KR20120093470A - 나노 딤플 패턴의 형성방법 및 나노 구조물 - Google Patents

나노 딤플 패턴의 형성방법 및 나노 구조물 Download PDF

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Abstract

마스크층을 식각 보호층으로 이용하는 나노 딤플 패턴의 형성방법 및 이로부터 제조된 나노 구조물이 제공된다. 일 실시예에 따르면, 기판 상에 폴리머 입자들을 갖는 마스크층을 형성한다. 상기 마스크층은 상기 폴리머 입자들 사이로 상기 기판을 노출하는 개구를 갖는다. 상기 마스크층을 식각 보호층으로 이용하여 상기 개구로부터 노출된 상기 기판의 표면을 선택적으로 식각하여, 상기 기판 상에 나노 딤플 패턴을 형성한다.

Description

나노 딤플 패턴의 형성방법 및 나노 구조물{Method of forming nano dimple pattern and nanostructure}
본 발명은 기판의 표면 처리 방법에 관한 것으로서, 특히 기판 상에 나노 딤플 패턴을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 나노 구조물에 관한 것이다.
기판의 표면 처리는 다양한 목적으로 이루어지고 있다. 예를 들어, 기판 표면상에 나노 패턴을 형성함으로써, 기판의 발수성, 발유성, 광투과도 등을 조절할 수 있다. 예를 들어, 연꽃잎의 발수성은 연꽃잎의 표면에 형성된 나노 패턴과 관련되어 있음이 알려져 있다. 다른 예로, 유리 기판 상에 나노 패턴을 형성하고, 그 나노 패턴의 듀티비(duty ratio)를 조절함으로써 유리 기판의 광투과성을 조절할 수 있다.
하지만, 통상적으로 기판 상에 나노 패턴을 형성하기 위해서는, 나노 마스크를 이용한 리소그래피 공정이 필요하다. 나노 마스크는 고가의 전자빔 또는 이온빔 장치를 이용하여 제작되고, 리소그래피 공정은 복잡한 사진 공정을 필요로 한다. 나아가, 나노 패턴은 쉽게 무너지는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 일 과제는 내구성이 우수한 나노 딤플 패턴 및 그 경제적인 형성 방법을 제공하는 것이다. 이러한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 나노 딤플 패턴의 형성방법이 제공된다. 기판 상에 폴리머 입자들을 포함하는 마스크층을 형성한다. 상기 마스크층은 상기 폴리머 입자들 사이로 상기 기판을 노출하는 개구를 갖는다. 상기 마스크층을 식각 보호층으로 이용하여 상기 개구로부터 노출된 상기 기판의 표면을 선택적으로 식각하여, 상기 기판 상에 나노 딤플 패턴을 형성한다.
상기 나노 딤플 패턴을 형성하는 단계 후 상기 마스크층을 제거할 수 있다.
상기 마스크층은 상기 폴리머 입자들의 단일층을 포함할 수 있다.
상기 마스크층을 형성하는 단계는 스핀 코팅 방법을 이용하여 상기 기판 상에 폴리스틸렌 입자들의 단일층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 단일층 내 상기 폴리스틸렌 입자들은 조밀 충진 구조를 가질 수 있다.
상기 기판은 유리 기판을 포함하고, 상기 나노 딤플 패턴을 형성하는 단계는 상기 개구를 통해서 상기 기판 상에 불소 증기를 공급하여 상기 기판을 식각하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 기판을 식각하는 단계는 상기 불소 증기가 상기 기판 상에서 응축되지 않도록 식각 속도를 조절하여 수행할 수 있다.
상기 기판의 표면을 선택적으로 식각하는 단계는 상기 나노 딤플 패턴의 폭이 상기 개구의 폭보다 커지도록 등방성 식각법을 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 나노 구조물이 제공된다. 상기 나노 구조물은 전술한 형성방법에 의해여 제조된 나노 딤플 패턴을 포함한다. 상기 나노 딤플 패턴의 폭은 상기 나노 딤플 패턴을 제조하기 위한 상기 개구의 폭보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 딤플 패턴의 형성 방법에 따르면, 폴리머 입자들을 갖는 마스크층을 식각 보호막으로 이용함으로써 나노 마스크 및 리소그래피 공정 없이 나노 딤플 패턴을 형성할 수 있다. 이와 같이, 폴리머 입자들을 갖는 마스크층을 이용하여 나노 딤플 패턴을 형성하는 방법은 통상적인 리소그래피 공정에 비해서 다양한 형상 및/또는 대구경의 기판의 처리에 용이하다. 이와 같이 형성된 나노 딤플 패턴은 네트워크 구조를 갖고 있어서, 나노 돌기 패턴에 비해서 내구성이 우수하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 딤플 패턴의 형성 방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 사용되는 식각 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라 형성된 마스크층을 보여주는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따라 형성된 나노 딤플 패턴을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에서, 실험조건을 달리한 시편에 따른 식각 속도를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 딤플 패턴의 형성 방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 기판(105)이 제공되고, 기판(105) 상에 마스크층(110)을 형성할 수 있다. 기판(105)은 그 용도에 따라서 다양한 재질을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(105)은 발수성, 발유성 또는 광투과성을 부분적으로 필요로 하는 세라믹을 포함할 수 있다. 예컨대, 유리 기판은 리소그래피용 마스크로 이용되거나, 건물 또는 자동차의 창문에 이용될 수 있고, 판유리와 같은 소다라임 유리 기판이 이용될 수 있다. 다른 예로, 기판(105)은 발수성 또는 발유성을 부분적으로 필요로 하는 금속을 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 기판(105)은 임의의 재질의 바디부를 갖고, 그 바디부 상에 나노 패턴을 필요로 하는 금속 또는 세라믹과 같은 무기물 표면부를 포함할 수 있다.
마스크층(110)은 기판(105)의 식각 단계에서 식각 보호층으로 이용될 수 있다. 이러한 의미에서, 기판(105)의 적어도 표면부는 마스크층(110)과 식각 선택비를 갖는 무기물로 형성될 수 있다. 마스크층(110)은 다양한 폴리머 재질을 포함할 수 있다. 마스크층(110)은 패터닝의 부담을 고려하여 적절한 두께, 예컨대 1㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, 마스크층(110)은 폴리머 입자들(polymer particle, 112)과, 그 입자들(112) 사이로 기판(105)을 노출하는 개구(115)를 포함할 수 있다. 폴리머 입자들(112)은 조밀 충진(closed packed) 구조를 갖는 단일층 또는 단층막으로 제공될 수 있다. 이러한 조밀 충진 구조의 폴리머 입자들(112)은 그 사이로 개구(115)를 갖는 마스크 패턴(117)을 구성할 수 있다.
여기에서, 폴리머는 단위체가 반복되어 연결된 고분자 중합체를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 마스크층(110)은 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리비닐알콜(ply(vinyl alcohol); PVA), 폴리테트라플루오르에틸렌(poly(tetrafluoroethylene); PTFE), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate); PMMA), 폴리염화비닐(poly(vinyl chloride); PVC), 폴리에티렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate; PET), 폴리에스터, 페놀(phenol) 수지, 요소 수지, 우레탄 수지, 폴리우레탄 등을 들 수 있다.
폴리머 입자들(112)은 나노 스케일, 예컨대 수 내지 수백 nm 크기의 직경을 갖고, 조밀 충진되면서 적어도 일부분들이 서로 이격되게 형성될 수 있다. 따라서 입자들(112)의 경계를 따라서 부분적으로 또는 전체적으로 개구(115)가 한정될 수 있다. 예를 들어, 마스크층(110)은 적절한 코팅법 또는 인쇄법, 예컨대 스핀 코팅법, LB(Langmuir Blodegtt) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 일렉트로 스프레이법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 마스크층(110)을 식각 보호막으로 이용하여, 개구(115)를 통해서 기판(105)의 표면을 식각하여, 나노 딤플 패턴(120)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판(105)의 식각은 나노 딤플 패턴(120)을 형성하도록 등방성 식각(isotropic etch)을 이용할 수 있다. 이 경우, 나노 딤플 패턴(120)의 폭은 개구(115)의 폭보다 커질 수 있다. 왜냐하면, 식각이 개구(115)의 측방향을 통해서 입자들(112) 아래로도 진행되기 때문이다.
예를 들어, 기판(105)이 유리 기판인 경우, 불산(HF) 증기를 개구(115)를 통해서 기판(105) 상으로 제공함으로써 기판(105)의 표면을 화학적 건식 식각(chemical dry etch)법으로 식각할 수 있다. 다른 예로, 기판(105)의 식각은 습식 식각을 이용하여 진행할 수도 있다. 예컨대, 희석된 불산(HF) 용액 또는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액을 이용하여 개구(115)를 통해서 기판(105)의 표면을 식각할 수도 있다. 다만, 화학적 건식 식각은 폴리머 입자들(112)의 접착력에 크게 구애받지 않고 적용될 수 있으나, 습식 식각은 폴리머 입자들(112)이 기판(105)으로부터 분리되지 않도록 그 시간 및 조건을 조절하여 적용될 필요가 있다.
이러한 식각 동안, 마스크층(110)은 기판(105)에 비해서 거의 식각이 되지 않거나 상대적으로 매우 느리게 식각되도록 조절될 수 있다. 즉, 기판(105)은 마스크층(110)에 대해서 식각 선택비를 갖도록 선택될 수 있다. 전술한 불산 증기를 이용한 식각은 진공 상태뿐만 아니라 대기 상태에서도 수행할 수 있다.
아울러, 이러한 기판(105) 식각은 포토 마스크 없이 블랭킷(blanket) 상태에서 폴리머 입자들(112)을 갖는 마스크층(110)을 이용하여 수행할 수 있다. 이러한 식각은 리소그래피 공정에 비해서 다양한 형상 및/또는 대구경의 기판(105)의 처리에 용이하다.
도 3을 참조하면, 마스크층(110)을 제거하여, 기판(105) 표면 상에 나노 딤플 패턴(120)을 잔류시킬 수 있다. 예를 들어, 마스크층(110)은 습식 식각, 예컨대 황산과 과수의 혼합 용액(소위, Piranha 용액)을 이용하여 제거할 수 있다. 다른 예로, 마스크층(110)은 플라즈마 식각을 이용하여 제거할 수도 있다. 잔류된 나노 딤플 패턴(120)은 기판(105) 표면 상의 나노 구조물로 기능할 수 있고, 이러한 나노 구조물은 네트워크 구조를 이루고 있어서 외부 충격 등에 의해서 잘 쓰러지지 않는 내구성을 가질 수 있다.
이러한 나노 구조물은 기판(105)의 발수성, 발유성 또는 광투과성을 조절하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 발수성을 높이기 위해서, 나노 딤플 패턴(120) 상에 소수성 코팅층을 부가적으로 결합시킬 수 있다. 예컨대, 소수성 코팅층은 CHF3 기체를 플라즈마 처리하여 나노 딤플 패턴(120) 상에 결합시킬 수 있다. 한편, 태양 전지의 표면에 이러한 나노 딤플 패턴(120)을 형성하는 경우, 태양 전지로 입사되는 광투과도를 높일 수도 있다.
한편, 나노 구조물은 기판(105)의 표면적을 늘리는 목적으로 이용될 수도 있다. 예를 들어, 기판(105)은 배터리의 전극으로 이용될 수 있고, 전극 표면의 반응성을 높이기 위해서 나노 딤플 패턴(120)이 기판(105) 상에 형성될 수도 있다. 이에 따라, 이러한 나노 딤플 패턴(120)은 배터리 전극에 사용되는 탄소나노튜브(carbon nanotube)와 같은 구조를 대체할 수도 있다.
이하에서는 실험예를 들어, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 이 실험예에서, 기판은 유리 기판이 사용되었고, 마스크층은 약 100 nm 직경을 갖는 폴리스틸렌 입자들을 스핀 코팅법으로 도포하여 형성하였다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 사용되는 식각 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 나노 딤플 패턴(도 2의 120)을 형성하기 위해, 희석된 불산 용액(225)을 담은 비이커(215)를 중탕할 수 있다. 예컨대, 후드(205) 내의 가열 장치(210) 상에 중탕기(215)를 놓고, 가열 장치(210)에 전원을 공급하여 중탕기(215)를 가열할 수 있다. 이에 따라, 불산 용액(225)이 가열되면서 불산 증기가 비이커(215) 상에 배치된 시편(50)으로 공급될 수 있다.
이 경우, 시편(50)의 식각 속도를 조절하기 위해서, 중탕기(215)의 가열 온도, 비이커(215)와 시편(50) 사이의 거리, 식각 시간 등을 조절할 수 있다. 중탕기(215)의 가열 온도는 온도계(230)를 통해서 측정할 수 있다. 아래의 표 1은 각 시편별 실험 조건을 보여준다. 시편 거리는 비이커(215)의 상단으로부터 시편(50)까지의 거리를 지칭한다. 따라서 시편 거리가 0인 경우는 시편(50)을 비이커 상단에 밀봉한 경우에 해당된다.
시편 번호 식각 시간(min) 가열 온도(℃) 시편 거리(mm)
H1 5 60ㅁ5 0
H2 30 60ㅁ5 0
H3 30 60ㅁ5 15
H4 30 30ㅁ5 7.5
H5 30 35ㅁ5 15
H6 30 45ㅁ5 30
이들 시편들에 대한 식각 속도는 마스크층이 형성되지 않은 유리 기판 상에 켑톤 테이프를 부착하여 이들 시편들과 동일한 조건에서 식각 실험을 한 후, 테이프를 제거하여 단차를 측정함으로써 측정되었으며, 그 결과가 도 7에 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 시편 H1 내지 H3는 250 nm/분(min) 이상의 식각 속도를 보인 반면, 시편 H4 내지 H6는 250 nm/min 미만의 식각 속도를 보이고 있다. 실험 관찰에 의하면, 식각 속도가 빠른 시편 H1 내지 H3의 경우 표면에 불소 증기의 응축이 일어나 식각이 불균일하게 진행되어 마이크로 크기의 식각 면이 나타났다. 반면, 식각 속도가 느린 시편 H4 내지 H6의 경우 불소 증기의 응축이 일어나지 않고 나노 딤플 패턴이 잘 형성되었다.
이로부터, 나노 딤플 패턴을 형성하기 위해서, 불소 증기의 응축을 억제할 필요가 있고, 이를 위해서 식각 속도를 250 nm/min (0초과) 미만으로 조절할 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 식각 속도는 가열 온도 및 시편 거리를 통해서 조절할 수 있다. 예를 들어, 가열 온도를 25 내지 50℃ 범위로 유지하고 시편 거리를 7.5 내지 30mm 범위로 유지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라 형성된 마스크층을 보여주는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다. 도 6은 본 발명의 일 실험예에 따라 형성된 나노 딤플 패턴을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 폴리스틸렌 입자들(112)이 조밀 충진 구조로 형성되고, 입자들(112) 사이로 개구(115)가 한정된 것을 알 수 있다. 폴리스틸렌 입자들(112)은 스핀 코팅 방법을 이용하여 형성될 수 있고, 구슬(beads) 형상을 가질 수 있다. 도 6을 참조하면, 나노 딤플 패턴(120)이 나노 크기로 기판 상에 형성된 것을 알 수 있다. 이로부터, 폴리스틸렌 입자들(112)을 도포하고, 그들 사이의 개구(115)를 통해서 기판을 식각하여 나노 딤플 패턴(120)을 나노 크기로 형성할 수 있음을 알 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
105: 기판 110: 마스크층
112: 폴리머 입자 115: 개구
117: 마스크 패턴 120: 나노 딤플 패턴

Claims (10)

  1. 기판 상에 폴리머 입자들을 포함하는 마스크층을 형성하되, 상기 마스크층은 상기 폴리머 입자들 사이로 상기 기판을 노출하는 개구를 갖는, 상기 마스크층을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크층을 식각 보호층으로 이용하여 상기 개구로부터 노출된 상기 기판의 표면을 선택적으로 식각하여, 상기 기판 상에 나노 딤플 패턴을 형성하는 단계를 포함하는,
    나노 딤플 패턴의 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 딤플 패턴을 형성하는 단계 후 상기 마스크층을 제거하는 단계를 더 포함하는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 마스크층은 상기 폴리머 입자들의 단일층을 포함하는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마스크층을 형성하는 단계는 스핀 코팅 방법을 이용하여 상기 기판 상에 폴리스틸렌 입자들의 단일층을 형성하는 단계를 포함하는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단일층 내에서 상기 폴리스틸렌 입자들은 조밀 충진구조를 갖는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판을 포함하고,
    상기 나노 딤플 패턴을 형성하는 단계는 상기 개구를 통해서 상기 기판 상에 불소 증기를 공급하여 상기 기판을 식각하는 단계를 포함하는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 기판을 식각하는 단계는 상기 불소 증기가 상기 기판 상에서 응축되지 않도록 식각 속도를 조절하여 수행하는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 식각 속도는 250 nm/min 미만(0 초과)인, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 표면을 선택적으로 식각하는 단계는 상기 나노 딤플 패턴의 폭이 상기 개구의 폭보다 커지도록 등방성 식각법을 이용하여 수행하는, 나노 딤플 패턴의 형성방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 형성방법에 의해여 제조된 나노 딤플 패턴을 포함하고,
    상기 나노 딤플 패턴의 폭이 상기 나노 딤플 패턴을 제조하기 위한 상기 개구의 폭보다 큰, 나노 구조물.
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