KR20030057133A - 금속 패턴 형성용 유기금속 전구체 및 이를 이용한 금속패턴 형성방법 - Google Patents
금속 패턴 형성용 유기금속 전구체 및 이를 이용한 금속패턴 형성방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 금속 패턴 형성용 유기금속 전구체 및 이를 이용한 금속 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하기 화학식 1로 표시되는 금속 패턴 형성용 유기금속 전구체에 관한 것이며, 본 발명의 유기금속 전구체에 의하면 별도의 감광성 수지를 사용하지 않고 포토마스크를 사용하여 직접적인 노광에 의해 금속패턴을 형성하는 것이 가능하므로 상온, 상압에서도 금속을 포함하는 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
[화학식 1]
MmLnL'oXp
상기 화학식 1에서, M은 Ag, Au, Co, Cu, Pd, Ni, Pt, Zn 및 Cd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 전이금속이고; L은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 티오에테르 화합물이며; L'는 아민, 티올, 셀레놀, 및 포스핀으로 이루어진 군에서 선택된 리간드 화합물이고; X는 음이온이며; m은 1∼10의 정수이고; n은 1∼10의 정수이며; o는 0∼10의 정수이고; p는 0∼10의 정수이다.
[화학식 2]
상기 식에서, R1및 R2는 각각 탄소수 1~20개의 선형, 분지형 또는 환형 알킬기, 알케닐기 또는 알키닐기, 또는 알릴기이다.
[화학식 3]
상기 식에서, R3및 R4는 각각 수소 원자, 또는 탄소수 1~5개의 선형 또는 분지형 알킬기이고; y는 2 내지 10의 정수이다.
Description
본 발명은 금속 패턴 형성용 유기금속 전구체 및 이를 이용한 금속 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토레지스트를 사용하지 않고 빛을 이용하여 마이크로 또는 나노 크기의 전도성 금속 패턴을 형성할 수 있는 유기금속 전구체 및 이를 이용한 금속 패턴 형성방법에 관한 것이다.
기존의 금속 패턴 형성방법으로는, 금속유기물을 이용하여 화학기상증착법이나 원자층 증착방법에 의해 실리콘이나 유리 기판 위에 필름을 형성한 후, 그 위에 포토레지스트를 스핀 코팅 방법으로 도포하고 광리소그라피 방법을 통해 패턴을 형성한 다음, 별도의 식각공정을 통해 감광성 수지를 제거하는 방법이 있다. 또 다른 방법으로는 플라즈마 증착법, 스퍼터링 방법, 전기 도금법 등을 통해 기판 위에 금속막을 형성하고, 그 위에 광감성 수지를 도포한 다음, 광을 이용한 패턴형성 공정과 식각공정을 통해 금속 패턴을 얻는 방법이 있다. 이러한 종래의 방법들은 모두 고온, 고진공 장치를 필요로 하고, 감광성 수지를 사용하여 패턴을 형성하는 공정 및 감광성 수지를 제거하는 식각공정을 필수적으로 수반한다.
한편, 광반응을 이용하지 않는 금속 패턴 형성방법들도 제안되어 왔다. 예를 들면, 일본특허공개 62-263973호에서는 유기금속화합물 박막층에 전자 빔을 조사하여 금속 패턴을 형성하는 방법을 개시하고 있으나, 이는 광반응에 의한 것은 아니다. 또한, 미국특허 제 5,064,685호에서는 기판에 금속유기물 잉크를 도포한 후 레이저로 가열하여 열분해 반응을 통해 금속필름을 얻는 방법을 개시하고 있는데, 이 방법에서는 기판이 고온에 노출되며, 금속 이외 물질의 증착(deposition)은 허용되지 않는다.
한편, 미국특허 제 5,534,312호에서는 광에 민감한 유기화합물을 금속에 배위결합시켜 합성된 유기금속화합물을 기판 위에 코팅한 후, 감광성 수지 도포공정을 거치지 않고 곧바로 광을 조사하여 패턴을 얻는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법에서는 금속에 유기배위자 화합물로서 아세틸아세토네이트, 디알킬디티오카바메이트, 카르복실레이트, 피리딘, 아민, 디아민, 아르신, 디아르신, 포스핀, 디포스핀, 아렌, 또는 알콕시 배위자를 사용하였고, 여기에 옥살레토, 할로겐, 수소, 히드록시, 시아노, 카르보닐, 니트로, 니트레이트, 니트록실, 에틸렌, 아세틸렌, 티오시아네이토, 이소티오시아네이토, 물, 아지드, 카보네이토, 아민, 티오카르보닐 등을 단독으로, 또는 두 종류 이상으로 결합시켜 유기금속화합물을 합성하였다.
상기 방법에 따르면, 상기와 같은 구조의 유기금속화합물을 기판 위에 도포한 후 패턴이 형성된 마스크에 광을 통과시키면, 광이 직접적으로 유기금속화합물과 반응을 일으켜 금속에 배위된 유기 배위자들이 분해되어 떨어져 나가고, 남아 있는 금속들은 주위의 금속 원자나 대기중의 산소와 반응하여 금속 산화막 패턴을 형성한다. 다음으로 형성된 산화막의 전기전도도를 향상시키기 위해 수소와 질소의 혼합가스를 흘려주면서 200℃ 이상의 고온에서 환원처리 및 표면 열처리 과정을 거친다. 그러나, 이 방법에 사용된 유기금속화합물은 광 조사에 의해 분해되는 속도가 느리기 때문에 패턴 형성이 느리다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 패터닝 시간을 줄일 수 있도록 광에 의한 배위자의 분해이탈이 쉬운 특성을 갖는 유기금속화합물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유기금속 화합물을 이용한 금속 패턴의 형성방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 한 측면은 하기 화학식 1로 표시되는 금속 패턴 형성용 유기금속 전구체에 관한 것이다.
[화학식 1]
MmLnL'oXp
상기 화학식 1에서, M은 Ag, Au, Co, Cu, Pd, Ni, Pt, Zn 및 Cd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 전이금속이고; L은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 티오에테르 화합물이며; L'는 아민, 티올, 셀레놀, 및 포스핀으로 이루어진 군에서 선택된 리간드 화합물이고; X는 음이온이며; m은 1∼10의 정수이고; n은 1∼10의 정수이며; o는 0∼10의 정수이고; p는 0∼10의 정수이다.
[화학식 2]
상기 식에서, R1및 R2는 각각 탄소수 1~20개의 선형, 분지형 또는 환형 알킬기, 알케닐기 또는 알키닐기, 또는 알릴기이다.
[화학식 3]
상기 식에서, R3및 R4는 각각 수소 원자, 또는 탄소수 1~5개의 선형 또는 분지형 알킬기이고; y는 2 내지 10의 정수이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 유기금속 전구체를 용매에 용해시킨 후 기판 위에 코팅하여 박막을 형성하고, 마스크를 사용하여 노광시킨 다음 현상하여 금속 또는 금속산화물 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 금속 패턴 형성방법에 관한 것이다.
도 1은 실시예 4에서 제조된 유기금속 전구체의 노광에 의한 분해속도를 나타내는 그래프, 및
도 2는 실시예 6에서 제조된 유기금속 전구체 박막의 금속 패턴 이미지 사진이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 유기금속 전구체는 하기 화학식 1로 표시된다:
상기 화학식 1에서, M은 Ag, Au, Co, Cu, Pd, Ni, Pt, Zn 및 Cd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 전이금속이고; L은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 티오에테르 화합물이며; L'는 아민, 티올, 셀레놀, 및 포스핀으로 이루어진 군에서 선택된 리간드 화합물이고; X는 음이온이며; m은 1∼10의 정수이고; n은 1∼10의 정수이며; o는 0∼10의 정수이고; p는 0∼10의 정수이다.
상기 식에서, R1및 R2는 각각 탄소수 1~20개의 선형 분지형 또는 환형 알킬기, 알케닐기 또는 알키닐기, 또는 알릴기이다.
바람직하게는 R1및 R2는 각각 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 이소부틸기 및 페닐기로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 식에서, R3및 R4는 각각 수소 원자, 또는 탄소수 1~5개의 선형 또는 분지형 알킬기이고; y는 2 내지 10의 정수이다.
본 발명의 유기금속 전구체를 구성하는 유기 배위자들은 광에 민감하여 노광시 중심금속으로부터 쉽게 분리되어 분해되는 특성이 있기 때문에, 금속 패턴 형성시 별도의 감광성 수지 도포공정 및 식각공정을 필요로 하지 않는다.
이와 같은 유기금속 전구체를 이용한 본 발명의 금속 패턴 형성방법은 유기금속 전구체를 용매에 용해시킨 후 기판 위에 코팅하여 박막을 형성하고, 마스크를 사용하여 노광시킨 다음 현상하여 금속 또는 금속산화물 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 유기금속 전구체를 노광시키면, 금속 M에 결합된 유기배위자 L 및 L'가 금속으로부터 떨어져 나가면서 분해되어 없어지게 된다. 이때 유기배위자 L로서 티오에테르(thioether) 화합물을 사용할 경우, 일반적인 유기용매에서 용해도가 증가할 뿐만 아니라 광조사시 금속 M으로부터 이탈되는 속도가 타 유기배위자를 사용했을 때보다 빨라짐을 확인하였다. 이 같은 결과는 적외선 분광기를 이용하여 광조사 시간에 따른 유기배위자의 이탈 정도를 관찰함으로써 확인할 수 있는데, 본 발명의 유기금속 전구체는 약 4분간의 광조사시 유기배위자의 대부분이 떨어져 나감을 확인할 수 있었다. 노광 결과, 광에 노출된 유기금속 박막은 금속박막으로 변화되고, 광에 노출되지 않았던 유기금속 박막 부분 및 광분해된 유기물은 현상시 유기용매에 용해되어 쉽게 제거된다. 한편 기판 위에 남아 있는 금속은 대기중의 산소와 반응하여 금속 또는 금속산화물 패턴을 형성한다.
본 발명의 금속패턴 형성방법에 사용되는 기판의 종류는 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않으며, 실리콘 또는 유리와 같은 무기물로 이루어진 기판, 플라스틱과 같은 유기물로 이루어진 기판, 또는 무기물과 유기물의 복합체로 이루어진 기판 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 금속패턴 형성방법에 있어서, 상기 코팅 단계는 스핀 코팅, 롤 코팅, 마이크로 접촉 인쇄(micro-contact printing), 또는 스프레이 코팅 방법에 의해 수행되는 것이 바람직하며, 상기 노광 단계에서는 자외선(UV)을 이용하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명의 금속패턴 형성방법은 금속 또는 금속산화물 패턴 형성 후, 산화, 환원 및 열처리(annealing) 하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 유리 또는 플라스틱 등으로 된 기판에 열적인 영향을 적게 주는 비교적 낮은 온도에서 열처리를 행하는 것이 가능하다. 필요에 따라 산화, 환원제를 사용하거나, 수소와 질소의 혼합가스, 질소 가스 또는 공기 조건하에서 300℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이하의 온도에서 열처리를 행한다.
상술한 본 발명의 금속 패턴 형성방법은 플렉시블 디스플레이(flexible display)나 평판 디스플레이(flat panel display)의 스퍼터층을 대체하는 용도로 사용되거나, 또는 CMP-프리 물결무늬 프로세싱(CMP-free damascene processing) 및 PR-프리 ITO 층 형성에도 사용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
실시예 1: 테트라히드로티오펜 은 나이트레이트(tetrahydrothiophene silver nitrate)의 제조
100mL의 둥근플라스크에 10mmol(1.69g)의 질산은(AgNO3)를 넣고 20mL의 아세토니트릴(CH3CN)을 주입하여 상온에서 5분간 교반시켰다. 다음으로 10mmol(0.88g, 0.88mL)의 테트라하이드로티오펜을 주사기를 이용하여 10초간에 걸쳐 첨가하고 교반하였다. 30분간 상온에서 교반후에 50℃로 온도를 높이고 30분간 더 교반시켰다. 상온으로 온도를 내리고 용액을 미세 필터로 여과한 다음, 진공에서 액체를 제거하여 하얀색 고체를 얻었다. CD3CN에서의1H-NMR은 다음과 같다. 2.01(m, 4H), 2.98(m, 4H)
실시예 2: 디에틸티오에테르 은 나이트레이트(Diethylthioether silver nitrate)의 제조
100mL의 둥근플라스크에 10mmol(1.69g)의 질산은을 넣고 20mL의 아세토니트릴을 주입하여 상온에서 5분간 교반시켰다. 다음으로 10mmol(0.90g, 1.08mL)의 디에틸티오에테르를 주사기를 이용하여 10초간에 걸쳐 첨가하고 교반하였다. 30분간 상온에서 교반 후에 50℃로 온도를 높이고 30분간 더 교반시켰다. 상온으로 온도를 내리고 용액을 미세 필터로 여과한 다음, 진공에서 액체를 제거하여 옅은 상아색 고체를 얻었다. CD3CN에서의1H-NMR은 다음과 같다. 1.34(t, 7.36Hz, 6H),2.76(q, 7.36Hz, 4H)
실시예 3: 디에틸티오에테르 은 나이트라이트(Diethylthioether silver nitrite)의 제조
100mL의 둥근플라스크에 10mmol(1.54g)의 아질산은(AgNO2)를 넣고 20mL의 아세토니트릴을 주입하여 상온에서 5분간 교반시킨다. 이 후에 10mmol(0.90g, 1.08mL)의 디에틸티오에테르를 주사기를 이용하여 10초간에 걸쳐 첨가하고 교반하였다. 30분간 상온에서 교반 후에 50℃로 온도를 높이고 30분간 더 교반시켰다. 상온으로 온도를 내리고 용액을 미세 필터로 여과한 다음 진공에서 액체를 제거하여 옅은 노란색 고체를 얻었다. CD3CN에서의1H-NMR은 다음과 같다. 1.31(t, 7.34Hz, 6H), 2.72(broad q, 7.35Hz, 4H)
실시예 4: 비스(노르말프로필아민 은)디에틸티오에테르 디나이트라이트[Bis(n-propylamine silver)diethylthioether dinitrite]의 제조
100mL의 둥근플라스크에 실시예 3에서 합성된 디에틸티오에테르 은 나이트라이트 10mmol을 투입하고 30mL의 아세토니트릴을 주입하여 상온에서 5분간 교반시켰다. 이 후에 10mmol(0.90g, 1.08mL)의 n-프로필아민을 주사기를 이용하여 10초간에 걸쳐 첨가한 다음, 1시간동안 상온에서 교반시켰다. 반응 후에 용액을 미세 필터로 여과하고 진공에서 액체를 제거하여 옅은 노란색 고체를 얻었다. CD3CN에서의1H-NMR은 다음과 같다. 0.93(t, 7.41Hz, 6H), 1.28(t, 7.36Hz, 6H), 1.54(m, 4H), 2.60 ~ 2.74(m, 12H)
실시예 5: 비스(노르말프로필아민 은)디에틸티오에테르 디나이트라이트의 UV에 대한 분해속도 측정
실시예 4에서 제조된 유기금속 전구체를 UV(Hg-Xe 램프)를 사용하여 노광하면서 시간대 별로 분해되는 속도를 관측하였다. 그 결과는 도 1에 나타난 바와 같다. 도 1에서 보이는 바와 같이 약 4분간의 광조사시 유기배위자의 대부분이 떨어져 나감을 확인할 수 있었다.
실시예 6: 비스(노르말프로필아민 은)디에틸티오에테르 디나이트라이트를 이용한 금속패턴 형성
실시예 4에서 제조된 유기금속화합물을 아세토니트릴에 용해시켜 0.3M의 농도로 제조한 후, 유리 기판에 스핀코터(Spin Coater)의 회전수를 2000rpm으로 조절하여 1 마이크로 두께만큼 코팅하고, 200nm∼800nm의 파장대를 갖는 노광기(Oriel Co.)를 이용하여 마스크를 통해 4분간 광반응을 시킨 후 아세토니트릴로 비노광부분을 제거하였다. 비노광부분을 제거한 후, 히드라진 환원제 0.1몰을 30초간 처리하여 금속(은) 박막을 제조하였다. 도 2는 본 실시예에 의해 형성된 금속 패턴의 이미지 사진이다. 은 박막의 비저항을 측정한 결과 15μ-Ω-cm의 비저항치가 얻어졌다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 유기금속 전구체를 사용하면 별도의 감광성 수지를 사용하지 않고 직접적인 노광에 의해 전기전도성 금속 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
Claims (8)
- 하기 화학식 1로 표시되는 금속 패턴 형성용 유기금속 전구체.[화학식 1]MmLnL'oXp상기 화학식 1에서, M은 Ag, Au, Co, Cu, Pd, Ni, Pt, Zn 및 Cd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 전이금속이고; L은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 티오에테르 화합물이며; L'는 아민, 티올, 셀레놀, 및 포스핀으로 이루어진 군에서 선택된 리간드 화합물이고; X는 음이온이며; m은 1∼10의 정수이고; n은 1∼10의 정수이며; o는 0∼10의 정수이고; p는 0∼10의 정수이다.[화학식 2]상기 식에서, R1및 R2는 각각 탄소수 1~20개의 선형, 분지형 또는 환형 알킬기, 알케닐기 또는 알키닐기, 또는 알릴기이다.[화학식 3]상기 식에서, R3및 R4는 각각 수소 원자, 또는 탄소수 1~5개의 선형 또는 분지형 알킬기이고; y는 2 내지 10의 정수이다.
- 제 1항에 있어서, 상기 R1및 R2는 각각 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 이소부틸기 및 페닐기로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기금속 전구체.
- 제 1항의 유기금속 전구체를 용매에 용해시킨 후 기판 위에 코팅하여 박막을 형성하고, 마스크를 사용하여 노광시킨 다음 현상하여 금속 또는 금속산화물 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 금속 패턴 형성방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 기판이 무기물, 유기물, 또는 무기물과 유기물의 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 코팅이 스핀 코팅, 롤 코팅, 마이크로 접촉 인쇄(micro-contact printing), 또는 스프레이 코팅 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 노광 단계에서 광원으로 자외선(UV)광이 사용되는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 금속 또는 금속산화물 패턴 형성 후 산화, 환원 또는 열처리(annealing)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 열처리(annealing) 단계가 수소와 질소의 혼합가스, 질소가스 또는 공기 조건하에서 300℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성방법.
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| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |