In this thesis, a new nano-patterning method to increase productivity by trans-scalable microfabrication has been introduced, by using 3D diffuser lithography, metal electroplating, and nano imprint.
There are high demands for nano-patterning from various industry fields and special applications such as nano-probe, nano-sifter, optical gratings, and so on. The conventional micro-pattering method like contact lithography with broadband light sources has fundamental limitations in sub-㎛ resolution. Various kinds of nanofabrications have been proposed to overcome the limitations, but most of them are not compatible with the conventional microfabircations and have low productivity in industry-level. Among the previously reported nanofabrications, nano imprint has high productivity. However, other advanced nanofabrications like e-beam lithography are needed to fabricate the mold having nano-patterns required in nano imprint, and that is a drawback of productivity. Therefore, nano imprint can be sufficiently productive as an industrial technology if there is any method that can fabricate the mold productively using conventional microfabrication.
In this research, the nano-patterning method using 3D diffuser lithography which uses contact aligner had been proposed, and the characteristics and quality of the fabricated patterns had been verified. The fabricated patterns on the photoresist mold had been replicated into the rigid metal mold by metal electroplating. The quality and uniformity of the metal mold had been measured and verified. The metal mold had been used to make advanced nano-patterns on target with thermal nano imprint, and the final imprinted patterns had been measured and estimated. The proposed nano-patterning method had been performed with microfabrication, which is highly productive. And the feasibility of the nano imprint with the metal mold had been investigated. The resolution of patterns in nano-scale had been focused and verified during the overall fabrication process and imprinting process. Consequently, the usefulness of the proposed nano-patterning method as a trans-scale technology had been suggested.
본 논문에서는 스케일 변환 기법(trans-scale)으로써의 마이크로 공정법으로 제작하여 생산성을 높일 수 있는 나노 패터닝 제작법을 새롭게 제안하였고, 이는 3차원 디퓨저 리쏘그래피, 도금 공정, 나노 임프린트를 통하여 이루어졌다.
나노 패터닝에 대한 높은 수요가 다양한 산업계와 나노 프로브, 나노 체, 광학 격자 등 여러 특수 응용 분야에서 일고 있다. 브로드밴드 광원을 사용하는 접촉식 리쏘그래피와 같은 기존의 마이크로 패터닝 방법은 마이크로 수준 이하의 해상력을 제작하는 데 근원적인 한계를 갖고 있다. 이 한계를 극복하기 위하여 다양한 종류의 나노 공정법들이 제안되었으나, 대부분의 공정법은 기존 마이크로 공정과 호환성이 떨어지고 산업 수준에서 생산성이 낮은 문제를 안고 있다.
기존에 보고된 나노 공정법들 중, 나노 임프린트는 높은 생산성을 갖고 있었다. 그러나 나노 임프린트에서 필요한 나노 패턴이 만들어진 몰드를 제작하는 데 있어 e-빔 리쏘그래피와 같은 다른 고도의 나노 공정이 여전히 필요하고, 이는 생산성을 떨어뜨리는 단점이 되고 있다. 그러므로 만약 기존 마이크로 공정을 이용하여 생산성 있게 몰드를 제작할 수 있는 방법이 있다면 나노 임프린트는 산업 수준의 기술이 되기에 충분히 생산적인 공정법이 될 수 있다.
본 연구에서는 접촉식 노광기기를 사용하는 3차원 디퓨저 리쏘그래피를 사용한 나노 패터닝 방법을 제안하고, 제작된 패턴의 특성과 품질을 확인하였다. 노광 공정 중 마스크 위에 디퓨저를 올려 놓음으로써 입사되는 광원을 무작위적으로 산란시키고, 산란된 광원이 마스크의 패턴을 뚫고 들어갈 때 둥근 단면의 노광 형태를 만들게 된다. 그렇게 제작된 둥근 단면의 노광 영역들이 서로 만나는 지점에서 나노 레벨의 날카로운 팁들이 형성되게 되고 이 구조체는 그 자체로 나노 레벨의 패턴이자 나노 임프린트를 통한 나노 패터닝용 몰드가 될 수 있다. 포토레지스트 몰드 위에 제작된 패턴들은 도금 공정을 통해 견고한 금속 몰드로 복제하였다. 이어서 금속 몰드의 품질과 균일도를 측정하고 확인하였다. 금속 몰드를 사용하여 가열식 나노 임프린트로 타겟층 위에 찍어 임프린트된 나노 패턴을 제작하였고, 최종 임프린트된 패턴들을 측정하고 평가하였다. 제안된 나노 패터닝 방법은 마이크로 공정으로 수행되었고, 매우 생산성이 높다. 아울러 제작된 금속 몰드로 나노 임프린트에 대한 실험적 가능성을 연구하였다. 전체적인 제작 공정과 임프린트 공정에 걸쳐 패턴들의 해상력이 나노 스케일로 들어옴에 초점을 맞추고 확인하였다. 결론적으로 스케일 변환 기술로써 제안된 본 나노 패터닝 방법의 유용성을 제시하였다.
