KR100725252B1

KR100725252B1 - 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치

Info

Publication number: KR100725252B1
Application number: KR1020060016583A
Authority: KR
Inventors: 황정호; 류태우; 이대영; 유재훈
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-06-04

Abstract

본 발명은 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치에 관한 것으로서, 낮은 전압 조건에서 마이크로 크기의 미세한 라인을 구현할 수 있는 효과가 있다.

이를 위한 본 발명에 의한 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치는, 기판상에 입자상 물질을 패터닝하는 패터닝 장치에 있어서, 상기 입자상 물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐; 상기 노즐로부터 이격된 거리에 위치하는 원뿔형 접지전극; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 상기 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치를 포함하고, 상기 용액이 분무될 때 상기 전원공급장치로부터 상기 노즐과 상기 원뿔형 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키고, 상기 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 용액을 상기 기판에 부착시키는 것을 특징으로 한다.

마이크로, 패터닝, 전기-수력학적 분무, 원뿔형 액주모드, 텅스텐

Description

마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치{Apparatus for patterning micro-sized line}

도 1은 일반적인 회로기판 패터닝에 대한 공정도를 나타내며,

도 2는 전기-수력학적 분무에 있어서 유량 및 인가전압에 따른 다양한 분무모드를 나타내며,

도 3은 잉크젯 분무와 전기-수력학적 분무에 있어서의 액적크기를 비교하기 위한 개략도를 나타내며,

도 4는 잉크젯 분무와 전기-수력학적 분무에 있어서의 위치오차를 비교하기 위한 개략도를 나타내며,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치를 나타내며,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 원뿔형 접지전극의 형상을 나타내는 사진이며,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원뿔형 접지전극의 치수를 나타내며,

도 8은 원뿔형 액주모드로부터 분무된 젯으로 프린트한 라인을 나타내는 사진이며,

도 9는 수학식 1, 2 및 3을 통해 계산된 액주지름을 나타내는 그래프이며,

도 10은 원뿔형 접지전극 팁(tip)의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 노즐의 팁에서 원주방향으로의 전기장 강도를 나타내는 그래프이며,

도 11은 원뿔형 접지전극 팁의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 접지전극의 팁에서 원주방향으로의 전기장 강도를 나타내는 그래프이며,

도 12는 원뿔형 접지전극 팁의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 원뿔형 액주모드에서 발생되는 젯을 이용하여 기판상에 패터닝한 결과를 나타내며,

도 13은 원뿔형 접지전극 팁의 직경이 1 ㎛일 때 패터닝된 라인을 전자현미경으로 확대한 결과를 나타내며,

도 14는 원뿔형 접지전극의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 기판에 형성된 라인 패턴의 선폭(feature size)을 분석한 그래프이며,

도 15는 패터닝되기 시작하는 시점의 전압(threshold voltage)을 접지전극의 크기별로 비교하여 나타내며,

도 16은 패턴 선폭의 표준편차를 접지전극의 크기별로 나타내며,

도 17은 액주 분열 현상을 나타내는 도면이다.

본 발명은 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치에 관한 것으로, 더 욱 상세하게는, 낮은 전압 조건에서 마이크로 크기의 미세한 라인을 구현할 수 있는 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치에 관한 것이다.

현대산업에 있어서, 더 작고, 얇고, 가벼우면서도 그 기능은 극대화할 수 있는 제품의 구현은 첨단 전자산업의 가장 중요한 과제라 할 수 있다. 예를 들어 전자제품의 메모리, CPU와 같은 소자들이 점점 소형화, 고집적화에 따라 이들 소자의 재료가 되는 각종 전자 칩 그리고 칩들을 실장하는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)이 최근에 작고 얇아 지고 있다. 따라서 미래의 다기능 고속 정보기기를 위한 인쇄회로기판 및 전자칩들은 지금보다 훨씬 작은 최소 선폭을 요구한다. 데이터의 출력자체가 더욱 빠르고 많아지는 현대의 기기장치들은 훨씬 높은 배선밀도(interconnection density)를 요구하게 되고, 이를 충족시키기 위해서는 현재의 100 ㎛ 정도의 선폭보다 작은 50 ㎛ 이하의 최소 선폭이 필요하게 된다.

특히, 회로 밀집도의 증가와 함께 고주파 특성, 처리 속도의 향상 및 각종 화상 처리 기술의 발전에 따라 완성된 인쇄회로기판의 임피던스 값이 중요한 인자가 되었다. 종래의 일반적인 인쇄회로기판의 경우에는 임피던스에 대하여 별도의 지정이나 관리가 필요하지 않아 회로선폭의 공차 범위가 ±20% 정도이었으나, 현재 임피던스 조정이 필요한 제품은 회로선폭의 공차범위가 ±10%로 양산되고 있으며, 향후로는 ±5%까지 감소할 필요가 있다. 이와 같이, PCB의 고정밀도, 고밀도화 측면에서의 진보는 더욱 절실히 요구된다고 할 것이다.

일반적으로, 인쇄회로기판은 회로부품을 접속하는 전기배선을 회로설계에 기초하여 배선도형으로 표현하고, 이것을 패턴(pattern)인쇄 및 식각(etching) 등의 기술에 의해 기판 위에 배선도형으로서 완성시킨 것으로, 일반적인 회로 패터닝 공정은 도 1에서와 같이 다음과 같은 공정을 거치게 된다. 즉, 절연체인 에폭시 또는 베이클라이트 수지로 만든 얇은 기판에 구리박을 붙인 후에, 계속하여 구리박으로 남아 있기를 원하는 회로 배선에는 레지스트(resist)를 인쇄한다. 그리고 구리를 녹일 수 있는 에칭액에 인쇄된 기판을 담그면 레지스트가 묻지 않은 부분은 녹게되고 그 후에 레지스트를 제거하면 구리박이 원하는 패턴으로 남게 된다.

이와 같은 종래의 스크린을 이용하여 이루어지는 패턴 인쇄는 스크린을 제작하여야 하는 별도의 공정, 즉, 스크린을 프레임(Frame)에 접착시키는 제판공정을 거쳐, 노광 및 현상 공정을 수행하여 제작된다.

따라서, 스크린을 제작하기 위하여 많은 투자시설이 필요하며, 인력 및 시간 또한 많은 낭비를 가져왔고, 또한 스크린으로 인쇄를 수행함에 있어, 인쇄되는 상의 정확성이 결여되고, 또한 미세한 상의 인쇄는 어려웠다. 즉, 스크린을 기판에 밀착시켜 인쇄를 수행하는 스크린의 스퀴즈(Squeegee)의 압력으로 인해 인쇄되는 상의 국부적인 변형 및 손상이 일어나는 것인데, 최근의 인쇄회로기판의 미세화를 고려할 경우, 인쇄되는 상의 국부적인 변형 및 손상은 치명적인 불량을 초래한다. 특히 양면인쇄회로기판의 경우에는 인쇄되는 상의 앞면과 뒷면, 즉 양면에서 인쇄되는 상의 정확한 위치에 인쇄되어야하는데 스크린을 이용한 인쇄는 일면에 인쇄를 수행한 후 나머지 일면을 수행하기 때문에 양면의 인쇄상을 일치시키는 것은 많은 기술적 어려움이 따른다. 또한 스크린을 이용하여 인쇄되는 상의 두께가 두껍기 때문에 잉크를 경화시키는 공정에서는 높은 광도와 많은 시간을 필요로 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 기존 반도체 공정에 쓰이는 박막공정(thin film process)이 가능하지만, 이 기술은 마스크(mask) 제작, 포토 레지스트(photo resist) 도포, 노광(exposure), 현상(developing), 식각(etching) 등과 같은 여러 공정을 거치고 고가 장비를 사용해야 한다는 문제점이 존재하며 이런 공정들은 기본적으로 산화력이 높은 화학제인 에칭액을 사용하기 때문에 인체와 자연에 유해한 공정이라는 환경적인 문제점을 본질적으로 해결할 수 없다.

상술한 바와 같이, 화학적 식각에 의한 인체 유해물질 및 산업 폐기물 발생, 제한적인 정밀도의 인쇄 패턴 형성, 공정의 복잡함으로 인한 낮은 생산성 등의 문제점을 갖는 기존의 회로 패터닝 방법에 대한 대안적인 기술로서, 최근에 직접쓰기 기술(direct write technology)이 주목받고 있다.

즉, 도 1에서와 같이 기존의 기술이 여러 공정을 거쳐 표면에 패턴 형상을 구현하는 반면, 직접쓰기기술은 노즐을 통해 분무된 입자들을 기판에 직접 부착시켜 패턴하고자 하는 형상을 구현하는 기술이다. 따라서 기존의 기술에 비해 시간과 경비를 절약할 수 있으며 표면처리를 위한 화학제를 사용하지 않으므로 친환경적이라 할 수 있으며 또한 분무를 통하여 원하는 형상을 얻기 때문에 복잡한 구조의 형상을 만드는데 매우 유리하다.

이러한 직접쓰기기술의 하나로서, 잉크젯(ink-jet)을 이용하는 기술이 개시되어 있다.

한국공개특허공보 제1998-0014807호에 개시된 발명은, 잉크를 기판상에 직접 분사시켜 상(象)의 정확성을 향상시키고 미세한 상까지도 인쇄가 가능하도록 개선 시킨 인쇄회로기판의 인쇄방법에 관한 것으로서, 분사 인쇄부는 압전체를 사용하여 전기를 가하면 압력이 발생하는 현상을 이용하여 잉크를 분사구를 통해 액적형태로 기판상에 분사하며, 자외선 램프(26)를 이용하여 경화를 수행하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 미국특허공보 제5132248호에는 기능성 재료를 함유하는 액체를 잉크젯에 의해 기재(基材)에 직접 패터닝하는 방법이 검토되고 있으며, 예를 들어, 도전성 미립자를 분산시킨 액체를 잉크젯법에 의해 기판에 직접 패턴 도포하고, 그 후 열처리나 레이저 조사를 행하여 도전막 패턴으로 변환시키는 직접쓰기 잉크젯 시스템이 제안되어 있으며, 그 후 미국특허공보 제6227658호, 제6531191호, 제6599582호 등에서도 잉크젯 방식을 이용하여 패터닝하는 방법들이 제안되어 왔다.

또한, 일본특허공개 제2004-146796호(한국공개특허 제2004-0028536호)에서는, 기존의 잉크젯법에 의한 패터닝에서, 기판 표면에 적당한 처리를 행하지 않으면 기판 위에서 액체 방울(액체)의 형상, 치수, 위치 등을 제어할 수 없어, 원하는 형상을 갖는 도전막 패턴의 제작이 곤란해짐을 인식하여, 잉크젯법에 의해 형성되는 막 패턴에 단선이나 단락 등의 결함 발생을 억제하는 막 패턴 형성 방법 및 형성 장치를 제공하기 위해서 액체 방울을 토출하기 전에 기판 위에 표면 처리를 행하는 표면 처리 공정을 구비하여 이루어지고, 이러한 표면 처리 공정에 의해, 기판 위의 액체에 대한 접촉각이 설정되는 방법을 개시하고 있다.

한편, 미국특허공보 제6706234호에서는, 타겟 표면에 소정의 형상으로 패터닝하는 직접쓰기기술이 제안되어 있는데, 여기서 노즐을 통하여 분사되어 증착된 분극화 가능한 재료에 솔벤트 제거공정동안 고전압을 인가하여 증착된 재료를 분극화시키는 것을 그 특징으로 하고 있다.

그러나, 상술된 공보 등에 기재된 잉크젯 또는 노즐관련 기술들은,

(1) 패터닝 라인의 크기 즉 배선밀도(interconnection density)와,

(2) 패터닝 라인의 추종성 즉 단선과 단락 방지, 및

(3) 원하는 위치로의 부착 즉 위치오차(position error) 방지 측면을 모두 만족시키기에는 한계가 있으며, 이러한 잉크젯 방식의 기술적 한계들을 동시에 극복하기 위하여 본원발명은 전기-수력학적 분무(electrohydrodynamic) 방식을 채택하고 있다. 본 출원인이 잉크젯 방식에 비하여 전기-수력학적 분무 방식을 채택한 이유에 대하여는 일반적인 전기-수력학적 분무 원리에 대하여 간략히 살펴본 후에 서술하기로 한다.

전기-수력학적 분무는 기존의 분무 방식에 비해 미세한 액적의 분무가 가능하고 단분산으로 이루어진 입자 분무가 가능하며 표면 부착성이 우수한 분무 방식이다. 정전 분무 방식은 고전압을 전도성 모세관에 인가하여 대상 유체가 접지쪽으로 분무되는 일련의 과정을 의미한다. 즉 정전 분무란 액체의 전도성을 이용하여 단극성 대전 액체를 만들고 전위차에 의해 형성된 전기장에 의해 분무되는 원리이다.

도 2는 전위차 또는 전기장 하에서 유량의 변화에 의해 발생하는 여러가지 모드를 나타낸다. 전기장이 없는 경우(상태 ①) 노즐 출구의 궤면적에서는 정수력학적인 압력과 모세 압력의 평형이 형성되지만 전기장이 있는 경우(상태 ②)는 궤 면상의 표면 전하에 의한 정전기적 압력이 추가되며 일반적인 적하모드에 의해 발생되는 액적의 크기보다 작은 액적이 발생하게 된다. 이러한 궤면 상의 안정된 압력 평형 상태를 지나 궤면 상의 전위가 임계전위 이상으로 커지게 되면 축 상에서 액주의 형태로 유체기둥이 분출되며 이 유체는 대전되어 있으므로 분출된 만큼에 해당하는 전하의 손실을 보상하기 위해서 전도 전류가 흐르게 된다. 이때 상태 ③은 상당히 안정된 상태로 원뿔형 액주모드(cone-jet mode)라 불리며 다른 모드에 비해 액적의 크기 분포가 단분산(monodisperse)에 가까운 분무를 한다. 상태 ④는 불안정 원뿔형 액주 모드로 외부 전기장 또는 공급 유량의 불안정성으로 발생하게 된다. 상태 ⑤는 매우 높은 전압 상태에서 발생하는 모드로 노즐 부근에서 원뿔형태가 없어지고 분무 물질이 여러 개의 젯(jet) 상태로 나누어져 분무되며 액적에 가해지는 큰 자기장으로 인한 대전현상으로 액적 표면에 몰렸던 전하들간의 강한 쿨롱 반발력으로 인하여 액체가 미립화되는 멀티젯 모드가 발생하게 된다.

즉, 정전 분무에 있어서는 인가되는 전압의 크기에 따라 분무되는 형태가 변화되어, 적하모드, 마이크로 적하모드, 원뿔형 액주모드, 불안정 액주모드, 멀티젯 모드 등과 같은 일련의 분무모드를 제어할 수 있게 된다. 이러한 분무모드는 그 용도에 따라 다양하게 응용이 가능하게 된다.

이러한 전기-수력학적 분무의 원리에서 알 수 있듯이, 잉크젯 분사에 비하여 전기-수력학적 분무 방식은, 기본적으로 전압의 제어 및 접지형상의 변화에 따라 다양한 형태의 단분산 입자를 생성시키는 분무형태를 얻을 수 있으며, 특히 원뿔형 액주모드를 이용할 경우 미세하면서도 단락없이 원하는 위치에 소정의 형상 패터닝 이 가능한 장점이 있다.

먼저, 도 3에 도시한 바와 같이 전기-수력학적 분무 방식은 미세 패터닝 가능측면에서 잉크젯 분사보다 유리하다. 즉, 기존의 잉크젯 분사의 경우 도 3 (a)에서 확인되는 바와 같이 노즐의 크기가 발생되는 액적의 크기에 미치는 영향이 절대적이며 발생되는 액적의 크기는 노즐 크기의 약 2배 정도(d=1.89D₀; d는 액적직경이며, D₀는 노즐직경을 의미함)로 형성된다. 따라서 미세한 액적을 분무하기 위해서는 노즐의 크기가 그만큼 작아져야 한다. 하지만 만약 인쇄회로기판을 제조하기 위해 금속, 폴리머, 세라믹 입자를 작은 크기의 노즐을 이용해 분무할 경우 노즐 출구에서 노즐막힘 현상이 발생할 수 있어 노즐 크기를 줄이는 것에 한계가 존재하며 따라서 발생되는 액적의 크기를 줄이는데 한계가 존재한다.

이에 비해, 전기-수력학적 분무 방식은 도 3 (b)에서 확인되는 바와 같이 전기적인 힘을 추가로 이용하기 때문에 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세한 액적을 얻을 수 있으며 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있다. 또한 도 3 (b)에서 확인되는 바와 같이 원뿔형 액주모드의 경우 발생되는 액적의 크기는 노즐의 크기에 의해 좌우되기 보다 액주의 직경(D_j)에 따라 좌우되며 이 액주의 직경은 분무되는 물질의 전기전도도(K)와 유량(Q)에 따라 변하므로 물질의 물성치와 유량 조절을 통해 액주의 직경을 줄일 수 있다. 즉, 노즐 출구의 크기에는 무관하게 액주의 크기를 제어할 수 있으므로, 노즐출구의 막힘현상 없이 미세한 크기의 액주를 형성하여 패터닝할 수 있게 된다.

다음, 도 4에 도시한 바와 같이 전기-수력학적 분무 방식은 라인 패턴의 추종성 즉 '단선과 단락 방지 측면'과, 원하는 위치로의 부착 즉 '위치오차 방지 측면'에서 잉크젯 분사보다 유리하다. 도 4 (a)에 도시된 잉크젯 분사의 경우 작은 크기의 노즐에서 작은 액적을 발생시키더라도 발생된 액적들은 브라운 운동(Brownian motion) 등에 의한 영향으로 원하는 위치에 정확하게 부착되지 못하는 위치 오차가 발생하게 된다. 즉, 서브 마이크론 이하의 액적을 적하모드(drop-by-drop mode)로 분사할 경우 브라운 운동 등에 의하여 일단 액적의 분무궤도 중심축으로부터 벗어난 액적들은 원래의 중심위치로 다시 돌아올 수 없어 위치오차가 발생될 수 밖에 없다. 이에 비하여 도 4 (b)에 도시된 전기-수력학적 분무에 있어서의 인택트 젯(intact jet)의 경우, 액적들이 연결되어 있는 액주형태이기 때문에액주가 외부 힘의 영향으로 인해 중심축으로부터 벗어나도 액주자체가 가지고 있는 표면 장력에 의해 중심축을 따라 정렬하려는 경향을 가지게 되어 필라멘트의 변형이 방지될 수 있어, 원하는 위치에 정확하게 젯이 도달할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 정전 분무를 이용해 금속 등의 입자를 포함하는 용액을 기판에 직접 분사하여 마이크로 크기 라인을 패터닝함으로써, 화학적 에칭이 필요없이 인체 유해물질 및 산업 폐기물 발생을 방지하고 공정의 단순화로 인하여 높은 생산성을 달성할 수 있으며, 접지전극의 형상을 변화시켜 현재보다 정밀도를 향상시킨 인쇄회로 기판을 구현할 수 있으며, 기존의 잉크젯 분사에 비하여 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세하고 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있으며, 특히 원뿔형 액주모드를 이용할 경우 회로 선폭을 대폭 줄이면서도 단락없이 원하는 위치에 패터닝할 수 있는 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치는,
기판상에 입자상 물질을 패터닝하는 패터닝 장치에 있어서,
상기 입자상 물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐;
상기 노즐로부터 이격된 거리에 위치하고, 그 팁(tip)의 직경이 1 내지 1000 ㎛인 원뿔형 접지전극;
상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 상기 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및
상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치를 포함하고,

상기 용액이 분무될 때 상기 전원공급장치로부터 상기 노즐과 상기 원뿔형 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키고, 상기 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 용액을 상기 기판에 부착시키는 것을 특징으로 한다.

삭제

그리고, 상기 원뿔형 접지전극은 텅스텐 재질인 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치를 나타낸다.

본 장치는 노즐(3)로 일정한 유량의 액체를 공급하기 위한 액체공급부, 노즐(3)에 소정의 전압을 공급하여 원하는 전기-수력학적 분무 모드를 구현시키는 전압공급부, 기판(1)을 유지하면서 입력된 형상대로 회로를 패터닝하기 위하여 기판(1)을 이동시키는 정밀이동 스테이지부, 및 정밀이동 스테이지부의 위치 및 이동속도를 제어하기 위한 제어부로 구성된다. 상기 장치는, 클래스 100(0.5 ㎛ 기준)의 청정공간(cleanbooth)의 환경내에 배치된다.

먼저 본 실시예에 사용된 기판(1)은 아세테이트 시트(acetate sheet)를 사용하였다.

액체공급부는, 분무하고자 하는 금속, 세라믹, 폴리머 등으로 이루어진 물질의 유량을 자유롭게 조절할 수 있는 실린지 펌프(5)와, 상기 실린지 펌프(5)로부터 공급되며 이러한 물질이 포함된 액체를 기판(1)상으로 분무하는 노즐(3)로 이루어진다. 정전 분무를 위한 노즐(3)은 스테인레스 재질로서 내경이 0.92 mm, 외경이 1.28 mm의 치수를 갖는다.

전압공급부는, 노즐(3)과 원뿔형 접지전극(6)을 포함하는 전극 및 상기 전극에 전압을 인가하는 전원공급장치(4)를 포함한다. 상기 원뿔형 접지전극(6)은 텅스텐 재질로, 그 팁(tip)의 직경이 1 ㎛의 치수를 가지며, 노즐(3)로부터 2.7 ㎜ 아래에 고정시켰다. 상기 원뿔형 접지전극(6)은, 그 팁 부분이 원뿔형태로서, 형상 및 각각의 치수는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같다. 즉, 접지전극(6)의 형상은 결국 핀 대 핀(pin-to-pin) 전극타입이 된다. 이러한 핀 대 핀 전극타입은 특히 원뿔형 액주모드에서의 액주가 액적으로 분열되지 않고 액주 자체로서 기판에 부착될 수 있는, 즉 인택트 젯(intact jet)을 이용할 수 있는 최적의 전극 타입이 된다.

일반적으로, 원뿔형 액주모드를 이용하여 패터닝을 실시할 경우에는, 수백 ㎛의 선폭을 구현하는데 그쳤으며, 상기 원뿔형 액주모드를 구현하는데 적게는 5 kV에서 최대 20 kV정도의 전압을 공급해야 했다. 이러한 높은 전압의 필요성은 전기-수력학적 분무방식의 적용 가능성을 낮게 하지만, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 핀 대 핀 전극타입의 전기-수력학적 분무방식에서 텅스텐 재질의 미세한 원뿔형 접지전극(6)을 사용함으로써, 낮은 전압에서 50 ㎛ 정도 이하의 선폭을 구현할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 원뿔형 접지전극(6)의 지름이 패턴에 미치는 영향을 보기 위해 팁의 지름이 각각 1 ㎛, 100 ㎛ 및 1000 ㎛인 원뿔형 접지전극을 이용하였다.

상기 노즐(3)과 접지전극(6)은 15 kV까지 공급할 수 있는 전원공급장치(4)와 연결된다. 또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 분무 과정은 고배율렌즈가 장착된 CCD 카메라와 펄스 발생기와 연결되어 있는 백색 LED를 이용해 모니터링 하였다.

본 실시예에서는 세라믹 물질을 분무하기 위해 알루미나 잉크를 사용하였다. 알루미나 잉크는, 50 ㎚ 이하의 입경을 갖는 알루미나를 20 wt%, 물을 78 wt%, 그리고 분산제를 2 wt%의 비율로 섞은 물질을 비드 밀 테이블(bead mill table)을 이용해 24시간 동안 혼합하여 만들었다. 용기내 물질들을 혼합하기 위해 비드가 사용되었으며, 상기 비드는 지르코니아 재질로 3 ㎜의 크기를 갖는다.

혼합된 알루미나 잉크의 물성치들은 표 1에 나타나 있고, 이들은 다양한 측정 장비들을 이용해 측정할 수 있다.

최종적으로 완성된 알루미나 잉크는 실린지 펌프(kds-100, KD Scientific Inc.)를 이용해 일정한 유량으로 노즐(3)로 공급하였다.

제어부의 명령에 따라 물질을 패터닝시키기 위한 정밀이동 스테이지부는 디지털 컨트롤(미도시)과 x-y 두 축의 스테이지(2)로 구성되어 있다. 디지털 컨트롤은 PC와 직접 접속되어 있고 스테이지의 구동을 PC로 조정할 수 있게 해준다. 스테이지(2)는 노즐핀과 접지핀 사이에서 이동될 수 있도록 위치된다.

제어부는 스테이지(2)를 원하는 위치에 이동시키고 속도를 제어할 수 있는 장치이다.

상기 전기-수력학적 분무장치를 이용한 기판에서의 미세 회로 패턴의 구현방법은 다음과 같다.

먼저 알루미나 잉크를 실린지 펌프(5)를 이용해 일정하게 노즐(3)로 공급한 후, 그 분무형태가 원뿔형 액주모드가 되도록 노즐(3)과 접지전극(6)에 전압을 공급한다. 그리고 정밀이동 스테이지(2)를 이용해 기판(1)을 300 ㎜/min의 속도로 이동시켜 도 8에 나타낸 바와 같이 1차원 선을 구현한다. 선이 구현되면 멀티젯 모드가 발생할 때까지 0.5 kV씩 전압을 증가시켜 패터닝을 계속하고, 전압 증가에 의한 선폭 변화를 측정한다. 이와 같은 과정을 원뿔형 접지전극(6) 팁의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때 각각 반복한다.

일반적으로, 전기-수력학적 분무의 원뿔형 액주모드에서 액주지름은 공급전압과 유량에 의해 영향을 받으며, Canan-Calvo 등은 공급전압보다 유량이 액주에 미치는 영향이 더 크다고 주장하였고, 액주지름(d_j)을 수학식 1과 같은 식으로 예측할 수 있다고 하였다.

(ρ: 밀도, ε₀: 진공에서의 유전율, γ: 표면 장력, K: 물질의 전기전도도, Q: 물질의 공급유량)

한편, Hartman 등은 이론적으로 액주지름을 예측할 수 있는 식을 제시하고 실험적으로 유량과 액적 크기 및 액주지름과의 관계를 조사하였는데, 그 식은 수학식 2와 같다.

또한, Fernandez de la Mora와 Loscertales는 분무하고자 하는 유체의 전기전도도가 높은 경우(K > 10^-5 S/m), 액주지름을 하기의 수학식 3과 같이 예측할 수 있다고 하였다.

(ρ: 밀도, ε: 비유전율, ε₀: 진공에서의 유전율, γ: 표면 장력, K: 물질의 전기전도도, Q: 물질의 공급유량)

여기서, 도 9는 상기한 수학식 1, 2 및 3을 통해 계산된 액주지름을 나타내는 그래프로서, 도 9를 참조하여 예측된 값들을 보면 유량이 감소하면 발생되는 액주의 지름이 작아진다는 것과 각각의 식에 의한 예측값이 2배 정도 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 그리고, 유량이 10 ㎕/min일 때 3.5 ㎛ 미만의 액주를 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 실시예에서는 원뿔형 접지전극(6)의 팁 직경 변화에 의한 전기장 변화를 예측하기 위해, 하기의 수학식 4에 나타난 포아송 공식을 이용하여 전기장을 계산하였다.

(ρ: 체적 전하 밀도, V: 전압, ε₀: 진공에서의 유전율, ε_r: 비 유전율)

본 계산에서는, 기판(1) 위에 위치한 노즐(3)을 내경이 존재하지 않는 지름 0.92 ㎜의 막대로 가정하였고, 원뿔형 접지전극(6)의 팁 직경은 각각 1 ㎛, 100 ㎛ 및 1000 ㎛로 계산하였으며, 노즐(3)과 원뿔형 접지전극(6)의 길이를 모두 1 mm로 가정하였고 실험과 같은 재질로 계산하였다. 노즐(3)과 기판(1), 그리고 기판(1)과 원뿔형 접지전극(6)의 간격은 실험 조건과 같다. 노즐(3)과 접지전극(6) 사이에 위치한 기판(1)은 가로×세로×두께가 각각 60×80×0.1 ㎜이다. 계산은 유한 요소법(finite element method)을 기본으로 한 상용 맥스웰(Maxwell) 프로그램(Ansoft Corporation)을 사용하였다. 전기장 계산을 위해 노즐(3)과 원뿔형 접지전극(6) 사이에 3 kV의 전압을 공급한 조건에서 계산하였다.

도 10은 원뿔형 접지전극 팁(tip)의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 노즐의 팁에서 원주방향으로의 전기장 강도를 나타내는 그래프로서, 도 10으로부터 전체적으로 노즐로부터 거리가 멀어질수록 전기장의 강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 원뿔형 접지전극(6)의 직경이 클 때에, 노즐(3) 팁에 부과되는 전기장의 강도가 증가하며 이 경향은 노즐(3)로부터 거리가 멀어져도 유지됨을 알 수 있다. 노즐(3) 팁 전기장을 비교해 보면, 원뿔형 접지전극(6)이 1 ㎛일 때 1.67×10⁶ V/m, 100 ㎛일 때 2.45×10⁶ V/m, 그리고 1000 ㎛일 때 2.91×10⁶ V/m로 원뿔형 접지전극(6)의 팁 직경이 증가함에 따라 노즐(3) 팁 전기장 강도가 증가하며, 증가율이 가장 낮은 1 ㎛일 때를 시작으로 각각 46% 및 19%씩 증가했음을 알 수 있다.

도 11은 원뿔형 접지전극 팁의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 접지전극의 팁에서 원주방향으로의 전기장 강도를 나타내는 그래프로서, 약 0.5 ㎜까지는 노즐(3) 부근의 결과처럼 원뿔형 접지전극(6)의 팁 지름이 크면 원뿔형 접지전극(6)에 부과되는 전기장의 강도가 증가하는 경향을 나타낸다. 하지만 원뿔형 접지전극(6) 부근에서는 노즐(3)의 경향과 달리 작은 직경의 원뿔형 접지전극(6)에서 큰 전기장이 부과된다.

원뿔형 접지전극(6)의 팁에 부과되는 전기장 강도를 접지전극(6) 지름에 따라 비교해보면, 도 10의 경향과 달리 전기장 강도가 1 ㎛일 때 9.52×10⁸ V/m, 100 ㎛일 때 3.23×10⁷ V/m, 그리고 1000 ㎛일 때 4.05×10⁶ V/m로 원뿔형 접지전극(6)의 직경이 작아짐에 따라 매우 크게 증가한다는 것을 알 수 있으며, 증가율이 가장 낮은 1000 ㎛일 때를 시작으로 각각 697% 및 2847%씩 증가했음을 알 수 있다. 이는 노즐(3) 부근의 전기장 강도 변화율에 비해 매우 큰 것이다. 이를 통해, 원뿔형 접지전극(6)의 팁 직경이 작으면 원뿔형 접지전극(6) 팁에 부과되는 전기장의 강도를 크게 증가시킬 수 있고, 원주방향 전기장 강도는 낮출 수 있음을 알 수 있다.

그리고 본 실시예에서는, 전기-수력학적 분무의 원뿔형 액주모드를 이용한 패터닝을 하기 위해 물질의 공급 유량을 10 ㎕/min로 고정하였다. 이 때, 도 12는 원뿔형 접지전극 팁의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛일 때, 원뿔형 액주모드에서 발생되는 젯을 이용하여 기판상에 패터닝한 결과를 나타내며, 도 13은 원뿔형 접지전 극 팁의 직경이 1 ㎛일 때 패터닝된 라인을 전자현미경으로 확대한 결과를 나타낸다.

즉 본 실시예에서는 원뿔형 액주모드를 1, 100, 1000 ㎛의 원뿔형 접지전극(6) 하에서 구현하였고, 발생되는 젯을 이용해 표면에 도 12와 같은 1차원 패턴을 형성하였다. 일정한 전압에서 기판상에 패턴이 구현되면 0.5 kV씩 공급 전압을 증가시키고, 멀티젯 모드가 발생할 때까지 패터닝을 실시하였다. 도 12로부터 1 ㎛의 팁 직경을 가진 원뿔형 접지전극(6)을 사용했을 경우, 가장 작은 선폭의 패턴이 형성됨을 알 수 있다. 본 실시예에서는 1 ㎛의 팁 직경을 가진 원뿔형 접지전극(6)을 사용하고, 3 kV의 공급전압 조건일 때, 약 30 ㎛ 이하의 선폭을 갖는 라인을 얻을 수 있었다. 이때, 패턴된 라인을 도 13과 같이 전자현미경을 이용해 확대한 결과, 세라믹 입자들이 하나의 라인의 형태로 모여 있음을 확인할 수 있었다.

본 실시예에서 모든 실험은 3회 실시하였으며, 평균값들의 추세를 추세선으로 값들의 오차를 오차막대(error bar)로 나타냈다.

도 14 (a)는 1 ㎛의 원뿔형 접지전극을 이용해 기판에 패터닝한 라인의 선폭을 분석한 것으로서, 추세선을 기준으로 20 ㎛ 내지 50 ㎛대의 선폭이 구현되었음을 알 수 있다. 그리고, 도 14 (b)는 100 ㎛의 원뿔형 접지전극을 이용해 패터닝한 결과로, 40 ㎛ 내지 80 ㎛ 대의 선폭이 구현되었음을 알 수 있으며, 14 (c)는 1000 ㎛의 원뿔형 접지전극을 이용해 패터닝한 결과로, 50 ㎛ 내지 70 ㎛대의 선폭이 구현되었음을 알 수 있다. 전체적으로 전압의 증가에 의해 선폭이 증가하는 경향을 보였으나, 1000 ㎛ 원뿔형 접지전극의 경우, 선폭의 증가율이 다른 전극의 결 과에 비해 낮았다.

도 15는 패터닝되기 시작하는 시점의 전압(threshold voltage)을 접지전극의 크기별로 비교한 것으로, 1 ㎛의 원뿔형 접지전극을 사용했을 때, 가장 낮은 전압(2 kV)에서 패턴이 형성했음을 알 수 있다. 그리고, 패턴이 발생되는 전압은 원뿔형 접지전극(6)의 지름이 클수록 높아졌다. 이는, 접지전극(6)이 작아지면 접지전극(6)에 높은 전기장이 형성되는 것에 기인되는 것으로 볼 수 있다.

도 16은 패턴 선폭의 표준편차를 접지전극의 크기별로 나타낸 것으로, 전극의 지름이 작을수록 낮은 표준편차를 보였으며, 1 ㎛일 때 가장 낮았다. 이는 접지전극(6)의 지름이 1 ㎛일 때 선폭이 가장 균일하게 패터닝되었음을 말한다.

이와 같이, 본 실시예에서는 전기-수력학적 분무방식 중 하나인 원뿔형 액주모드를 이용하여 마이크로 크기의 매우 작은 액주를 발생시키고, 상기 액주를 이용하여 50 ㎛ 미만의 선폭을 가지는 패턴을 기판상에 구현할 수 있었다. 하지만, 액주는 주변 전기장에 의해 큰 영향을 받으며 특히 원주방향 전기장의 강도는 도 17에 나타낸 바와 같이, 기판(1)표면부근에서 액주 분열(jet break-up) 현상을 일으키기 때문에, 최적의 패턴을 구현하기 위해서는 액주 분열 현상을 감소시켜야 한다. 하기의 수학식 5는 기판표면에 부착된 패턴 크기를 이용해 액주지름을 예측할 수 있는 식이다.

(d_r: 패턴된 낱알의 크기 또는 패턴의 선폭, θ: 표면에서의 접촉각(contact angle))

본 실시예에서 사용된 물질의 접촉각은 아세테이트 기판표면에서 약 35°이다. 수학식 5는 실험 결과인 패턴된 선폭을 이용해 액주지름을 유추하므로 식을 이용해 계산된 결과를 수학식 1, 2 및 3의 결과와 비교하면 본 실시예를 통해 발생된 액주 분열 정도를 판단할 수 있다. 본 실시예에서 패턴된 라인의 선폭 분석결과(도 14 (a)에서 2 kV, 접지전극 1 ㎛의 경우)와 상기 수학식 5를 이용하여 유추한 액주지름은 약 7 ㎛이다. 이는, 도 8에서 공급유량 10 ㎕/min일 경우 이론적으로 예측된 3.5 ㎛ 미만에 2배 정도 차이가 있는 값이다. 이 결과는 기존의 연구결과(약 7배)와 비교했을 때 3배 이상 액주 분열 현상을 줄인 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 세라믹 물질을 전기-수력학적 분무방식을 이용하여 패터닝하였으며, 이를 위해 핀 대 핀 방식의 전기-수력학적 분무에서 원뿔형 접지전극(6)을 사용하였고, 그 팁의 직경이 각각 1, 100, 1000 ㎛인 전극을 이용하여 미세 패턴을 구현하였다. 특히, 1 ㎛의 팁 직경을 갖는 원뿔형 접지전극(6)을 사용하여 패터닝할 경우, 30 ㎛ 이하의 선폭을 구현할 수 있었고, 패턴의 표준편차가 가장 낮았으며 이는 가장 높았던 1000 ㎛보다 2배 정도 낮았다. 그리고, 패터닝되기 시작하는 공급전압 또한 2 kV로 1000 ㎛때의 공급전압인 9 kV 보다 4배 이상 낮음을 확인할 수 있었다. 즉, 본 실시예에서는 접지전극의 직경을 줄임으로써, 낮은 공급전압에서 패턴의 균일도를 증가시킬 수 있었다.

또한, 물질의 조성만으로 예측한 액주지름은 3.5 ㎛ 미만이다. 본 실시예에서 1 ㎛의 팁 직경을 가진 원뿔형 접지전극을 이용해 얻은 패턴으로 유추한 액주지름은 7 ㎛로 약 2배 정도의 분열이 있었음을 알 수 있었으며, 기존의 연구 결과에 비해 3배 정도 액주 분열 현상을 감소시킬 수 있었다. 따라서, 본 실시예에서와 같이, 접지전극의 직경을 줄일 경우 액주 분열 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

금속, 세라믹, 폴리머 등의 물질을 노즐을 통해 분무하여 인쇄기판 회로를 제조할 경우 발생되는 액적의 크기를 줄이고 발생된 액적을 원하는 위치에 오차없이 부착시켜야 한다. 이는 최근 시장에서 요구되고 있는 작은 선폭과 높은 밀도의 실장 능력의 인쇄회로기판을 요구하고 있기 때문이다. 기존의 미세한 액적을 얻기 위한 노즐의 경우 수력학적인 힘만을 고려할 경우 노즐의 크기가 액적의 크기에 미치는 영향이 절대적이며 발생되는 액적의 크기는 노즐 크기에 약 2배 정도로 형성 된다. 따라서 미세한 액적을 분무하기 위해서는 노즐의 크기가 그만큼 작아져야 한다. 하지만 너무 작은 크기를 가진 노즐을 이용할 경우 노즐 출구에서 노즐막힘 현상이 발생할 수 있어 노즐 크기를 줄이는 것에 한계가 존재한다.

또한 기존의 잉크젯 방식의 경우 표면에 선폭을 줄이기 위해 분사되는 액적의 크기를 줄여야 하는데, 이 경우 작은 액적들이 공기 중에서 브라운 운동 등에 의한 영향으로 표면에 소정의 정확한 위치에 부착되지 못하는 위치 오차가 발생되 게 된다.

그러나, 본원발명과 같이 전기-수력학적 분무방식을 이용할 경우 전기적인 힘을 추가로 이용하기 때문에 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세한 액적을 얻을 수 있으며 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 또한 작은 크기의 액적을 원하는 곳에 위치 오차 없이 부착시킬 수 있다.

그리고, 본원발명과 같이 전기-수력학적 분무방식을 이용할 경우 표면에 전극의 형상을 원하고자 하는 패턴의 형태에 따라 다양하게 변화 시킬 수 있어 위치오차를 감소시킬 수 있으며, 하나의 노즐에서 적하모드만을 구현하는 잉크젯 방식과 달리 전극 형상 변환을 이용해 하나의 노즐에서 멀티젯, 적하 모드 등을 다양하게 구현할 수 있다.

특히, 본원발명과 같이 접지전극의 형상을 원뿔형태로 구현하고, 그 직경을 더욱 감소시킬 경우, 수십 ㎛ 미만의 매우 미세한 선폭을 균일하게 구현할 수 있고, 패턴을 형성시키는데 필요한 전압을 감소시킬 수 있으며, 액주 분열 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

삭제
기판상에 입자상 물질을 패터닝하는 패터닝 장치에 있어서,

상기 입자상 물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐;

상기 노즐로부터 이격된 거리에 위치하고, 그 팁(tip)의 직경이 1 내지 1000 ㎛인 원뿔형 접지전극;

상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 상기 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및

상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치를 포함하고,

상기 용액이 분무될 때 상기 전원공급장치로부터 상기 노즐과 상기 원뿔형 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키고, 상기 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 용액을 상기 기판에 부착시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치.
제2항에 있어서,

상기 원뿔형 접지전극은 텅스텐 재질인 것을 특징으로 하는 마이크로 크기 라인 형성을 위한 패터닝 장치.