Nanometer-scale patterning by lithography is required to fabricate electronic and optical devices. Critical issues, such as resolution, reliability, speed, and overlay accuracy, all need to be addressed in order to develop new lithography methodologies for such demanding, industrially relevant processes. Several approaches towards nanostructure fabrication have been exploited without resorting to expensive tools such as those used in deep-UV projection lithography and electron-beam lithography. In this thesis, nanopatterning with high fidelity and excellent uniformity was achieved using combined nanoimprint and soft lithography referred to as capillary force lithography (CFL) and nanotransfer printing of nanopatterns onto flexible and transparent substrate.
As the patterning strategy, CFL could generate many different complex structures from a single pre-pattern that is either prepared from a master mold or stamped onto a solid substrate by patterning with a PDMS replica mold. Various sizes of gold line-shaped patterns were successfully generated from single line-shaped master by controlling the CFL conditions such as annealing time, initial polymer layer thickness, and RIE time. The pattern size is decreased by decreasing annealing time, decreasing initial polymer layer layer thickness, and increasing RIE time. Various shapes of gold dot-shaped patterns were also successfully generated by rotating second PDMS mold with different direction of patterned substrate. After fabrication of micro or nano sized line-shaped patterns as a first cycle, the patterned substrate is used again as a substrate for the second cycle of CFL. When the other stamp is placed on the pattern formed with this second stamp rotated by a certain angle with respect to the first stamp, only overlapped parts are remained that the pattern is like dot shaped such as rhomboidal, rectangle and square shapes after etching process. It also enable the practical generation of nano-sized patterns from a micro-sized mold with a large area of 1 × 1㎠.
One of the successful applications of large-area periodic metal line-shaped patterns is metal electrode. We could transfer the gold nanowire array onto transparent and flexible plastic substrate cleanly and efficiently by nanotransfer printing methods. In this thesis, we use PDMS as a flexible and transparent substrate. PDMS is widely used a material for transfer printing, since it has flexibility, chemical inertness, mechanical hardness and low surface energy. After transfer, we could control the transmittance of gold nanowire array on PDMS substrate using post-treatment. Transfer printing provides the possibility of fabrication of transparent and flexible metal electrodes. The Flexible and transparent electronic devices have recently attracted considerable attention because of the proliferation of handhold, portable consumer electronics.
리소그래피를 이용한 나노미터 수준의 패턴의 형성은 전자, 광학, 생물학 등 여러 분야에서 요구되고 있다. 나노미터 수준의 패턴을 제작하는 기술의 개발에 있어서 가장 중요한 점은 높은 해상력, 신뢰도, 속도, 재생산성 등의 요건들을 모두 만족하는 리소그래피 기술을 개발하는데 있다. 트랜지스터 크기의 감소와 더불어 고밀도 직접회로가 요구됨에 따라 매우 작은 크기의 패터닝이 요구되고, 몇 가지 접근 방법들이 현재 사용되고 있는 전자 빔 리소그래피 등의 방법을 이용할 때의 문제점인 고비용 문제를 해결하고, 나노미터 수준의 패턴의 생산을 가능하게 한다. 본 연구에서는 대표적인 이러한 기술들에 대안 연구의 일환으로 나노임프린트 리소그래피와 소프트 리소그래피를 결합한 방법인 캐필러리 리소그래피를 이용하여 나노미터 수준의 패턴을 제작하고, 이렇게 생성된 패턴을 휘어지고 투명한 기판에 옮겨 금속 전극으로의 응용 가능성을 확인하는 것에 관한 연구이다.
본 연구에서 소개되는 패터닝 방법인 캐필러리 리소그래피는 임프린트 공정의 장점과 소프트 리소그래피에 활용되는 PDMS를 결합하여 효율적으로 패턴을 생산하는 기술이다. 본 연구에서는 이 기술을 발전시켜 하나의 초기마스터에서 여러 가지 크기와 모양의 패턴을 반복 재생산 할 수 있는 기술을 소개한다. 캐필러리 리소그래피를 포함한 비 광학 리소그래피 공정들은 패턴의 균일성과 재생산성에 있어서 큰 진보를 이루었지만 다양한 종류의 초기 마스터를 생산하는데 고비용을 요구하게 된다. 본 연구에서는 간단히 고분자 박막의 두께, 어닐링 시간, 그리고 반응 이온 식각 공정 시간의 조절을 통해 다양한 크기의 금속 패턴을 단일 마스터에서 얻어내는데 성공하였다. 이 경우 나노 미터 수준의 패턴을 마이크로미터 수준의 마스터에서 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 마이크로 단위에서부터 나노미터 단위로 패턴의 크기를 단계적으로 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이와 더불어 우리는 라인 형태의 마스터를 이용하여 닷 형태의 패턴을 제작할 수 있다. 이때 생성되는 닷 패턴은 패턴 크기의 조절과 더불어 모양도 조절이 가능하다. 닷 패턴은 이미 만들어진 라인 패턴을 다시 기판으로 사용하여 패턴을 형성하는 공정을 두 번 반복함으로써 생성된다. 공정의 반복 과정에서 처음 만들어진 라인의 방향과 두 번째 생성되는 라인의 방향을 달리하면 겹쳐진 부분만 닷 패턴으로 생성되고 이때의 각도를 조절함으로 인하여 닷 패턴의 모양을 마름모꼴, 직사각형, 그리고 정사각형 등의 모양으로 만들 수 있다.
또한 위에서 만들어진 다양한 크기와 모양의 패턴들을 그에 대한 응용연구의 일환으로 휘어지는 투명전극으로의 활용가능성을 보기 위하여 휘어지고 투명한 폴리머 기판에 옮기는 연구를 진행하였다. 본 연구는 기존의 연구들과는 다르게 패턴을 옮기는 과정에서 운반체나 폴리머 기판과 패턴 사이에 접착 물질의 필요 없이 휘어지면서 투명한 기판에 직접 금속 패턴과 결합이 가능한 물질의 자기조립 단 분자 층을 형성하여 줌으로 인하여 단지 접촉 만으로 금속 패턴을 옮길 수 있다는 장점이 있다. 이 방법을 이용하면 캐필러리 리소그래피 방법으로 만들어진 금 나노와이어 어레이를 쉽게 옮길 수 있을 뿐만 아니라 후 처리 공정을 통하여 휘어지는 투명한 기판 위의 금 나노와이어 어레이의 투과도도 조절 할 수 있다. 투과도가 향상 된 후에도 이 어레이들은 여전히 메탈 나노와이어의 특성을 보이고, 이를 통해 투명 전극으로의 응용가능성을 확인하였다.
