One of the important goals in nanolithography is to efficiently reproduce many of the characteristics of the lithographic patterns applied for electronic, optical, magnetic, chemical and biological sensors and devices. In this thesis, two novel nanolithographic strategies and their applications are discussed, one is block copolymer (BCP) lithography used for effective biosensing substrate and the other is capillary force lithography used for DNA nanoarray stamping, single magnetic domain study, and enhanced fluorescence detection.
When BCP is used as a lithographic template, the resultant nanostructure offers elements with characteristic dimensions of ~10 nm so as to achieve molecular-level process control of bioarrays. This biofunctionalized template provides a useful tool for elucidating recognition events between carbohydrates and proteins at a molecular level, resulting in enhanced biosensor performance.
As another patterning strategy, this thesis describes the novel method for creating many different complex structures from a single prepattern in capillary force lithography (CFL). Although non-photolithographic including CFL approach has made enormous progress in terms of reproducibility and uniformity, it still requires high cost to meet the necessary of various patterns of masters. Our method accomplishes various metal patterns from a single pattern with isolated dots by simply varying the residual polymer film thickness and the reactive ion etching (RIE) time.
Next, large area DNA printing based on a stamping method (Supramolecular Nano-stamping, SuNS) was achieved starting from the features of various shapes and dimensions made by CFL. We present an introduction of composite substrates to SuNS. By using the composite of gold film coated on elastomeric substrate, the flexible character of elastomer (PDMS) allowed for substantially improved printing coverage to SuNS (>50$mm^2$ ) in facile manner. Also, we report successful fabrication of periodic FePt nanopatterns using CFL. The present results demonstrate that this process is and effective way to prepare nanapatterns below sub-100 nm with single magnetic domain. The coercivity remains in the suitable range for magnetic recording for the dot size down to 70 nm with very thin thickness of 7 nm without superparamagnetic behavior. Finally, with nanopatterned gold substrates over large area, we demonstrate dramatic modification of the emission of nearby fluorescent molecules and materials. The nanopatterned substrate consisting of highly ordered homogeneous gold nanodots were produced as highly sensitive plasmonic structures. The results presented in this thesis demonstrate significantly enhanced fluorescence detection for Cy5 labeled DNA arrays by engineering spectral properties of the nanopatterned substrates with precise control and high spatial selectivity.
나노리소그래피공정에서 중요한 목표는 다양한 응용분야(전기학, 광학, 자기학, 화학, 생물학 등)에 필요한 여러 패턴 특성들을 얼마나 효율적으로 재생산 할 수 있는가에 있다. 본 연구에서는 두 가지의 새로운 나노리소그래피 공정 방법을 소개하고 각각의 센싱기판 응용에 대하여 구체적으로 기술하고자 한다. 첫째로 블록공중합체리소그래피 기술과 그것을 이용한 효과적인 바이오센싱 기판 활용에 대한 연구이며, 다른 한 가지는 캐필러리 리소그래피 기술과 그것을 이용한 DNA 나노어레이 스탬핑(stamping) 기술, 단자구 (single magnetic domain) 어레이 연구, 금속나노입자 표면에서의 증폭된 형광신호 센싱에 대한 연구이다.
블록공중합체가 리소그래피의 템플레이트로 활용된 경우, 리소그래피 공정 후 결과물로 얻어지는 10 nm 안팎의 공간구조를 가지는 나노구조체는 바이오어레이의 분자수준 공정 조절을 가능하게 해준다. 이러한 생체분자가 단일 분자 수준으로 어레이 형태로 고정화 된 기판을 이용하여 탄수화물과 단백질의 분자수준에서의 인식 반응을 진행하였고, 이를 통해 선택적이고 이러한 나노구조가 선택적이고 안정적인 센싱기판 역할을 할 수 있음을 증명하였다.
다른 하나의 패터닝 전략으로 소개되는 캐필러리 리소그래피는 임프린트의 공정의 장점과 소프트 리소그래피에 활용되는 PDMS를 결합하여 효율적으로 패턴을 생산하는 기술이다. 본 연구에서는 이 기술을 발전시켜 하나의 초기마스터에서 다양하고 복잡한 형상의 패턴을 반복 재생산 할 수 있는 기술을 소개한다. 캐필러리 리소그래피를 포함한 비광학리소그래피공정들은 패턴의 균일성과 재생산성에 있어서 큰 진보를 이루었지만 다양한 종류의 초기마스터를 생산하는데 고비용을 요구하게 된다. 본 연구에서는 간단히 고분자박막의 두께를 조절하고 반응이온식각 공정의 조절을 통해 다양한 모양의 금속 패턴을 단일 마스터에서 얻어내는데 성공하였다. 이러한 공정을 이용하여 얻어진 패턴을 DNA 프린팅을 위한 마스터로 활용할 수 있었다. 거대분자나노도장 (Supramolecular Nano-stamping, SuNS)방법으로 알려진 DNA 프린트 공정은 상기의 다양한 금속 나노패턴위에서 시작되었다. 이 과정에서 일반적인 단단한 프린트기판 대신 PDMS 탄성체 기판 위에 금박막이 입혀진 기판으로 사용하였는데, 이 탄성체의 유연성이 SuNS 공정에서의 접촉 효율을 높여주어서 프린트 가용면적을 50$mm^2$ 까지 높여주었고 프린트된 DNA 형상의 개체수를 기존 마이크로어레이에 비해 만 배 이상 높일 수 있었다.
또한 위에서 언급한 패턴 변형이 자유로운 캐필러리 리소그래피 방법을 활용하여 FePt 나노닷(nanodot) 패턴을 제작하는데 성공하였다. 직경 100 nm 닷패턴의 단일 실리콘 마스터에서 다양한 크기의 나노닷패턴을 제작, 반복생산하였고, 최소 패턴의 크기는 하나의 닷 크기가 70 nm, 높이 7 nm 로써 제작되었다. 패턴 제작 후 열처리 공정을 통해 자기방향을 형성시켰을 때 이것은 단자구만을 가지는 정교한 어레이임이 증명되었다. 또한 다른 이등방성 물질을 사용한 패턴에 비해 초상자성의 문제 없이 자기 기록에 적절한 보자력을 유지하는 결과를 통해 나노패턴화된 기판에서 초고밀도 정보의 기록이 안정적으로 유지될 수 있음이 증명되었다.
마지막으로 대면적의 금속 나노패턴이 접근해있는 형광물질의 형광방출이 극적으로 증폭되는 센싱에 관한 연구를 진행하였다. 정교한 형상과 정렬상태를 가지는 여러가지 금 나노닷 패턴은 특정 빛 파장에 매우 민감한 플라즈모닉 구조를 가진다. 이러한 대면적 나노패턴위에 Cy5 형광체가 표지된 DNA 마이크로어레이를 제작하였을 때 다른 화학적 변형 없이 증폭된 신호결과를 얻을 수 있었다. 이것은 금나노패턴을 활용한 마이크로 어레이 신호 증폭이 빛의 방출 파장 영역과 중요한 관계가 있음을 증명하는 것이다. 본 연구를 통해 정교화된 금속 나노패턴의 표면플라즈몬 공명에너지가 형광증폭에 민감한 조절역할을 함을 다양한 패턴의 증폭효율 비교를 통해서 밝혀내었고, 상용 마이크로 어레이의 바이오센싱 기술에 대면적 나노패턴을 결합시켜 그 효과를 획기적으로 증폭시키는 플렛폼 기술을 확립하였다
