[논문]UV NIL공정에서 몰드 중공부 형상과 기포결함에 대한 수치해석

이호성; 김보선; 김국원

doi:10.5762/kais.2018.19.1.596

UV NIL공정에서 몰드 중공부 형상과 기포결함에 대한 수치해석
Numerical Analysis of Effects of Mold Cavity Shape on Bubble Defect Formation in UV NIL 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.1, 2018년, pp.596 - 602

이호성 (순천향대학교 기계공학과) , 김보선 (순천향대학교 기계공학과) , 김국원 (순천향대학교 기계공학과)

초록
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최근 나노임프린트 리소그래피 공정이 마이크로/나노 스케일의 소자 개발에 있어서 경제적으로 대량 생산할 수 있는 기술로 주목 받고 있다. 자외선경화 방식의 나노임프린트의 경우 상온 및 저압의 장점과 함께 비진공 환경에서 공정을 통하여 설비 비용의 저감과 생산공정의 고속화를 달성할 수 있다. 그러나 이 경우 비진공 환경에서 발생하는 기포결함의 문제를 해결해야만 한다. 본 연구에서는 비진공 환경에서의 자외선경화 방식의 나노임프린트 공정에서 몰드 중공부 단면의 형상과 기포결함 발생 관계를 연구하였다. 일반적으로 많이 사용되는 사각형 단면과 타원형 단면 그리고 삼각형 단면에 대하여 2차원 유동해석 및 VOF 방법을 통하여 기포결함을 시뮬레이션 하였고 단면의 형상과 다양한 접촉각에 따른 유동선단의 특성을 분석하였다. 해석결과 몰드 중공부 형상은 기포결함 발생에 매우 중요한 영향을 미치며, 고려된 형상 모두 몰드와의 접촉각이 작을수록, 기판과의 접촉각이 클수록 기포결함 발생 가능성이 작아짐을 알 수 있었다. 또한 타원형 형상이 기포결함 발생방지 측면에서 가장 효과적임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nanoimprint lithography (NIL) is an emerging technology that enables cost-effective and high-throughput nanofabrication. In ultraviolet (UV) NIL, low-cost and high-speed production can be achieved using a non-vacuum environment at room temperature and low pressure. However, there are problems with the formation of bubble defects in such an environment. This paper investigates the shape of the mold cavity and the bubble defect formation in UV NIL in a non-vacuum environment. The bubble defect formation was simulated using two-dimensional flow analysis and the VOF method for commonly used cavity mold shapes (rectangular, elliptical, and triangular). The characteristics of the resist flow front and various contact angles were also analyzed. The shape of the mold cavity had a very significant effect on the bubble defect formation. For all cavity shapes, a smaller contact angle with the mold and larger contact angle with the substrate decreased the possibility of bubble defect formation. The elliptical shape was the most effective for preventing bubble defect formation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 몰드 단면의 형상이 기포결함에 미치는 영향을 분석하기 위해, 같은 중공부 너비와 높이를 가지는 사각형, 타원, 삼각형 형상의 중공부 단면에 대해 유동해석을 수행하였다. 고려된 몰드의 형상은 중공부 너비는 200 nm, 중공부 높이는 200 nm, 돌출부 너비의 1/2은 200 nm이다.

가설 설정

한편 UV NIL 공정에 사용되는 레지스트는 수 cPs에서 수십 cPs 정도의 낮은 점도를 가진다. 따라서 레지스트를 물로 가정하여 점도는 1 cPs, 밀도는 998.2 kg/m³ , 표면 장력은 0.072 N/m로 가정하였다. 진공이 아닌 대기 중에서 공정이 이루어지므로 레지스트와 공기의 2상 유동이 고려되었다.
현재까지 다양한 방법으로 UV NIL의 기포발생에 대한 연구가 진행되었으나 몰드 중공부 형상의 영향에 대해서는 Seok 과 Kim[13]의 삼각단면에 대한 연구가 유일하다. 본 연구에서는 비진공 환경에서의 UV NIL 공정에서 줄무늬 패턴 전사 공정이 이루어질 때, 2차원 유동해석으로 가정하여 기포발생 시뮬레이션을 수행하였다. 다양한 몰드 중공부의 단면형상(사각형, 타원형, 삼각형)과 다양한 접촉각에 따른 기포결함 발생 여부를 분석하였다.
해석에서 고려하는 몰드는 단면의 형상이 일정하며 길이방향으로 충분히 길게 형성되어 있어 2차원으로 가정하였다. 또 같은 모양의 단면이 반복적으로 이루어져 있으므로, 한 단위의 패턴 형상에 대하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

Morihara 등[5]과 Nagaoka 등[6]은 UV NIL의 충전과정 중 발생하는 기포 생성 메커니즘에 대해 수치적 방법으로 계산하였다. 2차원 유동해석을 통해 몰드와 기판사이의 접촉각 변화에 따른 기포발생을 연구하였다. Hiroshima 등[7,8] 역시 기포발생 메카니즘에 대해 연구하였으며 레지스트의 유량이 증가할수록, 패턴의 크기가 작아질수록 기포결함이 줄어드는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 비진공 환경에서의 UV NIL 공정에서 줄무늬 패턴 전사 공정이 이루어질 때, 2차원 유동해석으로 가정하여 기포발생 시뮬레이션을 수행하였다. 다양한 몰드 중공부의 단면형상(사각형, 타원형, 삼각형)과 다양한 접촉각에 따른 기포결함 발생 여부를 분석하였다.
해석에서 고려하는 몰드는 단면의 형상이 일정하며 길이방향으로 충분히 길게 형성되어 있어 2차원으로 가정하였다. 또 같은 모양의 단면이 반복적으로 이루어져 있으므로, 한 단위의 패턴 형상에 대하여 해석을 수행하였다. 본 연구에서 고려한 몰드의 중공부 단면 형상은 광학 소재 및 나노 공정에 광범위하게 사용되는 사각단면과 타원형 단면, 그리고 삼각단면을 고려하였고 Fig.
Hiroshima 등[7,8] 역시 기포발생 메카니즘에 대해 연구하였으며 레지스트의 유량이 증가할수록, 패턴의 크기가 작아질수록 기포결함이 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 공기 대신 레지스트에 대한 용해도가 큰 물질 (trichrolofluoromethane) 을 사용하여 기포가 생기더라도 쉽게 용해되어 사라지게 하는 방식으로 결함 발생을 막는 방법을 제안하였다. Liang 등[9]은 기포생성과 용해의 거동에 대한 실험적 및 이론적 연구를 수행하였고, 기포의 수축시간은 초기 기포의 크기, 임프린팅 압력, 공기 용해도 및 레지스트 잔류 두께 등과 관련 있음을 제시하였다.
본 연구에서는 세가지 형상의 몰드 중공부 단면 형상(사각형, 타원형, 삼각형)과 다양한 접촉각 (기판과의 접촉각 θS: 30º, 40º, 50º, 몰드와의 접촉각 θM: 30º, 35º, 40º , 45º, 50º)에서의 기포결함 발생 시뮬레이션을 수행하였고 그 결과 다음의 결론을 얻을 수 있다.
타원형 단면의 기포발생 경우를 살펴보기 위해 고려 범위 밖의 접촉각에 대해 수치해석 시뮬레이션을 수행하였고, θS=10º, θM=60º의 접촉각에서 기포결함이 발생함을 확인하였다.

대상 데이터

또 같은 모양의 단면이 반복적으로 이루어져 있으므로, 한 단위의 패턴 형상에 대하여 해석을 수행하였다. 본 연구에서 고려한 몰드의 중공부 단면 형상은 광학 소재 및 나노 공정에 광범위하게 사용되는 사각단면과 타원형 단면, 그리고 삼각단면을 고려하였고 Fig. 1에 나타내었다.

이론/모형

UV NIL 충전과정에서 기포 생성을 시뮬레이션하기 위해서 고정격자계 기반의 유체 체적 분율 방법인 VOF(Volume of Fluid) 를 사용하였다. VOF 를 사용하는 경우 연속 방정식은 다음과 같다.
기판과의 접촉각 θ_S는 30º, 40º, 50º, 몰드와의 접촉각 θ_M은 30º, 35º, 40º, 45º, 50º가 고려되었다. 수치해석은 유체 해석 전문 프로그램 Fluent를 이용하였다.

성능/효과

1. 기포결함 발생은 접촉각과 밀접한 관련이 있으며, 고려된 중공부 형상 모두 몰드와의 접촉각이 작을수록, 기판과의 접촉각이 클수록 기포결함 발생 가능성이 작아진다.
2. 시간에 따른 레지스트의 유동선단을 분석한 결과, 중공부를 모두 채우기 전에 중공부 오른쪽 모서리에 유동선단이 도달한 경우 유동선단의 분기가 발생하고 이로 인하여 중공부 내부에 기포결함이 발생하였다.
3. 고려된 몰드 중공부 형상 중 모서리가 없는 타원형에서는 고려된 접촉각 범위에서 기포가 발생하지 않았으며, 다른 형상(사각형, 삼각형)에 비해 기포결함 발생 방지 측면에서 유리함을 알 수 있다. 그러나 기포발생 가능성을 높이는 접촉각 조건(몰드와의 접촉각을 크게, 기판과의 접촉각을 작게)을 적용한 경우(몰드와의 접촉각 60º, 기판과의 접촉각 10º)에는 기포결함이 발생함을 확인하였다.
고려된 몰드 중공부 형상 중 모서리가 없는 타원형에서는 고려된 접촉각 범위에서 기포가 발생하지 않았으며, 다른 형상(사각형, 삼각형)에 비해 기포결함 발생 방지 측면에서 유리함을 알 수 있다. 그러나 기포발생 가능성을 높이는 접촉각 조건(몰드와의 접촉각을 크게, 기판과의 접촉각을 작게)을 적용한 경우(몰드와의 접촉각 60º, 기판과의 접촉각 10º)에는 기포결함이 발생함을 확인하였다.
사각형 단면의 경우와 마찬가지로 특정 접촉각에서 기포가 발생하였으며, 기판과의 접촉각, θS가 작을수록, 몰드와의 접촉각, θM이 클수록 기포결함이 잘 생성됨을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UV NIL 공정의 장점은?	최근 NIL 기술은 공정의 고속화 및 대면적화를 통한 대량생산 기술로의 전환을 목표로 하고 있다. UV NIL 공정은 상온 및 저압의 장점과 함께 비진공 환경에서의 공정을 통하여 설비 비용의 저감과 생산공정의 고속화를 달성할 수 있다. 그러나 이 경우 비진공 환경에서 발생하는 기포결함의 문제를 해결해야만 한다.
	UV NIL 공정의 한계점은?	UV NIL 공정은 상온 및 저압의 장점과 함께 비진공 환경에서의 공정을 통하여 설비 비용의 저감과 생산공정의 고속화를 달성할 수 있다. 그러나 이 경우 비진공 환경에서 발생하는 기포결함의 문제를 해결해야만 한다.
	나노임프린트 리소그래피 공정이란 무엇인가?	나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL) 공정은 비교적 단순한 공정과 10nm 이하의 패턴 전사 능력으로 인해, 반도체 및 디스플레이 산업에서 기존 고가의 포토 리소그래피(Photo lithography) 공정을 대체할 수 있는 대안으로 활발한 연구가 이루어지고 있다[1]. NIL은 사용되는 레지스트의 종류 및 경화시키는 방법에 따라 열 나노임프린트 리소그래피 (Thermal NIL)와 자외선 나노임프린트 리소그래피 (UV NIL)로 구별된다[2-4].

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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