KR20120130514A - 박막 패터닝 방법, 이를 이용한 나노구조체의 형성방법 및 나노구조체를 포함하는 소자 - Google Patents

박막 패터닝 방법, 이를 이용한 나노구조체의 형성방법 및 나노구조체를 포함하는 소자 Download PDF

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Abstract

박막 패터닝 방법, 이를 이용한 나노구조체의 형성방법 및 나노구조체를 포함하는 소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 박막 패터닝 방법은 기판의 제1면에 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계, 상기 개구부에 의해 노출된 기판 및 상기 광차단층 상에 발광 물질을 포함하는 감광성 물질층을 형성하는 단계, 상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계 및 상기 감광성 물질층을 현상하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 개구부는 나노스케일을 가질 수 있다. 상기 발광 물질은 나노파티클 형태를 가질 수 있다. 개시된 나노구조체는 나노스케일의 개구부를 갖는 제1물질층 및 상기 개구부에 구비된 제2물질층을 포함할 수 있다. 상기 제2물질층은 감광 물질과 발광 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 나노구조체는 플라즈모닉 나노구조체일 수 있다.

Description

박막 패터닝 방법, 이를 이용한 나노구조체의 형성방법 및 나노구조체를 포함하는 소자{Thin film patterning method, method of forming nanostructure using the same and device including nanostructure}
박막 패터닝 방법, 상기 박막 패터닝 방법을 이용한 나노구조체의 형성방법 및 나노구조체를 포함하는 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 포토리소그라피(photolithography) 공정은 감광막 위쪽에 소정의 노광 마스크를 위치시키고, 상기 마스크 위에서 빛을 조사하여 상기 감광막을 노광한 후, 노광된 감광막을 현상하는 방식으로 진행된다. 그런데 이러한 방법에서는 마스크가 감광막으로부터 소정 간격 이격되어 있기 때문에, 노광 시, 마스크와 감광막 사이에서 빛의 회절(diffraction)이 유발된다. 이로 인해 마스크의 패턴이 감광막에 그대로 전사되기 어렵고, 마이크로스케일(microscale) 이하의 미세 패턴을 구현하는데 어려움이 있다.
최근, 다양한 반도체소자 및 전자소자의 집적도가 급격히 증가하고, 나노사이즈의 소자(즉, 나노소자) 및 구조체(즉, 나노구조체)에 대한 요구가 증가함에 따라, 종래의 포토리소그라피 공정의 해상도 한계를 극복할 수 있는 패터닝 방법이 요구되고 있다.
나노스케일(nanoscale)의 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 박막 패터닝 방법및 이를 이용한 나노구조체의 형성방법을 제공한다.
상기 방법으로 형성된 나노구조체를 제공한다.
상기 나노구조체를 포함하는 소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계; 상기 기판의 제1면에 불투명 무기물로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계; 상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 발광 물질을 포함하는 감광성 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 및 상기 감광성 물질층을 현상하는 단계;를 포함하는 박막 패터닝 방법이 제공된다.
상기 불투명 무기물은 금속 또는 반도체를 포함할 수 있다.
상기 개구부는 나노스케일(nanoscale)을 가질 수 있다.
상기 발광 물질은 반도체 나노파티클이거나, 염료 또는 발광성 폴리머일 수 있다.
상기 감광성 물질층은 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 타입의 감광 물질을 포함할 수 있다.
상기 감광성 물질층을 노광하는 단계와 현상하는 단계 사이에, 상기 감광성 물질층에 대한 이미지 반전 베이크(image-reversal bake) 공정을 수행하는 단계; 및 상기 감광성 물질층을 전면 노광(flood exposure)하는 단계;를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계; 상기 기판의 제1면에 불투명 무기물로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계; 상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 감광성 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 상기 감광성 물질층을 현상하여 상기 개구부의 감광성 물질층 부분을 제거하는 단계; 및 상기 광차단층 상에 구비된 감광성 물질층 및 상기 개구부의 기판 상에 발광 물질을 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및 상기 감광성 물질층 및 그 위에 구비된 상기 박막을 제거하는 단계;를 포함하는 박막 패터닝 방법이 제공된다.
상기 불투명 무기물은 금속 또는 반도체를 포함할 수 있다.
상기 개구부는 나노스케일(nanoscale)을 가질 수 있다.
상기 발광 물질은 반도체 나노파티클이거나, 염료 또는 발광성 폴리머일 수 있다.
상기 발광 물질을 포함하는 박막을 베이킹(baking) 하는 단계를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계; 상기 기판의 제1면에 금속으로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계; 상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 감광성 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 및 상기 감광성 물질층을 현상하여 상기 개구부 내에 플라즈모닉 나노구조체(plasmonic nanostructure)를 형성하는 단계;를 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법이 제공된다.
상기 감광성 물질층은 발광 물질을 포함할 수 있다.
상기 감광성 물질층은 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 타입의 감광 물질을 포함할 수 있다.
상기 감광성 물질층을 노광하는 단계와 현상하는 단계 사이에, 상기 감광성 물질층에 대한 이미지 반전 베이크(image-reversal bake) 공정을 수행하는 단계; 및 상기 감광성 물질층을 전면 노광(flood exposure)하는 단계;를 더 수행할 수 있다.
상기 플라즈모닉 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계; 상기 기판의 제1면에 금속으로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계; 상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 감광성 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 및 상기 감광성 물질층을 현상하여 상기 개구부의 감광성 물질층 부분을 제거하는 단계; 상기 광차단층 상에 구비된 감광성 물질층 및 상기 개구부의 기판 상에 박막을 형성하는 단계; 및 상기 감광성 물질층 및 그 위에 구비된 상기 박막을 제거하여 상기 개구부 내에 플라즈모닉 나노구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법이 제공된다.
상기 박막은 발광 물질을 포함할 수 있다.
상기 플라즈모닉 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 나노스케일의 개구부를 갖는 금속층; 및 상기 금속층의 개구부에 구비된 것으로, 감광 물질 및 발광 물질을 포함하는 나노구조체;를 구비하는 플라즈모닉 나노구조체가 제공된다.
상기 발광 물질은 반도체 나노파티클이거나, 염료 또는 발광성 폴리머일 수 있다.
상기 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 플라즈모닉 나노구조체를 포함하는 광학소자가 제공된다. 여기서, 상기 플라즈모닉 나노구조체는 나노스케일의 개구부를 갖는 금속층; 및 상기 금속층의 개구부에 구비된 것으로, 감광 물질 및 발광 물질을 포함하는 나노구조체;를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 나노스케일의 개구부를 갖는 금속층; 및 상기 금속층의 개구부에 구비된 것으로, 복수의 나노파티클이 층 구조를 이루는 나노파티클층을 포함하는 나노구조체;를 구비하는 플라즈모닉 나노구조체가 제공된다.
상기 복수의 나노파티클은 발광 특성을 가질 수 있다.
상기 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 플라즈모닉 나노구조체를 포함하는 광학소자가 제공된다. 여기서, 상기 플라즈모닉 나노구조체는 나노스케일의 개구부를 갖는 금속층; 및 상기 금속층의 개구부에 구비된 것으로, 복수의 나노파티클이 층 구조를 이루는 나노파티클층을 포함하는 나노구조체;를 구비할 수 있다.
종래의 포토리소그라피 공정의 해상도 한계를 극복하고, 나노스케일의 박막 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
상기 나노스케일의 박막 패턴을 광학요소, 예컨대, 플라즈모닉 나노구조체(plasmonic nanostructure)로 적용할 수 있다. 이 경우, 나노스케일의 광학소자를 용이하게 구현할 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 박막 패터닝 방법 및 나노구조체 형성방법을 보여주는 단면도이다.
도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체를 보여주는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 패터닝 방법 및 나노구조체 형성방법을 보여주는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 패터닝 방법 및 나노구조체 형성방법을 보여주는 단면도이다.
도 3f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조체를 보여주는 단면도이다.
도 4의 (A) 내지 (F)는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체가 가질 수 있는 다양한 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체의 SEM(scanning electron microscopy) 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조체의 평면 사진이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10, 100 : 기판 20, 200 : 광차단층
30, 35, 300 : 감광성 물질층 400 : 박막
H1, H10 : 개구부 n1, n10 : 나노파티클
N1?N6 : 나노구조체 M1?M6 : 주변물질층(광차단층)
이하, 본 발명의 실시예에 따른 박막 패터닝 방법, 이를 이용한 나노구조체의 형성방법, 상기 방법으로 형성된 나노구조체 및 이를 포함하는 소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 박막 패터닝 방법을 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 박막 패터닝 방법은 나노구조체 형성방법을 포함한다.
도 1a를 참조하면, 투광성 기판(10)의 제1면(예컨대, 상면)에 소정의 개구부(H1)를 갖는 광차단층(20)을 형성할 수 있다. 투광성 기판(10)은 투명한 기판일 수 있다. 예컨대, 투광성 기판(10)은 유리 기판이거나, 투명한 플라스틱 기판일 수 있다. 투광성 물질이면 어떤 물질이든, 기판(10) 물질로 적용될 수 있다. 광차단층(20)은 불투명 물질로 형성할 수 있다. 여기서 불투명하다는 것은 이후 노광 공정에서 사용할 빛(ex, 자외선)에 대하여 불투명하다는 것을 의미한다. 상기 불투명 물질은 무기물일 수 있다. 예컨대, 광차단층(20)은 불투명 금속으로 형성할 수 있다. 상기 금속은 Au, Ag 등과 같은 귀금속일 수 있지만, Al 등과 같은 비귀금속일 수도 있다. 경우에 따라서는, 광차단층(20)을 금속이 아닌 반도체로 형성할 수도 있다. 상기 반도체도 노광 공정에서 사용할 빛(ex, 자외선)에 대하여 불투명한 특성을 가질 수 있다. 이와 관련해서, 상기 반도체의 에너지 밴드갭(bandgap)은 상기 빛(ex, 자외선)의 에너지보다 작을 수 있다. 다시 말해, 노광 공정에서 사용할 빛(ex, 자외선)의 에너지보다 작은 에너지 밴드갭(bandgap)을 갖는 반도체 물질을 광차단층(20) 물질로 적용할 수 있다. 상기 반도체도 무기물일 수 있다.
광차단층(20)의 개구부(H1)는 나노사이즈를 가질 수 있다. 예컨대, 개구부(H1)의 폭은 수십 nm 내지 수백 nm 정도일 수 있다. 도 1a에서는 개구부(H1)의 단면 형상을 예시적으로 도시하였지만, 개구부(H1)의 단면 형상은 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다. 또한 위에서 보았을 때, 개구부(H1)의 형상은 다양할 수 있다. 이에 대해서는 추후에 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 또한 도 1a에서는 개구부(H1)를 하나만 도시하였지만, 복수의 개구부(H1)를 형성할 수도 있다. 이 경우, 복수의 개구부(H1)는 규칙적으로 배열될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 개구부(H1)에 의해 노출된 기판(10) 부분 및 광차단층(20) 상에 감광성 물질층(30)을 형성할 수 있다. 감광성 물질층(30)은, 예컨대, 포지티브(positive) 타입의 감광 물질을 포함할 수 있다. 상기 감광 물질은 폴리머(polymer)일 수 있다. 상기 폴리머는, 예컨대, 폴리이미드(polyimide) 계열의 폴리머일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 폴리머가 상기 감광 물질로 적용될 수 있다. 또한 감광성 물질층(30)을 구성하는 감광 물질은 폴리머가 아닐 수도 있다. 감광성 물질층(30)은, 부분 확대 도면에 도시된 바와 같이, 복수의 나노파티클(nanoparticle)(n1)을 포함할 수 있다. 나노파티클(n1)은 반도체로 형성된 양자점(quantum dot)일 수 있고, 발광 특성을 가질 수 있다. 이런 점에서, 상기 감광성 물질층(30)은 "발광 물질"을 포함하는 층일 수 있다. 상기 발광 물질의 일례가 나노파티클(n1) 일 수 있다. 소정의 감광 물질에 복수의 나노파티클(n1)을 혼합한 후, 혼합된 물질을 기판(10) 위에 코팅하는 방법으로 감광성 물질층(30)을 형성할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 기판(10)의 제2면(예컨대, 하면) 측에서 감광성 물질층(30)을 노광할 수 있다. 상기 노광 시, 예컨대, 자외선(ultraviolet ray)(UV)을 이용할 수 있다. 이와 같이 후면 노광(back exposure) 방법을 사용할 때, 광차단층(20)은 일종의 노광 마스크와 같은 역할을 하기 때문에, 광차단층(20)으로 가려지지 않은 영역, 즉, 개구부(H1) 영역의 감광성 물질층(30) 부분만 선택적으로 노광될 수 있다. 노광된 감광성 물질층(30) 부분은 가용성 영역(soluble region)(30a)으로 변화될 수 있다. 노광되지 않는 감광성 물질층(30) 부분은 불용성 영역(insoluble region)(30b)일 수 있다. 종래의 포토리소그라피 공정에서는, 노광 마스크와 감광막이 소정 간격 이격되기 때문에, 이들 사이에서 빛의 회절(diffraction)이 발생하고, 이로 인해 마이크로스케일(microscale) 이하의 미세 패턴을 구현하는데 어려움이 있었다. 그러나 본 실시예에서는 노광 마스크의 역할을 하는 광차단층(20)과 감광성 물질층(30)이 밀착되어 있기 때문에, 광차단층(20)의 패턴이 감광성 물질층(30)에 그대로 전사될 수 있다. 따라서 본 실시예에 따르면, 빛의 회절로 인한 문제점 없이, 박막(즉, 감광성 물질층(30))을 나노스케일로 용이하게 패터닝할 수 있다.
도 1d를 참조하면, 감광성 물질층(30)에 대한 이미지 반전 베이크(image-reversal bake) 공정을 수행할 수 있다. 이 경우, 도 1c의 가용성 영역(soluble region)(30a)이 불용성 영역(insoluble region)(30a')으로 변화될 수 있다. 도 1c의 불용성 영역(insoluble region)(30b)은 본래의 불용성(insoluble) 상태를 유지할 수 있다.
도 1e를 참조하면, 감광성 물질층(30)에 대한 전면 노광(flood exposure) 공정을 수행할 수 있다. 전면 노광은 마스크 없이 감광성 물질층(30) 전체를 노광하는 공정이다. 전면 노광 시에도, 도 1c의 후면 노광과 유사하게, 자외선(UV)을 이용할 수 있다. 이러한 전면 노광을 통해, 개구부(H1)에 대응하는 불용성 영역(insoluble region)(30a')은 더욱 경화될 수 있다. 한편, 개구부(H1) 영역 이외의 불용성 영역(insoluble region)(30b)(도 1d 참조)은 가용성 영역(soluble region)(30b')으로 변화될 수 있다. 도 1d의 개구부(H1) 영역 이외의 불용성 영역(insoluble region)(30b)은 도 1e의 전면 노광 단계에서 처음으로 노광되는 것이므로, 상기 전면 노광에 의해 가용성 영역(soluble region)(30b')으로 변화될 수 있다.
도 1c 내지 도 1e의 과정을 통해서, 결과적으로, 개구부(H1)의 감광성 물질층(30) 부분은 불용성 영역(insoluble region)(30a')이 될 수 있고, 그 밖에 감광성 물질층(30) 부분은 가용성 영역(soluble region)(30b')이 될 수 있다.
다음, 소정의 현상액을 사용해서 감광성 물질층(30)을 현상할 수 있다. 이때, 개구부(H1)의 감광성 물질층(30) 부분, 즉, 불용성 영역(insoluble region)(30a')은 현상액에 의해 제거되지 않고, 그 밖에 감광성 물질층(30) 부분, 즉, 가용성 영역(soluble region)(30b')만 제거될 수 있다. 그 결과물이 도 1f에 도시되어 있다.
도 1f를 참조하면, 광차단층(20)의 개구부(H1)에 개구부(H1)의 모양과 유사한 모양의 감광성 물질층(30a')(즉, 도 1e의 불용성 영역(30a'))이 잔류되어 있다. 위에서 보았을 때, 개구부(H1)의 모양과 잔류된 감광성 물질층(30a')의 모양은 동일할 수 있다. 잔류된 감광성 물질층(30a')은 나노사이즈를 가질 수 있고, 광차단층(20)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 광차단층(20)의 개구부(H1) 패턴 및 모양이 감광성 물질층(30)(도 1b)에 그대로 전사되어, 도 1f의 감광성 물질층(일종의 박막 패턴)(30a')이 형성된 것이라 할 수 있다.
도 1f의 결과물에서 광차단층(20)이 금속인 경우, 감광성 물질층(30a')이 일종의 유전체일 수 있으므로, 이들이 접합되어 있는 구조는 플라즈모닉 나노구조체(plasmonic nanostructure)일 수 있다. 광차단층(20)과 접촉되어 있는 감광성 물질층(30a') 자체를 플라즈모닉 나노구조체로 여길 수도 있다. 플라즈몬(plasmon)은 금속과 유전체(또는 반도체)의 계면에서 전자와 빛의 진동이 연동되는 일종의 공명 현상이다. 광차단층(20)과 감광성 물질층(30a')이 플라즈모닉 나노구조체를 구성할 때, 이들(20, 30a')의 계면에서 플라즈몬(또는 플라즈모닉 광)이 발생될 수 있다. 이런 점에서, 감광성 물질층(30a')은 플라즈몬을 발생하는 광학요소(광원)라 할 수 있다. 감광성 물질층(30a')이 발광 물질(예컨대, 나노파티클(n1))을 포함하는 경우, 그로 인해 플라즈몬 발생 효율이 증가할 수 있다. 또한 이 경우, 외부 광 없이 자체적으로(전기적으로) 발광할 수 있는 플라즈모닉 소자를 구현할 수 있다. 이와 같이, 감광성 물질층(30a')이 발광 물질(예컨대, 나노파티클(n1))을 포함하는 경우, 다양한 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 나노스케일의 미세 패턴(도 1f의 감광성 물질층(30a'))을 갖는 플라즈모닉 나노구조체를 용이하게 형성할 수 있다. 이러한 플라즈모닉 나노구조체는 다양한 광학소자에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 플라즈모닉 나노구조체는 플라즈모닉 광원으로 사용될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체는 플라즈모닉 요소(소자)가 아닌 다른 요소(소자)로도 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체는 광학소자가 아닌 다른 분야(전자소자 및 반도체소자 분야 등)에도 적용될 수 있다.
전술한 도 1a 내지 도 1f의 박막 패터닝 방법은 예시적인 것이고, 이 방법은 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 도 1b의 감광성 물질층(30)이 네거티브(negative) 타입의 감광 물질을 포함하는 경우, 후속 공정, 즉, 감광성 물질층(30)의 패터닝 공정은 보다 단순화될 수 있다. 이에 대해서는, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명한다.
도 2a를 참조하면, 감광성 물질층(35)은 네거티브(negative) 타입의 감광 물질을 포함할 수 있다. 감광성 물질층(35)에 포함된 감광 물질의 타입(종류)을 제외한 나머지 구성은 도 1b의 구성과 동일하거나 유사할 수 있다. 또한 감광성 물질층(35)은, 도 1b의 감광성 물질층(30)과 유사하게, 복수의 나노파티클(미도시)을 포함할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 기판(10)의 제2면(예컨대, 하면) 측에서 감광성 물질층(35)을 노광할 수 있다. 상기 노광 시, 예컨대, 자외선(UV)을 이용할 수 있다. 광차단층(20)으로 가려지지 않은 영역, 즉, 개구부(H1) 영역의 감광성 물질층(35) 부분만 선택적으로 노광될 수 있다. 노광된 감광성 물질층(35) 부분은 불용성 영역(insoluble region)(35a)으로 변화될 수 있고, 노광되지 않는 감광성 물질층(35) 부분은 가용성 영역(soluble region)(35b)일 수 있다.
소정의 현상액을 사용해서 감광성 물질층(35)을 현상할 수 있다. 개구부(H1)의 감광성 물질층(35) 부분, 즉, 불용성 영역(insoluble region)(35a)은 현상액에 의해 제거되지 않고, 그 밖에 감광성 물질층(35) 부분, 즉, 가용성 영역(soluble region)(35b)만 제거될 수 있다. 그 결과물이 도 2c에 도시되어 있다.
도 2c를 참조하면, 광차단층(20)의 개구부(H1)에 개구부(H1) 모양과 동일한 모양을 갖는 감광성 물질층(35a)(즉, 도 2b의 불용성 영역(35a))이 잔류되어 있다. 잔류된 감광성 물질층(35a)은 나노사이즈를 가질 수 있고, 광차단층(20)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 도 2c의 결과물은 도 1f의 결과물과 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서 도 2c의 감광성 물질층(35a)은, 예컨대, 플라즈모닉 나노구조체일 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 패터닝 방법을 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 박막 패터닝 방법은 나노구조체 형성방법을 포함한다.
도 3a를 참조하면, 도 1a와 유사한 방법으로, 투광성 기판(100)의 제1면(예컨대, 상면)에 소정의 개구부(H10)를 갖는 광차단층(200)을 형성할 수 있다. 투광성 기판(100) 및 광차단층(200)은 각각 도 1a의 기판(10) 및 광차단층(20)과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 개구부(H10)에 의해 노출된 기판(100) 부분 및 광차단층(200) 상에 감광성 물질층(300)을 형성할 수 있다. 감광성 물질층(300)은, 예컨대, 포지티브(positive) 타입의 감광 물질을 포함할 수 있다. 상기 감광 물질은 폴리머일 수 있지만, 그렇지 않을 수도 있다.
도 3c를 참조하면, 기판(100)의 제2면(예컨대, 하면) 측에서 감광성 물질층(300)을 노광할 수 있다. 상기 노광 시, 예컨대, 자외선(UV)을 이용할 수 있다. 광차단층(200)은 일종의 노광 마스크와 같은 역할을 하기 때문에, 광차단층(200)으로 가려지지 않은 영역, 즉, 개구부(H10) 영역의 감광성 물질층(300) 부분만 선택적으로 노광될 수 있다. 노광된 감광성 물질층(300) 부분은 가용성 영역(soluble region)(300a)으로 변화될 수 있다. 노광되지 않는 감광성 물질층(300) 부분은 불용성 영역(insoluble region)(300b)일 수 있다.
다음, 소정의 현상액을 사용해서 감광성 물질층(300)을 현상할 수 있다. 이때, 개구부(H10)의 감광성 물질층(300) 부분, 즉, 가용성 영역(soluble region)(300a)이 선택적으로 제거될 수 있다. 그 결과물이 도 3d에 도시되어 있다.
도 3e를 참조하면, 잔류된 감광성 물질층(300b) 및 개구부(H10)의 기판(100) 상에 박막(400)을 형성할 수 있다. 상기 박막(400)은, 부분 확대 도면에 도시된 바와 같이, 복수의 나노파티클(n10)을 포함할 수 있다. 나노파티클(n10)은 반도체로 형성된 양자점(quantum dot)일 수 있고, 발광 특성을 가질 수 있다. 이런 점에서, 박막(400)은 "발광 물질"을 포함하는 층이라 할 수 있다. 상기 발광 물질의 일례가 나노파티클(n10)일 수 있다. 소정의 용액에 복수의 나노파티클(n10)을 혼합한 후, 이를 기판(100) 위에 코팅하는 방법으로 박막(400)을 형성할 수 있다. 경우에 따라, 박막(400)을 소정 온도에서 베이킹(baking) 할 수도 있다. 상기 베이킹(baking) 공정을 거치면, 박막(400)에서 용매가 휘발되면서 나노파티클(n10)의 밀도가 증가할 수 있다. 따라서, 복수의 나노파티클(n10)은, 도시된 바와 같이, 층(layer) 구조를 이룰 수 있다.
다음, 감광성 물질층(300b)을 제거(식각)할 수 있다. 이때, 감광성 물질층(300b)을 선택적으로 식각하는 에천트(etchant)가 사용될 수 있다. 이 경우, 감광성 물질층(300b)이 제거되면서, 그 위에 구비된 박막(400)이 함께 제거될 수 있다. 그 결과물이 도 3f에 도시되어 있다. 이와 같이, 감광성 물질층(300b)을 식각하여 그 위에 구비된 박막(400)을 제거하는 공정은 리프트-오프(lift-off) 공정이라 할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 광차단층(200)의 개구부(H10) 내에 박막(400)이 잔류되어 있다. 이러한 구조는 도 1f의 구조, 즉, 광차단층(20)의 개구부(H1) 내에 감광성 물질층(일종의 박막)(30a')이 잔류된 구조와 유사하다고 할 수 있다. 따라서 도 3f의 구조는 "플라즈모닉 나노구조체"일 수 있다. 도 3f의 박막(400) 자체를 "플라즈모닉 나노구조체"로 여길 수도 있다. 또한 도 3f의 박막(400)은 복수의 나노파티클(n10)이 층 구조를 이루는 "나노파티클층"을 포함한다고 할 수 있다.
도 1f의 감광성 물질층(30a'), 도 2c의 감광성 물질층(35a) 및 도 3f의 박막(400)은 다양한 평면 구조를 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 도 1f의 감광성 물질층(30a'), 도 2c의 감광성 물질층(35a) 및 도 3f의 박막(400)이 가질 수 있는 다양한 평면 구조를 예시적으로 보여준다. 도 4에서 참조번호 N1?N6은 나노구조체로서, 도 1f의 감광성 물질층(30a'), 도 2c의 감광성 물질층(35a) 및 도 3f의 박막(400)에 대응된다. 한편, 참조번호 M1?M6은 상기 나노구조체(N1?N6)와 접촉된 주변물질층으로, 도 1f, 도 2c 및 도 3f의 광차단층(20, 200)에 대응된다.
도 4를 참조하면, 나노구조체(N1?N6)는 다양한 구조를 가질 수 있다. 도 4A의 원형 나노구조체(N1), 도 4B의 타원형 나노구조체(N2), 도 4C의 사각형 나노구조체(N3), 도 4D의 링형 나노구조체(N4), 도 4E의 막대형(슬릿형) 나노구조체(N5), 도 4F의 십자형 나노구조체(N6) 등이 가능할 수 있다. 이는 예시적인 것이고, 나노구조체(N1?N6)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 나노구조체(N1?N6)의 모양 및 사이즈 등에 따라, 나노구조체(N1?N6)의 특성(예컨대, 플라즈몬 특성)이 달라질 수 있다.
도 4에서 나노구조체(N1?N6)의 모양은 도 1a, 도 2a 및 도 3a의 개구부(H1, H10) 모양에 대응될 수 있다. 따라서 도 1a, 도 2a 및 도 3a의 개구부(H1, H10)는, 위에서 보았을 때, 매우 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체의 SEM(scanning electron microscopy) 사진을 보여준다. 도 5 및 도 6의 나노구조체(N10, N11)는 도 1a 내지 도 1f의 방법으로 형성한 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 광차단층(M10, M11)의 개구부 내에 원형의 나노구조체(N10, N11)가 구비되어 있다. 나노구조체(N10, N11)는 광차단층(M10, M11)보다 위쪽으로 다소 돌출될 수 있다. 나노구조체(N10, N11)의 지름은 수백 nm 정도이다. 광차단층(M10, M11) 및 나노구조체(N10, N11)는 각각 도 1f의 광차단층(20) 및 감광성 물질층(30a')에 대응될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조체의 평면 사진을 보여준다. 도 7의 나노구조체(N20)는 도 3a 내지 도 3f의 방법으로 형성한 것이다.
도 7을 참조하면, 광차단층(M20)의 개구부 내에 링형 나노구조체(N20)가 구비되어 있다. 광차단층(M20) 및 나노구조체(N20)는 각각 도 3f의 광차단층(200) 및 박막(400)에 대응될 수 있다. 링형 나노구조체(N20)의 폭은 약 300nm 이다. 링형 나노구조체(N20)는 녹색을 띄는데, 이는 나노구조체(N20)가 녹색 발광 물질을 포함하기 때문이다. 여기서, 상기 녹색 발광 물질은 CdSe 나노파티클이었다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 수백 nm 이하의 미세 패턴을 갖는 나노구조체를 용이하게 형성할 수 있다. 특히, 발광 물질을 포함하고, 소정의 금속 패턴(광차단층 패턴)과 접촉된 나노구조체를 용이하게 형성할 수 있다. 종래의 패터닝 방법으로는 이러한 나노구조체를 구현하기가 현실적으로 매우 어려울 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 나노구조체를 용이하게 형성할 수 있고, 이를 광학요소, 예컨대, 플라즈모닉 요소 등으로 적용함으로써, 다양한 광학소자를 구현하는데 활용할 수 있다.
전술한 박막 패터닝 방법 및 나노구조체 형성방법은 다양하게 변형될 수 있다. 구체적인 예로, 발광 물질로 나노파티클(n1, n10)이 아닌 다른 요소, 예컨대, 염료(dye)나 발광성 폴리머 등을 사용할 수 있다. 즉, 전술한 실시예에서는 상기 발광 물질이 나노파티클 형태를 갖는 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 나노파티클 형태가 아닌 다른 발광 물질(염료, 발광성 폴리머 등)을 사용할 수도 있다. 또한, 전술한 실시예에서 나노파티클(n1, n10)은 발광 특성을 갖는 것으로 설명되었지만, 경우에 따라서는, 발광 특성을 갖지 않는 나노파티클을 사용할 수도 있다. 부가해서, 전술한 실시예에서는 노광시 자외선(UV)을 이용하는 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 자외선(UV)이 아닌 다른 빛을 사용할 수도 있다. 그 밖에도 다양한 변형이 가능할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (27)

  1. 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판의 제1면에 불투명 무기물로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계;
    상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 발광 물질을 포함하는 감광성 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층을 현상하는 단계;를 포함하는 박막 패터닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불투명 무기물은 금속 또는 반도체를 포함하는 박막 패터닝 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구부는 나노스케일(nanoscale)을 갖는 박막 패터닝 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 반도체 나노파티클이거나, 염료 또는 발광성 폴리머인 박막 패터닝 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감광성 물질층은 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 타입의 감광 물질을 포함하는 박막 패터닝 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계와 현상하는 단계 사이에,
    상기 감광성 물질층에 대한 이미지 반전 베이크(image-reversal bake) 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층을 전면 노광(flood exposure)하는 단계;를 더 포함하는 박막 패터닝 방법.
  7. 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판의 제1면에 불투명 무기물로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계;
    상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 감광성 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계;
    상기 감광성 물질층을 현상하여 상기 개구부의 감광성 물질층 부분을 제거하는 단계; 및
    상기 광차단층 상에 구비된 감광성 물질층 및 상기 개구부의 기판 상에 발광 물질을 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층 및 그 위에 구비된 상기 박막을 제거하는 단계;를 포함하는 박막 패터닝 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 불투명 무기물은 금속 또는 반도체를 포함하는 박막 패터닝 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 개구부는 나노스케일(nanoscale)을 갖는 박막 패터닝 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 반도체 나노파티클이거나, 염료 또는 발광성 폴리머인 박막 패터닝 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 발광 물질을 포함하는 박막을 베이킹(baking) 하는 단계를 더 포함하는 박막 패터닝 방법.
  12. 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판의 제1면에 금속으로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계;
    상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 감광성 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층을 현상하여 상기 개구부 내에 플라즈모닉 나노구조체(plasmonic nanostructure)를 형성하는 단계;를 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 감광성 물질층은 발광 물질을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 감광성 물질층은 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 타입의 감광 물질을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계와 현상하는 단계 사이에,
    상기 감광성 물질층에 대한 이미지 반전 베이크(image-reversal bake) 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층을 전면 노광(flood exposure)하는 단계;를 더 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형인 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  17. 서로 마주하는 제1면 및 제2면을 갖는 투광성 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판의 제1면에 금속으로 개구부를 갖는 광차단층을 형성하는 단계;
    상기 개구부에 의해 노출된 기판 부분 및 상기 광차단층 상에 감광성 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 제2면 측에서 상기 감광성 물질층을 노광하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층을 현상하여 상기 개구부의 감광성 물질층 부분을 제거하는 단계;
    상기 광차단층 상에 구비된 감광성 물질층 및 상기 개구부의 기판 상에 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 감광성 물질층 및 그 위에 구비된 상기 박막을 제거하여 상기 개구부 내에 플라즈모닉 나노구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 박막은 발광 물질을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형인 플라즈모닉 나노구조체의 형성방법.
  20. 나노스케일의 개구부를 갖는 금속층; 및
    상기 금속층의 개구부에 구비된 것으로, 감광 물질 및 발광 물질을 포함하는 나노구조체;를 구비하는 플라즈모닉 나노구조체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 반도체 나노파티클이거나, 염료 또는 발광성 폴리머인 플라즈모닉 나노구조체.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형인 플라즈모닉 나노구조체.
  23. 청구항 20에 기재된 플라즈모닉 나노구조체를 포함하는 광학소자.
  24. 나노스케일의 개구부를 갖는 금속층; 및
    상기 금속층의 개구부에 구비된 것으로, 복수의 나노파티클이 층 구조를 이루는 나노파티클층을 포함하는 나노구조체;를 구비하는 플라즈모닉 나노구조체.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 복수의 나노파티클은 발광 특성을 갖는 플라즈모닉 나노구조체.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 원형, 타원형, 사각형, 링형, 막대형 또는 십자형인 플라즈모닉 나노구조체.
  27. 청구항 24에 기재된 플라즈모닉 나노구조체를 포함하는 광학소자.
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CN112750936A (zh) * 2019-10-31 2021-05-04 成都辰显光电有限公司 一种显示面板的制备方法
CN112750936B (zh) * 2019-10-31 2022-03-08 成都辰显光电有限公司 一种显示面板的制备方法

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