KR100995442B1

KR100995442B1 - 금속미세패턴 형성방법

Info

Publication number: KR100995442B1
Application number: KR1020080111495A
Authority: KR
Inventors: 이헌
Original assignee: 이헌
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-11-18
Also published as: KR20100052677A

Abstract

상대적으로 낮은 공정 온도에서 핫 엠보싱 기술을 이용하여 금속 표면에 마이크로 또는 나노 사이즈의 미세패턴을 형성하는 방법에 관하여 개시한다.

본 발명에 따른 금속나노패턴 형성방법은 (a)제1금속이 증착된 기판 또는 제1금속 재질의 기판 상에, 상기 제1금속의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 제1금속-제2금속 합금을 형성할 수 있는, 제2금속을 증착하는 단계; (b)제1금속 상에 제2금속이 증착된 상기 기판을 가열하여 상기 기판 표면에 제1금속-제2금속 합금을 형성하는 단계; (c)형성하고자 하는 미세패턴의 반대패턴이 형성된 템플릿을 이용한 핫 엠보싱(Hot Embossing)을 통해 상기 기판 표면에 미세패턴을 형성하는 단계; 및 (d)상기 템플릿을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 구비하여 이루어진다.

Description

금속미세패턴 형성방법{THE FABRICATION METHOD OF A METAL FINE PATTERN}

본 발명은 금속 표면에 미세패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면에 미세한 패턴을 형성하고자 하는 금속의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 합금을 이용하여 상대적으로 낮은 공정온도에서 핫 엠보싱(Hot Embossing) 기술로 금속 표면에 마이크로급 또는 나노급 사이즈를 갖는 미세패턴을 직접 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.

금속 미세패턴은 종래 마이크로급에서 최근 나노급으로 더욱더 미세해지고 있는 추세에 있다. 이러한 금속 미세패턴은 반도체 제조 공정 등에서 여러 용도로 이용될 수 있는데, 최근에는 미학적인 용도나 또는 제품의 정품인증 용도 등에도 활용되고 있다.

금속 표면에 미세패턴을 형성하는 방법으로 포토리소그래피를 이용한 방법이 주로 이용되고 있다. 이 방법은 통상적으로 포토리소그래피 공정을 통해 형성하고자 하는 패턴을 제작한 후, 금속 에칭을 통해 미세패턴을 형성하고, 포토레지스트 를 제거하는 방법으로 이루어진다.

그러나, 이러한 포토리소그래피를 이용한 금속미세패턴 형성방법은 금속미세패턴을 형성하는데 소요되는 비용이 상대적으로 많이 들며, 평판 기판에만 적용이 가능하여 효율적이지 못하다.

금속 표면에 미세패턴을 형성하는 다른 방법으로는 금속 표면 위에 포토리소그라피나 나노 임프린팅법을 이용하여 폴리머 패턴을 형성한 후, Ni, Cu 등의 금속을 수용액상태에서 전하를 걸어주어 금속상태로 석출시키는 도금방법을 이용하여 표면에 마이크로 또는 나노급의 미세패턴을 형성하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법 또한 금속 표면 위에 폴리머 패턴을 형성하기 위해 포토리소그라피 등의 공정을 사용해야 하므로 제조비용이 높다.

직접적으로 금속을 고온으로 가열하여 용융시킨 후 패턴이 각인된 스탬프로 눌러서 패턴을 금속표면위로 전사시킬 수 있으나 금속을 용융점까지 가열해야 하므로 공정이 힘들고, 기판 자체가 열에 의한 변형 등을 일으켜 열화되기 쉽다. 또 다이렉트 임프린팅하기 위한 템플릿 재질이 한정되고, 높은 공정온도로 인해 미세패턴 형성의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 Al-Si, Al-Zn 등과 같이 특정한 합금(Metal Alloy)의 경우 미세패턴을 형성하고자 하는 금속의 용융점보다 낮은 온도에서 용융될 수 있는 점에 착안 하여, 상대적으로 낮은 공정온도에서 간단한 핫 엠보싱(Hot Embossing) 기술을 이용하여, 금속 표면에 미세패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속미세패턴 형성방법은 (a)제2금속 증착 단계, (b)제1금속-제2금속 합금 형성 단계, (c)핫 엠보싱 단계 및 (d)템플릿 분리 단계를 구비하여 이루어진다.

상기 (a)제2금속 증착 단계에서는 제1금속이 증착된 기판 또는 제1금속 재질의 기판 상에, 상기 제1금속의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 제1금속-제2금속 합금을 형성할 수 있는, 제2금속을 증착한다. 상기 (b)제1금속-제2금속 합금 형성 단계에서는 제1금속 상에 제2금속이 증착된 상기 기판을 가열하여 상기 기판 표면에 제1금속-제2금속 합금을 형성한다. 상기 (c)핫 엠보싱 단계에서는 형성하고자 하는 미세패턴의 반대패턴이 형성된 템플릿을 이용한 핫 엠보싱(Hot Embossing)을 통해 상기 기판 표면에 미세패턴을 형성한다. 상기 (d)템플릿 분리 단계에서는 상기 템플릿을 금속미세패턴이 형성된 상기 기판으로부터 분리한다.

본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법은 금속의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 합금을 이용하여, 종래보다 보다 낮은 온도에서 금속 미세패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법은 평판뿐만 아니라 곡면 등에도 적용될 수 있는 핫 엠보싱(Hot Embossing) 방법을 이용함으로써 보다 간단하면서도 수십 나노급에 이르는 사이즈까지의 금속미세패턴을 형성할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속미세패턴 형성방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법의 일실시예를 도시한 순서도이다. 도 2는 도 1에 도시된 금속미세패턴 형성방법의 과정을 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하, 도 1에 도시된 금속미세패턴 형성방법을 상세히 설명함에 있어 도 2를 참조하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법은 제2금속 증착 단계(S110), 합금 형성 단계(S120), 핫 엠보싱 단계(S130) 및 템플릿 분리 단계(S140)를 구비한다.

제2금속 증착 단계(S110)에서는 마이크로 또는 나노 사이즈의 미세패턴을 형성하고자 하는 제1금속(210) 상에 제2금속(220)을 증착한다.

제1금속은 기판 위에 제1금속을 증착하여서 얻거나, 제1금속 재질의 기판 자체가 될 수 있다. 제2금속의 증착 두께는 형성하고자 하는 미세패턴의 높이에 따라 결정된다.

이때, 제2금속은 제1금속보다 용융점이 낮은 용융점을 갖는 제1금속-제2금속 합금을 형성할 수 있는 금속이다. 이러한 제1금속-제2금속 합금의 예는 도 5a 내지 5e에 도시된 상태도(Phase Diagram)와 같이, 2원계 합금으로서 Al-Cu, Al-Ge, Al-Mg, Al-Si 및 Al-Zn 등의 합금이 될 수 있다.

제1금속-제2금속 합금은 상기의 2원계 합금뿐만 아니라, Al-Si-Zn 합금과 같은 3원계 합금이나 Al-Cu-Si-Ge 합금과 같은 4원계 합금 등의 다원계 합금이 될 수도 있다. 이 경우 제2금속은 제1금속과 다원계 합금을 형성할 수 있는 적어도 2종의 금속이 혼합되어 있다. 이는 제1금속 상에 제2금속, 제3금속 등을 순차적으로 증착하거나, 제1금속 상에 제2금속파우더, 제3금속파우더를 도포하고 소결(sintering)하는 방법 등에 의해 이루어질 수 있다. 물론, 본 발명에 적용되는 합금이 되기 위하여, 그 합금이 2원계 합금, 다원계 합금에 관계없이, 미세패턴을 형성하고자 하는 금속의 용융점보다 낮은 용융점을 가질 수 있어야 한다. 상기 Al-Si-Zn 합금이나 Al-Cu-Si-Ge 합금과 같은 다원계 합금의 경우, 경우에 따라서는 2원계 합금보다도 상대적으로 낮은 온도에서도 핫 엠보싱이 가능하며, 재료표면의 강도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

합금 형성 단계(S120)에서는 제1금속(210) 상에 제2금속(220)이 증착된 기판을 일정 온도로 가열하여 열처리함으로써 제1금속(210)과 제2금속(220) 상호 간의 확산을 통하여 제1금속과 제2금속의 계면에서부터 제1금속-제2금속 합금(230)을 형성하여, 최종적으로는 기판 표면, 즉, 제1금속(210) 상에 제1금속-제2금속 합금이 형성된다.

제1금속-제2금속 합금을 형성하는 온도는 제1금속-제2금속 합금의 용융점에 따라 달라지고, 제1금속-제2금속 합금의 용융점은 제1금속-제2금속의 조성에 따라 달라진다. 이러한 제1금속-제2금속 합금의 조성은 제1금속-제2금속 합금의 용융점이 제1금속의 용융점보다 낮은 조건을 만족하는 조성이 된다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 이용될 수 있는 제1금속-제2금속 합금의 상태도(Phase Diagram)의 예들을 도시한 것이다.

예를 들어, 도 5e에 도시된 Al-Zn 합금의 상태도를 참조하면, 순수한 알루미늄(Al)의 용융점은 660℃ 정도 되지만, 아연(Zn)과 합금을 이룬 경우 용융점은 순수한 알루미늄(Al)의 용융점보다 낮아지고, 아연(Zn)의 중량비에 따라서 용융점은 달라지게 된다.

마찬가지로, 도 5a에 도시된 Al-Cu 합금의 상태도를 참조하면, 순수한 알루미늄(Al)보다 구리(Cu)의 중량비가 대략 35%정도까지 함유된 Al-Cu 합금을 이룬 경우의 용융점이 순수한 알루미늄(Al)의 용융점보다 낮아지게 된다. 도 5b 내지 도 5d에 도시된 Al-Ge(도 5b), Al-Mg(도 5c) 및 Al-Si(도 5d)의 경우도 Ge, Mg, Si가 일정범위까지 함유된 알루미늄 합금을 이룬 경우 순수한 알루미늄보다 용융점이 낮아짐을 알 수 있다.

핫 엠보싱 단계(S130)에서는 템플릿(Template, 240)을 이용하여 금속미세패턴을 직접 형성한다. 템플릿(240)에는 형성하고자 하는 미세패턴에 대응하는 반대패턴이 형성되어 있으며, 이러한 템플릿(240)을 이용하여 제1금속-제2금속 합금(230)에 핫 엠보싱(Hot Embossing)함으로써 마이크로 또는 나노 사이즈의 금속미 세패턴이 직접 형성될 수 있다.

핫 엠보싱 과정은 일반적인 평판형의 기판뿐만 아니라 곡면을 가지는 기판에도 적용될 수 있으며, 핫 엠보싱 과정을 통하여, 템플릿(240)에 형성되어 있는 패턴이 제1금속-제2금속 합금으로 반대패턴으로 전사되어, 기판 상에 형성하고자 하는 금속 미세패턴이 형성된다.

핫 엠보싱 단계(S130)는 제1금속-제2금속 합금의 용융점 이상의 용융상태에서 이루어질 수 있고, 충분히 높은 압력으로 가압하는 경우 등에는 제1금속-제2금속 합금의 용융점보다 낮은 상태에서도 이루어질 수 있다. 합금 형성 단계(120)와 핫 엠보싱 단계(S130)의 공정의 연속성, 핫 엠보싱 과정에 필요한 압력 등을 고려할 때, 합금 형성 단계(120)의 공정온도보다는 높은 온도에서 이루어지는 것이 바람직하고, 대략 30℃ ~ 150℃ 정도 높은 온도에서 핫 엠보싱 단계(130)가 이루어질 수 있다.

이때 사용되는 템플릿은 고온, 고압에도 충분히 견딜 수 있는 재질로 된 것으로써, SiC, SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, MgO, Si, Ni 등의 재질로 되어 있는 것을 이용할 수 있다.

템플릿에 형성되는 반대패턴은 여러 가지 방법으로 제조할 수 있다. 일례로, 나노사이즈의 패턴이 형성된 템플릿을 제조하고자 할 경우, MgO 파우더, Al₂O₃ 파우더 및 직경이 200nm ~ 300nm 정도의 SiO₂ 나노 파우더(Nano Powder)가 혼합된 분말체를 가압한 후, HF와 같이 SiO₂만을 등방성 에칭(Isotropic Etching)할 수 있는 식 각제로 SiO₂만을 선택적으로 에칭한 후, 소결 공정을 거치면 형성하고자 하는 미세패턴에 대응하는 반대패턴이 형성될 수 있다.

템플릿 분리 단계(S140)에서는 온도를 낮추고, 템플릿(240)을 미세패턴이 형성된 기판으로부터 분리한다.

템플릿과 합금의 열팽창률이 상이한 경우 쉽게 이형될 수 있다. 그런데, 상기의 핫 엠보싱 단계(S130)가 상대적으로 높은 온도에서 이루어지므로, 합금과 템플릿이 접착될 가능성이 있다. 따라서, 핫 엠보싱 후의 템플릿과 금속의 접착 가능성을 미연에 방지하기 위해, 그라파이트(Graphite)와 같은 이형물질이 코팅된 템플릿을 이용할 수 있다.

도 3a는 순수한 알루미늄에 핫 엠보싱을 통하여 미세패턴을 형성하는 과정을 나타낸 것이고, 도 3b는 그 결과를 도시한 것이다.

도 3b의 SEM 사진을 참조하면, 알루미늄을 핫 엠보싱 장비를 이용하여 300℃의 온도로 승온하고, 6.5톤의 압력으로 가압하여 350nmㅧ 350nm 사이즈의 미세패턴을 형성하였을 때, 패턴이 형성되기는 하였으나 매우 희미하게 형성되어 있음을 알 수 있다.

도 4a는 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법의 예로서, 알루미늄에 순수한 알루미늄에 실리콘을 증착하고 Al-Si 합금을 형성한 후 핫 엠보싱을 통하여 미세패턴을 형성하는 과정을 나타낸 것이고, 도 4b는 그 결과를 도시한 SEM 사진이다.

도 4b의 SEM 사진을 참조하면, 알루미늄(Al) 상에 실리콘(Si)을 증착하고 Al-Si 합금을 형성한 후, Al-Si 합금에 핫 엠보싱 장비를 이용하여 상기의 도 3과 동일한 300℃의 온도로 승온하고, 6.5톤의 압력으로 가압하여 350nmㅧ 350nm 사이즈의 미세패턴을 형성하였을 때, 도 3b와는 달리 미세패턴이 명확하게 형성되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법은 미세패턴을 형성하고자 하는 제1금속의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 제1금속-제2금속 합금을 이용하여 상대적으로 낮은 공정온도에서 금속미세패턴 형성이 가능하며, 또한, 핫 엠보싱 공정으로 직접 미세패턴을 형성함으로써 저비용이면서도 정확성이 높은 금속미세패턴을 형성할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 일실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법의 일실시예를 도시한 순서도이다.

도 2는 도 1에 도시된 금속미세패턴 형성방법의 과정을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4a는 본 발명에 따른 금속미세패턴 형성방법의 예로서, 알루미늄에 순수한 알루미늄에 실리콘을 증착하고 Al-Si 합금을 형성한 후 핫 엠보싱을 통하여 미세패턴을 형성하는 과정을 나타낸 것이고, 도 4b는 그 결과를 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 이용될 수 있는 제1금속-제2금속 합금의 상태도의 예들을 도시한 것이다.

Claims

(a)제1금속이 증착된 기판 또는 제1금속 재질의 기판 상에, 상기 제1금속의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 제1금속-제2금속 합금을 형성할 수 있는, 제2금속을 증착하는 단계;

(b)제1금속 상에 제2금속이 증착된 상기 기판을 가열하여 상기 기판 표면에 제1금속-제2금속 합금을 형성하는 단계;

(c)형성하고자 하는 미세패턴의 반대패턴이 형성된 템플릿을 이용한 핫 엠보싱(Hot Embossing)을 통해 상기 기판 표면에 미세패턴을 형성하는 단계; 및

(d)상기 템플릿을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속미세패턴 형성방법.
제1항에 있어서, 상기 제2금속은

ⅰ)상기 제1금속과 2원계 합금을 형성할 수 있는 1종의 금속이거나,

ⅱ)상기 제1금속과 다원계 합금을 형성할 수 있는 적어도 2종의 금속이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 금속미세패턴 형성방법.
제1항에 있어서, 상기 (c)단계는

상기 (b)단계의 온도보다 30℃ ~ 150℃ 높은 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속미세패턴 형성방법.
제1항에 있어서, 상기 제1금속-제2금속 합금은

Al-Cu, Al-Ge, Al-Mg, Al-Si 및 Al-Zn 합금 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속미세패턴 형성방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 템플릿은

SiC, SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, MgO, Si 및 Ni 중 어느 하나의 재질로 된 것을 특징으로 하는 금속미세패턴 형성방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 템플릿은

이형물질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 금속미세패턴 형성방법.