복잡한 미세패턴도 척척..나노 모자이크 컨트롤러
복잡한 미세패턴도 척척..나노 모자이크 컨트롤러
  • 함예솔
  • 승인 2020.06.30 05:40
  • 조회수 945
  • 댓글 0
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미세한 기판 위에서 복잡하고 정교한 형태를 미세하게 조절 하는 기술이 나왔습니다. 더 작은 반도체  소자 제작을 위해 필요한 나노 패터닝(Nano Patterning) 공정 개발에 도움이 될 전망입니다.

나노 모자이크 코팅을 통한 계면 조절 및 초미세 나노 패터닝. 출처: UNIST
나노 모자이크 코팅을 통한 계면 조절 및 초미세 나노 패터닝. 출처: UNIST

UNIST 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀은  '나노 모자이크 코팅'을 이용해 블록공중합체의 복잡한 패턴을 제어 할 수 있는 기술을 개발했습니다. 블록 공중합체(block copolymer)는 고분자 물질로 스스로 머리카락 10만분의 1 두께로 특정 패턴을 만드는데요. 연구팀이 개발한 기술을 이용하면 블록 공중합체가 스스로 만드는 '그림'을 더 정밀하게 조절 할 수 있다고합니다.  해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다. 

  • 나노패터닝

기판에 원하는 회로나 모양을 나노미터 크기로 식각하는 행위를 말합니다. 

  • 블록공중합체

다른 종류의 고분자(분자가 여러개 이어진 물질)가 '블록'단위로 연결된 물질입니다. 스스로 패턴을 만드는 자기조립성이 있습니다. 

반도체 같은 미세 소자는 강한 빛을 이용해 기판에 회로를 그리는 리소그래피 공정을 이용해 제작합니다. 더 성능 좋은 전자기기를 만들려면 반도체 크기가 작아져야 하고 회로 폭도 더 가늘어져야 합니다. 하지만 현재 기술로는 10나노미터 폭 이하로는 회로 구현이 힘듭니다. 게다가 공정 비용이 비싸고 각종 화학약품을 사용하는 문제도 있습니다. 

 

블록 공중합체는 박막(thin flim) 상에서 자기조립을 통해 스스로 주기적인 나노패턴을 형성합니다. 이 성질을 이용하면 10나노미터(10억분의 1미터) 이하의 초미세 패터닝이 가능합니다. 하지만 블록 공중합체를 이용해 원하는 나노패턴을 얻으려면 박막과 기판 사이의 '계면 조건(계면에너지)'이나 박막의 표면 조건(표면에너지)을 정확하게 통제해야 한다는 한계가 있습니다.

나노 모자이크 코팅 적용 유무에 따른 블록 공중합체 나노패터닝. 출처: UNIST
나노 모자이크 코팅 적용 유무에 따른 블록 공중합체 나노패터닝. 출처: UNIST

나노 모자이크 코팅 기술 이용했다

나노 모자이크 코팅된 기판 표면의 전자현미경 사진. 출처: UNIST
나노 모자이크 코팅된 기판 표면의 전자현미경 사진. 출처: UNIST

김소연 교수팀은 ‘나노 모자이크’ 코팅 기술을 통해 블록 공중합체 박막의 계면을 정확하고 정교하게 통제해 블록 공중합체 나노 패턴을 얻는 데 성공했다. 고분자 용액 블록공중합체 용액을 물 표면에 몇 방울 떨어트리면 조밀한 점 무늬인 '나노 모자이크'가 만들어지는데 이렇게 형성된 '나노 모자이크' 위에 블록 공중합체를 올려 원하는 형태의 나노 패턴을 얻는 방식입니다. 블록 공중합체와 기판 사이의 나노 모자이크 막(코팅)이 계면 에너지를 조절 하는 '컨트롤러' 역할을 합니다. 나노 모자이크 간격을 얼마나 조밀하게 만드느냐에 따라 계면에너지 크기 쉽게 조절 할 수 있습니다.

. 나노 모자이크 코팅공정의 개념도. 출처: UNIST
. 나노 모자이크 코팅공정의 개념도. 출처: UNIST

연구팀은 블록 공중합체와 기판 사이에 나노 모자이크를 만들어 아무 처리 하지 않은 기판 위에서는 얻을 수 없었던 블록 공중합체 초미세 나노패턴을 손쉽게 얻을 수 있었습니다. 게다가 나노 모자이크를 기판에 코팅하는 방법도 매우 간단했습니다. 

기판의 물질과 모양에 관계없이 범용적으로 적용 가능한 나노모자이크 코팅기술과 그에 따른 차세대 나노패터닝. 출처: UNIST
기판의 물질과 모양에 관계없이 범용적으로 적용 가능한 나노모자이크 코팅기술과 그에 따른 차세대 나노패터닝. 출처: UNIST

 

김동협 연구원. 출처: UNIST
김동협 연구원. 출처: UNIST

 

제1저자인 김동협 UNIST 화학공학과 석·박사통합과정 연구원은 "블록 공중합체를 패터닝 하려는 기판을 고분자 용액을 떨어뜨린 물 표면에 통과하기만 하면 나노 모자이크가 영구적(비가역적)으로 코팅된다"며 "기판의 종류와 모양에 관계없이 코팅이 가능하다"고 설명했습니다. 연구팀은 실리콘 기판 외에도 인듐틴옥사이드, 몰리브덴 기판 등 16가지 종류의 기판에 나노 모자이크를 코팅해 블록 공중합체 나노 패터닝에 성공했습니다. 또 미세한 피라미드나 원통모양의 형태의 기판에도 나노 모자이크 코팅을 적용해 3차원 나노패터닝이 가능했습니다.

 

 

김소연 교수. 출처: UNIST
김소연 교수. 출처: UNIST

 

 

김소연 교수는 "블록 공중합체 나노 패터닝은 차세대 리소그래피 방식으로 주목을 받았지만 정확한 계면조절이 필요하다는 한계점이 있다"며  "나노 모자이크 코팅이라는 간단한 방식을 이용해 블록 공중합체 박막의 계면을 조절하는 데 성공했다"고 연구 의의를 밝혔습니다.  그는 이어 "나노 모자이크 코팅은 기존 고분자 박막 계면 조절 방식보다 훨씬 간단해 대면적으로 산업화가 용이하며 향후 다양한 시스템의 계면조절에 응용 가능 할 것"이라고 기대했습니다.

 

 


 

##참고자료##

 


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