KR101121047B1 - 나노파티클 패터닝 방법 및 이에 의해 제조된 선 격자 편광자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 별도의 증착공정 없이 나노패터닝을 할 수 있어, 제작시간 및 비용을 줄일 수 있고, 생산성 증대와 생산가 절감에 기여할 수 있는 나노패터닝 공정 및 이에 이해 제조된 선 격자 편광자에 대한 것이다.

선격자 편광자, 스핀 코팅, 나노

Description

나노파티클 패터닝 방법 및 이에 의해 제조된 선 격자 편광자{METHOD FOR PATTERNING OF NANO-PARTICLE AND WIRE GRID POLARIZER MANUFACTURED BY THEREOF}

본 발명은 나노 패터닝 방법 및 이에 의해 제작된 선 격자 편광자에 대한 것이다.

선 격자 편광판(WGP)는 기존의 흡수형 편광판과는 달리, 입사 광의 편광에 따라 빛의 일부를 반사시킨다. 따라서 LCD 모니터의 하부 편광판을 선 격자 편광자로 대체할 경우 모니터의 휘도 향상에 기여할 수 있다. 선 격자 편광판은 그 격자 주기에 따라 편광 소멸비가 달라지며, 기존 흡수형 편광판과 유사한 높은 편광 소멸비(extinction ratio)를 가지기 위해서는 금속격자의 주기가 입사광의 파장에 비해 훨씬 짧아야 한다. 즉 가시광 대역에서의 높은 편광 소멸비를 갖기 위한 선 격자 편광자의 경우, 격자의 주기는 적어도 200nm 이하가 되어야 한다.

200nm이하의 격자구조를 형성하는 방법으로는, 마스크 없이 e-beam litho 방법에 비해 대면적에 매우 높은 효율로 격자 구조를 만들 수 있다는 점, 상대적으로 낮은 공정비용 등으로 인하여 간섭 노광 방법이 선호되고 있다.

이러한 간섭 노광 방법에 의한 선 격자 편광자의 제작방법은 간섭 노광 후 세부 제 공정에 따라 여러 가지 방법으로 나눌 수 있으나, 크게 금속 박막 위에 감광제를 코팅하고 간섭 노광 현상 후 건식 식각을 통해 직접적으로 금속 격자 패턴을 형성하는 방법, 기판 위에 감광제를 코팅하고 간섭 노광 후 경사 증착 등을 통해 금속 박막을 올리는 방법, 간섭 식각 방법 등을 통해 만들어진 마스터 몰드에 고분자 필름을 복제한 후 금속 박막을 올리는 방법 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 근본적으로 금속 격자를 만들기 위해 감광제, 필름, 기판 등에 금속 박막을 증착하는 공정이 반드시 필요하다. 그런데, 이러한 금속 박막 증착공정 즉 스퍼터링(sputtering)이나, e-beam 증착공정은 높은 진공에서의 공정일 뿐 아니라, 초기 장비 투자비가 크고, 공정 시간 증가로 인한 생산성 저하를 피할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 이러한 금속 박막 증착공정을 생략할 수 있는 선 격자 편광자의 제작방법이 절실히 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노 패턴이 형성된 기판에 금속 나노 파티클을 스핀코팅 공정만으로 배열시켜, 종래의 나노 패터닝 방법에서 필수적이던 금속 박막 증착공정이 불필요한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 기판 상에 반사 방지 물질과, 감광제를 순차적으로 코팅하여 반사 방지 층과 감광제 층을 순차적으로 형성시키는 코팅단계;와, 상기 감광제 층을 일정 주기 패턴으로 형성하는 패턴형성단계;와, 상기 감광제 층과 상기 반사 방지 층을 식각하여 나노 패턴이 형성된 기판을 형성하는 기판형성단계;와, 상기 나노 패턴이 형성된 기판에 나노 파티클을 스핀 코팅하는 스핀코팅단계;와, 상기 스핀 코팅을 소성하는 소성단계;를 포함하는 나노 파티클 패터닝방법을 제공한다.

또한, 상기 패턴형성단계는 간섭 노광에 의한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판형성단계는 건식 식각에 의한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 건식 식각은, (a) 아르곤 가스를 이용하여 감광제 층 및 반사 방지 층을 에칭하는 단계;및 (b) CHF₃, CF₄, SF₆, C₃F₈ 가스 중 어느 하나 또는 이들의 혼합가스를 이용하여 기판을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b)단계에 Ar 또는 O₂ 가스를 추가하여 기판을 에칭하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판 상에 반사 방지 물질과, 감광제를 순차적으로 코팅하여 반사 방지 층과 감광제 층을 순차적으로 형성시키는 코팅단계 이전에 기판의 친수성 코팅을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스핀코팅단계는, 나노 파티클을 용매에 분산하는 단계와, 용매에 분산된 나노 파티클을 상기 나노 패턴이 형성된 기판에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용매는 친수성 용매인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용매는 글리세린, 에틸렌 글리콜, 에탄올 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 한다.

또한, 상기 글리세린, 상기 에틸렌 글리콜, 상기 에탄올을 혼합하여 사용하는 경우 그 비율은 10~30:30~60:10~40인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 나노파티클은 Ag, Cu, Al, Fe, Au, Pt 및 이들의 혼합금속 중 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 나노파티클의 직경은 100nm이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 나노파티클은 전체 용액무게의 1~10%로 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 나노 파티클의 패터닝방법에 의해 제조된 선 격자 편광자를 제공한다.

본 발명에 의하면, 금속 박막 증착공정이 불필요하게 되므로, 공정시간 및 초기 장치 투자비용을 줄일 수 있어, 생산성 향상 및 생산 비용 절감에 기여하는 효과가 있다.

본 발명에 의한 선 격자 편광자의 제작방법은, 기판 상에 반사 방지 물질과, 감광제를 순차적으로 코팅하여 반사 방지 층과 감광제 층을 순차적으로 형성시키는 코팅단계와, 상기 감광제 층을 일정 주기 패턴으로 형성하는 패턴형성단계와, 상기 감광제 층과 상기 반사 방지 층을 식각하여 나노 패턴이 형성된 기판을 형성하는 기판형성단계와, 상기 나노 패턴이 형성된 기판에 나노 파티클을 스핀 코팅하는 스핀코팅단계와, 상기 스핀 코팅을 소성하는 소성단계를 포함한다.

기판상에 반사 방지 물질과, 감광제를 순차적으로 코팅하여 반사 방지 층과 감광제 층을 각각 순차적으로 형성시킨다. 상기 반사 방지 층과 감광제의 비제한적인 예로 반사 방지 층은 i-con, DUV 42p, AZ BARLi, 감광제의 예로는 SEPR 701, ULTRA i-123, AZ 5213 등이 될 수 있다

상기 감광제 층의 감광제를 간섭 노광 방법에 의해 일정한 주기의 패턴으로 형성한 후, 상기 반사 방지 층과, 감광제 층은 건식 식각에 의해 나노 패턴이 형성 된 기판을 형성하는데, 간섭 식각은 레이저에 의한 것일 수 있다.

레이저 간섭 식각 단계에는 도 1에서와 같이, 레이저 빔을 빔 스플리터(beam splitter)(1)를 이용하여 두 개의 빔으로 나눈 후, 오브젝티브 렌즈(objective lens)(2)로 각각의 빔을 확대시켜 기판(100)의 표면에 겹쳐 노광 한다. 이 때 갈라진 두 빔의 외부 환경 변화에 의한 두 빔의 광 경로차(위상차)변화를 포토다이오드(5)로 읽고 PID회로와 PZT mirror(7)를 이용해 광경로차를 일정하게 해주면 레이저 파장보다 작은 피치의 격자 패턴을 샘플 표면에 노광할 수 있다. 두 빔이 만나 보광 상쇄 간섭을 하면서 기판 표면에 노광되는 간섭 무늬 격자 패턴의 피치는 레이저의 파장과 두 빔 사이각에 관계된다.

도 2에서와 같이 감광제 층(110), 반사방지 층(120), 기판(130)으로 구성된 기판(100)에 Ar-ion 레이저(351nm)를 이용하여 피치 190nm의 격자 패턴을, Nd-YAG 4^th harmonic laser (266nm)를 이용하여 피치가 150nm인 격자 감광제 패턴을 도 3과 같이 형성할 수 있다.

이후에는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 감광제 층 및 반사 방지 층을 건식 식각하여 기판의 일부가 노출되도록 한 다음 일부 남은 반사 방지 층을 마스크로 하여 기판을 건식 식각 하면 최종적으로 도 5와 같은 감광제 패턴과 동일한 패턴이 형성된 기판을 얻을 수 있다.

본 발명에서 반사 방지 층의 일부를 남기기 위하여 감광제 층과 반사 방지 층은 두 종류의 다른 가스를 사용한 건식식각 ICP(inductive coupled plasma reactive ion etching)을 거친다. 비제한적인 실 예로 Ar가스를 이용하여 감광제 층 및 반사 방지 층을 에칭하는 단계와, CHF₃가스를 이용하여 기판으로 쓰인 유리 혹은 quartz를 에칭하는 두 단계가 될 수 있다.

상기 감광제 층과, 상기 반사방지 층은 유기물로 이루어지므로 기판의 건식 식각 과정에서 에칭파워, 시간, 에칭 가스의 종류와 비율을 조절하여 기판의 윗부분에는 반사 방지 층이 일부 남도록 하면, 유기물로 이루어진 반사 방지 층은 소수성을 띠므로 친수성 용매와 혼합된 나노파티클이 소수성을 띄지 않는 격자 무늬 부분에만 코팅될 수 있다.

건식식각장비로 사용되는 ICP 또는, RI 등으로 에칭 파워를 조절하여 격자 패턴 이외의 부분에 소수성을 가지는 유기물질이 남도록 한다.

또한, 에칭 가스로는 Ar, CHF₃ 등을 이용할 수 있는데, Ar은 유기물 패턴이 방향성 있게 진행되어 Ar가스를 이용 에칭하는 것이 바람직하다.

Ar가스에 의해 에칭한 이후에는 CHF₃ 가스를 이용하여 에칭하는 것이 바람직한데, CHF₃, CF₄, SF₆, C₃F₈ 가스 중 어느 하나 또는 이들의 혼합가스를 이용하며, 이들의 혼합 가스에 선택적으로 소량의 Ar, O₂ 가스를 추가한 혼합가스를 이용할 수 있다.

이처럼 Ar으로 먼저 에칭하고, CHF₃가스 등을 이용하여 에칭하면 반사 방지 층 및 감광제 층을 일부 남긴 상태로 에칭할 수 있다.

식각 과정에서 반사 방지 층이 일부 남겨지도록 하면 반사 방지 층의 유기물질이 소수성을 가지고, 격자의 오목한 부분(140)부분은 소수성을 가지지 않는다.

또한, 감광제 및 반사방지 층을 코팅하기 전에 기판을 친수 코팅을 하여 나노 파티클이 보다 패턴의 오목한 부분에 잘 들어가게 하는 공정을 추가할 수도 있다. 최초 노광기판 친수 코팅은 예를 들어 O₂ 플라즈마 처리를 한 유리 Quartz기판이 될 수 있다.

패턴 부분에 스핀코팅에 의해 나노 파티클을 코팅하기 위해서 나노파티클은 친수성을 띄는 용매를 이용하여 분산시킨 후, 나노 파티클이 분산된 용액을 스핀 코팅법에 의해 유리 기판에 코팅한다.

본 발명에 있어서 상기 나노 파티클이 분산되는 용매의 비 제한적인 예로는 글리세린, 에틸렌 글리콜, 에탄올 등이 있다.

상기 용매는 단독으로 또는 혼합해서 사용할 수 있다. 상기 3개의 용매를 모두 혼합하여 사용하는 경우, 그 비율은 글리세린, 에틸렌글리콜, 에탄올간의 비가 10~30: 30~60: 10~40이 되도록 할 수 있다.

나노 파티클의 크기, 농도, 분산 용매의 구성 비율, 스핀 코팅 조건은 격자의 위치, 크기에 따라 조절가능하며 특별히 한정되지 않는다. 다만, 나노 파티클의 크기는 선 격자 편광판으로서 사용하는 경우 100nm 이하인 것이 바람직하다.

상기 나노 파티클은 Ag, Cu, Al, Fe, Pt, Au 및 이들의 혼합 금속 중에서 선택될 수 있다.

상기 나노파티클들은 전체 용액무게의 1~10%로 포함되는 것이 바람직하다.

다음으로 소성과정으로 용매와, 계면활성제 등을 제거하여 나노 파티클이 전도성을 띨 수 있도록 한다. 소성 시 나노파티클의 크기가 클수록 소성온도 및 시간이 짧게 걸리므로 나노파티클의 크기 등에 따라 소성조건을 달라지지만, 일반적으로 300℃ 이상의 오븐에서 10분내지 1시간 정도 소성시킨다.

이에 따라 선 격자 편광자를 저렴한 비용으로 단시간에 제조가 가능하므로 생산성이 향상된다.

실시예 1

감광제, 반사 방지 층, 유리기판으로 구성된 샘플에 Ar-ion 레이저(351nm)를 이용하여 피치 190nm의 감광재 격자패턴을 형성하였다.

격자패턴의 형성 후 Ar 가스를 이용하여 건식 식각하여 유리 기판의 일부가 노출되도록 한다. 그 이후 CHF₃, O₂ 가스를 10:1의 비율로 혼합하여 유리기판을 에칭 하여 감광제 패턴과 동일한 패턴이 형성된 유리기판을 얻는다. 에칭 시 반사 방지 층이 일부 잔류하도록 에칭 파워 및 시간을 조절한다.

상기 패턴이 형성된 기판에 글리세린과, 에틸렌글리콜과, 에탄올을 2:5:3의 비율로 혼합하여 50nm의 직경을 가지는 Ag나노 파티클 용액을 스핀 코팅하였다.

스핀 코팅 후, 300℃의 오븐에서 15분간 소성공정을 거쳐 금속 격자 패턴을 완성하였다.

실시예 2

실시예 1과 동일하게 실험하되, 샘플에 Nd-YAG 4^th harmonic 레이저(266nm)를 이용하여 피치 150nm의 격자 감광제 패턴을 형성하였고 같은 방법으로 금속 격자 패턴을 완성하였다.

비교 실시예 1

종래의 증착공정을 포함하여 격자 감광제 패턴을 형성하였다.

실험예

상기 실시 예 1, 실시 예 2, 비교 실시 예 1에 의해 완성된 감광제 패턴을 SEM을 통해 관찰하였다. 상기 실시 예 1 및 실시 예 2에 의해 형성된 패턴은 격자 패턴을 중심으로 금속 격자 패턴이 형성되어, 비교 실시 예 1과 비교해 볼 때 본 발명에 의한 격자패턴 제조방법에 의해 제조된 패턴은, 비교 실시 예 1의 종래의 방법에 의해 제조된 격자 패턴과 동일하게 형성됨을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 의한 격자 패턴방법은 종래에 비해 증착 공정이 불필요하므로 간이하고, 생산 방법이 저렴하면서도 종래의 격자 패턴 제조방법과 거의 비슷한 품질을 가지는 우수한 격자 패턴을 형성할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 의한 나노 패터닝 방법을 이용하여, 선 격자 편광자 또는 회로 등 을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 패턴형성단계에서 간섭 노광에 사용되는 레이저 장치를 모식적으로 도시한 것이다.

도 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 나노 패터닝방법을 도시한 것이다.

Claims (14)

1. 기판상에 친수성 코팅을 하는 단계;와

   상기 친수성 코팅된 기판상에 반사 방지 물질과, 감광제를 순차적으로 코팅하여 반사 방지층과 감광제 층을 순차적으로 형성시키는 코팅단계;와

   상기 감광제 층을 일정 주기 패턴으로 형성하는 패턴형성단계;와

   상기 감광제 층과 상기 반사 방지 층을 식각하여 나노 패턴이 형성된 기판을 형성하는 기판형성단계;와

   상기 나노 패턴이 형성된 기판에 나노 파티클을 스핀 코팅하는 스핀코팅단계;와

   상기 나노 파티클이 스핀 코팅된 기판을 소성하는 소성단계;

   를 포함하는 나노 파티클 패터닝방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 패턴형성단계는 간섭 노광에 의한 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 기판형성단계는 건식 식각에 의한 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패 터닝방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 건식 식각은,

   (a) 아르곤 가스를 이용하여 감광제 층 및 반사 방지 층을 에칭하는 단계;및

   (b) CHF₃, CF₄, SF₆, C₃F₈ 가스 중 어느 하나 또는 이들의 혼합가스를 이용하여 기판을 에칭하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 (b)단계에 Ar 또는 O₂ 가스를 추가하여 기판을 에칭하는 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,

   상기 스핀코팅단계는,

   나노 파티클을 용매에 분산하는 단계와, 용매에 분산된 나노 파티클을 상기 나노 패턴이 형성된 기판에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 용매는 친수성 용매인 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 용매는 글리세린, 에틸렌 글리콜, 에탄올 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 글리세린, 상기 에틸렌 글리콜, 상기 에탄올을 혼합하여 사용하는 경우 그 비율은 10~30:30~60:10~40인 것을 특징으로 하는 나노 파티클 패터닝방법
11. 제 1항에 있어서,

    상기 나노파티클은 Ag, Cu, Al, Fe, Au, Pt 및 이들의 혼합금속 중 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 파티클의 패터닝 방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 나노파티클의 직경은 100nm이하인 것을 특징으로 하는 나노 파티클의 패터닝 방법.
13. 제 7항에 있어서,

    상기 나노파티클은 전체 용액무게의 1~10%로 포함되는 것을 특징으로 하는 나노파티클의 패터닝 방법.
14. 제 1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된 나노 파티클의 패터닝 방법에 의해 제조된 선 격자 편광자.

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