[논문]UV 임프린팅 공정을 이용한 금속막 필터제작

노철용; 이남석; 임지석; 김석민; 강신일

doi:10.5228/kspp.2005.14.5.473

UV 임프린팅 공정을 이용한 금속막 필터제작
Fabrication of Metallic Nano-Filter Using UV-Imprinting Process 원문보기

The demand of on-chip total analyzing system with MEMS (micro electro mechanical system) bio/chemical sensor is rapidly increasing. In on-chip total analyzing system, to detect the bio/chemical products with submicron feature size, a filtration system with nano-filter is required. One of the conventional methods to fabricate nano-filter is to use direct patterning or RIE (reactive ion etching). However, those procedures are very costly and are not suitable fur mass production. In this study, we suggested new fabrication method for a nano-filter based on replication process, which is simple and low cost process. After the Si master was fabricated by laser interference lithography and reactive ion etching process, the polymeric mold was replicated by UV-imprint process. Metallic nano-filter was fabricated after removing the polymeric part of metal deposited polymeric mold. Finally, our fabrication method was applied to metallic nano-filter with $1{\mu}m$ pitch size and $0.4{\mu}m$ hole size for bacteria sensor application.

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문제 정의

본 연구에서는 UV 임프린트 기술을 응용한 금속 막 필터의 제작 공정을 제안하였다. 홀로그래픽리소그래피 및 RIE 공정을 통해 음각 나노 패턴이 있는 Si 마스터를 제작하고, UV 임프린팅을 통해 고세장비 패턴을 지닌 폴리머 몰드를 제작하였다.
본 연구에서는 UV 임프린팅 공정을 응용한 금속 막 필터 제작 방식을 제안하였다[3-7]. Fig.

제안 방법

2(b), (c)). PR 에 비해 SiO₂ 의 etch resistance 가 우수하여, SiO₂ 를 barrier 로 한 RIE 공정을 통해 고세장비의 Si 마스터 패턴을 제작할 수 있었다. Fig.
photo-resist 초기 패턴을 barrier 로 사용하여 RIE 공정을 통해 SiO₂ 산화층을 패터닝하였고, 다시 SiO₂ 패턴을 barrier 로 사용하여 Si 웨이퍼를 패터닝 하였다(Fig. 2(b), (c)).
이러한 몰드를 제작하기 위해서 먼저 초기 나노 패턴의 제작이 필요하다. 다양한 방법의 나노 패턴 제작, 공정 중에서, 비교적 대면적 패턴 제작이 용이하고, 균일한 나노 패턴을 제작할 수 있는 홀로그래픽 리소그래피 방법을 선정하였다. 이 방법을 이용하여 우수한 나노 패턴을 제작하기 위해서는 정확한 공정 조건에 대한 연구가 필요하다.
홀로 그래픽 리소그래피에서중요한 변수들은 빛의 세기, 노광 시간 및 현상 시간이다. 본 연구에서는 시뮬레이션 결과 데이터를 기반으로 노광시간과 현상시간을 주요 공정 변수로 하여 반복실험을 진행하였다. Fig.
이러한 라인(line)패턴을 제작하는 홀로그래픽 리소그래피 광학시스템을 이용하여 1차 노광한 웨이퍼를 90° 회전하여 2차 노광하는 방법으로, 일정한 주기를 갖는 2차원 도트(dot)형태의 나노 패턴을 제작하였다. 홀로 그래픽 리소그래피에서중요한 변수들은 빛의 세기, 노광 시간 및 현상 시간이다.
제작된 Si 마스터를 이용하여 UV-임프린팅 방법을 통해 폴리머 몰드를 제작하였다. UV-임프린팅 방법은 Si 마스터(mother) 패턴에 손상을 주지 않는 공정으로서, 하나의 Si 마스터로 대량의 폴리머 몰드를 제작 할 수 있는 공정이다.
홀로그래픽 리소그래피, RIE 를 통해 Si 마스터를 제작하고, UV-임프린팅 공정을 통해, 금속 막 필터를 제작할 수 있는 폴리머 몰드를 복제하였다. 제작된 폴리머 몰드 위에 니켈(nickel) 박막을 증착한 후, 습식 식각(wet etching) 공정을 통해 폴리머를 제거하고 금속막 필터를 제작하였다. 제작된 금속막 필터는 홀(hole) 직경 500nm, 피치 lum 의 크기를 가지며, 이러한 크기의 필터는 막 테리아 또는 효모(100~lum) 등의 바이오 입자의 필터링에 응용될 수 있다.
홀로그래픽리소그래피 및 RIE 공정을 통해 음각 나노 패턴이 있는 Si 마스터를 제작하고, UV 임프린팅을 통해 고세장비 패턴을 지닌 폴리머 몰드를 제작하였다. 제작된 폴리머 몰드 위에 니켈(nickel) 박막을 증착한 후, 습식 식각(wet etching) 공정을 통해 폴리머를 제거함으로, 홀(hole) 직경 500nm 을 갖는 금속막 필터를 제작하였다. 본 연구에서 제작된 금속막 필터는 bacteria 또는 fungi(lOO-lum) 등의 Bio particle 의 필터 시스템에 응용이 가능하다.
2는 본 연구에서 제안된 금속막 필터의 제작 공정을 보여준다. 홀로그래픽 리소그래피, RIE 를 통해 Si 마스터를 제작하고, UV-임프린팅 공정을 통해, 금속 막 필터를 제작할 수 있는 폴리머 몰드를 복제하였다. 제작된 폴리머 몰드 위에 니켈(nickel) 박막을 증착한 후, 습식 식각(wet etching) 공정을 통해 폴리머를 제거하고 금속막 필터를 제작하였다.
홀로그래픽리소그래피 및 RIE 공정을 통해 음각 나노 패턴이 있는 Si 마스터를 제작하고, UV 임프린팅을 통해 고세장비 패턴을 지닌 폴리머 몰드를 제작하였다. 제작된 폴리머 몰드 위에 니켈(nickel) 박막을 증착한 후, 습식 식각(wet etching) 공정을 통해 폴리머를 제거함으로, 홀(hole) 직경 500nm 을 갖는 금속막 필터를 제작하였다.

대상 데이터

제작된 폴리머 몰드 위에 E-beam evaporation 방식을 통하여 3000A 의 니켈(Ni) 금속막을 제작하였다. 폴리머 몰드의 패턴 위에 니켈이 증착되면서 폴리머 몰드의 패턴이 금속막에 전사되어, 홀 (hole) 형상을 지닌 금속막 필터 형상이 제작되었다.
5(a)는 Sid로 산화시킨 Si 웨이퍼 위에 홀로그래픽 리소그래피 공정을 통해 제 작된 photo-resist 초기 패턴을 보여준다. 측정된 패턴의 높이는 155nm 이며, 그림에서 보는 바와 같이, RIE 공정을 위한 베리어(barrier)로 응용하기에 적합한 형상 및 배열을 가지는 도트패턴이 제작되었음을 볼 수 있다.

성능/효과

하지만 노광시간이 계속 증가하게 되어 노광 에너지의 포화상태에 이르면, 패터닝된 형상의 마루(peak) 부분의 높이가 낮아지면서 패턴 형상이 낮아지는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 1 차 노광의 경우에는 적절한 노광 에너지가 공급된 160초일 때, 2차 노광의 경우에는 140초일 때, 가장 높은 패턴이 제작되었다. 하지만 140초일 때 제작된 패턴은 필터에 응용할 수 있는 완전한 도트(dot) 패턴이 아니라 도트와 도트사이가 연결된 형상을 가지고 있었다.

후속연구

제작된 폴리머 몰드 위에 니켈(nickel) 박막을 증착한 후, 습식 식각(wet etching) 공정을 통해 폴리머를 제거함으로, 홀(hole) 직경 500nm 을 갖는 금속막 필터를 제작하였다. 본 연구에서 제작된 금속막 필터는 bacteria 또는 fungi(lOO-lum) 등의 Bio particle 의 필터 시스템에 응용이 가능하다. 다양한 홀 사이즈의 필터제작 및 on chip sensing system 에 적용하는 실험적 연구가 진행 중에 있다.

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