KR101039549B1 - 레이저 직접 박막 패터닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서 (a) 광투과성 기판을 제공하는 단계와, (b) 상기 기판의 일면에 레이저 흡수 금속층을 형성하는 단계와, (c) 상기 레이저 흡수 금속층 상에 ITO 층을 형성하는 단계와, (d) 펄스 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 공간적 광 변조기를 통해 통과시켜, 상기 레이저 흡수 금속층 및 ITO 층이 형성된 기판의 반대쪽 표면으로 조사시키는 단계로서, 상기 공간적 광 변조기는 사용자가 원하는 임의의 형태의 패턴으로 되어 있고, 상기패턴에 대응하여 상기 펄스 레이저 빔이 통과하여, 상기 기판의 반대쪽 표면으로 조사되는 것인, 상기 펄스 레이저 빔 조사 단계와, (e) 상기 기판의 반대쪽 표면을 통과한 상기 펄스 레이저 빔이 상기 레이저 흡수 금속층에 조사되도록 하여, 상기 금속층에 열탄성력을 야기함으로써, 상기 레이저가 조사된 레이저 흡수 금속층 부위 및 그 레이저 흡수 금속층 상에 형성된 ITO 층을 상기 기판으로부터 분리시켜, 상기 공간적 광 변조기의 패턴에 대응되는 패턴이 상기 레이저 흡수 금속층 및 ITO 층에 대하여 형성되도록 하는 패터닝 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 층을 포함하는 다층 구조의 박막 패터닝 방법이 제공된다.

Description

레이저 직접 박막 패터닝 방법{METHOD FOR DIRECT-LASER PATTERNING OF THIN FILM}

본 발명은 박막 패터닝 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 감광층(photoresist layer)을 필요로 하지 않으면서도 기판 상에 주기적으로 반복되는 단순한 패턴뿐만 아니라, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 형태의 고해상 패턴을 입사 빔의 공간 변조를 통하여 용이하게 형성할 수 있고, 특히 ITO 자체뿐만 아니라 ITO를 포함하는 다층 구조의 층을 한 번의 레이저 조사에 의해 패터닝할 수 있으며, 집속된(focused) 레이저 빔을 스캔하는 직렬방식이 아니라 펄스 레이저를 이용한 병렬 레이저 조사에 의해 박막 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

현대의 전자 소자들은 공통적으로, 전극 또는 배선(metallization lines)용 금속 박막 패턴을 필요로 한다. 이들 금속 박막 패턴은 통상적으로, 박막의 진공 증착과 결합한 포토리소그래피(photolithography) 공정을 거쳐 형성된다. 포토리소그래피는 높은 해상도(resolution)를 갖는 패터닝을 가능케 하는 장점이 있지만, 고가의 장비, 다단계 공정, 많은 에너지 소모를 필요로 하며, 증착과 에칭의 반복으로 상당량의 화학 폐기물의 배출 또한 수반된다. 플렉시블 전자소자의 도래와 더불어 저온에서 대면적화가 가능한 패터닝 공정의 중요성이 제기되고 있으며, 따라서 고비용, 고온공정으로 대표되는 기존의 포토리소그래피 공정을 대체하는 대안을 찾고자 하는 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 예컨대, 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 소프트-리소그래피(soft-lithography), 레이저-유도식 포워드 트랜스퍼(laser-induced forward transfer)(LIFT) 등이 있다. 이와 같은 방식들은 모두 additive patterning 방식이라는 장점이 있고 일부는 상당한 기술적 진보를 보이기도 하였으나, 해상도, 신뢰성, 공정 속도에 있어서의 각각의 한계로 인해 여전히 포토리소그래피 공정을 대체하지 못하고 있는 실정이다.

구체적으로, 박막 패턴 프린팅에 레이저를 사용한 연구는 J. Bohandy 등에 의해 처음 제시되었다. 소스 기판의 역할을 하는 유리기판 위에 진공 증착된 Cu 박막에 실리콘 기판을 접촉시킨 후, excimer 펄스레이저 (λ = 195 nm, pulse width = 15 ns)를 cylindrical lens를 사용하여 집속시켜 박막에 조사함으로써(focused laser beam) 실리콘 기판위에 수십 ㎛ 선폭의 line 패턴을 형성할 수 있음을 보고하였는데 이러한 방식이 Laser-induced forward transfer (LIFT)로 명명되었다. 제시된 모델에 의하면, 레이저 펄스가 유리와 직접 접하고 있는 박막의 계면 부분을 가열하여 계면에 Cu melt가 형성되는데, melt front가 점차 이동하여 박막의 표면 (free surface)에 도달할 때쯤에는 계면부분은 비등점 이상의 온도로 가열되어 Cu vapor가 생기게 된다. 이러한 vapor의 압력에 의해 melt가 실리콘 기판으로 전이되고 그곳에서 응축되어 패턴이 형성된다는 것이다. 그 후 Ag, Au, Al 등 여타 금속 박막을 이용한 유사 연구 결과들이 발표되었으며, 전통적인 LIFT는 쉽게 증발하거나 녹을 수 있는 단순한 물질의 패턴형성에는 유용할 수 있으나, 복잡한 구조의 물질이나 상변태 없이 물질 그 자체의 고유한 성질을 유지해야 하는 경우에는 적합하지 않다. Tolbert et al.는 전이시키고자 하는 물질과 유리 기판사이에 얇은 흡수층(absorption layer)을 삽입하고 흡수층의 증발에 의한 압력을 전이의 구동력(driving force)으로 사용하였다. 이러한 방식은 전이되는 물질이 증발하거나 녹지 않는다는 장점이 있으나, 흡수층을 기판과 박막 사이에 별도로 적층하여야 하는 등 추가 공정이 필요하다는 단점이 있다. 또 다른 방식으로는 파우더 형태의 물질을 고분자 바인더와 섞어 paste로 만든 후 이를 유리 기판위에 코팅하여 패턴을 형성하는 것인데, 전이과정에서 주로 바인더가 레이저 에너지를 흡수하여 선택적으로 증발하게 된다. 전이과정에서 완전히 증발하지 않고 남아있는 바인더는 추가적인 열처리를 통해 제거할 수 있으며, 전이하고자 하는 물질의 용융과 응축이 수반되지 않으므로 일반적인 LIFT보다 더 두꺼운 필름을 프린팅 할 수 있는 장점이 있다. 이는 별도로 matrix-assisted pulsed laser evaporation, direct-write (MAPLE; DW)로 불리기도 하나 근본적으로는 LIFT의 범주에 속하며, paste로 만드는 공정 등의 부가적인 절차가 필요하다.

LIFT는 무기재료(inorganic materials)뿐만 아니라 polymer와 biomaterials의 전이에도 적용될 수 있지만, 근본적으로 펄스 레이저 빔의 집속에 의한 특정 물질 혹은 그와 섞여 있는 matrix의 증발을 이용한다. 이러한 직렬(serial) 혹은 spot-by-spot 방식은 일정한 폭을 가진 line 패턴과 같이 규칙적이고 주기적인 패턴의 형성에는 유용할 수 있으나, 다양한 모양과 크기를 가진 임의의 패턴을 신속히 형성하는 데에는 한계가 있으며 패턴의 단면형상 제어 또한 어렵다. 국부적인 영역에서의 물질의 용융 혹은 증발을 유도하기 위해서는 순간적인 에너지 흡수가 높아야 하므로 고출력의 펄스 레이저가 필요한데, 프린팅 속도는 사용하는 레이저의 repetition rate와 밀접한 관련이 있다. 단일 펄스에 의해서 하나의 droplet을 receiver 기판으로 전이하는 경우 펄스 사이의 시간 간격이 매우 짧아야 하므로 repetition rate는 최소 수 kHz 이상으로 높아야 한다. 그렇지 않으면 펄스사이의 간격이 길어져 전체적인 패터닝 공정에 많은 시간이 소요된다. 평균출력이 고정된 레이저에서 repetition rate가 커지면 그만큼 단일 펄스가 가지는 에너지는 낮아질 수밖에 없는데, 프린팅에는 필요한 최소한의 펄스 에너지가 존재한다. 이는 프린팅 속도를 증가시키기 위해서는 이와 비례하여 더 높은 출력의 레이저를 사용해야 함을 의미한다.

실제 산업적으로 적용하기 위한 패터닝 공정은 패턴의 형상과 주기를 자유롭게 조절할 수 있어야 할 뿐 아니라, 공정 자체가 단순 및 신속하며 경제적이어야 하지만, 지금까지의 패터닝 기술은 패턴의 형상과 주기 조절이 가능한 경우에는 복잡한 다단계 공정으로 인하여 많은 비용과 시간을 요구하고 있으며, 공정 자체가 비교적 단순한 자기조립 방식의 경우 패턴의 형상과 주기조절이 자유롭지 못하다는 문제점이 있다.

또한, 종래기술로서 WO 2000-69235("Manufacturing Electronic Components in a Direct-Write Porcess Using Precision Spraying and Laser Irridation"), 대한민국 등록특허 10-299185("레이저빔을 이용하여 절연체 기판에 전도성 패턴을 형성하는 장치 및 그 방법"), 10-792593("극초단 펄스 레이저를 이용한 단일 펄스 패턴 형성 방법 및 시스템"), 10-0475223("중간층을 갖는 레이저 어드레서블 열전사 이미지 소자"), 10-0833017("직접 패턴법을 이용한 고해상도 패턴 형성방법") 등이 공개되어 있다.

그러나, 상기 문헌에 개시된 기술은 근본적으로 LIFT 기술의 범주에 포함되는 직렬 공정 방식이므로, 복잡한 형상의 패턴 형성에 적용하는 데에는 한계가 있다.

한편, 최근에 LCD와 같은 디스플레이 패널에 대하여 전극 형성시 ITO 전극을 이용하고 있다. 이러한 ITO는 투명하기 때문에, 상기한 레이저 방식에 의한 패터닝을 적용하기가 곤란하다는 문제점이 있다. 구체적으로, 기존에는 laser ablation에 의해 박막을 패터닝하는 방법이 있는데, 이는 말 그대로 박막을 위로부터 점차로 깍아내는 방식이다. 이때, 박막에 에너지가 축적되어야 하므로, 순간 펄스 에너지 밀도가 매우 높거나 여러 펄스를 조사해 주어야 하는 문제점이 있으며, 박막이 두꺼울수록 그만큼 오랜 시간이 걸린다.

정리하면, 기존의 ITO 레이저 ablation 방식은 하나씩 깍아내는 방식이므로, 패턴이 매끄럽지 못하고 debris가 많이 남아 있게 된다. 또한, 정확히 ITO만 깍아내어야 하는데, 눈으로 보면서 하는 것이 아니라서, 매우 어렵고 그 아래의 박막이나 기판을 손상시키기가 쉽다는 문제점이 있다. 또 다른 문제점으로서 해상도 문제가 있다. 즉 마스크를 사용하더라도 마스크를 박막 위에 접촉시키므로, shadow mask만 사용 가능하며, photomask는 사용할 수 없다. 즉 깍여진 물질이 위로 빠져나와야 하기 때문에 레이저가 들어가는 부분은 뚤려 있어야 하므로, 금속 plate에 구멍을 뚫어 만든 shadow mask만 가능하고 유리판 위에 패터닝된 금속 박막 형태의 포토마스크는 사용할 수 없다. 그런데, shadow mask에 만들 수 있는 구멍의 크기는 최소 약 25 마이크론 정도이므로, 이러한 방식으로 고해상 패턴을 구현하는 데에는 한계가 있게 된다.

또한, 최근에는 기판에 전극 재료를 형성함에 있어서, 단일층이 아니라 복수층으로 이루어진 전극 구조를 형성하여 사용하는 경우가 많다. 이러한 복수층을 형성할 때에는 상기한 포토리소그래피 방식을 이용하게 되는데, 하나의 층을 형성한 후, 동일한 과정을 반복해야 하기 때문에, 공정 수가 많아지고, 층 배열에 따른 정밀한 제어가 필요한 것 등 경제성이나 제조성이 떨어지는 문제점이 있어, 이에 대한 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 종래의 포토리소그래피에서 요구되는 포토레지스트층(photoresist layer) 없이도, 기판 상에 소정의 박막 패턴을 형성할 수 있는, 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 박막 패터닝을 수행함에 있어서, 포토리소그래피의 장점인 고해상도를 유지하면서 동시에 대면적화를 가능케 하는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 재료의 용융/증발 및 응축 없이 원하는 기판 상에 사용자가 원하는 임의의 패턴을 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주기적으로 반복되는 단순한 형태의 패턴 뿐만 아니라, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 형태의 패턴을 단순화된 공정으로 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전극 또는 배선용 금속 패턴을 신속히 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 집속형 레이저를 이용한 직렬방식 패터닝(serial patterning)이 아니라, 한 번의 레이저 조사에 의해 원하는 임의의 패턴을 기판에 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 ITO와 같은 투명 전극을 형성함에 있어서, 간단한 공정으로 한 번에 원하는 패턴으로 이루어진 ITO 층을 제공할 수 있고, 또 ITO 전극을 포함하는 다층 구조를 한 번의 공정으로 패터닝할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 laser ablation 방식을 채용하지 않는 새로운 laser 패터닝 방식을 제공하여, laser ablation이 갖고 있는 근본적인 한계를 극복할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 (a) 광투과성 기판을 제공하는 단계와, (b) 상기 기판의 일면에 레이저 흡수 금속층을 형성하는 단계와, (c) 상기 레이저 흡수 금속층 상에 ITO 층을 형성하는 단계와, (d) 펄스 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 공간적 광 변조기를 통해 통과시켜, 상기 레이저 흡수 금속층 및 ITO 층이 형성된 기판의 반대쪽 표면으로 조사시키는 단계로서, 상기 공간적 광 변조기는 사용자가 원하는 임의의 형태의 패턴으로 되어 있고, 상기패턴에 대응하여 상기 펄스 레이저 빔이 통과하여, 상기 기판의 반대쪽 표면으로 조사되는 것인, 상기 펄스 레이저 빔 조사 단계와, (e) 상기 기판의 반대쪽 표면을 통과한 상기 펄스 레이저 빔이 상기 레이저 흡수 금속층에 조사되도록 하여, 상기 금속층에 열탄성력을 야기함으로써, 상기 레이저가 조사된 레이저 흡수 금속층 부위 및 그 레이저 흡수 금속층 상에 형성된 ITO 층을 상기 기판으로부터 분리시켜, 상기 공간적 광 변조기의 패턴에 대응되는 패턴이 상기 레이저 흡수 금 속층 및 ITO 층에 대하여 형성되도록 하는 패터닝 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 층을 포함하는 다층 구조의 박막 패터닝 방법이 제공된다.

본 발명에 있어서, 상기 열탄성은 상기 레이저 빔의 에너지 흡수로 인한 온도 상승 및 그로 인한 상기 금속층의 팽창에 의해 야기되며, 상기 열탄성력은 상기 금속층의 입계에서 우선적으로 작용하여, 상기 금속층을 분리시킨다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 광투과성 기판은 유리 또는 플라스틱 기판일 수 있고, 상기 금속층은 Au, Ag, Al 또는 Mo 금속층일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, (a) 광투과성 기판을 제공하는 단계와, (b) 상기 기판의 일면에 레이저 흡수 금속층을 형성하는 단계와, (c) 펄스 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 공간적 광 변조기를 통해 통과시켜, 상기 레이저 흡수 금속층이 형성된 기판의 반대쪽 표면으로 조사시키는 단계로서, 상기 공간적 광 변조기는 사용자가 원하는 임의의 형태의 패턴으로 되어 있고, 상기 패턴에 대응하여 상기 펄스 레이저 빔이 통과하여, 상기 기판의 반대쪽 표면으로 조사되는 것인, 상기 펄스 레이저 빔 조사 단계와, (d) 상기 기판의 반대쪽 표면을 통과한 상기 펄스 레이저 빔이 상기 레이저 흡수 금속층에 조사되도록 하여, 상기 금속층에 열탄성력을 야기함으로써, 상기 레이저가 조사된 레이저 흡수 금속층을 상기 기판으로부터 분리시켜, 상기 공간적 광 변조기의 패턴에 대응되는 패턴 이 상기 레이저 흡수 금속층에 대하여 형성되도록 하는 패터닝 단계와, (e) 상기 패턴화된 레이저 흡수 금속층 및 상기 기판의 표면에 대하여 ITO 층을 증착하는 단계와, (f) 상기 펄스식 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 상기 기판의 반대쪽 표면으로부터 조사하여, 상기 ITO 층을 패턴화하는 단계로서, 상기 펄스 레이저 빔은 상기 기판의 표면에 직접 접촉하고 있는 ITO 층은 그대로 통과하고, 레이저 흡수 금속층에서는 흡수되어, 레이저 흡수 금속층 및 그 위에 증착된 ITO를 기판으로부터 분리시켜, 상기 기판의 표면에는 ITO 층만이 패턴화된 채 남아 있게 되는, 상기 ITO 층 패턴화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 박막 패터닝 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법에 따르면, 포토레지스트를 사용하지 않으면서, 기판 상에 형성된 박막에 펄스 레이저를 미리 규정한 패턴 형태로 조사하여, 박막을 선택적으로 제거함으로써, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 패턴을 박막에 형성할 수가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존의 복잡하고 비경제적인 포토리소그래피 및 에칭 공정을 수반하지 않고, 기판에 미리 패턴을 형성하는 과정을 요구하지 않으므로, 공정 자체가 매우 단순할 뿐 아니라, 단일 펄스에 의해 박막이 분리되므로 신속한 패터닝이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 재료의 용융/증발 및 응축을 통해 재료를 전이시킬 필요가 없으므로, 저출력의 짧은 펄스폭을 가진 레이저를 이용할 수 있고, 더욱이 물질 전이에 요구되는 임계 에너지 밀도가 LIFT, MAPLE:DW 등과 같은 종래의 직렬 방식의 레이저 프린팅에 비해 매우 낮기 때문에, 집속된(focused) 레이저 빔을 사용하지 않아도 되며, 더욱이 한 번의 레이저 조사에 의해 넓은 면적에 걸쳐 원하는 임의의 박막 패턴을 기판 상에 형성할 수가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 최근 사용 빈도가 커지고 있는 ITO 투명 전극의 형성과 관련된 프로세스를 대폭 간소화할 수 있다. 더욱이, 기존의 기술과 달리, 포토 마스크를 사용할 수 있어 고해상도의 패터닝이 가능하고 짧은 시간 내에 원하는 패터닝을 달성할 수 있다.

이하에서는, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

A. 열탄성 구동력을 이용한 박막 패터닝

도 1은 본 발명의 방법을 수행할 수 있는 패터닝 장치의 전체적인 구성(도 1의 A)과, 이러한 장치에 의해 유리 기판 상에 실제 형성된 금(Au) 박막 패턴의 예(도 1의 B)를 보여주는 도면이다. 본 발명의 특징적 구성을 설명하기에 앞서, 본 발명이 제안하는 기본적인 원리를 설명한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 패터닝 방법을 수행할 수 있는 박막 패터닝 장치는 펄스 레이저 소스 역할을 하는 펄스 레이저 빔 조사 수단(10)과, 빔 확장기(20)와, 공간적 광 변조기(spatial light modulator)(30)와, 금속 박막(50)이 형 성되어 있는 광투과성 기판(40)을 포함한다.

빔 확장기(20)는 실시예에 따라서 상기 조사 수단으로부터 방출되는 펄스 레이저의 조사 면적을 확대시키기 위해 제공되는 것으로서, 상기 조사 수단으로부터 펄스 레이저가 넓은 면적에 걸쳐 방출되도록 구성되는 경우에는 제공되지 않을 수도 있다.

공간적 광 변조기(30)는 포토 마스크와 같은 역할을 수행하는 것으로서, 후술하는 바와 같이, 상기 광 변조기에는 금속 박막(50)에 사용자가 원하는 패턴을 형성하기 위해 그 패턴에 대응되는 소정의 패턴(P)이 형성되어, 펄스 레이저가 상기 패턴(P)을 통과하여, 기판(40)에 조사된다.

상기와 같이 구성된 장치를 이용하여 본 발명의 방법을 수행하는데 이용하는 프로세스를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 금속 박막(50)이 형성된 광투과성 기판(40)을 제공한다. 다음에, 상기 조사 수단(10)을 통해 펄스 레이저(바람직한 실시예에 따르면, Nd:YAG 펄스 레이저)를 기판을 향해 방출시킨다.

레이저에서 출력된 펄스 레이저 빔은 빔 확장기(20)를 통과하면서 레이저에서 출력된 상태보다 더 넓은 면적으로 기판에 대해 조사될 수 있다.

이어서, 조사 면적이 확대된 펄스 레이저가 공간적 광 변조기(30)를 통과하는데, 상기 광 변조기는 사용자가 원하는 패턴(P)이 미리 형성되어 있어서, 펄스 레이저는 그 대응되는 패턴을 통해 광 변조기를 통과하게 된다. 상기 패턴(P)을 통해 통과된 펄스 레이저는 광투과성 기판(40)의 이면에 도달한 후, 기판을 통과하여 반대쪽 표면에 형성된 금속 박막(50)에 이르게 된다. 패턴(P)에 대응되는 형태로 펄스 레이저가 상기 박막에 조사되어, 박막(50)은 상기 패턴(P)에 대응되는 패턴(P')으로 형성되어, 최종적으로 기판의 박막에는 사용자가 원하는 패턴이 형성된다.

상기 박막에 사용자가 원하는 패턴이 형성되는 메커니즘을 박막의 내부 구조와 연관지어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2의 A는 유리 기판 위에 열증착법(thermal evaporation)에 의해 증착된 Au 박막의 X-선 회절 패턴을 나타내고, 도 2의 B는 박막 표면에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 박막은 수십 나노미터 크기의 결정립(grain)을 가진 다결정 구조로 이루어져 있음을 알 수 있다. 결정립 내부에서의 원자간 결합력은 결정립 사이의 경계면, 즉 입계(grain boundary)에서보다 더 크므로, 박막에 외력이 가해졌을 때, 결합은 우선적으로 후자의 영역에서 더 쉽게 끊어진다. 펄스 레이저가 입사되면, 박막은 레이저 에너지 흡수로 인해 급격한 온도 상승과 그로 인한 열팽창에 의해 열탄성력(thermo-elastic force)을 보유하게 되고, 이러한 열탄 성력은 박막을 표면으로부터 떨어지게 하는 힘으로 작용한다. 결국, 열탄성력이 박막과 기판 표면 사이의 부착력보다 크게 되면, 박막이 기판 표면으로부터 분리되며, 이러한 현상을 레이저-유도 열적 이탈(laser-induced thermal desorption; LITD)이라 명명한다.

즉, 상기 열탄성력은 박막의 온도상승 절대치가 아닌 상승 속도에 비례하므로, 펄스폭(pulse width)이 고정된 레이저 조사 하에서 열탄성력은 펄스 에너지 밀도(pulse energy density; J/㎠)에 비례하여 증가하고, 특정한 위치에서의 펄스 에너지 밀도가 임계 에너지 밀도(threshold energy density) 이상이 될 경우 그 부분의 박막은 기판 표면에서 떨어져 나오게 되며, 임계에너지 밀도에서의 열탄성력은 박막과 기판 표면의 부착력과 동일하여, 결국 기판에 부착된 박막에 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 공간적으로 변조하여 입사시키면 이러한 변조 패턴에 따라 박막 패턴을 얻을 수 있게 되는 것이다.

입사빔의 공간 변조 패턴과 실제 형성된 박막 패턴의 일치성(pattern fidelity)은 실제 패터닝 공정에서 매우 중요한 요소이다. 만약 박막 전체가 하나의 완전한 단결정이라면, 레이저 빔이 입사하지 않은 부분도 같이 떨어져 나올 수 있기 때문에, 패턴 피델리티는 매우 나쁠 수 있다. 그러나, 실제 금속 박막은 다결정이기 때문에, 빔이 입사되는 부분은 기판에 남아서 궁극적으로 패턴을 형성하는 박막과 입계를 통해서 결합을 끊고 쉽게 제거될 수 있는 것이다. 또한, 입계는 일반적인 패턴의 특징 크기(feature size)보다 매우 작기 때문에, 우수한 패턴 피델리티의 패터닝이 가능하며, 만약 반대로 입자 크기가 매우 크다면(예컨대, 수십 또는 수백 마이크론), 이보다 더 작은 크기의 미세 패턴의 형성은 불가능할 것이다. 도 3은 유리 기판 위에 형성된 두께 20 nm의 Au 박막 패턴의 SEM 사진들이다.

일 실시예로서, 본 발명자들은 광투과성 기판(유리 또는 플라스틱) 위에 Au, Ag, Al, Mo 등의 다양한 금속 박막을 두께 5~50 nm 범위에서 열증착법에 의해 증착하였으며, 상기 증착된 박막에 대한 패터닝을 Nd:YAG 펄스 레이저(λ=1064 nm, 펄스 폭= 6 ns, 펄스 반복율= 10 Hz, 최대 평균 파워= 8.5W)를 이용하여 수행하였다. 이러한 과정을 통해 형성한 두께 20 nm의 Au 박막의 다양한 패턴들이 도 3에 SEM 사진으로 도시되어 있다.

한편, 임계 에너지 밀도는 박막의 종류와 두께에 의존하였는데, 유리 위에 증착된 10 nm 두께의 Au 박막의 경우, 약 0.15J/cm² 이었으며, 두께가 20 nm로 증가하였을 경우, 약 0.35 J/cm²로 측정되었다. 패터닝에는 최대 펄스 에너지 850 mJ의 단일 펄스가 사용되었는데, 이러한 단일 펄스 입사에 의해 수 제곱센티미터의 면적에 대한 패터닝이 가능하였다. 자동 트랜스레이션 스테이지에 기판이 고정된 채로 수행되는 블록-대-블록 패터닝 방식은 패터닝 면적을 더욱 확장시킬 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 패턴의 공간 해상도(spatial resolution)는 근본적으로는 포토레지스트를 사용하는 통상적인 리소그래피의 그것과 실질적으로 동일하다. 공간 변조된 빔을 이용하므로, 두 경우 모두 해상도는 빛의 회절 한계(diffraction limit)에 의존하고, 사용하는 빔의 파장이 짧아질수록 향상된다. 본 명세서에서 설명한 상기 직접적 레이저 패터닝 방식은 일단 재료가 파장을 흡수한다면 반도체 및 유전체와 같이 비금속 재료에까지 확장될 수 있다.

B. 열탄성 구동력을 이용한 ITO 투명 전극의 패터닝

상기한 바와 같이, 본 발명자는 열탄성 구동력을 이용하여 병렬식으로 레이저를 조사하여, 소정 모양의 금속 박막 패터닝이 가능하다는 것을 입증하였다. 본 발명자는 이러한 연구를 확대하여, 다층 박막에 대하여도 상기 실험을 수행하였는데, 그 패턴이 과정이 도 4에 도시되어 있다. 도 5는 기판(40)에 Au 20 nm, LiF 2 nm, Al 20 nm을 차례로 증착한 후, 상기한 과정에 따라, 병렬식으로 레이저를 조사하여 패터닝한 결과를 보여준다. 기판과 직접 접촉하고 있는 금속 박막의 열탄성 구동력에 의해, 3개의 층을 한 번에 원하는 모양으로 패터닝할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명자는 이러한 다층 구조의 패터닝을 ITO 전극을 포함하는 다층 구조에 대하여도 적용하는 실험을 수행하였다. 도 4에 도시한 바와 같이, 먼저 투명 유리 기판에 레이저 흡수 금속층을 증착한다. 이러한 흡수 금속층은, 예컨대 Al, Ag, Au 등일 수 있다. 이어서, 상기 레이저 흡수 금속층 상에 ITO를 증착한다. 다음에, 도 1과 관련하여 설명한 것과 같이 하여, 펄스식 레이저 빔을 소정의 패턴이 형성된 포토 마스크를 통해, 기판의 뒷면으로 조사한다.

기판을 통과한 레이저는 금속 흡수층에 도달하여, 금속 박막을 패터닝하게 된다. 금속 박막이 패터닝됨에 따라, 레이저를 직접 조사받은 금속 부분이 상기한 열탄성 구동력에 의해 떨어여 나가게 되고, 이에 따라 금속층 위에 증착되어 있던 ITO 박막 부분도 역시 떨어져 나가게 되어, 금속 흡수층 및 ITO가 소정의 모양으로 패턴화된다.

상기한 과정에 다라 얻어진 다층 구조의 패턴이 도 6에 도시되어 있다. 도 6은 알루미늄 흡수층(5 nm) 상에 증착되어 있는 ITO(50 nm)의 다층 구조의 패턴 형태를 보여주고 있다.

한편, ITO는 투명하기 때문에, 레이저를 직접 흡수할 수 없다. 따라서, 본 발명의 원리를 이용하여 ITO를 직접 패터닝하기 위해서는 도 7의 과정과 같은 별도의 조치를 적용한다.

구체적으로, 도면에 도시한 바와 같이, 먼저 기판에 레이저 흡수층을 증착한다. 이어서, 이 흡수층에 대하여, 상기한 프로세스에 따라 소정의 패터닝을 수행한다. 여기까지의 공정은 도 1과 관련하여 설명한 프로세스와 동일하다.

다음에, 상기 패턴화된 박막에 대하여, ITO를 증착한다. 이때, ITO는 패터닝된 금속 흡수층뿐만 아니라, 기판에 대하여도 증착된다.

이어서, 흡수층을 패터닝할 때와는 달리, 포토마스크를 사용하지 않고, 즉 레이저 빔을 공간 변조시키지 않은 채, ITO가 증착된 기판의 후면 전체에 걸쳐 균일한 레이저 빔을 조사한다. 그러면, 레이저 빔은 광투과성 기판을 통과하여, 금속 흡수층 및 ITO층에 도달하게 도는데, 기판과 직접 접촉하고 있는 ITO는 투명하여, 레이저 빔은 그대로 통과하게 되고, 금속 흡수층에서는 레이저가 흡수되어, 상기한 원리에 따라 흡수 금속층이 떨어저 나가게 된다. 그에 따라, 금속 흡수층 상에 증착된 ITO 역시 같이 떨어져 나가게 되어, 궁극적으로 원하는 모양의 ITO 패터닝을 수행할 수 있게 된다. 이러한 과정에 다라 ITO를 패터닝한 예가 도 8에 도시되어 있다. 도 8의 상측 도면은 유리 기판에 형성된 ITO(60 nm)를 보여주며, 하측 도면은 PES에 형성된 ITO(60 nm)를 보여준다. 즉 전술한 본 발명의 원리를 이용하여, ITO로 이루어진 단일층 뿐만 아니라, ITO를 포함하는 다층 구조를 패터닝할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 제한되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 즉, 본 발명은 후술하는 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다.

도 1은 본 발명의 펄스 레이저를 이용한 패터닝 방법을 수행하기 위한 장치의 전체적인 구성(A)과 실제 형성된 Au 박막 패턴의 optical profiler image를 보여주는 도면이다.

도 2는 Au 박막의 X-선 회절 패턴(A)과 박막의 표면에 대한 주사전자현미경 사진(B)을 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명이 방법에 따라 형성된 다양한 형태의 Au 박막 패턴의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.

도 4는 다층 박막의 패터닝 과정을 도식적으로 보여주는 도면이다.

도 5는 도 4에 도시한 프로세스를 이용하여 패터닝된 Au, LiF 및 Al로 이루어지는 다층 구조의 평면도 사진이다.

도 6은 도 4에 도시한 프로세스를 이용하여 패터닝한 ITO를 포함하는 다층 구조의 평면도 사진이다.

도 7은 ITO 패터닝 과정을 도식적으로 보여주는 도면이다.

도 8은 도 7에 도시한 프로세스를 이용하여 유리 및 PES 기판 상에서 패터닝한 ITO의 패턴을 보여주는 평면도 사진이다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. (a) 광투과성 기판을 제공하는 단계와,

   (b) 상기 기판의 일면에 레이저 흡수 금속층을 형성하는 단계와,

   (c) 펄스 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 공간적 광 변조기를 통해 통과시켜, 상기 레이저 흡수 금속층이 형성된 기판의 반대쪽 표면으로 조사시키는 단계로서, 상기 공간적 광 변조기는 사용자가 원하는 임의의 형태의 패턴으로 되어 있고, 상기 패턴에 대응하여 상기 펄스 레이저 빔이 통과하여, 상기 기판의 반대쪽 표면으로 조사되는 것인, 상기 펄스 레이저 빔 조사 단계와,

   (d) 상기 기판의 반대쪽 표면을 통과한 상기 펄스 레이저 빔이 상기 레이저 흡수 금속층에 조사되도록 하여, 상기 금속층에 열탄성력을 야기함으로써, 상기 레이저가 조사된 레이저 흡수 금속층을 상기 기판으로부터 분리시켜, 상기 공간적 광 변조기의 패턴에 대응되는 패턴이 상기 레이저 흡수 금속층에 대하여 형성되도록 하는 패터닝 단계와,

   (e) 상기 패턴화된 레이저 흡수 금속층 및 상기 기판의 표면에 대하여 ITO 층을 증착하는 단계와,

   (f) 상기 펄스식 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 상기 기판의 반대쪽 표면으로부터 조사하여, 상기 ITO 층을 패턴화하는 단계로서, 상기 펄스 레이저 빔은 상기 기판의 표면에 직접 접촉하고 있는 ITO 층은 그대로 통과하고, 레이저 흡수 금속층에서는 흡수되어, 레이저 흡수 금속층 및 그 위에 증착된 ITO를 기판으로부터 분리시켜, 상기 기판의 표면에는 ITO 층만이 패턴화된 채 남아 있게 되는, 상기 ITO 층 패턴화 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 박막 패터닝 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 열탄성은 상기 레이저 빔의 에너지 흡수로 인한 온도 상승 및 그로 인한 상기 금속층의 팽창에 의해 야기되는 것인 병렬식 레이저 조 사에 의한 ITO 박막 패터닝 방법.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 열탄성력은 상기 금속층의 입계에서 우선적으로 작용하여, 상기 금속층을 분리시키는 것인 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 박막 패터닝 방법.
9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 광투과성 기판은 유리 또는 플라스틱 기판인 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 박막 패터닝 방법.
10. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 금속층은 Au, Ag, Al 또는 Mo 금속층인 병렬식 레이저 조사에 의한 ITO 박막 패터닝 방법.

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