KR101269378B1 - 금속 배선의 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은,
기판 상에, 패턴이 새겨진 스크린 메쉬를 통하여 투명 유기 조성물을 가하여, 패턴을 인쇄하는 단계;
인쇄된 투명 유기 조성물층 위에 도전성 미립자와 바인더를 함유하는 액적을 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 토출시키는 단계; 및
토출된 액적을 소성하여 바인더를 제거하고 액적 내에 함유된 도전성 미립자를 소성하는 단계를 포함하는 금속 배선의 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 포토리소그래피를 이용할 때 요구되는 복잡한 공정뿐 만 아니라 고가의 장비도 필요 없게 되어, 전자 기기 및 디스플레이용의 미세한 금속 배선을 간단한 공정에 의해 저렴하게 형성할 수 있다.
금속 배선, 잉크젯 프린팅, 액적, 패턴

Description

금속 배선의 형성 방법{METHOD FOR FORMING METAL LINE}
도 1은 일반적인 액정 표시 소자의 구조 중 하나의 픽셀 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 액정 표시소자의 각 화소 내에 형성된 박막트랜지스터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 기존에 사용되고 있는 금속패턴의 형성방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시에 따른 금속패턴 형성방법을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 컬러 필터 기판
2: 일반적인 전극
3: TFT 기판
4: 픽셀 전극
5: 데이터 전극
6: 게이트 전극
7: 기판
8: SiNx 유기 절연막
9: S/D 전극
10: n+-a-Si층
11: a-Si층
12: 메탈 전극
100: 포토레지스트
110: 금속막
120: 기판
130: 포토 마스크
200: 기판
210: 투명 유기 조성물
220: 잉크젯 헤드
230: 잉크젯 노즐
240a: 금속입자와 바인더를 함유한 액적
240: 금속 배선
250: 스퀴즈
260: 패턴이 형성된 스크린 망사
본 발명은 박막 패터닝용 기판, 디바이스 제조 방법, 액티브 매트릭스 기판의 제조 등 전자 기기 및 디스플레이용 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 투명 유기 조성물을 패턴이 새겨진 스크린 메쉬를 통하여 배선을 형성하고자 하는 부분에만 인쇄를 한 후, 금속을 함유한 액적을 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 토출시킨 후, 소성 공정을 통하여 금속 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.
종래, 반도체 집적회로 등의 미세한 배선 패턴의 제조 방법으로는 포토리소그래피법이 많이 사용되고 있다. 또한 일본 특허공개공보 평 11-274671호나 일본 특허공개공보 2000-216330호 등에는 액적 토출 방식을 사용한 방법이 개시되어 있다. 이들 공보에 개시되어 있는 기술은, 패턴 형성용 재료를 함유한 기능액을 액적 토출 헤드로부터 기판상에 토출함으로써, 패턴 형성면에 재료를 배치(도포)하여 배선 패턴을 형성하는 것으로, 소량 다종 생산 등에 매우 유용하다고 되어 있다.
그런데, 근래에는 디바이스를 구성하는 회로의 고밀도화가 점점 진행되어, 예를 들어 배선 패턴에 대해서도 더욱 미세화, 세선화가 요구되고 있다.
그러나, 이러한 미세한 배선 패턴을 상기의 액적 토출 방식에 의한 방법에 의해서 형성하려고 할 경우, 특히 그 배선폭의 정밀도를 충분하게 함이 곤란하다. 그런데, 예를 들어, 일본 특허공개공보 평9-203803호나 일본 특허공개공보 평9-230129호 등에는 기판상에 간막이 부재된 뱅크를 설치하는 동시에, 뱅크의 상부를 발액성으로 하고, 그 이외의 부분이 친액성으로 되도록 표면처리를 실시하는 기술이 기재되어 있다.
표시 소자들, 특히 액정 표시소자와 같은 평판 표시 장치에서는 각각의 화소에 박막트랜지스터와 같은 능동소자가 구비되어 표시소자를 구동하는데, 이러한 방식의 표시소자의 구동 방식을 흔히 액티브 매트릭스 구동방식이라 한다. 이러한 액티브 매트릭스 방식에서는 상기한 능동소자가 매트릭스 형식으로 배열된 각각의 화소에 배치되어 해당 화소를 구동하게 된다.
상기한 바와 같은 액정 표시소자 등의 액티브 매트릭스형 표시소자에서는 각 화소의 크기가 수십 μm의 크기이며, 따라서 화소내에 배치되는 TFT와 같은 능동소자는 수μm의 미세한 크기로 형성되어야만 한다. 더욱이, 근래에 고화질 TV와 같은 고화질 표시소자의 욕구가 커짐에 따라 동일 면적의 화면에 더 많은 화소를 배치해야만 하기 때문에, 화소 내에 배치되는 능동소자 패턴(게이트 라인과 데이터 라인 패턴을 포함) 역시 미세하게 형성되어야만 한다.
한편, 종래에 TFT와 같은 능동소자를 제작하기 위해서는 노광장치에 의한 포토리소그래피(Photolithography) 방법에 의해서 능동소자의 전극이나 라인 등과 같은 금속패턴을 형성하였다. 이러한 금속 패턴 형성 방법을 도 3을 참조하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 기판(120) 전체에 걸쳐서 스퍼터링(sputtering)공정과 같은 증착 공정에 의해 금속층(110)을 형성한 후 그 위에 포 토레지스트(100)를 도포한다. 이어서 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 기판(120)의 상부에 마스크(130)를 위치시켜 상기 포토레지스트의 일부 영역을 블로킹한 상태에서 자외선을 조사한다. 이후 현상액을 이용하여 도 3(c)에 도시된 바와 같이 금속층(110)위에 일정 패턴의 포토레지스트층(100)을 형성한다. 상기 포토레지스트층(100)의 패턴은 원하는 금속패턴을 형성하기 위한 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 에천트를 이용함으로써 포토레지스트(100)에 의해 블로킹되지 않고 외부로 노출된 영역의 금속층이 에칭되어 결국 기판(120)위에는 원하는 금속패턴(110)이 형성된다.
상기와 같이, 포토리소그래피공정에 의한 금속패턴의 형성시에는 금속층 증착공정, 포토레지스트 도포공정, 자외선 조사과정, 포토레지스트 현상공정, 금속층 에칭공정 등과 같은 복잡한 공정이 필요할 뿐만 아니라 자외선장비, 마스크, 현상액 및 에칭액 장비와 같은 고가의 장비가 필요하게 된다. 따라서 제조시간이 증가하게 되어 제조효율이 저하될 뿐만 아니라 고가의 장비에 의한 제조비용도 대폭 증가하는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 전자 기기 및 디스플레이용의 미세한 금속 배선을 간단한 공정에 의해 저렴하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은,
기판 상에, 패턴이 새겨진 스크린 메쉬를 통하여 투명 유기 조성물을 가하여, 패턴을 인쇄하는 단계;
인쇄된 투명 유기 조성물층 위에 도전성 미립자와 바인더를 함유하는 액적을 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 토출시키는 단계; 및
토출된 액적을 소성하여 바인더를 제거하고 액적 내에 함유된 도전성 미립자를 소성하는 단계를 포함하는 금속 배선의 형성 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기에서 인쇄된 투명 유기 조성물층에 포함된 용매를 제거하기 위해 건조 공정을 더 포함하여 수행될 수 있으며, 필요에 따라서, 투명 유기 조성물층을 열 또는 광에 의하여 부분적으로 친유성으로 변환시키는 공정을 더 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명에서 투명 유기 조성물은 친수성 또는 친유성이거나, 열 또는 광에 의하여 부분적으로 친유성으로 변환이 가능한 것을 사용한다.
본 발명에서 사용되는 투명 유기 조성물에 포함되는 수지는 알칼리 가용성 수지가 바람직하며, 알칼리 가용성 수지로는 아크릴계 공중합체, 폴리에스테르계 공중합체, 및 폴리 스타이렌계 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 공중합체가 사용될 수 있다. 그 중에서도 아크릴계 공중합체가 바람직하며, 메타크릴계 공중합체가 더욱 바람직하다. 특히, 카르복실기를 갖는 단량체 단위를 포함하는 중합체가 바람직하다. 카르복실기를 갖는 단량체의 예로는 분자 내에 1개 이상의 카르복실기를 갖는 불포화 카르복실산, 예컨대 불포화 모노카르복실산, 불포화 디카르복실산 등을 들 수 있다. 이들의 구체적인 예로는 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 푸말산 등을 들 수 있다. 이러한 단량체는 탄소-탄소 불포화 결합을 갖는 화합물이며, 각각 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
투명 유기 조성물에 사용되는 알칼리 가용성 수지는 조성물의 총 중량에 대하여 5~50중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 경화도에 따른 친수성 또는 친유성 비를 조절하기 위하여, 더욱 바람직하게는 10~30중량%를 사용한다.
본 발명에서 사용되는 투명 유기 조성물은, 필요에 따라서, 광에 의해 친수성이 친유성으로 변할 수 있는 감광제를 포함할 수 있으며, 이러한 감광제로는 종래 수지 성분과 감광성 물질로 이루어진 조성물에서 감광성 물질로 사용되고 있는 물질은 모두 사용이 가능하다. 특히, 공지된 퀴논디아지드를 갖는 감광성 물질을 어느 것이라도 사용 가능하나, 나프토퀴논-1,2-디아지드-5-설포닐클로라이드 또는 나프토퀴논-1,2-디아지드-4-설포닐클로라이드와 축합 가능한 관능기를 갖는 화합물을 병용할 수 있으며, 이러한 화합물의 예를들면, 페놀, 파라메톡시페놀, 하이드록 시페논, 2,4-디히드록시벤조페논, 아닐린 등이 바람직하며, 2종 이상의 조합하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 투명 유기 조성물에서 감광제는 5~20중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 또한 경화도에 따른 친수성 또는 친유성 비를 조절하기 위하여 더욱 바람직하게는 5~10%중량%를 사용한다.
본 발명에서, 투명 유기 조성물층은 친유성 이거나, 열 또는 광 처리에 의하여 친유성으로 되는 것이 바람직하며, 친유성 바인더의 사용에 의해서 액적도 친유성을 갖는 것이 미세한 패턴을 정밀하게 형성하는데 있어서 유리하다.
본 발명에서 액적에 포함되는 도전성 미립자로는 금, 은, 구리, 백금, 니켈 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 도전성 미립자의 평균입경은 10~200nm인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 액적에 포함되는 도전성 미립자의 좋은 분산도를 확보하기 위하여 더욱 바람직하게는 10~100nm인 것을 사용한다.
도전성 미립자의 평균입경이 10nm미만인 경우, 미세 패턴의 라인의 정확도는 좋을 수 있으나 액적의 제조가 어렵고, 높은 점도로 인하여 토출 노즐이 막힐 수 있으며, 또한 단가가 높아질 수 있으며, 200nm를 초과하는 경우에는 액적 제조시 바인더와 도전성 미립자와의 혼융성이 떨어질 수 있고 미세 패턴을 구현하는데 한 계가 있다.
본 발명에서 사용되는 바인더는 소성 공정에서 용이하게 제거되어야 하므로 투명 유기 조성물 보다 분해온도가 현저히 낮은 친유성의 저분자 유기물이다. 구체적으로 예시하면, 아크릴계 공중합체, 폴리에스테르계 공중합체, 폴리 스타이렌계 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상으로 구성될 수도 있으며, 아크릴계 공중합체가 바람직하다. 특히, 카르복실기를 갖는 단량체 단위를 포함하는 중합체가 바람직하다. 카르복실기를 갖는 단량체의 예로는 분자 내에 1개 이상의 카르복실기를 갖는 불포화 카르복실산, 예컨대 불포화 모노카르복실산, 불포화 디카르복실산 등을 들 수 있다. 이들의 구체적인 예로는 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 이타콘산, 말레산, 푸말산 등을 들 수 있다. 이러한 단량체는 탄소-탄소 불포화 결합을 갖는 화합물이며, 각각 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
또한 이들의 분자량은 500~5,000의 범위가 바람직하며 더욱 바람직하게는 500~1,000의 범위가 가장 이상적이다. 상기에서 바인더의 분해온도가 투명 유기 조성물 보다 현저히 낮다 함은 적어도 분해 온도가 100℃ 이상의 차이를 갖는 것을 의미한다.
본 발명에서 액적에 포함되는 도전성 미립자는 바인더 100중량부를 기준으로 40~80중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 도전성 미립자가 40중량부 미만으로 포 함되면 소성 후 전도도의 저하를 불러 일으킬 문제가 많고, 80중량부를 초과하면 소성 공정 및 소성 후 해상도에 문제가 발생한다.
본 발명에 있어서, 소성 공정은 액적 내에 포함된 바인더를 제거하고, 액적 내에 포함된 도전성 미립자를 소결시키는 역할을 수행한다. 소성은 열처리 및/또는 광처리에 의해서 통상 대기중에서 행하여지지만, 필요에 따라서 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스 분위기 중에서 행할 수도 있다. 열처리 및/또는 광처리의 처리 온도는 분산매의 비점(증기압), 분위기 가스의 종류나 압력, 도전성 미립자를 포함하는 화합물의 분산성이나 산화성 등의 열적 거동, 코팅제의 유무나 양, 기재의 내열 온도 등을 고려하여 적당히 결정된다. 대략적으로 50~300℃의 범위에서 수행된다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 방법에 의하여 금속 배선이 형성된 기판을 제공한다.
이하에서, 본 발명의 금속 배선의 형성방법을 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 금속패턴 형성방법을 나타내는 도면으로, 잉크젯 프린팅에 의해 금속 패턴을 형성한다. 우선 도4(a)에 도시된 바와 같이 투명한 유리기판이나 플렉시블한 플라스틱기판 또는 불투명한 절연기판(200) 상의 패턴이 형 성된 스크린 메쉬(260) 위에 투명 유기 조성물을 부은 후 스퀴즈를 이용하여 일정 두께의 투명 유기 조성물(210)을 코팅한 후, 용매의 제거를 위해, 필요에 따라서 건조 처리를 실시한다. 건조 처리는 예를 들어 기판(200)을 가열하는 통상의 핫 플레이트, 전기로 등에 의한 가열 처리에 의해서 행할 수 있다. 본 실시 형태에서는 50~100℃에서 1~30분 정도 행한다.
또한, 이 건조 처리는 광에 의하여 행하여 질 수도 있다. 사용되는 광의 광원으로는 특별히 한정되지 않지만, 적외선 램프, 크세논램프, YAG레이저, 아르곤 레이저, 탄산 가스 레이저, XeF, XeCl, XeBr, KrF, KrCl, ArF, ArCl 등의 엑시머 레이저 등을 광원으로서 사용할 수 있다. 이들 광원은 일반적으로는 출력 10W이상 5000W이하의 범위의 것이 이용되지만, 본 실시 형태에서는 50W이상 100W이하의 범위이면 충분하다.
도4(b)는 건조된 투명 유기 조성물이 기판 위에 형성된 상태를 나타낸 것이다.
도4(c)는 기판 위에 형성된 투명 유기 조성물에 액적을 토출하는 도면이다. 저분자 바인더를 함유한 액적(240)은 선택적으로 코팅된 투명 유기 조성물 층에 토출된다. 이때 액적의 바인더 유기물은 투명 유기 조성물보다 현저히 낮은 열분해 온도를 띄어야 한다.
도4(d)는 상기와 같은 특징으로 선택적으로 형성된 액적의 도면을 나타내고 있다(240).
도4(e)는 소성 공정을 통하여 최종적으로 형성된 금속 배선(240)의 도면을 나타내고 있다. 소성은 두 단계로 이루어 진다. 첫 번째는 건조 공정으로 액적내에 포함된 바인더를 제거하는 공정이고, 두 번째는 액적 내에 함유된 금속을 소결하는 공정을 의미한다.
소성 공정은 예를 들어, 액적이 유기 은화합물인 경우, 도전성을 얻기 위해서, 열처리를 행하여, 유기 은화합물의 유기분을 제거하여 은입자를 잔류시킬 필요가 있다. 그 때문에 토출 공정후의 기판에는 열처리 및/또는 광처리가 실시된다.
예를 들어, 유기은 화합물의 유기물을 제거하기 위해서는 약 200℃에서 소성함이 필요하다. 또한, 플라스틱 등의 기판을 사용하는 경우에는 실온 이상 100℃이하에서 행하는 것이 바람직하다.
이상의 공정에 의해 토출 공정후의 액적은 도전성 막으로 변환됨으로써, 도4(e)에 나타내는 바와 같이, 연속한 막으로서의 도전성 금속 패턴, 즉 금속 배선 패턴(240)을 얻는다.
본 발명의 금속 배선의 형성 방법에 의하면, 포토리소그래피를 이용할 때 요구되는 복잡한 공정뿐 만 아니라 고가의 장비도 필요 없게 되어, 전자 기기 및 디스플레이용의 미세한 금속 배선을 간단한 공정에 의해 저렴하게 형성할 수 있다.

Claims (18)

  1. 기판 상에, 형성하고자 하는 금속 배선의 형태로 패턴이 새겨진 스크린 메쉬를 통하여 투명 유기 조성물을 가하여, 패턴을 인쇄하는 단계;
    인쇄된 투명 유기 조성물층 위에 도전성 미립자와 바인더를 함유하는 액적을 잉크젯 프린팅 방법에 의하여 토출시키는 단계; 및
    토출된 액적을 소성하여 바인더를 제거하고 액적 내에 함유된 도전성 미립자를 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 바인더의 분해온도는 투명 유기 조성물 보다 100℃ 이상 낮은 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 인쇄된 투명 유기 조성물층에 포함된 용매를 제거하기 위해 건조 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 투명 유기 조성물은 친수성 또는 친유성이거나, 열 또는 광에 의하여 부분적으로 친유성으로 변환이 가능한 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 투명 유기 조성물층을 열 또는 광에 의하여 부분적으로 친유성으로 변환시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 투명 유기 조성물이 알칼리 가용성 수지로서 아크릴계 공중합체, 폴리에스테르계 공중합체, 및 폴리 스타이렌계 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 아크릴계 공중합체, 폴리에스테르계 공중합체, 및 폴리 스타이렌계 공중합체가 카르복실기를 갖는 단량체 단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 알칼리 가용성 수지가 투명 유기 조성물 총 중량에 대하여 5~50중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 투명 유기 조성물이 조성물 총 중량에 대하여 1~20중량% 의 광감성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 투명 유기 조성물이 열 또는 광에 의한 경화도에 따라 친유성 비를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 도전성 미립자가 금, 은, 구리, 백금, 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 도전성 미립자의 평균입경이 10~200nm인 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 바인더가 친유성 유기물로서 아크릴계 공중합체, 폴리에스테르계 공중합체, 및 폴리 스타이렌계 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 공중합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 아크릴계 공중합체, 폴리에스테르계 공중합체, 및 폴리 스타이렌계 공중합체가 카르복실기를 갖는 단량체 단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 바인더의 분자량이 500~1,000인 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법
  15. 삭제
  16. 청구항 1에 있어서, 액적에 포함되는 도전성 미립자는 바인더 100중량부를 기준으로 40~80중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 금속 배선의 형성 방법.
  17. 청구항 1에 있어서, 투명 유기 조성물층은 친유성 이거나, 열 또는 광 처리에 의하여 친유성으로 되며, 바인더도 친유성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 배 선의 형성 방법.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항의 방법에 의하여 금속 배선이 형성된 기판.
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