분자동역학을 이용한 나노임프린트 리소그래피 공정 해석

  나노스케일의 시스템을 해석하기 위한 원자 수준 시뮬레이션은 1950년대 이후 컴퓨터의 발달과 더불어 이용되기 시작했으며, 재료과학, 생물과학, 물리화학 등의 여러 분야에서 원자나 분자의 구조, 재료의 물리화학적 특성 및 거동을 예측하는 데에 폭넓게 이용되고 있습니다. 가장 엄밀한 계산 방법인 양자역학을 이용하는 해석 방법은 전자의 구조를 계산하는데 많은 계산량이 요구됩니다. 따라서 그 크기가 수십~수백nm에 이르는 나노 시스템에는 이러한 양자역학적인 방법을 적용하기는 곤란하며 고전적인 분자동역학이나 분자정역학 등의 방법이 이용되고 있습니다. 이 방법에서는 원자들간의 상호작용력이 양자역학을 이용한 계산결과나 실험 결과를 재현할 수 있는 포텐셜 에너지 함수에 의해 기술됩니다. 입자의 위치를 알게 되면 주어진 포텐셜 에너지 함수로부터 각각의 입자에 작용하는 힘을 구할 수 있고, 각각의 입자에 대해 뉴턴의 운동방정식을 수치적으로 풀어 원자들의 움직임을 시간에 따라 구할 수 있습니다. 이러한 분자동역학 방법은 실험적으로는 관찰이 불가능한 나노 스케일의 재료 내부의 파괴나 응력 분포, 또는 변형 과정을 관찰할 수 있기 때문에 일찍부터 유체의 특성 예측이나 생체 분자 모델링에 이용되어 왔으며 최근에는 박막 윤활이나, 나노인덴테이션(nanoindentation), 나노스크래칭(nanoscratching), 나노리소그래피, 원자 스케일의 스틱-슬립(stick-slip) 현상 등의 기계적 시스템에 대한 해석에도 폭넓게 적용되고 있으며 그 적용 범위는 점점 넓어지고 있습니다. 비록 현재의 컴퓨터 성능의 제약 때문에 분자동역학으로 해석 가능한 대상의 크기는 수십nm 이하에 머무르고 있으며 해석 시간 또한 수ns 이하이며, 이보다 큰 시스템에 대해서는 정량적인 해석 결과를 제공하기 어려운 부분이 많은 것이 사실입니다. 하지만 연속체역학으로는 규명하기 곤란한 나노스케일에서의 물질 특성이나 거동 예측, 또는 점착력이나 마찰력 등의 표면 사이의 상호작용을 이해하는데 큰 도움을 줄 수 있습니다.

 

  본 연구실에서는 이러한 분자동역학을 이용하여 최근 각광받고 있는 나노제조 공정 중 하나인 나노임프린트 리소그래피 공정을 해석하였습니다. 즉, 나노임프린트 리소그래피 공정 중에 일어나는 현상을 이론적으로 규명하기 위해 나노임프린트 리소그래피 공정과 공정용 재료들의 점착 현상에 대해 분자동역학 해석 모델을 제안하였고 공정에 대해 분자동역학 해석을 수행하였습니다. 이를 통해 해석 과정 동안 일어나는 폴리머 박막의 변형 양상을 관찰하고 폴리머 박막 내부의 밀도 및 응력 분포를 계산하여 패턴 전사 중의 폴리머 박막의 변형 특성을 상세히 조사하였으며, 스탬프와 폴리머 박막 사이에서 발생하는 점착력과 마찰력을 계산하고 분리 과정을 관찰하여 이들의 영향과 특성을 조사하였습니다.
  또한 중요한 공정인자인 스탬프 형상, 스탬프와 폴리머 박막 사이의 점착에너지 크기, 공정 온도를 달리하여 분자동역학 해석을 수행함으로써 이들이 나노임프린트 리소그래피 공정에 미치는 영향을 조사하였습니다. 특히, 폴리머 박막 내부의 응력 분포 및 분리 중에 스탬프에 작용하는 분리힘을 계산하여 공정인자들이 박막의 변형 특성과 패턴 전사에 미치는 영향에 대해 상세하게 알아보았습니다.
  나노임프린트 공정에서 점착력을 줄이기 위해 스탬프 표면에 코팅하는 자기조립단분자막을 고려한 분자동역학 해석도 수행하였습니다. 자기조립단분자막이 입혀진 스탬프 또는 입혀지지 않은 스탬프와 폴리머 박막으로 이루어진 분자동역학 해석 모델을 제안하고 이들 사이의 점착 현상을 해석하였으며 표면에너지 및 점착일을 계산하여 나노임프린트 리소그래피 공정에서 점착방지막으로 사용되는 자기조립단분자막의 영향을 살펴보았습니다. 자기조립단분자막의 종류 및 길이를 다르게 하여 해석함으로써 자기조립단분자막의 종류 및 유무가 점착 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였으며, 해석을 통해 얻어진 표면에너지 및 점착일의 계산 결과를 실험 결과와 비교하여 제안된 분자동역학 해석모델에 대해 평가하였습니다.
  이러한 연구를 통해 연속체 역학에서 직접적으로 고려하기 어려운 나노스케일에서의 폴리머 박막의 변형 및 이에 대한 공정인자들-온도, 점착에너지 등-의 영향, 폴리머 재료와 스탬프 사이의 점착력 및 마찰력의 원인 및 이의 영향을 살펴봄으로써 나노임프린트용 소재 개발이나 공정 설계에 있어 일조하고자 합니다.

                  

                                

                      

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