KR100833017B1 - 직접 패턴법을 이용한 고해상도 패턴형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판을 제공하는 제1단계; 직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 희생층에 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈을 형성하는 제2단계; 및 제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질을 상기 패턴 홈에 충진하는 제3단계를 포함하여, 기판상에 제2물질로 패턴을 형성하는 방법 및, 상기 방법에 따라 프리패턴이 형성된 기판을 제공한다.
본 발명에 따른 패턴 형성 방법은 패턴 형성용 제2물질의 낭비 없이 또는 최소화한 채 고해상도의 패턴을 얻을 수 있으므로 생산비용을 절감할 수 있으며, 잉크젯 방식과 같이 저해상도를 갖는 제2수단과 레이저 등의 집속가능한 에너지 빔과 같이 고해상도를 갖는 제1수단을 접목함으로써 고해상도의 패턴을 높은 공정효율로 생산할 수 있다.
고해상도 패턴, 희생층

Description

직접 패턴법을 이용한 고해상도 패턴형성방법 {Method for preparing a high resolution pattern with direct writing means}
도 1은 종래의 잉크젯 패턴법에 의해 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 2는 종래의 레이저 패턴법에 의해 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 패터닝 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따라 부분적으로 고해상도 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 5와 도 6은 각각 희생층 형성용 물질로 저분자계열과 고분자계열을 사용했을 때 레이저로 패턴 형성용 재료가 적층될 부분을 제거했을 때의 양상을 나타낸 것이다.
도 7과 도 8은 각각 저분자계열과 고분자계열의 희생층 형성용 물질을 사용했을 경우의 실시예의 순서도이다.
도 9는 본 발명에 기술된 방법을 이용한 최소선폭 가능성을 입증하기 위한 실험 데이터로써, 희생층과 불필요한 기능성 재료가 제거되기 전의 패턴모습이 도시된 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1…잉크젯 프린트 헤드와 그에 의해 생성된 잉크방울
10...기판
20...잉크젯에 의해 형성된 기능성 재료의 저해상도 패턴
21...본 발명에 의해 형성된 기능성 재료의 고해상도 패턴
30...희생층 31...부분적 제거영역 40...기능성 재료
본 발명은 고해상도 패턴형성방법 및 상기 방법에 따라 프리패턴이 형성된 기판에 관한 것이다.
전자소자에 사용되는 고해상도의 패턴을 형성하는 방법으로는 종래에 포토리소그라피가 가장 많이 사용되어 왔으나 재료낭비가 많고, 다단계 공정이며 포토레지스트, 현상액 혹은 식각용액을 사용하는 등 공정이 복잡하기 때문에 공정효율이 떨어지며, 대면적 마스크를 사용해야 하기 때문에 새로운 설계를 최단시간내에 생산라인에 적용하는데에 어려움이 있다는 등의 단점이 있었다. 따라서, 포토리소그라피의 이러한 단점들을 극복하기 위해, 적은 공정수와 재료낭비를 최소화한 채로 마스크없이 직접적으로 기판상에 패턴을 행할 수 있는 방법으로서 잉크젯 패턴법이 개발되었다.
EP-A-O 880303 및 대한민국 공개특허공보 제2004-28972에는 마스크를 사용하 지 않고 잉크젯 방법에 의해 직접 패턴을 형성하는 방법이 알려져 있으며, 도 1에 상기 잉크젯 방법을 통해 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략적인 순서도를 도시하였다. 그러나, 마이크로 일렉트로닉스 등의 미세소자에 적용하기에는 해상도가 너무 낮으며, 잉크방울이 작아질수록 패턴의 위치오차가 기판에 적층될 잉크방울에 비해 상대적으로 증대하여 치명적인 단락(open circuit) 혹은 합선(short circuit)을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있었다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제2000-5446호에는 레이저를 이용하여 직접 패터닝을 형성하는 방법이 개시되어 있으며, 도 2에는 상기 레이저 패턴법에 의해 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략적인 순서도를 도시하였다. 도 2를 참조하면, 전사필름 상에 LTHC(light-to-heat conversion) 물질을 스핀코팅법 등으로 코팅하여 LTHC 층(전사층)을 형성한 후, 기능성 재료 및 점착조절용 첨가제를 혼합한 조성물을 상기 LTHC 상부에 스핀코팅법 등으로 코팅함으로써 도너 필름을 제작한 다음 이를 기판과 점착시키고, 레이저를 조사함으로써 패턴을 전사시킨 후, 최종적으로 전사후의 도너 필름을 제거하는 것에 의해 고해상도의 패턴을 제작할 수 있다. 그러나, 도너 필름을 별도로 제작해야 하기 때문에 제조단가가 상승되며, 도너필름 전체에 패턴화시킬 기능성 재료를 코팅해야 하므로 기능성 재료의 낭비가 심하고, 기능성 재료에 첨가되는 첨가제에 의한 재료특성의 저감, 또는 도너필름과 기판의 점착시 기판과 도너필름 간의 오염문제, 레이저에 의해 발생된 높은 온도에 의한 재료 열화 등이 발생할 염려가 있었다.
한편, 레이저를 이용한 다른 패턴형성방법으로는 레이저 어블레이션을 들 수 있는데, 이는 어블레이션을 할 패턴의 재질에 따라 사용되는 레이저 파장에 대한 효율이 다르며, 레이저 사용량을 미세하게 조절할 필요가 있고, 다층구조의 패터닝시 패턴 또는 이미 적층되어 있는 하부패턴의 손상염려가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 고해상도의 패터닝이 가능하며, 공정효율이 높고 고비용의 기능성 재료의 낭비가 적은 패턴형성 방법 및 상기 패턴형성 방법에 따라 프리패턴이 형성된 기판을 제공하고자 한다.
본 발명은 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판을 제공하는 제1단계; 직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 희생층에 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈을 형성하는 제2단계; 제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질을 상기 패턴 홈에 충진하는 제3단계; 및 선택적으로 잔여 희생층을 제거하는 제4단계를 포함하여, 기판상에 제2물질로 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판으로서, 상기 기판상의 희생층은 직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 선가공되어 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈이 형성되어 있고, 제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈에 충진되어 있는 프리패턴이 형성된 기판을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 일구체예에 따른 패터닝 방법의 개략적인 순서도가 도시되어 있으며, 도 3을 참조하여 먼저 본 발명의 패턴 형성 방법을 설명한다.
(1) 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판을 제공하는 제1단계
기판 상에 희생층을 형성하는 방법은 당업계에서 일반적으로 사용되는 막형성법이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
희생층 형성용 제1물질은 슬릿코팅/스핀코팅 등과 같이 무패턴지향성 코팅방법을 통해 기판상에 전면도포, 또는 스크린 프린팅, 롤 프린팅 등또는 잉크젯 프린팅 등을 통해 기판상에 패턴 지향적으로 선택적으로 부분도포될 수 있다.
희생층 형성용 제1물질이 액상 또는 반고체상인 경우에는, 잉크젯, 인쇄법, 스크린 프린팅법, 정전기 프린팅법, 오프셋 프린팅법, 그라비어 프린팅법, 플렉소 프린팅법, 소프트 몰드를 사용한 프린팅법 또는 스핀코팅법이나 슬릿코팅법을 사용할 수 있다. 한편, 희생층 형성용 제1물질이 고체상인 경우에는 집속 이온빔이나 플라즈마를 이용하여 스퍼터링할 수 있고, 희생층 형성용 제1물질이 고체상 또는 반고체상인 경우에는 이를 필름형태로 제조한 다음에 레이저를 사용하여 전사하여 직접 적층할 수도 있다.
특히, 희생층 형성용 제1물질이 고비용일 경우, 직접 패턴법인 잉크젯법을 사용하여 형성하고자 하는 패턴 홈과 다른 해상도로, 바람직하게는 패턴 홈의 선폭 보다 낮은 해상도로 희생층을 기판상에 패턴 형성시킬 수 있다.
상기 희생층을 적층시키고 나서 기판은 건조시키는 것이 바람직하다. 액체상의 희생층에서는 패턴 홈 형성 및 기능성 재료의 패턴 홈 충진을 할 수 없기 때문 이다.
한편, 희생층은 이미 패턴된 영역들을 포함하는 기판 상에 형성될 수도 있다.
(2) 직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 희생층에 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈을 형성하는 제2단계
제2단계에서는 희생층을 원하는 형태로 직접 선가공하여 제1물질이 존재하지 않는 고해상도의 패턴 홈을 형성한다.
본 발명은 희생층 형성용 제1물질이 잉크 등과 같이 액체 상태로 기판상에 선택적 또는 전면도포되고, 레이저 등에 의해 직접 미세패턴으로 부분적으로 제거되는 패턴법을 사용하므로, 종래 포토레지스트와 같이 포톤과 광개시제에 의해 모노머/올리고머가 폴리머화되는 광반응이 필요하지 않다. 예를 들어, PVA, PMMA, PVP 등은 포토레지스트가 아니지만 본 발명에서 희생층 형성용 제1물질로 사용 가능하다.
고해상도의 패턴 홈을 직접 형성시킬 수 있는 제1수단으로는 E-beam, 집속 이온빔, 레이저, 광학계와 병행하여 사용하는 대출력 램프와 같이 작은 면적에 대용량의 에너지를 집속할 수 있는 집속 에너지빔이 있으며, 희생층 형성용 제1물질을 제거하는데 적합한 수단을 선택하여 사용할 수 있다.
여기서 대출력 램프는 원하는 소정 파장대의 빛을 방출하는 고출력의 램프를 의미하며, 예컨대 자외선 램프 또는 적외선 램프 등을 들 수 있으며, 렌즈와 같은 집속목적을 가지는 소자를 이용하여 집속하였을 때에, 희생층을 충분히 제거할 수 있는 정도의 에너지 출력을 가지면 족하다.
상기 고해상도의 패턴 홈의 형태로 희생층이 선택적으로 제거된 부분은 최종적으로 기능성 재료와 같은 패턴 형성용 제2물질이 패턴 지향적으로 충진되어 상기 제2물질이 기판상에 고해상도의 패턴으로 남아있게 될 부분에 해당한다.
희생층에 패턴 홈을 형성시키는 제1수단으로 마스크 없이 직접 집속 에너지빔을 조사하는 방법(maskless direct energy beam writing)을 사용할 수 있으나, 제1수단으로 레이저 빔을 사용하는 경우 빔의 모양을 패터닝에 유리하게 조절하기 위하여 광학회절소자나 마스크를 부분적으로 사용할 수도 있다. 예컨대 마스크를 사용하고 레이저 스캐닝을 하는 방법(mask-based laser scanning) 혹은 회절광학소자 (diffractive optical lens) 등을 사용하여 복잡한 형상의 패턴 홈을 희생층에 형성할 수 있다(도 4 중 (c) 참조).
이때 마스크의 사용은 기존의 리소그라피에서 대면적 패터닝을 위해 사용되는 마스크가 아닌 레이저 빔의 경로상에 위치하여 기판에 조사되는 빔의 형상을 제어하기 위해 국부적으로 사용되는 마스크를 의미한다. 빔의 형상 제어를 위해서 마스크보다는 회절광학소자가 선호되나 이에 특별히 국한되지는 않는다.
상기 광학회절소자나 마스크의 해상도는 제1수단을 사용하여 실현할 수 있는 최고 제1해상도 보다 높은 것이 바람직하다.
본 발명에서, 패턴 홈의 해상도는 일반적으로 레이저와 같은 집속 에너지 빔으로 직접 패턴할 수 있는 최소 선폭까지 구현 가능하고, 장비에 따라서는 최소 선폭이 서브마이크로미터까지 가능하다. 반대로 최대 선폭은 수백~수천 μm에 이른 다.
희생층 형성용 제1물질을 레이저에 의해 유도된 열로 분해/증발시켜 제거하는 경우에는 주로 가시광선 혹은 적외선 파장이 사용되며, 화학결합을 끊어서 제거하는 경우에는 주로 자외선 파장의 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
희생층 형성용 제1물질이, 사용되는 레이저의 파장에서 최대 흡광 스펙트럼을 보일 경우에는 흡광을 돕기위한 첨가제 없이 사용될 수도 있으나, 사용되는 파장대에서 최대 흡광 스펙트럼을 보이는 첨가제를 사용함으로써 제거를 용이하게 할 수도 있다. 첨가제로서 흡광제의 선택은 또한 희생층 형성용 제1물질을 용해하는 용액에 높은 용해도를 가지는 것이 바람직하다.
(3) 제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질을 상기 패턴 홈에 충진하는 제3단계
기판상에 최종적으로 패턴을 형성하고자 하는 제2물질 예컨대 기능성 재료를 상기 패턴 홈에 충진시킨다.
상기 제3단계는 직접 패턴이 가능한 제2수단을 사용하는 것이 바람직하다. 제3단계에서 직접 패턴법이란, 최종적으로 패턴을 형성하게 될 물질을 원하는 곳에 직접적으로 적층하는 것을 의미한다. 직접 패턴법은 포토리소그라피와 같은 subtractive process가 아닌 additive process이며 특히 잉크젯이나 레이저 직접 패턴법의 경우에는 CAD(computer aided design) to drawing이 가능하다.
직접 패턴이 가능한 제2수단을 사용하면, 패턴형성용 제2물질을 기판 전체에 대하여 적층하는 것이 아니라, 필요한 부분에만 부분적으로 적층할 수 있으므로 종 래의 LTHC 도너 필름을 사용하는 패터닝방법보다 기능성 재료와 같은 패턴형성용 제2물질의 낭비가 현저히 줄어들게 된다.
본 발명은 패턴 형성용 제2물질로 기판 상에 패턴 형성시 저해상도의 제2수단을 사용하더라도, 고해상도의 제1수단을 사용하여 고해상도의 패턴 홈을 형성하고 이를 이용함으로써, 패턴 형성용 제2물질로 된 고해상도의 패턴을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계는 상기 제2단계에서 형성된 패턴 홈에 제2해상도로 제2물질을 충진하되, 상기 제2해상도는 패턴 홈의 선폭 보다 낮은 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 제2단계에서 형성된 패턴 홈의 선폭과 비슷하거나 이보다 높은 해상도로 충진하는 것도 가능하다.
이때, 제1해상도가 제2해상도보다 높은 것이 일반적이며, 경우에 따라서는 제1해상도가 제2해상도와 유사하거나 이보다 낮을 수 있다. 예컨대, 제1해상도는 50 μm 미만, 제2해상도는 50 μm이상일 수 있다.
패턴 홈에 제2물질을 충진하는 제2수단은 당업계에서 일반적으로 사용되는 막형성법이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 잉크젯, 인쇄법, 스크린 프린팅법, 정전기 프린팅법, 오프셋 프린팅법, 그라비어 프린팅법, 플렉소 프린팅법, 소프트 몰드를 사용한 프린팅법과 같이 패턴지향적인 방법을 사용하여 액상 또는 반고체상의 기능성재료를 적층하거나, 레이저, 플라즈마 혹은 집속 이온빔을 사용하여 고체상 또는 반고체상의 기능성재료를 직접 적층하는 것일 수 있다.
특히, 패턴 홈에 제2물질을 충진하는 제2수단으로 직접 패턴법인 잉크젯법을 사용하면, 제2물질의 사용량을 줄일 수 있어서 바람직하다.
한편, 희생층 형성용 제1물질로서 저분자계열의 폴리머(분자량 20,000 이하)를 사용하고 패턴 형성용 제2물질이 적층될 부분을 레이저로 제거하여 패턴 홈을 형성시킬 경우, 도 5에 나타난 바와 같이, 패턴 홈의 모서리 부분이 깨끗하게 나타난다.
이때, 패턴형성용 제2물질의 희생층 및 기판에 대한 젖음성 차이, 즉 표면 에너지 차이에 의해 도 7에 나타난 바와 같이 패턴형성용 제2물질이 희생층이 제거된 영역으로 자기정렬되거나 혹은 패턴형성용 제2물질의 건조에 의해 희생층이 제거된 영역과 희생층 상부에 적층되어 있는 패턴형성용 제2물질 영역으로 단절될 수 있다. 이와 같이 자기정렬, 혹은 건조시 희생층 제거영역과 희생층 상부에 잔존하는 패턴형성용 제2물질 영역들의 단절이 차후 제4단계에서 희생층과 희생층 상부에 잔존하는 패턴형성용 제2물질을 제거하는 것을 용이하게 한다.
한편, 희생층 형성용 제1물질로써 고분자계열의 폴리머(분자량 20,000 초과)를 사용하고 패턴 형성용 제2물질이 적층될 부분을 레이저로 제거하여 패턴 홈을 형성시킬 경우, 도 6에 나타난 바와 같이, 패턴 홈의 모서리 부분에 자연적으로 격벽이 생긴다.
이때, 패턴형성용 제2물질의 희생층 및 기판에 대한 젖음성 차이에 따라 도 8에 나타난 바와 같이 패턴형성용 제2물질이 희생층이 제거된 영역으로 자기정렬되거나 혹은 패턴형성용 제2물질의 건조에 의해 희생층이 제거된 영역과 희생층 상부 에 적층되어 있는 패턴형성용 제2물질 영역으로 단절될 수 있다. 이와 같이 격벽이 있는 상태에서의 자기정렬, 혹은 건조시 희생층 제거영역과 희생층 상부에 잔존하는 패턴형성용 제2물질 영역들의 격벽을 통한 단절이 차후 제4 단계에서 희생층과 희생층 상부에 잔존하는 기능성 재료를 제거하는 것을 용이하게 한다.
(4) 잔여 희생층을 제거하는 제4단계
패턴 홈에 패턴형성용 제2물질을 형성시킨 후 남아 있는 희생층을 제거함으로써, 희생층 상부의 필요없는 부위에 남아 있는 제2물질도 함께 제거할 수 있다. 그 결과 고해상도의 패턴 홈에 의해 형성된 제2물질로 된 패턴만이 기판상에 남는다.
상기 희생층을 제거하는 방법으로는 상기 희생층 형성용 제1물질이 적절한 용매를 사용하여 녹여낼 수 있는 물질인 경우면 집속에너지 빔을 조사하지 않고 바로 용매를 사용하여 제거하거나, 희생층 형성용 물질이 충분히 낮은 에너지 밀도에서도 기화 또는 열분해 등을 통해 기판에서 제거가 가능하다면 그러한 에너지를 일정 시간내에 조사해줄 수 있는 대출력 램프나 건조로 또는 소성로를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 희생층에 패턴 홈을 형성하는데 사용한 집속 에너지빔과 같은 광조사를 사용할 있다. 예를 들어, OLED/PLED와 같이 습기나 용매 등에 민감한 경우는 건식제거방법을 선택하고, 기타 일반적인 경우는 습식제거방법을 사용하는 것이 바람직하다.
패턴형성용 제2물질은 용해시키지 않고 선택적으로 희생층 형성용 제1물질만을 용해시키는 용액 혹은 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
습식제거방법에서 용매 혹은 용액의 선택은 기능성 재료는 녹이지 않으면서 희생층 재료만 선택적으로 잘 녹이는 한, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 희생층 형성용 재료의 주물질이 수용성 PVA 혹은 PVP인 경우, 용매로는 수용액 등의 극성용매를, 희생층 형성용 재료의 주물질이 비수용성 PMMA인 경우 1,2-Dichloroethane과 같은 비극성 용매를 사용할 수 있다.
용매를 사용하여 희생층 형성용 제1물질만을 선택적으로 제거하기 위해서는 희생층 형성용 제1물질과 패턴형성용 제2물질은 극성이 상이하여 서로에 대해 용해를 시키지 않으며, 특정 용매에 대한 용해도 차이가 나는 것이 바람직하다.
(5) 보호층 형성 및 제거 단계
본 발명은 희생층을 형성시키는 제1단계 이후 보호층을 최상부에 형성하고 제2단계 이후에 상기 보호층을 제거하거나; 또는 패턴 형성용 제2물질을 적층하는 제3단계 이후 보호층을 최상부에 형성하고 제4단계 이후에 상기 보호층을 제거하는 공정을 선택적으로 더 포함할 수 있다.
제2단계 또는 제4단계에서 희생층 형성용 제1물질 및/또는 희생층 상부에 잔존하는 패턴 형성용 제2물질을 제거할 때, 제거된 제1물질 및/또는 제2물질이 이미 패턴된 부위 또는 기판에 재부착되어 오염하는 것을 방지하기 위해, 기판 상부 또는 패턴 형성용 제2물질의 적층 이후에 보호층을 더 적층시킬 수 있다.
(6) 부분적으로 고해상도 패턴을 형성하는 방법
도 4에는 본 발명에 따라 부분적으로 고해상도 패턴을 형성하는 방법에 대한 개략적인 순서도가 도시되어 있다.
제3단계에서 직접 패턴이 가능한 제2수단(예, 잉크젯)을 사용하여 제2해상도로 패턴형성용 제2물질을 상기 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈에 충진하면서, 상기 희생층이 없는 영역에는 제2해상도 및/또는 제3해상도로 패턴형성용 제2물질로 된 패턴을 추가 형성함으로써, 제1해상도를 갖는 패턴과 제2해상도 및/또는 제3해상도를 갖는 패턴이 동시에 형성될 수 있다. 최고해상도가 필요하지 않는 부분, 예컨대 50 um이상의 선폭이 요구되는 곳은 희생층 사용없이 잉크젯으로 직접 패턴하면 되며, 그 해상도는 가변적일 수 있다.
상기 제1단계 내지 제3단계를 포함하는 패턴 형성 방법에 의하면, 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판으로서, 상기 기판상의 희생층은 직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 선가공되어 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈이 형성되어 있고, 제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈에 충진되어 있는 프리패턴이 형성된 기판이 제공될 수 있다.
본 발명의 패턴형성 방법에 사용되는 재료 또는 본 발명에 따라 프리패턴이 형성된 기판을 구성하는 각 재료를 구체적으로 살펴보면, 하기와 같다.
(1) 기판 재료
기판 재료는 그 상부에 패턴을 형성하기 위해 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지는 않는다. 비제한적인 예로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에스테르(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 아크릴, 무정형의 유리 또는 PC/PE 조합을 들 수 있다.
(2) 희생층 형성용 제1물질
제1물질은 단일물 또는 2종 이상 물질의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 희생층 형성용 제1물질은 상온에서 건조 혹은 상변화 후, 고체 또는 겔상태이면 특별히 제한되지 않으며, 희생층 형성용 제1물질은 집속 에너지빔과 같은 제1수단에 의해 고해상도로 쉽게 제거 가능한 것이 바람직하며, 특히 집속 에너지빔의 조사에 의해 기화 또는 분해되는 물질이 바람직하다. 열분해/증발에 의해 제거되는 경우 집속 에너지빔이 낮은 파워/에너지 밀도를 가지더라도 쉽게 제거되기 위해서 비열과 잠열이 작은 것이 선호된다.
또한, 희생층 형성용 제1물질은 될 수 있는 한 낮은 온도에서 증발이 일어나며, 기능성 재료와 같은 패턴 형성용 제2물질을 용해시키지 않는 용액에 쉽게 용해되는 것이 바람직하다.
예컨대, 희생층 형성용 제1물질로서 레이저 등의 조사에 의해 분해되는 고분자 물질의 비제한적인 예로는 폴리프로필렌 카보네이트, 폴리(알파메틸스티렌), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 셀룰로즈아세테이트, 니트로 셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리(염화비닐 클로라이드), 폴리아세탈, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리오르쏘에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 변성 아크릴로니트릴 수지, 말레산 수지, 이들의 공중합체, 상기 고분자의 혼합물 등이 있다.
또한, 레이저 등의 조사에 의해 자체적으로 기화/증발되거나 특정영역의 파장을 흡수하는 첨가제의 도움으로 기화/증발되는 물질의 비제한적인 예로는 아세트 아미드, 2-아미노 피리딘, 2-아미노-3-메틸피리딘, 2-아미노-6-메틸피리딘, 2-클로로 피리딘, 3-브로모 피리딘, 3-시아노 피리딘, 4-시아노 피리딘, 1,3-디-(4-피페리딜)프로판, 디에탄올아민, 디이소프로파놀아민, 2-에탄올피레리틴, 에틸렌 디아민 테트라 아세트산, 이소부탄올아민, N-메틸 아세트아미드, p-톨루이딘, 트리이소프로파놀아민, N-비닐-2-카프로락탐, 말레산, 피발산, 트리클로로아세트산, 비헤닐알콜, 2,3-부타네디올, 부티네디올, 시클로헥사놀, 2,2-디메틸프로파놀, 1,6-헥사네디올, 1-헵타놀, 보르닐 아세테이트, 세틸아세테이트, 에틸렌 카보네이트, 메틸 비헤네이트, 디페닐에테르, n-헥실 에테르, 1,3,4-트리옥산, 3-에톡시-1-프로파놀, 벤조페논, p-메틸아세토페논, 페닐아세톤, 카테콜, p-크레졸, 히드로퀴논, 4-에틸페놀, 2-메톡시페놀, 페놀, 티몰, 2,3-크실레놀, 2,5-크실레놀 및 이들의 혼합물이 있다.
또한, 희생층 형성용 제1물질은 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위내에서 조사되는 집속 에너지빔에 의해 용이하게 제거될 수 있는 유기물 또는 무기물들을 추가 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 희생층에는 상기 희생층과 기판 또는 패턴 형성용 제2물질과의 점착력을 조절하거나, 패턴성을 증진시키거나, 패턴 형성용 제2물질과의 적절한 젖음성을 유지하거나, 희생층 형성용 제1물질에 적절한 유연성 및 점착성을 조절하거나, 집속 에너지빔의 흡수를 향상시키기 위하여 적절한 첨가제를 첨가할 수 있다.
집속 에너지빔의 흡수를 향상시키기 위한 첨가제로는, 디아조 알킬, 디아조늄 염, 아지도 화합물, 암모늄 염, 옥사이드, 카보네이트, 퍼옥사이드 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있는데, 적외선 파장의 집속 에너지빔을 조사하는 경우에는 치환된 폴리 프탈로시아닌 화합물, 금속 함유 프탈로시아닌 화합물, 시아닌 염료, 스쿠아릴륨 염료, 칼코게노피릴로아크릴리덴 염료, 크로코뮴 염료, 금속 티올레이트 염료, 비스(칼코게노피릴로) 폴리메틴 염료, 옥시인돌리진 염료, 비스(아미노아릴)폴리메틴 염료, 메로시아닌 염료, 퀴노이드 염료 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한 전이금속 원소 및 그룹 IIIa, IVa, Va, VIa, VIII, IIIb, Vb에 속하는 원소 또는 이들의 혼합물로 이루어진 무기물도 사용할 수 있으며, 탄소와 같은 IVb 그룹에 속하는 원소도 사용 가능하다. 집속 에너지빔의 파장의 선택은 희생층 형성용 제1물질 혹은 흡수제의 선택과 연관성을 지닌다.
한편, 유연제로는 디페닐 프탈레이트, 디-(2-에틸헥실) 프탈레이트와 같은 디페닐 프탈레이트 유도체, 부틸 리시놀리에이트, 프로필렌 글리콜 리시놀리에이트와 같은 리시놀렌산 유도체, 디부틸 세바케이트, 디메틸 세바케이트 등의 세바식산 유도체, n-부틸 스테아레이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트 등의 스테아릭산 유도체, 디에틸 숙시네이트와 같은 숙신산 유도체, N-에틸 o,p-톨루엔-설폰아미드 등의 설폰산 유도체, 트리크레실 포스페이트, 트리부틸 포스페이트 등의 포스포릭산 유도체, 클로로파라핀 등의 파라핀 유도체, 이소프로필 팔미테이트, 메틸 팔미테이트 등의 팔미트산 유도체, 부틸 올리에이트, 글리세롤 트리올리에이트 등의 올레익산 유도체, 이소프로필 미리스테이트 등의 미리스틱산 유도체, 트리카프릴 트리멜리테이트, 트리이소데실 트리멜리테이트 등의 멜리테이트, 디-n-부틸 말리에이 트, 디-(2-에틸헥실) 말리에이트 등의 말레익산 유도체, 메틸 리놀리에이트 등의 리놀렌산 유도체, 메틸 라우레이트 등의 라우릭산 유도체, 디페틸 이소프탈레이트, 디메틸 이소프탈레이트와 같은 이소프탈산 유도체, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜타네디올, 디이소부티레이트 등의 이소부티레이트 유도체, 글리세롤 트리아세테이트 등의 글리세롤 유도체, 디부틸 푸마레이트와 같은 푸말산 유도체, n-옥틸 에록시스테아레이트 등의 에폭시 유도체, 트리-n-부틸 시트레이트, 아세틸 트리에틸 시트레이트 등의 구연산 유도체, 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트, 디프로필렌 글리콜 디벤조에이트 등의 벤조익산 유도체, 디이소데실 아젤레이트, 디메틸 아젤레이트와 같은 아젤라익산 유도체, 디카프릴 아디페이트, 디이소데실 아디페이트 등의 아디프산 유도체 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
(3) 패턴 형성용 제2물질
제2물질은 단일물 또는 2종 이상 물질의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 사용되는 패턴 형성용 제2물질로는 특별한 제한이 없으나, 전자소자에서 전극배선, 픽셀 또는 박막트랜지스터를 형성하는데 사용되는 물질 등과 같이 기능성 재료가 바람직하다.
예를들면, 전도성 고분자, 금속나노입자, 유기금속화합물, 그리고 LCD 재료(예, 블랙 매트릭스, 스페이서, 컬러필터 등), OLED/PLED 제품의 재료(블랙 매트릭스, 발광층, 전자수송층, 홀 수송층 등) 및 무기 EL 재료, 유기/무기 TFT 재료 등이 있다.
패턴 형성용 제2물질로서 사용될 수 있는 전도성 고분자는 고분자의 기계적 특성을 가지고 있으면서 화학적 도핑을 통해 반도체 또는 도체로 전이되는 물질을 말하며, 최근에는 2차 전지, 정전기 방지, 스위칭 소자, 비선형 소자, 축전기, 광기록 재료, 전자기파 차폐재료 등 실생활 및 첨단산업분야에서 응용되고 있다.
상기 전도성 고분자의 예로는 폴리티오펜, 폴리(3-알킬티오펜), PEDOT/PSS, 폴리아닐린, 폴리아닐린 유도체, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리피롤 유도체, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리퓨란 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 기타 전도성을 나타내는 고분자인 한 제한되지 않는다.
또한, 상기 금속나노입자 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것인 한 특별히 제한되지 않으며 예를 들면, 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 니켈, 아연, 철, 알루미늄 또는 이들의 혼합물로 이루어진 나노입자를 사용할 수 있다.
패턴 형성용 제2물질로서 사용될 수 있는 유기금속화합물의 비제한적인 예로는 비스시클로펜타디에닐마그네슘, 디시클로펜타디에닐망간, 비스메틸시클로펜타디에닐마그네슘, 아세틸아세톤스트론듐, 비스시클로펜타디에닐스트론듐, 디메톡시스트론듐, 트리메틸인듐, 디메톡시바륨, 아세틸아세톤바륨, 비스시클로펜타디에닐바륨, 트리메톡시란탄, 아세틸아세톤란탄, 트리스시클로펜타이에닐란탄, 트리스메틸시클로펜타디에닐란탄, 트리메톡시이트륨, 트리스시클로펜타디에닐이트륨 및 이들의 혼합물 등의 상온에서 고체인 유기금속 화합물을 들 수 있다.
상기 유기 전계발광소자에 사용되는 유기발광체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 트리(8-히드록시퀴놀린) 알루미늄(Ⅲ)(Alq3), Alq3 유도체, 폴리(1,4-페닐렌비닐렌) 및 폴리-(2-메톡시-5-(2'-에틸 헥실록시)-1,4-페닐렌비닐렌)(MEH-PPV) 등의 폴리(1,4-페닐렌비닐렌)유도체(PPV 유도체)를 들 수 있다.
또한, 무기 전계발광소자에 사용되는 무기발광체 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, GaAs계 형광체, AlGaInP계 형광체, AlInGaN계 형광체, GaN계 형광체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 무기 형광체일 수 있다.
한편, 무기/유기 TFT 소재의 비제한적인 예로는 비정질 실리콘, 다결정 실리콘; pentacene, dithiaanthracene, dialkyldithiaanthracene, bis(dithienothiophene), benzodithiophene derivatives, oligothiophene, phenylene, arylene 등과 같은 p-type 유기물질; perylene, pentacene, quinodimethane, phthalocyanine, tetracarboxylic anhydride, n-type 유기물질; soluble oligmeric and polymeric OTFT materials; polyimide, soluble polyimide, benzocyclobutene, poly(vinylphenol), PMMA 등의 insulator 등이 있다.
한편, 상기 패턴 형성용 제2물질에는 선택적으로 적절한 첨가제를 사용함으로써 물리/화학적인 물성을 패터닝에 적합하도록 조절할 수도 있으며, 본 발명에서 첨가제라 함은 패턴 형성용 제2물질 이외에 화학적 물리적 물성치를 용도에 맞게 변화시켜주기 위하여 첨가하는 화학물을 뜻하며, 일반적으로 소량 첨가된다.
(4) 보호층 재료
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 기판 상부 또는 기능성 재료와 같은 패턴 형성용 제2물질이 적층된 이후에 보호층을 더 포함할 수 있다.
보호층은 수용성 용액 또는 비수용성 용액으로 세척하여 제거할 수 있는데, 수용성 용액으로 세척하는 경우에는 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 에틸셀룰로오즈와 같은 수용성 폴리머를 사용하고, 비수용성 용액으로 세척하는 경우에는 PMMA와 같은 비수용성 폴리머를 사용할 수 있다.
보호층의 선택과 그 제거에 사용되는 용액의 선택은 이미 적층되어 있는 기능성 재료와 같은 패턴형성용 제2물질에 손상을 주지 않는 것을 선택하도록 한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예는 입자가 분산되어있지 않은 기능성 재료 잉크로써 무극성 재료를, 희생층 재료로써 극성 재료를 사용함으로써 기능성 재료와 희생층간에 용해도가 없거나 극히 낮은 경우이다.
희생층 형성용 조성물로서 폴리비닐알콜(중량평균분자량 7,200, Fluka, 81368) 1.5g과 자외선 흡수제(black dye, LG 화학 제조) 0.5g을 물 15 g과 에틸렌 글리콜 1 g, 글리세롤 0.5 g에 녹여 잉크젯용 잉크를 제조한 다음, 유리 기판 상에 상기 잉크를 잉크젯(JetLab, MicroFab사 제조)으로 젯팅하여 폭 600㎛의 희생층 패턴을 형성하였다. 다음으로, 상기의 희생층 패턴을 UV 레이저 (355 nm, Avia 2000, Coherent Inc사 제조)로 30㎛ 빔직경을 이용하여 기능성 재료가 패턴될 구역을 부분적으로 제거하였다. 상기 레이저 운용조건은 7.4 mm 거리에서 30 kHz, 60% 빔 파워, 스캐닝 속도 0.1 m/s로 셋팅되었다. 이처럼 희생층이 부분적으로 제거된 패턴 의 100배 확대된 이미지를 도 5에 나타내었으며, 도 5에서 희생층이 제거된 패턴 홈의 폭은 빔 직경과 비슷한 30㎛ 정도였다. 다음으로 입자가 포함되어있지 않은 잉크로써, 실버 네오데카노익(silver neodecanoate, C10H19AgO2, CAS No. 68683-18-1) 이 용해되어있는 크실렌(silver neodecanoate 30 wt % in xylene)을 젯팅하여 희생층이 제거된 영역을 채웠다. 젯팅이 완료된 후에 1시간 가량 건조후 섭씨 150도의 핫플레이트에서 10분간 소결과정을 거친 후에, 희생층을 제거하기 위해 섭씨 80도의 증류수에서 30분간 세척하였다. 이와같은 패턴법으로 형성된 전극은 대략 25 μΩ·cm의 비저항을 나타내었다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 구현한 최소선폭은 대략 5 ㎛ 정도임이 도 9에 도시되어 있다.
실시예 2
본 실시예는 입자가 분산되어 있는 기능성 재료 잉크로써 극성 재료를, 희생층 재료로써 무극성 재료를 사용함으로써 기능성 재료와 희생층간에 용해도가 없거나 극히 낮은 경우이다.
희생층 형성용 조성물로서 PMMA(중량평균분자량 50,000, Fluka사제조, CAS No. 9011-14-7) 5 g과 자외선 흡수제(black dye, LG 화학 제조) 1.5g을 1,2-Dichloroethane(분자량 98.96, CAS No. 107-06-2)에 녹여 잉크젯용 잉크를 제조한 다음, 유리 기판 상에 상기 잉크를 잉크젯(JetLab, MicroFab사 제조)으로 젯팅하여 폭 500㎛의 희생층 패턴을 형성하였다. 다음으로, 상기의 희생층 패턴을 UV 레이저 (355 nm, Avia 2000, Coherent Inc사 제조)로 30㎛ 빔직경을 이용하여 기능성 재료 가 패턴될 구역을 부분적으로 제거하였다. 상기 레이저 운용조건은 7.4 mm 거리에서 30 kHz, 70% 빔 파워, 스캐닝 속도 0.1 m/s였으며, 이처럼 희생층이 부분적으로 제거된 패턴 홈의 100배 확대된 이미지를 도 6에 나타내었으며, 도 6에서 희생층이 제거된 패턴의 폭은 빔 직경과 비슷한 30㎛정도였다. 다음으로, 은 나노입자가 분산되어 있는 잉크(silver nano ink, LG 화학 제조)를 잉크젯으로 상기의 희생층 패턴상에 젯팅하여 패턴을 제조한 후 건조시켰다. 건조된 은 나노 잉크는 섭씨 200도의 핫플레이트에서 20분간 소결과정을 거친 후에, 희생층을 제거하기 위해 1,2-Dichloroethane 으로 세척하였다. 이와같은 패턴법으로 형성된 전극은 대략 15 μΩ·cm의 비저항을 나타내었다.
본 발명에 따른 패턴형성방법에 의하면 리소그라피에서와 같이 고비용의 대면적 마스크가 필요없는 간단한 공정으로, 기능성 재료의 낭비를 최소화하며 기존의 잉크젯을 통한 패터닝보다 더 고해상도의 패턴을 제조할 수 있으므로 생산비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 기능성 재료의 레이저 조사에 의한 열화를 방지할 수 있으며, 또한, 기판에 적층되어 있는 희생층 형성용 물질의 종류에 따라 적절한 집속 에너지빔을 선택하여 조사하는 것에 의해 고해상도의 패턴이 형성된 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판을 제공하는 제1단계;
    직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 희생층에 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈을 형성하는 제2단계; 및
    제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질을 상기 패턴 홈에 충진하는 제3단계를 포함하여, 기판상에 제2물질로 패턴을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제3단계 이후 잔여 희생층을 제거하는 제4단계를 추가하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제4단계는 잔여 희생층 제거시 희생층 상부에 적층되어 있는 제2물질도 함께 제거되는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서, 제4단계는 용매 또는 용액을 사용하여 습식으로 희생층을 제거하거나 용매 또는 용액 사용없이 건식으로 희생층을 제거하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제3단계에서 제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질을 상기 패턴 홈에 충진하면서, 상기 희생층이 없는 영역에는 제2해상도 또는 제2해상도 와 상이한 제3해상도로 제2물질로 된 패턴을 추가 형성하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 제3단계는 상기 제1단계에서 형성된 패턴 홈의 선폭 보다 낮은 제2해상도로 제2물질을 패턴 홈에 충진하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제1단계에서 제2수단과 동일 또는 상이한 제3수단을 사용하여 형성하고자 하는 패턴 홈의 해상도와 다른 제4해상도로 희생층을 패턴 형성시킨 기판을 제공하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 제2단계에서 희생층 제거시 제1수단으로 집속에너지 빔을 사용하고, 상기 집속에너지 빔의 형상을 제어하기 위해 마스크 또는 광학회절소자를 사용하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 제2단계에서 최고 제1해상도를 갖는 제1수단으로 희생층 제거시, 제1해상도 보다 높은 제5해상도를 갖는 마스크 또는 광학회절소자를 사용하여 최고 제5해상도를 갖는 패턴 홈을 형성하고, 제3단계에서 제2수단을 사용하여 제2물질을 상기 제5해상도 보다 낮은 제2해상도로 상기 패턴 홈에 충진하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 제1물질로 된 희생층은 이미 패턴된 영역들을 포함하는 기판 상에 형성되어 있는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 제1수단은 집속 에너지빔을 조사하는 것이고, 제2수단은 잉크젯을 사용하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서, 추가로, 희생층을 형성시키는 제1단계 이후 보호층을 최상부에 형성하고 제2단계 이후에 상기 보호층을 제거하는 공정을 포함하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
  13. 제1물질로 된 희생층이 부분 또는 전면 형성된 기판으로서,
    상기 기판상의 희생층은 직접 희생층을 선가공하는 제1수단으로 선가공되어 제1물질이 존재하지 않으면서 선폭이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈이 형성되어 있고,
    제2수단을 사용하여 제2해상도로 제2물질이 최고 제1해상도를 갖는 패턴 홈에 충진되어 있는 프리패턴이 형성된 기판.
  14. 제13항에 있어서, 희생층이 존재하는 영역 중 패턴 홈에 제2해상도로 제2물질이 충진되어 있으면서, 상기 희생층이 없는 영역에는 제2해상도 또는 제2해상도 와 상이한 제3해상도로 제2물질로 된 패턴이 추가 형성된 것이 특징인 기판.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 기판은 잔여 희생층이 제거된 것이 특징인 기판.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 제1물질로 된 희생층은 이미 패턴된 영역들을 포함하는 기판 상에 형성되어 있는 것이 특징인 기판.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 희생층 상에 형성된 패턴 홈의 해상도와 다른 제4해상도로 희생층이 기판상에 패턴 형성된 것이 특징인 기판.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서, 희생층에 형성된 패턴 홈은 집속 에너지빔 조사에 의해 형성된 것이고, 상기 패턴 홈에 충진된 제2물질은 잉크젯을 통해 충진된 것이 특징인 기판.
  19. 제13항 또는 제14항에 있어서, 희생층 형성용 제1물질, 또는 제1물질과 함께 희생층 상부에 잔존하는 패턴 형성용 제2물질이 제거된 후 패턴된 부위 또는 기판에 재부착되는 것을 방지하는 보호층이 형성되어 있는 것이 특징인 기판.
  20. 제2항에 있어서, 추가로, 패턴 형성용 제2물질을 적층하는 제3단계 이후 보호층을 최상부에 형성하고 제4단계 이후에 상기 보호층을 제거하는 공정을 포함하는 것이 특징인 패턴 형성 방법.
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