기상자기조립박막을 이용한 나노/마이크로급 Electroforming 금형 복제기술

Abstract

나노임프린트 리소그래피(NIL)란 종이 위에 도장을 찍는 것고 ㅏ유사한 방법으로, 미세패턴이 형성되어 있는 스탬프를 사용하여 resin 과 mold 의 물리적 접촉 후, 높은 열 혹은 UV 와 압력을 가하여 미세패턴을 전사시키는 공정이다. 이러한 나노임프린트 리소그래피 기술은 기존의 포토리소그래피 공정이 연속적으로 필요하지 않다는 점과 높은 생산성 및 경제성을 지닌다. 이러한 임프린팅 기술에 있어 매우 중요한 요소인 몰드(mold or stamp)를 만드는 재료로는 실리콘, 플라스틱, quartz, 니켈 등이 있다. 이 중 실리콘과 quartz 의 경우 깨지기 쉽고, 플라스틱의 경우는 변형이 쉽게 일어나는 단점이 잇다. 하지만, 니멜몰드의 경우는 강도가 강하여 잘 깨지지 않고, 긴 수명을 가짐으로써 양산에 매우 적합한 재료이다. 이와 같은 임프린팅용 니켈 몰드를 제작하는 기존의 방법으로는 고가의 나노리소그래피 공정을 이용하여 미세 패턴을 새겨진 실리콘 마더 몰드(morther molf)를 제작한 뒤, 전기도금을 통한 복제 몰드 형성 후, KOH 등의 실리콘 에칭액(etchant)을 사용하여 마더 몰드를 제거함으로써 최종 복제된 니켈 몰드를 얻을 수 있다. 그러나 앞서 말한 기존의 공정으로는 마더 몰드인 실리콘을 소모해야만 하는 한계가 있어 그 경제성이 매우 떨어진다. 본 연구에서는 실리콘 마더 몰드 위에 분리층(demolding layer)의 역할을 하는 FOTS 층을 기상자기조립박막증착법(vapor SAM method)을 통해 증착하였고, 전기도금 후 실리콘 마더 몰드의 손상 없이 분리해 냄으로써 한장의 실리콘 몰드로 다량의 니켈 몰드를 생산할 수 있는 기술을 개발하고자 하였다. 분리층(demolding layer)은 주로 임프린팅 공정에서 사용되는 것으로 임프린팅 후 불리시 뜯거나 달라붙는 stiction 현상을 방지하여 왜곡이나 변형 없는 깔끔한 패턴을 재현하고, 몰드의 수명도 늘려주는 역할을 한다. 본 연구에서는 임프린팅용 antistiction layer를 전기도금에 응용하여 몰드 복제를 시도해 보았다. 분리층(demolding layer) 증착을 위해 사용된 기상자기조립박막증착법(vapor Self assembled monolayer method)는 단층(monolayer)으로 형성되기 때문에 패턴크기에 영향을 주지 않고, 공정이 간단하며, 재현성 및 신뢰성이 높다. 특히 액상자기조립박막(liquid SAM)의 경우 100 nm 이하의 미세패턴에는 침투하지 못하는 한계를 가지기 때문에 본 연구에서는 vapor SAM방식을 사용하였다. vapor SAM 방식을 통해 실리콘 마더 몰드 위에 증착된 FOTS 층의 경우, 약 1 nm 두께를 가지며, 낮은 표면에너지와 높은 소수성의 (100~108°) 접촉각을 보였다. 실리콘 마더 몰드와 실제 복제된 니켈 몰드의 패턴을 광학현미경과 3D-profiler, AFM, FE-SEM 등의 다양한 측정장비를 통해 측정해 본 결과, 패턴의 변형 또는 왜곡 없이 잘 복제되었음을 확인할 수 있었다.; Nanoimprint lithography (NIL) is an alternative lithographic method that offers a sub-10 nm feature size, high throughput, and low cost. It requires a mold which has a low fabrication cost and long life time. A mold is the material with various patterns to transfer on the plastic substrate. Materials such as Si, quartz, plastic and Ni have been widely used for micron or sub micron sized mold fabrication depending on its pattern size and application. Si and quartz are very easy to be broken, and plastic can be deformed easily during process. However, Ni has high enough hardness and life time as a mold material and can be fabricated from on Si micro to nano sized molds with a seed layer by a simple Ni electro-deposition. After electro-deposition, the sample is usually dipped in KOH solution to remove Si from Ni. The consumption of Si mold is necessary step to produce a Ni mold. In this study, a method was developed to fabricate a Ni mold without the consumption of Si mold. Vapor SAM (self assembled monolayer) method was used to deposit hydrophobic layer on Si mold. A low surface energy release layer on stamp surfaces not only helps to improve imprint qualities, but it also increases the stamp lifetime significantly by preventing surface contamination. Hydrophobic layer, which has a low surface energy, makes possible to separate Ni from Si substrate without causing any damages on Si mold. The characteristics of deposited hydrophobic layer were analyzed by measurements of the contact angle, its hysteresis, surface energy, thickness and lateral friction force. The stiction of Ni on Si mold was observed when the separation of Ni from Si was tried without the SAM deposition. The multiple duplication of Ni molds has been successfully developed without disposing costly Si mother mold. Duplicated patterns on Ni mold showed the same patterns as on Si mother mold when they were observed with optical microscope, 3D profiler, FE-SEM, and AFM (atomic force microscope).