KR20050060808A - 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법 - Google Patents

레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 관한 것으로서, 특히, 기판을 이송시켜 노광작업 함으로서, 연속 패턴의 미세 구조물의 제작이 용이하도록 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 관한 것이다.
본 발명은 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 있어서, 레이저빔, 마스크, 기판을 정렬하는 단계; 상기 마스크와 빔을 고정시키는 단계; 상기 레이저빔과 수직하게 상기 기판을 이송시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 마스크를 빔에 대해 고정시키는 한편, 상기 마스크를 통과한 빔과 수직하게 기판을 이송시켜 기판 상의 감광재에 노광량의 차이를 발생시켜 노광함으로써, 연속 패턴의 미세 구조물의 제작이 용이한 효과가 있고, 기판을 다양한 각도로 변화시켜 노광작업을 한 번 이상 실시함으로서, 다양한 형상의 미세 구조물을 제작할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법{fabricating method of Minuteness structures with X-ray}
본 발명은 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 관한 것으로서, 특히, 기판을 이송시켜 노광작업 함으로서, 연속 패턴의 미세 구조물의 제작이 용이하도록 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 관한 것이다.
현재 정보 통신 및 디스플레이 산업에서 마이크로 크기를 갖는 구조물의 필요가 대두되고 있다.
이러한, 마이크로 크기의 구조물 중에는 광학용 렌즈 어레이, 각종 2차원 자유형상을 가진 구조물, 대면적 디스플레이용 광학부품의 2차원 패턴, 휴대폰용의 프런트 라이트 패널, 백 라이트 패널의 패턴, 정보통신 광학용 부품의 특수 패턴 등이 있다.
이러한, 상기의 산업상 이용분야에 응용할 목적으로 그 동안 많은 가공 방법들이 사용되어져 왔다.
상기에서 언급된 마이크로 구조물의 가공 방법들을 살펴보면 다음과 같다.
첫째, E-beam 리쏘그라피는 주로 마스크 패터닝에 사용되고 거의 박막 위에 패턴 형성된다. 이 방법은 거의 무시할 정도의 두께를 갖는 패턴의 가공에 사용되므로 구조물을 제작하는 데는 적절치 않다.
둘째, UV 노광을 통한 구조물의 제작방법을 들 수 있다. 이 방법은 마스크를 통해 각종 감광성 물질에 UV(자외선)광을 수직 또는 경사지게 조사하여 구조물을 만드는 방법이다. 이 방법은 사용되는 UV광 파장의 고유한 회절특성으로 인해 두께가 수십 마이크로미터 이상의 수직 구조물을 만들거나 일정한 경사구조물을 만드는데 매우 제한적이다.
셋째, 레이저 빔을 사용한 리가(LIGA; lithography electrofoming molding)방법이 있다. 상기 리가 방법은 고형상비의 2차원 구조물의 가공에 사용되고 측면이 수직이며 경면의 표면을 갖는 구조물을 가공하는 데 유리하다. 또한 경사 노광을 통하여 측벽이 경사진 구조물을 제작하는 것이 용이하다.
상기 리가 방법을 이용한 다양한 경사구조물 제작방법이 제안되어 있다. 첨부도면을 참조하여 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 리가방법을 이용한 경사 노광방식을 보인 개략도 이다.
동 도면에서 보여지는 바와 같이 종래의 경사 노광방식은 마스크(40)와 기판(10)에 대해 레이저 빔(50)이 경사지게 투사되도록 장착하고, 상기 레이저 빔(50)이 레이저 빔 흡수체(이하, 흡수체라 함.)(30)가 형성된 마스크(40)를 투과하여 기판(10) 상에 형성된 감광제 층(20)을 노광시킴으로써, 경사진 측벽을 갖는 미세 구조물을 제작한다.
그러나, 이 방법은 마스크(40)의 흡수체(30) 측면과 레이저 빔(50)의 투사방향이 일치하지 않아 과도구간이 불가피하게 발생되고, 이로 인해, 표면 조도가 깔끔하지 않고, 현상 후, 형상을 정확하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 경사 노광방식은 직선형태의 구조물에 한정되어 있으며, 마스크(40)의 흡수체(30)의 구조적인 높이와 형태로 인해 연속적인 패턴의 가공이 어려운 문제점이 있다.
만약, 도 1에서와 같은 방식으로 연속패턴을 가공하고자 한다면, 빔(50) 폭(d)이 거의 0에 근접해야 한다. 즉, 빔(50) 폭 d＝0이 되어야 패턴(21) 사이의 간격 T＝0이 되어 연속패턴이 가능해지는 것이다.
그러나, 빔(50) 폭(d)이 이론적으로 0이 되면 입사되는 빔(50)이 전혀 없다는 의미가 되며, 빔(50)을 최대한 작게 한다 하여도, 감광제 층(20)에 입사시켜 일정 폭을 유지하기 위해서는 현상제어 곤란, 표면 조도 관리곤란 등의 문제가 수반된다.
따라서, 상기와 같은 종래의 경사 노광방식의 단점을 보완하기 위해 마스크(40)의 흡수체(30)의 측단면 형상을 수직 단면이 아닌 원하는 각도를 갖는 사다리꼴 단면으로 제작하여 경사 노광하는 방법을 생각해 볼 수 있는데, 이는, 사다리꼴 형태의 흡수체(30)를 만드는데 어려움이 존재하고, 높은 정밀도 관리가 이루어지지 않으면 최종 구조물의 정밀도에 영향을 끼치게 되는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 어려움을 극복하기 위해 마스크 이송 방식의 경사 노광 방식이 제안되었다. 하기 도 2를 참조하여 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종래 기술의 마스크 이송방식을 이용한 경사 노광방식을 보인 개략도로서, 마스크 이송방식을 이용하여 감광제 층에 노광량의 차이가 발생되도록 하여 경사면을 갖는 구조물을 가공하는 방법을 보이고 있다.
동 도면에서 보여지는 바와 같은 마스크 이송방식은 흡수체(30)가 형성된 마스크(40)에 대하여 기판(10) 및 레이저 빔(50)을 수직으로 정렬, 고정하고, 상기 마스크(40)를 좌우로 정밀하게 움직임으로서, 기판(10) 상의 감광제(20)에 노광량의 차이가 발생되도록 하여 원하는 연속패턴의 구조물이 제작되도록 한다.
이러한, 상기 마스크 이송방식의 이론적인 패턴은 여러 가지 다양한 형상에 대해 가공이 가능하지만, 실제로 가공을 해 본 결과에 따르면(논문 HARMST), 단차 부분이 곡면으로 연결되어 있으며, 단면의 표면 조도도 역시 광학적으로 만족할 수준에 못 미치고 있다.
또한, 패턴의 설계 상 여러 번의 시행착오를 거쳐야 희망하는 모양을 만들 수 있고, 마스크를 기판과 수평을 유지하면서 기판에 닿는 레이저 빔의 노광량을 조절하기 위해 매우 정밀한 구동장치가 뒷받침되어야 하는 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 마스크를 빔에 대해 고정시키는 한편, 상기 마스크를 통과한 빔과 수직하게 기판을 이송시켜 기판 상의 감광재에 노광량의 차이를 발생시켜 노광함으로써, 연속 패턴의 미세 구조물의 제작이 용이하도록 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법을 제공하는데 있다.
그리고, 기판을 다양한 각도로 변화시켜 노광작업을 한 번 이상 실시함으로서, 다양한 형상의 미세 구조물을 제작할 수 있도록 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법을 제공하는데 있다.
또한, 노광 시편의 크기가 감광제의 크기, 노광장치의 길이 방향 크기, 마스크의 크기에 의해 결정되는 것으로서, 적은 비용으로 대형 패턴의 제작이 가능하도록 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 있어서, 레이저빔, 마스크, 기판을 정렬하는 단계; 상기 마스크와 빔을 고정시키는 단계; 상기 레이저빔과 수직하게 상기 기판을 이송시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마스크는 평면 미세 패턴이 연속 패턴되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판을 일정 각도로 회전시켜 재차 노광 작업하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판의 각도를 90도로 회전하여 재차 노광 작업하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판을 여러 각도로 회전시켜 노광하는 작업이 적어도 한번 이상 반복되도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 미세 구조물은 고종횡비의 2차원 구조물인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 미세 구조물의 단면이 삼각형 또는 연속되는 삼각형 패턴을 이루는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 미세 구조물의 단면이 반구형 또는 연속되는 반구형 패턴을 이루는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 미세 구조물의 단면이 연속되는 파도형 곡면 패턴을 이루는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 노광 작업에 의해 피라미드 형상의 연속 및 불연속 미세 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 노광 작업에 의해 반구형 렌즈형상의 연속 및 불연속 미세 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 반복되는 노광작업에 의해 다양한 형태의 미세 패턴을 형성하게 되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마스크는 내열성 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마스크는 핼륨 챔버를 이용하여 냉각하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 마스크의 연속 패터닝을 통해, 마스크를 기판의 이송방향에 대해 정확하게 수직으로 정렬하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 정렬 방법은 기판을 이송하면서 마스크 패턴을 순차적으로 여러 번 노광하고, 현상공정을 통해 아래와 위의 패턴이 정확하게 수직으로 정렬되었는지를 확인한 뒤 마스크를 조정하는 작업을 반복하여 정렬이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법을 보인 개념도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이, 미세 패턴이 형성된 마스크(140)를 레이저 빔(또는 기타 노광용 광선)(150)과 정렬하고, 감광재 층(120)이 형성된 기판 또는 감광성 재료로 만들어진 기판(110)을 장착한다.
그리고, 상기 기판(110) 위에 노광작업을 실시하게 되면 마스크(140)의 패턴이 그대로 기판(110)에 수직 노광되고, 이 상태에서 상기 기판(110)을 레이저 빔(150) 폭 및 진행방향에 수직하게 이송하면, 마스크(140)의 패턴에 의해 감광성 기판(110)의 깊이 방향으로 노광량의 차이가 발생된다.
이때, 상기 마스크(140)는 미세 패턴으로 되어 있으며, 이것은 기판(110) 이송의 방향과 정확하게 수직하게 정렬되어야 한다. 이 정렬 방법은 기판(110)을 이송하면서, 마스크(140) 패턴을 순차적으로 여러 번 노광하고, 현상공정을 통하여 아래와 위의 패턴이 정확하게 수직으로 정렬되었는지를 확인한 뒤 마스크(140)를 조정하는 반복적 조정과정을 통하여 이루어지게 된다.
또한, 상기 마스크(140)는 레이저 빔에 대해 항상 노출되어 있기 때문에 열적으로 손상을 받을 수 있으므로 열에 강한 재료로 이루어져야 하고, 적절한 냉각 구조를 갖추어야 하는데, 헬륨 챔버를 사용하여 상기 마스크(140)를 냉각한다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마스크의 평면 패턴을 보인 개략도 이고, (b)는 감광제 층에 누적된 노광 에너지의 단면을 보인 개략도 이며, (c)는 평면 패턴을 이용해 제작된 미세 구조물의 단면을 보인 개략도이다.
동 도면에서 보여지는 바와 같이, 마스크(140)의 패턴(141)이 감광재 층(120)에 노광량의 차이를 발생시키기 위한 적절한 구조로 설계되어야 하는데, 상기 패턴(141) 설계에 따라서 감광재 층(120)에 누적되는 노광량(121)이 달라지게 된다.
상기 도 4 (a)에서와 같은 평면 패턴이 형성된 마스크(140)를 사용하여 노광작업을 실시하게 되면, 감광재 층(120)에 누적된 노광량(121)은 도 4의 (b)와 같게 된다. 이처럼, 마스크(140)의 평면 패턴(141)에 비례하여 감광재 층(120)에 누적된 노광량(121)이 달라짐을 볼 수 있다.
상기 비례관계는 일반적으로 비선형 비례를 하게 되며 정확한 관계는 광원의 특성과 감광재의 특성에 의해 결정된다.
그리고, 이렇게 노광량(121)의 차이가 생긴 감광재 층(120)을 현상하면 도 4의 (c)와 같은 형태의 미세 연속 패턴 구조물을 얻을 수 있게 된다.
물론, 이때 감광재 층(120)에 누적된 노광량(121)의 형상과 최종 완성물인 미세 구조물의 형상은 일치하지 않을 수 있다. 그 이유는 노광 에너지가 같다 하더라도 깊이에 따라 현상이 되는 정도가 다르게 나타나기 때문이다. 즉, 현상공정은 표면에서부터 일어나기 때문에 현상시간과 공정에 따라 최종적으로 나타나는 미세 구조물이 약간씩 다르게 생성되는 것이다.
본 발명을 통해 가공 가능한 구조물의 형상을 첨부된 도면을 통해 살펴본다.
도 5의 (a)내지 (e)는 본 발명의 미세 구조물 제작방법을 이용해 제작 가능한 미세 구조물을 보인 개략도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 본 발명의 미세 구조물 제작방법을 이용하게 되면, 도 5의 (a)에서와 같은 종래 기술에 의해 제작되던 삼각형상의 패턴뿐만 아니라, 도 5의 (b)와 같이 종래 기술로는 제작이 불가능했던 연속적인 삼각형상의 패턴을 제작할 수 있게 된다.
그리고, 이 보다 더 고 차원적인 패턴이라 할 수 있는 (c), (d), (e)와 같은 반구형상 및 임의의 곡면형상 패턴까지도 제작할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 1차 노광된 기판을 다시 90도 돌려서 가공시킴으로서, 피라미드 형상 및 반구형 렌즈형상과 같은 미세 패턴을 연속 및 불연속적으로 가공할 수 있게 된다. 또한, 여기에서 끝나지 않고 더 많은 각도의 변화가 가능하고, 이러한 노광 작업을 여러 번 반복 실시함에 따라 다양한 모양의 미세 구조물을 얻는 것이 가능해 진다.
그리고, 본 발명은 노광 시편의 크기가 감광제의 크기, 노광장치의 길이 방향 크기, 빔 여과역할을 하는 마스크의 크기에 의해 결정됨에 따라, 대형 패턴의 제작이 가능하다. 뿐 만 아니라, 종래의 웨이퍼 수준에 머무르던 리가 방식이나 E-빔 리쏘그라피 방식 또는 이온빔, UV빔 노광 등에 응용이 가능한 이점이 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는 것이다.
첫째, 본 발명은 마스크를 빔에 대해 고정시키는 한편, 상기 마스크를 통과한 빔과 수직하게 기판을 이송시켜 기판 상의 감광재에 노광량의 차이를 발생시켜 노광함으로써, 연속 패턴의 미세 구조물의 제작이 용이한 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 기판을 다양한 각도로 변화시켜 노광작업을 한 번 이상 실시함으로서, 다양한 형상의 미세 구조물을 제작할 수 있게 되는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 노광 시편의 크기가 감광제의 크기, 노광장치의 길이 방향 크기, 마스크의 크기에 의해 결정되는 것으로서, 적은 비용으로 대형 패턴의 제작이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 리가방법을 이용한 경사 노광방식을 보인 개략도.
도 2는 종래 기술의 마스크 이송방식을 이용한 경사 노광방식을 보인 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법을 보인 개념도.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마스크의 평면 패턴을 보인 개략도 이고, (b)는 감광제 층에 누적된 노광 에너지의 단면을 보인 개략도 이며, (c)는 평면 패턴을 이용해 제작된 미세 구조물의 단면을 보인 개략도.
도 5의 (a)내지 (e)는 본 발명의 미세 구조물 제작방법을 이용해 제작 가능한 미세 구조물을 보인 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10,110: 기판 20,120: 감광재 층
121: 누적된 노광량 30: 흡수체
40,140: 마스크 141: 평면 패턴
150: 레이저 빔

Claims (16)

  1. 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법에 있어서,
    레이저빔, 마스크, 기판을 정렬하는 단계;
    상기 마스크와 빔을 고정시키는 단계;
    상기 레이저빔과 수직하게 상기 기판을 이송시키는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크는 평면 미세 패턴이 연속 패턴되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을 일정 각도로 회전시켜 재차 노광 작업하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 각도를 90도로 회전하여 재차 노광 작업하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을 여러 각도로 회전시켜 노광하는 작업이 적어도 한번 이상 반복되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 미세 구조물은 고종횡비의 2차원 구조물인 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 미세 구조물의 단면이 삼각형 또는 연속되는 삼각형 패턴을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 미세 구조물의 단면이 반구형 또는 연속되는 반구형 패턴을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 미세 구조물의 단면이 연속되는 파도형 곡면 패턴을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  10. 제 3항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 노광 작업에 의해 피라미드 형상의 연속 및 불연속 미세 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  11. 제 3항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 노광 작업에 의해 반구형 렌즈형상의 연속 및 불연속 미세 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  12. 제 3항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 반복되는 노광작업에 의해 다양한 형태의 미세 패턴을 형성하게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크는 내열성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크는 핼륨 챔버를 이용하여 냉각하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크의 연속 패터닝을 통해, 마스크를 기판의 이송방향에 대해 정확하게 수직으로 정렬하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 정렬 방법은 기판을 이송하면서 마스크 패턴을 순차적으로 여러 번 노광하고, 현상공정을 통해 아래와 위의 패턴이 정확하게 수직으로 정렬되었는지를 확인한 뒤 마스크를 조정하는 작업을 반복하여 정렬이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법.
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KR1020030092532A KR20050060808A (ko) 2003-12-17 2003-12-17 레이저 빔을 이용한 미세 구조물 제작방법

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100908325B1 (ko) * 2008-07-11 2009-07-17 주식회사 코윈디에스티 레이저 가공방법

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KR100908325B1 (ko) * 2008-07-11 2009-07-17 주식회사 코윈디에스티 레이저 가공방법

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