KR101470306B1 - 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법 - Google Patents

기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기화된 식각 물질 또는 기화된 식각 물질과 용매의 혼합 용액이 기판 표면에서 응축되는 거동을 제어하고 식각 물질의 상태(phase)에 따른 식각 속도의 차이를 이용함으로써 마스크 없이 나노 또는 마이크로 스케일의 패턴을 식각하는 마스크리스(maskless) 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것이다.

Description

기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법{Maskless Etching Apparatus By Condensing Behavior of Etching Gas, And Etching Method For Fabricating Nano or Micro Scale Pattern Using The Same}
본 발명은 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기화된 식각 물질 또는 기화된 식각 물질과 용매의 혼합 용액이 기판 표면에서 응축되는 거동을 제어하고 식각 물질의 상(phase)에 따른 식각 속도의 차이를 이용함으로써, 마스크 없이 나노 또는 마이크로 스케일의 패턴을 식각하는 마스크리스(maskless) 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것이다.
휴대폰, 태블릿 PC 등 터치 기능을 사용하는 디스플레이를 비롯하여 TV, 컴퓨터모니터 등과 같은 플랫 패널 디스플레이의 커버 윈도우, 태양전지의 커버 윈도우, 건축물의 외장형 유리, 안경, 자동차 유리 등에 있어서 빛의 반사를 줄여 디바이스의 효율을 높임과 동시에 시인성을 높이는 반사방지(AR, Anti-Reflection) 구현기술은 현재 학계와 업계에서 높은 관심을 받고 있는 기술 분야이다.
일반적으로 빛이 투과하는 계면에서 두 매질 사이의 굴절률 차이가 존재하는 경우 “프레넬의 반사법칙”에 의하여 빛의 반사 현상이 일어나게 된다. 빛이 반사되는 정도는 두 매질 사이의 굴절률의 차이, 입사각 및 반사각 등에 따라 달라지는 “반사율”에 의해 결정된다.
특히, 디스플레이 기기를 야외와 같이 외부광의 세기가 큰 상황에서 사용하는 경우에는 작은 반사율에 의해서도 내부에서 방출되는 빛과 버금갈 정도의 빛이 반사되기 때문에 시인성이 매우 낮아지게 된다. 또한 태양전지의 커버 윈도우의 경우에는 태양광의 투과율을 높일수록 태양전지의 효율성 즉, 발전량이 증가하기 때문에 반사를 줄여야 하는 기술적 과제를 안고 있다.
한편, 건축물의 외장형 유리나 자동차 유리 등에서는 반사로 인한 눈부심이 발생되면 보행자 및 운전자의 안전과 직결되는 문제가 발생될 수 있어 일정 수준 이하의 반사 방지를 달성할 필요가 있다.
상술한 바와 같이 기판 표면에서의 반사를 억제할 목적을 달성하기 위해서는 입사광의 파장(λ)에 대하여 λ/4 만큼의 두께와 공기와 기판의 굴절률 사이의 굴절률을 가지는 물질을 기판의 표면에 코팅하여 반사를 줄일 수 있다. 이러한 코팅기술을 반사 방지(AR) 코팅기술이라 한다.
하지만, 이러한 기술은 특정한 파장인 λ에 대해서만 반사를 억제할 수 있어 가시광선 전 영역에 걸친 반사 방지를 구현하기 위해서는 여러 파장에 대한 반사방지 층이 필요하기 때문에 다층 박막으로 코팅하여야 한다. 이에 따라 기판과의 밀착력 약화에 따른 박리와 이에 따른 표면 불균일에 의한 색상의 발현, 다층 박막에 따른 두께조절 등의 문제가 발생 된다. 이러한 이유에서 다층 박막 코팅을 통한 반사 방지 기술은 터치 패널과 같이 잦은 접촉이 이루어지는 표면에 적용하기 어려운 한계를 갖고 있다.
이에 반사 방지를 구현하기 위한 기술로 최근 각광받고 있는 연구는 이른바 “나방눈 효과”(moth-eye effect)를 이용한 기술로, 가시광선 파장대보다 작은 직경의 나노 돌기를 기판의 표면에 형성시켜 가시광선이 이러한 나노 구조가 형성된 표면을 투과할 때 나노 돌기의 존재를 인식하지 못하고 단지 돌기의 형상에 따라서 기판 표면의 굴절율이 점진적으로 변하는 것으로 인식하게 됨으로써 다층 박막 코팅의 효과를 얻게 되는 기술이다.
이러한 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 돌기 내지 패턴을 기판의 표면에 형성하기 위해서는, 일반적으로 기판에 감광물질을 도포하고 포토 마스크(photo mask)를 사용하여 선택적으로 노광을 함으로써 화학적 성질이 달라진 감광물질 부분 또는 그 외의 부분을 선택적으로 제거한 후, 이를 식각 방지층으로 하여 패턴을 형성한다.
다만, 상술한 바와 같은 포토 마스크를 이용한 리소그래피(lithography)에 의한 패터닝 방법은 고해상, 대면적화에 따라 계속적으로 맞춤형 마스크를 제조해야 한다는 점, 공정의 반복에 의한 손상에 따라 교체 또는 수리가 요구된다는 점, 고온의 공정에서 마스크의 열 팽창으로 패턴의 정확도가 떨어진다는 점, 진공 공정에서의 마스크 취급은 많은 비용이 소모된다는 점, 디자인 내지는 패턴 설계의 변화에 따라 새로운 마스크가 요구된다는 점, 마스크 정렬공정(mask aligning), 세정공정(cleaning) 등 별도의 추가 공정이 요구된다는 점 등에서 비경제적, 비효율적인 문제를 안고 있다.
이에 마스크를 사용하지 않는 마스크리스(maskless) 내지 무마스크 공정의 개발이 다방면으로 연구되고 있다. 다만, 대부분 마스크를 사용하지 않는 노광장치 내지는 마스크를 사용하지 않고 광학적인 노광 제어를 통해 패턴을 형성하는 방법 등이 개발되고 있는데 불과하여, 공정이 복잡하고 패턴의 제어가 난해한 문제점과 포토리소그래피(photolithography) 공정에 따른 비효율성은 해결되지 않고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 기화된 식각 물질 내지 기화된 식각 물질과 용매의 혼합 용액의 기판 표면에서의 응축을 제어하고, 식각 물질의 상(phase)에 따른 식각 속도 차이를 이용함으로써, 마스크 없이 효율적으로 기판의 표면에 패턴을 형성할 수 있는 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법을 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 기판(1)에 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 패턴을 형성하기 위한 식각 장치(A)에 있어서, 액상 물질(2)을 기화시키는 버블러(100), 상기 액상 물질(2)에 캐리어 가스(3)를 주입하는 제1이송배관(200), 상기 버블러(100)로부터 배출되는 기화된 액상 물질(2) 및 캐리어 가스(3)와, 별도로 주입되는 희석 가스(4)와의 혼합 가스(5)를 분사 장치(400)로 이송하는 제2이송배관(300), 상기 제2이송배관(300)에 의해 이송된 혼합 가스(5)를 배기구(410)를 통해 피가공물인 기판(1)의 표면에 배기하는 분사 장치(400) 및 기판(1)을 지지 및 이송하며 기판(1)의 온도를 제어하는 스테이지(500)를 포함하고, 상기 버블러(100)에는 상기 액상 물질(2)이 담겨지는 용기(110) 및 상기 용기의 온도를 제어하는 용기 히터(120)가 포함되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치를 제공한다.
이때, 상기 제1이송배관(200) 및 제2이송배관(300)에는 상기 캐리어 가스(3) 및 혼합 가스(5)의 온도를 제어하기 위한 라인 히터(210,310)가 구비될 수 있으며, 상기 제2이송배관(300)과 분사 장치(400)의 연결부에는 혼합 가스의 온도를 제어하기 위한 혼합 가스 히터(420)가 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 분사 장치(400)의 내부에 구비되는 캐소드(430)와, 상기 분사 장치(400)의 몸체를 이루고 있는 애노드(440)에 전압이 인가되어 플라즈마가 발생되고, 애노드(440) 상에 형성되어진 배기구(410)를 통해 상기 플라즈마에 의하여 가속된 혼합 가스(5)가 배기되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 상기 분사 장치(400)에는 상기 캐소드(430) 및 어노드(440)의 온도를 제어하기 위한 전극 히터(450)가 더 포함될 수 있으며, 상기 배기구(410)의 양 옆으로 반응하지 않은 상기 혼합 가스(5)와, 반응으로 생성된 반응 가스를 흡입하는 흡입구(460)가 더 포함될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 식각을 통해 기판(1)에 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 기판의 표면을 식각하는 액상 물질(2)에 캐리어 가스(3)를 주입하고 가열하여, 상기 액상 물질(2)을 기화시키는 기화 단계(S10), 기화된 액상 물질(2)과 캐리어 가스(3)에 희석 가스(4)가 혼합된 혼합 가스(5)를 이송하는 이송 단계(S20) 및 이송된 혼합 가스(5)를 피가공물인 기판(1)의 표면에 분사하고, 기판(1) 표면의 온도를 조절하여 분사된 혼합 가스(5)의 일부를 응축시켜 기판(1)의 표면을 식각함으로써 나노 또는 마이크로 패턴을 형성하는 식각 단계(S30)를 포함하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법을 제공한다.
이때, 상기 기화 단계(S10) 및 이송 단계(S20)에서, 상기 액상 물질(2)이 기판(1)의 표면에 분사되기 전에 응축되는 것을 방지하기 위하여, 캐리어 가스(3)의 주입시 및 혼합 가스(5) 이송시 가스의 온도를 제어할 수 있으며, 상기 기화 단계(S10) 및 이송 단계(S20)에서, 상기 캐리어 가스(3)와 희석 가스(4)의 주입량을 변화시켜 혼합 가스(5)의 혼합비와 양을 제어할 수 있다.
상기 액상 물질(2)은 액상 상태(liquid phase)와 기상 상태(gas phase)에서 기판(1)의 표면의 식각 속도가 서로 상이한 물질을 사용할 수 있다.
반면에 상기 액상 물질(2)은 용액 상태(solution phase)와 기상 상태(gas phase)에서 기판(1) 표면의 식각 속도가 서로 상이한 물질(A)과 용매(B)의 혼합 용액을 사용할 수 있는데, 이때 상기 용매(B)는 상기 물질(A)보다 끓는 점이 더 높은 것이 바람직하며, 일 실시예로서 상기 물질(A)은 불화수소(HF)이고, 상기 용매(B)는 물(H2O)일 수 있다.
상기 일 실시예를 자세히 설명하면, 상기 식각 단계(S30)에서, 기화된 불화수소와 물의 혼합 용액인 액상 물질(2), 캐리어 가스(3) 및 희석 가스(4)의 혼합 가스(5)가 물의 끓는 점 이상으로 가열된 상태로 기판(1)의 표면에 분사되고, 상기 기판(1)의 온도가 불화수소와 물의 끓는 점 사이의 온도로 제어되어 기판(1)의 표면에 응축된 물에 불화수소가 용해되고, 기상 상태와 용액 상태에서 불화수소의 식각 속도 차이를 통해 기판(1)의 표면에 마이크로 또는 나노 패턴을 형성하게 된다.
또한, 상기 마이크로 또는 나노 패턴을, 상기 혼합 가스(5)의 유량 및 조성비와 상기 혼합 가스(5)와 기판(1)의 온도 차이를 제어하여 응축되는 물의 양과 분포를 조절함으로써 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 기화 단계(S10) 이전에, 기판(1)의 표면을 습식 식각의 방법을 통해 3초 내지 10초 동안 전 처리하는 습식 처리 단계(S1)를 더 포함할 수 있으며, 상기 식각 단계(S30) 이후에, 발수 용액에 침지(dipping)시킨 후 양생(curing)시키는 발수코팅 단계(S100)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법은, 마스크(mask) 없이 기판의 표면에 나노 또는 마이크로 패턴을 식각함으로써, ① 고해상도화, 대면적화, 디자인 변화 및 패턴 설계의 변화 등에 따라 새로운 마스크를 구비하지 않아도 되므로 유연한 공정 설계 변경이 가능한 점, ② 마스크 관련된 별도의 공정을 거치지 않아 경제적이라는 점, ③ 마스킹에 따른 리소그래피 공정 없이 식각 가스의 유량, 조성비 제어, 온도 제어 등의 비교적 간단한 방법으로 패턴을 식각할 수 있어, 기판을 패터닝하는 전체 공정이 단순화되고, 공정의 제어가 쉽고 효율적이라는 점 등에 장점이 있다.
또한, 식각 물질을 분사하는 장치의 배기구(410)에 미반응 물질 또는 반응에 의한 생성 물질을 실시간으로 처리하는 흡입구(460)를 구비토록 함으로써, 기판의 원하지 않는 부분에 기생 반응이 일어나거나 흡착되는 것을 억제할 수 있다.
상술한 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 식각 방법을 통해 마스킹에 의한 리소그래피 공정 없이 기판의 표면에 나노 또는 마이크로 패턴을 형성시킴으로써 기판의 광 투과도를 향상시키고 초 발수성 구현에 따른 자기세정 기능을 부여하여 태양전지의 커버글래스 등 다양한 산업 분야에 본 발명을 적용시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 습식 식각(wet etching)의 방식으로 1시간 동안 표면 처리된 기판의 표면 구조를, 배율을 변화시켜 전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 2는 종래의 습식 식각(wet etching)의 방식으로 처리된 기판의 광 투과도가 향상되는 것을 보여주는 그래프이다. 그래프에서 bare는 처리 전 기판의 광 투과도, S1 내지 S1는 습식 식각 처리된 기판의 광 투과도를 나타내며 S1 내지 S4는 모두 동일한 습식 식각 처리된 기판의 위치에 따른 광 투과도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치의 모식도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 모식도의 정면도이고, 도 4b는 측면도, 도 4c는 평면도이다.
도 5a는 불화수소(HF) 기체의 농도(wt%)에 따른 부분압(partial pressure)을 나타내는 그래프이고, 도 5b는 수증기(H2O)의 농도(wt%)에 따른 부분압을 나타내는 그래프이다.
도 6, 7a 및 7b는 용매(B)인 물이 기판의 표면에 응축된 모양을 나타내는 모식도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 표면이 식각된 기판의 표면 구조를 보여주는 SEM사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치의 분사 장치(400)에 구비되는 흡입구(460)의 작동 원리를 보여주는 모식도이다.
도 10a 내지 10d 및 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 표면이 식각된 기판의 표면 구조를 전자현미경으로 관찰한 SEM 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 식각된 기판의 표면에 발수 코팅을 하여 초 발수성을 확인하기 위한 접촉각 측정 결과를 보여주는 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
먼저 본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 기판(1)에 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 패턴을 형성하기 위한 식각 장치(A)에 있어서, 액상 물질(2)을 기화시키는 버블러(100), 상기 액상 물질(2)에 캐리어 가스(3)를 주입하는 제1이송배관(200), 상기 버블러(100)로부터 배출되는 기화된 액상 물질(2) 및 캐리어 가스(3)와, 별도로 주입되는 희석 가스(4)와의 혼합 가스(5)를 분사 장치(400)로 이송하는 제2이송배관(300), 상기 제2이송배관(300)에 의해 이송된 혼합 가스(5)를 배기구(410)를 통해 피가공물인 기판(1)의 표면에 배기하는 분사 장치(400) 및 기판(1)을 지지 및 이송하며 기판(1)의 온도를 제어하는 스테이지(500)를 포함하고, 상기 버블러(100)에는 상기 액상 물질(2)이 담겨지는 용기(110) 및 상기 용기의 온도를 제어하는 용기 히터(120)가 포함되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치를 제공한다.
또한, 상술한 식각 장치(A)를 이용하여, 식각을 통해 기판(1)에 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 기판의 표면을 식각하는 액상 물질(2)에 캐리어 가스(3)를 주입하고 가열하여, 상기 액상 물질(2)을 기화시키는 기화 단계(S10), 기화된 액상 물질(2)과 캐리어 가스(3)에 희석 가스(4)가 혼합된 혼합 가스(5)를 이송하는 이송 단계(S20) 및 이송된 혼합 가스(5)를 피가공물인 기판(1)의 표면에 분사하고, 기판(1) 표면의 온도를 조절하여 분사된 혼합 가스(5)의 일부를 응축시켜 기판(1)의 표면을 식각함으로써 나노 또는 마이크로 패턴을 형성하는 식각 단계(S30)를 포함하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법을 제공한다.
도 1은 종래의 습식 식각(wet etching) 방식으로 1시간 동안 기판을 표면 처리한 모습을 나타내는 SEM사진이고, 도 2는 이에 따라 기판의 광 투과도가 향상된 것을 나타내는 그래프이다.
한편, 습식 식각으로 표면을 처리한 기판의 광 투과도가 향상된 모습을 도 2의 그래프를 통해서 알 수 있는데, 그래프에서 "bare"는 아무런 처리를 하지 않은 기판의 광 투과도를 나타내는 곡선이고, S1 내지 S4는 습식 식각 처리를 한 기판의 위치에 따른 광 투과도를 나타내는 곡선이다. 550nm의 파장을 기준으로, bare는 91.9%, S1은 97.0%, S2는 96.5%, S3는 96.6% 및 S4는 96.5%의 광 투과도를 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 종합적으로 350~800nm 파장의 범위에서 3~5%의 광 투과도 향상의 효과를 보이는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 장치(A)의 전체 모식도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 장치(A)는 크게 버블러(100), 제1이송배관(200), 제2이송배관(300), 분사 장치(400) 및 스테이지(500)로 이루어져 있다.
버블러(100)에는 식각을 담당하는 화학 물질인 액상 물질(2)이 담겨지는 용기(110)와 용기의 온도를 제어하여 액상 물질(2)을 기화시키는 용기 히터(120)가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 용기 히터(120)는 용기(110)의 둘레를 감싸는 형상을 띄는 밴드 히터(band heater)인 것이 더욱 바람직하다.
상술한 버블러(100)에 담겨진 액상 물질(2)로 제1이송배관(200)을 통해 캐리어 가스(3)가 주입된다. 주입되는 캐리어 가스(3)의 유량은 MFC(Mass Flow Controller)를 통해 제어되며, 바람직하게는 공기(air) 혹은 질소(N2)와 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 가스 등이 주입될 수 있다. 캐리어 가스(3)는 액상 물질(2)에 버블(bubble)을 발생시켜 액상 물질(2)의 기화를 더욱 활성화하는 역할을 수행한다.
주입된 캐리어 가스(3)와 기화된 액상 물질(2)은 제2이송배관(300)을 통해 이송된다. 이때 별도로 제2이송배관(300)의 일 측에 희석 가스(4)(Dilute gas)가 주입된다. 바람직하게는 질소(N2), 공기(air), 아르곤(Ar) 및 불활성 가스 등이 주입될 수 있다. 희석 가스(4)는 후에 기판의 표면으로 방출되는 가스의 체적이 적어 분사 혹은 배출이 더디어 지는 것을 방지하고, 배기구(410)에서 가스가 적절한 압력으로 방출되도록 유도하는 역할을 수행한다.
제2이송배관(300)을 통해 기화된 액상 물질(2), 캐리어 가스(3) 및 희석 가스(4)의 혼합 가스(5)가 분사 장치(400)로 이송된다. 한편, 상기 제1 및 제2이송배관(200,300)에는 이송되는 가스의 온도를 제어하여 배관 내부에서 액상 물질이 응축되지 않도록 하기 위한 라인 히터(210, 310)가 각각 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 혼합 가스(5)에서 캐리어 가스(3)나 희석 가스(4)와 같은 불활성 가스 등의 유량을 조절하여, 식각 물질 및 용매의 유량 내지 함량비를 제어함으로써, 후에 기판에 분사되는 혼합 가스(5)가 응결되는 정도와 기판의 표면이 식각되는 정도를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 분사 장치(400)로 이송된 혼합 가스(5)는 먼저 혼합 가스 히터(420)에 의해 온도가 제어되는 것이 바람직하다. 가스가 이송되는 배관을 비롯한 장치 전체에 걸쳐서 가스의 응축을 방지하기 위하여 끓는 점 이상의 온도를 유지하는 장치가 곳곳에 배치된다.
분사 장치(400)의 배기구(410)를 통해 혼합 가스(5)가 기판의 표면으로 분사되는데, 이때 혼합 가스(5)를 분사하는 에너지원은 다양한 방식이 차용될 수 있으나, 바람직하게는 플라즈마를 활용할 수 있다. 이를 위해 분사 장치(400)의 내부에 캐소드(430)가 구비되고, 분사 장치(400)의 몸체를 애노드(440)로 구성하는 것이 바람직하다. 상기 캐소드(430)와 애노드(440)에 전압이 인가되면 플라즈마가 발생되고 이로 인해 가속된 혼합 가스(5)가 배기구(410)를 통해 기판의 표면으로 분사된다. 이때 캐소드(430)와 애노드(440)에 가스가 응축되는 것을 방지하는 전극 히터(450)가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 분사 장치(400)의 배기구(410)의 양 옆에는 미반응 물질인 여분의 혼합 가스(5)와 반응으로 새로이 생성된 반응 가스를 배기구(410)의 양 옆 방향으로, 혼합 가스(5)의 분사와 동시에 흡입하는 흡입구(460)가 더 포함되는 것이 바람직하다. 이에 대한 모식도가 도 9에 도시되어 있다.
상술한 바와 같이 배기구(410)에 인접하게 흡입구(460)를 구비함으로써 기판의 표면상의 원하지 않는 부분에 기생 반응이 일어나는 것을 억제하고, 혼합 가스(5) 및 새로이 생성된 반응 가스의 확산을 막아 기판의 표면에 흡착되는 것을 방지함으로써, 기판의 표면에서 식각 반응이 균일하게 일어나도록 제어할 수 있다.
한편 배기구(410)는 분사 장치(400)상에 다수개가 형성되도록 할 수 있으며, 상술한 바와 같은 본 발명의 분사 장치(400)의 모식도에 대한 정면도가 도 4a에, 측면도가 도 4b에, 평면도가 도 4c에 도시되어 있다.
혼합 가스(5)가 스테이지(500)에 의해 일정한 온도로 제어되는 기판의 표면으로 분사된다. 스테이지(500)는 기판을 이송하여 기판의 표면 전체의 식각 반응을 진행시키고, 기판과 접촉하여 기판의 표면 온도를 제어하는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 기판을 식각하는 액상 물질(2)은 식각 물질(A)과 용매(B)의 혼합 용액으로 이루어진다. 상기 물질(A)은 용매에 용해된 용액 상태(solution phase)와 기상 상태(gas phase)에서의 식각 속도 차이를 갖는 물질을 사용한다. 또한, 상기 용매(B)는 물질(A)를 용해시킬 수 있으며, 물질(A)보다 끓는 점이 더 높은 용매(B)를 사용한다. 바람직한 일 예로써, 식각 물질(A)로 불화수소(HF)를, 용매(B)로 물(H2O)을 사용할 수 있다.
불화수소의 물리적인 성질로, 기상 상태와 용액 상태에서의 식각 속도, 즉 건식 식각 속도와 습식 식각 속도에 차이가 있다는 점은 다양한 논문을 통해 보고된 바 있다.(①"Influence of water adsorption/desorption process on the selectivity of vapor HF etching", H.Watanabe 등, J. Electrochem. Soc. Vol.142, p.1332, 1995, ②"Selective etching of phosphosilicate glass with low pressure vapor HF", H.Watanabe 등, J. Electrochem. Soc. vol.142 p.237, 1995, ③"Vapor hydrofluoric acid sacrificial release technique for micro electro mechanical systems using labware", Yamato Fukuta 등, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42, p3690-3694, 2004)
불화수소와 물의 혼합 용액인 액상 물질(2)이 기화되어 캐리어 가스(3) 및 희석 가스(4)와의 혼합 가스(5)의 상태로 물의 끓는 점인 100℃ 이상의 온도로 가열된다. 이는 상술한 바와 같이 버블러(100)에 설치되는 용기 히터(120), 제1 및 제2이송배관(200,300)에 설치되는 라인 히터(210,310) 및 분사 장치(400)에 설치되는 혼합 가스 히터(420)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
기판의 표면에 분사되는 혼합 가스(5)의 유량 및 조성비는 캐리어 가스(3)와 희석 가스(4)의 주입량, 액상 물질(2)의 물질(A)과 용매(B)간 혼합비 및 혼합 가스(5)의 온도에 따라 제어된다. 액상 물질(2)의 혼합비와 혼합 가스(5)의 온도제어를 통해 혼합 가스(5) 상의 물질(A)과 용매(B)의 조성비를 조절할 수 있다. 상기 조성비를 도출할 수 있는 불화수소 및 물의 부분압 그래프가 도 5a 및 5b에 도시되어 있다.
상술한 바와 같이 물의 끓는 점 이상으로 온도가 유지되고, 불화수소와 수증기의 조성비가 제어된 상태로 분사 장치(400)의 배기구(410)를 통해 피가공물인 기판(1)의 표면으로 분사된다. 이때 불화수소와 물의 끓는 점 사이 소정의 값으로 스테이지(500)의 온도가 제어되고, 이를 통해 기판(1)의 표면 온도가 조절된다. 이로써 도 5b에 따른 물의 부분압 곡선에 의거하여, 일정 양의 물이 분사 장치(400)에 공급되고, 기판(1)의 표면 온도에 따라 포화 수증기량을 초과하는 물이 기판(1)의 표면에 응축되면, 응축된 액상의 물에 기상 상태로 존재하는 불화수소가 일부 용해된다.
상술한 바와 같이 불화수소는 용액 상태와 기상 상태에서의 식각 속도가 상이한 성질을 갖고 있어, 기판(1)의 표면에 응축된 물에 용해된 불화수소가 기상 상태의 불화수소보다 더 빠르게 기판(1)의 표면을 식각하게 된다. 이로써 물이 기판(1)의 표면에 응축된 양상을 조절하고, 이러한 양상에 따라 기판에 나노/마이크로 패턴을 형성할 수 있게 된다.
이하, 용매(물)의 응축에 의한 나노/마이크로 패턴의 형성 원리에 대하여 자세히 설명한다. 이에 대한 개략적인 모식도가 도 6 내지 도 7a 및 7b에 도시되어 있다.
표면을 가공하지 않은 기판(1)의 표면을 나노 스케일로 관찰하게 되면, 일정한 거칠기를 갖는 무수한 요철이 존재하는 표면임을 알 수 있다. 상술한 바와 같이 혼합 가스(5)의 유량과 조성비 및 혼합 가스(5)의 온도와 기판(1)의 온도 차이 등을 조절하여 기판(1)의 표면에 응축되는 용매의 양과 분포 등을 제어할 수 있다.
도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이 당초 기판(1)의 표면이 가지고 있는 기본적인 요철 구조의 봉우리 부분을 메울 수 없을 정도로 응축되는 물의 양상을 제어한다. 이 후 불화수소의 상에 따른 식각 속도 차이를 갖는 성질을 이용하여 상기 기본적인 요철의 정도를 심화시켜 마이크로 패턴을 형성하고, 상대적으로 느린 기상 상태의 불화수소 건식 식각을 통해 나노 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 상술한 원리를 차용하되, 식각 물질(A)과 용매(B)와의 혼합 용액이 아닌 식각 물질(A) 단일 액상 물질(2)로 본 발명에 따른 마스크리스 식각을 진행할 수 있다. 이 경우, 상기 식각 물질(A)은 액상 상태(liquid phase)와 기상 상태(gas phase)에서의 식각 속도가 상이한 물질을 채택해야 한다. 단일 식각 물질(A)이 대기압 조건 하에서 액상과 기상 상태가 공존하는 온도로 기판(1)의 표면 온도를 제어하고, 혼합 가스(5)의 유량 및 조성비를 조절하여 상술한 바와 같이 기판(1)의 표면에 나노/마이크로 패턴을 식각할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 식각 방법 단독으로만 기판(1)의 표면 패터닝을 진행하는 것보다 광 투과성, 발수성, 방오염성 등의 성능을 더욱 향상시키기 위해서, 기화 단계(S10) 이전에, 기판(1)의 표면을 습식 식각의 방법을 통해 3초 내지 10초 동안 전 처리하는 습식 처리 단계(S1)를 더 포함할 수 있다.
또한, 식각 단계(S30) 이후에, 발수 용액에 침지(dipping)시킨 후 양생(curing) 내지 건조 시키는 발수코팅 단계(S100)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해 식각을 통해 형성된 기판(1) 표면의 나노 구조를 통해 얻게 되는 발수성을 보완하여 보다 완벽한 발수 성능을 확보할 수 있으며, 기판(1)의 표면에 형성된 나노/마이크로 구조로 인해 발수층의 내구성을 향상시킬 수 있어, 상호 보완적인 효과를 얻을 수 있다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따라 표면에 나노/마이크로 구조가 형성된 기판(1)을 Soilnon 용액을 HFE-7200 용매에 체적비 0.02% 농도로 희석한 발수 용액에 10분간 침지시키고, 120℃의 온도에서 20분간 양생/건조시킨 뒤, 초 발수성이 확인된 모습을 나타내는 사진이다. 증류수의 표면 접촉각이 130˚이상인 것을 보아 기판(1)의 표면에 초 발수 성능이 부여되었음을 알 수 있다.
이하 본 발명의 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치 및 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
<본 발명의 식각 장치 및 식각 방법을 통해 기판의 표면에 나노 구조 형성>
버블러(100)의 용기(110)에 체적비 50%의 농도의 HF 수용액을 준비하였다. 상압(1atm)에서 HF는 19.5℃의 끓는 점을, 물은 100℃의 끓는 점을 갖는다. 용기 히터(120)를 통해 가열하여 용기(110)에 담긴 HF 수용액을 80℃의 온도로 제어하였다. 이와 동시에 제1이송배관(200)을 통해 캐리어 가스(3)를 주입하였다. 이렇게 생성된 HF와 물의 혼합 증기 및 캐리어 가스(3)의 혼합 가스가 제2이송배관(300)으로 이송되고, 동시에 제2이송배관(300)의 일 측으로 희석 가스(4)를 주입하였다.
상기 캐리어 가스(3)와 희석 가스(4)는 질소(N2)가스를 사용하였고, 상기 가스들은 제1이송배관(200) 및 제2이송배관(300)에 구비된 라인 히터(210,310)를 통해 130℃로 제어하였다. 한편 분사 장치(400)의 도입부에 구비된 혼합 가스 히터(420) 또한 130℃로 제어하였다.
분사 장치(400)의 캐소드(430)와 애노드(440)에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켰고, 전극 히터(450)를 통해 상기 전극들의 온도를 120℃로 제어하였다.
한편, 피가공물인 기판(1)은 5mm/sec의 속도로 이동시켰으며, 스테이지(500)를 통해 기판의 온도를 30℃로 제어하였고, 상술한 방법으로 5회 반복처리하였다.
도 8a는 캐리어 가스(3)를 40slm, 희석 가스(4)를 160slm의 유량으로 주입하여 상술한 방법으로 기판(1)의 표면을 5회 반복 처리한 후의 기판(1) 표면 SEM 사진이고, 도 8b는 캐리어 가스(3)를 20slm, 희석 가스(4)를 180slm의 유량으로 주입하여 상술한 방법으로 기판(1)의 표면을 5회 반복 처리한 후의 기판(1) 표면 SEM 사진이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이 기판의 표면에 미세 돌기, 더욱 자세하게는 나노 또는 마이크로 스케일의 돌기들이 형성된 것을 볼 수 있었다.
<습식 식각 처리 또는 본 발명에 따른 식각 처리 후의 기판 표면 변화>
도 10a 내지 도 10d 및 도 11은 기판(1)의 표면을 습식 식각 처리하거나, 습식 식각과 본 발명에 따른 식각 장치 및 식각 방법을 통한 식각 처리를 병행한 후에 기판(1)의 표면을 배율을 달리하여 관찰한 SEM사진이다. 본 발명에 따른 식각 처리는 상술한 실시예 1의 방법을 그대로 차용하였다.
먼저 도 10a는 종래의 함침법에 의한 습식 식각 처리만을 3초 동안 수행한 기판(1)의 표면 모습이다. 국부적으로 미세 구조가 형성된 것을 볼 수 있으나, 전체적으로 미세 패턴이 형성되지 않았다.
도 10b는 상술한 습식 식각 처리를 3초 동안 수행한 후 본 발명에 따른 식각 처리를 5회 반복하여 수행한 기판(1)의 표면 모습이다. 캐리어 가스(3)는 20slm, 희석 가스(4)는 50slm의 유량으로 주입하였고 다른 공정 변수는 상술한 실시예 1과 동일하다. 도 10a와 달리 기판(1) 표면에 전체적으로 미세 구조들이 형성되었으며, 마이크로 스케일의 딤플(dimple)구조와 더불어 미세한 나노 스케일의 딤플도 형성된 모습을 볼 수 있다.
도 10c는 상술한 습식 식각 처리를 10초 동안 수행한 기판(1)의 표면 모습이다. 기판의 표면 전체적으로 미세 구조가 형성되었으나, 마이크로 스케일의 돌기만이 형성되는 것을 볼 수 있었다.
도 10d는 상술한 습식 식각 처리를 10초 동안 수행한 후, 본 발명에 따른 식각 처리를 5회 반복하여 수행한 기판(1)의 표면 모습이다. 캐리어 가스(3)는 20slm, 희석 가스(4)는 80slm의 유량으로 주입하였고, 다른 공정 변수는 상술한 실시예 1과 동일하다. 도 10c와 달리 마이크로 돌기 사이의 폭이 넓어지고, 마이크로 돌기와 함께 나노 스케일의 딤플들이 복합적으로 형성된 모습을 볼 수 있었다.
한편, 도 11은 습식 식각 처리 없이 본 발명에 따른 식각 처리를 5회 반복하여 수행한 기판(1)의 표면 모습이다. 캐리어 가스(3)와 희석 가스(4) 모두 40slm의 유량으로 주입하였고 나머지 공정 조건은 상술한 실시예 1과 동일하다. 도면을 참고할 때, 습식 식각 전 처리를 수행하지 않아 마이크로 딤플이나 돌기들이 형성되지는 않으나, 기판(1) 전체에 걸쳐 마이크로 딤플과 나노 돌기가 동시에 형성된 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
A : 식각 장치 1 : 기판
2 : 액상 물질 3 : 캐리어 가스
4 : 희석 가스 5 : 혼합 가스
100 : 버블러 110 : 용기
120 : 용기 히터 200 : 제1이송배관
210 : 라인 히터 300 : 제2이송배관
310 : 라인히터 400 : 분사 장치
410 : 배기구 420 : 혼합 가스 히터
430 : 캐소드 440 : 애노드
450 : 전극 히터 460 : 흡입구
500 : 스테이지
S10 : 기화 단계 S20 : 이송 단계
S30 : 식각 단계

Claims (17)

  1. 기판(1)에 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 패턴을 형성하기 위한 식각 장치(A)에 있어서,
    액상 물질(2)을 기화시키는 버블러(100);
    상기 액상 물질(2)에 캐리어 가스(3)를 주입하는 제1이송배관(200);
    상기 버블러(100)로부터 배출되는 기화된 액상 물질(2) 및 캐리어 가스(3)와, 별도로 주입되는 희석 가스(4)와의 혼합 가스(5)를 분사 장치(400)로 이송하는 제2이송배관(300);
    상기 제2이송배관(300)에 의해 이송된 혼합 가스(5)를 배기구(410)를 통해 피가공물인 기판(1)의 표면에 배기하는 분사 장치(400); 및
    기판(1)을 지지 및 이송하며 기판(1)의 온도를 제어하는 스테이지(500)를 포함하고,
    상기 버블러(100)에는 상기 액상 물질(2)이 담겨지는 용기(110) 및 상기 용기의 온도를 제어하는 용기 히터(120)가 포함되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1이송배관(200) 및 제2이송배관(300)에는,
    상기 캐리어 가스(3) 및 혼합 가스(5)의 온도를 제어하기 위한 라인 히터(210,310)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2이송배관(300)과 분사 장치(400)의 연결부에 혼합 가스의 온도를 제어하기 위한 혼합 가스 히터(420)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분사 장치(400)의 내부에 구비되는 캐소드(430)와, 상기 분사 장치(400)의 몸체를 이루고 있는 애노드(440)에 전압이 인가되어 플라즈마가 발생되고, 애노드(440) 상에 형성되어진 배기구(410)를 통해 상기 플라즈마에 의하여 가속된 혼합 가스(5)가 배기되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분사 장치(400)에는 상기 캐소드(430) 및 어노드(440)의 온도를 제어하기 위한 전극 히터(450)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분사 장치(400)에는 상기 배기구(410)의 양 옆으로 반응하지 않은 상기 혼합 가스(5)와, 반응으로 생성된 반응 가스를 흡입하는 흡입구(460)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치.
  7. 식각을 통해 기판(1)에 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 스케일의 패턴을 형성하는 방법에 있어서,
    기판의 표면을 식각하는 액상 물질(2)에 캐리어 가스(3)를 주입하고 가열하여, 상기 액상 물질(2)을 기화시키는 기화 단계(S10);
    기화된 액상 물질(2)과 캐리어 가스(3)에 희석 가스(4)가 혼합된 혼합 가스(5)를 이송하는 이송 단계(S20); 및
    이송된 혼합 가스(5)를 피가공물인 기판(1)의 표면에 분사하고, 기판(1) 표면의 온도를 조절하여 분사된 혼합 가스(5)의 일부를 응축시켜 기판(1)의 표면을 식각함으로써 나노 또는 마이크로 패턴을 형성하는 식각 단계(S30);
    를 포함하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기화 단계(S10) 및 이송 단계(S20)에서,
    상기 액상 물질(2)이 기판(1)의 표면에 분사되기 전에 응축되는 것을 방지하기 위하여, 캐리어 가스(3)의 주입시 및 혼합 가스(5) 이송시 가스의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기화 단계(S10) 및 이송 단계(S20)에서,
    상기 캐리어 가스(3)와 희석 가스(4)의 주입량을 변화시켜 혼합 가스(5)의 혼합비와 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 액상 물질(2)은 액상 상태(liquid phase)와 기상 상태(gas phase)에서 기판(1) 표면의 식각 속도가 서로 상이한 물질인 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 액상 물질(2)은 용액 상태(solution phase)와 기상 상태(gas phase)에서 기판(1) 표면의 식각 속도가 서로 상이한 물질(A)과 용매(B)의 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 용매(B)는 상기 물질(A)보다 끓는 점이 더 높은 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 물질(A)은 불화수소(HF)이고, 상기 용매(B)는 물(H2O)인 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동에 의한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 식각 단계(S30)에서,
    기화된 불화수소와 물의 혼합 용액인 액상 물질(2), 캐리어 가스(3) 및 희석 가스(4)의 혼합 가스(5)가 물의 끓는 점 이상으로 가열된 상태로 기판(1)의 표면에 분사되고, 상기 기판(1)의 온도가 불화수소와 물의 끓는 점 사이의 온도로 제어되어 기판(1)의 표면에 응축된 물에 불화수소가 용해되고, 기상 상태와 용액 상태에서 불화수소의 식각 속도 차이를 통해 기판(1)의 표면에 마이크로 또는 나노 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마이크로 또는 나노 패턴을, 상기 혼합 가스(5)의 유량 및 조성비와 상기 혼합 가스(5)와 기판(1)의 온도 차이를 제어하여 응축되는 물의 양과 분포를 조절함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 기화 단계(S10) 이전에,
    기판(1)의 표면을 습식 식각의 방법을 통해 3초 내지 10초 동안 전 처리하는 습식 처리 단계(S1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
  17. 제7항에 있어서,
    상기 식각 단계(S30) 이후에,
    발수 용액에 침지(dipping)시킨 후 양생(curing)시키는 발수코팅 단계(S100)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 패턴의 식각 방법.
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