KR100676520B1 - 포토레지스트 패턴 형성 방법 - Google Patents

포토레지스트 패턴 형성 방법 Download PDF

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KR100676520B1
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황규연
박진성
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 형성된 포토레지스트 패턴의 접착력을 향상시키는 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법은 기판 상에 광촉매 막을 형성하는 단계; 상기 광촉매 막 상에 네거티브 타입의 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 막을 자외선으로 노광하는 단계; 상기 포토레지스트 막을 열처리하는 단계; 및 상기 포토레지스트 막을 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하여 다양한 종류의 기판 상에 광촉매 막을 첨가함으로써 높은 종횡비를 확보할 수 있는 우수한 접착력을 가지는 포토레지스트 패턴을 제공하는 효과가 있다.
SU-8, 포토레지스트 패턴, 접착력, 바이오칩

Description

포토레지스트 패턴 형성 방법{Method for forming photoresist pattern }
도1은 실리콘 기판 상에 형성된 포토레지스트 패턴의 사진.
도2는 글라스 기판 상에 종래의 포토레지스트 패턴 형성 방법으로 제작된 포토레지스트 패턴이 대부분 떨어져 나간 모습을 보여주는 사진.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토레지스트 패턴 형성 방법의 순서도.
도4는 포토레지스트 막이 자외선으로 노광될 때 기판 상에 형성된 광촉매 막의 작용을 설명하기 위한 단면도.
도5 및 도6은 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 의해서 글라스 기판 위에 포토레지스트 패턴을 형성한 결과의 사진.
도7은 도5의 사사도 사진이다.
도8은 전단 응력을 평가하기 위한 구조를 설명하는 단면도.
도9는 글라스, 실리콘 및 이산화티타늄 막 위에 형성된 시료용 포토레지스트 패턴에 대하여 전단 응력을 측정한 결과를 보여주는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10, 100 : 기판 20 : 광촉매 막
30 : 포토레지스트 막 40 : 마스크
본 발명은 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 형성된 포토레지스트 패턴의 접착력을 향상시키는 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
최근 질병 진단이나 약물 치료의 효능 평가 등 병리학이나 생명공학 등의 분야가 미래의 기술로서 연구가 급속도로 이루어지고 있다. 이러한 연구를 가속화하기 위한 방법의 하나로 바이오칩(bio chip)이 연구되고 있다.
바이오칩으로 검토되는 응용 사례는 셀 부착 칩(cell binding chip) 또는 전기분해 칩(electrolysis chip) 등이 있다.
셀 부착 칩의 경우 셀 부착 효율을 증가시키기 위하여 셀이 부착되는 미세 구조물의 표면적을 증가시키는 것이 유용하고, 전기분해 칩은 미세 구조물에 부착된 셀에서 DNA를 분해하기 위하여 사용된다.
미세 구조물을 제작하기 위하여 네거티브(negative) 타입의 포토레지스트로서 마이크로켐(Microchem)사의 SU-8 포토레지스트를 적용하는 경우 다른 공정 없이 한번의 포토레지스트 패턴 형성 공정에 의해서 미세 구조물을 제작하는 것이 가능하기 때문에 포토레지스트를 이용한 미세 구조물 형성이 널리 사용된다.
그리고 바이오칩에 적용하기 위하여 만들어진 미세 구조물은 다양한 종류의 기판 상에 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 포토레지스트 패턴이 필요하게 된다.
또한 예를 들어 실리콘 기판 상에 SU-8 포토레지스트로 만들어진 포토레지스트 패턴은 실리콘 기판 상에서는 우수한 접착력을 가지기 때문에 10 이상의 종횡비를 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하는 것이 가능하다.
그런데 다양한 종류의 기판이 사용되는 바이오칩에서 항상 접착력을 유지하는 것이 어렵기 때문에 높은 종횡비를 가지는 포토레지스트 패턴을 안정적으로 형성하기 위해서는 이러한 다양한 기판에서 포토레지스트 패턴의 우수한 접착력을 확보하는 것이 필수적이다.
특히 접착력이 저하되는 글라스, 금속 및 금속 산화물의 기판 상에 형성된 포토레지스트패턴의 접착력을 향상시키는 것이 필요하다.
다양한 종류의 기판에 형성되는 포토레지스트 패턴의 접착력을 높이는 방법이 미국 특허 번호 제 6,741,819 호 및 공개 번호 2004/0214098 등에 개시되었다.
이 상기 미국 특허는 포토레지스트 막을 기판 상에 도포하기 전에 접착력을 높이는 폴리이미드(polyimide) 막을 접착막(adhesion layer)으로 도포하거나 접착력을 높이는 물질을 첨가한 포토레지스트를 적용하는 것이다.
접착력을 높이기 위하여 폴리이미드 막을 도포하는 경우에 폴리이미드가 포토레지스트 패턴에 영향을 주거나 폴리이미드를 그대로 미세 구조물로 사용하기 부적합하기 때문에 바이오칩에 적용하기에는 어려움이 있고, 포토레지스트에 접착력을 높이는 첨가물을 포함시키는 것을 별도의 포토레지스트를 제작하기에 어려움이 있기 때문에 상업적으로 이용하기에 적당하지 않다.
또한 글라스 기판에서 포토레지스트 패턴의 접착력을 향상시키기 위하여 SAM(Self-Assembled monolayer), HMDS(Hexamithydisilazane) 또는 마이크로켐사의 옴니코트(OmniCoat)를 사용하는 것도 가능하다.
이러한 방법을 적용하여 글라스 기판에 형성된 포토레지스트 패턴을 형성하였지만 모두 접착력 부족으로 포토레지스트 패턴이 떨어져나가는 현상이 발생하였다.
도1은 실리콘 기판 상에 형성된 포토레지스트 패턴의 사진이고, 도2는 글라스 기판 상에 종래의 포토레지스트 패턴 형성 방법으로 형성된 포토레지스트 패턴이 대부분 떨어져 나간 모습을 보여주는 사진이다.
도1의 사진에서 실리콘 기판에 형성된 포토레지스트 패턴은 우수한 접착력에 의해서 선명한 포토레지스트 패턴을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있지만, 도2와 같이 글라스 기판 상에 형성된 포토레지스트 패턴은 접착력 부족으로 인하여 기판에서 떨어져나가 포토레지스트 패턴을 유지하지 못하고 있다. 또한 상기에서 언급한 접착력을 향상시키기 위한 방법을 적용하여도 향상된 접착력을 얻지 못하고 포토레지스트 패턴이 떨어져나가는 동일한 결과를 얻었다.
이상의 결과에서 보면 포토레지스트 패턴을 이용하여 형성된 미세 구조물이 바이오칩에서 효과적으로 사용되기 위해서는 여러 종류의 다양한 기판 상에서 우수한 접착력을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하는 것이 필수적인 요구사항이다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 종류의 기판 상에서 높은 종횡비를 확보할 수 있는 우수한 접착력을 가지는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 포토레지스트 패턴 형성 방법은 기판 상에 광촉매 막을 형성하는 단계; 상기 광촉매 막 상에 네거티브 타입의 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 막을 자외선으로 노광하는 단계; 상기 포토레지스트 막을 열처리하는 단계; 및 상기 포토레지스트 막을 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기판의 재질은 실리콘, 글라스, 금속, 금속산화물, 세라믹 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 기판의 표면상에 실리콘, 글라스, 금속, 금속산화물, 세라믹 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 재질로 형성된 박막이 증착된 것을 특징으로 한다.
상기 광촉매 막의 재질은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화주석(SnO2), 티탄산스트론튬(SrTiO3), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3) 및 산화철(Fe2O3)로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, 상기 광촉매 막은 졸겔 방법, 화학적 기상증착 방법 및 물리적 기상증착 방법 중에서 선택된 하나의 방법으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 금속 패턴을 더 포함하고, 상기 노광하는 단계에서 상기 자외선은 상기 기판의 배면에서 조사하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토레지스트 패턴 형성 방법의 순서도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 따라서 먼저 기판 상에 광촉매 막을 형성한다(S10).
이때 상기 기판의 재질은 실리콘(silicon), 글라스(glass), 금속, 금속산화물, 세라믹(ceramic) 및 플라스틱(plastic)으로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, 기판의 표면상에는 용도에 따라 일예로 실리콘, 글라스, 금속, 금속산화물, 세라믹 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 재질로 형성된 박막이 증착되어 있다. 기판 상에 형성된 박막이나 박막의 패턴은 예를 들어 셀 부착 칩(cell binding chip) 또는 전기분해 칩(electrolysis chip) 등의 용도에 따라 달라진다.
광촉매 막의 재질은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화주석(SnO2), 티탄산스트론튬(SrTiO3), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3) 및 산화철(Fe2O3)로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, 상기 광촉매 막은 졸겔(sol-gel) 방법, 화학적 기상증착 방법 및 물리적 기상증착 방법 중에서 선택된 하나의 방법을 이용하여 기판 상에 형성하는 것이 바람직하다.
일예로 졸겔 방법에 의해서 글라스 기판에 광촉매 막으로 예를 들어, 이산화 티타늄 막을 형성하는 경우에 글라스 기판을 세정하고, 이산화티타늄 졸을 제작한다.
이산화티타늄 졸은 티타늄 이소프로폭사이드(isopropoxide, Ti(OCH3)4), 이소프로파놀(isopropanol, (CH3)2CHOH) 및 염산(HCl)을 혼합하여 장시간 저어주면서 안정화시킨다. 이때 예를 들어 티타늄 이소프로폭사이드, 이소프로파놀 및 염산은 각각 7.5, 106.25 및 1의 부피 비율로 혼합되고, 사용된 염산은 0.1 몰(mole) 농도를 가진다.
이렇게 만들어진 이산화티타늄 졸 용액을 글라스 기판에 스핀 코팅 방법으로 도포하고, 500℃ 정도의 온도에서 열처리하여 하소(calcination)시켜서 이산화티타늄 막을 글라스 기판 상에 형성한다.
화학적 기상증착 방법 및 물리적 기상증착 방법은 각각에 해당하는 증착 장비를 이용하여 실시하면 된다. 이때 증착되는 광촉매 막의 두께는 수백 Å 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음에 광촉매 막이 형성된 기판의 전면 상에 포토레지스트를 스핀 코팅 방법으로 도포하여 포토레지스트 막을 형성한다(S20). 이때 사용된 포토레지스트는 네거티브(negative) 타입의 포토레지스트로서 우수한 표면 접착력과 화학적 내성을 가진 에폭시(epoxy) 성분을 포함하는 마이크로켐(Microchem) 사의 SU-8 포토레지스트 등을 사용하는 것이 DNA 칩, 셀 부착 칩 또는 전기분해 칩(electrolysis chip) 등의 용도에 적합한 미세 구조물을 형성하기에 바람직하다.
도포된 상기 포토레지스트 막은 포토레지스트의 점도와 도포하는 회전수를 조절하여 그 두께를 수 ㎛ 내지 수 백 ㎛까지 다양하게 변화시킬 수 있다.
이어서 포토레지스트 막내에 포함된 용매를 제거하기 위하여 기판을 열처리하는 소프트 베이크(soft bake)를 실시한다. 이때 실시하는 소프트 베이크는 기판에 도포된 포토레지스트 막의 두께에 따라 65℃ 내지 95℃의 범위에서 실시한다.
다음에 예를 들어 미세 구조물의 패턴이 형성된 마스크를 사용하여 기판 위의 상기 포토레지스트 막을 자외선으로 노광하고(S30), 노광된 포토레지스트 막을 고온에서 열처리하는 PEB(Post Exposure Bake, 이하 PEB라 부른다) 공정을 실시한다(S40).
도4는 포토레지스트 막(30)이 자외선으로 노광될 때 기판(10) 상에 형성된 광촉매 막(20)의 작용을 설명하기 위한 단면도이다.
마스크(40)를 통과한 자외선이 포토레지스트 막(30)을 통과하여 광촉매 막(20)에 도달하면 광촉매 막(20)은 자외선과 작용하여 포토레지스트 막(30)과 광촉매 막(20) 사이에서 히드록실기(hydroxyl radical, OH*) 또는 슈터옥사이드(superoxide, O2 -)를 발생시킨다.
이로 인하여 포토레지스트 막(30)과 광촉매 막(20)의 계면에서 포토레지스트의 유기물 성분을 분해하면서 상기 계면에서의 가교결합(cross-linking)을 유도하여 접착력을 향상시키는 효과가 발생한다.
특히, 졸겔 방법으로 광촉매 막을 형성하는 경우 제조과정 중에서 광촉매 막 의 표면이 다공성 성질을 가지게 되어 포토레지스트 막과 접촉 면적이 증가하는 효과가 있기 때문에, 포토레지스트 막 광촉매 사이의 접착력을 추가로 향상시키는 장점이 있어 더욱 바람직하다.
또한 PEB 공정은 상기 마스크를 투과한 자외선에 의해서 노광된 포토레지스트 막이 현상액에 의해서 반응하지 않도록 가교결합 반응을 촉진시키는 역할을 하여 포토레지스트 패턴의 분해능(resolution)을 향상시킨다.
상세하게 설명하면, SU-8 포토레지스트에 대하여 실시하는 PEB 공정은 열처리 공정에서 발생하는 스트레스, 웨이퍼 휨 및 포토레지스트 막의 크랙을 최소화시키기 위하여 65℃ 이하의 온도에서부터 서서히 온도를 상승시키거나 65℃ 이하의 온도에서 일차로 열처리를 한 다음에 고온에서 이차 열처리를 실시하는 방법을 사용한다.
이차 열처리 온도 예를 들어 85℃ 내지 95℃ 정도에서 노광된 상기 포토레지스트를 5분 이상의 시간동안 가열하여 PEB 공정을 실시한다.
이어서 현상액으로 상기 포토레지스트 막을 현상하여 자외선에 노광되지 않은 영역의 포토레지스트 막을 제거하고 포토레지스트 패턴을 형성한다(S50).
이때 사용하는 현상액은 예를 들어 SU-8 포토레지스트에 대응하여 전용 SU-8 현상액을 사용한다. 현상이 완료된 포토레지스트는 150℃ 이상의 고온에서 열처리하여 포토레지스트 패턴의 변화를 방지하면서 잔류 용매를 제거하고, 가교 결합을 완료하여 완성된 포토레지스트 패턴의 구조물을 경화시키는 것이 바람직하다. 고온에서의 열처리는 기판과 포토레지스트 패턴 사이의 접착력을 증가시키는 장점도 있 다.
본 발명의 다른 실시예로서 금속의 전극이 형성된 기판 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 경우에 적용할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 설명한다.
이 경우에는 먼저 투명한 기판 예를 들어 글라스 또는 플라스틱 재질로 형성된 기판에 전극 모양을 가지는 마스크를 사용하여 통상의 포토레지스트 공정과 식각 공정을 통하여 금속 패턴을 형성한다.
이어서 상기 금속 패턴이 형성된 기판 상에 광촉매 막을 형성하고 이 후의 공정은 상기에서 설명한 본 발명의 실시예와 동일하다.
다만 포토레지스트 막을 노광하는 경우에 자외선은 상기 기판의 배면에서 조사하는 것이 바람직하다.
이렇게 기판에 형성된 금속 패턴을 마스크 대신 사용하여 포토레지스트 패턴을 형성하면 자동 정렬이 되어 공정마진이 증가되고, 별도의 마스크를 사용하지 않아 생산성이 향상된다.
그리고 투명한 기판의 배면에서 조사되는 자외선이 잘 투과되도록 광촉매 막의 두께는 수백 Å 이하로 하는 것이다.
도5 및 도6은 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 의해서 글라스 기판 위에 졸겔 방법으로 이산화티타늄 막을 형성하고, SU-8 포토레지스트를 사용하여 포토레지스트 패턴을 형성한 결과의 사진이고, 도7은 도5의 사이도 사진이다.
도5 및 도6에서 각각으로 포토레지스트 패턴의 크기가 50㎛ x 50㎛, 25㎛ x 25㎛이고, 높이 100㎛ 이다. 그리고 이때 포토레지스트 패턴 사이의 거리는 각각 17㎛와 12.5㎛ 이다.
사진에서 보듯이 접착력이 부족하여 발생하는 포토레지스트 패턴의 불량 없이 깨끗한 포토레지스트 패턴이 형성된 것을 확인 할 수 있다. 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 따라서 포토레지스트 패턴의 불량 없이 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법의 의해서 형성된 포토레지스트 패턴의 접착력을 평가하기 위하여, 기판의 종류에 따른 포토레지스트 패턴의 기판에 대한 전단 응력을 측정하여 포토레지스트 패턴의 접착력을 평가하였다.
도8은 전단 응력을 평가하기 위한 구조를 설명하는 단면도이다.
도8에 도시된 바와 같이, 글라스 기판, 실리콘 기판 및 글라스 위에 이산화티타늄 막이 형성된 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하여 비교 실험하였다. SU-8 포토레지스트로 각 기판(100)에 형성된 포토레지스트 패턴(200)의 크기는 300㎛ x 300㎛ 이고, 높이는 400㎛이다.
그리고 전단 응력을 측정하기 위하여 측정 도구(300)에 힘을 가하여 포토레지스트 패턴(200)이 기판(100)에서 떨어지는 힘을 측정하는 것이다.
도9는 글라스, 실리콘 및 이산화티타늄 막 위에 형성된 시료용 포토레지스트 패턴에 대하여 도8에 도시한 방법으로 전단 응력을 측정한 결과를 보여주는 비교 그래프이다. 이때 측정된 전단 응력의 단위는 kgf 이다.
도9의 결과에서 보듯이 글라스 상에 이산화티타늄으로 광촉매 막을 형성한 다음에 형성된 포토레지스트 패턴의 전단 응력은 실리콘 기판 위에 형성된 포토레 지스트 패턴의 전단 응력과 오차 범위 내에서 대등한 것을 알 수 있다.
반면에 글라스 기판 상에 형성된 포토레지스트 패턴의 전단 응력은 전단 응력이 현저하게 감소되어 실리콘 기판이나 광촉매 막 위의 포토레지스트 패턴에 비하여 46% 이하로 평가되었다.
따라서 글라스 기판과 같이 포토레지스트 패턴의 접착력이 현저하게 부족한 경우에는 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법을 적용하여 광촉매 막을 적용하는 경우 실리콘 기판과 대등한 접착력을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 특허청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 의해서 다양한 종류의 기판 상에 광촉매 막을 첨가함으로써 높은 종횡비를 확보할 수 있는 우수한 접착력을 가지는 포토레지스트 패턴을 제공하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 광촉매 막을 형성하는 단계;
    상기 광촉매 막 상에 네거티브 타입의 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 막을 자외선으로 노광하는 단계;
    상기 포토레지스트 막을 열처리하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 막을 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 재질은 실리콘, 글라스, 금속, 금속산화물, 세라믹 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 표면상에 실리콘, 글라스, 금속, 금속산화물, 세라믹 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 재질로 형성된 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매 막의 재질은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화주석(SnO2), 티탄산스트론튬(SrTiO3), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3) 및 산화철(Fe2O3)로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광촉매 막은 졸겔 방법, 화학적 기상증착 방법 및 물리적 기상증착 방법 중에서 선택된 하나의 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 금속 패턴을 더 포함하고, 상기 노광하는 단계에서 상기 자외선은 상기 기판의 배면에서 조사하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
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