Development of nanopatterning technology has enabled the realization of material properties which are absent in nature. In particular, 3D nanostructures have synergistic effects by unique structural and material properties only emerged in the nano-scale dimension to expand the function and utilization of the material in various fields. To date, 3D nanostructures have been applied to various fields with diverse fabrication methods, but there are not many processes that have sufficient levels for economics efficiency, reliability, and functionality suitable for commercialization. Among the related processes, the proximity field nanopatterning (PnP) realizes 3D nanostructure by a single exposure on phase mask adjacent to photoresist. During this step, 3D interference pattern are printed in the photoresist and the pattern is materialized through a serial lithography process. It is considered that PnP has overall fidelity for commercialization. So far, PnP uses a single-layered phase mask, which realizable 3D nanostructures are limited to the body-centered tetragonal symmetries. In order to fundamentally control the material properties of 3D nanostructures, it is necessary to diversify symmetry of 3D nanostructures. In this Ph.D. study, it is proposed to diversify the realizable 3D nanostructures through optical design of PnP. To accomplish this goal, multilevel phase mask is designed to fabricate diamond-like woodpile structure. The second approach is control of exposure angle for diversification of 3D structures. Final optical study uses algorithm-based inverse design for phase mask pattern, which is capable to generate target 3D nanostructure to maximize the degree of freedom of process.
나노 패터닝 기술의 발달로 기존에 나타나지 않은 고체 상태 소재의 구조 및 물성이 구현되고 있다. 특히 3차원 나노구조는 나노크기에서 발현되는 구조적 특이성, 소재물성의 특이성이 동반 상승효과를 일으켜서 다양한 분야에서 소재의 기능과 활용도를 확장시키고 있다. 현재까지 다양한 공정을 활용하여 3차원 나노구조를 구현하고 각 분야에 적용을 하였으나, 기술 상업화에 적합한 수준의 경제성, 신뢰성, 기능성을 갖춘 공정은 많지 않다. 관련 공정 중에서 근접장 나노패터닝 기술은 위상마스크를 활용하여 단일 노광으로 3차원 간섭무늬를 광경화필름에 조사하여 3차원 나노구조를 구현하는 기술로, 상업화에 적합한 특성을 두루 갖춘것으로 평가된다. 현재까지 근접장 패터닝 기술은 단일층의 위상마스크를 사용하기 때문에 구현 가능한 3차원 나노구조는 체심 정방격자 계열로 한정 되어있다. 3차원 나노구조의 소재 특성을 근본적으로 조절하기 위해서는 구현 가능한 구조의 다양화가 필수적이기 때문에 이에 대한 연구가 진행되어야 한다. 본 박사학위 연구에서는 근접장 나노패터닝 기술의 광학설계를 통해 구현 가능한 3차원 나노구조의 형상을 다각화하고자 한다. 이를 진행하기 위해 위상마스크를 기존의 단일층 구조가 아닌 복층의 격자무늬로 구성된 위상마스크를 설계하여 다이아몬드 격자 계열의 구조를 구현하고자 하고, 두 번재로 노광 각도를 조절하여 구현 가능한 구조의 다양성을 증가시켰다. 마지막으로, 구현 가능한 3차원 나노구조의 자유도를 극대화하기 위해 알고리즘 기반의 역설계를 진행하여 위상마스크를 설계함으로써 근접장 패터닝으로 구현 가능한 나노구조의 자유도를 확장하고자 한다.
