In this research, a simple and reliable pull-off test method to investigate adhesion characteristics of UV curable resins in UV-nanoimprint lithography was suggested, and pull-off forces with the process conditions for UV curable resins were measured using the suggested method. Furthermore, Double Cantilever Beam (DCB) test as another method to investigate adhesion characteristics was conducted, and energy release rates for UV curable resins were measured. The results of pull-off test and DCB test were compared. Furthermore, capacitance measurement system was developed to measure Residual Layer Thickness(RLT). Capacitance with the thickness of polymer film was measured using adhesion tester simulated NIL process and simulated for the same geometrical model with the experiment. Feasibility for the application in NIL process was checked experimentally and analytically.
To investigate adhesion characteristics of UV curable resin, a specially designed adhesion tester was used. AMO-NIL MMS4 and PAK-01 for the application in UV-NIL were used as UV curable resin. A coun-terpart was fused silica lens. To investigate the effects of process conditions on pull-off force, pull-off tests were conducted with the various process conditions such as hold time, separation velocity, relative humidity, thickness of resin and curing time. In the pull-off tests, the degree of parallelization between fused silica lens and UV curable resin was not needed to be adjusted because fused silica was plano-convex typed lens. In all test conditions, the diameter of contact area remained almost the same.
In the pull-off test with the hold time, the hold times were 5, 10, 20 min. Pull-off force was not changed with the hold time for both of two resins. AMO-NIL MMS4 and PAK-01 were viscoelastic materials, and creep behavior was generally found when a load was applied to viscoelastic material. Therefore, the con-tact area increased as the hold time increased. However, the contact area in the test was not changed although the hold time increased because the load was not applied in these experiments. Therefore, pull-off force was not changed as the hold time increased. In the results with the separation velocity, pull-off force increased as the separation velocity increased for both of two resins. This can be understood that viscoelastic loss increased with the separation velocity and pull-off force also increased. To investigate the effect of the relative humidity on pull-off force, the relative humidity in the chamber was varied from 35% to 95%. In case of AMO-NIL MMS4, the pull-off force greatly decreased over 60%RH. The pull-off force for PAK-01 decreased with the relative humidity. When the relative humidity was high, water drop was found at the surface of the resin. This water drop acted as the lubricant to reduce the pull-off force. In the pull-off test with the curing time for AMO-NIL MMS4, the pull-off force was constant when the curing time was over 40 s. However, pull-off force decreased when the curing time was shorter than 40 s. In addition, pull-off force increased as the thickness of the resin was thicker.
To verify the reliability of the pull-off test, DCB tests as another method to evaluate the adhesion characteristics were conducted, and the results were compared with the results of the pull-off tests. UV cura-ble resins were the same for pull-off test and the material of beam was fused silica. Energy release rate with crack propagation between each resin and beam was measured. As a result, energy release rate for AMO-NIL MMS4 was larger than that for PAK-01. In the pull-off test, the pull-off force for AMO-NIL MMS4 was also larger than that for PAK-01. It was found that the results in the pull-off test and DCB test were consistent. Pull-off force and energy release rate for AMO-NIL MMS4, which had lower surface energy, were larger than those for PAK-01. The pull-off force and energy release rate for the material with small surface energy are generally small. Work of adhesion, energy needed to separate two materials, is affected by interfacial energy as well as surface energy of materials. Therefore, pull-off force and energy release rate can be large even if surface energies of materials are small.
In the in-situ RLT measurement, capacitance measurement system was developed to measure RLT in NIL. It was applied to adhesion tester simulated NIL process, and capacitance with the thickness of polymer film was measured and simulated. Feasibility for the application in NIL process was checked experimentally and analytically. In capacitance measurement with the thickness of polymer film, Pt was coated on the plano-convex typed fused silica lens. AMO-NIL MMS4 as UV curable resin was used, and was spin coated on Pt of Si wafer at various spinning speeds. Its thickness was varied with the spinning speed. Capacitance between Pt on the lens and Pt on Si wafer was measured. In the experiment, contact area and distance between two Pts was constant. Therefore, capacitance was only determined by the thickness of polymer film. From the results, capacitance was larger as the thickness of UV curable resin was thinner, and it decreased as the thickness of UV curable resin increased. In-situ RLT in NIL process could be known during the imprinting by the relation between the thickness of polymer film and capacitance.
Also, capacitance simulation with the thickness of polymer film was conducted for the same system with the experiment. In the results of capacitance simulation, many charges at Pt coated on plano-convex typed lens were concentrated inside the contact area and outside near the contact area. It was found that capacitance was almost determined by these charges. Moreover, as the thickness of polymer film was thinner, more charges were concentrated and capacitance increased.
In this research, the suggested pull-off test method can be used to select materials and process condi-tions for UV-NIL prior to the actual UV-NIL. Pull-off forces with the process conditions were measured using the suggested method. These results can be helpful to choose the process conditions. In the measurement of RLT by capacitance measurement system, capacitance measurement system can be used to measure RLT as the polymer film is imprinted by the stamp if conductive metal is coated at the pattern of a stamp. In addition, if conductive metal is coated at the several positions outside the pattern of the stamp, capacitance at each position can be measured. Uniformity of imprinting as well as the measurement of RLT can be figured out by comparison of capacitance at each position. It can make uniform imprinting possible.
본 연구에서는 UV 나노임프린트 리소그래피 공정에서 UV 경화성 레진의 점착 특성을 알아볼 수 있는 간단하고 신뢰성 있는 pull-off test 방법을 제안하였다. 그리고 제안한 방법을 이용하여 UV 경화성 레진에 대한 공정 조건에 따른 pull-off force를 측정하였다. 또한 점착특성을 알아보기 위한 또 다른 방법으로 DCB test를 수행하였고, UV 경화성 레진에 대한 에너지 방출률을 측정하였다. 그리고 pull-off test의 결과와 DCB test의 결과를 비교하였다. 이와 더불어 잔류층 두께를 측정하기 위한 정전 용량 측정 시스템을 구축하고 나노임프린트 공정을 모사한 점착력 측정장치를 이용하여 폴리머 필름의 두께에 따른 정전 용량을 측정하고, 동일한 시스템에 대해서 해석을 수행하였다. 이를 통해서 NIL 공정에서 적용 가능성을 실험적으로, 해석적으로 검증하였다.
UV 경화성 제니의 점착 특성을 살펴보기 위하여 특별히 제작된 점착력 측정장치를 사용하였다. 그리고 UV-NIL 공정용 UV 경화성 레진인 AMO-NIL MMS4와 PAK-01을 UV 경화성 레진으로 사용하였고, 상대 재료로 용융 실리카 렌즈를 사용하였다. Pull-off force에 공정 조건의 영향을 살펴보기 위하여 접촉 유지 시간, 분리 속도, 상대습도, 레진의 두께, 경화 시간과 같은 다양한 공정 조건에 대해서 실험을 수행하였다. Pull-off test에서는 용융 실리카 렌즈가 plano convex 타입이기 때문에 용융 실리카 렌즈와 UV 경화성 레진 사이의 평행도를 맞출 필요가 없다. 그리고 모든 실험 조건에서 접촉 직경을 일정하게 하였다.
접촉 유지 시간에 따른 실험에서 접촉 유지 시간은 5, 10, 20분이었고 두 레진의 경우 모두 pull-off force에 접촉 유지 시간의 영향을 크기 않았다. AMO-NIL MMS4와 PAK-01은 점탄성 재료로 점탄성 재료에 하중이 가해지면 creep 거동이 발생하게 되고 접촉 면적이 접촉 시간이 증가함에 따라서 증가하게 된다. 하지만 본 실험에서는 레진에 하중이 거의 가해지지 않기 때문에 접촉 유지 시간이 증가 하더라도 접촉 면적은 변하기 않는다. 따라서 pull-off force도 접촉 유지 시간에 따라서 변화가 거의 없었다. 분리 속도에 따른 실험에서는 분리 속도가 증가함에 따라서 pull-off force가 증가하였다. 이는 분리 속도의 증가에 따라 viscoelastic loss가 증가하여 pull-off force가 증가한 것으로 생각된다. 그리고 상대습도를 35% ~95%로 변화시키면서 pull-off force를 측정한 결과 AMO-NIL MMS4의 경우는 상대습도가 60% 이상이 되면 pull-off force가 감소하는 것을 알 수 있었고, PAK-01의 경우 상대습도 증가에 따라서 pull-off force가 감소하였다. 이는 상대습도 증가에 따라서 레진 표면에 물방울이 생기게 되고, 생성된 물방울이 윤활제 역할을 한 것으로 생각된다. 경화시간에 따른 pull-off force 측정에서는 경화 시간이 AMO-NIL MMS4의 경우 40초 이상이 되면 pull-off force는 일정했고, 그 보다 짧으면 작은 pull-off force가 측정 되었다. 마지막으로 pull-off force는 레진의 두께가 두꺼워지면 증가하였다.
Pull-off test의 신뢰성을 확인하기 위하여 점착 특성을 알아보기 위한 또 다른 방법으로 DCB test를 수행하였고 결과를 pull-off test 결과와 비교하였다. UV 경화성 레진은 pull-off test에서와 동일한 레진을 사용하였고, 빔의 재료는 용융 실리카이다. 각 레진과 빔의 크랙 진전에 따른 에너지 방출율을 측정하였다. 그 결과 AMO-NIL MMS의 경우 PAK-01 보다 더 큰 에너지 방출율이 측정되었다. Pull-off test에서도 AMO-NIL MMS4의 경우 더 큰 pull-off force가 측정 되어, 두 방법이 일관된 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 대게 작은 표면에너지를 가지는 재료의 경우 pull-off force와 에너지 방출율이 작게 측정되는데 표면 에너지가 낮은 AMO-NIL MMS4의 경우 pull-off force와 에너지 방출율은 더 큰 값을 가진다. 두 재료를 떼어내기 위해 필요한 에너지, 점착일은 재료의 표면에너지 뿐만 아니라 계면 에너지의 영향 역시 받는다. 따라서 pull-off force와 에너지 방출율은 표면 에너지가 작은 재료라고 하더라도 더 큰 값을 가질 수 있을 것이다.
실시간 잔류층 두께 측정에서 NIL 공정에서 잔류층의 두께 측정을 위해 정전 용량 측정 시스템을 구축하였고, NIL 공정을 모사한 점차력 측정 장치에 적용하였다. 그리고 폴리머 필름의 두께에 따른 정전 용량을 측정하고, 해석을 수행하여 NIL 공정에 적용가능성을 실험적으로, 해석적으로 검증하었다. 폴리머 필름 두께에 따른 정전 용량 측정에서는 용융 실리카 렌즈에 Pt를 코팅하였고 Si wafer에 코팅된 Pt에 AMO-NIL MMS4를 코팅한 후 두 Pt 사이의 정전 용량을 측정하였다. 그리고 폴리머 필름의 두께에 따른 정전 용량을 측정하였다. 실험에서는 접촉 면적과 두 Pt 사이의 거리는 일정하기 때문에 정전 용량에는 폴리머 필름의 두께만 영향을 미치게 된다. 실험 결과 두께가 두꺼울수록 작은 정전 용량이 측정되었고, 두께가 얇아지면 정전 용량을 증가하였다. NIL 공정의 실시간 잔류층 두께 측정에서 폴리머 필름의 두께와 정전 용량 사이의 관계를 통해서 임프린팅 도중의 잔류층의 두께를 예측 할 수 있을 것이다.
또한 실험과 동일한 시스템에 대해서 폴리머 필름의 두께에 따른 정전 용량 해석을 수행하였다. 정전 용량 해석 결과, 접촉 면적 내부와 접촉 면적과 가까운 외부에 많은 전하가 집중되는 것을 알 수 있었고, 이들 전하에 의해서 정전 용량이 결정되는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 폴리머 필름의 두께가 얇을수록 더 많은 전하가 집중되고, 정전 용량은 증가하게 된다.
본 연구에서 제안된 pull-off test 방법은 실제 UV-NIL 공정 이전에 재료를 선택하거나 공정 조건을 선정하는데 이용될 수 있다. 제안한 방법을 이용하여 공정 조건에 따른 pull-off force를 측정하면 그 결과는 공정 조건을 잡을 때 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 그리고 정전 용량 측정 시스템을 통한 잔류층 두께 측정에서는 스탬프의 패턴에 전도성 금속을 코팅한다면 정전 용량 측정 시스템은 폴리머 필름이 스탬프에 의해 임프린팅 되는 중에도 잔류층의 두께를 실시간으로 측정할 수 있다. 이와 더불어 전도성 금속을 스탬프의 패턴 이외의 부분에 코팅하면 각 지점에서의 정전 용량을 측정할 수 있고, 정전 용량 비교를 통해서 잔류층의 두께 측정 뿐만 아니라 임프린팅의 균일성을 파악할 수 있고, 이를 통해서 균일한 임프린팅이 가능하게 도움을 줄 수 있을 것이다.
