KR20100088021A

KR20100088021A - 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법

Info

Publication number: KR20100088021A
Application number: KR1020090007149A
Authority: KR
Inventors: 이우일; 강석환; 김시환
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-06
Also published as: KR101085894B1

Abstract

본 발명은 임프린트 공정에 있어서 몰드를 누른 후 정확한 위치에 패턴을 형성하기 위해 기판과 몰드를 정렬하는 과정에서 발생하는 몰드와 기판 간의 마찰 현상에 크게 기여하는 주 원인을 밝히고, 주 원인에 영향을 주는 주요 인자들을 조절함으로써 정렬 과정에서 발생하는 마찰력의 크기를 효율적으로 감소시키는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법에 관한 것으로서,

기판과 몰드의 사이에 레진이 위치하고, 상기 레진의 기판 또는 몰드와 이루는 접촉각을 감소시켜 정렬 과정에 발생하는 마찰을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

임프린트, 정렬, 표면장력, 접촉각, 대면적

Description

임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법{Reduction method for align stiction}

본 발명은 레진의 기판 또는 몰드와 이루는 접촉각을 감소시켜 정렬 과정에 발생하는 마찰을 감소시키는 것으로서, 몰드와 기판 간의 마찰 현상의 주 원인인 표면장력에 영향을 주는 주요 인자를 조절하여 정렬 과정에서 발생하는 마찰력의 크기를 효율적으로 줄이는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법에 관한 것이다.

예컨대, 반도체 소자 제조 공정에서는 미세한 패턴을 형성하기 위한 기술로 임프린트 기술이 적용되고 있다. 이러한 임프린트 기술은 기판 상에 레진을 도포하고 마치 도장을 찍듯이 찍어서 패턴을 형성하거나, 몰드 내부로 수지를 도포하여 패턴을 형성하는 방법이다.

기판 상에 패턴을 정확히 형성하기 위해 몰드 또는 기판을 움직여 정렬하여야 하나, 기판 상에 레진이 형성되어 있으므로 정렬이 쉽지 않다. 또한, 임프린트 공정에서는 공정 자체의 특성상 패턴을 형성한 후에 기판 상에 잔막이 생기므로, 이러한 잔막을 제거하기 위해 몰드의 가압력을 높이면 잔막의 두께는 해결되나, 몰드의 정렬이 상당히 어려워지게 된다.

즉, 상기와 같은 몰드와 기판 간의 마찰(stiction) 현상은, 미세패턴 충전을 위해서 몰드를 가압한 후에 패턴을 정확한 위치에 배치시키기 위한 정렬(align) 작업을 수행할 때 가압된 레진과 몰드 간의 상호작용에 의해 기판 또는 몰드를 평면 상에서 움직여 정렬하는 것이 매우 어려워지는 현상을 말한다.

특히 대면적 임프린팅 공정에서 정확한 위치에 패턴을 형성하기 위한 정렬 과정은 제품의 기능적인 측면뿐 아니라 다층(multi-layer) 작업을 위한 후속 공정과의 순차적인 오버랩(overlap) 과정에 있어 매우 중요한 역할을 하게 된다.

일반적인 연구 수준에서의 임프린팅은 몰드의 크기가 제한적(4”이하 웨이퍼)이어서 정렬 과정에 별다른 어려움을 겪고 있지 않지만, 몰드와 기판 사이의 얇은 레진에 의한 마찰력은 마찰계수와 작용 면적에 비례하여 점점 큰 값을 가지게 되므로, 디스플레이 분야 등의 적용을 위해 대면적(300×300㎜ 이상) 임프린트 공정이 필요하게 되면서 정렬 과정이 새로운 문제점으로 부각되고 있는 실정이다.

그러나, 아직까지 몰드와 기판 간의 마찰 현상에 큰 영향을 주는 주 원인에 대한 연구가 미비할 뿐 아니라 정렬 과정에서 발생하는 마찰력의 크기를 효율적으로 줄일 수 있는 방법도 제안되지 않고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 임프린트 공정에 있어서 몰드를 누른 후 정확한 위치에 패턴을 형성하기 위해 기판과 몰드를 정렬하는 과정에서 발생하는 몰드와 기판 간의 마찰 현상에 크게 기여하는 주 원인을 밝히고, 주 원인에 영향을 주는 주요 인자들을 조절함으로써 정렬과정에서 발생하는 마찰력의 크기를 효율적으로 감소시키는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법은, 기판과 몰드의 사이에 레진이 위치하고, 상기 레진의 기판 또는 몰드와 이루는 접촉각을 감소시켜 정렬 과정에 발생하는 마찰을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 임프린트 공정에서 표면장력에 의한 마찰 현상을 감소시켜 정렬 과정, 및 기판 또는 몰드의 이동을 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 마찰 현상의 주 원인을 밝혔으므로 기판의 크기 및 공정 조건에 따라 마찰력의 크기를 미리 예측할 수 있고, 임프린트 공정뿐 아니라 필름의 코팅 또는 접착 시의 움직임 등의 다양한 분야에 적용할 수 있으며, 몰드의 셀 구조 내부 및 외부의 접촉각을 달리하여 미세패턴의 충전 특성을 유지하면서 동시에 정렬 과정에서의 마찰 현상을 감소시킬 수 있는 효과도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법은, 도 1에 도시한 바와 같이 레진(30)의 기판(10) 또는 몰드(20)와 이루는 접촉각(θ₁, θ₂)을 감소시켜 정렬 과정에 발생하는 마찰을 감소시키는 것으로서, 표면장력에 영향을 주는 주요 인자를 조절하여 정렬 과정에서 발생하는 마찰력의 크기를 효율적으로 줄이기 위한 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이 미소 간격을 갖는 두 평판 사이에 액체가 위치하는 경우에 발생하는 마찰력은 수학식 1과 같다.

수학식 1에서 F_van은 반데르 발스(van der Waals) 인력이고, F_vis는 점성 전단력(viscous shear force)이며, F_men은 표면장력에 의한 메니스커스(meniscus) 힘이고, A_H는 하마커 상수(Harmaker constant)이며, h는 평판 사이의 간격이고, A는 계면 면적이며, η는 점성계수이고, V는 평판의 이동 속도이며, μ는 마찰계수이고, γ는 표면장력계수이며, θ₁과 θ₂는 각각의 평판과 이루는 접촉각이다.

300×300㎜ 유리판(중력 2.2N)의 경우에 마찰력을 구성하는 반데르 발스 인력, 점성 전단력 및 표면 장력에 의한 메니스커스 힘을 각각 수학식 1을 통해 구하면 아래의 표 1과 같다. 여기서 A_H=0.883×10^-20J, η=1.0×10^-3N·s/㎡, V=1㎜/s, γ=0.041N/m이다.

h	반데르발스 인력(N)	점성 전단력 (N)	표면장력에 의한 메니스커스 힘(N)
h	반데르발스 인력(N)	점성 전단력 (N)	30°	60°	80°
1㎛	3.963×10^-5	0.90×10^-1	4538.50	2622.31	913.53
5㎛	3.170×10^-7	0.18×10^-1	907.70	524.46	182.71
10㎛	3.963×10^-8	0.90×10^-2	453.85	262.23	91.35

마찰력은 대부분 표면장력에 의한 메니스커스(meniscus) 힘이며, 메니스커스 힘은 접촉각(θ₁, θ₂), 및 계면 면적과 평판 사이의 간격의 비율(A/h)에 의하여 크게 영향을 받는다는 것을 상기 표 1에서 확인할 수 있다.

그러므로 임프린트 공정에서 몰드 또는 기판의 정렬 과정에서 발생하는 마찰(stiction) 현상은 표면장력에 의한 메니스커스 힘이 가장 주요한 인자임을 알 수 있었고, 접촉각은 표면장력의 효과를 나타내는 대표적인 척도로서, 마찰력은 접촉각의 코사인(cosine) 함수에 비례하는 값을 가지므로 이를 조절함으로써 마찰력의 크기를 조절할 수 있는 것이다.

도 3은 접촉각을 변화시켜 마찰력의 차이를 실험으로 측정한 결과를 나타낸 것이다. 실험에서 몰드에 해당하는 상부 평판의 접촉각을 변화시키기 위해 접촉각이 큰 소수성(hydrophobic)인 경우에는 계면활성제를 이용한 SAM(Self-Assembly Monolayer) 코팅 방법을 사용하였고, 접촉각이 작은 친수성(hydrophilic)인 경우에는 자외선 및/또는 오존 처리기, 또는 플라즈마 처리기를 이용하여 노출시간을 조절함으로써 표면 특성을 변화시켰다. 실험에 사용된 상부 평판의 접촉각은 접촉각 측정기를 통해 측정되었고, 상기 접촉각 조건에 따라 마찰력을 측정하였다. 표 2는 표면 처리에 따른 접촉각의 변화를 나타낸 것이다.

잉크/유리 평판	표면 처리	접촉각
소수성	SAM 코팅	85∼100°
기준	bare glass	50°
친수성	UV/오존 2분 처리	35°
	UV/오존 7분 처리	25°
	UV/오존 14분 처리	20°

도 3에서 알 수 있듯이 표면 처리를 통한 접촉각의 변화에 따라 평판 사이의 마찰력이 큰 차이를 나타내었으며, 상부 평판이 소수성을 띠는 경우에는 습윤(wetting) 특성이 달라짐에 따라 유체 박막이 퍼져나가는 양상에도 변화가 있는 것을 관찰할 수 있었고, 임프린트 공정에서 몰드에 해당하는 상부 평판의 접촉각만을 변경시킴으로써 마찰력의 크기를 절반 이하로 낮출 수 있었으며, 스틱슬립(stick-slip) 현상도 나타나지 않는 것을 관찰할 수 있었다.

만약 상부 평판뿐 아니라 하부 평판까지 표면 처리를 통해 소수성을 띠게 할 경우에는 최소한의 마찰로 평판을 이동 또는 정렬하는 것이 가능할 것이다.

접촉각의 마찰력에 대한 영향을 좀 더 명확하게 확인하기 위하여 아무런 표면 처리를 하지 않은 경우를 기준으로 접촉각 변화에 따른 마찰력 증감의 상대적인 값을 실험치와 수학식 1로부터 구한 이론치를 비교하여 도 4에 나타내었다.

도 4에서 몰드에 해당하는 상부 평판의 접촉각을 변경시키는 실험을 통해 접촉각의 변화가 마찰력의 크기에 절대적인 영향을 미친다는 것을 재차 확인할 수 있었다. 특히 상부 평판의 표면을 소수성으로 처리한 경우에는 상부 평판의 접촉각 변경만으로도 마찰력의 크기를 절반 이하로 낮출 수 있었으며, 상부 평판의 표면을 친수성으로 처리한 경우에는 이론적으로 마찰력은 접촉각의 코사인 함수의 형태로 표현되므로 30°이하에서 접촉각 변화에 따른 마찰력의 차이가 줄어들어야 하지만 접촉각 감소에 따른 습윤(wetting) 특성의 증대로 A/h값이 증가하여 마찰력은 계속 커지는 것을 확인하였다.

또한, 도 4에서 실험치와 수학식 1로부터 구한 이론치가 잘 일치하므로 본 발명에서 제시된 수학식 1의 타당성도 확인되었으며, 접촉각을 조절함으로서 마찰 현상의 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다는 것을 실험적으로도 증명한 것이다.

한편, 도 5에 도시한 바와 같이 몰드(20)에서 셀 구조 내부(21)는 레진(30)의 충전을 위해 접촉각이 작은 친수성(hydrophilic)을 띠게 표면 처리하고, 셀 구조 외부(26)는 정렬 과정에서 발생하는 마찰 감소를 위해 접촉각이 큰 소수성을 띠게 표면 처리하여, 몰드(20)에서 셀 구조 내부(21)의 미세 패턴의 충전 특성을 유지하면서 동시에 정렬 과정에서의 마찰 현상을 감소시킬 수 있다. 즉, 몰드(20) 또는 기판(10)의 부분적인 또는 선택적인 표면 처리를 통해 특성 최적화를 이룰 수 있는 것이다.

도 6에 도시한 바와 같이 레진(30)이 몰드(20)의 측면(28) 또는 상면(29)과 접촉각을 이루도록 하여 정렬 과정에서 발생하는 마찰을 감소시킬 수도 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법에 따르면, 특히 대면적(300×300㎜ 이상) 임프린트 공정에 있어서 몰드를 누른 후 정확한 위치에 패턴을 형성하기 위해 기판과 몰드를 정렬하는 과정에서 발생하는 몰드와 기판 간의 마찰(stiction) 현상이 대부분 표면장력에 의한 마찰 현상이라는 것을 밝혔으며, 표면장력에 영향을 주는 주요 인자들을 조절함으로써 정렬과정에서 발생하는 마찰력의 크기를 효율적으로 감소시킬 수 있었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법에서 접촉각을 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 현상의 주 원인을 검토하기 위해 단순화 시킨 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법으로 접촉각을 변화시켜 마찰력의 차이를 실험으로 측정한 결과도.

도 4는 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법으로 접촉각의 변화에 따른 실험치와 이론치를 비교한 결과도.

도 5는 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법으로 몰드가 부분적으로 표면 처리된 것을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법으로 몰드에서 접촉각이 형성되는 위치를 나타낸 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 20: 몰드

21: 셀 구조 내부 26: 셀 구조 외부

28: 측면 29: 상면

30: 레진

Claims

기판과 몰드의 사이에 레진이 위치하고, 상기 레진의 기판 또는 몰드와 이루는 접촉각을 감소시켜 정렬 과정에 발생하는 마찰을 감소시키는 것을 특징으로 하는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법.
제1항에 있어서,

상기 레진과 접촉하는 상기 기판 또는 몰드의 표면 처리를 통해 접촉각이 큰 소수성(hydrophobic)을 띠게 하는 것을 특징으로 하는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법.
제1항에 있어서,

상기 몰드에서 셀 구조 내부는 상기 레진의 충전을 위해 접촉각이 작은 친수성(hydrophilic)을 띠게 표면 처리하고, 셀 구조 외부는 정렬 과정에서 발생하는 마찰 감소를 위해 접촉각이 큰 소수성을 띠게 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법.
제3항에 있어서,

상기 표면 처리는 플라즈마 처리, SAM(Self-Assembly Monolayer) 코팅, 자외선 또는 오존 처리 중에 하나인 것을 특징으로 하는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 레진은 상기 몰드의 측면 또는 상면과 접촉각을 이루는 것을 특징으로 하는 임프린트 정렬 과정에서의 마찰 감소방법.