[논문]AFM기반 기계적 TNL 패터닝을 통한 PDMS 몰드제작

정윤준; 박정우

doi:10.7735/ksmte.2013.22.5.831

문제 정의

따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 문제점들을 보완하기 위한 TNL (Tribo nanolithography) 방식의 미세 가공법에 대해 소개하고자 한다. TNL은 고체표면을 원자 스케일로 관찰 하기 위하여 발명된 SPM (Scanning probe microsope)의 표면 측정원리를 가공을 위한 수단으로 적용하여 미세패턴을 제작하는 방법이다.
본 실험은 TNL의 가공성과 PDMS의 뛰어난 생산성을 활용한 복합 프로세스로서 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 나노 임프린팅에 사용될 스탬프 제작의 차세대 기술이 될 수 있으며 IT, NT, BT 등 다양한 산업 분야에 적용이 가능한 복합 공정 기술이다^[7,8].
AFM 기반의 TNL은 측정용 캔틸레버에 초소형 PCD (Polycrystallinediamond) 공구를 부착한 후 공구에 하중을 가해 원하는 형상의 패턴을 기판에 스크래치 가공을 하여 마이크로/나노 구조물을 제작하는 기계적 방식의 리소그래피로써 기존의 마스크를 이용하여 패턴을 전사하고 이후 PR (Photo resist)제거 후 식각 공정이 요구되는 복잡한 과정과 높은 비용을 절감할 수 있는 리소그래피이다^[3]. 본 실험은 초소형 PCD 공구 기반의 미세 패터닝 후 PDMS (Polydimethylsiloxane)를 이용하여 패턴을 복제하고 대량생산에 적합한 NIL (Nanoimprintlithography) 공정의 스탬프로 활용하고자 한다^[4].
본 연구는 초소형 PCD 공구 기반의 실리콘 웨이퍼 표면 패터닝을 통한 PDMS 몰드 제작에 대한 실험 결과이다. 앞서 소개한 기계적 방식의 TNL 가공을 이용하여 공구의 하중에 따른 선 형태의 패턴의 특성을 확인 하였다.

제안 방법

4.1에서 제작된 실리콘 웨이퍼 표면의 미세패턴을 PDMS를 이용하여 패턴 복제를 시도하였다. 정확한 패턴 복제를 위해 경화제와 PDMS를 1:9의 비율로 혼합한 물질을 사용하였으며 베이킹 조건은 80℃의 온도에서 5분간 실시한 후 상온에서 30분간 냉각 과정을 실시하였다.
1의 (a)는 AFM의 일반적인 개념도를 나타낸 그림이고 (b)는 TNL의 원리를 나타내는 개념도이다. 레이저가 캔틸러버에 조사된 후 반사되어 나오는 레이저를 분리된 PSPD (Position-sensitive photodiode) 로 캔틸레버가 편향되는 정도를 모니터링하여 탐침이 시료 표면에 일정한 편향이 유지되도록 스캐너가 feed back을 실시한다. 이 때 항상 팁과 샘플간의 간격이 Coulomb Force 대역에서 유지가 되도록 한다^[6].
마이크로/나노 단위의 미세패턴 가공을 위한 시편은 단결정 실리콘 웨이퍼(100)을 사용하였고 웨이퍼 표면에 존재하는 먼지 및 유기물과 자연적으로 발생한 산화층을 제거하기 위해 Piranha 클리닝 공정을 거쳤다. 이 때 세척은 H₂SO₄ (98%)와 H₂O₂ (30%)의 혼합액 내에 2시간 동안 침지시켜 실시한 후 유기화합물을 제거하기 위해 초음파세척기에서 초순수 세척(180초), 아세톤 세척(180초), 다시 초순수 세척(180초) 순으로 수행하였다.
서로 다른 하중이 가해진 4개의 선 패턴을 임의의 구간 A-A’와 복제된 몰드의 구간 B-B’로 설정하여 패턴분석을 실시하였다.
본 연구는 초소형 PCD 공구 기반의 실리콘 웨이퍼 표면 패터닝을 통한 PDMS 몰드 제작에 대한 실험 결과이다. 앞서 소개한 기계적 방식의 TNL 가공을 이용하여 공구의 하중에 따른 선 형태의 패턴의 특성을 확인 하였다. 첫째 이 방법은 과정이 매우 복잡하고 시간이 오래 걸리는 기존의 리소그래피 방식에서 벗어난 기술로서 원하는 모양의 패턴을 간단한 공정과 짧은 시간에 제작 할 수 있었다.
이 때 가공 조건으로는 Table 1과 같이 20 ㎛ × 20 ㎛의 가공 면적에 10 ㎛/s의 가공 속도로 스크래치 가공을 실시하였으며 가변 조건으로는 PCD 공구의 하중을 각각 2.8 mN, 2.3 mN, 1.8 mN, 1.3 mN 으로 설정하였다.
마이크로/나노 단위의 미세패턴 가공을 위한 시편은 단결정 실리콘 웨이퍼(100)을 사용하였고 웨이퍼 표면에 존재하는 먼지 및 유기물과 자연적으로 발생한 산화층을 제거하기 위해 Piranha 클리닝 공정을 거쳤다. 이 때 세척은 H₂SO₄ (98%)와 H₂O₂ (30%)의 혼합액 내에 2시간 동안 침지시켜 실시한 후 유기화합물을 제거하기 위해 초음파세척기에서 초순수 세척(180초), 아세톤 세척(180초), 다시 초순수 세척(180초) 순으로 수행하였다. 이후 흐르는 물에 약 60초간 세척한 후 표면의 수분을 제거하기 위해 데시케이터 내에서 1시간의 자연건조 과정을 실시하였다.
이 때 세척은 H₂SO₄ (98%)와 H₂O₂ (30%)의 혼합액 내에 2시간 동안 침지시켜 실시한 후 유기화합물을 제거하기 위해 초음파세척기에서 초순수 세척(180초), 아세톤 세척(180초), 다시 초순수 세척(180초) 순으로 수행하였다. 이후 흐르는 물에 약 60초간 세척한 후 표면의 수분을 제거하기 위해 데시케이터 내에서 1시간의 자연건조 과정을 실시하였다. 세척과 건조가 완료된 웨이퍼에 자체 제작한 초소형 PCD 공구가 장착된 AFM을 이용하여 TNL을 수행하게 된다.
1에서 제작된 실리콘 웨이퍼 표면의 미세패턴을 PDMS를 이용하여 패턴 복제를 시도하였다. 정확한 패턴 복제를 위해 경화제와 PDMS를 1:9의 비율로 혼합한 물질을 사용하였으며 베이킹 조건은 80℃의 온도에서 5분간 실시한 후 상온에서 30분간 냉각 과정을 실시하였다. Fig.
초기에 설정한 하중인 2.8 mN, 2.3 mN, 1.8 mN, 1.3 mN에 따른 가공 결과인데 분석을 위해 임의의 구간 A-A’를 정해 패턴의 정보를 획득하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 장비는 초소형 PCD 공구는 피라미드 형상의 팁(100 ㎛ × 100 ㎛)을 실리콘 캔틸레버 (길이: 750 ㎛, 폭: 50 ㎛, 두께: 45 ㎛, 강성: 790 N/m)에 부착한 자체제작 공구와, PDMS 및 경화제는 SYLGARD 184를 사용하였다.
본 실험에 사용된 장비는 초소형 PCD 공구는 피라미드 형상의 팁(100 ㎛ × 100 ㎛)을 실리콘 캔틸레버 (길이: 750 ㎛, 폭: 50 ㎛, 두께: 45 ㎛, 강성: 790 N/m)에 부착한 자체제작 공구와, PDMS 및 경화제는 SYLGARD 184를 사용하였다. 샘플로 사용한 실리콘 웨이퍼는 (100) P-type이며 GLHPS-G 핫플레이트를 이용하여 베이킹 공정을 수행하였다. TNL 공정과 실리콘 웨이퍼 및 PDMS 몰드의 표면 측정 장비로는 Park system의 XE-100 AFM을 이용하였다.

데이터처리

결과 분석을 위해 임의의 구간 B-B’을 정해 힐록 패턴의 정보를 얻었다.

이론/모형

탐침을 캔틸레버의 끝에 설치해 놓고 캔틸레버에 도전체의 작은 바늘을 달아 터널전류를 측정하거나 광연자의 반사광의 편향을 검출하여 원자간의 힘을 측정함으로 표면을 측정하는 원리로 STM과 함께 급속하게 응용범위가 넓어지고 있다. 본 실험에서 제안하는 TNL 방법은 AFM의 측정 원리를 응용한 가공 방법으로 피라미드 형상의 팁이 부착된 캔틸레버를 이용한다^[5]. 캔틸레버와 팁이 소재표면을 가공하기에 충분한 강성을 가질 때 표면을 스캐닝하는 방법으로 가공이 이루어진다.

성능/효과

1번 선의 깊이는 39 nm이고 1’선의 높이는 42 nm로 +7.2%의 복제율을 보였고 2번선의 깊이는 24 nm에서 2’선 34 nm로 +30%의 큰 차이를 보이며 복제되었고 3번선의 경우 21 nm의 가공 깊이가 3’선의 22 nm의 높이로 보이면서 +4.6%, 마지막 4번선과 4’선은 18 nm에서 19 nm로 +5.3%로 높은 복제율을 나타내었다.
3%로 높은 복제율을 나타내었다. 4개의 선 패턴과 전체 패턴의 크기에서 가공 전, 후의 패턴 복제율은 약 88.8%의 비율로 패턴 전사가 일어났다. Fig.
첫째 이 방법은 과정이 매우 복잡하고 시간이 오래 걸리는 기존의 리소그래피 방식에서 벗어난 기술로서 원하는 모양의 패턴을 간단한 공정과 짧은 시간에 제작 할 수 있었다. 둘째 가격이 저렴하고 생산성이 뛰어나며 고정밀의 마이크로/나노 구조물 및 패턴 전사가 가능한 PDMS를 이용해 미세 패턴의 복제를 수행 할 때 약 92%에 이르는 복제율로 원형의 네가티브 형태의 패턴을 제작 할 수 있었다.
실리콘 웨이퍼 상에 제작된 패턴의 가로 전체의 길이는 18.62 ㎛로 프로그램 입력값 20 ㎛ × 20 ㎛보다 조금 작은 수치였다.
앞서 소개한 기계적 방식의 TNL 가공을 이용하여 공구의 하중에 따른 선 형태의 패턴의 특성을 확인 하였다. 첫째 이 방법은 과정이 매우 복잡하고 시간이 오래 걸리는 기존의 리소그래피 방식에서 벗어난 기술로서 원하는 모양의 패턴을 간단한 공정과 짧은 시간에 제작 할 수 있었다. 둘째 가격이 저렴하고 생산성이 뛰어나며 고정밀의 마이크로/나노 구조물 및 패턴 전사가 가능한 PDMS를 이용해 미세 패턴의 복제를 수행 할 때 약 92%에 이르는 복제율로 원형의 네가티브 형태의 패턴을 제작 할 수 있었다.

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