분자동역학을 이용한 나노임프린트 리소그래피에서의 패턴 전사에 관한 연구

Abstract

최근 나노기술(nanotechnology)의 발달로 수십~수백 nm의 크기를 갖는 나노구조물이나 나노패턴을 대량으로 제조할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이러한 기술 중 최근 가장 주목 받는 기술로서 나노임프린트 리소그래피를 들 수 있다. 나노임프린트 리소그래피는 수십~수백nm 크기의 패턴이 각인된 스탬프를 폴리머 등의 비교적 변형이 쉬운 재질의 박막 표면에 눌러 박막을 소성 변형시킴으로써 패턴을 전사하는 방법이다. 첫 번째로 본 연구에서는 나노임프린트 리소그래피 공정에 대해 분자동역학 해석을 수행하였다. 본 연구에서 수행된 나노임프린트 리소그래피 공정에 대한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 공정 중에 일어나는 폴리머 박막의 변형 양상을 관찰하였고 박막 내부의 응력 분포 및 밀도 분포를 계산하였다. 또한 스탬프와 폴리머 재료 사이에서 발생하는 점착력과 마찰력을 계산하고 이들의 영향 및 특성에 관해 살펴보았다. 두 번째로 본 연구에서는 나노임프린트 공정에 대해 공정인자인 스탬프 형상, 표면 사이의 점착에너지 크기, 온도를 달리하여 분자동역학 해석을 수행하여 이들의 영향에 대해 연구하였다. 해석모델의 공정인자를 달리하며 폴리머 박막의 변형 양상을 관찰하고 박막 내부의 응력 분포 및 분리 중의 점착력을 계산하여 공정인자들이 박막의 변형 특성과 패턴 전사에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 마지막으로, 나노임프린트용 소재인 PMMA 박막과 $SiO_2$ 및 SAM이 입혀진 $SiO_2$ 사이의 점착 거동을 알아보기 위해 분자동역학 해석을 수행하였다. 이를 위해 우선 SAM 분자의 헤드부 Si원자를 중심으로 하는 뒤틀림 포텐셜 함수를 양자역학 계산결과에 맞도록 피팅시켜 SAM의 구조 계산을 위한 보다 정확한 포텐셜 파라미터를 제시하였다. 제시된 파라미터를 적용한 분자동역학 해석을 통해 PMMA와 $SiO_2$ 및 SAM이 입혀진 $SiO_2$ 사이의 점착력을 계산하고 점착 현상을 관찰하여 SAM이 점착 특성에 미치는 영향을 알아보았으며, SAM의 종류 및 길이를 다르게 하여 해석함으로써 SAM의 종류가 점착 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 또한 이들의 표면에너지 및 계면에너지를 예측하는 방법을 제안하고 이를 이용하여 표면 및 계면 에너지를 계산하였다. 그리고 이렇게 계산된 표면에너지 및 계면에너지 값을 접촉각 측정 및 점착력 측정 실험을 통해 계산한 값들과 비교 및 평가하였다.