나노임프린트 공정을 위한 점착방지막 개발과 평가

Abstract

본 논문에서는 나노 임프린트 리소그래피(NIL)를 성공적으로 수행하기 위하여 점착방지막이 연구개발 되었다. NIL 기술은 기존의 포토 리소그래피에서 일어나는 빛의 간섭이나 회절과 같은 현상이 없으며 상대적으로 적은 비용으로 대면적의 나노급 패턴을 제작할 수 있는 장점이 있다. NIL 공정에서 패턴은 물리적인 접촉을 통해 형성되며 열 또는 UV 조사를 통하여 폴리머를 경화 시키게 된다. 이때 점착 현상이 두 계면 사이에서 발생하게 되며 패턴의 고대비가 커질수록 더욱 빈번하게 발생하게 된다. 이러한 공정 중 점착 현상을 방지하기 위하여 점착방지막을 몰드 표면에 형성하는 것은 매우 중요하다. 점착방지막은 주로 몰드 표면에 테플론과 유사한 특성을 가지는 박막을 형성시키게 되며 본 연구에서는 나노급 패턴에 적용 가능한 건식 증착 방식의 점착방지막이 연구되었다. 먼저 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 테플론과 유사한 성질의 점착방지막이 개발되었다. PECVD를 이용한 점착방지막은 나노 급에서 마이크로 급까지 두께조절이 가능하였으며 몰드의 재료에 관계없이 점착방지막을 형성하는 것이 가능하였다. 그러나 플라즈마를 이용한 점착방지막은 몰드 표면과의 결합력이 약해 상대적으로 사용횟수가 짧은 단점을 가지고 있었다. 또 다른 방법으로 기상 자기조립박막(VSAM; vapor self assembly monolayer)법을 이용하였다. 알루미늄 기판은 PFDA (perfluorodecanoic acid)를, 실리콘 및 실리콘 산화막 기판에는 FOTS (perfluoroctyltrichlorosilane)를 이용하여 점착방지막을 형성시켰다. VSAM 공정의 경우 매우 안정한 수 나노미터 정도의 단분자막을 제작할 수 있었다. 그러나 표면과 화학적인 결합을 유도할 수 있는 화학기에 따라 적용할 수 있는 몰드가 한정적인 단점이 있었다. 각각의 몰드 재료와 사용 목적에 적합한 점착방지막을 이용하여 성공적인 임프린트 공정을 수행할 수 있었다. 핫엠보싱 공법을 이용하여 4인치 실리콘 및 투명한 PMMA(polymethylmethacrylate) 플라스틱 기판에 4 mega DRAM 패턴을 형성할 수 있었으며, 이러한 성공적인 임프린트 기술은 다양한 연구를 하는 원동력이 되었다. 이를 토대로 고온 에폭시를 이용하여 저가의 플라스틱 스탬프가 제작되었다. 그리고 플라스틱 미소유체소자가 핫 엠보싱 공법과 저온 열 접합을 이용하여 성공적으로 제작되었으며 화학적 기계 연마 공정을 도입하여 플라스틱 기판에 투명 전기 배선으로 사용될 수 있는 매립형 금속 배선을 형성하는 새로운 공정을 개발하였다.; In this dissertation, optimizations and characterizations of antistiction layers were carried out for the successful NIL (nanoimprint lithography) process and new applications were developed by NIL process. NIL is known as a practical method for fabricating from nanometer to micrometer patterns on polymer substrates. It is a simple process with low cost, high throughput and high resolution without light diffraction or interference. NIL creates patterns by heat or UV during mechanical deformation of polymer. At this time, stiction is occurring between mold and polymer. This notorious problem must be eliminated. Appling an antistiction layer is effective to prevent this stiction problem. The antistiction layers deposited by dry methods such as PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) and VSAM (vapor self assembly monolayer) were characterized and optimized on various mold materials. The deposited antistiction layers had similar chemical and physical properties of Teflon. An antistiction layer by PECVD could control the thickness from nanometer to micrometer and could deposit on any substrates at room temperature. NIL process with PECVD antistiction layer applied on molds was successfully achieved. But PECVD antistiction layer had a weak physical bonding with mold materials that showed a limited number of using. Also VSAM method was studied. PFDA (perfluorodecanoic acid) was deposited on aluminum and FOTS (perfluoroctyltrichlorosilane) was applied on silicon and silicon oxide substrates. An antistiction layer by VSAM had a monolayer thickness and had a strong chemical bonding with mold materials. But it could apply the limited materials as a functional group of SAM precursor. Base on an optimized antistiction process, hot embossing process was optimized as functions of temperature and pressure. The optimized antistiction layer based on target purposes and material properties was leading a successful imprint result. The DRAM patterns were successfully imprinted by hot embossing process on Si wafer with conventional PMMA resist. This successful result was done a driving force to progress the new research. A plastic microfluidic chip was fabricated by hot embossing with low temperature bonding technique. A novel fabrication method which called HECMP (hot embossing with chemical mechanical planarization) was suggested to make inlaid metal lines on plastic substrates for transparent wiring without using any organic solvents.