The fabrication of micro/nano-structure is one of the most popular and intensive research topics recently. Among many kinds of methodologies, soft lithography has powerful merits due to their inexpensive, fast and easy process for large area nano patterning. In this study, we especially concentrate on patterning of one-dimensional nanostructure through modified soft lithography.
Firstly, we focus on the dewetting phenomena of polystyrene occurred in the interface between PDMS mold. When we heat PS thin film above glass transition temperature, PS fluid forms line pattern following the concave of PDMS mold. We increase the line pattern density through the phenomena, with control of annealing time, PS film thickness and molecular weight of PS. Dewetting induced line pattern appears when sufficient annealing time is given. Film thickness of PS does not affect on the line width or annealing time much. Molecular weight of PS have an critical effect on annealing time, large molecular weight of PS requires longer annealing time to get regular dewetting line pattern.
Second, we fabricate multisegment line pattern through soft lithography combined with photolithography. From the photolithography process, we made bimetallic substrate. In this step we also apply various metals for line pattern. Then we control the dimension of line width with variation of the line width of PDMS mold and PS film thickness.
Through these studies, we explore detail aspect of soft lithography in the way of interface control, also extend the use of soft lithography grafting on photolithography. We hope that these results help us to extend the consideration of soft lithography, also enlarge the field of application for actual use such as electronic and optical devices.
최근 기술개발 동향 에서, 마이크로/나노 미터 수준의 구조체를 형성하는 일은 가장 광범위하고 집중적인 연구가 이루어지는 분야 중 하나이다. 지금까지 개발된 여러가지 방법 가운데, 소프트 리소그래피는 적은 비용과 쉽고 빠른 공정으로 인해 대면적의 나노 구조체를 형성하는데 여러 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 소프트 리소그라피의 개량을 통하여 일차원 나노구조를 형성하는 방법에 대하여 집중적으로 연구한 결과를 보고하고자 한다.
먼저 소프트 리소그라피에서 패턴을 전사하기 위하여 널리 쓰이는 PDMS 몰드와의 계면에서 일어나는 폴리스타이렌 고분자 유체의 디웨팅 현상에 대한 실험을 수행하였다. 디웨팅 현상은 고분자 유체의 얇은 막이 자유 에너지를 최소화하기 위하여 스스로 뭉쳐지면서 막이 붕괴하는 현상을 통칭한다. 이 현상이 일어나는 조건, 즉 고분자의 유리전이온도 이상에서 선형 패턴이 새겨져 있는 PDMS 몰드를 사용하면 고분자 유체가 몰드의 돌출면을 따라서 선형 패턴을 형성하게 되므로, 선형 패턴의 밀도를 늘릴 수 있다.
본 논문에서는 각각 샘플의 성형 시간, 고분자 막의 두께, 고분자의 분자량을 조절하여 그 영향에 대하여 알아보고자 하였다. 먼저 시간에 따라서 PDMS몰드와의 계면에서 생기는 패턴의 모양을 관찰한 결과, 초기 단계에서 넓은 면적에 퍼져있던 고분자 유체 막은 적정한 시간이 지나면, PDMS몰드를 따라서 선형 패턴을 형성하고, 시간이 더욱 지나면 선형 패턴 자체의 불안정성으로 인하여, 선형 패턴 또한 붕괴되는 것이 관찰되었다. 반면 고분자의 두께(25nm~120nm)는 선형 패턴의 높이나 성형 시간, 두께 등에 큰 영향을 주지 않는 결과를 보였다. 고분자의 분자량(4000g/mol~70,000g/mol)은 선형 패턴의 형성시간, 두께, 높이 등에 모두 뚜렷한 영향을 주는 것이 관찰되었는데, 분자량이 늘어날수록 선형패턴을 형성하는 시간이 오래 걸리고, 넓은 두께와 낮은 높이를 가지는 패턴이 형성되는 결과를 보였다.
본 논문에서 두번째로 수행한 연구는 기존에 널리 쓰이는 포토 리소그래피와 소프트 리소그래피의 결합을 통하여, 두가지 이상의 물질로 이루어진 선형 패턴을 형성하는 것을 목적으로 하고 있다. 포토 리소그래피 공정을 통하여는 선형 패턴을 이루는 물질을 바꾸어 적용할 수 있는데 본 연구에서는 증착이 가능한 여러가지 금속인 금, 니켈, 은, 백금, 구리를 사용하여 패턴을 제조하였다. 또한 소프트 리소그래피 과정에서는 다양한 너비의 선형패턴을 가진 PDMS몰드 ($5\mum$~500nm) 와 고분자 막의 두께(45nm,120nm)를 조절하여, 결과물인 선형 패턴의 폭을 조절할 수 있었다. $(1.2\mu m~200nm)$
이러한 연구를 통하여, 소프트 리소그래피에 대한 구체적인 특성에 대하여 계면 특성의 조절과 기존의 포토리소그래피 방법과의 접목이라는 두가지 측면에서 알아보았다. 이 논문에서 얻어진 결과로, 소프트 리소그래피에 대한 새로운 특성에 대한 탐구를 통한 응용분야의 확장이 이루어지기를 기대한다.
