KR20100134356A - 미세 도전성 패턴의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 도전성 패턴의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 (a) 레이저 가공기에 수용기판을 배치하고, 투명기판의 하부면에 차례로 형성된 금속 박막층 및 폴리머층이 수용기판의 상부면에 대응되도록 투명기판을 배치한 후, 투명기판의 상부면에 레이저를 조사하여 수용기판의 상부면에 금속 시드 패턴층을 형성하는 단계; 및 (b) 무전해 도금 공정으로 상기 금속 시드 패턴층을 보강하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법은 레이저 유도 증착법을 사용하여 미세패턴의 정밀도와 전기 도전성을 향상시킬 수 있고, 미세패턴 및 미세전극 등의 3차원 미세 구조물의 증착이 가능하다.
레이저 유도 증착, 금속 박막층, 무전해 니켈 도금, 투명기판, 수용기판

Description

미세 도전성 패턴의 제조방법{Method for fabricating conductive micro-pattern}
본 발명은 미세 도전성 패턴의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 레이저 유도 증착법을 사용하여 미세패턴의 정밀도와 전기 도전성을 향상시킬 수 있고, 미세패턴 및 미세전극 등의 3차원 미세 구조물의 증착이 가능하며, 증착되는 박막의 물리적 성질이 유지할 수 있고, 기판의 미세크랙과 같은 열적 손상을 방지할 수 있는 미세 도전성 패턴의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 광 디지털 통신 기술 분야, 디스플레이 기술 분야 및 마이크로 가공기술 분야를 비롯하여 마이크로 화학이나, 생체분석, 의학 분야에 이르기까지 고기능 미세 부품에 대한 기술개발연구가 활발히 진행 되고 있다.
이에 따라 마이크로-나노 단위 크기의 형상을 갖는 미세구조물을 제작할 수 있는 다양한 공정이 연구되고 있다. 그로 인해, 가공기술은 점차 소형화, 기능화 및 다양화의 추세로 변화하고 있으며 제품 형상정밀도에 대한 요구가 점점 높아지 고 있다.
미세패턴 제작기술은 광 부품소자 제작기술 및 미세 가공기 부품의 제작을 위한 미세가공, 인쇄, 전자분야의 부품제조, 도전성 회로제작 등에 활용되고 있는 기술이다.
현재 미세 패턴 제조기술로 사용되는 있는 기술은 반도체 공정을 기반으로 한 리소그래피 공정이지만 마스크 제작공정이 필요하기 때문에 시제품 혹은 다품종 소량 생산시 경제성에 문제점이 발생한다.
따라서 마스크 없이 레이저 가공에 의한 증착(LIFT: Laser Induced Forward Transfer)을 이용하여 재료 표면에 미세 패턴을 제조하는 기술이 제안되고 있으나, 지금까지 LIFT공정으로 제작된 패턴은 정밀도가 낮아 응용분야에 제한을 가지고 있다.
또한, 레이저에 의하여 증착을 유도하기 때문에, 유입되는 높은 열에너지에 의해 증착되는 박막의 물리적 성질이 변하거나, 기판의 미세 크랙과 같은 열적 손상이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 유도 증착법을 사용하여 미세패턴의 정밀도와 전기 도전성을 향상시킬 수 있고, 미세패턴 및 미세전극 등의 3차원 미세 구조물의 증착이 가능하며, 증착되는 박막의 물리적 성질이 유지할 수 있고, 기판의 미세크랙과 같은 열적 손상을 방지할 수 있는 미세 도전성 패턴의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 측면에 따르면,
(a) 레이저 가공기에 수용기판을 배치하고, 투명기판의 하부면에 차례로 형성된 금속 박막층 및 폴리머층이 수용기판의 상부면에 대응되도록 투명기판을 배치한 후, 투명기판의 상부면에 레이저를 조사하여 수용기판의 상부면에 금속 시드 패턴층을 형성하는 단계; 및 (b) 무전해 도금 공정으로 상기 금속 시드 패턴층을 보강하는 단계를 포함하는 미세 도전성 패턴의 제조방법이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법은 레이저 유도 증착법을 사용하여 미세패턴의 정밀도와 전기 도전성을 향상시킬 수 있고, 미세패턴 및 미세전극 등의 3차원 미세 구조물의 증착이 가능하며, 증착되는 박막의 물리적 성질이 유지할 수 있고, 기판의 미세크랙과 같은 열적 손상을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 도시된 각 부재의 두께 및 크기는 설명의 편의를 위하여 과장되거나 축소될 수 있다.
본 발명은 레이저 유도증착 방법을 사용하는 미세 도전성 패턴의 제조방법으로서, 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법은 (a) 레이저 가공기에 수용기판을 배치하고, 투명기판의 하부면에 차례로 형성된 금속 박막층 및 폴리머층이 수용기판의 상부면에 대응되도록 투명기판을 배치(S100)한 후, 투명기판의 상부면에 레이저를 조사(S200)하여 수용기판의 상부면에 금속 시드 패턴층을 형성(S300)하는 단계; 및 (b) 무전해 도금 공정(S400)으로 상기 금속 시드 패턴층을 보강하는 단계를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 레이저 유도증착 방법을 설명하면, 레이저 빔이 투과하는 투명기판(10)의 하부면에 금속 박막층(11)을 전자빔 등을 이용하여 증착시킨 후, 상기 금속 박막층(11)의 표면에 폴리머층(12)을 형성시킨 후, 상기 폴리머층(12)에 대향되도록 투명기판(10)의 하방에 수용기판(20)을 소정의 간격을 두고 이격 위치시킨다.
이후, 레이저 빔을 투명기판(10)의 상부면에 조사하고, 스캔하며 미세패턴 형상(40)을 증착시키게 되며, 구체적으로 집속된 레이저 빔이 투명기판(10)을 투과하여 금속 박막층(11)에 흡수되면 레이저 빔이 조사된 부위의 금속박막(13)은 어블레이션되어 근접한 수용기판(20)의 표면에 증착되어 미세 도전성 패턴(40)을 형성하게 된다.
본 문서에서 투명기판의 상부면은 레이저와 대응되는 면을 뜻하고, 하부면은 금속 박막층이 형성되는 면을 뜻하며, 수용기판의 상부면은 상기 금속 박막층과 마주보는 면을 뜻한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법에 사용되는 장치는 레이저 빔(31) 및 레이저 가공기 테이블(30)을 포함하는 레이저 가공기로 구성된다.
상기 레이저 가공기의 테이블(30)에는 모터(도시되지 않음)가 설치될 수 있고, 상기 모터에 의해 레이저 빔(31)은 수평방향으로 스캔을 위하여 이동될 수 있다.
여기서, 레이저 가공기 테이블(30) 상에 수용기판(20)이 배치되고, 레이저 가공기에는 수용기판(20)과 레이저 빔(31) 사이에 투명기판(10)이 위치되며, 상기 투명기판(10)은 장착지그 등을 통하여 그 위치가 고정될 수 있다.
상기 투명기판(10)의 하부면에는 차례로 금속 박막층(11) 및 폴리머층(12)이 형성되고, 상기 투명기판(10)은 레이저를 투과시킬 수 있는 투명한 재질로 형성될 수 있고, 이에 제한되지 않으나, 예를 들어 유리 또는 투명수지일 수 있다.
여기서, 상기 금속 박막층(11)은 레이저와 반응하여 열분해 증착반응을 유도할 수 있는 다양한 금속으로 형성될 수 있으며, 이에 제한되지 않으나, 예를 들어 구리, 알루미늄, 금, 니켈 또는 크롬일 수 있으며, 전자 빔, 열 증착기(Thermal evaporator) 또는 스퍼터 등의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 금속 박막층(11)은 그 두께가 300nm 내지 800nm 형성될 수 있고, 상기 수치보다 낮은 두께로 형성되면 조사되는 레이저 빔의 낮은 조사강도에도 금속박막층(11)이 쉽게 융발되어 수용기판(20)에 증착되는 증착율이 떨어지므로 도전성 회로기판으로 사용할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 수치보다 큰 두께로 형성되면 투명기판(10)에서 박리를 일으키게 하는 레이저 빔의 단위면적당 조사강도를 높여야 하므로 이에 따른 수용기판(20)에 미치는 열적 손상으로 수용기판의 물리적 성질이 변하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 폴리머층(12)은 이에 제한되지 않으나, 금속 박막층(11)의 표면에 폴리머를 도포한 후, 노광(soft-baking)처리하여 형성할 수 있으며, 상기 폴리머층(12)은 레이저 유동증착공정에서 증착패턴의 두께, 수용기판(20)과의 접착력 및 전기적 성질인 전도성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 폴리머층(12)의 두께는, 이에 제한되지 않으나, 0.1㎛ 내지 3㎛로 형성할 수 있으며, 약 1㎛로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 수치보다 낮은 두께로 형성되면 한층 한층(layer by layer) 레이저 빔이 조사되면서 투명기판(11)의 금속 박막층(12)의 증착층의 형상정밀도와 치수정밀도가 떨어져서 원하는 형상의 전도층을 형성하는데 문제점이 발생할 수 있고, 상기 수치보다 큰 두께로 형성되면 레이저 빛과 반응으로 생성된 증착물의 증착 조직이 조밀하지 않고 결국 접착력이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 투명기판(10)과 수용기판(20)의 배치 간격은 50㎛ 내지 100㎛일 수 있고, 상기 수치보다 낮은 간격으로 배치되면 레이저 광학계의 초점심도영역에서 레이저 빔과 충분히 반응하여 금속박막층(11)의 용융상태에서, 투명기판(10)에서 수용기판(20)으로 전달되어 증착될 때 폴리머의 용융 잔유뮬이 증착층에 포함될 수 있어 전기도전성에 문제가 발생할 수 있고, 상기 수치보다 큰 간격으로 배치되면 같은 레이저 빔의 조사강도에서 수용기판(20)에 높은 접착강도로 증착이 충분히 일어날 수 있는 운동에너지가 부족하여 접착력과 증착 금속들간의 결합력이 약해지는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 지금까지는 수용기판(20)을 레이저 가공기에 위치시킨 후, 투명기판(10)을 위치시키는 것을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 수용기판(20)의 배치와 투명기판(10)의 배치 순서를 반대로 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법에 사용되는 장치는 투명 기판(10)과 레이저(31) 사이에 배치된 집속렌즈(32)를 포함하며, 이에 따라 레이저 가공은 높은 에너지 강도를 낼 수 있고, 수-수백 마이크로미터 이내로 집속이 가능하므로, 작은 초점크기를 형성할 수 있다.
금속 박막층(11)에 조사되는 레이저(31)는 재료의 반사율에 따라 일부는 반사되고 나머지 에너지는 표면에서부터 빛의 세기가 지수적으로 감소하면서 금속 박막층(11)에 흡수된다. 이때 흡수된 빛 에너지는 열에너지로 변환되면서 투명기판(10) 하부면의 금속 박막층(11)은 열전도에 의해 열분해를 일으키게 된다. 이후 열전도에 의한 열분해 반응을 통해 성성된 부산물(40)은 수용기판(20) 표면에 증착되고, 융발된 입자들은 주위로 빠져나간다.
수용기판(20)을 가열하는 레이저(31)는 수용기판(20) 표면에서 수십 마이크로미터의 매우 작은 크기로 집속되고, 수용기판에 증착된 폴리머층이 레이저를 흡수하여 가열되는 영역과 수용기판의 증착이 일어나는 영역은 레이저의 초점크기와 유사한 매우 작은 영역에 국한된다.
수용기판(20)의 표면에 증착층(40)을 형성한 후, 이 증착층(40)위에 다시 새로운 증착을 수행함으로써, 증착물의 두께를 계속해서 증가시킬 수 있으며, 또한 레이저를 국소위치에 한층 한층(layer by layer) 순서대로 연속 조사함으로써 증착물이 수용기판(20) 표면에 높이 방향으로 증착되면서 3차원 미세 구조물을 증착시킬 수 있다.
또한 금속 박막층(12)을 투명기판(11)의 하부면에 형성함으로써, 플라즈마 실딩이 형성되어 가공 중 레이저 에너지가 차단되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 이와 같이 형성된 금속 시드 패턴층의 비저항은 순수금속의 비저항보다 높으며, 따라서 금속 시드 패턴층을 전기 전도체로 사용하기에는 전도성이 낮고 불균일하기 때문에 다음과 같은 선택적 무전해 니켈 도금공정을 통하여 균일하고 두꺼운 전도성 금속층을 형성하게 된다.
무전해 니켈 도금공정은 도금용액에 녹아있는 니켈 금속이온이 환원제(reducing agent)의 애노드(anode) 산화반응을 일으키고, 미리 촉매제로 활성화된 절연기판 표면위에 선택적으로 금속박막을 환원석출(reductive precipitation)시키는 화학도금(chemical plating)방법이다.
Figure 112009036042413-PAT00001
무전해 니켈 도금 방법은 차아인산나트륨(Sodium hypophosphite: NaH2PO2)을 환원제로 하는 도금과, 수소화붕소나트륨(Sodium Boron Hydride: NaBH4)를 환원제로 하는 도금 등을 사용할 수 있으며, 도 4는 차아인산나트륨을 환원제로 사용하는 방법을 나타낸 것이다.
금속이온이 포함되어 있는 도금용액은 니켈을 염화물로 하고, 환원제는 차아인산나트륨을 사용하는 경우 석출반응은 복잡하지만, 결과적으로 다음 2개의 반응식으로 요약된다.
[반응식 1]
Figure 112009036042413-PAT00002
[반응식 2]
Figure 112009036042413-PAT00003
반응식 1에서는 니켈 금속이온이 니켈금속으로 환원 석출되어 자기촉매적(autocatalytic)역할을 하여 연속적으로 기판표면에 균일하게 도금이 일어나고, 반응식 2에서는 수소가스의 발생이 일어난다.
도금된 기판표면에는 니켈금속 석출물 중에 인(P)이 포함되며, 니켈(Ni)과 인(P)의 합금이 생성된다.
이와 같이 무전해 니켈도금은 니켈 금속이온과 차아인산나트륨의 환원제가 공존하는 도금용액에서 환원제의 산화반응으로 방출되는 전자에 의해 금속이온을 환원시켜 금속막을 석출시키는 것으로 전기력에 의하지 않으므로 전류밀도의 영향이 없고 절연기판과 같은 부도체에도 도금이 가능한 특징이 있다. 또한 원하는 절연기판위에 선택적 도금을 할 수 있고 복잡한 표면형상에도 균일하게 도금이 가능하기 때문에 LIGA-like 공정에서 전도층 형성 등의 과정을 생략할 수 있으므로 제조공정의 수를 줄일 수 있는 장점도 가지고 있다. 그리고 무전해 니켈 도금에 의해 생성된 도금층은 균일하고 치밀한 금속조직을 가지며 내식성(corrosion resistance), 내마모성(wear resistance), 경도(Hardness)등의 우수한 성질의 도금 피막도 얻을 수 있다. 이와 같은 우수한 특성 때문에 PCB나 하드 디스크 및 시계나 카메라와 같은 정밀 제품의 제조 등에 이용될 수 있다.
실시예
실험에 사용된 레이저는 355nm의 파장을 갖는 Q-switched Nd:YVO4 레이저이며, 최대출력 5W을 갖는 다이오드 펌핑 고체 펄스 레이저(Diode-pumped solid state, DPSSL)로 금속 박막의 열분해(thermal decomposition)작용을 유도하여 증착을 일으키는 에너지 열원으로 이용되었다. 레이저 소스에서 나온 빔은 PC로 제어되는 빔 감쇄기(Beam attenuator), 빔 확대기(beam expander), 빔 분할기(beam splitter) 및 갈바노 미러(galvanometer mirror)를 통과하여 F-θ 렌즈로 그 하부면에 금속박막층이 증착되어 있는 투명 기판 상부면에 수직으로 조사된다. 집속된 UV 펄스 레이저 빔은 최고 100kHz의 펄스 반복율(pulse Repetition rate)과 최대출력 5W의 가우스 분포(Gaussian distribution)를 갖는다. 일반적으로 UV 펄스 레이저는 CW(continuous wave) 레이저에 비해 첨두 출력(Peak power)이 높아 상대적으로 광화학반응(Photochemical)과 광열반응(photothermal) 작용이 용이한 장점이 있다.
UV 펄스 레이저 빔은 수용기판(acceptor surface)에서 집속 효율을 높이고, 빔경로(Beam path)에 놓여있는 다른 광학계를 보호하기 위해서 빔 확대기(beam expander)를 거친 후 선형 편광기와 λ/4 plate을 통과하여 원형 편광된 빔으로 변환된다. 선형 편광된 레이저 빔을 원형 편광빔으로 만드는 이유는 기판 표면에 조사된 레이저 빔이 일부 반사되어 레이저 시스템으로 다시 들어가 시스템을 손상시 키는 것을 방지하기 위해서이다. 집속된 레이저 빔의 직경은 knife-edge 방법으로 측정한 결과 약 30㎛로 확인되었다.
실험에 사용된 투명기판은 빔이 투과하는 1mm 두께의 Pyrex glass을 사용하였고, e-beam evaporator를 이용하여 glass substrate 한쪽 면에 두께 0.4㎛ 두께의 금속 박막층을 증착하였다.
금속 시드 패턴층이 증착되는 수용기판(acceptor substrate)은 soda lime glass, Al2O3 세라믹을 사용하였으며, 투명기판과 금속박막이 밀착되게 고정하였다. 시드층(seed layer)을 증착하기 위해 제작된 시편은 이송정밀도(repeatability)가 0.1㎛인 레이저 가공기 X-Y 이송 table 위에 레이저 빔과 수직하게 고정하여 정밀이송이 가능하도록 설치하였다.
금속 시드 패턴층의 증착실험은 레이저 가공기 이송 테이블이 고정된 상태에서 레이저 초점을 고정시킨 후 한층 한층(layer by layer) 스캔 하는 고정 초점방식과 Z축 이송계를 이용하여 집속된 빔의 초점위치를 이동시키면서 증착을 유도하는 이동초점 방식의 두 가지로 나눌 수 있는데, 본 실시예에서는 고정초점 방식으로 진행하였다.
고정 초점방식에서는 투명기판과 수용기판 사이에 초점을 위치시키고 레이저 빔의 에너지 출력밀도(laser energy fluence) 및 펄스 반복율(pulse repetition rate)을 변화시키면서 금속박막의 열분해를 발생시켜 증착반응이 일어나도록 유도한다.
증착은 계속적인 레이저 빔의 반복 스캔횟수에 따라 높이방향(Z축)으로 일어나게 되며 레이저 에너지 출력(laser energy fluence)과 펄스 반복율을 변화시키면서 금속 시드 패턴층을 생성하였고, 수용기판 위에 증착된 금속 시드 패턴층은 무전해 니켈도금 중 이물질 혼입을 없애기 위해 아세톤과 증류수에서 초음파 세척을 하였다.
금속 시드 패턴층의 전도성과 표면특성을 향상시키기 위한 무전해 니켈에 사용된 도금용액은 YU Shin corp.: YS 200을 사용하여 금속 시드패턴층위에 선택적 무전해 니켈 도금을 하였다. 도금용액의 제조는 먼저 니켈금속이온이 포함되어 있는 니켈염, 도금의 증착을 돕는 착화제(complexing agent) 순으로 증류수에 용해시키고, 이어서 금속이온의 석출은 돕는 환원제, 안정제(Stabilizer) 등을 조금씩 넣어가며 서서히 교반시켜 완전히 용해시키고, 마지막으로 Ph 조정제로 Ph를 조정한다.
여기서 주의할 점은 무전해 도금욕의 제조는 다른 전기 도금과 달리 약품의 제조순서가 매우 중요하다. 만일, 용해의 순서가 바뀌었을 경우에 용해가 되지 않거나 도금액 제조 중에 자기촉매반응(autocatalytic reaction)이 일어나는 경우가 발생할 수도 있다.
전자현미경(SEM)과 광학현미경(optical microscope)을 사용하여 절연기판 위에 레이저 유도 증착공정과 무전해 도금 공정의 2단계 복합공정을 통하여 생성된 미세 전도성 패턴의 표면특성과 3차원 구조물 제조기술의 가능성을 확인하였으며, 측정오차를 최소화하기 위하여 동일한 조건에서 실험한 5개 시편에 대한 측정치의 평균값 결과를 분석하였다.
도 5는 레이저 유도증착으로 Al203 세라믹 기판위에 증착된 시드층의 표면과 무전해 도금 후의 표면형상을 보여주고 있다. 금속박막과 레이저빔의 열분해 반응으로 생성된 시드층의 증착 표면이 무전해 도금 전에는 불균일한 표면 형상을 이루다가 무전해 도금 후 니켈금속이 환원석출되면서 전체적으로 균일하고 일정한 형태의 표면을 형성하고 있는 것을 SEM 사진을 통해 알 수 있다. 또한, 무전해 도금을 통해 금속화된 표면의 성분변화를 분석하기 위하여 EDS(Energy Dispersive X-Ray spectrometer)를 통하여 관찰하였다.
도 6은 무전해 도금하기전과 도금후의 표면성분을 나타내는 EDS 측정 결과이다. 투명기판에 e-beam evaporator를 사용하여 증착된 금속박박의 표면성분은 도 6(a)에서 EDS 분석결과 구리(Cu)와 산소(O)가 각각 95.36%와 4.64%의 조성비를 가졌으나, 레이저 유도증착 후 SiO2 기판 위에 증착된 구리 시드층은 구리와 산소가 각각 63.18%와 36.87%의 조성비로 박막상태에 비해 상대적으로 감소되었고, SEM 관찰을 위한 백금코팅으로 백금(PT)이 미량 함유되어 있음을 도 6(b)에서 보여주고 있다. 이것은 레이저 빔에 의한 금속박막층의 열분해 반응을 통해 생성된 구리가 대기 중 산소와 결합하고 절연기판 표면에 산화층을 형성하여 구리 시드패턴의 전기적 비저항이 올라가는 결과를 초래한다. 이렇게 증착된 시드층은 조밀하지 못하고 접착력이 약해지는 단점이 있었으나, 도 6(b)에서 볼 수 있듯이 무전해 니켈 도 금 후 수용기판의 화학성분을 보면 금속 시드 패턴층 위에 산소함유량이 감소되어 있으며, 이는 레이저 유도증착으로 생성된 시드층 사이의 기공(porosity)이 무전해 도금을 거치는 동안 조밀하고 균일하게 도금되어 전기적 전도도와 접착력이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
도 7은 레이저 빔의 이송속도(scan speed)를 변화시키면서 SiO2 기판(수용기판)위에 증착된 금속 시드 패턴층을 접촉식 표면형상 측정기(contact surface profiler: Alpha-step)를 사용하여 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다. 수용기판 위에 금속 시드 패턴층을 증착하기 위한 레이저 유도증착(LIFT)공정은 실험오차를 최소화 하기 위해 3회에 걸친 평균값을 나타내었다.
도 7(a)는 레이저 빔의 이송속도(scan speed) 변화에 따라 증착된 구리 시드층의 높이를 나타낸 것인데 기판은 soda lime glass를 사용하였다. 이 실험결과 이송 속도가 높아질수록 증착된 시드층 높이도 서서히 증가하였지만 레이저 에너지 출력이 7.5J/㎠ 이상의 경우에는 주사속도가 높아질수록 증착 높이가 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 시드층의 증착 높이 및 표면형상은 레이저 초점의 이송속도(scan speed)에 따라 크게 달라진다. 레이저빔의 이송속도(scan speed)가 느리면 빔이 머무르는 시간(dwell time)이 길어지므로 증착 두께가 높아지고 빔의 이송속도가 빠를수록 증착 높이는 점점 줄어든다. 이처럼 레이저 빔의 주사속도 변화에 따라서 증착 높이가 변하는 이유는 빔 주사 속도가 느릴수록 빔 조사시간(dwell time)이 증가하여 열분해(thermal decomposition) 반응이 지속적으로 일어나기 때 문이다.
도 7(b)는 레이저빔의 조사속도에 대한 증착된 구리 시드층의 선폭을 나타낸다. 기판의 종류에 따라 증착된 선폭의 차이는 기판의 열전도도 차이 때문에 발생되는데 glass 기판은 절연 재료이므로 조사되는 레이저 빔에 따른 국소부분의 온도상승이 금속박막의 열분해 반응을 크게 활성화(acvtivation)시키게 된다. 레이저빔 에너지가 7.5J/㎠ 이상 출력에서는 에너지 밀도가 높은 빔의 중심부분이 재융발(re-evaporation)되어 기판의 열적손상(thermal damage)이 생겨서 가장자리 부분만 증착되는 도랑(trench)형상이 관측되었고, 레이저 빔의 이송속도가 높아질수록 증착된 시드층의 선폭은 감소하는 경향도 보였는데 그 이유는 빔의 주사속도가 높아질수록 박막에 머무르는 조사시간이 작아지기 때문에 금속박막 열분해 반응을 일으키는 영역이 줄어들기 때문이다. 이 실험 결과, 레이저 에너지 출력밀도(laser energy fluence) 7.5J/㎠ 이하의 경우 불연속적이고 균일하지 못한 시드층이 생성되었으며 7.5J/㎠ 이상에서는 균일한 증착이 나타남을 알 수 있었다.
일정한 펄스 에너지에서 선폭은 이송속도에 따른 레이저 빔의 중첩도(overlap)와 밀접한 관계가 있으며 이러한 현상은 도 8에서 보여주는 바와 같이 광학현미경 사진을 통하여 관찰할 수 있다. 펄스 에너지가 7.5J/㎠ 일 때 이송속도에 따른 시드층의 광학 현미경 사진을 보면, 상대적으로 높은 단위 면적당 입사되는 에너지가 2m/s의 이송속도에서는 레이저 조사된 영역이 Ablation되어 선폭이 49.62m로 증착된 반면, 단위 면적당 입사 에너지가 감소되면서 이송속도 8m/s에서는 최소 선폭이 46.70m로 증착되었다.
증착되는 구리시드층이 연속적으로 형성되는 임계값을 조사하기 위하여 이송속도를 30m/s로 고정하고 Q-Switching 주파수의 펄스 반복율(repetition rate)을 조절하면서 증착 표면의 균일성을 SEM 사진을 통해 분석하였다. 도 9에서 보여 주는 바와 같이 펄스 반복율을 20kHz 내지 80kHz로 증가시키며 조사한 결과 80kHz 이하에서는 불연속적인 구리 시드층이 형성되었고, 선폭의 균일성을 확보하기 위해 레이저 펄스의 반복율을 80kHz로 증가시킨 결과 도 9(d)에서는 보다 균일한 선폭의 구리 시드층을 얻을 수 있었지만 펄스 중첩에 의한 물결무늬가 표면에 나타났다.
한편, 무전해 도금 공정에 있어서 중요한 변수 중 하나가 온도이며 도금 속도에 많은 영향을 미치게 된다. 무전해 니켈 도금에서도 도금 온도는 pH와 함께 액의 안정성에 크게 영향을 미치는 인자이다. 온도의 영향을 관찰하기 위해 80 내지 90℃에서의 농도와 pH를 적정수준으로 조정하여 무전해 도금을 행하였다. 도 10은 도금시간과 온도 변화에 따른 무전해 니켈도금층의 증착두께를 나타내고 있는데 제조한 무전해 니켈 도금욕은 70℃에서 도금욕의 활성이 이루어지지 않아 도금이 전혀 진행되지 않았으며, 95℃에서는 도금용액의 욕분해로 도금용액의 역할을 다하지 못하여 80℃ 내지 90℃ 온도 범위에서만 도금을 하였다.
실험결과, 무전해 도금의 증착 두께는 온도가 증가함에 따라 선형적으로 증가되는 것으로서 일반적인 무전해 도금에서 온도가 증가함에 따라 석출속도가 거의 2배씩 증가한다는 Gutzeit의 연구 결과와 유사한 경향이 나타남을 알 수 있었다.
도금의 증착 속도는 도금 용액의 온도에 비례하여 증가하기 때문에 도금속도를 증가시켜 도금 초기에 균일한 니켈금속 이온의 치환이 이루어지도록 80℃이상의 도금 온도에서 도금을 하였다. 이때도 도금액의 pH는 약 4.8로 유지하였고, 도금시 도금액의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 사용된 도금액은 재사용하지 않았다. 도금시간에 따른 도금두께가 달라지는 것은 치환제가 그만큼 많은 니켈과 치환되므로 시간에 따라서 석출량은 증가하게 된다.
구리 시드층 증착 실험에서 제작한 47m의 시드층 위에 무전해 니켈도금 공정을 사용하여 도금된 전도성 금속패턴은 SEM사진을 통해 측정하였다. 도금 조건은 앞에서 기술한 약 90℃의 온도, pH 4.8에서 30분간 도금하였고, 도금된 선폭은 52㎛의 선폭이 5㎛ 증가된 57㎛의 전도성 도금층이 형성됨을 관찰할 수 있었다.
시드층의 선폭이 증가할수록 도금층의 선폭도 도 11과 같이 선형적으로 증가하여 레이저 빔 에너지 출력밀도가 13.5J/㎠인 경우 무전해 니켈 도금층의 선폭은 약 85㎛까지 증가하였다.
그리고, 미세 회로패턴을 제작하기 전에 선행되어야 할 연구는 인접한 두 시드층 사이의 최소 선간 간격이다. 여기서 선간 간격은 인접한 두 시드라인 사이의 중심간 거리를 의미한다. 본 시험에서는 제작 가능한 시드층의 최소 선간 간격 형성 조건을 구하기 위하여 선간 간격이 30㎛, 50㎛ 그리고 100㎛인 시드 패턴을 제작하여 무전해 니켈 도금을 진행하였다.
무전해 도금 결과, 선간 간격이 30㎛와 50㎛ 인 시드패턴은 무전해 도금 후 시드 라인 사이에 연결된 브릿지(bridge)가 형성되었으나 100㎛의 선간 간격을 가지는 시드패턴의 경우, 독립된 니켈 전도선 패턴이 형성되었음을 알 수 있었다.
시드층위에 선택적 무전해 도금을 한 후 도금층의 입자의 크기와 도금표면의 형태를 관찰하기 위하여 SEM 사진을 통하여 관찰한 결과를 도 12에 나타내었다. 도 12에서 도금시간 변화에 따른 도금층의 표면형상을 보면 도금시간 80min, pH 4.8로 하였을 때 표면상태가 균일하고 일정한 두께의 표면형상을 관찰할 수 있었다.
또한 전극으로서의 무전해 도금을 하면 레이저 유도증착으로 증착된 시드층위에만 선택적으로 금속층이 남아 있는 부분만 도금이 되어 전도성 패턴이 형성되었음을 SEM사진으로 확인 할 수 있었다.
그림에서 보는 봐와 같이 레이저 유도증착으로 시드층을 증착했을 때보다 무전해 도금후의 선폭이 더욱 증가하였음을 알 수 있었다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법을 나타내는 공정도.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법을 나타내는 개념도.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법에 사용되는 레이저 가공기를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 도전성 패턴의 제조방법에 사용되는 무전해 니켈 도금 공정을 나타내는 개념도.
도 5 내지 도 12은 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 나타내는 도면.

Claims (5)

  1. (a) 레이저 가공기에 수용기판을 배치하고, 투명기판의 하부면에 차례로 형성된 금속 박막층 및 폴리머층이 수용기판의 상부면에 대응되도록 투명기판을 배치한 후, 투명기판의 상부면에 레이저를 조사하여 수용기판의 상부면에 금속 시드 패턴층을 형성하는 단계; 및
    (b) 무전해 도금 공정으로 상기 금속 시드 패턴층을 보강하는 단계를 포함하는 미세 도전성 패턴의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 상기 레이저는 집속렌즈를 통하여 집속된 후, 투명기판에 조사되는 것을 특징으로 하는 미세 도전성 패턴의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 상기 투명기판은 수용기판과의 간격이 50㎛ 내지 100㎛가 되도록 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 도전성 패턴의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 상기 금속 박막층의 두께는 300nm 내지 800nm이고, 폴리머층의 두께는 0.1㎛ 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 미세 도전성 패턴의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    단계 (b)에서, 상기 무전해 도금 공정은 도금용액에 니켈 금속 이온 및 환원제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 도전성 패턴의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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