KR100861420B1 - 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 패턴형성방법 및 이를이용한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁/니들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토레지스트를 희생층으로 사용하여 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 포토리소그래피 공정을 적용함에 의해 다양한 미세 패턴을 저온 공정을 적용하여 형성할 수 있고 적은 비용으로 높은 생산효율을 도모할 수 있는 NIL을 이용한 패턴형성방법 및 이를 이용한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁/니들의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 다단계 요홈을 갖는 패턴형성방법에 있어서, 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와, 상기 다단계 요홈의 제1단계 요홈에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 압착하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 상기 제1단계 요홈을 생성하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 제2단계 요홈에 대응하는 영역을 제거하여 제1단계 요홈 내에 제2단계 요홈을 연장 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

NIL, 포토리소그래피, 스탬프, 광경화성 폴리머, 프로브, 니들, 마이크로 팁

Description

나노 임프린트 리소그래피를 이용한 패턴형성방법 및 이를 이용한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁/니들의 제조방법{Method for Forming Pattern Using Nano Imprint Lithography and Method for Fabricating Micro Tip/Needle for Vertical Probe Using the Same}

도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명이 적용되는 버티칼형 프로브를 보여주는 사시도, 평면도 및 마이크로 팁 단면도,

도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 임프린트 리소그래피(NIL)를 이용한 패턴형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 NIL 패턴형성방법을 이용한 마이크로 팁을 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도,

도 4a 내지 도 4d는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 NIL 패턴형성방법을 이용한 마이크로 팁을 제조하는 다른 방법을 설명하기 위한 공정 단면도,

도 5a 내지 도 5d는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 NIL 패턴형성방법을 이용한 마이크로 팁 스탬프를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도,

도 6a 및 도 6b는 각각 도 5a 내지 도 5d에 따라 얻어진 마이크로 팁 스탬프와 도 4a 내지 도 4d에 따라 얻어진 마이크로 팁의 확대 사진,

도 7a 내지 도 7f는 각각 도 2a 내지 도 2d에 도시된 NIL 패턴형성방법을 이 용한 니들을 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

10: 프로브 11: 마이크로 팁

11a: 접촉돌기 11b: 몸체

13: 니들 15: 결합부

21: 기판 22: 포토레지스트층

22a,22b,24,26: 요홈 22c: 몰드

23: 스탬프 25: 도전층

31,31a: 제1도전층 32,25b: 제2도전층

33,25a: 제3도전층 40: 마스크

41: 투명 영역 42: 불투명 영역

50: 마이크로 팁 스탬프

본 발명은 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 패턴형성방법 및 이를 이용한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁/니들의 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토레지스트를 희생층으로 사용하여 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 포토리소그래피 공정을 적용함에 의해 다양한 미세 패턴을 저온 공정을 적용하여 간단하게 형성할 수 있고 적은 비용으로 높은 생산효율을 도모할 수 있는 나노 임프린트 리소그래피 를 이용한 패턴형성방법 및 이를 이용한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁/니들의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 장치는 실리콘, 유리 또는 폴리머 기판의 상부에서 한 층씩 축적된다. 이러한 기판은 단단하거나 유연할 수 있다. 신호라인 및 트랜지스터 등의 미세한 구조는 잘 알려진 포토리소그래피(photolithography) 방법을 사용하여 제조된다.

통상적인 마이크론 및 서브 마이크론 레벨의 반도체 장치를 제조하는 일반적인 방법은 기판 표면에 형성된 산화물층을 패턴 형성하려고 할 때 먼저, 산화물층의 상부에 얇은 포토레지스트층을 형성하고 포토리소그래피 마스크를 포토레지스트 표면 위에 놓고, 자외선(UV) 광을 포토리소그래피 마스크를 통해 포토레지스트층 표면에 조사한다.

상기 포토리소그래피 마스크는 포토레지스트층 아래의 산화물층에서 제조될 구조물의 디자인을 정의하는 투명한 영역과 불투명한 영역을 가진다. 포토리소그래피 마스크는 포토레지스트층이 UV 방사선에 대한 노출에 대해 포지티브하게 반응하는지, 또는 네거티브하게 반응하는지에 따라 포지티브 마스크(positive mask) 또는 네거티브 마스크(negative mask)가 될 수 있다.

UV 방사선에 노출된 포지티브형 포토레지스트 재료는 화학적으로 변화되어 포토레지스트의 성능을 열화시키고, 용제(solvent)에 용해되기 쉽게 한다. 포토리소그래피 마스크는 제거되어야할 영역을 나타내는 투명한 영역을 가지며, UV 방사선은 포토리소그래피 마스크의 남겨져야할 영역인 불투명한 영역을 통한 투과가 차 단된다. 따라서, 포토리소그래피 마스크를 통해 포토레지스트층 표면으로 UV 방사선이 투과한 후에, 남겨져야할 영역은 용제에 의한 용해에 대해 여전히 저항성을 가지고 있는 반면에, 제거되어야할 영역은 화학적으로 변화된다.

포토레지스트에서 화학적으로 변화된 부분은 포토리소그래피 마스크의 투명 영역 아래에 위치한다. 그 후, 포토레지스트층을 용제에 노출시킴으로써 포토레지스트층에서 화학적으로 변화된 부분을 제거한다. 화학적으로 변화된 포토레지스트 영역의 제거는 포토레지스트층 내에 얕은 채널을 남기고, 채널 바닥 부분에서 산화물을 노출시킨다. 그 후 남겨진 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 에칭을 실시하면 산화물에 대한 패턴닝이 이루어지게 된다.

상기한 전통적인 포토리소그래피 기반의 패턴형성방법은 더 작고 더 정교하게 세분화된 반도체 장치를 제조하기 위해 수십 년간 사용되어 왔다. 그러나 포토리소그래피는 다수의 결점을 가진다. 잘 알려진 결점은 UV 방사선을 이용한 포토레지스트층의 패터닝에 의해 부과되는 해상도의 제한이다. 에지-회절 효과는 투영된 패턴의 해상도를 흐리게 하며, 에지-회절 효과는 패턴의 크기가 감소할수록 더욱 현저해진다.

일반적으로, 리소그래피 기술의 또 다른 단점은 반도체 장치의 특정한 층 내에 패터닝하기 위해서는 여러 개의 연속적이고 복잡한 단계가 필요하다는 것이다. 각각의 단계는 완성된 반도체 장치를 생산하는 것뿐만 아니라 제조 설비를 생성하는 데 막대한 비용이 소요되는 신중한 정렬 프로시져와 값비싸고 시간을 많이 소모하는 화학적, 기계적 기상 증착 및 대전 입자 빔에 기반한 프로시져를 필요로 할 것이다.

리소그래피 기술의 또 다른 단점은 평평한 표면을 필요로 하기 때문에, UV 방사선의 패턴이 인가되는 전체 표면이 좁은 초점 깊이 내에 유지된다는 것이다. 그러므로 플라스틱 시트 등, 본래 평탄화하기 어려운 표면상에 포토리소그래피 기술을 적용하여 마이크론 및 서브 마이크론 패턴을 형성하는 것은 어렵다.

포토리소그래피 방법의 패턴 크기에 대한 제한을 극복하기 위해서, 반도체 제조업자들은 소프트 X-선(soft X-ray) 포토리소그래피 방법을 개발 중이며, 마침내 패턴 크기를 나노미터 및 나노미터 이하의 범위로 축소시키기 위해 더 짧은 파장의 방사선을 채용하려고 시도한다. 그러나, 이러한 짧은 파장의 방사선 기술은 아직 완전히 상용화되지 않았고, 특히 복잡한 반도체 제조 설비, 마스크 준비 및 마스크/장치 정렬을 실시하기 위한 비용은 매우 비싸다. 그러나, 반도체 제조업자는 반도체 장치 내의 미세 전자 회로의 밀도를 지속적으로 증가시키기 위해 점점 더 작은 패턴 크기를 형성해야 한다는 계속적인 경제적 압력 하에 있다.

더욱이, 센서 및 소형 화학 분석 시스템, 분자 분석 어레이, 전기-광학 장치 및 다른 새로운 기술에 의한 이러한 제품 등의 복잡한 미세-전기 기계 시스템을 포함하는 마이크로 장치와 나노 장치용의 여러 새로운 적용예가 개발 중이다. 반도체 소자 및 다른 유형의 마이크로 장치와 나노 장치의 설계자, 제조자, 사용자는 점점 더 작은 패턴을 경제적으로 생산하고, 그에 따라 반도체 장치 및 다른 장치들 내에서의 패턴 밀도를 증가시키기 위한 마이크론 및 서브 마이크론 패턴형성방법의 필요성을 인식하고 있다.

따라서, 일반적인 포토 리소그래피 공정으로 해결할 수 없는 나노 크기 패턴을 형성하기 위하여 나노 임프린트 리소그래피(Nano Imprint Lithography: NIL)가 제안되고 있다.

프린스턴 대학의 Stephen Chou교수에 의해 제안된 NIL 방법은, PMMA(Polymethylmethacrylate) 등의 열가소성 폴리머 등으로 코팅한 기판표면을 나노 크기의 구조물(100㎚ 이하)을 갖는 스탬프(stamp)로 압착하여 레진 표면위에 스탬프의 패턴을 전사하는 핫 엠보싱(hot embossing) 방법이다. 이때, 레진에 각인된 나노 구조는 스탬프의 형상과 동일하게 형성되며, 스탬프는 주로 나노 크기의 패턴을 가진 실리콘, 실리콘 산화물 등으로 제작된다.

상기한 NIL 방법은 실리콘 웨이퍼로 형성된 기판위에 PMMA 등의 열가소성 폴리머 등으로 코팅하고, 미리 제작된 나노 패턴을 갖는 스탬프를 PMMA를 향해 가압한다. 이렇게 임프린팅하는 동안 PMMA를 유리전이 온도 이상으로 가열하여 점액 상태가 되어 스탬프의 패턴이 잘 각인되도록 한 다음, PMMA가 유리전이 온도 이하로 떨어질 때까지 압축상태를 유지시킨 후, 스탬프를 PMMA로부터 분리시킨다.

그런데, 이러한 임프린팅 리소그라피에 일반적으로 사용되는 PMMA는 나노패턴의 형성을 위해 임프린팅시 180℃이상의 높은 온도와 1000psi에 이르는 높은 압력을 가해야 한다. 이는 낮은 압력에서는 스탬프의 패턴이 PMMA로 완벽하게 전환되지 않기 때문이며, 이러한 고온고압의 조건을 수행하기 위해서는 복잡한 구조의 임프린팅 시스템이 필요하고 시스템의 응용이 제한된다는 단점이 있다. 또한, 높은 압력에서는 실리콘 산화물로 형성된 스탬프의 양각 부분과 PMMA의 접촉시 양각부분 이 변형되거나 파손되는 등의 문제점이 있다. 더욱이, 스탬프와 기판 및 PMMA가 모두 가열됨에 따라, PMMA에 대한 스탬프와 기판의 열팽창계수의 차로 인해 오정렬(misalignment)의 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, PMMA 대신 자외선에 의해 중합 반응하는 레진을 사용하고, 기판이나 스탬프를 투명재질로 형성하여 자외선의 투과가 가능하도록 하는 UV 나노 임프린팅 리소그라피(NIL)가 개발되어 있다. 기판이나 스탬프를 투명재질로 형성함에 따라 레진을 자외선으로 노광 처리할 수 있으므로, 가열과정이 필요 없거나 낮은 온도로 가열하게 된다. 따라서 가열에 따른 오정렬(misalignment) 문제를 방지할 수 있으며, 기존에 PMMA를 가열하고 냉각시키는데 소요되었던 시간을 최소화할 수 있다.

상기한 바와 같이 NIL 방법은 임프린트용 막의 재료에 따라 임프린트용 막이 자외선(UV) 경화성 폴리머인 경우 석영 등과 같이 투명한 소재를 이용하여 상보형 패턴이 음각 형성된 스탬프를 제조하고, 열경화성 폴리머인 경우 가열 및 고압 공정에 견딜 수 있는 소재를 이용하여 스탬프를 제조하여야 한다. 따라서, UV NIL 방법인 경우 스탬프를 광투과성 재질로 제조하여야 하는 문제가 있고, 열경화성 폴리머를 사용하는 핫 엠보싱(hot embossing) NIL 방법은 고온/고압의 공정조건에 따른 열변형과 구조 파괴 및 다층 정렬의 어려움이 있다.

또한, 상기한 종래의 임프린트를 이용한 패턴형성방법에서는 경화성 수지에 스탬프에 의한 임프린트가 이루어진 상태에서 열경화 또는 UV 경화가 이미 이루어졌기 때문에, 1단계 패턴형성이 이루어진 후에는 복잡한 형상의 패턴을 형성하기 위해 추가적인 패터닝이 필요한 경우는 새롭게 경화성 수지를 도포하고 2단계 리소그래피 공정을 진행하여야 하는 문제가 있다.

한편, 공개특허 제2005-24177호에는 실리콘의 높은 가공성을 이용함으로써 손쉽게 나노 패턴을 형성할 수 있고, 이에 다양한 마스크 재료를 적용할 수 있어 보다 용이하게 투명 스탬프를 제작할 수 있는 NIL에 사용되는 투명 스탬프의 제조방법을 제공하는 것으로, 미세 가공성이 좋은 실리콘 등의 기판에 음각의 나노 패턴을 형성한 다음, 투명 스탬프로 사용되는 실리콘 산화물, 실리콘 탄화물, 알루미나 등의 물질을 증착시켜 양각의 나노 패턴을 형성함으로써, 종래에 실리콘 산화물, 실리콘 탄화물 또는 알루미나 등의 재료에 직접 높은 어스펙트비의 나노 패턴을 형성하기 어려웠던 문제점을 극복하고 보다 용이하게 나노 패턴을 갖는 스탬프를 다양한 재료로 구현할 수 있는 나노 임프린팅 리소그래피를 위한 투명 스탬프 제조방법이 제안되어 있다.

공개특허 제2004-65752호에는 나노 임프린트 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하는 방법에 있어서, 미세 패턴이 형성되어 있는 몰드 기판과 상기 미세 패턴이 인쇄될 고분자 물질 사이의 계면에서의 접착 현상을 방지하여 성형된 폴리머를 몰드로부터 손상 없이 분리해 폴리머 미세 패턴의 품질을 높이는 효과가 있고, 또한, 나노 임프린트 방법을 이용하여 폴리머 미세 패턴을 성형하기 위하여 제작한 몰드와 몰드 상에 증착시킨 다이아몬드상 카본 필름의 내마모성이 좋기 때문에 몰드의 손상 없이 장기간 반복해서 사용이 가능하여 미세 패턴 제작시 비용이 절감되는 효과가 있는 기술을 제안하고 있다.

또한, 공개특허 제2006-7755호에는 기판의 일면에 복수의 볼록부가 구비된 패턴을 포함하며 전체적으로 PDMS로 이루어진 제 1 소프트 스템퍼를 형성하는 단계와, 제 1 소프트 스템퍼 상에 상기 패턴이 매립되도록 금속막을 형성하는 단계와, 금속막과 제 1 소프트 스템퍼를 분리하여 제 2 메탈 스템퍼를 형성하는 단계를 포함하는 스템퍼의 제조방법이 제안되어 있다.

상기 공개특허 제2006-7755호는 스템퍼를 메탈로 제작함에 의해 이를 이용한 피전사 기판에 대한 패턴 형성 공정 중에, 복수의 스탬퍼 패턴이 서로 붙거나, 이들 스템퍼 패턴이 휘어져 내려앉는 문제점을 제거하여, 스템퍼의 수명을 크게 증가시킬 수 있는 동시에, 스템퍼를 장기간 사용하더라도 재현성 높게 피전사 기판 상의 패턴을 형성할 수 있어서, 반도체 소자 제조 공정 등의 신뢰성을 향상할 수 있는 방법을 제안하고 있다.

공개특허 제2003-80183호에는 반도체 장치 또는 다른 마이크로 장치 또는 나노 장치의 폴리머층 내에 마이크론 및 서브 마이크론 패턴형성방법이 제안되어 있으며, 이 방법은 패턴 크기가 수십 나노미터 범위로 줄어들게 되면, 층 내 패턴 크기의 불일치에 의해 상당히 제한된다는 점을 고려하여 작은 패턴의 형성은 순수한 기계적 스탬프 방법을, 큰 패턴의 형성은 포토리소그래피와 유사한 기술을 채용함으로서 패턴 크기 불일치에 의한 제한을 제거하고 있다.

상기 공개특허 제2003-80183호는 작은 패턴은 대응되는 돌출부를 가지는 광-기계적 스탬프를 가지고 직접적으로 임프린팅하고, 큰 패턴은 광-기계적 스탬프를 통해서 UV 방사선을 투과시킴으로써 폴리머를 화학적으로 변화시켜 UV 노출 영역 또는 UV 차폐 영역이 용제에 의해 제거되도록 하여 폴리머 표면의 선택 영역의 표면을 UV 방사선에 노출하여 생성하는 기술을 제안하고 있다.

또한, 공개특허 제2005-99888호에는 레이저 간섭 리소그래피 원리를 이용하여 스탬프를 제조하고, 스탬프를 이용한 임프린트 공정을 나노 와이어 물질 및 임프린트용 막이 형성된 기판 상의 임프린트용 막에 실시한 후, 스탬프에 의해 형성된 패턴을 이용하여 나노 와이어 물질을 식각함으로써 나노 와이어를 대량으로 제조할 수 있도록 한 나노 와이어 제조 방법이 제안되어 있다.

한편, 일반적으로 반도체 디바이스를 제조하는 공정에서 반도체 웨이퍼 상에는 정밀사진 전사기술 등을 이용하여 다수의 반도체 디바이스가 형성되도록 하고 있으며, 이러한 반완성품인 반도체 디바이스를 반도체 웨이퍼의 상태로 전기적 특성검사를 실시하여 양품과 불량품을 판정하게 된다.

이와 같은 반도체 웨이퍼의 상태에서 각 반도체 디바이스의 전기적 특성검사를 위해 프로브 카드가 필요하며, 프로브 카드를 이용한 테스트 결과 양품으로 판정되는 반도체 디바이스는 패키징 등의 후공정에 의해서 완성품으로 제작된다.

반도체 웨이퍼의 전기적 특성검사는 통상 반도체 웨이퍼의 전극패드에 프로브 카드의 니들을 접촉시키고, 이 니들을 통해 특정의 전류를 통전시킴으로써 그때의 전기적 특성을 측정한다.

한편 반도체 디바이스는 점차 미세한 사이즈로 축소되면서 회로의 집적도는 더욱 높아지고 있으므로 프로브 카드의 니들이 접촉되는 반도체 디바이스의 전극패드 또한 더욱 미세해지는 추세이다.

이와 같은 반도체 웨이퍼 검사에 사용되는 프로브 카드는 크게 웨이퍼의 전극패드(본딩패드)와 접촉이 이루어지는 다수의 프로브와, 상기 다수의 프로브를 지지하면서 각 프로브를 메인 PCB에 연결하기 위한 인터페이스 역할을 하는 인터페이싱부와, 검사장비에 설치된 메인 PCB를 포함하고 있으며, 선단부에 배치되는 각 프로브의 구조와 성능에 따라 프로브 카드 전체의 특성이 결정된다.

프로브 카드에 채용되고 있는 프로브는 선단부가 검사면에 수직상태를 이루도록 절곡된 경사 니들 구조를 갖는 캔틸레버형(Cantilever type), 초미세 회로선폭에 적용될 수 있도록 반도체 공정을 적용하여 다수의 프로브가 일체로 형성되는 MEMS형(Micro Electro Mechanical Systems type) 및 마이크로 팁을 포함하는 프로브가 본딩패드에 수직으로 배치되고 접촉이 이루어지는 버틸칼형(Vertical type)으로 분류될 수 있다.

종래의 캔틸레버형 프로브는 설비투자가 적고, 수주에서 납기까지 소요되는 기간이 짧고, 고장 발생시에 수리가 용이한 장점이 있는 반면에 검사시에 스크래치(scratch)와 손상이 발생하고, 다수의 프로브 사이에 각도 차이로 인한 접촉력이 균일하지 못하며, 미세 피치 검사가 어렵고 검사 속도가 낮아서 효율성이 떨어지며, 프로브의 접촉 충격이 크고 개별 핀 수리가 어려운 문제가 있다.

상기 MEMS형은 한번에 검사할 수 있는 수량이 높아 검사 효율이 우수하고, 접촉 충격이 작으며 고도의 기술을 요구하기 때문에 진입 장벽이 높아 경쟁이 심하지 않은 장점이 있는 반면에 미세 피치 배열이 어렵고 수주에서 납기까지 소요되는 기간이 길고, 고장 발생시에 수리가 어려운 문제가 있다.

버티칼형은 검사시에 스크래치(scratch)와 손상 발생이 적고, 핀 배치의 제약을 받지 않으며 개별적인 핀 수리가 가능하여 수리가 매우 용이하게 이루어질 수 있고, 핀수에 따른 프로브 어셈블리의 제작이 수주에서 납기까지 소요되는 기간이 짧으며 미세 피치 검사가 가능한 장점이 있는 반면에 설비투자가 큰 단점을 가지고 있다.

종래에 Si 기판을 가공하여 버티칼형 프로브용 마이크로 팁을 제조하기 위한 마스터 스탬프를 제조하는 경우 마이크로 팁이 2단 구조물이므로 따라서 스탬프의 제작시에도 2회의 패터닝을 거쳐서 Si에 메탈이 코팅된 스탬프를 얻게 된다. 그러나, 메탈이 코팅되기 전에 Si 기판을 2회 패터닝하는 공정에서 두 번째 식각이 이루어지면 마이크로 팁에서 봉형상의 접촉돌기 부분과, 이 접촉돌기의 측면과 몸체가 만나는 단차 부분은 에칭액의 공격을 받아서 원하는 형상과 사이즈의 구조물이 얻어지지 않게 된다.

또한, 이렇게 제작된 마스터 스탬프를 사용하여 임프린트 방식으로 요홈 패턴을 형성하여 마이크로 팁을 형성하게 되면, 제작된 마이크로 팁의 선단부에 위치한 봉형상의 접촉돌기 부분은 피측정 반도체 웨이퍼의 전극패드와 접촉하는 접촉면적이 각각의 프로브 마다 서로 상이한 경우가 발생할 수 있다. 이와 같이 프로브의 접촉면적이 다른 경우 접촉저항에 차이가 발생하여 프로브가 검출하는 검출신호에 영향을 미치게 된다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 포토레지스트를 희생층으로 사용하여 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 포토리소그래피 공정을 적용함에 의해 스탬프의 재질을 투명하지 않은 것으로 제작하는 것이 가능하며, 다양한 미세 패턴을 저온 공정을 적용하여 형성할 수 있고 적은 비용으로 높은 생산효율을 도모할 수 있는 나노 임프린트 리소그래피(NIL)를 이용한 패턴형성방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 포토레지스트에 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 포토리소그래피 공정을 조합한 새로운 간단한 패턴형성방법을 이용하여 제작비용을 절감할 수 있는 버티칼형 프로브용 마이크로 팁 또는 니들과 같은 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다단 구조물 또는 초 박막의 구조물을 전해도금방법으로 형성할 때 보다 정밀한 사이즈의 구조물을 제작할 수 있는 정밀 구조물의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다단계 요홈을 갖는 패턴형성방법에 있어서, 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와, 상기 다단계 요홈의 제1단계 요홈에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 압착하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 상기 제1단계 요홈을 생성하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 제2단계 요홈에 대응하는 영역을 제거하여 제1단계 요홈 내에 제2단계 요홈을 연장 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴형성방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 광 경화성 폴리머층 내에 다단계 레이어 구조를 갖는 구조물의 제조방법에 있어서, 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와, 상기 구조물의 1단계 레이어 구조에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 제공하는 단계와, 상기 스탬프로부터 상기 광 경화성 폴리머층 상으로 패턴을 기계적으로 전사하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 1단계 레이어 구조에 대응하는 제1요홈을 생성하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 2단계 레이어 구조에 대응하는 영역을 제거하여 제1요홈 내에 제2요홈을 연장 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 경화성 폴리머 내 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법을 제공한다.

이 경우 상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 2단계 레이어 구조에 대응하는 영역을 제거하는 단계는 상기 1단계 레이어 구조에 대응하는 제1영역과 2단계 레이어 구조에 대응하는 제2영역의 광 투과도를 다르게 설정한 노광 마스크를 통해 방사선을 투과시킴으로써 상기 광 경화성 폴리머의 영역을 상기 방사선에 선택적으로 노출시켜서, 상기 광 경화성 폴리머의 노출된 영역과 상기 광 경화성 폴리머의 노출되지 않은 영역의 차등적인 화학적 안정성을 야기하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머에서 화학적 제거 방법에 민감한 영역을 제거하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하기 전에 전기도금할 때 음극 전극으로 이용되는 전기도금용 씨드층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다

이 경우, 상기 전기도금용 씨드층을 이용하여 전기도금에 의해 상기 제1 및 제2 요홈에 도전층을 전착하여 구조물을 형성하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머층을 녹여서 제거함에 의해 요홈에 충진된 도전층으로 이루어진 다단계 레이어 구조물을 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.

더욱이, 상기 구조물의 제조방법은 상기 제1 및 제2 요홈이 형성된 기판에 제2도전층을 형성하는 단계와, 상기 요홈에 솔더링 재료로 채운 후, 리플로우(reflow) 공정을 실시하여 제1도전층을 형성하는 단계와, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 기판의 표면을 연마하여 제1 및 제2 도전층을 분리시키는 단계를 더 포함하며, 이 경우 상기 구조물은 버티칼형 프로브용 마이크로 팁으로 사용될 수 있다.

또한, 상기 구조물의 제조방법은 상기 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하기 전에 전기도금할 때 음극 전극으로 이용되는 전기도금용 씨드층을 형성하는 단계와, 상기 전기도금용 씨드층을 전기도금용 음극 전극으로 이용하여 전착에 의해 상기 제1 및 제2 요홈을 도전성 재료로 채움에 의해 스탬프를 형성하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머층을 제거하여 요홈에 충진되어 있던 스탬프를 분리하는 단계를 더 포함하며, 상기 얻어진 스탬프는 버티칼형 프로브용 마이크로 팁의 제조에 이용된다.

본 발명에 따른 접촉돌기와 몸체를 구비한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁의 제조방법은 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와, 상기 마이크로 팁의 몸체에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계와, 상기 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 압착하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 몸체에 대응하는 제1요홈을 생성하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 접촉돌기에 대응하는 영역을 제거하여 제1요홈 내에 제2요홈을 연장 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 요홈이 형성된 기판에 제2도전층을 형성하는 단계와, 상기 요홈에 솔더링 재료로 채운 후, 리플로우(reflow) 공정을 실시하여 제1도전층을 형성하는 단계와, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 기판의 표면을 연마하여 제1 및 제2 도전층을 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 버티칼형 프로브용 니들의 제조방법은 기판의 상부에 전기도금용 씨드층을 형성하는 단계와, 상기 씨드층의 상부에 광 경화성 폴리머로 이루어진 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와, 지그재그 형상으로 이루어진 다수의 주름부와 결합부를 포함하는 니들의 양각 구조를 갖는 니들 스탬프를 상기 기판의 광 경화성 폴리머층에 가압하여 니들 형상에 대응하는 요홈을 형성하는 단계와, 상기 요홈의 바닥에 잔류한 광 경화성 폴리머층을 노광 및 현상 방법으로 제거하여 요홈 바닥의 전기도금용 씨드층을 노출시키는 단계와, 상기 전기도금용 씨드층을 이용하여 전기도금에 의해 상기 요홈에 도전층을 전착하는 단계와, 상기 요홈에 충진된 도전층의 두께가 상기 주름부의 폭에 대응하도록 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 광 경화성 폴리머층의 표면을 연마하는 단계와, 상기 광 경화성 폴리머층을 녹여서 제거함에 의해 요홈에 충진된 도전층으로 이루어진 니들을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더 욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명이 적용되는 버티칼형 프로브를 보여주는 사시도, 평면도 및 마이크로 팁 단면도, 도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 패턴형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도, 도 3a 내지 도 3d는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 NIL 패턴형성방법을 이용한 마이크로 팁을 제조하는 공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

본 발명의 패턴형성방법은 나노 크기의 사이즈를 갖는 버티칼형 프로브의 마이크로 팁을 제작하기 위한 패턴형성공정에 적용될 수 있으며, 이하에 버티칼형 프로브에 대하여 도 1a 내지 도 1c를 참고하여 간단하게 설명한다.

버티칼형 프로브는 다수의 버티칼형 프로브를 예를 들어, 매트릭스 방식으로 배치하여 인터포져에 결합시킴에 의해 프로브 어셈블리를 형성하는데 사용된다. 이에 대한 자세한 사항은 특허출원 제2007-56664호(2007. 6. 11)에 개시되어 있다.

상기 버티칼형 프로브(10)는 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 선단부에 배치되어 반도체 장치의 전극패드와 접촉이 이루어지는 마이크로 팁(11)과, 선단부가 마이크로 팁(11)의 후단부에 연결되며 수직방향의 탄성력을 갖도록 벨로우즈형 구조를 갖는 니들(13)과, 상기 니들의 후단부를 도시되지 않은 인터포져에 형성된 요홈에 수직으로 결합시키는 결합부(15)를 포함하고 있다.

상기 마이크로 팁(11)은 선단부에 봉형상의 접촉돌기(11a)와 접촉돌기(11a)를 지지하는 사각판 또는 원판 형상의 몸체(11b)로 이루어져 있고, 니들(13)은 벨 로우즈를 형성하도록 다수의 주름부가 지그재그 형상으로 이루어져 있고 양단부가 마이크로 팁(11)과 결합부(15)에 연결되어 있으며, 결합부(15)는 육면체 구조를 이루고 있다.

상기한 버티칼 프로브(10)는 수직으로 하강하여 마이크로 팁(11)의 선단부가 반도체 장치의 전극패드에 접촉이 이루어지면, 벨로우즈 형태의 다수의 주름부가 탄성적으로 압축되면서 접촉이 이루어지게 되고, 프로브(10)가 상승하는 경우 압축되어 있던 니들(13)이 복원되면서 반도체 장치의 전극패드와의 접촉이 해제된다.

이 경우 프로브(10)는 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)로 이루어진 마이크로 팁(11)과, 결합부(15)를 포함하는 니들(13)로 분리되어 제작된 후, 상호 연결이 이루어지며, 각각은 기판위에 형성된 희생층 위에 제작된 후 희생층을 식각하여 제거하는 MEMS 기술로 제조된다.

상기한 마이크로 팁(11)은 도 1c와 같이, 희생층을 사용하는 MEMS 기술로 제조될 때 예를 들어, 주재료가 Si-Ag, Si-Au, Sn-Ag, Sn-Au 또는 Sn 등과 같은 솔더링 재료로 이루어진 제1도전층(31)과, 제1도전층(31)의 외표면에는 내마모성과 내산화성 및 강도가 우수한 합금, 예를 들어, Ni-Co, Ni-W, Ni-W-Mo 또는 Be-Cu 등으로 이루어진 제2도전층(32)과, 전기전도도가 매우 우수한 Au로 이루어진 약 1㎛ 두께의 제3도전층(33)으로 이루어질 수 있다.

이 경우 상기 제3도전층(33)은 제2도전층(32)을 전기도금(electroplating)방법으로 형성하는 데 필요한 전기 도금용 음극 전극, 즉 전기도금용 씨드층(seed layer)으로 사용하기 위한 것이고, 제1도전층(32)은 Si-Ag, Si-Au, Sn-Ag, Sn-Au 또는 Sn 등과 같은 주재료로 마이크로 팁(11)을 형성할 때 베이스층(base layer)의 역할을 함과 동시에, 제2 및 제3 도전층(32,33)은 전기저항이 작은 도전막 역할도 하게 된다.

상기한 마이크로 팁(11)을 배치 프로세스(batch process)에 의해 웨이퍼 레벨(wafer level)로 제조하는 방법은 후술하는 바와 같이 상부에 희생층이 형성된 기판을 이용하여 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)에 대응하는 다수의 요홈을 희생층에 형성하는 공정을 필요로 한다.

상기한 마이크로 팁(11)에 대응하는 요홈과 같이 다단 구조를 갖는 경우 종래에는 2번의 포토리소그래피 공정을 진행하거나, 또는 마이크로 팁(11) 형상에 대응하는 스탬프(stamp)를 제작한 후 이를 이용하여 핫 엠보싱(hot embossing) 방법으로 열경화성 폴리머 레진에 마이크로 팁(11) 패턴을 전사하는 방법을 사용하였다.

상기한 핫 엠보싱 방법으로 마이크로 팁(11)에 대응하는 요홈을 형성하는 방법은 2회 포토리소그래피 공정에 비하여 공정비용을 절감할 수 있는 이점이 있으나, 종래기술에서 설명한 바와 같은 고온/고압의 가열에 따른 오정렬(misalignment) 문제와, PMMA를 가열하고 냉각시키는데 긴 시간이 소요되는 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 포토레지스트를 희생층으로 사용하여 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 노광 및 현상 공정을 포함하는 포토리소그래피 공정을 적용한 새로운 패턴형성방법을 제안한다.

먼저, 도 2a와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 패턴형성방법은 광 경화성 폴리머인 상용의 네거티브형 포토레지스트(negative type PR)를 기판(21) 위에 스핀 코팅방법으로 균일하게 도포하고 이를 소프트 베이킹(soft baking) 처리하여 희생층으로 사용하는 포토레지스트층(22)을 형성한다.

이어서, 도 2b와 같이, 마이크로 팁(11)의 몸체(11b)의 형상에 대응하는 다수의 압착돌기(23a)가 일정한 간격으로 돌출된 스탬프(23)를 미리 형성한 후, 상온 내지 80도의 저온온도 범위로 가열된 상태에서 압착이 이루어진다.

이 경우 다수의 압착돌기(23a)를 갖는 스탬프(23)는 상기한 선출원된 특허출원 제2007-56664호(2007. 6. 11)에 사용된 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)의 전체 형상에 대응하는 압착돌기를 갖는 스탬프에 비하여 형상이 단순하고 미세한 접촉돌기(11a) 부분이 제외되어 있기 때문에 다수회 반복 사용할지라도 내구성이 더 높게 된다.

그후, 도 2c와 같이 스탬프(23)를 기판(21)으로부터 분리하여 포토레지스트층(22)에 마이크로 팁(11)의 몸체(11b)의 형상에 대응하는 다수의 요홈(22a)을 형성한다.

이어서, 도 2d와 같이 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a)에 대응하는 부분에 자외선(UV)의 투과를 저지하여 반사시키기 위해 카본 블랙으로 이루어진 다수의 불투명 영역(42)과 자외선의 투과가 이루어질 수 있는 다수의 투명 영역(41)으로 이루어진 노광 마스크(40)를 사용하여 포토레지스트층(22)에 노광, 즉 자외선을 선택 적으로 조사한다.

상기 자외선의 조사가 이루어지면, 네거티브형 포토레지스트층(22)의 노광된 부분은 경화가 이루어지고, 비노광 부분은 경화가 이루어지지 않는다.

그후, 포토레지스트층(22)을 용제에 노출시키면 경화되지 않은 접촉돌기(11a)에 대응하는 비노광 부분은 녹아서 제거되어 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a) 형상에 대응하는 다수의 요홈(22b)이 형성된다.

상기한 현상이 끝나면 현상과정에서 풀어진 포토레지스트층(22)의 폴리머 조직을 단단하게 만들기 위해 베이킹을 실시한다.

상기한 실시예에서는 네거티브 포토레지스트와 네거티브 마스크를 사용한 것을 예시하였으나, 포지티브 포토레지스트와 포지티브 마스크를 사용하는 것도 가능하다.

종래의 자외선(UV) NIL 방법에서는 기판과 스탬프를 모두 투명재질로 형성하여야 하나, 본 발명에 따른 패턴형성방법에서는 상기한 바와 같이, 포토레지스트를 희생층으로 사용하여 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 포토리소그래피 공정을 조합하여 적용함에 의해 스탬프가 투명하지 않아도 무방하여 스탬프 재질의 다양성을 확보할 수 있게 된다. 그 결과, 본 발명에서는 스탬프를 투명하지 않은 금속 재질로 제작할 수 있어 스탬프의 내구성을 높이는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기한 본 발명의 공정을 이용하면 간단한 공정으로 다양한 종류의 패턴을 형성할 수 있어 수율 향상을 도모할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 희생층으로 포토레지스트를 사용하고 있으므로 포토레지스트의 스트립(strip)이 포토레지스 트 스트리퍼(PR striper) 또는 아세톤과 같은 용제를 사용하여 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 가열과정이 필요 없거나 낮은 온도로 가열하여 임프린트가 이루어지므로 따라서 가열에 따른 오정렬(misalignment) 문제를 방지할 수 있으며, 기존에 열경화성 폴리머를 가열하고 냉각시키는데 소요되었던 시간을 최소화할 수 있다.

이하에 상기한 패턴형성방법에 따라 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)의 전체 형상에 대응하는 다수의 요홈(24)이 포토레지스트층(22)에 형성된 기판(21)을 이용하여 마이크로 팁을 제조하는 방법을 도 3a 내지 도 3d를 참고하여 설명한다.

도 3a는 상기한 본 발명의 패턴형성방법에 따라 희생층으로 포토레지스트를 사용하여 포토레지스트층(22)에 다수의 요홈(24)이 형성된 기판(21)을 나타내고 있다.

이어서, 도 3b와 같이, 마이크로 팁(11)에 대한 요홈(24)이 형성된 포토레지스트층(22)에 스퍼터링 방법으로 Au로 이루어진 약 1㎛ 두께의 제3도전층(33)을 형성한다.

이어서, 상기 제3도전층(33)을 전기도금용 음극 전극으로 이용하여 전기도금에 의해 상기한 제3도전층(33)의 표면에 300Å 범위로 Ni-Co, Ni-W, Ni-W-Mo 및 Be-Cu 중 어느 하나의 재료를 사용하여 제2도전층(32)을 형성한다.

그후, 도 3c와 같이 제2 및 제3 도전층(32,33)이 피막된 상기 요홈(24)을 Si-Ag, Si-Au, Sn-Ag, Sn-Au 또는 Sn 등과 같은 솔더링 재료로 채운 후, 리플로우(reflow) 공정을 거침에 의해 제1도전층(31)을 형성한다.

그 후, 도3d와 같이 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 표면을 연마하여 적어도 제2 및 제3 도전층(32,33)이 서로 분리되고 포토레지스트층(22)의 표면이 노출되며 요홈(24)에 충진된 제1 내지 제3 도전층(31-33)의 두께가 미리 설정된 60 내지 70㎛가 되게 한다.

이어서, 상기 포토레지스트층(22)을 녹일 수 있는 주지된 용제를 이용하여 포토레지스트층(22)을 녹이거나 PR 스트리퍼를 사용하면 다수의 요홈(24)에 충진된 제1 내지 제3 도전층(31-33)으로 이루어진 다수의 마이크로 팁(11)이 도 1c와 같이 얻어진다.

이 경우, 웨이퍼 레벨의 배치 프로세스를 진행하면 한번에 다수의 마이크로 팁(11)이 얻어진다.

상기 마이크로 팁 제조방법에서 전해도금법에 의해 전도성 물질을 음극에 전착 형성할 때, 음극 전극용 전도성 물질(메탈)로서 상기 실시예에서는 Au/Cr의 이중막을 사용한 것을 예시하였으나, 이외에도 Ni, Cr, Ti, Cu, Au, Al, Cu/Cr, Cu/Ti 막을 사용하는 것이 가능하다.

한편, 상기한 도 3a 내지 도 3d에 도시된 실시예에서는 마이크로 팁을 형성하는 제1 내지 제3 도전층을 전기도금방법으로 요홈에 형성하고 있으나, 상기한 공정에서 요홈의 깊이가 깊어지는 경우, 또는, 예를 들어, 도 1a에 도시된 니들(13)과 같이 폭이 넓고 박막일 때 패턴형성된 요홈은 어스팩트 비가 크기 때문에 전기 도금방법으로 요홈의 하부까지 잘 채워지지 않는 문제가 발생할 수 있다.

전기도금방법으로 채워야할 요홈의 어스팩트 비가 큰 경우에는 전기동금용 음극 전극을 포토레지스트층의 하부에 미리 형성하는 하기의 방법을 사용하여 제조할 수 있다.

한편, 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)의 전체 형상에 대응하는 다수의 돌기가 형성된 마스터 스탬프를 사용하여 포토레지스트층에 패턴을 전사하는 방법은 스탬프의 압착이 이루어진 후, 요홈의 하부에 위치한 전기동금용 음극 전극을 노출시키기 위하여 포토레지스트 잔류물을 제거하는 에칭 공정을 추가로 실시하는 것이 요구된다. 이 경우, 에칭 공정의 추가로 인하여 포토레지스트층에 형성된 요홈의 패턴이 손상될 수 있고, 이러한 몰드를 사용하여 전기도금이 이루어지는 경우 원하는 규격의 구조물이 얻어지지 못한다.

도 4a 내지 도 4d는 상기한 사항들을 고려하여 도 2a 내지 도 2d에 도시된 패턴형성방법을 이용하여 에칭 공정 없이 정밀한 형상의 마이크로 팁을 제조하는 다른 공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

먼저, 도 4a와 같이 예를 들어, Si 기판(21) 위에 전기도금시에 음극 전극으로 이용되는 도전막으로서 스퍼터링 방법에 의해 Ni로 이루어진 도전층(25)을 형성한다. 이 경우 도전층은 Au/Cr의 이중막으로 형성하는 것도 가능하다.

그후, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 패턴형성방법을 거치게 되면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)의 전체 형상에 대응하는 다수의 요홈(24)이 형성되며, 각 요홈(24)은 그 하부에 전기도금시에 음극 전극으로 이용되는 도전층(25)이 노출되어 있는 기판(21)이 얻어진다.

이어서, 도 4c와 같이, 상기 도전층(25)을 전기도금용 음극 전극으로 이용하여 전기도금에 의해 Ni-Co, Ni-W, Ni-W-Mo 및 Be-Cu 중 어느 하나의 재료를 사용하여 상기한 요홈(24)에 채우도록 예를 들어, 100 내지 120㎛ 범위로 전착함에 의해 제1도전층(31)을 형성한다.

그 후, 도 4d와 같이 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 표면을 연마하여 포토레지스트층(22)의 표면이 노출되며 요홈(24)에 충진된 제1도전층(31)의 두께를 미리 설정된 두께가 되게 한다.

이어서, 용제를 이용하여 포토레지스트층(22)을 녹이거나 PR 스트리퍼를 사용하면 다수의 요홈(24)에 충진된 제1도전층(31)으로 이루어진 다수의 마이크로 팁(11)이 도 1c와 같이 얻어진다.

더욱이, 상기한 본 발명은 정밀한 Ni 스탬프를 제작하는데 이용될 수 있다.

예를 들어, 다단 구조의 돌기부분을 갖는 스탬프를 제작하는 경우, 도 5a에 도시된 바와 같이, 예를 들어, Si 기판(21) 위에 전기도금시에 음극 전극으로 이용되는 도전막으로서 스퍼터링 방법에 의해 Ni로 이루어진 도전층(25)을 형성한다. 이 경우 도전층은 Au/Cr의 이중막으로 형성하는 것도 가능하다.

그후, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 패턴형성방법을 거치게 되면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 마이크로 팁(11)의 접촉돌기(11a)와 몸체(11b)의 전체 형상에 대응하는 다수의 요홈(24)이 형성되며, 각 요홈(24)은 그 하부에 전기도금시에 음극 전극으로 이용되는 도전층(25)이 노출되어 있는 기판(21)이 얻어진다.

이어서, 도 5c와 같이, 상기 도전층(25)을 전기도금용 음극 전극으로 이용하여 전기도금에 의해 Ni를 상기한 요홈(24)을 채움에 의해 마이크로 팁 스탬프(50)를 형성한다.

그 후, 주지된 방법으로 포토레지스트층(22)을 녹이는 방법으로 요홈에 충진되어 있던 마이크로 팁 스탬프(50)를 분리하면, 도 5d와 같이 얻어진다.

도 6a 및 도 6b는 각각 상기한 도 5a 내지 도 5d에 따라 얻어진 마이크로 팁 Ni 스탬프(50)와 도 4a 내지 도 4d에 따라 얻어진 NiCo 마이크로 팁의 확대 사진을 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 공정을 이용하는 경우 다단 레이어 구조를 갖는 구조물을 정밀하게 형성하는 것이 가능하다.

도 7a 내지 도 7f는 각각 도 2a 내지 도 2d에 도시된 NIL 패턴형성방법을 이용한 니들을 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

먼저, 도 7a와 같이 Si 기판(21) 위에 스퍼터링 방법으로 순차적으로 Au로 이루어진 약 1㎛ 두께의 제3도전층(25a)과 Cr로 이루어진 약 300Å 두께의 제2도전층(25b)을 형성한다. 상기 제3도전층(25a) 및 제2도전층(25b)은 후속 공정에서 전기 도금용 음극 전극으로 이용된다.

그후, 도 7b와 같이 상기 제2도전층(25b)의 상부에 포토레지스트층(22)을 100~120㎛ 두께로 형성한 후, 도 7c와 같이 미리 제작된 니들 스탬프(51)를 포토레지스트층(22)에 가압하여 니들(13)에 대응하는 요홈(26)을 포함하는 몰드(22c)를 형성한다.

후속공정으로 도 7d와 같이, 몰드(22c)의 요홈(26) 바닥면에 잔류하는 포토레지스트를 제거하기 위하여 상기한 도 2d의 포토리소그래피(노광 및 현상) 공정과 같이 니들(13)과 결합부(15)에 대응하는 부분에 자외선(UV)의 투과를 저지하여 반사시키기 위해 카본 블랙으로 이루어진 다수의 불투명 영역(42)과 자외선의 투과가 이루어질 수 있는 다수의 투명 영역(41)으로 이루어진 노광 마스크(40)를 사용하여 포토레지스트 몰드(22c)에 노광, 즉 자외선을 선택적으로 조사한다. 상기한 노광 마스크(40)는 카본 블랙 이외에 주지된 다른 재료로 제작된 것을 사용할 수 있다.

상기 자외선의 조사가 이루어지면, 네거티브형 포토레지스트 몰드(22c)의 노광된 부분은 경화가 이루어지고, 비노광 부분은 경화가 이루어지지 않는다.

그후, 포토레지스트 몰드(22c)를 용제에 노출시키면 경화되지 않은 니들(13)과 결합부(15)에 대응하는 비노광 부분은 녹아서 제거되어 요홈(26) 바닥의 제2도전층(25b)이 노출되도록 한다.

이어서, 도 7e와 같이 요홈(26) 하부의 제2 및 제3 도전층(25b,25a)을 전기도금용 음극 전극으로 이용하여 전기도금에 의해 Ni-Co, Ni-W, Ni-W-Mo 및 Be-Cu 중 어느 하나의 재료를 사용하여 상기한 요홈(26)의 바닥면으로부터 채우도록 100 내지 120㎛ 범위로 전착함에 의해 제1도전층(31a)을 형성한다.

그 후, 도 7f와 같이 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 몰드(22c) 표면을 연마하여 요홈(26)에 충진된 제1도전층(31a)의 두께가 100㎛가 되게 한다.

이어서, 상기 몰드(22c)를 주지된 방법으로 제거하여 요홈(26)에 충진된 제1 도전층(31a)으로 이루어진 결합부(15)를 포함하는 니들(13)을 분리하면 도 1b와 같이 얻어진다.

상기한 실시예에 따르면, 니들(13)의 폭이 넓고 박막일지라도 전기 도금시에 요홈(26)의 하부로부터 충전이 이루어지게 되어 형상의 정밀도가 높은 니들(13)이 얻어지게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제조하고자 하는 대상물의 1단 레이어 구조물(즉, 피쳐(feature))에 대하여는 이에 대응하여 임프린트용 스탬프에 돌기를 형성하고, 2단 레이어 구조물에 대하여는 1단 레이어 구조물의 돌기 패턴을 갖는 스탬프로 임프린트가 이루어진 후 노광 및 현상 공정으로 이루어진 포토리소그래피 방법에 따라 2단 레이어 구조물에 대응하는 패터닝을 순차적으로 나누어서 실시함에 의해 임프린트용 스탬프를 투명하지 않은 재료를 사용하는 것이 가능하게 되었다.

따라서, 종래의 UV NIL에서는 PDM, 석영, 유리 또는 다른 UV 투과 재료로 스탬프를 제작하여야 하기 때문에 내구성이 떨어지는 치명적인 단점이 있었으나, 본 발명에서는 금속재로 스탬프를 제작하는 것이 가능하여 내구성을 크게 향상할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 1단 레이어에 대한 임프린트가 이루어진 상태에서 경화성 수지에 대한 경화가 바로 진행되지 않고, 2단 레이어에 대한 노광시에 1단 레이어에 대한 노광이 동시에 이루어지고 그 후 현상이 이루어진다.

따라서, 종래에는 일단 임프린트와 경화가 동시에 진행되므로 일단 경화가 이루어진 후에는 경화된 수지에 대한 2단계 패터닝을 하기 위해서 경화성 수지의 도포, 노광 및 현상 공정을 새롭게 실시하여야 하므로 이에 따라 공정 시간과 비용이 증가하는 문제가 있게 되나, 본 발명에서는 2단계 패터닝시에 새로운 경화성 수지의 도포 공정을 생략하고, 노광 및 현상 공정만을 실시하는 것이므로 공정 시간과 이에 따른 비용의 절감을 도모할 수 있게 된다.

또한, 벨로즈형의 탄성 니들(13)과 같이 폭이 넓고 박막으로 이루어진 구조물을 전기도금방법으로 형성하는 경우 요홈의 하부로부터 충전이 이루어지게 함에 의해 형상의 정밀도가 높은 MEMS 구조물이 얻어지게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 포토레지스트를 희생층으로 사용하여 나노 임프린트 리소그래피(NIL) 공정과 포토리소그래피 공정을 적용함에 의해 스탬프의 재질을 투명하지 않은 것으로 제작하는 것이 가능하며, 다단 구조를 갖는 다양한 미세 패턴 구조물을 저온 공정을 적용하여 간단히 형성할 수 있고 적은 비용으로 높은 생산효율을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 포토레지스트를 희생층으로 이용하는 패턴형성방법을 이용함에 의해 복잡하고 다양한 형상을 갖는 버티칼형 프로브 구조물을 간단한 공정에 의해 제작할 수 있어 제작비용을 절감할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (13)

1. 다단계 요홈을 갖는 패턴형성방법에 있어서,

   기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와,

   상기 다단계 요홈의 제1단계 요홈에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 압착하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 상기 제1단계 요홈을 생성하는 단계와,

   상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 제2단계 요홈에 대응하는 영역을 제거하여 제1단계 요홈 내에 제2단계 요홈을 연장 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
2. 광 경화성 폴리머층 내에 다단계 레이어 구조를 갖는 구조물의 제조방법에 있어서,

   기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와,

   상기 구조물의 1단계 레이어 구조에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 제공하는 단계와,

   상기 스탬프로부터 상기 광 경화성 폴리머층 상으로 패턴을 기계적으로 전사하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 1단계 레이어 구조에 대응하는 제1요홈을 생성하는 단계와,

   상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 2단계 레이어 구조에 대응하는 영역을 제거하여 제1요홈 내에 제2요홈을 연장 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 2단계 레이어 구조에 대응하는 영역을 제거하는 단계는,

   상기 1단계 레이어 구조에 대응하는 제1영역과 2단계 레이어 구조에 대응하는 제2영역의 광 투과도를 다르게 설정한 노광 마스크를 통해 방사선을 투과시킴으로써 상기 광 경화성 폴리머의 영역을 상기 방사선에 선택적으로 노출시켜서, 상기 광 경화성 폴리머의 노출된 영역과 상기 광 경화성 폴리머의 노출되지 않은 영역의 차등적인 화학적 안정성을 야기하는 단계와,

   상기 광 경화성 폴리머에서 화학적 제거 방법에 민감한 영역을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하기 전에 전기도금할 때 음극 전극으로 이용되는 전기도금용 씨드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 전기도금용 씨드층을 이용하여 전기도금에 의해 상기 제1 및 제2 요홈에 도전층을 전착하여 구조물을 형성하는 단계와,

   상기 광 경화성 폴리머층을 녹여서 제거함에 의해 요홈에 충진된 도전층으로 이루어진 다단계 레이어 구조물을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 광 경화성 폴리머층이 노출되도록 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 기판의 표면을 연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 요홈이 형성된 기판에 제2도전층을 형성하는 단계와,

   상기 요홈에 솔더링 재료로 채운 후, 리플로우(reflow) 공정을 실시하여 제1도전층을 형성하는 단계와,

   CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 기판의 표면을 연마하여 제1 및 제2 도전층을 분리시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 구조물은 버티칼형 프로브용 마이크로 팁인 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
9. 제2항에 있어서,

   상기 기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하기 전에 전기도금할 때 음극 전 극으로 이용되는 전기도금용 씨드층을 형성하는 단계와,

   상기 전기도금용 씨드층을 전기도금용 음극 전극으로 이용하여 전착에 의해 상기 제1 및 제2 요홈을 도전성 재료로 채움에 의해 스탬프를 형성하는 단계와,

   상기 광 경화성 폴리머층을 제거하여 요홈에 충진되어 있던 스탬프를 분리하는 단계를 더 포함하며,

   상기 스탬프는 버티칼형 프로브용 마이크로 팁의 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 다단계 레이어를 갖는 구조물의 제조방법.
10. 접촉돌기와 몸체를 구비한 버티칼형 프로브용 마이크로 팁의 제조방법에 있어서,

    기판위에 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와,

    상기 마이크로 팁의 몸체에 대응하는 돌기 패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계와,

    상기 스탬프를 상기 광 경화성 폴리머층에 압착하여 상기 광 경화성 폴리머층 내에 몸체에 대응하는 제1요홈을 생성하는 단계와,

    상기 광 경화성 폴리머에서 노광 및 현상 공정에 의해 접촉돌기에 대응하는 영역을 제거하여 제1요홈 내에 제2요홈을 연장 형성하는 단계와,

    상기 제1 및 제2 요홈이 형성된 기판에 제2도전층을 형성하는 단계와,

    상기 요홈에 솔더링 재료로 채운 후, 리플로우(reflow) 공정을 실시하여 제1도전층을 형성하는 단계와,

    CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 기판의 표면을 연마하여 제1 및 제2 도전층을 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버티칼형 프로브용 마이크로 팁의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 광 경화성 폴리머층은 포토레지스트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 버티칼형 프로브용 마이크로 팁의 제조방법.
12. 기판의 상부에 전기도금용 씨드층을 형성하는 단계와,

    상기 씨드층의 상부에 광 경화성 폴리머로 이루어진 광 경화성 폴리머층을 형성하는 단계와,

    지그재그 형상으로 이루어진 다수의 주름부와 결합부를 포함하는 니들의 양각 구조를 갖는 니들 스탬프를 상기 기판의 광 경화성 폴리머층에 가압하여 니들 형상에 대응하는 요홈을 형성하는 단계와,

    상기 요홈의 바닥에 잔류한 광 경화성 폴리머층을 노광 및 현상 방법으로 제거하여 요홈 바닥의 전기도금용 씨드층을 노출시키는 단계와,

    상기 전기도금용 씨드층을 이용하여 전기도금에 의해 상기 요홈에 도전층을 전착하는 단계와,

    상기 요홈에 충진된 도전층의 두께가 상기 주름부의 폭에 대응하도록 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 광 경화성 폴리머층의 표면을 연마하는 단계와,

    상기 광 경화성 폴리머층을 녹여서 제거함에 의해 요홈에 충진된 도전층으로 이루어진 니들을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버티칼형 프로브용 니들의 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 광 경화성 폴리머층은 포토레지스트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 버티칼형 프로브용 니들의 제조방법.

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