KR102599319B1 - 패턴 형성 장치 - Google Patents
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Abstract
유기물을 포함하는 재료를 이용하여, 기판 위에 패턴을 높은 정밀도로 형성할 수 있는 패턴 형성 장치를 제공한다. 패턴 형성 장치는 접지된 기판에 대향하여 배치되며, 시료를 포함하는 용액을 저류 가능한 캐필러리, 상기 캐필러리에 전압을 인가하는 전원, 상기 캐필러리와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 시료를 통과시키는 개구를 구비한 스텐실 마스크, 상기 스텐실 마스크를 상기 시료가 통과하는 방향에 교차하는 교차 방향으로 이동시키는 교차 방향 액추에이터를 갖는다.
Description
본 발명은 패턴 형성 장치에 관한 것이다.
예를 들어 반도체의 제조 기술 분야에서는, 포토레지스트에 의한 마스킹 방법에 의해 주로 금속이나 산화물·질화물 등의 무기물의 박막을 패터닝하는 기술이 발달하고 있으며, 100 nm 이하의 선폭의 패턴 형성도 이미 실용에 제공되고 있다. 이들 패터닝에 이용되는 방법으로는, 진공 증착(저항 가열식, 전자빔식, 스퍼터링 등)에 의한 박막 재료의 형성과, 패턴 형성된 포토레지스트에 의한 에칭(드라이, 웨트)이 주류를 이루고 있다.
한편, 합성 유기 고분자, 유기물, 생체 고분자(단백질, DNA 등)의 무기물 이외의 재료를 이용한 미세한 패터닝 방법에 대해서는, 반도체의 제조 기술 분야를 직접 전용할 수는 없다. 이들 재료는 일반적으로 열이나 진공에 약해, 진공 증착과 같은 방법을 이용할 수 없을 뿐만 아니라, 포토레지스트 등의 마스킹 재료를 상면에 도포한 경우에 박리가 불가능해지는 경우가 많기 때문이다.
또한, 무기물 이외의 재료 중에는, 드라이·웨트를 불문하고 에칭과 같은 강력한 화학 반응에 의해 변성되는 물질도 많이 존재한다. 때문에, 이러한 유기 물질·생체 고분자 등의 패터닝에 대해서는, 스크린 프린팅, 스포팅, 컨택트 프린팅 등의 방법이 이용되고 있으나, 이들 방법으로는 마이크로·나노 패턴 형성을 높은 정밀도로 수행하는 것이 어렵다.
이에 대해 특허 문헌 1에는, 일렉트로스프레이 디포지션(electrospray deposition)법을 이용하여 도전성 기판 위의 도전성 패턴 위에 시료 용액을 부착시켜, 원하는 기능을 갖는 패턴을 형성하는 유기 EL 소자의 제조 방법이 제안되어 있다.
비특허문헌 1: 김준완, 외 4명, ‘정전 렌즈를 이용한 일렉트로스프레이 디포지션(ESD)법에 의한 마이크로 패터닝’, 일본 기계 학회 2018년도 연차 대회 강연 논문집, 일반 사단 법인 일본 기계 학회
특히, 일렉트로스프레이 디포지션법에 스텐실 마스크를 조합한 방법으로는 상기 재료를 광범위하고 정밀하게 마이크로 패터닝할 수 있다. 일렉트로스프레이 디포지션법에 의해 전기적으로 분무된 재료 용액은 공기 중에서 순간적으로 건조되어, 마른 상태에서 재료가 기판에 퇴적되기 때문에, 이론상 입자 직경인 수십 nm의 패턴의 형성이 가능하다.
그러나, 종래의 스텐실 마스크는 구멍의 나노 가공을 수행하는 것이 어렵고, 또한 입자가 구멍을 막을 가능성도 높기 때문에, 이에 의해 나노 스케일의 패터닝이 방해된다.
이에 대해, 비특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 재료 용액을 넣는 캐필러리와 기판 사이의 전기장을 변화시킴으로써, 입자 궤도를 능동적으로 제어할 수 있는 신규한 스텐실 마스크가 제안되어 있다. 이 신규한 스텐실 마스크를 이용함으로써, 입자가 막히지 않고 기판에 나노 레벨로 퇴적될 수 있다.
그러나, 입자를 나노 레벨로 기판에 퇴적했다고 하더라도, 그것만으로는 복잡한 형상의 패턴을 형성할 수 없다.
본 발명은 유기물을 포함하는 재료를 이용하여, 기판 위에 패턴을 높은 정밀도로 형성할 수 있는 패턴 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 대표적인 본 발명의 패턴 형성 장치의 하나는,
접지된 기판에 대향하여 배치되며, 시료를 포함하는 용액을 저류 가능한 캐필러리,
상기 캐필러리에 전압을 인가하는 전원,
상기 캐필러리와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 시료를 통과시키는 개구를 구비한 스텐실 마스크,
상기 스텐실 마스크를 상기 시료가 통과하는 방향에 교차하는 교차 방향으로 이동시키는 교차 방향 액추에이터를 포함하는 패턴 형성 장치에 있어서,
접지된 기판에 대향하여 배치되며, 시료를 포함하는 용액을 저류 가능한 캐필러리,
상기 캐필러리에 전압을 인가하는 전원,
상기 캐필러리와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 시료를 통과시키는 개구를 구비한 스텐실 마스크,
상기 스텐실 마스크를 상기 시료가 통과하는 방향에 교차하는 교차 방향으로 이동시키는 교차 방향 액추에이터를 포함하는 패턴 형성 장치에 있어서,
상기 스텐실 마스크는, 서서히 저전압이 되도록 전압을 인가하여 슬릿이 기판을 향함에 따라 짜내지듯이 구부러지는 전기력을 형성하여 패턴이 슬릿의 사이즈보다 작게 형성되도록 제1절연체와 제1도전체를 적층하여 이루어지는 제1층, 제2절연체와 제2도전체를 적층하여 이루어지는 제2층, 제3절연체와 제3도전체를 적층하여 이루어지는 제3층, 제4절연체와 제4도전체를 적층하여 이루어지는 제4층이 순서대로 Z방향의 계단형상으로 서서히 폭이 좁아지도록 적층되어 형성된다.
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본 발명에 의하면, 유기물을 포함하는 재료를 이용하여, 기판 위에 패턴을 높은 정밀도로 형성할 수 있는 패턴 형성 장치를 제공할 수 있다.
상기한 이외의 과제, 구성 및 효과는 이하의 실시 형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 패턴 형성 장치(1)의 개략도이다.
도 2는 xyz 스테이지의 사시도이다.
도 3은 xyz 스테이지의 평면도이다.
도 4는 스텐실 마스크의 슬릿을 길이 방향에 직교하는 면에서 절단하여 나타내는 확대 사시도이며, 패턴을 구멍의 사이즈보다 작게 할 수 있는 것을 나타내고 있다.
도 5는 간략화하여 도시한 xyz 스테이지를 기판과 함께 나타내는 xz면의 단면도이며, 2차원(XY) 패턴과 3차원(XYZ) 패턴을 형성할 수 있는 것을 나타내고 있다.
도 6은 패턴의 멀티어레이화가 가능한 제2 실시 형태에 따른 패턴 형성 장치의 개략도이다.
도 7은 간략화하여 도시한 xyz 스테이지를 기판과 함께 나타내는 xz면의 단면도이며, 패턴의 멀티어레이화가 가능한 것을 나타내고 있다.
도 2는 xyz 스테이지의 사시도이다.
도 3은 xyz 스테이지의 평면도이다.
도 4는 스텐실 마스크의 슬릿을 길이 방향에 직교하는 면에서 절단하여 나타내는 확대 사시도이며, 패턴을 구멍의 사이즈보다 작게 할 수 있는 것을 나타내고 있다.
도 5는 간략화하여 도시한 xyz 스테이지를 기판과 함께 나타내는 xz면의 단면도이며, 2차원(XY) 패턴과 3차원(XYZ) 패턴을 형성할 수 있는 것을 나타내고 있다.
도 6은 패턴의 멀티어레이화가 가능한 제2 실시 형태에 따른 패턴 형성 장치의 개략도이다.
도 7은 간략화하여 도시한 xyz 스테이지를 기판과 함께 나타내는 xz면의 단면도이며, 패턴의 멀티어레이화가 가능한 것을 나타내고 있다.
본 발명의 패턴 형성 장치는, 접지된 기판에 대향하여 배치되며, 시료를 포함하는 용액을 저류 가능한 캐필러리, 상기 캐필러리에 전압을 인가하는 전원, 상기 캐필러리와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 시료를 통과시키는 개구를 구비한 스텐실 마스크, 상기 스텐실 마스크를 상기 시료가 통과하는 방향에 교차하는 교차 방향으로 이동시키는 교차 방향 액추에이터를 포함하는 패턴 형성 장치에 있어서,상기 스텐실 마스크는, 서서히 저전압이 되도록 전압을 인가하여 슬릿이 기판을 향함에 따라 짜내지듯이 구부러지는 전기력을 형성하여 패턴이 슬릿의 사이즈보다 작게 형성되도록 제1절연체와 제1도전체를 적층하여 이루어지는 제1층, 제2절연체와 제2도전체를 적층하여 이루어지는 제2층, 제3절연체와 제3도전체를 적층하여 이루어지는 제3층, 제4절연체와 제4도전체를 적층하여 이루어지는 제4층이 순서대로 Z방향의 계단형상으로 서서히 폭이 좁아지도록 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 따른 패턴 형성 장치(1)의 개략도이다. 여기서, 패턴 형성 장치(1)의 축선을 z방향(높이 방향)으로 하고, z방향에 직교하는 동시에 서로 직교하는 방향(교차 방향)을 x방향 및 y방향으로 한다. 아울러, 패턴을 형성하는 대상은 도전성 기판이 바람직하지만, 도전성 기판을 샌드위치된 절연체 기판이면 패터닝이 가능하다.
패턴 형성 장치(1)는 캐필러리(10), 콜리메이트 전극(20), 1차 전자 코일(30), 2차 전자 코일(40), xyz 스테이지(50), 전자석(60)을 가지며, 이들은 z방향을 따라 이 순서로 배치되어 있다. 패턴이 형성되는 기판(SB)은 xyz 스테이지(50)와 전자석(60) 사이에 배치된다.
캐필러리(10)는 용액(SL)을 저류하며, 또한 고압 전원(11)에 접속되어 고전압을 인가 가능하도록 되어 있다. 용액(SL)으로서는, 나노 사이즈의 기능성 고분자, 생체 고분자(단백질, DNA), 무기 물질, 유기 고분자 등을 시료로서 포함하는 용액 또는 용매이면 바람직하다.
콜리메이트 전극(20)은 강체에 지지되고, 제1 내경을 구비한 환형체이며, 고압 전원(21)에 접속되어 고전압을 인가 가능하도록 되어 있다.
1차 전자 코일(30)은 강체에 지지되고, 제1 내경과 거의 동일한 내경을 구비한 통형체이며, 도시하지 않은 전원으로부터 전기를 공급받음으로써 제1 자계를 발생시킨다.
2차 전자 코일(40)은 강체에 지지되고, 제1 내경보다 작은 제2 내경을 구비한 통형체이며, 도시하지 않은 전원으로부터 전기를 공급받음으로써 제2 자계를 발생시킨다. 아울러, 콜리메이트 전극(20), 1차 전자 코일(30), 2차 전자 코일(40)은 캐필러리(10)로부터 확산되는 용액을 집속시키는 기능을 갖는데, 패턴 형성 장치(1)에 필수 구성은 아니며, 필요에 따라 선택하면 무방하다.
도전성 기판(SB)은 강체에 지지되고, 접지되어 어스 전위로 되어 있다. 때문에, 캐필러리(10)와 기판(SB) 사이에는 정전기장이 형성된다.
전자석(60)은 강체에 지지되고, 도시하지 않은 전원으로부터 전기를 공급받아 자계를 발생하며, xyz 스테이지(50)의 스텐실 마스크(54)를 z방향으로 구동하는 기능을 갖는다.
그 다음, xyz 스테이지(50)에 대해 설명한다.
도 2는 xyz 스테이지(50)의 사시도이다. 도 3은 xyz 스테이지(50)의 평면도이다.
xyz 스테이지(50)는 도시하지 않은 강체에 연결된 정사각형 형상의 큰 틀(51), 큰 틀(51)의 내측에 배치된 정사각형 형상의 중간 틀(52), 중간 틀(52)의 내측에 배치된 정사각형 형상의 작은 틀(53), 작은 틀(53)의 내측에 배치된 정사각형판 형상의 스텐실 마스크(54)를 갖는다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 큰 틀(51)은 직사각형틀 형상의 절연체에 예를 들어 니켈 소재의 도체부(CD1~CD6)(진한 색 부분)를 피복한 것이며, 원주 방향으로 인접하는 도체부(CD1~CD6)끼리는 절연부(IS)(옅은 색 부분)가 사이에 개재하여 절연된다. 또한, 중간 틀(52)도 직사각형틀 형상의 절연체에 예를 들어 니켈 소재의 도체부(CD7~CD10)(진한 색 부분)를 피복한 것이며, 원주 방향으로 인접하는 도체부(CD7~CD10)끼리는 절연부(IS)(옅은 색 부분)가 사이에 개재하여 절연된다. 한편, 작은 틀(53)은 전체 둘레가 니켈 소재의 도체부이다.
큰 틀(51)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(側緣)(51a, 51b)의 도체부(CD6, CD3)에는, x방향을 따라 중간 틀(52)을 향해 연장되어 존재하는 복수의 빗살(51c, 51d)이 각각 연결되어 있다. 한편, 중간 틀(52)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(52a, 52b)의 도체부(CD10, CD8)에는, x방향을 따라 큰 틀(51)을 향해 연장되어 존재하는 복수의 빗살(52c, 52d)이 각각 연결되어 있다.
니켈 소재의 빗살(51c, 51d) 및 빗살(52c, 52d)은 y방향을 따라 서로 간극을 두고 교대로 배치되어 있다. 제1 세트의 빗살인 빗살(51c, 51d) 및 빗살(52c, 52d)이 x방향 빗살형 정전 액추에이터(제1 액추에이터)를 구성한다.
각각 한쌍의 외측 스프링(55a, 55b)은, 예를 들어 도전성을 갖는 니켈 소재이다. 여기서, 편의상, 도 3에서 좌상의 외측 스프링을 55a(L)로 하고, 우상의 외측 스프링을 55a(R)로 하고, 좌하의 외측 스프링을 55b(L)로 하고, 우하의 외측 스프링을 55b(R)로 칭한다.
외측 스프링(55a(L))이 큰 틀(51)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(51e)의 도체부(CD1)와, 중간 틀(52)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(52e)의 도체부(CD7)를 연결하도록 배치되어 있다. 또한, 외측 스프링(55a(R))이 큰 틀(51)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(51e)의 도체부(CD2)와, 중간 틀(52)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(52e)까지 돌아 들어가는 도체부(CD8)를 연결하도록 배치되어 있다.
외측 스프링(55b(L))이 큰 틀(51)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(51f)의 도체부(CD5)와, 중간 틀(52)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(52f)까지 돌아 들어가는 도체부(CD10)를 연결하도록 배치되어 있다. 또한, 외측 스프링(55b(R))이 큰 틀(51)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(51f)의 도체부(CD4)와, 중간 틀(52)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(52f)의 도체부(CD9)를 연결하도록 배치되어 있다.
또한, 중간 틀(52)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(52e, 52f)의 도체부(CD7, CD9)에는, y방향을 따라 작은 틀(53)을 향해 연장되어 존재하는 복수의 빗살(52g, 52h)이 각각 연결되어 있다. 한편, 작은 틀(53)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(53e, 53f)에는, y방향을 따라 중간 틀(52)을 향해 연장되어 존재하는 복수의 빗살(53g, 53h)이 각각 연결되어 있다.
니켈 소재의 빗살(52g, 52h) 및 빗살(53g, 53h)은 x방향을 따라 서로 간극을 두고 교대로 배치되어 있다. 제2 세트의 빗살인 빗살(52g, 52h) 및 빗살(53g, 53h)이 y방향 빗살형 정전 액추에이터(제2 액추에이터)를 구성한다.
외측 스프링(55c, 55d)도 도전성을 갖는 니켈 소재이다. 한쌍의 외측 스프링(55c)이 중간 틀(52)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(52a)의 도체부(CD10)와, 작은 틀(53)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(53a)을 연결하도록 배치되어 있다. 또한 한쌍의 외측 스프링(55d)이 중간 틀(52)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(52b)의 도체부(CD8)와, 작은 틀(53)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(53b)을 연결하도록 배치되어 있다. 도체부(CD10)는 외측 스프링(55b(L))을 통해 접지되고, 도체부(CD8)는 외측 스프링(55a(R))을 통해 접지되며, 작은 틀(53)은 외측 스프링(55c, 55d)을 통해 접지되어 있다.
외측 스프링(55a(L)), 좌측의 외측 스프링(55b(R)) 및 빗살(51c, 51d)이 제어용 전극이다. 외측 스프링(55a(R)), 외측 스프링(55b(L))이 접지된 상태에서, 도시하지 않은 제어 장치로부터 도체부(CD6 또는 CD3)에 전압을 인가함으로써, 빗살(51c, 52c) 또는 빗살(51d, 52d)의 사이에 정전기력이 발생한다. 이와 같은 정전기력에 의해, 측연(51a, 52a)을 x방향 마이너스 방향(제1 방향)으로 상대 변위시키는 구동력이 발생하며, 또는 측연(51b, 52b)을 x방향 플러스 방향(제1 방향)으로 상대 변위시키는 구동력이 발생한다. 빗살(51c, 52c) 또는 빗살(51d, 52d)이 발생한 구동력에 의해, 외측 스프링(55a, 55b)의 탄성력에 저항하여, 큰 틀(51)에 대해 중간 틀(52)이 작은 틀(53) 및 스텐실 마스크(54)와 함께 x방향으로 변위한다. 도체부(CD6 또는 CD3)에 전압을 인가하지 않으면, 외측 스프링(55a, 55b)의 탄성력에 의해, 중간 틀(52)은 큰 틀(51)에 대해 x방향의 중립 위치로 복귀한다.
또한 도시하지 않은 제어 장치로부터 도체부(CD1 또는 CD4)에 전압을 인가함으로써, 빗살(52g, 53g) 또는 빗살(52h, 53h)의 사이에 정전기력이 발생한다. 이와 같은 정전기력에 의해, 측연(52e, 53e)을 y방향 마이너스 방향(제2 방향)으로 상대 변위시키는 구동력이 발생하며, 또한 측연(52f, 53f)을 y방향 플러스 방향(제2 방향)으로 상대 변위시키는 구동력이 발생한다. 빗살(52c, 53g) 또는 빗살(52h, 53h)이 발생한 구동력에 의해, 외측 스프링(55c, 55d)의 탄성력에 저항하여, 중간 틀(52)에 대해 작은 틀(53)이 스텐실 마스크(54)와 함께 y방향으로 변위한다. 도체부(CD1 또는 CD4)에 전압을 인가하지 않으면, 외측 스프링(55c, 55d)의 탄성력에 의해, 작은 틀(53)은 중간 틀(52)에 대해 y방향의 중립 위치로 복귀한다.
스텐실 마스크(54)는 강자성체를 갖는 니켈 소재이며, z방향으로 관통하는 복수의 슬릿(54a)을 갖는다. 슬릿 대신 관통공을 마련할 수도 있다. 슬릿이나 관통공을 개구라고 한다.
스프링 강재를 절곡하여 형성된 스프링(56a)이 작은 틀(53)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(53a)의 중앙부와, 그에 대향하는 스텐실 마스크(54)의 외연 중앙부의 사이에 배치되며, 또한 스프링 강재를 절곡하여 형성된 스프링(56b)이 작은 틀(53)의 x방향으로 대향하여 배치되는 측연(53b)의 중앙부와, 그에 대향하는 스텐실 마스크(54)의 외연 중앙부의 사이에 배치된다.
또한 스프링 강재를 절곡하여 형성된 스프링(56c)이 작은 틀(53)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(53e)의 중앙부와, 그에 대향하는 스텐실 마스크(54)의 외연 중앙부의 사이에 배치되며, 또한 스프링 강재를 절곡하여 형성된 스프링(56d)이 작은 틀(53)의 y방향으로 대향하여 배치되는 측연(53f)의 중앙부와, 그에 대향하는 스텐실 마스크(54)의 외연 중앙부의 사이에 배치된다. 스프링(56a~56d)은 공통 형상을 가지며, 또한 스텐실 마스크(54)에 대해 절연된 상태로 장착되어 있다.
도 4는 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)을 길이 방향에 직교하는 면에서 절단하여 나타내는 확대 사시도이며, 패턴을 슬릿(54a)의 사이즈보다 작게 할 수 있는 것을 나타내고 있다. 스텐실 마스크(54)는 제1 절연체(54c1)와 제1 도전체(54c2)를 적층하여 이루어지는 제1 층(54c), 제2 절연체(54d1)와 제2 도전체(54d2)를 적층하여 이루어지는 제2 층(54d), 제3 절연체(54e1)와 제3 도전체(54e2)를 적층하여 이루어지는 제3 층(54e), 제4 절연체(54f1)와 제4 도전체(54f2)를 적층하여 이루어지는 제4 층(54f)을 이 순서로 z방향으로 적층함으로써 형성된다. 제1 층(54c)~제4 층(54f)은 장공을 각각 동일 방향(여기서는 y방향)으로 나란히 중첩하여 갖는다.
최상층인 제1 층(54c)의 장공의 폭이 가장 크고, 기판(SB)에 가까워짐에 따라 장공의 폭이 좁아지며, 최하층인 제4 층(54f)의 장공의 폭이 가장 작다. 중첩된 장공에 의해, 단면이 계단 형상인 슬릿(54a)이 형성된다. 아울러, 스텐실 마스크(54)의 적층수는 4층으로 한정되지 않는다.
최상층인 제1 층(54c)의 제1 도전체(54c2)에 제1 전압이 인가되고, 제2 층(54d)의 제2 도전체(54d2)에 제1 전압보다 낮은 제2 전압이 인가되고, 제3 층(54e)의 제3 도전체(54e2)에 제2 전압보다 낮은 제3 전압이 인가되고, 최하층의 제4 층(54f)의 제4 도전체(54f2)에 제3 전압보다 낮은 제4 전압이 인가된다.
도 1에서, 스텐실 마스크(54)의 z방향 하부에는, 기판(SB)을 사이에 두고 전자석(60)이 배치되어 있다. 도시하지 않은 제어 장치로부터 인가되는 전압에 의해 전자석(60)에 자력이 발생하고, 이 자력에 의해, 스프링(56a~56d)의 탄성력에 저항하여, 스텐실 마스크(54)를 전자석(60)을 향하는 방향으로 흡인할 수 있다. 이로써, 전자석(60)의 흡인력과 스프링(56a~56d)의 탄성력의 균형이 잡히는 높이 위치에서 스텐실 마스크(54)가 정지(靜止)하기 때문에, 전자석(60)에 인가되는 전압을 변경함으로써 스텐실 마스크(54)의 높이 위치의 조정을 할 수 있다. 전자석(60)이 z방향 액추에이터를 구성한다.
(패턴 형성 장치의 동작)
고압 전원(11)으로부터 캐필러리(10)에 고전압이 인가됨으로써, 그 선단으로부터 용액(SL)이 미세한 액적으로서 분출하고, 양의 전하를 띤 액적은 어스 전위가 된 기판(SB)을 향해 진행한다. 캐필러리(10)로부터 스프레이된 직후의 액적은 삼각뿔 형상으로 퍼져 스프레이 프레임(SF)을 형성한 상태에서, 콜리메이트 전극(20) 내로 진입한다.
콜리메이트 전극(20)에는, 스프레이 프레임(SF)이 퍼져 액적이 패턴 형성에 유효하게 사용되지 않는 것을 억제하기 위해, 고압 전원(21)으로부터 공급된 전압이 인가된다. 이로써, 콜리메이트 전극(20)을 통과하는 액적은 1차 전자 코일(30)을 향해 대략 평행하게 진행하여, 비행 중에 단시간에 급속히 건조하여, 미세한 입자가 되어 1차 전자 코일(30) 내로 진입한다.
1차 전자 코일(30)을 통과한 입자는 자계의 작용에 의해 집속되어, 보다 소경인 2차 전자 코일(40)로 향한다. 2차 전자 코일(40)을 통과한 입자는 다시 자계의 작용에 의해 집속되어, xyz 스테이지(50)의 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)에 이른다.
슬릿(54a)은 최상층으로부터 최하층을 향함에 따라 계단 형상으로 서서히 폭이 좁아지도록 형성되며, 또한 각층의 도전체에 최상층으로부터 최하층을 향함에 따라 서서히 저전압이 되도록 전압을 인가하고 있기 때문에, 슬릿(54a)에는 기판(SB)을 향함에 따라 짜내지듯이 구부러지는 전기력선(EL)이 형성된다(도 4 참조). 이로써, 패턴을 슬릿(54a)의 사이즈보다 작게 형성할 수 있다. 슬릿(54a)에 진입한 입자는 양의 전하를 띠고 있기 때문에, 전기력선(EL)을 따라 집속되면서, 슬릿(54a)의 내벽에 접촉하지 않고 통과하여, 도전성의 기판(SB)에 정전기력에 의해 끌어당겨져 퇴적된다. 이로써, 마이크로·나노 레벨의 폭을 갖는 퇴적물이 슬릿(54a)에 막히지 않고 기판(SB)에 부착하게 된다.
그 다음, 패턴 형성 장치(1)에서의 패터닝을 수행하는 동작에 대해 설명한다. 도 5는 간략화하여 도시한 xyz 스테이지(50)를 기판(SB)과 함께 나타내는 xz면의 단면도이며, 패터닝의 스텝을 나타내고 있다. 여기서는 이해하기 쉽도록, 스텐실 마스크(54)는 단일의 슬릿(54a)만을 나타내고 있다. 아울러, 초기 상태에서, 전자석(60)에 소정 전압이 인가됨으로써, 스텐실 마스크(54)는 기판(SB)으로부터 소정 거리를 두고 정지하고 있다.
상술한 바와 같이 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)을 통과함으로써 집속된 입자의 퇴적물(SD1)을 기판(SB) 위의 소정 위치에 부착시킨다(도 5(a)).
이어서, xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 x방향으로 1스텝 변위시키고, 다음 퇴적물(SD2)을 퇴적물(SD1)에 인접하여(또는 약간의 간극을 두고) 기판(SB) 위에 부착시킨다(도 5(b)).
이어서, xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 x방향으로 다시 1스텝 변위시키고, 다음 퇴적물(SD3)을 퇴적물(SD2)에 인접하여(또는 약간의 간극을 두고) 기판(SB) 위에 부착시킨다(도 5(c)).
이상에 의해, 퇴적물(SD1~SD3)을 x방향을 따라 나란히 패터닝을 수행할 수 있다. 또한, 동일한 순서로, xyz 스테이지(50)의 y방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 y방향으로 변위시킴으로써, 기판(SB) 위에서 퇴적물을 2차원(XY)의 패턴 배치로 형성할 수 있다.
아울러, 스텐실 마스크(54)를 x방향 또는 y방향으로 변위시킬 때에는, 전자석(60)에 인가되는 전압을 낮게 함으로써, 스텐실 마스크(54)를 z방향으로 상승시킬 수도 있다. 이로써, 스텐실 마스크(54)를 기판(SB)에 대해 x방향 또는 y방향으로 평행 이동할 때, 퇴적물과 간섭되는 것을 피할 수 있다. x방향 또는 y방향으로 변위한 후, 전자석(60)에 인가되는 전압을 높게 함으로써, 스텐실 마스크(54)가 원래의 위치까지 하강한다.
또한, 퇴적물(SD1) 위에 퇴적물을 적층하는 경우, 슬릿(54a)이 퇴적물(SD1) 위에 위치하도록 xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터 또는 y방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 변위시킨다. 그 후, 전자석(60)에 인가되는 전압을 낮게 함으로써, 스텐실 마스크(54)를 z방향으로 퇴적물(SD1)의 높이에 상당하는 만큼 상승시켜, 다시 퇴적물(SD1) 위에 퇴적물(SD4)을 퇴적시킨다(도 5(d)).
또한, 퇴적물(SD4) 위에 퇴적물을 적층하는 경우, 계속해서 전자석(60)에 인가되는 전압을 낮게 함으로써, 스텐실 마스크(54)를 z방향으로 퇴적물(SD4)의 높이에 상당하는 만큼 상승시키고, 그 후, 퇴적물(SD4) 위에 퇴적물(SD5)을 퇴적시킨다(도 5(e)). 이상으로부터 명백하지만, xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터 및 y방향 액추에이터(교차 방향 액추에이터) 및 z방향 액추에이터를 이용함으로써, 기판(SB)에 대해 스텐실 마스크(54)를 임의의 3차원 위치로 변위시킬 수 있으며, 이로써 퇴적물을 3차원(XYZ)의 패턴 배치로 형성할 수 있는 3차원 프린터를 구성할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 6은 제2 실시 형태에 따른 패턴 형성 장치(1’)의 개략도인데, xyz 스테이지(50)는 간략화하여 도시하고 있다. 패턴 형성 장치(1’)는 패턴의 멀티어레이화가 가능하다. 패턴 형성 장치(1’)에 대해서는, 캐필러리 유닛(10’)의 구성만 제1 실시 형태와 상이하기 때문에, 공통되는 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
캐필러리 유닛(10’)은 도시하지 않은 액추에이터에 의해 회전 가능하도록 지지된 환형체(12)에 3개의 캐필러리(10C, 10M, 10Y)가 유지되어 있다. 환형체(12)가 전환 장치를 구성한다. 여기서, 캐필러리(10C)에는 예를 들어 시안색으로 착색된 입자를 포함하는 용액이 저류되고, 캐필러리(10M)에는 예를 들어 마젠타색으로 착색된 입자를 포함하는 용액이 저류되고, 캐필러리(10Y)에는 예를 들어 옐로우색으로 착색된 입자를 포함하는 용액이 저류되어 있는 것으로 한다.
그 다음, 패턴 형성 장치(1’)에서의 패터닝을 수행하는 동작에 대해 설명한다. 도 7은 간략화하여 도시한 xyz 스테이지(50)를 기판(SB)과 함께 나타내는 xz면의 단면도이며, 패터닝의 스텝을 나타내고 있다. 여기서는, 스텐실 마스크(54)는 3개의 슬릿(54a)을 가지고 있다. 단, 여기서는 이해를 용이하게 하기 위해 슬릿(54a)을 3개로 하고 있지만, 4개 이상, 경우에 따라서는 수십~수백의 구멍을 이용할 수도 있다. 아울러, 초기 상태에서, 스텐실 마스크(54)는 기판(SB)으로부터 소정 거리를 두고 정지해 있다.
우선, 캐필러리(10C)가 콜리메이트 전극(20)의 축선 위에 위치하도록 환형체(12)를 회전시킨다. 그 후, 캐필러리(10C)로부터 스프레이된 용액은 공기 중에서 건조하여 시안색의 입자가 되고, 상술한 바와 같이 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)을 통과함으로써 집속된다. 이로써, 시안색의 퇴적물(SDC)이 기판(SB) 위에 부착된다(도 7(a)).
이어서, 캐필러리(10M)가 콜리메이트 전극(20)의 축선 위에 위치하도록 환형체(12)를 회전시키는 동시에, xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 x방향으로 1스텝 변위시킨다. 그 후, 캐필러리(10M)로부터 스프레이된 용액은 공기 중에서 건조하여 마젠타색의 입자가 되고, 상술한 바와 같이 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)을 통과함으로써 집속되어, 마젠타색의 퇴적물(SDM)이 퇴적물(SDC)에 인접하여 기판(SB) 위에 부착된다(도 7(b)).
이어서, 캐필러리(10Y)가 콜리메이트 전극(20)의 축선 위에 위치하도록 환형체(12)를 회전시키는 동시에, xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 x방향으로 다시 1스텝 변위시킨다. 그 후, 캐필러리(10Y)로부터 스프레이된 용액은 공기 중에서 건조하여 옐로우색의 입자가 되고, 상술한 바와 같이 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)을 통과함으로써 집속되어, 옐로우색의 퇴적물(SDY)이 퇴적물(SDM)에 인접하여 기판(SB) 위에 부착된다(도 7(c)).
이어서, 캐필러리(10C)가 콜리메이트 전극(20)의 축선 위에 위치하도록 환형체(12)를 회전시키는 동시에, xyz 스테이지(50)의 x방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 x방향으로 다시 1스텝 변위시킨다. 그 후, 캐필러리(10C)로부터 스프레이된 용액은 공기 중에서 건조하여 시안색의 입자가 되고, 상술한 바와 같이 스텐실 마스크(54)의 슬릿(54a)을 통과함으로써 집속되어, 시안색의 퇴적물(SDC)이 퇴적물(SDY)에 인접하여 기판(SB) 위에 부착된다(도 7(d)).
이상으로부터 명백하지만, 캐필러리(10C~10Y)의 전환을 수행하는 동시에, x방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 x방향으로 1스텝씩 변위시킴으로써, 퇴적물(SDC, SDM, SDY)을 이 순서로 반복적으로 기판(SB) 위에 퇴적시킬 수 있다. 기판(SB) 위에서 1열분의 퇴적물(SDC, SDM, SDY)의 퇴적이 종료되면, y방향 액추에이터에 의해 스텐실 마스크(54)를 y방향으로 변위시켜, 다음 열에 퇴적물(SDC, SDM, SDY)의 퇴적을 동일하게 수행할 수 있다.
이상의 동작을 반복함으로써, 퇴적물(SDC, SDM, SDY)을 1세트로 하여, 복수 세트의 퇴적물을 기판(SB) 위에 2차원으로 멀티어레이화하여 높은 정밀도로 배치할 수 있다. 이러한 패턴 형성 장치(1’)는 예를 들어 유기 EL 디스플레이 등을 제작할 때 바람직하게 사용할 수 있다.
아울러, 퇴적물(SDC, SDM, SDY)의 배치는 이상과 같은 주기적인 것으로 한정되지 않으며, 캐필러리(10C, 10M, 10Y)의 전환을 선택함으로써 랜덤으로 퇴적시킬 수도 있고, 이로써 색의 3원색을 조합하여 다채로운 이미지를 형성할 수 있다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 전자석(60)에 의해 스텐실 마스크(54)의 높이 위치를 바꾸어, 퇴적물(SDC, SDM, SDY)을 z방향으로 겹쳐 쌓도록 할 수도 있다. 또한, 퇴적물의 종류는 색으로 한정되지 않는다.
1, 1’ : 패턴 형성 장치
10, 10C, 10M, 10Y : 캐필러리
10’ : 캐필러리 유닛
12 : 환형체
20 : 콜리메이트 전극
30 : 1차 전자 코일
40 : 2차 전자 코일
50 : xyz 스테이지
54 : 스텐실 마스크
60 : 전자석
SB : 기판
10, 10C, 10M, 10Y : 캐필러리
10’ : 캐필러리 유닛
12 : 환형체
20 : 콜리메이트 전극
30 : 1차 전자 코일
40 : 2차 전자 코일
50 : xyz 스테이지
54 : 스텐실 마스크
60 : 전자석
SB : 기판
Claims (4)
- 접지된 기판에 대향하여 배치되며, 시료를 포함하는 용액을 저류 가능한 캐필러리,
상기 캐필러리에 전압을 인가하는 전원,
상기 캐필러리와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 시료를 통과시키는 개구를 구비한 스텐실 마스크,
상기 스텐실 마스크를 상기 시료가 통과하는 방향에 교차하는 교차 방향으로 이동시키는 교차 방향 액추에이터를 포함하는 패턴 형성 장치에 있어서,
상기 스텐실 마스크는, 서서히 저전압이 되도록 전압을 인가하여 슬릿이 기판을 향함에 따라 짜내지듯이 구부러지는 전기력을 형성하여 패턴이 슬릿의 사이즈보다 작게 형성되도록 제1절연체와 제1도전체를 적층하여 이루어지는 제1층, 제2절연체와 제2도전체를 적층하여 이루어지는 제2층, 제3절연체와 제3도전체를 적층하여 이루어지는 제3층, 제4절연체와 제4도전체를 적층하여 이루어지는 제4층이 순서대로 Z방향의 계단형상으로 서서히 폭이 좁아지도록 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 장치.
- 제1항에 있어서,
큰 틀, 상기 큰 틀 내에 배치된 중간 틀, 상기 중간 틀 내에 배치된 작은 틀을 구비한 스테이지를 가지며,
상기 작은 틀에 의해 상기 스텐실 마스크가 유지되고,
상기 큰 틀과 상기 중간 틀에 각각 배설되어, 교대로 배열된 제1 세트의 빗살에 의해, 상기 큰 틀에 대해 상기 중간 틀을 상기 교차 방향 중 제 1 방향으로 변위시키는 제1 액추에이터가 형성되고,
상기 중간 틀과 상기 작은 틀에 각각 배설되어, 교대로 배열된 제2 세트의 빗살에 의해, 상기 중간 틀에 대해 상기 작은 틀을 상기 교차 방향 중 상기 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 변위시키는 제2 액추에이터가 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 스테이지에 대해 상기 기판을 사이에 두고 전자석이 배치되며,
상기 스텐실 마스크가 강자성체로 형성되고, 상기 작은 틀과 상기 스텐실 마스크가 스프링을 통해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐필러리는 복수개 마련되며,
상기 캐필러리 중 하나를 상기 스텐실 마스크에 정면으로 마주시키는 위치로 전환하는 전환 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 장치.
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2022
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Patent Citations (2)
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| JP2018193618A (ja) * | 2016-03-10 | 2018-12-06 | 鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 | 蒸着マスク、蒸着装置、蒸着方法及び有機ｅｌ表示装置の製造方法 |
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