KR20070085612A - 패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용한 미세제작 - Google Patents

패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용한 미세제작 Download PDF

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Abstract

금속을 금속성 미세구조화 (microstructured) 표면을 갖는 기판 상에 선택적으로 무전해 침착시키는 방법을 개시한다. 상기 방법은 금속성 미세구조화 표면 상에 자가 조립 단층을 형성하고, 자가 조립 단층을 침착 금속의 가용성 형태를 포함하는 무전해 도금 용액에 노출시키고, 침착 금속을 금속성 미세구조화 표면 상에 선택적으로 무전해 침착시키는 것을 포함한다. 상기 방법으로부터 형성된 물품을 또한 개시한다.
무전해 도금, 금속, 미세구조화 표면, 자가 조립 단층

Description

패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용한 미세제작 {MICROFABRICATION USING PATTERNED TOPOGRAPHY AND SELF-ASSEMBLED MONOLAYERS}
본 발명은 기판 상에 패턴화 금속성 침착물을 형성하기 위한 방법, 및 제조된 물품에 관한 것이다.
금속성 물질의 패턴을 갖는 중합체 필름은 매우 다양한 상업적 용도를 갖는다. 몇몇 경우에, 전도성 그리드 (grid)는 육안으로 보이지 않도록 충분히 미세하고 투명 중합체 기판 상에 지지되는 것이 바람직하다. 투명한 전도성 시트는 예를 들어 저항식 가열 창, 전자기파 간섭 (EMI) 차폐층, 정전기 분산 성분, 안테나, 컴퓨터 디스플레이용 터치 스크린, 및 전기변색 창, 광전지 소자, 전기발광 소자 및 액정 디스플레이용 표면 전극을 비롯한 다양한 용도를 갖는다.
EMI 차폐와 같은 용도를 위한 본질적으로 투명한 전기 전도성 그리드의 사용은 공지되어 있다. 그리드는 투명 시트 사이에 샌드위치 또는 라미네이션되거나, 기판 내에 내장된 금속 와이어의 네트워크 또는 스크린으로부터 형성될 수 있다 (미국 특허 3,952,152; 4,179,797; 4,321,296; 4,381,421; 4,412,255). 와이어 스크린을 사용하는 한가지 단점은 매우 미세한 와이어를 취급하거나 매우 미세한 와이어 스크린을 제조하고 취급하는데 있어서의 어려움이다. 예를 들어, 20 미크론 직경의 구리 와이어는 인장 강도가 단지 1 온스 (28 그람력)이고, 따라서 쉽게 손 상된다. 20 미크론 직경의 와이어로 제작된 와이어 스크린이 이용가능하지만, 매우 미세한 와이어를 취급하는데 있어서의 어려움으로 인해 매우 고가이다.
기존 와이어 스크린을 기판 내에 내장하는 대신, 먼저 그루브 (groove) 또는 채널의 패턴을 기판 내에 형성한 다음, 그루브 또는 채널을 전도성 물질로 채움으로써 현장에서 (in-situ) 전도성 패턴을 제작할 수 있다. 상기 방법은 다양한 수단에 의해 전도성 회로 라인 및 패턴을 제조하기 위해 사용되었지만, 보통 비교적 큰 크기의 라인 및 패턴에 사용되었다. 그루브는 성형 (molding), 엠보싱, 또는 리소그래피 (lithographic) 기술에 의해 기판 내에 형성될 수 있다. 이어서, 그루브는 전도성 잉크 또는 에폭시 (미국 특허 5,462,624), 증발, 스퍼터링 또는 도금된 금속 (미국 특허 3,891,514; 4,510,347; 및 5,595,943), 용융된 금속 (미국 특허 4,748,130), 또는 금속 분말 (미국 특허 2,963,748; 3,075,280; 3,800,020; 4,614,837; 5,061,438; 및 5,094,811)로 채울 수 있다. 중합체 필름 상의 전도성 그리드는 전도성 페이스트를 인쇄함으로써 (미국 특허 5,399,879) 또는 포토리소그래피 (photolithography) 및 에칭에 의해 (미국 특허 6,433,481) 제조되었다. 상기 선행기술의 방법은 한계가 있다. 예를 들어, 전도성 잉크 또는 에폭시를 사용할 때의 한가지 문제는 전기 전도도가 인접한 전도성 입자간 접촉부의 형성에 의존적이고, 총 전도도가 보통 고체 금속의 전도도보다 훨씬 더 작다는 점이다. 금속의 증착 또는 전기도금은 일반적으로 느리고, 종종 그루브 사이에 침착된 과잉의 금속을 제거하기 위한 후속 단계를 필요로 한다. 용융된 금속은 그루브 내에 놓일 수 있지만, 보통 그루브 내에 금속을 습윤시킬 물질의 침착을 필요로 한다. 그렇 지 않으면 용융된 금속은 용융된 금속의 표면 장력 때문에 그루브 내에 침투하지도 머무르지도 않을 것이다.
회로는 금속 분말을 그루브 내에 넣은 후, 입자들 사이의 전기적 접촉을 향상시키기 위해 분말을 압축시킴으로써 제조할 수 있다. 미국 특허 5,061,438 (Lillie 등) 및 미국 특허 5,094,811 (Kane 등)에서는 상기 방법을 사용하여 인쇄 회로 기판을 형성하였다. 그러나, 상기 방법은 미세 회로 및 미세 금속 패턴을 제조하는데 실용적이지 않다. 미세 크기에서는, 금속 압축을 수행하기 위해 엠보싱된 패턴 상에 공구 (tool)를 제자리에 놓거나 재정합시키는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 폭 20 미크론 채널의 패턴을 갖는 시트는 공구가 시트의 한 측으로부터 다른 측으로 대략 3 미크론의 정확도로 패턴 상에 놓일 것을 요구할 것이다. 많은 용도에 대해, 시트는 30 cm x 30 cm 크기일 수 있다. 형성 온도로부터 실온으로 냉각하는 동안 열가소성 시트의 열 수축으로 인한 치수 변화는 대개 약 1% 이상이다. 따라서, 30 cm x 30 cm 시트의 경우, 1% 수축은 0.3 cm의 총 수축을 일으킬 것이다. 상기 값은 요구되는 3 미크론 배치 정확도보다 1000배 더 크고, 이는 공구의 정확한 재배치를 어렵게 만든다.
<발명의 개요>
본 발명은 패턴화 금속성 침착물을 갖는 기판을 포함하는 물품에 관한 것이다. 보다 특히, 물품은 금속을 금속성 미세구조화 (microstructured) 표면을 갖는 기판 상에 선택적으로 무전해 침착시킴으로써 제조된다.
제1 측면은 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판을 제공하고, 금속성 미세구 조화 표면 상에 자가 조립 단층을 형성하고, 자가 조립 단층을 침착 금속의 가용성 형태로 함유하는 무전해 도금 용액에 노출시키고, 침착 금속을 금속성 미세구조화 표면 상에 선택적으로 무전해 침착시키는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.
금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판을 형성하기 위해 다양한 방법을 이용할 수 있다. 한 실시태양에서, 미세구조는 기계식 공구를 사용하여 금속성 표면 상에 형성할 수 있다. 기계식 공구는 미세구조를 금속성 표면 상에 엠보싱하거나 스크라이빙 (scribing)하거나 성형할 수 있다. 추가 실시태양에서, 미세구조는 기계식 공구를 사용하여 기판 표면에 형성되고, 이어서 금속층이 미세구조화 표면 상에 배치되어 금속성 미세구조화 표면을 형성할 수 있다. 기계식 공구는 미세구조를 기판 표면 상에 엠보싱하거나, 스크라이빙하거나 성형할 수 있다. 또다른 추가 실시태양에서, 미세구조는 금속을 기판 표면 상에 침착시키거나 금속성 기판 표면으로부터 금속을 제거함으로써 기판 표면에 형성될 수 있다.
다른 측면에서, 물품이 제공된다. 한 실시태양에서, 물품은 기판 표면 및 기판 표면 상에 배치된 토포그래피 특징부 (topographical feature)를 갖는 기판을 포함한다. 연속 균질 금속층이 토포그래피 특징부에 인접한 기판 표면 상에 및 토포그래피 특징부 상에 배치된다. 자가 조립 단층이 연속 균질 금속층 상에 배치되고, 침착 금속은 토포그래피 특징부 상의 연속 균질 금속층 상에 배치되고, 토포그래피 특징부에 인접한 연속 균질 금속층 표면 상에 배치되지 않는다.
다른 실시태양에서, 물품은 기판 표면 및 기판 표면 상에 배치되어 그로부터 멀리 연장되는 토포그래피 특징부를 갖는 기판을 포함한다. 토포그래피 특징부는 곡률 반경이 500 나노미터 이하이다. 금속층은 토포그래피 특징부에 인접한 기판 표면 상에 및 토포그래피 특징부 상에 배치된다. 자가 조립 단층은 금속층 상에 배치되고, 침착 금속은 토포그래피 특징부 상의 금속층 상에 배치되고, 토포그래피 특징부에 인접한 금속층 기판 표면 상에 배치되지 않는다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 모든 개시된 실시태양 또는 모든 실행을 각각 설명하는 것으로 의도되지 않는다. 하기하는 도면, 상세한 설명 및 실시예가 이들 실시태양을 보다 구체적으로 예시한다.
본 발명은 본 발명의 다양한 실시태양의 하기 상세한 설명을 첨부 도면과 함께 고려하여 보다 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용한 미세제작의 예시적인 방법의 개략도이다;
도 2는 패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용한 미세제작의 다른 예시적인 방법의 개략도이다;
도 3은 미세구조 상에 형성된 침착 금속을 갖는 예시적인 미세구조의 개략적 단면도이다;
도 4는 실시예 1에서 형성된 구조의 주사전자현미경 사진이다;
도 5는 실시예 2에서 형성된 구조의 주사전자현미경 사진이다;
도 6은 실시예 3에서 형성된 구조의 사진이고;
도 7은 실시예 4에서 형성된 구조의 사진이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태로 가능하지만, 그의 상세 내용은 예로서 도면에 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시태양으로 제한하려고 의도하지 않음을 이해해야 한다. 반대로, 모든 변형, 동등물, 및 대안은 본 발명의 취지와 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명은 기판 상에 패턴화 금속성 침착물을 제작하는 방법 및 이렇게 제작된 물품에 관한 것이다. 보다 특히, 금속성 침착물은 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판 상에 패턴화된다.
하기 정의된 용어에 있어서, 정의는 청구의 범위 또는 명세서의 다른 부분에 다른 정의가 주어지지 않으면 적용될 것이다.
"구역"은 전체 표면, 예를 들어, 기판 표면의 인접하는 단편적 부분을 나타낸다.
용어 "침착 금속" 및 "금속성 침착물" 및 "침착된 금속"은 상호교환적으로 사용되고, 기판 (즉, 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판) 상에 침착된 금속을 나타낸다. 침착 금속은 보통 무전해 도금 용액으로부터 형성된다. 침착 금속은 예를 들어 전기 회로 내의 선형 트레이스 (trace), 전기 소자 상의 접촉 패드 (pad), 또는 큰-면적 코팅과 같은 패턴의 형태로 존재할 수 있다.
표면 구역은 토포그래피 특징부를 포함하는 경우에 미세구조를 갖거나 미세구조화 표면인 것으로 기재할 수 있다. "토포그래피 특징부"는 기판 표면에 대한 평활도로부터 계획된 기하학적 굴곡 (deviation)을 의미한다. 용어 "토포그래피"의 일반적 정의에 따르면 모든 표면은 일부 토포그래피를 나타내는 것으로 이해된다. 그러나, 본원에서 사용되는 "토포그래피 특징부"는 당업자에게 잘 알려져 있는 많은 유형의 우발적인 토포그래피를 포함하지 않는다. "토포그래피 특징부"는 원자 규모의 표면고 (surface elevation)에서 우발적인 변동을 포함하지 않는다. "토포그래피 특징부"는 또한 큰 표면 영역 상의 평균 높이에 대하여 동일 표면 영역에 걸쳐 흔히 존재하는 표면고의 우발적인 점차적 변화를 포함하지 않는다. 예를 들어, "토포그래피 특징부"는 "피크에서 밸리까지의 (peak-to-valley)" 높이가 그들의 공간적 간격보다 크기가 실질적으로 더 작은, 평활하게 변하는 기복을 포함하지 않는다. 상기 언급된 우발적인 형태의 토포그래피만을 포함하는 표면은 명목상 평활한 것으로 간주된다. 명목상 평활한 표면은 평평하거나 만곡될 수 있고, 여기서 곡률은 0.1 (마이크로미터)-1 미만이다. "토포그래피 특징부"는 돌출 요소, 함입 기하학적 요소, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 기판 표면의 토포그래피 특징부의 일부로서 존재할 수 있는 선형 돌출 기하학적 요소의 예는 그렇지 않으면 명목상 평활한 표면 위로 연장하는 피크가 있는 릿지 (ridge)이다. 기판 표면의 토포그래피 특징부의 일부로서 존재할 수 있는 선형 돌출 기하학적 요소의 다른 예는 그렇지 않으면 명목상 평활한 표면 위로 연장하는 정사각형 릿지이다. 기판 표면의 토포그래피 특징부의 일부로서 존재할 수 있는 선형 함입 기하학적 부재의 예는 그렇지 않으면 명목상 평활한 표면 아래로 연장하는, 예를 들어 정사각형 또는 삼각형 단면을 갖는 그루브이다.
금속을 "선택적으로" 침착시키는 것은 하나의 표면 구역 상에는 금속을 침착시키고 다른 표면 구역 상에는 금속을 침착시키지 않는 것을 의미한다. 기판 표면 상에 선택적으로 침착시킬 금속은 전체 기판 표면 상에 침착되지 않는다. 즉, 침착 금속은 기판 표면 상에 패턴을 형성한다. 도 4 내지 7은 금 기판 표면 상에 구리의 선택적 침착을 예시한다. 예를 들어, 금속은 금속 표면의 토포그래피 특징부 상에 침착될 수 있다 (즉, 금속은 명목상 평활한 금속 표면 구역에는 침착되지 않는다).
종점에 의한 수치 범위의 설명은 그 범위 내에 포함되는 모든 수를 포함한다 (예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함한다).
본 명세서와 첨부된 청구의 범위에서 사용될 때, 단수형 부정관사 ("a", "an") 및 정관사 ("the")는 내용이 명백하게 달리 지시하지 않으면 복수의 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "금속"을 함유하는 조성물을 칭하면 2종 이상의 금속의 혼합물을 포함한다. 본 명세서와 첨부된 청구의 범위에서 사용될 때 용어 "또는"은 내용이 명백하게 달리 지시하지 않으면 "및(또는)"을 포함하는 그의 의미로 일반적으로 사용된다.
달리 지시되지 않으면, 본 명세서 및 청구의 범위에서 사용된 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약"으로 변형되는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않으면, 상기 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 기재된 수치 파라미터는 본 발명의 교시내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 목적하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도, 및 청구의 범위에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 기록된 유의한 수의 숫자 면에서 및 통상의 반올림 기술을 적용함으로써 해석되어야 한다. 발명의 넓은 범위를 설정하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 구체적인 예에서 기재된 수치는 가능한 한 정확하게 기록된다. 그러나, 임의의 수치는 그들의 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 반드시 생성되는 일정 오차를 본질적으로 함유한다.
본 발명은 일반적으로 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판 상에 금속성 침착물 (즉, 침착 금속)의 패턴을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 일부 실시태양에서, 침착 금속은 기판의 표면 상의 선택된 구역에서만 기판 상에 무전해 침착된다. 이들 선택된 구역은 기판 상에 규칙적인 또는 반복하는 기하학적 배열, 예를 들어 다각형의 배열, 또는 다각형의 배열을 포함하는 분리된 비침착 영역을 규정하는 트레이스의 패턴을 나타낼 수 있다. 다른 실시태양에서, 선택된 구역은 기판 상에 랜덤 배열, 예를 들어, 비침착 영역에 대한 불규칙 형상의 경계를 규정하는 트레이스의 랜덤 네트 (net)를 나타낼 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 선택된 구역은 규칙적이거나 반복하거나 랜덤하지 않지만, 대칭 또는 반복하는 형상을 포함하거나 결핍된 특수화된 디자인인 배열을 나타낼 수 있다. 패턴화된 침착 금속은 기판 표면의 하나의 구역 상에서만 존재할 수 있거나 기판 표면의 하나 초과의 구역 상에 존재할 수 있지만; 기판 표면의 모든 구역 상에 존재할 수 없도록 패턴화된다.
미세구조를 포함하는 구역 및 미세구조를 포함하지 않는 구역을 갖는 기판은 많은 상이한 형태를 취할 수 있다. 한 실시태양에서, 기판 표면은 각각 평활하고 토포그래피 특징부가 없는 인접한 구역, 및 서로 평행하게 놓일 수 있지만 서로에 대해 상승되거나 오목한 인접한 구역을 포함할 수 있다. 상기 후자의 형상은 반드시 상기 언급된 평활한 구역에 관하여 기울기 및 각을 갖거나 높은 곡률을 갖는 일종의 전이 구역을 생성시킨다. 전이 구역은 평활한 구역 사이의 경계를 규정할 수 있고, 토포그래피 특징부일 수 있다. 다른 실시태양에서, 기판 표면은 평활하고 미세구조가 없는 구역을, 미세구조를 텍스쳐 (texture) 형태로 갖는 것으로 설명될 수 있는 구역과 함께 포함한다. 상기 텍스쳐는 규정된 기하학적 부재, 예를 들어 릿지, 피라미드, 기둥 (post), 또는 그루브를 포함할 수 있다. 별법으로, 텍스쳐는 랜덤한 형상의 기하학적 요소를 포함할 수 있다. 미세구조가 텍스쳐인 미세구조를 포함하는 표면 구역은 평활하고, 가능하게는 평평하고, 토포그래피 특징부가 없는 표면의 구역에 관하여 공간적으로 평균된 고도와 관련될 수 있다. 기판 표면의 텍스쳐형 구역의 공간적으로 평균된 고도는 기판 표면의 인접한 평활하고 가능하게는 평평한 구역의 고도보다 위에 또는 아래에 놓일 수 있다. 상기 텍스쳐형 구역은 각각 인접한 구역으로부터 함몰하거나 돌출할 수 있다.
금속성 침착물을 포함하는 표면 구역의 배열이 기판의 토포그래피 특징부에 따라 결정되는 경우에, 기판 상의 패턴화 금속성 침착물은 토포그래피 특징부에 대해 많은 공간적 관계 중의 하나를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 토포그래피 특징부를 포함하는 구역의 경우, 각각의 구역은 토포그래피 특징부가 없는 인접한 구역에 의해 이격된 단일 기하학적 부재를 포함할 수 있고, 패턴화 금속성 침착물은 개개의 토포그래피 특징부 상에 선택적으로 침적될 수 있다. 상기 경우에, 금속성 침착물의 패턴은 개개의 토포그래피 특징부의 패턴과 실질적으로 동일할 것이다. 별법으로, 토포그래피 특징부가 기판의 한 구역에서 밀접한 경우, 금속성 침착물은 토포그래피 특징부를 포함하는 구역에서 개개의 기하학적 또는 토포그래피 요소를 연결시켜 줄 수 있다. 기판 표면이 다수의 밀접한 토포그래피 특징부로 구성되는 텍스쳐의 형태로 미세구조를 갖는 구역을 상기 미세구조가 없는 구역과 함께 포함하면, 패턴화 금속성 침착물은 밀접한 토포그래피 특징부를 연결시켜 줄 수 있어서, 텍스쳐의 형태로 미세구조를 갖는 전체 구역에서 인접하는 침착물을 생성시킬 수 있다.
구조화 표면을 갖는 물품을 제조하는 방법은 예를 들어 물질을 기판 상에 침착시키거나, 물질을 기판으로부터 제거하는 기계식 공구의 사용을 포함한다. 예시적인 기계식 공구는 미세구조를 기판 표면 상에 엠보싱하거나, 스크라이빙하거나, 성형함으로써 미세구조화 표면을 형성한다.
구조화 표면을 갖는 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법의 일부 목록은 다이아몬드 공구 (M. A. Davies, C. J. Evans, S. R. Patterson, R. Vohra, and B. C. Bergner, "Application of Precision Diamond Machining to the Manufacture of Micro-photonics Components," Proc. of SPIE 5183 94-108 (2003)), 광학 리소그래피, e-빔 리소그래피, x-선 리소그래피, 레이저 빔 라이팅 (writing), 전자빔 라이팅, 및 레이저 박리 (ablation) (E. B. Kley, "Continuous Profile Writing by Electron and Optical Lithography," Microelectronic Engineering 34 261-298 (1997))을 포함한다. 구조화 표면을 생성하기 위한 방법은 물질이 광, X-선, 또는 전자에 노출된 다음 현상되고 선택적으로 제거되는 단계, 또는 물질이 에칭되는 단계를 포함할 수 있다 (Y. Hagiwara, N. Kimura, and K. Emori, 미국 특허 4,865,954 "Process for Formation of Metallic Relief (1989)). 물질 (예를 들어, 금속)은 구조화 표면을 형성하도록 예를 들어 스퍼터링, 증착 등을 포함하는 통상적인 방법에 의해 기판 표면 상에 선택적으로 첨가될 수 있다. 물질 (예를 들어, 금속)은 구조화 표면을 형성하도록 예를 들어 에칭 등을 포함하는 통상적인 방법에 의해 기판으로부터 제거될 수 있다. 상기 첨가 및 제거 방법은 예를 들어 포토리소그래피 방법 및 리프트-오프 (lift-off) 방법과 같은 다른 방법과 조합될 수 있다.
구조화 표면의 제조를 위해 특히 유리한 방법은 기계식 공구를 사용한 미세구조의 복제 또는 형성을 포함한다. 기계식 공구는 미세구조를 기판 표면 상에 엠보싱하거나, 스크라이빙하거나, 성형함으로써 미세구조화 표면을 형성한다. 복제는 표면 구조 특징부를 마스터 (master) 공구로부터 다른 물질로 전달하는 것을 포함하고, 엠보싱 또는 성형을 포함한다. 복제를 포함하는 방법은 편이성 및 구조화 표면을 갖는 물질이 생성될 수 있는 속도 때문에 주목할 만하다. 복제를 통해 생성되는 표면 구조 특징부에 대해 달성될 수 있는 작은 크기가 또한 주목할 만하다. 크기가 10 나노미터 미만인 나노규모 특징부가 복제될 수 있다 ([S. R. Quake and A. Scherer, "From Micro-to Nanofabrication with Soft Materials," Science 290 1536-1540 (2000)]; [V. J. Schaeffer and D. Harker, "Surface Replicas for Use in the Electron Microscope," Journal of Applied Physics 13, 427-433 (1942)]; 및 [H. Zhang and G. M. Bensen, WO 0168940 A1, "Methods for replication, replicated articles, and replication tools" (2001)]).
복제는 임의의 많은 방식으로 달성할 수 있다. 마스터 기계 공구의 표면 구조 특징부를 다른 물질의 표면으로 복제하기 위한 하나의 예시적인 방법은 열 엠보싱을 통한 것이다 (M. J. Ulsh, M. A. Strobel, D. F. Serino, and J. T. Keller, 미국 특허 6,096,247 "Embossed Optical Polymeric Films" (2000); 및 D. C. Lacey, 미국 특허 5,932,150 "Replication of Diffraction Images in Oriented Films" (1999)). 열 엠보싱은 마스터 공구의 표면 구조가 변형가능 물질의 표면을 변형시켜, 상기 마스터 공구 표면의 네거티브 복제물 (negative replica)을 생성시키도록 하는, 변형가능 물질에 대한 마스터 기계 공구의 압착 (pressing)을 포함한다. 표면 구조로 엠보싱될 수 있는 물질은 예를 들어 연질 금속 및 유기 물질, 예를 들어 중합체를 포함한다. 엠보싱될 수 있는 연질 금속의 예는 인듐, 은, 금, 및 납을 포함한다. 열 엠보싱하기에 적합한 중합체는 열가소성 중합체를 포함한다. 열가소성 중합체의 예는 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카르보네이트, 및 폴리에스테르를 포함한다. 열가소성 중합체의 추가 예는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리(메틸메타크릴레이트), 비스페놀 A의 폴리카르보네이트, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 포함한다. 열 엠보싱된 물질의 제조를 위해, 필름 형태의 물질을 출발물질로 사용하는 것이 종종 편리하고 유용하다. 임의로, 엠보싱용 필름은 다층을 포함할 수 있다 (J. Fitch, J. Moritz, S. J. Sargeant, Y. Shimizu, and Y. Nishigaki, 미국 특허 6,737,170 "Coated Film with Exceptional Embossing Characteristics and Methods for Producing It" (2004); 및 W. W. Merrill, J. M. Jonza, O. Benson, A. J. Ouderkirk, and M. F. Weber, 미국 특허 6,788,463, "Post-Formable Multilayer Optical Films and Methods of Forming" (2004)).
마스터 기계 공구의 표면 구조를 중합체의 표면 내로 복제하기 위한 다른 방법은 유동성 전구체를 마스터 기계 공구와 접촉시키면서 중합체로 경화시키는 것이다. 유동성 전구체를 마스터 기계 공구와 접촉시키면서 중합체로 경화시키는 것은 성형의 한 형태이다. 유동성 전구체의 예는 순수 단량체, 단량체의 혼합물, 제거가능한 용매를 포함할 수 있는 단량체 또는 중합체의 용액, 및 비가교 중합체를 포함한다. 일반적으로, 경화된 중합체에 대한 전구체는 마스터 기계 공구 상에 또는 몰드 (mold) 내로 주조된 후 경화될 수 있다 (J. A. Martens, 미국 특허 4,576,850 "Shaped Plastic Articles Having Replicated Microstructure Surfaces" (1986)). 경화는 보통 화학 반응에 의한 증가된 탄성률의 발현을 나타낸다. 탄성률을 발생시키기 위한 경화는 가열, 촉매의 첨가, 개시제의 첨가, 또는 자외광, 가시광, 적외광, X-선, 또는 전자빔에 대한 노출을 포함할 수 있다. 중합체는 일단 경화된 후 마스터 공구 또는 몰드와의 접촉으로부터 고체로서 제거될 수 있다. 성형에 적합한 중합체의 예는 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 에폭시, 실리콘, 폴리우레탄, 및 일부 폴리카르보네이트를 포함한다.
기계 공구를 사용하여 기판의 표면 상에 미세구조 패턴을 생성하기 위한 다른 예시적인 방법은 스크라이빙에 의한 것이다. "스크라이빙"은 비-구조화 표면에 스타일러스 (stylus)의 적용 및 스타일러스를 표면 상에 압착하거나 이동시켜 표면 미세구조를 생성시키는 것을 나타낸다. 스타일러스 팁 (tip)은 임의의 물질, 예를 들어, 금속, 세라믹, 또는 중합체로 제조될 수 있다. 스타일러스 팁은 다이아몬드, 알루미늄 산화물, 또는 텅스텐 탄화물을 포함할 수 있다. 스타일러스 팁은 코팅, 예를 들어 내마모성 코팅, 예를 들어 질화티타늄을 또한 포함할 수 있다.
기판은 임의의 적합한 물질로부터 제조될 수 있다. 일부 실시태양에서, 기판은 금속 또는 유기 물질, 예를 들어 중합체로 제조된다. 금속의 예는 인듐, 은, 금 및 납을 포함한다. 중합체의 예는 열가소성 중합체를 포함한다. 열가소성 중합체의 예는 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리카르보네이트 및 폴리에스테르를 포함한다. 열가소성 중합체의 추가 예는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리(메틸메타크릴레이트), 비스페놀 A의 폴리카르보네이트, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 포함한다.
다른 실시태양에서, 기판은 유리, 유리-세라믹, 세라믹, 반도체, 또는 이들의 조합물로부터 제조할 수 있다. 유용한 유리의 예는 실리케이트, 게르마네이트, 포스페이트, 및 칼코제나이드를 포함한다. 실리케이트 중에, 소다-석회-실리카 및 보로실리케이트 유리가 유용할 수 있다. 용융 (fused) 실리카가 또한 유용한 기판 물질일 수 있다. 실리케이트 유리에 비해, 증가된 적외선 투광이 요구되는 용도의 경우 게르마네이트 및 칼코제나이드 유리가 특히 유용하다. 포스페이트 유리는 일반적으로 편리하게 낮은 형성 온도를 나타내지만, 종종 보다 낮은 화학 내구성을 또한 나타낸다. 유용한 유리에서 다른 네트워크-형성제 및 변형제는 알루미늄 산화물, 안티몬 오산화물, 탄탈륨 산화물, 니오븀 산화물, 납 산화물, 비스무쓰 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물, 스트론튬 산화물, 바륨 산화물, 리튬 산화물, 및 칼륨 산화물을 포함한다. 결정화된 미세구조를 포함하는 유리-세라믹이 또한 기판 물질로서 유용하다. 유용한 유리-세라믹의 예는 리튬 디실리케이트, 베타-석영, 완화석 (enstatite), 근청석 (cordierite), 첨정석 (spinel), 베타-유휘석 (spodumene), 베타-유크립타이트 (eucryptite), 및 아파타이트 (apatite) 조성물을 포함한다. 유리-세라믹은 높은 강도 및 인성 (toughness)과 함께 유리-성형성의 용이함을 제공한다. 기판은 또한 세라믹을 포함할 수 있다. 유용한 세라믹의 예는 산화물, 질화물, 붕소화물, 및 탄화물을 포함한다. 유용한 세라믹의 예는 바륨 티타네이트, 바륨 스트론튬 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 비스무쓰 티타네이트, 알루미늄 산화물, 베릴륨 산화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 및 실리콘 탄화물을 포함한다. 기판은 또한 반도체를 포함할 수 있다. 유용한 반도체의 예는 제IV족 원소, 제II족 및 제VI족 원소의 2성분 화합물, 제III족 및 제V족 원소의 2성분 화합물, 및 그들의 다양한 합금을 포함한다. 일부 유용한 반도체는 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 인듐 인화물, 황화아연, 및 카드뮴 텔루라이드를 포함한다. 기판은 하나 초과의 종류의 상기 물질들로부터 제조할 수 있다. 예를 들어, 기판은 유리 또는 세라믹 물질의 코팅을 갖는 반도체 결정을 포함할 수 있다.
"자가 조립 단층"은 표면에 (예를 들어, 화학 결합에 의해) 부착되고 그 표면에 관하여 바람직한 배향을 갖는 단일 분자층을 나타낸다. 자가 조립 단층은 표면의 특성이 변화될 정도로 완전히 표면을 덮는 것으로 나타났다. 예를 들어, 자가 조립 단층을 적용하면 표면 에너지를 감소시킬 수 있다.
자가 조립 단층을 형성하기 위해 적합한 화학물질종의 예는 유기 화합물, 예를 들어 유기황 화합물, 실란, 포스폰산, 벤조트리아졸, 및 카르복실산을 포함한다. 상기 화합물의 예는 문헌 [A. Ulman, "Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers," Chem. Rev. 96 1533-1554 (1996)]에 논의되어 있다. 유기 화합물 외에, 특정 유기금속성 화합물이 자가 조립 단층 형성에 유용하다. 자가 조립 단층 형성에 적합한 유기황 화합물의 예는 알킬 티올, 디알킬 디술피드, 디알킬 술피드, 알킬 잔테이트, 및 디알킬티오카르바메이트를 포함한다. 자가 조립 단층 형성에 적합한 실란의 예는 오르가노클로로실란 및 오르가노알콕시실란을 포함한다. 자가 조립 단층을 형성하기 위해 적합한 포스폰산 분자의 예는 문헌 [M. J. Pellerite, T. D. Dunbar, L. D. Boardman, and E. J. Wood, "Effects of Fluorination on Self-Assembled Monolayer Formation from Alkanephosphonic Acids on Aluminum: Kinetics and Structure," Journal of Physical Chemistry B 107 11726-11736 (2003)]에 논의되어 있다. 자가 조립 단층 형성에 적합한 화학물질종은 예를 들어 탄화수소 화합물, 부분 불화 탄화수소 화합물, 또는 과불화 화합물을 포함할 수 있다. 자가 조립 단층은 2종 이상의 상이한 화학물질종을 포함할 수 있다. 2종 이상의 상이한 화학물질종을 사용하는 경우에, 화학물질종은 자가 조립 단층 내에 혼합물로서 또는 상분리된 형태로 존재할 수 있다.
자가 조립 단층 형성에 유용한 예시적인 분자는 예를 들어 (C3-C20)알킬 티올, (C10-C20)알킬 티올 또는 (C15-C20)알킬 티올을 포함한다. 알킬기는 선형 또는 분지형일 수 있고, 자가 조립 단층의 형성을 저해하지 않는 치환체로 치환되거나 치환되지 않을 수 있다.
자가 조립 단층은 다양한 방법을 이용하여 금속 표면 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 표면은 화학물질종을 함유하는 용액 내로 침지될 수 있거나, 금속 표면은 화학물질종을 함유하는 용액으로 분무될 수 있거나, 금속 표면은 증기상의 화학물질종에 노출될 수 있다. 금속 표면에 부착되지 않은 임의의 과량의 화학물질종은 예를 들어 적합한 용매로 세정함으로써 제거될 수 있다.
금속 표면이 자가 조립 단층을 지지하기 위해 사용될 수 있다. 금속 표면은 예를 들어 원소 금속, 금속 합금, 금속간 화합물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 자가 조립 단층을 지지하기 위한 예시적인 금속 표면은 금, 은, 팔라듐, 백금, 로듐, 구리, 니켈, 철, 인듐, 주석, 탄탈륨과 이들 원소의 혼합물, 합금, 및 화합물을 포함한다.
용어 "무전해 침착"은 금속의 자기촉매적 도금 공정을 나타낸다. 이는 대개 침착 금속의 가용성 형태를 환원제와 함께 함유하는 무전해 도금 용액의 사용을 포함한다. 침착 금속의 가용성 형태는 보통 이온 종 또는 금속 착물 (즉, 하나 이상의 리간드에 배위된 금속 종)이다. 많은 실시태양에서, 무전해 침착은 코팅시킬 작업편에 전류의 인가를 포함하지 않는다. 문헌 [Electroless Plating - Fundamentals and Applications, Ed. G. O. Mallory and J. B. Hajdu, William Andrew Publishing, Norwich (1990)]은 상기 공정을 상세히 설명한다. 무전해 도금에 포함된 단계는 촉매 표면 (예를 들어, 금속성 미세구조화 표면)을 갖는 기판의 제조에 이어, 기판을 적절한 도금조에 침액시키는 것을 포함한다. 촉매 표면은 용액으로부터 금속의 침착을 촉매한다. 일단 개시되면, 도금은 그 자신의 금속 표면에 의해 촉매되는 용액 금속원의 계속적인 환원에 의해 진행하고, 따라서 "자기촉매적"으로 칭한다. 무전해 침착을 사용하여 형성될 수 있는 금속성 침착물은 구리, 니켈, 금, 은, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 주석, 코발트, 아연, 및 이들 금속 서로의 합금 또는 이들 금속의 인 또는 붕소와의 합금과 이들 금속 서로의 화합물 또는 이들 금속의 인 또는 붕소와의 화합물을 포함한다. 적합한 환원제는 예를 들어 포름알데히드, 히드라진, 아미노보란, 및 하이포아인산염을 포함한다. 무전해 침착의 촉매작용을 위해 적합한 금속성 미세구조화 표면은 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 금, 구리, 니켈, 코발트, 철, 및 주석, 및 상기 원소 서로의 합금 및 화합물 또는 상기 원소와 다른 원소의 합금 및 화합물을 포함한다. 침착 금속, 및 금속성 미세구조 표면에 포함된 금속은 동일하거나 상이할 수 있다.
임의의 특정 이론에 매이기를 바라지 않지만, 표면 상의 토포그래피 특징부는 표면에 부착된 자가 조립 단층의 구조에 대해 충분히 파괴적일 수 있어서, 그 표면의 특성을 변경시키는 자가 조립 단층의 능력을 손상시키는 것으로 가정된다. 예를 들어, 금 표면은 자가 조립 단층을 지지하는 특성 및 금속의 무전해 침착을 촉매하는 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 과거에, 금 상의 자가 조립 단층은 무전해 도금에 관한 그의 촉매 활성을 차단할 것으로 나타났다 [A. Kumar and G. M. Whitesides, 미국 특허 5,512,131, "Formation of Microstamped Patterns on Surfaces and Derivative Articles," (1996)].
또한, 금과 같은 금속 표면의 토포그래피 특징부는 자가 조립 단층이 촉매 활성을 차단하는 능력을 저해하여, 패턴형성 방법에 대한 기초를 형성하는 것으로 가정한다. 촉매 활성에서 상기 명백한 분열을 일으키는 토포그래피 특징부는 엠보싱, 스크라이빙, 또는 성형의 편리한 방법을 통해 생성될 수 있다.
도 1은 패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용하는 미세제작의 예시적인 방법의 개략도이다. 기판 (105)는 기판 (105) 상에 배치된 금속층 (110)을 포함한다. 한 실시태양에서, 기판 (105)는 중합체 물질로 형성되고, 금속층 (110)은 금속으로 형성된다. 많은 실시태양에서, 금속층 (110)은 연속 균질 금속층이다. 한 실시태양에서, 연속 균질 금속층 (110)은 단일 금속 또는 합금으로 형성된다.
기계식 공구 (120)은 기계식 공구 (120)의 제1 표면 (135) 상에 형성된 토포그래피 특징부 (130)을 갖는 것으로 도시된다. 기계식 공구 (120)은 금속층 (110)의 표면 (140)에, 기계식 공구 (120)의 제1 표면 (135)가 금속층 (110)의 표면 (140)과 접촉하도록 적용될 수 있다. 한 실시태양에서, 압력 (하향 화살표로 표시된 바와 같이)이 기계식 공구 (120)에 적용되어, 미세구조 또는 토포그래피 특징부 (130)의 네가티브 복제물이 금속층 (110)의 표면 (140)에 전달되거나 엠보싱되도록 하여, 금속층 (110)의 표면 (140) 상에 미세구조 (131)을 형성시킨다. 상기 기계적으로 형성된 미세구조 (131)을 금속성 미세구조화 표면 (136)으로 부른다. 미세구조화 물품 (101)은 금속성 미세구조 표면 (136)을 갖는 기판을 포함한다.
자가 조립 단층 (150)은 상기한 바와 같이 금속성 미세구조화 표면 (136) 상에 형성된다 (102). 이 실시태양에서, 자가 조립 단층 (150)은 금속층 (110)의 전체 표면 (140)에 배치된 것으로 도시된다. 자가 조립 단층 (150)은 금속층 (110)의 표면 (140)을 따라 균일하게 배치될 수 있다. 자가 조립 단층 (150)은 미세구조 (131) 상의 또는 인접한 분열 영역을 가질 수 있다. 적어도 일부 실시태양에서, 미세구조 (131) 상의 또는 인접한 분열 영역은 미세구조 (131) 토포그래피에 의해 발생된다.
자가 조립 단층 (150)은 침착 금속의 가용성 형태를 포함하는 무전해 도금 용액 (160)에 노출된다 (103). 침착 금속은 침착 금속 패턴 (165)를 형성하도록 금속성 미세구조화 표면 (136) 상에 선택적으로 침착될 수 있다 (104). 한 실시태양에서, 침착 금속은 구리를 포함하고, 금속성 미세구조화 표면 (136)은 금으로 형성된다. 일부 실시태양에서, 금속층 (110)의 적어도 일부는 침착 금속의 침착 후 에칭을 통해 제거될 수 있다.
임의의 특정 이론에 매이기를 바라지 않지만, 자가 조립 단층 (150) 내의 분열 영역은 침착 금속을 미세구조 (131) 상에 또는 근처에 형성된 분열 영역에서 금속층 (140)과 결합시키는 것으로 생각된다.
도 2는 패턴화 토포그래피 및 자가 조립 단층을 사용하는 미세제작의 다른 예시적인 방법의 개략도이다. 기계식 공구 (220)은 기계식 공구 (220)의 제1 표면 (235) 상에 형성된 토포그래피 특징부 (230)을 갖는 것으로 도시된다. 기계식 공구는 기판 (205)의 표면 (206)에, 기계식 공구 (220)의 제1 표면 (235)가 기판 (205)의 표면 (206)과 접촉하도록 적용될 수 있다. 한 실시태양에서, 압력 (하향 화살표로 표시된 바와 같이)이 기계식 공구 (220)에 적용되어, 미세구조 또는 토포그래피 특징부 (230)이 기판 (205)의 표면 (206)에 전달되도록 하여 기판 (205)의 표면 (206) 상에 미세구조 (208)을 형성시킨다 (201). 상기 기계적으로 형성된 미세구조 (208)을 기판 미세구조화 표면 (207)로 칭한다.
이어서, 금속층 (210)은 금속성 미세구조화 표면 (236)을 형성하도록 기판 미세구조화 표면 (207) 상에 배치된다 (202). 한 실시태양에서, 기판 (205)는 중합체 물질로 형성되고, 금속층 (210)은 금속으로 형성된다. 많은 실시태양에서, 금속층 (210)은 연속 균질 금속층이다. 한 실시태양에서, 연속 균질 금속층 (210)은 단일 금속 또는 합금으로 형성된다.
자가 조립 단층 (250)은 상기한 바와 같이 금속성 미세구조화 표면 (236) 상에 형성된다 (202). 자가 조립 단층 (250)은 금속층 (210)의 전체 표면 (240) 상에 배치된 것으로 도시된다. 한 실시태양에서, 자가 조립 단층 (250)은 금속층 (210) 표면 (240)을 따라 균일하게 배치된다. 자가 조립 단층 (250)은 미세구조 (231) 상의 또는 인접한 분열 영역을 가질 수 있다. 적어도 일부 실시태양에서, 미세구조 (231) 상의 또는 인접한 분열 영역은 미세구조 (231) 토포그래피에 의해 발생된다.
자가 조립 단층 (250)은 침착 금속의 가용성 형태를 포함하는 무전해 도금 용액 (260)에 노출된다 (203). 침착 금속은 침착 금속 패턴 (265)을 형성하도록 금속성 미세구조화 표면 (236) 상에 선택적으로 침착될 수 있다 (204). 한 실시태양에서, 침착 금속은 구리를 포함하고, 금속성 미세구조화 표면 (236)은 금으로 형성된다. 일부 실시태양에서, 금속층 (210)의 적어도 일부는 침착 금속의 침착 후 에칭을 통해 제거될 수 있다.
임의의 특정 이론에 매이기를 바라지 않지만, 자가 조립 단층 (250) 내의 분열 영역은 침착 금속을 미세구조 (231) 상에 또는 근처에 형성된 분열 영역에서 금속층 (240)과 결합시키는 것으로 생각된다.
도 3은 미세구조 상에 형성된 침착 금속 (365)을 갖는 예시적인 미세구조의 개략적 단면도이다. 금속성 미세구조화 표면 (336)은 토포그래피 특징부 (320)에 인접한 평활한 구역 (330)을 포함한다. 토포그래피 특징부 (320)은 기판으로부터 멀리 연장하는 돌출 특징부로서 도시된다. 본 실시태양에서, 평활한 구역 (330)과 토포그래피 특징부 (320)은 단일 연속 균질 금속층 (336)으로 형성된다. 자가 조립 단층 (350)은 단일 연속 균질 금속층 (336) 상에 배치된다. 침착 금속 (365)은 무전해 도금조 (360)을 통해 토포그래피 특징부 (320) 상의 분열 영역 (361)에서 선택적으로 형성된다.
일부 실시태양에서, 토포그래피 특징부 (320)은 기판으로부터 멀리 연장되고, 곡률 반경 R은 500 나노미터 이하, 또는 5 내지 500 나노미터, 또는 10 내지 500 나노미터, 또는 20 내지 250 나노미터, 또는 50 내지 200 나노미터이다. 곡률 반경 R은 예를 들어 주사 탐침 현미경, 예를 들어 원자력 현미경의 도움으로 측정할 수 있다.
많은 실시태양에서, 기판 표면으로부터 돌출하는 유용한 토포그래피 특징부는 높이가 1 나노미터 내지 100 마이크로미터, 또는 10 나노미터 내지 10 마이크로미터, 또는 20 나노미터 내지 1 마이크로미터일 수 있다.
침착 금속은 기판 표면 상에 영역 형상 및 영역 크기와 두께를 갖는 것으로 설명할 수 있다. 침착 금속의 영역 형상은 기판 상에 규칙적 또는 반복하는 기하학적 배열, 예를 들어 침착 금속 다각형의 배열, 또는 다각형의 배열을 포함하는 분리된 비침착 영역의 경계를 규정하는 침착 금속 트레이스의 패턴을 나타낼 수 있다. 다른 실시태양에서, 침착 금속 형상은 기판 상에 랜덤 배열, 예를 들어, 비침착 영역에 대한 불규칙 형상의 경계를 규정하는 트레이스의 랜덤 네트를 나타낼 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 침착 금속 형상은 규칙적이거나 반복하거나 랜덤하지 않고, 대칭 또는 반복하는 기하학적 부재를 포함하거나 결핍된 특정 디자인인 배열을 나타낼 수 있다. 한 실시태양에서, 투광성 EMI 차폐 물질을 제조하기 위해 유용한 침착 금속의 형상은 정사각형 그리드이고, 이는 폭, 두께, 및 피치 (pitch)를 특징으로 하는 침착 금속의 트레이스를 포함한다. 투광성 EMI 차폐 물질을 제조하기 위한 다른 유용한 형상은 규칙적인 육각형 형상을 갖고 조밀하게 배열되는 개방 영역을 규정하는 연속적인 금속성 트레이스를 포함한다.
일부 실시태양에서, 침착 금속 형상의 최소 영역 치수, 예를 들어 침착 금속의 선형 트레이스의 폭은 1 나노미터 내지 1 밀리미터, 또는 10 나노미터 내지 50 마이크로미터, 또는 100 나노미터 내지 25 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터 내지 15 마이크로미터일 수 있다. 투광성 EMI 차폐 물질을 제조하기 위한 하나의 예시적인 실시태양에서, 침착 금속의 선형 트레이스의 폭은 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터이고; 두께는 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터이고; 피치는 25 마이크로미터 내지 1 밀리미터이다. 상기 침착 금속 형상의 최대 영역 치수, 예를 들어 침착 금속의 선형 트레이스의 길이는 1 마이크로미터 내지 5 미터, 또는 10 마이크로미터 내지 1 미터일 수 있다. 투광성 EMI 차폐 물질, EMI 차폐 물질 시트를 제조하기 위해, 침착 금속의 선형 트레이스의 길이는 예를 들어 1 센티미터 내지 1 미터일 수 있다.
본 발명은 본원에 기재된 특정 예로 제한되는 것으로 간주되면 안되고, 대신 첨부된 청구의 범위에서 명백히 설명되는 바와 같이 본 발명의 모든 측면을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본원 명세서를 살펴보면 본 발명이 지시하는 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 변형, 동등한 공정, 및 수많은 구조는 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
달리 기록하지 않으면, 화학 시약 및 용매는 알드리치 케미칼 컴퍼니 (Aldrich Chemical Co., 미국 위스콘신주 밀워키)로부터 입수하였거나 입수할 수 있다.
본원에서 사용되는 "FM-2"는 시피필름즈 (CPFilms, 미국 캘리포니아주 카노가 파크)로부터 입수가능한 금-코팅된 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 필름을 의미한다.
무전해 구리 도금 용액
무전해 구리 도금 용액은 탈이온수 (199.29 g), 황산구리 5수화물 (1.50 g), 수산화나트륨 (1.35 g), 포름알데히드 (1.32 g의 37 중량% 수용액, 말린크로트 베이커 인크. (Mallinckrodt Baker Inc., 미국 뉴저지주 필립스버그)로부터 입수가능함), N,N,N',N'-테트라키스(2-히드록시프로필)에틸렌디아민 (2.31 g; 랭카스터 신테시스 인크. (Lancaster Synthesis Inc., 미국 뉴햄프셔주 펠함)로부터 입수가능함), 에틸렌디아민테트라아세트산 (1.17 g), 및 2,2'-비피리딘 (0.03 g)을 혼합하여 제조하였다. 생성되는 용액의 pH는 2.0 몰/l 수산화나트륨 수용액을 사용하여 12.3으로 조정하였다. 도금 용액은 68℃의 온도에서 사용하였다.
실시예 1
기계적 스크라이빙에 의해 패턴화된 기판 상의 구리의 침착
1 인치 (25.4 mm) x 1.5 인치 (38.1 mm) FM-2 샘플의 금 코팅을 옴니스크라이브 (OMNISCRIBE) 다이아몬드-팁의 스크라입 (룬저, 인크. (Lunzer, Inc., 미국 뉴저지주 새들 브룩)으로부터 입수가능함)을 사용하여 직사각형 그리드 패턴으로 스크라이빙하였다. 필름 샘플을 에탄올 중 1-옥타데칸티올의 0.1 중량% 용액 내에 2분 동안 침액시키고, 그 후 에탄올로 세정하였다. 이어서, 필름 샘플을 68℃에서 무전해 구리 도금 용액에 침액시켰다. 30분 후, 필름 샘플을 무전해 구리 도금 용액으로부터 제거하고, 탈이온수로 세정하고, 공기 중 실온에서 건조시켰다. 샘플 표면의 일부를 도 4에 도시한다. 도 4에서, 밝은색 구역은 구리가 침착된 구역이다.
이어서, 필름 샘플을 약 15초 동안 요오드화칼륨 (2 g) 및 이어서 요오드 (1 g)를 탈이온수 (40 mL)에 용해시켜 제조된 용액 중에 침액시켜, 필름 상의 노출된 금 코팅을 에칭에 의해 제거하였다. 이어서, 필름 샘플을 탈이온수로 세정하고 공기 중 실온에서 건조시켰다.
실시예 2
기계적 스크라이빙에 의해 패턴화된 기판 상의 구리의 침착
1 인치 (25.4 mm) x 1.5 인치 (38.1 mm) FM-2 샘플의 금 코팅을 CUT-CAT 회전식 종이 트리밍기 (달 노쓰 아메리카 인크. (Dahle North America, Inc., 미국 뉴햄프셔주 피터버러)로부터 입수가능함)를 사용하여 랜덤하게 스크라이빙하였다. 필름 샘플을 에탄올 중 1-옥타데칸티올의 0.1 중량% 용액 내에 2분 동안 침액시키고, 그 후 에탄올로 세정하였다. 이어서, 필름 샘플을 68℃에서 무전해 구리 도금 용액에 침액시켰다. 30분 후, 필름 샘플을 무전해 구리 도금 용액으로부터 제거하고, 탈이온수로 세정하고, 공기 중 실온에서 건조시켰다. 샘플의 표면의 일부를 도 5에 도시한다. 도 5에서, 밝은색 구역은 구리가 침착된 구역이다.
실시예 3
기계적 스크라이빙에 의해 패턴화된 기판 상의 구리의 침착
1 인치 (25.4 mm) x 1.5 인치 (38.1 mm) FM-2 샘플의 금 코팅을 회전식 유리 절단기 (플레처-테리 코. (Fletcher-Terry Co., 미국 코네티컷주 파밍턴)으로부터 입수가능함)를 사용하여 대략 평행한 라인의 패턴으로 스크라이빙하였다. 필름 샘플을 에탄올 중 1-옥타데칸티올의 0.1 중량% 용액 내에 2분 동안 부분 침액시키고, 그 후 에탄올로 세정하였다. 이어서, 필름 샘플을 68℃에서 무전해 구리 도금 용 액 내에 부분 침액시켰다. 30분 후, 필름 샘플을 무전해 구리 도금 용액으로부터 제거하고, 탈이온수로 세정하고, 공기 중 실온에서 건조시켰다. 샘플의 표면 (즉, 전체 표면)을 도 6에 도시한다. 도 6에서, 거의 평행한 밝은색 라인은 구리가 침착된 구역이다.
실시예 4
엠보싱에 의해 패턴화된 기판 상의 구리의 침착
유리판 상에서 패턴을 에칭함으로써 유리 엠보싱 공구를 제조하였다. 치수 12.7 cm x 7.6 cm x 0.05 cm의 유리판을 한 표면 상에 치수 약 3 cm x 4 cm의 구역에서 한 층의 3M 폴리이미드 필름 테이프 5413 (쓰리엠 컴퍼니 (3M Company, 미국 미네소타주 세인트폴)로부터 입수가능함)로 덮었다. 유리판에 적용한 후, 테이프를 약 0.05 cm 폭 테이프 스트립을 약 0.07 cm의 간격으로 제공하도록 면도날로 절단하였다. 약 0.05 cm 폭 스트립 사이의 테이프를 제거하여, 일련의 약 0.05 cm x 약 4 cm 테이프 스트립이 유리판의 한 표면에 부착되도록 하였다. 이어서, 유리판을 불화수소산의 25 중량% 수용액에 10분 동안 두었다. 유리판을 산 용액으로부터 제거하고 물로 세정한 후, 공기 중 실온에서 건조시켰다. 폴리이미드 테이프 스트립을 제거하여, 테이프 스트립으로 덮이지 않은 유리판의 부분이 플루오르화수소산에 의해 에칭되고 제거됨을 나타내었다. 유리판은 높이가 약 0.06 cm이고 폭이 약 0.05 cm인 릿지 패턴을 가졌다. 릿지를 포함한 유리의 표면을 가요성 M74 등급 다이아몬드 벨트 (쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능함)를 갖는 Model Somaca BM-106G-RP24 벨트 샌더 (sander) (소머 앤 마카 인더스트리즈 (Sommer & Maca Industries, 미국 일리노이주 시카고)로부터 입수가능함)를 사용하여 가볍게 연마하였다.
유리 엠보싱 공구를 사용하여 옵틱스 (OPTIX) 아크릴 시트 (플라스코라이트 인크. (Plaskolite, Inc., 미국 오하이오주 콜럼부스)로부터 입수가능함)의 약 3.8 cm x 7.6 cm x 0.3 cm 조각을 유리판에 대하여, 시트가 유리 상의 릿지 패턴에 접촉하도록 놓음으로써 엠보싱된 아크릴 시트를 제조하였다. 유리 엠보싱 공구 및 아크릴 시트 조립체를 130℃에서 30분 동안 Model AUTO M 라미네이션 프레스 (카버 인크. (Carver, Inc., 미국 인디애나주 워배시로부터 입수가능함)의 가열 압반 사이에 두었다. 이어서, 프레스를 사용하여, 유리 엠보싱 공구를 130℃의 온도에서 20분 동안 3560 뉴턴의 힘으로 아크릴 시트에 압착시켰다. 유리/시트 조립체를 프레스로부터 제거하고, 엠보싱된 시트를 실온으로 냉각시킨 후, 아크릴 시트의 엠보싱된 면 (즉, 유리 엠보싱 공구에 대해 압착된 면)을 열 증발기 (커트 제이. 레스커 코. (Kurt J. Lesker Co., 미국 팬실배니아주 피츠버그)로부터 입수가능함)를 사용하여 50 옹스트롬의 티타늄, 이어서 600 옹스트롬의 금으로 순차적으로 코팅하였다.
금속 코팅된 엠보싱된 아크릴 시트를 에탄올 중 1-옥타데칸티올의 0.1 중량% 용액 내에 2분 동안 침액시키고, 그 후 에탄올로 세정하였다. 이어서, 필름 샘플을 68℃에서 무전해 구리 도금 용액에 침액시켰다. 30분 후, 필름 샘플을 무전해 구리 도금 용액으로부터 제거하고, 탈이온수로 세정하고, 공기 중 실온에서 건조시켰다. 샘플의 표면의 일부를 도 7에 도시한다. 도 7에서, 밝은색 구역은 구리가 침착된 구역이다.

Claims (23)

  1. 금속성 미세구조화 (microstructured) 표면을 갖는 기판을 제공하고;
    금속성 미세구조화 표면 상에 자가 조립 단층을 형성하고;
    자가 조립 단층을 침착 금속의 가용성 형태를 포함하는 무전해 도금 용액에 노출시키고;
    금속성 미세구조화 표면 상에 침착 금속을 선택적으로 무전해 침착시키는 것
    을 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기판 제공 단계 전에 기계식 공구를 사용하여 기판의 금속성 표면 상에 미세구조를 형성하여 금속성 미세구조화 표면을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 기판 제공 단계 전에 기계식 공구를 사용하여 기판 표면 상에 미세구조를 형성하여 기판 미세구조화 표면을 형성하고, 기판 미세구조화 표면 상에 금속층을 배치하여 금속성 미세구조화 표면을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 미세구조 형성 단계가 기계식 공구를 사용하여 기판의 금속성 표면 상에 미세구조를 엠보싱하거나 성형하여 금속성 미세구조화 표면을 형성하 는 것을 포함하는 것인 방법.
  5. 제3항에 있어서, 미세구조 형성 단계가 기계적 공구를 사용하여 기판 표면 상에 미세구조를 엠보싱하거나 성형하여 기판 미세구조화 표면을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  6. 제2항에 있어서, 미세구조 형성 단계가 기계적 공구를 사용하여 기판의 금속성 표면 상에 미세구조를 스크라이빙 (scribing)하여 금속성 미세구조화 표면을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  7. 제3항에 있어서, 미세구조 형성 단계가 기계적 공구를 사용하여 기판 표면 상에 미세구조를 스크라이빙하여서 기판 미세구조화 표면을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 기판 제공 단계 전에 금속을 기판 표면 상에 침착시킴으로써 미세구조를 형성하여 금속성 미세구조화 표면을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 기판 제공 단계 전에 금속을 금속성 기판 표면으로부터 제거함으로써 미세구조를 형성하여 금속성 미세구조화 표면을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판의 제공 단계가 금, 은, 팔라듐, 백금, 로듐, 구리, 니켈, 철, 인듐, 주석, 및 이들의 혼합물, 합금 및 화합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 금속을 포함하는 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판을 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 노출 단계가 구리, 니켈, 금, 은, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 주석, 코발트 및 아연으로 이루어진 군 중에서 선택되는 침착 금속의 가용성 형태를 포함하는 무전해 도금 용액에 자가 조립 단층을 노출시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판의 제공 단계가 중합체 물질을 포함하고 기판 상에 배치된 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판을 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판의 제공 단계가 유리, 세라믹, 유리-세라믹 또는 반도체를 포함하고 기판 상에 배치된 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판을 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 자가 조립 단층 형성 단계가 금속성 미세구조화 표면 상에 유기황 화합물, 실란, 포스폰산, 벤조트리아졸 및 카르복실산으로 이루어진 군 중에서 선택되는 화학물질종을 포함하는 자가 조립 단층을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 자가 조립 단층 형성 단계가 금속성 미세구조화 표면 상에 알킬 티올, 디알킬 디술피드, 디알킬 티오카르바메이트 및 알킬 잔테이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 유기황 화합물을 포함하는 자가 조립 단층을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판의 제공 단계가 곡률 반경이 0.5 마이크로미터 미만인 토포그래피 특징부를 포함하는 금속성 미세구조화 표면을 갖는 기판을 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  17. 제3항에 있어서, 침착 금속을 금속성 미세구조화 표면 상에 선택적으로 무전해 침착시킨 후 기판으로부터 적어도 일부의 금속층을 제거하여, 금속성 미세구조화 표면 상에 침착 금속 패턴을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  18. 기판 표면, 및 기판 표면 상에 배치된 토포그래피 특징부를 갖는 기판;
    토포그래피 특징부에 인접한 기판 표면 상에 및 토포그래피 특징부 상에 배 치된 연속 균질 금속층;
    연속 균질 금속층 상에 배치된 자가 조립 단층; 및
    토포그래피 특징부 상의 연속 균질 금속층 상에 배치되지만, 토포그래피 특징부에 인접한 기판 표면 상의 연속 균질 금속층에는 배치되지 않는 침착 금속
    을 포함하는 물품.
  19. 기판 표면, 및 기판 표면 상에 배치되어 그로부터 멀리 연장되는, 곡률 반경이 500 나노미터 이하인 토포그래피 특징부를 갖는 기판;
    토포그래피 특징부에 인접한 기판 표면 상에 및 토포그래피 특징부 상에 배치된 금속층;
    금속층 상에 배치된 자가 조립 단층; 및
    토포그래피 특징부 상의 금속층 상에 배치되지만, 토포그래피 특징부에 인접한 기판 표면 상의 금속층에는 배치되지 않는 침착 금속
    을 포함하는 물품.
  20. 제19항에 있어서, 자가 조립 단층이 (C3-C20)알킬 티올을 포함하는 것인 물품.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서, 기판이 중합체 물질을 포함하는 것인 물품.
  22. 제18항 또는 제19항에 있어서, 금속층이 금, 은, 금 합금 또는 은 합금을 포함하는 것인 물품.
  23. 제18항 또는 제19항에 있어서, 침착 금속이 구리 또는 구리 합금을 포함하는 것인 물품.
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