KR102122426B1 - 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법 - Google Patents

레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패터닝 대상 목적 층의 하부에 희생 층을 형성한 후 희생 층을 제거하는 것에 의해 목적 층에 대한 패터닝을 수행하면서도, 레이저에 의해 제거하려는 목적 층 아래에 위치하는 하부 층의 손상이나 에칭 공정에 의한 환경오염이 발생하지 않도록 하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시례는, 기판 상의 비 패터닝 영역에 마스크 레이어로서의 희생 층을 형성하는 희생 층 형성 단계; 상부에 상기 희생 층이 형성된 기판 상에 목표 층을 형성하는 목표 층 형성 단계; 및 상기 비 패터닝 영역에 레이저를 조사하여 비 패터닝 영역의 상기 희생 층을 제거하는 것에 의해 상기 희생층 상부의 목표 층 영역을 함께 제거하여 패턴을 형성하는 패터닝 단계;를 포함하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법을 제공한다.

Description

레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법{COATING LAYER PATTERNING METHOD USING LASER AND SACRIFICIAL LAYER}
본 발명은 기판 상에 광소자, 디스플레이 소자 또는 회로 등의 패터닝에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 목적 층의 하부에 레이저에 의해 제거되는 희생 층을 형성하여 레이저로 희생 층을 제거하는 것에 의해 비 패턴 부분의 목적 층을 제거하여 패터닝을 수행하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법에 관한 것이다.
최근 투명한 광소자 및 디스플레이 소자에 대한 관심이 증대되고 다양한 파장에서 투명도가 높은 각종 금속산화물을 전자소자재료로 사용하면서, 플랙서블 디스플레이 패널, OLED 디스플레이 패널 또는 태양전지 패널 등의 넓은 기판에 형성된 투명한 막을 선택적으로 제거하는 패터닝 기술을 개발할 필요성이 커지고 있다.
이에 따라 제공된 종래 기술의 원자층증착(ALD: Atomic layer deposition)을 비롯한 다수의 증착, 코팅 공정은 필요한 부분만 선택적으로 수행하기 어려우므로 일단 전면을 증착, 코팅한 후 후속 공정을 통하여 불필요한 부분을 제거하는 방식으로 패터닝이 이루어진다.
가장 널리 쓰이는 패터닝 방법으로서 습식 에칭(wet etching) 방법과 이를 기반으로 한 리프트 오프(lift-off) 방법 등 화학적 제거 패터닝 방법 또한 개발되었다.
종래기술의 습식 에칭 공정은 크게, 목표 층 코팅, PR 층 코팅, 노광 패터닝, 목표 층 에칭, PR 층 에칭을 포함한다.
상술한 습식 에칭을 투명 금속 산화물 박막의 패터닝에 적용한 예로는 대한민국 공개특허 제2011-0022479호는 아연, 주석, 인듐, 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 금속 전구체, 안정화제 및 광감응제를 임의의 용매에 용해시킨 후 교반하고, 교반된 용액에 금속 나노 입자를 첨가한 후 다시 교반하여 얻은 투명 금속 산화물 용액을 기판에 코팅한 후 포토마스크를 위치시켜 자외선을 조사하며, 포토마스크를 제거한 후 세정하는 것에 의해 투명 금속 산화물 박막에 대한 패터닝을 수행할 수 있도록 하는 것을 들 수 있다.
그러나 이들 방법은 에칭 공정 시 사용되는 화학물질에 의한 환경 비용 부담 문제와 대 면적 기판에 적용하기 어려운 한계가 있었다.
이러한 이유로 상기 화학적 제거 패터닝 방법의 문제를 해결하기 위하여 레이저를 필요한 부분에 조사하여 불필요한 부분을 직접 제거하는 물리적 제거 패터닝 방법이 개발되었다.
그러나 레이저를 이용한 패터닝 방법을 투명 금속 산화물 박막에 적용하는 경우, 일반적인 레이저 광에 대한 흡수율이 매우 낮아 고가의 극자외선 레이저나 초단파 레이저를 사용해야 한다. 따라서 코팅 막이 레이저 파장에 대하여 투명한 경우에는 제거하려는 코팅 막 하부 층이 손상되는 문제점을 가진다.
대한민국 공개특허 제2011-0022479호
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시례는, 레이저를 이용하여 투명한 광소자 또는 디스플레이 소자 형성을 위한 투명 코팅 막에 대한 패터닝을 수행하면서도, 레이저에 의해 제거하려는 코팅 막 하부 층의 손상이나 에칭 공정에 의한 환경오염이 발생하지 않도록 하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시례는, 기판 상의 코팅 막 패턴이 형성되지 않는 비 패터닝 영역에 마스크 레이어로서의 희생 층을 형성하는 희생 층 형성 단계; 상기 희생 층의 상부면과 상기 기판의 상부면 상에 상기 코팅 막 패턴으로 되는 목표 층을 형성하는 목표 층 형성 단계; 및 상기 비 패터닝 영역에 레이저를 조사하여 상기 비 패터닝 영역의 상기 희생 층을 제거하는 것에 의해 상기 희생층 상부의 목표 층 영역을 함께 제거하여 잔류하는 목표 층들로 형성되는 코팅막 패턴을 형성하는 패터닝 단계;를 포함하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 레이저에 의해 가열되어 제거되는 폴리머(polymer)를 상기 비 패터닝 영역에 선택적으로 도포하여 상기 희생 층을 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계의 상기 선택적 도포 방법은, 잉크젯, EHD젯, 노즐젯, 그라비어오프셋, 리버스오프셋 중 어느 하나의 인쇄 기법을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 포토레지스트를 상기 기판의 표면에 도포한 뒤 상기 비 패터닝 영역만 선택적으로 경화시키고 나머지 부분을 제거시킴으로써 상기 기판의 비 패터닝 영역에 상기 희생 층을 선택적으로 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 포토레지스트를 500 내지 5,000 RPM으로 스핀 코팅하여 상기 희생 층을 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 상기 희생 층의 두께를 50 nm 내지 500 nm 범위를 가지도록 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 목표 층 형성 단계는, 투명 산화물을 코팅하여 상기 목표 층으로 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 목표 층 형성 단계는, 가시광영역(400nm~700nm)에서 70% 이상의　광투과도를 가지는 투명 산화막 층을 목표 층으로 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 패터닝 단계는, 펄스 듀레이션이 1 내지 100 나노초인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 패터닝 단계는, 빔 반경이 1 내지 50 ㎛인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 상기 패터닝 단계는, 플루언스가 100 내지 100,00 mJ/cm2인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 패터닝 단계는, 오버랩 율(Roverlap)이 30 ~ 90%로 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 다른 실시례는, 상기 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법에 의해 형성된 패턴을 가지는 패널을 제공한다.
상술한 본 발명의 실시례에 따르면, 레이저를 이용하여 투명한 광소자 또는 디스플레이 소자 형성을 위한 투명 코팅 막에 대한 패터닝을 수행하는 경우, 레이저에 의해 제거하려는 코팅 막 하부 층의 손상이 발생하는 것을 방지하며, 에칭 공정에 의한 환경오염이 발생하는 것을 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명의 실시례에 따르는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 과정을 나타내는 도면.
도 3는 본 발명의 실시례에 따르는 오버랩 율(overlapping ratio) 파라미터를 나타내는 도면.
도 4은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 임계 플루언스(ablation threshold fluence)와 빔 사이즈를 나타내는 도면.
도 5은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터 중 오버랩 율(Roverlap)(%)에 따른 어블레이션 라인의 폭(㎛)을 나타내는 그래프와 어블레이션 라인의 사진.
도 6은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터 중 스핀 코팅 RPM에 따른 희생 층의 두께(t)의 경향을 나타내는 도면.
도 7는 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터 중 희생 층의 두께(t)와 펄스 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭(㎛)을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시례에 따르는 희생 층이 410 nm 경우에서의 레이저 파라미터 중 레이저 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면.
도 9은 본 발명의 실시례에 따르는 희생 층의 두께(t)가 220 nm인 경우의 레이저 파라미터 중 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면.
도 10는 본 발명의 실시례에 따르는 희생 층의 두께(t)가 170 nm인 경우의 레이저 파라미터 중 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면.
도 11은 발명의 실시례에 따르는 희생 층의 두께(t)가 120 nm인 경우의 레이저 파라미터 중 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 렌즈와 스테이지 사이의 거리에 따른 레이저 빔의 1/e2 반경의 경향을 나타내는 도면.
도 13는 본본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 각각의 희생 층의 두께(t) 별 어블레이션 라인 폭의 제곱의 로그 피팅(log-fitting)의 경향을 나타내는 도면.
도 14은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 물질 별 열 확산 길이의 경향을 나타내는 도면.
도 15은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 레이저 펄스 플루언스에 따른 어블레이션이 일어나지 않는 에지(edge)의 경향을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 희생 층의 두께(t)에 따른 어블레이션이 일어나지 않는 에지(edge)의 경향을 나타내는 도면.
도 17는 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 임계 플루언스(threshold fluence)의 희생 층의 두께(t)에 따른 광학 특성을 나타내는 도면.
도 18은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 임계 플루언스(threshold fluence)와 흡수 임계 플루언스(threshold fluence)를 나타내는 도면.
도 19은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 희생 층의 두께(t)에 따른 흡수 임계 플루언스(threshold fluence)를 나타내는 도면
도 20는 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 레이저 빔 반경(w) 및 희생 층의 두께(t)에 따른 최소 관측된 잔여물 없는 플루언스(Minimum bosered residue fluence)의 경향을 나타내는 도면.
도 21은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 희생 층의 두께에 따른 레이저 잔여물 없는 플루언스(Minimum observed residue fluence)에서의 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면.
도 22은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 레이저 빔 크기에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시례를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시례는, 기판에 상의 비 패터닝 영역에 마스크 레이어로서의 희생 층을 형성하는 희생 층 형성 단계; 상부에 상기 희생 층이 형성된 기판 상에 목표 층을 형성하는 목표 층 형성 단계; 및 상기 비 패터닝 영역에 레이저를 조사하여 비 패터닝 영역의 상기 희생 층을 제거하는 것에 의해 상기 희생층 상부의 목표 층 영역을 함께 제거하여 패턴을 형성하는 패터닝 단계;를 포함하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 레이저에 의해 가열되어 제거되는 폴리머(polymer)를 상기 기판의 표면에 상기 비 패터닝 영역에 선택적으로 도포하여 상기 희생 층을 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계의 상기 선택적 도포 방법은, 잉크젯, EHD젯, 노즐젯, 그라비어오프셋, 리버스오프셋 중 어느 하나의 인쇄 기법을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 포토레지스트를 상기 기판의 표면에 도포한 뒤 상기 비 패터닝 영역만 선택적으로 경화시키고 나머지 부분을 제거시킴으로써 상기 기판의 비 패터닝 영역에 상기 희생 층을 선택적으로 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 포토레지스트를 500 내지 5,000 RPM으로 스핀 코팅하여 상기 희생 층을 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 희생 층 형성 단계는, 상기 희생 층의 두께를 50 nm 내지 500 nm 범위를 가지도록 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 목표 층 형성 단계는, 투명 산화물을 코팅하여 상기 목표 층으로 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 목표 층 형성 단계는, 가시광영역(400nm~700nm)에서 70% 이상의　광투과도를 가지는 투명 산화막 층을 목표 층으로 형성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 패터닝 단계는, 펄스 듀레이션이 1 내지 100 나노초인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 패터닝 단계는, 빔 반경이 1 내지 50 ㎛인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 상기 패터닝 단계는, 플루언스가 100 내지 100,00 mJ/cm2인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른, 상기 패터닝 단계는, 오버랩 율(Roverlap)이 30 ~ 90%로 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계일 수 있다.
본 발명의 다른 실시례는, 상기 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법에 의해 형성된 패턴을 가지는 패널을 제공한다.
이하, 본 발명의 실시례를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시례에 따르는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 과정을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2와 같이, 본 발명의 실시예의 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법은, 희생 층 형성 단계(S10), 목표 층 형성 단계(S20) 및 패터닝 단계(S30)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 희생 층 형성 단계(S10)에서는 도 2와 같이, 세척 건조된 기판(10) 상의 비 패터닝 영역에 마스크 레이어로서의 희생 층(20)을 스핀 코팅에 의해 형성한다. 이때, 상기 희생 층(20)을 형성하는 물질은 표면 장력 30 ~ 32 dyne/cm, 23 ~ 24 ℃ 에서의 점성이 5 ~ 5.5 cP인 블랙 폴리머 잉크일 수 있다.
상기 희생 층 형성 단계(S10)는 잉크젯, EHD젯, 노즐젯, 그라비어오프셋, 리버스오프셋 등의 인쇄 기법을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 희생 층 형성 단계(S10)는 포토레지스트를 상기 기판(10)의 표면에 도포한 뒤 상기 비 패터닝 영역만 선택적으로 경화시키고 나머지 부분을 제거시킴으로써 상기 기판의 비 패터닝 영역에 상기 희생 층(20)을 선택적으로 형성하는 단계일 수 있다. 이때 상기 포토레지스트는 500 내지 5,000 RPM으로 스핀 코팅되어 220 nm 내지 410 nm 범위의 두께를 가지는 희생 층(20)으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시례에 따른 상기 목표 층 형성 단계(S20)에서는 희생 층의 상부면에 패터닝 대상이 되는 목표 층(30)을 증착 형성한다. 이때 목표 층(30)은 투명 산화막일 수 있으며, 패터닝에 의해 디스플레이 장치의 화소 소자, 스위칭 소자, 투명도전 나노 박막, 투명 반도체, 태양전지 패널의 투명 전도막 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시례에 따른 상기 패터닝 단계(S30)에서는 도 2와 같이, 비 패터닝 영역에 레이저를 조사하여 비 패터닝 영역의 상기 희생 층(20)을 제거하는 것에 의해 상기 목표 층(30)을 함께 제거하여 패턴을 형성한다. 이때, 상기 레이저는 펄스 듀레이션이 1 내지 100 나노초, 빔 반경이 15 내지 50 ㎛, 플루언스가 100 내지 10,000 mJ/cm2이고, 오버랩 율(Roverlap)이 30 ~ 90%로 조사되는 펄스 레이저일 수 있다.
<실시례>
- 샘플 제작
가로 세로 24 mm의 유리 기판을 준비하여 아세톤/IPA(Isopropyl alcohol)를 이용하여 10 분 간 초음파 세척하여 불순물을 제거한 후, 가열로에서 383 K(110 ℃)에서 20분 동안 건조한 후, 표면 장력 30 ~ 32 dyne/cm, 23 ~ 24 ℃ 에서의 점성이 5 ~ 5.5 cP인 블랙 폴리머 잉크를 500, 1,000, 2,000, 4,000 RPM으로 스핀 코팅하는 것에 의해 유리 기판 상에 희생 층의 두께(t)가 410 nm, 220 nm, 170 nm, 120 nm 인 4 종의 샘플을 제작하였다.
- 레이저 실험
주파수 30 kHz, 펄스 지속 시간(pulse duration) 16 ns, 최대 스캔 속도 180 mm/s, 최대 파워 13 W인 532 nm 나노초 펄스 레이저를 제작된 샘플에 조사하면서 샘플을 촬영하는 레이저 실험 시스템을 준비하였다.
도 3은 본 발명의 실시례에 따르는 오버랩 율(overlapping ratio) 파라미터를 나타내는 도면이고, 도 4은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 임계 플루언스(ablation threshold fluence)와 빔 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 실시례의 실험 파라미터는 다음과 같다.
* 오버랩 율(overlapping ratio, Roverlap)
Figure 112018093536885-pat00001
여기서, v: 레이저 스캐닝 속도(mm/s), D: 레이저 빔 직경(㎛), f: 레이저 펄스 반복 주기(kHz) 이다.
* 흡수 플루언스(Absorbed Fluence: F):
Figure 112018093536885-pat00002
여기서, P: 레이저 파워(mW), A: 레이저 빔 면적(㎛2), α: 흡광도(absorbance)(%), f: 레이저 펄스 반복 주기(kHz) 이다.
* D2-law:
Figure 112018093536885-pat00003
Figure 112018093536885-pat00004
C
여기서, Fth: 어블레이션 임계 플루언스(ablation threshold fluence), F0: 레이저 피크 플루언스(laser peak fluence), w: 레이저 빔 반경(laser beam radius), C: 크레이터 직경(crater diameter)이다.
상술한 샘플과 레이저 실험 시스템을 이용하여 ‘레이저 파라미터에 따른 어블레이션 라인(ablation line) 경향’, ‘어블레이션 라인(ablation line)의 D2-law’, 및 ‘희생 층 두께(t)에 따른 임계 플루언스(threshold fluence)(J/cm2), 잔여물이 남지 않는 플루언스(residue free fluence), 어블레이션 라인(ablation line)’을 관찰하였다.
- 실험 결과
* 레이저 파라미터에 따른 어블레이션 라인(ablation line)의 경향
도 5 내지 도 11은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터에 따른 어블레이션 라인의 경향을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 5는 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터 중 레이저 파라미터 중 오버랩 율(Roverlap)(%)에 따른 어블레이션 라인의 폭(㎛)을 나타내는 그래프와 어블레이션 라인의 사진이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 오버랩 율에 따른 어블레이션 라인 폭의 변화는 거의 없었으며, 플루언스의 증가로 어블레이션 라인 폭이 증가할 수 있으나, 23,600 mJ/cm2인 경우 Roverlap 93%에서 기판에 손상을 줄 수 있는 것으로 관찰되었다. 따라서 상기 나노초 펄스 레이저는 플루언스가 100 내지 10,000 mJ/cm2, 이고, 오버랩 율(Roverlap)이 30 ~ 90%로 조사되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터 중 스핀 코팅 RPM에 따른 희생 층의 두께(t)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 6과 같이, 회전 속도 300 RPM, 1,000 RPM, 2,000 RPM, 및 4,000 RPM로 스핀코팅을 수행하는 경우, 각각에 대해, 410 nm, 220 nm. 170 nm 및 120 nm 두께를 가지는 희생 층이 형성되었다. 형성 결과 900 ~ 1,100 RPM으로 스핀 코팅을 수행하는 경우, 가장 두께가 균일한 희생 층을 얻을 수 있었으나, 본 발명의 스핀 코팅은 500 내지 5,000 RPM 범위 내에서 수행되어도 양호한 패턴을 형성하는 것으로 확인되었다.
도 7은 본 발명의 실시례에 따르는 레이저 파라미터 중 펄스의 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭(nm)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 7과 같이, 어블레이션 라인 폭(㎛)은 레이저의 플루언스가 커질수록 증가하는 동시에, 희생 층의 두께(t)가 두꺼워 질수록 줄어드는 경향을 보였다.
도 8은 본 발명의 실시례에 따르는 희생 층이 410 nm 경우에서의 레이저 파라미터 중 레이저 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭(L)(nm)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 8과 같이, 희생 층의 두께(t)가 410 nm인 경우, 레이저 빔의 반경(w)이 10 ㎛인 경우에서, Roverlap = 83%, 66% 일 때 F=3,400 mJ/cm2에서 평균 26.06 ㎛, 26.18 ㎛의 어블레이션 라인 폭을 얻었으며, 레이저 빔의 반경(w)이 20 ㎛에서, Roverlap = 93%, 83% 일 때 F=3,400 mJ/cm2에서 평균 51. 04 ㎛, 52.43 ㎛의 어블레이션 라인 폭을 얻었다.
도 9는 본 발명의 실시례에 따르는 희생 층 코팅 두께(t)가 220 nm인 경우의 레이저 파라미터 중 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭(nm)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 9와 같이, 희생 층의 두께(t)가 220 nm인 경우, 레이저 빔 반경(w)이 10 ㎛에서, Roverlap = 83%, 66% 일 때 F=1,700 mJ/cm2에서 평균 26.97 ㎛, 28.84 ㎛의 선폭을 얻었으며, 레이저 빔의 반경(w)이 20 ㎛에서, Roverlap = 93%, 83% 일 때 F=1,700 mJ/cm2에서 평균 542.77 ㎛, 46.09 ㎛의 어블레이션 라인 폭을 얻었다.
도 10은 본본 발명의 실시례에 따르는 희생 층의 두께(t)가 170 nm인 경우의 레이저 파라미터 중 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면이다.
도 10과 같이, 희생 층의 두께(t)가 170 nm인 경우, 레이저 빔 반경(w)이 10 ㎛에서, Roverlap = 83%, 66% 일 때 F=1,700 mJ/cm2에서 평균 28.36 ㎛, 31.94 ㎛의 선폭을 얻었으며, 레이저 빔 반경(w)이 20 ㎛에서, Roverlap = 93%, 83% 일 때 F=1,700 mJ/cm2에서 평균 44.95 ㎛, 50.07 ㎛의 선폭을 얻었다.
도 11은 발발명의 실시례에 따르는 희생 층의 두께(t)가 120 nm인 경우의 레이저 파라미터 중 플루언스에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향을 나타내는 도면이다.
도 11과 같이, 희생 층의 두께(t)가 120 nm인 경우, 레이저 빔 반경(w)이 10 ㎛에서, Roverlap = 83%, 66% 일 때 F=1,700 mJ/cm2에서 평균 22.58 ㎛, 29.68 ㎛의 선폭을 얻었으며, 레이저 빔 반경(w)이 20 ㎛에서, Roverlap = 93%, 83% 일 때 F= 1,700 mJ/cm2에서 평균 44.52 ㎛, 48.62 ㎛의 선폭을 얻었다.
* 어블레이션 라인 폭의 D2-law
도 12 내지 도 16은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭(L)의 D2-law 파라미터의 경향을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 12는 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 렌즈와 스테이지 사이의 거리에 따른 레이저 빔의 1/e2 반경의 경향을 나타내는 도면이다.
도 12와 같이, 렌즈와 스테이지 사이의 거리가 34 mm 인접 영역에서 1/e2 반경이 0의 값을 나타내는 것을 관찰하였다.
도 13은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 각각의 희생 층 코팅 두께(t) 별 어블레이션 라인 폭의 제곱(L2)의 로그 피팅(log-fitting)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 13과 같이, D2-law에서 크레이터 직경(C: crater diameter) 대신 어블레이션 라인(Ablation line)으로도 로그 피팅(log-fitting)에 있어 최소 R2의 값이 0.97499으로 로그 피팅(log-fitting)이 잘 맞는 것을 관찰하였다.
도 14는 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 물질 별 열 확산 길이의 경향을 나타내는 도면이다.
도 14와 같이, 금속과 비교해 일반적인 폴리머(polymer)들의 열 확산도(thermal diffusivity)가 1/1,000 정도 낮으며, 16 ns의 시간에 폴리머들은 열 확산 길이(thermal diffusivity length)가 선 폭(L)에 비해 짧게 관찰되었다. 따라서 어블레이션 라인으로도 로그 피팅(log-fitting)이 잘 맞는 것을 확인하였다.
어블레이션 라인에 의한 로그 피팅은
Figure 112018093536885-pat00005
에 의해 수행되고, 열 확산 길이(thermal diffusivity length)는
Figure 112018093536885-pat00006
이다. 여기서, w: 레이저 빔 반경, Fth: 어블레이션 임계 플루언스, F0: 레이저 피크 플루언스, C: 크레이터 직경(crater diameter), μ: 열 확산 길이(thermal diffusivity length), τ: 시간 (16 ns), α: 열 확산도(thermal diffusivity)이다.
도 15는 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 레이저 펄스 플루언스에 따른 어블레이션이 일어나지 않는 에지(edge)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 15와 같이, 레이저 빔 반경(w) = 20 ㎛, 피크 플루언스(peak fluence) = 6,800 [mJ/cm2]에서 어블레이션(ablation)이 일어나지 않는 에지(edge) 부분이 나타나는 것을 관찰했다.
도 16은 본 발명의 실시례에 따르는 어블레이션 라인 폭의 D2-law 파라미터 중 희생 층의 두께(t)에 따른 어블레이션이 일어나지 않는 에지(edge)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 16과 같이, 어블레이션이 일어나지 않는 에지(edge) 부분이 희생 층의 두께가 120 nm인 경우에서 약 14 ㎛까지 줄어들었다.
도 17은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 임계 플루언스(threshold fluence)의 희생 층 코팅 두께(t)에 따른 광학 특성을 나타내는 도면이다.
도 17과 같이, 희생 층의 두께(t)가 두꺼울수록 표면에서의 반사율은 큰 변화가 없지만 투과율이 감소하고 그로 인해 흡수율이 증가하는 것을 관찰하였다.
도 18은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 임계 플루언스(threshold fluence)와 흡수 임계 플루언스(threshold fluence)를 나타내는 도면이다.
도 18과 같이, 희생 층의 두께(t)가 두꺼울수록 표면에서의 반사율은 큰 변화가 없지만 투과율이 감소하고 그로 인해 흡수율이 증가하는 것을 관찰하였다.
도 19는 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 희생 층의 두께(t)에 따른 흡수 임계 플루언스(threshold fluence)를 나타내는 도면이다.
도 19와 같이, 희생 층 두께(t)가 두꺼울수록 흡수 임계 플루언스가 코팅 두께(t)에 따라 선형적으로 증가하는 것을 관찰하였다.
도 20은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 레이저 빔 반경(w) 및 희생 층 코팅 두께(t)에 따른 최소 관측된 잔여물 없는 플루언스(Minimum bosered residue fluence)를 나타내는 도면이다.
도 20과 같이, 전반적으로 220 nm 이하에서 오버랩핑 율(overlapping ratio) 이 더 많을수록 단위 길이 당 많은 레이저 빔이 조사되므로 더 낮은 플루언스에서 잔여물 없는 영역이 나타나는 것을 관찰하였다.
도 21은 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 희생 층의 두께에 따른 잔여물 없는 플루언스(Minimum observed residue fluence)에서의 어블레이션 라인 폭(ablation line width)(L)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 21과 같이, 희생 층의 두께에 따라 전반적으로 잔여물이 남지 않는 플루언스가 2배 정도 차이가 나지만 어블레이션 라인 폭(L)의 차이는 4 ㎛ 정도로 크지 않은 것을 관찰하였다.
도 22는 본 발명의 실시례에 따르는 파라미터 중 레이저 빔 크기에 따른 어블레이션 라인 폭(ablation line width)의 경향을 나타내는 도면이다.
도 22와 같이, 희생 층의 두께에 따른 잔여물이 남지 않는 플루언스의 평균 선폭은 빔 크기에 비례하나 빔 크기가 커지면 빔 프로파일이 불안정해 오차가 커지는 것이 관찰되었다. 따라서 상기 나노초 펄스 레이저는 빔 반경이 15 내지 50 ㎛인 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
상술한 본 발명의 실시례에 대한 실험 결과, 본 발명의 실시례에 따른 희생 층을 적용하여 코팅 막을 패터닝하는 경우, 블랙 폴리머 잉크 도포에 의해 생성된 마스크 레이어로서의 희생 층의 두께, 레이저 중첩도, 레이저 빔 크기에 따른 어블레이션 라인 폭의 경향과 잔여물이 남지 않는 플루언스(fluence)의 영역에서의 어블레이션 라인 폭을 파악하는 것이 중요한 것으로 관찰되었으며, 실시례에 따른 실험의 관찰 결과는 다음과 같다.
1) 희생 층의 두께 t = 220 nm에 레이저 빔 반경 w = 10 ㎛을 적용한 경우 오버랩 율(overlapping ratio)에 따른 선폭의 변화는 없었다. 스핀 코팅 RPM에 따라 410 nm, 220 nm. 170 nm, 120nm의 코팅 두께(t)를 가지는 희생 층이 형성된 샘플에 의한 실험 결과, 코팅 두께(t)가 두꺼워 질수록 어블레이션 선폭이 감소하는 것이 확인되었다. 플루언스에 따라서는 선폭이 증가하지만 광학 이미지(optical image)에서는 각 조건에 따라 잔여물 없는 영역이 나타나는 다른 플루언스를 관찰하였다.
2) 각 두께 별로 빔 사이즈와 빔의 중첩도에 따라 D2-law에서 크레이터 직경(C: crater diameter) 대신 어블레이션 라인(Ablation line)으로도 로그 피팅(log - fitting)에 있어 최소 R2의 값이 0.97499으로 로그 피팅(log - fitting)이 잘 맞아 선폭에 대한 예상이 가능한 것이 확인되었다. 이는 일반적인 폴리머(polymer)의 16 ns 시간 동안의 열확산율 길이(thermal diffusivity length)가 선폭에 비해 작기 때문이다.
3) 두께에 따라 표면에서 일어나는 반사율의 변화는 크지 않지만 두께가 두꺼워질수록 투과율이 작아져 흡수율이 증가하기 때문에 두께가 두꺼워 질수록 더 적은 에너지가 필요하고 임계 플루언스(Threshold fluence)가 감소한다. 또한 두께가 220 nm이하에서 오버랩 율(overlapping ratio)이 더 많을수록 단위 길이 당 많은 레이저 빔이 조사 되므로 더 낮은 플루언스(Fluence)에서 잔여물 없는(Residue free) 영역이 나타나지만 그 때의 어블레이션 라인 폭(ablation line width)은 차이가 없는 것으로 관찰되었다. 따라서 잔여물 없는 영역(residue free)의 어블레이션 라인 폭(ablation line width)은 빔 사이즈에 대해 비례하는 것을 확인할 수 있었다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시례에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시례가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 기판
20: 희생 층
30: 투명 산화물 층

Claims (13)

  1. 기판 상의 코팅 막 패턴이 형성되지 않는 비 패터닝 영역에 마스크 레이어로서의 희생 층을 형성하는 희생 층 형성 단계;
    상기 희생 층의 상부면과 상기 기판의 상부면 상에 상기 코팅 막 패턴으로 되는 목표 층을 형성하는 목표 층 형성 단계; 및
    상기 비 패터닝 영역에 레이저를 조사하여 상기 비 패터닝 영역의 상기 희생 층을 제거하는 것에 의해 상기 희생층 상부의 목표 층 영역을 함께 제거하여 잔류하는 목표 층들로 형성되는 코팅막 패턴을 형성하는 패터닝 단계;를 포함하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 층 형성 단계는,
    레이저에 의해 가열되어 제거되는 폴리머(polymer)를 상기 비 패터닝 영역에 선택적으로 도포하여 상기 희생 층을 형성하는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 희생 층 형성 단계의 상기 선택적 도포 방법은,
    잉크젯, EHD젯, 노즐젯, 그라비어오프셋, 리버스오프셋 중 어느 하나의 인쇄 기법을 포함하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 층 형성 단계는,
    포토레지스트를 상기 기판의 표면에 도포한 뒤 상기 비 패터닝 영역만 선택적으로 경화시키고 나머지 부분을 제거시킴으로써 상기 기판의 비 패터닝 영역에 상기 희생 층을 선택적으로 형성하는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 희생 층 형성 단계는,
    상기 포토레지스트를 500 내지 5,000 RPM으로 스핀 코팅하여 상기 희생 층을 형성하는 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 층 형성 단계는,
    상기 희생 층의 두께를 50 nm 내지 500 nm 범위를 가지도록 형성하는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 층 형성 단계는,
    투명 산화물을 코팅하여 상기 목표 층으로 형성하는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 층 형성 단계는,
    가시광영역(400nm~700nm)에서 70% 이상의　광투과도를 가지는 투명 산화막 층을 목표 층으로 형성하는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 패터닝 단계는,
    펄스 듀레이션이 1 내지 100 나노초인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 패터닝 단계는,
    빔 반경이 1 내지 50 ㎛인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 패터닝 단계는,
    플루언스가 100 내지 100,00 mJ/cm2인 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 패터닝 단계는,
    오버랩 율(Roverlap)이 30 ~ 90%로 펄스 레이저를 조사하여 수행되는 단계인 레이저와 희생 층을 이용한 코팅 막 패터닝 방법.
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