KR100568159B1 - Photo-assisted etching technique of gold and apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 조사를 이용한 금 식각 방법에 관한 것으로서, 간단한 장치와 인체나 환경에 유해성이 없는 화학 물질을 사용하고 공정을 단순화한 금 식각 방법과 그에 사용되는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 금 식각용 장치는 일 벽면에 광 투과창이 형성되고 염소 함유 유체가 충전된 용기와, 상기 용기 내에 시편을 장착하기 위한 시편 장착부와, 상기 용기의 외부에 마련되고 상기 광 투과창을 향하여 광을 조사하는 광원을 포함한다. 이와 같은 장치에서 금 또는 금 박막이 표면에 형성된 기판과 같은 시편에 광을 조사하여 금 식각을 행하게 된다. The present invention relates to a gold etching method using light irradiation, and to provide a simple device and a gold etching method using a chemical material that is not harmful to the human body or the environment and simplified the process and an apparatus used therefor. A gold etching apparatus for achieving the above object is a container having a light transmitting window formed on one wall and filled with a chlorine-containing fluid, a specimen mounting portion for mounting a specimen in the container, and provided outside of the container and transmitting the light. And a light source for irradiating light toward the window. In such a device, gold is etched by irradiating light onto a specimen such as a substrate on which a gold or gold thin film is formed on a surface thereof.
금, 식각, 패턴, 염소, 염화금, 자외선, Gold, etching, pattern, chlorine, gold chloride, ultraviolet,
Description
도 1은 통상의 패터닝 공정을 설명하는 공정도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The process chart explaining the normal patterning process.
도 2a는 본 발명의 실시예 1에 따른 금 식각을 위한 장치의 개략 단면도.2A is a schematic cross-sectional view of an apparatus for gold etching according to Embodiment 1 of the present invention.
도 2b는 도 2a에 도시된 장치에서 금 식각 부위의 상세 단면도.FIG. 2B is a detailed cross-sectional view of the gold etching portion in the apparatus shown in FIG. 2A. FIG.
도 3a는 본 발명의 실시예 2에 따른 금 식각을 위한 장치의 개략 단면도.3A is a schematic cross-sectional view of an apparatus for gold etching according to Embodiment 2 of the present invention.
도 3b는 도 3a에 도시된 장치에서 금 식각 부위의 상세 단면도.3B is a detailed cross-sectional view of the gold etching site in the device shown in FIG. 3A.
도 4는 도 3a에 도시된 장치의 변형예의 개략 단면도.4 is a schematic cross-sectional view of a variant of the apparatus shown in FIG. 3A.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100: 기판100: substrate
110, 160: 금 박막110, 160: gold thin film
130: 마스크130: mask
150: 기판150: substrate
200: 광원200: light source
210: 자외선 광210: ultraviolet light
300, 400: 용기300, 400: container
310: 광 투과창310: light transmission window
320: 염소 함유 유체320: chlorine-containing fluid
330: 시편 장착부330: specimen mounting
410: 밀봉재410: sealing material
본 발명은 광 조사를 이용한 금 식각 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체와 통신을 포함한 다양한 마이크로 전자공학 분야에서 집적회로의 도선이나 나노 스케일의 패터닝에서 사용될 수 있는 금 박막의 식각법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of etching gold using light irradiation, and more particularly, to an etching method of a gold thin film which can be used in conducting wires or nanoscale patterning of integrated circuits in various microelectronic fields including semiconductors and communication. .
집적회로의 금속 박막층은 텅스텐이나 알루미늄을 사용하다가 고속화와 전도성을 높이기 위하여 점차 구리로 바뀌고 있으며 최근에는 더 나은 전도성 등 때문에 금으로 바꾸는 시도가 되고 있다. 더욱이, 고출력 통신용 칩에서는 이미 금을 회로물질로 사용하고 있다. 집적회로의 금속층을 우리가 원하는 대로 모양을 만들기 위해서 마스크나 직접 조사에 의한 상 형성후 이를 식각하면 원하는 모양의 금 패턴을 만들 수 있다(도 1). 금 세정 및 금 추출이 이용될 수 있는 예 중의 하나로서 나노 미터급의 패턴을 측정하는 데 사용되는 SEM(Scanning Electron Microscope)을 보기 위해서는 높은 전도성을 갖는 얇은 금 박막을 시편의 표면에 입힌 후에 사용하게 된다. 또한 앞으로 많은 바이오 칩 등에도 전도성 때문에 얇은 금 박막을 입힌 시편을 사용한다. 여기서 박막으로 사용되었던 금을 세정하고 추출하면 금의 재사용이 가능할 것이다.The metal thin film layer of the integrated circuit has been gradually changed to copper to increase the speed and conductivity while using tungsten or aluminum, and recently, an attempt has been made to change it to gold due to better conductivity. Moreover, gold is already used as a circuit material in high-power communication chips. In order to shape the metal layer of the integrated circuit as desired, etching the image after forming a mask or direct irradiation may form a gold pattern having a desired shape (FIG. 1). Gold cleaning and gold extraction can be used as examples of scanning electron microscopes (SEMs) used to measure nanometer-level patterns. do. In the future, many biochips, etc., will also use specimens coated with thin gold films. The gold used as a thin film can be cleaned and extracted to reuse the gold.
금 박막을 이용하여 그 위에 특정한 패턴을 형성하기 위해서는 식각 과정이 필수적인데 이를 위한 방법으로는 화학 용액을 사용하는 습식식각(wet-etching)과 플라즈마 등을 이용하는 건식식각(dry-etching)이 있다. 습식식각의 경우 H3PO4, KCN, HNO3, KI-I2 복합물 등 인체나 자연 환경에 유해한 화학 용액을 주로 사용하며, 또한 이들을 세정하기 위한 다량의 물이 요구된다. 또한 건식식각의 경우는 진공 챔버 내에서 가속된 이온을 이용한 밀링(milling)이나 플라즈마를 이용한 반응성 이온 식각 방법(RIE: Reactive Ion Etching)을 사용하고 있다. 이와 같은 식각에 있어 금은 주로 박막 형태로 되어 있으며 패터닝 공정을 거쳐 집적회로 구성이나 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical System), 나노 기술 등에 있어 미세 구조물 패턴을 형성하는데 사용되고 있다. In order to form a specific pattern thereon using a gold thin film, an etching process is essential. For this, wet etching using a chemical solution and dry etching using a plasma are used. In the case of wet etching, chemical solutions harmful to the human body or the natural environment, such as H 3 PO 4 , KCN, HNO 3 , and KI-I 2 complexes, are mainly used, and a large amount of water is required to clean them. In the case of dry etching, milling using accelerated ions in a vacuum chamber or reactive ion etching (RIE) using plasma are used. In such etching, gold is mainly formed in a thin film form and is used to form a microstructure pattern in an integrated circuit configuration, MEMS (Micro Electro Mechanical System), and nano technology through a patterning process.
패터닝 공정에는 식각 공정 이외에도 노광 공정이 따라야 하는데, 이러한 통상적인 종래의 패터닝 공정이 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 (a)와 같이 표면에 금 박막(110)이 형성된 기판(100)에 패턴을 형성하기 위하여, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 기판(100)의 금 박막(110) 상에 감광제(120)를 도포한다. 금 박막(110)이 형성되고 감광제(120)가 도포된 기판(100) 상에는 소정의 패턴이 형성된 마스크(130)를 위치시킨 후 광(210)을 조사하여, 감광제(120a)에만 광이 노출되게 한다(도 1의 (c)). 이러한 노광 과정을 거치면 마스크(130)의 패턴 형상으로 감광제(120a)가 제거된다(도 1의 (d)). 그 다음, 전술된 바와 같이 화학 용액을 사용 하는 습식식각법이나 플라즈마 등을 이용하는 건식식각법에 의해 감광제 사이로 노출된 금 박막(110a)을 제거한다(도 1의 (e)). 이러한 식각 후에 잔류하는 감광제를 제거(도 1의 (f))하여 원하는 패턴을 금 박막 위에 형성하게 된다. The patterning process should be followed by an exposure process in addition to the etching process, which is shown in FIG. 1 as a conventional conventional patterning process. In order to form a pattern on the
이러한 종래의 방법에 의한 금 박막 기판의 패터닝 공정은 감광제 도포, 도포된 감광제 막의 패터닝을 위한 노광, 금 식각, 감광제 제거 등의 여러 단계를 거쳐야한다. 특히, 패터닝을 위해서는 감광제를 금 위에 도포하고 노광시킨 후에 다시 감광제와 금을 선택적으로 식각하는 여러 공정 과정과 공정 물질이 필요하게 되어, 이러한 패터닝 공정은 복잡할 뿐만 아니라 여러 작업 공정을 거치게 되어 생산성을 저하시키고 생산 비용을 증가시킨다. 또한 패턴을 가진 식각을 위해서는 사용하는 장치나 공정 물질들을 식각으로부터 보호해야 하는데 금 자체가 화학적으로 안정하기 때문에 금만을 선택적으로 식각하는 화학 물질을 찾기가 어렵다. The patterning process of the gold thin film substrate by the conventional method has to go through several steps such as application of a photoresist, exposure for patterning the applied photoresist film, gold etching, photoresist removal, and the like. In particular, the patterning process requires several processes and materials for applying a photoresist on gold, exposing the photoresist, and then selectively etching the photoresist and gold. Thus, the patterning process is not only complicated but also requires a number of working steps to increase productivity. Lowers and increases production costs. In addition, patterned etching requires protecting devices and process materials from being etched. Since gold itself is chemically stable, it is difficult to find chemicals that selectively etch gold alone.
더욱이, 금 식각 공정은 습식식각을 이용하는 경우 인체 또는 환경에 유해하고, 공정 중에 시편에서 화학 물질을 수세하기 위해서 많은 산업 용수가 필요하게 되는 등 상당히 심각한 환경오염 문제를 일으키게 된다. 더욱이, 이를 해결하기 위해서는 공정 진행의 부산물인 폐수 및 약품 등의 처리 비용이 지속적으로 발생하여 공정 단가 측면에서도 많은 문제를 갖고 있다. Moreover, the gold etching process poses significant environmental pollution problems such as harmful effects to the human body or the environment when wet etching is used, and requires a lot of industrial water to wash chemicals in the specimen during the process. Moreover, in order to solve this problem, there are many problems in terms of process cost due to continuous generation of wastewater and chemicals, which are by-products of the process.
또한, 진공 챔버 내에서 플라즈마나 이온을 사용하는 건식식각법의 경우 환경에 관한 문제와 유지비에 관한 문제는 다소 해결되지만 고가의 장비들이 사용되기 때문에 생산 비용 감소에는 기여하고 있지 못하는 실정이다. 더욱이, 진공 공정 그 자체가 시편을 진공 챔버 속에 넣고 진공 펌프를 사용하여 진공도를 높여야 하고, 챔버 내에 가스 주입과 플라즈마 또는 이온 발생으로 식각을 해야 하고 다시 진공을 해제시켜 시편을 꺼내야 하는 등 공정이 복잡하여 매우 불편하다. 이 두 식각 방법의 경우 모두 공정이 불편하고 공정 후 잔여 물질의 처리 문제가 해결되어야 하기 때문에, 여러 문제점을 갖는다. In addition, in the case of dry etching using plasma or ions in a vacuum chamber, environmental problems and maintenance costs are solved somewhat, but expensive equipment is used, which does not contribute to a reduction in production cost. Moreover, the vacuum process itself is complicated by the process of putting the specimen into a vacuum chamber to increase the degree of vacuum using a vacuum pump, etching the gas into the chamber and etching it by plasma or ion generation, and then releasing the vacuum to take out the specimen. Very uncomfortable. Both of these etching methods have several problems because the process is inconvenient and the problem of treatment of residual materials after the process has to be solved.
본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 장치와 인체나 환경에 유해성이 없는 화학 물질을 사용하는 금 식각 방법과 그에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a simple device and a gold etching method using a chemical that is not harmful to a human body or the environment, and an apparatus used therefor.
본 발명의 다른 목적은 공정을 단순화하여 생산성을 향상시키고 제조 단가를 감소시킬 수 있는 금 식각 방법과 그에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a gold etching method and apparatus used therefor that can simplify the process to improve productivity and reduce manufacturing costs.
본 발명의 발명자는 염소를 포함한 용액이나 용매 속에 금을 넣고 광, 바람직하게는 자외선을 조사함으로써 금이 식각되는 현상을 발견하였다. 이에 본 발명은 이러한 현상을 이용하여 그 박막이 형성된 기판 상의 금 박막을 식각하거나, 이러한 금 식각에 더하여 금 패터닝, 금 표면 세정 또는 금 추출을 위한 것이다. 여기에서 염소를 포함한 용액 또는 용매는 소금물(NaCl), 약한 염산(HCl), 유기용매인 디클로로에탄(dichloroethane) 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물 등 염소를 포함하는 모든 액상 및 기체상의 물질을 지칭한다. 본 발명은 이러한 용액뿐만 아니라 염소를 포함하는 기체, 예를 들어 기체 염소(Cl2)를 사용할 수도 있다.The inventors of the present invention discovered a phenomenon in which gold is etched by putting gold in a solution or a solvent containing chlorine and irradiating light, preferably ultraviolet rays. Thus, the present invention uses this phenomenon to etch a thin film of gold on the substrate on which the thin film is formed, or to add gold to gold patterning, gold surface cleaning or gold extraction. Herein, a solution or a solvent containing chlorine refers to all liquid and gaseous substances including chlorine, such as brine (NaCl), weak hydrochloric acid (HCl), organic solvent dichloroethane, or a mixture of two or more thereof. The present invention may use such a solution as well as a gas containing chlorine, for example gaseous chlorine (Cl 2 ).
도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 아래에서 상세히 설명하고자 한다.The preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
[실시예 1]Example 1
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예 1에 따른 금 시편 또는 표면에 금 박막이 형성된 기판에서 금을 식각하기 위한 개략적 장치와 이러한 장치에서 금 식각 부분의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 실시예 1에 따른 금 식각을 위하여 일 벽면에 유리와 같은 광 투과창(310)이 형성된 용기(300) 내에 전술된 염소를 포함한 용액이나 용매 또는 기체 등의 염소 함유 유체(320)를 충전한다. 용기의 바닥이나 상부벽 또는 측벽 등에는 표면에 금 시편이나 금 박막(110)이 형성된 기판(100)을 고정 장착시키기 위한 시편 장착부(330)가 마련되어 있다. 용기(300)의 외부에는 상기 광 투과창(310)을 통하여 용기(300) 내의 기판(100)에 광을 조사하도록 광원(200)이 설치된다. 이때 광원(200)은 자외선 광원인 것이 바람직하다. 한편, 금 박막(110)의 표면을 소정 패턴으로 식각하기 위해서는 광 투과창(310)과 광원(200) 사이에 소정 패턴이 형성된 사진 원판 또는 마스크(130)가 설치될 수 있다.2A and 2B are schematic views for etching gold in a gold specimen or a substrate on which a gold thin film is formed on a surface according to Example 1 of the present invention, and for explaining the operation of the gold etching portion in such a device. For the gold etching according to the first embodiment of the present invention, a chlorine-containing
이러한 장치를 이용하여 금 식각을 위한 공정이 도 2b를 참고로 아래에서 설명된다. 먼저 금 식각을 위한 금 박막(110)이 형성된 기판(100)을 시편 장착부(330)에 장착한다. 이때 기판(100)은 식각될 금 박막(110)이 형성된 표면이 상기 광 투과창(310)을 향하도록 고정 장착된다. 용기(300) 외부의 광원(200)으로부터 조사된 자외선 광(210)은 마스크(130)를 통과하면서 마스크(130)에 새겨진 소 정 패턴 형태로 광 투과창(310)을 통과하게 된다. 이와 같이 마스크(130)와 광 투과창(310)을 통과한 자외선 광(210)은 기판(100)의 금 박막(110) 표면에 소정 패턴 형태로 도달하게 된다. 이때, 자외선 광(210)은 용액 또는 용매 속의 염소와 금의 반응을 촉진시켜 염화금(gold chloride)을 형성하게 되어 염화금이 기판(100)으로부터 떨어져 나와 금의 식각이 이루어진다. 이와 같이 마스크를 이용하면 원하는 부분만을 식각함으로써 금 박막이 형성된 기판에 패터닝 공정이 간단하게 이루어지다. A process for gold etching using such an apparatus is described below with reference to FIG. 2B. First, the
한편 상기 마스크(130) 상에 형성된 소정 패턴은 광 투과창(310) 표면에 형성될 수도 있다. 또한, 마스크(130)의 설치 없이 기판 전체(또는 기판의 일부)에 광을 조사하여 해당 부분 전체의 금을 식각하는 금 표면 세정이 가능하다. 세정이 된 금은 다른 것들과 달리 처리되므로 순수한 금만을 추출하는 것이 가능하다.Meanwhile, a predetermined pattern formed on the
[실시예 2]Example 2
상기 실시예 1에 따른 광 조사를 이용한 금 식각법은 금 식각에 사용되는 염소를 포함한 유체가 자외선을 투과하는 경우에 가능한 경우이다. 만일 사용되는 유체가 보통의 물처럼 자외선을 흡수하여 자외선이 유체를 투과하지 못하는 경우 금 식각이 불가능해 진다. The gold etching method using light irradiation according to Example 1 is possible when the fluid containing chlorine used for gold etching transmits ultraviolet rays. If the fluid used absorbs ultraviolet light like ordinary water and the ultraviolet light cannot penetrate the fluid, gold etching becomes impossible.
통상, 염소를 포함한 유체에 함유된 물질의 농도(또는 순도)에 따라, 그리고 광이 유체를 통과한 거리에 따라 자외선이 유체를 투과하는 정도가 다르다. 따라서, 자외선이 유체를 통해 금표면에 도달하는 경우에 유체가 자외선을 어느 정도 흡수한다고 하더라도 그 경로가 짧으면 상당한 양의 자외선이 금표면에 도달합니다 만, 반대로 흡수가 약한 경우라도 유체를 통과하는 경로가 길면 흡수가 많이 일어나게 된다. 즉, 자외선이 흡수되는 정도는 유체의 광특성(소광계수)과 그 유체를 지나는 총거리를 곱한 값으로 나타난다. 예를 들어 순도가 높은 물은 자외선을 통과시키고 보통의 물은 자외선을 흡수하게 된다. 그 외에, 용액이나 용매 속에 알갱이 성분(콜로이드 상태)이 있으면 산란이 심하여 마스크를 이용하여 금 박막 패터닝을 하는 경우에 마스크에 형성된 패턴이 기판 상에 정확하게 형성되지 못하게 된다.Typically, the extent to which ultraviolet light penetrates the fluid depends on the concentration (or purity) of the substance contained in the fluid, including chlorine, and the distance the light has passed through the fluid. Therefore, even if the ultraviolet rays reach the gold surface through the fluid, even if the fluid absorbs some of the ultraviolet rays, if the path is short, a considerable amount of ultraviolet rays reach the gold surface, but the path through the fluid even if the absorption is weak. The longer the absorption occurs. That is, the extent to which ultraviolet light is absorbed is represented by the product of the fluid's optical properties (extinction coefficient) and the total distance through the fluid. For example, high purity water passes ultraviolet rays, while ordinary water absorbs ultraviolet rays. In addition, when the grain component (colloidal state) is present in the solution or the solvent, scattering is severe and the pattern formed on the mask may not be accurately formed on the substrate when gold thin film patterning is performed using the mask.
아래에서 설명되는 본 실시예 2에서는 이와 같이 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다. In Embodiment 2 described below, the above problem is solved.
위와 같은 경우에, 본 실시예에서는 식각하고자 하는 금이 빛을 투과할 정도의 얇은 금 박막이어야 하고, 이러한 금 박막이 기판의 일 면에 도포된 경우 기판은 유리와 같이 광 투과성을 가져야 한다. In the above case, in the present embodiment, the gold to be etched should be a thin gold thin film so as to transmit light, and when the gold thin film is applied to one surface of the substrate, the substrate should have a light transmittance like glass.
먼저 전술된 실시예 1과 동일한 장치를 사용하여 유리 기판(150)의 일 면에 도포된 금 박막(160)을 패터닝하는 경우, 기판을 시편 장착부(330)에 장착할 때 금 박막(160)이 도포되지 않은 기판(160)의 배면이 광 투과창(310)을 향하도록 고정 장착시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하다. 이와 같이, 금 박막(160)이 도포된 유리 기판(150)을 용기(300) 내에 장착하면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 광원(200)에서 나온 자외선 광(210)은 사진 원판인 마스크(130)를 통하여 금 박막(160)이 형성되지 않은 유리 기판(150)의 배면을 통하여 금 박막(160)을 조사하게 된다. 이 때에도, 자외선 광(210)은 염소 함유 유체 속의 염소와 금의 반응 을 촉진시켜 염화금을 형성하게 되어 염화금이 기판(150)으로부터 떨어져 나와 금의 식각이 이루어진다. 이와 같이, 전술된 실시예 1에서 설명된 장치를 사용하게 되는 경우, 유리 기판(150)과 광 투과창(310) 사이에 염소 함유 유체가 개재되지 못하게 밀봉되는 것이 바람직하다. First, in the case of patterning the gold
이와 달리, 도 4에 도시된 바와 같이, 일 벽면이 개방된 용기(400)에 광 투과창(310) 대신 금 박막(160)이 용기 내부를 향하도록 유리 기판(150)을 설치하여 전술된 과정을 수행할 수도 있다. 이 경우, 용기(400)의 일 벽면과 유리 기판(150) 사이에 밀봉재(410)를 개재시켜 염소 함유 유체가 외부로 누출되지 않도록 할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 4, the
전술된 구성에 따른 금 식각법은 종래의 습식식각과 비교하여 인체나 환경에 유해한 화학 물질을 사용하지 않아 친환경적이며 더욱이 이러한 화학 약품의 사후 처리를 위한 비용 또한 발생하지 않게 된다. 또한, 고가의 진공장치 및 플라즈마 발생장치가 필요한 건식식각에 비하여, 식각을 위해 단순히 염소가 포함된 유체 내에 놓인 금을 자외선과 같은 광으로 조사함으로써 원하는 패턴을 형성하게 되어 복잡한 노광 공정 및 패터닝 공정을 단순화시키게 되어 경제적 시간적 이득을 가져온다.
The gold etching method according to the above-described configuration is environmentally friendly and does not incur any costs for the post-treatment of such chemicals as compared with conventional wet etching because it does not use chemicals harmful to humans or the environment. In addition, compared to dry etching, which requires an expensive vacuum device and a plasma generating device, a simple pattern is formed by irradiating gold, which is placed in a fluid containing chlorine, with light such as ultraviolet light to form a complicated pattern of exposure and patterning. Simplification brings economic and time benefits.
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2004
- 2004-02-18 KR KR1020040010813A patent/KR100568159B1/en not_active IP Right Cessation
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