KR20150057931A - 템플레이트 제조방법 및 이를 위한 임프린트 장치 - Google Patents

템플레이트 제조방법 및 이를 위한 임프린트 장치 Download PDF

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KR20150057931A
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Abstract

본 발명은 스탬프의 패턴들이 금속 기판에 대향하도록 상기 금속 기판 상에 상기 스탬프를 배치하는 단계; 전기·화학적인 방법을 이용하여 상기 금속 기판 내에 상기 스탬프의 패턴들에 대응하는 화합물 영역들을 형성하는 단계; 상기 화합물 영역들을 제거하여 상기 금속 기판에 딤플들을 형성하는 단계; 및 상기 금속 기판을 양극 산화하여 상기 딤플들에 대응하는 영역에 기공(pore)들이 형성된 양극 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 템플레이트 제조방법을 제공한다.

Description

템플레이트 제조방법 및 이를 위한 임프린트 장치{A METHOD OF MANUFACTURING A TEMPLATE AND A IMPRINT DEVICE FOR THE SAME}
본 발명은 템플레이트 제조방법 및 이를 위한 임프린트 장치에 관한 것으로, 특히 나노 다공성 템플레이트를 제조할 수 있는 템플레이트 제조방법 및 이를 위한 임프린트 장치에 관한 것이다.
나노미터의 극미세 영역에서 새로운 현상과 향상된 물질 특성을 나타내는 연구결과가 보고되면서 나노기술(nanotechnology)이라는 새로운 분야가 대두되었다. 나노기술은 재료, 전자, 정보통신, 환경, 에너지, 생명공학, 신약개발, 의료 등의 광범위한 분야에서 미래 기술로서 많은 관심과 새로운 기술혁신으로 연구되고 있다. 나노분야의 원천기술은 나노물질의 합성과 나노구조물의 제작이다.
나노 미터 크기의 구조물의 제조 기술은 탑-다운(top-down) 방식과 바텀-업(bottom-up) 방식으로 구분된다.
탑-다운 방식은 큰 크기의 물질을 깎아서 원하는 크기의 구조물을 만드는 방식으로서, 전자 빔 리소그래피(electron-beam lithography)이나 임프린팅 리소그래피(imprint lithography)기술 등을 이용하여 나노 구조물을 제작하는 방법이다. 이러한 탑-다운 방식을 이용한 나노 패터닝 기술은 고가의 장비에 의존하므로 고비용이 드는 문제가 있다.
바텀-업 방식은 원자나 분자가 스스로 원하는 크기의 구조물을 형성하는 방식으로서, 자기조합의 특성을 이용함에 따라 나노 구조물 제작 비용이 적게 든다. 그러나, 바텀-업 방식은 재현성이 낮고 대면적에 적용하기 어려운 문제가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 탑-다운 방식과 바텀-업 방식을 접목한 양극 산화(anodization) 공정을 통해 나노 구조물을 제조하는 방법이 제안된 바 있다. 양극 산화 공정을 통해 형성되는 나노 구조물은 나노 기공(pore) 어레이를 포함하는 나노 다공성 템플레이트(nano porous template)이다. 양극 산화 공정은 금속을 전기·화학적으로 산화시켜 금속 산화물을 형성하는 기술로서, 재현성이 우수하고 경제적이며 나노 구조의 크기 및 형상 제어가 용이하다. 이에 따라, 양극 산화 공정을 이용한 나노 다공성 템플레이트 형성 기술은 최근 다양한 크기의 나노 구조물을 제조하는 기술로 각광을 받고 있다. 양극 산화에 의해 얻어진 나노 다공성 템플레이트는 일반적인 패턴 형성 방법으로 얻기 힘든 높은 종횡비(aspect ratio)의 기공을 얻을 수 있으며, 이러한 종횡비는 전해질의 종류, 온도, 농도, 전류밀도, 전압과 같은 양극 산화 조건에 따라 조절이 가능하다.
나노 다공성 템플레이트는 탄소 나노 튜브의 합성, 탄소 나노 튜브를 이용한 전계방출소자에 이용될 수 있다. 나노 다공성 템플레이트는 나노점, 나노와이어, 나노막대(nanorod), 및 나노 튜브 등의 제조를 위한 건식 식각 공정의 마스크로 이용될 수 있으며, 바이오 센서의 제작 등에 이용될 수 있다. 이와 같이 나노 다공성 플레이트를 이용한 기술에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
나노 구조물의 균일성을 확보하기 위해, 나노 다공성 템플레이트의 기공들을 규칙적으로 잘 배열된 형태로 제조해야한다. 나노 다공성 템플레이트의 기공들을 규칙적으로 배열하기 위한 방법으로 2 단계(two-step) 양극 산화 과정이 제안된 바 있다. 그러나, 2 단계 양극 산화 과정을 거쳐 나노 다공성 템플레이트를 형성하는 경우, 공정시간이 길어지고 대면적의 높은 정렬성을 갖는 나노 구조물을 제작하는데 어려움이 있다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해 최근 다양한 시도가 이루어지고 있다.
대표적인 예로, 마스터 스탬프(master stamp)를 이용한 나노 임프린트 (nanoimprint) 공정을 통해 한 번의 양극 산화 공정을 통해 높은 정렬성을 갖는 나노 다공성 템플레이트를 제작하는 방법이 있다. 그 밖에, 자체조립(self-assembled) 특성의 고분자를 이용하는 방법, 구형 나노입자를 이용하는 방법 등이 제안되고 있으나, 대면적화에 있어서 문제점들을 가지고 있다. 최근 연구 결과에 의하면, 마스크 스탬프를 이용한 나노 임프린트 공정이 공정시간, 대면적화, 기공들의 정렬도에 대해 가장 우수한 특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 하지만, 마스터 스탬프를 이용한 임프린트 공정 시, 기판에 20 내지 30 kN/㎠의 높은 물리적인 압력이 가해지므로 스탬프가 변형되거나 손상되어 내구성이 저하될 수 있다. 스탬프는 제작 비용이 많이 드는 고가의 부속품이므로 물리적 압력을 가하는 스탬프를 이용한 임프린트 공정은 고비용을 요한다. 또한 스탬프를 이용한 임프린트 공정시, 넓은 면적에 균일한 압력을 인가할 수 있는 고가의 임프린트 장비를 사용해야 하는 단점이 있다. 따라서, 대면적의 높은 정렬도를 갖는 나노 다공성 템플레이트를 보다 효율적으로 제작하는 공정이 요구된다.
본 발명은 스탬프에 의한 물리적인 압력이 가해지지 않도록 전기·화학적인 방법으로 임프린트 공정을 수행하여 대면적의 나노 다공성 템플레이트를 제조할 수 있는 템플레이트 제조방법 및 이를 위한 임프린트 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 템플레이트 제조방법은 스탬프의 패턴들이 금속 기판에 대향하도록 상기 금속 기판 상에 상기 스탬프를 배치하는 단계; 전기·화학적인 방법을 이용하여 상기 금속 기판 내에 상기 스탬프의 패턴들에 대응하는 화합물 영역들을 형성하는 단계; 상기 화합물 영역들을 제거하여 상기 금속 기판에 딤플들을 형성하는 단계; 및 상기 금속 기판을 양극 산화하여 상기 딤플들에 대응하는 영역에 기공(pore)들이 형성된 양극 산화막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 임프린트 장치는 챔버 내에 형성된 스탬프 홀더; 상기 스탬프 홀더에 장착되고, 표면에 패턴들이 형성된 스탬프; 상기 챔버 내에서 상기 스탬프의 패턴들에 대향 배치되는 기판 홀더; 및 상기 스탬프의 패턴들과, 상기 기판 홀더에 장착되는 금속 기판 사이에 전기 방전을 발생시키거나, 상기 금속 기판 내에 주울열(Joule's Heat)을 발생시키는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명은 스탬프에 의한 물리적인 압력이 가해지지 않도록 전기·화학적인 방법으로 임프린트 공정을 수행하므로 정밀한 압력 조절이 불필요하다. 이에 따라, 본 발명은 기존의 물리적 임프린트 공정에 이용되는 고가의 고정밀도 임프린트 장치 없이 전기·화학적인 방법으로 임프린트 공정을 수행할 수 있다.
본 발명은 스탬프를 통해 물리적인 압력을 가하지 않고도 임프린트 공정을 수행할 수 있으므로 스탬프의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 전기·화학적인 방법으로 임프린트 공정을 수행하므로 금속 기판 표면에 금속 산화물뿐만 아니라 다양한 화합물을 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시 예에 따른 템플레이트 구조를 나타내는 도면들이다.
도 2는 2단계의 양극 산화 공정들을 포함하는 나노 다공성 템플레이트 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 물리적 압력을 가하는 스탬프를 이용한 임프린트 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 양극 산화 공정을 이용한 나노 기공들 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시 예들에 따른 임프린트 장치 및 임프린트 공정을 나타내는 도면들이다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 실시 예에 따른 템플레이트 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시 예에 따른 템플레이트 구조를 나타내는 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 1a은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 다공성 템플레이트의 구조에 대한 개략적인 도면이며, 도 1b는 금속 기판을 양극 산화 처리하여 형성한 나노 다공성 구조를 나타낸 단면도이고, 도 1c는 금속 기판을 양극 산화 처리하여 형성한 나노 다공성 구조의 상면을 나타낸 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 다공성 템플레이트는 나노 기공(pore)들(101)에 의해 관통되는 양극 산화막(anodized layer; 102)이다. 예를 들어, 양극 산화막(102)은 알루미늄을 양극 산화처리한 알루미나(Al2O3)일 수 있다. 도 1a에 도시된 나노 다공성 템플레이트는 이하와 같은 공정들을 통해 형성될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 딤플(dimple)들을 갖도록 표면 처리된 금속 기판(103)을 양극 산화하면, 양극 산화막(102)에 의해 막힌 나노 기공들(101)이 형성된다. 나노 기공들(101)의 바닥면에 형성되는 양극 산화막(102)의 베리어 영역(102B) 하부에 양극 산화처리되지 않은 금속 기판(103)의 일부 영역이 잔류할 수 있다. 나노 기공들(101)을 개구시키기 위해 양극 산화처리되지 않은 금속 기판(103)을 제거하고, 양극 산화막(102)의 베리어 영역(102B)을 제거할 수 있다. 금속 기판(103)은 알루미늄 기판일 수 있으며, 양극 산화막(102)은 알루미나 일 수 있다. 양극 산화 공정 이전에, 금속 기판(103)의 표면에 딤플들을 형성하기 위한 공정이 선행된다. 금속 기판(103)의 표면에 딤플들을 형성하기 위한 공정은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 나노 기공들(101)에 의해 관통되는 양극 산화막(102)은 벌집 구조로 형성될 수 있다. 나노 기공들(101)의 구조는 양극 산화 공정의 공정 조건들과 금속 기판(103)의 표면에 딤플들을 형성하기 위한 스탬프의 구조에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 나노 기공들(101) 각각의 직경(A), 나노 기공들(101) 각각의 측벽 두께(B), 나노 기공들(101) 간 거리(C), 및 나노 기공들(101) 바닥면에 형성된 베리어 영역(102B) 두께(D)는 양극 산화 공정과 금속 기판(103)의 표면에 딤플들을 형성하는 공정 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
이하, 금속 기판(103)의 표면에 딤플들을 형성하는 공정의 다양한 예와, 양극 산화 공정에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 2 단계의 양극 산화 공정들을 포함하는 나노 다공성 템플레이트 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 특히, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 다공성 템플레이트의 제조 방법에 비교되는 비교예이다.
도 2를 참조하면, 금속 기판(205)의 표면은 (a)에 도시된 바와 같이 표면 처리되지 않은 상태에서 울퉁불퉁한 표면을 가질 수 있다. 금속 기판(205)은 알루미늄 기판일 수 있다. 금속 기판(205)의 표면은 (b)에 도시된 바와 같이 전기 화학적 연마(electrochemical polishing) 방식으로 연마되어 평탄화될 수 있다.
이어서, 양극 산화 장치(200) 내에서 금속 기판(205)을 제1 양극 산화 처리한다. 양극 산화 장치(200)는 전원 공급 수단의 (+) 단자에 연결된 금속 기판 지지체(203), 전원 공급 수단의 (-)단자에 연결된 음극판(211), 및 전해조 내에 채워진 전해질 용액(Electrolyte; 217)을 포함한다. 금속 기판 지지체(203) 상에는 양극판 역할을 하는 금속 기판(205)이 장착될 수 있다.
상술한 양극 산화 장치(200) 내에 금속 기판(205)을 장착한 후, 금속 기판(205)을 제1 양극 산화 처리하면, (c)에 도시된 바와 같이 무질서한 제1 기공들(211)을 포함하는 제1 양극 산화막(207)이 형성된다. 금속 기판(205)이 알루미늄인 경우, 금속 기판 지지체(203)는 구리, 음극판(216)은 백금(Pt), 제1 양극 산화막(207)은 알루미나 일 수 있다.
제1 양극 산화 처리를 위한 공정 시간이 증가함에 따라, 제1 기공들(211)의 정렬도가 향상되면, 제1 양극 산화막(207)을 제거한다. 이로써, (d)에 도시된 바와 같이 딤플(dimple)들(213)이 금속 기판(205) 표면에 형성될 수 있다.
딤플들(213)을 포함하는 금속 기판(205)을 양극 산화 장치(200) 내에 장착한 후, 금속 기판(205)을 제2 양극 산화 처리하면, (e)에 도시된 바와 같이 제2 기공들(215)을 포함하는 제2 양극 산화막(214)이 형성될 수 있다.
이 후, (f)에 도시된 바와 같이 양극 산화 처리되지 않고 잔류하는 금속 기판(205)을 제거한다. 이어서, 제2 기공들(215) 바닥면에 형성된 제2 양극 산화막(214)의 일부 영역을 제거하여 제2 기공들(215)을 개구한다. 이 후, 제2 기공들(215) 측벽에 형성된 제2 양극 산화막(214)의 일부 영역을 더 식각할 수 있다. 이로써, (g)에 도시된 바와 같이 타겟으로 하는 크기를 갖는 제2 기공들(215)을 포함하는 나노 다공성 템플레이트(219)가 형성된다.
본 발명의 실시 예는 도 2에서 상술한 공정에 비해 템플레이트 제작이 용이하고, 대면적화가 가능한 템플레이트 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예는 도 2에서 상술한 제1 양극 산화 공정을 생략하여 공정 시간을 단축함으로써 대량 생산에 유리한 템플레이트 제조 방법에 관한 것이다.
도 3은 물리적 압력을 가하는 스탬프를 이용한 임프린트 공정을 설명하기 위한 도면이다. 특히, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 다공성 템플레이트의 제조 방법에 비교되는 비교예이며, 딤플들(313)을 형성하는 공정 위주로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 딤플들(313)은 스탬프(302)의 나노 패턴들이 금속 기판(303)에 전사될 수 있도록 스탬프(302)를 통해 금속 기판(303)에 압력을 가하는 임프린트 공정을 통해 형성된다. 이 경우, 스탬프(302)는 높은 경도를 갖는 석영(quartz), 질화규소(Si3N4), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 탄화실리콘(SiC) 등에 전자빔 리소그래피(e-beam Lithography)를 이용하여 나노 구조를 패터닝하고, 건식 식각함으로써 형성될 수 있다. 스탬프(302)는 스탬프 홀더(301)에 장착되고, 금속 기판(303)은 기판 홀더(304)에 장착될 수 있다. 스탬프(302)를 통해 기판(303)에 압력이 가해질 수 있도록 기판 홀더(304)에 장착된 금속 기판(303)은 상하로 이동할 수 있다.
상술한 바와 같이 스탬프를 이용한 가압 방식의 임프린트 공정을 통해 딤플들(313)을 형성하는 경우, 제1 양극 산화 처리를 통해 딤플들(213)을 형성하는 도 2의 방식에 비해 공정시간을 단축할 수 있다. 도 3에서 상술한 공정을 통해 딤플들(313)을 형성하는 경우, 정밀한 압력 조절을 위한 고가의 고정밀도 임프린트 장치가 요구된다.
본 발명의 실시 예는 도 3에서 상술한 공정과 다르게 정밀한 압력 조절이 불필요한 임프린트 공정 및 이를 위한 임프린트 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예는 도 3에서 상술한 공정과 다르게 금속 기판에 물리적인 압력을 가하지 않고 딤플들을 형성할 수 있는 템플레이트 제조 방법 및 이를 위한 임프린트 장치에 관한 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 양극 산화 공정을 이용한 나노 기공들 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다. 특히, 도 4a 내지 도 4d는 알루미늄 금속 기판의 양극 산화 공정을 통해 형성되는 나노 다공성 알루미나를 예로 들어 도시한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 표면이 평탄화된 알루미늄 기판(401)을 전해질 용액(405)에 침지시킨다. 전해질 용액(405)은 황산, 질산, 인산 및 옥살산 중 어느 하나를 포함하는 산 전해질 용액일 수 있다.
전해질 용액(405) 내에서 전기 분해 반응이 발생할 수 있도록 알루미늄 기판(401)을 양극으로 하고, 별도의 음극판(미도시)을 음극으로 하여 직류를 흘려준다. 그 결과, 산소이온(O2-)와 수산이온(OH-)이 전해질 용액(405)에서 유입되고, 알루미늄 기판(401) 내에서 알루미늄이 분해되어 알루미늄 이온(Al3 +)이 배출된다. 상술한 산소 이온(O2 -)과 알루미늄 이온(Al3 +)이 결합하여 양극 산화막인 알루미나 막(Al2O3; 403)이 형성된다.
도 4b를 참조하면, 알루미나 막(403) 표면에 딤플들(407)이 존재하는 경우, 외부에서 인가되는 전기장(E)이 딤플들(407)에 집중되어 알루미나 막(403) 표면에 불균일한 전기장(E)이 형성될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 전해질 용액(405)에 인접한 알루미나 막(403) 내에서 전기장(E)이 강한 곳은 알루미나 막(403)의 분해 속도가 빨라 기공들(409)이 급속도로 형성될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 양극 산화 처리 시간이 길어지면서 기공들(409)이 확장될 수 있다. 본 발명의 실시 예는 강한 전기장이 딤플들(407)에 집속될 수 있도록 유도하여 나노 기공들을 형성하는 양극 산화 공정을 이용한다.
이하, 도 5 내지 도 8e를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 임프린트 장치 및 나노 템플레이트 제조 방법에 대해 설명한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시 예들에 따른 임프린트 장치 및 임프린트 공정을 나타내는 도면이다. 도 5 내지 도 7에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따른 임프린트 장치는 스탬프(504)의 표면에 형성된 패턴들을 전기·화학적인 방법을 이용하여 평탄화된 금속 기판(506) 상에 전사한다. 이를 위해, 본 발명의 실시 예들에 따른 임프린트 장치는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 진공 챔버(501), 제어부(502), 스탬프 홀더(503), 스탬프(504), 및 기판 홀더(505)를 포함한다.
진공 챔버(501)는 가스 주입구(509) 및 가스 배기구(510) 사이에 연결될 수 있다. 가스 주입구(509)를 통해 진공 챔버(501) 내에 다양한 가스가 유입될 수 있고, 진공 챔버(501) 내에 유입된 가스는 가스 배기구(510)를 통해 배출될 수 있다. 진공 챔버(501)는 진공 펌프(미도시)에 연결될 수 있으며, 이 경우 진공 챔버(501) 내의 진공도는 다양하게 제어될 수 있다.
제어부(502)는 스탬프 홀더(503) 및 기판 홀더(505)에 연결되어 스탬프(504) 및 금속 기판(506)에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 제어부(502)를 통해 인가되는 전기적인 신호는 전압, 펄스 신호, 교류 신호 또는 직류 신호일 수 있다. 펄스 신호의 주기, 듀티(duty)는 다양하게 제어될 수 있다. 제어부(502)를 통해 인가된 전기적인 신호는 금속 기판(506) 내부에 화합물 영역들(예를 들어, 산화 영역들)이 형성되도록 유도하기 위한 것이다.
스탬프(504)는 스탬프 홀더(503)에 장착되며, 규칙적으로 형성된 패턴들을 포함한다. 스탬프(504)에 전기적인 신호를 인가하기 위해 스탬프(504)는 전도성 물질로 형성된다.
스탬프(504)의 안정성과 내구성을 향상시키고, 과전류를 방지하고, 전기 방전에 대한 안정성을 향상시키기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 스탬프(504)의 표면에 절연체 보호막(601)이 더 형성될 수 있다. 절연체 보호막(601)은 절연 파괴 전압이 높은 물질로 형성된다.
기판 홀더(505)는 스탬프 홀더(503)에 장착된 스탬프(504)의 패턴들 형성 면에 대향 배치된다. 이러한 기판 홀더(505)에는 나노 다공성 템플레이트 제조를 위한 금속 기판(506)이 장착될 수 있다. 기판 홀더(505)는 상하 방향으로 이동될 수 있다.
금속 기판(506)은 표면이 평탄화된 상태에서 임프린트 장치의 기판 홀더(505)에 장착될 수 있다. 표면이 평탄화된 금속 기판(506)이 기판 홀더(505)에 장착되기 전, 도 7에 도시된 바와 같이 금속 기판(506) 표면에 절연체 보호막(701)이 더 형성될 수 있다. 금속 기판(506) 표면에 형성된 절연체 보호막(701)은 스탬프(504)의 손상을 방지하고, 과전류를 방지하고, 전기 방전의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따른 임프린트 장치들을 이용한 임프린트 공정을 구체적으로 설명하면 이하와 같다.
먼저, 표면이 평탄화된 금속 기판(506)을 기판 홀더(505)에 장착하고, 스탬프 홀더(503)에 스탬프(504)를 장착한다. 금속 기판(506)은 개구된 상태이거나, 절연체 보호막(701)으로 덮혀 있는 상태일 수 있다.
이 후, 전기·화학적인 방법을 이용하여 스탬프(504)의 패턴들에 대응하는 금속 기판(506) 내부에 화합물 영역들(507)을 형성한다. 화합물 영역들(507)은 스탬프(504)와 금속 기판(506)이 비접촉된 상태에서 제어부(502)를 통해 스탬프(504)와 금속 기판(506) 사이에 전기 방전을 발생시켜 형성될 수 있다. 이와는 다르게 화합물 영역들(507)은 제어부(502)를 통해 스탬프(504)의 패턴들에 대응하는 금속 기판(506) 내부에 주울열(Joule's Heat)을 발생시켜 형성될 수 있다. 화합물 영역들(507)은 금속 기판(506)을 산화시킨 산화 영역일 수 있다.
전기 방전은 코로나 방전 또는 아크 방전일 수 있다. 전기 방전은 다양한 방식으로 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 전기 방전은 특정 진공도의 진공 상태를 유지하는 진공 챔버(501) 내에서 금속 기판(506)과 스탬프(504)에 제어부(502)를 통해 설정된 전기적인 신호를 인가하고, 금속 기판(506)과 스탬프(504) 사이의 간격을 변화시키면서 발생시킬 수 있다. 이와는 다르게, 전기 방전은 특정 진공도의 진공 상태를 유지하는 진공 챔버(501) 내에서 금속 기판(506)과 스탬프(504) 사이의 간격을 고정하고, 제어부(502)를 통해 금속 기판(506)과 스탬프(504)에 인가되는 전기적인 신호를 변화시키면서 발생시킬 수 있다. 전기적인 신호는 전압을 변경하거나, 펄스 주기를 변경하거나, 펄스 듀티를 변경하여 다양하게 제어될 수 있다. 또는, 전기 방전은 진공 챔버(501) 내에서 금속 기판(506)과 스탬프(504) 사이의 간격을 고정하고, 금속 기판(506)과 스탬프(504)에 제어부(502)를 통해 설정된 전기적인 신호를 인가한 상태에서 진공 챔버(501)의 진공도를 변화시키거나, 진공 챔버(501) 내에 주입되는 가스를 변화시켜 발생시킬 수 있다. 진공 챔버(501) 내에 주입되는 가스를 변경하면, 다양한 혼합 가스를 발생시킬 수 있으며, 혼합 가스의 종류에 따라 전기 방전의 안정성을 향상시키거나, 금속 기판(506) 내에 형성되는 화합물을 변경시킬 수 있다. 보다 낮은 전압에서의 전기 방전을 위해 전기 방전은 진공 챔버(501)를 진공상태로 유지한 상태에서 발생시킬 수 있다.
주울열은 스탬프(504)의 패턴들 금속 기판(506)에 접촉시키고 제어부(502)를 통해 스탬프(504)와 금속 기판(506)에 전압을 인가함으로써 금속 기판(506) 내에 발생될 수 있다. 이 때, 스탬프(504) 또는 금속 기판(506)에 변형을 야기하는 정도의 물리적인 압력이 가해지지 않도록 스탬프(504)와 금속 기판(504)의 거리를 제어한다. 주울열을 발생시키는 공정은 진공 챔버(501) 내에 불활성 가스가 주입된 상태에서 불활성 가스 분위기에서 진행될 수 있다. 불활성 가스로는 아르곤 또는 헬륨이 이용될 수 있다.
상기에서, 금속 기판(506)과 스탬프(504) 사이의 거리는 기계적, 전자기적, 광학적 장치에 의해 조절될 수 있다. 제어부(502)를 통해 공급되는 전기적인 신호, 금속 기판(506)과 스탬프(504) 사이의 거리 및 진공 챔버(501) 내의 진공도는 화합물 영역들(507)의 크기와 간격을 결정하는 변수로 작용될 수 있다. 진공 챔버(501) 내에 주입되는 가스에 따라, 금속 기판(506) 내에 형성되는 화합물 영역들(507)은 산화물로 형성되거나, 질화물로 형성되거나, 그외 다른 화합물로 다양하게 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 스탬프(504) 표면에 절연체 보호막(601)이 형성되어 있거나, 도 7에 도시된 바와 같이 금속 기판(506) 표면이 절연체 보호막(701)이 형성된 경우, 스탬프(504)와 금속 기판(506) 사이의 거리와 진공 챔버(501) 내부의 가스 상태에 따른 과전류 발생을 방지할 수 있다. 이에 따라, 도 6 및 도 7에 도시된 실시 예는 전기 방전의 안정성을 향상시킬 수 있다. 절연체 보호막들(601, 701)의 절연 파괴 전압은 진공 챔버(501) 내부의 진공도에 따라 제어될 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7에 도시된 실시 예는 스탬프(504)의 패턴들과 금속 기판(506)이 직접 접촉하는 것을 방지하여 스탬프(504)의 손상을 방지하여, 스탬프(504)와 금속 기판(506)의 높이 조절에 편의성을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예들에 따른 임프린트 장치는 물리적인 압력을 통해 스탬프(504)의 패턴들은 금속 기판(506)에 전사하는 것이 아니라, 전기·화학적인 방법을 이용하여 스탬프(504)의 패턴들은 금속 기판(506)에 전사하므로 스탬프(504)가 물리적인 압력에 의해 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 실시 예에 따른 템플레이트 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 특히, 도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 실시 예에 따른 전기·화학적인 임프린트 공정을 이용한 템플레이트 제조 방법을 도시한 것이다.
도 8a를 참조하면, 금속 기판(801)을 표면 처리한다. 표면 처리는 금속 기판(801)의 표면을 평탄화하는 공정을 포함한다. 평탄화 공정은 전기 화학적 연마(electrochemical polishing) 방식으로 실시될 수 있다. 평탄화 공정 이후, 금속 기판(801) 상에 도 7에서 상술한 절연체 보호막(701)이 더 형성될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 표면 처리 금속 기판(801) 내에 화합물 영역들(803)을 형성한다. 화합물 영역들(803)은 도 5 내지 도 7을 참조하여 상술한 임프린트 장치들을 이용하여 실시되는 전기·화학적인 임프린트 공정을 통해 형성될 수 있다. 화합물 영역들(803)은 진공 펌프를 이용하여 도 5 내지 도 7에서 상술한 진공 챔버(501) 내부의 공기를 배기한 후, 진공 상태에서 형성될 수 있다. 화합물 영역들(803)은 도 5 내지 도 7에서 상술한 기판 홀더(505)에 표면 처리된 금속 기판(801)을 장착하고, 스탬프 홀더(503)에 스탬프(504)를 장착한 상태에서 형성된다. 화합물 영역들(803)은 진공 챔버(501) 내부에 산소와 질소의 혼합가스를 주입하거나, 아르곤 가스를 주입한 상태에서 형성될 수 있다. 화합물 영역들(803)은 도 5 내지 도 7에서 상술한 바와 같이 전기 방전 또는 주울열을 발생시켜 형성된 산화 영역들일 수 있다.
도 8c를 참조하면, 전기·화학적인 임프린트 공정을 통해 전기 방전 또는 주울열을 발생시켜 형성된 화합물 영역들(803)을 건식 식각 또는 습식 식각으로 제거한다. 그 결과, 금속 기판(801)의 표면에 정렬도가 높은 딤플들(805)이 형성된다.
이 후, 전해질 용액(811)을 수용하는 전해조, 음극판(813) 및 전원 장치(815)를 포함하는 양극 산화 장치 내에 딤플들(805)이 형성된 금속 기판(801)을 배치한다. 딤플들(805)이 형성된 금속 기판(801)은 전해질 용액(811)내에 침지된다. 딤플들(805)이 형성된 금속 기판(801)은 전원 장치(815)의 양극에 연결되고, 음극판(813)은 전원 장치(815)의 음극에 연결된다. 그 결과, 금속 기판(801)의 양극 산화 반응이 발생한다. 금속 기판(801)이 알루미늄인 경우, 음극판(813)은 백금으로 형성될 수 있다. 전해질 용액(811)은 황산, 질산, 인산 및 옥살산 중 어느 하나를 포함하는 산 전해질 용액일 수 있다.
도 8d를 참조하면, 금속 기판(801)의 양극 산화 반응에 의해 금속 기판(801)의 일부가 양극 산화막(807)으로 변한다. 금속 기판(801)이 알루미늄인 경우, 양극 산화막(807)은 알루미나 일수 있다. 알루미늄 막의 양극 산화 공정을 알루미나 막을 형성하는 구체적인 과정은 도 4a에서 상술한 바와 동일하다. 양극 산화막(807)이 형성되는 동안, 전기장(E)이 딤플들(805)의 중심부에 집중된다.
도 8e를 참조하면, 전기장(E)이 집중되어 전기장(E)의 집속도가 높은 곳에서 양극 산화막(807)이 분해되어 기공들(809)이 성장된다. 이로써, 나노 기공들(809)을 포함하는 양극 산화막(807)으로 이루어진 나노 템플레이트가 형성된다. 나노 기공들(809) 바닥면에 형성된 양극 산화막(807)의 일부와 양극 산화되지 않고 잔류하는 금속 기판(801)은 도 1b에서 상술한 바와 같이 제거될 수 있다.
본 발명은 전기·화학적인 방법으로 임프린트 공정을 수행하므로 정밀한 압력 조절이 불필요하며 물리적인 압력이 스탬프에 가해지지 않는다. 이에 따라, 본 발명은 스탬프의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 딤플 형성 영역을 정의하는 전기·화학적인 임프린트 공정을 통해 금속 기판 표면에 금속 산화물뿐만 아니라 다양한 화합물을 형성할 수 있다. 그리고, 본 발명은 금속 기판으로서 알루미늄 뿐 아니라, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W 등을 도입할 수 있다.
101, 211, 215, 409, 809: 기공
102, 102B, 207, 214, 403, 807: 양극 산화막
213, 313, 407, 805: 딤플 507, 803: 화합물 영역
103, 205, 303, 401, 506, 801: 금속 기판 301, 503 : 스탬프 홀더
302, 504 : 스탬프 304, 505 : 기판 홀더
217, 405, 811: 전해질 용액 501 : 진공 챔버
502 : 제어부 508 : 전기방전
509 : 가스 주입구 510 : 가스 배기구
601, 701 : 보호막

Claims (14)

  1. 스탬프의 패턴들이 금속 기판에 대향하도록 상기 금속 기판 상에 상기 스탬프를 배치하는 단계;
    전기·화학적인 방법을 이용하여 상기 금속 기판 내에 상기 스탬프의 패턴들에 대응하는 화합물 영역들을 형성하는 단계;
    상기 화합물 영역들을 제거하여 상기 금속 기판에 딤플들을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 기판을 양극 산화하여 상기 딤플들에 대응하는 영역에 기공(pore)들이 형성된 양극 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 템플레이트 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 영역들을 형성하는 단계는
    상기 금속 기판과 상기 스탬프의 패턴들 사이에 전기 방전을 발생시키는 단계를 포함하는 템플레이트 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 방전은 아크 방전 또는 코로나 방전을 포함하는 템플레이트 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 방전을 발생시키는 단계는
    진공 상태의 챔버 내에서 상기 금속 기판과 상기 스탬프에 설정된 전기적 신호를 인가하고, 상기 금속 기판과 상기 스탬프 사이의 간격을 변화시켜 실시되는 템플레이트 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 방전을 발생시키는 단계는
    진공 상태의 챔버 내에서 상기 금속 기판과 상기 스탬프의 간격을 고정하고, 상기 금속 기판과 상기 스탬프에 인가되는 전기적 신호를 변화시켜 실시되는 템플레이트 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 방전을 발생시키는 단계는
    챔버 내에서 상기 금속 기판과 상기 스탬프의 간격을 고정하고, 상기 금속 기판과 상기 스탬프에 설정된 전기적 신호를 인가하고, 상기 챔버의 진공도를 변화시키거나 상기 챔버 내에 주입되는 가스를 변화시켜 실시되는 템플레이트 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 영역들을 형성하는 단계는
    챔버 내에서 상기 금속 기판과 상기 스탬프의 패턴들을 접촉시키고, 상기 스탬프 패턴들에 접촉된 상기 금속 기판 내에 상기 금속 기판의 산화를 유도하는 주울열(Joule's Heat)이 발생하도록 상기 금속 기판과 상기 스탬프에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 템플레이트 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 기판의 산화를 유도하는 주울열을 발생시키는 단계는
    상기 챔버 내에 불활성 가스가 주입된 상태에서 실시되는 템플레이트 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 영역들을 형성하는 단계는
    상기 스탬프의 패턴들 표면에 절연체 보호막이 형성된 상태에서 실시되는 템플레이트 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 영역들을 형성하는 단계는
    상기 금속 기판의 표면에 절연체 보호막이 형성된 상태에서 실시되는 템플레이트 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 영역들은 상기 금속 기판을 산화시키거나 질화시킨 영역들인 템플레이트 제조방법.
  12. 챔버 내에 형성된 스탬프 홀더;
    상기 스탬프 홀더에 장착되고, 표면에 패턴들이 형성된 스탬프;
    상기 챔버 내에서 상기 스탬프의 패턴들에 대향 배치되는 기판 홀더; 및
    상기 스탬프의 패턴들과, 상기 기판 홀더에 장착되는 금속 기판 사이에 전기 방전을 발생시키거나, 상기 금속 기판 내에 주울열(Joule's Heat)을 발생시키는 제어부를 포함하는 임프린트 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 스탬프는 전도성 물질로 형성된 임프린트 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 스탬프의 표면을 따라 형성된 절연체 보호막을 더 포함하는 임프린트 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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