KR20090095107A - 진동부가를 통한 패턴제작방법 - Google Patents

진동부가를 통한 패턴제작방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 소프트 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료를 충진하는 단계와, 충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 단계, 및 경화된 고상의 패턴을 소프트 몰드와 이형시키는 단계를 포함하며, 소프트 몰드의 이형단계에서는 소프트 몰드의 표면에 상하방향으로 진동을 부가하여 소프트 몰드와 고상의 패턴을 서로 분리시킨 후 수직이형시키는 것을 특징으로 한다. 이 발명은 진동부가 장치를 이용해 몰드와 패턴 재료와의 화학적 결합을 쉽게 분리할 수 있을 뿐만 아니라 마찰 특성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 진동부가 장치의 상하운동에 의한 압하량 제어를 통해 패턴과의 물리적인 간섭을 최소화하여 나노/마이크로 크기의 고종횡비의 패턴을 용이하게 제작할 수 있다.
패턴, 진동, 소프트 몰드, 진공 척, 진동부가 유닛

Description

진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법{Vibration-assisted Incremental Demolding Method of Nano/Micro Scale Patterns with High Aspect Ratio}
이 발명은 패턴제작방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 소프트 몰드(soft mold)를 이용한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴을 제작에 있어서 진동을 부가하면서 점진적으로 제작하는 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법에 관한 것이다.
최근에 나노 크기의 패턴을 제작하기 위한 차세대 리소그래피 공정으로서 나노 임프린트 공정기술이 각광을 받고 있으며, 나노 패턴 제작공정과 그 응용에 대하여 국내외의 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 나노 임프린트 공정은 열을 이용한 핫 엠보싱(hot embossing) 공정과 자외선(Ultraviolet light)을 이용한 나노 임프린팅 공정(UV-NIL)으로 분류된다. 핫 엠보싱 공정은 그 공정이 단순하지만 가열시간과 냉각시간의 최적화 조건으로 공정시간이 길며 고압의 가압 조건이 형성되어야 한다. 자외선을 이용한 임프린팅 공정은 상온상압에서 대면적의 패턴 형성이 가능하나 몰드와 재료와의 부착특성으로 인해 이형성이 좋지 않은 단점이 있다. 석영(Quartz) 등의 경질의 스템프(stamp)를 이용하는 UV-NIL 공정에서는 서로 접촉하는 구성요소간의 표면에너지를 제어하여 이형성을 높이려는 연구가 많이 진행되고 있다.
낮은 표면에너지를 가진 탄성체(elastomer)를 사용하는 소프트 리소그래피(soft lithography) 공정에서는 구성요소간의 이형성이 좋아서 문제점들을 많이 해결할 수 있다. 이러한 소프트 리소그래피 공정에는 나노 각인 리소그래피(NIL, NanoImprint Lithography), 마이크로 접촉 인쇄(μ-CP, MicroContact Printing), 복사조형(REM, Replica Molding), 마이크로 전사조형(μ-TM, Microtransfer Molding) 등이 있다. 현재까지 폴리디메틸실록산(PDMS ; Polydimethylsiloxane)이 소프트 리소그래피 공정에서의 몰드재료로 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 몰드의 이형성을 향상시키는 몰드재료에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 탄성체를 사용하여 나노/마이크로 패턴을 제작하는 모든 공정에서는 공개특허공보 제2002-0074473호에도 공개된 바와 같이 이형방식에 있어서 벗겨내기(Peel-Off) 방식을 사용하고 있다.
도 1a 및 도 1b는 소프트 몰드를 이형하는 종래의 공정을 2차원 및 3차원으로 나타낸 공정도로서, 소프트 몰드(10)를 사용하여 패턴(11)을 제작함에 있어서, 소프트 몰드(10)의 가요특성을 이용하여 도 1a 및 도 1b와 같이 소프트 몰드(10)를 벗겨내기(Peel-off) 함으로써 기판(12) 위에 패턴(11)을 제작한다.
그러나, 도 1a 및 도 1b와 같이 소프트 몰드(10)를 peel off 방식으로 이형 할 경우, 낮은 종횡비의 패턴제작에는 큰 문제가 발생하지 않으나, 고종횡비의 나노/마이크로 크기의 패턴을 제작하기가 용이하지 않다. 즉, 소프트 몰드(10)를 Peel-off 할 때, 이형되는 영역에서의 소프트 몰드의 음각형상의 캐비티 패턴과 양각의 감광성 재료 패턴의 기하학적인 구속이 심화되기 때문이다. 또한, 소프트 몰드와 감광성 재료의 계면에서의 화학적 결합이 부착력(adhesive force)으로 작용하여 전사되는 패턴의 손상(damage)에 의한 패턴 결함이 생길 가능성이 많아지게 된다. 즉, 소프트 몰드와 패턴 재료와의 화학적 결합과 물리적 상호접촉에 의하여 패턴제작에 많은 어려움이 발생한다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고종횡비의 나노/마이크로 패턴을 형성하는 이형과정에서 진동을 부가하여 화학적 결합을 분리하면서 몰드와 패턴의 마찰특성을 향상시키고, 점진적 이형방법을 통해 몰드와 패턴의 물리적 상호접촉을 최소화하는 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이 발명에 따르면, 소프트 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료를 충진하는 단계와, 충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 단계, 및 경화된 고상의 패턴을 소프트 몰드와 이형시키는 단계를 포함하는 패턴제작방법에 있어서, 소프트 몰드의 이형단계에서는 소프트 몰드의 표면에 상하방향으로 진동을 부가하여 소프트 몰드와 고상의 패턴을 서로 분리시킨 후 수직이형시키는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 소프트 몰드의 이형단계에서는 소프트 몰드와 고상의 패턴을 서로 분리시킨 후 소프트 몰드의 표면을 흡착한 상태로 상부방향으로 이동시켜 수직이형시킬 수 있다.
또한, 이 발명의 소프트 몰드의 이형단계에서는 소프트 몰드의 표면을 흡착한 상태에서 상하방향으로 진동을 부가하고 상부방향으로 이동시키는 진동부가 장 치를 이용해 수직이형시킬 수도 있다.
이 발명의 소프트 몰드의 이형단계에서는 대면적의 패턴제작을 위해 진동부가 장치를 다열로 세트 배열하여 수직이형시키는 것이 더욱 바람직하다.
이 발명은 진동부가 장치를 이용해 몰드와 패턴 재료와의 화학적 결합을 쉽게 분리할 수 있을 뿐만 아니라 마찰 특성을 개선할 수 있다.
또한, 이 발명은 진동부가 장치의 상하운동에 의한 압하량 제어를 통해 패턴과의 물리적인 간섭을 최소화하여 나노/마이크로 크기의 고종횡비의 패턴을 용이하게 제작할 수 있다.
아래에서, 이 발명에 따른 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
일반적으로 마이크로 크기 이하(sub-micron)의 정밀도를 갖는 마스트 몰드는 전자빔(E-beam) 리소그래피 공정, 포토리소그래피 공정(photolithography)으로 제작되며, 마이크로 크기 이상의 정밀도를 갖는 마스트 몰드는 포토리소그래피 공정, 기계가공(machining), 레이저 가공(laser machining) 등으로 제작된다.
도 2는 마스트 몰드로부터 소프트 몰드를 복제하는 공정을 나타낸 공정도로 서, (a)는 PDMS를 이용하여 소프트 몰드를 복제하는 공정을 나타낸 공정도이고, (b)는 경화성 수지를 이용하여 소프트 몰드를 복제하는 공정을 나타낸 공정도이다.
도 2의 (a)와 같이, 소프트 몰드의 재료로 탄성중합체인 PDMS (Polydimethylsiloxane)가 가장 많이 사용된다. PDMS는 상온에서 액상으로 존재하므로, 주제와 경화제를 10:1로서 혼합한 PDMS(22) 재료를 패턴(20)이 형성된 마스트 몰드(21) 위에 일정두께로 코팅한다. 그런 다음, PDMS(22) 재료를 경화시키는데 경화조건으로서 상온에서는 24시간 정도이며, 그 온도조건에 따라서 경화시간은 다르게 된다. 액상의 PDMS가 완전히 경화되면 마스트 몰드(21)로부터 Peel-Off 방식으로 이형하여 PDMS 소프트 몰드(23)를 제작한다.
도 2의 (b)와 같이, 소프트 몰드의 재료로 사용되는 미세패턴용 경화성 수지로는 열경화성 수지, 광경화성 수지, 자외선 경화성 수지가 사용될 수 있지만, 이하에서는 자외선 경화성 수지를 그 예로 설명하도록 한다. 미세패턴용 경화성 수지가 자외선 경화성 수지인 경우, 이는 연질 세그먼트와 경질 세그먼트(soft or hard segment)의 올리고머, 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 용매(solvent)가 포함되어 이루어진 화합물 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다.
이 재료를 이용하여 소프트 몰드를 제작하기 위해서는, 먼저, 패턴이 새겨진 마스트 몰드(26)의 표면에 미세패턴용 경화성 수지(25)를 균일하게 도포하고, 롤(27)을 이용하여 기지층(24)을 압착하여 마스트 몰드의 패턴내부에 수지를 충진하여 자외선(UV) 경화시킨 후 이형하여 미세패턴을 가진 소프트 몰드(28)를 형성하 게 된다. 여기서, 자외선 경화수지의 성분은 점도가 상온에서 200 ~ 30,000 cPs를 가지고 있으며, 폴리에스터(polyester), 우레탄(urethane), 에폭시(epoxy), 실리콘(silicone) 및 아크릴(acrylate) 관능기를 가지고 있는 올리고머(oligomer) 또는 단량체(monomer)를 포함하여 구성된다. 또한, 이때 기지층(24)으로 사용되는 폴리머 시트는 투명재질로 이루어지며 미세패턴의 지지체 역할을 하게 된다. 또한, 투명한 폴리머 시트의 재질로는 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에테르술폰(polyethersufone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리에스터(polyester)에서 선택하는 것이 바람직하다.
도 3은 도 2에 도시된 방법에 의하여 제작된 닫힌 구조의 셀 패턴(cell pattern)을 갖는 소프트 몰드(30)의 형상을 나타낸 사시도이다. 소프트 몰드의 패턴은 열린 구조인 줄무늬 패턴(stripe pattern) 또는 닫힌 구조인 셀 패턴(cell pattern) 등으로 구성된다. 패턴 구조에 따라서 이형성이 달라지는데, 일반적으로 줄무늬 패턴(stripe pattern)에 비해서 셀 패턴(cell pattern)으로 이루어진 소프트 몰드를 이형할 경우가 접촉면적의 증가 및 기하학적 구속조건이 심화되어 이형성이 좋지 못하다.
도 4는 소프트 리소그래피 공정의 일예를 나타낸 공정도로서, (a)는 마이크로 전사조형(μ-TM, Microtransfer Molding) 공정을 나타낸 공정도이고, (b)는 모세관 현상을 이용하는 나노 각인 리소그래피(NIL, NanoImprint Lithography) 공정을 나타낸 공정도이다.
도 4의 (a)와 같이, 마이크로 전사조형 공정에서는 먼저 스크래퍼(42 ; scraper)를 사용하여 액상의 감광성 재료(41)를 소프트 몰드(40)의 패턴 캐비티(cavity)에 충진한 이후 기판(44)에 배치한다. 이 상태에서 소프트 몰드(40)의 상부에서 롤(43)로 가압하고 자외선(UV)으로 경화시킨 후 이형하여 미세 패턴(45)을 제작한다.
도 4의 (b)와 같이, 나노 각인 리소그래피 공정에서는 먼저 기판(44)의 표면에 감광성 재료(41)를 코팅한 이후 소프트 몰드(40)로 가압하고, 자외선(UV)으로 경화시킨 후 이형하여 미세 패턴(45)을 제작한다.
도 5는 이 발명에 따른 진동부가 장치를 이용해 점진적인 이형공정을 수행하는 과정을 나타낸 개념도이다. 도 5와 같이 진동부가 장치의 단일 진동부가 유닛(53 ; unit)들을 이용해 이형공정에서 상하방향으로 진동을 부가함으로써, 소프트 몰드(50)와 패턴(51) 재료의 화학적 결합을 분리시키고 마찰특성을 향상시킨다. 또한, 진공척으로 소프트 몰드와 연결된 진동부가 장치를 점진적으로 (+) z축 방향으로 이동시킴으로써(δ1 -> δ2 -> δ3) 소프트 몰드와 패턴재료와의 기하학적 구속을 최소화시킨다. 결국, 기판(52)의 표면에 패턴(51)이 제작된다.
도 6은 이 발명에 따른 진동부가 장치를 소프트 몰드 윗면에 배열한 상태 및 단일 진동부가 유닛의 구성요소를 나타낸 개념도이다. 단일 진동부가 유닛(63)은 산업분야에서 통상적으로 적용하고 있는 구성요소들을 소형화하여 구성한 것으로서, 진동을 부가하는 구성요소로서 진동자(67 ; shaker, exciter), 진동부가 연결로드(66), 진공 튜브(65), 진공 척(64)으로 구성된다. 진동자(67)는 z축 방향으로 가진시키는 역할을 하는 것으로서, 진동의 크기(amplitude), 주기(frequency), 방향(direction)을 제어한다. 이러한 진동자(67)로부터 발생된 진동은 진동부가 연결로드(66)와 진공 척(64)을 통하여 소프트 몰드(60) 상으로 전파된다.
이때, 진공 척(64)은 고무 등과 같은 유연한 재료로 제작되는 것이 바람직하다. 상기의 구성요소에 의해 z축 방향으로 부가된 진동을 소프트 몰드(60)로 전파하여 소프트 몰드의 캐비티 패턴과 패턴 재료의 사이에도 진동전달이 가능하다. 소프트 몰드의 이형은 진동크기로도 가능하지만, 그 크기에 제한이 있으므로, 진동자(67)를 (+) z축 방향으로 점진적으로 이동시킴으로써, 소프트 몰드(60)와 패턴(61) 재료와의 기하학적 구속이 해제되어, 결국 기판(62)의 표면에 패턴(61)이 제작된다.
도 7은 이 발명에 따른 진동부가 장치를 세트로 배열한 상태를 나타낸 도면이다. 도 7과 같이, 패턴의 이형과정이 대면적으로 확장된 경우에는 각각의 진동부가 장치를 라인단위의 일련의 조합으로 구성함으로써, 대면적의 이형이 가능하다.
이상에서 이 발명의 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1a 및 도 1b는 소프트 몰드를 이형하는 종래의 공정을 2차원 및 3차원으로 나타낸 공정도이고,
도 2는 마스트 몰드로부터 소프트 몰드를 복제하는 공정을 나타낸 공정도로서, (a)는 PDMS를 이용하여 소프트 몰드를 복제하는 공정을 나타낸 공정도이고, (b)는 경화성 수지를 이용하여 소프트 몰드를 복제하는 공정을 나타낸 공정도이고,
도 3은 도 2에 도시된 방법에 의하여 제작된 닫힌 구조의 셀 패턴을 갖는 소프트 몰드의 형상을 나타낸 사시도이고,
도 4는 소프트 리소그래피 공정의 일예를 나타낸 공정도로서, (a)는 마이크로 전사조형 공정을 나타낸 공정도이고, (b)는 모세관 현상을 이용하는 나노 각인 리소그래피 공정을 나타낸 공정도이고,
도 5는 이 발명에 따른 진동부가 장치를 이용해 점진적인 이형공정을 수행하는 과정을 나타낸 개념도이고,
도 6은 이 발명에 따른 진동부가 장치를 소프트 몰드 윗면에 배열한 상태 및 단일 진동부가 유닛의 구성요소를 나타낸 개념도이며,
도 7은 이 발명에 따른 진동부가 장치를 세트로 배열한 상태를 나타낸 도면이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
50 : 소프트 몰드 51 : 패턴
52 : 기판 53 : 단일 진동부가 유닛
60 : 소프트 몰드 61 : 패턴
62 : 기판 63 : 단일 진동부가 유닛
64 : 진공 척 65 : 진공 튜브
66 : 진동부가 연결로드 67 : 진동자

Claims (4)

  1. 소프트 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료를 충진하는 단계와, 충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 단계, 및 경화된 고상의 패턴을 상기 소프트 몰드와 이형시키는 단계를 포함하는 패턴제작방법에 있어서,
    상기 소프트 몰드의 이형단계에서는 상기 소프트 몰드의 표면에 상하방향으로 진동을 부가하여 상기 소프트 몰드와 고상의 패턴을 서로 분리시킨 후 수직이형시키는 것을 특징으로 하는 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소프트 몰드의 이형단계에서는 상기 소프트 몰드와 고상의 패턴을 서로 분리시킨 후 상기 소프트 몰드의 표면을 흡착한 상태로 상부방향으로 이동시켜 수직이형시키는 것을 특징으로 하는 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 소프트 몰드의 이형단계에서는 상기 소프트 몰드의 표면을 흡착한 상태에서 상하방향으로 진동을 부가하고 상부방향으로 이동시키는 진동부가 장치를 이용해 수직이형시키는 것을 특징으로 하는 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 소프트 몰드의 이형단계에서는 대면적의 패턴제작을 위해 상기 진동부가 장치를 다열로 세트 배열하여 수직이형시키는 것을 특징으로 하는 진동부가를 통한 나노/마이크로 크기의 고종횡비를 갖는 패턴제작방법.
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