KR20000035503A - 극소형 패턴 복제방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 극소형 패턴의 복제방법에 관한 것으로, 실린더형 롤러의 외표면에 패턴을 형성하는 단계, 패턴이 복제될 표면을 제공하는 단계 및 상기 실린더형 롤러로부터 극소형 패턴을 상기 표면에 전달하여 상기 표면상에 적어도 하나의 패턴의 복제를 제공하는 단계로 구성된다. 상기 롤러는 외표면에 패턴을 포함하도록 채용되며, 상기 패턴을 기판에 전달하게 된다. 최종 생산품은 격자 편광자가 될 수 있다.
Description
본 발명은 몰드로부터 기판상에 극소패턴을 복제하는 방법과, 이에 따라 생성된 자외선 및 가시광용 편광자에 관한 것이다.
몰드, 예를 들면 금속 몰드에 함몰부 및/또는 돌출부로 이루어진 패턴을 형성하는 것은 일반적이다. 이때, 상기 몰드는 상기 몰드패턴을 재생산하기 위하여 압축 또는 인쇄기술에 따라 사용된다. 그러나, 이러한 공정에 의해 얻어지는 해상도는 통상적으로 수 미크론에 한정된다.
따라서, 초소형의 패턴을 형성하는데는 석판인쇄술이 사용되었다. 이 기술은 집적회로 및 다른 반도체 장치의 생산에 사용되었다. 그러나, 이 기술은 복잡하고, 고가의 설비를 필요로 하는 경향이 있다. 이러한 문제점은 극소형의 패턴을 형성할 경우 더 심하다.
따라서, 크기가 나노미터인 임프린트(imprint) 패턴을 제조하기 위하여 나노임프린트 석판인쇄술이 발전하게 되었다. 이 기술은 수 나노미터의 패턴을 몰드에 제작하여야 한다. 상기 몰드는 금속 또는 절연체 같은 강성물질일 수 있다. 상기 몰드의 패턴은 전자빔 또는 X선 석판인쇄로 제작될 수 있다. 그 다음, 상기 기술에 따라 음화 또는 원하는 패턴이 에칭에 의해 생성된다.
상기 기술은 개별적 인쇄기술이 채용될 수 있는 작은 표면을 가진 물체에서 잘 이루어진다. 그러나, 크고 반복적인 패턴을 넓은 표면에 정확하게 인쇄하는 것이 바람직하다. 이는 다수개의 소품으로 분할되는 대형 시트 또는 디스플레이 패널과 같이 단일품일 수 있다. 하나의 잠재적 응용분야는 편광자, 특히 자외선 및 가시광용 격자 편광자이다. 또 다른 응용분야는 생화학 분석공정에 사용되는 구조물의 제조이다.
본 발명의 목적은 몰드 인쇄로 나노미터 크기의 패턴을 제조하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 디스플래이 패널과 같이 큰 표면에 정밀한 나노미터 크기의 패턴을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 큰 표면에 다수개의 동일한 나노미터 크기의 패턴을 형성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 몰드 인쇄로 나노미터 크기의 패턴을 제조하기 위한 단순하고 저렴한 압연장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 자외선 또는 가시광용 격자 편광자를 제공하는 것이다.
부분적으로, 본 발명은 원형 롤러의 표면에 극소형 패턴을 형성하는 단계, 상기 패턴이 복제될 기판 표면을 제공하는 단계 및 상기 기판 표면에 극소형 패턴을 전달하여 복제하는 단계로 이루어진 극소형 패턴 복제 방법에 관한 것이다.
본 발명은 극소형 패턴을 기판에 복제하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 실린더형 표면에 극소형 패턴을 가진 실린더형 롤러로 구성된다.
또한, 본 발명은 실린더형 롤러로부터 기판에 전달되는 극소형 패턴에 길고 평행한 금속선을 가진 기판으로 구성된 격자 편광자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 격자 편광자의 사시도이고,
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 편광자를 제조하기 위해 극소형 패넌을 복제하는 방법을 나타낸 공정도이며,
도 3a 내지 도 3f, 도 4a 내지 도 4f, 도 5a 내지 도 5d 및 도 6a 내지 도 6d는 롤러 또는 드럼과 같은 실린더형 부재를 채용한 일련의 단계와 변형된 복제 방법을 각각 도시한 것이다.
본 발명은 개선된 격자형 편광자의 제조를 위해 안출된 것이다. 특히, 자외선 및 가시광용 광범위 편광자에 대한 요구를 충족시키기 위한 것이다. 한정되는 것은 아니지만, 즉각적인 응용은 텔레비전 투사에 사용되는 LCD 장치의 패널에 일치하는 크기의 가시광 편광자이다.
이러한 투사에 채용된 고강도 광원으로 인하여 상기 패널에 높은 에너지 부하가 걸린다. 이는 상기 편광자가 투명한 무기 물질, 특히 유리를 포함해야함을 의미한다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 개발된 편광자가 와이어 격자 편광자로 알려진 격자형 편광자이다. 이러한 편광자를 제조하기 위하여 다양한 물질과 기술이 제안되었다. 그러나, 이들은 높은 제작비로 곤란을 겪었다. 또한, 이들은 편광자가 유효한 파장 대역의 폭과 같은 특성에 있어서 제한적이었다.
도 1은 10으로 표시된 전형적인 격자 편광자의 사시도이다. 편광자(10)는 적당한 유리로 제조된 기판(12)으로 구성된다. 길고 평행한 반사성 금속선(14)이 상기 기판(12)상에 형성된다. 상기 선(14)으로 특히 적당한 금속은 알루미늄이다. 입사광의 평행 및 수직 전기장의 투과에 대한 편광자 성능을 결정하기 위해 채용될 수 있는 다수개의 수학적 모델과 수학적 표현이 있다. 상기 수학적 표현은 금속선의 주기 변수(폭과 간격), 상기 투명기판의 굴절률 및 주요 광파장을 이용한다. 수학적 표현을 이용함으로써, 소정 광 주파대에서 적절한 편광자 성능을 제공하는 편광자를 설계할 수 있다.
본 발명은 400 내지 700㎚ 가시광 주파대에서 양호한 콘트라스트 비와 양호한 투과성을 가진 편광자에 관한 것이다. 이러한 편광자에 필요한 금속선의 주기를 결정하기 위해 특수한 수학적 표현을 이용하여 계산이 이루어진다. 상기 편광자의 콘트라스트비에 대한 선 주기의 영향력이 1.52인 기판 굴절률과 함께 400㎚ 및 700㎚인 파장에서 결정된다. 더 짧은 선 주기에서 높은 콘트라스트비가 얻어진다. 예를 들어, 선 주기가 50㎚일때, 편광자는 400㎚ 파장에서 83:1의 이론 콘트라스트비를 갖는다. 700㎚ 파장에서 이론 콘트라스트비는 256:1이다. 상기 주기에 대한 편광자 투과성의 비교는 가장 높은 투과가 더 짧은 선 주기에서 얻어짐을 나타낸다. 400㎚와 700㎚ 파장에서 이론 투과계수는 각각 0.954와 0.966이다.
단일 편광자에 있어서 이들 콘트라스트비는 그다지 높지 않다. 그러나, 2개의 유사한 편광자를 직렬로 배치함으로써, 상기 콘트라스트비는 배가되고, 400 및 700㎚에서 이론 콘트라스트비는 각각 6889:1 및 65,536:1이 될 것이다. 직렬인 2개의 편광자의 이론 투과계수는 0.912가 된다. 이러한 성능특성을 가진 가시광 편광자는 매우 양호한 것으로 여겨진다. 굴절률이 낮은 유리를 이용하거나 기판에 금속선을 형성하기에 앞서 굴절률이 낮은 피막(예를 들어, 마그네슘 플루오르화물)으로 유리를 코팅함으로써 이러한 성능은 향상될 수 있다.
주기가 50㎚인 격자 편광자를 제조하려는 도전은 나노미터 크기의 금속 와이어 또는 "선"과, 선사이 간격을 창출하였다. 주기가 50㎚인 편광자에 있어서, 상기 선폭과 간격은 각각 25㎚가 된다. 종래의 사진석판인쇄술은 500㎚정도로 작은 형태에 국한되었다. 전자빔 석판인쇄술은 수십 나노미터 범위의 형태를 생성할 수 있다. 그러나, 이 방법은 매우 고가이며 저속이다.
나노미터크기의 형태를 생성하는 새로운 방법이 개발되었는데, 이는 10㎚ 정도로 작은 형태를 생성할 수 있다. 이 방법은 임프린트 석판인쇄술로 불리운다. 상기 임프린트 석판인쇄술은 설계된 나노미터크기의 패턴화된 구조의 몰드를 이용한다. 이 몰드는 금속 또는 절연체로 제조될 수 있다. 상기 몰드의 패턴 구조는, 일련의 평행 선 또는 채널을 생성하기 위한 에칭과 함께, 전자빔 석파인쇄술 또는 x선 석판인쇄술로 제조될 수 있다.
이러한 방식으로 생성된 극소형 패턴을 가진 몰드는 몰드의 극소형 패턴을 복제하기 위해 가변형 물질과 함께 다양한 방식으로 채용될 수 있다. 상기 가변형 물질은 평평한 기판 또는 패턴 몰드에 코팅 또는 필름으로 칠해지는 유기 중합체일 수 있다.
도 2는 몰드로부터 극소형 패턴을 금속에 복제하기 위한 전형적인 공정을 나타낸 공정도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 평평한 유리 기판(20)이 스핀 코팅 또는 딥 코팅에 의해 중합체 박막(21)으로 코팅된다. 전술한 바와 같이 준비된 극소형 몰드(22)가 중합체 박막(21)에 압축되어 도 2b에 도시된 바와 같은 두께 콘트라스트를 가진 패턴화된 중합체(23)를 생성하게 된다. 몰딩과정에서, 몰드(22)의 채널을 완전히 채우도록 하기 위하여 중합체(21)의 흐름을 돕기 위해 가열이 필요할 수 있다. 바람직하게, 중합체 박막(21)은 낮은 유리 전이온도를 가진 열가소성 물질이다. 상기 몰드(22)는 분리 특성을 향상하기 위하여 몰드에 적층된 표면 에너지가 낮은 코팅(미도시)을 가질 수 있다.
상기 몰드(22)가 패턴화된 중합체(23)의 표면으로부터 분리된 후, 상기 표면은 도 2c에 도시된 바와 같이 이방성 이온 에칭처리된다. 중합체 패턴(23)의 골(troughs)에서 상기 유리 기판은 에칭에 의해 노출되며, 이는 그 부분에서 상기 중합체 코팅이 훨씬 얇기 때문이다. 따라서, 이격된 중합체 그리드(24)를 생성하게 된다.
에칭 후, 도 2d에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 또는 증착으로 이격된 중합체 그리드(24) 사이의 채널에 알루미늄 금속이 적층된다. 상기 중합체 그리드 위의 어느 정도까지 얇은 알루미늄 층이 적층될 수 있다. 이는 통상 리프트 오프(lift-off)로 불리우는 공정에 의해 제거된다. 도 2e는 중합체 그리드(24)의 제거와 알루미늄 금속의 리프트 오프에 관한 것이다. 중합체 그리드(24)는 화학용제를 이용하여 제거된다. 이는 유리 기판(20)상에 적당한 폭으로 이격된 평행한 알루미늄 금속 선(26)을 남긴다.
전술한 도 2a 내지 도 2e에 도시된 방법은 단일 패턴으로 충분한 작은 면적의 편광자에 효과적이다. 그러나, 패턴이 반복되어야 하는 큰 면적에 있어서는 덜 효과적이다. 반복적인 작업은 시간을 낭비할 수 있다. 또한, 넓은 면적에 정밀한 성형이 필요하다면, 상기 공정은 만족스럽지 못할 수 있다.
이러한 상황을 피하기 위하여, 본 발명은 패턴화된 실린더형 롤러 또는 드럼을 이용한 복제공정을 안출하였다.
도 3a 내지 도 3f는 30으로 표시된 실린더형 인쇄 드럼을 이용한 복제공정을 도시한 공정도이다. 인쇄 드럼(30)의 표면은 분리 피막(31)으로 먼저 코팅된다. 그 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 얇은 중합체 레지스트(32)층이 분리 피막(31) 위에 형성된다. 그 후, 상기 드럼(30)은 패턴 몰드(33)에 압축되어 회전함으로써, 도 3b에 도시된 바와 같이, 중합체 레지스트(32)에 두께 콘트라스트 패턴(34)을 생성하게 된다. 상기 두께 콘트라스트 패턴(34)는 인쇄 드럼(30)상의 중합체 필름(32)에 생성된다. 그 후, 상기 중합체 필름(32)의 패턴층은 도 3c에 도시된 바와 같이 유리 기판(35)으로 옮겨진다. 상기 몰드(33)와 인쇄 드럼(30) 모두의 분리 피막의 표면 에너지를 적절하게 설정함으로써, 서로 다른 표면사이에서의 패턴화된 중합체 필름(32)의 전달이 용이하게 실시될 수 있다.
그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 중합체 그리드 구조(36)가 유리 기판(35)에 생성되도록 중합체 필름(32)의 얇은 부위를 제거하기 위하여 이방성 이온 에칭이 사용된다. 그 후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 알루미늄 금속(37)이 적당량 적층되어 교차 채널(38)을 채우게 된다. 그 다음, 상기 중합체 그리드 구조(36) 및 그 구조 위의 알루미늄은 도 2e를 참조하여 전술한 바와 같이 제거된다. 이는 도 3f에 도시된 바와 같이, 기판(35)의 표면상에 적절한 폭으로 분리된 평행한 알루미늄 선(39)을 남기게 된다.
도 4a 내지 도 4f는 실린더형 인쇄 드럼(40)을 이용한 교번 복제공정을 도시한 공정도이다. 이 공정은 도 4a에 도시된 바와 같이 강성 유리 몰드(42)에 자외선 경화 중합체(41)층을 형성하여 상기 중합체를 패턴화하게 된다. 그 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 드럼(40)이 몰드(42)에 압축되어 회전하게 된다. 이와 동시에, 자외선 광(43)이 몰드(42)의 배면(44)으로부터 조사되어 패턴화된 중합체(41)를 경화 및 응고시키게 된다. 상기 몰드(42)로부터 인쇄 드럼(40)의 표면이 분리될 때, 엠보싱된 중합체 패턴(41)이 인쇄 드럼(40)에 옮겨져 드럼(40) 외부에 몰드(45)를 효과적으로 생성하게 된다. 이와 같이 패턴화된 몰드 중합체(45)는 직접 또는 그 위에 분리 피막을 적층하여 사용될 수 있다. 그 후, 유리 기판(46)이 중합체로 코팅된다. 엠보싱된 중합체 몰드(45)와 함께 상기 인쇄 드럼(40)이 압축되어 회전함으로써, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 유리 기판(46)에 패턴화된 중합체 층(47)을 형성하게 된다. 그 후, 패턴화된 중합체 층(47)은 패턴 채널에서 얇은 중합체 부위를 제거할만큼 충분히 에칭되어 도 4d에 도시된 바와 같이 중합체 그리드(48)를 남기게 된다. 그 후, 도 4e에 도시된 바와 같이, 도 3에서 상술한 것과 동일하게 알루미늄이 적층된다. 상기 중합체 위의 모든 알루미늄과 중합체는 전술한 바와 같이 제거된다. 이는 도 4f에 도시된 바와 같이 유리 기판(45)상에 평행한 알루미늄 선(49)을 남기게 된다.
극소형 패턴을 복제하기 위한 또다른 변형 방법은 실린더형 인쇄 롤을 이용한 것으로, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 공정도에 도시되어 있다.
이 공정은 도 4a 내지 도 4f에 도시된 바와 같이 생성된 패턴화된 인쇄 드럼(40)(45)을 이용한다. 먼저, (두께가 100㎚ 정도인) 얇은 중합체 레지스트(50)층이 유리 기판(51)에 형성된다. 그 후, 드럼(40)(45)이 상기 중합체 레지스트에 접촉하며 회전하게 된다. 드럼(40)(45)상의 돌출된 팁이 중합체 레지스트(50)의 일부를 픽업(pick up)함으로써 중합체 패턴(52)을 생성하게 된다. 그 후, 상기 드럼(40)(45)은 제 2 유리 기판에서 회전하여 도 5b에 도시된 바와 같이 중합체 패턴(52)을 상기 유리 기판(53)상에 옮기게 된다. 그 후, 전술한 바와 같이 알루미늄 금속이 중합체 패턴(52)을 덮을만큼 충분한 양으로 적층되어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 교차 채널을 채우게 된다. 상기 중합체 패턴(52) 위의 알루미늄과 중합체 패턴은 앞에서 언급한 바와 같이 리프트 오프와 화학적으로 각각 제거된다. 이는 도 5d에 도시된 바와 같이, 평행하게 이격된 선(54)을 남기게 된다.
극소형 패턴을 복제하기 위한 또다른 공정은 실린더형 인쇄 롤을 이용한 것으로, 도 6a 내지 도 6b에 도시된 공정도에 도시되어 있다.
이 공정은 전술한 바와 같이 형성된 패턴화된 인쇄 드럼(40)(45)을 이용한다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 먼저, 유리 기판(60)이 얇은 알루미늄(61)층으로 코팅된다. Zonyl RP(듀퐁사)와 같은 얇은 플루오르 계면활성제(62) 또는 알칸에치오레이트(HS(CH2)nR)층이 상기 인쇄 드럼(40)상의 패턴에 칠해진다. 상기 인쇄 드럼(40)은 알루미늄 층(61)에 압축되어, 도 6B에 도시된 바와 같이 알루미늄 표면에 유기 코팅 패턴(62)을 옮기게 된다. 이와 같이 패턴이 코팅된 표면은 반응 이온 염소 에칭가스에 노출됨으로써, 유기 피막으로 보호되지 않은 알루미늄을 에칭으로 제거하게 된다. 이는 그 아래의 유리 기판(60)을 노출시키게 된다. 상기 유기 피막에 의해 보호된 알루미늄은 존속되어 도 6c에 도시된 바와 같이 유기물로 코팅된 금속 그리드 구조를 형성하게 된다. 도 6d는 유기 피막을 제거하기 위한 산소 플라즈마의 사용에 관한 것이다. 이는 유리 기판(60)의 표면에 평행하게 이격된 알루미늄 선(64)을 남기게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 극소형 패턴 복제방법은 단순하며, 저렴한 설비를 이용하여 나노미터 단위의 극소형 패턴을 용이하게 복제할 수 있고, 디스플래이 패널과 같이 큰 표면에 정밀한 나노미터 크기의 패턴을 제조할 수 있으며, 큰 표면에 다수개의 동일한 나노미터 크기의 패턴을 형성할 수 있고, 개선된 자외선 또는 가시광용 격자 편광자를 제공할 수 있다.
Claims (5)
- 실린더형 롤러의 외표면에 패턴을 형성하는 단계, 상기 패턴이 복제될 표면을 제공하는 단계 및 상기 표면상에 적어도 하나의 패턴을 복제하기 위하여 상기 실린더형 롤러로부터 상기 극소형 패턴을 상기 표면에 옮기는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 극소형 패턴 복제방법.
- 제 1 항에 있어서, 실린더형 롤러의 표면, 극소형 몰드 또는 평평한 기판 표면상에 가변형 피막을 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 극소형 패턴 복제방법.
- 제 1 항에 있어서, 기판상에 형성되거나 기판으로 옮겨지는 극소형 패턴을 가변형 물질로 형성하는 단계와, 상기 패턴의 이격된 채널들을 채우기에 충분한 양의 금속을 상기 패턴에 적층하여 상기 패턴 성분위에 얇은 침투성 필름을 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 극소형 패턴 복제방법.
- 기판상에 극소형 패턴을 복제하기 위한 실린더형 롤러에 있어서, 상기 롤러는 외표면에 패턴을 포함하고, 상기 패턴을 기판에 전달하도록 채용된 것을 특징으로 하는 실린더형 롤러.
- 실린더형 롤러상에 형성되어 실린더형 롤러로부터 옮겨지는 극소형 패턴으로 길고 평행한 이격된 금속선을 가진 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 격자 편광자.
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