KR100951915B1 - 플라즈마 에칭을 이용한 마이크로-나노 패턴의 제작 방법 - Google Patents
플라즈마 에칭을 이용한 마이크로-나노 패턴의 제작 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법은 마이크로-나노 복합 패턴을 용이하게 제작할 수 있도록 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 레지스트층을 도포하는 단계와, 상기 기판상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계와, 상기 기판 상에 폴리머층을 형성하는 단계, 및 상기 폴리머층을 플라즈마 에칭하여 나노 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
마이크로, 나노, 반사 방지, 플라즈마, 에칭
Description
본 발명은 마이크로-나노 복합 패턴의 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 에칭을 이용하여 마이크로-나노 복합 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
나노기술(NT; Nano Technology)은 정보기술(IT; Information Technology) 및 생명공학기술(BT; Bio Technology)와 더불어 21세기 산업 발전을 주도할 새로운 패러다임의 기술로서 주목 받고 있다.
또한, 나노기술은 물리학, 화학, 생물학, 전자공학, 및 재료공학 등 여러 과학기술 분야가 융합되어, 기존 기술의 한계를 극복하고, 다양한 산업 분야에 기술혁신을 줌으로써, 인류의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.
주로 수 나노에서 수백 나노의 크기를 가지는 패턴은 나노 메모리, 바이오 센서, 세포 성장 등을 비롯한 바이오 응용, 광결정(Photonic crystal)을 이용한 고효율 디스플레이, 태양전지를 비롯한 다양한 광전소자 등 많은 곳에 응용이 시도되고 있다.
구체적인 예를 들어 수 나노에서 수백 나노의 점 혹은 원기둥(Pillar) 구조는 나노 메모리에 응용이 가능하며, 수백 나노의 광결정 구조는 OLED(LED)에서 외부 광효율을 높이기 위한 구조로 응용이 가능하다.
또한, 최근에는 자연의 생물을 모사하는 연구로 나방의 눈(moth-eye)와 도마뱀 발바닥(Gecko feet), 연꽃잎(Lotus)의 구조 응용에 관한 연구도 활발하다.
나방의 눈(moth-eye) 구조는 반사 방지에 우수한 효과가 있어서 다양한 분야에 적용이 가능하다. 기존에 일반적으로 사용되던 반사방지막은 저굴절률 재료의 연속박막 코팅방법이 주로 사용되어 왔다. 그러나 연속박막 코팅 방법은 재료의 선택에 한계가 있고 균일 박막제조가 용이하지 않으며 공정수가 많다는 단점이 있다.
최근에는 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 나방의 눈(moth-eye) 구조를 모니터 등에 적용하여 외광 반사에 의한 눈부심 현상을 줄이고, 내광 반사를 방지하여 광효율을 향상시키는 연구가 진행되고 있다.
이러한 반사방지 구조는 자동차 계기판을 포함한 산업용 및 가정용 유리등 많은 영역에 적용 가능하며, 태양전지(Solar cell)에 적용하면 광효율이 높은 고효율 태양전지를 제작할 수 있다.
이러한 마이크로-나노 복합 패턴을 형성하는 기술로 전자빔 리소그래피, 극자외선(EUV) 패터닝, 간섭 리소그래피(Interference lithography), 나노 임프린트(Nano Imprint) 및 연성 식각(Soft Lithography), 사출 성형(Injection Molding) 방법이 적용이 가능하다. 그러나 이러한 방법은 고가의 장비를 필요로 하고, 대면 적을 한꺼번에 패터닝하기가 어려운 문제가 있다.
또한, 최근에는 자기조립을 이용한 블록 공중합체(block copolymer) 패터닝, 나노입자 리소그래피(Nanosphere lithography), 양극산화 알루미늄 (Anodic Aluminum Oxide) 등의 바텀 업 패터닝 기술이 관심을 받고 있다.
이러한 방법은 고가의 장비가 필요 없고, 한 번에 기판 위에 병렬 패터닝이 가능하여 공정 속도가 빨라서 생산성이 높은 장점이 있으나, 아직 패턴 크기를 임의로 제어하기 힘들고 같은 구조를 생산하는 반복 생산성이 떨어진다. 특히 기존 방법들은 흠(defect)을 관리하기가 힘들며 대면적 적용이 어려운 문제가 있다.
또한, 임프린트 공정과 같은 패턴 복제 공정은 하나의 원본 몰드만 있으면 낮은 비용으로 제작이 가능하나, 원본 몰드를 제작하는 것이 어려우며, 생산비가 높은 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반사 방지 기능을 갖는 마이크로-나노 패턴을 용이하게 제작할 수 있는 마이크로-나노 패턴 제작 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 레지스트층을 도포하는 단계와, 상기 기판상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계와, 상기 기판 상에 폴리머층을 형성하는 단계, 및 상기 폴리머층을 플라즈마 에칭하여 나노 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 마이크로 패턴을 형성하는 단계는, 상기 레지스트층을 노광하고, 에칭하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 기판은 투명 기판으로 이루어질 수 있으며, 특히 상기 기판은 빛을 굴절시키는 비평면 렌즈로 이루어질 수 있다.
상기 나노 패턴은 300nm 이하의 피치를 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 나노 패턴을 형성하는 단계에 있어서, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 형성 가스는 산소(O2)와 사불화탄소(CF4), CHF3, SF6, H2, Ar 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법은 상기 마이크로 패턴과 상기 나노 패턴 상에 폴리머를 덮어서 몰드를 제작하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 복제 기판에 복제 레지스트층을 형성하는 단계와 상기 스탬프로 상기 복제 레지스트층에 눌러서 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 복제 레지스트층을 경화시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법은 플라즈마 에칭을 이용하여 대면적의 마이크로-나노 패턴을 용이하게 제작할 수 있다.
뿐만 아니라, 균일한 나노 패턴을 형성하여 불량을 최소화할 수 있다.
또한, 고분자의 종류에 따라 반사 방지막 구조의 제어가 용이하며, 플라즈마 에칭을 이용하여 저가로 용이하게 몰드를 제작할 수 있다.
본 발명에 있어서 나노 패턴이라 함은 높이, 직경, 넓이, 길이 중 어느 하나가 나노(nano) 크기를 갖는 패턴을 말한다. 패턴은 규칙적인 패턴은 물론이고 불규칙적인 패턴을 포함한다.
또한, 본 발명에 있어서 피치라 함은 나노 패턴을 이루는 하나의 돌기의 중심에서 이웃하는 돌기의 중심까지의 거리를 말한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 과정을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2a 내지 2g를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법은 기판 준비 단계(S101)와 레지스트층 도포 단계(S102), 마이크로 패턴 형성 단계(S103), 폴리머층 형성 단계(S104), 및 플라즈마 에칭 단계(S105)를 포함한다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 기판(110)을 준비한다(S101). 기판(110)은 광투과성 재료로 이루어지며, 유리 또는 ITO(indium tin oxide) 등으로 이루어질 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 레지스트층(120)을 형성한다(S102). 이 때 레지스트층(120)을 이루는 물질은 포토 레지스트 또는 열경화성 레지스트 등 일반적으로 사용되는 다양한 종류의 레지스트가 적용될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이 레지스트층(120)에 마이크로 패턴을 형성한다. 마이크로 패턴 형성 방법은 광 리소그래피, 임프린트 리소그래피, 연성 식각, 사출 성형 등 다양한 방법이 적용될 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이 에칭을 하여 기판(110) 상에 마이크로 패턴(112)을 형성한 후, 기판(110) 상에 잔류하는 레지스트층(120)을 제거하여 마이크로 패 턴(112)이 형성된 기판(110)을 제작한다(S103). 이때 에칭은 건식 에칭, 또는 습식 에칭 등 다양한 방식의 에칭이 적용될 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이 마이크로 패턴(112) 위에 폴리머층(135)을 형성한다(S104).
폴리머층(135)은 PS(Polystyrene), PMMA(Polymethly Methacrylate), PUA(Polyurethane Acrylate), SU-8, NOA-Series, PVA(Polyvinyl Alcohol), 아크릴레이트, 에폭시류, 열경화성 및 가소성 고분자 등으로 이루어질 수 있다.
폴리머층(135)을 구성하는 물질의 변화에 따라 다양한 형태의 나노 패턴을 형성할 수 있다. 폴리머층(135)은 스핀 코팅으로 형성될 수 있으며, 필름 형태로 형성될 수도 있다.
도 2f에 도시한 바와 같이, 폴리머층(135)이 형성된 기판(110) 상으로 플라즈마 에칭을 실시한다(S105). 플라즈마 에칭에서 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 형성 가스는 산소(O2)와 사불화탄소(CF4)를 포함할 수 있으며 CHF3, SF6, H2, Ar를 포함할 수도 있다. 플라즈마 형성 가스의 종류와 플라즈마 에칭 공정 조건에 따라서 다양한 크기와 형태를 갖는 나노 패턴을 형성할 수 있다.
도 2g에 도시한 바와 같이 플라즈마 에칭에 의하여 형성된 마이크로-나노 패턴을 갖는 구조물(100)을 제작할 수 있는 바, 나노 패턴은 300nm이하의 피치를 갖는다. 이와 같이 나노 패턴의 피치를 300nm 이하로 형성하면 가시광선의 파장보다 작은 안정 영역의 피치를 가져서 가시광선의 회절이나 간섭 없이 가시광을 안정적 으로 전달할 수 있다.
본 실시예에서는 마이크로 패턴을 형성한 이후에 나노 패턴을 형성하는 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 기판 상에 나노 패턴을 형성한 이후에 마이크로 패턴을 형성할 수도 있다.
본 실시예와 같이, 플라즈마 에칭을 이용하여 마이크로-나노 패턴을 형성하면 용이하게 대면적의 마이크로-나노 패턴을 제작할 수 있다. 즉, 플라즈마 에칭은 대면적 전체를 한꺼번에 에칭할 수 있으므로 디스플레이 등의 표면에 마이크로-나노 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 플라즈마 에칭의 공정 조건에 따라 균일한 패턴을 형성할 수 있으며, 패턴의 종류를 다양하게 변화시킬 수 있다. 뿐만 아니라 폴리머층을 스핀 코팅으로 형성함으로써 반사 구조의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 제1 실시예에 따라 제작된 마이크로-나노 패턴이 형성된 기판 상에 몰드(210) 형성을 위한 폴리머층을 형성한다. 폴리머층을 경화시킨 후, 기판 상에서 분리하면 마이크로-나노 패턴에 대응되는 형상을 갖는 몰드(210)를 얻을 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이 복제 기판(230)을 준비하고, 복제 기판(230)에 복제 레지스트층(240)을 형성한다. 복제 기판(230)은 광투과성 기판(230)으로 이루어지며, 레지스트층(240)은 포토 레지스트 또는 열경화성 레지스트로 이루어질 수 있다.
복제 레지스트층(240)에 폴리머 몰드(210)를 눌러서 마이크로-나노 패턴을 전사하고, 레지스트층(240)을 경화시켜서 도 3c에 도시된 바와 같이 마이크로 패턴(242)과 나노 패턴(245)이 형성된 기판(230)을 얻는다.
본 실시예와 같이 플라즈마 에칭을 이용하여 형성된 마이크로-나노 패턴이 형성된 기판을 이용하여 몰드(210)를 형성하고, 이 몰드(210)를 이용하여 임프린트 리소그래피 방식으로 패턴을 복제하면, 보다 용이하게 마이크로-나노 패턴을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따라 형성된 마이크로-나노 패턴이 형성된 기판을 도시한 단면도이다.
도 4에도 도시된 바와 같이 비평면을 갖는 기판(310)의 상면에 마이크로 패턴(320)이 형성되고, 마이크로 패턴(320) 상에 나노 패턴(350)이 형성된다. 기판(310)은 빛을 굴절시킬 수 있도록 일정한 곡률로 형성된 렌즈로 이루어지는데, 이와 같이 렌즈의 표면에 반사 방지 구조를 형성하면 빛의 투과율을 향상시킬 수 있다. 이러한 패턴을 형성하기 위해서 먼저 기판(310) 상에 마이크로 패턴(320)이 형성된 필름을 부착하거나, 곡면 기판 상에 마이크로 패턴(320)을 형성한다.
마이크로 패턴(320)이 형성되면 플라즈마 에칭을 이용하여 마이크로 패턴(320) 상에 나노 패턴(350)을 형성한다. 플라즈마 에칭을 이용하므로 곡면 기판(310) 상에도 나노 패턴(350)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 5a는 플라즈마 에칭 이전의 폴리머층을 나타내는 사진이며, 도 5b는 플라즈마 에칭으로 나노 패턴이 형성된 폴리머층을 나타낸 사진이다. 또한, 도 5c는 도 5b에 형성된 패턴을 임프린트 리소그래피로 복제한 패턴을 나타낸다. 기판에 SU-8을 스핀 코팅하여 폴리머층을 형성하였으며, 산소와 사불화탄소를 6:4의 비율로 포함하는 플라즈마 형성 가스를 사용하였다. 도 5b에 도시한 바와 같이, 플라즈마 에칭으로 300nm 이하의 피치를 갖는 나노 패턴이 균일하게 형성된 것을 알 수 있으며, 도 5c에 도시한 바와 같이 임프린트 복제에 의하여 나노 패턴이 복제된 것을 알 수 있다.
도 6은 도 5c에 나타난 임프린트 복제에 의하여 형성된 나노 패턴을 갖는 기판과 종래의 기판의 반사율 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서 기판은 폴리카보네이트(PC)로 이루어진다.
도 6에서 위에 진한색으로 표시한 그래프가 나노 패턴이 형성되지 않은 기판의 반사율이고, 아래에 표시한 그래프가 도 5c의 복제 패턴을 갖는 기판의 반사율이다. 종래 기판의 반사율은 파장에 따라 약 11% - 10%이나, 반사 방지 나노 패턴을 갖는 기판의 반사율은 7.5% 정도로 낮은 것을 알 수 있다.
도 7a는 PS(Polystyrene)로 이루어진 폴리머층에 나노 패턴을 형성한 것을 나타내는 사진이고, 도 7b와 도 7c는 NOA-60(Noland optical 社)으로 이루어진 폴리머층에 조건을 달리하여 나노 패턴을 형성한 것을 나타내는 사진이다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이 폴리머층의 재질과 플라즈마 에칭의 조건에 따라 다양한 크기와 모양을 갖는 나노 패턴을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 자외선 경화형 NOA-60을 복제 몰딩을 이용하여 마이크로 패턴을 갖도록 제작한 후, 산소와 사불화탄소를 6:4의 비율로 포함하는 플라즈마 형성 가스를 이용하여 80W에서 플라즈마 방전으로 에칭한 것을 나타내는 사진이다. 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이 마이크로 패턴 상에 나노 패턴이 형성된 마이크로-나노 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법의 순서도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로-나노 패턴 제작 방법에 따라 제작된 마이크로-나노 패턴을 갖는 렌즈를 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 플라즈마 에칭을 이용하여 형성된 나노 패턴 및 이를 복제한 패턴을 나타내는 사진이다.
도 6은 도 5c의 복제된 패턴을 갖는 기판과 패턴이 없는 기판의 반사율을 비교한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 폴리머층의 재질 변화와 플라즈마 에칭 조건 변화에 따라 나노 패턴 변화를 나타내는 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 마이크로 패턴 상에 나토 패턴이 형성된 것을 나타낸 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 기판 112: 마이크로 패턴
120: 레지스트층 135: 폴리머층
210: 몰드 230: 복제 기판
Claims (8)
- 기판을 준비하는 단계;상기 기판 상에 레지스트층을 도포하는 단계;상기 기판상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계;상기 기판 상에 폴리머층을 형성하는 단계; 및상기 폴리머층을 플라즈마 에칭하여 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 마이크로-나노 패턴의 제작 방법.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로 패턴을 형성하는 단계는, 상기 레지스트층을 노광하고, 에칭하는 단계를 포함하는 마이크로-나노 패턴의 제작 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 투명 기판인 마이크로 나노 패턴의 제작 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 빛을 굴절시키는 비평면 렌즈인 마이크로 나노 패턴의 제작 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노 패턴은 300nm 이하의 피치를 갖는 마이크로-나노 패턴의 제작 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노 패턴을 형성하는 단계에 있어서, 상기 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 형성 가스는 O2, CF4, CHF3, SF6, H2, Ar로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 마이크로-나노 패턴의 제작 방법.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로 패턴과 상기 나노 패턴 상에 폴리머를 덮어서 몰드를 제작하는 단계를 더 포함하는 마이크로-나노 패턴 제작 방법.
- 제7항에 있어서,복제 기판에 복제 레지스트층을 형성하는 단계;상기 몰드로 상기 복제 레지스트층에 눌러서 패턴을 형성하는 단계; 및상기 복제 레지스트층을 경화시키는 단계;를 더 포함하는 마이크로-나노 패턴 제작 방법.
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