The object of this study is improve productivity and reduce production cost of metal nano pattern fabrication process by laser process which is spotlighted as next-generation technology. Previous laser direct patterning process has difficulty to fabricate nanoscale metal patterns. In this study, we propose one-step, fast and low-cost process to fabricate Ag nano pattern by laser interference, which is called ‘Laser Interference Direct Pattering(LIDP)’. Also, we applied fabricated Ag nano pattern to SERS substrate. Raman spectroscopy is label-free detecting technique which needs metal nanostructure to enhance its signal. Nanostructures of SERS substrates are normally fabricated by phisical vapor deposition(PVD), etching, etc. Due to its fabrication process, conventional SERS substrates have high price. Therefore, low-cost SERS substrate that has high siganl reliability is needed. Main parameters of LIDP process are pre-baked film thickness, laser power and exposure time. We measured pre-baked film thickness by elipsometry and optimized by deluting OM ink with different IPA ratio. Fabricated patterns were analyzed by SEM and XPS methods. Optimal pre-baked film thickness was about 200nm, fine Ag nano line pattern was fabricated with 10W lawer power, 45~55 seconds of exposure time. Fabricated pattern width was 210nm to 330nm, thickness was 200nm. Dot and hole patterns were fabricated with same conditions. 270nm diameter dot and hole pattern were fabricated with 23, 25 seconds of exposure time. Fabricated Ag nano hole pattern was applied as SERS substrate and we evaluated its performance. Intensity of Raman signal was highly increased and signal increasement was uniform in pattern area. Furthermore, price of fabricated SERS substrate was considerably lower than commercialized SERS substrate. These results suggests SERS substrate fabricated by LIDP has promising potential for low cost SERS substrate commercialization.
본 연구의 목적은 차세대 기술로써 주목받는 레이저 공정을 통해 금속 나노 패턴 제조 공정의 생산성을 증가시키고 제작 비용을 감소시키는 것이다. 기존의 레이저 직접 패터닝 공정은 나노 단위의 금속 패턴 제조가 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 레이저 간섭 현상을 통해 빠르고 값싼 원 스텝 공정을 통해 은 나노 패턴을 제조하는 레이저 간섭 직접 패터닝 공정을 제안한다. 뿐만 아니라, 제작한 은 나노 패턴을 표면 증강 라만 분광 기판에 응용한다. 라만 분광법은 비표지식 물질 검출 방법으로 이의 신호를 증폭시키기 위해서 금속 나노 구조가 필요하다. 표면 증강 라만 분광 기판을 위한 나노 구조는 주로 증착이나 식각 등의 공정을 통해 제작된다. 이러한 공정 과정 때문에 기존의 표면 증강 라만 분광 기판은 제작 비용이 비싸다. 따라서 전 면적에서 균일한 신호를 내는 낮은 가격의 표면 증강 라만 분광 기판이 필요하다. 레이저 간섭 직접 패터닝 공정의 조건들은 예비가열 시편 두께, 레이저 파워, 조사 시간이 있다. 타원법을 통해 예비가열 시편의 두께를 측정하여 아이소프로필 알코올의 비율을 변화시켜가며 희석시켜 최적의 조건을 찾았다. 제작된 패턴은 주사 전자 현미경과 X-선 광전자 분광법을 통해 분석하였다. 최적의 예비가열 시편의 박막 두께는 200nm이며, 10W의 레이저 파워와 45~55초 사이의 조사 시간에서 깔끔한 선 패턴이 형성되었다. 이 때 패턴의 폭은 210nm부터 330nm까지였고, 두께는 200nm였다. 점과 구멍 패턴 역시 같은 조건에서 제작하였다. 점과 구멍의 지름이 270nm인 패턴이 각각 23초, 25초의 조사 시간에서 형성되었다. 제작된 은 나노 구멍 패턴을 통해 표면 증강 라만 분광 기판을 제작, 그 성능을 평가하였다. 라만 신호의 세기가 크게 증가하였으며 신호가 증가하는 정도가 패턴 전 면적에서 동일하게 나타났다. 또한, 레이저 간섭 직접 패터닝을 통해 제작한 표면 증강 라만 분광 기판의 가격이 현재 상용화된 기판에 비해 현저히 낮았다. 이러한 결과를 통해 낮은 가격의 표면 증강 라만 분광 기판 상용화의 가능성을 보았다.
