대면적 나노 패터닝 기술 (Large Area Patterning of Nanoparticles and Nanostructures)

- 나노 입자는 뛰어난 광학적, 자기적, 전기적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 광학 디스플레이 및 에너지 변환 기반의 전자 디바이스와 같이 여러 응용 분야에서 대면적 나노 입자 패턴이 요구됩니다. 표면에 나노 입자 (NP)의 2 차원 (2D) 조립은 플라즈모닉, 생물학적 센서, 전자 및 광학과 같은 분야에서 발견과 발전을 가져왔습니다. 높은 정밀도와 균일성을 갖춘 NP의 조립은 주기성이 기능에 영향을 미치는 응용 분야에서 매우 중요합니다. 따라서 정확성과 재현성은 표면에 NP를 패터닝 할 때 중요한 매개 변수가 되었습니다. 이러한 NP 어레이는 특정 응용 분야에 직접 사용되거나 복잡하게 정렬된 구조를 얻기 위해 여러 방법으로 적용될 수 있습니다. 나노 입자 패턴은 균일한 배열을 얻기 위해 나노 입자 사이에 정의된 배열과 간격을 유지하는 것이 중요합니다.  그러나 NP 사이의 간격을 제어하거나 나노 구조 배열이 모두 표면에 정렬되도록 하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.

 

- 대부분 알려진 패터닝 방법은 패턴 형성과정에서 재현성이 낮고 공정 속도도 느리며 대면적화가 불가능 합니다. 이러한 패터닝의 한계점을 넘기위해 동시에 형성하는 일부 병렬 기술이 등장했습니다. 이러한 방법은 대면적 기판의 나노 입자와 나노 구조를 잘 정렬된 패턴으로 빠르게 조립하는 데 사용할 수 있습니다. 더 큰 표면적과 더 높은 처리량을 패턴화하려면 병렬 방법으로 전환해야 합니다. 이는 기술적으로 훨씬 더 간단하므로 정교한 설정이나 값비싼 장비가 필요하지 않습니다. 많은 병렬 기술이 NP의 습윤 및 자체 조립 특성을 활용했으며, 때로는 템플릿 기판과 함께 수십 제곱 센티미터의 넓은 영역에 대면적 NP 어레이를 형성함. 이러한 공정의 장점은 간단한 실험 장비와 다양한 기판 상에 신속하게 획득할 수 있습니다.

여기에서 이러한 병렬 방법, 그들에 의해 처리된 재료를 검토하고, 그리고 각 방법에 사용할 수 있는 입자의 유형. 또한 각 방법이 패턴화할 수 있는 최대 기판 영역과 입자 사이의 거리에 대해 분석함. 이 연구는 대면적 기판에 밀착 포장 패턴과 비밀착 패턴을 형성할 수 있는 병렬 나노 패터닝 방법에 중점을 둡니다. 마지막으로, 각 방법의 장단점뿐만 아니라 손쉬운 주문형 대면적 나노 패터닝을 가능하게하기 위해 여전히 해결해야 할 과제를 보고는 연구입니다.

 

- 일반적으로 사용되는 나노 패터닝 방법은 전자선 리소그래피, 이온빔 리소그래피 방법입니다. 이러한 방법은 뛰어난 정밀도와 재현성을 허용하고 높은 분해능 (최저 10nm)을 갖지만 여러 가지 단점도 있습니다. 첫째, 기판은 패터닝 프로세스 동안 전처리 및 후 처리되어야하고 레지스트 층을 추가하고 추가적인 화학적 처리로 제거해야 합니다. 둘째, 전자 또는 이온 빔이 표면을 가로 질러 정렬되어야하고 패턴이 순차적으로 식각되어야 하므로 절차는 매우 시간이 많이 소요됩니다. 고해상도로 전자빔을 스캔하는 것은 느린 프로세스이기 때문에 세 번째 주요 단점인 기판의 작은 영역의 패터닝이 제한되고 장비를 구입하고 작동하는 데 상대적으로 비쌉니다.

 

- 템플릿 기판에 따라 입자간 거리에 대한 제어가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 또한 재료 (금속, 반도체, 절연체등) 및 기판 (유리, Si 웨이퍼 등 )에 대한 가공법이 다양합니다. 사용된 영역과 덮힌 영역의 크기와 여러 병렬 나노 패터닝 기술의 일반적인 장점과 단점이 있음.

 

NP 조립하여 표면에 규칙적인 패턴을 형성하는 것은 쉽게 제작할 수 없어 넓은 영역을 패턴화하려면 병렬 패턴화 방법이 요구됨. 패턴의 품질과 입자 간 간격은 플라즈모닉, 광학 및 전자 장치와 같은 여러 응용 분야에서 중요한 매개 변수이며 동시에 효율성이 낮거나 불가피한 구조적 결함이 존재합니다.

 

- 대부분의 제조 방법이 패턴을 형성하는 입자의 자체 조립에 의존하기 때문에 밀집된 NP 어레이는 기본적으로 제조가 더 간단하고 템플릿의 필요성도 완화됩니다. 밀집된 패턴의 경우 입자 사이의 거리를 고려할 필요가 없습니다. 이러한 형태의 패터닝이 잘 진행되고 있지만 복잡한 형태 나노 구조의 패터닝을 허용하고 거리를 조정할 수 있어야합니다.

 

- 특히 입자 간 분리에 대한 더 많은 제어는 더 복잡한 제조 기술에 의해 제공됩니다. 대부분의 경우 템플릿 구조 작성 / 준비와 같은 사전 제작 단계를 기반으로 합니다. 템플릿 개발을 위한 리소그래피 방법이 일반적으로 사용됩니다. 서브 마이크론 정확도가 필요한 경우 전자빔 리소그래피, 딥펜 나노 리소그래피 또는 열 스캐닝 프로브 리소그래피와 같이 시간이 많이 걸리는 느린 프로세스가 필요하기 때문에 방해가되지만 종종 사용됩니다.

 

- 스탬핑 또는 나노 임프린트 리소그래피에서와 같이 템플릿을 여러 번 사용할 수있는 경우 이러한 방법으로 더 큰 규모의 애플리케이션을 구현할 수도 있습니다. 특히 대규모 응용 분야에 유망한 방법은 자체 조립에 의존하거나 화학적 상호 작용, 자기장 또는 전기장 및 빛과의 상호 작용을 기반으로 템플릿을 형성하는 방법입니다. 

 

- 그러나 이러한 방법의 복잡성으로 인해 응용 프로그램의 주요 초점은 여전히 ​​실험실 환경에 있으며 주로 연구 목적으로 사용됩니다. 더 많은 산업 응용 분야에서는 스탬프나 리소그래피 마스크가 필요하지 않은 고급 공정의 개발이 필요하며, 이는 더 큰 규모의 패턴에 대한 화학적 기술의 사용을 증가시키고 실제로 산업에 맞는 나노 패터닝을 발전시킬 필요성이 있습니다.

 

- 향후 개발은 계층적으로 적층된 2D 나노 패턴을 발전시켜 3D 구조를 형성 할 가능성이 있습니다. IL은 이미 다중빔 간섭의 도움으로 3D 광결정을 실현하는 데 사용되고 있습니다. 전송 기술의 개발은 가능한 패터닝 재료 및 기판의 한계를 극복하기위한 향후 응용 분야에서도 중요합니다. 예를 들어, 나노 패턴을 매우 곡면에 전사하기 위해 나노 전사 인쇄 (nTP) 기술이 도입되었는데, 이는 기존의 리소그래피 방법으로는 불가능했습니다. 첫 번째 보고서 이후, 비평면 및 유연한 기판으로의 이동을 포함하여 다양한 혁신적인 nTP 기술이 보고되었습니다. 최근에는 20nm 이하의 해상도와 8 인치 웨이퍼에 확장성을 가진 패턴을 구현했습니다. 추가 개발은 재료 및 기판 패터닝의 제약을 제거함으로써 재료 또는 장치의 특수 기능을 가능케 합니다.

 

 

- 현재보고 된 방법 외에도 수많은 다른 창의적인 방법이 있을 수 있습니다. 우수한 재료 및 기판 호환성으로 더 복잡하고 원하는 패턴을 넓은 면적에 형성 할 수 있는 가능성이 큽니다. 패터닝 방법의 스마트 한 설계를 통해 구조적 및 기능적 복잡성 모두 달성 할 수 있습니다. 따라서 다양한 분야의 연구자들 간의 협력은 주문형 대면적 패턴을 달성하는 데 큰 가치가 있을 것입니다.

 

 

 

< 출 처 >

 

Barad, H. N., Kwon, H., Alarcón-Correa, M., & Fischer, P. (2021). Large Area Patterning of Nanoparticles and Nanostructures: Current Status and Future Prospects. ACS nano.

 

저자 :  Hannah-Noa Barad, Hyunah Kwon, Mariana Alarcón-Correa*, and Peer Fischer*

 

 

·        Cite this: ACS Nano 2021, 15, 4, 5861–5875

·        Publication Date:April 8, 2021

·        https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09999