 복합 스탬프가 향상된 기계적 안정성을 보임으로써 종래의 저 모듈러스, 단일층 PDMS 스탬프에 비하여 측벽의 휘어짐(buckling) 및 처짐(sagging)이 감소됨을 보고한다.
비록 종래의 복합 스탬프의 사용이, 100 nm 이하 범위의 치수를 갖는 지형을 생성하기 위한 소프트 리소그래피 방법의 능력을 일정 정도 개선해 왔지만, 이들 기술들은 여전히 마이크로 스케일 및 나노 스케일 소자의 대량 생산을 위한 효과적인 상업적 응용을 방해하는 수많은 문제점에 취약하다. 첫째, 일부 종래의 복합 스탬프 및 몰드 설계는 제한된 융통성을 지녔고, 따라서, 컨투어 표면 또는 거친 표 면과 우수한 콘포말 접촉을 할 수 없었다. 둘째, 종래의 다중 소재 PDMS 스탬프의 양각 패턴은 열경화 또는 자외선 경화 동안 바람직하지 않은 수축이 일어나기 쉬워 이들 전사 표면 위의 양각 패턴을 왜곡시켰다. 셋째, 상이한 열팽창계수를 갖는 다중층을 포함하는 종래의 복합 스탬프를 사용하면 온도 변화에 의해 전사 표면의 양각 패턴 및 곡면의 왜곡을 가져올 수 있다. 넷째, 유리 및 일부 금속층과 같이 경직된 및/또는 깨어지기 쉬운 배면층을 사용하면 롤 프린터 및 플렉소인쇄(flexographic) 프린터 구성과 같은 기존의 상용 프린터 구조 내에 종래의 복합 스탬프를 용이하게 포함시키는 것을 어렵게 한다. 마지막으로, 고 모듈러스 엘라스토머 물질을 포함하는 전사 표면을 갖는 복합 스탬프의 사용은 고충실도 패터닝을 위해 필요한 전사 표면과 기판 표면 사이에 콘포말한 접촉이 형성되는 것을 방해한다.
이상으로부터, 수십 내지 수백 나노미터의 크기의 지형을 갖는 구조물을 고해상도 패턴으로 제조하기 위한 방법과 장치가 본 기술 분야에서 현재 요구되고 있음이 이해될 것이다. 특히, 고 충실로, 우수한 기계적 강건성 및 우수한 위치 정확성을 갖는 나노 스케일 구조물의 패턴을 제조할 수 있는 소프트 리소그래피 방법 및 패터닝 장치가 요구된다. 또한, 예를 들면, 열경화 또는 자외선 경화 동안 양각 패턴의 수축을 감소시킴으로써, 및/또는 온도에 의한 왜곡을 최소화함으로써 종래의 패터닝 장치에 비하여 패턴 왜곡을 최소화하는 패터닝 장치가 요구된다. 마지막으로, 기존의 고속 상용 프린팅 시스템 및 몰딩 시스템 내에 용이하게 통합될 수 있고, 이들과 양립할 수 있는 소프트 리소그래피 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명은 기판 표면 위에 패턴을 제조할 수 있는 방법, 장치 및 장치의 부품을 제공하며, 특히 상기 패턴은 1차원, 2차원 또는 3차원의 선택된 길이의 마이크로 규모 및/또는 나노 규모 지형을 갖는 구조물을 포함한다. 구체적으로, 본 발명은 구조물의 고 해상도 패턴을 평탄하거나 컨투어된 표면 위에 생성하기 위한 소프트 리소그래피 제조 방법에 사용되는 스탬프, 몰드 및 포토마스크를 제공한다. 상기 표면은 광범위한 기판 위에 큰 곡률 반경을 갖는 표면을 포함하고, 특히 상기 기판은 가요성의 플라스틱 기판을 포함한다. 본 발명의 목적은 잘 정의된 물리적 치수를 갖는 3차원 구조물, 특히 수십 나노미터 내지 수천 나노미터의 차수(order)의 물리적 치수를 갖는 잘 정의된 지형을 포함하는 구조물을 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 하나의 목적은 대면적의 기판 위에 고충실도 및 우수한 위치 정확성의 특징을 갖는 구조물 패턴을 제조하기 위한 방법, 장치 및 장치 부품을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 종래의 단일층 또는 다층 스탬프, 몰드 및 포토마스크에 비하여 열적 안정성 및 경화에 의해 유발되는 패턴 왜곡에 대한 내성이 더 우수한 복합 패터닝 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 하나의 목적은 기존의 상용의 고속 프린팅 몰딩 및 엠보싱 기술, 장치 및 시스템과 양립할 수 있는 소프트 리소그래피 방법, 장치 및 장치 부품을 제공하는 것이다.
일태양에서, 본 발명은 다양한 기판 및 표면 형태 위에 고해상도의 패터닝을 제공하기 위해서 영 모듈러스나 굽힘 강성(flexural rigidity)과 같은 선택된 기계적 성질, 두께, 표면적 및 양각 패턴의 치수와 같은 물리적 치수, 및 열팽창 계수와 같은 선택된 열적 성질을 각각 갖는 복수개의 고분자층을 포함하는 패터닝 장치를 제공한다. 본 발명의 본 태양의 패터닝 장치는 접촉 프린팅, 몰딩 및 광학 패터닝을 포함하는 다양한 소프트 리소그래피 패터닝 응용에 유용한 다층 폴리머 스탬프, 몰드 및 포토마스크를 포함한다. 일 구현예에서, 상이한 기계적 성질, 물리적 치수 및 열적 성질을 갖는 개별 폴리머층은 결합되고 및/또는 조화되어 종래의 소프트 리소그래피 장치에 비하여 향상된 패턴 해상도 및 충실도, 그리고 개선된 열적 안정성을 제공하는 누증적인 기계적 및 열적 성질을 갖는 패터닝 장치를 제공한다. 또한, 개별 폴리머층의 결합을 포함하는 본 발명의 패터닝 장치는 균열(fracture) 없이 광범위한 장치 구성, 위치 및 방향을 허용하며, 이로 인하여 종래의 단층 또는 다층 스탬프, 몰드 및 포토마스크에 비하여 기존의 상용 프린팅, 몰딩 및 광학 패터닝 시스템에 더욱 용이하게 통합될 수 있게 된다.
일 구현예에서, 본 발명은 낮은 영 모듈러스를 갖는 제 1 폴리머층 및 높은 영 모듈러스를 갖는 제 2 폴리머층을 포함하는 복합 패터닝을 제공한다. 상기 제 1 폴리머층은 자신의 위에 위치하여 적어도 하나의 접촉 표면을 갖는 선택된 3차원 양각 패턴을 포함하고, 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는다. 상기 제 2 폴리머층은 외부 표면과 내부 표면을 갖는다. 제 1 및 제 2 폴리머층은 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 제 1 폴리머층에 전달되도록 배열된다. 예를 들면, 제 1 폴리머층 및 제 2 폴리머층은 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층의 접촉 표면(들)의 적어도 일부분에 전달되도록 배열될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 제 1 폴리머층의 내부 표면은 상기 제 2 폴리머층의 내부 표면과 조작상(operationally) 결합된다. 예를 들면, 상기 제 1 폴리머층의 내부 표면은 상기 제 2 폴리머층의 내부 표면과 물리적인 접촉을 할 수 있다. 선택적으로, 상기 제 1 폴리머층 및 제 2 폴리머층은 상기 제 1 폴리머층의 내부 표면과 상기 제 2 폴리머층의 내부 표면 사이에 위치하는 금속 박층, 폴리머층 또는 세라믹층과 같은 적어도 하나의 연결층에 의해 연결될 수 있다.
본 발명의 본 태양의 복합 패터닝 장치는 제 1 폴리머층의 접촉 표면(들)과 패터닝이 진행되는 기판 표면의 적어도 일부분 사이에 콘포말 접촉을 만들 수 있다. 선택적으로, 상기 제 2 폴리머층은 상기 패터닝 장치가 패터닝이 진행되는 상기 기판 표면과 콘포말 접촉하게 하도록 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 외력을 제공할 수 있는, 스탬핑, 프린팅 또는 몰링 장치와 같은 작동 장치(actuator)와 조작상 결합될 수 있다. 선택적으로, 상기 기판은 패터닝 장치와 기판이 콘포말 접촉을 하도록 할 수 있는 작동 장치와 조작상 결합될 수 있다.
본 발명의 복합 패터닝 장치의 폴리머층의 물리적 치수 및 영 모듈러스의 선택은 알짜 굽힘강도 및 패터닝 장치의 콘포말성(conformability)과 같은 복합 패터닝 장치의 총괄적인 기계적 성질을 결정한다. 소프트 리소그래피 접촉 프린팅 및 몰딩 응용분야에 유용한 본 발명의 구현예에서, 상기 제 1 폴리머층은 약 1 MPa 내지 10 MPa 범위에서 선택되는 영 모듈러스와 약 1 마이크론 내지 약 100 마이크론 범위에서 선택되는 두께에 의해 특성화되고, 상기 제 2 폴리머층은 약 1 GPa 내지 약 10 GPa 범위에서 선택되는 영 모듈러스와 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론 범위에서 선택되는 두께에 의해 특성화된다. 소프트 리소그래피 접촉 프린팅 응용분야에 유용한 본 발명의 복합 패터닝 장치는 제 1 폴리머층의 두께와 제 2 폴리머층의 두께의 비가 약 1 내지 약 10의 범위에서 선택되고, 바람직하게는 일부 응용에서 약 5인 구현예를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 제 1 폴리머는 PDMS 또는 h-PDMS와 같은 엘라스토머층이고, 상기 제 2 폴리머층은 열가소성층 또는 폴리이미드와 같은 열경화성층이고, 상기 복합 패터닝 장치는 약 1×10-7 Nm 내지 약 1×10-5 Nm 범위에서 선택되는 알짜 굽힘 강성을 갖는다.
엘라스토머층과 같이 낮은 모듈러스의 제 1 폴리머층을 사용하면 (수 m2에 달하는) 대면적의 매끈한 표면, 편평한 표면, 거친 표면, 특히 약 1 마이크론에 달하는 조도(roughness amplitude)를 갖는 표면, 컨투어된 표면, 바람직하게는 약 25 마이크론에 달하는 곡률반경을 갖는 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있는 패터닝 장치를 제공할 수 있기 때문에 본 발명에 유리하다. 또한, 저 모듈러스의 제 1 폴리머층을 이용하면 비교적 낮은 압력(약 0.1 kN m-2 내지 약 10 kN m-2)을 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가하고도 대면적의 기판 표면과 접촉 표면(들) 사이에 콘포말 접촉을 이룰 수 있다. 예를 들면, PDMS 층을 포함하고 약 5 마이크론보다 크거나 같은 두께를 갖는 저 모듈러스 제 1 폴리머층은 약 100 N m-2보다 작거나 같은 외부 압력을 가하였을 때 무려 250 cm2의 기판 표면적에 걸쳐 재현성이 있는(reproducible) 콘포말 접촉을 이룬다. 또한, 본 발명의 패터닝 장치에 저 모듈러스 제 1 폴리머층을 통합시키면 콘포말 접촉이 점진적으로 통제된 방식으로 이루어지도록 할 수 있는데, 그 결과 제 1 폴리머층의 접촉 표면과 기판 표면 사이에 공기 포켓이 포획되어 형성되는 것을 피할 수 있다. 또한, 저 모듈러스 제 1 폴리머층을 포함하면 기판 표면 및 본 발명의 복합 패터닝 장치를 만드는 데 사용되는 마스터 양각 패턴의 표면으로부터 접촉 표면이 용이하게 떨어지는 특성을 제공할 수 있다.
본 발명의 패터닝 장치에 고 모듈러스의 제 2 폴리머층을 사용하면, 콘포말 접촉을 형성할 때 접촉 표면(들)과 기판 표면 사이에서 일어날 수 있는 양각 패턴의 왜곡을 최소화하기에 충분히 큰 알짜 굽힘 강성을 갖는 패터닝 장치를 제공하기 때문에 유리하다. 첫째, 본 발명의 패터닝 장치에 고 모듈러스 제 2 폴리머층을 통합하면, 높은 종횡비를 갖는 패턴의 좁은 양각 지형이 붕괴되는 형태의 왜곡과 같이 접촉 표면을 포함하는 평면에 평행한 평면의 양각 패턴에 발생하는 왜곡을 최소화한다. 둘째, 고 모듈러스 제 2 폴리머층을 포함하면, 양각 패턴의 리세스 영역의 꺼지는(sagging) 형태의 왜곡과 같이, 접촉 표면을 포함하는 평면과 수직으로 교차하는 평면의 양각 패턴의 왜곡을 최소화한다. 양각 패턴의 왜곡을 이와 같이 감소시킴으로써 50 나노미터의 매우 작은 물리적 치수를 갖는 잘 정의된 지형을 포함하는 소형 구조물의 패턴을 본 발명의 패터닝 장치 및 방법을 이용하여 만들 수 있다.
본 발명의 패터닝 장치에서 고 모듈러스 제 2 폴리머층을 사용하면 본 발명의 패터닝 장치를 프린팅, 엠보싱 및 몰딩 장치에 통합할 수 있고 취급이 용이해지기 때문에 유리하다. 본 발명의 이러한 속성은 본 패터닝 장치의 장착(mounting), 재장착, 배향(orientation), 유지 및 소제를 용이하게 한다. 고 모듈러스 제 2 폴리머층의 포함은 본 발명의 패터닝 장치를 기판 표면의 선택된 영역과 접촉시키는 정확도를 통상의 단일층 PDMS 스탬프, 몰드 및 포토마스크에 비하여 25의 비율(factor)만큼 개선한다. 예를 들면, 5 GPa보다 크거나 같은 영 모듈러스를 갖는 25 마이크론 두께의 폴리이미드 층과 같은 제 2 폴리머층을 포함하면 약 232 cm2의 기판 표면에 걸쳐 약 1 마이크론의 위치 정확도로 본 발명의 패터닝 장치가 기판 표면과 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 유연하고 탄력있는, 고 모듈러스 제 2 폴리머층의 사용은 본 발명의 패터닝 장치가 장치 구성의 범위에서 작동되고 종래의 프린팅 및 몰딩 시스템에 용이하게 통합되도록 한다. 예를 들면, 약 7 × 10-6 Nm의 굽힘 강성을 갖는 제 2 폴리머층을 사용하면 종래의 롤러 및 플렉소인쇄 프린팅 시스템에 본 발명의 패터닝 장치가 용이하게 통합된다.
선택적인 구현예에서, 본 발명의 패터닝 장치는 단일(unitary) 폴리머층을 포함한다. 상기 단일 폴리머층은 자신 위에 적어도 하나의 접촉 표면과 상기 접촉 표면의 반대편에 위치하는 외부 표면을 갖는 베이스층을 갖는 3차원 양각 패턴을 포함한다. 상기 접촉 표면은 상기 폴리머층을 통해 연장되는 층 정렬 축(layer alignment axis)에 수직하도록 배향되고, 상기 폴리머층의 영 모듈러스는 접촉 표면으로부터 상기 베이스층의 외부 표면에 이르기까지 층 정렬 축을 따라 연속적으로 변화한다. 일 구현예에서, 상기 폴리머층의 영 모듈러스는 상기 접촉 표면에서의 낮은 값으로부터 상기 접촉 표면과 상기 외부 표면 사이의 중간점에서의 높은 값에 이르기까지 층 정렬 축을 따라 연속적으로 변화한다. 또 다른 구현예에서, 상기 폴리머층의 영 모듈러스는 상기 접촉 표면과 상기 외부 표면 사이의 중간점에서의 높은 모듈러스 값으로부터 상기 베이스층의 외부 표면에서의 낮은 모듈러스 값에 이르기까지 상기 층 정렬 축을 따라 연속적으로 변화한다. 선택적으로, 상기 폴리머층은 상기 층 정렬 축에 따른 패터닝 장치의 중간 부근에서 열팽창 계수의 분포가 실질적으로 대칭적인 분포를 가질 수도 있다. 상기 폴리머층에서의 영 모듈러스의 변화는 당 기술 분야에 알려진 어떠한 방법에 의해서든 이룰 수 있다. 이들 방법은 상기 단일 폴리머층의 가교 정도를 선택적으로 변화시킴으로써 상기 층 정렬 축에 따른 위치의 함수로서 영 모듈러스의 제어를 달성할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 3차원 양각 패턴은 단수의 연속적인 양각 패턴 또는 복수개의 연속적인 및/또는 분리된 양각 패턴을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 상기 양각 지형의 물리적 치수 또는 양각 패턴에서의 이들의 배열의 선택은 기판 표면 위에 생성될 구조물의 물리적 치수와 상대적인 배열에 근거하여 이루어진다. 본 발명의 복합 패터닝 장치에 사용될 수 있는 양각 패턴은 약 10 나노미터 내지 약 10,000 나노미터의 범위에 걸쳐 선택되고, 바람직하게는 일부 응용에 대하여 약 50 나노미터 내지 약 1000 나노미터의 범위에 걸쳐 선택되는 물리적 치수를 갖는 양각 지형을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 양각 패턴은 양각 지형의 대칭적인 패턴 또는 양각 지형의 비대칭적인 패턴을 포함할 수 있다. 3차원 양각 패턴은 대면적의 지역을 차지할 수 있으며, 일부 마이크로 및 나노가공 응용분야에 대하여는 약 10 cm2 내지 약 260 cm2의 범위에 걸쳐 양각 면적을 선택할 수 있다.
또 다른 구현예에서, 본 발명의 복합 패터닝 장치는 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 제 3 폴리머층을 더 포함한다. 이러한 3층의 구현예에서, 제 3 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 제 1 폴리머층에 전달되도록 제 1, 제 2 및 제 3 폴리머층이 배열된다. 예를 들면, 상기 제 3 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층의 접촉 표면(들)의 적어도 일부분에 전달되도록 제 1, 제 2 및 제 3 폴리머층이 배열될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면은 상기 제 3 폴리머층의 내부 표면과 조작상 결합된다. 예를 들면, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면은 상기 제 3 폴리머층의 내부 표면과 물리적인 접촉을 할 수 있다. 선택적으로, 상기 제 2 폴리머층 및 제 3 폴리머층은 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면과 상기 제 3 폴리머층의 내부 표면 사이에 위치하는 금속 박층, 폴리머층 또는 세라믹층과 같은 하나 이상의 연결층에 의해 연결될 수 있다. 선택적으로, 상기 제 3 폴리머층은 상기 패터닝 장치의 접촉 표면(들)이 패터닝이 진행되는 상기 기판 표면과 콘포말 접촉하게 하도록 상기 제 3 폴리머층의 외부 표면에 외력을 제공할 수 있는 작동 장치(actuator)와 조작상 결합될 수 있다. 제 3 폴리머층의 결합은 본 발명의 복합 패터닝 장치의 취급, 배치, 배향, 장착, 소제 및 유지하는 수단을 제공할 수도 있다.
본 발명의 복합 패터닝 장치 내에 낮은 영 모듈러스를 갖는 제 3 폴리머층을 통합하는 것은 일부 소프트 리소그래피 응용에 유리하다. 첫째, 낮은 영 모듈러스의 제 3 폴리머층은 패터닝 장치에 가해지는 힘이 점진적이고도 통제된 방식으로 가해질 수 있게 하여 공기 기포가 포획되어 형성됨 없이 콘포말 접촉이 생성되는 것을 용이하게 한다. 둘째, 낮은 영 모듈러스의 제 3 폴리머층의 통합은 패터닝 장치에 가해져 제 1 폴리머층의 접촉 표면(들)에 전달되는 힘을 균일하게 분포시키는 효과적인 수단을 제공한다. 상기 패터닝 장치에 가해져 상기 접촉 표면(들)에 전달되는 힘의 균일한 분포는 기판 표면의 대면적에 걸쳐 콘포말 접촉의 형성을 증진시키고 기판 표면 위에 생성되는 패턴의 해상도를 향상시킨다. 또한, 상기 패터닝 장치에 가해져 상기 접촉 표면(들)에 전달되는 힘의 균일한 분포는 패터닝 공정의 전체적인 효율과 에너지 소비를 개선한다. 예시적인 제 3 폴리머층은기판 표면의 조도 및/또는 곡률반경보다 여러배 더 두꺼운 두께를 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 종래의 단층 및 다층 스탬프, 몰드 및 포토마스크보다 열로 인한 패턴 왜곡이 더 적은, 열적으로 안정한 복합 패터닝 장치를 제공한다. 낮은 영 모듈러스를 갖는 일부 물질은 큰 열팽창 계수에 의해 특징지워진다. 예를 들면, PDMS는 3 MPa의 영 모듈러스를 갖고 약 260 ppm의 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, 온도의 증가 또는 감소는 특히, 대면적 양각 패턴을 갖는 패터닝 장치에 대하여 이들 물질을 포함하는 양각 패턴에 실질적인 왜곡을 가져올 수 있다. 온도 변화에 의해 유발되는 양각 패턴의 왜곡은, 서브마이크론 크기의 구조물과 같이 매우 작은 치수를 갖는 지형을 대면적의 기판에 걸쳐 갖는 구조물 패턴의 제조를 수반하는 응용분야에서 특히 문제가 될 수 있다.
본 발명의 일 태양에서, 높은 열적 안정성을 보이는 패터닝 장치를 제공하는 방식으로 상이한 기계적 성질 및/또는 열팽창 계수를 갖는 복수개의 층을 결합 및 조화시킬 수 있다. 본 발명의 다른 태양에서, 복수개의 층들은 상기 패터닝 장치의 알짜 열팽창 성질이 상기 기판의 열팽창 성질과 조화되도록, 일부 응용에 있어서 바람직하게는 10% 이내로 조화되도록 결합된다. 본 설명의 문맥에 있어서, "높은 열적 안정성"은 온도 변화에 따른 패턴 왜곡을 최소로 보이는 패터닝 장치를 말한다. 높은 열적 안정성을 갖는 본 발명의 복합 패터닝 장치는 종래의 단층 및 다층 스탬프, 몰드 및 포토마스크에 비하여 온도 변화에 의해 유도된 신장(stretching), 굽힘(bowing), 휘어짐(buckling), 팽창 및 수축에 의해 야기되는 양각 패턴 및 접촉 표면의 변형의 감소를 보인다. 일 구현예에서, 폴리이미드 층과 같이 낮은 열팽창 계수를 갖는 고 모듈러스 제 2 폴리머층은 PDMS 층 또는 h-PDMS 층과 같이 큰 열팽창 계수를 갖는 저 모듈러스 제 1 폴리머층의 내부 표면과 조작상 결합된다. 이러한 배열에서, 고 모듈러스 및 낮은 열팽창 계수를 갖는 제 2 폴리머층의 통합은 제 1 폴리머층의 팽창 또는 수축을 제한하고, 따라서 온도의 증가 또는 감소에 의해 유발되는 접촉 표면(들) 및 3차원 양각 패턴의 신장 또는 수축 정도를 현저히 감소시킨다. 본 발명의 본 태양의 일 구현예에서, 상기 제 2 폴리머층은 약 14.5 ppm보다 작거나 같은 열팽창 계수를 갖고, 선택적으로 제 1 폴리머층의 두께보다 약 5배 더 두꺼운 두께를 갖는다.
본 발명에서, 우수한 열적 안정성은 고 모듈러스 제 2 폴리머층, 바람직하게는 낮은 열팽창 계수를 갖는 고 모듈러스 층에 조작상 결합된 불연속적인 저 모듈러스 제 1 폴리머층의 포함에 의해 달성될 수 있다. 일 구현예에서, 불연속적인 상기 저 모듈러스 층은 불연속적인 복수개의 양각 지형을 포함하는 3차원 양각 패턴이다. 상기 저 모듈러스 층을 포함하는 불연속적인 양각 지형은 서로 접촉하지 않으며, 각각 고 모듈러스 층과 조작상 결합된다. 예를 들면, 불연속 양각 지형의 패턴은 상기 고 모듈러스 층의 내부 표면 위에 저 모듈러스 물질의 개별 아일랜드로 된 패턴을 포함할 수 있다. 복수개의 불연속 양각 지형을 포함하는 제 1 저 모듈러스 층을 본 발명의 복합 패터닝 장치에 통합하는 것은 저 모듈러스 층 및 고 모듈러스 층의 열팽창 성질들 사이의 부조화의 정도를 감소시키기 때문에 유리하다. 또한, 불연속적인 저 모듈러스 층을 사용하면 높은 열팽창 계수를 갖는 물질의 알짜 양을 감소시켜 온도 변화에 의해 생기는 알짜 팽창 또는 수축 정도를 감소시킨다. 예시적인 구현예에서, 상기 불연속적인 저 모듈러스 층은 PDMS 또는 h-PDMS와 같은 엘라스토머를 포함하고, 고 모듈러스 층은 폴리이미드를 포함한다.
우수한 열적 안정성을 갖는 패터닝 장치를 제공하는 본 발명의 다른 구현예에서, 상기 패터닝 장치를 통하여 연장되는 층 정렬 축, 예를 들면, 접촉 표면에 수직으로 위치하는 층 정렬 축을 따라 상기 패터닝 장치의 중심에 대하여 열 팽창 계수, 두께 또는 이들 양자가 실질적으로 대칭 분포되도록 복수개의 층이 배열된다. 우수한 열적 안정성을 보이는 선택적인 구현예에서, 온도가 보상되는(temperature compensated) 본 발명의 패터닝 장치는 상기 패터닝 장치를 통하여 연장되는 층 정렬 축, 예를 들면, 접촉 표면에 수직으로 위치하는 층 정렬 축을 따라 상기 패터닝 장치의 중심에 대하여 열 팽창 계수가 실질적으로 대칭 분포되도록 갖는 단일 폴리머층을 포함한다.
이들 구성에서, 열팽창 계수, 두께 또는 이들 양자의 대칭 분포는 하나 이상의 층의 열팽창 또는 수축을 보상하는 수단을 제공한다. 이러한 보상 방법의 결과 온도 변화에 의해 야기되는 양각 패턴의 휘어짐, 굽힘, 신장 및 수축이 최소화된다. 특히, 열팽창 계수 및 층 두께의 대칭적 분포는 온도 변화에 있어 거의 동등한 크기지만 방향이 반대인 반대힘을 생성한다. 따라서, 이러한 온도 보상 방법은 온도 변화로 인해 생성되어 상기 제 1 층의 접촉 표면, 양각 지형 및 3차원 양각 패턴에 미치는 힘의 크기를 최소화하기 위해 사용된다.
온도가 보상되는 예시적인 본 발명의 패터닝 장치는 장치의 중심에 대하여 실질적으로 대칭적인 열팽창 계수 분포를 제공하도록 선택된 기계적 및 물리적 성질을 갖는 세 층을 포함한다. 상기 제 1 층은 자신 위에 적어도 하나의 접촉 표면을 갖는 3차원 양각 패턴과 상기 접촉 표면의 반대쪽에 위치하는 내부 표면을 포함한다. 상기 제 1 층은, 예를 들면 약 1 MPa 내지 약 10 MPa의 범위를 갖는 낮은 영 모듈러스를 갖는다. 상기 제 2 층은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 예를 들면 약 1 GPa 내지 약 10 GPa의 범위를 갖는 높은 영 모듈러스를 갖는다. 상기 제 3 층은 내부 표면과 외부 표면을 갖는다. 이들 세 층의 구현예에서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 층은 상기 제 3 층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 층의 접촉 표면에 전달되도록 배열된다. 상기 제 1 및 제 3 층의 열팽창 계수 및 두께는 상기 패터닝 장치를 통하여 연장되는, 적어도 하나의 접촉 표면을 둘러싸는 평면에 수직하게 위치하는 층 정렬 축과 같은 층 정렬 축을 따라 상기 패터닝 장치의 중심에 대하여 열팽창 계수가 실질적으로 대칭 분포를 제공하도록 선택될 수 있다.
높은 열적 안정성을 보이는 예시적인 3층 복합 패터닝 장치는 PDMS 제 1 층, 폴리이미드 제 2 층 및 PDMS 제 3 층을 포함한다. 이 구현예에서, 제 1 및 제 3 PDMS 층의 두께는 상기 접촉 표면에 수직으로 연장되는 층 정렬 축을 따른 상기 장치의 중심에 대하여 열팽창 계수가 실질적으로 대칭 분포하게 하기 위해 예를 들면 서로의 10% 이내에서 실질적으로 동일할 수 있다. 본 구현예에서, 1 cm2의 양각 패턴에 걸친 온도 1 K의 변화에 대한 패턴 왜곡이, PDMS를 포함하고 약 5 마이크론의 두께를 가지며 약 25 마이크론 두께의 폴리이미드 층에 의해 분리된 제 1 및 제 3 PDMS 층을 갖는 본 발명의 3층 패터닝 장치에 대해 150 나노미터 미만인 것이 관찰되었다. 본 발명의 일 구현예에서, 실질적으로 대칭인 열팽창 계수의 분포를 제공하는 조화된 제 1 및 제 3 층을 갖는데, 상기 양각 패턴의 리세스된 영역에서 열팽창 계수의 부조화에 대응되고 온도 변화로 유발되는 원하지 않는 열팽창 또는 수축을 피하기 위해 상기 제 1 층의 두께에 대한 양각 깊이의 비율은 작게 유지된다(예를 들면, 0.10보다 작거나 같게).
다른 태양에서, 본 발명은 통상의 단층 및 다층 스탬프, 포토마스크 및 몰드에 비하여 제조시 중합 및 경화에 의해 야기되는 패턴 왜곡이 더 적게 일어나는 복합 패터닝 장치를 제공한다. PDMS와 같은 많은 폴리머는 중합시 자신의 물리적 치수가 현저하게 감소하게 된다. 패터닝 장치에 사용되는 양각 패턴이, 통상의 포토리소그래피 방법에 의해 생성되는 마스터 양각 표면과 접촉하는 프리폴리머(prepolymer)의 중합을 개시함으로써 통상 제조되므로, 이러한 수축은 양각 패턴 및 고분자 물질, 특히 엘라스토머를 포함하는 패터닝 장치의 접촉 표면의 물리적 치수를 심각하게 왜곡할 수 있다.
본 발명은 제조시 중합 및 경화에 의해 야기되는 변형에 덜 민감한 다층 스탬프 설계를 제공한다. 경화로 인한 양각 패턴 및 접촉 표면의 변형에 대한 민감성이 감소한 본 발명의 복합 패터닝 장치는 종래의 단층 및 다층 스탬프, 몰드 및 포토마스크에 비하여 제조 중의 중합 반응에 의해 야기되는 신장(stretching), 굽힘(bowing), 휘어짐(buckling), 팽창 및 수축이 감소하는 것을 보여준다. 일 구현예에서, 특정 기계적 및 열팽창 특성을 갖는 복수개의 고분자층이 제조 중의 중합 및 경화에 의해 생성되는 패턴 왜곡의 정도를 감소시키는 방식으로 결합 및/또는 조화된다.
경화로 인한 양각 패턴 및 접촉 표면의 변형에 대한 민감성이 감소한 본 발명의 복합 패터닝 장치는 각각 내부층 및 외부층을 갖는 제 3 및 제 4 폴리머층을 더 포함한다. 이 4개층 구현예에서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 폴리머층은 상기 제 4 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층의 접촉 표면에 전달되도록 배열된다. 예를 들면, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 폴리머층은 상기 제 4 층의 외부 표면에 가해진 힘이 상기 제 1 폴리머층의 접촉 표면의 적어도 일부분에 전달되도록 배열된다. 일 구현예에서, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면은 상기 제 3 폴리머층의 내부 표면에 조작상 결합되고, 상기 제 3 폴리머층의 외부 표면은 상기 제 4 폴리머층의 내부 표면에 조작상 결합된다. 상기 제 1 및 제 3 층의 두께, 열팽창 계수 및 영 모듈러스를 조화시키고, 상기 제 2 및 제 4 층의 두께, 열팽창 계수 및 영 모듈러스를 조화시킴으로써 경화 및/또는 중합에 의해 야기되는 왜곡에 대한 저항이 개선될 수 있다. 이러한 조화된 다층 설계의 최종 결과는 종래의 단층 또는 이중층 스탬프, 몰드 및 포토마스크에 비하여 경화로 인해 야기되는 왜곡의 정도를 약 10의 비율(factor)만큼 감소시키는 것이다.
본 발명의 복합 패터닝 장치는, 특히 전자기파 스펙트럼의 자외선 및/또는 가시광 영역의 패장을 갖는 전자기 방사광에 대하여 광학적으로 완전히 투과성이거나 광학적으로 부분적으로 투과성일 수 있다. 일부 응용에서는 가시광선을 투과하는 패터닝 장치가 시각적으로 기판 표면에 정렬될 수 있기 때문에 선호된다. 본 발명의 패터닝 장치는 기판 표면 위로 세기, 파장, 편광 상태 또는 이들의 어느 조합 중 선택된 2차원 분포로 특성화되는 하나 이상의 전자기 방사광 패턴을 투과시킬 수 있다. 본 발명의 패터닝 장치에 의해 투과되는 상기 전자기 방사광의 세기 및 파장은 선택된 흡수 특성, 산란 특성 및/또는 반사 특성을 갖는 물질을 폴리머층 내에 도입함으로써 조절될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 상기 패터닝 장치는 흡수 계수(absorption coefficient), 흡광 계수(extinction coefficient), 반사율(reflectivity) 또는 이들 파라미터의 어떤 조합의 선택된 2차원 분포에 의해 특성화되는 부분적으로 투명한 광학 요소이다. 이러한 설계의 유리한 점은 광대역 램프(broad band lamp), 원자 램프(atomic lamp), 흑체 소스(blackbody source) 또는 레이저와 같은 광학적 소스로 빛을 비추어 주면 기판으로 전달되는 전자기 방사광이 선택된 2차원 분포의 세기 및 파장을 가져 온다는 점이다.
일 구현예에서, 본 발명은 패터닝 장치의 제 1 층의 양각 패턴과 기판 표면 사이에 위치하는 전사 물질 내에서 중합 반응을 일으키기 위한 전자기 방사광을 투과할 수 있는 광학적으로 투과성인 몰드를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명은 상기 패터닝 장치의 제 1 층의 접촉 표면과 콘포말 접족을 하고 있는 기판 표면 위에 전자기 방사광의 패턴을 전달할 수 있는 광학적으로 투과성인 포토마스크를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명은 기판 표면에 전달되는 물질을 비출 수 있고 광학적으로 투과성의 스탬프를 포함한다.
본 발명은 소프트 리소그래피 방법, 마이크로 가공 방법 및 나노가공 방법의 광범위한 범위에 사용될 수 있는 매우 다양한 목적의 패터닝 장치를 제공한다. 본 발명의 패터닝 장치와 양립할 수 있는 예시적인 가공 방법 나노전사 및/또는 마이크로전사 프린팅, 나노전사 및/또는 마이크로전사 몰딩, 복제 몰딩(replica molding), 모세관 내 나노몰딩 및 마이크로몰딩, 근접장 위상 이동 리소그래피 및 용매원용 나노몰딩 및 마이크로몰딩을 포함하지만 여기에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 패터닝 장치는 편평하거나, 콘투어되었거나, 오목하거나 볼록한 접촉 표면의 구성을 포함하는 다양한 접촉 표면 배향과 양립될 수 있지만 여기에 한정되지 않는다. 이러한 구성으로 인하여 많은 다른 프린팅, 몰딩 및 마스킹 시스템에 이들이 통합될 수 있다. 일부 응용분야에서, 본 발명의 패터닝 장치를 포함하는 폴리머층의 두께 및 열팽창 계수는 상기 패터닝 장치의 열팽창 특성이 패터닝이 진행되는 기판의 열팽창 특성과 조화되도록 선택된다. 상기 패터닝 장치와 기판의 열팽창 특성을 조화시키는 것은 기판 표면에 제조되는 패턴의 위치 정확성 및 충실도를 개선하기 때문에 유리하다.
다른 태양에서, 본 발명은 마이크로 몰딩 및 나노몰딩 방법과 같이 전사물질을 몰딩함으로써 기판 표면 위에 하나 이상의 패턴을 생성하는 방법을 제공한다. 일 구현예에서, 본 발명의 복합 패터닝 장치는 접촉 표면의 적어도 일부분과 기판 표면 사이에 콘포말 접촉이 이루어지도록 기판 표면과 접촉되어진다. 콘포말 접촉은 몰드를 생성하며 상기 몰드는 3차원 양각 패턴과 기판 표면을 분리하는 공간을 포함한다. 상기 몰드 내로 프리폴리머와 같은 전사 물질이 도입된다. 상기 기판 표면에 패턴을 생성하기 위해, 상기 패터닝 장치는 기판 표면으로부터 분리되고, 상기 기판 표면 위에 전사 물질의 적어도 일부분을 전사한다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 몰드 내에서 상기 전사 물질을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 몰드 내의 상기 전사 물질은 전자기 방사광에 노출되거나 또는 중합 및/또는 가교(crosslinking) 화학반응과 같은 화학적 변화를 개시하기 위해 몰드 내의 상기 전사 물질에 중합 활성화제(polymerization activator)를 첨가할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 접촉 포토리소그래피에 의해 기판 표면 위에 하나 이상의 패턴을 생성하는 방법을 제공한다. 일 구현예에서, 본 발명의 복합 패터닝 장치는 접촉 표면의 적어도 일부와 기판 표면 사이에 콘포말 접촉이 이루어지도록 하나 이상의 감광 물질(radiation sensitive material)을 포함하는 기판 표면과 접촉되어진다. 전자기 방사광이 상기 패터닝 장치를 통과하여 상기 기판의 표면 위로 조사되며, 그에 의하여 세기, 파장 및/또는 편광 상태의 선택된 2차원 분포를 갖는 전자기 방사광 패턴을 상기 기판 표면 위에 생성한다. 전자기 방사광과 상기 기판의 감광 물질의 상호작용으로 화학적으로 및/또는 물리적으로 변성된 영역을 갖는 기판 표면이 생성되며, 그에 의하여 기판 표면 위에 하나 이상의 패턴을 생성한다. 선택적으로, 본 발명의 방법은 화학적으로 변성된 기판 표면 영역의 적어도 일부분을 제거하는 단계 또는 화학적으로 변성되지 않은 기판 표면의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 본 태양에서의 물질의 제거는 포토리소그래피 분야에 알려진 어떤 방법에 의해서든 이루어질 수 있다. 상기 방법은 화학적 에칭 및 용매와 같은 화학 약품에 노출시키는 것을 포함하지만 여기에 한정되지 않는다.
본 발명의 방법, 장치 및 장치 부품은 광범위한 기판의 표면 위에 패턴을 생성할 수 있다. 상기 기판은 플라스틱류, 유리, 카본계 표면, 금속, 직물류(textiles), 세라믹 또는 이들 물질의 복합체를 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 방법, 장치 및 장치 부품은 거친 표면, 매끈한 표면, 컨투어된 표면 및 평탄한 표면과 같이 광범위한 표면 형상(morphology)을 갖는 기판 표면 위에 패턴을 생성할 수도 있다. 우수한 위치 정확성 및 고충실도의 특성을 갖는 고해상도의 패턴을 제공하는 데 있어 중요한 것은 접촉 표면의 분자와 기판 표면을 포함하는 분자 사이의 강한 회합(association)을 지원하는 콘포말 접촉 표면을 사용하는 것이다. 예를 들면, PDMS 접촉 표면은 플라스틱, 폴리이미드층, 유리, 금속, 메탈로이드, 실리콘 및 실리콘 옥사이드, 카본계 물질, 세라믹, 직물류 및 이들 물질의 복합체로 이루어지는 표면을 포함하는 많은 기판 표면과 강한 판 데르 발스(Van der Waals) 상호작용을 이룬다.
본 발명의 방법은 광범위한 물리적 치수 및 상대적인 배열을 갖는 마이크로규모 및 나노규모의 구조물을 제조할 수 있다. 본 방법에 의해 대칭 및 비대칭 3차원 구조물을 제조할 수 있다. 본 방법, 장치 및 장치 부품은 약 10 나노미터 내지 약 100 마이크론 범위, 일부 응용분야에서 더욱 바람직하게는 약 10 나노미터 내지 약 10 마이크론 범위의 치수를 가진 지형을 갖는 하나 이상의 구조물을 포함하는 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법, 장치 및 장치 부품에 의해 생성된 구조물은 둘 또는 세 개의 물리적인 치수의 선택가능한 길이를 가질 수 있으며, 또한 패턴된 다층 적층물(multilayer stacks)을 포함할 수 있다. 본 방법은 자기 조립되는(self assembled) 단층 및 구조물을 포함하는 구조물을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명의 방법, 장치 및 장치 부품은 광범위한 물질을 포함하는 패턴을 생성할 수 있다. 상기 물질은 금속, 유기 화합물, 무기 화합물, 콜로이드 물질, 현탁물질, 생물학적 분자, 세포, 폴리머, 마이크로 구조물, 나노구조물 및 염 용액을 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
다른 태양에서, 본 발명은 복합 패터닝 장치를 제조하는 방법을 포함한다. 복합 패터닝 장치를 제조하는 예시적인 방법은 (1) 선택된 3차원 양각 패턴을 갖는 마스터 양각 패턴을 제공하는 단계; (2) 상기 마스터 양각 패턴을 저 모듈러스 폴리머의 프리폴리머와 접촉시키는 단계; (3) 상기 프리폴리머 물질을 고 모듈러스 폴리머층과 접촉시키는 단계; (4) 상기 프리폴리머를 중합하고, 그에 의하여 고 모듈러스 폴리머층과 접촉하고 마스터 양각 패턴과 접촉하고 3차원 양각 패턴을 갖는 저 모듈러스 폴리머층을 생성하는 단계; 및 (5) 상기 마스터 양각 패턴으로부터 저 모듈러스층을 분리하고, 복합 패터닝 장치를 제조하는 단계를 포함한다. 본 방법에서 사용될 수 있는 마스터 양각 패턴은 포토리소그래피 방법을 이용하여 제조되는 양각 패턴을 포함한다. 본 발명에서, 중합은 당 기술분야에 알려진 어떠한 방법에 의해서든 개시될 수 있다. 이러한 방법은 열에 의해 개시되는 중합 방법 및 전자기 방사광에 의해 개시되는 중합법을 포함하지만 여기에 한정되지 않는다.
도 1a는 두 개의 폴리머층을 포함하는 본 발명의 복합 패터닝 장치의 단면을 나타낸 개념도이다. 도 1b는 두 개의 폴리머층을 포함하고 높은 열적 안정성을 보이는 본 발명의 다른 복합 패터닝 장치의 측면을 나타낸 개념도이다. 도 1c는 세 개의 폴리머층을 포함하고 높은 열적 안정성을 보이는 본 발명의 복합 패터닝 장치의 다면을 나타낸 개념도이다. 도 1d는 네 개의 폴리머층을 포함하고 제조 중의 중합 및/또는 경화로 인해 야기되는 패턴 왜곡에 대한 우수한 내성을 보이는 본 발명의 복합 패터닝 장치의 단면을 나타낸 개념도이다.
도 2a는 예시적인 마스터 양각 패턴과 이 마스터 양각 패턴으로부터 제조된 예시적인 패터닝 장치를 나타낸 개념도이다. 도 2b는 본 발명의 방법을 이용하여 제조되는 복합 스탬프를 포함하는 예시적인 패터닝 장치의 양각 구조물을 주사 전자 현미경으로 찍은 이미지를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 복합 패터닝 장치를 제조하는 방법을 나타낸 개념도이다. 도 3b는 본 발명의 복합 패터닝 장치의 다른 제조 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4a는 복합 스탬프를 포함하는 본 발명의 예시적인 패터닝 장치를 나타낸 개념도이다. 도 4b는 본 발명의 예시적인 복합 스탬프 단면의 주사 전자 현미경 이 미지이다.
도 5a 및 도 5b는 예시적인 복합 스탬프의 지형 위치를 측정한 결과가 마스터에서의 지형 위치에 비교하여 대응되는 왜곡을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 복합 스탬프에서 리세스 영역의 처짐(sagging)의 경향이 감소된 것을 나타낸 광학 현미경의 평면 사진이다. 도 6a는 종래의 단층 PDMS 스탬프에 대응되고 도 6b는 본 발명의 복합 스탬프에 대응된다.
도 7은 제 1 PDMS층, 제 2 폴리이미드층, 제 3 PDMS 층 및 제 4 폴리이미드층을 포함하는 본 발명의 4층 복합 스탬프를 경화시킨 후 관찰되는 수축 정도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 복합 스탬프를 이용하여 진행되는 예시적인 나노전사 프린팅의 개념도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 복합 스탬프를 이용하여 생성된 Ti/Au 패턴(2 nm / 20 nm)의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 4층 복합 패터닝 장치에 대해 계산한, 열 개시 중합동안의 왜곡 정도를 나타낸다.
도 11a는 2층 복합 패터닝 장치에 대해 계산한, 열 개시 중합동안의 왜곡 정도를 나타낸다. 도 11b는 2층 패터닝 장치에 대해 중합 후의 곡률 반경을 PDMS 층의 두께의 함수로서 나타낸 그래프이다. 도 11c는 2층 패터닝 장치에 대해 중합 후의 곡률 반경을 경화 온도의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 12a는 두 개의 h-PDMS 층과 두 개의 폴리이미드(Kapton®)층을 포함하는 복합 4층 패터닝 장치의 개념도이다. 도 12b는 복합 4층 패터닝 장치에 예상되는 마이크론 단위의 수직 방향 변위를 약 90 마이크론의 길이를 갖는 리세스된 영역을 따라 위치의 함수로 나타낸 그래프를 나타낸다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 2층 복합 스탬프에 대해 중합동안의 열적/화학적 수축으로 인해 수평 방향의 왜곡을 계산한 결과를 나타낸다. 도 13a는 25 마이크론 Kapton 층에 조작상 결합되고 변화하는 두께를 갖는 PDMS 층을 포함하는 2층 복합 스탬프를 개념적으로 나타낸다. 도 13b는 예측된 수평 왜곡을 상기 PDMS 제 1 층의 두께의 함수로 나타낸 그래프이다. 도 13c는 예측된 수평 왜곡을 상기 PDMS 제 1 층의 외부 표면을 따르는 거리의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 섬유 강화된 복합 스탬프를 나타낸 개념도를 제공한다. 도 14a는 단면도를 제공하고 도 14b는 사시도를 제공한다. 도 14c는 섬유 강화된 복합 스탬프의 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5층에 각각 대응되는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 선택 배향을 나타낸 개념도이다.
도 15는 PDMS 층에 결합된 복합 폴리머층의 광학적 이미지를 제공한다.
도 16은 본 발명의 복합 소프트 포토 마스크의 개념도를 제공한다.
도 17a는 본 발명의 복합 소프트 콘포말 포토마스크의 광학적 이미지를 나타낸다. 도 17b는 실리콘 기판 위에서 노광되고 현상된 포토레지스트 패턴의 광학적 이미지를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 복합 소프트 콘포말 포토 마스크의 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도를 제공한다.
도 19a 및 도 19b는 포토마스크와 기판을 정렬하기 위해 패터닝제(patterning agent)를 이용하는 정렬 시스템을 나타낸 개념도를 제공한다.
도 20은 콘포말하게 될 수 있는 포토 마스크의 광학 매개체(또는 잉크)를 포함하는 패터닝제를 이용하는 본 발명의 예시적인 패터닝 방법을 나타낸 개념도를 제공한다.
도면을 참조하면, 동일한 참조번호는 동일한 요소를 나타내고, 하나 이상의 도면에 나오는 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 가리킨다. 또한, 이하에서는 다음의 정의가 적용된다.
"열팽창 계수(coefficient of thermal expansion)"는 온도 변화가 일어날 때 어떤 물질이 겪는 크기의 변화를 특성화하는 파라미터를 가리킨다. 선형 열팽창 계수는 온도 변화가 일어날 때 어떤 물질이 겪는 길이의 변화를 특성화하는 파라미터이고 다음 수학식으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112006077867814-PCT00001
여기서, ΔL은 길이 변화이고, α는 선형 열팽창 계수이고, L o 는 초기 길이, ΔT는 온도 변화이다. 본 발명은 개별 층의 열적 성질 및 물리적 치수가 자신을 지 나 연장되는 층 정렬 축을 따라 자신의 중심에 대하여 실질적인 대칭 분포의 열팽창 계수를 제공하도록 선택되는 복합 다층 패터닝 장치를 제공한다.
"위치 정확성(placement accuracy)"은 기판의 선택된 영역에 패턴을 생성하는 패턴 전사 방법 또는 장치의 능력을 지칭한다. "우수한 위치 정확성(good placement accuracy)"은 기판의 선택된 위치에, 특히 플라스틱 기판 위에 패턴을 생성하는 것에 대하여, 절대적으로 정확한 배향으로부터 5 마이크론보다 작거나 같은 공간적인 오차로 패턴을 생성할 수 있는 방법 또는 장치를 지칭한다.
"충실도(fidelity)"는 패터닝 장치 위의 양각 패턴과 기판 표면에 전사되는 패턴의 유사한 정도를 지칭한다. 우수한 충실도는 기판 표면에 전사된 패턴과 패터닝 장치 위의 양각 패턴 사이에 100 나노미터 미만의 오차로 특성화되는 유사성을 가리킨다.
"영 모듈러스(Young's modulus)"는 물질, 장치 또는 층의 기계적인 성질로서, 주어진 물질에 있어서 변형(strain)에 대한 응력(stress)의 비율을 지칭한다. 영 모듈러스는 다음 표현으로 주어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112006077867814-PCT00002
여기서, E는 영 모듈러스이고, L o 는 평형 길이, ΔL은 가해진 응력 하에서의 길이 변화이고, F는 가해진 힘이고, A는 힘이 가해진 면적이다. 영 모듈러스는 다음 식을 통해 라미 상수(Lame constant)의 형태로 표현될 수도 있다.
[수학식 3]
Figure 112006077867814-PCT00003
여기서, λ와 μ는 라미 상수이다. 영 모듈러스는 파스칼(Pascal)과 같이 단위 면적당 힘의 단위로 표현될 수 있다(Pa = Nm-2).
높은 영 모듈러스(또는 "고 모듈러스") 및 낮은 영 모듈러스(또는 "저 모듈러스")는 주어진 물질, 층 또는 장치에 있어서 영 모듈러스의 크기에 대한 상대적인 표현이다. 본 발명에서, 높은 영 모듈러스는 낮은 영 모듈러스보다 일부 응용에 있어서는 약 10배 더 큰 것이 바람직하고, 다른 응용에 있어서는 약 100배 더 큰 것이 더 바람직하고, 또 다른 응용에 있어서는 약 1000배 더 큰 것이 더더욱 바람직하다. 일 구현예에서, 높은 영 모듈러스를 갖는 물질은 약 1 GPa 내지 약 10 GPa 범위에서 선택되는 영 모듈러스를 갖고, 낮은 영 모듈러스를 갖는 물질은 약 1 MPa 내지 약 10 MPa 범위에서 선택되는 영 모듈러스를 갖는다.
"콘포말 접촉(conformal contact)"은 표면 및/또는 코팅된 표면 사이에 이루어지는 접촉을 지칭하며 기판 표면 위에 구조물을 제조하기 위해 유용할 수 있다. 일 태양에서, 콘포말 접촉은 복합 패터닝 장치의 하나 이상의 접촉 표면을 기판 표면의 전체 형태로 거시적으로 적응시키는 것을 수반한다. 다른 태양에서, 콘포말 접촉은 복합 패터닝 장치의 하나 이상의 접촉 표면을 기판 표면에 미시적으로 적응시켜 공극(void) 없이 긴밀히 접촉하는 것을 수반한다. 콘포말 접촉이라는 용어는 소프트 리소그래피 분야에서 사용되는 이 용어와의 일관성을 위한 의도이다. 콘포 말 접촉은 복합 패터닝 장치의 하나 이상의 빈 접촉 표면과 기판 표면 사이에 이루어질 수도 있다. 선택적으로, 콘포말 접촉은 복합 패터닝 장치의 하나 이상의 코팅된 접촉 표면, 예를 들면 그 위에 전사 물질 및/또는 패터닝제를 갖는 접촉 표면과 기판 표면 사이에 이루어질 수도 있다. 선택적으로, 콘포말 접촉은 복합 패터닝 장치의 하나 이상의 빈 또는 코팅된 접촉 표면과 전사 물질, 패터닝제, 고체 포토레지스트층, 프리폴리머층, 액체, 박막 또는 유체와 같은 물질로 코팅된 기판 표면 사이에 이루어질 수도 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 본 발명의 패터닝 장치는 편평한 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 본 발명의 패터닝 장치는 컨투어된 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 본 발명의 패터닝 장치는 거친 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 본 발명의 패터닝 장치는 매끈한 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있다.
"굽힘 강성(flexural rigidity)"은 물질, 장치 및 층의 기계적인 성질로서, 변형되려는 물질, 장치 또는 층의 능력을 지칭한다. 굽힘 강성은 다음 표현으로 주어질 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112006077867814-PCT00004
여기서 D는 굽힘 강성이고, E는 영 모듈러스이고, h는 두께이고, ν는 포아송 비(Poisson ratio)이다. 굽힘 강성은 Nm와 같이 힘의 단위와 길이의 단위의 곱 으로 표현될 수 있다.
"폴리머(polymer)"는 통상 단량체라고 일컬어지는 반복되는 화학 작용기를 복수개 포함하는 분자를 지칭한다. 폴리머는 흔히 높은 분자량으로 특성화된다. 본 발명에 사용될 수 있는 폴리머는 유기 폴리머 또는 무기 폴리머일 수 있으며, 비결정질(amorphous), 준-비결정질(semi-amorphous), 결정질 또는 부분적으로 결정질 상태일 수 있다. 폴리머는 동일한 화학 성분을 갖는 단량체를 포함할 수 있고, 또는 공중합체와 같이 상이한 화학 성분을 갖는 복수개의 단량체들을 포함할 수도 있다. 가교된 단량체 사슬을 갖는 가교된(crosslinked) 폴리머는 본 발명의 일부 응용에 있어서 특히 유용하다. 본 발명의 방법, 장치 및 장치 부품에 사용될 수 있는 폴리머는 플라스틱, 엘라스토머, 열가소성 엘라스토머, 엘라스토 플라스틱(elastoplastics), 써모스탯(thermostat), 열가소성 수지 및 아크릴레이트류를 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 폴리머로는 아세탈 폴리머류, 생분해성 폴리머류, 셀룰로오스 폴리머류, 불소계 폴리머류, 나일론, 폴리아크릴로니트릴 폴리머류, 폴리아미드-이미드 폴리머류, 폴리이미드류, 폴리아릴레이트류, 폴리벤즈이미다졸류, 폴리부틸렌, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체 및 개질된 폴리에틸렌, 폴리케톤, 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리메틸펜텐, 폴리페닐 옥사이드 및 폴리페닐렌 설파이드, 폴리프탈아미드, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 스티렌 수지, 술폰계 수지, 비닐계 수지 또는 이들의 어떤 조합을 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
"엘라스토머(elastomer)"는 신장되거나 변형되었다가 실질적으로 영구적인 변형 없이 원래의 형태로 복원될 수 있는 폴리머 물질을 지칭한다. 엘라스토머는 흔히 실질적으로 탄성 변형을 겪는다. 본 발명에 유용한 예시적인 엘라스토머는 폴리머, 공중합체, 복합 물질 또는 폴리머와 공중합체의 혼합물을 포함할 수 있다. 엘라스토머층은 적어도 하나의 엘라스토머를 포함하는 층을 지칭한다. 엘라스토머층은 도펀트 및 다른 비-엘라스토머 물질을 포함할 수도 있다. 본 발명에 유용한 엘라스토머는 폴리실록산과 같이 폴리머를 포함하는 실리콘으로서, 폴리(디메틸 실록산)(즉 PDMS 및 h-PDMS), 폴리(메틸 실록산), 부분적으로 알킬화된 폴리(메틸 실록산), 폴리(알킬 메틸 실록산) 및 폴리(페닐 메틸 실록산)을 포함하며, 이 외에도 실리콘 개질된 엘라스토머, 열가소성 엘라스토머, 스티렌 물질, 올레핀 물질, 폴리올레핀, 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머, 폴리아미드, 합성 고무, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리클로로프렌 및 실리콘(silicone)을 포함할 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
"폴리머층(polymer layer)"은 하나 이상의 폴리머를 포함하는 층을 지칭한다. 본 발명에 유용한 폴리머층은 실질적으로 순수한 폴리머층 또는 복수개의 상이한 폴리머의 혼합물을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 본 발명에 유용한 폴리머층은 다중상(multiphase) 폴리머층 및/또는 하나 이상의 폴리머와 도펀트 또는 구조적인 첨가제와 같은 하나 이상의 추가적인 물질이 결합된 것을 포함하는 복합 폴리머층을 포함할 수도 있다. 그러한 첨가 물질을 본 발명의 폴리머층 내에 포함시키는 것은 영 모듈러스 및 굽힘 강성과 같은 폴리머층의 기계적인 성질을 선택하고 조절하는 데 유용하다. 복합 폴리머층 내의 첨가 물질의 분포는 등방성이거나, 부 분적으로 등방성이거나, 또는 비등방성일 수 있다. (i) 유리섬유 또는 폴리머 섬유와 같은 섬유와 결합되거나, (ii) 실리콘 입자 및/또는 나노 규모의 입자와 같은 입자와 결합되거나, 및/또는 (iii) 다른 구조적 강화제와 결합되는 하나 이상의 고분자를 포함하면 본 발명의 복합 폴리머층에 유용하다. 본 발명의 구현예에서, 높은 영 모듈러스를 갖는 폴리머층은 약 1 GPa 내지 약 10 GPa 범위에 걸쳐 선택되는 영 모듈러스를 갖는 폴리머를 포함한다. 높은 영 모듈러스 폴리머층의 예는 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌프탈레이트, 폴리케톤, 폴리(페닐렌 설파이드), 이들 물질의 어떤 조합 또는 유사한 기계적 성질을 갖는 다른 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 구현예에서, 낮은 영 모듈러스를 갖는 폴리머층은 약 1 MPa 내지 약 10 MPa 범위에 걸쳐 선택되는 영 모듈러스를 갖는 폴리머를 포함한다. 낮은 영 모듈러스 폴리머층의 예는 PDMS, h-PDMS 폴리부타디엔, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리클로로프렌 및 실리콘(silicone)과 같은 엘라스토머를 포함할 수 있다.
"복합(composite)"둘 이상의 물질 및/또는 상(phase)과 같이, 둘 이상의 성분을 포함하는 물질, 층 또는 장치를 지칭한다. 본 발명은 상이한 화학 조성과 기계적 성질을 갖는 복수개의 폴리머층을 포함하는 복합 패터닝 장치를 제공한다. 본 발명의 복합 폴리머층은 둘 이상의 폴리머와; 유리섬유 또는 엘라스토머 섬유와 같은 섬유, 나노입자 또는 마이크로입자와 같은 입자 또는 이들의 어떤 조합;의 조합을 포함하는 층을 포함한다.
"엘라스토머(elastomer)"는 신장되거나 변형되었다가 실질적으로 영구적인 변형 없이 원래의 형태로 복원될 수 있는 폴리머 물질을 지칭한다. 엘라스토머는 흔히 실질적으로 탄성 변형을 겪는다. 본 발명에 유용한 예시적인 엘라스토머는 폴리머, 공중합체, 복합 물질 또는 폴리머와 공중합체의 혼합물을 포함할 수 있다. 엘라스토머층은 적어도 하나의 엘라스토머를 포함하는 층을 지칭한다. 엘라스토머층은 도펀트 및 다른 비-엘라스토머 물질을 포함할 수도 있다. 본 발명에 유용한 엘라스토머는 PDMS, h-PDMS, 폴리부타디엔, 폴리이소부틸렌, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리클로로프렌 및 실리콘(silicone)을 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
"전자기 방사광(electromagnetic radiation)"이라는 용어는 전기장 및 자기장의 파동(wave)을 지칭한다. 본 발명의 방법에 있어서 유용한 전자기 방사광은 감마선, X-선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 또는 이들의 어떤 조합을 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
용어 "세기(intensity)" 및 "세기들(intensities)"은 전자기파 또는 복수개의 전자기파의 진폭의 제곱을 지칭한다. 이 문맥에서 진폭이라는 용어는 전자기파의 진동의 크기를 지칭한다. 선택적으로, 용어 "세기" 및 "세기들"은 시간에 대하여 전자기 방사광 또는 복수개의 전자기 방사광 빔의 에너지 플럭스의 평균을 낸 것을 지칭할 수 있다. 예를 들면, 전자기 방사광 또는 복수개의 전자기 방사광 빔의 단위 시간당 제곱 센티미터당 광자의 수일 수 있다.
"작동 장치(actuator)"는 무언가에 힘을 가하거나 및/또는 무언가를 움직이 거나 및/또는 제어할 수 있는 장치, 장치 부품 또는 요소를 지칭한다. 본 발명의 예시적인 작동 장치는 패터닝 장치를 콘포말 접촉과 같이, 기판 표면과 접촉시키는 데 사용되는 힘과 같이 힘을 생성할 수 있다.
"층(layer)"은 본 발명의 복합 패터닝 장치의 한 요소를 지칭한다. 예시적인 층은 기판 표면 위에 우수한 충실도와 우수한 위치 정확성을 갖는 패턴을 제조할 수 있는 복합 패터닝 장치를 제공하는 물리적인 치수와 기계적 성질을 갖는다. 본 발명의 층은 연속체 또는 단일체(unitary body)일 수 있으며, 양각 지형의 집합과 같이 불연속적인 몸체의 집합일 수도 있다. 본 발명의 층은 균일한 조성을 가질 수도 있고 균일하지 않은 조성을 가질 수도 있다. 본 발명의 구현예는 폴리머층과 같은 복수개의 층을 포함하는 복합 패터닝 장치를 제공한다. 본 발명의 층은 하나 이상의 접촉 표면을 갖는 평면에 수직으로 위치하는 층 정렬 축과 같이 패터닝 장치를 통과하여 연장되는 층 정렬 축을 따르는 자신의 두께로 특성화될 수 있다.
"열적으로 안정(thermally stable)"하다는 말은 양각 패턴의 양각 지형의 물리적 치수 및 공간적 분포와 같은 특징적 성질의 손실 없이 온도 변화를 견디는 장치 또는장치 부품의 특성을 지칭한다.
"패터닝 장치의 중심에 대하여 실질적으로 대칭인 열팽창 계수의 분포"라는 말은 패터닝 장치를 포함하는 하나 이상의 층의 기계적 및 열적 성질이 층 정렬 축, 예를 들면 하나 이상의 접촉 표면을 포함하는 평면에 수직으로 배향되는 층 정렬 축을 따라 패터닝 장치의 중심에 대하여 실질적으로 대칭 분포를 갖도록 선택되는 장치 구성을 지칭한다. 일 구현예에서, 열팽창 계수는 절대적인 대칭 분포로부 터 약 10% 미만의 편차로 패터닝 장치의 중심에 대하여 대칭적인 분포를 갖는 특징이 있다. 다른 구현예에서, 열팽창 계수는 절대적인 대칭 분포로부터 약 5% 미만의 편차로 패터닝 장치의 중심에 대하여 대칭적인 분포를 갖는 특징이 있다.
"조작상 결합된다(operationally coupled)"는 말은 본 발명의 복합 패터닝 장치의 층 및/또는 장치 부품의 구성을 지칭한다. 제 1, 제 2, 제 3 및/또는 제 4 폴리머층과 같이 조작상 결합되는 층 또는 장치 부품은 어느 층 또는 장치 부품에 가해지는 힘이 다른 층 또는 장치 부품에 전달되는 배열을 지칭한다. 조작상 결합되는 층 또는 장치 부품은 물리적으로 접촉하는 내부 표면 및/또는 외부 표면을 갖는 층과 같이 서로 접촉할 수 있다. 선택적으로, 조작상 결합되는 층 또는 장치 부품은 금속 박층과 같이 두 층 또는 장치 부품의 내부 표면 및/또는 외부 표면 사이에 위치하는 하나 이상의 연결층에 의하여 연결될 수 있다.
이하의 설명에서, 본 발명의 정확한 성질의 완전한 설명을 제공하기 위해 본 발명의 수많은 구체적인 장치, 장치 부품 및 방법이 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명이 이들 구체적 예 없이도 실시될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
본 발명은 기판 표면 위에 마이크로 규모의 구조물 및/또는 나노규모의 구조물을 포함하는 패턴과 같이 패턴을 제조하기 위한 방법, 장치 및 장치 부품을 제공한다. 본 발명은 개선된 열적 안정성과 경화로 인한 패턴 왜곡에 내성을 보이는 스탬프, 몰드, 및 포토마스크와 같은 복합 패터닝 장치를 제공한다. 본 발명의 방법, 장치 및 장치부품은 우수한 충실도 및 우수한 위치 정확성을 보이는 고해상도의 패턴을 생성할 수 있다.
도 1a는 두 폴리머층을 포함하는 본 발명의 복합 패터닝 장치의 단면을 나타낸 개념도이다. 도시된 복합 패터닝 장치(100)는 낮은 영 모듈러스를 갖는 제 1 폴리머층(110)과 높은 영 모듈러스를 갖는 제 2 폴리머층(120)을 포함한다. 제 1 폴리머층(110)은 복수개의 리세스 영역(134)에 의해 분리되는 복수개의 양각 지형(133)을 갖는 3차원의 양각 패턴(125)를 포함한다. 제 1 폴리머층(110)은 내부 표면(135)의 반대편에 복수개의 접촉 표면(130)을 갖는다. 본 발명은 상기 접촉 표면(130)이 하나의 공통 평면을 점하는 구현예 및 상기 접촉 표면(130)이 둘 이상의 평면을 점하는 구현예를 포함한다. 제 2 폴리머층(120)은 내부 표면(140) 및 외부 표면(150)을 갖는다. 도 1a에 나타낸 구현예에서, 상기 제 1 폴리머층(110)의 내부 표면(135)은 제 2 폴리머층(120)의 내부 표면(140)과 접촉하도록 위치된다. 선택적으로, 제 2 폴리머층(120)은 상기 외부 표면(150) 위로 힘(화살표(156)로 개념적으로 나타냄)을 가할 수 있는 작동 장치(155)와 조작상 연결된다.
제 1 폴리머층(110) 및 제 2 폴리머층(120)은 외부 표면(150) 위에 가해진 힘이접촉 표면(130)에 효과적으로 전달되도록 하는 어떤 방식으로든 결합될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 제 1 폴리머층(110) 및 제 2 폴리머층(120)은 각 층을 이루는 폴리머 사이의 공유 결합을 통해 결합된다. 선택적으로, 제 1 폴리머층(110) 및 제 2 폴리머층(120)은 판데르발스(Van der Waals) 힘, 이중쌍극자(dipole-dipole) 힘, 수소 결합 및 런던 힘과 같이, 각 층 사이에 작용하는 분자간 인력에 의해 결합될 수 있다. 선택적으로, 제 1 폴리머층(110)과 제 2 폴리머층(120)은 클램핑(clamping), 조임 및/또는 볼팅(bolting) 시스템과 같이 외부의 층간 정렬 시스템에 의하여 결합될 수 있다. 선택적으로, 제 1 폴리머층(110)과 제 2 폴리머층(120)은 박막 금속과 같이 내부 표면(135)과 내부 표면(140) 사이에 위치하는 하나 이상의 연결층(도 1a에는 미도시)을 이용하여 결합될 수 있다. 일부 응용 분야에서는 양각 지형(133) 및 리세스 영역(134)에 우수한 기계적 강성을 부여하고, 외부 표면(150)으로부터 접촉 표면(130)에까지 가해지는 힘을 균일하게 분산시킬 수 있는 유효한 수단을 제공하기 때문에, 강한 공유 결합 및/또는 분자간 인력을 통한 제 1 폴리머층(110)과 제 2 폴리머층(120)의 결합이 선호된다.
도 1a에 나타낸 예시적인 구현예에서, 제 1 폴리머층(110)의 접촉 표면(130)을 포함하는 평면에 수직으로 위치하는 층 정렬 축(160)을 따르는 조성, 영 모듈러스 및/또는 두께는 감소된 패턴 왜곡을 보이는 마이크로 규모 및/또는 나노 규모의 구조물의 고해상도 패턴의 제조를 가능하게 하는 패터닝 장치(100)의 기계적 성질을 제공하도록 선택된다. 또한, 제 1 폴리머층(110)과 제 2 폴리머층(120)의 영 모듈러스 및/또는 두께는 상용 프린팅 및 몰딩 시스템 내에 패터닝 장치(100)의 용이한 통합을 제공하도록 선택될 수도 있다. 예시적인 구현예에서, 제 1 폴리머층(110)은 상기 층 정렬 축(160)을 따르는 두께가 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 범위에서 선택되는 두께를 갖는 PDMS 층을 포함한다. 제 1 폴리머층(110)의 두께는 선택적으로 접촉 표면(130)과 제 2 폴리머층(120)의 내부 표면(140) 사이의 최단 거리로 정의될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 제 2 폴리머층(120)은 상기 층 정렬축을 따르는 두께가 약 25 마이크론인 폴리이미드 층을 포함한다. 제 2 폴리머층(120)의 두께는 선택적으로 내부 표면(140) 및 제 2 폴리머층(120)의 외부 표 면(150) 사이의 최단 거리로 정의될 수 있다.
하나 이상의 구조물을 포함하는 패턴을 제조하기 위해, 상기 복합 패터닝 장치(100) 및 기판(180)의 표면(185)은 서로 접촉시켜지며, 바람직하게는 상기 접촉 표면(130)의 적어도 일부와 기판 표면(185) 사이에 콘포말 접촉이 이루어지도록 접촉시켜 진다. 이들 표면 사이의 콘포말 접촉은 기판(180)에 접촉하도록 패터닝 장치(100)를 이동시키는 방식으로 외부 표면(150) 위에 외력(화살표(156)로 개념적으로 나타냄)을 가함으로써 이루어질 수 있다. 선택적으로, 패터닝 장치(100)에 접촉하도록 기판(180)을 이동시키는 방식으로 외력(화살표(190)로 개념적으로 나타냄)을 기판(180)에 가할 수도 있다. 본 발명은 콘포말 접촉이 이들 힘(156 및 190)과 기판(180) 및 패터닝 장치(100)의 운동의 조합에 의해 이루어지는 구현예도 포함한다.
도 1b는 두 폴리머층을 포함하고 높은 열적 안정성을 보이는 본 발명의 다른 복합 패터닝 장치의 측면을 나타낸 개념도이다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 상기 복합 패터닝 장치(200)는 높은 영 모듈러스를 갖는 제 2 폴리머층(120)에 조작상 연결되고 낮은 영 모듈러스를 갖는 불연속적인 제 1 폴리머층(210)을 포함한다. 본 구현예에서, 불연속적인 제 1 폴리머층(210)은 복수개의 리세스 영역(234)에 의해 분리된 복수개의 불연속적인 양각 지형(233)을 포함하는 3차원 양각 패턴(225)을 포함한다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 불연속적인 양각 지형(233)은 상호간에 접촉하지 않고 각각은 제 2 폴리머층(120)에 조작상 결합된다. 불연속적인 복수개의 양각 지형을 포함하는 제 1 폴리머층을 본 발명의 복합 패터닝 장치 내에 통합하는 것은 제 1 폴리머층(210) 및 제 2 폴리머층(120) 사이의 열팽창 성질의 부조화 정도를 감소시키고, PDMS와 같이 높은 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함할 수 있는 제 1 폴리머층(210)의 물질의 양을 감소시킬 수도 있기 때문에 유리하다.
도 1c는 3개의 폴리머층을 포함하고 높은 열적 안정성을 보이는 본 발명의 다른 복합 패터닝 장치의 단면을 나타내는 개념도이다. 도시된 복합 패터닝 장치(300)는 내부 표면(315) 및 외부 표면(320)을 갖는 제 3 폴리머층(310)을 더 포함한다. 도 1c에 나타낸 구현예에서, 상기 제 3 폴리머층(310)의 내부 표면(315)은 제 2 폴리머층(120)의 외부 표면(150)과 접촉한다. 선택적으로, 제 3 폴리머층(310)은 외부 표면(320) 위로 힘(화살표(156)로 개념적으로 나타냄)을 가할 수 있는 작동 장치(155)와 조작상 결합된다.
도 1c에 나타낸 구현예에서, 층 정렬 축(160)을 따르는 제 3 폴리머층(310)의 두께(330)는 상기 층 정렬 축(160)을 따르는 제 1 폴리머층(110)의 두께(340)와 일부 응용에 있어서 바람직하게는 10% 이내로 거의 동일하다. 본 구현예에서, 두 층이 모두 PDMS 층을 포함하는 것과 같이, 동일한 또는 유사한(예를 들면 10% 이내) 열팽창 계수를 갖는 제 1 폴리머층(110)과 제 3 폴리머층(310)을 선택하는 것은 높은 열적 안정성 및 온도 변화로 인해 유발되는 패턴 왜곡에 대한 저항을 제공한다. 특히, 이러한 배열은 층 정렬 축(160)을 따르는 패터닝 장치(300)의 (중심선축(350)으로 표시된) 중심에 대하여 실질적으로 대칭인 열팽창 계수의 분포를 제공한다. 열팽창 계수의 대칭적 분포는 온도 변화에 대해 반대되는 힘의 생성을 제공하고, 양각 패턴(125), 양각 지형(133) 및 접촉 표면(130)의 신장(stretching), 굽 힘(bowing), 휘어짐(buckling), 팽창 및 수축의 정도를 최소화한다.
도 1d는 제조 중의 중합 및/또는 경화로 인해 야기되는 패턴 변형에 우수한 내성을 보이는 본 발명의 4층 복합 패터닝 장치의 단면을 나타낸 개념도이다. 도시된 복합 패터닝 장치(400)는 내부 표면(415) 및 외부 표면(420)을 갖는 제 4 폴리머층(410)을 더 포함한다. 도 1d에 도시된 구현예에서, 상기 제 4 폴리머층(410)의 내부 표면(415)은 제 3 폴리머층(310)의 외부 표면(320)과 접촉한다. 선택적으로, 제 4 폴리머층(410)은 외부 표면(420) 위로 힘(화살표(156)로 개념적으로 나타냄)을 가할 수 있는 작동 장치(155)와 조작상 결합된다.
도 1d에 나타낸 구현예에서, 층 정렬 축(160)을 따르는 제 3 폴리머층(310)의 두께(330)는 층 정렬 축(160)을 따르는 제 1 폴리머층(110)의 두께(340)와, 일부 응용에 대하여 10% 이내로 거의 동일하다. 층 정렬 축(160)을 따르는 제 4 폴리머층(410)의 두께(430)는 층 정렬 축(160)을 따르는 제 2 폴리머층(120)의 두께(440)와, 일부 응용에 대하여 10% 이내로 거의 동일하다. 이 구현예에서, 두 층이 모두 PDMS 층을 포함하는 것과 같이, 동일한 열팽창 계수와 영 모듈러스를 갖는 제 1 폴리머층(110)과 제 3 폴리머층(310)의 선택; 및 두 층이 모두 폴리이미드 층을 포함하는 것과 같이, 동일한 열팽창 계수와 영 모듈러스를 갖는 제 2 폴리머층(120)과 제 4 폴리머층(410)의 선택은 제조 중의 중합 및/또는 경화에 의해 야기되는 패턴 왜곡에 대한 우수한 내성을 제공한다. 특히, 이러한 배열은 중합 및/또는 경화 동안에 일어나는 양각 패턴(125) 및 접촉 표면(130)의 신장(stretching), 굽힘(bowing), 휘어짐(buckling), 팽창 및 수축의 정도를 최소화한다.
본 발명에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4층을 포함하는 폴리머층의 표면은 정렬 채널 및/또는 홈과 같이 층들 사이의 적절한 정렬을 제공하기 위해 유용한 특정 양각 패턴을 가질 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 폴리머층 표면은 정렬 채널 및/또는 홈과 같이 복합 패터닝 장치와 작동 장치 사이의 적절한 정렬을 제공하기 위해 유용한 특정 양각 패턴을 가질 수 있다. 상기 작동 장치는 프린팅 장치, 몰딩 장치 또는 상보 채널(complementary channel)(즉, 암수(mating) 채널) 및/또는 홈을 갖는 접촉 포토리소그래피 장치와 같은 작동장치일 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 폴리머층 표면은 정렬 채널 및/또는 홈과 같이 복합 패터닝 장치와 상보 채널(complementary channel)(즉, 암수 채널) 및/또는 홈을 갖는 기판 표면 사이의 적절한 정렬을 제공하기 위해 유용한 특정 양각 패턴을 가질 수 있다. 이러한 "자물쇠와 열쇠" 정렬 원리, 채널, 홈 및 시스템의 이용은 미세 가공 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명의 패터닝 장치 내에 용이하게 통합될 수 있음은 당 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
본 발명 복합 패터닝 장치에 사용되는 폴리머층의 조성, 물리적 치수 및 기계적 성질의 선택은 이용하고자 하는 물질 전사 방법(예를 들면, 프린팅, 몰딩 등) 및 제조하고자 하는 구조물/패턴의 물리적 치수에 크게 의존한다. 이러한 의미에서, 본 발명의 복합 패터닝 장치의 명세서는 특정 기능적 과제와 이룩하고자 하는 패턴/구조물의 치수에 따라 선택적으로 조정 가능한 것으로 간주될 수 있다. 예를 들면, 소프트 리소그래피 방법을 통해 나노 규모의 구조물을 프린트하기에 편리한 본 발명의 2층 패터닝 장치는 약 1 마이크론 내지 약 5 마이크론의 범위에서 선택 되는 두께를 갖는 엘라스토머 제 1 폴리머층과, 약 25마이크론보다 작거나 같은 두께를 갖는 폴리이미드 층을 포함하는 제 2 폴리머층을 포함할 수 있다. 대조적으로, 약 10 마이크론 내지 약 50 마이크론 범위의 치수를 갖는 마이크로 몰딩 구조물에 유용한 본 발명의 2층 패터닝 장치는, 약 20 마이크론 내지 약 60 마이크론의 범위에서 선택되는 두께를 갖는 엘라스토머 제 1 폴리머층과 약 25 마이크론 내지 약 100 마이크론의 범위에서 선택되는 두께를 갖는 폴리이미드 층을 포함하는 제 2 폴리머층을 포함할 수 있다.
스탬프, 몰드 및 포토마스크와 같은 본 발명의 복합 패터닝 장치는 재료 과학, 소프트 리소그래피 및 포토리소그래피의 분야에 알려진 어떤 방법에 의해서든 제조될 수 있다. 본 발명의 예시적인 패터닝 장치는 통상의 포토리소그래피 방법으로 제조한 포토레지스트(Shipley 1805)의 패턴된 지형으로 이루어진 마스터 양각 패턴 위에 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane) 프리폴리머(다우코닝사 제조 Sylgard 184)를 캐스팅 및 경화함으로써 엘라스토머를 포함하는 제 1 폴리머층을 제조함으로써 만든다. 본 발명에 유용한 마스터 양각 패턴은 약 2 마이크론보다 큰 지형에 대하여 통상의 접촉 모드 포토리소그래피를 이용하거나, 약 2 마이크론보다 작은 지형에 대하여 전자빔 리소그래피를 이용하여 제조될 수 있다. 예시적인 방법에서, PDMS (Sylgard 184, 다우코닝사 제조) 또는 h-PDMS (VDT-731, Gelest사 제조)를 혼합 및 탈기하고 마스터 위에 부은 후 약 80 ℃로 오븐에서 경화시킨다. 선택적으로, 184 PDMS의 경화는 잉여량의 경화제를 이용하여 실온에서 수행될 수 있다. PDMS 또는 h-PDMS를 포함하는 제 1 폴리머층은 경화 및/또는 중합으로 인 해 야기되는 수축을 감소시키기 위해 폴리이미드층과 같은 고 모듈러스 제 2 층의 존재 하에서 경화시키는 것이 바람직하다. 일 구현예에서, PDMS 프리폴리머를 경화시켰을 때 폴리이미드 제 2 층에 대한 PDMS 제 1 층의 결합 강도를 강화하기 위해 PDMS 프리폴리머와 접촉시키기 전에 상기 폴리이미드 층의 내부 표면을 조면(粗面)화한다. 폴리이미드층의 표면 조면화는 상기 폴리이미드층의 내부 표면을 플라즈마에 노출시키는 방법을 포함하여, 당 업계에 알려진 어떤 수단에 의해서든 이루어질 수 있다.
경화 및/또는 중합으로 인해 야기되는 상기 엘라스토머 제 1 층의 양각 패턴 및 접촉 표면의 수축의 정도를 최소화하기 위해, 복합 패터닝 장치에서 추가적인 층, 예를 들면 고 모듈러스 제 2 폴리머층의 제조 및 경화는 엘라스토머 제 1 층의 제조와 동시에 이루어지는 것이 바람직하다. 선택적으로, 고 모듈러스 제 2 폴리머층, 예를 들면 폴리이미드층은 금속 박층과 같은 부착층 또는 연결층을 이용하여 제 1 폴리머층에 부착될 수 있다.
예시적인 마스터 양각 패턴을 포지티브 포토레지스트(S1818, Shipley)와 리프트 오프 레지스트(LOR1A, Micron Chem. 사 제조)를 이용하여 제조하였다. 본 예시적인 방법에서, 약 450 마이크론 두께의 테스트급 실리콘 웨이퍼(Montco Silicon Technologies사 제조)를 아세톤, 이소프로판올 및 탈이온수로 세정한 후 약 10분 동안 150 ℃의 열판(hot plate) 위에서 건조시켰다. LOR1A 수지를 30 초 동안 3000 rpm으로 스핀코팅한 후 5분 동안 130 ℃의 열판 위에서 프리 베이킹을 하였다. 다음으로, S1818 수지를 30초 동안 3000 rpm으로 스핀코팅한 후 5분 동안 110 ℃로 열판 위에서 베이킹하였다. 얻어진 이중층(약 1.7 마이크론 두께)을 크롬 이온 유리 마스크를 이용하여 광학적 접촉 정렬기(Suss Microtech사 MJB3)로 7초 동안 노광(□ = 365 nm, 16.5 mW/cm2)한 후, 75초 동안 현상(MF-319; Shipley사)하였다. 현상을 통해, 노광된 S1818 레지스트를 모두 제거하였다. 또한 LOR 1A를 노광되거나 노광되지 않은 영역 모두에서 대략 등방적으로 제거하였다. 이러한 공정의 결과 노광된 영역에 노출된 기판의 영역을 갖는 S1818의 패턴을 LOR 1A 위에 갖고 상기 패턴의 가장자리에 약간의 언더컷이 있다. 마스터 양각 패턴 위에 PDMS를 캐스팅 및 경화하는 표준적인 소프트 리소그래피 절차를 이용하여 이 마스터 양각 패턴으로부터 스탬프를 포함하는 복합 패터닝 장치를 제조하였다. 도 2a는 예시적인 마스터 양각 패턴(461)과 이 마스터 양각 패턴으로부터 제조한 예시적인 패터닝 장치(463)를 나타낸 개념도이다. 도 2b는 본 발명의 방법을 이용하여 제조되는 복합 스탬프를 포함하는 예시적인 패터닝 장치의 양각 구조물을 주사 전자 현미경으로 찍은 이미지를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 복합 패터닝 장치를 제조하는 방법을 나타낸 개념도이다. 도 3a의 공정 단계 A에 나타낸 바와 같이, 상기 패터닝 장치는 실리콘 위에 수지 양각 지형을 포함하는 마스터 양각 패턴 위에 PDMS의 프리폴리머를 스핀코팅함으로써 제조될 수 있다. 선택적으로, 상기 마스터 양각 패턴은 마스터에 대한 PDMS 제 1 층의 부착을 최소화하기 위해 자기조립된 단층 물질로 처리될 수 있다. 도 3a의 공정 단계 B에 나타낸 바와 같이, 상기 PDMS 제 1 층은 열판을 이용하여 수 시간 동안 경화시킴으로써 제조될 수 있고, 상기 경화 온도는 약 60 ℃ 내지 약 80 ℃ 사이의 온도일 수 있다. 경화시킨 후에는 티타늄, 금 또는 티타늄과 금을 조합한 박막을 도 3a의 공정 단계 C에 나타낸 바와 같이 상기 PDMS 제 1 층의 내부 표면 위에 전자 빔 증착법에 의해 증착될 수 있다. 티타늄, 금 또는 티타늄과 금을 조합한 박막은 고 모듈러스 제 2 폴리머층의 내부 표면 위에 증착될 수도 있다(도 3a의 공정 단계 C 참조). 제 1 층과 제 2 층은 코팅된 제 1 층 및 제 2 층의 내부 표면을 냉간 용접(cold welding)함으로써 조작상 결합된다. 또, 복합 패터닝 장치는 도 3a의 공정단계 D 및 E에 각각 나타낸 바와 같이 마스터 양각 패턴으로부터 분리될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 복합 다층 패터닝 장치의 다른 제조 방법을 나타낸다. 도 3b의 공정단계 A에 나타낸 바와 같이, 고 모듈러스 제 2 층의 내부 표면은 티타늄, 실리콘 산화물 또는 이들의 조합으로 코팅된다. 도 3b의 공정단계 B에 보인 바와 같이, 코팅된 상기 고 모듈러스 제 2 층의 내부 표면은 PDMS 프리폴리머로 스핀 코팅된 마스터 양각 패턴과 접촉시켜지고, 상기 고 모듈러스 제 2 층의 외부 표면에 압력을 가한다. 이러한 구성은 PDMS 프리폴리머층의 두께는 마스터 양각 패턴을 스피닝(spinning)하거나 및/또는 상기 고 모듈러스 제 2 층의 외부 표면을 평탄하거나 왕복형(rocker based)의 프레스로 압력을 가함으로써 선택적으로 조절될 수 있다. 원하는 두께를 이룬 후, 도 3b의 공정 단계 C에 나타낸 바와 같이 상기 PDMS 프리폴리머는 약 60 ℃ 내지 80 ℃ 범위의 경화 온도를 이용하여 수 시간 동안 오븐에서 경화되고, 그에 의하여 PDMS 제 1 층을 형성한다. 선택적으로, 본 방법은 상기 마스터에 대한 PDMS 제 1 층의 부착을 최소화하기 위해 자기조립된 단층 물질로 상기 마스터 양각 패턴을 처리하는 단계를 더 포함한다.
지금까지 여기에 채용된 용어와 표현은 설명을 위한 용어이며 한정을 위한 것이 아니고, 이들 용어와 표현의 사용에는 보이거나 설명된 특징 또는 그들의 일부분의 어떤 균등물을 제외하기 위한 의도가 아니다. 그러나, 청구된 본 발명의 범위 내에서 다양한 변용이 가능함은 인정된다. 따라서, 본 발명이 비록 바람직한 구현예, 예시적인 구현예 및 선택적인 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만 여기에 개시된 개념의 변용 및 변경은 당업자에 의해 이용될 수 있으며, 이러한 변용 및 변경은 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려될 수 있음은 이해될 것이다. 여기에 제공된 구체적인 구현예는 본 발명의 유용한 구현예의 예이고, 본 발명이 상세한 설명에 설명된 장치, 장치 부품, 방법의 단계의 수많은 변용을 이용하여 수행될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명에 유용한 방법 및 장치는 추가적인 폴리머층, 유리층, 세라믹층, 금속층, 미세유동 채널 및 요소, 롤 프린터 및 플렉소인쇄(flexographic) 프린터와 같은 작동 장치, 핸들 요소, 광섬유 요소, 4분(quarter) 및 반파장판(half wave plate)와 같은 복굴절 요소, FP 에탈론(etalon), 하이패스 컷오프 필터 및 로우패스 컷오프 필터와 같은 광학 필터, 광학 증폭기, 컬리메이션 요소, 시준 렌즈, 반사기, 회절 격자, 포커싱 렌즈 및 반사기와 같은 포커싱 요소, 반사기, 편광기, 광섬유 커플러 및 트랜스미터, 온도 제어기, 온도 센서, 광대역 광학 소스 및 협대역 광학 소스를 포함하는 수많은 선택적인 장치 요소 및 부품을 포함할 수 있다.
본 출원에 인용된 모든 문헌은 본 출원에 개시된 것과 불일치 하지 않는 범위에서 여기에 전체가 인용되어 통합된다. 여기에 구체적으로 설명되지 않은 방법, 장치, 장치 요소, 재료, 공정 및 기술도 과도한 실험에 의할 필요 없이 여기에 넓게 개시된 본 발명의 실시에 응용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 여기에 설명된 방법, 장치, 장치 요소, 재료, 공정 및 기술의 당업계에 알려진 모든 균등물은 본 발명에 포함된다.
<실시예 1> 나노 전사 프린팅을 위한 복합 스탬프
실험적 연구를 통해 나노전사 프린팅 응용을 위한 복합 스탬프를 제공하는 본 발명의 패터닝 장치의 능력을 검증하였다. 구체적으로, 마이크론 단위 및 수십 나노미터 단위의 선택된 길이를 갖는 구조물을 갖는 대면적의 기판 표면을 패터닝할 수 있는 복합 스탬프를 제공하는 것이 본 발명의 목표의 하나이다. 또한, 우수한 충실도 및 위치 정확성을 보이는 고해상도 패턴을 접촉 프린팅하기 위한 복합 스탬프를 제공하는 것이 본 발명의 목표의 하나이다.
이러한 목표들을 이루기 위하여, 본 발명의 방법을 이용하여 복합 스탬프를 제조하였고, 상기 복합 스탬프를 이용하여 기판 위에 나노 전사 프린팅(nTP: nanoTransfer Printing)으로 단층의 금을 포함하는 패턴을 생성하였다. 구체적으로, 25 마이크론 두께의 폴리이미드(Kapton®, 듀퐁사 제조) 배면층과 접촉하는 얇은(5 내지 10 마이크론) PDMS 층을 포함하는 대면적 복합 스탬프를 생성한 후 테스트하였다. 또한, 추가적인 PDMS 및/또는 폴리이미드 층을 포함하는 대면적 복합 스 탬프를 제조하고 테스트하였다. 일 구현예에서, 약 10 밀리미터의 두께를 갖는 제 2 PDMS 층을 폴리이미드 층에 부착하였다. 다른 구현예에서, 얇은(약 4 마이크론) PDMS 층에 의해 상기 제 1 폴리이미드 층으로부터 분리된 제 2 폴리이미드 층을 제공하였다. 추가적인 PDMS 및/또는 폴리이미드 층을 사용하면 복합 스탬프의 취급이 용이해지고, PDMS 및 폴리이미드층의 열팽창 계수의 부조화 및/또는 상기 PDMS 층의 수축으로 인해 마스터 양각 패턴으로부터 분리한 후에 발생되는 말림(curling)을 피할 수 있다.
도 4a는 본 연구에 사용된 예시적 복합 스탬프의 개념도를 나타내고, 도 4b는 대응되는 단면의 주사 전자 현미경 이미지를 나타낸다. 도 4b에 나타낸 바와 같이 상기 복합 스탬프의 양각 패턴은 금의 박막으로 코팅된다. 이 복합 스탬프의 양각 패턴은 가로 세로 각각 16 cm의 정사각형 면적에 걸쳐 배열된 서로 연결된 256개의 트랜지스터로 구성된 전자 종이 표시장치용 활성 매트릭스 회로의 소스/드레인 수준에 대응된다.
본 발명의 복합 스탬프에서 왜곡은 연속되는 두 프린트 사이, 하나의 프린트와 스탬프 및 프린트에 사용된 스탬프 사이, 및 스탬프와 그의 마스터 양각 패턴 사이에서의 각 트랜지스터 위치의 정렬오차를 현미경으로 측정함으로써 정량화되었다. 도 5a 및 도 5b는 마스터 양각 패턴 위에 있는 지형에 대비하여 복합 스탬프 위에 있는 지형의 위치를 측정한 것에 대응되는 왜곡을 나타낸다. 이 결과들은 전체 병진(translation) 및 회전(rotation) 오정렬 및 등방 수축(isotropic shrinkage)(80 ℃서 경화된 스탬프에 대하여는 약 228 ppm, 실온에서 경화된 스탬 프에 대하여는 약 60 ppm)에 대한 보정을 포함한다. 잔여 왜곡은 측정 방법의 평가된 정확도(약 1 마이크론)에 근접한다. 이들 왜곡은 (i) 마스터 양각 패턴으로부터 스탬프를 제조하고 떼어내는 것, 및 (ii) 평탄하지 않은 기판 위에 프린팅(스탬프의 웨팅(wetting))하는 것에 의한 영향을 누적적으로 포함한다(상기 마스터는 약 9 마이크론 두께의 양각 지형을 일부 갖는다).
본 실시예의 복합 스탬프 설계의 다른 장점은 양각 패턴의 리세스 영역에서 처짐으로써 기판 표면에 전사되는 패턴을 왜곡하는, 원하지 않는 스탬프-기판 접촉을 일으킬 수 있는 경향이 역학적으로 감소된다는 점이다. 한 예로서, 60 마이크론 간격으로 이격된 60 마이크론 선폭의 경우(500 나노미터 양각 높이)에서, 규칙적인 단일 요소의 PDMS 스탬프의 리세스된 영역은 완전히 주저앉는다. 이와는 대조적으로, 4층의 폴리머층, 즉 (1) 25 마이크론 PDMS 제 1 층, (2) 25 마이크론 폴리이미드 제 2 층, (3) 60 마이크론 PDMS 제 3 층, (4) 25 마이크론 폴리이미드 제 4 층을 포함하는 복합 스탬프 위의 동일한 양각 구조에 대하여는 처짐이 전혀 관찰되지 않았다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 복합 스탬프에서 리세스된 영역의 처짐 현상이 감소된 것을 나타내는 광학 현미경 평면 사진을 나타낸다. 도 6a는 통상의 단일층 PDMS 스탬프에 대응되고, 도 6b는 본 발명의 복합 스탬프에 대응된다. 복합 스탬프(도 6b)의 리세스된 영역에서의 색채의 균일성은 굽힘(bowing)이 거의 0임을 암시한다. 복합 스탬프의 다층 구조물을 유한 요소 모델링하면 잔여 PDMS 층이 얇을 때 스탬프가 처지는 것을 폴리이미드층이 효과적으로 감소시킴을 나타낸다.
도 7은 폴리이미드 층과 접촉하는 얇은 PDMS 층을 포함하는 본 발명의 2층 스탬프를 경화시킨 후 관찰된 수축 정도를 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 복합 스탬프는 0.2% 이하의 수평 방향 수축 및 0.3% 이하의 수직 방향 수축을 겪는다. 경화로 인한 수축에 대해 본 발명의 복합 스탬프 디자인에 의해 제공되는 내성은 3차원 양각 패턴과 접촉 표면의 왜곡을 최소화하고 마스터 양각 패턴에 대하여 우수한 충실도를 보이는 고해상도 패턴을 제공한다.
도 8은 본 발명의 복합 스탬프를 이용하여 나노전사 프린팅하는 과정을 나타낸 개념도이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 공정은 복합 스탬프의 표면 위에 금의 코팅을 증착함으로써 시작하고, 그에 의하여 엘라스토머 제 1 층의 융기 및 리세스된 영역 위에 금의 불연속적인 코팅을 형성한다. 상기 스탬프를 금과 결합되도록 설계(티올 종결기를 갖는 SAM)된 자기조립 단층(SAM)을 지지하는 기판에 접촉시키면 기판과 금 사이에 강한 부착이 이루어진다. 금이 약하게 부착된 스탬프를 제거하면, 스탬프의 융기 지역에 있던 금이 기판으로 전사된다.
금속 증착은 Temescal 전자빔 시스템(BJD 1800)을 이용하여 수행되었고, 증착 속도는 1 nm/초의 속도로 이루어졌다. 증착되는 압력은 통상 약 1 × 10-6 Torr 이하이었다. 상기 스탬프 또는 기판이 금속의 플럭스에 노출되기 전에 증착 속도가 확인되고 안정화될 수 있도록 증착 속도 관측기가 설치되었다. 프린팅은 증착 직후 개방된 공기 분위기에서 수행되었다. 상기 스탬프는 중력 외에 다른 압력을 가하는 일 없이 통상 기판과 밀접한 접촉을 하게 된다. 어떤 경우에는 접촉을 개시하기 위해 손으로 압력을 가장자리를 따라 약간 가한 후 스탬프-기판 계면을 가로질러 자 연스럽게 진행하였다. 수 초가 지난 후, 상기 스탬프를 기판과의 접촉으로부터 제거하여 프린팅을 완성하였다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 복합 스탬프를 이용하여 생성된 Ti/Au 패턴(2 nm / 20 nm)의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 이들 사진에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법 및 장치는 일점 범위의 물리적 치수를 갖는 구조물을 포함하는 다양한 패턴을 생성할 수 있다. 도 9a 내지 도 9d에 나타낸 바와 같이, 전사된 Ti/Au 패턴은 대체로 균열 및 다른 표면 결함이 없다. 100 ㎛ 미만의 두께를 갖는 본 발명의 복합 스탬프를 사용하면 (취급 또는 접촉이 개시되는 동안) 굽혀질 때 복합 스탬프의 표면에서 전개되는 스트레스가 종종 실질적으로 더 두꺼운 (예를 들면, 약 1 cm의 두께) 통상의 PDMS 스탬프에 비하여 작기 때문에 일부 응용예에서 바람직하다.
<실시예 2> 복합 패터닝 장치의 열적 특성 및 기계적 성질의 컴퓨터 모델링
컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 본 발명의 다층 패터닝 장치의 기계적 응력 및 제조 동안의 중합으로 인한 왜곡에 대한 민감성을 평가하였다. 구체적으로, 제조 동안에 중합으로 인한 변형의 정도와 무게로 인한 리세스된 영역의 변형을 4층 복합 패터닝 장치에 대해 계산하였다. 이 연구로부터 본 발명의 복합 패터닝 장치가 중합으로 인한 수축 및 무게로 인한 처짐에 대하여 향상된 안정성을 보임을 실증하였다.
중합으로 인한 변형의 정도는 두 가지 상이한 복합 패터닝 설계에 대해 계산하여 비교하였다. 첫째, 도 10에 개념적으로 나타낸 4층 복합 패터닝 장치(600)는 5마이크론 두께의 제 1 PDMS 폴리머층(610), 25 마이크론 두께의 제 2 폴리이미드(Kapton®) 폴리머층(620), 5 마이크론 두께의 제 3 PDMS 폴리머층(630), 및 25 마이크론 두께의 제 4 폴리이미드(Kapton®) 폴리머층(640)을 포함하고, 이에 대하여 평가하였다. 둘째, 도 11a에 개념적으로 나타낸 2층 복합 패터닝 장치(700)는 5 마이크론 두께의 제 1 PDMS 폴리머층(710), 및 25 마이크론 두께의 제 2 폴리이미드(Kapton®) 폴리머층(720)을 포함하고, 이에 대하여 평가하였다. 두 계산에 있어서 20 ℃ 내지 80 ℃의 온도 변화가 사용되었다. PDMS의 영 모듈러스와 열팽창 계수는 온도와 무관한 것으로 가정하였고, 각각 3 MPa, 및 260 ppm인 것으로 가정하였다. 폴리이미드의 영 모듈러스와 열팽창 계수는 온도와 무관한 것으로 가정하였고, 각각 5.34 MPa, 및 14.5 ppm인 것으로 가정하였다.
도 10은 상기 4층 복합 패터닝 장치(600)에 대하여 계산된 열 개시 중합 동안에 예측되는 왜곡의 정도를 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 중합이 일어나도 4층 패턴 장치의 말림(curling)이 관찰되지 않는다. 도 11a는 상기 2층 복합 패터닝 장치(700)에 대하여 계산된 열 개시 중합 동안에 예측되는 왜곡의 정도를 나타낸다. 4층 패터닝 장치에 대한 결과와 대조적으로, 중합으로 인한 말림이 2층 패터닝 장치에 대하여 관찰된다. 도 11b 및 도 11c는 상기 2층 패터닝 장치에 대하여 중합 후의 곡률 반경을 PDMS 층의 두께 및 경화 온도의 함수로 각각 나타낸 것이다.
본 발명의 4층 패터닝 장치의 리세스된 영역에 대한 수직 방향 변위의 정도 도 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 도 12a에 나타낸 바와 같이, 평가된 복합 패터닝 장치는 두 개의 h-PDMS 층과 두 개의 폴리이미드 층(Kapton®)을 포함하였다. h-PDMS 제 1 층의 두께는 약 6 마이크론 내지 약 200 마이크론의 범위에서 변화되었다. 폴리이미드 제 2 층의 두께는 25 마이크론으로 일정하게 고정되었고, h-PDMS 제 3 층의 두께는 5 마이크론으로 일정하게 고정되었고, 폴리이미드 제 4 층의 두께는 25 마이크론으로 일정하게 고정되었다. 도 12b는 마이크론 단위로 나타낸 수직 방향의 예측 변위를 약 90 마이크론의 길이를 갖는 리세스 영역을 따르는 위치의 함수로 나타낸 그래프를 나타낸다. 도 12b에 나타낸 바와 같이, 50 마이크론 이하의 두께를 갖는 PDMS 제 1 층에 대하여 약 0.2 마이크론 미만의 처짐으로 인한 변형이 관찰된다. 또한 검증된 모든 예에 대하여 관찰된 처짐의 정도는 항상 평가된 각 두께의 약 0.1% 미만이었다. 이들 시뮬레이션의 결과는 본 발명의 4층 복합 패터닝 장치가 양각 패턴의 리세스된 영역의 처짐으로 인한 기판 표면과 제 1 층의 리세스된 영역 사이의 바람직하지 않은 접촉을 보일 것 같지 않음을 암시한다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 2층 복합 스탬프에 대해 중합 동안의 열적/화학적 수축으로 인한 수평 방향의 왜곡에 관한 컴퓨터 연구 결과를 나타낸다. 도 13a는 25 마이크론 두께의 Kapton 층과 조작상 결합되고 변하는 두께를 갖는 PDMS층을 포함하는 2층 복합 스탬프를 개념적으로 나타낸다. 도 13b는 예측되는 수평 방향의 왜곡을 마이크론 단위의 PDMS 제 1 층의 두께의 함수로 나타낸 그래프이다. 도 13c는 예측되는 수평 방향의 왜곡을 밀리미터 단위의 PDMS 제 1 층의 외부 표면을 따르는 거리의 함수로 나타낸 그래프이다. 모델링 결과는 상기 PDMS 제 1 층의 외부 표면 위에 접촉 표면에 평행한 평면에서의 중합으로 인한 왜곡의 크기는 상기 PDMS 제 1 층의 두께에 직접 비례함을 암시한다. 또한, 모델링 결과는 상기 PDMS 제 1 층의 외부 표면 위에 접촉 표면에 평행한 평면에서의 중합으로 인한 왜곡이 PDMS 제 1 층의 두께가 감소할 때 스탬프의 가장자리에 대개 한정됨을 나타낸다.
<실시예 3> 섬유 강화 복합 패터닝 장치
본 발명은 유리한 기계적, 구조적 및/또는 열적 성질을 제공하는 섬유 물질을 갖는 폴리머층을 포함하여 하나 이상의 복합 폴리머층을 포함하는 복합 패터닝 장치를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 복합 패터닝 장치는 양각 패턴의 양각 지형의 왜곡을 최소화하는 알짜 굽힘 강성을 제공하고, 기판 표면 위에 우수한 충실도 및 위치 정확성을 보이는 패턴을 생성할 수 있는 패터닝 장치를 제공하도록 선택되는 기하구조로 폴리머층 내에 및/또는 폴리머층 사이에 섬유가 통합되는 설계를 포함한다. 또한, 본 발명의 이러한 태양의 복합 패터닝 장치는 온도 변화로 인한 폴리머층의 팽창 또는 수축을 최소화하고 및/또는, 예를 들면 본 장치의 두께를 늘림으로써, 본 발명의 패터닝 장치의 물리적인 취급을 용이하게 하도록 선택되는 기하구조로 폴리머층 내에 및/또는 폴리머층 사이에 섬유가 통합되는 설계를 포함한다.
본 발명의 복합 패터닝 장치 내에 통합된 섬유 물질의 유용성을 확인하기 위해 유리 섬유로 강화된 폴리머층을 복수개 포함하는 패터닝 장치를 설계하였다. 도 14a 및 도 14b는 본 발명의 섬유 강화 복합 스탬프를 나타낸 개념도를 제공한다. 도 14a는 단면도를 제공하고, 도 14b는 사시도를 제공한다. 도 14a 및 도 14b에 나타낸 바와 같이, 섬유 강화 복합 스탬프(900)는 PDMS를 포함하고 선택된 물리적 치수의 양각 지형을 갖는 양각 패턴을 포함하는 제 1 층(905), 선택된 제 1 방향으로 미세한 유리 섬유의 배열을 갖는 복합 폴리머를 포함하는 제 2 층(910), 선택된 제 2 방향으로 더 큰 유리 섬유의 메쉬(mesh)를 갖는 복합 폴리머를 포함하는 제 3 층(915), 선택된 제 3 방향으로 더 큰 유리 섬유의 메쉬(mesh)를 갖는 복합 폴리머를 포함하는 제 4 층(920), 및 선택된 제 4 방향으로 미세한 유리 섬유의 배열을 갖는 복합 폴리머를 포함하는 제 5 층(925)을 포함한다. 제 1 층(905)은 낮은 영 모듈러스를 갖고 자신의 접촉 표면은 컨투어된 표면, 만곡된(curved) 표면 및 거친 표면을 포함하는 범위의 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있다. 제 2 층(910)은 선택된 방향으로 첨가된 미세한 유리 섬유의 배열이 제 1 층(905)의 양각 지형의 지붕에 기계적인 지지를 제공하고, 그에 의하여 기판 표면과 콘포말 접촉을 형성할 때, 제 1 층(905)의 양각 패턴이 왜곡되는 것이 최소화되도록 하는 복합 폴리머층이다. 제 3 층(915) 및 제 4 층(920)은 섬유 강화 복합 스탬프(900)의 취급, 소제 및 스탬핑 장치 내로의 통합이 용이하도록 섬유 강화 복합 스탬프(900)의 전체 두께를 제공한다. 유리 섬유를 제 2 층(910), 제 3 층(915), 제 4 층(920) 및/또는 제 5 층(925) 내에 통합하는 것은 섬유 강화 복합 스탬프의 알짜 굽힘 강성을 선택하는 수단을 제공하고, 본 발명의 패터닝 장치의 개별 층의 영 모듈러스를 선택하는 수단을 제공하기도 한다. 예를 들면, 제 2 층(910), 제 3 층(915), 제 4 층(920) 및 제 5 층(925)의 섬유의 조성, 배향, 크기 및 밀도의 선택은 우수한 충실도 및 위치 정확성을 보이는 패턴을 기판 표면 위에 생성하기에 유용한 알짜 굽힘 강성을 제공할 수 있다. 제 2 층(910), 제 3 층(915), 제 4 층(920) 및 제 5 층(925)은 낮은 영 모듈러스를 갖는 폴리머 또는 높은 영 모듈러스를 갖는 폴리머의 섬유 강화 복합층을 포함할 수 있다. 선택적으로, 섬유 강화 복합 스탬프(900)는 하나 이상의 추가적인 높은 영 모듈러스 폴리머층 또는 낮은 영 모듈러스 폴리머층을 더 포함할 수 있고, 섬유 물질을 갖는 복합 폴리머층을 추가로 포함할 수도 있다.
도 14c는 섬유 강화 복합 스탬프(900)의 제 2 층(910), 제 3 층(915), 제 4 층(920) 및 제 5 층(925)에 각각 대응되는, 제 1 선택 배향(930), 제 2 선택 배향(935), 제 3 선택 배향(940) 및 제 4 선택 배향(945)를 나타낸 개념도이다. 도 14c에 나타낸 바와 같이, 제 1 선택 배향(930)은 제 5 층(925)의 제 4 선택 배향(945)의 길이 방향으로 정렬된 미세 유리 섬유에 수직인 축들을 따라 배열되고 제 2 층(910)에 길이 방향으로 정렬된 미세한 유리 섬유를 제공한다. 제 2 및 제 3 선택 배향은 두 세트의 섬유가 수직인 축들을 따라 정렬되면서 교차 제직(interwoven)되는 섬유 메쉬를 제공한다. 또한, 제 2 선택 배향(935) 및 제 3 선택 배향(940)에 대응되는 섬유 메쉬는 도 14c에 나타낸 바와 같이 서로 수직인 섬유 배향을 제공한다. 도 14c에 나타낸 섬유 메쉬의 배향을 사용하면 본 발명의 패터닝 장치와 폴리머층의 평면내(in plane) 기계적 성질에서 비등방성(anisotropy)을 최소화할 수 있다.
도 15는 PDMS 층에 부착된 복합 폴리머층의 광학 이미지를 제공한다. 도 15 에 나타낸 바와 같이, 복합 폴리머층(971)은 유리 섬유 메쉬를 포함하고, 상기 PDMS 층(972)은 포함된 섬유 물질을 갖지 않는다.
도 14a를 다시 참조하면, 도시한 스탬프 설계는 디자인축(960)에 대하여 대칭인 섬유 강화층의 배열을 제공한다. 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 제 2 층(910) 및 제 5 층(925)과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 제 3 층(915) 및 제 4 층(920)의 사용은 층 정렬 축(980)에 대하여 실질적으로 대칭인 열팽창 계수의 분포를 갖는 섬유 강화 복합 스탬프(900)를 제공한다. 만일 제 1 층이 제 2, 제 3, 제 4, 및 제 5 층의 두께의 합에 비하여 상대적으로 얇다면, 예를 들면 일부 응용예에서 바람직하게는 10% 미만, 또 다른 일부 응용예에서 더욱 바람직하게는 5% 미만이라면 특히 잘 맞는다. 위에서 설명한 바와 같이, 접촉 평면(들)을 포함하는 평면에 수직인 층 정렬 축(980)에 대하여 실질적으로 대칭인 열팽창 계수의 분포를 제공하는 본 발명의 장치 구성을 사용하면, 온도 변화로 인해 야기되는 패턴 왜곡을 최소로 보이는 열적으로 안정한 패터닝 장치를 제공하기에 유용하다. 더욱이, 이러한 대칭 배열은 경화 동안에 야기되는 양각 패턴의 왜곡, 예를 들면 경화 동안의 폴리머층의 말림(curling)으로 인한 패턴 왜곡을 최소화한다.
섬유 물질의 사용은 깨어지기 쉬운 재료를 포함하여 유용한 기계적 및 열적 성질을 갖는 광범위한 재료를 큰 곡률 반경과 같이 거칠고 컨투어된 기판 표면과 콘포말 접촉을 이룰 수 있게 하는 유연성을 보이는 능력을 유지하는 방식으로 본 발명의 패터닝 장치 및 폴리머층 내에 통합하는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, SiO2는 벌크 상으로는 매우 깨어지기 쉬운 재료이다. 그러나, 비교적 얇고 가는 (예를 들면, 약 20 마이크론 미만의 지름을 갖는) SiO2 섬유, 섬유 배열 및 섬유 메쉬를 이용하면 굽혀지고 신장 및 변형되는 그들의 능력을 유지한 채 폴리머층의 구조적 강화를 가능하게 하고 알짜 굽힘 강성을 향상시킬 수 있다. 또한, SiO2는 PDMS를 포함하는 일부 폴리머에 우수한 접착력을 보인다. 탄소 섬유는 다양한 표면 형상과 우수한 콘포말 접촉을 이루는 데 유용한 장치 유연성을 가능하게 하면서 굽힘 강성 및 영 모듈러스를 실질적으로 향상시킬 수 있도록 폴리머층 내에 통합시킬 수 있는 또 하나의 재료군이다.
유리한 기계적, 구조적 및 열적 성질을 보이는 패터닝 장치 및 폴리머층을 제공하는 본 발명의 섬유 강화 폴리머층에는 어떤 조성의 섬유 물질도 사용될 수 있으며, 어떤 물리적 치수를 갖는 섬유 재료도 사용될 수 있다. 본 발명의 복합 패터닝 장치에 유용한 섬유 재료는 SiO2, Al2O3, B2O3, CaO, MgO, ZnO, BaO, Li2O, TiO2, ZrO2, Fe2O3, F2 및 Na3O/K2O와 같은 산화물을 포함하는 유리를 포함하는 섬유, 탄소, 아라미드 섬유나 다이니마(dyneema)와 같은 폴리머, 금속 및 세라믹을 포함하지만 여기에 한정되지 않고, 또는 이들 재료의 혼합물을 본 발명의 패터닝 장치 내에 통합시킬 수도 있다. 일부 응용에 있어서는 자신이 통합될 층을 포함하는 폴리머에 우수한 부착력을 보이는 섬유 재료가 선호된다. 본 발명의 섬유 강화 복합 패터닝 장치에 유용한 섬유는 약 1 마이크론 내지 약 100 마이크론 범위의 길이를 갖고, 일부 응용에 있어서는 약 5 내지 약 50 마이크론의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 섬유 강화 복합 패터닝 장치에 유용한 섬유는 약 0.5 마이크론 내지 약 50 마이크론 범위의 직경을 갖고, 일부 응용에 있어서는 약 5 내지 약 10 마이크론의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 섬유 강화 패터닝 장치의 복합 층들은 유용한 기계적 및 열적 성질을 패터닝 장치에 제공할 수 있는 선택된 섬유 배열을 가질 수 있다. 섬유의 높은 부피 분율이 특징인, 예를 들면, 약 0.7을 넘는 섬유의 부피 분율을 갖는 섬유 배열을 사용하면 하나 이상의 접촉 표면을 갖는 저 모듈러스 층의 양각 패턴 내에 지붕 지지물을 포함하여 양각 지형 및 리세스 영역의 지지물을 제공하는 복합층(예를 들면, 도 14a의 층(910))에 유용하다. 섬유의 낮은 부피 분율이 특징인, 예를 들면, 약 0.5 미만인 섬유의 부피 분율을 갖는 섬유 배열을 사용하면 섬유 강화 복합 패터닝 장치의 유연성을 유지하기 위해 바람직한 알짜 스탬프 두께를 제공하는 복합층(예를 들면, 도 14a의 층(915) 및 층(920))에 유용하다. 도 14a 내지 도 14c에 나타낸 개념도에 예시된 바와 같이, 섬유의 상이한 선택 배향을 갖는 복수개의 복합층을 사용하면 접촉 표면을 포함하는 평면에 수직인 축을 따르는 변형에 대하여 등방적인 기계적 성질을 갖는 섬유 강화 복합 패터닝 장치를 제공하는 데 유용하다.
그들의 구조적인 및 기계적인 성질 뿐만 아니라, 본 발명의 섬유 강화 복합 패터닝 장치에 사용되는 섬유 재료는 그들의 광학적 및/또는 열적 성질에 근거하여 선택될 수도 있다. 섬유가 통합되는 폴리머 물질과 같거나 유사한(즉, 10% 이내로 조화되는) 굴절율을 갖는 섬유를 사용하면 광학적으로 투명한 복합 폴리머층을 제공하는 데 유용하다. 예를 들면, 고투명성 복합 폴리머층을 제조하기 위해 SiO2 섬유의 굴절율은 PDMS의 굴절율(통상 1.4 내지 1.6 사이)과 조화되도록 조절될 수 있다. 주어진 복합 폴리머층에서 섬유 및 고분자 재료의 굴절율을 조화시키면 본 발명의 섬유 강화 복합 포토마스크에 특히 유용하다. 또한, 섬유 재료가 통합되는 폴리머 물질과 열팽창 계수가 같거나 유사한(즉, 10% 이내로 조화되는) 섬유 재료를 선택하면 열적으로 안정한 섬유 강화 복합 패터닝 장치를 제공하는 데 유용하다.
<실시예 4> 복합 연질(soft) 콘포말 포토마스크
본 발명은 전자기 방사광을 이용한 처리 공정에 사용되는 기판의 표면에 콘포말 접촉을 이루고 이를 유지할 수 있는 포토마스크를 포함하는 복합 패터닝 장치를 포함한다. 본 발명의 복합 콘포말 포토마스크의 장점은 2차원 투과 및 흡수 특성과 같은 포토마스크의 광학적 성질을 현저하게 바꾸지 않고도 광범위한 기판 표면의 형상에 콘포말 접촉을 할 수 있다는 점이다. 본 발명의 이러한 특성은 전자기 방사광의 세기, 편광 상태, 및/또는 파장의 잘 정의된 2차원 공간 분포를 갖는 전자기 방사광을 기판 표면 위의 선택된 영역에 투과시키고, 그에 의하여 우수한 충실도 및 위치 정확도를 보이는 패턴을 기판 위에 제조할 수 있는 포토마스크를 제공한다.
도 16은 본 발명의 복합 연질(soft) 콘포말 포토마스크의 개념도를 제공한다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 복합 연질 콘포말 포토마스크(1000)는 낮은 영 모 듈러스를 갖고 접촉 표면(1010)을 갖는 제 1 폴리머층(1005), 복수개의 광학적 투과성 영역(1017) 및 광학적 비투과성 영역(1016)을 갖는 패터닝된 포토마스크 층(1015), 및 높은 영 모듈러스를 갖고 외부 표면(1025)을 갖는 제 2 폴리머층(1020)을 포함한다. 유용한 구현예에서, 상기 제 1 폴리머층은 PDMS를 포함하고, 상기 제 2 폴리머층은 폴리이미드를 포함한다. 투과성 영역(1017)은 외부 표면(1025)에 조사되는 전자기 방사광을 적어도 부분적으로 투과하고, 비투과성 영역(1016)은 예를 들면 전자기 방사광의 반사, 흡수 또는 산란에 의해 외부 표면(1025)에 조사되는 전자기 방사광을 적어도 부분적으로 감쇠시킨다. 도 16에 나타낸 구현예에서, 비투과성 영역(1016)은 실질적으로 투명한 Ti/SiO2 층과 접촉하는 반사성의 알루미늄 박막이다. 이러한 배열에서, 반사성의 알루미늄 박막 사이의 실질적으로 투명한 영역은 투과성 영역이다.
기판 표면 위에 패터닝을 제공하기 위해, 복합 연질 콘포말 포토마스크(1000)를 제 1 폴리머층(1005)의 접촉 표면(1010)이 기판 표면과 콘포말 접촉을 형성하도록 기판 표면과 접촉시킨다. 세기, 편광 상태 및/또는 파장에 있어서 2차원적 제 1 분포를 갖는 전자기 방사광을 복합 연질 콘포말 포토마스크(1000)의 제 2 폴리머층(1020)의 외부 표면(1025) 위에 조사한다. 비투과성 영역(1016)에 의한 반사, 흡수 및/또는 산란은 세기, 편광 상태 및/또는 파장에 있어서 상이한 2차원 분포의 특징을 가지며 투과된 전자기 방사광을 생성한다. 이러한 투과 전자기 방사광은 기판 표면과 상호작용을 하고 기판 표면의 물리적 및/또는 화학적으로 개질된 영역을 생성한다. 상기 기판의 화학적으로 및/또는 물리적으로 개질된 영역의 적어도 일부분을 제거하거나 또는 상기 기판의 화학적으로 및/또는 물리적으로 개질되지 않은 부분의 적어도 일부분을 제거함으로써 패턴을 제조한다.
도 17a는 본 발명의 복합 연질 콘포말 포토마스크의 광학 이미지를 나타내고, 도 17b는 실리콘 기판 위에서 노광되고 현상된 포토레지스트 패턴의 광학적 이미지를 나타낸다. 도 17a에 나타낸 바와 같이, 복합 연질 콘포말 포토마스크(1100)는 다른 처리 기구와 함께 포토마스크를 용이하게 취급, 세정 및 통합할 수 있도록 경계를 제공하는 5 밀리미터 두께의 손잡이(1105)를 갖는다. 도 17a와 도 17b를 비교하면 복합 연질 콘포말 포토마스크를 이용하여 고 충실도의 패턴이 생성되었음을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 복합 연질 콘포말 포토마스크를 제조하는 방법을 나타낸 공정 순서도를 제공한다. 도 18의 공정 단계 A에 나타낸 바와 같이, 높은 영 모듈러스 폴리머의 내부 표면 위에 알루미늄 박막이 전자빔 증착을 통해 증착된다. 도 18의 공정 단계 B에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트층을 예를 들면, 스핀코팅에 의해 상기 알루미늄 층 위에 도포하고, 예를 들면 통상의 포토리소그래피를 이용하여 패터닝한다. 이러한 패터닝 단계는 선택된 물리적 치수 및 위치를 갖는 박막 알루미늄을 포함하는 패터닝된 포토마스크 층을 생성한다. 도 18의 공정 단계 C에 나타낸 바와 같이, Ti/SiO2의 박막이 알루미늄 패터닝된 포토마스크층 및 높은 영 모듈러스의 폴리머층 내부 표면의 노출된 면 위에 증착된다. Ti/SiO2층을 이용하면, 후속 공정 단계에서 PDMS 층에 대한 부착을 향상시키는 데 유용하다. 도 18의 공정 단계 D에 나타낸 바와 같이, 실질적으로 평탄한 실리콘 기판을 비 점착성 자기 조립 단층(monolayer)으로 처리하고, PDMS의 박층을 상기 자기조립된 단층 위에 스핀 코팅된다. 본 발명의 이 태양에서 자기조립된 단층을 사용하는 것은 실리콘 표면 위에 PDMS 층이 비가역적으로 결합되는 것을 방지하고 실리콘 기판으로부터 분리할 때 PDMS 층이 손상되는 것을 피하기 위해 중요하다. 도 18의 공정 단계 E에 나타낸 바와 같이, 높은 영 모듈러스층 및 패터닝된 포토마스크층을 포함하는 복합 구조물의 Ti/SiO2층은 PDMS가 코팅된 실리콘 기판과 접속시켜진다. 상기 높은 영 모듈러스 층의 외부 표면에 힘이 가해지고 PDMS는 60 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 수 시간 동안 경화된다. 마지막으로, 상기 PDMS 층은 상기 실리콘 기판으로부터 분리되고, 복합 연질 콘포말 포토마스크를 형성하게 된다.
<실시예 4> 패터닝제를 이용한 자물쇠-열쇠 정합(registration) 시스템
본 발명은 패터닝 장치와 기판 표면의 적절한 정합 및 정렬을 제공하기에 유용한 정렬 채널, 홈통(trough) 및/또는 홈(groove)와 같은 특정 양각 패턴을 갖는 패터닝 장치 및/또는 기판 표면 및 제조 방법을 제공한다. 특히, 상보적인(complementary) (즉, 암수의(mating)) 양각 지형 및 리세스 영역을 포함하는 "자물쇠-열쇠" 정렬 시스템을 사용하면 패터닝 장치 및 기판 표면의 접촉 표면의 가능한 상대적인 배향을 상보적인 지형의 맞물림(engagement)이 한정하기 때문에 본 발명에 유용하다. 이들 요소의 상대적인 배향을 한정하는 능력은 대면적 기판에 대 하여 우수한 위치 정확성을 갖는 장치의 제조 및 장치 배열에 특히 유용하다.
일 태양에서, 본 발명은 복합 패터닝 장치의 접촉 표면 또는 단일층 패터닝 장치의 접촉 표면과 같은 패터닝 장치의 접촉 표면과 기판 표면의 선택 영역 사이의 선택된 공간적 정렬을 이루고 유지하기 위한 패터닝제(patterning agent)를 이용하는 정렬 시스템을 포함한다. 이 설명의 문맥에 있어서, 용어 "패터닝제"는 패터닝 장치의 접촉 표면의 적어도 일부분과 가공되고 있는 기판 표면 사이에 제공되는 하나 이상의 물질을 지칭한다. 본 발명의 이러한 태양에서, 상기 패터닝제는 상보적인 양각 지형 및 리세스 영역의 우수한 정합성을 가져오도록 이들 요소의 적절한 맞물림 및 정렬을 용이하게 하는 기능을 한다. 본 발명의 패터닝제는 패터닝 장치와 기판 표면의 적절한 정렬을 용이하게 하는 것이 아닌 기능을 제공할 수도 있고 패터닝 장치와 기판 표면의 적절한 정렬을 용이하게 하는 것과 함께 다른 기능을 제공할 수도 있다. 일 구현예에서, 본 발명의 패터닝제는 본 발명의 포토마스크를 위한 광학적 필터링 매체를 포함한다. 다른 구현예에서, 패터닝제는 전자기 방사광에 노광시키거나 온도를 상승시키면 기판 표면 위에 몰딩되는 전사 물질, 예를 들면, 기판 표면 위에 엠보싱된 패턴 내부로 몰딩되는 프리폴리머 물질을 포함한다. 본 발명의 패터닝제는 패터닝 장치의 접촉 표면과 가공되고 있는 기판 표면의 정렬을 용이하게 하는 것과 함께 광학적 필터링 및/또는 기판 표면을 패터닝 하기 위한 전사 물질을 제공하는 것의 조합과 같이 다기능적 특성을 제공할 수도 있다.
일 구현예에서, 본 발명의 패터닝제는 자물쇠-열쇠 정합 시스템과 같이 정렬 시스템의 암수 결합되는 접촉 표면과 기판 표면의 쌍 사이에서 생성되는 마찰을 감 소시킴으로써 윤활제 역할을 한다. 마찰을 감소시킴으로써, 상기 패터닝제는 패터닝 장치와 기판이 콘포말 접촉을 이루고 서로에 대하여 상대적으로 움직일 수 있도록 하고, 그에 의하여 가능한 상대적인 배향의 범위를 추출(sample)한다. 본 발명의 이 태양에서, 패터닝제에 의해 제공되는 추가적인 이동성은 암수 표면 위의 상보적인 양각 지형 및 리세스 영역 사이의 효과적인 결합의 특징을 갖는 선택된 상대적인 배향을 패터닝 장치 및 기판 표면에 안정적으로 구현할 수 있게 해 준다. 효과적인 패터닝제는 콘포말 접촉을 이루는 것을 방해하지 않으면서 정확한 정합을 이루는 것을 용이하게 한다. 유용한 패터닝제는 액체나 콜로이드와 같은 유체, 박막 및 집상 재료를 포함한다. 패터닝제의 예는 형광 표백제(optical brightener), Mayzo사의 Benetex OB-EP, Parker 잉크, Constantines Wood Center사의 수용성 흑색 나무 안료 분말을 포함한다.
본 발명의 이 태양의 패터닝 장치는 가공되고 있는 기판 표면의 양각 지형 또는 리세스 영역과 모양과 물리적 치수에 있어서 상보적인 복수개의 리세스 영역 또는 양각 지형을 갖는 접촉 표면을 갖는다. 본 발명의 이 태양의 패터닝 장치는 접촉 표면과 기판 표면 사이의 영역의 적어도 일부분 내로 패터닝제를 도입하기 위한 수단을 갖는다. 패터닝제를 도입하는 수단은 유체 채널(fluidic channel), 홈일 수 있으며, 콘포말 접촉을 이루기 전에 예를 들면, 딥핑 시스템(dipping system)을 이용하여 접촉 표면 또는 기판 표면을 적시는(wetting) 단계가 수반될 수 있다. 정합을 이루기 위하여, 상기 패터닝 장치 및 기판 표면은 적당한 힘, 예를 들면 접촉 표면의 적어도 일부분을 포함하는 평면에 수직 방향인 힘을 가함으로써 점진적으로 접촉시킨다. 선택적으로, 정렬시 다른 방향, 예를 들면 표면의 측방향 운동에 의해 패터닝 장치 및 기판 표면의 암수 결합 표면의 운동이 수반될 수 있다.
다른 태양에서, 상기 패터닝제는 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크를 위한 광학 필터링 매체로서 작용할 수 있다. 본 발명의 이 태양에서, 상기 패터닝제의 조성은 포토마스크 위로 조사되는 전자기 방사광의 일부 성질을 흡수, 산란, 반사 또는 그 외 조절하고, 그에 의하여 가공되고 있는 기판 표면 위로 투과되는 빛의 세기, 파장 및 편광 상태를 선택적으로 조절하도록 선택된다. 예를 들면, 일 구현예에서, 상기 패터닝제는 기판의 외부 표면과 양각 패턴을 갖는 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크 사이에 제공된다. 상기 포토마스크와 기판의 외부 표면 사이의 콘포말 접촉은 상기 양각 패턴의 양각 지형 및 리세스 영역에 의해 정의되는 패터닝제에 의해 점유되는 일련의 공간을 생성한다. 이 공간들은 포토마스크와 기판의 외부 표면 사이에 위치하는 채널, 챔버, 틈새(aperture), 홈, 긴 구멍(slit) 및/또는 통로를 포함할 수 있다. 포토 마스크의 양각지형 및 리세스된 영역의 모양과 물리적 치수는 포토마스크와 기판 표면 사이 공간에 존재하는 패터닝제의 광학적 두께를 결정한다. 따라서, 상기 양각 패턴의 기하구조와 상기 패터닝제의 조성을 선택함으로써, 투과되는 전자기 방사광을 조절하여 기판 표면 위로 투과되는 빛의 세기, 파장 및/또는 편광 상태의 원하는 2차원 공간 분포를 갖도록 하는 수단을 제공한다. 본 발명의 이러한 태양은 기판 표면의 외부 표면 위에 증착된 감광 물질의 층을 갖는 기판 표면을 패터닝하는 데 특히 유용하다.
본 발명의 이러한 패터닝 접근법의 장점은 (i) 본 출원에 설명한 복합 패터 닝 장치의 유형과 양립된다는 점, (ii) 상기 패터닝제는 저점도를 가질 수 있어서 패터닝 장치가 패터닝제와 접촉하게 되면서 신속하고 효과적으로 흐를 수 있다는 점(패터닝 장치의 융기 영역에 대응되는 영역 밖으로 패터닝제의 대부분을 몰아내는 것을 돕는다), (iii) 접촉 표면(또는 코팅된 접촉 표면)과 기판 표면(또는 코팅된 기판 표면) 사이의 계면을 윤활한다는 점, (iv) 패터닝 장치의 신장성(stretchability)을 바꾸지 않으며, 이 점은 특히 (예를 들면, 기판의 약간의 변형으로 인하여) 패터닝 장치가 자물쇠-열쇠 지형을 맞추기 위해 신장되어야 한다면 중요한 특징이 되고, (v) 많은 중요한 전자 및 광학 응용장치에 대하여 제조 조건 및 용도가 잘 정립된 종래의 포토레지스트를 패턴할 수 있다는 점을 포함한다.
도 19a 및 도 19b는 포토마스크와 기판을 정렬하기 위한 패터닝제의 사용하는 정렬 시스템을 나타낸 개념도를 제공한다. 도 19a 및 도 19b를 참조하면, 상기 본 발명의 정렬 시스템(1300)은 콘포말하게 될 수 있고 접촉 표면(1306)을 갖는 포토마스크(1305), 가공되고 있는 외부 표면(1313)을 갖는 기판(1310), 및 상기 접촉 표면(1306)과 외부 표면(1313) 사이에 위치하는 패터닝제(1315)를 포함한다. 도 19a 및 도 19b에 나타낸 구현예에서, 가공되고 있는 외부 표면(1313)은 포토레지스트 층과 같은 감광층(1314)으로 코팅된다. 도 19a에 나타낸 설계에서, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)는 가공되는 외부 표면(1313) 위에 존재하는 양각 지형(1325)와 상보적인 모양과 물리적 치수를 갖는 복수개의 리세스 영역(1320)을 갖는 제 1 폴리머층, 예를 들면 PDMS 층을 포함한다. 도 19b에 나타낸 설계에서, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)는 가공되는 외부 표면(1313) 위에 존재하는 리세스 영역(1345)와 상보적인 모양과 물리적 치수를 갖는 복수개의 양각 지형(1340)을 갖는 제 1 폴리머층, 예를 들면 PDMS 층을 포함한다. 본 발명의 이 태양의 양각 지형 및 리세스 영역은 피라미드 모양, 원기둥 모양, 다각형 모양(polygonal), 직사각형 모양(rectangular), 정사각형 모양(square), 원뿔 모양, 사다리꼴 모양(trapezoidal), 삼각형 모양(triangular), 구형 및 이들 형태의 어떠한 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 모양을 포함하여 상보적인 형태인 한 어떤 쌍이라도 가질 수 있고 여기에 한정되지 않는다.
선택적으로, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)는 선택된 모양 및 물리적 치수를 갖는 추가적인 양각 지형(1308) 및 리세스 영역(1307)을 더 포함할 수 있다. 도 19a 및 도 19b에 나타낸 바와 같이, 기판(1310)이 추가적인 양각 지형(1308) 및 리세스 영역(1307)에 상보적인 리세스 영역 및 양각 지형을 갖지 않기 때문에 포토마스크(1305) 및 외부 표면(1313)의 콘포말 접촉은 패터닝제(1315)에 의해 점유되는 복수개의 공간을 생성한다. 일 구현예에서, 패터닝제(1315)는 포토마스크(1305) 위로 조사되는 전자기 방사광을 흡수, 반사 또는 산란하는 물질이고, 따라서, 양각 지형(1308) 및 리세스 영역(1307)의 모양과 물리적인 치수는 외부 표면(1313) 위의 감광층(1314)으로 투과되는 전자기 방사광의 세기, 파장 및/또는 편광 상태의 2차원 분포를 결정한다. 이러한 방식으로, 감광층(1314)의 선택된 영역은 선택된 파장 및 편광 상태를 갖는 전자기 방사광이 선택된 세기로 조사될 수 있고, 감광층(1314)의 선택된 영역은 선택된 파장 및 편광 상태를 갖는 전자기 방사광에 노광되는 것으로부터 차단될 수 있다. 이러한 본 발명의 태양은 원하는 패턴 에 대응되는 화학적으로 및/또는 물리적으로 개질된 감광층(1314) 영역을 생성할 수 있는 세기의 선택된 2차원 공간 분포의 특징을 갖는 전자기 방사광에 노광시킴으로써 감광층(1314)을 패터닝하기에 유용하다. 일 구현예에서, 상기 포토마스크(1305)는 실질적으로 투명한 위상 한정 포토마스크(phase only photomask)이다. 일 구현예에서, 패터닝제가 접촉 표면(1306)과 외부 표면(1313) 사이에 존재할 때 진폭 포토마스크를 형성할 뿐이다.
다른 구현예에서, 패터닝제(1315)는 기판 표면 위로 패턴을 몰딩하기 위한 전사 물질이다. 따라서, 이 구현예에서는 양각 지형(1308) 및 리세스 영역(1307)의 모양 및 물리적 치수는 외부 표면(1313) 위의 감광층(1314) 위로 엠보싱되는 패턴의 지형을 결정한다. 본 발명의 이 태양의 구현예는 외부 표면(113) 위에 직접 패턴을 몰딩함으로써 기판 표면을 패터닝하는 데에도 유용하다(즉, 감광층(1314)의 존재 없이도).
선택적으로, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)는 높은 영 모듈러스 층, 복합 폴리머층 및 낮은 영 모듈러스 층(도 19a 및 도 19b에는 미도시)과 같은 추가적인 폴리머층을 더 포함하는 복합 포토마스크이다. 본 출원 전체에 걸쳐 설명된 바와 같이, 하나 이상의 추가적인 폴리머층을 포함하는 본 발명의 패터닝 장치는 유리한 기계적 및/또는 열적 성질을 제공한다. 그러나, 본 발명 본 실시예의 패터닝 장치는 복합 패터닝 장치일 필요가 없다.
기판(1310) 표면에 패턴을 생성하기 위해, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)의 접촉 표면(1306)과 외부 표면(1313) 사이에 패터닝제(1315)가 제공되 고, 상기 접촉 표면(1306)과 외부 표면(1313)은 콘포말 접촉을 시킨다. 패터닝제(1315)는 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)의 제 1 폴리머층과 외부 표면(1313) 위의 감광층(1314) 사이의 계면을 윤활한다. 상기 패터닝제(1315)의 존재로 인한 마찰의 감소는 양각 지형(1325 또는 1340)이 리세스 영역(1320 또는 1345)과 최적으로 맞물리도록 상기 접촉 표면(1306)이 외부 표면(1313)과 정렬되게 한다. 접촉 표면에 수직인 축(화살표(1380)로 개념적으로 나타냄)을 따라 가해지는 힘과 같이 암수 결합되는 표면이 밀착되도록 점진적으로 가해주는 힘을 제공함으로써 최적의 정렬을 이룰 수 있다. 선택적으로, 리세스 영역(1320 또는 1345)과 양각 지형(1325 또는 1340)이 최적의 맞물림을 이루는 것을 향상시키기 위해 접촉 표면(1306) 및 외부 표면(1313)은 (축(1390)에 평행한 축을 따라) 측방향으로 움직일 수 있다.
콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305)는 전자기 방사광으로 조사되고, 선택된 세기, 파장 및/또는 편광 상태의 2차원 공간 분포를 갖는 전자기 방사광을 감광층(1314)에 투과한다. 예를 들면, 양각 지형(1308) 및 리세스 영역(1307)과 외부 표면(1313) 사이의 영역에 존재하는 패터닝제(1315)는 입사하는 전자기 방사광을 흡수, 산란 또는 반사할 수 있고, 그에 의하여 공간적으로 해상되는(resolved) 광학 필터링 기능을 제공할 수 있다. 예를 들면, 일 구현예에서, 패터닝제(1315)는 자외선 전자기 방사광을 흡수하고, 따라서 자외선으로 감광층(1314)을 패터닝하기 위한 명암(contrast)을 형성한다. 투과된 전자기 방사광은 감광층(1314)의 일부분과 상호작용하여 화학적으로 및/또는 물리적으로 개질된 영역의 패턴을 생성한다. 주어진 응용에 있어 충분한 전자기 방사광을 노광한 후, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크(1305) 및 기판(1310)은 분리되고, 감광층(1314)의 화학적으로 및/또는 물리적으로 개질된 영역의 적어도 일부분을 제거하거나 감광층(1314)의 화학적으로 및/또는 물리적으로 개질되지 않은 영역의 적어도 일부분을 제거함으로써 감광층(1314)을 현상한다.
도 20은 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크의 광학 매체(또는 잉크)를 포함하는 패터닝제를 이용하여 패터닝하는 본 발명의 예시적인 방법을 나타낸 개념도를 제공한다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 외부 표면 위에 포토레지스트 층을 갖는 기판이 제공된다. 상기 포토레지스트층은 잉크를 포함하는 패터닝제와 접촉하게 되고, 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크를 상기 기판과 콘포말 접촉시킨다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 패터닝제는 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크의 양각 패턴에 의해 정의되는 공간에 존재한다. 상기 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크는 전자기 방사광으로 조사되고, 상기 패터닝제는 상기 포토레지스트층으로 투과되는 전자기 방사광의 세기를 변화시킨다. 그런 후, 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 콘포말하게 될 수 있는 포토마스크를 제거하고, 포토레지스트층을 현상함으로써 상기 기판 표면 위에 포토마스크와 기판 사이에 존재하는 패터닝제의 광학적 두께에 의해 정의되는 패턴을 생성한다.

Claims (84)

  1. 기판 표면 위에 패턴을 생성하기 위한 복합 패터닝 장치로서,
    적어도 하나의 접촉 표면을 자신 위에 갖는 3차원 양각 패턴을 포함하는 제 1 폴리머층으로서, 낮은 영 모듈러스를 갖고 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는 제 1 폴리머층; 및
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 2 폴리머층으로서, 상기 제 2 폴리머층이 높은 영 모듈러스를 갖고, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층에 전달되도록 제 1 폴리머층과 제 2 폴리머층이 배열되는 제 2 폴리머층;
    을 포함하고,
    상기 제 1 폴리머층의 상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 사이에 콘포말(conformal) 접촉을 형성할 수 있는 복합 패터닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층의 상기 내부 표면이 상기 제 2 폴리머층의 상기 내부 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층과 상기 제 2 폴리머층이 상기 제 1 폴리머층의 상기 내부 표면과 상기 제 2 폴리머층의 상기 내부 표면 사이에 위치하는 연결층에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연결층이 얇은 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층의 접촉 표면의 적어도 일부분에 전달되도록 상기 제 1 폴리머층과 상기 제 2 폴리머층이 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 양각 패턴이 복수개의 접촉 표면들을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 접촉 표면들이 실질적으로 동일한 평면에 있는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 접촉 표면들의 적어도 일부가 상이한 평면에 있는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층의 두께가 약 1 마이크론 내지 약 100 마이크론의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층의 두께가 약 5 마이크론인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층의 두께가 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층의 두께가 약 25 마이크론인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층의 두께와 상기 제 2 폴리머층의 두께의 비가 약 1 내지 약 10의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층이 약 1 GPa 내지 약 10 GPa의 범위에서 선택되는 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 약 1 MPa 내지 약 10 MPa의 범위에서 선택되는 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 약 3 MPa의 영 모듈러스를 갖는 것 을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층, 상기 제 2 폴리머층 또는 이들 양자가 섬유 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 섬유 물질이 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층이 열경화 층(thermoset layer), 폴리이미드, 열가소성 층(thermoplastic layer) 및 복합 폴리머층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층이 약 14.5 ppm보다 작거나 같은 열팽창 계수를 갖는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 엘라스토머층인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 폴리(디메틸실록산) 또는 h-폴리 (디메틸실록산)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 복합 폴리머층인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층과 상기 제 2 폴리머층 사이에 제 3 폴리머층을 더 포함하고, 상기 제 3 폴리머층이 섬유 물질을 포함하는 복합 폴리머층인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 패터닝 장치가 약 1×10-7 Nm 내지 약 1×10-5 Nm의 범위에서 선택되는 굽힘 강성(flexural rigidity)을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 양각 패턴이 약 10 cm2 내지 약 260 cm2의 범위에서 선택되는 면적을 차지하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 양각 패턴이 약 10,000 나노미터 내지 약 50 나노미터의 범위에서 선택되는 치수를 보이는 복수개의 양각 지형을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 양각 패턴이 약 1000 나노미터 내지 약 50 나노미터의 범위에서 선택되는 치수를 보이는 복수개의 양각지형을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 연속적이고 단일한(unitary) 층인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층이 불연속적인 층인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 3차원 양각 패턴이 복수개의 독립적인 양각 지형을 포함하고, 독립적인 상기 양각 지형이 상기 제 2 폴리머층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  32. 제 1 항에 있어서, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 제 3 폴리머층을 더 포함하고, 상기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층으로 전달되도록 상기 제 1, 제 2 및 제 3 폴리머층이 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층의 상기 내부 표면이 상기 제 2 폴리머층의 상기 외부 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층 및 상기 제 3 폴리머층은 상기 제 2 폴리머층의 상기 외부 표면 및 상기 제 3 폴리머층의 상기 내부 표면 사이에 위치하는 연결층에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층이 낮은 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  36. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층이 약 1 MPa 내지 약 10 MPa의 범위에서 선택되는 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  37. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층의 두께가 약 1 마이크론 내지 약 100 마이크론의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  38. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층의 두께가 상기 제 1 폴리머층의 두께의 약 10% 이내인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  39. 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층의 열팽창 계수가 상기 제 3 폴리머 층의 열팽창 계수의 약 10% 이내인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  40. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층이 엘라스토머층인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  41. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층이 폴리(디메틸실록산) 또는 h-폴리(디메틸실록산)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  42. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층이 상기 접촉 표면에 가해지는 압력을 균등하게 분산시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  43. 제 32 항에 있어서, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 제 4 층을 더 포함하고, 상기 제 4 폴리머층의 상기 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층에 전달되도록 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 폴리머층이 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층의 상기 내부 표면이 상기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  45. 제 43 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층과 상기 제 4 폴리머층이 상기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면과 상기 제 4 폴리머층의 상기 내부 표면 사이에 위치하는 연결층에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  46. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층이 높은 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  47. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층이 약 1 GPa 내지 약 10 GPa의 범위에서 선택되는 영 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  48. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층의 두께가 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  49. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층의 두께가 상기 제 2 폴리머층의 두께의 약 10% 이내인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  50. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층의 열팽창 계수가 상기 제 2 폴리머층의 열팽창 계수의 약 10% 이내인 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  51. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 층이 폴리머; 유리; 세라믹; 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  52. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머층의 상기 외부 표면에 연결된 작동 장치(actuator)를 더 포함하고, 상기 작동 장치가 상기 제 2 폴리머층의 상기 외부 표면에 힘을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  53. 제 32 항에 있어서, 상기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면에 연결된 작동 장치를 더 포함하고, 상기 작동 장치가 상기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면에 힘을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  54. 제 43 항에 있어서, 상기 제 4 폴리머층의 상기 외부 표면에 연결된 작동 장치를 더 포함하고, 상기 작동 장치가 상기 제 4 폴리머층의 상기 외부 표면에 힘을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  55. 제 1 항에 있어서, 스탬프, 몰드 또는 포토마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  56. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 패터닝 장치가 전자기 스펙트럼의 자외선 영역; 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역; 또는 전자기 스펙트럼의 자외선 영역 및 가시광선 영역 양자 모두;에 있는 전자기 방사광을 투과시키는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  57. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 패터닝 장치가 세기의 선택된 2차원 공간 분포를 갖는 전자기 방사광의 패턴을 투과시키는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  58. 제 1 항에 있어서, 상기 복합 패터닝 장치가 상기 기판의 열팽창 계수의 10% 이내인 알짜 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  59. 기판 표면 위에 패턴을 생성하기 위한 복합 패터닝 장치로서,
    적어도 하나의 접촉 표면을 자신 위에 갖는 3차원 양각 패턴을 포함하는 제 1 층으로서, 낮은 영 모듈러스를 갖고 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는 제 1 층;
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 2 층으로서, 높은 영 모듈러스를 갖는 제 2 층; 및
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 3 층;
    을 포함하며,
    상기 제 3 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층에 전달되도록 상기 제 1, 제 2 및 제 3 폴리머층이 배열되고;
    상기 패터닝 장치를 통하여 연장되는 층 정렬 축을 따른 상기 패터닝 장치의 중심에 대하여 실질적으로 대칭의 분포를 갖는 열팽창 계수를 제공하도록 상기 제 1 및 제 3 층의 두께 및 열팽창 계수가 선택되고, 상기 제 1 층의 상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 표면 사이에 콘포말 접촉이 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  60. 제 59 항에 있어서, 상기 제 1 층의 상기 내부 표면이 상기 제 2 층의 상기 내부 표면과 접촉하고, 상기 제 2 층의 상기 외부 표면이 상기 제 3 층의 상기 내부 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  61. 제 59 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머층과 상기 제 2 폴리머층이 상기 제 1 폴리머층의 상기 내부 표면과 상기 제 2 폴리머층의 상기 내부 표면 사이에 위치하는 연결층에 의해 연결되고, 상기 제 3 폴리머층과 상기 제 4 폴리머층이 상기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면과 상기 제 4 폴리머층의 상기 내부 표면 사이에 위치하는 연결층에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  62. 제 59 항에 있어서, 상기 층 정렬 축이 적어도 하나의 접촉 표면을 포함하는 평면에 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 복합 패터닝 장치.
  63. 기판 표면 위에 패턴을 생성하는 패터닝 장치로서,
    3차원 양각 패턴과 베이스층을 포함하는 폴리머층으로서, 상기 3차원 양각 패턴이 자신 위에 위치하는 적어도 하나의 접촉 표면을 포함하고, 상기 베이스층이 상기 접촉 표면의 반대쪽에 위치하는 외부 표면을 포함하고, 상기 접촉 표면이 상기 층을 통하여 연장되는 층 정렬축에 대하여 수직이고, 상기 층 정렬 축을 따라 상기 폴리머층의 영 모듈러스가 상기 접촉 표면으로부터 상기 외부 표면까지 연속적으로 변화하는 폴리머층을 포함하고,
    상기 패터닝 장치가 상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 표면 사이에 콘포말 접촉을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  64. 제 63 항에 있어서, 상기 층 정렬 축을 따라 상기 폴리머층의 영 모듈러스가 상기 접촉 표면에서의 낮은 모듈러스 값으로부터, 상기 접촉 표면 및 상기 외부 표면 사이의 상기 층 정렬 축을 따른 중간 지점에서의 높은 모듈러스 값까지 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  65. 제 63 항에 있어서, 상기 폴리머층의 영 모듈러스가 상기 층 정렬축을 따른 중간 지점에서의 높은 모듈러스 값으로부터 상기 외부 표면에서의 저 모듈러스 값까지 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  66. 제 63 항에 있어서, 상기 폴리머층이 상기 층 정렬축을 따른 상기 패터닝 장치의 중심에 대하여 실질적으로 대칭 분포를 갖는 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  67. 기판 표면 위에 패턴을 생성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 접촉 표면을 자신 위에 갖는 3차원 양각 패턴을 포함하는 제 1 폴리머층으로서, 낮은 영 모듈러스를 갖고 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는 제 1 폴리머층; 및
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 2 폴리머층으로서, 상기 제 2 폴리머층이 높은 영 모듈러스를 갖고, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층에 전달되도록 제 1 폴리머층과 제 2 폴리머층이 배열되는 제 2 폴리머층;
    을 포함하는 복합 패터닝 장치를 제공하는 단계;
    상기 제 1 폴리머층의 상기 접촉 표면 위에 전사 물질을 증착시키고, 그에 의하여 상기 접촉 표면 위에 전사 물질의 층을 생성시키는 단계;
    상기 전사 물질의 층이 상기 기판 표면에 노출되고, 상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 표면 사이에 콘포말 접촉이 형성되도록 상기 복합 패터닝 장치와 상기 기판 표면을 접촉시키는 단계; 및
    상기 복합 패터닝 장치와 상기 기판 표면을 분리하고, 그에 의하여 상기 전사 물질의 적어도 일부분을 상기 기판 표면으로 전사하고, 상기 기판 표면 위에 상기 패턴을 생성하는 단계;
    를 포함하는 패턴의 생성 방법.
  68. 제 67 항에 있어서, 상기 증착하는 단계가 상기 접촉 표면 위에 상기 전사 물질을 기상 증착으로 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 생성 방법.
  69. 제 67 항에 있어서, 상기 증착하는 단계가 상기 접촉 표면 위에 상기 전사 물질을 스퍼터링 증착으로 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 생성 방법.
  70. 제 67 항에 있어서, 상기 증착하는 단계가 상기 접촉 표면을 상기 전사 물질의 저장체(reservoir)에 접촉시킴으로써 상기 접촉 표면 위에 상기 전사 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 생성 방법.
  71. 기판 표면 위에 패턴을 생성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 접촉 표면을 자신 위에 갖는 3차원 양각 패턴을 포함하는 제 1 폴리머층으로서, 낮은 영 모듈러스를 갖고 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는 제 1 폴리머층; 및
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 2 폴리머층으로서, 상기 제 2 폴리머층이 높은 영 모듈러스를 갖고, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층에 전달되도록 제 1 폴리머층과 제 2 폴리머층이 배열되는 제 2 폴리머층;
    을 포함하는 복합 패터닝 장치를 제공하는 단계;
    상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 표면 사이에 콘포말 접촉이 형성되도록 상기 복합 패터닝 장치와 상기 기판 표면을 접촉시키고, 그에 의하여 상기 3차원 양각 패턴과 상기 기판 표면을 분리하는 공간을 포함하는 몰드를 생성하는 단계;
    상기 몰드 내부로 전사 물질을 도입하는 단계; 및
    상기 복합 패터닝 장치와 상기 기판 표면을 분리하고, 그에 의하여 상기 기판 표면 위에 상기 패턴을 생성하는 단계;
    를 포함하는 패턴의 생성 방법.
  72. 감광 물질을 포함하는 기판 표면 위에 패턴을 생성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 접촉 표면을 자신 위에 갖는 3차원 양각 패턴을 포함하는 제 1 폴리머층으로서, 낮은 영 모듈러스를 갖고 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는 제 1 폴리머층; 및
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 2 폴리머층으로서, 상기 제 2 폴리머층이 높은 영 모듈러스를 갖고, 상기 제 2 폴리머층의 외부 표면에 가해지는 힘이 상기 제 1 폴리머층에 전달되도록 제 1 폴리머층과 제 2 폴리머층이 배열되는 제 2 폴리머층;
    을 포함하는 복합 패터닝 장치를 제공하는 단계;
    상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 표면 사이에 콘포말 접촉이 형 성되도록 상기 복합 패터닝 장치와 상기 기판의 상기 표면을 접촉시키는 단계; 및
    상기 복합 패터닝 장치를 통하여 상기 기판의 상기 표면 위에 전자기 방사광을 조사하고, 그에 의하여 상기 기판 표면 위에 세기의 선택된 2차원 분포를 갖는 전자기 방사광 패턴을 생성하고, 상기 전자기 방사광과 상기 감광 물질의 상호작용이 상기 감광 물질의 화학적으로 개질된 영역을 생성하고, 그에 의하여 상기 기판 표면 위에 상기 패턴을 생성하는 단계;
    를 포함하는 패턴의 생성 방법.
  73. 제 72 항에 있어서, 상기 기판의 화학적으로 개질된 상기 영역의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 생성 방법.
  74. 제 72 항에 있어서, 상기 기판의 화학적으로 개질되지 않은 상기 영역의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 생성 방법.
  75. 복합 패터닝 장치의 제조 방법으로서,
    선택된 3차원 양각 패턴을 갖는 마스터 양각 패턴을 제공하는 단계;
    상기 마스터 양각 패턴을 저 모듈러스 폴리머의 프리폴리머와 접촉시키는 단계;
    상기 프리폴리머 물질을 고 모듈러스 폴리머층과 접촉시키는 단계;
    상기 프리폴리머를 중합하여, 상기 고 모듈러스 폴리머층 및 상기 마스터 양각 패턴과 접촉하고 3차원 양각 패턴을 갖는 저 모듈러스 폴리머층을 생성하는 단계;
    상기 마스터 양각 패턴으로부터 상기 저 모듈러스 폴리머층을 분리하고, 그에 의하여 복합 패터닝 장치를 제조하는 단계;
    를 포함하는 복합 패터닝 장치의 제조 방법.
  76. 기판 표면 위에 패턴을 생성하기 위한 섬유 강화 복합 패터닝 장치로서,
    적어도 하나의 접촉 표면을 자신 위에 갖는 3차원 양각 패턴을 포함하는 제 1 폴리머층으로서, 낮은 영 모듈러스를 갖고 상기 접촉 표면의 반대쪽에 내부 표면을 갖는 제 1 폴리머층;
    내부 표면과 외부 표면을 갖는 제 2 폴리머층으로서, 상기 제 2 폴리머층은 폴리머 내에 섬유의 배열을 포함하는 폴리머층이고, 상기 제 2 폴리머층의 상기 내부 표면이 상기 제 1 폴리머층의 상기 외부 표면과 접촉하는 제 2 폴리머층;
    내부 표면 및 외부 표면을 갖는 제 3 폴리머층으로서, 상기 제 3 폴리머층은 폴리머 내에 섬유의 메쉬(mesh)를 포함하는 폴리머층이고, 상기 제 3 폴리머층의 상기 내부 표면이 상기 제 2 폴리머층의 상기 외부 표면과 접촉하는 제 3 폴리머층;
    내부 표면 및 외부 표면을 갖는 제 4 폴리머층으로서, 상기 제 4 폴리머층은 섬유의 메쉬를 포함하는 폴리머층이고, 상기 제 4 폴리머층의 상기 내부 표면이 상 기 제 3 폴리머층의 상기 외부 표면과 접촉하는 제 4 폴리머층;
    내부 표면 및 외부 표면을 갖는 제 5 폴리머층으로서, 상기 제 5 폴리머층은 섬유의 배열을 포함하는 폴리머층이고, 상기 제 5 폴리머층의 상기 내부 표면이 상기 제 4 폴리머층의 상기 외부 표면과 접촉하는 제 5 폴리머층;
    을 포함하고, 상기 복합 패터닝 장치가 상기 제 1 폴리머층의 상기 접촉 표면의 적어도 일부분과 상기 기판 표면 사이에 콘포말 접촉을 형성할 수 있는 섬유 강화 복합 패터닝 장치.
  77. 콘포말하게 될 수 있는 패터닝 장치와 기판을 정렬하기 위한 정렬 시스템으로서,
    콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치가 제 1 정렬요소가 있는 접촉 표면을 갖는 제 1 폴리머층을 포함하고, 상기 제 1 폴리머층이 낮은 영 모듈러스를 갖고, 상기 제 1 정렬요소가 리세스 영역 또는 양각 지형을 포함하는 패터닝 장치;
    상기 기판이 외부 표면을 갖고, 상기 외부 표면이 상기 제 1 정렬요소와 상보적인 양각 지형 또는 리세스 영역을 포함하는 제 2 정렬 요소를 포함하는 기판;
    콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치의 상기 접촉 표면과 상기 기판의 상기 외부 표면 사이에 존재하는 패터닝제;
    를 포함하고, 상기 접촉 표면이 상기 제 1 및 제 2 정렬 지형이 맞물리도록 상기 외부 표면과 콘포말 접촉을 형성할 수 있는 정렬 시스템.
  78. 제 77 항에 있어서, 콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치가 추가적인 양각 지형, 리세스 영역, 또는 양각 지형과 리세스 영역 양자를 더 포함하고, 상기 접촉 표면과 상기 외부 표면의 콘포말 접촉이 상기 패터닝제로 채워진 공간을 생성하는 것을 특징으로 하는 정렬 시스템.
  79. 제 78 항에 있어서, 상기 패터닝제가 콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치 위로 조사되는 전자기 방사광을 흡수, 산란 또는 반사하고, 그에 의하여 상기 외부 표면에 투과되고 세기(intensity)에 관한 선택된 2차원 공간 분포를 갖는 전자기 방사광을 생성하는 것을 특징으로 하는 정렬 시스템.
  80. 제 77 항에 있어서, 상기 패터닝제가 상기 접촉 표면과 상기 기판의 상기 외부 표면 사이의 마찰을 감소시킬 수 있는 윤활제인 것을 특징으로 하는 정렬 시스템.
  81. 제 77 항에 있어서, 상기 제 1 정렬요소 및 제 2 정렬요소가 피라미드 모양, 원기둥 모양, 다각형 모양(polygonal), 삼각형 모양(triangular), 직사각형 모양(rectangular), 정사각형 모양(square), 원뿔 모양, 사다리꼴 모양(trapezoidal), 구형 모양으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 모양을 갖는 양각 지형 또는 리세스 영역인 것을 특징으로 하는 정렬 시스템.
  82. 제 77 항에 있어서, 콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치가 상기 제 1 폴리머층에 연결된 하나 이상의 추가적인 폴리머층을 더 포함하는 복합 패터닝 장치인 것을 특징으로 하는 정렬 시스템.
  83. 콘포말하게 될 수 있는 패터닝 장치와 기판을 정렬하는 방법으로서,
    제 1 정렬요소가 있는 접촉 표면을 갖는 제 1 폴리머층을 포함하고, 상기 제 1 폴리머층이 낮은 영 모듈러스를 갖고, 상기 제 1 정렬요소가 리세스 영역 또는 양각 지형을 포함하는, 콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치를 제공하는 단계;
    외부 표면을 갖고, 상기 외부 표면이 상기 제 1 정렬요소와 상보적인 양각 지형 또는 리세스 영역을 포함하는 제 2 정렬 요소를 포함하는 상기 기판을 제공하는 단계;
    콘포말하게 될 수 있는 상기 패터닝 장치의 상기 접촉 표면과 상기 기판의 상기 외부 표면 사이에 패터닝제를 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 정렬 지형 및 상기 제 2 정렬 지형이 서로 맞물리도록 상기 접촉 표면과 상기 외부 표면 사이에 콘포말 접촉을 형성하는 단계;
    를 포함하는 콘포말하게 될 수 있는 패터닝 장치와 기판을 정렬하는 방법.
  84. 제 83 항에 있어서, 상기 패터닝제가 상기 접촉 표면과 상기 기판의 상기 외부 표면 사이의 마찰을 감소시킬 수 있는 윤활제인 것을 특징으로 하는 정렬 방법.
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