KR100942345B1 - 금속 전사용 도너기판, 금속 전사용 도너기판의 제조방법및 이를 이용한 프린팅 방법 - Google Patents

금속 전사용 도너기판, 금속 전사용 도너기판의 제조방법및 이를 이용한 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

미세 패터닝을 수행하기 위한 금속 전사용 도너 기판 및 이를 이용한 금속 패턴 형성 방법이 개시되어 있다. 돌출부를 갖는 도너 기판, 돌출부 상에 위치하는 릴리징층 및 릴리징층 상에 위치하는 전이 금속막을 갖는 금속 전사용 도너 기판을 억셉터 기판 상에 배치시키는 단계, 돌출부 상에 형성된 전이 금속막을 억셉터 기판 상에 접촉시키는 단계 및 접촉된 전이 금속막을 억셉터 기판 상에 전사시키는 단계를 포함한다. 따라서, 릴리징층을 형성함으로써 낮은 온도에서도 패터닝을 수행할 수 있다.
메탈 패터닝, 나노 패터닝, 릴리징층, 희생층, 프린팅 공정

Description

금속 전사용 도너기판, 금속 전사용 도너기판의 제조방법 및 이를 이용한 프린팅 방법{Metal Transfer Donor Substrate, Method of manufacturing Metal Transfer Donor Substrate and Method for Printing using the same}
본 발명은 프린팅 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 유기층의 표면에 나노 크기의 금속 미세 패턴까지도 형성할 수 있는 프린팅 방법에 관한 것이다.
최근 유기물질을 이용한 소자들의 관심이 대두되면서 유기 소자에 금속을 형성하기 위한 프린팅 공정이 관심을 받기 시작했다. 반도체 소자를 비롯한 일반적인 전자소자들을 제작할 때 소자의 작동을 위해 신호를 받거나 보내기 위한 연결선이 필요한데, 이러한 전자소자들은 소형이기 때문에 연결선을 삽입하지 않고, 전도성이 좋은 금속을 패터닝하여 사용한다.
종래에는 메탈 프린팅 방법으로 실리콘 기반의 포토 리소그라피가 이용되었다. 그러나, 이와 같은 실리콘 기반 포토 리소그라피법은 메탈 패터닝을 수행하는 과정에서 현상(developing)과 같은 유기 유기용매에 소자를 담그는 과정이 수행된다. 이러한 과정에서 유기 소자의 유기층은 유기용매와 화학적 반응을 일으켜, 유기층을 녹이고 유기층이 가진 특성을 변화시켜 소자로서의 기능을 상실하게 만든 다. 이러한 방법은 공정상 화학적으로 불안정하여 유기 소자 제작에 적용하는데 무리가 있다. 따라서, 이와 같은 문제점을 개선하고자 섀도우 마스크를 이용하는 방식을 사용하였다.
섀도우 마스크법은 패턴을 수행하고자 하는 부분과 일치시켜 얇은 금속판에 구멍을 내어 섀도우 마스크를 만들고, 유기소자에 상기 섀도우 마스크를 올린다. 그 후, 전자선 증발기(e-beam evaporator), 열증발기(thermal evaporator) 또는 스퍼터기(sputter) 등의 장비를 이용하여 금속을 증착시키면, 구멍이 난 곳에 금속 입자들이 증착되어 금속을 패터닝 할 수 있다. 하지만 이와 같은 방법은 용매를 필요로 하지 않는 장점은 있으나, 나노 크기의 섀도우 마스크를 만드는데 어려움이 있으므로, 미세 입자의 패턴을 구현하기에는 어려운 단점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은 마이크로 크기부터 나노 크기의 미세 패터닝을 수행하기 위한 금속 전사용 도너 기판을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 미세 패터닝을 수행하기 위한 금속 전사용 도너 기판의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제3 목적은 미세 패터닝이 가능한 프린팅 방법을 제공하는데 있다.
상술한 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은 돌출부를 갖는 도너 기판, 상기 돌출부 상에 위치하는 릴리징층 및 상기 릴리징층 상에 위치하는 전이 금속막을 포함하는 금속 전사용 도너 기판을 제공한다.
상술한 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은 돌출부를 갖는 도너 기판을 제공하는 단계, 상기 돌출부 상에 릴리징층을 형성하는 단계 및 상기 릴리징층 상에 전이 금속막을 형성하는 단계를 포함하는 금속 전사용 도너 기판 제조방법을 제공한다.
상술한 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명은 돌출부를 갖는 도너 기판, 상기 돌출부 상에 위치하는 릴리징층 및 상기 릴리징층 상에 위치하는 전이 금속막을 갖는 금속 전사용 도너 기판을 억셉터 기판 상에 배치시키는 단계, 상기 돌출부 상에 형성된 전이 금속막을 상기 억셉터 기판 상에 접촉시키는 단계 및 상기 접촉된 전이 금속막을 상기 억셉터 기판 상에 전사시키는 단계를 포함하는 금속 패턴 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속 패턴을 형성하기 위해 유기 용매(solvent)를 이용한 리프트 오프(lift-off) 과정이 필요하지 않기 때문에 유기용매에 의한 유기막의 손상을 줄일 수 있으며, 보다 안정적인 미세한 패턴을 구현할 수 있다.
또한, 릴리징층을 형성함으로써 도너 기판과 전사 금속막 사이의 분리가 용이해질 수 있으므로, 전사 금속막을 전사시키기 위한 온도 및 압력을 낮출 수 있다. 이와 더불어, 나노 크기의 금속 미세 패턴을 얻을 수 있는 장점이 있고, 전사 온도를 감소시킴에 따라 유기막의 손상을 줄일 수 있다.
또한, 릴리징층과 희생층이 구비되어, 다양한 금속을 사용할 수 있으므로, 패터닝을 수행하기 위한 금속의 제한이 적은 특징이 있다.
또한, 종래에 사용하던 방법에 비해 간단하고 쉽기 때문에 재현성이 좋을 뿐만 아니라 대면적이 가능하여 상업적 이용 가능성이 큰 특징이 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴 형성 방법을 나타내는 모식도이다.
도 1a를 참조하면, 돌출부(115)를 구비하는 도너 기판(110)을 제공한다. 상기 도너 기판(110)은 딱딱한 재질 또는 부드러운 재질을 사용할 수 있으며, 딱딱한 재질은 수정, 실리콘 또는 유리등일 수 있으며, 부드러운 재질의 도너 기판(110)은 PDMS일 수 있다.
상기 돌출부(115) 상에 릴리징층(120)을 형성한다. 이어서, 상기 릴리징층(120) 상에 전이 금속막(132)을 형성한다.
상기 릴리징층(120)은 자기 조립 단분자막(Self-Assembly Monolayer, SAM)일 수 있다.
릴리징층(120)은 표면장력을 낮춰주어 낮은 온도에서도 도너 기판(110)과 전 이 금속막(132)의 분리를 도와줄 수 있으며, (CF3(CF2)5)(CH2)2SiCl3(tridecafloro-1,1,2,2tetrahydroctyltrichlorosilane)과 같은 플루오르가 포함된 실레인계 단분자 물질을 사용할 수 있다. 여기서 플루오르가 포함된 실레인계 단분자 물질을 하는 이유는 플루오르가 결합에너지를 낮추어주는 역할을 하기 때문이다.
릴리징층(120)이 구비되면, 표면장력을 낮출 수 있으므로, 부드러운 재질이 아닌 딱딱한 재질의 도너 기판(110) 사용이 가능하며, 딱딱한 재질의 도너 기판(110)은 고온 및 고압이 가해지더라도 변형이 적으므로 고온 및 고압에서 사용이 가능해진다.
상기 전이 금속막(132)은 금, 은, 티타늄, 알루미늄 또는 백금을 사용할 수 있다. 상기 도너 기판(110)과의 부착력의 크기에 관계없이 거의 모든 종류의 사용이 가능하다.
상기 전이 금속막(132)을 형성하기 전에, 상기 릴리징층(120) 상에 희생 금속막(130)을 형성할 수 있다. 상기 희생 금속막(130)은 상기 전이 금속막(132)에 비해 상기 도너 기판(110)과의 부착력이 낮은 금속막으로, 상기 전이 금속막(132)이 상기 도너 기판(110)으로부터 잘 떨어지게 해주는 역할을 한다. 이 경우에, 상기 희생 금속막(130)은 상기 도너 기판(110)과의 부착력이 비교적 작은 금 또는 은일 수 있고, 상기 전이 금속막(132)은 상기 희생 금속막(130)에 비해 상기 도너 기판(110)과의 부착력이 큰 티타늄, 알루미늄 또는 백금일 수 있다.
상기 전이 금속막(132)과 상기 희생 금속막(130)의 증착방법은 전자선 증발 기(e-beam evaporator), 열증발기(thermal evaporator) 또는 스퍼터기(sputter)를 이용한 증착일 수 있다.
여기서, 상기 희생 금속막(130)은 35nm 이상의 두께로 형성해야 하며, 35nm 이하의 두께로 형성하면, 희생 금속막(130)이 제 역할을 수행하지 못하고, 도너 기판(110)으로부터 전이 금속막(132)이 분리되지 않을 수 있다.
도 1b를 참조하면, 억셉터 기판(140)에 40nm 내지 200nm의 두께로 유기막(150)을 형성한다. 상기 억셉터 기판(140)을 히터(160) 상에 배치시키고, 열을 주어 건조함으로서 베이킹 과정을 수행한다.
도 1c를 참조하면, 돌출부(115)를 갖는 도너 기판(110), 상기 돌출부(115) 상에 위치하는 릴리징층(120) 및 상기 릴리징층(120) 상에 위치하는 전이 금속막(132)을 갖는 금속 전사용 도너 기판(110)을 억셉터 기판(140) 상에 배치시킨다.
상기 돌출부(115) 상에 형성된 전이 금속막(132)을 상기 억셉터 기판(140) 상에 접촉시키고, 상기 억셉터 기판(140)에 형성된 유기막(150)과 도너 기판(110) 상에 증착된 전이 금속막(132)을 접촉시켜 수 분 동안 고압기체 또는 물리적인 방법으로 열(165)과 압력(170)을 가하여, 상기 전이 금속막(132)을 상기 유기막(150)에 전사시킨다. 이때, 상기 릴리징층(120)은 상기 도너 기판(110)으로부터 상기 전이 금속막(132)의 탈착을 용이하게 하므로, 상기 전이 금속막(132)을 전사시키기 위한 열(165) 및 압력(170)을 감소시킬 수 있다.
이와 더불어 전사 온도를 감소시킴에 따라 유기막(150)의 손상을 줄일 수 있으며, 또한 전사 압력을 감소시킴에 따라 도너 기판(110)이 부드러운 재질인 경우 에도 도너 기판(110)의 변형을 최소화할 수 있다.
상기 과정은 진공 상태에서도 수행될 수 있으며, 고압기체로는 N2 또는 O2를 사용할 수 있고, 물리적인 방법으로는 써멀 임프린트 리소그라피(Thermal Imprint Lithography) 또는 핫프레스(Hot Press)와 같은 열과 압력이 동시에 수행될 수 있는 장비를 사용할 수 있다.
여기서, 상기와 같이 압력을 가할 때는 300 psi 내지 600 psi로 함이 바람직하며, 열(165)은 유기막(150) 표면의 끈끈한 성질을 갖을 때까지의 온도로 수행됨이 바람직하다.
도 1d 참조하면, 일정 시간동안 열과 압력을 준 후, 도너 기판(110)과 억셉터 기판(140)을 분리시키면 도너 기판(110)의 돌출부(115)에 형성된 전이 금속막(132)이 유기막(150) 위에 전사되어 금속 패턴(134)을 형성한다.
이 밖에도 이와 같은 금속 패터닝 방법은 포토 리소그라피와 함께 사용할 수 있으며, 억셉터 기판(140) 상에 포토 리소그라피를 통해 하부 전극층(137)을 약 1 내지 5㎛로 형성하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패터닝 방법을 이용하여 상부 전극층(139)을 형성함으로서 크로스바를 제조할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴을 수행하기 위한 도너 기판을 나타내는 이미지이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도너 기판을 이용하여 전사한 후의 금속 패턴을 나타내는 이미지이다.
도 2a를 참조하면, 전자 현미경을 통해 이미지를 확인해본 결과, 미세한 돌 출부(115)를 갖는 도너 기판(110)의 제작이 가능한 것을 알 수 있다.
도 2b를 참조하면, 도너 기판(110)의 돌출부(115)의 모양과 동일한 금속 패턴(134)이 유기막(150)에 그대로 전사된 것을 확인할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 전이 금속막이 전사된 후의 유기막을 나타내는 이미지이고, 도 3b는 도 3a에 따른 유기막의 단면을 나타내는 이미지이다.
도 3a를 참조하면, 주사 전자 현미경을 통해 금속 패턴(134)을 확인할 수 있다. 금속 패턴(134)을 좀 더 입체적으로 확인하기 위해 억셉터 기판(140)을 5°기울여서 촬영하였다. 이미지를 통해서 확인할 수 있듯이 70nm의 금속 패턴(134)이 균일하게 전사된 것을 확인할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 전사된 금속 패턴(134)은 부산물 구조(side wall, rabbit ear)를 형성하지 않았으며, 유기막(150)으로 금속 패턴(134)이 침투되지 않은 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실제 유기 소자 메모리의 금속 패턴 부분을 나타내는 이미지이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 금속 패턴 방법을 이용하여 억셉터 기판(140) 상에 하부 전극층(136) 및 상부 전극층(138)의 크로스바를 형성할 수 있었다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 유기 소자는 광학 현미경을 통해 안정적으로 전사된 것을 확인할 수 있다.
이상, 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내 에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴 형성 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴을 수행하기 위한 도너 기판을 나타내는 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도너 기판을 이용하여 전사한 후의 금속 패턴을 나타내는 이미지이다.
도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 전이 금속막이 전사된 후의 유기막을 나타내는 이미지이다.
도 3b는 도 3a에 따른 유기막의 단면을 나타내는 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실제 유기 소자 메모리의 금속 패턴 부분을 나타내는 이미지이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 도너 기판 115: 돌출부
120: 릴리징층 130: 희생 금속막
132: 전이 금속막 134: 금속 패턴
140: 억셉터 기판 150: 유기막
160: 히터 165: 열
170: 압력

Claims (10)

  1. 돌출부를 갖는 도너 기판;
    상기 돌출부 상에 위치하는 릴리징층;
    상기 릴리징층 상에 위치하는 희생 금속막; 및
    상기 희생 금속막 상에 위치하는 전이 금속막을 포함하는 금속 전사용 도너 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴리징층은 자기조립단분자막인 금속 전사용 도너 기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기조립단분자막은 플루오르가 포함된 실레인계 단분자인 금속 전사용 도너 기판.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속막은 상기 전이 금속막에 비해 부착력이 낮은 금속 전사용 도너 기판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속막은 금 또는 은인 금속 전사용 도너 기판.
  7. 돌출부를 갖는 도너 기판을 제공하는 단계;
    상기 돌출부 상에 릴리징층을 형성하는 단계;
    상기 릴리징층 상에 희생 금속막을 형성하는 단계; 및
    상기 희생 금속막 상에 전이 금속막을 형성하는 단계를 포함하는 금속 전사용 도너 기판 제조방법.
  8. 돌출부를 갖는 도너 기판, 상기 돌출부 상에 위치하는 릴리징층, 상기 릴리징층 상에 위치하는 희생 금속막, 및 상기 희생 금속막 상에 위치하는 전이 금속막을 구비하는 금속 전사용 도너 기판을 억셉터 기판 상에 배치시키는 단계;
    상기 돌출부 상에 형성된 전이 금속막을 상기 억셉터 기판 상에 접촉시키는 단계; 및
    상기 접촉된 전이 금속막을 상기 억셉터 기판 상에 전사시키는 단계를 포함하는 금속 패턴 형성방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속 전사용 도너 기판을 상기 억셉터 기판 상에 배치시키기 전에,
    상기 억셉터 기판 상에 유기막을 형성하는 금속 패턴 형성방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전이 금속막을 전사시키는 단계는 상기 유기막의 끈끈한 성질을 나타낼 수 있는 온도에서 수행하는 금속 패턴 형성방법.
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