KR101729816B1

KR101729816B1 - 노광 장치

Info

Publication number: KR101729816B1
Application number: KR1020140099307A
Authority: KR
Inventors: 박정호; 신부건; 김재진; 이종병
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2017-04-24
Also published as: TW201520696A; JP2016513293A; CN104937697A; TWI554842B; JP6150909B2; KR20150016476A; CN104937697B; WO2015016686A1; US20150309417A1

Abstract

본 출원은 포토 마스크, 노광 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 출원의 포토 마스크, 노광 장치 및 방법에 의하면 서브 마이크로 미터 크기의 미세 패턴을 원통형 금형에 용이하게 형성할 수 있으며, 상기 패턴이 형성된 원통형 금형을 롤-투-롤 공정 등의 자동화 공정에 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 본 출원에서는 가요성 소재로 형성된 마스크를 사용하여, 상기 미세 패턴을 다양한 크기의 대면적으로 형성할 수 있으며, 원통형 금형의 곡면에 서로 다른 형상의 패턴을 분할 또는 독립하여 형성시킬 수 있어, 공정의 자유도가 우수한 효과가 있다.

Description

노광 장치{Exposure Apparatus}

본 출원은 노광 장치, 이를 이용한 노광 방법 및 이를 이용한 금형의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 또는 기능성 소자 등의 제조 시 패턴을 형성하기 위한 방법으로, 포토 리소그래피(Photo lithography) 등이 사용된다.

상기 포토 리소그래피는 기판에 포토 마스크의 형상을 전사시켜 대량으로 마이크로미터 혹은 나노미터 크기의 미세한 형상을 제작하는 방법이다. 예를 들어, 레지스트(Resist)가 도포된 기판 위에 일정한 형상이나 패턴이 형성된 포토마스크를 배치하고, 광을 조사하고, 이 경우, 포토마스크에 존재하는 형상이나 패턴에 따라 상기 조사된 광이 선택적으로 투과하거나 차단되어 기판에 도포된 레지스트를 선택적으로 경화시키고, 식각 공정 후에 상기 레지스트를 제거하여 기판 상에 일정한 형상이나 패턴을 형성시킬 수 있다.

본 출원은 서브 마이크로 미터 크기의 미세 패턴을 피조사체 금형에 용이하게 형성할 수 있는 노광 장치 및 이를 이용한 노광 방법을 제공한다.

이하에서 첨부하는 도면을 참조하여 본 출원의 노광 장치를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 상기 도면에 의하여 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.

본 출원은 노광 장치에 관한 것이다. 본 출원의 하나의 구현예는 피조사체의 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 노광 장치 및 이를 이용한 노광 방법을 제공한다.

예시적인 노광 장치는, 도 1에서 도시된 바와 같이, 광원(10); 상기 광원(10)에서 조사된 광의 진행 경로에 위치되어 있는 포토마스크(30); 및 상기 포토마스크(30)를 경유한 광이 진행하는 경로에 위치하는 거치대(40)를 포함할 수 있다. 상기 포토마스크(30)는 상기 광원(10)과는 반대측 표면에 형성된 하나 이상의 돌기부(bump, 311)를 가질 수 있으며, 굴절률이 1.2 내지 2.5, 1.3 내지 2.4 또는 1.4 내지 2.3의 범위 내일 수 있다. 구체적으로, 상기 포토마스크는(30)는 돌기부(311) 및 홈부(310)를 포함하는 요철 표면(31)을 가질 수 있다. 또한, 상기 거치대(40)는 피조사체의 표면이 곡면이 되도록 상기 피조사체를 거치할 수 있도록 형성되어 있을 수 있다. 상기 노광 장치는, 요철 표면(31)이 형성된 포토 마스크를 사용하여 서브 마이크로미터 크기의 미세 패턴을 피조사체에 형성할 수 있다. 상기 노광 장치를 통하여, 자동화 공정에 용이하게 적용하여, 피조사체에 수백 나노 미터 내지 수백 마이크로미터 크기의 다양한 패턴을 형성함으로써, 공정의 편의를 도모할 수 있다.

또한, 상기 광원(10)과 돌기부(311)는 하기 수식 1을 만족하도록 형성되어 있을 수 있다.

[수식 1]

△Φ = 2π(n₂ - n₁) × d/λ

수식 1에서 △Φ는 광원에서 조사되어 포토마스크의 돌기부를 통과한 광과 돌기부가 형성되지 않은 포토마스크의 홈부를 통과한 광간의 위상차이고, n₂는 포토마스크의 돌기부의 굴절률이고, n₁은 포토마스크의 돌기부가 형성되지 않은 홈부에 충전되어 있는 매질의 굴절률이고, d는 돌기부의 높이이며, λ는 광원에서 조사되는 광의 파장이다. 상기에서 λ는 상기 포토마스크(30)로 전술한 바와 같이 조사되는 광의 파장으로서, 일반적인 고압 수은 아크 램프의 G-(436nm), H-(405nm), I-line(365nm) 영역에서 광의 파장일 수 있고, 또한, 보다 높은 해상도를 위하여 KrF (248nm), ArF (193nm), F2 (157nm) 엑시머 레이저를 이용한 광의 파장 영역일 수 있다. 상기 광원에 따른 돌기부(311)의 높이 d는 π의 정수배에 해당하도록 두께를 제어함으로써, 위상차를 조절할 수 있다. 이론상, △Φ 위상차가 수식 1만 만족하면, 돌기부(311)의 높이는 얼마가 되어도 관계없으나, 실제 공정을 고려할 때, 예를 들면, 0.2 내지 10 ㎛일 수 있다.

하나의 예시에서, 도 2는 요철 표면(31)에서 발생하는 광의 간섭 현상을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2와 같이, 요철 표면(31)의 돌출된 부분, 즉 돌기부(311)와 패턴의 함몰된 부분, 즉 홈부(310)의 경계면에서 돌기부(311)의 매질과 홈부(310)에 충전되어 있는 매질의 굴절률 차이에 의하여 입사된 광의 위상차가 발생하게 되며, 이 경우 본 출원에 따른 노광 장치의 포토마스크(30)는 상기 수식 1의 조건을 만족할 수 있다. 상기 매질은 공기일 수 있으며, 이 경우, 광에 대한 굴절률은 1일 수 있다.

상기 수식 1에서 △Φ가 π의 정수배가 되는 경우, 국부적으로 소멸 간섭(destructive interference)이 발생하며, 이 경우 패턴의 홈부(310) 및 돌기부(311)의 경계의 국부적인 영역에서 광의 세기가 0(zero)에 가까운 암점(null point)이 형성된다. 이에 따라 상기 암점에서는 광이 후술하는 감광재(21)에 도달하지 못하게 되는 것과 같은 효과가 나타나며, 이에 따라 암점이 형성된 영역에 미세 패턴이 형성될 수 있다.

도 4는 암점이 형성된 영역에서 나타나는 간섭 현상을 보다 상세히 나타낸 도면이며, 도 5는 간섭 현상에 의하여 현상을 한 후 미세 패턴이 형성된 감광재(21)를 나타낸 도면이다.

본 출원에서는, 상기 감광재(21)가 자외선 영역, 예를 들면 I-line 350 내지 380 nm의 파장의 광을 흡수할 수 있도록 선택되고, 상기 조사되는 광이 수은 램프일 경우, 상기 감광재(21)의 흡수 파장 및 조사되는 광의 파장의 2가지 요인에 의하여, 마스크(30)의 돌기부(311)와 감광재(21)가 접촉 시 암점이 형성되고, 따라서 공정 조건의 선택의 폭이 넓으므로, 공정의 자유도가 높은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 일반적인 블랭크 마스크(blank maks)를 사용하여 1 ㎛ 이하, 즉, 서브 마이크로 미터 크기의 패턴을 형성할 경우, 노광 시 광원의 파장과 포토마스크와 기판 사이의 간격 등에서 얻을 수 있는 최소 선폭 및 패턴의 해상도를 고려하여 고가의 극 자외선 광원을 이용하여야 하나, 본 출원에 따른 노광 장치에서는 저가의 자외선 램프를 광원으로 사용하고도, 서브 마이크로 미터 크기의 패턴의 형성을 쉽게 형성할 수 있다.

하나의 예시에서, 본 출원에 따른 노광 장치는 거치대에 표면이 곡면을 이루는 상태로 존재하는 피조사체(20)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 피조사체 또는 거치대는 광의 진행 경로에 위치될 수 있고, 구체적으로 광이 포토마스크(30)를 거친 후, 진행되는 경로에 위치될 수 있다. 또한, 상기 피조사체(20) 또는 거치대(40)는 롤 형상을 가질 수 있다. 구체적으로 하나의 예시에서, 상기 피조사체(20)는 원통형의 금형일 수 있다. 이 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 노광 장치의 상기 거치대(40)은 상기 원통형 금형(20)을 중심축 중심으로 회전시킬 수 있는 회전 장치일 수 있다. 또한, 상기 노광 장치는 포토 마스크(30)를 이송시키는 이송 장치(50)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 원통형 금형(20)은, 노광 장치의 설계의 편의 및 노광 효과를 고려하여 고정된 상태로 0.01 내지 500 mm/s의 범위에서 일정한 속도로 회전할 수 있으며, 상기 금형(20)의 회전 속도와 균형을 유지하면서 마스크(30)가 이송 장치(50)에 의하여 이송되기 때문에, 원통형 금형(20)의 전 영역에 걸쳐 노광 공정이 진행될 수 있다.

하나의 예시에서, 피조사체(20)는 원통형을 가지고, 그 표면에는 감광재층(21)이 형성되어 있을 수 있다. 도 1과 같이 감광재(21)가 코팅된 원통형 금형이 상기 포토마스크(30) 상부에서 회전하게 되면, 이 때 상기 포토 마스크(30)는 이송 장치(50)에 의하여 수평 방향으로 이송하게 되며, 하부의 광원(10)에서 조사된 광이 포토 마스크(30)를 거쳐, 상기 감광재(21)에 조사된다. 예를 들어, 감광재는 포지티브 감광재 또는 네거티브 감광재일 수 있다. 포지티브 감광재(positive resist)의 경우 후술하는 암점이 형성된 부분에서만 현상이 일어나게 되며, 네거티브 감광재(negative resist)의 경우 암점이 형성된 부분에서만 현상이 일어나지 않게 되므로, 본 출원에서는 원하는 형상에 따라 적절한 감광재를 선택하여 사용할 수 있다.

본 명세서에서 용어 「피조사체」는 미세 패턴이 형성되는 물체를 의미하며, 그 형상이나 소재는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 피조사체는 평면 또는 곡면을 갖는 금형일 수 있다. 구체적으로, 예를 들면 피조사체는 원통형의 금형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 상기 피조사체는 피조사체의 표면 상에 미세 패턴을 형성하기 위해, 감광재가 표면에 코팅된 금형일 수 있다. 따라서, 이하 기재에서, 용어 「피조사체」는 금형 또는 감광재가 표면에 형성된 금형 모두를 의미할 수 있다.

본 출원의 구체예에서, 상기 포토 마스크(30)는 예를 들어, 돌기부(311)가 하나 이상 존재할 수 있으며, 상기 돌기부(311)는 스트라이프 형상, 곡선 형상, 다각형의 형상 또는 이들이 서로 교차하는 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 출원에서, 상기 스트라이프 형상은 전술한 미세 패턴의 돌출된 부분, 즉 돌기부(311)가 일정 간격으로 평행하게 배치된 형상을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 다각형의 형상은 도 9에서 도시된 패턴과 같이, 하나 이상의 사각형 형상의 패턴이 격자로 인접하여 배치되어 있는 형상으로 나타낼 수 있다. 또한, 상기 스트라이프, 곡선 또는 다각형 형상은 서로 교차되는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다각형 형상에 스트라이프 형상 또는 곡선 형상이 서로 연결되어 교차되는 형태로 형성될 수 있다. 교차하는 형상은 특별히 한정되지 않으며, 발명이 적용되는 기술분야에 따라 적절하게 제조할 수 있다.

상기 포토 마스크(30)을 구성하는 소재는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 포토 마스크는 자외선 투과 가능한 가요성 소재를 포함할 수 있다. 상기 가요성 소재로는 예를 들어, 실리콘계 수지가 사용될 수 있고, 구체적으로 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane, PDMS) 수지 등이 사용될 수 있다

상기 포토 마스크(30)가 실리콘계 수지를 포함하는 경우, 300nm 파장 영역에서 우수한 광투과성을 가져, 포토 리소그래피 공정에서 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 기재와의 밀착성이 뛰어나 상기 포토 마스크(30)와 감광재가 접촉 시 우수한 접촉성을 나타내고, 암점의 형성에 의한 광의 간섭 효과를 보다 우수하게 발휘 할 수 있다.

기존의 블랭크 포토마스크를 이용한 포토리소그래피의 경우, 패턴의 해상도 및 신뢰성 확보를 위해서는, 패턴의 최소 선폭 CD(critical dimension) CD ≒ (λg)^1/2을 얻기 위해 감광재층과 포토마스크 사이의 공기층을 최소화시켜 두 계면 사이의 접촉을 최대화하여야 한다. 즉 일반적인 접촉 노광 방식의 경우, 패턴의 최소 선폭 CD는 포토마스크와 감광재층과의 거리 g¹ ^/2에 비례하기 때문이다. 이를 위해 적당한 압력으로 두 계면의 접촉을 개선하는 공정이 필요하나, 포토마스크와 감광재층이 도입된 기판들 모두 딱딱한 소재이므로, 외부 이물이나 포토마스크 및 감광재층의 표면 거칠기 등에 의해, 두 계면의 완벽한 접촉이 어렵다. 이에, poly(dimethyl siloxane)(PDMS)와 같은 투명(~300nm 이상의 파장의 자외선에서 70 내지 80%의 높은 투과율을 가짐)하고 탄성이 있는 금형을 마스크로 사용하여 포토 공정 기술이 제안된 바 있다. 탄성 고분자는 소재가 가지는 낮은 탄성 계수(Elastic modulus, Young's modulus)로 인해 PDMS와 같은 실리콘계 탄성 고분자를 소재로한 포토마스크의 경우, 감광재층과 매우 밀접한 접촉을 손쉽게 얻을 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 포토 마스크(30)와 피조사체(20)가 접촉할 경우, 상기 포토 마스크(30)의 돌기부(311)는 상기 금형(20)에 코팅되어 있는 감광재와 접촉할 수 있다. 본 출원의 포토 마스크(30)는 상기와 같이 요철 표면(31)의 돌기부(311)가 감광재와 접촉됨으로써, 전술한 간섭 현상을 일으켜 금형(20)의 표면에 서브 마이크로 크기의 미세 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 노광 장치는 광원(10)의 직진 광학계(Collimated lens)와 포토 마스크(30) 사이에, 광원에서 조사된 광이 투과되어 포토마스크 측으로 조사될 수 있는 개구부가 형성된 슬릿(60)을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 거치대(40)를 둘러싸고 있고, 광원에서 조사된 광이 포토마스크(30)를 거쳐 피조사체(20)로 조사될 수 있는 개구부가 형성된 슬릿(60)이 추가로 존재할 수 있다. 상기 슬릿(60)은 거치대(40)에 거치되어 있는 피조사체(20)로 조사될 수 있고, 구체적으로 감광재층(21)이 형성된 피조사체(20)의 감광재층(21)에 조사될 수 있다. 한편, 포토마스크(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 광원과 거치대 사이에 광이 진행하는 경로에 형성될 수도 있고, 후술하는 바와 같이, 거치대(40) 또는 피조사체(20)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 후자의 경우 상기 슬릿(60)은 거치대(40) 또는 피조사체(20)를 둘러싸는 포토마스크(30)를 둘러싸도록 형성되거나, 상기 포토마스크(30)가 거치대(40) 또는 피조사체(20)를 둘러싸는 슬릿(60)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 상기와 같이 슬릿(60)을 추가로 포함함으로써, 상기 광원의 광을 보다 효율적으로 피조사체에, 포토 마스크(30)와 감광재(21)의 접촉면(A)에 전달할 수 있으며, 이에 따라 공정 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 슬릿을 통해, 원통형 기재에 도포되어 있는 감광재층에 노광되는 영역을 확대할 수 있고, 감광재층에 입사되는 광원의 입사 각도에 따라 원하지 않는 간섭 패턴이 형성되는 것을 막아 신뢰성 높은 미세 패턴을 구현할 수 있다.

또한, 하나의 예시에서, 상기 노광 장치는, 광원(10)과 상기 슬릿(60) 사이에 직진광 렌즈 또는 집광 렌즈(70)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 노광 장치는 상기 광원을 기준으로 상기 슬릿(60)의 반대편에 위치하는 반사체(80)를 포함할 수 있다.

도 6은 본 출원의 노광 장치의 또 다른 구현예를 나타낸 도면이다.

도 6과 같이, 본 출원의 또 다른 구현예에서, 상기 포토 마스크(30)는 롤 형상을 가지는 거치대(40) 또는 피조사체(20)를 둘러쌀 수 있도록 배치될 수 있고, 포토마스크(30)를 포함한 거치대(40) 또는 피조사체(20)을 회전시키면서 원주 방향으로 자외선 직진광과 슬릿을 이용하여 노광시킬 수 있도록 설치되어 있을 수 있다. 즉, 상기 거치대(40) 또는 피조사체(20)는 회전 가능하도록 설치되어 있을 수 있고, 거치대(40)상에 피조사체(20)가 거치되어 있고, 이를 둘러싸도록 포토마스크(30)가 설치될 수 있다.

상기와 같이 포토 마스크(30)가 피조사체(20)를 둘러싼 채로 노광 공정을 진행할 경우, 별도의 이송 장치(50) 없이, 거치대(50) 만으로 공정을 진행할 수 있어, 효율적인 공정을 진행할 수 있다.

이 경우, 상기 피조사체(20)의 직경은, 특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 포토 마스크(30)의 길이를 고려하여, 조절될 수 있으며, 바람직하게는 이음새를 최소화 하도록 조절될 수 있다. 상기 "이음새"는 마스크(30)가 상기 금형(20)을 원주 방향으로 둘러쌀 경우, 서로 만나는 마스크(30)의 양 끝단을 연결시키는 부분을 의미한다.

본 출원의 하나의 구현예에서, 도 7과 같이, 상기 노광 장치에서 광원은 거치대(40) 또는 피조사체(20)를 둘러싸고 있는 포토마스크(30)의 외측을 따라서 2개 이상 배치되어 있을 수 있다. 상기 광원의 개수는 상기 광원에서 조사되는 광이, 상기 거치대(40) 또는 피조사체(20)의 원주 영역을 모두 조사할 수 있다면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 공정의 비용 및 효율성 등을 고려하여 자유롭게 조절될 수 있다.

본 출원에서, 상기 광원(11)은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 자외선 조사 램프일 수 있다.

본 출원은 또한, 전술한 노광 장치를 사용한 노광 방법을 제공한다.

예시적인 상기 노광 방법은, 상기 노광 장치를 사용하여 피조사체(20)의 표면을 노광하는 것을 포함한다. 즉, 거치대(40)에 피조사체(20)를 위치시키고, 광원으로부터 광을 조사하여 포토 마스크(30)를 매개로 피조사체(20)를 노광하는 것을 포함한다.

본 출원의 노광 방법에서는, 상기 피조사체(20) 또는 포토 마스크(30)를 이송 장치(50)를 통하여 이동시키면서 상기 노광 과정을 수행할 수 있다.

또한, 상기 피조사체(20)는 감광재(21)가 코팅되어 있는 원통형 금형일 수 있고, 포토마스크(30)가 상기 원통형 금형을 둘러싸고 있는 상태에서 노광을 수행할 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이 광원은 거치대(40) 또는 피조사체(20)를 둘러싸고 있는 포토마스크(30)의 외측을 따라서 2개 이상 배치되어 있을 수 있다. 즉, 복수의 광원을 사용하여, 원통형의 금형을 둘러싸고 있는 포토 마스크에, 광을 조사할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 노광 과정에서 조사되는 광의 파장은 고압 수은 아크 램프의 G-(436nm), H-(405nm), I-line(365nm) 영역에서 광의 파장(상기 중심 파장에서 ±30nm 파장 범위 포함)일 수 있고, 또한, 보다 높은 해상도를 위하여 KrF (248nm), ArF (193nm), F2 (157nm) 엑시머 레이저를 이용한 파장 영역일 수 있다. 상기에서, 수은 아크 램프의 I-line (365nm)의 광을 이용할 경우, 3 내지 25 mW/cm², 예를 들어, 5 내지 20 mW/cm², 또는 10 내지 15 mW/cm²의 광량으로 0.01 내지 5 분 동안, 예를 들어, 0.02 내지 1 분 또는 0.05 내지 0.5 분 동안 조사될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 피조사체(20)는 감광재가 코팅되어 있는 원통형의 금형(20)일 수 있다. 상기 감광재(21)는, 특별히 제한되는 것은 아니나, 자외선 영역, 예를 들면 365nm의 I-line 350nm 내지 380 nm의 파장의 광을 흡수할 수 있는 감광재(21)일 수 있으며, 상기 감광재(21)는 0.1 내지 10 ㎛, 예를 들면, 0.2 내지 1 ㎛ 또는 0.3 내지 0.8 ㎛의 두께로 상기 원통형 금형(20)에 코팅될 수 있다. 감광재(21)가 전술한 두께 범위를 초과하여 지나치게 두껍게 코팅될 경우, 상대적으로 광의 조사 시간이 길어져 경제적인 공정 진행이 어려운 문제가 존재한다.

하나의 구현예에서, 상기 노광 방법은 상기 노광 과정에서 원통형 금형(20)을 상기 금형(20)의 중심축 중심으로 회전시키면서 수행될 수 있다.

상기 감광재(21)가 코팅된 원통형 금형(20)이 상기 포토 마스크(30) 상부에서 회전하게 되면, 이 때 상기 포토 마스크(30)는 수평 방향으로 이송하게 되며, 하부의 광원(10)에서 조사된 광이 포토 마스크(30)를 거쳐, 상기 감광재(21)에 조사된다.

상기 원통형 금형(20)은, 노광 장치의 설계의 편의 및 노광 효과를 고려하여 고정된 상태로 회전하며, 이와 연동하여 하부 포토마스크가 포함된 투명 기재가 0.01 내지 500 m/s의 범위에서 일정한 속도로 회전할 수 있으며, 상기 원통형 금형(20)의 회전 속도와 균형을 유지하면서 포토 마스크(30)가 이송되기 때문에, 원통형 금형(20)의 전영역에 걸쳐 노광 공정이 진행될 수 있다.

상기 노광 방법의 또 다른 구현예에서, 상기 노광 방법은 포토 마스크(30)가 상기 원통형의 금형(20)을 둘러싸고 있는 상태에서 노광 과정을 수행할 수 있다. 상기와 같이 포토 마스크(30)가 원통형 금형(20)을 둘러싼 채로 노광 공정을 진행할 경우, 상기 포토 마스크(30)의 별도의 이송 없이, 원통형 금형(20)의 회전만으로 공정을 진행할 수 있어, 경제적인 공정을 진행할 수 있다.

이 경우, 복수의 광원을 사용하여 원통형의 금형(20)을 둘러싸고 있는 포토 마스크(30)에 광을 조사하여 상기 노광 과정이 진행될 수 있으며, 이 경우, 별도의 회전 없이도 동일한 효과의 노광 효과를 얻을 수 있다.

예시적인 상기 노광 방법에서는 하나의 예시에서, 본 출원의 노광 방법은, 상기 원통형 금형(20)에 감광재(21)를 코팅하기 전에, 원통형 금형(20)을 준비하고 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 또한, 원통형 금형(20)에 감광재(21)를 코팅한 후에, 상기 감광재(21)를 건조하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 건조 단계는 예를 들면, 95℃ 조건에서 5분 동안 수행될 수 있다.

또한, 하나의 예시에서, 본 출원의 노광 방법은, 노광 후에 식각 공정을 추가로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 식각은 건식 또는 습식 식각하여 수행될 수 있다.

또한, 본 출원은 금형의 제조 방법에 관한 것이다. 예시적인, 금형의 제조 방법은 전술한 노광 장치를 사용하여 피조사체의 표면을 노광하여 상기 피조사체의 표면에 미세 패턴을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제조 방법은 전술한 본 출원에 따른 노광 장치 또는 노광 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 피조사체는 원통형을 가질 수 있고, 그 표면에는 감광재층이 형성되어 있을 수 있다.하나의 예시에서, 전술한 노광 장치를 통해 서브 마이크로 크기의 패턴을 형성할 수 있다. 구체적으로 상기 패턴은 하나 이상의 선으로 구성되고, 선폭은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 선의 높이 또는 깊이는 0.05 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 한편, 상기 선은, 포지티브 감광재(positive resist)를 사용하여 형성할 경우 암점이 형성된 부분에서만 현상이 일어나게 되어, 볼록한 돌기부의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 네거티브 감광재(negative resist)를 사용하여 형성할 경우 암점이 형성된 부분에서만 현상이 일어나지 않게 되므로, 상기 선이 오목한 홈부의 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 포지티브 감광재의 경우, 볼록한 돌기부의 선폭이 전술한 수치를 만족할 수 있고, 네거티브 감광재의 경우, 오목한 홈부의 선폭이 전술한 수치를 만족할 수 있다.

본 출원의 노광 장치에 의하면 서브 마이크로 미터 크기의 미세 패턴을 원통형 금형에 효율적으로 형성할 수 있다. 또한, 본 출원에서는 가요성 소재로 형성된 마스크를 사용하여, 상기 미세 패턴을 다양한 크기의 대면적으로 형성할 수 있으며, 원통형 금형의 곡면에 서로 다른 형상의 패턴을 분할 또는 독립하여 형성시킬 수 있어, 공정의 자유도가 우수한 효과가 있다.

도 1 및 3은 본 출원의 노광 장치의 일 구현예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 요철 표면을 가지는 마스크에서 발생하는 광의 간섭 현상에 따른 간섭 리소그래피 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 암점이 형성된 영역에서 나타나는 간섭 현상을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 간섭 현상에 의하여 현상을 한 후 미세 패턴이 형성된 감광재층을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 출원의 노광 장치의 다른 구현예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 출원의 노광 장치의 또 다른 구현예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8는 예시적인 본 출원의 포토 마스크의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 9은 포토 마스크에 의하여 노광된 감광재 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 10은 식각 후 감광재를 제거한 금형의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 11은 본 출원의 실시예에 따른 금형의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 12는 본 출원의 실시예에 따라 패턴이 형성된 원통형 금형을 촬영한 SEM 사진이다.
도 13은 본 출원의 실시예에 따라 패턴이 형성된 원통형 금형을 촬영한 SEM 사진이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

<포토마스크의 제조>

G-line 전용 AZ1518 (AZ electronic materials) 감광재를 희석 없이 1500rpm의 속도로 스핀 코팅을 통해 유리 기판(110 mm x 110 mm)에 도포 후, 95?에서 3분간 건조하여 최종 감광층의 두께가 약 3.5㎛ 정도가 되도록 필름을 제작하고, 일반적인 포토리소그래피 공정을 통해 패턴을 제작하였다. Karl Suss MA6 Mask Aligner 장비를 사용하여 20 mW/cm²으로 3.5초간 노광후, 현상액(CPD18)에 약 5분간 현상하고 증류수로 세척 및 건조하여 포토 패턴을 완성한다.

폴리디메틸실록산 수지로 형성된 포토마스크 즉, PDMS(Sylgard 18, DOWCORNING) 마스크 몰드는 PDMS 베이스 레진과 Pt 촉매가 함유된 경화제를 질량비 9:1로 섞은 후, 30분 가량 레진과 경화제가 균일하게 섞이도록 교반한다. 이후, 불소계 실란 물질로 이형처리를 한 마이크로 구조를 갖는 PR 패턴 상부에 부어준다 (이형처리가 반드시 필요한 것은 아니나 주형으로 사용된 PR 패턴을 반복적으로 사용하기 위해서 이형처리를 하는 것이 유리하다). 이후, 기포가 빠지고 마이크로 구조물 내부를 PDMS 레진 혼합물이 완벽하게 채우도록 2시간 정도 방치 후 60 내지 70? 대류 오븐에서 약 3 내지 4시간 완전 경화시킨다. 이 후, 상온으로 식힌 후 경화된 복제 PDMS 패턴 구조물을 PR 패턴에서 이형 박리시켜 완성한다. 도 8은 실시예에 사용된 PDMS 몰드 마스크의 패턴의 형상으로서 가로 세로 각각 100 ㎛의 정사각형이 가로 세로 10 ㎛ 간격으로 사각 배열 구조를 갖는다.

<평판형 금형의 포토 공정>

석영 기판에 G-line 전용 AZ 1518(AZ electronic materials) 감광재를 PGMEA(propylene glycol monomethyl ether acetate)을 부피비 75%로 희석한 용액을 준비하고 1500 ~ 2000rpm으로 30초간 스핀 코팅을 통해 400nm 두께의 감광층을 도포한다. 상기에서 준비한 폴리디메틸실록산 수지로 형성된 포토마스크를 접촉시키고, Karl Suss MA6 Mask Aligner 장비를 사용하여 15 ~20 mW/cm²으로 1.5 내지 5초 노광 후, 현상액(CPD18)에 약 10초간 현상하고, 세척 및 건조하여 도 9에서 나타낸 것과 같은 서브 마이크로 미터 두께의 미세 패턴을 형성할 수 있다. 공정 조건에 따른 패턴 선폭의 변화를 확인하기 위해, 도 10과 같이 노광 시간에 따른 패턴의 선폭이 서로 반비례 관계에 있음을 알 수 있다.

<평판형 금형의 식각 공정>

진공 스퍼터링 방법을 통해 500~800nm 두께를 Al 박막을 기저 전도층 박막으로 성장시킨 석영 기판에 상기 포토공정과 동일한 공정을 통해 서브 마이크로 패턴을 형성하고, ICP-RIE(inductive coupled plasma-reactive-ion etching)을 이용한 건식식각(Working pressure 5 mTorr, ICP/RI power 300/30 W, Gas flow rate: BCl₃ 35, Cl₂ 15sccm)과 인산계 알루미늄 에칭 용액을 이용한 Al층의 식각을 통해 금형화를 진행할 수 있음을 도 11과 같이 보일 수 있다.

최종적으로 불소계 기체를 이용한 건식 식각(Working pressure 2 mTorr, ICP/RI power 1000/50 W, Gas flow rate: C₄F₈ = 30 sccm, Etching rate) 또는 14% 희석된 불산을 이용한 습식 식각 석영 기재에 서브 마이크로 형상이 각인된 평판형의 금형을 도 11과 같이 제작할 수 있다.

실시예 2

도 1에 따른 노광 장치를 준비하였다. 직경이 10mm인 원통형 석영 금형을 세척하고, 상기 원통형 금형에 G-line 전용 AZ 1518(AZ electronic materials) 감광재를 PGMEA(propylene glycol monomethyl ether acetate)을 부피비 50%로 희석하고 유리 금형의 딥코팅 방법을 이용해 350 ~ 400nm 두께로 코팅한 피조사체를 준비하였다. 폴리디메틸실록산 수지로 돌기부 폭 100 ㎛, 홈부 폭 10 ㎛, 높이가 3.5㎛인 요철 표면을 가지는 복수의 사각형 형상의 패턴이 형성된 포토마스크에 상기 요철 표면의 돌기부가 감광재층과 접촉하도록 위치시켰다. 그 후, 포토마스크를 수평 방향으로 이송시키고, 상기 피조사체를 회전시키면서 마스크 하부의 광원, 고압 수은 아크 램프(365nm 의 파장)의 광을 20mW/cm²의 조사량으로 이송 속도 0.1 mm/s로 약 5.2 분간 조사하여 노광 공정을 수행하였다. 노광을 제외한 현상, 세척 건조 및 식각 공정은 실시예 1과 동일한 방법으로 진행하였으며, 제작된 금형의 광학, 전자 현미경 이미지를 도 12에 도시하였다.

실시예 3

도 6에 따른 노광 장치를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 노광 공정을 수행하였다.

실시예 4

도 7에 따른 노광 장치를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 노광 공정을 수행하였다.

실시예 5

포토 마스크의 패턴을 한변의 길이가 200㎛인 복수의 정육각형이 돌기부로 10㎛ 간격의 홈부를 갖는 육각 배열 구조의 패턴이 형성된 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 노광 공정을 수행하였다.

도 13은 실시예 5에 따라 제조된 패턴이 형성된 원통형 금형을 촬영한 SEM 사진이다.

10: 광원
20: 피조사체
21: 감광재
30: 포토 마스크
31: 요철 표면
310: 홈부
311: 돌기부
40: 거치대
50: 이송 장치
60: 슬릿
70: 집광 렌즈
80: 반사체
A: 접촉면

Claims

광원; 상기 광원에서 조사된 광의 진행 경로에 위치하고, 상기 광원과는 반대측 표면에 형성된 하나 이상의 돌기부를 가지며, 굴절률이 1.2 내지 2.5 의 범위 내인 가요성 포토마스크; 및 상기 포토마스크를 경유한 광이 진행하는 경로에 위치하고, 피조사체의 표면이 곡면이 되도록 상기 피조사체를 거치할 수 있도록 형성되어 있는 거치대를 포함하고, 상기 피조사체와 상기 가요성 포토마스크가 접촉하고 있는 노광 장치.
제 1 항에 있어서, 광원과 돌기부는 하기 수식 1을 만족하도록 형성되어 있는 노광 장치:
[수식 1]
△Φ = 2π(n₂ - n₁) × d/λ
수식 1에서 △Φ는 광원에서 조사되어 포토마스크의 돌기부를 통과한 광과 돌기부가 형성되지 않은 포토마스크의 홈부를 통과한 광간의 위상차이고, n₂는 포토마스크의 돌기부의 굴절률이고, n₁은 포토마스크의 돌기부가 형성되지 않은 홈부에 충전되어 있는 매질의 굴절률이고, d는 돌기부의 높이이며, λ는 광원에서 조사되는 광의 파장이다.
제 1 항에 있어서, 거치대에, 표면이 곡면을 이루는 상태로 존재하는 피조사체를 추가로 포함하는 노광 장치.
제 1 항에 있어서, 거치대는 롤 형상을 가지는 노광 장치.
제 3 항에 있어서 피조사체는 원통형 금형인 노광 장치.
제 1 항에 있어서, 포토 마스크의 돌기부는 스트라이프 형상, 곡선 형상, 다각형의 형상 또는 이들이 서로 교차하는 형상을 가지는 노광 장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 광원과 포토 마스크의 사이에 광원에서 조사된 광이 투과되어 포토 마스크측으로 조사될 수 있는 개구부가 형성된 슬릿이 추가로 존재하는 노광 장치.
제 1 항에 있어서, 거치대를 둘러싸고 있고, 광원에서 조사된 광이 포토마스크를 거쳐 피조사체로 조사될 수 있는 개구부가 형성된 슬릿이 추가로 존재하는 노광 장치.
제 8 항에 있어서, 광원에서 조사된 광을 집광하여 개구부측으로 조사될 수 있도록 하는 집광 렌즈를 추가로 포함하는 노광 장치.
제 4 항에 있어서, 포토 마스크가 롤 형상을 가지는 거치대를 둘러싸도록 배치되어 있는 노광 장치.
제 11 항에 있어서, 거치대는 회전 가능하도록 설치되어 있는 노광 장치.
제 11 항에 있어서, 광원은, 거치대를 둘러싸고 있는 포토 마스크의 외측을 따라서 2개 이상 배치되어 있는 노광 장치.
제 1 항의 노광 장치를 사용하여 피조사체의 표면을 노광하는 것을 포함하는 노광 방법.
제 14 항에 있어서, 피조사체는 감광재가 코팅되어 있는 원통형의 금형이고, 포토 마스크가 상기 원통형의 금형을 둘러싸고 있는 상태에서 노광을 수행하는 노광 방법.
제 15 항에 있어서, 복수의 광원을 사용하여, 원통형의 금형을 둘러싸고 있는 포토 마스크에, 광을 조사하는 노광 방법.
제 14 항에 있어서, 노광 후에 식각 공정을 추가로 수행하는 노광 방법.
제 1 항의 노광 장치를 사용하여 피조사체의 표면을 노광하여 상기 피조사체의 표면에 패턴을 형성하는 것을 포함하는 금형의 제조 방법.
제 18 항에 있어서, 피조사체는 원통형을 가지고, 그 표면에는 감광재층이 형성되어 있는 금형의 제조 방법.
제 18 항에 있어서, 패턴은 하나 이상의 선으로 구성되고, 선폭은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위 내에 있는 금형의 제조 방법.
제 18 항에 있어서, 패턴은 하나 이상의 선으로 구성되고, 상기 선의 높이 또는 깊이는 0.05 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위 내에 있는 금형의 제조 방법.