HOME > 연구물소개 > 나노 가공
 
 
 
 
 
 
   
  부품의 미세화와 극미세패턴의 필요성이 증대됨에따라 연구실에서 연구되고 있는 나노기술에 대해 소개합니다.

 
MEMS 부품의 미세화와 더불어 극미세패턴의 필요성이 증대되고 있다. 현재 BT 분야에서 가장 각광 받고 있는 랩온어칩 (Lab-on-a-chip, LOC)의 개발에 있어서 핵심이 되는 기술은 극 소량의 시료가 지나갈 수 있는 미세한 관(채널)을 만드는 것이다. 이러한 연구의 목적은 궁극적으로 단분자의 조작과 분석을 가능하게 하기 위해서이다.
극미세 채널은 IT 분야에서도 중요성이 부각되고 있는데, 시스템온칩 (SoC)의 개발을 위해서는 나노급 미세회로 공정기술의 확보가 선행되어야 한다.

현재까지 연구되어온 LOC나 SoC 내의 채널의 폭은 수 ㎛ 정도 였으며, 주로 반도체 공정에 의하여 제작되고 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 미세패턴 및 구조물 제작기술로서는 LIGA, 광학이나 고에너지 이온빔, X선 등을 이용하는 리소그라피 기술을 들 수 있다. 이러한 리소그라피 기술들은 자외선, X선, 레이저 등의 광시스템 및 aligner 등 시설에 대한 초기 투자비용이 너무 높고, 공정특성상 다단계의 마스킹 공정과 에칭공정 중 복잡한 공정을 필요로 하며 제작시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 패턴 변경 등 디자인 변화를 위해서는 새로 마스크를 제작해야 하는 문제가 있어 단품종 생산에는 적합하나 다품종 생산에는 부적합하다. 또한, 가공 가능한 재료가 대부분 실리콘 기반재료 (silicon based material)에 한정되어 있다는 단점을 가진다.

리소그라피 기술에 의하여 제작 가능한 최소선폭의 물리적 한계로 인하여 마찰력현미경 (FFM)이나 원자력간 현미경 (AFM)을 이용한 극미세패턴의 형성 기술들이 다양하게 연구되어 오고 있다. 초미세 프로브를 이용하여 직접 소재의 표면 형상을 변형시키는 기계적 가공공정은 현재 연구중인 여러 미세구조물 제작기술 중에서 가장 설계변경이 용이하고, 초기설비가 간단하며, 공정속도가 빠르다는 장점이 있으나, 가공후 패턴 주위에 발생된 버(burr) 및 기타 잔류물에 의하여 패턴의 재현성이나 정밀도가 나쁘다는 단점이 있다. 그러나 이러한 단점들은 식각공정을 통한 화학적 방법으로 개선될 수 있다.
위의 장점 때문에 국내에서도 기계-화학적 방법을 이용하여 극미세패턴을 제작하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

Fig. 1 (B)는 thermal oxidation을 통해 형성된 SiO2나 전자빔 증착을 통해 형성된 자기조립분자막 (self assembled mnolayer)를 식각 마스크로서 사용하여 기계-화학적 방법으로 극미세패턴을 제작하는 기술을 나타내고 있다.
Fig. 1 (A)의 반도체공정에 비하여 공정이 간단하나 식각을 위한 마스크 형성공정이 필요하다.

Fig. 1 (C)와 같이 마스크를 사용하지 않고 기계-화학적 방법으로 극미세 패턴을 제작하는 기술이 연구되고 있다.
그러나 FFM과 같은 SPM을 이용한 미세가공기술은 저에너지/저온 공정, 극미세 패턴 및 구조를 제작할 수 있는 장점이 있으나 패턴형성이나 구조물 제작을 위한 공정 속도가 매우 느리고, 재료의 한계 및 진공/전기장 등을 위한 부가설비가 필요하다는 단점이 있다.
 
 
A) Lithography
B) Mechanical and
Chemical technique
(with mask)
C) Mechanical and Chemical technique
(without mask)
Fig. 1 Process layout of the pattern formation process
 
이상과 같은 단점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 극미세패턴 제작기술의 필요성에 따라서 본 연구실에서는 나노인덴테이션을 이용한 마스크리스 극미세패턴의 제작 기술을 개발하고 있다. 극미세패턴의 제작공정에서 나노인덴테이션의 스크래치 옵션을 이용할 경우 마찰력현미경을 이용했을 때에 비하여 수직하중의 조절범위가 넓으며(max. 1N), 가공면이 넓고 (2×2cm2), 수평방향으로의 하중의 조절이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 진공/전기장과 같은 별도의 부가설비가 필요 없으므로 초기투자비도 감소된다. 현재, 극미세패턴 및 구조체 제작에 가장 많이 쓰이고 있는 리소그라피공정의 실재산업에의 응용에 있어서 가장 장애가 되고 있는 것은 초기설비투자시나 공정에 너무 많은 비용이 소요되는 것이다.
Nano-imprint 는 공정 및 초기투자시설이 간단하며, 목적 패턴의 형상이나 치수 면에서 제약을 받지 않기 때문에 리소그라피공정을 대신하여 실재 산업에 쓰일 수 있는 극미세 부품의 제조 공정으로써 기대되고 있다.

본 연구결과에 의하여 제조된 극미세 패턴 (Si, Cu)을 nano-imprint 공정용 금형으로 사용하면, Si ULSI, electric devices, TAS, DOE와 같은 부품의 대량생산에 응용될 수 있다.

이상과 같은 연구필요성과 연구창의성에 입각하여 본 연구실에서는 다음과 같은 내용이 연구가 진행되고 있다
나노인덴테이션을 이용하여 Pyrex glass, Si (100), PDMS 소재에 극미세패턴을 형성시킬 때, 적합한 가공조건을 조사하기 위하여, 가공조건 (프로브 형상, 수직 방향으로의 하중, 수평방향으로의 하중, 성형속도)에 따른 소재의 압입 후 변형거동 및 균열의 전파 방향 등을 관찰하여 패턴제작에 필요한 기초 D/B를 확보한다. 또한, 소재의 탄성계수, 경도, 마찰계수 등과 같은 기계적 성질을 측정하여 D/B화 하고자 한다.
 
기계적 가공법에 의해 형성된 가공변질층을 이용한 마스크리스 극미세패턴 제작 기법을 연구하고자 한다. 지금까지 확립
되어진 가공조건을 이용하여 Si (100)과 pyrex glass에 극미세패턴을 형성시킨 후 에칭조건(에칭액의 농도, 에칭액의 혼합
비율, 에칭시간, 첨가제의 양)이 극미세패턴에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
 
전주도금공정을 병용하여 금속(Cu)극미세패턴을 제작하고자 한다. 목적패턴이 극미세이기 때문에 습윤제의 종류나 첨가량, 도금시간 등의 극미세패턴에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 금속 극미세패턴의 제조후에는 스크래치 테스트를 통한 내구성 평가를 하여 nano-imprint용 금형으로써 적절성을 평가 하고자 한다.