KR102146162B1 - 유리 마스크 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 마스크 두께를 마이크로미터 수준으로 하면서도 그 형상성을 유지할 수 있고 기판에 쉽게 척킹 할 수 있고 마스크와 기판의 열팽창률의 차이로 인해 증착 공정 중 발생하는 변형 문제를 해결할 수 있는 새로운 마스크를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 마이크로미터 수준의 얇은 유리를 마스크 소재로 하고, 유리마스크의 양면에 인바(invar)와 같이 열팽창 계수가 작은 물질을 코팅하고, 양면의 코팅층의 두께를 동일하게 또는 각각 다르게 형성하여 열팽창에 의한 변형을 방지한 유리마스크를 제공한다.

Description

유리 마스크{Glass Mask}

본 발명은 박막 증착용 마스크에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유리소재로 된 섀도마스크에 관한 것이다.

OLED 등의 반도체 소자 또는 평판 조명 소자를 형성하는 공정에서 기판에 원하는 패턴으로 물질을 형성하고자 할 경우, 기판에 마스크를 부착하고 물질을 증착하는 것이 일반적이다.

마스크는 대개 금속으로 구성되며, 패턴의 정밀도는 그 두께가 얇을수록 좋아진다. 패턴의 정밀도 향상을 위해 금속재 마스크의 두께를 μm 수준으로 얇게 할 경우, 문제는 그 형상성이 불안정해지는 것이다. 즉, 알루미늄 포일과도 같이 구겨지거나 늘어지게 되어 마스크로 사용할 수 없게 된다. 따라서 금속으로 마스크를 만들 경우, 쉐도우 현상이 생기더라도 취급상 문제가 없는 정도의 내구성을 유지할 수 있는 두께로 구성하고, 이들이 공정 중 처지거나 할 것을 감안하여 마스크 프레임에 마스크를 용접하여 사용하거나(대한민국등록특허제10-1002185) 별도의 탄성재를 구성하기도 한다(JP2005165015A). 이때 마스크 프레임은 무게가 많이 나가는 것으로 그 자체로서 취급이 어려우며, 마스크를 마스크 프레임에 고정하기 위해 신장시키는 작업을 요하여 셋팅 작업 또한 번거롭다.

따라서 본 발명의 목적은 마스크 두께를 마이크로미터 수준으로 하면서도 그 형상성을 유지할 수 있고 기판에 쉽게 척킹 할 수 있는 새로운 구성의 마스크를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 마스크와 기판의 열팽창률의 차이로 인해 증착 공정 중 발생하는 변형 문제를 해결할 수 있는 새로운 마스크를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 마이크로미터 수준의 얇은 유리를 마스크 소재로 하고, 유리마스크의 양면에 인바(invar)와 같이 열팽창 계수가 작은 물질을 코팅하고, 양면의 코팅층의 두께를 동일하게 또는 각각 다르게 형성하여 열팽창에 의한 변형을 방지한 유리마스크를 제공한다.

상기에서, 유리마스크의 양면에 열팽창계수가 서로 다른 물질을 코팅하고 코팅층의 두께를 조절하여 열팽창에 의한 변형을 방지할 수도 있다.

상기와 같은 유리마스크를 고정하는 마스크 프레임은 자석을 포함하고, 상기 유리마스크는 자성체를 포함하여 자력에 의해 유리마스크를 마스크 프레임에 고정할 수 있다.

본 발명의 유리마스크는 코팅층으로 인해 증착 공정 온도에서도 휨과 같은 변형이 방지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 유리마스크는 습식 에칭, 건식 에칭 등의 방식을 적용하여 마이크로미터 수준의 정밀한 패턴 형성이 가능하여 메탈 마스크에 비해 좀 더 용이하게 제작될 수 있고 공정 중 정밀도가 유지될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 유리마스크를 자력으로 마스크 프레임에 고정시킴으로써 취급 상 취약성을 극복할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유리마스크의 단면구성을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 유리마스크를 메탈 마스크 프레임과 결합하여 실제 공정에 사용할 수 있도록 구성한 것을 보여주는 단면도.
도 3은 50μm 및 100μm 두께의 유리마스크에 대해 코팅을 하지 않은 경우 대비 양면 코팅을 동일한 두께로 한 경우에 대해 10℃ 상승 시 변형량을 시뮬레이션한 결과표 및 해석에 사용한 3 layer 구조이다.
도 4는 도 3과 같은 실시예에 대한 컨투어 플롯이다.
도 5는 도 3의 유리마스크에 대해 양면에 코팅된 코팅층의 두께를 서로 달리한 경우에 대한 변형량 시뮬레이션 결과표이다.
도 6은 도 5의 실시예에 대한 컨투어 플롯이다.
도 7은 코팅을 하지 않은 유리마스크와 양면 코팅된 유리마스크에 대해 20℃ 온도 상승에 따른 변형량을 시뮬레이션한 결과표이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유리마스크(100)의 단면구성을 보여준다. 기본소재를 유리로 하기 때문에 마스크가 합착되는 유리기판과 같은 물성을 지녀 증착 공정 중 종래 메탈 마스크가 일으키는 열변형에 의한 문제가 거의 없으며, 유리마스크 양면에 코팅층을 형성하여 코팅층에 의해 유리마스크가 받는 열변형을 완화시켜 열팽창에 의한 변형 문제를 좀 더 완벽하게 방지한다.

즉, 본 발명은 본체를 유리로 만든 유리마스크의 변형을 방지하기 위해 코팅층을 인바(invar)와 같이 열팽창계수가 작은 금속으로 형성하여 증착공정 중 패턴의 정밀도를 유지시킨다. 인바 경우 박막을 코팅하는 방법으로는 스퍼터와 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 전주도금(전기도금) 등이 있다.

유리마스크(100)에 인바 코팅층(110)을 형성한 다음, PR 공정을 이용한 습식 에칭, 드라이 에칭(샌드 블라스팅, RIE)과 같은 방법으로 패턴을 형성한다. 상기 에칭 방법은 널리 알려진 기술로 자세한 공정의 설명은 생략한다. 마스크 미세 패턴 가공을 위해서 펨토초 레이저 또는 피코초 레이저 등의 극초단파 레이저를 이용할 수도 있다. 레이저 패터닝은 레이저 빔의 위치를 조정하여 원하는 위치에 직접 패턴을 형성하므로 PR 공정이 필요없는 특징이 있다.

또한, 본 발명은, 패턴이 형성된 유리마스크(100)의 이면에도 코팅층(120)을 형성한다. 이면에 형성되는 코팅층(120)은 전면에 형성된 코팅층(110)과 같은 물질로 이루어지고, 코팅층 두께는 동일하게 하거나 또는 서로 달리하여 열팽창에 따른 변형을 방지하게 할 수 있다. 상기한 예와 같이 유리마스크의 양면에 모두 인바 코팅층을 형성할 수 있다.

유리마스크(100)는 증착공정 중 일어나는 온도변화(대략 10℃ 내외)에 대해 거의 열변형이 일어나지 않으며, 유리마스크(100)에 형성된 코팅층(110)의 열팽창계수도 작아 증착공정 중 패턴의 변형없이 정밀도를 유지한다.

또한, 코팅층(110)과 같은 물질로 이루어진 이면의 코팅층(120)의 두께 t2를 코팅층(110)의 두께 t1과 달리하여 마스크 패턴의 정밀도를 더욱 견고히 유지하게 할 수 있다. 증발원이 있는 쪽에 위치하는 코팅층의 두께 t2를 유리기판에 접하는 코팅층의 두께 t1에 비해 더 두껍게 할 수 있다.

한편, 전면 코팅층(110)과 이면 코팅층(120)의 소재 자체를 달리할 수도 있다. 열팽창계수가 작은 금속 물질로는 인바, 코바(kovar) 등 Fe, Ni, Co 합금과 몰리브덴, 크롬, 텅스텐 등이 있으며, 더 작은 열팽창계수를 갖는 물질로 이루어진 코팅층의 두께를 좀 더 두껍게 형성할 수 있다. 서로 다른 물질로 된 코팅층의 두께는 서로 같게 설정될 수도 있다. 이때, 공정 온도에서 코팅층의 두께는 물질의 열팽창계수에 의한 열변형이 최소화될 수 있도록 산출된다.

코팅층(110,120)의 두께는 모두 마이크로미터 수준이며, 유리마스크 전체의 두께도 마이크로미터 수준으로 구성된다. 즉, 코팅층을 포함한 유리마스크 전체의 두께는 100μm 이하 인 것이 바람직하며, 그에 따라 코팅층의 두께는 1 내지 30μm 정도로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 유리마스크를 마스크 프레임에 장착한 것을 보여준다.

유리마스크(100)의 취약성을 고려하여 유리마스크(100)를 금속으로 제작된 마스크 프레임(200)에 고정하여 사용한다. 유리마스크의 취약성으로 인해 마스크 프레임(200)과의 고정은 자력을 이용하도록 구성한다. 유리마스크를 자력으로 고정하기 위해 유리마스크(100)의 소재 자체를 산화철 입자와 같은 강자성 입자를 포함한 자성 유리를 사용할 수 있다. 그러나 일반 유리를 사용한 경우에도 코팅층이 인바 등 자성을 나타내는 소재로 이루어져 있는 경우에는 코팅층에 의해 자력으로 마스크 프레임에 고정될 수 있다. 마스크 프레임(200)에는 유리마스크 가장자리를 따라 자석(300)을 배열하여 유리마스크(100)를 자력으로 마스크 프레임에 고정시킨다.

한편, 증착공정 중에 기판과 유리마스크(100)가 밀착되도록 기판과 유리마스크와의 밀착면의 반대편(상향식 증착원 사용 시 기판의 상부)에 자석배열체를 배치하여 유리마스크(100)를 기판쪽으로 당겨주도록 한다.

이와 같이 하여 유리마스크를 구성할 수 있다.

다음으로, 유리마스크의 코팅에 따른 온도변화시 변형량에 대한 구조해석을 통한 시험 결과를 살핀다. 구조해석은 Ansys 상용 구조해석 소프트웨어를 이용하여 실시하였다. 패턴이 형성되지 않은 마스크 시트의 변형량으로부터 마스크 변형에 대해 간접적인 정보를 얻어 비교하였다. 글라스는 코닝사의 디스플레이용 글라스인 Eagle2000 또는 이와 동등한 소재가 사용된 것으로 가정하였고, 해석에 적용된 물성도 Eagle2000과 동일하다.

도 3은 50μm 및 100μm 두께의 유리마스크에 대해 코팅을 하지 않은 경우 대비 양면 코팅을 동일한 두께로 한 경우에 대해 10℃ 상승 시 변형량을 시뮬레이션한 결과표이다.

인바/유리/인바 3 레이어로 구성된 100x80mm² 샘플 형태에서 길이 80mm 에지를 고정한 조건에서 구조해석을 실시하였다. -Z가 중력이 방향이고, 온도는 상온으로부터 10℃ 상승하는 조건을 적용하였다. 코팅을 하지 않은 유리마스크의 경우 본래 유리 두께가 50 μm이면 변형량이 386 μm 이고, 본래 유리 두께가 100 μm이면 변형량이 393 μm이다. 코팅을 한 경우는 변형량이 222 ~ 374 μm으로 코팅에 의해 변형이 감소하는 효과가 있음을 알 수 있다.

도 4는 도 3과 같은 실시예에 대한 컨투어 플롯이다. 이로부터 변형량의 차이를 육안으로 확인할 수 있다.

도 5는 도 3의 유리마스크에 대해 양면에 코팅된 코팅층의 두께를 서로 달리한 경우에 대한 변형량 시뮬레이션 결과표이다. 시뮬레이션에서 유리층의 두께는 50μm과 100μm으로 설정하였다. 50μm 경우 인바층 두께 t1, t2를 조절함에 따라 변형량이 200μm까지 줄어들었고, 코팅을 하지 않은 경우 변형량 386 μm에 비해 상당히 감소한 것으로 나타났다. 100μm 경우에도 인바층 두께 t1, t2에 따라 변형량이 다르게 나타나고, 코팅을 하지 않은 경우 변형량 393μm로부터 117μm까지 변형량 감소가 나타났다.

도 6은 도 5의 실시예에 대한 컨투어 플롯이다.

도 7은 코팅을 하지 않은 유리마스크와 양면 코팅된 유리마스크에 대해 20℃ 온도 상승에 따른 변형량을 시뮬레이션한 결과표이다.

공정 중 온도상승 ΔT = 20 ^oC 로 가정하고, 유리마스크 변형 해석을 실시하였다. 코팅하지 않은 유리마스크 경우 최대 변형량이 546 μm임에 반해, 코팅한 경우에는 t1, t2 두께 조절에 따라 196μm 정도까지 변형량 감소 효과가 나타났다. 증발원 쪽에 코팅 두께 t2보다 반대면의 두께 t1이 큰 경우는 변형량 감소 효과가 줄어들었다. ΔT = 20 ^oC로 온도상승 폭이 커지는 경우에도 유리마스크 코팅 두께 조절에 의한 변형 감소 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 유리마스크
110, 120: 코팅층
200: 마스크 프레임
300: 자석

Claims (5)

1. 증착공정용 마스크로서,
   유리로 된 마스크 본체에 유리보다 열팽창 계수가 작은 물질로 된 코팅층을 포함하되, 상기 코팅층은 인바, 코바(kovar), Fe, Ni, Co중 하나 이상을 포함한 합금, 크롬, 텅스텐 중 어느 하나 이상을 포함하고,
   증발원이 있는 쪽에 위치하는 코팅층의 두께 t2를 유리기판에 접하는 코팅층의 두께 t1에 비해 더 두껍게 형성한 것을 특징으로 하는 유리마스크.
2. 제1항에 있어서, 유리마스크 전면과 이면에 형성된 코팅층은 같은 물질로 구성되되, 두께가 서로 같거나 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 유리마스크.
3. 제1항에 있어서, 유리마스크 전면과 이면에 형성된 코팅층은 서로 다른 물질로 구성되고, 더 작은 열팽창계수를 갖는 물질로 이루어진 코팅층의 두께를 더 두껍게 형성한 것을 특징으로 하는 유리마스크.
   
4. 삭제
5. 제1항의 유리마스크를 고정하는 마스크 프레임으로서,
   상기 마스크 프레임은 자석을 포함하고, 상기 유리마스크는 자성체를 포함하여 자력에 의해 유리마스크를 마스크 프레임에 고정하는 것을 특징으로 하는 마스크 프레임.
   

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