KR100548821B1 - 마이크로 패턴용 금형의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형의 제작방법은, 금속판재(120)의 일측에 포토리소그래피법를 이용하여 패턴을 형성하는 패턴형성단계(100)와, 상기 패턴형성단계(100)를 거친 상기 금속판재(120)를 에칭하는 에칭단계(200)와, 상기 에칭단계(200)를 거친 상기 금속판재(120)에서 포토리지스트(PR,140)를 제거하는 포토리지스트제거단계(300)와, 상기 포토리지스트제거단계(300)를 거친 다수개의 금속판재(120)를 적층하는 적층단계(400)를 포함하여 구성되며, 상기 금속판재(120)는 알루미늄 합금, 구리 합금, 니켈 합금, 티타늄 합금, 철강재료 중 어느 하나이고, 상기 금속판재(120)의 두께는 1㎛ ~ 1㎜의 범위를 가짐을 특징으로 한다. 그리고, 상기 에칭단계(200)에서의 에칭깊이는 1㎛ ~ 1㎜이며, 상기 패턴형성단계(100), 에칭단계(200), 포토리지스트제거단계(300) 및 적층단계(400)를 거쳐 형성된 금형(420)은 수로의 형태, 실린더 구멍의 형태, 기둥의 형태 중 어느 하나임을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 마이크로 패턴을 만들 수 있는 금형을 저렴하고 빠르게 제조할 수 있는 이점이 있다.

포토리소그래피, 포토리지스트(PR), 마이크로 패턴, 에칭, 적층, 금형

Description

마이크로 패턴용 금형의 제작방법{A fabrication method of Molds for Micro-Patterning}

도 1 은 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제작방법의 개략적인 공정 개념도.

도 2a 는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제조방법으로 제조되는 금형의 제 1 실시예를 보인 개략적인 공정흐름도.

도 2b 는 도 2a 의 3차원 입체도.

도 3a 는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제조방법으로 제조되는 금형의 제 2 실시예를 보인 개략적인 공정흐름도.

도 3b 는 도 3a 의 3차원 입체도.

도 4a 는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제조방법으로 제조되는 금형의 제 3 실시예를 보인 개략적인 공정흐름도.

도 4b 는 도 4a 의 3차원 입체도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100. ..... 패턴형성단계 120. ..... 금속판재

140. ..... 포토리지스트(PR) 200. ..... 에칭단계

300. ..... 포토리지스트제거단계 400. ..... 적층단계

420. ..... 금형

본 발명은 금형 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토리소그래피를 이용하여 패턴이 형성된 금속판재를 습식에칭법으로 에칭하고 다수개로 적층함으로써 용이하게 미세 형상을 가지는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 패턴용(Micro-Patterning) 금형은 기계가공이나 포토리소그래피(Photo Lithography)를 이용하여 만들어진다.

드릴링이나 연삭 등의 기계가공은 미세가공에 있어서 가공하고자 하는 선로의 폭(Width)과 깊이(Depth)에 큰 제약을 받으며, 가공에 시간이 많이 소요되기 때문에 10㎛ 이하의 미세가공에는 적용하기 어려운 단점이 있다.

그리고, 포토리소그래피를 이용한 패턴닝(Patterning)은 선로의 폭을 1㎛ 단위까지 형성이 가능하여 반도체 공정이나 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술에 널리 이용되고 있으나, 미세 패턴을 깊이 방향으로 깊게 형성시키기 위해서는 건식에칭법(Dry etching)을 사용해야 하며 깊이가 깊은 패턴(Pattern)일수록 시간이 많이 소요되고 선로의 폭에 대한 깊이의 비(Aspect ratio)가 클 경우 제작에 한계가 있는 문제점이 있다.

또한, 건식에칭법은 유독한 가스를 사용하기 때문에 안전성에 문제가 발생되며, 현재 개발된 기술로는 건식에칭법이 가능한 재료가 제한되어 있는 실정이다.

한편, 일본 공개특허공보(A) 제 2003-71793 에는 금속판에 에칭을 하여 복수의 구멍을 형성하고 이에 따라 얻어진 금속판들을 서로의 구멍의 위치를 맞추는 상태로 적층함으로써 깊이가 긴 관통형 구멍을 가지는 세라믹 천공장치용 금형을 구성하는 방법이 제안되어 있다.

이 방법에 의하면 금속판들의 적층에 따라 형성된 최종 패턴의 형상이 실린더 구멍의 형태나 수로의 형태는 가능하나, 상기의 방법은 기둥의 형태를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 금속판상에 형성된 각각의 구멍 위치를 정확히 맞추어야 하는 어려움이 있다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 포토리소그래피를 이용하여 패턴이 형성된 금속판재를 습식에칭법으로 에칭하고 다수개로 적층함으로써 용이하게 미세 형상을 가지는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형의 제작방법은, 금속판재의 일측에 포토리소그래피법을 이용하여 패턴을 형성하는 패턴형성단계와, 상기 패턴형성단계를 거친 상기 금속판재를 에칭하는 에칭단계와, 상기 에칭단계를 거친 상기 금속판재에서 포토리지스트(PR)를 제거하는 포토리지스트제거단계와, 상기 포토리지스트제거단계를 거친 다수개의 금속판재를 적층하는 적층단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 금속판재는 알루미늄 합금, 구리 합금, 니켈 합금, 티타늄 합금, 철강재료 중 어느 하나임을 특징으로 한다.

상기 금속판재의 두께는 1㎛ ~ 1㎜의 범위를 가짐을 특징으로 한다.

그리고, 상기 에칭단계에서의 에칭깊이는 1㎛ ~ 1㎜임을 특징으로 한다.

또한, 상기 패턴형성단계, 에칭단계, 포토리지스트제거단계 및 적층단계를 거쳐 형성된 금형은 수로의 형태, 실린더 구멍의 형태, 기둥의 형태 중 어느 하나임을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 마이크로 패턴을 만들 수 있는 금형을 저렴하고 빠르게 제조할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제작방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1 에는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제작방법의 개략적인 공정 개념도가 도시되어 있으며, 도 2a 및 2b 에는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제조방법으로 제조되는 금형의 제 1 실시예를, 도 3a 및 3b 에는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제조방법으로 제조되는 금형의 제 2 실시예를, 도 4a 및 4b 에는 본 발명에 의한 마이크로 패턴용 금형 제조방법으로 제조되는 금형의 제 3 실시예를 보인 개략적인 공정흐름도가 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 패턴형성단계(100)는 포토리소그래피(Photo Lithography)법을 이용하게 된다.

상기 포토리소그래피(Photo Lithography)는 일반적으로 행해지는 방법이므 로, 여기에서는 간략하게 설명하기로 한다.

먼저 두께가 1㎛ ~ 1㎜의 범위를 가지는 알루미늄(Al) 합금, 구리(Cu) 합금, 니켈(Ni) 합금, 티타늄(Ti) 합금, 철강재료의 금속판재(도 2a의 120) 중에서 어느 하나를 선택하고, 이러한 금속판재(120) 상에 포토리지스트(Photo Resist;PR, 도 2a의 140)를 일정 두께로 코팅(Coating)하는 코팅공정을 실시하게 된다.

상기 포토리지스트(PR, 140)는 특정 파장대의 빛을 받으면(노광; Photo Exposure) 반응을 하는 일종의 감광 고분자 화합물(Photosensitive polymer)로서 일정부분이 노광되었을 때 노광된 부분의 폴리머(Polymer) 사슬이 끊어지거나 혹은 더 강하게 결합하게 된다.

상기 코팅공정이 완료되면 원하는 패턴(Pattern) 형성을 위한 마스크(Mask, 도시되지 않음)를 로딩(Loading)시킨 뒤 빛을 조사(照射)하여 선택적으로 빛에 노출되는 부분과 빛이 차단된 부분의 화학적 조성이 달라지게 되는 노광공정을 실시하게 된다. 이러한 노광공정에서의 노광이란 상기 마스크를 통해 자외선 영역의 빛을 조사(照射)함으로써 마스크 상에 형성된 형상을 상기 코팅공정에서 코팅된 상기 포토리지스트(PR, 140)에 전사(轉寫)하는 과정을 말한다.

그리고, 상기 노광공정으로 서로 조성이 달라진 상기 포토리지스트(PR, 140) 중에서 필요없는 부분을 제거하고 원하는 부분만 남도록 하는 현상공정을 수행하게 된다. 상기 현상공정에서의 현상이란 상기 노광공정을 통해 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 포토리지스트(PR)를 용제(Solvent)를 사용하여 녹여내는 과정을 말한다.

상기 현상공정이 완료되면 현상과정에서 풀어진 폴리머(Polymer) 조직을 단단하게 만들기 위해 베이킹(Baking)을 실시하게 된다. 이때의 베이킹(Baking)은 하드베이킹(Hard Baking)이며, 이러한 베이킹공정은 포토리소그래피(Photo Lithography) 과정에서 자주 행하는 공정인데, 크게 상기 포토리지스트(PR, 140) 코팅 후의 소프트베이킹(Soft Baking)과 노광 후의 포스트베이킹(Post Exposure Baking) 및 상기와 같이 현상 후의 하드베이킹(Hard Baking) 등이 있다.

따라서, 상기 현상공정 후의 하드베이킹(Hard Baking)을 완료함으로써 포토리소그래피법을 이용한 상기 패턴형성단계(100)가 완료하게 된다.

그런 다음, 상기 패턴형성단계(100)를 거친 상기 금속판재(120)를 에칭(Etching)하는 에칭단계(200)를 수행하게 되는데, 이러한 에칭(Etching)단계는 상기와 같이 여러 종류의 금속판재(120)가 적용되는 경우에 따라 각각의 에칭액으로 실시하게 된다.

이렇게 상기 금속판재(120)에 따라 적용되는 각각의 에칭액으로 상기와 같은 패턴이 형성된 금속판재(120)에 에칭을 하게 되면, 상기 현상공정을 통해 형성된 상기 포토리지스트(PR, 140) 상의 마스크 패턴과 동일한 패턴을 만들게 된다.

상기 에칭은 그 방식에 따라 크게 습식에칭(Wet etching)과 건식에칭(Dry etching)으로 구분되는데, 여기에서는 습식에칭을 수행하게 된다. 습식에칭이라 함은 금속 등과 반응하여 부식시키는 산(Acid)이나 알칼리(Alkali) 계열의 화학 약품을 이용하여 상기 금속판재(120) 상의 노출되어 있는 부분, 즉 상기 포토리지스트(PR, 140) 패턴이 없는 부분을 녹여내는 것을 말한다.

그리고, 상기 에칭단계(200)에서의 에칭깊이는 1㎛ ~ 1㎜의 범위에서 실시하게 된다. 이러한 에칭깊이는 상기 금속판재(120)의 두께와 동일한 범위에서 시간을 조정함으로써 에칭할 수 있는데, 이는 상기 금속판재(120) 상에 구성하고자 하는 패턴 형상에 따라 상기 범위에서 필요한 부분 또는 전체를 에칭하도록 하기 위함이다.

상기 에칭단계(200)가 완료되어 상기 금속판재(120) 상에 패턴이 형성되면, 상기 금속판재(120) 상에서 상기 포토리지스트(PR, 140)를 제거하는 포토리지스트제거단계(300)가 수행된다.

이러한 상기 패턴형성단계(100), 에칭단계(200) 및 포토리지스트제거단계(300)는 여러 번 반복하여 실시함으로써 원하고자 하는 패턴이 형성된 다수개의 금속판재(120)가 만들어지게 된다.

그런 다음에는 상기와 같이 포토리지스트제거단계(300)까지 완료된 다수개의 상기 금속판재(120)를 모아서 적층하게 되는 적층단계(400)를 거치게 된다. 상기 적층단계(400)에서 다수개의 금속판재(120)를 적층하는 방법으로는 접착제를 이용하여 적층하고 접합하는 방법과, 리벳(Rivet)이나 볼트(Bolt) 등을 이용하여 적층하고 접합하는 기계적인 방법, 혹은 고온의 불활성 분위기에서 가압하여 고온 확산에 의해서 접합하는 방법들이 가능하다.

다음으로, 상기 금속판재(120) 상에 원하고자 하는 패턴을 형성하여 금속판재(120)를 적층함으로써 구성되는 마이크로 패턴용 금형의 다양한 모습을 실시예로 설명하기로 한다.

먼저 도 2a 에 도시된 바와 같이, 상기 금속판재(120)의 일측에만 패턴이 형성되도록 대략 사각형상의 마스크(도시되지 않음)를 구비하여 상기 포토리지스트(PR, 140) 상에 패턴을 형성하는 패턴형성단계(100)를 실시하고 이어서 에칭단계(200)와 포토리지스트제거단계(300) 및 적층단계(400)를 수행하게 되면, 도 2b 와 같은 수로 형태를 가진 금형(420)이 만들어지게 된다.

그리고, 도 3a 에 도시된 바와 같이 상기 금속판재(120)의 상면 전체를 마스킹(Masking) 하도록 금속판재(120)와 동일 크기의 마스크를 구비하여 상기 포토리지스트(PR,140) 상에 패턴이 형성되도록 한다. 이때 상기 마스크는 일측면이 일정한 간격을 두고 소정의 폭으로 노출된 형상으로 , 이러한 마스크의 형상으로 상기 패턴형성단계(100)를 실시하고 이어서 상기 에칭단계(200), 포토리지스트제거단계(300) 및 적층단계(400)를 수행하게 되면, 도 3b 와 같은 실린더 구멍 형태를 가진 금형(420)이 만들어지게 된다.

또한, 도 4a 에 도시된 바와 같이 먼저 상기 도 3 에 도시된 방법으로 패턴형성단계(100), 에칭단계(200) 및 포토리지스트제거단계(300)까지 거치고 난 다음, 다시 도 2 에 도시된 방법으로 패턴형성단계(100), 에칭단계(200), 포토리지스트제거단계(300) 및 적층단계(400)를 거치게 되면 도 4b 와 같은 돌출된 기둥 형태를 가진 금형(420)이 만들어지게 된다.

따라서, 상기와 같은 다양한 패턴을 가진 마스크를 활용하여 금형 제작방법을 한 가지 또는 두 가지 등으로 함께 실시함으로써 여러 가지 형태의 패턴용 금형을 제작할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 마이크로 패턴용 금형의 제작방법에서는, 포토리소그래피(Photo Lithography)를 이용하여 패턴(Pattern)이 형성된 금속판재를 습식에칭법으로 에칭(Etching)한 다음 다수개로 적층하고 접착수단으로 접합함으로써 다양한 미세 형상을 가지는 마이크로 패턴용 금형을 제작하도록 구성하였다.

따라서, 금속판재의 측면까지 연결된 패턴을 가진 금속판재를 에칭하여 금형의 형태로 적층함으로써 선로의 폭(Width)에 대한 깊이(Depth)의 비가 매우 큰 미세패턴을 쉽고 빠르면서 저렴하게 만들 수 있는 효과가 기대된다.

그리고, 일정한 깊이로 형성된 패턴을 가진 금속판재를 다수개로 적층하여 금형으로 제작함으로써, 적층 전 깊이에 해당하는 부분이 적층 후 최종적으로 형성된 금형의 패턴 형상에서 선로의 벽을 이루게 되어 직선의 내벽을 가진 선로의 패턴(Pattern)을 얻을 수 있는 효과도 기대된다.

Claims (5)

1. 금속판재의 일측에 포토리소그래피법를 이용하여 패턴을 형성하는 패턴형성단계와,

   상기 패턴형성단계를 거친 상기 금속판재를 에칭하는 에칭단계와,

   상기 에칭단계를 거친 상기 금속판재에서 포토리지스트(PR)를 제거하는 포토리지스트제거단계와,

   상기 포토리지스트제거단계를 거친 다수개의 금속판재를 적층하는 적층단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속판재는 알루미늄 합금, 구리 합금, 니켈 합금, 티타늄 합금, 철강재료 중 어느 하나임을 특징으로 하는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속판재의 두께는 1㎛ ~ 1㎜의 범위를 가짐을 특징으로 하는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭단계에서의 에칭깊이는 1㎛ ~ 1㎜임을 특징으로 하는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 패턴형성단계, 에칭단계, 포토리지스트제거단계 및 적층단계를 거쳐 형성된 금형은,

   수로의 형태, 실린더 구멍의 형태, 기둥의 형태 중 어느 하나임을 특징으로 하는 마이크로 패턴용 금형의 제작방법.

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