KR102257552B1 - 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법 - Google Patents

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KR102257552B1 KR1020190174130A KR20190174130A KR102257552B1 KR 102257552 B1 KR102257552 B1 KR 102257552B1 KR 1020190174130 A KR1020190174130 A KR 1020190174130A KR 20190174130 A KR20190174130 A KR 20190174130A KR 102257552 B1 KR102257552 B1 KR 102257552B1
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한윤수
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Abstract

본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 복수 개의 금속 전극과, 상기 복수 개의 금속 전극 상부에 형성된 엘라스토머층과, 상기 엘라스토머층 표면으로부터 상부로 돌출된 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하며, 상기 피라미드 모양의 팁은 상기 엘라스트머층과 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 팁 어레이가 인쇄대상물의 표면에 닿지 않고 정렬이 이루어질 수 있다.

Description

다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법{Manufacturing method of arrayed tip based pattern lithography device}
본 발명은 패턴 인쇄 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 팁 어레이가 인쇄대상물의 표면에 닿지 않고 정렬이 이루어질 수 있는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스캐닝 프로브 기반 나노 리소그래피는 지난 30년간 개발되어왔다. 1999년 Mirkin과 동료들이 DPN(dip-pen nanolithography)을 발명했다. DPN 방법에서, 분자는 예리한 스캐닝 프로브 팁에서 물 메니스커스(water meniscus)를 통해 기록 표면으로 옮겨져 수 나노미터만큼 작은 피처를 생성한다. 단일 DPN 펜의 처리량은 제한되어 있지만 DPN 프로브 배열을 사용하면 쓰기 속도를 크게 높일 수 있다. DPN 프로브의 1 차원 및 2 차원 어레이는 모두 나노 스케일 패터닝의 처리량 및 복잡성을 증가시키기 위해 개발되었다. DPN은 광범위하게 정의된 팁 기반 나노리소그래피(TBN) 제품군을 대표하며, 이는 나노 재료 및 생체 재료에 고유한 패터닝 기능을 제공할 수 있다.
기존의 DPN 프로브는 실리콘 및 실리콘 질화물과 같은 단단한 재료로 만들어졌다. 이들은 스프링 역할을 하는 캔틸레버에 부착된다. 캔틸레버 표면은 광학 피드백에 사용되어 위치를 측정하고 표면과의 접촉 이벤트를 감지한다. 필연적으로, 캔틸레버는 원하는 스프링 상수를 제공하기에 충분한 길이를 가져야 한다. 따라서, 스프링이 있으면 스캐닝 팁을 얼마나 가깝게 포장할 수 있는지 제한한다.
PPL(Polymer Pen Lithography) 방법은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 팁을 사용한다. 소프트 PDMS가 프로브 팁 재료이므로 캔틸레버 스프링이 제거된다. 고밀도 프로브 어레이를 실현할 수 있다. 예를 들어, 20㎠를 차지하는 수십 미크론 규모의 고밀도 2D 팁 어레이가 보고되었다. 패시브 어레이를 사용하면 팁 수만큼 동시에 특정 패턴을 복제할 수 있다. 액티브 PPL 프로브를 사용하여 독립적인 팁 결합을 달성할 수도 있다.
PPL의 한 가지 일반적인 화학은 팁을 사용하여 티올 분자를 금 박막의 상단으로 옮기고 티올 분자를 금 필름의 습식 식각에 대한 마스크로 사용하는 것이다. 인쇄된 피처의 치수는 접촉력의 함수이다. 이는 유리한 제어 메커니즘 또는 단점으로 볼 수 있다. 큰 배열의 경우 작은 각도 정렬 불일치로 인해 배열에서 수직 간격의 큰 불일치가 발생할 수 있다. 어레이 전체에서 동일한 피처 크기를 생성하려면 전체 패터닝 영역에서 팁과 표면을 정확하게 균등하게 분리하는 것이 중요하다.
광학 레버는 종종 단일 팁을 위한 면까지의 거리 정보를 제공하는데 사용된다. 그러나, PDMS(Polydimethylsiloxane)로 만들어진 2D 팁 어레이는 광학 반사 기술의 사용을 지원하지 않는다. 실제로 사용할 수 있는 유일한 방법은 광학 현미경을 통해 표면에 있는 팁의 접촉 영역을 관찰하거나 반응성 접촉력을 모니터링 하는 것이다. 그러나, 두 방법 모두 팁 어레이와 면 사이의 전 접촉이 필요하다. 따라서, 오염 및 의도하지 않은 패터닝 위험이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1093399호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 팁 어레이가 인쇄대상물의 표면에 닿지 않고 정렬이 이루어질 수 있는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 복수 개의 금속 전극과, 상기 복수 개의 금속 전극 상부에 형성된 엘라스토머층과, 상기 엘라스토머층 표면으로부터 상부로 돌출된 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하며, 상기 피라미드 모양의 팁은 상기 엘라스트머층과 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 제공한다.
상기 엘라스토머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 엘라스토머층은 10∼500㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 피라미드 모양의 팁은 1∼50㎛의 높이를 이루고 있는 것이 바람직하다.
상기 금속 전극은 10㎚∼5㎛의 두께로 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 Au 금속을 진공 열증착하여 형성될 수 있다.
상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄하기 위한 장치일 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 제1 기판을 준비하는 단계와, (b) 상기 제1 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)를 형성하는 단계와, (c) 상기 역 피라미드 피트가 형성된 제1 기판 표면에 엘라스토머를 코팅하여 엘라스토머층을 형성하는 단계와, (d) 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하는 엘라스토머층을 상기 제1 기판으로부터 분리해내는 단계와, (e) 제2 기판에 복수 개의 금속 전극을 형성하는 단계 및 (f) 상기 제1 기판으로부터 분리해낸 엘라스토머 층을 금속 전극이 형성된 제2 기판에 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 엘라스토머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 엘라스토머층은 10∼500㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 피라미드 모양의 팁은 1∼50㎛의 높이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제1 기판은 실리콘(Si) 기판 또는 감광성 유리 기판을 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 실리콘 기판를 열처리하여 표면에 실리콘산화물층을 형성하는 단계와, 상기 실리콘산화물층 상부에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘산화물층을 선택적으로 식각하여 실리콘산화물 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와, 상기 실리콘산화물 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)를 형성하는 단계 및 상기 실리콘산화물 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법을 제공한다.
상기 실리콘산화물층의 선택적 식각은 HF 용액을 사용할 수 있고, 상기 실리콘 기판의 선택적으로 이방성 식각은 KOH 용액을 사용할 수 있다.
상기 (e) 단계는, 상기 제2 기판에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 제2 기판 상부에 금속을 증착하는 단계 및 상기 포토레지스트 패턴 상부의 금속과 포토레지스트 패턴을 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속을 증착하는 단계는, Ti 금속을 진공 열증착한 후, Au 금속을 진공 열증착하는 단계를 포함할 수 있다.
10㎚∼5㎛의 두께로 상기 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 상기 Au 금속을 진공 열증착하여 상기 금속 전극이 형성될 수 있다.
상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄하기 위한 장치일 수 있다.
본 발명에 의하면, 팁 어레이가 인쇄대상물의 표면에 닿지 않고 정렬이 이루어질 수 있다.
도 1 내지 도 12는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 13은 전도성 금속판(인쇄 대상물)의 각도 변수(angular variation)를 식별하기 위한 커패시터 센서의 다이어그램을 보여주며, 두 커패시턴스의 차이는 전도성 금속판의 기울임 정도(degree of tilting)를 나타낸 도면이다.
도 14는 개별 커패시터에서 두 평행판(금속 전극과 전도성 금속판) 사이의 거리 관계는 나타낸 도면이다.
도 15는 정전용량 센서의 레이아웃(layout) 및 광학 이미지(optical image)를 보여주는 도면이다.
도 16은 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 전동식 Z 스테이지(Step Motor controlled z-axis stage)에 고정된 금속빔(metal beam)에 장착한 모습을 보여주는 도면이다.
도 17은 소프트웨어 인터페이스 패널의 해당 캡처 이미지를 보여주는 도면이다.
도 18은 이격 거리가 멀어짐에 따라 커패시턴스가 감소하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 19는 팁이 전도성 금속판에 가압될 때 팁의 접촉면적과 형상 변화를 보여주는 도면이다.
도 20은 전도성 금속판의 기울임 각도에 따른 팁의 접촉 영역 변화를 보여주는 도면이다.
도 21은 전도성 금속판의 기울임 각도에 대한 정전용량 센서의 민감도를 보여주는 도면이다.
도 22는 2×2 ㎟ 크기에 균일하게 인쇄된 상태를 직접적으로 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서, '나노'라 함은 1㎚ 이상이고 1㎛ 보다 작은 나노미터(㎚) 단위의 크기를 의미하는 것으로 사용하고, '나노 패턴'이라 함은 나노 크기를 갖는 패턴을 의미하는 것으로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 복수 개의 금속 전극과, 상기 복수 개의 금속 전극 상부에 형성된 엘라스토머층과, 상기 엘라스토머층 표면으로부터 상부로 돌출된 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하며, 상기 피라미드 모양의 팁은 상기 엘라스트머층과 동일한 재질로 이루어진다.
상기 엘라스토머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 엘라스토머층은 10∼500㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 피라미드 모양의 팁은 1∼50㎛의 높이를 이루고 있는 것이 바람직하다.
상기 금속 전극은 10㎚∼5㎛의 두께로 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 Au 금속을 진공 열증착하여 형성될 수 있다.
상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄하기 위한 장치일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법은, (a) 제1 기판을 준비하는 단계와, (b) 상기 제1 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)를 형성하는 단계와, (c) 상기 역 피라미드 피트가 형성된 제1 기판 표면에 엘라스토머를 코팅하여 엘라스토머층을 형성하는 단계와, (d) 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하는 엘라스토머층을 상기 제1 기판으로부터 분리해내는 단계와, (e) 제2 기판에 복수 개의 금속 전극을 형성하는 단계 및 (f) 상기 제1 기판으로부터 분리해낸 엘라스토머 층을 금속 전극이 형성된 제2 기판에 결합하는 단계를 포함한다.
상기 엘라스토머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 엘라스토머층은 10∼500㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 피라미드 모양의 팁은 1∼50㎛의 높이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제1 기판은 실리콘(Si) 기판 또는 감광성 유리 기판을 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 실리콘 기판을 열처리하여 표면에 실리콘산화물층을 형성하는 단계와, 상기 실리콘산화물층 상부에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘산화물층을 선택적으로 식각하여 실리콘산화물 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와, 상기 실리콘산화물 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)를 형성하는 단계 및 상기 실리콘산화물 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실리콘산화물층의 선택적 식각은 HF 용액을 사용할 수 있고, 상기 실리콘 기판의 선택적으로 이방성 식각은 KOH 용액을 사용할 수 있다.
상기 (e) 단계는, 상기 제2 기판에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 제2 기판 상부에 금속을 증착하는 단계 및 상기 포토레지스트 패턴 상부의 금속과 포토레지스트 패턴을 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속을 증착하는 단계는, Ti 금속을 진공 열증착한 후, Au 금속을 진공 열증착하는 단계를 포함할 수 있다.
10㎚∼5㎛의 두께로 상기 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 상기 Au 금속을 진공 열증착하여 상기 금속 전극이 형성될 수 있다.
상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄하기 위한 장치일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 12는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 기판(15)과, 상기 기판(15) 상에 형성된 복수 개의 금속 전극(50)과, 상기 복수 개의 금속 전극(50) 상부에 형성된 엘라스토머층(40)과, 상기 엘라스토머층(40) 표면으로부터 상부로 돌출된 피라미드 모양의 팁(40a)이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함한다.
금속 전극(50)은 10㎚∼5㎛의 두께로 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 Au 금속을 진공 열증착하여 형성될 수 있다.
엘라스토머층(40)은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다. 엘라스토머층(40)은 10∼500㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
피라미드 모양의 팁(40a)은 엘라스트머층(40)과 동일한 재질로 이루어진다. 피라미드 모양의 팁(40a)은 1∼50㎛의 높이를 이루고 있는 것이 바람직하다.
정전용량 센서의 원리는 두 개의 평행판의 커패시턴스가 중첩 영역의 면적에 비례하고 평행판 사이의 거리에 반비례한다는 잘 알려진 현상을 기반으로 한다. 두 개의 판과 그 사이의 유전체(엘라스토머층)가 하나의 커패시터를 구성한다. 두 개의 평행판은 그 하나가 전도성 금속판(인쇄 대상물) 자체이고 다른 하나는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치에 내장된 금속 전극이며, 하나의 특정 위치에서 상대 거리에 대한 정보를 제공한다.
다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치와 전도성 금속판 사이의 기울임 정도를 보정하여 팁 어레이와 인쇄 표면(전도성 금속판) 사이의 거리를 일정하게 하기 위하여 둘 이상의 커패시터를 제공함으로써 팁 어레이와 인쇄 표면(전도성 금속판) 사이의 거리를 일정하게 조절할 수 있다. 도 13은 전도성 금속판(인쇄 대상물)의 각도 변수(angular variation)를 식별하기 위한 커패시터 센서의 다이어그램을 보여주며, 두 커패시턴스의 차이는 전도성 금속판의 기울임 정도(degree of tilting)를 나타낸다. 도 13은 Si 기판에 금(Au)이 코팅되어 있는 전도성 금속판의 예를 보여준다.
이 정보는 팁 어레이 각도의 수동 또는 피드백 제어 조정에 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 팁 어레이를 인쇄 표면(전도성 금속판)에 물리적으로 접촉하지 않고도 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리를 일정하게 함으로써 다음 인쇄 공정을 위해 깨끗한 전도성 금속판의 표면을 보존할 수가 있다.
상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는 유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 자기조립막(Self-assembled monolayer) 기법으로 나노 패턴을 인쇄하는데 사용하는 장치이다. 상기 유기분자 잉크는 MHA(16-mercaptohexadecanoic acid) 등으로 이루어질 수 있다.
두 커패시터스 차이를 이용하여 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리를 수득하고, 이를 이용하여 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리를 일정하게 한 후, 상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 이용하여 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄한다. 팁 어레이를 인쇄 표면(전도성 금속판)에 물리적으로 접촉하지 않고도 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리에 대한 정보를 수득할 수가 있으므로, 나노 패턴을 인쇄하기 전에 인쇄 표면(전도성 금속판)이 오염되거나 하는 문제를 해결할 수가 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 12는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 제조하는 방법의 일 예를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 12를 참조하면, 제1 기판(10)을 준비한다. 제1 기판(10)은 실리콘(Si) 기판 또는 감광성 유리 기판을 포함할 수 있다.
제1 기판(10)을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)(60)를 형성한다.
복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)(60)는 다음과 같이 형성할 수 있다. 제1 기판(10)으로 실리콘 기판을 사용하는 경우를 예로 든다.
상기 실리콘 기판을 열처리하여 표면에 실리콘산화물층(20)을 형성한다. 실리콘산화물층(20)은 30㎚∼1㎛, 더욱 바람직하게는 100㎚∼800㎚ 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 800∼1250℃, 더욱 바람직하게는 900∼1200℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 산소, 공기(air)와 같은 산화 분위기에서 수해하는 것이 바람직하다.
실리콘산화물층(20) 상부에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(30)을 형성한다.
포토레지스트 패턴(30)을 식각 마스크로 사용하여 실리콘산화물층(20)을 선택적으로 식각하여 실리콘산화물 패턴(20a)을 형성한다. 실리콘산화물층(20)의 선택적 식각은 HF 용액 등을 사용할 수 있다.
포토레지스트 패턴(30)을 제거한다. 포토레지스트 패턴(30)은 아세톤 등으로 제거할 수 있다.
실리콘산화물 패턴(20a)을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)(60)를 형성한다. 상기 실리콘 기판의 선택적으로 이방성 식각은 KOH 용액을 사용할 수 있다. 역 피라미드 피트(60)는 1∼50㎛의 깊이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
실리콘산화물 패턴(20a)을 제거한다. 실리콘산화물 패턴(20a)은 HF 용액 등으로 제거할 수 있다.
역 피라미드 피트(60)가 형성된 제1 기판(10) 표면에 엘라스토머를 코팅하여 엘라스토머층(40)을 형성한다. 엘라스토머는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등으로 이루어질 수 있고, 엘라스토머층(40)은 PDMS 등의 재질로 이루어질 수 있다. 엘라스토머층(40)은 10∼500㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 코팅에 의해 복수의 역 피라미드 피트(60)로 엘라스토머가 스며들게 되고, 이에 의해 피라미드 모양의 팁(40a)이 복수 개 배열된 팁 어레이가 형성되게 된다. 상기 코팅은 스핀 코팅 등의 방법을 이용gf 수 있다.
피라미드 모양의 팁(40a)이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하는 엘라스토머층(40)을 제1 기판(10)으로부터 분리해낸다. 피라미드 모양의 팁(40a)은 1∼50㎛의 높이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
제2 기판(15)에 복수 개의 금속 전극(50)을 형성한다. 제2 기판(15)은 유리 기판 등일 수 있다.
상기 복수 개의 금속 전극(50)은 다음과 같이 형성할 수 있다.
제2 기판(15)에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(35)을 형성한다.
포토레지스트 패턴(35)이 형성된 제2 기판(15) 상부에 금속을 증착한다. 금속의 증착 두께는 후속의 리프트-오프 공정 등을 고려하여 포토레지스트 패턴(35)의 두께보다 작게 하는 것이 바람직하다. 상기 금속 증착은 Ti 금속을 진공 열증착한 후, Au 금속을 진공 열증착하여 수행할 수 있다. 10㎚∼5㎛의 두께로 상기 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 상기 Au 금속을 진공 열증착하여 금속 전극(50)이 형성되게 하는 것이 바람직하다.
포토레지스트 패턴(35) 상부의 금속과 포토레지스트 패턴(35)을 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제거한다.
제1 기판(10)으로부터 분리해낸 엘라스토머층(40)을 금속 전극(50)이 형성된 제2 기판(15)에 결합한다. 상기 엘라스토머층(40)은 금속 전극(50) 상부에도 덮여지게 한다. 피라미드 모양의 팁(40a)은 패턴 인쇄 장치의 팁을 구성하게 된다.
전도성 금속판(인쇄 대상물) 위에 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 배치하는 경우에, 금속 전극(50) 상부의 엘라스토머층은 유전체 역할을 하며, 1개의 금속 전극(50), 엘라스토머층(40) 및 전도성 금속판은 커패시터(정전용량 센서) 하나를 구성하게 되며, 금속 전극(50)이 복수 개 형성되므로 이에 따라 복수 개의 커패시터(정전용량 센서)가 구성되게 된다.
이렇제 제조된 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는, 유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 자기조립막(Self-assembled monolayer) 기법으로 나노 패턴을 인쇄하기 위한 장치일 수 있다. 상기 유기분자 잉크는 MHA(16-mercaptohexadecanoic acid) 등으로 이루어질 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
팁 어레이가 인쇄대상물의 표면에 닿지 않고 정렬이 이루어질 수 있다면 유리할 것이다. 본 실험예에서는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 설계, 제작 및 특성화하여 2D 폴리머 펜 리소그래피(PPL)를 위한 레벨링 피드백 센서로서의 유효성을 검증하였다.
정전용량 센서의 원리는 두 개의 평행판의 커패시턴스가 중첩 영역의 면적에 비례하고 평행판 사이의 거리에 반비례한다는 잘 알려진 현상을 기반으로 한다. 두 개의 판과 그 사이의 유전체가 하나의 커패시터를 구성한다. 두 개의 평행판은 그 하나가 전도성 금속판 자체이고 다른 하나는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치에 내장된 금속 전극이며, 하나의 특정 위치에서 상대 거리에 대한 정보를 제공한다.
다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치와 전도성 금속판 사이의 기울임 정도를 보정하여 팁 어레이와 인쇄 표면(전도성 금속판) 사이의 거리를 일정하게 하기 위하여 둘 이상의 커패시터를 제공함으로써 팁 어레이와 인쇄 표면(전도성 금속판) 사이의 거리를 일정하게 조절할 수 있다. 도 13은 전도성 금속판의 각도 변수(angular variation)를 식별하기 위한 커패시터 센서의 다이어그램을 보여주며, 두 커패시턴스의 차이는 전도성 금속판의 기울임 정도(degree of tilting)를 나타낸다. 도 13은 Si 기판에 금(Au)이 코팅되어 있는 전도성 금속판의 예를 보여준다.
이 정보는 팁 배열 각도의 수동 또는 피드백 제어 조정에 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 팁 어레이를 인쇄 표면(전도성 금속판)에 물리적으로 접촉하지 않고도 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리를 일정하게 함으로써 다음 인쇄 공정을 위해 깨끗한 전도성 금속판의 표면을 보존할 수가 있다.
두 커패시터스 차이를 이용하여 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리를 수득하고, 이를 이용하여 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리를 일정하게 한 후, 상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 이용하여 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄할 수가 있는 것이다. 팁 어레이를 인쇄 표면(전도성 금속판)에 물리적으로 접촉하지 않고도 팁 어레이와 전도성 금속판 사이의 거리에 대한 정보를 수득할 수가 있으므로, 나노 패턴을 인쇄하기 전에 인쇄 표면(전도성 금속판)이 오염되거나 하는 문제를 해결할 수가 있다.
두 커패시턴스 차이를 알기 위하여 두 평행판(금속 전극과 전도성 금속판) 사이의 거리를 독립적으로 측정한다. 개별 커패시터에서 두 평행판(금속 전극과 전도성 금속판) 사이의 거리 관계는 도 14에 표시될 수 있다. 도 14는 갭 간격(gap distnace)의 함수로서 커패시턴스의 변화를 보여주는 그래프이다. 정전용량 변화는 작은 갭 간격(5-10 마이크로미터)에 대해 특히 민감하다.
실제로 팁 어레이(PPL(Polymer Pen Lithography) 어레이)를 둘러싸기 위해 4개의 전극을 사용하여 2축의 기울기를 측정하였다. 이를 통해 두 축의 기울기 각도를 측정할 수 있다. 도 15는 정전용량 센서의 레이아웃(layout) 및 광학 이미지(optical image)를 보여주는 도면이고, 4개의 전극이 PPL 어레이(팁 어레이)를 둘러싸고 있음을 보여준다.
커패시턴스 차이를 이용하여 두 평행판(금속 전극과 전도성 금속판) 사이의 거리에 대한 정보를 제공받을 수 있는지 여부를 확인하기 위하여 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 실제로 제조하였다.
실리콘(Si) 웨이퍼(실리콘 기판)를 준비하였다. 상기 실리콘 웨이퍼는 <100> 방향으로 배위된(<100> - oriented) 웨이퍼이다.
상기 실리콘 웨이퍼를 공기(air) 분위기에서 1100℃에서 열처리하여 실리콘 웨이퍼 표면에 실리콘산화물층을 형성하였다. 상기 실리콘산화물층은 500nm 정도의 두께로 형성하였다.
상기 실리콘산화물층 상부에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘산화물층을 선택적으로 식각하여 실리콘산화물 패턴을 형성하였다. 상기 식각은 HF 용액을 사용하였다.
상기 포토레지스트 패턴을 아세톤으로 제거하였다.
상기 실리콘산화물 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 웨이퍼를 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)가 형성되게 하였다. 역 피라미드 피트는 도 6에 도시된 바와 같이 역 피라미드 모양이 다수(적어도 2개 이상) 배열된 형태로 형성되게 하였다. 상기 이방성 식각은 KOH 용액을 에칭액으로 사용하였다.
HF 용액을 사용하여 상기 실리콘산화물 패턴을 제거하였다.
역 피라미드 피트가 형성된 실리콘 기판 표면에 PDMS(Polydimethylsiloxane)(Dow Corning Sylgard 184)를 코팅하여 PDMS 층을 형성하였다. 상기 PDMS는 다우코팅사의 제품으로서 A 파트와 B 파트가 10:1의 부피비로 혼합된 폴리머 용액이다. 상기 코팅에 의해 복수의 역 피라미드 피트로 PDMS가 스며들게 되고, 이에 의해 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이가 형성되게 된다. 상기 PDMS 층은 200㎛ 정도의 두께로 형성하였다. 상기 코팅은 스핀 코팅을 이용하였다.
PDMS 층을 실리콘 기판으로부터 분리해내었다. 실리콘 기판으로부터 분리된 PDMS 층에는 역 피라미드 피트로 스며든 PDMS에 의해 형성되는 피라미드 모양의 팁 어레이가 형성되어 있게 된다. 피라미드 모양의 팁 어레이는 도 8에 도시된 바와 같이 피라미드 모양의 팁이 다수(적어도 2개 이상) 배열된 형태로 구성된다.
이와 별도로, 정전용량 센서용 전도성 전극을 형성하기 위하여 유리 슬라이드(유리 기판)를 준비하였다.
상기 유리 슬라이드 표면에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
포토레지스트 패턴이 형성된 유리 슬라이드 상부에 Ti 금속을 증착한 후, Au 금속을 증착하였다. Ti 금속과 Al 금속의 증착은 진공 열증착 방법을 이용하였다. 상기 Ti 금속은 500nm 정도의 두께로 증착되게 하였고, 상기 Au 금속은 50nm 정도의 두께로 증착되게 하였다.
상기 포토레지스트 패턴 상부의 Ti 및 Au 금속과 포토레지스트 패턴을 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제거하였다. 상기 포토레지스트 패턴은 아세톤으로 쉽게 제거될 수 있다.
포토레지스트 패턴 상부의 Ti와 Au 금속과 포토레지스트 패턴이 제거되게 되면, 유리 슬라이드에는 금속 전극(Ti와 Au 금속이 순차적으로 적층된 형태)이 형성되게 된다. 상기 금속 전극은 Ti 금속이 500nm 정도의 두께를 이루고, Au 금속이 50nm 정도의 두께를 이루고 있다. 상기 금속 전극은 적어도 2개 이상(복수 개) 형성한다.
실리콘 기판으로부터 분리해낸 PDMS 층을 금속 전극이 형성된 유리 슬라이드 상부에 결합하여 도 12에 도시된 바와 같은 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 형성하였다. 상기 PDMS 층은 금속 전극 상부에도 덮여지게 한다. PDMS로 이루어진 피라미드 모양의 팁은 패턴 인쇄 장치의 팁을 구성하게 된다. 전도성 금속판(인쇄 대상물) 위에 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 배치하는 경우에, 금속 전극 상부의 PDMS 층은 유전체 역할을 하며, 1개의 금속 전극, PDMS 층 및 전도성 금속판은 커패시터(정전용량 센서) 하나를 구성하게 되며, 금속 전극이 복수 개 형성되므로 이에 따라 복수 개의 커패시터(정전용량 센서)가 구성되게 된다.
다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 도 16에 도시된 바와 같이 전동식 Z 스테이지(Step Motor controlled z-axis stage)에 고정된 금속빔(metal beam)에 장착하였다.
전도성 금속판의 경사각을 변화시키기 위해 정밀한 XYθ 스테이지(X축 기울기 조정을 위한 X Goniometer, Y축 기울기 조정을 위한 Y Goniometer 및 회전 조정을 위한 Rotary stage가 구비됨) 상에 전도성 금속판(도 16에서 Conductive substrate)을 고정하였다. 상기 전도성 금속판은 금 코팅 기판을 사용하였다.
커패시턴스 측정은 LCR 미터(Agilent 4263B)로 수행되었다. 4개의 커패시터에서 거의 동시에 판독할 수 있도록 하였다. 전도성 금속판 표면에 팁이 접촉되는지를 직접 관찰하기 위해 줌 렌즈 모듈이 있는 CCD 카메라(Basler, SCA1390-17FC)가 설치되었다. NI(National Instrument) 인터페이스가 있는 컴퓨터 컨트롤 시스템은 도 16와 같이 구성되며, 소프트웨어 인터페이스 패널의 해당 캡처 이미지는 도 17에 나와 있다. NI 인터페이스 콘솔을 사용하면 여러 커패시터의 커패시턴스를 모니터링 할 수 있다. 기울기 각도 및 팁 접촉 감지를 확인할 수 있도록 카메라에서 실시간 비디오 화면이 모니터에 표시된다.
커패시턴스는 100㎛ 단위로 0 ~ 600 ㎛의 거리를 변경하여 측정되었다. 커패시턴스 값은 거리가 멀어질수록 감소한다(도 18). 이격 거리 200㎛에서 일반적인 정전용량은 각각 1.49pF 및 1.37pF 였다.
각도 조절의 해상도는 모든 광학 시각화 시스템의 기능을 뛰어 넘는다. 정렬 시스템이 만족스럽게 작동하는지 확인하기 위해서는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째는 나노 패턴을 쓰고 나노 패턴의 균일성을 검사하는 것이다. 나노 패턴 크기가 균일하지 않으면 정렬에 문제가 있다고 결론을 내릴 수 있다. 그러나, 이 프로세스는 시간이 오래 걸리고, 초기 타당성 검토 검증에는 적합하지 않다.
감지 및 각도 제어 메커니즘이 만족스럽게 작동하는지 확인하기 위해 광학 이미징 기술을 사용하였다. 팁이 면에 닿도록 어레이를 의도적으로 기울였다. 팁의 모양은 피라미드이므로, 전도성 금속판과 접촉할 때는 사각형 모양을 형성하며, 고해상도 카메라에 의해 관찰될 수 있다. 도 19의 측면도에 도시된 바와 같이, 팁의 정점은 전도성 금속판에 대해 가압될 때 변형된다. 개별 정점의 광학 이미지로 접촉 및 접촉 정도를 검증할 수 있다. 어레이를 가로질러 카메라를 이동시키면서 촬영하면 접점의 균일성을 비교할 수 있다. 이 접촉 변형법은 타당성 검토 시스템 개발 및 독립적인 실험 검증에 매우 효과적이지만 실제 인쇄 작업에는 유효한 옵션은 아니다.
광학 시스템에서 가져온 팁 이미지를 사용하여 팁을 기준으로 전도성 금속판의 기울기 각도를 분석하고 정전용량 센서의 감도를 보정하기 위한 평가 도구로 사용하였다. 도 20은 특정 축을 따라 전도성 금속판 각도를 0.1, 0 및 -0.1°로 변경하여 팁의 접촉 영역의 변화를 보여준다. 0°에서 모든 팁은 동일한 크기의 내부 정사각형을 가지므로 모든 팁이 동시에 전도성 금속판 표면에 접촉한다. 반면, -0.1°의 기울기 각도에서 오른쪽의 내부 사각형은 왼쪽의 사각형보다 크며, 0.1°의 기울기 각도에서는 그 반대 현상이 관찰된다. 결과적으로 이 이미지 기법을 정전용량 센서 평가를 위한 정확한 도구로 사용할 수 있다.
스테이지 정렬을 검사하고 교정하는 기술을 확립한 후, 실제 기록 패턴에 대해 정렬 불량의 영향을 조사하였다. 두 커패시터에서 커패시턴스를 측정하고 이 정보를 사용하여 수평 위치에 대한 기울임 각도를 조정한다. 이것은 100, 200 및 300 ㎛의 3 개의 거리에서 각각 진행되었다. 두 개의 전극 사이의 정전 용량 차이는 도 21과 같이 3 개의 기울기 각도(-0.3, 0 및 0.3°)에 대해 측정된다. 100, 200, 300 ㎛ 거리에서 각각의 기울기 각도에 대해 120, 100 및 30 fF에 해당하는 정전용량의 변화를 보였다. 평균 간격이 줄어들수록 각도 기울기에 대한 감도가 증가한다. 그러나, 평균 간격을 줄이면 안전 마진과 기울임 각도 조정 범위가 줄어든다. 100㎛의 분리에서 정전용량 센서는 안정된 조건에서 20fP의 노이즈 신호를 고려하여 0.05°의 기울임 감도를 보여준다. 이 얼라인먼트 감도는 향후 개선된 설계에 의해 더욱 향상될 수 있다고 생각된다. 예를 들어, 2개의 금속 전극(다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치에 내장된 전극) 사이의 거리를 늘리면 더욱 정확한 값이 제공될 것이다.
도 22는 2×2 ㎟ 크기에 균일하게 인쇄된 상태를 직접적으로 보여준다. 49개 도트 모두의 치수를 측정하였는데, 너비의 평균값은 13.2㎜ 이며 표준 편차는 0.71㎜ 이다. 또한, 의도적으로 도입된 ±0.1°의 오정렬로 측정을 반복하였다. ±0.1°오정렬에서의 표준 편차는 완벽한 정렬에서의 표준편차보다 크며, 예상대로 평균치수는 약간의 오정렬로 변경되지 않았다.
정전용량 센서를 2D PPL 팁 어레이의 레벨링 피드백 센서로 설계, 제작 및 평가하였다. 정전용량 센서의 평가를 위해 P피라미드형 팁 변형의 광학 이미지를 직접 관찰하였다. 센서의 각도 감도는 100㎛에서 약 0.05°이었다. 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치를 사용함으로써, 팁이 실제로 인쇄면에 닿지 않고 배열 정렬을 수행할 수 있음을 증명하였다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10, 15: 기판
20: 실리콘산화물층
20a: 실리콘산화물 패턴
30, 35: 포토레지스트 패턴
40: 엘라스토머층
40a: 피라미드 모양의 팁(40a)
50: 금속 전극
60: 복수의 역 피라미드 피트

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. (a) 제1 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 제1 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)를 형성하는 단계;
    (c) 상기 역 피라미드 피트가 형성된 제1 기판 표면에 엘라스토머를 코팅하여 엘라스토머층을 형성하는 단계;
    (d) 피라미드 모양의 팁이 복수 개 배열된 팁 어레이를 포함하는 엘라스토머층을 상기 제1 기판으로부터 분리해내는 단계;
    (e) 제2 기판에 복수 개의 금속 전극을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 제1 기판으로부터 분리해낸 엘라스토머 층을 금속 전극이 형성된 제2 기판에 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 엘라스토머층은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 엘라스토머층은 10∼500㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 피라미드 모양의 팁은 1∼50㎛의 높이를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1 기판은 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 감광성 유리 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    실리콘 기판을 열처리하여 표면에 실리콘산화물층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘산화물층 상부에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘산화물층을 선택적으로 식각하여 실리콘산화물 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계;
    상기 실리콘산화물 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 기판을 선택적으로 이방성 식각하여 복수의 역 피라미드 피트(inverted pyramidal pits)를 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘산화물 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 실리콘산화물층의 선택적 식각은 HF 용액을 사용하고,
    상기 실리콘 기판의 선택적으로 이방성 식각은 KOH 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 (e) 단계는,
    상기 제2 기판에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴이 형성된 제2 기판 상부에 금속을 증착하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴 상부의 금속과 포토레지스트 패턴을 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 금속을 증착하는 단계는,
    Ti 금속을 진공 열증착한 후, Au 금속을 진공 열증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 10㎚∼5㎛의 두께로 상기 Ti 금속을 진공 열증착하고 5∼500㎚의 두께로 상기 Au 금속을 진공 열증착하여 상기 금속 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
  17. 제7항에 있어서, 상기 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치는,
    유기분자 잉크가 도포된 피라미드 모양의 팁 끝부분을 전도성 금속판에 접촉하여 상기 전도성 금속판에 나노 패턴을 인쇄하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는 다중 팁 기반 패턴 인쇄 장치의 제조방법.
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