KR101506734B1 - Ito 패터닝 장치 및 패터닝 방법 - Google Patents

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Abstract

ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 ITO 패터닝 방법은, 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 단계와, 라인빔 형태의 레이저빔 및 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 비정질 ITO 레이어를 부분적으로 어닐링함으로써, ITO 패턴으로 형성할 부분을 다결정 ITO로 형성하는 단계와, 화학적인 에칭에 의해서 비정질 ITO 레이어에서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있다.

Description

ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법{DEVICE AND METHOD FOR ITO PATTERNING}
본 발명은 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법에 관한 것이다.
최근 많이 사용되고 있는 스마트 폰 또는 태블릿 PC에는 터치 스크린이 구비되어 있다. 터치 스크린은 사용자가 해당 기기의 디스플레이 상에 표시되는 정보를 보고 디스플레이 상에 부착된 터치 스크린에 대응하는 터치 활성영역을 손가락 또는 펜으로 접촉하여 선택하면, 원하는 정보가 디스플레이에 표시되게 하는 장치이다. 최근에는 스마트 폰이나 태블릿 PC 사용의 증가로 인해서 터치 스크린의 사용도 증가하고 있다.
터치 스크린은 그 구조에 따라서 정전용량 방식 또는 저항막 방식으로 구분된다. 이중에서 정전용량 방식은 투과율 및 내구성이 우수하고 멀티터치(multi-touch)가 가능한 장점을 갖는다.
정전용량 방식의 터치 스크린에는 각 축의 좌표에 해당하는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름층이 구비되어 있으며, 각각의 ITO 필름은 광학접착테이프(OCA)에 의해 부착된다. 또한, ITO 필름에는 ITO 도전막에 투명전극이 형성되며, ITO 필름을 접촉하게 되면 해당되는 전기신호가 배선을 통해 전달되어 원하는 기능을 수행하게 된다. 따라서 이와 같은 기능을 수행할 수 있도록 ITO 도전막에는 원하는 부분을 절연시켜서 주변회로와 배선을 형성하기 위한 ITO 패턴(pattern)이 필요하다.
종래에는 ITO 필름에 패턴을 형성하기 위해서 화학적인 에칭 방법이 주로 이용되었다. 도 1은 ITO 필름에 패턴을 형성하는 종래의 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 화학적 에칭을 사용하는 종래의 ITO 패터닝 방법은, 비정질(amorphous) ITO 레이어(layer)를 형성하고, 포토레지스트(photo resist) 코팅, 소프트 베이킹(soft baking), 노광(exposure), 현상(developing), 하드 베이킹(hard baking), 에칭액으로 에칭, 포토레지스트 제거 및 오븐에서 어닐링(annealing)과 같은 공정을 거쳐야 한다.
이와 같은 화학적인 방법에 의해 ITO 레이어를 패터닝 하는 종래의 방법은, 공정이 복잡하여 시간이 많이 소요되고, 고가의 노광 및 현상 장비 등을 구비해야 하기 때문에 설치 비용이 높으며, 에칭액의 영향으로 패턴 주변이 영향을 받게 되는 문제점을 갖는다.
이와 같은 화학적 에칭의 문제점을 해결하기 위해서, 종래에는 레이저를 이용하여 ITO 레이어를 어닐링하는 방법이 사용되고 있다.
저항막 방식의 경우 외곽 ITO 패턴만 분리(isolation)시켜 주면 회로 형성이 완료 되기 때문에, 통상 에칭 페이스트에 의한 에칭으로 제작하거나 가격이 저렴한 1064nm 레이저를 이용하여 외곽 패턴부를 레이저 에칭하는 방법으로 제작하고 있다. 그러나 정전용량 제품의 경우 내부 회로들의 패턴 형성이 필요하며, 이 부분은 육안으로 관측되기 쉽기 때문에 내부 패턴을 레이저를 이용한 방법으로 패터닝 할 경우 사람 눈에 잘 보이는 특성을 가지고 있다. 특히 시인성 문제가 터치센서 제작의 중요한 이슈 사항으로 부각되어 있는 최근의 상황에서는, 레이저에 의한 시인성 문제와 미세 패턴 형성 문제로 인해 정전용량 제품의 경우 레이저 적용에 많은 어려움이 있는 상태이다.
시인성 문제를 개선하기 위해 ITO 필름 및 글라스 상단에 인덱스 매칭 레이어(Index Matching Layer)를 코팅 또는 증착하여 시인성 문제를 개선하고 있다. 증착하는 물질은 Nb2O5와 SiO2 레이어를 수 ~ 수십 나노미터의 두께로 적층(Low index와 High index를 반복 적층)하여, ITO 필름 및 글라스의 반사율과 유사게 설정하여 패턴된 ITO가 보이지 않도록 광학적 조정을 하여 제작한다.
또한, 일반적인 레이저 패터닝의 경우는 스폿(Spot) 레이저를 이용하여 패터닝 하기 때문에 수십 마이크로 미터의 레이저 스폿을 여러 번 중첩(overlap)하여 패터닝을 진행 하고 있다. 이때, 시인성 문제를 개선하기 위해 증착한 인덱스 매칭 레이어가 손상되어 시인성 불량이 발생 한다.
특히, DPSS 레이저의 경우 한 펄스당 수 ~ 수십 μJ의 높은 에너지로 인해 하부 인덱스 매칭 레이어 및 필름층까지 손상이 많이 발생하게 된다.
이러한 문제의 개선을 위해, 통상적인 나노 펄스 레이저보다 열영향이 적게 나타나는 피코 펄스(Pico Pulse) 레이저를 이용하는 경우에도, 누적된 열영향에 의한 하부 인덱스 매칭 레이어의 손상은 발생한다.
미국 등록 특허 US 6,448,158에서와 같이 글라스 상단에 비정질 ITO를 증착한 후에 엑시머 레이저를 이용하여 패턴 형태의 결정화를 진행하여 다결정 ITO를 형성한다. 비정질 ITO와 다결정 ITO의 경우 에칭액이 다르기 때문에, 비정질 ITO를 식각할 수 있는 에칭액을 이용하여 비정질 ITO를 에칭하면 다결정 ITO 패턴만 형성이 가능하다. 그러나 이러한 패턴 형성을 위한 레이저 결정화 설비의 경우 현재 사용하고 있는 5인치 이상의 패턴을 형성하기 위해서는 포토 마스크(photo mask)의 손상 한계치(damage threshold)를 고려하여 n:1의 프로젝션 광학계를 형성하여야 한다. 248nm 엑시머 레이저에서의 통상적인 포토 마스크의 손상 한계치가 50mJ/㎠이지만 비정질 ITO의 레이저 결정화 에너지의 경우 60 ~ 100mJ/㎠ 이므로, 포토 마스크의 손상 방지를 위해서는 필연적으로 n:1의 프로젝션(projection) 방식을 이용하여야 한다. 아니면 포토 마스크를 사용하지 않고, 세라믹 마스크(ceramic mask)나 메탈 마스크(metal mask)를 사용하여야 하지만, 10㎛급의 패턴 제작을 위해서는 이러한 마스크의 제작이 어렵고 대면적화에도 문제가 많아 실제 사용하기에는 어려운 상황이다.
포토 마스크를 3:1로 제작 할 경우에 5인치 기준으로 한 변의 길이가 381mm로 제작하여야 하며, 스텝 앤드 리피트(step and repeat) 형태로 제작하여야 하므로 샷(shot)간 중첩 부분에 대한 스티치(stitch) 문제와 생산성 저하 문제가 발생한다.
미국 등록특허 US6,448,158
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 공정 시간 및 비용을 줄일 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 레이저빔의 중첩으로 인해 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 ITO 패터닝 방법은, 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 단계와, 라인빔 형태의 레이저빔 및 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 비정질 ITO 레이어를 부분적으로 어닐링함으로써, ITO 패턴으로 형성할 부분을 다결정 ITO로 형성하는 단계와, 화학적인 에칭에 의해서 비정질 ITO 레이어에서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있다.
본 발명에 따른 ITO 패터닝 방법은 다양한 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들면, 비정질 ITO 레이어를 2회 이상 반복하여 어닐링할 수 있다.
비정질 ITO는 증착에 의해서 형성되고, 증착은 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 이루어질 수 있다. 그리고 증착은 산소(O2) 함량이 0.9 SCCM 초과 및 1.7 SCCM 이하인 조건에서 이루어질 수 있다.
마스크에는 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 ITO 패터닝 장치는, 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 ITO 레이어 형성부와, 비정질 ITO 레이어에 라인빔 형태의 레이저빔을 마스크를 이용하여 조사함으로써, ITO 패턴을 형성할 부분을 어닐링 하여 다결정 ITO를 형성하는 레이저 어닐링부와, 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 에칭부를 포함하고, 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있다.
본 발명에 따른 ITO 패터닝 장치는 다양한 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들면, ITO 레이어 형성부는 증착에 의해서 비정질 ITO 레이어를 형성하고, 증착은 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 이루어질 수 있다.
증착은 산소(O2) 함량이 0.9 SCCM 초과 및 1.7 SCCM 이하인 조건에서 이루어질 수 있다.
마스크에는 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명은 공정 시간 및 비용을 줄일 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저빔의 중첩에 의한 하부 레이어의 손상을 방지할 수 있는ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 컬러 필터(color filter) 또는 오버코트(overcoat) 등과 같은 하부층의 손상을 방지할 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 ITO 패턴의 저항값을 줄이고 투과율도 개선할 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 화학적 에칭에 의해 ITO 패턴을 형성하는 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패턴 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 레이저 어닐링부를 예시하는 도면이다.
도 4는 레이저 어닐링에 사용되는 마스크를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치를 예시하는 블록도이다.
도 6은 Eagle XG 글라스의 레이저 파장에 대한 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 레이저 어닐링에 최적화된 ITO 시료 및 일반 상온에서 증착된 ITO 시료에 대한 이차 이온 질량분석을 나타낸 그래프로서, 가로축은 깊이(depth, nm) 세로축은 intens(c/s)를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법을 예시하는 순서도이다. 그리고 도 3은 비정질 ITO 레이어(160)를 부분적으로 어닐링 하는 레이저 어닐링부(100)를 예시하는 도면이고, 도 4는 도 3의 레이저 어닐링부(100)에서 사용되는, 패턴이 형성된 마스크(140)를 예시하는 도면이다. 그리고 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치(200)를 예시하는 블록도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법은, 비정질 ITO(a-ITO) 레이어(160)를 형성하는 단계, 라인빔(line beam) 형태의 레이저빔 및 마스크(mask)를 이용하여 비정질 ITO 레이어(160)를 부분적으로 어닐링 하는 단계, 그리고 에칭액을 이용하여 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치(200)는, 비정질 ITO 레이어(160)를 필름 또는 글라스에 형성하는 ITO 레이어 형성부(210), 비정질 ITO 레이어(160)에 라인빔 형태의 레이저빔을 마스크(140)를 이용하여 조사함으로써, ITO 패턴을 형성할 부분을 어닐링하여 다결정 ITO(162)를 형성하는 레이저 어닐링부(100) 그리고 비정질 ITO(164)를 제거하고 다결정 ITO(162)를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 에칭부(220)를 포함한다.
본 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치 및 방법은 종래의 화학적인 에칭 방법, 즉 포토레지스트 코팅, 노광 및 현상 등과 같은 복잡한 공정을 거치지 않고, 레이저빔에 의한 어닐링 및 에칭액에 의한 비정질 ITO 제거 두 단계를 거치기 때문에, 공정이 간단하고 고가의 노광 및 현상 장비 등을 구비할 필요가 없게 되어 비용을 절감할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법은 레이저 스캐너 및 스폿(spot) 형상의 레이저빔을 이용하는 것이 아니라, 라인빔을 이용하여 1:1 방식의 레이저 다이렉트 어닐링(laser direct annealing)을 이용하기 때문에, 종래의 레이저 어닐링 방식에 비해 공정 속도가 빠르고 레이저빔의 중첩으로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
ITO 레이어 형성부(210)는 PET(Polyethylene Terephthalate) 등과 같은 필름(film) 또는 글라스(glass) 상에 비정질 ITO(Indium Tin Oxide)를 적층하여 비정질 ITO 레이어(160)를 형성한다. 비정질 ITO는 다결정 ITO에 비해 저온(예를 들면, 약 25℃)에서 적층이 용이하다.
비정질 ITO 레이어(160)를 형성하는 방법은, 스프레이(spray), 화학증착(chemical evaporation), 디핑(dipping) 등과 같은 화학적 방법 또는 진공증착(vacuum evaporation) 및 스퍼터링(sputtering) 등과 같은 물리적 방법 등이 있다. 일반적으로, 스퍼터링 방법이 저항값을 줄이고 두께가 균일한 ITO 레이어를 형성할 수 있다.
비정질 ITO 레이어(160)는 추후 진행되는 레이저에 의한 결정화에 적합하도록 형성될 수 있다. 스퍼터링(sputtering) 방법의 경우 저항값과 연관된 파라미터(parameter)에 해당하는 증착 분위기 특히 물(H2O) 및 산소(O2)의 함량에 따라서 증착되는 비정질 ITO의 레이저에 대한 결정화 정도 및 투과율이 변화된다. 따라서 비정질 ITO 레이어(160)를 증착하는 과정에서 물 및 산소의 함량을 제어함으로써, 비정질 ITO의 레이저에 대한 결정화 정도 및 투과율을 변화시킬 수 있고 이를 통해서 추후 레이저에 의한 결정화를 더욱 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 결정화 후의 투과율도 높일 수 있게 된다.
화학적인 에칭에 의해서 비정질 ITO를 결정화 하는 종래의 공정에서는, 비정질 ITO 레이어를 증착하는 과정에서 물을 사용함으로써 증착시 발생하는 열의 영향으로 순수 비정질 ITO에서 일부 다결정 ITO가 형성되는 것을 방지하여 균일한 에칭을 가능하게 하였다. 그러나 레이저를 이용하여 ITO를 결정화하는 경우에는 물의 함량이 증가하면 결정화가 잘 이루어지지 않는다. 따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO 레이어를 형성하는 방법 및 ITO 레이어 형성부(210)는 일반적인 증착장비에서 사용하는 조건에 비해서 현저히 작은 물 함량을 이용하는 것을 특징으로 한다.
아래 표1을 참조하면, 물의 함량이 6 SCCM인 비교예의 경우에는 ITO 증착 완료 후의 투과율(transmittance)이 83.62%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 88.14%로서 4.52% 증가함을 알 수 있다. 이에 대해, 물의 함량이 0 초과 및 6 SCCM 미만인 실험예1의 경우에는 ITO 증착 완료 후의 투과율이 84.6%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 89.3%로서 4.7% 증가함을 알 수 있다. 이에 반해, 물의 함량이 6 SCCM 이상 및 10 SCCM 미만인 실험예2의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 84.5%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 83,7%로 0.8% 감소함을 알 수 있다.
또한, 도 7과 같이 레이저 어닐링에 최적화된 ITO 시료(좌측)와 일반 증착 시료(우측)의 경우 증착 시 물의 함량에 따라서 레이저 어닐링 이후 시료에 잔존하는 H의 함량에 차이가 발생하여 결정화 정도에 따른 저저항 구현과 투과율에 많은 영향을 준다. 일반 상온 ITO 증착 시료의 경우(도 7에서 우측)에는 어닐링 이후에 시료에 H의 함량이 상대적으로 높기 때문에 투과율이 낮고 저항이 높은 문제점을 갖는다.
스퍼터링 증착조건 투과율
ITO 증착 후 레이저 결정화 완료 후 변화량
비교예
(물 함량 6 SCCM)		 83.62% 88.14% +4.52%
실험예1
(0<물 함량<6 SCCM)		 84.6% 89.3% +4.7%
실험예2
(6≤물 함량<10 SCCM)		 84.5% 83.7% -0.8%
따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO 레이어를 증착하는 과정에서는, 물의 함량을 6 SCCM 미만으로 유지함으로써, ITO 레이어에 대한 결정화를 더욱 용이하게 하고 투과율도 높일 수 있다.
그리고 비정질 ITO를 증착할 때 챔버(chamber)에 산소 가스 공급량을 감소시킬 경우, 증착된 비정질 ITO 레이어(160)의 투과율이 감소하여 레이저에 의한 결정화 이후에도 기준치에 미달하는 문제점이 있다. 따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO를 증착하는 과정은 챔버 내부의 산소량을 일반적인 증착 공정에 비해 증가시켜서 증착할 수 있는데, 이로 인해 레이저 결정화 이후의 ITO 투과율이 기준치에 비해 증가하여서 90% 이상의 투과율을 확보할 수 있다.
아래 표2를 참조하면, 산소의 함량이 0.9 SCCM인 비교예의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 83.62%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 88.14%로서 4.52% 증가함을 알 수 있다. 이에 대해, 산소의 함량이 비교예에 비해서 감소하여 1.0 초과 및 1.5 SCCM 미만인 실험예1의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 68.1%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 76.2%로서 8.1% 증가함을 알 수 있다. 그리고 산소의 함량이 1.5 초과 3.0 SCCM 이하인 실험예2의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 86.3%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 91.4%로 5.1% 증가함을 알 수 있다.
스퍼터링 증착조건 투과율
ITO 증착 후 레이저 결정화 완료 후 변화량
비교예
(산소 함량 0.9 SCCM)		 83.62% 88.14% +4.52%
실험예1
(1.0<산소 함량<1.5 SCCM)		 68.1% 76.2% +8.1%
실험예2
(1.5<산소 함량≤3.0 SCCM)		 86.3% 91.4% +5.1%
따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO 레이어를 증착하는 과정에서는, 산소의 함량을 1.0 초과 3.0 SCCM 이하로 유지함으로써, 레이저 결정화 이후 ITO 레이어의 투과율을 높일 수 있다.
도 3에 예시된 레이저 어닐링부(100)는, 비정질 ITO 레이어(160)에서 ITO 패턴을 형성하고자 하는 부분을 레이저를 이용하여 어닐링한다. 레이저 어닐링부(100)에 의해서 어닐링된 비정질 ITO는 다결정 ITO로 형성되어 추후 에칭액에 의해 식각되지 않고 잔존하여서 ITO 패턴이 된다. 그리고 레이저 어닐링부(100)에 의해서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO는 추후 에칭액에 의해서 식각되어 제거된다.
이와 같이, 레이저 어닐링부(100)는 ITO 패턴으로 형성할 부분을 미리 어닐링하여 다결정 ITO로 형성하는 역할을 한다. 따라서 레이저 어닐링부(100)는 ITO 패턴으로 형성할 부분을 어닐링함으로써, 어닐링 되지 않은 부분 즉 ITO 패턴 이외의 부분을 에칭액(여기서 사용되는 에칭액은 비정질 ITO를 식각할 수 있지만 다결정 ITO를 식각할 수 없음. 다결정 ITO는 에칭 레이트(etching rate)가 달라서 미량의 일부만 에칭됨)을 이용하여 용이하게 식각할 수 있도록 한다.
레이저 어닐링부(100)는, 레이저광원(110), 어테뉴에이터(120), 빔 콜리메이션 유닛(텔레스코프), 빔호모지나이저 및 쉐이핑 유닛(beam homogenizing and shaping unit)(130), ITO 패턴이 1:1로 형성되어 있는 마스크(140), 프로젝션 렌즈(150)를 포함한다.
도 3에 예시된 레이저 어닐링부(100)는 스폿 빔(spot beam)을 이용하는 것이 아니라 라인빔(line beam)을 이용하여 1:1 사이즈로 직접 어닐링하는 것을 특징으로 한다. 즉, 마스크(140)에 형성되어 있는 패턴(도시하지 않음)의 크기는, 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴의 크기와 동일하다. 이와 같이, 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1 사이즈의 패턴을 갖는 마스크(140) 그리고 라인빔을 이용함으로써, 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100)는 라인빔이 마스크(140)를 한 번 스캔(scan)하여 대면적에 대한 어닐링을 수행할 수 있기 때문에, 종래의 스폿 빔을 이용하는 경우에 비해서 공정 시간을 대폭 줄일 수 있고 레이저빔의 중첩으로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
레이저광원(110)은, 파장이 355nm, 532nm 또는 1064nm와 같은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저를 이용하거나 또는 파장이157nm, 193nm, 248nm, 308nm와 같은 엑시머(excimer) 레이저를 사용할 수 있다. 이 중에서 엑시머 레이저는 ITO 레이어에서 90% 이상의 빔 흡수율을 나타내기 때문에, 상부의 ITO 레이어만 선택적으로 어닐링할 수 있고 그 하부층(예를 들면, 인덱스 매칭 레이어(index matching layer), 칼라 필터 및 오버코트 등)을 거의 손상시키지 않는다.
엑시머 레이저 중에서 파장이 308nm인 레이저의 경우 투과율이 높아서 하부층에 해당하는 컬러 필터(color filter), 오버코트(overcoat) 및 인덱스 매칭 레이어 등에 레이저 에너지가 도달하여 손상시킬 수도 있다. 따라서 코닝(Corning)사의 Eagle XG 글라스 또는 소다라임(Sodalime) 글라스를 이용하는 경우 등에 있어서는, 레이저가 하부층에는 흡수되지 않도록 파장이 248nm(KrF) 또는 193nm(ArF) 레이저를 사용할 수 있다.
도 6은 Eagle XG 글라스를 사용한 경우 레이저 파장(x축)에 대한 투과율(y축)을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일반적으로 TFT LCD 용으로 가장 많이 사용되고 있는 Eagle XG 글라스의 경우, 파장이 308nm 이상에서는 70% 이상의 투과율이 발생하여 하부의 컬러 필터 및 오버코트 등을 손상시킬 수 있다. 그러나 파장이 250nm에서는 5% 미만의 투과율이 나타내기 때문에 하부층의 손상을 방지할 수 있게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100)는 파장이 250nm 이하의 엑시머 레이저를 사용할 수 있다.
파장이 250nm 이하, 예를 들면 파장이 248nm인 엑시머 레이저를 사용하는 경우 레이저의 에너지량(energy density)과 비정질 ITO 레이어(160)의 결정화 정도는 아래 표3과 같이 나타난다.
248nm 파장의 레이저를 이용한 경우 에너지량과 다결정 ITO 레이어의 결정화 정도
에너지량 (mJ/㎠) 다결정 ITO 면저항 (Ω/㎠) 에지 선예도 (㎛)
50 55.4 ±1.9㎛
60 28.2 ±1.27㎛
65 23.8 ±0.96㎛
70 18.1 ±0.78㎛
75 17.9 ±0.67㎛
80 18.1 ±0.59㎛
85 20.5 ±0.57㎛
90 22.3 ±0.52㎛
95 25.9 ±0.48㎛
100 28.6 ±0.47㎛
105 350 ±0.39㎛
상기 표3에서 알 수 있는 바와 같이, 레이저 에너지량이 100mJ/㎠를 초과하는 경우에는 비정질 ITO 레이어의 결정화 정도가 심해서 마이크로 크랙(micro crack)이 발생하게 되는데, 이로 인해 다결정 ITO의 저항값이 증가하게 된다. 또한, 레이저 에너지량이 60 mJ/㎠ 미만의 경우에는 결정화 정도가 약해서 ITO 결정화가 약하게 이루어지는데, 이로 인해 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100) 및 어닐링 단계는, 파장이 248nm이고 에너지량이 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하인 엑시머 레이저를 이용할 수 있다.
그리고 파장이 248nm인 레이저를 사용하여 비정질 ITO 레이어(160)를 결정화할 때 중요한 파라미터는 저저항 구현, 투과율 증가, 미세 선간/선폭 형성(resolution), 라인 형성시의 선예도(sharpness), 다결정 ITO와 비정질 ITO를 습식 에칭(wet etching) 할 경우 선택비(selectivity), 습식 에칭시의 테이퍼(taper), 생산 속도, 레이저빔의 균일성, 레이저빔 오버랩(overlap) 영역의 패턴 구현성, ITO 타겟 물지의 구성비 등이 있다. 이 중에서 에지 선예도(edge sharpness)는, 마스크(140)를 투과한 레이저빔이 비정질 ITO 레이어(160)에 조사되면서 결정화가 이루어지고 습식 에칭 후에 형성된 ITO 패턴의 가장자리(edge) 부분의 직진성을 나타내는 요소이다. 이와 같은 에지 선예도 값이 크게 나타날 경우 불량으로 판단되지만, 레이저 에너지량이 100mJ/㎠과 같이 클 경우에는 상기 표3에서 알 수 있는 바와 같이 에지 선예도가 개선됨을 알 수 있다. 예를 들어 파장이 245nm이고 에너지량이 60mJ/㎠인 경우 12회 반복하여 어닐링한 경우 에지 선예도가 ±1.27㎛이지만, 동일한 파장에서 에너지량이 100mJ/㎠인 경우 8회 반복하여 어닐링한 경우 에지 선예도가 ±0.47㎛로 나타났다. 참고로, 에지 선예도가 ±1㎛ 이상일 경우 표시 소자로서 사용하기에는 부적절하다.
어테뉴에이터(attenuator)(120)는 레이저광원(110)에서 출력된 레이저빔의 에너지를 원하는 값으로 조절한다. 어테뉴에이터(120)에 의해 레이저빔의 에너지는 레이저 출력의 10~90% 사이에서 조절될 수 있다.
빔호모지나이저 및 쉐이핑 유닛(130)은 빔의 균일도를 향상하고 라인빔 형상을 갖도록 한다. 빔호모지나이저는, 에너지 분포를 가우시안(Gaussian) 형태에서 플랫탑(flat top) 형태로 변환한다. 그리고 쉐이핑 유닛은 스폿 형상의 레이저빔을 라인빔 형상으로 변경한다.
라인빔은 그 폭에 비해 길이가 긴 형태의 레이저빔에 해당한다. 라인빔의 형태는 예를 들여, 길이가 60mm이고 폭이 1mm에 해당할 수 있다. 라인빔은 마스크(140)의 상부에서 스캐닝(scanning)에 의해 이동함으로써, 비정질 ITO 레이어(160)에 대한 어닐링을 실시한다. 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100)는 라인빔을 이용하기 때문에, 대면적의 ITO 레이어를 신속하게 어닐링할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저빔이 중첩되는 오버랩(overlap) 구간을 최소화 또는 제거하여 비정질 ITO 레이어(160)의 하부층이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
일반 TFT 글라스 패턴을 형성하는 스캐너(scanner) 노광 장비의 경우, 노광용 마스크와 기판 패턴간의 광학계가 1:1 구조로 제작되고 있지만, 이때 사용하는 에너지량은 30mJ/㎠ 이하 정도이기 때문에, 통상적인 포토 마스크를 사용할 수 있다.
포토 마스크를 사용하는 경우의 문제점을 개선 하기 위해, 1:1 패터닝이 가능한 유전체 레이어(dielectric layer) 구조의 마스크를 이용하여 KrF 레이저 어닐링에서 필요한 100mJ/㎠에서 손상을 받지 않는 형태로 마스크 사용이 가능하다. 특히 이러한 마스크의 사용으로 레이저 빔을 라인빔 형태로 제작하면 고 생산성의 패턴 형성이 가능하다. 라인빔을 최대 100mm x 1mm까지 제작할 경우, 10인치 패널을 12초 만에 레이저 결정화 시켜 패터닝 할 수 있다.
이러한 방법의 경우 US 6,448,158 특허에서 제안한 레어저 결정화에서 해결하지 못한 부분인 고생산성의 다결정 ITO 형성 방법을 개선할 수 있게 된다.
그리고 이러한 방법으로 생산할 수 있는 터치패널은, 필름 베이스(film base)의 GFF, GF1, GF2 제품뿐만 아니라 G2, G1, GG2, On Cell 제품 등에 적용 될 수 있다. 특히 공정 특성상 ITO 증착시 열을 가하여 다결정 ITO를 제작할 수 없는 제품의 경우에도 적용될 수 있다. 아래 도 4를 통해 설명하는 마스크(140)는 이와 같은 유전체 레이어 구조의 마스크로서, KrF 레이저 어닐링에서 필요한 100mJ/㎠ 에너지량에서 손상을 받지 않고 라인빔 형태의 레이저빔을 이용하여 어닐링을 실시할 수 있다.
도 4를 참조하면, 마스크(140)에는 형성하고자 하는 ITO 패턴과 동일한 형상 및 크기의 투과부(145)가 형성되어 있다. 즉, 마스크(140)에 형성된 투과부(145)는 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1의 크기를 갖는다. 마스크(140)에 형성된 투과부(145)를 통해서 레이저빔이 투과하여 비정질 ITO 레이어(160)를 부분적으로 어닐링한다. 그리고 마스크(140)의 반사부(146)에서는 레이저빔이 반사된다.
마스크(140)는 베이스기판(142)에 형성된 매립홈(144)에 제1반사막(148) 및 제2반사막(152)을 교대로 수 내지 수십층 적층하여 형성된 반사부(146)를 포함한다. 그리고 반사부(146)가 형성되지 않은 베이스기판(142)의 나머지 부분은 빛이 투과하는 투과부(145)에 해당한다.
베이스기판(142)은 레이저빔을 투과시키는 재질에 의해 형성된다. 베이스기판(142)으로는 유리기판, 용융 실리카(fused silica) 기판, 석영(Quartz) 기판, 합성 석영(Synthetic Quartz) 기판 또는 CaF2 기판 등이 사용될 수 있다. 또한, 베이스기판(142)의 저면, 즉 레이저빔이 입사되는 면에는 반사방지막(Anti-Refection Coating; ARC)(도시하지 않음)이 추가로 형성될 수 있으며, 이를 통해 베이스기판(142)의 투과부(145)에서 레이저빔의 투과율을 향상시킴으로써 어닐링 효율을 높일 수 있다.
베이스기판(142)에서, ITO 패턴을 형성하고자 하는 이외의 부분에는 매립홈(144)이 형성되고, 매립홈(144)에는 레이저빔을 반사시키는 반사부(146)가 형성된다. 매립홈(144)은 일정한 깊이를 가진 홈으로서, 포토레지스트 패터닝 공정이나 레이저를 이용한 패터닝 공정을 통해서 형성될 수 있다.
베이스기판(142)에 형성되는 매립홈(144)에는 레이저빔을 반사하는 반사부(146)가 형성된다. 반사부(146)는 상이한 반사율을 갖는 제1반사막(148) 및 제2반사막(152)을 교대로 수 내지 수십층 적층함으로써 형성된다. 제1반사막(148) 및 제2반사막(152)의 적층에 의해서 매립홈(144)이 완전히 매립된다.
제1반사막(148)은 굴절율이 상대적으로 낮은 SiO2막 또는 MgF2막이 사용될 수 있으며, 제2반사막(152)은 제1반사막(148)에 비해 굴절율이 높은 TiO2막, Al2O3막, Ta2O5막, Cerium fluoride막, Zinc sulfide막, AlF3막, Halfnium oxide막 또는 Zirconium oxide막 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 반사부(146)는 HfO2막/SiO2막, Ta2O5막/SiO2막 등의 적층 구조를 반복적으로 수 내지 수십층 적층함으로써 형성될 수 있으며, HfO2막/SiO2막의 경우에는 5J/cm2~8J/cm2, Ta2O5막/SiO2막의 경우에는 10 J/cm2 정도의 에너지를 갖는 레이저빔에 견딜 수 있도록 형성될 수 있다.
제1반사막(148) 및 제2반사막(152)은 각각 기상증착(evaporative deposition), 이온보조증착(ion beam assisted deposition), 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 이온증착(ion beam deposition), 분자선 결정성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 스퍼터 증착(sputter deposition) 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
마스크(140)의 투과부(145)는 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴의 형상 및 크기와 동일하다. 따라서 투과부(145)를 투과한 라인빔 형태의 레이저빔은 비정질 ITO 레이어(160)에 조사되어서 어닐링에 의해서 비정질 ITO를 다결정 ITO로 변환시킨다. 라인빔에 의해 어닐링되어 형성된 다결정 ITO는 추후 에칭액에 의해 식각되지 않고 잔존하여서 ITO 패턴으로 된다.
마스크(140)의 반사부(146)는 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴 이외의 부분에 대응한다. 따라서 레이저빔은 반사부(146)에 의해 반사되기 때문에, 반사부(146)에 대응하는 비정질 ITO 레이어(160) 부분에는 레이저빔이 도달하지 않게 된다. 레이저빔에 의해 어닐링되지 않은 비정질 ITO 레이어(160)의 일부분은 추후 에칭액에 의해 식각된다.
프로젝션 렌즈(150)는 마스크(140)를 통과한 라인빔(152)이 마스크(140)와 동일한 크기 및 형상으로 비정질 ITO 레이어(160)에 입사하도록 한다.
레이저 어닐링부(100)에 의해 어닐링된 비정질 ITO 레이어(160) 부분에는 다결정 ITO(162)가 형성되어 있다. 그리고 레이저 어닐링부(100)에 의해 어닐링되지 않은 비정질 ITO(160) 부분에는 비정질 ITO(164)가 그대로 남게 된다.
에칭부(220)는, 이와 같이 부분적으로 어닐링된 비정질 ITO 레이어(160)에서 에칭액을 이용하여 비정질 ITO(164)를 제거한다. 에칭액은 옥살산(oxalic acid) 또는 초산 등이 사용될 수 있으며, 어닐링된 다결정 ITO(162)는 식각하지 않고 어닐링되지 않은 비정질 ITO(164)만을 식각한다. 이로 인해, 에칭액에 의해 식각되지 않은 다결정 ITO(162)에 의해서 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된다.
화학적인 에칭에 의해서 어닐링되지 않은 비정질 ITO(164)를 제거한 후 크리닝(cleaning) 공정에 의해서 잔존하는 에칭액 등을 제거할 수 있다.
상기와 같은 유전체 마스크(140)를 이용한 레이저 어닐링의 경우, 1회 조사(one shot)에 의한 어닐링, 예를 들면 150mJ/㎠의 에너지를 이용하여 결정화 할 때, ITO 레이어의 결정화가 일부 이루어지기는 하지만, 강한 에너지에 의해서 ITO 레이어의 일부가 제거(ablation)되거나 결정화 되어도 미세한 마이크로 크랙(micro crack)이 발생한다. 그리고 이로 인해, 저항값이 상승하거나 단선되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법은, 상대적으로 약한 에너지(예를 들면, 60mJ/㎠)를 이용하여 2회 이상 ITO 레이어를 결정화한다.
예를 들면, 레이저빔의 에너지량이 80mJ/㎠로 6회 이상 반복하여 어닐링을 수행할 수 있다. 특히, 라인빔 광학계가 구성되어 있으므로 스테이지(170)의 이동 속도를 제어하여 표면당 레이저 조사 회수를 조정할 수 있다. 라인 빔 두께가 1mm 이고 레이저 펄스의 진동수(frequency)가 100Hz일 때, 100mm/s의 이동 속도이면 1회 어닐링 되지만 20mm/s일 경우에는 5회 반복하여 어닐링 된다.
마스크(140)는 유전체 마스크뿐만 아니라, 고반사 메탈 박막 마스크(high refractive metal thin film mask), 디퓨징 마스크(diffusing mask), 포토 마스크(photo mask), 세라믹 마스크(ceramic mask) 또는 메탈 마스크(metal mask) 중 어느 하나일 수 있다.
메탈 마스크를 이용 하는 경우에는 인바(invar) 등의 열변형이 적은 소재를 이용하게 되며, 습식 에칭(wet etching) 등의 방법으로 에칭을 할 경우 등방성의 문제로 인해 미세 패턴을 형성하는게 어려운 상황이다. 또한, 대면적화의 경우 인바의 자연 처짐이 발생하기 때문에, 인바의 두께를 증가시켜 제작 하여야 하지만 두께가 증가 할수록 미세 패턴 형성은 더욱 곤란하게 된다.
디퓨징 마스크의 경우에는 석영 플레이트에 희생막을 포함한 리소그라피 패턴을 형성 후 드라이 에칭(dry etching)을 진행하거나 마스킹을 한 후 샌드 블라스트 처리를 통해 디퓨징(diffusing) 패턴을 형성할 수 있다. 하지만 일반적인 샌드 블라스트 처리의 경우 미세 패턴을 형성할 수 없으므로, 마이크로 블라스트 처리를 하여야 하지만 이 또한 20㎛ 수준에서 패턴 형성이 가능한 상황이다. 드라이 에칭의 경우도 대면적으로 생산 하기에서 반도체 드라이 에칭 장비를 이용하기 때문에 300mm x 300mm 정도 에칭할 수 있는 수준이다.
일반적인 포토 마스크의 경우에는 크롬과 산화 크롬 층을 형성하여 패턴을 형성 하지만, 248nm 기준 엑시머 레이저의 공정 범위 내에서는 크롬 층의 어블레이션이 발생 한다. 따라서 알루미늄(Al) 등의 고반사(high refractive)층을 증착하여 공정 범위 보다 약간 높은 에너지에서도 사용 할 수 있는 마스크를 제작 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 레이저 어닐링부 110: 레이저광원
120: 어테뉴에이터 130: 빔호모지나이저 및 쉐이핑유닛
140: 마스크 150: 프로젝션 렌즈
160: 비정질 ITO 레이어

Claims (9)

  1. 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 단계;
    라인빔 형태의 레이저빔 및 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 비정질 ITO 레이어를 부분적으로 어닐링함으로써, 상기 ITO 패턴으로 형성할 부분을 다결정 ITO로 형성하는 단계;
    화학적인 에칭에 의해서 상기 비정질 ITO 레이어에서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 상기 다결정 ITO를 잔존시켜서 상기 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있으며,
    상기 비정질 ITO 레이어는, 산소(O2) 함량이 1.5 SCCM 초과 및 3.0 SCCM 이하이고, 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 증착되는 ITO 패터닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 ITO 레이어를 2회 이상 반복하여 어닐링하는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스크에는 상기 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 방법.
  6. 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 ITO 레이어 형성부;
    상기 비정질 ITO 레이어에 라인빔 형태의 레이저빔을 마스크를 이용하여 조사함으로써, ITO 패턴을 형성할 부분을 어닐링 하여 다결정 ITO를 형성하는 레이저 어닐링부; 및
    비정질 ITO를 제거하고 상기 다결정 ITO를 잔존시켜서 상기 ITO 패턴을 형성하는 에칭부를 포함하고,
    상기 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있으며,
    상기 비정질 ITO 레이어는, 산소(O2) 함량이 1.5 SCCM 초과 및 3.0 SCCM 이하이고, 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 증착되는 ITO 패터닝 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마스크에는 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 장치.
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