KR20090046747A - 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법과 장치 - Google Patents

이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

폴리머 등으로 된 기판 표면을, 촘촘하고 규칙적으로 정렬되는 2-D 또는 3-D 미세구조의 어블레이션(ablation)을 형성시키기 위하여, 적절한 에너지 밀도로 주기적으로 조사되는(pulsed) 레이저 광원(12)으로부터의 패턴화 된 조사(illumination)에 노출시키는 방법에 있어서, 그 공정은; 기판(S)의 타겟 영역(14)에 대응하는 고정된 피치에 일련의 동일한 또는 다른 형상들을 포함하는 마스크(13)를 설치하는 공정, 타겟 영역(14) 위에 마스크(13) 다수의 형상의 이미지를 조사(projecting)하기 위하여 마스크(13)를 통해 균일한 레이저 광선(18)을 조사하는 공정, 마스크(13)와 타겟 영역(14) 사이에서 광선(18)에 의해 운반되는 이미지를 축소시키는 공정, 타겟 영역(14)에 어블레이션을 위하여 기판(S)을 위치시키는 공정, 기판(S)을, 최소한 타겟 영역에서, 프로젝트 된 미세구조물 어레이(array)의 한 축에 평행한 첫 번째 방향(D1)으로 이동시키고, 그리고 또한 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향(D2)으로 이동시키는 공정, 및, 타겟 영역(14)에서 기판(S)의 정확한 위치에 대응하여 파동 되는 레이저(12)의 발사를 조절하는 공정(20), 을 포함하는 것을 특징으로 한다. 나아가 본 발명은 패턴화 된 일루미네이션에 의해 2D 또는 3D 미세구조물의 조밀하고 규칙적인 어레이를 형성시키기 위하여 폴리머(polymer) 또는 기판(S)의 표면을 어블레이팅하는 장치에 있어서: 주기적으로 조사되는 레이저 광원(laser source)(12) ;와 고정된 피치에(on a fixed pitch) 일련의 동일한 또는 다른 형상을 포함하는 그리고 레이저 광원(laser source)(12)와 타겟 영영(14)사이에 설치되는 마스크(13);와 마스크(13)위의 다양한 형상으로 조사되는 레이저 광원(12)과 마스크(13) 사이에 설치된 균일한 레이저 광원(16)을 만들기 위한 일루미네이션 시스템(illumination system)(15);과 타겟 영역(12) 상에 마스크 이미지를 축소화하기 위한 그리고 마스크(13)와 타겟 영역(12) 사이에 설치된 광학 프로젝션 시스템(17);과 미세구조물의 규칙적인 어레이의 한 축에 평행한 첫 번째 방향과 그리고 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향으로 타겟 영역(14) 내에서 기판(S)을 이동시키는 두 축 스테이지 시스템(19); 그리고 타겟 영역(14)에서 기판(S)의 정확한 위치에 파동 레이저(12)를 발사시키는 컨트롤 시스템(20); 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법과 장치{Method and unit for micro-structuring a moving substrate}
본 발명은 재료의 표면 상에서 3-D 구조물 형성을 위한 레이저 어블레이션(laser ablation) 기술에 관한 것이다. 특히, 폴리머(polymer)나 다른 재질의 큰 기판 표면 상에 조밀하게 반복하는 3-D 미세구조물 형성을 위한 레이저 마스크 프로젝션 어블레이션 프로세스(laser mask projection ablation processes)의 개량에 관한 것이다.
마스크 프로젝션에 의해 주기적으로 조사되는(pulsed) 레이저 어블레이션(ablation) 방법들은 잘 알려져 있다. 레이저 광선은 마스크의 표면상으로 균일하게 조사되기 위하여 렌즈(optic)를 통과한다. 마스크의 이미지는 프로젝션 렌즈에 의해 기판(substrate)의 표면 상에 프로젝트되어 미세구조물을 형성하게 된다. 상기 렌즈는 일반적으로 마스크 이미지를 축소하므로 기판 표면 상에 레이저가 조사되는 부분의 에너지 밀도는 어블레이션을 위한 한계점(threshold)를 초과하게 된다. 상기 과정을 위해 사용된 레이저들은 일반적으로 UV 영역에서의 작동하는 엑시 머 레이저가 사용되나, 더 긴 파장을 갖는 레이저를 사용하는 것도 가능하다. 일반적으로 요구되는 깊이의 구조를 형성하기 위하여 많은 횟수의 레이저 조사가 필요하다.
이러한 기술은 기판 표면 위에서 2-D와 3-D의 미세 구조물들이 반복적으로 형성된 큰 영역을 얻기 위하여 요구된다. 2-D 구조의 경우, 마스크는 완전한 세트(full set)의 노출을 위해 변함없이 유지되지만, 요구되는 형태의 정확한 3-D 미세구조를 얻기 위하여, 각 레이저 조사 후에 미세구조물의 윤곽에 정확히 대응하는 마스크로 교체시하는 것이 필수적이다. 만약 미세구조물들이 하나씩 처리될 경우, 미세구조물들이 매우 작고 기판은 크다면 상기 공정과 반복 과정은 매우 느리게 된다. 예로, 1X1m 기판의 표면 위에 0.1X0.1㎜ 구조물의 정열(array)을 형성시키는 것을 들 수 있다.
상기 경우에는 100 만개의 개별 구조물들이 요구될 것이다. 만약 레이저가 충분한 파동 에너지를 가진다면 다수의 구조물들은 각각의 레이저 조사에 의하여 형성 될 수 있으나, 3-D 구조물의 경우 마스크는 여전히 각 레이저의 조사 사이에 교체될 필요가 있으며, 이에 따라 공정의 속도는 여전히 상대적으로 느리게 된다. 전형적인 레이저를 사용해 10㎟ 영역의 이미지를 조사하는 것은 가능하다. 이는 0.1㎜ 크기의 1000개의 미세구조물이 한 번의 레이저 조사에 노출될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 눈에 띌 정도로 프로세스를 빠르게 만들지만 이러한 공정과 반복적인 과정은 일반적으로 이미지 경계에서 레이저 광선의 비균일성, 어블레이트 파편의 디포지션(deposition), 스테이지 움직임의 부정확성에 의해 야기되는 매칭(matching)에 대한 문제들을 발생시킨다.
상기 문제들을 극복하기 위한 한 가지 방법이 EP 0 822 881에 기술되어 있다. 그것은 이 영역을 완전히 처리한 후 이미지 전체 영역에 의해 기판이 이동되지 않지만, 각각의 레이저 조사 후 형성된 미세구조물의 피치(또는 피치들)에 대응하는 전체 영역보다 더 적은 간격만큼 기판이 이동된다는 것이다. 간단한 2-D 구조물의 경우, 마스크는 정확한 피치를 갖도록 위치된 일련의 동일한 조리개(aperture)들을 포함하지만 3-D 구조물의 경우에는, 형성된 3-D 구조물의 각 다양한 윤곽에 대응하는 일련의 다양한 조리개를 포함하여야 한다.
광선 아래에 있는 기판의 완전히 이동한 후, 기판의 각 영역이 다양한 깊이의 윤곽들에 대응하는 다양한 마스크 조리개의 전체 영역에 노출되는 것처럼, 기판이 미세구조물 피치의 정수배의 거리로 움직이는 것에 의해 3-D 구조물의 전체 또는 일부분이 형성된다. 이 기술은 광선의 불균일함에 따르는 구조물 깊이의 불균일에 관한 문제들을 해소하는 데 매우 효과적이지만 낮은 프로세스 속도, 고르지 못한 표면 평탄성, 그리고 특히 볼록 구조물이 규격화될 때 이미지 영역들 사이의 경계에서 발생하는 ‘스티칭(stiching)효과의 세 가지 주요 문제점들이 있다. 첫 번째 문제(낮은 프로세스 속도)는 스텝(steps) 때문에 일어나고 프로세스의 본질을 반복한다, 두 번째 문제(고르지 못한 표면 평탄성)는 미세구조물의 표면 상에서 마이크로 스텝을 야기시키는 각각의 레이저 조사 위에서 행해지는 어블레이션의 제한된 깊이로 인하여 일어난다. 그리고 세 번째 문제는 명목상으로 수직인 어블레이트된 구조물의 사이드 월(side wall) 위에서 발생하는 포지티브(positive)하게 가늘어진 각(angle) 때문에 일어나며 또한 어블레이트된 재료의 디포지션(deposition)으로 인해 일어난다. 본 발명은 이러한 문제들을 극복하고자 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 폴리머 등으로 된 기판 표면을, 촘촘하고 규칙적으로 정렬되는 2-D 또는 3-D 미세구조물의 어블레이션(ablation)을 형성시키기 위하여, 적절한 에너지 밀도로 주기적으로 조사되는(pulsed) 레이저 광원(12)으로부터의 패턴화 된 조사(illumination)에 노출시키는 방법에 있어서, 그 공정은;
기판(S)의 타겟 영역(14)에 대응하는 고정된 피치에 일련의 동일한 또는 다른 형상들을 포함하는 마스크(13)를 설치하는 공정,
타겟 영역(14) 위에 마스크(13)의 다양한 형상의 이미지를 조사(projecting)하기 위하여 마스크(13)를 통해 균일한 레이저 광선(18)을 조사하는 공정,
마스크(13)와 타겟 영역(14) 사이에서 광선(18)에 의해 운반되는 이미지를 축소시키는 공정,
타겟 영역(14)에 어블레이션을 위하여 기판(S)을 위치시키는 공정,
기판(S)을, 최소한 타겟 영역에서, 프로젝트 된 미세구조물 어레이(array)의 한 축에 평행한 첫 번째 방향(D1)으로 이동시키고, 그리고 또한 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향(D2)으로 이동시키는 공정, 및,
타겟 영역(14)에서 기판(S)의 정확한 위치에 대응하여 주기적으로 조사 되는 레이저(12)의 발사를 조절하는 공정(20),
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 기판(S)을 이동시키는 공정은 조사되는 이미지와 관련하여 멈춤 없이 지속적으로 수행되며, 주기적으로 조사되는 레이저(12)의 발사를 조절하는 공정은 어레이를 이루는 미세구조물들의 피치의 정수 배로 기판(S)이 이동하면 발사되게 하는 것을 특징으로 한다.
상기 마스크를 위치시키는 공정은 마스크가 조리개(11'~15';apertures)를 가지며 일부 또는 모든 조리개가 하프톤 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 조사하고 축소하는 공정이, 구조물의 평행 열이 서로 이웃하여 형성 될 때, 프로젝트된 볼록 미세구조물의 사이드 에지에 리지(ridges)가 생성하는 것을 피하기 위해, 이미지 평면에, 상기 첫 번째 방향과 두번째 방향과 직각을 이루는 충분히 높은 세기의 레이저 빔(18)을 생성시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 조사공정을 위해, 마스크(13)가 사이드 에지를 가지며, 볼록 미세구조물의 돌출된 열에 경사진 사이드를 형성시키기 위하여 사이드 에지는 마스크 안에서 형상들의 열에 대응해서 기울어져 있으며 그래서 열이 서로 옆에 위치하게 되면 이 경사진 사이드는 정확히 겹쳐지고 경계지역에서 리지나 트러프(trough)가 생기지 아니하게 하는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 패턴화 된 일루미네이션에 의해 2D 또는 3D 미세구조물의 조밀하고 규칙적인 어레이를 형성시키기 위하여 폴리머(polymer) 또는 기판(S)의 표면을 어블레이팅하는 장치에 있어서:
파동 가능한 레이저 광원(laser source)(12) ;과
고정된 피치에(on a fixed pitch) 일련의 동일한 또는 다른 형상을 포함하는 그리고 레이저 광원(laser source)(12)와 타겟 영영(14)사이에 설치되는 마스크(13);와
마스크(13)위의 다양한 형상으로 조사되는 레이저 광원(12)과 마스크(13) 사이에 설치된 균일한 레이저 광선(16)을 만들기 위한 일루미네이션 시스템(illumination system)(15);과
타겟 영역(12) 상에 마스크 이미지를 축소화하기 위한 그리고 마스크(13)와 타겟 영역(12) 사이에 설치된 광학 프로젝션 시스템(17);과
미세구조물의 규칙적인 어레이의 한 축에 평행한 첫 번째 방향과 그리고 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향으로 타겟 영역(14) 내에서 기판(S)을 이동시키는 두 축 스테이지 시스템(19); 그리고
타겟 영역(14)에서 기판(S)의 정확한 위치에 파동 레이저(12)를 발사시키는 컨트롤 시스템(20);
으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 상기 두 축 스테이지 시스템은, 프로젝트 된 이미지에 대응하여 기판(S)을 지속적으로 드라이브하고, 콘트롤시스템은
어레이를 형성하는 미세구조물의 피치의 정수 배(integral number of pitches)로 기판이 움직일 때마다 레이저 광원(12)로 하여금 발사하게끔 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 조리개의 일부 또는 전체가 하프톤(half tone) 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 광학 마스크 일루미네이션(15)과 프로젝션 시스템(17)이, 구조물의 평행 열이 서로 각각 이웃하여 형성되었을 때 리지(ridges)가 생기지 않도록 볼록 미세구조물의 열(rows)의 사이드 에지(side edges)에 수직인 벽을 만들기 위하여 첫 번째 또는 두 번째 방향에 직각인 축방향으로 기판(S) 상의 이미지 플랜(plane)에 충분히 높은 레이저 광선 각을 만드는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법에 의하면, 광학 마스크(13)는 사이드 에지를 가지며, 사이드 에지는, 볼록 미세구조물의 열(rows)에 경사진 면을 만들기 위하여 마스크(13)내에서 형상의 열(row)에 대응하여 기울여져 있으며, 열(rows)이 이웃하여 서로 각각 프로젝트될 때, 경사진 면의 이미지들은 오버랩(overlap)하고, 열(rows)사이의 경계에서 리지(ridges)또는 트러프(troughs)가 생기지 아니하게 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 본 발명의 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법 및 장치에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 제품을 제공한다.
본 발명은 EP0822881에서 서술한 것과 같이 직접적인 레이저 어블레이션(ablation)에 의해 기판의 표면 상에 일련의 2D와 3D 구조물을 만들기 위하여 규칙적으로 패턴 된 방사에 기판을 노출시키기 위한 방법과 장치를 제공한다. 그러나 위 방법과 달리 최종 제품은 빠른 속도에서 미세구조물에 평탄한 표면을 만들고 어블레이션 밴드(ablation bands)사이의 경계에서 리지(ridge)또는 균열 효과(seam effect)를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예는 폴리머(polymer)또는 다른 기판의 표면을 어블레이팅(ablating)하기 위한 장치와 관련된 아래의 도면들에 의해 서술된다.
도면1은 전체 레이아웃을 보여주는 도식.
도2는 어블레이션(ablation)의 다양한 실시 상태 간략 설명도
도3은 미세구조화 시키기 위해 조사함에 있어서 조사를 축소시키는 다른 실시예의 간략 설명도.
본 발명에서 어블레이션(ablation)과정은, 종래에 있어서의 공정을 생략하며 종래의 공정에 있어서의 과정의 반복 행태(repeat nature)를 제거하고, 규칙적인 미세구조물 어레이의 한 축에 정확하게 평행한 방향에서 지속적으로 움직이는 기판의 작동에 의해서 신속하게 수행된다. 상기 작업을 효과적으로 수행하기 위하여 레이저가 스테이지의 이동(stage motion)에 대응하여 정확한 때에 조사되어야 한다.
이것은 스테이지가 높은 해상부호기(resolution encoder)를 가져야 하며 매우 반복적이어야 한다는 것이다. 그것은 또한 스테이지 부호기 신호로부터 레이저의 주기적인 조사(pulse)를 증폭시키기 위해 빠르고 지터 프리 컨트롤 전자기술(jitter free control electronics)이 필요하게 되며, 그래서 스테이지 속도에 서(서보 룹 컨트럴 에러<servo loop control errors>에 기인한)작은 변화가 이미지의 정확한 포지셔닝(positioning)에 영향을 미치지 않게 한다. 이 과정을 싱크로나이즈드 이미지 스캐닝(SIS)라고 부른다.
최상의 빠른 처리를 위해, 광선의 한 번 통과로 미세구조물이 완전하게 완성되는 것이 바람직하다. 이것은 마스크에서 직사각형 이미지와 직사각형 광선을 형성하기 위해 형성된 레이저 광선을 사용함으로써 쉽게 성취된다. 만약 기판이 직사각형 이미지의 긴 축에 평행하여 스캔 되고, 이 방향에서 마스크는 미세구조물의 모든 다양한 깊이(depths)에 대응하는 모든 윤곽을 포함한다면, 구조물은 한 번의 연속적인 통과(a single continuous pass)로 완성될 것이다.
래터럴 사이즈가 0.1㎜인 미세구조물과 10㎜ 길이의 광선을 위하여 100가지 다른 구조물 윤곽을 형성시키기 위한 100개의 다른 조리개가 이미지 속으로 피트(fit)될 수 있고, 싱글 패스(single pass)로 기판 상의 각 포인트에 100회의 레이저 조사가 이루어질 것이다. 만약 기판이 폴리머이고 에너지 밀도가 0.2와 0.3 마이크로미터(microns)사이의 깊이로 선택된다면, 각 레이저 샷에 의해 어블레이트(ablated)될 수 있고 그래서 100 샷 후에 20 내지 30 미크론의 깊이가 이루어진다. 이러한 깊이는 많은 미세구조물 요구에 충분하나 더 깊은 깊이를 위하여, 더 많은 조리개를 포함하는 더 긴 광선들이 사용될 수 있다. 3D 구조물의 모든 윤곽을 연합시키기 위해 이미지 사이즈가 충분한 더 깊은 깊이를 성취하는 대안 방법은 패 스 사이에 변화된 마스크를 가진 표면 위로 광선의 원 패스(one pass)보다 더 많은 패스를 사용하는 것이다. 이러한 경우에, 각 마스크는 3D의 모든 윤곽을 정의하기 위하여 요구된 조리개의 총 숫자의 부분집합(subset)이 된다. 그래서 기판이 전체 마스크에 노출된 후, 각 개별의 3D 미세구조물은 모든 다른 조리개에 노출된다.
기판이 다른 조리개에 의해 노출되는 특수한 일시적인 순서는 기판의 표면 평탄성에 영향을 미칠지는 모르나 본 발명에 있어서 중요한 것은 아니다. 몇몇 경우에서, 크기가 증가하는 조리개들 중 가장 작은 조리개에 기판을 먼저 노출시키는 것이 더 바람직하다. 다른 경우에서는 그 반대가 바람직할 수 있다. 랜덤한 순서(random order)로의 조리개에 의해 표면을 노출시키는 것 또한 가능하다.
만약 마스크가 기판 표면에 복잡한 3D 구조물을 창출하기 위하여 다양하고 명료한 또는 불명료한 형상 사이즈들의 범위를 포함하고 있고, 이러한 형상들이 2개 1조의(binary) 마스크처럼 작용하는 예리한 가장자리를 가고 있다면, 미세구조물의 표면은 개별 레이저 조사에 의한 정밀한 공정(minute steps)을 거치게 될 것이다. 이러한 문제는 미세 렌즈의 중심에서처럼 낮은 굴곡(curvature)의 미세구조물의 지역에서 더 중요하다. 본 발명에서는 최소한 일부 내지 전체의 마스크 형상에 하프 톤 형상(half tone features)을 도입함으로써 상기 표면의 불규칙성을 제거하게 된다.
하프 톤 마스크 기술(half tone mask techniques)은 멀티 레벨 장치를 만들기 위한 그리고 매끄러운 3D 구조물을 창출하기 위한 공정에서 어블레이션(ablation) 처리의 반복을 위해 광범위하게 사용되어져 왔다. 전체 정보는 몇몇 출판물에서 찾을 수 있다. "엑시머 레이저 어블레이션과 하프 톤 마스크에 의한 멀티레벨 회절 광학 원소 제조(multilevel diffractive optical element manufacture)"(SPIE proceeding volume 4274,2001,p420)는 하프 톤 마스크 컨셉을 설명하고 있으며, 공정과 반복 모드(repeat mode)에서의 멀티레벨 회절 광학 원소를 형성하기 위한 그것의 사용을 논증하고 있다. "하프 톤 마스크를 사용하는 폴리머의 엑시머 레이저 마이크로-머시닝(excimer laser micro-maching): 마스크 디자인과 프로세스 최적화"(레이저 정밀 미세 제조 상의 6번째 국제적인 심포지움의 처리(LPM2005, p215-218))는 하프 톤 마스크 디자인의 원칙을 설명하고 있으며 쌍방 단계에서 그리고 반복적이고 비 싱크로나이즈 된(non-synchronised) 스캐닝 모드에서 매끄러운 3D와 2D 구조물의 제조를 위한 사용을 설명하고 있다. 본 발병은 빠른 속도에서 넓은 영역 위에 높은 표면 품질의 반복적인 3D 미세구조물을 만들기 위한 SIS 기술과 연관된 이러한 하프 톤 마스크의 사용을 제공한다.
하프 톤 기술은 마스크 디자인에 있어서의 모든 형상들에 적용되기 위해 필수적으로 필요한 것은 아니다. 그러나 미세구조물 깊이에서의 점차적인 변화가 요구되는 곳에서 그것의 사용은 크리티컬하고 두 마스크의 사용은 표면 위에 어블레이션 공정을 보여줄 것이다. 하프 톤 마스크 기술들은 오목과 볼록 미세 렌즈 어레 이(arrays)가 제조되는 곳에서 특히 중요하다. 이 경우에, 만들어질 렌즈의 표면을 한정하는 마스크위의 명료한 또는 불명료한 형상들은, 표면 위의 불연속 어블레이션 공정을 제거하기 위하여 사용하는 하프 톤 기술 이용으로부터 원래의 표면에 대하여 작은 각을 가지는 이익을 얻는다.
몇100㎐의 반복율을 가진 전형적인 엑시머 레이저를 위하여, 이미지에서의 광선은 10-20㎟의 범위 내에서 영역을 가질 수 있다. 이것은 만약 광선이 10에서 20㎜ 길이라면 너비는 오직 1 또는 2㎜가 될 것이고, 기판은 이 너비의 연속적인 스트라이프(stripes) 시리즈 내에서 처리될 것이라는 의미이다. 3D 미세구조물 형성을 위한 지속적인 싱크로나이즈드 스캐닝 프로세스가 가지는 한 가지 문제점은 이웃하는 스캔 밴드들 사이에서 발생하는 스티칭 에러(stitching error)이다. 이러한 에러들은 스캔 너비와 동등한 피치(pitch)의 기판 위에 보여지는 라인들처럼 명백하게 드러난다. 이미지 영역의 가장자리에서 적은 또는 어떤 재료도 어블레이트 되지 않는 오목 미세구조물의 경우, 이것은 아직 노출되지 않은 표면 위에 광선의 조사영역(landing) 이내에 영역으로부터 어블레이트 된 파편의 디포지션(deposition)에 의해 야기된다. 그러나 재료가 이미지 영역 가장자리에서 미세구조물의 전체 깊이에 어블레이트되는 볼록 구조물의 경우 눈에 보이는 라인들은 벽에 대해 안쪽으로 기울어진 경사에 의해 야기된 리지(ridges) 때문이다.
이 경계 문제를 최소하기 위한 가장 수월한 방법은 한 싱글 패스(a single pass)위 에 오직 하나의 미세 구조물의 싱글 라인을 스캔하는 것이다. 이 방법에서, 비록 파편 또는 리지와 같은 인공물들이 발생하더라고 그들은 가장 작은 구조물로서 같은 피치 위에 있으므로 결함으로 보이지 않는다. 위에서 고려된 경우를 보면, 광선은 10㎜길이에 오직 0.1㎜너비가 될 것이다. 200㎐로 발사되고 레이저 발사 간격 사이에 하나의 미세구조물 피치를 이동하는 기판에 있어서 스테이지의 속도는 오직 초당 20㎜이다. 그래서 넓은 영역을 커버하기 위한 처리 속도는 매우 느려질 것이다.
그러므로 넓은 영역에 고속으로 3D 미세구조물을 형성시키기 위한 이상적인 레이저는 높은 반복률(repetition rate)로 작동한다. 이상적인 레이저는 정확한 에너지 밀도에서 좁은 직사각형 이미지 영역을 조사하기에 충분이 적당한 에너지를 가지지만 초당 최소 1000회 조사의 반복률에서 이것을 상기 요구량을 충족할 것이다. 만약 0.1X10㎜의 이미지 영역이 사용되고 5mJ/㎟(0.5J/㎠)의 에너지 밀도가 요구된다면, 레이저는 각 조사 당 수십 mJ의 에너지를 가져야 한다. 이러한 엑시머 레이저는 존재하지만 파워가 제한되어 있어서 넓은 영역 미세구조물을 위한 처리 시간이 길어지는 문제가 있다.
도1에 도시된 바에 의하면, 주기적으로 조사 가능한 레이저 광원(12)를 포함하는 장치(11). 마스크(13)는 일정한 피치(pitch) 위에서 그리고 레이저 광원(12)과 타겟 영역(14) 사이에 설치되고, 일련의 동일한 또는 다른 형상을 포함한다.
일루미네이션 시스템(illumination system)(15)은 마스크(13) 상의 다수의 형상으로 조사되는 균일한 레이저 광선(16)을 만든다.
광학 프로젝션 시스템(17)은 광선(18)을 축소화시키며, 기판(S)에 축소된 마스크 이미지를 조사하고, 기판(S)은 두 축 시스템(19)의 방법에 의해 타겟 영역(14)에 위치되어, 미세구조물의 규칙적인 어레이의 한 축에 평행한 첫 번째 방향 D1과 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향 D2으로 움직인다. D1과 D2 방향 둘 다 광선(18)에 직각이다.
컨트롤 시스템(20)은 스테이지 시스템(19)에 의해 설정된 위치의 기판(S)에 파동 레이저 광원(12)을 조사한다.
본 발명에서는, 볼록 구조물이 하나 또는 그 이상의 미세구조 피치와 동일한 너비를 가진 광선을 사용하여 작동할 때 스캔 된 영역 사이의 경계 지역에서 발생하는 "테이퍼 존(taper zone)"리지를 제거하기 위한 세 가지 방법을 제공하고 있다.
첫 번째 방법에서, 광학 시스템은 필드 엣지의 벽 위에 있는 테이퍼는 사실상 제로로 간주하고 작동된다. 노 리지(no ridges)는 스캔된 영역 사이의 경계지역 에서 발생한다. 제로 테이퍼 각을 이루는 것은, 렌즈 입구 동공(pupil)을 정확하게 메우기 위한 빔 호모제니제이션(beam homogenization)과 마스크 일루미네이션 시스템의 디자인을 정확하게 하기 위해서 짝 지어진 프로젝션 렌즈 개구수의 바른 선택에 의해 가능하다. 만약 이러한 광학 문제들이 정확하게 조절된다면, 기판 상의 이미지에서의 입사광선 각도는 충분히 높게 되고, 기판의 어블레이트 된 열의 바깥 사이드 벽면 상의 안 쪽 테이퍼 각도는 제로로 감소되며 구조물의 이웃한 열 사이의 경계에서 어떠한 리지도 만들어지지 않는다. 이미지에서, 광선 또는 기판 스캐닝 방향에 직각인광선의 한 축의 어블레이션 테이퍼 앵글을 0으로 감소시키기 위하여, 렌즈 조리개와 일루미네이션 각도의 조절만이 필요하다. 그러나 이러한 방법의 문제는 일반적으로 폴리머 재료에 있어서 제로 테이퍼 앵글을 얻기 위해서는 상대적으로 높은 개구수(>0.2)를 가진 렌즈의 사용이 필요하며 상대적으로 높은 에너지 밀도에서 작동 될 것을 요구한다는 것이다. 이러한 높은 개구수를 가진 조리개 렌즈의 사용은 포커스의 깊이가 엄격하게 제한될 것을 의미하며 넓은 영역 기판 전체의 처리 컨트롤이 어렵다는 것을 의미한다. 또한 높은 에너지 밀도 사용은 어블레이션 능률이 낮은 에너지 밀도를 사용하는 것 보다 더 바람직하지 못하다.
두 번째 방법에서, 제한된 테이퍼에 의해 제한되는 영역(zone)의 너비와 동일한 클리어 존(clear zone)을 각 사이드상에 추가시킴에 의해 프로젝트 된 이미지 너비의 단순 증가를 통합시키기 위해 마스크가 수정된다. 이로써 리지는 제거되나, 처리되는 밴드들 사이의 스텝은 반드시 구조물 피치와 정확히 같은 숫자여야 하기 때문에 이미지 너비는 이것보다 더 넓다. 그래서 오버랩 포인트에서 이웃한 스캔 밴드 사이에서 홈(groove)을 만드는 과량의 재료들이 제거된다. 특정 한 경우에서 상기의 방법은 리지에 적당하지만 그럼에도 불구하고, 프로파일에서 바람직하지 못한 불연속을 유발할 수 있다.
세 번째 방법에서, 기본(natural) 테이퍼는, 경사를 정확하게 동등하게 만들지만 본래의 테이퍼에는 반대되게 만드는 일련의 레이저 조사들이 테이퍼 영역 내에서 표면을 노출시키는 형상들을 결합시키는 마스크 패턴을 수정함에 따라 제거된다. 이는 마스크 상에서 미세 구조물을 한정 짓는 형상의 축에 대응하는 미세구조물의 열(또는 열들)을 제한하는 마스크의 경계 지역을 기울임으로써 이루어질 수 있다. 볼록 미세구조물의 생성을 위하여, 일련의 셀들로 구성된 마스크는 볼록 미세구조물 내의 특별한 윤곽을 그리기 위한 셀들 안에 있는 불투명한 형상을 가지는 각 셀들과 함께 일반적인 피치 위에서 위치한다.
볼록 형상의 탑 표면을 의미하는 상기 불투명한 형상들은 바깥 경계 또는 미세구조물의 가장 낮은 레벨을 의미하는 셀(cell)을 완전하게 채우기 위해 충분히 커지기 위하여 매우 작은 크기에서부터 증가하게 된다. 모든 불투명한 영역들이 작은 마스크에서 불투명한 형상들의 열(row)의 한 끝에서 마스크는 대부분 완전하게 투명하다.
열을 이루는 형상들의 상기 "투명한"말단은 테이퍼 이펙트를 극복하기 위하여 마스크 패턴의 두 바깥 사이드 에지가 경사(tilt)지게 형성 된다. 마스크의 이 지역에 있는 바깥 에지에 경사를 적용시키는 것은 불투명한 영역이 마스크의 이 지역에서 작기 때문에 불투명한 영역에 어떠한 영향도 끼치지 않는다. 마스크 에지에서 적용된 경사의 레벨은 어떤 테이퍼 수정 없이 발생한 기본 테이퍼에 정확하게 일치해야 한다. 0.1㎜ 사이즈의 미세구조물이 폴리 카보네이트(poly-carbonate)와 같은 폴리머에서 100개의 다양한 윤곽들까지 기판의 표면을 지배하는 10㎜ 길이 광선의 사용에 의해 25㎛ 깊이까지 형성된 경우에, 스캔 된 패턴의 사이드 에지에서 발생한 자연적인 어블레이션 앵글은 수직으로 5에서 10정도의 범위 내에서 일어날 수 있으나 더 높은 각도 또한 가능하다. 이 경우에 미세구조물의 최하의 레벨에서 기본 테이퍼 영역의 측면 너비가 약 몇 미크론에서 5마이크로미터 사이 범위 내에 있을 수 있으나 더 높은 값 또한 가능하다는 것을 의미한다. 이것은 마스크 패턴의 사이드 에지에 적용된 경사가 비슷한 양의 이미지의 사이드 에지 위에 경사를 이끌어야 함을 의미한다. 이미지의 "투명한" 끝에서의 사이드 에지 오프셋(offset)은 대략 5마이크로미터이므로 에지는 10㎜ 광선 길이에서 약 0.05 정도 보다 더 적은 각도까지 기울인다. 더 높은 또는 더 낮은 각도는 레이저 어블레이션 상황과 사용된 재료에 따라 요구된다. 기판이 마스크 위의 형상들의 열에 정확하게 평행한 방향에 있는 광선 아래에서 움직일 때, 이미지의 각 사이드 위의 경사진 에지는 형성된 구조물의 열 양 사이드 상의 경사진 사이드월(sidewalls)에 상승을 준다. 에지 경사 테이퍼(edge tilt taper)의 조정은 스캐닝 방향의 축과 같은 방향에서 양 경 사각을 가진 마스크 패턴의 양 사이드에 동등하게 적용된다. 그러므로 기판이 단수 또는 복수 피치 간격에 정확하게 동일한 양만큼 옆으로 움직여질 때 그리고 구조물의 평행 열이 만들어질 때, 경사진 사이드월이 정확하게 오버랩(overlap)되고 따라서 경계지역에서 어떠한 리지나 트러프가 형성되지 않는다.

Claims (12)

  1. 폴리머 등으로 된 기판 표면을, 촘촘하고 규칙적으로 정렬되는 2-D 또는 3-D 미세구조물의 어블레이션(ablation)을 형성시키기 위하여, 적절한 에너지 밀도로 주기적으로 조사되는(pulsed) 레이저 광원(12)으로부터의 패턴화 된 조사(illumination)에 노출시키는 방법에 있어서, 그 공정은;
    기판(S)의 타겟 영역(14)에 대응하는 고정된 피치에 일련의 동일한 또는 다른 형상들을 포함하는 마스크(13)를 설치하는 공정,
    타겟 영역(14) 위에 마스크(13) 다수의 형상의 이미지를 조사(projecting)하기 위하여 마스크(13)를 통해 균일한 레이저 광선(18)을 조사하는 공정,
    마스크(13)와 타겟 영역(14) 사이에서 광선(18)에 의해 운반되는 이미지를 축소시키는 공정,
    타겟 영역(14)에 어블레이션을 위하여 기판(S)을 위치시키는 공정,
    기판(S)을, 최소한 타겟 영역에서, 프로젝트 된 미세구조물 어레이(array)의 한 축에 평행한 첫 번째 방향(D1)으로 이동시키고, 그리고 또한 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향(D2)으로 이동시키는 공정, 및,
    타겟 영역(14)에서 기판(S)의 정확한 위치에 대응하여 주기적으로 조사되는 레이저(12)의 조사를 조절하는 공정(20),
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기판(S)을 이동시키는 공정은 조사되는 이미지와 관련하여 멈춤 없이 지속적으로 수행되며, 주기적으로 조사되는 레이저의 조사를 조절하는 공정은 어레이를 이루는 미세구조물들의 피치의 정수 배로 기판(S)이 이동하면 발사되게 하는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 마스크를 위치시키는 공정은 마스크가 조리개(11'~15';apertures)를 가지며 일부 또는 모든 조리개가 하프톤 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 조사하고 축소하는 공정이, 구조물의 평행 열이 서로 이웃하여 형성 될 때, 프로젝트된 볼록 미세구조물의 사이드 에지에 리지(ridges)가 생성하는 것을 피하기 위해, 이미지 평면에, 상기 첫 번째 방향과 두 번째 방향과 직각을 이루는 충분히 높은 세기의 레이저 빔(18)을 생성시키도록 하는 것을 특징으로 하는 이동하는 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 조사공정을 위해, 마스크(13)가 사이드 에지를 가지며, 볼록 미세구조물의 돌출된 열에 경사진 사이드를 형성시키기 위하여 사이드 에지는 마스크 안에서 형상들의 열에 대응해서 기울어져 있으며 그래서 열이 서로 옆에 위치하게 되면 이 경사진 사이드는 정확히 겹쳐지고 경계지역에서 리지나 트러프(trough)가 생기지 아니하게 하는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 방법.
  6. 패턴화 된 일루미네이션에 의해 2D 또는 3D 미세구조물의 조밀하고 규칙적인 어레이를 형성시키기 위하여 폴리머(polymer) 또는 기판(S)의 표면을 어블레이팅하는 장치에 있어서:
    주기적으로 조사되는 레이저 광원(laser source)(12) ;과
    고정된 피치에(on a fixed pitch) 일련의 동일한 또는 다른 형상을 포함하는 그리고 레이저 광원(laser source)(12)과 타겟 영영(14)사이에 설치되는 마스크(13);와
    마스크(13)위에 다양한 형상으로 조사되는 레이저 광원(12)과 마스크(13) 사이에 설치된 균일한 레이저 광선(16)을 만들기 위한 일루미네이션 시스템(illumination system)(15);과
    타겟 영역(12) 상에 마스크 이미지를 축소화하기 위한 그리고 마스크(13)와 타겟 영역(12) 사이에 설치된 광학 프로젝션 시스템(17);과
    미세구조물의 규칙적인 어레이의 한 축에 평행한 첫 번째 방향과 그리고 첫 번째 방향에 직각인 두 번째 방향으로 타겟 영역(14) 내에서 기판(S)을 이동시키는 두 축 스테이지 시스템(19); 그리고
    타겟 영역(14)에서 기판(S)의 정확한 위치에 파동 레이저(12)를 발사시키는 컨트롤 시스템(20);
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 두 축 스테이지 시스템은, 프로젝트 된 이미지에 대응하여 기판(S)을 지속적으로 드라이브하고, 콘트롤시스템은
    어레이를 형성하는 미세구조물의 피치의 정수 배(integral number of pitches)로 기판이 움직일 때마다 레이저 광원(12)로 하여금 발사하게끔 하는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 조리개의 일부 또는 전체가 하프톤(half tone) 구조인 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 광학 마스크 일루미네이션(15)과 프로젝션 시스템(17)이, 구조물의 평행 열이 서로 각각 이웃하여 형성되었을 때 리지(ridges)가 생기지 않도록 볼록 미세구조물의 열(rows)의 사이드 에지(side edges)에 수직인 벽을 만들기 위하여 첫 번째 또는 두 번째 방향에 직각인 축방향으로 기판(S) 상의 이미지 플랜(plane)에 충분히 높은 레이저 광선 각을 만드는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 광학 마스크(13)는 사이드 에지를 가지며, 사이드 에지는, 볼록 미세구조물의 열(rows)에 경사진 면을 만들기 위하여 마스크(13)내에서 형상의 열(row)에 대응하여 기울여져 있으며, 열(rows)이 이웃하여 서로 각각 프로젝트될 때, 경사진 면의 이미지들은 오버랩(overlap)하고, 열(rows)사이의 경계에서 리지(ridges)또는 트러프(troughs)가 생기지 아니하게 하는 것을 특징으로 하는 이동 기판에 미세구조물을 형성시키는 장치.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항의 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 제품.
  12. 제6항 내지 제10항 중 어느 하나의 항의 장치에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 제품.
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