KR100488049B1 - 나노 임프린트 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몰드를 이용한 성형물 제조 공정에 있어서, 다이아몬드상 카본 필름을 나노 임프린트 공정에 필요한 몰드를 제조하는 데 이용하기 위한 나노 임프린트 제조 방법에 관한 것이다.

요약하여 설명하면, 본 발명에 따른 나노 임프린트 제조 방법은 원하는 패턴이 형성되는 몰드를 제작하는 단계와; 상기 몰드에 형성되어 있는 패턴상에 다이아몬드상 카본 필름을 증착하는 단계와; 상기 다이아몬드상 카본 필름이 증착된 몰드에 폴리머를 도포하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 나노 임프린트 제조 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하면 미세 패턴이 형성되어 있는 몰드 기판과 상기 미세 패턴이 인쇄될 고분자 물질 사이의 계면에서의 접착 현상을 방지하여 성형된 폴리머를 몰드로부터 손상 없이 분리해 폴리머 미세 패턴의 품질을 높일 수 있고 상기 다이아몬드상 카본 필름의 내마모성이 좋기 때문에 몰드의 손상 없이 장기간 반복해서 사용이 가능한 장점이 있다.

Description

나노 임프린트 제조 방법{nano imprint fabrication method}

본 발명은 몰드를 이용한 성형물 제조 공정에 있어서, 다이아몬드상 카본 필름을 나노 임프린트 공정에 필요한 몰드를 제조하는 데 이용하기 위한 나노 임프린트 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 임프린트(imprint) 방법은 폴리머(polymer) 물질의 가공에 아주 오래 전부터 사용되어 온 기술중의 하나이다.

이 방법은 먼저 원하는 형상의 몰드를 금속 재질로 제작한 후, 주 몰드 내부로 폴리머 물질을 도포하여 패턴을 형성하는 기술이다.

이 때, 폴리머 물질은 압력을 가해주는 방법에 의해 몰드 내부로 충진되어야 하므로 유동성을 가져야 한다.

원하는 패턴을 형성하기 위하여 상기 몰드 내부로 폴리머 물질을 충진하고 난 후에는 적절한 시간 혹은 적절한 온도를 가하여 폴리머의 유동성을 제거하여 고형화 시킨 후 상기 고형화된 폴리머 물질을 몰드로부터 분해하면 상기 몰드의 형상을 가지는 고체상의 폴리머 성형물이 만들어진다.

상기와 같은 경우 상기 폴리머 물질이 상기 몰드의 내부 벽면과 접촉하게 되고 몰드 내부 벽 표면에 폴리머 물질이 달라 붙어 공정이 끝난 후에도 쉽게 분리되지 않는다.

최근에는 트랜지스터가 발명되고 수십년 간 눈부신 발전을 거듭한 전자 전기 기술은 21세기 고도 정보 통신 사회의 구현에 발 맞추기 위하여 더 많은 용량의 정보 저장, 더 빠른 정보 처리와 전송, 더 간편한 정보 통신망의 구축을 위해 빠르게 발전해가고 있다.

특히, 주어진 정보 전송 속도의 유한성이라는 조건 하에서, 이러한 요구 조건을 충족시킬 수 있는 한 방법으로서 원자/분자 레벨의 구조 제작, 조작/제어를 통해 그 구성 소자들을 가능한 더욱 작게하여 새로운 기능성을 부여하는 것이 제안되고 있다.

따라서, 이러한 레벨의 소자를 제작할 수 있는 미세 구조 제작 방법(microfabrication)은 현대 과학과 기술에서 중요한 위치를 차지하고 있다.

지금까지 가장 널리 사용되고 있는 미세 구조 제작 기술 중의 하나는 포토리소그래피(photolithography)으로써, 포토레지스트 박막이 입혀진 기판 위에 패턴을 형성시키는 방법이다.

이때 형성되는 패턴의 크기는 광학적 회절 현상에 의해 제한을 받게 되며, 분해능은 거의 사용 광선의 파장에 비례한다.

따라서, 반도체 소자의 집적도가 높아질수록 미세 패턴을 형성하기 위해 파장이 짧은 노광 기술이 요구된다.

그런데, 반도체 소자의 집적도가 커짐에 따라 광학적 방법에 의한 포토레지스트 패턴 형성 방법은 다음과 같은 문제점이 발생된다.

우선, 빛을 사용하여 포토레지스트를 패터닝하므로 빛에 의한 간섭효과의 영향으로 포토레지스트 패턴 자체 또는 패턴 사이에서 물리적인 형태가 달라지게 된다.

여기서, 주로 문제가 되는 것은 포토레지스트 패턴의 CD(critical dimension)의 불균일한 변화이다. 포토레지스트 패턴의 CD가 전체적으로 균일하지 않고 하부막의 영역에 따라 달라지게 되면, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 패터닝되어 형성되는 물질층 패턴도 처음에 원하던 형태와는 다른 형태로 형성된다.

또 다른 문제점은, 공정중에 발생하는 불순물과 포토레지스트가 반응하여 포토레지스트가 침식되어 포토레지스트 패턴이 변하게 된다.

상기 포토레지스트의 침식은 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 패터닝되어 형성되는 물질층 패턴도 처음에 원하던 형태와는 다른 형태를 갖게 된다.

최근에는 반도체 소자의 집적도가 더욱 높아지는 추세이며 그에 따라 미세 패턴을 형성하는 방법에 대한 연구가 더욱 활발해지고 있다.

상기에서 언급한 바와 같이 원자/분자 크기에서 근본적인 물질의 특정한 용도를 결정할 수 있는 구조와 조성을 제어/조작하는 기술의 하나로서, 폴리머(polymer) 물질을 사용하는 방법이 있다.

상기 폴리머는 선택적인 에칭 레지스터, 광학 디바이스, 생화학적 센서, 나아가 티슈 엔지니어링에까지 이르는 폭넓은 응용범위를 가지고 있어 차세대 신소재 개발에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 기대되어 최근 많은 관심의 대상이 되고 있다.

상기와 같이 나노 미터(nanometer) 크기의 미세 패턴을 폴리머 박막을 이용하여 형성하는 데 있어서, 종래 레이저 직접 전사법을 이용하는 방법이 있다.

상기 레이저 직접 전사법은 높은 해상도를 갖는 미세한 패턴을 빠른 속도로 형성시킬 수 있는 방법이다.

물질에 조사되는 레이저 빔은 매우 짧은 시간에 국부적인 온도 상승을 일으켜 물질의 표면에 간섭성 또는 비간섭성 구조를 형성시킨다.

상기 간섭성 구조의 주기성은 사용되는 레이저 변수와 물질 자체의 변수들에 의해 좌우되게 된다.

상기 레이저 빔의 변수로는 스팟 사이즈(spot size), 레이저의 파장 등이 있으며, 그리고 기판의 물질의 변수로서는 입사 빛에 대한 흡수도, 반사도, 열 확산율, 열 전도율 등을 들 수 있다.

상기 레이저 직접 전사법은 광학계의 구성이 간단하고 짧은 시간에 대면적에 걸쳐 폴리머 박막 패터닝에 사용될 수 있으나, 산업적 응용을 위한 저가의 대량 생산에는 부적합하다.

상기 레이저 직접 전사법 외에도 앞서 설명한 바 있는 임프린트 방법을 이용한 미세 패턴 제작 방법이 있다.

상기 나노 스케일로 각인하는 방법(nanoimprint)는 미국 프린스턴 대학교의 스테판 쵸우(Stephen Chou) 등에 의하여 발명된 방법으로 상대적 강도가 강한 물질의 표면에 필요로 하는 형상을 미리 제작하여 이를 다른 물질 위에 마치 도장을 찍듯이 찍어서 패터닝을 시키거나 원하는 형상의 몰드를 제작한 후, 몰드 내부로 폴리머 물질을 도포하여 패턴을 형성하는 방법이다.

상기 나노 임프린트 방법은 생산성이 낮다는 문제점을 극복하여, 나노 크기의 미세 패턴을 대량 제조할 수 있다는 장점이 있다.

상기 나노 임프린트 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 형성 시키는 과정을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

우선, 원하는 폴리머 미세 패턴을 얻기 위하여 MEMS(Micro-Electronic Mechanical System) 공정을 이용하여 몰드를 형성시킨다.

여기서, 상기 MEMS란 반도체 공정 기술이 적용, 상세하게는 구조적으로 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세 공정 기술이 적용되며 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능케 하고, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력(Electrostatic Force)과 표면장력 등을 이용해 전류를 발생시켜 전력소비량을 크게 낮추는 원리를 적용한 시스템이다.

상기 제작된 몰드의 재질은 실리콘 또는 금속 또는 다이아몬드 또는 석영 유리와 같이 재질의 강도가 높은 것으로 한다.

다음으로, 제작된 몰드를 이용하여 상기 몰드 내부로 폴리머 물질을 충진한다.

이 때, 폴리머 물질은 압력을 가해주는 방법에 의해 몰드 내부로 충진되어야 하므로 유동성을 가져야 한다.

이후, 상기 몰드 내부에 충진된 폴리머 물질에 적절한 시간 혹은 적절한 온도를 가하여 상기 폴리머의 유동성을 제거하여 고형화 시킨 후 상기 고형화된 폴리머 물질을 몰드로부터 분해하면 상기 몰드의 형상을 가지는 고체상의 폴리머 성형물이 만들어진다.

이와 같은 방법으로 폴리머 미세 패턴을 형성할 경우에는 앞서 설명한 포토 레지스트 패턴 형성 방법이나 레이저 직접 조사법 등에 비해서 적은 비용으로 대량 생산이 용이하다는 장점을 가지나 몰드 내부 벽 표면에 폴리머 물질이 달라 붙는 접착 현상으로 인해서 공정이 끝난 후에도 쉽게 분리되지 않아 제품의 품질이 저하된다는 문제점이 있다.

본 발명은 폴리머 미세 패턴을 성형하는 방법에 있어서, 미세 패턴이 형성되어 있는 몰드 기판과 상기 미세 패턴이 인쇄될 고분자 물질 사이의 계면에서의 접착 현상으로 인한 폴리머 미세 패턴 품질이 저하되는 것을 막기 위하여 상기 몰드 기판 상에 적절한 물성을 가지도록 제어된 다이아몬드상 카본 필름을 증착시킨 후 고분자 물질을 충진하여 원하는 폴리머 미세 패턴을 형성하는 나노 임프린트 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노 임프린트 제조 방법은 원하는 패턴이 형성되는 몰드를 제작하는 단계와; 상기 몰드에 형성되어 있는 패턴상에 다이아몬드상 카본 필름을 증착하는 단계와; 상기 다이아몬드상 카본 필름이 증착된 몰드에 폴리머를 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서 본 발명에 의하면, 상기 다이아몬드상 카본 필름에 불소를 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 다이아몬드상 카본 필름에 실리콘을 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 몰드 상의 다이아몬드상 카본 필름에 불소 처리를 하여 물성을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 몰드를 제작하는 데 있어서 MEMS(Micro Electronic Mechanical System)를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 폴리머를 도포하는 데 있어서 압출법, 스프레이법, 스핀코팅법을 사용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

일반적으로, 다이아몬드상 카본(diamond-like carbon, DLC)은 다이아몬드와 유사한 특징을 갖는 비정질 탄소로 다이아몬드와 유사한 경도, 내마모성, 고윤활성, 열전도도, 화학적 안정성, 전기 절연성, 그리고 광학적 투과성 등의 우수한 특성을 가지고 있는 재료를 말한다.

또한, 상기 다이아몬드상 카본은 금속에 대한 공격성이 적고 증착 비용이 매우 저렴하여 내마모, 내부식, 윤활코팅으로의 응용가능성이 높다.

특히, 상기 다이아몬드상 카본 필름은 합성 온도가 낮고 표면이 평활하며 물성의 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있으며, 특히 표면 에너지가 매우 낮아서 이종 물질과의 이형성이 우수하고 화학적 안정성이 매우 뛰어나다는 장점을 갖는다.

따라서, 상기 다이아몬드상 카본 필름 표면의 뛰어난 화학적 안정성 때문에 부식에 강하고, 다른 금속과의 내응착성도 우수한 특성을 가질 뿐만 아니라, 매우 평활한 표면조도를 가지고 있기 때문에 윤활 및 내마모 특성이 매우 뛰어나다.

상기 다이아몬드상 카본 필름은 상기와 같이 내마모성 및 윤활성이 뛰어난 특성으로 인해 내마모성 고체 윤활제로의 활용 가능성이 매우 높은 재료이다.

이와 같은 특성을 가지는 다이아몬드상 카본 필름은 결정형태를 가지는 다이아몬드나 흑연과는 달리 비정질의 탄소계 신소재로서 플라즈마 중의 탄소이온이나 활성화된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하여 높은 운동에너지로 기판(제품)에 충돌시킴으로써 코팅이 이루어지는 물질이다.

이런 특이한 코팅환경 때문에 통상적인 코팅조건에서는 얻을 수 없는 새로운 구조와 물성의 코팅층이 형성된다.

상기 다이아몬드상 카본 필름은 PECVD(기상 화학 증착 방법), 이온빔 보조 스퍼터링, RF 마그네트론 스퍼터링, 이온 빔 합성법, 진공 여과 아크 증착, 그리고 레이저 어블레이션 등 매우 다양한 합성 방법에 의해 증착될수 있으며, 어떤 방법에서든 탄소 이온을 형성하고 높은 운동에너지를 이용하여 기판에 증착시키게 된다.

이때, 우수한 물성의 필름을 만들기 위해서는 이온의 충돌에 의해 기판온도가 100˚C이상으로 상승하지 않도록 한다.

한편, 상기와 같은 특성을 가지는 다이아몬드상 카본 필름은 물성 제어가 용이하다는 장점 때문에 증착 조건을 변화시켜 그 표면 특성을 변화시킬 수 있어 다양한 응용이 가능하다.

예를 들면, 불소(F)를 함유하는 다이아몬드상 카본 필름의 경우 표면 에너지가 감소하고 그 경도는 상대적으로 일정하게 유지되고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예로서, 다양한 방법으로 증착된 다이아몬드상 카본 필름의 표면 에너지를 나타내는 표이다.

도 1의 표를 참조하면, 다이아몬드상 카본 필름의 경우에 불소 첨가 및 제 3원소 첨가 등의 실험 조건에 따라 표면 에너지를 변화 시킬 수 있게 된다.

이는 다이아몬드상 카본 필름이 물성의 제어가 용이하다는 특성을 이용한 것이다.

형성하고자 하는 미세 패턴을 가지는 몰드 상에 테프론(PTFE) 코팅을 할 경우에 표면 에너지는 18.5(mN/m)의 낮은 표면 에너지 값을 가지며, 실리콘을 이용할 경우에는 40 ~ 60(mN/m)의 높은 표면 에너지 값을 가진다.

한편, 다이아몬드상 카본 필름(DLC film)의 표면 에너지는 41.3 ~ 43(mN/m)으로 상기 실리콘의 높은 표면 에너지 값과 비슷하다.

그러나, 이와 같은 다이아몬드상 카본 필름에 불소를 함유시키면 그 표면 에너지 값이 19.9 ~ 20(mN/m)로 낮아지게 된다.

상기와 같은 특성으로, 형성하고자 하는 미세 패턴을 가지는 몰드 상에 상기와 같이 불소를 함유시킨 다이아몬드상 카본 필름을 증착시켜, 폴리머 미세 패턴을 얻기 위한 나노 임프린트 공정시에 도포되는 폴리머를 분리할 경우 상기 고형화된 폴리머를 손상 없이 쉽게 분리할 수 있는 장점이 있다.

상기 다이아몬드상 카본 필름에 첨가하는 원소는 불소(F)뿐 아니라 상기 다이아몬드상 카본 필름의 표면 에너지를 낮출 수 있도록 물성을 조절할 수 있는 다른 제 3의 원소를 사용하는 것도 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 나노 임프린트 제조 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하는 과정을 보여주는 도면이다.

이 때, 상기 나노 임프린트용 몰드는 얻고자 하는 폴리머 미세 패턴의 요철과 반대로 형성하며, 상기 몰드의 재질은 실리콘 또는 금속 또는 다이아몬드 또는 석영 유리와 같이 재질의 강도가 높은 것으로 한다.

도 2의 (a)는 포토 공정과 식각 공정 및 MEMS 공정을 이용하여 원하는 패턴이 형성된 몰드(100)의 모식도이다.

(a)의 공정에서 몰드(100) 패턴의 모양은 제작하고자 하는 폴리머의 패턴 모양에 따라 다양하게 제작될 수 있다.

이어서 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 패턴이 형성되어 있는 몰드(100) 상에 다이아몬드상 카본 필름(110)을 증착한다.

(b)의 공정에서, 상기 다이아몬드상 카본 필름(110)을 몰드(100)에 증착하기 위한 방법으로는 PECVD(기상 화학 증착 방법), 이온빔 보조 스퍼터링, RF 마그네트론 스퍼터링, 이온 빔 합성법, 진공 여과 아크 증착, 그리고 레이저 어블레이션 등 매우 다양한 증착 방법이 사용될 수 있다.

상기의 방법에 따라 증착되는 필름의 물성이 변하기 때문에 적절한 방법을 선택한다.

이 때 사용되는 다이아몬드상 카본 박막은 폴리머를 몰드로부터 용이하게 분리할 수 있도록 한 물성을 가지는 필름이며, 이를 위해 실리콘 또는 불소 등의 제 3 원소가 함유될 수 있다.

또한, 상기 몰드(100) 상에 증착된 다이아몬드상 카본 필름(110) 표면을 불소 처리하여 표면 에너지를 낮출 수도 있다.

다음으로 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 다이아몬드상 카본 필름(110)이 증착되어 있는 몰드(100) 내부에 폴리머(120)를 도포한다.

(c)의 공정에서 상기 폴리머(120)를 도포하는 방법으로는 일반적으로 사용되는 압출법, 스프레이법, 스핀코팅법 등이 사용된다.

상기 폴리머(120)를 도포한 후 경화시키는 방법은 사용된 폴리머(120)의 종류에 따라 변하게 되며, 일반적으로는 열경화, UV 경화 등이 사용된다.

최종적으로 상기 몰드(100)로부터 경화된 고형상의 폴리머(120)를 분리하여 도 2의 (d)와 같이 원하는 패턴을 가지는 폴리머(120)를 얻는다.

상기와 같은 방법으로 성형된 폴리머(120)는 다이아몬드상 카본 필름(110)이 코팅되지 않은 몰드(100)에 비해 손상 없이 원하는 패턴을 몰드(100)로부터 분리할 수 있으며, 또한 다이아몬드상 카본 필름(110)이 내마모성이 좋기 때문에 몰드(100)의 손상 없이 장기간 사용이 가능하다는 장점이 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 나노 임프린트 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명은 나노 임프린트 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하는 방법에 있어서, 미세 패턴이 형성되어 있는 몰드 기판과 상기 미세 패턴이 인쇄될 고분자 물질 사이의 계면에서의 접착 현상을 방지하여 성형된 폴리머를 몰드로부터 손상 없이 분리해 폴리머 미세 패턴의 품질을 높이는 효과가 있다.

또한, 나노 임프린트 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하기 위하여 제작한 몰드와 몰드 상에 증착시킨 다이아몬드상 카본 필름의 내마모성이 좋기 때문에 몰드의 손상 없이 장기간 반복해서 사용이 가능하여 미세 패턴 제작시 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예로서, 다양한 방법으로 증착된 다이아몬드상 카본 필름의 표면 에너지를 나타내는 표.

도 2는 본 발명에 따른 나노 임프린트 제조 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하는 과정을 보여주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

100 : 몰드 110 : 다이아몬드상 카본 필름

120 : 폴리머

Claims (6)

1. 원하는 패턴이 형성되는 몰드를 제작하는 단계와;

   상기 몰드에 형성되어 있는 패턴상에 다이아몬드상 카본 필름을 증착하는 단계와;

   상기 다이아몬드상 카본 필름이 증착된 몰드에 폴리머를 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 다이아몬드상 카본 필름에 불소를 첨가하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 다이아몬드상 카본 필름에 실리콘을 첨가하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리머를 도포하는 단계 이전에, 상기 몰드 상의 다이아몬드상 카본 필름에 불소 처리를 하여 물성을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 몰드를 제작하는 데 있어서 MEMS(Micro Electronic Mechanical System)를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 제조 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리머를 도포하는 데 있어서 압출법, 스프레이법, 스핀코팅법을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트 제조 방법.