KR20090087353A

KR20090087353A - 자기조립 블록 공중합체를 이용한 나노 구조물 제조방법

Info

Publication number: KR20090087353A
Application number: KR1020080012745A
Authority: KR
Inventors: 김수진; 방성환; 김형준
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-17

Abstract

일반적으로 금속 표면상에는 자기조립 나노 블록 공중합체를 균일하게 코팅하기 어렵기 때문에 자기조립 나노 블록 공중합체를 금속 표면에 적용하는데에는 제약이 있었다.

본 발명에서는 산소 플라즈마로 금속 표면을 개질처리함으로써, 자기조립 나노 블록 공중합체를 균일하게 코팅할 수 있었다.

이로써, 본 발명은 금속 표면상에 균일한 크기와 정렬도를 갖는 대면적 자기조립 나노 템플릿(template)을 형성시킬 수 있는 가능성을 제시하였다.

자기조립 나노 템플릿, 블록 공중합체, 산소 플라스마, 금속 박막, 대면적 공정

Description

자기조립 블록 공중합체를 이용한 나노 구조물 제조방법 {FABRICATION OF NANOSTRUCTURE USING SELF-ASSEMBLED BLOCK COPOLYMER}

본 발명은 자기조립 블록 공중합체를 이용하여 나노 구조물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기조립 블록 공중합체를 이용하여 금속 박막 상에 나노 템플릿과 같은 나노 구조물을 형성함에 있어서, 금속 박막의 표면을 산소 플라스마로 표면 처리함으로써, 금속 표면이라도 제약 없이 자기조립 나노 구조물을 형성할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

블록 공중합체(block copolymer)는 두 가지 이상의 고분자가 공유결합으로 서로 연결되어 있는 구조로 이루어지며, 일정 온도와 압력 하에서 마이크로 상 분리를 하게 되는데, 이때 형성되는 도메인의 크기와 모양은 각각의 고분자 세그먼트(segment) 들의 길이와 상대적인 양에 따라서 달라진다.

이러한 현상을 이용하여 블록 공중합체를 적절한 조건으로 조절하면 큐빅(cubic), 실린더(cylinder), 라멜라(lamellar) 등을 포함하는 다양한 나노 구조로 만들 수 있는데, 그 크기 또한 균일하여 대면적에도 미세 패턴을 형성할 수 있다.

이러한 블록 공중합체의 박막은 현재 반도체 분야에서 한계에 봉착한 탑다운(top down) 방식의 포토 리소그라피 기술을 대체하여 저장 미디어, 광학 및 정보 전자 물질에 필수적인 나노 크기의 패턴을 만들기 위한 주형물로 쓰일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

한편, 종래의 자기조립 블록 공중합체 박막은 산화물 상에 랜덤 공중합체를 이용하여 중성화를 한 후 형성되는데, 이러한 방식에 의할 경우 금속 표면상에는 나노 구조물을 형성할 수 없기 때문에 블록 공중합체 박막을 다양한 영역에 적용하는데 제약이 되었다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 자기조립 블록 공중합체를 이용하여 금속 표면에도 자기조립 나노 구조물을 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 다른 목적은 균일한 크기와 높은 정렬도를 갖는 대면적 나노 구조물의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 금속 박막의 표면에 산소 플라스마를 이용한 표면처리를 한 후, 블록 공중합체를 이용하여 자기조립 나노 구조물을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 금속 박막의 표면에 산소 플라스마를 통한 표면 개질처리를 하여 자기조립 블록 공중합체가 금속 표면에 고르게 코팅되도록 하였기 때문에, 금속 표면에도 용이하게 나노 구조물을 형성할 수 있게 된다.

상기 블록 공중합체를 이용하여 금속 박막 상에 자기조립 나노 구조물을 형성하는 방법은 구체적으로, (a) 기판에 금속 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 금속 박막의 표면을 산소 플라스마를 이용하여 표면처리하는 단계; (c) 표면처리된 금속 박막의 표면을 중성화 처리하는 단계; (d) 중성화 처리된 표면에 블록 공중합체를 도포하는 단계; 및 (e) 도포된 블록 공중합체를 어닐링 및 노광하여 자기 조립 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방법에 있어서, 상기 (e) 단계 이후에 에칭 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해 금속 박막의 표면에 형성될 수 있는 산화물층을 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 제조방법은, 나노 템플릿과 같은 나노 구조물의 제조에 이용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 금속 표면에도 자기조립 나노 블럭 공중합체를 고르게 도포할 수 있기 때문에, 금속 표면에도 균일한 크기와 높은 정렬도를 갖는 자기조립 나노 구조물을 형성할 수 있게 되어, 자기조립 나노 블럭 공중합체의 응용 영역, 특히 실 소자에의 응용 영역이 현저하게 늘어나게 되었다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 금속을 증착한 후, 표면을 산소 플라스마로 개질하여 실린더 형태의 나노 구조물을 제조하는 과정을 도식화한 것이다.

먼저, 도 1a와 같이 물리적 기상 증착법을 이용하여 실리콘 기판상에 금(Au)을 증착하였는데, 증착된 금 박막의 두께는 10nm였다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 기판상에 금을 곧바로 증착하였으나, 기판과의 접착력이 필요한 경우 접착력이 좋은 티타늄(Ti)이나 질소(N)을 먼저 증착한 후, 그 위에 금을 증착할 수도 있다.

다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 증착된 금 박막 상에 산소 플라스마 처리를 O₂ :10 sccm, working pressure: 5mTorr, source power:50 W, time: 60 sec와 같은 공정 조건으로 실시하여, 금 박막의 표면에 수산화기를 형성함으로써, 중성화 과정을 수행할 수 있는 표면이 되도록 개질하였다.

그리고, 도 1c에 도시된 바와 같이, 산소 플라스마 처리된 박막의 표면에, 상기 표면처리된 박막 상에 올려질 경우 자체 조직을 하거나 자체 배열을 하여 매우 치밀하고 안정된 단일 분자층을 형성하는 물질인 (3-(p-methoxyphenyl)propyltrichlrosilane, MPTS)를 솔루션 디핑(solution dipping) 방식으로 SAM(Self-Assembled Monolayers) 코팅하여 중성화 처리를 하였다.

이와 같이 중성화 처리를 한 후에는, 도 1d에 도시된 바와 같이, polystyrene (PS)와 polymethylmethacrylate (PMMA)가 7:3의 분자량 비율로 혼합된 블록 공중합체를 톨루엔에 용해하여 스핀 코터를 이용하여 스핀 코팅하여 두께 30~40 nm의 블록 공중합체 박막을 형성하였다.

이와 같이 형성된 블록 공중합체 박막을 진공 중에서 180℃의 온도에서 24시간 동안 어닐링처리를 한 후, 자외선 노광을 1시간 실시하고 세척을 함으로써, 도 1e에 도시된 바와 같은 실린더 형태의 구멍이 배열된 나노 템플릿(template)을 얻었다.

도 2a 및 2b는 각각 금속 박막으로 알루미늄(Al)과 금(Au)을 사용하여 전술 한 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 방법으로 실린더 형태의 구멍이 배열되도록 제조한 나노 구조물의 주사 전자 현미경 사진이다.

상기 사진에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 직경 10nm의 홀이 33nm의 간격으로 균일한 어레이를 형성시킬 수 있음을 알 수 있다.을 갖는 균일한 나노홀 어레이를 갖는 나노 구조물을 제조할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 종래 블록 공중합체를 이용하여 자기조립 나노 구조물을 형성하기 어려웠던 금속의 표면에도 용이하게 나노 구조물을 형성할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 금속 박막 상에 균일한 크기와 정렬도를 갖는 자기조립 나노 구조물을 제조하는 과정을 도식화한 것이다.

도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따라, 알루미늄 및 금 박막 상에 형성한 자기조립 나노 구조물의 주사 전자 현미경 사진이다.

Claims

금속 박막의 표면에 산소 플라스마를 이용한 표면처리를 한 후, 블록 공중합체를 이용하여 자기조립 나노 구조물을 제조하는 방법.
블록 공중합체를 이용하여 금속 박막 상에 자기조립 나노 구조물을 형성하는 방법으로서,

(a) 기판에 금속 박막을 형성하는 단계;

(b) 상기 금속 박막의 표면을 산소 플라스마를 이용하여 표면처리하는 단계;

(c) 표면처리된 금속 박막의 표면을 중성화 처리하는 단계;

(d) 중성화 처리된 표면에 블록 공중합체를 도포하는 단계;

(e) 도포된 블록 공중합체를 어닐링 및 노광하여 자기 조립 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 (c) 단계는 MPTS(3-(p-methoxyphenyl)propyltrichlrosilane)를 SAM 코팅하는 것임을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 (e) 단계 이후에 에칭 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 나노 구조물.