The development of large-area nano-patterning with high resolution, high aspect ratio and simple process scheme/cost is a challenging work for realizing their potential applications in opto-electronics and nano-biotechnology such as nanoelectronics, optics, optical sensing, light-emitting devices and bio-sensing devices. 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, new nanolithographic technology for fabricating high-aspect ratio complex nanostructures with 10nm scale features and fabrication of electrical/optical applications by nanopatterning method are discussed. A novel patterning technology named “secondary sputtering lithography(SSL)” was developed by combining secondary sputtering phenomenon and soft lithography, and advanced researches for more complex SSL structures is conducted. In order to verify the utility and possibilities of applications of SSL patterns, some application researches for transparent electrodes, alignment of Liquid crystal were carried out. And, fabrication of carbon nanotube based field effect transistor (CNT-FET) by using nanopattern of soft-lithography has challenged through tuning the electric field.
Firstly, Secondary sputtering lithography(SSL) was firstly developed and introduced by our group, that enables fabrication of ultrahigh-resolution (ca. 10nm) and high aspect ratio(ca. 15) patterns of 3-dimensional carious shapes by using secondary sputtering phenomenon at ion-bombardment. In other words, the secondary sputtering lithography method uses concepts of accerated Ar ion-assisted bombardment, which leads to the attachment of target materials to the side surfaces of prepatterned polymers fabricated by using a PDMS mold. Unlike other nano-fabrication techniques described thus far, this technique has several notable advantages. Firstly, the simple processing procedure results in efficient formation of high-resolution (ca. 10 nm) patterns with high-aspect-ratios (ca. 15) over large-areas. Secondly, the technique can be applied to patterning most semiconducting, metallic and dielectric materials, including Au, Pt, Cr, Al, ZnO and SiO2.. Finally, 3-dimensional nanostructures with complex topologies, such as hole-cylinder, cup and triangle-cone shaped surfaces, can be easily fabricated by controlling feature of the polymer pattern.
As advanced researches of SSL method, this thesis describes the new approaches for creating various 3-dimensional complex structures from a single prepattern in secondary sputtering lithography(SSL). Although non-photolithographic including SSL 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 3-dimensional metal patterns from a single pattern with isolated pillars by simply varying the residual polymer film thickness and the reactive ion etching (RIE) time.
Next, we have developed a highly advanced nanopatterning technique by adopting secondary sputtering lithography repetitively in order to achieve the very complex 3-dimeansional patterns and connected 10nm scale patterns. We were able to fabricated the grid pattern with high resolution(10nm scale) and high aspect ratio(-20) and connected ring structures like Olympic ring shapes over large area( 7mm x 7mm). This was accomplished by rotating the second patterned PDMS mold with line and ring shapes with respect to the first gold patterns. The resulting periodic structures contained various complex 3D pattern and a range of feature sizes that are difficult and time-consuming to fabricate using other methods.
To show novelty of this method, we prepared a highly transparent Au line-patterned electrode that can be applied to many applications such as organic solar cell and other opto-electronic devices. This can be accomplished by fabricating high aspect ratio of Au patterns with sub-20 nm feature size. The line-patterned Au electrode is transparent, having 93% of transmittance at 550nm, which is higher than that of the commercialized ITO. The electric conductance results of the transparent patterned Au electrode show that electrical conductance of the Au line patterned substrate is ∼110 000 S/m, which is sufficient for the electrode of organic solar cell. To show another structural novelty and effectiveness of our method, we prepared a 10nm scale ITO grid pattern with high performance that can be applied to vertical alignment of liquid crystal molecules for LC based display devices without alignment layer. The grid shaped ITO pattern can achieve the advantages as below; i) The fabricated grid ITO pattern by double SSL method can maintain the electrical and optical properties. ii) The patterned substrate can increase the surface area without optical hindrance due to high aspect ratio 15nm sized pattern.
Finally, uniform gold dot pattern with large area using soft-lithography is applied to CNT-FET devices to improve the FET performance of CNT-FETs. In electric field assisted CNT alignment method, uniform gold dot patterns were expected that CNTs are aligned regularly according the gold dots since uniform gold dots make the electric field dispersed uniformly in FET channel. And then alignment CNTs with minimizing contact of CNTs showed the enhanced FET performance.
본 학위 논문은 초고분해능(~10nm)과 높은 종횡비를 갖는 3차원 나노구조체 패턴을 효과적인 공정을 통해서 제작할 수 있는 방법인 secondary sputtering lithography라는 기술과 이 기술을 발전시켜 더욱 다양한 3차원 나노패턴의 제작, 그리고 이러한 패턴된 나노구조체를 이용한 고성능 나노소자의 개발에 대한 내용이다.
정확성, 정밀성, 재생산성을 갖춘 초고분해능의 나노패터닝 기술개발은 도약 전략과제인 나노 제조 공정 및 응용의 핵심기술이며, 차세대 첨단소자의 기술개발의 추이는 소자의 응용에 맞게, 마이크론 수준에서 10nm대의 패턴을 요구하고 있다. 마이크로에서 50nm수준의 패턴은 현재의 나노공정으로 제조가능하나, 수십나노미터급의 대면적 패턴은 새로운 개념의 나노공정개발을 요구하고 있다. 예를들면, 차세대 선평광판, 유기태양전지 및 센서의 효율을 극대화하기 위한 수십 나노미터급의 패턴을 경제적으로 제조할 수 있는 나노공정의 개발이 필수적이다. 이러한 산업의 기반이 되는 나노패터닝 기술을 획기적으로 발전시키기 위해 본 연구는 secondary sputtering 현상을 패터닝 방법에 이용하고자 하였다. 신규 soft-nanoimprint 방식으로 제시한 "Secondary sputtering lithography (SSL)"는 기술적/학술적으로 본 연구실에서 보유하고 있는 원천기술로서, 기초성과 독창성을 모두 갖는 새로운 나노제조 공정이다. SSL 기술은, 패터닝 기술분야에서의 하나의 한계점으로 알려진 ion-bombardment현상으로 식각을 할 때 나타나는 secondary sputtering 현상을, 발상의 전환으로 고안한 기술이다. 이는 아르곤 입자에 전압차로 가속을 주어 물리적 충격으로 목적물질을 식각할 때, 사방으로 뜯겨져 튀어나가는 입자들이 포토레스트와 같은 마스크물질에 흡착하여 패턴 제작시 결점으로 알려져오던 현상을 역이용하여 그 결점을 주기적으로 배열하여 패턴화시킨 기술로서, 이러한 새로운 방법으로 초미세패턴을 3차원적 모양으로 대면적에 패턴을 할 수 있다. 먼저 secondary sputtering 현상에 대해서 소개하자면, 아르곤 입자에 가속을 주어 물리적 식각을 하는 ion-bombardment 공정 시에 충격을 받은 목적입자가 이탈되어 나가는 현상을 말한다. 본 연구에서는 이러한 현상을 이용하여 새로운 패터닝 기술에 적용하였다. 다결정 물질의 입자가 수직방향의 낮은 에너지를 갖는 가속된 아르곤 입자들이 타켓 다결절 물질층에 물리적 충격을 주어 물리적 식각을 할 때에는, 높은 에너지를 주었을 때보다 더 넓은 이탈각을 갖는 분포를 보이는 현상을 이용하였다.
PS패턴을 흔히 알려진 나노임프린트나 소프트 리소그라피 방식으로 원하는 모양의 패턴을 만들게 된다. 그 후, 아르곤 입자(Ar+)와 전자(e-)을 기체상태에서 분리시켜주고, 아르곤 입자에 전압을 가해 가속을 주어 물리적 식각을 하는 이온 봄바드먼트 공정을 거치게 된다. 이 순간, 식각과 흡착이 동시에 일어나게 되고, 식각되어 이탈된 목적물질의 입자들이 PS옆면에 흡착되게 된다. 이 때 식각과 흡착이 동시에 나타나기 때문에 옆면에 붙은 입자들은 10nm대의 크기를 유지하게 된다. 그 후, 남은 PS패턴을 제거해주면, 원하는 목적물질의 패턴만이 남고, 수직으로 서 있는 패턴만을 원할 때는 식각공정을 추가로 해주면 원하는 패턴만을 원할 수 있다. SSL기술의 가장 큰 장점은 모양변화, 크기변화의 조절이 용이하다는 것이다. 한 마스터 패턴에서 나온 같은 PS패턴에서도, PS농도, 반응성 이온식각 조건, 이온 봄바드먼트 조건에 따라서 다양한 모양의 패턴과 다양한 크기의 3차원 패턴의 조절이 가능하다. 또한 PS패턴의 모양과 크기에 따라서, 쉽게 10nm대의 나노구조체의 모양과 크기의 조절이 가능하다. 본 연구자는 대면적에서 10nm대의 분해능을 가지며 낮은 비용과 간단한 공정으로, 입체적인 3D 구조에 높은 종횡비를 갖는 패턴을 만들 수 있는 “secondary sputtering lithography (SSL)”라는 패터닝 원천기술을 세계최초로 개발하였다.
개발된 SSL기술을 더 심화발전시켜 조금 더 다양하고 효과적인 패터닝 기술이 될 수 있는 연구를 후속으로 준비하였다. 한가지 마스터 패턴으로부터 고분자 전패턴의 두께와 반응성 이온식각 장치를 이용하여 3차원적인 다양한 모양과 크기를 갖는 패턴을 제작할 수 있었다. 이는 비용이 많이 요구되는 마스터 패턴을 모두 구비하지 않아도, 여러 10nm대의 패턴을 쉽게 만들 수 있는 방법이다. 또한 SSL기술을 반복적으로 적용하여 기존SSL기술이 갖고 있던 한계점을 극복하는 연구도 진행하였다. SSL기술은 고분자 전패턴의 옆면의 모양과 크기를 이용하기 때문에 연속적인 구조체를 갖는 패턴을 제작함에 있어 큰 어려움이 있었다. 이러한 한계를 극복하고자, 반복적인 SSL기술을 사용하였고, 격자패턴, 올림픽 모양의 연속된 실린터 패턴을 제작할 수 있었다. 또한 한 기판에서 다양한 모양, 크기, 물질의 10nm대 나노구조체의 제작이 가능한 차세대 패터닝 기술로도 발전시킬 수 있었다. 이러한 패터닝 기술을 토대로, 다양한 응용연구가 가능함을 보여주는 연구도 진행하였다. 매우 얇고 높은 SSL패턴을 이용한 선 패턴의 투명전극과 이를 이용한 유기태양전지 제작, 전도도와 투명도의 저하없이 제작가능한 ITO패턴을 이용한 무배향막 액정 표시소자를 제작하였다.
이와 같은 연구를 진행함으로써, 새로운 패터닝 기술의 개발과 심층적 연구, 그리고 새로운 패터닝 기술을 이용한 광학소자/전기 소자 응용 연구를 진행하였다. 이는 나노 패턴의 양상성을 이용하여 결점없는 차세대 나노소자를 제작하는 신사업분야에 큰 기여를 할 것으로 생각된다. 뿐만 아니라, 아직 밝혀지지 않은 나노 패턴에서 나타나는 기계적/전기적/광학적 효과에 대해서도, 시뮬레이션과 실험을 통해 쉽게 증명할 수 있는 도구가 되어줄 것이다. 그리고, 신개념 패터닝 기술을 선점하여, 고유한 기술을 익히고 응용할 수 있는 많은 연구 인력들이 양성하여 기존의 패터닝 기술이나 응용 기술과의 융합을 통해 세계를 이끌 수 있는 경쟁력을 갖춰 나갈 수 있을 것이다.
