The fabrication of patterned surface with a designed two dimensional (2D) arrangement have attracted great attention because of potential importance for its applications to microelectronic and optoelectronic and magnetic recording devices, biochips and sensors, and photonic bandgap materials. Various fabrication methods have been applied to many patterned surfaces including soft-lithography such as microcontact printing, replica molding, and nanoimprinting, conventional and advanced lithographic techniques including extreme ultraviolet, E-beam, X-ray, and ion beam lithography. Although these lithographic techniques based on "top-down approach" are very useful in pattern fabrication for submicron-scale patterns, they are limited in cost and processing time.
Self-assembly methods by means of a chemical or physical driving forces based on the "bottom-up approach" are alternative methods in the simple control of the pattern size and low-cost parallel processes, which use the porous alumina, amphiphilic molecules, and colloidal particles. However, the disadvantages of self-assembly methods are their low ability to control the defects and shapes of the structures and difficulty to fabricate designed structures.
In this work, cost-effective hybrid fabrication processes have been developed to fabricate designed patterns using soft lithography in combination with the self-assembly of colloidal particles and block copolymers. Versatile nanopatterns were fabricated by soft lithography, block copolymer lithography, colloidal lithography, and their combined techniques such as a particle-assisted soft lithography and a soft and block copolymer lithography.
In chapter 2, the nanopattern of magnetic metal dot arrays with domains of periodicity about 20 nm were fabricated by using block copolymer templates. 2D hybrid patterns with the feature resolution from micrometer to nanometer scale were fabricated by using soft lithography and block copolymer lithography in chapter 3.
A simple method was developed for the assembly of patterned binary and ternary particle arrays and their inverted pore structures in the microchannels that were fabricated by soft lithography (chapter 4). For these structures, a controlled dip-coating and $O_2$ RIE were used.
In chapter 5, a designed 2D polymer pattern was fabricated by embossing and replica molding with colloidal stamps prepared from self-assembled particle arrays in a soft PDMS mold. When a thin metal layer was used in the process of embossing and replica molding, various negative polymer patterns could be fabricated by controlling polymer infiltration at the interstices between the silica spheres of the a colloidal stamp.
A novel colloidal lithographic approach was used to the fabrication of non-spherical colloidal particle arrays with long-range order by selective RIE of multilayered spherical colloidal particles in chapter 6. First, layered colloidal crystals with different crystal structures (or orientations) were self-organized onto substrates. Then, during RIE, the first layer acted as a mask to the second layer beneath and the resulting anisotropic etching created nonspherical particle arrays. The particle shape was dependent on the crystal orientation relative to the substrate. The various colloidal patterns can be used as masks for 2-dimensional nanopatterns. In addition, the resulting nonspherical particles can be used as noble building blocks for colloidal clusters. Other versatile 2D patterns including silica-PS composites were fabricated similar methods by changing RIE conditions in chapter 7. Finally, a simple control process of size and shape of nanostructures in the colloidal lithography by tuning the etching time and tilted angle of surface in the RIE process has been developed for the fabrication of patterned magnetic metal in chapter 8.
미세 패턴 제조는 미세전자 및 광학 그리고 자기기록 소자와 바이오 칩 및 센서 등의 응용에 있어서 많은 관심을 받고 있다. 패턴의 소형화, 고집적화는 시간, 비용, 시료의 크기를 감소시키고, 새로운 기능을 향상시키기 위해서 중요한 공정이다. 미세 패턴을 제조하기 위해서 전자빔(E-beam), 엑스선(x-ray) 식각 방법 등이 연구 되어지고 있으나 고가의 장비와 공정시간의 긴 문제점등을 안고 있었다. 이에 대한 대안으로 양친성 분자와 콜로이드 입자의 자기조립을 이용한 Bottom-up 방식이 관심을 받고 있다. 자기조립법을 이용할 경우 가격이 저렴하고 공정이 용이하다는 장점이 있지만 결점(defect)과 패턴 모양 및 크기 조절이 자유롭지 못하여 원하는 패턴을 의도적으로 만들기 힘들다는 단점이 있었다. 이에 본 연구에서는 블록 공중합체와 콜로이드 입자의 자기조립과 최근 각광을 받고 있는 연성식각(Soft lithography) 공정의 복합기술을 통하여 마이크로에서 나노미터의 패턴을 원하는 기판위에 제작하고 다양한 크기와 모양의 나노 패턴을 제작하였다.
제 2장에서는 블록고분자 자기조립을 이용하여 규칙적인 다공성의 고분자 주형을 제조하고 이를 이용하여 약 20 nm 크기의 자성 금속 패턴을 제조하였다. 제 3장에서는 연성식각 공정으로 다양한 크기의 폴리다이메틸실록산(PDMS) 과 폴리우레탄(PU) 패턴을 제조하고 이를 이용한 나노미터 수준의 블록공중합체 복합 패턴을 제조하였다. 이렇게 제조된 나노패턴 박막은 양자점(quantum dot), 반도체용 정보저장매체, 나노식각공정(advanced-nanolithography)등에 이용 가능하다.
제 4장과 5장에서는 콜로이드의 입자의 자기 조립성질과 연성식각공정으로 제조된 패턴을 이용하여 패턴을 제조하는 연구를 수행하였다. 마이크로 수준의 좁은 영역내에 서로 다른 종류의 입자를 규칙적으로 배열하는 것은 디스플레이 소자와 생물소자에 응용이 가능하다. 제 4장에서는 마이크로 미터크기를 가지는 V-모양(V-shape)의 채널 위에 콜로이드 입자를 반복 딥코팅 (dip-coating) 하여 규칙적인 입자의 2원(Binary)과 3원(Ternary) 패턴을 제조하였다. 제 5장에서는 채널내부에 실리카 콜로이드입자를 정렬시키고 이를 연성식각 공정의 일종인 엠보싱(embossing)과 복제몰딩(replica molding) 에서 사용되는 도장(stamp)으로 이용하여 규칙적인 나노 패턴을 가격이 비싼 전자빔 식각공정을 사용하지 않고도 가능하다는 것을 확인하였다.
마지막으로 반도체 공정에서 많이 사용되는 반응성 이온식각 (Reactive ion etching) 을 콜로이드 자기조립에 응용하여 (Colloidal Lithography) 다양한 2차원 패턴과 비구형의 3차원 패턴을 제조하는 연구를 수행하였다. 제 6장과 7장에서는 일반적인 자기조립법에 의해서는 규칙성을 가지기 힘든 비구형 입자의 2차원 3차원 패턴을 구형입자의 선택적 에칭을 통하여 제조 하였다. 이러한 패턴의 크기와 모양은 입자크기와 입자층의 수 그리고 정렬 방향에 따라서 삼각형, 사각형, 육각형, 그리고 그물형태의 다양한 구조가 가능하며 반응시간, 압력, 기체 종류등 반응성 이온식각의 공정조건에 많은 영향을 받음을 확인하였다. 마지막으로 콜로이드 식각 공정으로 제작된 2차원 패턴을 주형으로 패턴화된 자기금속 입자를 제조하는 연구를 제 8장에서 수행하였다.
