KR101165084B1 - 레이저빔을 이용한 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법 - Google Patents

레이저빔을 이용한 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저빔을 이용한 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 감광성 유리 기판을 제공하는 단계; 미리 입력된 패턴 프로그램에 따라 레이저빔으로 감광성 유리 기판을 조사하는 단계; 및, 상기 레이저 조사된 패턴 영역을 에칭하는 단계를 포함하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법에 관한 것이다.
상기 방법은 레이저빔을 사용하여 패턴을 형성함에 따라 패턴 마스크가 불필요하며 나노 수준급의 선폭을 갖는 미세 패턴 형성이 가능하다.

Description

레이저빔을 이용한 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법{Preparation method of fine pattern of photosensitive glass substrate by laser beam}
본 발명은 레이저빔을 이용하여 나노 수준급의 선폭을 갖는 미세 패턴 형성이 가능한 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법에 관한 것이다.
감광성 유리(photosensitive glass)는 감광된 부분과 그렇지 않은 부분 간에 화학적 내구성 차이를 이용하여 미세구조물의 가공이 가능하다는 이점이 있으며, 1950년대 개발되어 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔다.
특히, 감광성 유리는 유리의 특성인 내압축성, 내열성, 전기 절연성이 있어, 에칭에 의한 정밀가공이 용이하여 정밀부품에 적합하여 잉크프린터용 헤드, 현미경(AFM)의 캔틸 레버, 특수기판 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
기존 감광성 유리는 자외선을 조사하여 빛을 받은 부분만 결정화시켜 선택적으로 에칭하여 원하는 형태의 기판 또는 제품을 생산하였다.
대한민국 특허공개 제2000-0055634호는 고정세화, 고종횡비를 갖는 플라즈마 표시장치용 격벽을 제조하기 위해, 전극이 형성된 기판에 감광성 유리를 접합시키는 단계와, 감광성 유리를 포토리쏘그래피에 의해 패터닝하는 단계와, 기판을 열처리하는 단계와, 감광성 유리를 식각하여 격벽을 형성하는 방법을 제시하고 있다. 이때 패터닝에 의해 감광성 유리의 상부에 마스크를 배치한 후, 자외선을 조사하여 감광성 유리를 패터닝함으로써 자외선 노출 여부에 따라 마스크에 의해 자외선이 노출/차단된 노광/비노광 영역이 나누어진다.
이와 유사하게, 대한민국 특허등록 제10-038710호 및 대한민국 특허공개 제2004-0042070호에서도 감광성 유리를 이용하여 미세구조물을 제조하기 위해, 감광성 유리 상부에 포토마스크를 위치시킨 후 자외선을 조사하여 패턴을 형성하는 방식을 개시하고 있다.
상기 특허들에서 패턴을 형성하기 위해서 반도체 공정의 포토레지스트 공정 및 불산 용액을 이용한 에칭 공정을 포함하는 포토리쏘그래피 공정을 통해 원하는 패턴을 형성한다. 그 결과 패턴 마스크를 제작하고, 마스킹을 위한 얼라인(Align) 공정을 수행하고, 포토레지스트의 도포 또는 현상 공정 등이 필수적으로 요구되어 공정이 번거롭고, 마스크 특성상 10㎛ 이내의 패턴을 구현하기는 어려움이 있었다. 또한, 노광시 인가되는 자외선 또한 평행광이라 하더라도 빛의 특성상 굴절, 산란, 회절 등의 영향으로 원하지 않는 부분에까지 영향을 주는 문제점들이 발생하였다.
대한민국 특허공개 제2000-0055634호 대한민국 특허등록 제10-038710호 대한민국 특허공개 제2004-42070호
이에 상기한 문제를 해소하기 위해, 본 발명은 감광성 유리 기판에 마스크를 사용하지 않고 패턴을 형성하며 고해상도 및 고정밀도의 미세 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은
감광성 유리 기판을 제공하는 단계;
미리 입력된 패턴 프로그램에 따라 레이저빔으로 감광성 유리 기판을 조사하는 단계; 및
상기 레이저 조사된 패턴 영역을 에칭하는 단계를 포함하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법을 제공한다.
이때 추가로 본 발명은 상기 레이저빔 조사 후 감광성 유리 기판을 열처리하는 단계를 수행한다.
본 발명에 따른 감광성 유리 기판의 패턴 형성 방법은 레이저빔을 사용하여 패턴을 형성함에 따라 패턴 마스크가 불필요하며 나노 수준급의 선폭을 갖는 미세 패턴 형성이 가능하다.
도 1의 (a)는 레이저빔 조사를 보여주는 사진이고, (b)는 레이저빔을 조사하는 동안의 감광성 유리 기판의 측면 사진이다.
도 2의 (a)는 실시예 1의 레이저빔 조사된 감광성 유리 기판의 단면 사진이고, (b)는 비교예 1의 일반 노광된 감광성 유리 기판의 단면 사진이다.
도 3의 (a)는 실시예 1의 레이저빔 조사된 감광성 유리 기판의 단면 사진이고, (b)는 실시예 2의 열처리된 감광성 유리 기판의 단면 사진이다.
본 발명에서는 포토마스크 없이 미세 패턴을 형성하기 위해 광원으로서 레이저빔을 사용하고, 에칭시 초음파 공정을 함께 수행하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 감광성 유리 기판의 미세 패턴은
(S1) 감광성 유리 기판을 제공하는 단계;
(S2) 미리 입력된 패턴 프로그램에 따라 레이저빔으로 감광성 유리 기판을 조사하는 단계; 및
(S3) 상기 레이저 조사된 패턴 영역을 에칭하는 단계를 거쳐 제조한다.
이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.
먼저, 패턴을 형성하기 위한 감광성 유리 기판을 준비한다(S1).
감광성 유리 조성물에 자외선을 조사하면, 노광 부위는 결정화되고 비노광 부위는 비정질 상태를 유지한다. 이러한 노광/비노광에 의해 결정화/비정질 영역이 나타나며, 상기 결정화/비정질 영역 차이에 대한 선택적인 식각이 가능하다.
구체적으로, 상기 감광성 유리 조성물은 전체 100 몰%를 만족하도록 SiO2 : 77.5～81.5%, Li2O : 9.0～12.5%, Na2O : 0～2.5%, K2O : 0～5.0%, Al2O3 : 2.5～10.0%, AgCl : 0.002～0.006%, 및 CeO2 : 0.002～0.02%를 포함한다. 이때 상기 감광성 유리 조성물의 함량은 총몰수 100을 기준으로 개별 성분의 몰%를 의미한다.
특히, 본 발명에 따는 감광성 유리 조성물은 증감제인 CeO2를 0.002～0.02%로 포함한다. 상기 증감제로 인해 레이저빔 조사에 의한 결정화/비결정화 영역에 대한 구분이 더욱 명확해져 높은 정밀도를 얻을 수 있다.
상기 감광성 유리 조성물은 직접 제조하거나 시판되는 것을 구입하여 사용이 가능하다. 시판되는 감광성 유리 조성물은 HOYA, Schott, Corning 등의 회사에서 기판 형태로 판매하고 있으며, 각사 제품은 기본조성, 감광성 금속종류, 증감제 종류 및 함량에서 약간의 차이가 있으므로, 상기 범위에 해당되는 기판을 구입하여 사용한다.
이러한 감광성 유리 기판의 형태 및 두께는 특별히 한정하지 않으며, 적용하고자 하는 용도에 따라 달라질 수 있으며, 단층 또는 다층으로 적층된 구조를 가질 수 있으며 통상적인 범위인 5～300mm의 두께로 사용한다.
다음으로, 미리 입력된 패턴 프로그램에 의해 감광성 유리 기판 패턴의 윤곽을 따라 레이저빔을 조사한다(S2).
레이저빔의 조사를 위한 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 통상의 레이저빔 조사장치가 사용될 수 있다.
구체적으로, 조사장치는 레이저 소스와 필요한 광학계 및 제어부로 이루어진다.
상기 레이저 소스는 레이저빔을 생성하는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하기로 자외선 레이저(10nm～450nm), 적외선 레이저(700nm～1mm), 기체 레이저(700nm～1um), 고체 레이저(700nm～1um), 액체 레이저(35nm～750nm), 또는 반도체 레이저(1um～35um)가 가능하다. 더욱 바람직하기로, 100～450nm의 자외선을 조사할 수 있는 광원이면 어느 것이든 가능하며, 일례로 l-라인(365㎚), h-라인(405㎚) 또는 g-라인(436㎚) 파장의 광원이 사용될 수 있다.
광학계는 레이저 소스로부터 발생된 레이저빔을 감광성 유리 기판에 조사하기 위해 필요한 미러나 렌즈를 포함하며, 공지된 바의 미러나 렌즈가 사용될 수 있다. 예를 들면, 레이저빔을 평행광으로 전환시키는 콜리메이터, 평행광으로 전환된 레이저빔을 두 개의 빔으로 분할하여 하나의 빔을 반사하는 빔 스플리터, 분할된 나머지 하나의 빔을 반사하는 미러, 분할된 두 빔을 각각 감광성 유리 기판에 집속하여 조사하는 대물 렌즈를 포함한다.
이때 레이저 조사장치는 미리 저장된 패턴 데이터와 프로그램에 따라 빔 스플리터나 미러 또는 대물 렌즈의 각도를 조절하거나, 아니면 감광성 유리 기판을 지지하는 스테이지를 평행이동시킴으로써 원하는 패턴으로 조사되도록 한다. 또한, 상기 감광성 유리 기판 상에 집속되는 레이저빔의 위치를 변경하는 제어부 및 구동부를 구비한다.
상기 각도 조절을 통해 감광성 유리 기판에 레이저빔은 1～175°범위의 각도로 입사가 가능하여, 수직형 패턴뿐만 아니라 트렌치 구조의 패턴을 형성할 수 있다. 이는 종래 포토레지스트를 이용한 노광 공정에서는 90°로 자외선이 조사되기 때문에 수직형 패턴만 형성하고 트렌치 구조의 패턴의 경우 여러 번의 포토리쏘그래피 공정을 수행해야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.
상기한 미러 등의 장비 없이, 렌즈의 초점 영역에 감광성 유리 기판을 놓고, 자외선 레이저 다이오드로부터 자외선 레이저빔을 직접적으로 조사할 수 있다.
레이저빔의 조사는 0.1 내지 50 mJ/cm2의 노광 에너지를 갖는 레이저빔을 0.0001W～50kW의 출력으로, 10～100kHz의 파장으로 감광성 유리 기판 표면에 1ns～1시간 동안 수행한다. 상기 노광 에너지, 출력, 파장 및 시간은 얻고자 하는 패턴 형태에 따라 당업자에 의해 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 레이저빔의 직경은 1nm～5000㎛인 것을 사용하며, 상기 빔의 직경에 따라 미세한 선폭을 갖는 패턴을 형성할 수 있다. 일례로, 선폭보다 얇은 직경을 갖는 레이저빔을 사용할 경우 보다 미세한 선폭의 구현이 가능하다.
이처럼 레이저빔을 이용한 조사는 종래 포토리쏘그래피 공정에서 사용하는 포토마스크나 포토레지스트 등의 사용이 필요 없고, 마스크의 얼라인 공정이나 포토레지스트의 도포 또는 현상 등의 공정이 불필요하기 때문에 전체 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 레이저빔으로 인해 미세 패턴이 레이저 측정 분해능에 가까운 정밀도로 가능하며, 감광성 유리 기판 상에 직접 패턴을 형성할 수 있도록 조사하기 때문에 다른 공정처리에 의해서 형성한 패턴과 연계하여 고해상도 및 고정밀도의 미세패턴 형성이 가능하다.
다음으로, 상기 결정화된 영역을 에칭하여 감광성 유리 기판 상에 미세패턴을 형성한다(S3).
이때 에칭은 화학적 습식 에칭이 가능하다. 유리나 세라믹 기판의 에칭 공정은 기계적 가공으로 수행하는 것이 일반적이며, 이에 따라 공정 시간이 오래 걸릴뿐만 아니라 비용이 증가하여 생산 효율이 저하되는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는 감광성 유리 기판을 사용함으로써 습식 에칭이 가능하여 단시간 내에 많은 제품을 생산할 수 있어 생산 효율이 높아져 대량 생산에 적합하다고 할 수 있다.
특히, 습식 에칭으로 초음파 에칭 공정을 수행하는데, 상기 초음파 에칭 공정은 본 발명에서 특별히 불산 및 무기산을 포함하는 에칭 조성물을 초음파 세척기에 주입하고, 여기에 감광성 유리 기판을 침지시킨 후, 40～80℃의 온도에서 20KHz～10MHz, 바람직하기로는 300～1000KHz의 초음파를 사용하여 1분～60분간 초음파를 인가하여 수행한다.
이때 에칭 조성물은 i) 70% 이하의 불산과 10% 이하의 염산을 포함하는 수용액, ⅱ) 70% 이하의 불산과 5% 이하의 황산을 포함하는 수용액, 또는 ⅲ) 70% 이하의 불산과 10% 이하의 질산을 포함하는 수용액 및 불산을 포함한 일종 및 이종의 화합물로 구성된 에칭 조성액을 수용액으로 사용될 수 있다.
상기한 단계를 거쳐 얻어진 감광성 유리 기판의 미세 패턴은 선폭이 30nm～3mm, 바람직하기로 30nm～10㎛를 가지며, 초음파 에칭 공정을 통해 가로세로비(aspect ratio)가 최대 1:50인 패턴을 얻을 수 있다.
이때 추가로, 본 발명은 상기 레이저빔이 조사된 감광성 유리 기판을 곧바로 에칭 처리하기 전에 열처리 공정을 수행하여 미세패턴을 더욱 정교하게 형성할 수 있다.
일단 레이저빔 조사된 감광성 유리는 미세 구조에 변화가 발생하는데, 이때 열처리를 통해 상기 조사 영역에 결정화가 발생하여 조사/비조사 영역 간의 결정화도 차이가 발생한다.
상기 열처리는 300～800℃에서 수행하는데, 이 온도 범위 미만에서 열처리를 할 경우 열처리에 따른 효과를 확보할 수 없으며, 반대로 상기 온도 초과에서의 열처리는 기판에 변형을 가져올 수 있으므로, 상기 범위 내에서 수행한다.
열처리를 위한 장비는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 퍼니스 등의 통상적인 장치가 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실험예 2를 통해 레이저빔 조사 후 580℃에서 2시간 동안 열처리를 수행한 결과, 비아홀 패턴이 더욱 선명하게 얻어짐을 확인하였다(도 3 참조).
이와 같이 본 발명에 따른 레이저빔을 이용한 감광성 유리 기판의 미세 패턴 형성 방법은 하기의 이점이 있다.
첫째로, 기존 공정에 필요한 패턴 마스크나 포토레지스트 없이도 패턴 형성이 가능하여, 공정이 간소화됨에 따라 제조 비용 및 제조 시간을 절감시킬 수 있다.
둘째로, 패턴을 직접 프로그램에 입력하여 수행함에 따라 종래 패턴이 변할 때마다 고가의 패턴 마스크(일례로, 쿼츠 마스크)를 제작할 필요가 없다.
셋째로, 기존 노광시 사용하는 광원의 경우 빛의 굴절, 산란, 회절이 발생하여 원치않는 부분까지 패턴이 형성되는 등의 문제가 있었으나, 단파장, 고출력의 레이저빔의 사용에 따라 단시간에 고특성의 패턴 형성을 할 수 있다.
넷째로, 레이저빔을 수직뿐만 아니라 사선으로 입사가 가능하여 수직형 패턴뿐만 아니라 트렌치형 패턴 등 다양한 패턴 형성이 가능하다.
다섯째로, 종래 마스크를 이용한 경우 10㎛ 이하의 선폭을 갖는 패턴 형성이 어려웠으나, 레이저빔을 사용함에 따라 최저 30nm의 나노 단위의 선폭을 갖는 극미세한 패턴 형성이 가능해진다.
상기한 이점을 가진 방법을 통해 미세 패턴이 형성된 감광성 유리 기판은 기존의 형태보다 더욱 작아지고 복잡한 구조의 회로를 형성할 수 있어, 제품의 집적화 및 소형화에 큰 기여를 할 수 있으며, 멤브레인(필터), 바이오 센서, 바이오 멤스 등 바이오 산업에 사용되는 부품에 적용 가능하다.
이하 본 발명을 실시예를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
감광성 유리 기판(HOYA 사 제품, 상품명 기재)을 유리재단기로 절단하였다. 상기 감광성 유리 기판 상에 도 1의 (a) 및 (b)에서 나타낸 바와 같이 자외선 레이저빔(335nm, 0.5W, 50㎛)을 사용하여 2초 동안 조사하였다.
도 1의 (a)는 레이저빔 조사를 보여주는 사진이고, (b)는 레이저빔을 조사하는 동안의 감광성 유리 기판의 측면 사진이다. 도 1의 (a), (b)를 보면, 레이저빔을 사용할 경우 마스크 없이 노광이 가능하며, 보다 미세한 선폭으로 조사가 가능함을 알 수 있다.
다음으로, 상기 감광성 유리 기판을 초음파 세척기에 장착하고, 온도를 70℃로 맞추었다. 여기에 에칭액(HF 10% 수용액)을 주입하여 40kHz의 초음파를 6분 동안 인가하여 감광성 유리 기판 상에 패턴을 형성하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 노광 이후 에칭 이전에 열처리 공정을 수행하였다. 구체적으로, 레이저빔 조사된 감광성 유리 기판을 퍼니스에 장착하고 580℃에서 2시간 열처리를 수행하였다.
비교예 1
감광성 유리 기판(HOYA 사 제품, 상품명 기재)을 유리재단기로 절단하였다. 상기 감광성 유리 기판 상에 50㎛의 선폭을 갖는 포토마스크를 배치하고, UV 노광기로 10분간 노광하였다.
이어서, 상기 감광성 유리 기판을 초음파 세척기에 장착하고, 온도를 70℃로 맞추었다. 여기에 에칭액(HF 10% 수용액)을 주입하여 40kHz의 초음파를 6분 동안 인가하여 감광성 유리 기판 상에 패턴을 형성하였다.
실험예 1
상기 실시예 및 비교예를 통해 미세 패턴이 형성된 감광성 유리 기판의 사진을 도 2에 나타내었다.
도 2의 (a)는 실시예 1의 레이저빔 조사된 감광성 유리 기판의 단면 사진이고, (b)는 비교예 1의 일반 노광된 감광성 유리 기판의 단면 사진이다.
도 2의 (a) 및 (b)를 살펴보면, 일반 노광 조건의 경우 패턴의 두께가 균일하지 못하였으며, 레이저빔 조사에 의해 패턴 품질(선폭 거칠기, 선깊이 거칠기)이 더욱 향상될 수 있음을 알 수 있다.
도 3의 (a)는 실시예 1의 레이저빔 조사된 감광성 유리 기판의 단면 사진이고, (b)는 실시예 2의 열처리된 감광성 유리 기판의 단면 사진이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 살펴보면, 열처리를 통해 패턴의 품질이 더욱 향상되어, 고해상도 및 고정밀도의 미세패턴을 얻을 수 있다.
상기한 결과를 통해, 레이저빔 조사를 통해 패턴의 품질을 향상시킬 수 있으며, 패턴 또한 나노 급으로 정밀하게 얻을 수 있으며, 이는 열처리를 통해 그 효과를 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따라 자외선 레이저빔을 이용한 감광성 유리 기판의 미세 패턴 형성 방법은 멤브레인(필터), 바이오 센서, 바이오 멤스 등 바이오 산업에 사용되는 부품에 적용 가능하다.

Claims (15)

  1. 감광성 유리 기판을 제공하는 단계;
    미리 입력된 패턴 프로그램에 따라 레이저빔으로 감광성 유리 기판을 조사하는 단계; 및
    상기 레이저 조사된 패턴 영역을 에칭하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저빔 조사 후 감광성 유리 기판의 열처리 단계 없이 에칭을 수행하되, 이때 에칭은 불산 및 무기산, 유기산을 포함하는 에칭 조성물 내에서 40～80℃의 온도에서 300～1000KHz의 초음파를 1분～60분간 인가하 초음파 에칭인 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 감광성 유리 기판은 단층 또는 다층으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔은 자외선 레이저(10nm～450nm), 적외선 레이저(700nm～1mm), 기체 레이저(700nm～1um), 고체 레이저(700nm～1um), 액체 레이저(35nm～750nm), 또는 반도체 레이저(1um～35um)인 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 자외선 레이저는 100～450nm 파장을 갖는 광원으로 수행하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔 조사로 인해 노광된 감광성 유리 기판 영역은 결정화되는 것, 또는 노광되지 않은 감광성 유리 기판 영역이 결정화되는 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔 조사로 인해 노광된 감광성 유리 기판 영역은 결정화 후 에칭하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔은 1～175°의 각도 범위로 감광성 유리 기판 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔은 직경이 1nm～5000㎛이며, 0.0001W～50kW의 출력으로, 10～100kHz의 파장으로 감광성 유리 기판 표면에 1ns～1시간 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 미세 패턴은 선폭이 30nm～3mm이며, 가로세로비(aspect ratio)가 최대 1:50인 것을 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성방법.
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