Nano-patterning is a method by which to manufacture nanomaterials, or to pattern materials on a nanometer scale (i.e., < 100 nm in at least one dimension). This includes approaches such as thin film formation, deposition, pattern transfer, etching, and so on. Spin-coating is widely used for thin film deposition on flat substrates or for film positioning on a templated substrate for nano-patterning. By controlling the coating temperature, thermal activation and solvent evaporation affecting the rearrangement of polymer film can be controlled for high-resolution nano-patterning.First, in Chapter 2, ultrafast and highly simplified in situ directed self-assembly (DSA) implementation based on thermally-assisted warm spin-casting (WSC) was introduced, which exempts the requirement of a subsequent annealing step. This advancement is based on block copolymers (BCPs) with substantial phase-separation driving force, as well as the thermal assistance provided by an optimized degree of temperature elevation and the residual solvent molecules left on films during spin-coating. I demonstrate well-ordered sub-10 nm half-pitch DSA patterns obtained by 40 °C spin-casting for only 30 sec, without an additional post-annealing process. This WSC strategy may offer a new route for highly productive and functional solutions for assembly of a variety of nanoscale building blocks.Second, in Chapter 3, sub-10 nm patterning technology was introduced by cold spin casting (CSC) combined with sub-micron SAM patterns (i.e., SAM-directed cold spin casting; S-CSC). The poor resolution of conventional SAM-directed nanopatterning is overcome by the use of self-assembling BCPs containing internal ultrafine domain structures, which provide 9-nm-wide line-and-space patterns after simple plasma oxidation. Moreover, I show that excellent area-selectivity of the desired pattern formation during spin casting can be achieved by low-temperature spin-casting of BCP solutions. Furthermore, the application of S-CSC is not limited to the patterning of polymers but also S-CSC can stabilize the patterned formation of light-emitting CdSe quantum dot thin films. This suggests that this reliable in situ nanopatterning strategy based on a patterned dewetting mechanism would be effective for a variety of organic and hybrid materials.By extension of this temperature-controlled spin-coating study, it is expected that the field of application could be expanded to include practical nano-patterning for use in such as organic electronic, sensor, and energy storage devices.
나노 패터닝 기술은 적어도 한 부분의 크기가 100 나노 미터 (백 만분에 1 미터) 이하인 나노 물질을 제작하는 방법으로서, 이에 대한 수요는 소자 크기가 작아지면서 고성능의 집적 소자를 제작하기 위하여 에너지, 센서, 반도체 등 다양한 분야에서 커지고 있다. 이러한 기술에 대해 사이즈를 나노 크기로 줄이면서도 전면적에 균일한 크기로 신뢰성 있게 재현하는 요구가 있으며, 이를 위한 공정은 박막 형성 및 증착, 에칭, 리소그래피 등이 있다. 스핀 코팅 공정은 균일한 두께의 박막을 코팅하거나 미리 제작한 트렌치 안에 필름을 위치시킬 수 있는 기술로서 이미 산업 전반에 걸쳐 이용되고 있다. 하지만 이 때 패턴의 해상도는 트렌치 제작 방법에 따라 제한이 있고, 블록 공중합 고분자 용액을 이용할 경우 패턴의 해상도를 10 나노 미터 이하로 줄일 수 있는 특징이 있다. 스핀 코팅 공정은 사용하고자 하는 용액을 기판 위에 올린 후에 가속화하는 단계를 거치고, 각속도에 따라 용매가 증발됨에 따라 두께가 점점 감소하여 용매가 완전히 빠져나간 이후에 고체화 박막이 형성되게 된다. 이때, 용매가 증발됨으로 인해 박막이 형성되는 시간을 온도와 용매를 조절하는 스핀코팅 방식을 이용하면 필름의 최종 형태와 두께 등을 미세하게 조절할 수 있다. 따라서, 위 논문에서는 블록 공중합 고분자를 이용하여 패턴 해상도를 높이면서 동시에 온도와 용매를 조절하는 스핀 코팅 공정을 적용하는 연구결과에 대해 보고하였다. 제 2장에서는 블록 공중합 고분자를 온도를 높여 스핀 코팅 함으로써 어닐링 효과를 동시에 주는 연구를 진행하였으며, 제 3장에서는 온도를 낮춰 스핀 코팅 함으로써 블록 공중합 고분자 필름의 위치 정확도를 높이는 연구를 진행하였다. 이러한 연구 결과는 스핀 코팅 공정에 대한 실용성으로 인해 산업적 이용가능성을 높이면서도 패턴 미세화를 효과적으로 달성할 수 있다는 점에서 블록 공중합 고분자 패터닝을 위한 다양한 조건들을 체계적으로 연구할 수 있는 가이드라인을 제시하였다고 할 수 있다.
