JP4658997B2 - パターン形成用レジン組成物及びこれを利用するインプレーンプリンティング工程方法 - Google Patents

パターン形成用レジン組成物及びこれを利用するインプレーンプリンティング工程方法 Download PDF

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Description

本発明は、電子回路等に構成される微細パターンを形成するためのパターン形成用レジン組成物及びこれを利用するインプレーンプリンティング(In-plane printing)工程方法に係り、フォトマスクを使用せず微細パターンを安定的に形成するためのパターン形成用レジン組成物及びこれを利用するインプレーンプリンティング工程方法に関する。
一般的に、高集積化された電子回路の微細パターンを形成するために幅広く利用されるフォトリソグラフィー工程は、基板に塗布されているエッチング対象物上にレジストを塗布するフォトレジスト塗布の過程、露光装備を利用して微細パターンが形成されているマスクによってレジストにパターニングをする露光過程、現像過程、剥離過程を含む一連の連続的なフォト工程である。
以下、図１Ａ〜図１Ｅを参照して、平板表示装置の素子具現の例えば、一般的なフォトリソグラフィー工程を説明する。
図１Ａに示したように、基板１上に具現しようとする素子によって半導体物質または金属物質を蒸着してエッチング対象層１０を形成して、このエッチング対象層１０の上部にフォトレジストを塗布してレジスト層２０を形成するフォトレジスト塗布過程を行う。
以後、図１Ｂに示したように、レジスト層(図１Ａの２０)が形成された基板１の上部に透過部と遮断部とで構成されたマスク３を位置させて、マスク３の上部から光ＵＶを照射する工程である露光過程を行う。
このような露光過程が行われた基板１上のレジスト層(図１Ａの２０)は、マスク３の遮断部と対応するレジスト層の領域２１を除いて、マスク３の透過部を通じて光ＵＶが照射されたレジスト層の領域２２は、化学的に変形される過程が行われる。
図１Ｃに示したように、現像過程によって変形されたレジスト層の領域２２をストリップ溶液との反応過程によって除去する。これにより、基板１上のエッチング対象層１０の上部には、所定の形にパターニングされたレジスト層２１のみ残される。
以後、エッチング過程によってパターニングされたレジスト層２１下部のエッチング対象層１０をエッチングする。このようなエッチング過程は、図１Ｄに示したように、エッチング方式によって湿式エッチングと乾式エッチングがあるが、湿式エッチングは、化学薬品をエッチング対象層１０の表面に噴射してエッチングする方式であって、乾式エッチングは、エッチング用ガスをプラズマ状態にして、上下の電極を利用してプラズマ状態のエッチング用ガスをエッチング対象層１０に衝突させてエッチングする方式である。
このような過程が行われると、基板１上には、パターニングされたエッチング対象層パターン１１及びレジスト層２１のみ残されて、図１Ｅに示したように、剥離過程を通じて基板１上に残されたレジスト層(図１Ｄの２１)を除去して具現しようとする素子のパターン１１を形成する。
このようなフォトリソグラフィー工程は、高価なフォトマスクと露光装備を必要とし、具現しようとする素子のレイヤ(Layer)の数によって多数のフォトマスクを使用する反復過程を必要とするために、材料の浪費が大きく、工程所要時間が長い短所がある。
本発明は、前述したようなフォトリソグラフィー工程の短所を解決するために提案されており、フォトマスクが不必要であって、材料の浪費なしにパターニングできるインプレーンプリンティング工程方法を提案することを目的とする。
インプレーンプリンティング工程は、フォトマスクの代わりに微細パターンが陽刻または陰刻で形成されるモールド板を使用してエッチング対象層に加圧することによってパターンを形成する方法であり、高価なフォトマスク及び露光装備を不必要とする長所がある。
また、本発明のまた他の目的は、フォトマスクを使用しないインプレーンプリンティング工程方法で、パターンの精密度を高めたパターン形成用レジンを提供する。
本発明のパターン形成用レジン組成物は、前述したような目的を達成するために、モールド板の加圧成形でパターニングされるパターン形成用レジン組成物において、１重量％〜１０重量％の液体状の高分子前駆体と、４０重量％〜６０重量％の親水性基のアクリレートと、１０重量％〜２０重量％の粘度調節剤と、１重量％〜５重量％の光開始剤と、残量としての添加剤とを含むことを特徴とする。
前記液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロペンチルアクリレート(Octafluoropentyl acrylate)またはオクタフルオロペンチルメタクリレート(Octafluoropentyl methacrylate)であり、前記親水性基のアクリレートは、多数の置換基が選択されるジエチレングリコールジアクリレート(Diethylene glycol diacrylate)またはジエチレングリコールジメタクリレート(Diethylene glycol dimethacrylate)である。
前記粘度調節剤は、ブチルアクリレート(butyl acrylate)またはブチルメタクリレート(buthyl methacrylate)である。
前記パターン形成用レジン組成物は、１０重量％〜２０重量％の光反応剤をさらに含み、ここで、前記光反応剤は、グリシジルアクリレート(Glycidyl acrylate)またはグリシジルメタクリレート(Glycidyl methacrylate)である。
また、前記パターン形成用レジン組成物は、１０重量％〜２０重量％の熱流誘導体をさらに含み、前記熱流誘導体は、ポリスチレン(Polystyrene)、ポリメチルアクリレート(Polymethyl acrylate)またはポリメチルメタクリレート(Polymethyl methacrylate)である。
また、本発明のパターン形成用レジン組成物は、モールド板の加圧成形でパターニングされるパターン形成用レジン組成物において、１０重量％〜３０重量％の親水性基の液体状の高分子前駆体と、１０重量％〜２０重量％の粘度調節剤と、１重量％〜５重量％の光開始剤と、残量としての添加剤とを含むことを特徴とする。
前記親水性の液体状の高分子前駆体は、多数の置換基が選択されるアクリレート系列のオクタフルオロ-２-ヒドロキシル-６-ヘプチルアクリレート(Octafluoro-２- hydroxyl-６-heptyl acrylate)またはオクタフルオロ-２-ヒドロキシル-６-トリフルオロメチルヘプチルメタクリレート(Octa fluoro-２-hydroxyl-６-trifluoromethylheptyl metha crylate)であり、前記粘度調節剤は、ブチルアクリレート(buthyl acrylate)またはブチルメタクリレートである。
前記パターン形成用レジン組成物は、１０重量％〜２０重量％の光反応剤をさらに含み、前記光反応剤は、グリシジルアクリレートまたはグリシジルメタクリレートである。
また、前記パターン形成用レジン組成物は、１０重量％〜２０重量％の熱流誘導体をさらに含み、前記熱流誘導体は、ポリスチレン、ポリメチルアクリレートまたはポリメチルメタクリレートである。
また、本発明のパターン形成用組成物を利用したインプレーンプリンティング工程方法は、基板の上部に薄膜層を形成する段階と、前記薄膜層の上部に１重量％〜１０重量％の液体状の高分子前駆体と、４０重量％〜６０重量％の親水性基のアクリレートと、１０重量％〜２０重量％の粘度調節剤と、１重量％〜５重量％の光開始剤と、残量としての添加剤とを含む組成物で構成されたレジスト層を形成する段階と、前記レジスト層の上部にモールド板を配置する段階と、前記レジスト層へと前記モールド板を加圧しながら前記モールド板を通じて前記レジスト層に光を照射してレジストパターンを形成する段階と、前記レジストパターンから前記モールド板を取り外す段階と、前記レジストパターンをエッチングマスクとして利用して前記薄膜をエッチングして薄膜パターンを形成する段階とを含むことを特徴とする。
前記モールド板は、ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane)、ポリウレタンアクリレート(Polyurethane acrylate)または石英を含む。
さらに、本発明のパターン形成用組成物を利用したインプレーンプリンティング工程方法は、基板の上部に薄膜層を形成する段階と、前記薄膜層の上部に１０重量％〜３０重量％の親水性基の液体状の高分子前駆体と、１０重量％〜２０重量％の粘度調節剤と、１重量％〜５重量％の光開始剤と、残量としての添加剤とを含む組成物で構成されたレジスト層を形成する段階と、前記レジスト層の上部にモールド板を配置する段階と、前記レジスト層へと前記モールド板を加圧しながら前記モールド板を通じて前記レジスト層に光を照射してレジストパターンを形成する段階と、前記レジストパターンから前記モールド板を取り外す段階と、前記レジストパターンをエッチングマスクとして利用して前記薄膜をエッチングして薄膜パターンを形成する段階とを含むことを特徴とする。
前記モールド板は、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタンアクリレートまたは石英を含む。
以下、図面を参照して、本発明の実施例１ないし実施例４によるパターン形成用レジン組成物及びこれを利用するインプレーンプリンティング工程方法を説明する。
本発明の実施例によるパターン形成用レジンは、レジストパターンとモールド間に接触力が弱くて、レジストパターンと基板ないしエッチング対象層との間の接触力が強い材料で組成されて、インプレーンプリンティング工程の際に、モールド板と基板との分離過程で発生するストレスが減少され使用されるモールド板の寿命が延長される。また、形成されたパターンの変形を防いでパターンの精密度を高める。
図２Ａないし図２Ｆは、レジン組成物をエッチングレジストとして使用するインプレーンプリンティング工程の各過程を説明するための工程断面図である。図２Ａないし図２Ｆを参照すると、基板上にエッチング対象層が蒸着されて、このエッチング対象層上に塗布されるエッチングレジスト層を形成するレジンの塗布過程、モールド板を利用したエッチングレジストパターニング及びこのパターニングのためのエッチング工程、エッチングレジストパターンの剥離工程とを含む。
図２Ａに示したように、本発明の実施例によるレジンの塗布過程は、基板１００上に形成する薄膜のエッチング対象層１１０が蒸着されて、このエッチング対象層１１０全面に、レジン組成物が塗布されエッチングレジスト層１２０が形成される過程を含む。
ここで、エッチング対象層１１０として形成される物質は、半導体素子を具現する場合には、電極層、有機物層、半導体層の構成群であったり、平板表示装置を具現する場合には、薄膜トランジスターのゲート電極、ソース電極及びドレーン電極、ゲート配線ライン及びデータ配線などの構成群であったりする。
図２Ｂに示したように、レジスト層１２０上に陽刻及び陰刻状に形成されたモールド板１３０が整列される。このモールド板１３０は、弾性が比較的大きいポリジメチルシロキサンＰＤＭＳ成分等を含むソフトモールド、または石英成分のハードモールドであって、陽刻及び陰刻形状は、形成しようとする構成群に対応する形状及びレジスト層１２０の厚さを考慮して決定される。
モールド板１３０が整列されると、エッチング対象層１１０に接触できる程度でレジスト層１２０に加圧されると同時に、露光装置によって紫外線ＵＶがモールド板１３０を透過してレジスト層１２０に照射される。このような過程を経て、基板１００とモールド板１３０との間の圧力によって発生する毛細管の力と、レジスト層１２０とモールド板１３０との間の反発力によって、図２Ｃに示したように、レジスト層１２０のレジスト物質は、モールド板１３０の陰刻パターンの方に移動してレジストパターン１２１が形成される。
次いで、各レジストパターン１２１は、光重合反応によってモールド板１３０の陽刻または陰刻パターンにレジンが硬化され、陰刻パターンの反転転写形態でエッチング用マスクであるレジストパターンが形成される。
適正な時間が経過した後、図２Ｄに示したように、基板１００からモールド板１３０を持ち上げると、陰刻パターンの形状と同一な所定形状のレジストパターン１２１がエッチング対象層１１０の上部に残る。
一般的に、モールド板を利用して基板の上部にレジストパターンを形成する場合に、モールド板をレジストパターンから簡単に取り外すためには、モールド板の表面エネルギーがレジストパターンの表面エネルギーより低い方がより好ましい。表面エネルギーは、固体状または液体状物質と気体状物質との間に界面を形成するのに必要とする単位面積当たりエネルギーで定義される。気体状または液体状物質がさらに高い表面エネルギーを有するほど、気体状物質との間に界面を形成することが難しくなる。また、接触している二つの固体状または液体状物質間の界面エネルギーは、二つの接触物質の表面エネルギー間の関係によって定義される。
これによって、インプレーンプリンティング工程方法で、所望のレジストパターン１２１を得るために、レジストパターン１２１、モールド板１３０及び基板１００(またはエッチング対象層１１０)の表面エネルギーと、レジストパターン１２１とモールド板１３０との間及びレジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)との間の界面エネルギーは、次の数１に示した式の関係を満足する。
[数１]
ＡＲＭ(γＲ+γＭγＲＭ)＜ＡＲＳ(γＲ+γＳγＲＳ)
数１の式において、Ｒ、Ｍ、Ｓは、各々レジストパターン１２１、モールド板１３０及び基板１００ないしエッチング対象層１１０を示すものであるが、γR、γM、γSは、各々レジストパターン１２１、モールド板１３０及び基板１００(またはエッチング対象層１１０)の表面エネルギーを示しており、γRM、γRSは、各々レジストパターン１２１とモールド板１３０との間及びレジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)との間の界面エネルギーを示している。
また、ＡＲＭ及びＡＲＳは、レジストパターン１２１とモールド板１３０との間及びレジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)との間の界面の面積を示している。
尚、接触力(Work of adhesion)は、接触する二つの物質各々の表面エネルギーの和から二つの物質間の界面エネルギーを引いて定義する。
従って、数１の式によると、レジストパターン１２１とモールド板１３０が構成する界面の面積と、レジストパターン１２１とモールド板１３０の接触力を掛けた値が、レジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)の界面の面積と、レジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)の接触力を掛けた値より小さい場合には、モールド板１３０をレジストパターン１２１及び基板１００(またはエッチング対象層１１０)から容易に分離して、所望の形状のレジストパターン１２１を得ることができる。
数１の式からレジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)の接触力に関する関係式のみを示し、次の数２とする。
[数２]ＷRS＝γR＋γS−γRS
数２において、ＷRSは、レジンと基板１００ないしエッチング対象層１１０の接触力を示しており、これは、グッドギリパルコ説(Good-Girifalco's theory)から得られた結果である。
数２によると、ＷRSを高めるためには、γRS値を小さくするればよい。
また、γRS値をさらに式で示すと次の数３に示した式で表わせる。
[数３]
γRS＝γS−γR（cosθ）
ヤングの式(Young's equation)と言われる式３において、θは、０゜から９０゜の間の値であって、レジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層(１１０)の接触角を示す。
数２及び数３の式から、接触角が小くなるほど、レジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)との接触力が大きくなることが分かる。
これによって、本発明の実施例１によるレジストパターン１２１のレジン組成物は、基板１００(またはエッチング対象層１１０)の構成成分との接触角が小さい液体状の高分子前駆体形態のフルオロアクリレート/メタクリレート (Fluoro acrylate/methacrylate)系列を含む。
また、モールド板１３０がソフトモールドの場合、一般的に使用されるポリジメチルシロキサンは、疏水性基であるために、レジストパターン１２１の組成物は、親水性基を含む液体状の高分子前駆体形態のアクリレート/メタクリレートを含む。
さらに、レジン組成物のアクリレートは、別途の表記がなくても存在する多数の置換基、すなわち、ジ-アクリレート(di-acrylate)またはトリ-アクリレート(tri-acrylate)のようなマルチ-アクリレート（multi-acrylate)を含む。
従って、本発明の実施例１は、パターン形成用レジンは、次の表１に示したような組成及び組成比を有する。ここで、％は、重量％を意味して、以下、他の実施例でも同一であるものとする。
Figure 0004658997
好ましくは、液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロペンチルアクリレートまたはオクタフルオロペンチルメタクリレートであり、親水性基のアクリレートは、ジエチレングリコールジアクリレートまたはジエチレングリコールジメタクリレートであって、粘度調節剤は、パターンの形態によって適当な比のレジン組成材料、例えば、ブチルアクリレートまたはブチルメタクリレートが利用されて、光開始剤は、Irgacure３７９であって、組成物の残りを構成する添加剤は、レジンで構成される。
尚、光または熱を利用した追加的な化学的反応を通じてレジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)との間の接触力を増加させることができる。
本発明の実施例２は、光反応を通じて接触力を増加させるために、液体状の高分子前駆体に光反応剤を含む。
従って、本発明の実施例２は、パターン形成用レジンが次の表２に示したような組成及び組成比を有する。
Figure 0004658997
好ましくは、液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロペンチルアクリレートまたはオクタフルオロペンチルメタクリルレイドであり、親水性基のアクリレートは、ジエチレングリコールジアクリレートまたはジエチレングリコールジメタクリレートであって、粘度調節剤は、ブチルアクリレートまたはブチルメタクリレートであり、光反応剤は、グリシジルアクリレートまたはグリシジルメタクリレートであって、光開始剤は、Irgacure３７９であり、添加剤は、レジンで構成される。
本発明の実施例３は、熱反応を通じてレジストパターン１２１と基板１００(またはエッチング対象層１１０)との間の接触力を増加させるために、液体状の高分子前駆体に熱流(Thermal Flow)誘導体を含む。
従って、本発明の実施例３は、パターン形成用レジンが次の表３に示したような組成及び組成比を有する。
Figure 0004658997
好ましくは、液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロペンチルアクリレートまたはオクタフルオロペンチルメタクリレートであり、親水性基のアクリレートは、ジエチレングリコールジアクリレートまたはジエチレングリコールジメタクリレートであって、粘度調節剤は、ブチルアクリレートまたはブチルメタクリレートであり、熱流誘導体は、ポリスチレン、ポリメチルアクリレートまたはポリメチルメタクリレートであって、光開始剤は、Irgacure３７９であり、組成物の残りである添加剤は、形成しようとするパターンによって適当な比のレジンで構成される。
上記の実施例３において、液体状の高分子前駆体と親水性基のアクリレートの機能を同時に有する一つの材料で取り替えることができる。
これによって、本発明の実施例４は、パターン形成用レジンが次の表４に示したような組成及び組成比を有する。
Figure 0004658997
好ましくは、親水性基の液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロ-２-ヒドロキシル-６−ヘプチルアクリレートまたはオクタフルオロ−２−ヒドロキシル−６−トリフルオロメチルヘプチルメタクリレートであり、粘度調節剤は、ブチルアクリレートまたはブチルメタクリレートであって、光開始剤は、Irgacure３７９剤であり、組成物の残りを構成する添加剤は、レジンで構成される。
上記の表４には示してないが、他の実施例による組成物は、表４の組成物に１０％ないし２０％の光反応剤または熱流誘導体をさらに含み、この時、光反応剤は、グリシジルアクリレートまたはグリシジルメタクリレートであって、熱流誘導体は、ポリスチレン、ポリメチルアクリレートまたはポリメチルメタクリレートである。
前述したモールド板１３０の除去過程が終了すると、湿式エッチング装置または乾式エッチング装置を利用してエッチング工程が行われ、図２Ｅに示したように、エッチング対象層(図２Ｄの１１０)は、エッチングされて、この時、レジストパターン１２１は、マスクの役割をするので、レジストパターン１２１の下部に位置したエッチング対象層である薄膜パターン１１１の部分のみが基板１００上に残留して、それ以外の部分は、除去される。
図２Ｆに示したように、レジストパターン(図２Ｅの１２１)は、剥離過程を通して除去されて、基板上に残留された薄膜パターン１１１に対する電気的、光学的検査を通じて形成されたパターンの不良の可否を判定する。
ここで、図面には示してないが、モールド板１３０は、基板１００と分離した後、紫外線ＵＶとオゾンＯ３で洗浄して他のパターニング工程に再投入される。
前述したインプレーンプリンティング工程方法は、フォトリソグラフィー工程で利用される高価なフォトマスクの代わりに、モールド板を利用してパターンを形成することによって、製造単価及び製造工程数を低減させることができる。
また、レジスト層を構成するレジンの組成物は、モールド板との間に生じる接触力が低く、基板ないしエッチング対象層との間に生じる接触力が高い物質で構成することによって、モールド板の除去過程の際に発生するストレスによるパターンの変形を最小化する。
上記の実施例では、実験過程を繰り返すことによって得た結果物に基づいて、好ましい実施例を提示しているが、本発明の趣旨に反しない限度内で、本発明が属する技術分野で通常の知識がある者によって多様に変更することができる。
従来のフォトリソグラフィー工程方法を工程順に示した工程斜視図である。 図１Ａに続く製造工程を示す斜視図である。 図１Ｂに続く製造工程を示す斜視図である。 図１Ｃに続く製造工程を示す斜視図である。 図１Ｄに続く製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例によるインプレーンプリンティング工程を工程順に示した工程断面図である。 図２Ａに続く製造工程を示す断面図である。 図２Ｂに続く製造工程を示す断面図である。 図２Ｃに続く製造工程を示す断面図である。 図２Ｄに続く製造工程を示す断面図である。 図２Ｅに続く製造工程を示す断面図である。
符号の説明
１００：基板
１１０：エッチング対象層
１２０：レジスト層
１３０：モールド板

Claims (7)

  1. モールド板の加圧成形でパターニングされるパターン形成用レジン組成物において、前記パターン形成用レジン組成物は、
    １重量％〜１０重量％の液体状の高分子前駆体と、前記液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロペンチルアクリレートまたはオクタフルオロペンチルメタクリレートであり、
    ４０重量％〜６０重量％の親水性基を含むアクリレートと、前記親水性基を含むアクリレートは、ジエチレングリコールジアクリレート又はジエチレングリコールジメタクリレートであり、
    １０重量％〜２０重量％の粘度調節剤と、前記粘度調節剤は、ブチルアクリレートまたはブチルメタクリレートであり、
    １重量％〜５重量％の光開始剤と、
    レジンと
    を含むことを特徴とするパターン形成用レジン組成物。
  2. 前記パターン形成用レジン組成物は、１０重量％〜２０重量％の光反応剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成用レジン組成物。
  3. 前記光反応剤は、グリシジルアクリレートまたはグリシジルメタクリレートであることを特徴とする請求項２に記載のパターン形成用レジン組成物。
  4. 前記パターン形成用レジン組成物は、１０重量％〜２０重量％の熱流誘導体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成用レジン組成物。
  5. 前記熱流誘導体は、ポリスチレン、ポリメチルアクリレートまたはポリメチルメタクリレートであることを特徴とする請求項４に記載のパターン形成用レジン組成物。
  6. 基板の上部に薄膜層を形成する段階と、
    前記薄膜層の上部に１重量％〜１０重量％の液体状の高分子前駆体と、４０重量％〜６０重量％の親水性基を含むアクリレートと、１０重量％〜２０重量％の粘度調節剤と、１重量％〜５重量％の光開始剤と、レジンとを含む組成物で構成されたレジスト層を形成する段階と、前記液体状の高分子前駆体は、オクタフルオロペンチルアクリレートまたはオクタフルオロペンチルメタクリレートであり、前記親水性基を含むアクリレートは、ジエチレングリコールジアクリレート又はジエチレングリコールジメタクリレートであり、前記粘度調節剤は、ブチルアクリレートまたはブチルメタクリレートであり、
    前記レジスト層の上部にモールド板を配置する段階と、
    前記レジスト層へと前記モールド板を加圧しながら前記モールド板を通じて前記レジスト層に光を照射してレジストパターンを形成する段階と、
    前記レジストパターンから前記モールド板を取り外す段階と、
    前記レジストパターンをエッチングマスクとして利用して前記薄膜をエッチングして薄膜パターンを形成する段階と
    を含むことを特徴とするパターン形成用組成物を利用したインプレーンプリンティング工程方法。
  7. 前記モールド板は、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタンアクリレートまたは石英を含むことを特徴とする請求項６に記載のパターン形成用組成物を利用したインプレーンプリンティング工程方法。
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