KR100860306B1 - 전기화학적 식각을 이용한 마이크로사이즈 금속 식각방법 - Google Patents

전기화학적 식각을 이용한 마이크로사이즈 금속 식각방법 Download PDF

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조민수
조영식
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전기화학방법을 이용한 금속의 미세 가공 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 기판 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 포토레지스트를 노광하는 단계; 상기 포토레지스트를 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 금속 기판에 전기를 인가하여 전기화학적인 방법으로 금속을 식각하는 단계; 및 상기 금속 기판 상에 잔존하는 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 미세 가공 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은 사이드 에칭(side etching) 현상이 감소되며 정밀한 미세 패턴을 용이하게 형성할 수 있고, 식각 속도 및 깊이의 조절이 용이할 뿐만 아니라 공정이 단순하고 공정 시간을 단축시킨다.
금속 가공, 미세 가공

Description

전기화학적 식각을 이용한 마이크로사이즈 금속 식각방법{MICRO METAL ETCHING METHOD BY ELECTRO-CHEMICAL ETCHING}
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속의 미세 가공을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 식각장치를 도시한 모식도이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 기판의 광학현미경 사진이다.
도 8은 비교예 1에서 제조된 기판의 광학현미경 사진이다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 비교예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 사진이다.
도 11은 실시예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 단면 사진이다.
도 12는 비교예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 단면 사진이다.
본 발명은 전기화학적인 방법을 이용한 금속의 미세 가공 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사이드 에칭(side etching) 현상이 감소되며 정밀한 미세 패 턴을 용이하게 형성할 수 있고, 식각 속도 및 깊이의 조절이 용이할 뿐만 아니라 공정이 단순하고 공정 시간을 단축시킬 수 있는 전기화학적 방법을 이용한 금속의 미세 가공 방법에 관한 것이다.
최근 기계, 부품 산업 분야에서는 휴대의 편의성, 고집적도 구현, 원가절감, 부가 가치 향상 등의 이유로 각종 기계장치 및 부품의 소형화가 활발하게 이루어지고 있다. 이로 인해 마이크로 및 서브 마이크로 사이즈의 초소형 기계 장치 및 부품을 제조하기 위한 금속의 미세 가공 기술이 요구되고 있다.
금속 기판에 마이크로 구조물을 가공하기 위해 사용되는 방법에는 건식 식각, 습식 식각, 리프트-오프(Lift off) 기술, 도금을 이용한 증착법 등이 있다.
건식 식각은 라디칼과 금속의 화학 반응을 이용하여 금속을 식각하는 방법이다. 이러한 건식 식각 방식으로 금속을 식각하기 위해서는 가공하고자 하는 패턴을 금속 위에 형성하여야 하는데 미세한 패턴을 형성하는 방법에는 주로 포토리소그래피 공정이 이용된다.
포토리소그래피 공정은 기판 위에 포토레지스트(photoresist, 이하 'PR'이라 한다)를 도포하고, 상기 기판 위에 도포된 PR에 빛을 조사하여 노광시킨 후, 현상액으로 현상하여 기판 위에 PR 패턴을 형성하는 방법이다. 이렇게 포토리소그래피 공정을 통해 금속 위에 미세한 PR 패턴이 형성되면, 반응 기체를 주입한 후, 플라즈마 방전을 통해 라디칼을 생성한다. 생성된 라디칼은 PR 패턴이 형성되지 않은 금속 표면과 화학 반응을 일으키고, 상기 화학 반응이 일어난 금속 표면에 식각이 일어난다.
건식 식각은 식각시 방향성이 있어 사이드 에칭(side etching)이 일어나지 않고 정밀한 식각이 가능하다. 그러나 식각 속도가 느리고, 식각율이 너무 작아 마이크로 사이즈의 깊이로 금속을 식각하기에는 무리가 있어 아직까지는 수십 나노 사이즈의 깊이를 식각하는 데에만 제한되어 있다.
한편, 습식 식각은 산(acid) 계열의 화학 약품을 이용하여 금속을 부식시켜 패턴을 형성하는 방법을 말한다. 이러한 습식 식각 역시 포토리소그래피 공정을 이용하여 금속 표면에 미세한 패턴을 형성한 후, 패턴이 형성되지 않은 금속의 노출 부위이 화학 약품과 반응하여 부식되도록 함으로써 금속을 가공하는 방법이다.
습식 식각은 식각 속도가 빠르고, 공정이 단순하다는 장점이 있으나, 등방성 식각에 기인하여 사이드 에칭(side etching)이 많이 일어나고, 식각 부분의 표면 조도가 일정하지 못하여 마이크로 수준의 미세한 구조물을 정확하게 형상화하는데 어려움이 있다.
또한 리프트-오프 방법은 포토리소그래피 공정을 통해 PR 패턴을 형성하고, 그 위에 금속 박막을 증착한 후 PR을 제거함으로서 패턴을 형성하는 방법을 말하는 것으로, PR을 현상액에 녹이는 과정에서 상기 PR 위에 증착된 박막은 제거되고, 기판 위에 증착된 박막만 남게 되는 방식이다.
상기 리프트-오프 방법은 주로 나노(nano) 사이즈 급의 가공 기술에 사용되는 것으로, 증착속도의 한계로 인하여 수 마이크로 두께로 증착하는데 무리가 있으며 기판과 증착된 금속과의 접착력이 좋지 않아 금형으로 사용할 수 없다.
또한 도금에 의한 증착을 이용하여 금속 상에 원하는 패턴을 형성할 수도 있 다. 이러한 도금 방법으로 금속 구조물을 제조할 경우 패턴이 정밀하고, 높은 종횡비를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 제작 가격이 상당히 비싸고, 마스터 몰드의 의존성이 강하며, 제작 후 스트레스에 의한 휨 현상이 발생할 우려가 있다. 더욱이 증착하고자 하는 금속의 재료에 한계가 있고, 높은 두께로 금속을 증착할 수 없다는 단점도 있다.
따라서 정밀한 패턴의 형성이 가능하고 공정이 간편하고 공정 시간을 단축할 뿐만 아니라 마이크로 수준의 식각이 가능한 방법이 요구된다.
상기한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 다양한 금속에 대해 사용할 수 있고, 사이드 에칭을 최소한으로 하여 금속 기판 상에 형성되는 미세 구조물의 정밀도와 표면 조도를 향상시키며, 공정을 단순화하여 금속 가공을 효율적으로 수행할 수 있도록 할 수 있는 전기화학적 식각방법을 이용한 금속의 미세 가공 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
금속 기판 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
상기 포토레지스트를 노광하는 단계;
상기 포토레지스트를 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴이 형성된 금속 기판에 전기를 인가하여 전기화학적 식각방법을 수행하여 금속을 식각하는 단계; 및
상기 금속 기판 상에 잔존하는 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 미세 가공 방법을 제공한다.
이때 상기 전기화학적 식각방법은 1 A/cm2 내지 7 A/cm2 의 전류 밀도로 전기를 인가하여 10 ℃ 내지 50 ℃ 의 온도에서 수행한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 방법은 사이드 에칭(side etching) 현상이 감소되며 정밀한 미세 패턴을 용이하게 형성할 수 있고, 식각 속도와 깊이의 조절이 용이할 뿐만 아니라 공정이 단순하고 공정 시간을 단축시킨다.
포토리소그래피 공정은 이미 언급한 바와 같이, 포토레지스트 도포, 노광, 현상 과정을 거쳐 기판 위에 PR 패턴을 형성하는 방법을 말한다. 상기 포토리소그래피 공정은 금속 기판 위에 도포된 포토레지스트 위에 미세 패턴이 형성된 마스크를 놓고 빛을 조사함으로써 마이크로 또는 서브 마이크로 사이즈의 PR 패턴을 형성하게 한다.
종래에는 포토레지스트 공정을 통해 기판 위에 패턴이 형성되면, 상기 PR 패턴이 형성되지 않은 부분을 습식 또는 건식 식각 방법을 이용하여 식각함으로써 기판 위에 패턴을 형성하였다. 그러나 이와 같은 식각 방법은 금속을 가공하는데는 적합하지 않거나, 정밀한 가공이 어렵다는 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 기존 방식이 아닌 전기화학적 방식을 사용하여 금속을 가공하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 의한 금속 미세 가공 방법은, 포토리소그래피 공정을 통해 금속 기판에 패턴을 형성한 후, 전기화학적 방법을 이용하여 금속을 식각하는 것을 그 특징으로 한다. 즉, 포토리소그래피 공정에 기존의 금속 기판의 평탄화에 사용되던 전해 연마 공정을 결합하여 금속을 미세 가공하는 방법에 관한 것으로, 아직까지 이 두 가지 방법을 결합하여 금속 구조물을 형성하려는 시도는 없었다.
구체적으로 금속 기판 상에 미세 패턴을 형성하기 위해,
a) 금속 기판 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
b) 상기 포토레지스트를 노광하는 단계;
c) 상기 포토레지스트를 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
d) 포토레지스트 패턴이 형성된 금속 기판에 전기를 인가하여 전기화학적인 방법을 수행하여 금속을 식각하는 단계; 및
e) 상기 금속 기판 상에 잔존하는 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 거쳐 수행한다.
(a) 포토레지스트 도포 단계
단계 a)에서는 미세 패턴을 형성하기 위한 금속 기판(1)을 준비하고, 상기 금속 기판(1) 상에 포토레지스트(3)를 도포한다(도 1 참조).
상기 금속 기판(1)은 후속 공정의 전기화학 방법을 이용한 식각시 전기가 인가될 수 있도록 전기 전도성을 가지는 것이 바람직하며, 그 재질은 본 발명에서 한정하지 않으며, 공지된 바의 모든 금속 재질이 가능하다.
이러한 금속 기판(1) 상에 도포되는 포토레지스트(photoresist, PR)는 특정 파장대의 빛을 받으면 화학 반응이 일어나는 감광성 고분자(photosensitive polymer)의 일종으로, 상기 금속 기판(1) 상에 일정한 두께가 되도록 균일하게 도포한다.
상기 포토레지스트(3)는 크게 노광된 영역이 현상액과 반응하여 용해되는 포지티브 포토레지스트(positive PR)와, 노광된 영역이 현상액과 반응하지 않는 네거티브 포토레지스트(negative PR)로 분류된다.
이러한 포토레지스트(3)는 포토레지스트 중합체, 광산발생제 및 유기용매를 포함하는 조성물 형태로 사용한다. 상기 포토레지스트 중합체는 미세 패턴을 형성하고자 하는 금속의 종류나 가공 조건에 따라서 선택하고, 유기용매에 의해 점도 등을 조절한다. 대표적으로, 상기 포토레지스트 중합체로는 폴리비닐페놀계 중합체, 폴리하이드록시스티렌계 중합체, 폴리노르보넨계 중합체, 폴리아다만계 중합체, 폴리이미드계 중합체, 폴리아크릴레이트계 중합체, 폴리메타크릴레이트계 중합체, 폴리플루오린계 중합체 또는 불소로 치환된 중합체 등이 사용될 수 있다.
또한 광산발생제로는 디페닐요도염 헥사플루오로포스페이트, 디페닐요도염 헥사플루오로 아르세네이트, 디페닐요도염 헥사플루오로 안티모네이트, 디페닐파라메톡시페닐설포늄 트리플레이트, 디페닐파라톨루에닐설포늄 트리플레이트, 디페닐파라이소부틸페닐설포늄 트리플레이트, 디페닐파라t-부틸페닐설포늄 트리플레이트, 트리페닐설포늄 헥사플루오로 아르세네이트, 트리페닐설포늄 헥사플루오로 안티모네이트, 트리페닐설포늄 트리플레이트 또는 디부틸나프틸설포늄 트리플레이트 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 유기용매로는 에틸 3-에톡시프로피오네이트, 메틸 3-메톡시프로피오네이트, 사이클로헥사논, 프로필렌글리콜 메틸에테르아세테이트, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 디옥산 및 디메틸포름아미드으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매가 사용될 수 있다.
이때 포토레지스트(3)의 도포는 통상적인 습식 코팅법이 가능하며, 대표적으로 딥 코팅, 닥터 블레이드법, 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅, 슬릿 코팅(slit coating), 캐스팅법, 또는 라미네이션법 등이 있다. 그 중 스핀 코팅은 금속 기판(1)을 높은 회전수로 회전시켜 포토레지스트(3)를 상기 금속 기판(1) 전체에 균일하게 도포할 수 있다는 장점이 있다. 또한 슬릿 코팅은 슬릿 형태의 노즐을 이용하여 기판에 포토레지스트(3)를 스캔(scan)하는 방식으로 이루어져, 포토레지스트(3)의 손실을 줄일 수 있는 장점이 있어, 금속 기판(1)의 면적이 클 때에 사용하는 것이 유리하다.
추가로 금속 기판(1) 상에 포토레지스트(3)가 도포된 후 소프트 베이크(soft bake) 공정을 수행하여 상기 포토레지스트(3) 내 유기 용매를 제거하여 후속의 노광 공정시 마스크와 포토레지스트(3)간의 점착 현상을 방지한다. 상기 소프트 베이크 공정은 유기 용매가 제거될 수 있는 온도인 70 ℃ 내지 200 ℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 이러한 공정을 통해 포토레지스트(3)와 금속 기판(1) 간의 접착력을 높인다.
(b) 노광 단계
다음으로, 단계 b)에서는 상기 단계 a)에서 도포된 포토레지스트(3) 상에 소 정 패턴이 형성된 마스크(5)를 배치하고, 빛을 조사하는 노광 공정을 수행한다(도 2 참조).
이때 노광 공정시 포지티브형 포토레지스트는 노광된 영역의 고분자 결합 사슬이 끊어져 후속의 현상 공정시 사용되는 현상액에 의해 제거된다. 또한 네가티브형 포토레지스트는 노광된 부분의 고분자 결합이 더욱 강해져 후속의 현상 공정시 현상액에 의해 상대적으로 약한 노광되지 않은 영역의 포토레지스트가 제거된다.
상기 마스크(5)는 소정의 패턴이 형성된 얇은 막 형태의 것을 사용한다. 이렇게 패턴이 형성된 마스크(5)를 통해 빛을 조사하는 경우 상기 패턴 위에 조사된 빛은 반사되고, 패턴이 없는 부분에 조사된 빛만 투과되어 포토레지스트(3)를 감광시킴으로서 마스크 상의 패턴이 포토레지스트(3)에 전사된다. 상기 마스크(5)로는 Cr 마스크, 에멀젼(emulsion) 마스크, 필름(Film) 마스크 등이 사용될 수 있으며, 가공하고자 하는 최소 선폭과 수명에 따라 적당한 것을 선택하여 사용하도록 한다.
이러한 노광 공정은 KrF(248 nm), ArF(193 nm), VUV(157 nm), EUV(13 nm), E-빔, X-선 또는 이온빔을 노광원으로 사용하여, 0.1 내지 50 mJ/cm2의 노광에너지로 수행되는 것이 바람직하다.
(c) 현상 단계
다음으로, 단계 c)에서는 상기 단계 b)에서 노광된 포토레지스트(3)를 현상하여 금속 기판(1) 상에 포토레지스트 패턴(7)을 얻는다(도 3 참조). 이때 도 3에 서는 편의상 노광된 영역이 제거된 포지티브형으로 도시하였다.
현상 공정은 노광 공정을 통해 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 포토레지스트(3)를 현상액으로 녹여내는 과정을 말하며, 이러한 과정을 통해 금속 기판(1) 상에 포토레지스트 패턴(7)을 형성한다.
이때 사용하는 현상액은 통상적으로 사용되는 알칼리 현상액을 이용하여 수행될 수 있으며, 알칼리 현상액은 0.01 내지 5 중량%의 테트라메틸암모늄히드록사이드(TMAH) 수용액인 것이 바람직하다.
현상 공정을 수행한 후 금속 기판(1) 상에 현상액을 제거하기 위해 초순수로 1회 이상 세척한 다음, 수분을 제거한다.
추가로, 상기 현상 공정이 완료된 후 하드 베이크(Hard bake) 공정을 수행한다.
즉, 현상된 포토레지스트 패턴(7)은 아직 식각에 사용할 만한 경도를 가지지 못하므로, 최종적으로 경화를 위해 70 내지 200 ℃에서 하드 베이크 공정을 수행하여 경화시킨다. 이러한 하드 베이크 공정을 통해 후속의 전기화학적인 방법을 이용한 식각시에 금속 기판(1)의 식각을 보다 용이하게 한다. 즉, 포토레지스트 패턴(7)의 경도가 너무 낮게 되면 전기화학적인 방법을 이용한 식각시 포토레지스트 소모량이 높아 원하는 깊이로 식각하는 것이 힘들어 질 수 있다.
(d) 전기화학적인 방법에 의한 식각 단계
다음으로, 단계 d)에서는 상기 단계 c)에서 포토레지스트 패턴(7)이 형성된 금속 기판(11)에 전기를 인가하는 전기화학적 방법을 수행하여 금속을 식각한다(도 4 참조).
전기화학적 방법을 이용한 식각이란, 전기분해할 때 양극(anode)의 금속표면에 미세한 볼록 부분이 다른 표면 부분에 비해 선택적으로 용해하는 것을 이용하는 금속의 가공 방법이다. 구체적으로 연마하고자 하는 제품을 양극(anode)에 연결하고, 특정한 전해액이 담긴 전해조에 침지시킨 후 전류를 흘려보내 상기 양극(anode) 부근에서 전기 분해 현상이 발생하고, 이러한 전기 분해에 의해 금속을 용해한다. 일반적으로 전해 연마라고 불리우는 전기화학적 식각 방법은 주로 제품의 표면을 평활화하거나 광택을 부여하는데에서만 사용하고 있다.
본 발명에서는 미세 패턴을 형성하고자 하는 포토레지스트 패턴(7)이 형성된 금속 기판(11)을 전해조에 침지시킨 후, 상기 금속 기판(11)을 양극으로 사용하여 전원을 인가한다. 전원이 인가되어 전류가 흐르면 금속 기판(11)과 전해액이 반응하여 상기 금속 기판(11)이 산화되며, 이러한 산화에 의해 금속이 금속이온으로 변하면서 전해액 내에 용해되어 식각 공정이 이루어진다. 이때 금속 기판(11) 상에 포토레지스트 패턴(7)이 형성된 영역은 전해액과 직접적으로 접촉하지 않으므로 전원이 인가되더라도 산화 반응이 일어나지 않게 된다. 그 결과 포토레지스트 패턴(7)이 형성되지 않는 영역에서만 금속 기판(11)의 선택적인 식각 공정이 이루어진다.
이러한 전기화학적인 방법을 이용한 식각에서는 전해액 내에서 금속 기판(11)에 1 A/cm2 내지 7 A/cm2의 전류 밀도로 전원을 인가하여 원하는 식각 깊이에 따라 수초 내지 수백분 동안 10 ℃ 내지 50 ℃ 의 온도에서 수행한다.
부연하면, 전기화학적인 방법을 이용한 식각시 1 A/cm2 내지 7 A/cm2의 전류 밀도가 인가되는데, 이때 상기 전류밀도가 상기 범위 미만이면 식각된 표면 조도가 좋지 않은 문제가 발생하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 식각률이 너무 높아 정밀한 제어를 할 수 없어 식각 균일도를 맞출 수 없는 문제가 발생한다.
그리고 전기화학적 식각방법은 수초 내지 수백분, 바람직하기로 0.001 초 내지 600분 동안 수행하는데, 시간에 따른 문제점은 없으며 원하는 식각 깊이에 맞추어 적절한 공정조건에서 나타나는 식각률에 맞추어 시간을 설정하면 된다.
이러한 전기화학적 식각방법은 10℃ 내지 50℃에서 수행하는데, 만약 그 온도가 상기 범위 미만이면 식각률이 저조하고 표면조도가 좋지 못한 문제가 발생하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 PR이 전해액과 반응하여 원하는 패턴으로 식각할 수 없는 문제가 발생한다.
이때 상기 전해액은 식각될 기판의 기포를 줄이기 위해 크롬산을 포함한다. 부연하면 식각 공정시 기포가 많이 발생하면 물리적으로 기포를 제거한다 하여도 미세 기포로 인하여 전해액과 식각될 면이 접촉하지 않아 식각율이 급속히 저하된다. 이에 크롬산을 첨가하여 상기 기포 발생을 억제한다.
상기 크롬산은 전해액 1 L에 대해 10 g 미만, 바람직하기로 0.5 내지 10 g 첨가한다. 이때 상기 크롬산의 함량이 상기 범위 미만이면 기포 발생을 충분히 억제하지 못하고, 상기 범위를 초과하더라도 효과상의 큰 증가가 없으므로, 이러한 범위 내에서 적절히 사용한다.
상기 크롬산 외에 상기 전해액은 강산과 약산 및 증류수를 포함하며, 바람직하기로 부피비로 20 내지 70%의 강산, 20 내지 70%의 약산 및 5 내지 30%의 물을 포함한다. 이때 강산은 NaF, HCl, HBr, H2SO4, HNO3, NaNO3, HClO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용하고, 상기 약산으로는 HF, HCN, CH3COOH, HCOOH, HCNO, H2CO3, H3PO4, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용한다.
만약 상기 강산 전해액의 농도가 상기 범위 미만이면 식각이 일어나지 않는 문제가 발생하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 식각 균일도가 좋지 않은 문제가 발생한다. 그리고 약산 전해액의 농도가 상기 범위 미만이면 식각 균일도가 좋지 않고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 식각이 일어나지 않은 문제가 발생한다. 따라서 적절한 강산과 약산의 조합이 이루어져야 한다.
이때 추가로 전기화학적 식각방법에 따른 식각을 더욱 효율적으로 수행하기 위해 초음파 인가, N2 가스 버블 또는 순환 등의 방법을 적용한다. 즉, 양극으로서의 금속 기판(11)에서 전기 분해 반응으로 인한 기포가 발생하는데, 이를 효율적으로 제거해주지 않으면 핏(pit)이 발생하여 상기 금속 기판(11)의 표면을 손상시키거나, 원하는 모양의 패턴을 얻을 수 없게 된다. 이때 위와 같은 방법을 적용함으로써 상기 기포가 발생하는 즉시 제거된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 방법을 이용한 식각장치를 보여주는 모식도이다. 도 6을 참조하면, 상기 전기화학적 방법을 이용한 식각장치는 전해액이 채워진 전해조(50)를 구비하고, 상기 전해조(50) 내에 포토레지스트 패턴(7)이 형성된 금속 기판(11)을 위치시키고, 이와 소정 간격으로 이격하여 전위차가 발생하도록 전극(20)을 위치시킨다. 이때 상기 금속 기판(11)을 양극으로 하고, 상기 전극(20)을 음극으로 전원(30)과 연결하여 전원을 인가하여 전기화학적 인 방법을 이용한 식각을 수행한다.
또한 별도의 전극(20)을 사용하지 않고 전해조(50)가 금속 재질인 경우 이를 음극으로 사용하여 전기화학적인 방법을 이용한 식각을 수행한다.
이러한 전기화학적 방법을 이용한 식각장치는 필요에 따라 여러 가지 장치를 더욱 구비한다. 일예로 전기화학적인 방법을 이용한 식각에 사용되는 전해액은 일정 시간이 지나면 농도가 떨어지게 되므로, 신규 약품(전해액 또는 강산)을 공급함으로써 농도를 일정하게 유지하도록 한다.
이에 기존 전해액의 일부를 배출하도록 전해조 일측에 배출구를 형성하고, 기존 전해액과 신규 약품이 균일하게 혼합되도록 전해조 일측에 순환 장치(또는 교반 장치)를 구비한다. 만약 새로 공급된 화학약품이 기존 전해액과 혼합되지 않으면, 공급된 화학 약품이 그대로 배출될 염려가 있으며, 전해액의 농도의 일정하지 않아 반응이 균일하게 일어나지 않는다는 문제가 발생한다.
또한 전원에 균일한 식각이 이루어질 수 있도록 전류를 일정하게 공급하기 위해 정류기를 더욱 구비한다. 그리고 전기화학적인 방법을 이용한 식각시 발생되는 기포를 제거하기 위해 전해조 하부에 초음파 진동기를 더욱 구비한다. 이러한 장치의 구현은 본 발명에서 한정하지 않으며 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택되어진다.
(e) 포토레지스트 제거 단계
단계 e)에서는 상기 단계 d)에서 금속 기판 상에 잔존하는 포토레지스트 패턴을 제거하여 미세 패턴이 형성된 금속 기판(11)을 얻는다(도 5 참조).
상기 포토레이즈트 패턴의 제거는 스트립액이 저장된 욕조에 금속 기판(11)을 침지시키거나 스트립액을 상기 금속 기판(11)에 분사시켜 상기 포토레지스트 패턴을 제거한다.
상기 스트립액은 포토레지스트를 용해할 수 있는 유기 용매 또는 전용 제거제가 가능하며, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이 가능하다. 대표적으로, 이소프로필알콜; 아세톤; 모노에탄올 아민(MEA), 2-(2-아미노에톡시)-1-에탄올(AEE)의 유기아민 화합물; 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸피롤리디논(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 카비톨 아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트(PGMEA)의 극성용제; N-메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-N-에틸프로피온아미드, 디에틸아세트아미드(DEAc), 디프로필아세트아미드(DPAc), N,N-디메틸프로피온아미드, N,N-디메틸부틸아미드의 아미드 용제로 이루어진 군에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 혼합 용매가 사용되며, 직접 제조하거나 시판되는 것을 구입하여 사용한다.
이렇게 포토레지스트를 도포, 노광, 현상, 전해 연마 및 포토레지스트 제거 단계를 거쳐 얻어진 금속 기판은 마이크로 수준, 바람직하기로 선폭이 1 ㎛ 이상의 미세 패턴이 형성되고, 0.3 ㎛ 내지 200㎛의 깊이로 형성된다.
특히 금속 기판의 식각을 통상의 습식 식각이 아닌 전기화학적인 방법을 이용한 식각을 이용하여 수행함으로서 여러 가지 잇점을 얻는다. 구체적으로, 금속에 대한 전기화학적인 방법을 이용한 식각은 볼록한 부분이 집중적으로 용해되어 매끄러운 표면을 형성되고, 이에 따라 표면 조도가 크게 향상되어 마이크로 수준의 미세한 패턴을 정확하게 형상화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 전해액에 전류를 흐르게 하기만 하면 전기화학적인 방법을 이용한 식각을 수행할 수 있어 그 장치가 간단하고, 공정이 단순하다는 장점이 있다.
더욱이 습식 식각시 발생하는 사이드 에칭(side etching) 현상을 현저히 감소시킬 수 있으며, 전류량에 의해 식각 속도나 식각 깊이를 조절할 수 있다는 장점도 있다.
그리고 전기화학적인 방법을 이용한 식각의 특성상 전기화학적인 방법을 이용한 식각 전후에 금속 표면의 조성이 변화되어 내식성이 향상되므로 제품의 수명을 늘릴 수 있다.
이상에 기재된 본 발명에 의한 금속 미세 가공 방법은 회로 기판의 배선을 제작하거나, 미세 구조물을 갖는 금형을 제작하거나, 새도우 마스크(Shadow Mask)를 제작하여 원하는 부분에 다양한 막질을 증착하는 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기한 실시에는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니 다.
[실시예]
(실시예 1)
스테인레스 스틸 금속 기판 상에 AZ 1518 포지티브 포토레지스트를 이용하여 1000 rpm의 속도로 30 초간 스핀 코팅한 다음, 100 ℃에서 2 분간 소프트 베이크 공정을 수행하였다.
다음으로, 상기 포토레지스트에 바이오칩용 Cr 마스크를 위치시키고, 여기에 365 내지 450 nm의 파장을 갖는 UV를 12 초간 조사하여 노광하였다.
이어서 전용 현상액 MIF300에 1분간 침지시킨 후, 꺼내어 초순수로 세척하고 수분을 제거하였다. 다음으로 140 ℃에서 10분 동안 하드 베이크를 수행하여 포토레지스트를 완전히 경화시켰다.
다음으로 포토레지스트 패턴이 형성된 스테인레스 스틸 금속 기판을 전해액이 있는 전해조에 충분히 담근 후, 상기 기판에 전원을 연결하였다. 이때 전해액은 황산, 인산, 초순수를 부피비로 5:3:2로 혼합하여 사용하였으며, 전해조 내 온도는 23℃ 로 조절하였다.
이어 3 A/cm2의 전류 밀도로 전류를 15 분 동안 인가하여 전기화학적 방법을 이용한 식각을 수행하였다.
전기화학적 방법을 이용한 식각이 완료된 후 전해조에서 기판을 꺼낸 후 아세톤으로 세척하여 포토레지스트 패턴을 제거하여, 미세 패턴이 형성된 스테인레스 스틸 금속 기판을 얻었다.
(비교예 1)
전기화학적인 식각 대신 FeCl3를 이용하여 통상의 습식 식각 공정을 수행한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 미세 패턴이 형성된 스테인레스 스틸 금속 기판을 얻었다.
(실험예 1)
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 기판의 패턴을 알아보기 위해 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 그 표면을 관찰하였다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 기판의 광학현미경 사진이고, 도 8은 비교예 1에서 제조된 기판의 광학현미경 사진이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예 1의 기판의 경우 패턴이 깨끗하고 균일한 크기로 형성되고, 비교예 1의 기판은 그 패턴 크기가 각각 다르게 형성됨을 알 수 있다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 사진이고, 도 10은 비교예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 사진이다.
도 9 및 10을 참조하면, 본 발명에 의해 전기화학적인 식각을 수행한 실시예 1의 기판의 경우 그 표면이 매우 매끈하게 형성됨을 알 수 있고, 통상의 습식 식각을 수행한 비교예 1의 기판은 그 표면이 매우 울퉁불퉁함을 알 수 있다.
(실험예 2)
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 기판의 사이드 에칭 정도를 알아보기 위해 상기 기판의 단면을 주사전자현미경을 이용하여 그 단면을 관찰하였다.
도 11은 실시예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 단면 사진이고, 도 12는 비교예 1에서 제조된 기판의 주사전자현미경 단면 사진이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의해 전기화학적인 방법으로 식각한 경우 윗부분만이 약간 둥글둥글한 형태로 매우 매끈하게 패턴이 형성됨을 알 수 있다. 이와 비교하여 도 12의 비교예 1의 단면 사진의 경우 반원 모양으로 패턴이 형성됨을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명을 통해 포토레지스트를 도포, 노광, 현상, 전기화학적 방법을 이용한 식각 및 포토레지스트 제거 단계를 거쳐 얻어진 금속 기판은 마이크로 수준의 미세 패턴을 얻을 수 있다.
특히 금속 기판의 식각을 통상의 습식 식각이 아닌 전해 연마를 이용하여 수행함으로서 하기와 같은 잇점을 얻는다.
첫째로, 금속에 대한 전기화학적 방법을 이용한 식각은 볼록한 부분이 집중적으로 용해되어 매끄러운 표면을 형성되고, 이에 따라 표면 조도가 크게 향상된다.
둘째로, 마이크로 수준의 미세한 패턴을 정확하게 형상화할 수 있다.
셋째로, 전해액에 전류를 흐르게 하기만 하면 전기화학적 방법을 이용한 식각을 수행할 수 있어 그 장치가 간단하고, 공정이 단순하다는 장점이 있다.
넷째로, 습식 식각시 발생하는 사이드 에칭(side etching) 현상을 현저히 감소시킬 수 있다.
다섯째로, 전류량에 의해 식각 속도나 식각 깊이를 조절할 수 있다.
여섯째로, 전기화학적 방법을 이용한 식각의 특성상 전기화학적 방법을 이용한 식각 전후에 금속 표면의 조성이 변화되어 내식성이 향상되므로 제품의 수명을 늘릴 수 있다.
이상에 기재된 본 발명에 의한 금속 미세 가공 방법은 회로 기판의 배선을 제작하거나, 미세 구조물을 갖는 금형을 제작하거나, 새도우 마스크(Shadow Mask)를 제작하여 원하는 부분에 다양한 막질을 증착하는 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 금속 기판 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 노광하는 단계;
    상기 포토레지스트를 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴이 형성된 금속 기판에 1 A/cm2 내지 7 A/cm2의 전류 밀도로 전기를 인가하여 전기화학적 방법을 이용한 식각을 수행하여 금속을 식각하는 단계; 및
    상기 금속 기판 상에 잔존하는 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 금속의 미세 가공 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 방법을 이용한 식각은 10 ℃ 내지 50 ℃ 의 온도에서 수행하는 것인 금속의 미세 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 방법을 이용한 식각은 전해액 내에서 금속 기판을 침지시켜 수행하는 것인 금속의 미세 가공 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전해액은 크롬산을 전해액 1 L에 대해 10 g 미만으로 함유하는 것인 금속의 미세 가공 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전해액은 부피비로 20 내지 70%의 강산, 20 내지 70%의 약산 및 5 내지 30%의 물을 포함하는 것인 금속의 미세 가공 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 강산은 NaF, HCl, HBr, H2SO4, HNO3, NaNO3, HClO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 금속의 미세 가공 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 약산은 HF, HCN, CH3COOH, HCOOH, HCNO, H2CO3, H3PO4, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 금속의 미세 가공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    추가로 전기화학적 방법을 이용한 식각시 초음파, N2 가스 버블 또는 순환 방식을 수행하는 금속의 미세 가공 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴은 0.3 ㎛ 내지 200 ㎛ 의 식각 깊이를 갖는 것인 금속의 미세 가공 방법.
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