KR20080109364A

KR20080109364A - 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법

Info

Publication number: KR20080109364A
Application number: KR1020070057577A
Authority: KR
Inventors: 이헌; 홍성훈; 양기연
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-17
Also published as: KR100927481B1

Abstract

본 발명은, 표면에 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 미세 패턴 구조가 형성된 마스터와, 상기 마스터의 패턴이 전사될 PVC 막을 준비하는 단계; 상기 PVC 막의 유리 전이온도 이상의 공정 온도에서 상기 마스터로 PVC 막을 가압하여, 상기 마스터의 패턴을 상기 PVC 막에 전사하는 단계; 상기 PVC 막의 유리 전이 온도 미만에서 상기 마스터를 상기 PVC 막으로부터 분리 또는 제거하는 단계; 상기 패턴이 전사된 상기 PVC 막의 표면 상에 상기 패턴을 따라 박막의 도금용 금속 시드층을 형성하는 단계; 상기 금속 시드층 상에 전기도금을 실시하여 상기 PVC 막의 패턴을 충진하도록 도금물질층을 형성하는 단계; 및 상기 PVC막을 상기 도금물질층으로부터 분리 또는 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법을 제공한다.

핫엠보싱, 전기도금, 나노 구조

Description

마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법{Method for Fabrication Micro-Nano Metal Structure}

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 6 내지 도 8은 도 5의 마이크로-나노 금속 구조물을 이용하는 나노 임프린팅 리소그래피 과정의 일례를 도시한 단면도들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: PVC 필름 102: 마스터 구조물

104: 도금용 시드층 106: 마이크로-나노 금속 구조물

150: 기판 151: 레진(레지스트)

151a: 레진 패턴(레지스트 패턴)

본 발명은 금속 마이크로-나노 구조물의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핫엠보싱(hot embossing) 기술과 전기도금법을 이용하여 표면 상에 나 노 또는 마이크로 단위의 미세 패턴을 갖는 금속성 마이크로-나노 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 나노미터(nm) 크기의 패턴을 정밀하게 형성하기 위한 나노 공정 기술이 주목을 받고 있다. 일반적으로 100nm 이하 크기의 미세 패턴을 형성하기 위한 공정 기술이 나노 공정 기술의 범주에 속하는데, 이러한 나노 공정 기술은 차세대 정보기술 또는 생명공학 기술을 실현하기 위한 기반기술로서 그 중요성이 증가하고 있다.

나노 크기의 패턴을 형성하기 위해서는 기존의 광학적 리소그래피를 대신하는 새로운 방식의 리소그래피 기술이 요구되는데, 나노 패턴 형성용 리소그래피 기 술로서 예컨대, X선 리소그래피, 전자빔(e-beam) 리소그래피, 프락시멀(proximal) 리소그래피, 나노 임프린팅(nano imprinting) 리소그래피 기술 등이 제안되고 있다.

X-선 리소그래피는 나노급 패턴의 형성에 이용될 수 있으나, 이에 사용되는 광학 시스템의 제작이 어렵고 고비용이 요구되므로 현실적인 상용화에 어려움이 있다. 전자빔 리소그래피는 상대적으로 저비용이나 공정 수율이 낮고 시간당 처리량이 낮아 대량생산에 사용되기에는 한계가 있다. 또한 프락시멀 리소그래피는 대표적인 보텀 업(bottom up) 방식의 리소그래피 기술로서 생산성 및 기술적 완성도가 낮아 실제 생산 현장에 사용하기에는 무리가 있다.

이에 반해 나노 임프린팅 리소그래피 기술은 다른 리소그래피 기술에 비하여 나노 패턴을 용이하게 형성할 수 있고 비교적 대량생산에 적합하며 공정 수율도 높은 것으로 알려져 있다. 이러한 나노 임프린팅 리소그래피 기술은 나노급의 패턴까지도 그 형성이 가능하다는 것이며, 100 또는 50㎛이하의 마이크로미터 크기의 패턴을 형성하기 위해서도 사용될 수 있음은 물론이다(나노급 패턴과 마이크로급 패턴이 혼재되어 있는 미세 패턴 형성에도 사용가능).

상술한 나노 임프린팅 리소그래피 기술을 사용하여 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 패턴을 형성하기 위해서는, 그러한 미세 패턴을 갖는 마스터(즉, 임프린트용 스탬프 또는 마스터 스탬프 등)가 필요하다. 이러한 마스터를 제조하기 위해, 전자빔 리소그래피와 식각 공정이 사용되어 왔다. 즉, 전자빔 리소그래피를 사용하여, 실리콘 산화막 상에 레지스트 나노패턴을 형성하고 이 레지스트 나노패턴을 식각 마스크로 사용하여 실리콘 산화막을 식각함으로써 나노 임프린팅을 위한 원형(마스터)를 형성하였다. 그러나, 전자빔 리소그래피와 식각공정을 이용한 마스터 형성 기술로는 비교적 넓은 면적에 100nm 이하의 극미세 나노패턴까지 정확하게 전사하기가 매우 어렵고 그 처리량과 수율도 낮다.

그 외에, 나노 임프린팅용 마스터의 다른 제조 방법으로서, 미세 패턴이 형 성된 Si 기판 표면 상에 식각 정지층을 형성하고 그 위에 실리콘 산화막 등 스탬프용 투명 물질을 증착한 후 Si 기판을 제거하는 기술이 제안되었다. 그러나, 이러한 방법에서는, 별도로 매우 얇고 균일한 두께의 식각 정지층을 형성하여야 하고, Si 기판 제거시 식각 정지층에 손상이 생길 수 있다. 또한 이 방법에 의해 얻어진 투명 마스터 스탬프는 고온 고압에서의 지속적인 사용에 의해 그 패턴이 쉽게 마모될 수 있다.

나노미터 또는 마이크로미터 크기의 미세 패턴을 갖는 마스터 구조물(나노미터급과 마이크로미터급의 패턴이 혼재된 경우 포함)은, 상술한 나노 임프린팅 리소그래피 공정에서 뿐만 아니라, 자연계에 존재하는 마이크로-나노 구조물(예컨대, 연잎, 매미 날개, 동물 가죽 등)의 복제를 위해서도 필요할 수 있다. 예를 들어, 매미 날개(원형 마스터)의 미세 패턴(나노미터급 또는 마이크로미터급 패턴)에 대한 연구 또는 조사를 위해 이러한 미세 패턴을 반영구적인 강체 재료(예컨대, 금속)로 정확히 복제할 필요가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 핫엠보싱 및 전기도금 기술을 이용하여 나노미터 또는 마이크로미터급 미세 패턴의 복제 기술을 향상시키고, 복제하기 어려운 미세 구조를 금속 구조물로 용이하게 복제할 수 있게 하는, 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 표면에 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 미세 패턴 구조가 형성된 마스터와, 상기 마스터의 패턴이 전사될 PVC 막을 준비하는 단계; 상기 PVC 막의 유리 전이온도 이상의 공정 온도에서 상기 마스터로 PVC 막을 가압하여, 상기 마스터의 패턴을 상기 PVC 막에 전사하는 단계; 상기 PVC 막의 유리 전이 온도 미만에서 상기 마스터를 상기 PVC 막으로부터 분리 또는 제거하는 단계; 상기 패턴이 전사된 상기 PVC 막의 표면 상에 상기 패턴을 따라 박막의 도금용 금속 시드층을 형성하는 단계; 상기 금속 시드층 상에 전기도금을 실시하여 상기 PVC 막의 패턴을 충진하도록 도금물질층을 형성하는 단계; 및 상기 PVC막을 상기 도금물질층으로부터 분리 또는 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 PVC 막으로의 상기 마스터 패턴의 전사 단계에서, 상기 PVC 막의 유리 전이온도 이상의 공정 온도는, 100 내지 140℃일 수 있다. 또한 상기 PVC 막으로의 상기 마스터 패턴의 전사 단계에서, 상기 PVC막은 상기 마스터에 의해 1 내지 20 bar의 압력으로 가압될 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 도금용 금속 시드층은 증착 공정 또는 무전해 도금에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 도금용 금속 시드층의 두 께는 0보다 크고 상기 PVC 표면 패턴의 최소폭의 1/20 이하이며, 더 바람직하게는 1/50 이하이다. 상기 도금용 금속 시드층은 도전성을 갖는 임의의 금속 또는 금속의 합금으로 형성될 수 있으며, 예컨대 Au, Ni, Ag 및 Pd 중 적어도 하나의 금속을 포함하여 형성될 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 전기도금에 의해 형성되는 도금물질층은 임의의 도전성 금속 또는 합금, 예컨대 Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Cr 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.

상기 제조 방법에 의해 상기 마스터의 패턴과 동일한 패턴을 마이크로-나노 금속 구조물로 정확히 복제할 수 있게 된다. 이와 같이 제조된 금속 구조물은 임프린 또는 엠보싱 공정의 마스터로서 사용가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 각 구성요소의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 마이크로-나노급 패턴을 갖는 금속 구조물의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 복제하고자 하는 표면 패턴을 갖는 마스터(102)와, 패턴이 전사될 PVC 막(101)을 준비한다. 마스터(102)는 그 표면에 마이크로-나노의 미세 패턴 구조(예컨대, 100nm 이하의 극미세 패턴 및/또는 100㎛ 이하의 마이크로미터급 패턴)를 구비한다. 이러한 원형 마스터(102)는 예를 들어, 마이크로-나노 패턴 구조를 갖는 나노 임프린트용 스탬프(의 원형)일 수 있다. 또한 마스터(102)는 자연계에 존재하는 표면 패턴을 갖는 마이크로-나노 구조물(예컨대, 연잎, 매미 날개, 동물 가죽, 조개피 등)일 수도 있다. PVC 막(101)은 후속의 패턴 전사에 이용되며, 모든 종류의 PVC 폴리머 물질이 이용가능하다.

다음으로, 도 2의 상부 도면에 도시된 바와 같이, 마스터(102)와 PVC 막(101)을 정렬시킨 후, 표면에 미세 패턴을 갖는 마스터(102)를 PVC 막(101)을 향해 가압한다. PVC 막(101)으로의 가압 동안 PVC 막(101)을 유리 전이온도 이상의 공정 온도로 가열함으로써 PVC 막(101)을 부드럽게 만들어 마스터(102)의 표면 패턴이 PVC 막(101)에 잘 각인되도록 한다. 이와 같이 PVC 물질을 이용한 핫엠보싱(hot embossing) 공정에 의해, PVC 막(101)은 마스터의 표면 패턴 사이를 완전히 채우게 되고 마스터(102)의 표면 패턴이 PVC 막(101)에 정확히 전사된다.

이러한 핫엠보싱 공정시, 온도 및 압력 등의 공정 조건은 패턴의 보다 정확한 전사 및 공정 시간의 단축을 위해 최적화될 필요가 있다. 바람직하게는, 100 내지 140℃의 온도에서 1 내지 20bar의 압력으로 PVC 막(101)을 마스터(102)로 가압한다.

그 후, PVC 막의 유리 전이온도보다 낮은 온도로 온도를 낮추고, 마스터(102)를 PVC 막(101)으로부터 분리 또는 제거한다(도 2의 아래 도면 참조). 이 경우, PVC 막의 유리 전이온도미만(특히, 상온)에서는, 마스터의 이형 표면 처리 없이도 용이하게 분리 가능하다. 분리된 PVC 막(101) 표면에는 마스터(102)의 표면 패턴과 상보적인 패턴이 드러나게 된다.

다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 마스터(102)로부터 전사된 표면 패턴을 갖는 PVC 막의 그 표면 상에 패턴을 따라 컨포멀(conformal)하게 도포된 박막의 도금용 금속 시드층(104)을 형성한다. 이 금속 시드층(104)은 후속의 전기도금을 위한(즉, 금속 도금 물질의 형성을 위한) 시드(seed)로서의 역할을 한다. 금속 시드층(104)은 예를 들어 증발 증착(evaporation), 스퍼터링, 또는 화학 증착 등의 증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 이와 달리, 무전해 도금 등을 통해 금속 시드층(104)을 형성할 수도 있다.

금속 시드층(10)은, 최종 패턴을 보다 정확히 복제하기 위해서 가능하면 얇 은 두께로 형성되는 것이 좋다. 바람직하게는, 금속 시드층(104)의 두께는 0보다 크고 PVC 막(101) 패턴의 최소폭의 1/20 이하이다. 더 바람직하게는, 금속 시드층(104)의 두께는 0보다 크고 PVC 막(101) 패턴의 최소폭의 1/50 이하이다. 도금용 금속 시드층(104)은 무전해 도금 또는 증착 공정에 의해 형성될 수 있는데, Au, Ni, Ag, Pd 등의 금속으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 도전성을 갖는 임의의 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 시드층(104)이 형성된 PVC 막(101) 상에 전기도금을 실시하여 PVC 막(101)의 표면 패턴을 완전히 매립 또는 충진하는 도금물질층(금속층)을 형성한다. 이 도금물질층(106)은, 본 공정을 통해 얻고자 하는 마이크로-나노 금속 구조물에 해당한다. 도금물질층(106)은 예를 들어, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Cr 중 적어도 하나의 금속으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 도전성을 갖는 임의의 금속 또는 금속 합금에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라, PVC 막(101)의 표면 패턴은 도금물질층(106) 형성과 함께 이 도금물질층(106)에 자연스럽게 전사된다. 도금물질층(106) 상에는 유리기판 또는 다른 금속 기판등의 별도의 지지기판을 본딩할 수도 있다.

그 후, 도 5에 도시된 바와 같이, 도금물질층(106)으로부터 PVC 막(101)을 분리 또는 제거한다. 이에 따라 최종적인 마이크로-나노 금속 구조물(106)을 얻게 된다. 이 금속 구조물(106)은 정확히 복제된 표면 패턴(마스터(102)의 표면 패턴과 실질적으로 동일한 표면 패턴)을 갖는다.

상기한 바와 같이, 본 실시형태에 따라 PVC막을 이용한 핫엠보싱 공정과 전기도금 공정을 사용함으로써, 나노미터급 이하의 미세한 패턴이나 복잡한 패턴 구조도 용이하게 그리고 정확하게 반영구적인 금속 구조물로 복제할 수 있게 된다. 상술한 제조 방법은 비교적 공정 비용이 저렴하며, 기존의 복제 기술 또는 금형 기술에 비하여 넓은 면적(예컨대, 8 인치 이상의 사이즈)에 걸쳐 나타나는 50nm 이하의 극미세 나노 패턴까지 매우 정확하게 전사 및 복제할 수 있다.

본 제조 방법은 마스터의 표면 처리(이형 표면 처리등)가 필요없다는 장점을 가진다. 본 제조 방법은, 나노미터크기의 반도체 패턴뿐만 아니라 자연계 생물체의 미세 패턴 등 기존의 방법으로는 복제가 어렵거나 불가능한 나노 구조물도, 비교적 용이하게 복제할 수 있다. 본 제조 방법을 통해 얻어진 금속 구조물(106)은 나노 임프린팅 리소그래피의 마스터(임프린팅 스탬프) 또는 엠보싱 공정의 마스터로 유용하게 사용될 수 있다.

도 6 내지 도 8은, 상술한 제조 방법에 의해 얻어진 마이크로-나노 금속 구조물(106)을 이용한 나노 임프린팅 리소그래피 공정의 일례를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 먼저 패턴을 형성해야하는 Si 기판이나 사파이어 기판 등의 기판(150) 위에 열이나 자외선에 의해 가소성을 갖는 레지스트 또는 레진(151)을 코팅한다. 그 리고 금속 구조물(106)을 준비하여, 금속 구조물(106)과 기판(150)을 정렬한다.

그 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 구조물(106)을 일종의 스탬프로 사용하여, 금속 구조물(106)의 표면 패턴을 레진(151)을 향해 가압함으로써 표면 패턴을 레진(151)에 임프린팅한다. 이 때, 레진(151)에 열이나 자외선을 가하여 레진(151)을 부드러운 상태 또는 점액 상태로 만들고, 가압시 일정값 이상의 압력(예컨대, PMMA로 된 레진 사용시 약 1000 psi에 이르는 압력)을 가하여 금속 구조물(106)의 패턴이 레진에 잘 각인되도록 한다.

그 후, 도 8에 도시된 바와 같이, 레진의 온도를 유리 전이온도 아래로 낮추거나 가해진 자외선을 제거한 상태에서 금속 구조물(106)을 레진(151)으로부터 제거한다. 이에 따라, 금속 구조물(106)의 표면 패턴이 전사된 레진 패턴(151a)을 얻게 된다. 이 레진 패턴(151a)은 후속의 공정(예컨대, Si 반도체 패터닝 공정 등)에 이용되어 미세 패턴의 전자소자를 제조하는 데 사용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, PVC의 핫엠보싱 공정과 전기도금 공정을 통하여 나노미터급의 미세 패턴 등 복제하기 어려운 복잡하거나 미세한 표면 패턴 구조를 비교적 저렴하고 용이하게 그러면서도 정확하게 반영구적인 금속 구조물에 복제할 수 있다.

또한 기존 방법에 비하여 넓은 면적에 걸쳐 배치된 미세 패턴을 매우 정확하게 금속 구조물에 전시시킬 수 있으며, 별도의 마스터 이형 표면 처리가 불필요하다. 나노크기의 반도체 패턴 뿐만 아니라, 자연계 생물체의 미세 패턴등 기존의 방법으로는 복제가 거의 불가능한 패턴도 비교적 용이하게 금속 구조물에 복제할 수 있다. 마스터의 미세 패턴을 복제한 금속 구조물은 나노 임프린트 또는 엠보싱 공정의 마스터나 스탬프로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

표면에 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 미세 패턴 구조가 형성된 마스터와, 상기 마스터의 패턴이 전사될 PVC 막을 준비하는 단계;

상기 PVC 막의 유리 전이온도 이상의 공정 온도에서 상기 마스터로 PVC 막을 가압하여, 상기 마스터의 패턴을 상기 PVC 막에 전사하는 단계;

상기 PVC 막의 유리 전이 온도 미만에서 상기 마스터를 상기 PVC 막으로부터 분리 또는 제거하는 단계;

상기 패턴이 전사된 상기 PVC 막의 표면 상에 상기 패턴을 따라 박막의 도금용 금속 시드층을 형성하는 단계;

상기 금속 시드층 상에 전기도금을 실시하여 상기 PVC 막의 패턴을 충진하도록 도금물질층을 형성하는 단계; 및

상기 PVC막을 상기 도금물질층으로부터 분리 또는 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 PVC 막으로의 상기 마스터 패턴의 전사 단계에서, 상기 PVC 막의 유리 전이온도 이상의 공정 온도는, 100 내지 140℃인 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 PVC 막으로의 상기 마스터 패턴의 전사 단계에서, 상기 PVC막은 상기 마스터에 의해 1 내지 20 bar의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 도금용 금속 시드층은 증착 공정 또는 무전해 도금에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 도금용 금속 시드층의 두께는 0보다 크고 상기 PVC 표면 패턴의 최소폭의 1/20 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 도금용 금속 시드층의 두께는 0보다 크고 상기 PVC 표면 패턴의 최소폭의 1/50 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 도금용 금속 시드층은 Au, Ni, Ag 및 Pd 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 전기도금에 의해 형성되는 도금물질층은 Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Cr 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 금속 구조물의 제조 방법.