KR20070064106A - Ｕｖ를 사용한 폴리(디메틸실록산) 스탬프의 패터닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 스탬핑 전사법[Light Stamping Lithography(LSL)]라는 신규 방법에 의하여 폴리(디메틸실록산)(PDMS)를 단시간 내에 균일하게 패터닝(patterning)하는 방법을 제공한다. 상기 광 스탬핑 전사법은 기판과 PDMS 스탬프를 접촉시킨 상태에서 UV(254 nm)를 조사시킴으로서, PDMS 스탬프가 접촉된 기판 부분에 전사되어 패터닝하는 방법을 제공한다. 따라서, 다양한 기판 위에 다양한 패턴을 형성시킬 수 있으며, 단시간 내에 대면적에도 패턴을 형성시킬 수 있다. 또한, LSL을 통하여 형성된 PDMS 패턴을 템플레이트(template)로 사용하여 TiO₂ 박막을 선택적으로 증착시킬 수 있고, 선택적으로 습식 에칭을 수행할 수 있다.

광 스탬핑 전사법, UV, PDMS 스탬프, 패터닝

Description

ＵＶ를 사용한 폴리(디메틸실록산) 스탬프의 패터닝 방법{METHOD FOR PATTERNING POLY(DIMETHYLSILOXANE) STAMP USING UV}

도 1은 포토레지스트 패턴의 제조 공정의 일례이다.

도 2는 광 스탬핑 전사법을 이용하여 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 스탬프를 패터닝하는 방법의 일례이다.

도 3은 광 스탬핑 전사법을 이용하여 TiO₂ 박막을 증착하는 방법의 일례이다.

도 4는 광 스탬핑 전사법을 이용하여 TiO₂ 박막을 에칭하는 방법의 일례이다.

(도면의 부호 설명)

1, 4 : 실리콘 기판

2 : 포토레지스트

3 : 폴리(디메틸실록산) 스탬프

5 : 이산화티탄 박막

본 발명은 UV를 사용하여 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 스탬프를 패터닝하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판과 PDMS 스탬프를 접촉시킨 상태에서 UV(254 nm)를 조사시킴으로서, PDMS 스탬프가 접촉된 기판 부분에 전사되어 패터닝하는 방법에 관한 것이다.

나노 패터닝 기술은 반도체 소자, 센서, 미세전자기계 시스템[MicroElectroMechanical system(MEMS)], 생명 공학 등 다양한 분야에서 필요로 하며, 이를 위한 나노 과학과 나노 기술의 발전을 재촉하고 있다. 패터닝을 위한 전사법(lithography)은 반도체 제조의 핵심 기술로서 최근 수십 년간 눈부신 발전을 해왔으나, 최근 들어 패터닝 해상도가 나노미터 크기로 줄어들면서 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서, 고해상도 전사법을 위해 폭넓은 기술의 개발이 요망되고 있다. 예를 들어, 원자외선(λ=200~290 nm)과 극자외선(λ>200 nm) 전사법, 상-이동 광전사법(phase-shift photolithography), 전자선 도형형성(electron-beam writing), 이온살 전사법(ion beam lithography), X-선 전사법, 주사 침 전사법 등을 들 수 있다. 이 같은 노력에도 불구하고, 나노 패터닝 기술은 장치, 시약 등의 기술 비용이 크고, 포토레지스트로 이용되는 고분자의 한계, 그리고 느린 패터닝 속도 등 여러 가지 어려움에 당면하고 있다. 1990 년부터 이러한 문제점을 해결하고자 노력하였으며, 이에 대한 대응책으로 소프트 전사법(soft lithography)이 개발되었다 [Xia,Y.; Whitesides,G.M. Angew . Chem . Int .Ed. 1998, 37, 550]. 소프트 전사법은 마스크나 스탬프 또는 몰드(mold)로써 패터닝된 엘 라스토머를 공통적으로 사용하고 있다.

광 스탬핑 전사법(LSL)은 유기 물질(작용기를 갖는 알칸과 고분자 물질)을 사용하지 않고, 빛을 이용하여 패턴이나 구조물을 만들기 때문에 다른 소프트 전사법과는 차이가 있으나, PDMS를 스탬프로 사용한다는 점이 공통점이다. 미세접촉 인쇄기술 중 알칸티올을 금, 은, 구리에 적용한 패터닝 기술은 나노미터 크기의 해상도를 나타내는 등 대면적 패터닝이나 곡면 패터닝과 같은 다른 전사법으로는 구현하기 어려운 특수한 기능을 갖고 있으며, 아주 간단하게 빠른 속도로 연쇄 작업이 가능하여 매우 경제적인 패터닝 기술이다 [Kumar,A.; Biebuyck,H.A.; Abbott, N.L.; Whitesides,G.M. J.Am. Chem . Soc . 1992, 114, 9118; Kumar,A.; Whitesides,G.M. Appl .Phys. Lett . 1993, 63, 2002; 및 Kumar,A.; Biebuyck,H.A.; Whitesides,G.M. Langmuir 1994, 10, 1498]. 다만, 이 경우 기판에 먼저 금, 은, 구리를 코팅해야 하는 문제점이 있어, 유리, 규소/산화 규소, 고분자 등에 직접 미세접촉 인쇄방법을 이용하는 것이 편리한데, 이 경우 알칸실란을 적용하여야 한다. 그러나, 알칸실란을 사용하는 경우에는 나노미터 크기의 패터닝이 곤란하고, 연쇄작업과 재현성에 심각한 문제점이 드러나고 있어, 실제 응용에 어려움을 주고 있다.

특히, 최근 다양한 기판 상에 PDMS를 패터닝할 수 있는 데칼 전사법(decal transfer lithography)라는 유용한 전사법이 개발되었으나, 상기 방법은 스탬프의 활성화 과정이 어렵고 활성화된 스탬프를 바로 사용해야만 하여, 연쇄 작업과 재현성에 문제점이 있고 mm 패터닝이 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 종래 반도체 소자의 패터닝 방법, 미세접촉 인쇄방법 및 데칼 전사법의 문제점을 해결하기 위한 것으로, UV를 사용하여 PDMS 스탬프를 단시간 내에 패터닝하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 PDMS 스탬프는 마이크로 미터 내지 나노미터 크기의 해상도를 갖는 패터닝을 연쇄 작업으로 재현성 있게 실행할 수 있으며, 특별한 사후처리 없이 계속하여 패터닝을 반복하여 사용할 수 있다. 본 발명은 특별한 화학적 이론이나 복잡한 실험 과정 없이 넓은 영역에 빠르게 패터닝을 형성할 수 있는 응용성이 매우 우수한 기술이며, 응용 범위 또한 광범위하다.

본 발명에 따른 PDMS 스탬프의 패터닝 방법은 하기 단계를 포함한다 :

(1) 마스터(master)로부터 PDMS 스탬프를 제조하는 단계,

(2) 기판에 PDMS 스탬프를 이용하여 UV(254 nm)를 조사함으로서 PDMS 패턴을 형성하는 단계, 및

(3) PDMS 패턴을 템플레이트(template)로 사용하여 선택적인 박막 증착 또는 습식 에칭을 실행하는 단계.

본 발명에서, 마스터로부터 PDMS 스탬프를 제조하는 단계를 도 1을 참조하여 설명한다.

패턴화된 PDMS를 제조하기 위해, 실리콘 탄성 중합체인 sylgard 184A(Dow Corning Inc.)와 경화제인 sylgard 184B(Dow Corning Inc.)를 10:1 비율로 혼합한 후, 두 물질이 잘 혼합되도록 충분히 섞은 다음 마스터 위에 혼합된 실리콘 폴리머를 붓는다. 그 다음, 실온에서 25분 간 방치한 후, 70 ℃ 오븐에서 50분 간 경화시킨다. 최종적으로, 경화된 PDMS 스탬프를 마스터로부터 분리하면 원하는 패턴 형상의 PDMS 스탬프를 수득할 수 있다.

본 발명에서, 실리콘이나 다양한 기판 위에 PDMS 스탬프를 이용하여 UV(254 nm)를 조사함으로서 PDMS 패턴을 형성하는 단계를 도 2를 참조하여 설명한다.

본 발명의 기판으로서 SiO₂, Pt, 금, 실리콘, TiO₂ 등의 다양한 기질이 사용될 수 있다.

실리콘 기판 위에 PDMS 스탬프를 이용하여 UV (254 nm)를 조사함으로서 PDMS 패턴을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

실리콘 기판은 2cm×2cm 크기로 절단된 실리콘(n-유형) 기판의 표면 오염 물질을 제거하고, 산화층을 형성하기 위해 UV/오존 처리를 하였다. 상기 기판 상에 상기 준비한 PDMS 스탬프를 접촉시킨 상태에서 UV(254 nm)를 조사시킨 후, PDMS 스탬프를 제거하게 되면 PDMS 스탬프가 기판과 접촉되었던 부분에 PDMS 패턴이 형성된다.

본 발명에서, PDMS 패턴을 템플레이트로 사용하여 선택적인 박막 증착 또는 습식 에칭을 실행하는 단계를 도 3 및 4를 참조하여 설명한다.

상기와 같은 방법으로 실리콘 기판 위에 PDMS 패턴을 형성시킨 후, 그 패턴을 템플레이트로 사용하여 선택적으로 TiO₂ 박막을 원자층 증착법[Atomic Layer Deposition(ALD)]을 이용하여 증착시킬 수 있다. PDMS 패턴이 형성된 부분은 소수성이고, 그 외의 나머지 부분은 친수성이기 때문에 원자층 증착법을 통해서 TiO₂ 박막을 증착시키면 친수성인 부분에만 선택적으로 증착이 이루어진다.

구체적으로, PDMS 패턴이 형성된 실리콘 기판을 N₂ 가스를 이용하여 표면의 오염물을 제거한다. 그 후, PDMS 패턴이 형성된 실리콘 기판을 즉시 증착 챔버에 로딩하고 진공 장치를 가동하여 압력을 1.0×10^-3 torr로 낮추었고, 온도는 80 내지 400 ℃로 하였다. 이산화티탄 박막을 증착시키기 위해, TIP 가스를 펄스 형태(펄스 시간 : 2초)로 유입하여 PDMS 패턴이 형성된 실리콘 기판 위에 증착시키고, Ar 퍼징가스(펄스 시간 : 2초)를 유입하여 증착된 TIP와 반응하여 이산화티탄 박막이 형성된 후 다시 Ar 퍼징가스(펄스 시간 : 5초)를 유입하여 미반응 H₂O 및 반응 부산물을 제거한다. 상기 4 단계의 이산화티탄 증착 과정을 ALD의 기본 1 사이클로 정의하며, ALD 사이클을 반복하여 이산화티탄 박막을 형성한다.

또한, 상기와 같은 방법으로 이산화티탄 기판 위에 PDMS 패턴을 형성시킨 후, 그 패턴을 템플레이트로 사용하여 선택적으로 습식 에칭함으로서 TiO₂ 박막을 패터닝할 수 있다.

구체적으로, 실리콘 기판 위에 원자층 증착법을 이용하여 이산화티탄 박막을 증착시킨다. 그 후, 상기와 같은 방법으로 PDMS 패턴을 형성한 후, HF를 이용하여 PDMS 패턴이 없는 곳의 TiO₂ 를 에칭한다. 그 후, TBAF(테트라부틸암모늄 플로라이드)/THF 용액을 이용하여 템플레이트로 사용되었던 PDMS 패턴을 제거하게 되면 패터닝된 TiO₂ 박막을 수득할 수 있다.

본 발명에서 PDMS를 패터닝하는 방법은 마스터로부터 PDMS 스탬프를 본 뜬 다음에 상기 스탬프를 다양한 기판 위에 접촉시킨 후 그 상태에서 UV(254 nm)를 수 분 동안 조사시킨 후, PDMS 스탬프를 제거하게 되면 PDMD 스탬프가 기판 표면과 접촉했던 부분에 PDMS 패턴이 남게 된다. 또한, 이를 템플레이트로 사용하여 선택적 박막 증착 또는 에칭 과정을 통하여 박막을 패터닝할 수 있다.

본 발명에서 제조된 PDMS 패턴과 박막을 패터닝하는 과정은 원자현미경(AFM : Atomic Force Microscopy), 주사전자 현미경(SEM : Scanning Electron Microscopy), 자외선-가시광선 분광법 (UV-Visible Spectroscopy), X-선 광전자 분광법 (XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy), X-선 회절법 (XRD : X-ray Diffraction) 등을 사용하여 평가할 수 있다.

실시예

이하 본 발명을 실시예에 의해 설명한다. 다만, 본 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

하기 실험 과정을 통하여 본 발명의 단계 (1) 및 (2)를 시험하였다.

본 발명의 PDMS 스탬프의 패터닝 방법을 이용하여 SiO₂, TiO₂, Si, Pt 등과 같은 다양한 기판(2cm×2cm) 위에 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 크기의 다양한 크기의 PDMS 패턴을 형성시켰다. 상기 패턴은 기판 위에 PDMS 스탬프를 접촉시킨 후, UV를 조사시키면 조사시간이 120 초까지는 PDMS 패턴의 높이가 꾸준히 증가하다가 120 초가 지난 후부터는 2 nm로 유지되는 것을 확인하였다. 상기 현상은 AFM 을 통해서 분석할 수 있었다. 또한, PDMS 스탬프와 기판 위에 PDMS 스탬프를 접촉시킨 상태에서 UV를 조사시킨 후, PDMS 스탬프를 탈착시켜 스탬프와 기판을 XPS를 통해 분석하였다. 그 결과, 스탬프의 화학적인 변화가 없다는 것을 확인하였다. 즉, 이러한 패터닝 현상은 PDMS 스탬프로부터 나온 분자나 분절들이 기판으로 접착되어 있어나는 현상임을 확인할 수 있었다.

실시예 2

하기 실험 과정을 통하여 본 발명의 단계 (3)을 시험하였다.

실리콘 기판(2cm×2cm)에 PDMS 패턴을 형성시킨 후, 원자층 증착방법을 이용하여 박막을 패터닝할 수 있었다. 이 때, 실리콘의 산화물 층에 TiO₂ 박막이 증착되고, PDMS 패턴이 있는 곳에는 TiO₂ 가 증착되지 않았다. 상기 방법으로 수백 ㎛ 내지 수십 ㎚ 크기의 다양한 15 nm의 두께를 가진 TiO₂ 박막 패턴을 수득할 수 있었다. 여기서, 박막의 두께는 원하는 높이로 조절할 수 있다.

또한, 실리콘 기판(2cm×2cm) 위에 원자층 증착법을 이용하여, 20 ㎚의 TiO₂ 박막을 증착시킨 후, PDMS 패턴을 형성시키고, 습식 에칭 방법을 이용하여 15 nm의 패터닝된 TiO₂ 박막을 수득할 수 있었다. 이와 같이, PDMS 패턴을 템플레이트로 사용한 뒤, PDMS 패턴은 TBAF/THF 용액을 사용하여 제거하였다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 광 스탬핑 전사법은 다양한 기판 위에서 수백 ㎛ 내지 수십 ㎚ 크기의 다양한 패턴을 형성할 수 있는 간단한 방법이다.

본 발명은 PDMS 스탬프를 제작하여 PDMS 스탬프와 기판을 접촉시킨 상태에서 UV를 조사시킨 후, PDMS 스탬프를 기판으로부터 제거하여 단시간 내에 대면적에 균일하게 패터닝하는 방법을 제공한다. 이와 같이 UV를 사용하여 PDMS 폴리머를 패터닝함으로서 단시간 내에 수백 ㎛ 내지 수십 ㎚ 크기의 다양한 패터닝을 수행할 수 있다. 본 발명은, UV에 의해 PDMS 폴리머의 패터닝이 진행되어 패터닝 해상도가 광원의 파장과 무관하고 잉크를 사용하지 않기 때문에 잉크의 퍼짐 현상 없이 고분해능 패터닝이 가능하며, 또한 패턴의 높이를 낮은 수준으로 일정하게 유지시킴으로서, 반도체 소자나 전자 소자 제조시 패터닝 해상도를 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 하기 단계를 포함하는 PDMS 스탬프의 패터닝 방법 :

   (1) 마스터(master)로부터 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 스탬프를 제조하는 단계,

   (2) 기판에 PDMS 스탬프를 이용하여 UV(254 nm)를 조사함으로서 PDMS 패턴을 형성하는 단계, 및

   (3) PDMS 패턴을 템플레이트(template)로 사용하여 선택적인 박막 증착 또는 습식 에칭을 실행하는 단계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (3)의 박막 증착은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)을 이용하여 수행되는 것인 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (3)에서 박막이 이산화티탄 박막인 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 이산화티탄 박막의 두께가 10 내지 100 nm 인 패턴을 형성시키는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 기판으로서 금속 또는 유기 단분자막을 사용하여 PDMS 패 턴을 형성시키는 방법.

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