KR100783297B1 - 마스크 증착 공정에 사용되는 실리콘 마스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마스크 증착법에 사용되는 새로운 마스크 및 그의 제조 방법에 관한 것으로 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)를 마스크 기재로 사용하여 제조되는 증착용 마스크 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 실리콘 마스크는 개구부의 단면이 특징적인 경사각을 가지는 역사다리꼴 모양으로 10㎛ 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있으며, 열에 의한 변형이 적어 미세하고 정밀도가 높은 패턴을 형성할 수 있는 장점을 가지고 있다.

마스크 증착법, 실리콘 마스크

Description

마스크 증착 공정에 사용되는 실리콘 마스크{Silicon mask for mask-deposition process}

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 마스크 제조 공정을 나타낸 개요도이고,

도 2는 본 발명에 따른 실리콘 마스크를 이용한 마스크 증착 공정을 나타낸 개요도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 실리콘 웨이퍼 2 : 감광성 수지 3 : 기판

4 : 금속 패턴 10: 실리콘 마스크

본 발명은 기판 상에 물리적 또는 화학적 증착법에 의해 막을 형성하는 성막 공정에서 금속막, 유전체막 또는 투명 도전막 등의 얇은 막을 패턴 형성하는 경우에 이용하는 마스크에 관한 것이다.

근래에는 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 전계 방출 표시장 치(Field Emission Display; FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel; PDP), 유기 EL(Electro-Luminescence) 등과 같은 다양한 평판 디스플레이 장치들 또는 각종 반도체 부품이 개발되어 사용되고 있으며, 부품의 소형화, 고화질의 디스플레이 제품에 대한 요구에 대응하기 위해 배선 패턴이나 혹은 그 밖의 패턴 피치의 미세화가 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.

디스플레이 장치 또는 반도체 부품을 생산하는 공정에서 미세한 패턴을 형성하는 방법은 포토리소그래피법, 스크린 인쇄법 및 마스크 증착법의 세가지로 대별되지만, 그 중에서도 마스크 증착법은 필요한 정밀도의 마스크가 얻어지면, 미세한 패턴을 정밀하게 형성할 수 있어, 고정밀도, 저가격 및 신뢰성의 면에서 볼 때 가장 우수하여 폭넓게 적용되고 있다. 즉, 마스크 증착법은 성막 공정시 통상적으로 메탈 마스크라고 불리는 마스크를 사용하여 성막과 동시에 패턴을 형성하게 되므로포토리소그래피 공정에 비해 공정이 간단하고 다양한 종류의 막에 적용할 수 있는 장점이 있으며, 스크린 인쇄법에 비해 미세한 패턴을 구현할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 성막 공정에서 사용하는 마스크는 메탈 마스크라고 하며, 주로 철, 구리 합금, 니켈 합금, 알루미늄 합금 등의 금속 재료가 사용된다. 이러한 메탈 마스크에 패턴을 형성하는 방법은 부식에 의한 화학적인 가공방법을 사용하거나 또는 레이저 가공 등의 물리적인 방법이 사용된다. 상술한 바와 같이 마스크 증착법은 비교적 미세한 패턴을 정밀하게 얻을 수 있지만, 그러기 위해서는 정밀도가 높은 마스크가 우선적으로 필요하게 된다. 정밀도가 높은 메탈 마스크를 제조하기 위해서는 메탈 마스크의 두께를 낮추거나, 패턴 가공방법을 개선하는 방법 등이 공 지되어 있으며, 메탈 마스크를 이용한 패턴 형성시 기판과의 밀착성을 향상시키기 위해 기판에 자석을 배치하고 자석의 자력에 따라 메탈 마스크와 피증착 기판을 밀착 유지하고, 증착을 행하는 방법이 알려져 있다.

그러나, 메탈 마스크를 사용하는 마스크 증착법에서 메탈 마스크의 두께가 높을 경우 증착 그늘이 발생하여 정밀도를 낮추기 때문에 가능한 한 두께를 낮추는 것이 바람직하나, 두께를 낮추는 경우에는 강도가 부족하고, 휘기 쉬운 단점이 있어 한계가 있다. 또한 메탈 마스크에 패턴을 가공하는 방법은 부식 등의 화학적인 방법이나, 레이져를 이용하는 물리적인 방법을 사용할 수 있으나, 이러한 금속 재질의 메탈 마스크에 있어서 종래의 가공 방법에 의해서는 10㎛ 이하의 미세 패턴을 형성할 수 없는 한계가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 10㎛ 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있는 증착용 마스크를 제공하는 데 있다.

또한, 패턴 그늘에 의해 정밀도가 낮아지는 것을 개선하고, 열에 의한 변형이 적어 마스크 증착법에 사용되어 형성되는 패턴의 정밀도가 높은 증착용 마스크 및 그의 제조방법을 제공하는 데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

본 발명자들은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 노력한 결과 통상적으로 사용하는 금속 재질의 메탈 마스크 대신에 실리콘 웨이퍼를 마스크 기재로 사용하여 마스크를 제조한 결과 10㎛ 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있고, 패턴 그늘 현상을 해소할 수 있으며, 열에 의한 변형이 적어 미세하고 정밀도가 높은 패턴을 형성할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 마스크 증착법에 사용되는 새로운 마스크 및 그의 제조 방법에 관한 것으로 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)를 마스크 기재로 사용하여 제조되는 증착용 마스크 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 증착용 마스크의 제조방법을 제공한다.

a) 실리콘 웨이퍼 상에 포토리소그래피 공정을 이용하여 감광성 수지 패턴을 형성하는 단계;

b) a) 단계 후 실리콘 웨이퍼를 식각하여 실리콘 웨이퍼를 관통하는 개구부를 형성하는 단계; 및

c) b) 단계 후 실리콘 웨이퍼 상의 감광성 수지를 제거하는 단계.

또한, 본 발명은 상술한 증착용 마스크 제조방법에 의해 제조된 실리콘 마스크를 제공하며, 상기 실리콘 마스크를 사용하는 패턴 형성 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 증착용 마스크는 종래의 금속 재질의 메탈 마스크와 달리 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)를 사용하여 제조된 실리콘 마스크로서, 금속 재질이 가지고 있었던 문제점을 개선하고 또한 실리콘 웨이퍼의 특성을 이용하여 미세 패턴을 정밀하게 형성할 수 있는 새로운 증착용 마스크이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 실리콘 마스크의 제조방법은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

a) 실리콘 웨이퍼 상에 포토리소그래피 공정을 이용하여 감광성 수지 패턴을 형성하는 단계;

b) a) 단계 후 실리콘 웨이퍼를 식각하여 실리콘 웨이퍼를 관통하는 개구부를 형성하는 단계; 및

c) b) 단계 후 실리콘 웨이퍼 상의 감광성 수지를 제거하는 단계.

본 발명에 따른 실리콘 마스크의 제조방법의 특징은 첫째, 실리콘 웨이퍼를 기재로 사용한다는 것이다. 통상적으로 실리콘 웨이퍼는 단결정 실리콘 웨이퍼를 의미하며, 그 중에서도 실리콘 웨이퍼 표면의 결정면이 <100>인 것이 바람직하다.

상기 a) 단계에서 실리콘 웨이퍼 상에 감광성 수지 패턴을 형성하는 방법은 감광성 고분자 층을 실리콘 웨이퍼 상에 형성한 후 노광, 현상의 공정으로 진행하는 것으로 감광성 고분자층은 포토레지스트 물질을 도포하여 경화하여 형성하거나 드라이필름 레지스트를 이용할 수 있다.

상기 b) 단계에서 감광성 수지 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 식각하여 개구부를 형성하는 공정은 강염기성 수용액, 예를 들어 수산화칼륨 수용액에 의해 이루어지며, 식각 공정에 의해 형성되는 개구부의 수직 단면은 상부는 넓고 하부는 좁아지는 역사다리꼴 형태이며, 개구부의 경사면과 실리콘 웨이퍼 하부면이 이루는 각도가 54.7도인 것을 특징으로 한다.

이러한 식각 패턴을 형성하는 것은 실리콘 결정면에 따른 식각속도의 차이에 기인한다. 실리콘의 결정구조는 하부 격자에 동일한 원자가 있는 섬아연광 격자(zinc-blende lattice)이다, 실리콘 결정은 수 개의 면을 따라 지향될 수 있다. 이러한 면들은 좌표에 표시된다. 예를 들어 <100>, <110> 및 <111>은 모두 실리콘 결정 내에서 서로 다른 결정면이다. 단결정을 식각할 때, 강염기성 식각액을 사용하면, 실리콘의 식각 속도는 실리콘의 결정면 방향에 높게 의존한다. ＜100＞ 및 ＜110＞ 면은 ＜111＞ 면 보다 훨씬 빨리 식각한다. 따라서 단결정 실리콘을 사용하면 식각에 의해 형성되는 개구부의 경사면이 ＜111＞ 면이 되고, 실리콘 웨이퍼의 하면과 개구부 경사면이 이루는 각도는 54.7도가 된다. 따라서, 실리콘 웨이퍼를 관통하는 개구부의 하부 패턴 폭(x)은 상부 패턴폭(a) 및 실리콘웨이퍼의 두께(d)로부터 하기 수학식에 의하여 결정되게 된다. 실리콘 웨이퍼의 두께는 식각 후의 웨이퍼의 두께로서 식각액에 의해 에칭되는 속도를 고려하면 초기 두께로부터 식각 후의 웨이퍼 두께를 계산할 수 있다.

[수학식]

x = a - 2 × (d/tan(54.7°))

상기 강염기성 식각액은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 이의 혼합물을 함유하는 것이 바람직하고, 적절한 식각 속도를 유지하기 위해서는 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 이의 혼합물의 함량이 10 내지 50중량%인 것이 적절하다. 상기 함량이 10중량%보다 적은 경우에는 식각속도가 느려서 경제적이지 못하고, 상기 함량이 50중량%를 초과하는 경우에는 식각속도가 너무 커서 결정면에 대한 선택성이 저하될 수 있어 바람직하지 못하다. 또한, 강염기성 수용액에는 추가적으로 염산과 같은 산 성분을 첨가하여 염을 형성하는 것이 식각 선택성을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.

본 발명에서 사용하는 실리콘 웨이퍼는 단결정 웨이퍼로 상부 표면이 결정면 <100>와 평행한 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하고, 두께는 0.3 내지 1.0mm 정도의 범위를 가진다. 상기 두께가 0.3mm 보다 얇은 경우 실리콘 웨이퍼의 두께가 너무 얇아져서 내구성에 문제점이 발생할 수 있으며, 상기 두께가 너무 두꺼운 경우에는 식각 공정 시간이 길어져서 경제적이지 못하다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 마스크 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼는 상부면은 연마된(polished) 면이고, 하부 면은 조도(roughness)화된 면일 수 있다. 하부면이 조도화되는 경우 마스크 증착법에 의한 성막 공정 후 실리콘마스크와 기판과의 부착에 의한 문제점을 개선할 수 있는 장점이 있다.

아래에 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한 정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 1에 실리콘 마스크를 제조하는 공정을 간략히 나타내었다. 도 1을 참조하여 설명하면, 0.6mm 두께, 표면의 결정면이 <100>인 단결정 실리콘 웨이퍼(1) 상에 드라이필름 레지스트의 보호 필름을 박리하면서 실리콘 웨이퍼 표면에 부착한 후 노광 및 현상 공정을 거쳐 감광성 수지 패턴(2)을 형성하였다. 감광성 수지의 패턴사이의 폭이 각각 855㎛, 900㎛ 및 1000㎛가 되도록 형성하였다.

강염기성 식각액은 KOH 20wt%, NaOH 5wt% 이고, HCl의 함량이 식각액의 5wt%가 되는 양으로 진한 염산을 첨가, 혼합하여 제조하였다.

상기 식각액에 감광성 수지 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 침지하여 45℃ 온도에서 30분간 식각한 후, 탈이온수로 세정하고, 건조한 후, 감광성 수지 박리액에 침지하여 감광성 수지를 제거함으로써 관통형 개구부를 갖는 실리콘 마스크(10)를 제조하였다. 실리콘 마스크(10)의 관통형 개구부의 단면을 절단하여 확인한 결과 감광성 수지 패턴 사이의 폭이 1000㎛인 경우에 관통형 개구부의 하부 폭이 150㎛였으며, 감광성 수지 패턴 사이의 폭이 900㎛인 경우에 하부 개구부의 폭이 50㎛, 감광성 수지 패턴 사이의 폭이 855㎛인 경우에 하부 개구부의 폭이 5㎛로 형성되는 것을 확인하였다.

상기 실리콘 마스크(10)를 이용한 마스크 증착 공정을 도 2에 나타내었다. Ti 스퍼터(sputter) 공정을 진행하는 설비에 유리 기판(3) 상에 실리콘 마스크(10) 를 적층한 후 스퍼터 공정을 진행한 후 마스크를 제거한 결과 실리콘 마스크의 하부 개구부의 폭에 따라 Ti 패턴(4)이 형성되는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 실리콘 마스크는 스퍼터 공정과 같은 증착 공정에서 물리적인 충격이나 열적인 스트레스에 안정한 장점이 있으며, 10㎛이하의 미세 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 실리콘 마스크는 개구부의 단면이 특징적인 경사각을 가지는 역사다리꼴 모양으로 10㎛ 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있으며, 열에 의한 변형이 적어 미세하고 정밀도가 높은 패턴을 형성할 수 있는 장점을 가지고 있다.

Claims (10)

1. a) 실리콘 웨이퍼 상에 포토리소그래피 공정을 이용하여 감광성 수지 패턴을 형성하는 단계;

   b) a) 단계 후 실리콘 웨이퍼를 식각하여 실리콘 웨이퍼를 관통하는 개구부를 형성하는 단계; 및

   c) b) 단계 후 실리콘 웨이퍼 상의 감광성 수지를 제거하는 단계;

   를 포함하여 제조되며,

   상기 실리콘 웨이퍼는 표면이 <100> 결정면인 단결정의 실리콘 웨이퍼이고, 상기 개구부의 수직 단면은 상부는 넓고 하부는 좁아지는 역사다리꼴 형태로써 상기 개구부의 경사면이 <111> 결정면이고, 개구부의 경사면과 실리콘 웨이퍼 하부면이 이루는 각도가 54.7도이며, 상기 실리콘 웨이퍼를 관통하는 개구부의 하부 패턴 폭(x)은 상부 패턴 폭(a) 및 실리콘 웨이퍼의 두께(d)로부터 하기 수학식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 마스크 증착용 실리콘 마스크의 제조방법.

   [수학식]

   x = a - 2×(d/tan(54.7°))
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 개구부는 강염기성 식각액으로 식각되어 형성되는 것을 특징으로 하는 마스크 증착용 실리콘 마스크의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 강염기성 식각액은 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 이의 혼합물을 함유 하는 것을 특징으로 하는 마스크 증착용 실리콘 마스크의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 실리콘 웨이퍼는 두께가 0.3 내지 1.0mm인 것을 특징으로 하는 마스크 증착용 실리콘 마스크의 제조방법.
9. 제1항, 제 3항, 제 4항 또는 제 8항에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 마스크 증착용 실리콘 마스크.
10. 제 9항의 실리콘 마스크를 사용하는 마스크 증착법에 의해 기판 상에 금속 배선을 형성하는 방법.

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