KR101009340B1

KR101009340B1 - 나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법

Info

Publication number: KR101009340B1
Application number: KR1020090051025A
Authority: KR
Inventors: 최준혁; 김기돈; 이지혜; 최대근; 정준호; 최두선
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2011-01-19
Also published as: KR20100132282A

Abstract

본 발명은 나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법에 관한 것으로서, 본 발명의 나노입자 박막 제조방법은, 나노입자와 폴리머 매트릭스가 혼합된 나노입자 혼합레진을 기판 상에 적층하는 혼합레진 적층단계; 상기 나노입자 혼합레진에서 용매를 제거하는 용매 제거단계; 및 무패턴 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 가압 및 경화시킴으로써, 이웃하는 나노입자들이 상기 폴리머 매트릭스 내에서 이격되게 배열되는 나노입자 박막을 성형하는 가압경화단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법{Method for fabricating nanoparticle layer and Method for preparing nano imprinting stamp using the same}

본 발명은 나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노입자가 혼합된 레진을 기판 상에 도포하여 기판 상에 나노입자 박막을 성형하는 나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법에 관한 것이다.

나노기술(NT; Nano Technology)은 정보기술(IT; Information Technology) 및 생명공학기술(BT; Bio Technology)과 더불어 21세기 산업 발전을 주도할 새로운 패러다임의 기술로서 주목받고 있다. 이러한 나노기술은 물리학, 화학, 생물학, 전자공학 및 재료공학 등 여러 과학기술 분야와 융합되어, 기존 기술의 한계를 극복하고서 인류의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.

나노기술은 접근 방법에 따라 크게 탑다운(Top-down) 접근 방식과, 바텀업(Bottom-up) 접근 방식으로 나누어진다. 탑다운 접근 방식은 지난 수십 년 동안 발전되어 온 반도체 집적 소자의 역사에서 볼 수 있듯이 기존의 미세구조 제작 기 술을 나노미터 스케일까지 더욱 발전시켜 정보 저장 용량 및 정보 처리 속도의 증대를 지속하고자 하는 기술이다. 이에 반해, 바텀업 접근 방식은 물질을 원자 혹은 분자 단위 수준에서 제어하거나 자발적인 나노 구조 현상을 이용하여 기존의 기술로는 불가능한 새로운 물리적, 화학적 성질을 유도하고 이를 이용하여 새로운 소재 및 소자를 제작하도록 하는 기술이다.

탑다운 접근 방식의 대표적인 예로는 기존의 반도체 소자 제조 공정에 사용되고 있는 광학 리소그래피(Optical Lithography) 기술이 있다. 정보 기술 혁명으로 일컬어지는 20세기의 기술 발전은 반도체 소자의 소형화 및 집적화에 크게 의존해 왔으며, 이러한 반도체 소자 제조 공정의 핵심 기술이 바로 광학 리소그래피 기술이다. 하지만, 광학 리소그래피 기술은 빛의 회절 및 굴절에 의한 특성으로 레이저의 선폭 한계로 100nm 이하의 피치 제작이 어렵다는 단점이 있어서, 최근 나노 임프린트(Nano Imprint) 기술을 이용한 공정 개발이 시도되고 있다.

나노 임프린트 기술은 1990년 중반 미국 프린스턴 대학교의 스테판 츄 교수에 의해 도입된 나노 소자 제작 방법으로서, 전자 빔 리소그래피의 낮은 생산성과 고가의 광학 리소그래피 장비의 단점을 보완할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 즉, 나노 임프린트 기술은 나노 스케일의 패턴을 갖는 스탬프를 제작하고, 이런 스탬프를 고분자 박막에 각인하여 나노 스케일의 패턴을 전사(轉寫)한다.

도 1은 종래의 나노 임프린트용 스탬프의 제조방법을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 나노 임프린트용 스탬프를 이용한 종래의 나노 임프린트 리소그래피 공정을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 나노 임프린트용 스탬프의 제조방법 중 나노콜로이드를 이용하는 방법은, 우선, 스핀코팅 등의 도포 공정을 통해 나노입자(11)를 기판(12) 상에 적층하는데, 나노입자(11)가 서로 접촉되어 있는 나노입자 단일막(13)을 형성한다(도 1(a)). 이후, 나노입자 단일막(13)을 식각하여 이웃하는 나노입자(11)가 서로 이격되게 배열되는 분리박막(14)을 형성하여 기판(12)을 노출시킨다(도 1(b)). 이후, 기판(12)을 식각하여 나노기둥(21) 및 나노홀(22)이 교대로 배치되는 나노패턴(23)을 성형하며(도 1(c)), 나노기둥(21) 상에 잔존하는 나노입자(11)를 제거함으로써, 나노 임프린트용 스탬프(30)를 제조할 수 있다(도 1(d)).

도 2를 참조하면, 종래의 나노 임프린트 리소그래피 공정은, 우선 나노 임프린트용 스탬프(30)와, 상면에 레진(42)이 도포된 임프린트 기판(41)을 마련한다(도 2(a)). 이후, 나노 임프린트용 스탬프(30)의 나노패턴(23)과 레진(42)이 마주보도록 배치한 후, 나노 임프린트용 스탬프(30)를 레진(42)에 각인한다(도 2(b)). 이후, 나노 임프린트용 스탬프(30)를 분리하면 나노 임프린트용 스탬프(30)의 나노패턴(23)은 레진(42) 상에 전사되어 레진(42)의 상면에는 나노패턴(43)이 형성된다.

그러나, 종래기술에서는 나노입자 간 작용력으로 인해 이웃하는 나노입자가 연속적으로 접촉되어 있는 나노입자 박막이 형성되는데, 이는 추후 기판 식각을 위해 1차적으로 이웃하는 나노입자가 서로 이격되게 배열되도록 식각하여 기판을 노출시키고, 2차적으로 노출된 기판 영역을 식각하는 다소 복잡한 식각 공정이 필요한 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판 상에 나노입자가 분산된 박막의 성형 시, 박막을 가압하여 이웃하는 나노입자들이 레진 내에서 이격되게 배열되도록 함으로써, 복잡한 다단계의 식각 공정을 수행하지 않고 제조공정을 단순화시킬 수 있는 나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 나노입자 박막 제조방법은, 나노입자와 폴리머 매트릭스가 혼합된 나노입자 혼합레진을 기판 상에 적층하는 혼합레진 적층단계; 상기 나노입자 혼합레진에서 용매를 제거하는 용매 제거단계; 및 무패턴 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 가압 및 경화시킴으로써, 이웃하는 나노입자들이 상기 폴리머 매트릭스 내에서 이격되게 배열되는 나노입자 박막을 성형하는 가압경화단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에 따른 나노입자 박막 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 나노입자는 실리카 또는 금속성 입자이며, 상기 폴리머 매트릭스는 자외선이 조사되면 경화되는 레진이다.

본 발명에 따른 나노입자 박막 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 무패턴 평판은 자외선을 투과시키는 자외선 투과성 평판이며, 상기 가압경화단계는, 상기 자외선 투과성 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 가압하면서 상기 나노입자 혼합레진 측으로 자외선을 조사하여 상기 나노입자 혼합레진을 경화시킨다.

본 발명에 따른 나노입자 박막 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 나노입자 혼합레진에서, 상기 레진에 대한 상기 나노입자의 체적비는 실질적으로 20% 이하이다.

본 발명에 따른 나노입자 박막 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 가압경화단계는, 상기 무패턴 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 10 bar 이상의 압력으로 가압한다.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 나노 임프린트용 스탬프 제작방법은, 제1항에 의해 제조된 나노입자 박막이 형성된 기판을 이용하는 것으로서, 상기 나노입자 박막 내에서 상기 나노입자 사이의 폴리머 매트릭스를 식각하여 상기 기판을 노출시키는 기판 노출단계; 상기 기판을 식각함으로써, 나노기둥 및 나노홀이 교대로 배치되는 나노패턴을 상기 기판 상에 형성하는 나노패턴 형성단계; 상기 나노기둥 상에 잔존하는 폴리머 매트릭스를 제거하는 폴리머 제거단계; 상기 나노패턴이 형성된 기판상에 금속 물질을 적층하여 나노 임프린트용 스탬프를 형성하는 스탬프 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 나노입자 박막 제조방법에 따르면, 기판 상에 나노입자가 분산된 박막을 도포하고 성형할 때, 자외선을 이용한 광경화와 함께 나노입자 박막에 압력을 가하여 나노입자들이 레진 내에서 이격되게 배열되도록 함으로써, 복잡한 다단계의 식각 공정을 수행하지 않고 제조공정을 단순화시킬 수 있다.

또한 본 발명의 나노입자 박막 제조방법에 따르면, 나노입자 혼합레진을 스핀 코팅에 의해 증착할 때 낮은 회전속도로도 증착할 수 있으므로, 고속회전 시 발생하는 진동, 편심 등의 문제를 방지할 수 있고, 진동 및 편심 등으로 인해 발생할 수 있는 박막의 불균일성 문제를 개선할 수 있다.

한편, 본 발명의 나노 임프린트용 스탬프 제작방법에 따르면, 나노입자가 이격되게 배열된 박막을 성형하고 그 나노입자 박막이 형성된 기판을 이용하여 나노 임프린트용 스탬프 제작함으로써, 복잡한 다단계의 식각 공정을 수행하지 않고 제조공정을 단순화시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 나노입자 박막 제조방법 및 이를 이용하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 나노입자 박막 제조방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예의 나노입자 박막 제조방법은, 혼합단계(S110)와, 혼합레진 적층단계(S120)와, 용매 제거단계(S130)와, 가압경화단계(S140)를 포함한다.

상기 혼합단계(S110)에서는, 나노입자(111)가 분산된 나노입자 용액(110)과 폴리머 매트릭스를 혼합하여 나노입자 혼합레진(130)을 마련한다. 본 실시예에서, 나노입자(111)는 실리카 또는 금속성 입자이며, 폴리머 매트릭스는 자외선이 조사되면 경화되는 자외선 경화성 레진(120)인 것이 바람직하다.

나노입자 혼합레진(130)의 합성 시, 나노입자(111)와 자외선 경화성 레진(120)의 화학적 결합이 이루어지는 것이 이상적이겠지만, 이러한 화학적 결합을 가능하게 하는 화학적 특성을 가진 레진(120)의 선택이 어려울 때에는 나노입자(111)의 밀도와 유사한 밀도를 가지는 레진(120)의 선택으로도 일정기간 동안 나노입자 혼합레진(130)은 화학적 안정성을 유지할 수 있다.

이때, 나노입자(111)에 적절한 표면처리를 하여 나노입자(111) 간 서로 분리가 유지될 수 있도록 하며, 레진(120) 내의 나노입자(111)의 체적비는 최종적인 박막 내의 나노입자(111) 구성비율을 고려하여 최소한으로 유지하는 것이 바람직하다. 본 실시예에 있어서, 나노입자 혼합레진(130)에서 나노입자간 간격을 고려하여 레진(120)에 대한 나노입자(111)의 체적비를 실질적으로 20% 이하 정도로 유지한다.

상기 혼합레진 적층단계(S120)에서는, 나노입자 혼합레진(130)을 기판(140) 상에 적층한다. 나노입자 혼합레진(130)은 기판(140)의 일면에 스핀(spin) 코팅되어, 균일한 코팅 두께로 유지된다.

상기 용매 제거단계(S130)에서는, 나노입자 혼합레진(130)에서 나노입자 용액(110)의 용매(112)를 제거한다. 나노입자 혼합레진(130)이 도포된 기판(140)에 열을 가하여 나노입자 용액(110) 내부에서 나노입자(111)와 함께 존재하던 용매(112)를 증발시킨다.

상기 가압경화단계(S140)에서는, 무패턴 평판(150)으로 나노입자 혼합레진(130)을 가압 및 경화시킴으로써, 이웃하는 나노입자(111)들이 레진(120) 내에서 이격되게 배열되는 나노입자 박막(160)을 성형한다. 이때 레진(120) 내에서 이격되게 배열되는 나노입자(111)들은 도 3(e)에 도시된 바와 같이, 단층 구조를 가진다.

본 실시예에서는 나노입자 혼합레진(130)을 가압하는 무패턴 평판(150)으로는 자외선을 투과시키는 자외선 투과성 평판을 이용하며, 이때 나노입자 혼합레 진(130)을 약 10 bar 이상의 압력으로 가압하는 것이 바람직하다.

나노입자 혼합레진(130)의 상측에서 자외선 투과성 평판을 이용하여 나노입자 혼합레진(130)을 가압하고, 나노입자 혼합레진(130)의 상측에서 조사된 자외선은 자외선 투과성 평판을 투과하여 나노입자 혼합레진(130)에 도달하여 나노입자 혼합레진(130)을 광경화시킨다.

본 실시예의 나노입자 박막 제조방법을 통해, 내부에서 이웃하는 나노입자(111)들이 서로 이격되게 분리 배열되는 나노입자 박막(160)을 얻을 수 있는데, 이와 같은 나노입자 박막(160)을 얻을 수 있는 물리적 메커니즘은 다음의 두 가지로 정리될 수 있다. 첫째, 자외선을 조사하여 레진(120)을 경화시킬 때 전체적으로 레진(120)에는 수축 현상이 발생한다. 이러한 레진(120)의 수축은 레진(120) 내부에 존재하는 나노입자(111)에 수직방향으로의 압력을 발생시킨다. 그리고 둘째, 자외선 경화와 동시에 무패턴 평판(150)으로 나노입자 혼합레진(130)을 가압하게 되면 자외선 경화 과정에서 발생하는 수직 압축력을 배가시켜 나노입자(111) 간 분리가 촉진된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 나노입자 박막 제조방법은, 기판 상에 나노입자가 분산된 박막을 도포하고 성형할 때, 자외선을 이용한 광경화와 함께 나노입자 박막에 압력을 가하여 나노입자들이 레진(120) 내에서 이격되게 배열되도록 함으로써, 복잡한 다단계의 식각 공정을 수행하지 않고 제조공정을 단순화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 나노입자 박막 제조방법은, 나노입자 혼합레진을 스핀 코팅에 의해 증착할 때 낮은 회전속도로도 증착할 수 있으므로, 고속회전 시 발생하는 진동, 편심 등의 문제를 방지할 수 있고, 진동 및 편심 등으로 인해 발생할 수 있는 박막의 불균일성 문제를 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 4는 도 3의 나노입자 박막 제조방법을 이용하여, 본 발명의 나노 임프린트용 스탬프 제작방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 나노 임프린트용 스탬프 제작방법은, 도 3(e)에 도시된 나노입자 박막이 형성된 기판을 이용하는 것으로서, 기판 노출단계(S150)와, 나노패턴 형성단계(S160)와, 폴리머 제거단계(S170)와, 스탬프 형성단계(S180)와, 분리단계(S190)를 포함한다.

상기 기판 노출단계(S150)에서는, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 나노입자 박막(160) 내의 폴리머 매트릭스, 즉 나노입자(111) 사이에 위치하는 레진(120)을 식각하여 식각된 영역에서 기판(140)을 노출시킨다. 이때 레진(120)의 식각은 산소건식식각 방식에 의해 수행된다.

상기 나노패턴 형성단계(S160)에서는, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 기판(140)을 식각함으로써, 나노기둥(141) 및 나노홀(142)이 교대로 배치되는 나노패턴(143)을 기판(140) 상에 형성한다. 이때, 기판(140)의 재질에 따라 가스 및 플라즈마의 파워를 다르게 선택한다.

본 실시예에서 기판(140)의 식각은 이방성 식각(anisotropic etching)에 의해 수행되며, 나노입자(111)와 기판(140)의 식각 선택비는 거의 유사하여 기 판(140) 식각시에 나노입자(111)도 함께 제거된다. 한편, 기판(140)이 식각되는 동안 나노입자(111)는 식각되지 않고 식각 장벽으로 작용하여 기판(140)의 식각 이후에 별도로 나노입자(111)를 제거하는 공정을 수행할 수도 있다.

상기 폴리머 제거단계(S170)에서는, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 산소건식식각 방식을 이용하여 나노기둥(141) 상에 잔존하는 레진(120)을 제거하여, 나노기둥(141)과 나노홀(142)이 노출되도록 한다.

상기 스탬프 형성단계(S180)에서는, 우선 도 4(d)에 도시된 바와 같이 나노패턴(143)이 형성된 기판(140) 상에 금속 기저층(171)을 증착하고, 이후 도 4(e)에 도시된 바와 같이 전해도금공정 등을 통하여 금속 기저층(171)과 동일한 금속 물질을 적층하여 나노 임프린트용 스탬프(170)를 형성한다. 이와 같이 형성된 나노 임프린트용 스탬프(170)에는 기판(140)의 나노패턴(143)이 그대로 전사된다. 부재번호 173은 나노 임프린트용 스탬프(170)의 나노패턴이다.

상기 분리단계(S190)에서는, 도 4(f)에 도시된 바와 같이, 완성된 나노 임프린트용 스탬프(170)를 기판(140)으로부터 분리한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 나노 임프린트용 스탬프 제작방법은, 나노입자가 이격되게 배열된 박막을 성형하고 그 나노입자 박막이 형성된 기판을 이용하여 나노 임프린트용 스탬프 제작함으로써, 복잡한 다단계의 식각 공정을 수행하지 않고 제조공정을 단순화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

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본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 종래의 나노 임프린트용 스탬프의 제조방법을 도시한 도면이고,

도 2는 도 1의 나노 임프린트용 스탬프를 이용한 종래의 나노 임프린트 리소그래피 공정을 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명의 나노입자 박막 제조방법의 일 실시예를 도시한 도면이고,

도 4는 도 3의 나노입자 박막 제조방법을 이용하여, 본 발명의 나노 임프린트용 스탬프 제작방법의 일 실시예를 도시한 도면이고,

삭제

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 나노입자 용액 111: 나노입자

112: 용매 120: 레진

130: 나노입자 혼합레진 140: 기판

150: 무패턴 평판 160: 나노입자 박막

Claims

나노입자와 폴리머 매트릭스가 혼합된 나노입자 혼합레진을 기판 상에 적층하는 혼합레진 적층단계;

상기 나노입자 혼합레진에서 용매를 제거하는 용매 제거단계; 및

무패턴 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 가압 및 경화시킴으로써, 이웃하는 나노입자들이 상기 폴리머 매트릭스 내에서 이격되게 단층으로 배열되는 나노입자 박막을 성형하는 가압경화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 박막 제조방법.
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제1항에 있어서,

상기 나노입자는 실리카 또는 금속성 입자이며,

상기 폴리머 매트릭스는 자외선이 조사되면 경화되는 레진인 것을 특징으로 하는 나노입자 박막 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 무패턴 평판은 자외선을 투과시키는 자외선 투과성 평판이며,

상기 가압경화단계는,

상기 자외선 투과성 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 가압하면서 상기 나노입자 혼합레진 측으로 자외선을 조사하여 상기 나노입자 혼합레진을 경화시키는 것을 특징으로 하는 나노입자 박막 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 나노입자 혼합레진에서, 상기 레진에 대한 상기 나노입자의 체적비는 실질적으로 20% 이하인 것을 특징으로 하는 나노입자 박막 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 가압경화단계는,

상기 무패턴 평판으로 상기 나노입자 혼합레진을 10 bar 이상의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 나노입자 박막 제조방법.
제1항에 의해 제조된 나노입자 박막이 형성된 기판을 이용하는 것으로서,

상기 나노입자 박막 내에서 상기 나노입자 사이의 폴리머 매트릭스를 식각하여 상기 기판을 노출시키는 기판 노출단계;

상기 기판을 식각함으로써, 나노기둥 및 나노홀이 교대로 배치되는 나노패턴을 상기 기판 상에 형성하는 나노패턴 형성단계;

상기 나노기둥 상에 잔존하는 폴리머 매트릭스를 제거하는 폴리머 제거단계;

상기 나노패턴이 형성된 기판상에 금속 물질을 적층하여 나노 임프린트용 스탬프를 형성하는 스탬프 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 임프린트용 스탬프 제작방법.
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