KR100927609B1 - 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법 - Google Patents

콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법이 개시된다. 개시된 스탬프의 제조 방법은, 스탬프용 기판을 준비하고, 그 기판 상에 아몰퍼스 실리콘층을 형성하는 단계와, 아몰퍼스 실리콘층의 표면에 금속층을 형성하는 단계와, 금속층을 식각 마스크를 사용하여 원하는 패턴으로 식각하는 단계와, 금속층의 식각에 의해 노출된 아몰퍼스 실리콘층을 식각하여 금속층 아래에 페디스탈을 형성하는 단계와, 페디스탈의 표면을 산화시키는 단계와, 페디스탈의 표면에 형성된 실리콘 산화물을 식각하여 페디스탈의 끝단을 날카롭게 형성하는 단계를 구비한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 마이크로 레벨의 제조 공정으로 나노 레벨의 패턴을 가진 스탬프를 제조할 수 있어서 제조 공정이 단순화되고, 스탬프에 형성된 패턴이 실리콘으로 이루어져 비교적 높은 강도를 가지므로 내구성이 우수하다.

Description

콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법{Manufacturing method of stamp for contact printing}
도 1a 내지 도 1e는 종래의 콘택트 프린팅용 스탬프 제조 방법과 이 방법에 의해 제조된 스탬프를 사용한 콘택트 프린팅 방법을 단계별로 도시한 도면들이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 콘택트 프린팅용 스탬프 제조 방법과 이 방법에 의해 제조된 스탬프를 사용한 콘택트 프린팅 방법을 단계별로 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 스탬프에 형성된 여러가지 패턴을 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 스탬프에 의해 타겟 기판 상에 콘택트 프린팅된 나노 단위의 미세 패턴을 보여주는 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...스탬프 110...스탬프용 기판
120...아몰퍼스 실리콘층 130...금속층
140...식각 마스크 150...페디스탈
151...실리콘 산화물 160...잉크
170...타겟 기판
본 발명은 콘택트 프린팅에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 단위의 미세 패턴을 프린팅할 수 있는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법에 관한 것이다.
나노 단위의 미세 패턴을 형성하는 방법에는 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 및 이온빔 리소그라피(ion-beam lithography)와 같은 리소그라피법 등 종래의 반도체 제조 공정 기술이 널리 사용되고 있다. 그러나, 산업 기술이 점차 발전하면서 보다 간단하고, 편리하며, 값싸게 나노 단위의 미세 패턴을 형성할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 이러한 관점에서 최근 들어 주목을 받고 있는 콘택트 프린팅(contact printing) 방법은 많은 장점을 가지고 있다.
콘택트 프린팅 방법이란, 원하는 패턴이 형성된 스탬프에 유기분자, 유기금속화합물 또는 콜로이드 금속 나노 입자를 포함하는 잉크를 도포하고, 이를 기판 상에 프린팅함으로써 원하는 패턴을 형성하는 방법이다. 이러한 콘택트 프린팅 방법에 의하면, 나노 또는 마이크로 단위의 미세 패턴을 반복적이고 용이하게 형성할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이와 같은 콘택트 프린팅 방법은 기판 상에 마이크로전극 어레이, 유기 발광 다이오드 및 유기 박막 트랜지스터 등을 프린팅하는데 적용되고 있을 뿐만 아니라, 바이오 센서 등에 단백질 등의 유기물을 나노 패턴으로 프린팅하는데에도 적용되고 있는 등 그 적용 분야를 점차 넓혀가고 있다.
도 1a 내지 도 1e는 종래의 콘택트 프린팅용 스탬프 제조 방법과 이 방법에 의해 제조된 스탬프를 사용한 콘택트 프린팅 방법을 단계별로 도시한 도면들이다.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘 또는 유리로 이루어진 마스터 기판(10) 상에 마스터 패턴을 형성한다. 마스터 패턴은 리소그라피 공정과 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 이 때, 나노 단위 또는 마이크로 단위의 미세 패턴을 형성하기 위해서는 전자빔 리소그라피 또는 이온빔 리소그라피가 이용된다.
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판(10) 상에 스탬프(20)를 형성한다. 상기 스탬프(20)는 핫롤 엠보싱(hot roll embossing), UV 캐스팅 또는 사출 몰딩법에 의해 형성되며, 일반적으로 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)라는 고분자 물질로 이루어진다.
그리고, 스탬프(20)를 마스터 기판(10)으로부터 분리하면, 도 1c에 도시된 바와 같이, 그 저면에 원하는 패턴이 형성된 스탬프(20)가 제조된다. 이어서, 스탬프(20)의 패턴이 형성된 면에 상기한 바와 같은 잉크(30)를 도포한다.
다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이, 잉크(30)가 도포된 스탬프(20)를 타겟 기판(40)의 표면에 접촉시킨다. 이 때, 타겟 기판(40)의 표면에는 예컨대 은(Ag)으로 이루어진 금속층(41)이 형성되어 있을 수 있다. 이 경우에는, 상기 잉크(30)로서 유기물이 사용되며, 이 잉크(30)는 금속층(41)의 표면에 프린팅되어, 도 1e에 도시된 바와 같이 원하는 패턴을 형성하게 된다. 마지막으로, 금속층(41) 중 패턴이 형성되지 아니한 부분을 습식 식각하여 제거하면, 타겟 기판(40)의 표면에 전도성 금속 패턴이 형성된다.
한편, 잉크(30)로서 금속 나노 입자 콜로이드를 사용하는 경우에는, 금속층(41) 없이 타겟 기판(40) 상에 직접 프린팅된다. 이 상태에서, 열처리를 거치게 되면 타겟 기판(40) 상에 전도성 금속 패턴이 형성된다.
상기한 바와 같이, 콘택트 프린팅법에 사용되는 종래의 스탬프(20)는 리소그라피와 식각에 의한 마스터 기판(10)의 패터닝과 PDMS를 사용한 몰딩 공정 등에 의해 제조된다. 이때, 나노 단위의 미세 패턴을 프린팅할 수 있는 스탬프(20)를 제조하기 위해서는, 마스터 기판(10)에 대한 전자빔 리소그라피 또는 이온빔 리소그라피 공정을 필요로 한다. 이에 따라, 스탬프(20) 제조에 필요한 공정 소요 시간이 길고 제조 원가가 높아지게 된다. 더구나, 이러한 전자빔 또는 이온빔 리소그라피 공정에 의해서도 대략 60nm 보다 작은 선폭을 가진 미세한 패턴을 형성하는 것은 곤란하다.
또한, 스탬프(20)가 PDMS라는 고분자 화합물로 이루어지므로, 그 강도가 약하여 타겟 기판(40)과의 반복되는 접촉에 의해 쉽게 마모되거나 변형되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 나노 단위의 미세 패턴을 프린팅할 수 있으며 공정이 단순하고 내구성이 향상된 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
스탬프용 기판을 준비하고, 그 기판 상에 아몰퍼스 실리콘층을 형성하는 단 계;
상기 아몰퍼스 실리콘층의 표면에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층을 식각 마스크를 사용하여 원하는 패턴으로 식각하는 단계;
상기 금속층의 식각에 의해 노출된 상기 아몰퍼스 실리콘층을 식각하여 상기 금속층 아래에 페디스탈을 형성하는 단계;
상기 페디스탈의 표면을 산화시키는 단계;
상기 페디스탈의 표면에 형성된 실리콘 산화물을 식각하여 상기 페디스탈의 끝단을 날카롭게 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법을 제공한다.
여기에서, 상기 기판은 실리콘 기판과 유리 기판 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 금속층은 크롬과 몰리브덴 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 아몰퍼스 실리콘층의 식각은 등방성 습식 식각에 의해 수행되는 것이 바람직하며, 상기 아몰퍼스 실리콘층의 식각에 의해 상기 페디스탈은 상단으로 가면서 그 폭이 점차 좁아지는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 페디스탈 표면의 산화는 산소 분위기의 열처리로 내에서 수행될 수 있으며, 상기 실리콘 산화물의 식각은 습식 식각에 의해 수행될 수 있다.
그리고, 상기 실리콘 산화물의 식각시에 상기 금속층도 함께 제거될 수 있다.
상기한 같은 본 발명에 의하면, 마이크로 레벨의 제조 공정으로 나노 레벨의 패턴을 가진 스탬프를 제조할 수 있어서 제조 공정이 단순화되고, 스탬프에 형성된 패턴이 실리콘으로 이루어져 비교적 높은 강도를 가지므로 내구성이 우수하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 콘택트 프린팅용 스탬프 제조 방법과 이 방법에 의해 제조된 스탬프를 사용한 콘택트 프린팅 방법을 단계별로 도시한 도면들이다.
도 2a는 스탬프용 기판(110) 상에 아몰퍼스 실리콘층(120)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 스탬프용 기판(110)으로서 실리콘 기판이나 유리 기판을 준비한다. 이어서, 상기 기판(110) 상에 아몰퍼스 실리콘을 소정 두깨로 증착하여 아몰퍼스 실리콘층(120)을 형성한다. 이때, 아몰퍼스 실리콘의 증착은 화학기상증착 등 여러가지 증착 방법이 사용될 수 있다.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 아몰퍼스 실리콘층(120)의 표면에 금속층(130)을 형성한다. 구체적으로, 상기 금속층(130)은 크롬 또는 몰리브덴을 스퍼터링 등에 의해 소정 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 상기 금속층(130) 위에 원하는 패턴이 형성된 식각 마스크(140)를 위치시킨다. 상기 식각 마스크(140)는 금속층(130)을 이루는 금속 물질과 식각 선택성을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 식각 마스크(140)는 금속층(130)의 표면에 밀착되거나 매우 인접하게 설치된다.
상기한 바와 같이, 금속층(130) 위에 식각 마스크(140)를 위치시킨 상태에 서, 상기 금속층(130)을 식각한다. 그러면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 아몰퍼스 실리콘 층(120) 위에 원하는 패턴으로 패터닝된 금속층(130)이 형성된다. 이때, 상기 금속층(130)은 마이크로 단위의 선폭을 가지도록 식각될 수 있다. 이와 같이 금속층(130)이 마이크로 단위의 선폭을 가지더라도, 후술하는 바와 같이 금속층(130) 아래에 형성되는 페디스탈(140)의 끝단은 나노 단위의 선폭을 가질 수 있다.
도 2d는 아몰퍼스 실리콘층(120)을 식각하여 금속층(130) 아래에 페디스탈(140)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 금속층(130)의 식각에 의해 노출된 아몰퍼스 실리콘층(120)을 등방성 습식 식각한다. 그러면, 아몰퍼스 실리콘층(120)의 노출된 부분은 제거되고, 금속층(130) 아래 부분만 잔존하여, 도 2d에 도시된 바와 같이 금속층(130) 아래에 페디스탈(150)이 형성된다.
이 때, 아몰퍼스 실리콘층(120)의 등방성 식각에 의해 상기 페디스탈(150)은 상단으로 가면서 그 폭이 점차 좁아지는 형상으로 형성될 수 있다.
도 2e는 상기 페디스탈(150)의 표면에 산화물을 형성시킨 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 2d의 결과물을 산소 분위기의 열처리로 내에 장입한 후 소정 온도로 가열하면, 아몰퍼스 실리콘으로 이루어진 페디스탈(150)의 표면이 산화되면서 그 표면으로부터 소정 깊이로 실리콘 산화물(151)이 형성된다.
다음으로, 상기 실리콘 산화물(151)을 BOE 또는 HF와 같은 식각액을 사용하여 습식 식각하면, 실리콘 산화물(151)이 제거도니다. 이때, 상기 금속층(130)도 함께 제거될 수 있다. 그러면, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 페디스탈(150)의 끝단이 날카롭게 형성된다.
상기한 바와 같은 공정을 거치게 되면, 도 2f에 도시된 바와 같이 기판(110)과, 기판(110) 상에 원하는 패턴으로 형성된 페디스탈(150)을 가진 스탬프(100)가 제조될 수 있다. 그리고, 상기 페디스탈(150)의 끝단은 대략 10nm ~ 20nm 정도의 폭을 가지게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 스탬프(100) 제조를 위한 종래의 마스터 기판이 필요 없으므로, 전자빔 또는 이온빔 리소그라피 공정과 같은 많은 시간이 소요되고 비용이 비싼 공정을 필요로 하지 않는다. 즉, 상기한 바와 같은 마이크로 레벨의 제조 공정으로 10nm ~ 20nm 정도의 나노 레벨의 패턴을 가진 스탬프(100)를 제조할 수 있다.
도 2g는 스탬프(100)의 패턴이 형성된 표면에 잉크(160)를 도포한 상태를 도시한 것이다. 상기 잉크(160)는 전술한 바와 같이 스탬프(100)의 사용 용도에 따라 다양한 성분을 가질 수 있다.
예컨대, 상기 잉크(160)로서 금속 나노 입자 콜로이드를 사용하는 경우에는, 도 2h에 도시된 바와 같이, 타겟 기판(170) 상에 스탬프(100)를 접촉시킨다. 그러면, 도 2i에 도시된 바와 같이, 페디스탈(150) 끝단의 잉크(160)가 타겟 기판(170)의 표면에 프린팅되고, 이 상태에서 열처리를 거치게 되면 타겟 기판(170) 상에 전도성 금속 패턴이 형성될 수 있다. 이때, 타겟 기판(170) 상에 형성되는 전도성 금속 패턴은 나노 단위의 선폭을 가질 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명에 의해 제조되는 스탬프(100)에 있어서는, 원하는 패턴을 이루는 페디스탈(150)이 실리콘으로 이루어져 비교적 높은 강도를 가지므로, 타 겟 기판(170)과의 반복적인 접촉에 의해서도 쉽게 마모되거나 변형되지 않는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 스탬프에 형성된 여러가지 패턴을 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 스탬프에 의해 타겟 기판 상에 콘택트 프린팅된 나노 단위의 미세 패턴을 보여주는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제조 방법에 의하면 스탬프용 기판 상에 팁 또는 쐐기와 같은 다양한 형태를 가지는 나노 단위의 패턴을 형성할 수 있다.
그리고, 이러한 스탬프를 사용하면 도 4에 도시된 바와 같이 타겟 기판 상에 나노 단위의 크기를 가진 점과 나노 단위의 선폭을 가진 도체 라인 등의 미세 패턴을 프린팅할 수 있다.
본 발명은 개시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 스탬프 제조를 위한 마스터 기판이 필요 없으므로, 전자빔 또는 이온빔 리소그라피 공정이 필요하지 않으며, 마이크로 레벨의 제조 공정으로 10nm ~ 20nm 정도의 나노 레벨의 패턴을 가진 스탬프를 제조할 수 있다. 따라서, 제조 공 정이 단순화되고 제조 비용이 저감된다.
둘째, 스탬프에 형성된 패턴이 실리콘으로 이루어져 비교적 높은 강도를 가지므로, 타겟 기판과의 반복적인 접촉에 의해서도 쉽게 마모되거나 변형되지 않는다. 즉 내구성이 우수한 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 스탬프용 기판을 준비하고, 그 기판 상에 아몰퍼스 실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 아몰퍼스 실리콘층의 표면에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 식각 마스크를 사용하여 원하는 패턴으로 식각하는 단계;
    상기 금속층의 식각에 의해 노출된 상기 아몰퍼스 실리콘층을 식각하여 상기 금속층 아래에 페디스탈을 형성하는 단계;
    상기 페디스탈의 표면을 산화시키는 단계;
    상기 페디스탈의 표면에 형성된 실리콘 산화물을 식각하여 상기 페디스탈의 끝단을 날카롭게 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판과 유리 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 크롬과 몰리브덴 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 마이크로 단위의 선폭을 가지도록 식각되는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘층의 식각은 등방성 습식 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘층의 식각에 의해 상기 페디스탈은 상단으로 가면서 그 폭이 점차 좁아지는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 페디스탈 표면의 산화는 산소 분위기의 열처리로 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 산화물의 식각은 습식 식각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 산화물의 식각시에 상기 금속층이 함께 제거되는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 페디스탈의 끝단은 나노 단위의 선폭을 가지는 것을 특징으로 하는 콘택트 프린팅용 스탬프의 제조 방법.
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