Poly(vinyl alcohol) 전사층을 이용한 나노 임프린트 리소그라피에 관한 연구

Abstract

나노미터급 패턴이 형성된 mold를 기초로하여 같은 형태의 패턴을 제작할 수 있는 나노 임프린트 리소그라피 (NIL)는 경화 방식에 따라서 크게 열 경화 방식을 사용하는 thermal imprint와 UV 경화 방식을 사용하는 UV-imprint로 나눌 수 있다. Thermal imprint는 임프린팅시 가열과 냉각 공정을 통해 패턴을 얻을 수 있는데, 경화방법에 따라 hot embossing lithography (HEL)과 thermal curing imprint 로 구분할 수 있다. UV imprint의 경우에는 UV imprint와 photolithography를 결합한 CNP (combined nanoimprint & photolithography)와 UV curing imprint의 두 가지로 구분된다. 열 경화 방식의 NIL과 UV 경화방식을 사용하는 SFIL (step and flash imprint lithography) 모두 공통적으로 기계적인 몰딩 방식에 기초하고 있어서 여러 기술적인 문제점들이 있는데 그 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 resin의 개발이다. Resin은 그 화학적 특성에 따라서 공정온도와 압력 시간 등 공정에 관련된 많은 부분을 좌우하는 것은 물론, 공정 후의 remove 작업 시에도 화학적인 방법이 필요로 하기 때문에 종합적으로 견주어 봤을 때 imprint lithography 에서 가장 중요한 개발 분야라 할 수 있다. 본 연구에서는 HEL이라는 thermal imprint 방식을 통해 water solubility resin인 PVA (poly vinyl alcohol)을 사용하여 패턴 제작 공정 및 flexible 기판 응용에 관한 실험을 실행하였다. PVA는 수용성의 특징으로 인해 특별한 remover가 필요하지 않으므로, 패턴전사 대상 substrate의 종류에 구애 받지 않고 저가 공정이 가능하다는 장점이 있다. 일반적인 NIL 스탬프의 양각 패턴 위에 E-beam writing과 plasma etching 방법으로 나노 패턴을 제작한 몰드를 사용하였다. 임프린팅 후 몰드와 transfer layer의 분리를 용이하게 하기 위하여 LPCVD를 이용하여 SiO2 를 10 nm 증착시켜 점착방지막인 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetra-hydrodecyl) trichlorosilane의 self-assembled-monolayer (SAM) 의 형성을 용이하게 하여 몰드의 surface energy를 상당히 낮추었다. HEL 방법에 의해 공정조건(두께, 온도, 압력)을 최적화 하여 최소 mold 설계치인 300 nm의 패턴형성을 FE-SEM으로 관찰할 수 있었으며 공정 후 물에 의해 resin 제거된 mold에 의해 만들어진 패턴을 통해 mold의 cleaning 결과를 예측할 수 있었고, flexible substrate 위 패턴 결과물을 통해 NIL의 적용가능성을 확인할 수 있었다.; Nanoimprint lithography (NIL) is one of the promising nano-patterning techniques for the next generation semiconductor, displays, and the other optical devices. Due to the mechanical nature of molding process, material choice for the transfer layer is a key-issue to guarantee the reproducible pattern formation. In this study, we demonstrate hot embossing nano-imprint lithography with poly vinyl alcohol (PVA), which is a well-known water-soluble polymer. Water soluble PVA can allow wide selection of substrate and low cost process since no special remover for transferred PVA patterns is required. To confirm the PVA applicability, hot embossing nano-imprint lithography with PVA was demonstrated for solid Si and flexible polymer substrates. Several imprinting process conditions were tested to set-up the optimized NIL process. First of all, transfer layer above 200nm thick was coated by spin coater considering the mold with 400nm height 1:1 patterns. And the pre-baking was performed to remove the solvent which can cause bubbling during the high temperature NIL process. The temperature effect during the imprint process, which is the key condition of NIL, was investigated at a range of 70?C to 120?C. Finally, the imprinting pressure was adjusted between 3Mpa and 5Mpa.. The most suitable condition in this study can be summarized; 1) the thickness of PVA was 250nm, coated by 2-step process of spinning with 500rpm for 10sec and subsequent 1000rpm for 20sec, 2) the PVA resin was baked for 30sec at 40?C, 3) the patterned template for thermal imprinting was pressed onto the PVA with a pressure of 5Mpa at 100?C for 15min, and 4) de-molded at room temperature. With this process, we can successfully complete the nano-pattern transfer onto the flexible substrates including PET(polyethylene-terephthalate) and PI(poly imide) films as well as the solid Si substrate. The NIL technique with the water soluble PVA resin is expected to be applicable to the next generation patterning process for flexible electronics and displays.