KR101304467B1 - 함몰형 금속패턴 형성방법 - Google Patents

함몰형 금속패턴 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 함몰형 금속패턴 형성방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법은 기판 상에 광경화성 레진층을 적층하는 광경화성 레진층 적층단계; 상기 광경화성 레진 상에 열가소성 레진층을 적층하는 열가소성 레진층 적층단계; 임프린팅(Imprinting)을 이용하여 상기 열가소성 레진층을 패터닝하는 동시에 상기 광경화성 레진층에 함몰영역이 형성되도록 하는 복합 임프린팅 단계; 상기 열가소성 레진층의 상측 및 광경화성 레진층의 함몰영역 내에 금속층을 증착하는 금속층 증착단계; 상기 열가소성 레진층 및 열가소성 레진층의 상측에 적층된 금속층을 제거하는 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 균일한 형태의 함몰형 금속패턴을 용이하게 제작할 수 있는 함몰형 금속패턴 형성방법이 제공된다.

Description

함몰형 금속패턴 형성방법{METHOD FOR FABRICATING EMBEDDED METAL PATTERN}
본 발명은 함몰형 금속패턴 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 균일한 형태의 함몰형 금속패턴을 일정한 재현성을 가지고 형성할 수 있는 함몰형 금속패턴 형성방법에 관한 것이다.
국소표면플라즈몬 공명현상은 광-전자 공명조건에서 입사광 에너지가 음의 굴절율을 갖는 금속표면의 자유전자에너지와 결합하여 플라즈몬 에너지 모드로 전이되는 현상으로서, 태양전지 또는 발광소자 내부양조효율 개선의 목적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.
도 1은 종래의 돌출형 플라즈모닉스 패턴의 일례를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 플라즈모닉스 나노구조는 기본적으로 금속 나노 패턴 어레이층을 의미하는 것으로서 기판 상에 돌출되는 돌출형태의 금속패턴이 일반적이다.
이러한 돌출형태의 금속패턴을 광전 또는 발광소자에 적용하는 경우에는, 금속패턴층 상측에 소자층을 적층하는 공정이 요구되는데, 금속패턴층이 돌출형태이므로 소자층 역시 금속패턴층을 따라 굴곡진 형태로 증착됨으로써, 발광효율이 저하되는 문제가 있었다. 종래에는 이를 해결하기 위하여 별도의 평탄화 공정을 수행하고 있으나, 충분히 해결되지 못하는 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 균일한 형태의 함몰형 금속패턴을 용이하게 제작할 수 있는 함몰형 금속패턴 형성방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판 상에 광경화성 레진층을 적층하는 광경화성 레진층 적층단계; 상기 광경화성 레진 상에 열가소성 레진층을 적층하는 열가소성 레진층 적층단계; 임프린팅(Imprinting)을 이용하여 상기 열가소성 레진층을 패터닝하는 동시에 상기 광경화성 레진층에 함몰영역이 형성되도록 하는 복합 임프린팅 단계; 상기 열가소성 레진층의 상측 및 광경화성 레진층의 함몰영역 내에 금속층을 증착하는 금속층 증착단계; 상기 열가소성 레진층 및 열가소성 레진층의 상측에 적층된 금속층을 제거하는 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 금속층 증착단계는 금속박막을 증착할 수 있다.
또한, 상기 금속층 증착단계에서는 금속 나노 입자를 증착하되, 상기 제거단계 이후에 상기 금속 나노 입자를 소결하는 소결단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복합 임프린팅 단계와 상기 금속층 증착단계의 사이에 수행되며, 상기 광경화성 레진층의 함몰영역을 에칭하여 상기 함몰영역의 함몰깊이를 조절하는 에칭단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광경화성 레진층 적층단계는 상기 기판 상에 상기 광경화성 레진층을 도포하는 도포단계; 상기 광경화성 레진층을 경화하는 사전 경화단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 사전 경화단계는 상기 광경화성 레진층의 표면이 경화되도록 할 수 있다.
또한, 상기 복합 임프린팅 단계는 고온 및 고압의 조건에서 상기 임프린팅 스탬프를 가압하여 상기 광경화성 레진층에 접촉되도록 하는 가열/가압단계; 상기 광경화성 레진층과 상기 임프린팅 스탬프가 접촉된 상태에서 자외선 광을 조사하여 상기 광경화성 레진층을 경화하는 경화단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광경화성 레진층과 열가소성 레진층을 차례로 적층하는 공정을 통하여 함몰형 금속패턴을 용이하게 제작할 수 있는 함몰형 금속패턴 형성방법이 제공된다.
또한, 광경화성 레진층을 완전히 경화하기 전에 사전 경화단계를 수행함으로써, 열가소성 레진층의 용이한 적층이 가능한 환경을 조성할 수 있다.
또한, 광경화성 레진층의 함몰깊이를 조절하여 금속패턴의 형태로 최종 형성되는 플라즈모닉스 패턴의 흡수파장대를 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 돌출형 플라즈모닉스 패턴의 일례를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법의 공정 흐름도이고,
도 3은 도 2의 함몰형 금속패턴 형성방법의 광경화성 레진층 적층단계와 열가소성 레진층 적층단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 2의 함몰형 금속패턴 형성방법의 복합 임프린팅 단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 2의 함몰형 금속패턴 형성방법의 금속층 증착단계와 제거단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법의 복합 임프린팅 단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법의 금속층 증착단계와 제거단계와 소결단계를 개략적으로 도시한 것이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법(S100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법의 공정 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법(S100)은 광경화성 레진층 적층단계(S110)와 열가소성 레진층 적층단계(S120)와 복합 임프린팅 단계(S130)와 금속층 증착단계(S140)와 제거단계(S150)를 포함한다.
도 3은 도 2의 함몰형 금속패턴 형성방법의 광경화성 레진층 적층단계와 열가소성 레진층 적층단계를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 광경화성 레진층 적층단계(S110)는 기판(110) 상에 자외선 광에 의하여 경화되는 특성을 가지는 광경화성 레진층(120)을 적층하는 단계로서, 도포단계(S111)와 사전경화(pre-curing) 단계(S112)를 포함한다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 상기 도포단계(S111)에는 스핀 코팅(Spin-coating)을 통하여 광경화성 레진층(120)을 기판(110) 상에 균일하게 도포하는 단계이다. 본 실시예에서 기판(110) 상에 도포되는 광경화성 레진층(120)은 유리 라디칼 폴리머라이제이션(Free-radical polymerization)을 이루는 자외선 광경화성 레진이 이용되는 것이 바람직하다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 상기 사전경화단계(S112)는 기판(110) 상에 도포된 광경화성 레진층(120)을 후술하는 경화단계(S132)에서 완전히 경화하기 전에 수행하는 전처리 경화공정에 해당한다.
즉, 본 단계에서는 진공 상태에서 자외선 광을 10초 내지 20초 정도 동안 광경화성 레진층(120)에 조사함으로써 후술하는 열가소성 레진층 적층단계(S120)에서의 열가소성 레진층(130) 스핀 코팅시에 원심력에 의하여 외부로 흘러나가지 않을 만큼 최소한의 정도로만 광경화성 레진층(120)을 경화한다.
바람직하게는, 본 사전경화단계(S112)에서는 광경화성 레진층(120)이 완전히 경화되는데 필요한 자외선 광에너지의 20% 정도만을 인가함으로써 광경화성 레진층(120)의 표면만 경화되도록 한다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 상기 열가소성 레진층 적층단계(S120)는 기판(110) 상에서 균일하게 적층되어 사전 경화된 상태의 광경화성 레진층(120) 상에 열에 의하여 변형되는 특성의 열가소성 레진층(130)을 적층한다.
본 단계에서는 광경화성 레진층(120)을 적층한 것과 마찬가지의 방법인 스핀 코팅을 이용하여 열가소성 레진층(130)을 균일하게 도포함으로써 진행될 수 있다.
도 4는 도 2의 함몰형 금속패턴 형성방법의 복합 임프린팅 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 복합 임프린팅 단계(S130)는 임프린팅 스탬프(Imprinting Stamp)를 이용하여 열가소성 레진층(130)과 광경화성 레진층(120)에 임프린팅 스탬프의 패턴을 전사하는 동시에, 노출되는 광경화성 레진층(120)에 소정깊이 함몰되는 함몰영역(150)을 형성하는 단계로서, 가열/가압단계(S131)와 경화단계(S132)를 포함한다.
도 4(a)를 참조하여 설명하면, 상기 가열/가압단계(S131)에서는 고온의 열(H) 및 높은 압력(P)조건 하에서 임프린팅 스탬프(140)를 이용하여 임프린팅 스탬프(140)에 형성되는 패턴에 대응되는 형태의 패턴을 열가소성 레진층(130) 및 광경화성 레진층(120)에 형성하는 단계이다.
먼저, 본 단계에서는 고온의 열(H)과 고압의 압력(P)과 함께 임프린팅 스탬프(140)을 열가소성 레진층(130)에 가압함으로써, 열(H)과 압력(P)에 의하여 열가소성 레진층(130)이 변형을 일으키도록 하고 임프린팅 스탬프(140)에 형성되는 패턴과 대응되는 패턴으로 열가소성 레진층(130)이 제거되도록 한다.
임프린팅 스탬프(140)에 의하여 열가소성 레진층(130)이 제거됨으로써, 임프린팅 스탬프(140)는 열가소성 레진층(130) 하측에 적층된 광경화성 레진층(120)과 접촉하며, 지속적으로 가압되는 임프린팅 스탬프(140)에 의하여 완전히 경화되지 않은 상태의 광경화성 레진층(120)은 소정의 함몰깊이(d)를 가지는 함몰영역(150)을 형성한다.
따라서, 본 단계에 의하면, 고온의 열(H)과 고압의 압력(P) 하에서 임프린팅 스탬프(140)에 의하여 열가소성 레진층(130)을 패터닝하여 광경화성 레진층을 외부에 노출시키는 동시에, 임프린팅 스탬프(140)와 접촉한 광경화성 레진층(120) 영역에 함몰영역(150)을 형성하게 된다.
도 4(b)를 참조하여 설명하면, 상기 경화단계(S132)에서는 임프린팅 스탬프(140)가 열가소성 레진층(130)에 패턴을 형성하고 광경화성 레진층(120)을 소정의 깊이(d)로 함몰시킨 상태에서 광경화성 레진층(120)에 자외선 광(UV)을 조사함으로써 광경화성 레진층(120)을 완전히 경화한다.
따라서, 본 복합 임프린팅 단계(S130)에 의하면, 열가소성 레진층(130)이 임프린팅 스탬프(140)의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝되되, 광경화성 레진층(120)은 소정의 함몰영역(150)을 형성한 상태에서 자외선 광에 의하여 완전히 경화된다.
한편, 함몰영역(150)의 내부에는 후술하는 금속증 증착단계(S140)에 의하여 금속박막층(160)이 증착되며, 이러한 금속박막층(160)이 후술하는 제거단계(S150)에서 처리되는 유기용매에 의하여 제거되지 않도록 함몰영역(150)의 함몰깊이(d)는 열가소성 레진층(130)의 두께(D)의 1/2 보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 함몰영역(150)의 함몰깊이(d)의 설정원리에 대해서는 제거단계(S150)에서 상세히 설명한다.
도 5는 도 2의 함몰형 금속패턴 형성방법의 금속층 증착단계와 제거단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 금속층 증착단계(S140)는 열가소성 레진층(130)의 상면 및 열가소성 레진층(130)이 제거됨에 따라 외부에 노출되는 광경화성 레진층(120)의 함몰영역(150)의 상면 상에 금속박막층(160)을 증착하는 단계이다.
본 단계에서 금속박막층(160)은 스퍼터링 방식으로 증착되며, 본 실시예에서 이용되는 금속박막층(160)은 최종 플라즈모닉스 패턴을 구성할 수 있도록 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등이 이용될 수 있으며, 플라즈모닉스 패턴을 형성할 수 있는 것이라면 상술한 재질에 제한되지 않는다.
상기 제거단계(S150)는 금속박막층(160)이 적층된 열가소성 레진층(130)을 선택적으로 리프트-오프(lift-off)하여 제거하는 단계이다.
한편, 본 단계에서 열가소성 레진층(130)은 소정의 에칭액을 통하여 제거되는데, 일반적으로 열가소성 레진(130)의 에칭 비율은 광경화성 레진(120)의 에칭 비율보다 크다. 따라서, 이러한 에칭 비율의 차이를 고려하여, 상술한 복합 임프린팅 단계(S130)에서는 광경화성 레진층(130)에 형성되는 함몰영역(150)의 함몰깊이(d)와 제거되는 열가소성 레진층(120)의 두께(l)의 1/2 이 되도록 함몰깊이(d)를 조절하는 것이 바람직하다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 상술한 제거단계(S150)에서 열가소성 레진층(130)을 제거하면, 기판(110) 상에는 함몰영역(150) 내에 금속박막층(160)이 증착된 상태의 광경화성 레진층(120)이 남게 되고, 이러한 함몰형 금속박막층(160) 패턴은 최종 플라즈모닉스 패턴(M)을 형성한다.
한편, 흡수파장대 등과 같이 함몰형 금속패턴에 의하여 최종 형성되는 플라즈모닉스 패턴(M)의 특성은 증착되는 금속박막층(160)의 높이, 폭, 너비 등에 의하여 결정되므로 상술한 복합 임프린팅 단계(S130)에서 이를 고려하여 함몰영역(150)의 함몰깊이, 높이, 폭을 결정하는 것이 바람직하다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법(S200)에 대하여 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법(S200)은 광경화성 레진층 적층단계(S110)와 열가소성 레진층 적층단계(S120)와 복합 임프린팅 단계(S130)와 에칭단계(S235)와 금속층 증착단계(S140)와 제거단계(S150)를 포함한다.
다만, 본 실시예의 광경화성 레진층 적층단계(S110)와 열가소성 레진층 적층단계(S120)와 복합 임프린팅 단계(S130)와 금속층 증착단계(S140)와 제거단계(S150)는 상술한 제1실시예의 공정과 동일한 것이므로 중복설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법의 에칭단계(S235)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 상기 에칭단계(S235)는 광경화성 레진층(S110)을 에칭하여 복합 임프린팅 단계(S130)에서 패터닝되는 함몰영역(150)의 함몰깊이(d)를 제어하는 단계이다.
즉, 본 단계에서는 복합 임프린팅 단계(S130)에서 외부에 노출되는 광경화성 레진층(120)을 산소 플라즈마 에칭(Oxygen Plasma RIE)를 이용하여 추가적으로 에칭함으로써 함몰영역(150)의 함몰깊이(d)를 조절하게 된다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 별도의 에칭 공정을 통하여 함몰영역(150)의 함몰깊이(d)를 필요한 규격으로 제어하여, 원하는 특성의 최종 플라즈모닉스 패턴(M)을 형성할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제3실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법(S300)에 대하여 설명한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법(S300)은 광경화성 레진층 적층단계(S110)와 열가소성 레진층 적층단계(S120)와 복합 임프린팅 단계(S330)와 금속층 증착단계(S340)와 제거단계(S350)와 소결단계(S360)를 포함한다.
다만, 본 실시예의 광경화성 레진층 적층단계(S110)와 열가소성 레진층 적층단계(S120)와 복합 임프린팅 단계(S130)는 상술한 제1실시예의 공정과 동일한 것이므로 중복설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 함몰형 금속패턴 형성방법의 금속층 증착단계와 제거단계와 소결단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 상기 금속층 증착단계(S340)에서는 제1실시예서 열가소성 레진층(130)의 상면 및 노출된 광경화성 레진층(120)의 상면에 금속박막층을 적층하는 것이 아니라 습식으로 금속 나노입자(360)를 증착한다.
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 상기 제거단계(S350)에서는 열가소성 레진층(130)을 리프트 오프함으로써 열가소성 레진층(130) 및 그 상측에 증착된 금속 나노입자(360)를 제거하는 단계이다.
도 7(c)에 도시된 바와 같이, 상기 소결단계(S360)에서는 금속층 증착단계(S340)에서 적층된 금속 나노입자(360)를 고온에서 소결하여 최종 함몰형태의 플라즈모닉스 패턴(M)이 형성되도록 한다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110 : 기판 120 : 광경화성 레진층
130 : 열가소성 레진층 140 : 임프린팅 스탬프
150 : 함몰영역 160 : 금속박막층

Claims (7)

  1. 기판 상에 광경화성 레진층을 적층하는 광경화성 레진층 적층단계;
    상기 광경화성 레진 상에 열가소성 레진층을 적층하는 열가소성 레진층 적층단계;
    임프린팅(Imprinting) 스탬프를 이용하여 상기 열가소성 레진층을 패터닝하는 동시에 상기 광경화성 레진층에 함몰영역이 형성되도록 하는 복합 임프린팅 단계;
    상기 열가소성 레진층의 상측 및 광경화성 레진층의 함몰영역 내에 금속층을 증착하는 금속층 증착단계;
    상기 열가소성 레진층 및 열가소성 레진층의 상측에 적층된 금속층을 제거하는 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속층 증착단계는 금속박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층 증착단계에서는 금속 나노 입자를 증착하되,
    상기 제거단계 이후에 상기 금속 나노 입자를 소결하는 소결단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합 임프린팅 단계와 상기 금속층 증착단계의 사이에 수행되며, 상기 광경화성 레진층의 함몰영역을 에칭하여 상기 함몰영역의 함몰깊이를 조절하는 에칭단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광경화성 레진층 적층단계는 상기 기판 상에 상기 광경화성 레진층을 도포하는 도포단계; 상기 광경화성 레진층을 경화하는 사전 경화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 사전 경화단계는 상기 광경화성 레진층의 표면이 경화되도록 하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복합 임프린팅 단계는 고온 및 고압의 조건에서 상기 임프린팅 스탬프를 가압하여 상기 광경화성 레진층에 접촉되도록 하는 가열/가압단계; 상기 광경화성 레진층과 상기 임프린팅 스탬프가 접촉된 상태에서 자외선 광을 조사하여 상기 광경화성 레진층을 경화하는 경화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 함몰형 금속패턴 형성방법.
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