[논문]현상공정에서 표면장력에 의한 극미세 3 차원 구조물의 변형거동 분석 및 저감방안에 관한 연구

박상후; 양동열

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.4.303

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Dense and fine polymer patterns often collapse, as they come into contact with each other at their protruding tips. Resist pattern collapse depends on the aspect ratio of patterns and the surface tension of rinsing materials. The pattern collapse is a very serious problem in microfabrication, becaus...

Dense and fine polymer patterns often collapse, as they come into contact with each other at their protruding tips. Resist pattern collapse depends on the aspect ratio of patterns and the surface tension of rinsing materials. The pattern collapse is a very serious problem in microfabrication, because it is one of the factors which limit the device dimensions. The reasons for the pattern collapse are known as the surface tension of rinse liquid, centrifugal force and rinse liquid flow produced in the developing process. In this work, we tried to evaluate the pattern collapse of three-dimensional microstructures that were fabricated by two-photon induced photopolymerization, and showed the way how to reduce the deformation of microstructures.

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문제 정의

그 중에서도 형상을 제작한 후 주변에 남아 있는 단량체(monomer)를 제거하는 과정에서 현상액(rinsing material)의 표면장력에 의하여 변형이 발생되는 문제는 정밀한 형상제작을 위해서 반드시 해결해야 될 과제이다. 본 연구에서는 정밀한 극미세 3 차원 형상을 제작하기 위해서 이러한 현상공정(development process)에서의 변형 문제에 대한 이론적 분석과 변형저감을 위한 방안을 알아보았다.
그러나 이러한 경우 복셀의 높이도 같이 증가하여 적층방식으로 정밀한 3 차원 형상을 제작하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 다중 윤곽선 스캐닝법을 이용하여 원하는 폭만큼을 복셀의 높이 변화 없이 얻을 수 있는 방법을 제안하였다[Fig. 6(a) 참조].

제안 방법

이 조건은 실제 극미세 3 차원 형상제작시 가장 빈번하게 발생하는 조건과 유사한 것으로 좁은 패턴 사이에만 현상액이 증발되지 않고 남아있고 패턴 주변에는 현상액이 모두 증발되어 제거가 된 상태이다. 따라서 네 번째의 경우에 대하여 빔 변형모델을 적용하여 Fig. 3(b)에 나타낸 것처럼 최대 변형발생에 따른 공정변수 조건을 검토해 보고 극미세 3차원 형상제작시 현상액에 의한 변형저감 방안을 알아보았다. Fig.
구해진 식 (11)과 빔 변형모델의 신뢰성을 검토해 보기 위하여 기존연구에서 수행한 실험결과와 비교해 보았다. 실험에서는 다양한 패턴 형상(높이: H와 폭: L)과 패턴 사이의 간격(S)에 대하여 패턴제작 후 탈이온화된 물(DI water)로 상온에서 현상을 할 때 조건에 따라 생성되는 패턴붕괴에 대한 실험결과이다. 패턴제작에 사용된 광경화 물질은 novolak 레진을 사용하였고, 현상액의 표면장력 (σ)은 72.
표면장력에 의한 패턴변형 방지를 위한 패턴 임계 두께의 패턴형상과 패턴간격에 따른 변화를 식 (11)을 이용하여 알아보았다. Fig.
하지만 윤곽선 스캐닝법으로 형상을 제작할 경우 앞서 기술한 현상공정에서 현상액의 표면장력에 의하여 변형이 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 다중 윤곽선 스캐닝법을 이용하여 형상의 정밀도에는 큰 영향을 주지 않으면서 윤곽선의 패턴 두께를 증가시켜서 현상액의 표면장력에 의한 변형을 최소화하는 방법을 제안하였다.
극미세 3 차원 형상을 제작하여 다중 윤곽선 스캐닝법의 효과를 검증하였다. Fig.
구해진 식 (11)과 빔 변형모델의 신뢰성을 검토해 보기 위하여 기존연구에서 수행한 실험결과와 비교해 보았다. 실험에서는 다양한 패턴 형상(높이: H와 폭: L)과 패턴 사이의 간격(S)에 대하여 패턴제작 후 탈이온화된 물(DI water)로 상온에서 현상을 할 때 조건에 따라 생성되는 패턴붕괴에 대한 실험결과이다.

대상 데이터

패턴제작에 사용된 광경화 물질은 novolak 레진을 사용하였고, 현상액의 표면장력 (σ)은 72.28 dyn/cm이다.

이론/모형

현상공정에서 발생하는 표면장력에 의한 패턴변형에 대한 공정변수를 알아보기 위하여 Tanaka 등이 제안한 빔 변형모델(beam sway model)을 이용하였다.⁽¹⁵⁾ 두 개의 2 차원 패턴과 현상액 사이의 물리적 관계에 의하여 생성되는 변형거동이기 때문에 먼저 다양한 조건에 대하여 패턴변형에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Fig.
이러한 경우 형상의 강성은 높아지지만 전면 조사에 따른 제작시간이 많이 걸려 제작효율이 매우 낮다. 따라서 일반적으로 형상의 외곽선만 광중합으로 경화시켜서 형상을 완성한 뒤 필요에 따라 자외선(ultraviolet)을 조사하여 형상의 내부에 남아있는 단량체를 광중합 시켜 제작하는 방법(윤곽선 스캐닝법)을 사용한다. 하지만 윤곽선 스캐닝법으로 형상을 제작할 경우 앞서 기술한 현상공정에서 현상액의 표면장력에 의하여 변형이 쉽게 발생할 수 있다.

성능/효과

4에 나타낸 것처럼 패턴이 높이가 클수록 또한 패턴 사이의 간격이 좁을수록 임계두께가 커짐을 알 수 있다[현상액으로 탈이온화 된 수용액(DI water)을 사용]. 해석결과에서 패턴 사이의 간격보다는 패턴의 높이가 증가할수록 표면장력에 의한 변형이 발생할 가능성이 매우 높아짐을 알 수 있다. 따라서 2 차원 평면 데이터의 윤곽선을 경화시켜서 적층방식으로 극미세 3 차원 형상을 제작하는 경우 일반적으로 형상의 세장비가 크기 때문에 형상제작 정밀도에 영향을 주지 않은 조건에서 패턴변형 방지를 위한 패턴두께의 증가방법이 필수적으로 요구된다.
그러나 옵셋을 200 nm 로 두어 다중 윤곽선 스캐닝법으로 두께를 560 nm 로 증가시켜서 동일한 형태의 사각 기둥들을 제작한 경우 현상공정에서 높이가 12 μm 인 경우까지 제작이 가능하였다. 따라서 두께를 66% 증가시켜서 3 배 정도의 강성이 증가됨을 개략적으로 알 수 있었다.
7(c)와 같이 형상의 내부에 스캐닝 경로를 추가하여 삼중 윤곽선 또는 다중 윤곽선으로 제작하면 해결할 수 있는데 이 경우 이중 윤곽선과 같은 옵셋량 (150 nm)을 주어서 형상의 두께를 700 nm 까지 증가시켰으며 두께 증가로 인한 강성증대로 인하여 현상액의 표면장력을 견딜 수 있었다. 임의의 형상에 대한 임계두께를 이론적으로 정확하게 예측하는 것은 매우 어렵지만 극미세 3 차원 형상제작에서 다중 윤곽선 스캐닝법으로 형상의 정밀도에 상관없이 두께를 증가시켜서 강성을 보강하는 방법은 매우 효과적임을 실험적 방법으로 검증하였다.
(2) 2 차원 해석 모델을 통하여 패턴 변형 현상을 분석한 결과 패턴의 세장비가 클수록 변형이 쉽게 발생함을 알 수 있다. 따라서 3차원 형상에서도 세장비가 큰 경우에는 현상공정에서 변형을 저감시키는 것은 정밀한 제작을 위하여 반드시 해결해야 될 문제임을 알 수 있었다.
(3) 이광자 광중합 공정에서 다중 윤곽선 스캐닝 법으로 형상 정밀도의 변화 없이 패턴 두께 증가를 통하여 강성을 증대시킬 수 있음을 보였고 세장비가 다른 사각 기둥 실험에서 66% 두께를 증가시킨 경우 강성이 약 3 배 정도 향상됨을 알 수 있었다.

후속연구

(4) 본 연구에서 분석한 극미세 패턴형상의 현상공정에서 현상액의 표면장력에 대한 영향과 정밀도의 변화 없이 두께를 증가시킬 수 있는 다중 윤곽선 스캐닝법을 이용하여 다 정밀한 극미세 3 차원 형상제작이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이광자 광중합에 의하여 3 차원 형상을 제작할 경우 크게 두가지의 레이저 스캐닝법으로 분류가 되는데 각각의 세부사항은 무엇입니까?	이광자 광중합에 의하여 3 차원 형상을 제작할 경우 크게 두가지의 레이저 스캐닝법으로 분류가 된다. 첫째는 2 차원 단면의 전면을 레이저로 조사하여 경화시킨 뒤 적층하여 형상을 제작하는 방식이다(전면 스캐닝법). 이러한 경우 형상의 강성은 높아지지만 전면 조사에 따른 제작시간이 많이 걸려 제작효율이 매우 낮다. 따라서 일반적으로 형상의 외곽선만 광중합으로 경화시켜서 형상을 완성한 뒤 필요에 따라 자외선(ultraviolet)을 조사하여 형상의 내부에 남아있는 단량체를 광중합 시켜 제작하는 방법(윤곽선 스캐닝법)을 사용한다. 하지만 윤곽선 스캐닝법으로 형상을 제작할 경우 앞서 기술한 현상공정에서 현상액의 표면장력에 의하여 변형이 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 다중 윤곽선 스캐닝법을 이용하여 형상의 정밀도에는 큰 영향을 주지 않으면서 윤곽선의 패턴 두께를 증가시켜서 현상액의 표면장력에 의한 변형을 최소화하는 방법을 제안하였다.
	이광자 광중합 공정에서 제작되는 형상의 정밀도는 무엇에 의해서 결정됩니까?	이광자 광중합 공정에서 제작되는 형상의 정밀도는 기본 단위인 타원회전체 모양의 복셀(voxel)의 크기에 따라 결정된다. 광중합이 되는 임계 에너지 부근에서 복셀의 단위 크기와 모양은 레이저의 조사시간과 출력에 따라 결정되며 레이저의 출력이 높을수록 복셀의 길이방향이 증가하고(P-scheme), 레이저의 조사시간이 길어질수록 광중합을 유도하는 라디칼(radical)의 확산에 의하여 복셀의 폭 방향의 증가가 일어난다(T-scheme).
	극미세 3 차원 제작기술을 실제 공정에서 활용하기 위해서 반드시 해결해야 하는 과제는 무엇입니까?	그런데 이러한 극미세 3 차원 제작기술이 실제 공정에서 활용되기 위해서는 해결해야 될 몇 가지의 문제점이 아직 남아있다. 그 중에서도 형상을 제작한 후 주변에 남아 있는 단량체(monomer)를 제거하는 과정에서 현상액(rinsing material)의 표면장력에 의하여 변형이 발생되는 문제는 정밀한 형상제작을 위해서 반드시 해결해야 될 과제이다. 본 연구에서는 정밀한 극미세 3 차원 형상을 제작하기 위해서 이러한 현상공정(development process)에서의 변형 문제에 대한 이론적 분석과 변형저감을 위한 방안을 알아보았다.

참고문헌 (16)

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