The photolithography process has been the dominant technique for microscale patterning for the past fifty years. To reduce the size of electronic and photonic components, various processes have been proposed. Among various alternatives, the two-photon stereolithography (TPS) process offers direct fabrication of true three-dimensional shapes with sub-100 nm resolution, which might be difficult to obtain by general miniaturization technologies. Previous studies using TPS have focused on a fabrication using polymer materials. Until now the conventional TPS process employing only polymer materials has been limited to the fabrication of functional nano/micro-devices. Direct metal patterning methods using the TPS process have been investigated for various electronic applications.
A low-temperature, ultra-high-resolution direct metal patterning process for the fabrication of nanoscale electronics, in which the metal nanoparticles are sintered by applying a TPS process, has been developed. To achieve homogeneous dispersion of the silver nanoparticles, the nanoparticles are encapsulated using a functional self-assembled monolayer. Because the femtosecond laser produces a relatively small heat-affected zone the selective thermal sintering area can be limited to sub-wavelength scale. Also, controlling the position of the laser beam focus within a 10 nm resolution allows for the uniform sintering of the metal nanoparticles. Through this process, metal conductors on a flexible substrate with nanometer features and high conductivity were successfully fabricated. Hybrid material (metal coatable polymer and polymer) patterning is achieved using two-photon stereolithography with a dual-stage scanning system (TPS-D). For effective laser scanning, the sequential scanning method and the 3D continuous-path scanning method are used. For the precise alignments of the metal coatable polymer and polymer structures, the pattern-to-pattern comparison method is used. Selective metallization of the metal coatable polymer structure is performed through silver deposition by electroless plating. This process can produce 3D micro structures with arbitrary shapes. A 3D micro coil that was operated at 25.4 GHz was demonstrated.
The results imply that the proposed direct metal patterning process using TPS-D is a novel method that offers low-temperature, high-resolution, 3D hybrid material (polymer/metal) microstructures, and this method has numerous further applications in electronics and photonics.
나노/마이크로 패턴 제작 기술은 의료/바이오/전자/에너지 등의 다양한 분야에서 고부가 가치 제품 창출을 위해 다양하게 연구되고 있다. 현재까지 개발된 공정들 중에서 포토마스크를 이용한 광리소그래피 (photolithography) 공정은 미세 패턴을 대량으로 생산할 수 있는 공정으로 다양한 분야에서 필요한 미세 응용소자 제작 기술로 사용되고 있다. 최근에는 나노/마이크로 패턴을 단일공정으로 제작하기 위해 새로운 공정 개발에 대한 연구가 진행되고 있다.
이광자 흡수 광조형 공정은 나노급 정밀도를 가지는 극미세 3차원 형상 제작에 유리한 공정으로서, 초기에는 주로 정밀화 방안에 대한 연구가 이루어져 왔다. 최근에는 고기능성 응용소자 제작에 관한 연구를 위한 제작 영역의 대면화 및 다양한 재료를 이용한 패턴 제작에 관한 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 대면적에 걸쳐 정확한 위치에서의 다양한 재료의 패터닝이 가능한 이중스테이지를 이용한 레이저 스캐닝 시스템을 이용하여 다중 재료 (폴리머/금속)의 패터닝에 관한 연구를 진행하였다.
이중 스테이지를 이용하여 기존 수백 마이크로 수준이었던 제작 영역을 5 cm x 5 cm로 확장 하였으며, pattern-to-pattern comparison method를 이용하여 다중 재료를 이용한 패턴닝에 대한 정렬오차를 500 nm 이하로 향상시킬 수 있었다. 레이저 초점의 정밀 위치 제어를 위해 레이저 스캐닝 시 발생하는 발광 이미지를 이용한 자동초점 방법을 개발하였다. 대면적 고효율 스캐닝 방법으로 순차적 스캐닝 방법 (sequential scanning method)과 3차원 직접 연속 스캐닝 방법 (3D direct continuous-path scanning method)을 제안하여 형상 제작 시간 단축 및 기존에 구현하기 힘들었던 다양한 형상 제작을 위한 방법으로 활용 하였다.
이중스테이지를 이용한 펨토초 레이저 스캐닝 시스템과 고효율 스캐닝 방법을 응용소자 제작을 위한 공정으로 활용 하였다. 3~6 nm 크기의 녹는점이 낮은 은 나노 입자와 열확산을 최소화할 수 있는 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정 (Femto-second laser selective nanoparticle sintering, FLSNS)을 개발하여, 유리, 웨이퍼, 고분자 필름 등 다양한 기판 위에 1 ㎛ 이하의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작할 수 있음을 보여 주었으며, 유기 전계효과 트랜지스터 제작공정에 적용함으로써, 차세대 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
다중재료 (금속/폴리머)의 패터닝을 위한 선택적 금속코팅 공정(Selective electroless plating process)을 개발하였으며, 이를 이용하여 기존 공정으로 구현하기 힘들었던 3차원 마이크로 코일을 제작 및 평가함으로써 다양한 3차원 전자소자 제작 공정으로 활용 가능함을 보여주었다.
개발된 공정은 이 외에도 다양한 극미세 기능성 3차원 소자의 개발 및 응용을 위한 기반 공정으로 활용될 것으로 사료된다.
