나노 임프린트 리소그래피 공정에서 발생하는 기포 결함에 관한 수치해석적 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2012. 8. 신효철.나노 임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography, NIL)는 단순한 공정으로 대면적화와 높은 생산성을 구현할 수 있는 차세대 micro 및 nano 패턴 제조 방법으로 각광받고 있다. 단순한 공정을 구현하고 가격 경쟁력을 높이기 위해서는 해결해야 할 문제점들을 안고 있으며 이를 해결하기 위한 해석적 연구의 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 대기압 공정 하에서 디스펜싱 UV NIL 공정이 이루어질 경우 발생할 수 있는 기포 결함에 관한 연구를 수행하였다. 우선, 2차원으로 가정할 수 있는 삼각 단면 line-and-space 패턴에 대하여 유동 선단이 전진하는 양상을 살펴보고, 기포 발생에 관여하는 요인들인 몰드 및 기판과 레지스트가 이루는 접촉각, 패턴의 형상, 초기 레지스트의 도포 부피 변화에 따른 잔류층 두께의 변화, 레지스트의 점도, 레지스트의 유입 속도에 따른 기포 생성 경향성을 파악하였다. 삼각 단면 모델에 대한 신뢰도 확보를 위하여, 사각 단면일 때의 유동 선단 전진 양상과 비교하였고, 사각 단면에서 기포가 발생하는 경우에 대한 기하학적 해석을 토대로 삼각 단면에 대하여 기하학적 해석 모델을 적용해 보았다. 한편, 2차원 기포 결함 연구를 바탕으로 3차원 형상을 갖는 비반사 구조물에 대하여 기포 생성 조건을 파악해 보았다. 비반사 구조물은 광학적 특성상 큰 종횡비를 요구하게 되는데, 이는 기포 결함을 발생시킬 가능성을 증가시킨다. 비반사 구조물에 대하여 기포가 발생하는 기하학적 해석 모델을 적용해 보았고, 대표적인 세 가지 비반사 패턴에 대하여 레지스트의 특성과 작업 공정에 관련된 무차원 수 Ca 수의 변화에 따라 기포가 발생하는 경향성을 파악해 보았다. 먼저 삼각 단면에 대한 결과는 다음과 같다. 사각 단면과 유사하게 기하학적 해석을 수행한 결과 기포가 발생하는 기하학적 조건들에 대하여 해석적 결과와 수치적 결과가 상당히 일치함을 알 수 있었다. 또한, 기포 생성에 영향을 미치는 인자들에 따라 경향성을 파악해 본 결과, 기포는 크게 두 가지 형태로 형성되었고, 패턴의 HWR(the pattern height-to-width ratio), 레지스트의 점도, 유입 속도가 커질수록 기포가 생성될 가능성이 높아지는 결과를 보였다. 접촉각 측면에서는 몰드와 접촉각이 작을수록, 기판과 접촉각이 클수록 기포 결함으로부터 안전하였고, 이는 이형 과정을 고려하였을 때 서로 상치되는 결과이다. 무차원 수 Ca 수의 변화에 따라 기포가 생성되는 경향성을 파악하여 Ca 수가 커질수록 기포 결함이 발생할 가능성이 커짐을 확인하였고, 이형 과정을 고려하여 기판 및 몰드와 레지스트 간 접촉각이 같아지는 임계 접촉각의 경우에 대하여 기포가 발생하기 시작하는 Ca 수는 접촉각이 커질수록 선형적으로 감소하는 결과를 보였다. 또한, 임계 접촉각이 90° 이상일 때 기포를 발생시키지 않는 Ca 수가 존재하지 않는 결과를 보이므로 접촉각은 최대한 친수성을 유지해야 한다는 결론을 얻을 수 있었다. 한편, 삼각 단면 해석과 유사하게 원뿔 형태의 비반사 구조물에 대하여 단순한 평면의 방정식을 이용한 기하학적 해석 모델을 적용해 본 결과 기하학적 형상에 따른 기포 생성 경향성을 잘 추종하는 것으로 나타났다. 또한, 종횡비가 커질수록 기포가 생성되는 Ca 수는 급격하게 감소하는 경향도 확인할 수 있었다. 원뿔 패턴은 기포 결함으로부터 가장 취약함을 보였고, 삼각 단면과 비교하였을 때 같은 종횡비에서 기포 결함이 더 잘 발생하였다. 고려된 세 가지 패턴 형상에서 모선을 공유하는 원뿔 형태가 기포 결함으로부터 가장 안전하였고 종횡비가 1.7 이상인 경우 기포 결함으로부터 안전한 영역은 확보할 수 없었다. 이상의 삼각 단면 및 비반사 구조물에 대한 기포 결함 연구를 통하여 UV NIL 공정의 전반적인 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.초록 i 목차 iii List of Figures v List of Tables viii 1 서론 1 1.1 Nanoimprint lithography (NIL) 소개 1 1.2 연구 동향 6 1.3 연구 내용 12 2 Dispensing UV NIL 공정을 이용한 삼각 단면 line-and-space 형상의 기포 결함 연구 15 2.1 Dispensing UV NIL 공정의 기포 결함 해석 조건 17 2.1.1 지배 방정식과 수치 해석 방법 17 2.1.2 패턴 형상에 따른 설계 변수 20 2.1.3 물성치 – 점성 22 2.1.4 공정 조건 – 유입 속도, 접촉각, 초기 도포 부피 24 2.2 기하학적 해석 및 해석 모델 검증 29 2.2.1 사각 및 삼각 단면 모델에 대한 기하학적 해석 29 2.2.2 해석 모델 검증 34 2.3 해석 결과 및 분석 46 2.3.1 기포 생성 형태 46 2.3.2 HWR의 영향 51 2.3.3 초기 도포 부피의 영향 56 2.3.4 점도의 영향 62 2.3.5 유입 속도의 영향 66 2.3.6 무차원 해석 69 3 UV NIL 공정을 이용한 비반사 패턴 제조시 발생하는 기포 결함에 관한 연구 75 3.1 비반사 구조물의 기포 특성에 대한 해석 조건 78 3.1.1 광학적 특성을 고려한 설계 변수 78 3.1.2 NIL 공정을 고려한 설계 변수 및 가정 82 3.2 3차원 원뿔 패턴에 대한 기하학적 해석 83 3.3 Ca 수의 변화에 따른 기포 생성 경향성 90 4 결론 97 References 99 Abstract 106Docto