소프트리소그래피 ( 마이크로컨택프린팅을중심으로 ) 나노임프린트가주로 hard한스템프를이용하여나노스케일패턴을쉽게제작할수있는반면소프트리소그래피는주로 soft 한몰드를이용하여패턴을제작하는공정을말한다. 지금까지주로 PDMS가몰드로많이사용되어져왔으나최근에는새로운기능을가지는몰드재료에대한연구가진행되어지고있다. 나노임프린트에비해나노스케일패턴제작에는단점을가지고있지만대신저렴한몰드가격의장점을가지고있어 sub-micron scale의저가대면적패터닝에유리하고바이오응용등에많은장점을가지고있다. 본고에서는 Y. Xia, G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed, 37, 550-575 (1998) 의 REVIEW 논문을소개하고최근의이슈들을소개하고자한다. 1. Soft-Lithography (mcp) Microcontact printing REM (replica molding) Microtransfer molding Micromolding in Capollaries (MIMIC) Solvent-assisted Micromolding (SAMIM) Microfabrication은 microelectronics에기반을두고있고, 앞으로머지않은미래에 IT(information technology) 에쓰이는 microprocessor, memory등의제조에도기초가되는기술이다. 또한, 이러한 microelectronics외의분야에서도, 많이쓰이게될것이다. (Fig. 1) Fig. 1 photolithography 가 100-nm 이하로는쓰이는파장의최소한계가있기때문에 patterning 하기가힘들다. 따라서 non-photolithography 방법이모색되고있다. 반도체공정에서소형화, 기기의고집적화는시간, 비용, reagents, sample의크기, 에너지의감소시키고, 새로운기능을향상시키기위해서필요한공정이다. 지금까지의반도체공정에서 photolithography는, 1959년에반도체가만들어진이후에가장중요한역할을해왔다. 현재반도체공정에쓰이고있는 photolithography기법은많은수의 les system을통하여
photoresist가있는 wafer에고분자막들을이용하여 spin-coating을하고난뒤, 그얇은필름위에빛을전사하여특정지역의 film의두께가변화하는모양을 patterning하는 projectionprinting( 흔히, stepper라고불리운다.) 에기반하고있다.. Stepper의해상도 R은 Rayleigh Eq. 에따라광학적회절에의해규정된다. R=k 1 /NA 결과적으로더짧은파장을가진빛의소스일수록, 더작은구조를형성할수있다. 하지만, 구조가더작아질수록제조하기가더어렵고, 가격도훨씬비싸지게된다. 1960년대후반, Fairchild Semiconductor와 Intel의창업자인 Gorden Moore는일정크기의 IC(integrated circuits) 속의트랜지스터의개수가 18개월마다두배로증가할것이라고예측했다. 이러한예상은후에 Moore`s Law라고하는데, 지난 30년동안, 6년마다원래길이의반씩그 resolution이높아진 photolithography 기술의발전의영향으로인하여, 많은반도체공업의발전경향이이법칙에따랐다. (Fig. 2) Fig. 2 Moore`s Law 에따른경향 ; 1973 년부터얼마나많은트랜지스터가집적되어있는지를보여준다. 2. mcp (microcontact printing ) 의원리및장점 resolution의범위가 100nm이하로내려가면서새로운반도체공정방법을시도하게되었다. 즉, 발전된 lithography의영향으로인하여현재, extreme UV(EUV) lithography, soft X-ray lithography, electron beam writing등의기법의사용이시도되고있다. 하지만, 100nm이하의 resolution을얻기위해서위에언급된방법들을사용하자면비용이비쌀뿐만이아니라, 환경친화적이지도않고 ( 소스가방사능의누출을유발할수있기때문에 ), 평평하지않은표면에 patterning할수없다것도난제로떠오르게되었다. 이러한한계로인하여또다시새로운방법을모색하게되는데, 가장유력한방법이 soft lithography이고, 그중에서대표적인예로 mcp(micro contact printing) 을들수있다. mcp에대해서간단하게말하자면, 도장찍기 와비교할수있다. 즉, 적당한 alkanethiol 용액을 elastomaric PDMS (poly(dimethylsiloxane)stamp에잉크처럼묻혀서 alkanethiol이찍히는부분에 ink molecule 이전달되도록하는것이다.
실험방법 : 여기서 PDMS molding기법을알아보자. 표면에서선명한구조를가지고있는, elastomeric stamp, mold나 mask는 soft lithography에서가장중요한요소이다. PDMS replica 는표면에서선명한구조를가진 master에대고, 탄성이있는 liquid prepolymer를 casting하고, 그것을 replica molding(fig. 3) 의방법으로만들수있다 Fig. 3 PDMS stamp 제조개념도 여기서사용된 elastomer인 PDMS의장점을간단하게말하자면, 다음과같다. 첫째, substrate의상대적으로넓은영역에안정적으로점착할수있을수있다. 이는평탄하지않은 surface에대해서도동일하게만족한다. 두번째, PDMS는 interfacial free energy가낮다. 따라서, PDMS로다른 polymer를 molding할때, 접착이잘일어나지않는다. 세번째, PDMS는 homogeneous, isotropic하고, 광학적으로는 300nm의두께까지는투명하다. 따라서이러한성질을이용하여 optical device를만드는데이용될수있다. 네번째, PDMS는매우내구성이강한 elastomer이다. 이것은실험에서 molding한 PDMS stamp로수백번, 몇달동안이나사용해도눈에띄는 degradation이일어나지않은것으로파악할수있다. 다섯번째, PDMS의 surface property는 SAMs(self-assembly monolayers) 의형성에의해생기는 plasma 의조절에의해서쉽게 modified될수있고, 이는물질간에적절한 interfacial 상호작용에의해서 interfacial energy값이넓은영역에걸쳐나타날수있다. 원하는 mcp이이루어지려면, substrate의 surface와 stamp간의적당한접촉이필요하다. 즉, 접촉을할때, 사방에서가해지는압력에따라같은모양을하고있는 PDMS stamp라도 patterning을하고난후의모양이달라질수있기때문이다. 이러한과정을거치면, self-assembly의결과로서 highly ordered된 monolayer가빠른시간 (~0.5s) 에형성된다. 또, autophobicity 에의해서 ink가 substrate의 surface 주위로퍼져나가는것을막는다. 즉, ink molecules 는원하는 patterning을위해 hydrophilic이나 hydrophobic 한부분중한군데로만, 도장찍히듯이찍히게되는것이다. 따라서, 이러한과정을살펴보면, 한번찍는것으로간단하고도빠른시간에 ~50cm 2 의영역에이르는넓은영역에 SAMs(selfassembly monolayers) 를형성하게된다. 이런방법을사용하면, substrate의 surface의면이굴곡이많아도 pattern이잘형성되므로 3-dimensional fabrication에도유용하게쓰일수있다. 앞에서언급되었던내용을자세하게언급해보자. 왜 photolithography가아니고 soft
lithography를사용하려하는지에대해알아보자면다음과같다. 먼저 photolithography와 soft lithography를개념적으로비교해보면, 전자는 writing의개념으로이해할수있고, 후자는 replication의개념으로이해할수있다. 그런데, photolithography는공정을계속하는동안에 photoresist로작용하는 mask가강한빛에의해서 reduced되고, 그빛의소스가매우비싸고, 초기장치비가많이든다. 반면에 soft lithography는 clean room이필요없을뿐만이아니라, 초기에 mask만 photolithography로금속을이용하여제작할뿐, 거기에 molding하는 PDMS를이용하여, 직접사용하거나 PDMS를 master로 PU와같은 elastomeric한 polymer를 replication 을이용하여 patterning을할수있다. 3. 문제점및해결방안 3.1 문제점 : PDMS가앞에서언급한장점만있는것은아니다. PDMS의 elastomeric한성질은복잡한무늬의구조를형성하는데에있어풀어야할문제의원인이된다. (Fig. 4) Fig. 4. 가능한 PDMS 의변형, 뒤틀림 schematic illustration a) paring b) sagging c) shrinking 그림에나타난각각의원인에대해알아보자면, 첫째, paring의원인은중력, 접착력, 모세관힘이 elastomeric한형태에가해짐으로써, 그형태가붕괴하거나 defect가형성될수있다. 둘째, sagging은 patterning된형태의비율이나머지 patterning되지않은나머지부분에비해서그비가너무낮다면, PDMS stamp를누를때의압력을견디지못해서, 뭉그러지게되는것이다. 셋째, shrinking은 rigid한물질에비해 PDMS가 elastomeric 하기때문에정확한기록을할수없기때문에일어나는것이다. 따라서, molding된 PDMS가 mask 모양대로나오지않고, shrinking도일어나는것이다. 3.2 해결방안및앞으로할일최근 H. Schmid and B. Michal 등은 Siloxane을이용하여 hard-mask를제작하여기존의 PDMS가가지는문제점인 mold의파괴와뭉침에의한패턴의파괴현상을줄이고 100 nm 이하의패턴형성을위해서마이크로패터닝방법이적용될수있는가능성을제시하였다. 그후
composite mold와 fluoropolymer 등다양한고분자들이소프트 PDSM의단점을극복하고 100 nm 이하의패턴을제작할수있는몰드로시도되고있다. ( 그림 5) 마이크로컨택프린팅의경우에는새로운 mold의제작뿐아니라새로운잉크물질에대한연구가활발히진행되어지고있다. 그림 5. 나노복합체몰드를이용한 Hard mask 3. 앞으로의동향 Photolithography가앞으로도기술적으로반도체기기를만드는데필요한 microfabrication 방법에서주요한기술로쓰이게될것이다. 하지만, 이와비교해서, soft lithography에많은장점이있다는것은앞에서도언급한바가있다. Soft lithography에서사용되는물질인 PDMS는실험실에서 patterning을할때, 간단하고, 유연하고가격이싸기때문에쉽게사용될수있다. 또한 1 um이상의크기를가진형태를만들때는밀폐된공간이아니라도실험이가능하다. 요즘, soft lithography는 photolithography가가진여러가지단점 (precise alignment, continuity, isolation, uniformity가필요하다.) 때문에대체기술로각광을받고있는것은사실이다. 실제로이방법을사용하면, microelectrode의전극배열, biosensor, microanalytical system의간단한제조를할수있다. 또한간단한 display 기기, 광학기기, 기초적인 microelectronic 기기도현재이방법으로만드는것이현실화되고있다. 하지만, soft lithography는 photolithography의문제이기도한풀어야할여러가지핵심적인문제가있다. 첫째로, elastomeric한물질로높은 resolution(<20nm) 이실현되어야한다. Elastomeric한물질이찌그러지고뒤틀리는현상이 controll되고, pattern이정확하게재구성될수있어야한다. 두번째, 형성된 pattern과구조의정밀도가나아져야한다. 얇은선과같은 pattern은아직도복잡한 microeletronic 기기에쓰기에는아직정밀도가향상되지않았다. SAMs의 defect의형성이나분산은 etching을할때, soft lithography로형성된 pattern이 resist로작용하기에는아직은큰영향을미친다. 셋째,
microelectronic 기기의생산에사용되는 patterning 을할만큼공정의 compatibility 가미흡하다. 즉, SAMs 로형성된 pattern 이반도체에바로적용되고, 지금의공정 (RIE<reactive ion etching>) 과사용되는물질의 compatibility 가 optimizing 되어야한다. 4. Reference Y. Xia, G. M. Whitesides, Langmuir, 12, 4033-4038 (1996) Y. Xia, G. M. Whitesides, Langmuir, 13, 2059-2067 (1997) X. M. Zhao. G. M. Whitesides, J. Mater. Chem, 7, 1069-1074 (1997) Y. Xia, G. M. Whitesides, Langmuir, 14, 363-371 (1998) Y. Xia, G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed, 37, 550-575 (1998) Y. Xia, G. M. Whitesides, Chem. Rev. 99, 1823-1848 (1999) Schmid, H., Michel, B. Macromolecules, 33, 3042-3049 (2000)