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문제 정의
- 본 연구에서는 열 나노임프린트 공정에서 사용되는 열가소성 폴리머 필름과 용융실리카(fhsed silica) 몰드 사이의 응착 특성 및 이에 대한 공정 조건의 영향을 조사하였다. 이를 위해 폴리머 필름의 종류, ASL의 유무, 임프린트 압력, 분리 속도와 같은 공정 조건을 달리하여 열가소성 폴리머 필름과 용융실리카 몰드 사이의 응착력을 측정하였으며, 실험 후 폴리머 필름과 몰드의 표면을 관찰하여 표면 손상 정도를 조사하였다.
- 몰드와 폴리머 필름의 응착 특성에 큰 영힝을 미칠것으로 예상되는 ASL의 유무폴리머 필름의 종류, 임 프린트 압력, 분리 속도와 같은 공정 조건에 대해 각 공정조건이 응착 특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아 보았다. 이를 위해 ASL이 코팅되지 않은 몰드와 코팅 된 몰드에 대해 각각 응착 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다.
- 이를 위해 ASL이 코팅되지 않은 몰드와 코팅 된 몰드에 대해 각각 응착 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 임프린트 압력과 분리 속도의 영향을 알아보기 위한 실험은 nir-l PMMA 폴리머 필름에 대해 서만 수행되었다. 실험조건은 Table 2에 정리된 바와 같다.
- 본 연구에서는 나노임프린트 공정용 열가소성 폴리머 필름과 몰드 사이의 응착 특성에 대한 공정 조건의 영향에 대해 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 이를 위해 폴리머 필름의 종류, ASL의 유무, 임프린트 압력, 분리 속도와 같은 공정 조건을 달리하여 열가소성 폴리머 필름과 용융실리카 몰드 사이의 응착력을 측정하였으며, 실험 후 폴리머 필름과 몰드의 표면을 관찰하여 표면 손상 정도를 조사하였다. 이를 통해 각각의 공정조건이 응착 특성에 미치는 영향을 알 수 있었으며, 특히 적용된 ASL의 응착력 감소 효과 및 폴리머 필름의 표면 손상의 감소를 확인할 수 있었다.
- 3- OTS와 같은 trichlorosilanee 물의 가수분해를 통해수산화기로 덮힌 표면과 공유결합을 히여 표면에 단분자층(monolayer)을 형성하는 것으로 알려져 있다[23]. 용융실리카 몰드 표면에 ASL을 코팅하기 위해 진공챔버에서 기화된 Fn-OTS를 몰드와 반응시켰다. 코팅 방법은 다음과 같다.
- 반응 후, 챔버를 열어 몰드를 꺼내 톨루엔에 집어 넣고 3분간 초음파세척을 하였다. 그 후, 아세톤과 메탄올로 각각 3분간 세척하고, 탈이온수에 3번 세척한 후 질소 가스로 불어 주어 표면에 남아 있는 탈이온수를 제거하였다. SAM이 용융실리카 표면과 더욱 강하게 결합할 수 있도록 i2(rc의 대류 오븐에서 1시간 동안 놓아 두었다.
- SAM이 용융실리카 표면과 더욱 강하게 결합할 수 있도록 i2(rc의 대류 오븐에서 1시간 동안 놓아 두었다. 몰드 표면에 ASL이 잘 형성되었는지 확인하기 위해 ASL 코팅 전후에 접촉각 측정기 (DSA -100, KRUSS, GmbH)를 이용하여 몰드 표면의 접촉각을 측정하고 표면 에너지를 계산하였다. 접촉각 측정을 위한 용액 시료로 탈이온수, Di iodomethane, Ethylenglycol을 사용하였고, 각 용액 3 μ1를 몰드 표면에 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다.
- 몰드 표면에 ASL이 잘 형성되었는지 확인하기 위해 ASL 코팅 전후에 접촉각 측정기 (DSA -100, KRUSS, GmbH)를 이용하여 몰드 표면의 접촉각을 측정하고 표면 에너지를 계산하였다. 접촉각 측정을 위한 용액 시료로 탈이온수, Di iodomethane, Ethylenglycol을 사용하였고, 각 용액 3 μ1를 몰드 표면에 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다. Fig.
- 응착 실험은 본 연구를 위해 특별히 설계 및 제작된 실험 장치를 이용하여 수행되었다. Fig.
- 몰드 표면과 평행하게 조정하기 우]해, 그리고 실험 중에 폴리머 필름을 몰드와 접촉 및 분리시키기 위해 위아래로 이동시키는데 사용된다. 몰드 위에 설치된 현미경을 이용하여 실험 중에 몰드와 폴리머 필름 사이의 접촉면을 관찰하였다.
- 여기서, 접촉압력은 로드 셀로 측정된 하중을 Si 돌기의 면적으로 나눈 값으로 정의된다. 실험에 앞서 정밀 스테이지를 이용하여 Si 돌기 위에 코팅된 폴리머 필름의 표면이 몰드 표면과 전면에 걸쳐 접촉할 수 있도록 두 표면을 평행하게 정렬한다. 폴리머 필름을 몰드에 살짝 접촉시키면 몰드와 폴리머 필름 사이에 존재하는 얇은 공기 막의 두께 차이로 인해 발생히는 간섭무늬로 정렬상태를 확인할 수 있으며, 간섭무늬가 나타나지 않도록 5축 정밀 스테이지를 이용해서 몰드 표면에 대해 폴리머 필름을 정렬한다.
- 실험에 앞서 정밀 스테이지를 이용하여 Si 돌기 위에 코팅된 폴리머 필름의 표면이 몰드 표면과 전면에 걸쳐 접촉할 수 있도록 두 표면을 평행하게 정렬한다. 폴리머 필름을 몰드에 살짝 접촉시키면 몰드와 폴리머 필름 사이에 존재하는 얇은 공기 막의 두께 차이로 인해 발생히는 간섭무늬로 정렬상태를 확인할 수 있으며, 간섭무늬가 나타나지 않도록 5축 정밀 스테이지를 이용해서 몰드 표면에 대해 폴리머 필름을 정렬한다. 정렬 후, 히터의 온도를 폴리머 필름의 유리전이 온도보다 약 100℃ 높은 임프린트 온도(imprint temperature, T;)까지 가열한다.
- 몰드와 폴리머 필름의 응착 특성에 큰 영힝을 미칠것으로 예상되는 ASL의 유무폴리머 필름의 종류, 임 프린트 압력, 분리 속도와 같은 공정 조건에 대해 각 공정조건이 응착 특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아 보았다. 이를 위해 ASL이 코팅되지 않은 몰드와 코팅 된 몰드에 대해 각각 응착 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 임프린트 압력과 분리 속도의 영향을 알아보기 위한 실험은 nir-l PMMA 폴리머 필름에 대해 서만 수행되었다.
- 임프린트 압력은 5 MPa, 분리 속도는 5 um/s로일스 정하게 하였다. 두 폴리머 재료의 유리전이온도(L)가 다르므로 임프린트 온도(T;)와 분리 온도(Ts)를 Table 2와 같이 각각의 폴리머 필름에 대해 다르게 하였다. 각각의 폴리머 필름 재료에 대해 ASL이 코팅되지 않은 경우와 코팅된 경우에 대해 응착력을 측정하여 비교하였다.
- 두 폴리머 재료의 유리전이온도(L)가 다르므로 임프린트 온도(T;)와 분리 온도(Ts)를 Table 2와 같이 각각의 폴리머 필름에 대해 다르게 하였다. 각각의 폴리머 필름 재료에 대해 ASL이 코팅되지 않은 경우와 코팅된 경우에 대해 응착력을 측정하여 비교하였다. ASL이 코팅되지 않은 경우, mr-I 7020 폴리머 필름에 대한 평균 단위면적당 응착력은 약 7.
- 7은 임프린트 압력에 따른 단위면적당 응착력의 변화를 보여준다. mr-I PMMA 폴리머 필름에 대해서 응착 실험을 수행하였으며, 분리 속도는 5 pn/s 로 일정하게 하였다. 각 조건에 대해 실험을 수행하여 측정된 결과의 평균값과 최다]값, 최소값을 그래프에 나타내었다.
- 9은 여러가지 분리 속도에 대한 단위 면적당 응착력의 변화를 보여준다. mr-I PMMA 폴리머 필름에 대해 분리 속도가 1, 5, 25, 100μm/s인 경우에 응착 실험을 수행하였으며, 임프린트 압력은 5 MPa로 일정하게 하였다. ASL이 코팅되지 않은 경우, 분리 속도가1 μm/s로 느릴 때는 응착력이 6.
대상 데이터
- ASL의 효과를 알아보기 위해 ASL이 코팅된 몰드와 코팅되지 않은 몰드 모두 실험에 사용되었다. ASL로서 FI3-OTS 로부터 유도된 SAM을 사용하였다.
- ASL로서 FI3-OTS 로부터 유도된 SAM을 사용하였다. F.
- Si 기판은 크기가 1 cmxl cm이고 두께는 약 350 um이며, 중앙에 정사각형 모양의 돌기가 있다. 돌기는 일반적인 포토리소그래피와 deep RIE(reactive ion eching) 공정을 이용하여 제작하였으며, 높이는 약 150pm, 면적은 약 0.35 mn?이다. 응착 실험 시 이 돌기에 코팅된 폴리머 필름만이 용융실리카 몰드와 접촉하게 된다.
- 액상의 폴.리머는 상용화된 나노임프린트 공정용 열가소성 폴리머인 mr-I 7020과 mr-I PMMA(micro resi머 technology, GmbH)를 사용하였다. 각 폴리머의 물리적 특성 및 스핀코팅 조건은 Table 1과 같디,
- 응착 실험을 위해 몰드는 크기가 6 mm X24 mmx 500um인 UV 등급의 양면 폴리싱된 용융실리카 를사용하였다. 용융실리카는 NIL에서 몰드 재료로 많이 사용되는 재료로서, 응착 특성을 알아보기 위한 실험이므로 패턴이 각인되지 않은 평평한 용융실리카를 사용하였다.
성능/효과
- 이를 위해 폴리머 필름의 종류, ASL의 유무, 임프린트 압력, 분리 속도와 같은 공정 조건을 달리하여 열가소성 폴리머 필름과 용융실리카 몰드 사이의 응착력을 측정하였으며, 실험 후 폴리머 필름과 몰드의 표면을 관찰하여 표면 손상 정도를 조사하였다. 이를 통해 각각의 공정조건이 응착 특성에 미치는 영향을 알 수 있었으며, 특히 적용된 ASL의 응착력 감소 효과 및 폴리머 필름의 표면 손상의 감소를 확인할 수 있었다.
- 5(a-v, vi)). 분리 후의 폴리머 필름과 몰드 표면을 관찰해 보면 폴 리머 필름이 뜯겨져 나간 형상 그대로 몰드 표면에 폴 리머 필름이 들러붙어 있는 것을 확인할 수 있었.다.
- 하지만 ASL이 코팅된 몰드의 경우엔 그러한 폴리머 필 름의 손상이나 전이가 발생하지 않았다. 따라서 용융 실리카 몰드의 ASL로서 F13-OTS SAM을 코팅하면 코 팅하지 않은 경우에 비해 응착으로 인한 폴리머 필름의 손상 및 전이 현상을 상당히 감소시킬 수 있음을 확인 하였다. 또한 ASLe 응착력을 감소키시는데도 큰 효과가 있었는데, 이에 대해서는 다음 절에서 설명하겠디".
- 3 MPa로서 mr-T PMMA의 경우에 더 큰 응착력이 빌생하였다. 히지만 ASL이 코팅된 경우에는, mr-I 7020 폴리머 필름에 대한 평균 단위면적당 응착력은 약 2.7 MPa로 감소하였고, mr-I PMMA의 경우에는 약 2.5 MPa로 감소하였다. 따라서 ASL이 코팅되지 않은 경우의 응착력에 대한 ASL이 코팅된 경우의 응착력 감소량의 비율인 응착력 감소율은 mr-I 7020의 경우에는 약 64%, mr-1 PMMA의 경우에는 73%로 F13-OTS SAM ASLe mr-I PMMA와 접촉할 때 더 효과적으로 응착력을 감소시키는 것으로 나타났다.
- 5 MPa로 감소하였다. 따라서 ASL이 코팅되지 않은 경우의 응착력에 대한 ASL이 코팅된 경우의 응착력 감소량의 비율인 응착력 감소율은 mr-I 7020의 경우에는 약 64%, mr-1 PMMA의 경우에는 73%로 F13-OTS SAM ASLe mr-I PMMA와 접촉할 때 더 효과적으로 응착력을 감소시키는 것으로 나타났다. 이로부터 ASL2로서 F, 3-OTS SAM을 코팅할 경우, 두 폴리머 필름에 대해 공히 응착력은 감소하지만, 그 감소 효괴는 접촉하는 폴리머 필름의 종류에 따라 달라짐을 알 수 있었다.
- 따라서 ASL이 코팅되지 않은 경우의 응착력에 대한 ASL이 코팅된 경우의 응착력 감소량의 비율인 응착력 감소율은 mr-I 7020의 경우에는 약 64%, mr-1 PMMA의 경우에는 73%로 F13-OTS SAM ASLe mr-I PMMA와 접촉할 때 더 효과적으로 응착력을 감소시키는 것으로 나타났다. 이로부터 ASL2로서 F, 3-OTS SAM을 코팅할 경우, 두 폴리머 필름에 대해 공히 응착력은 감소하지만, 그 감소 효괴는 접촉하는 폴리머 필름의 종류에 따라 달라짐을 알 수 있었다.
- 9 MPa로 큰 차이 없이 거의 일정하게 유지되었다. 따라서 임프린트 압력이 증가함에 따라 ASL에 의한 응착력 감소량은 상대적으로 증가하였으며, 10 MPa의 임프린트 압력까지는 F13-OTS SAM의 응착 방지 효과가 유지됨을 확인할 수 있었다. Fig.
- 8(b)와 같이 ASL이 코팅된 경우에는, 임프린트 압력이 증가하여도 폴리머 필름의 전이는 발생하지 않았다. 위의 결과들로부터 ASL이 코팅되지 않은 경우에는 임프린트 압력이 증가함에 따라 단위면적당 응착력이 증가하며, 폴리머 필름이 뜯겨져 몰드 표면으로 전이되는 폴리머의 양 또한 증가하는데 반해, ASL 이 코팅된 경우에는 ASL이 코팅되지 않은 경우 보다 응착력이 크게 감소하고, 임프린트 압력이 증가하여도 응착력은 변함없이 거의 일정하였으며, 폴리머 필름의 전이는 전혀 발생하지 않음을 알 수 있었다. ASL이 코팅되지 않은 경우, 임프린트 압력이 증가함에 따라 응착력 및 폴리머 필름의 전이량이 증가한 이유는 임프린트 압력이 증가함에 따라 몰드와 폴리머 필름 사이의 계면 및 폴리머 필름 내부에 존재하는 공기 방울로 인한 결함이 감소하기 때문으로 생각된다.
- 1 MPa 로 측정되었다. 따라서 ASL이 코팅된 경우, 코팅되지 않은 경우에 비해 전체적으로 응착력은 감소하지만 그 감소량은 분리 속도에 따라 크게 달라졌다. 특히 분리속도가 100μm/s인 경우에는 ASL으로 응착력 감소 효과가 가장 작게 나타났으며, 이때는 ASL이 코팅된 경우의 응착력이 코팅되지 않은 경우의 응착력보다 더 큰 경우도 발생했다.
- 특히 분리속도가 100μm/s인 경우에는 ASL으로 응착력 감소 효과가 가장 작게 나타났으며, 이때는 ASL이 코팅된 경우의 응착력이 코팅되지 않은 경우의 응착력보다 더 큰 경우도 발생했다. 결과적으로, ASL으로 인한 응착력 감소율은 분리 속도가 5μm/s일 때 73%로 가장 높았으며 , 분리 속도가 100μm/s일 때 40%로 가장 낮았다.
- (1) Fn-OTS SAM 응착방지막은 응착력 및 폴리머 필름의 표면 손상을 감소시키는데 매우 효과적이다. 특히 일반적인 열 나노임프린트 공정에서 사용되고 있는 공정조건인 임프린트 압력이 10MPa 이하인 경우와 분리속도가 100 |im/s 이하인 경우에 응착방지막의 응착방지 효과가 유지됨을 확인하였다.
- 특히 일반적인 열 나노임프린트 공정에서 사용되고 있는 공정조건인 임프린트 압력이 10MPa 이하인 경우와 분리속도가 100 |im/s 이하인 경우에 응착방지막의 응착방지 효과가 유지됨을 확인하였다.
- (2) 응착방지막의 응착력 감소효과는 mr-I 7020에 비해 mr-1 PMMA에 대해 더 효과적으로 나타났다.
- (3) 응착방지막의 응착력 감소 효과는 임프린트 압력에 따라 증가하며, 응착방지막이 코팅된 경우에는 10 MPa 이하의 임프린트 압력에서 응착력이 일정하게 유지되었다.
- (4) 분리 속도에 따라 응착방지막의 응착력 감소 효과는 달라지며, 응착방지막으로 인한 응착력의 감소율은 분리 속도가 5 μm/s인 경우에 약 73%로 가장 높고, 100 μm/s인 경우에 약 40%로 가장 낮았다.
후속연구
- 이러한 조건하에서몰드와 폴리머 필름 사이의 응착 특성 또는 몰드에 코팅된 ASL과 폴리머 필름 사이의 응착 특성은 기존의 방법으로부터 도출된 결과와 크게 달라질 수 있다. 따라서 몰드와 폴리머 필름 사이의 응착 특성은 실제 공정 조건을 적용한 실험을 통해 평가되는 것이 바람직하며, 이로부터 얻어진 결과는 적합한 소재의 선택 및 공정 개발에 유용한 정보를 제공할 것이다.
- (5) 응착방지막의 응착 방지 효과는 폴리머 필름의 종류와 임프린트 압력, 분리 속도에 따라 크게 달라지므로, 응착력 및 이로 인해 발생하는 결함을 줄이기 위해서는 본 연구에서 수행한 실험과 같이 실제 NIL 공정을 모사한 응착 실험을 통해 응착력 및 폴리머 필름의 손상이 최소가 되는 최적의 공정 조건을 찾아내는 것이 필요하다.
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