KR20140018271A - 양면 포토레지스트 코팅이 구비된 기판을 포함하는 광패터닝-가능 구조체 - Google Patents

양면 포토레지스트 코팅이 구비된 기판을 포함하는 광패터닝-가능 구조체 Download PDF

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필립 가레쓰 벤틀리
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Abstract

광패터닝-가능 구조체(10)는 제1 및 제2 감광 물질(18, 20)로 각각 코팅된 제1 및 제2면(14, 16)을 구비한, 광학적으로 투명한 기판(12)을 포함한다. 코팅된 기판은 상기 감광 물질이 민감하게 반응하는 하나 이상 파장의 전자기파에 대해 불투명하다. 사용시, 상기 면들(14,16)은 경화 방사선에 (순차적으로 또는 동시에) 노광된다. 상기 방사선은 그에 대해 감광 물질이 민감하게 반응하고, 코팅된 기판이 불투명한 방사선이다. 이에 따라, 속경화(through-cure)가 일어나지 않는 양면 광패터닝이 수행된다.

Description

양면 포토레지스트 코팅이 구비된 기판을 포함하는 광패터닝-가능 구조체 {PHOTOPATTERNABLE STRUCTURE CONTAINING SUBSTRATE WITH TWO-SIDE PHOTORESIST COATINGS}
본 발명은 예컨대 포토리소그래프 공정에 의한 재료의 광패터닝, 감광 물질을 포함하는 광패터닝-가능 구조체, 및 이러한 구조체의 패터닝 방법에 관한 것으로, 본 발명은 전자공학, 광학 또는 관련 학문 분야에 사용되는 패터닝된 재료 생산에 적용된다.
포토리소그래피는 전자 및 마이크로전자 분야에서 구조체를 패터닝하는데 널리 사용되어 왔다. 전자 산업용 인쇄회로기판과, 실리콘 집적 회로는 수십 년간 포토리소그래피 공정에 의해 생산되어 왔다. 포토리소그래피 공정에서는, 패턴 양식으로 감광 물질을 노광시키되, 상기 물질에 물리적 또는 화학적 변화를 야기하는 파장의 전자기파(보통 자외선(UV), 가시광선, 적외선 또는 이들의 조합)에 선택적으로 노광시킴으로써 상기 물질이 패턴을 형성하는데 사용될 수 있도록 한다. 전형적으로, 노광 단계는 감광 물질을 어느 정도 가용성으로 만들어, 특정 용매 또는 현상용 매질에 대해 상기 물질을 가용성 상태에서 불용성 상태로(또는 그 반대로) 효과적으로 변화시킨다. 그런 후에는 용매 또는 현상용 매질을 사용하여, 감광 물질의 노광 부분 또는 비노광 부분을 제거할 수 있다. 통상, 이러한 물질들은 포토레지스트로 지칭된다. 패터닝 방사선에 노광된 후 현상되면, 이에 생성되는 패터닝된 레지스트는 그 아래에 위치한 물질의 특정 영역들을 다양한 습식 또는 건식 에칭 종으로부터의 화학적 또는 물리적 공격으로부터 보호하기 위한 베리어층으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 인쇄회로를 제조하기 위해, 포토레지스트를 동박 에폭시 유리판 위에 코팅할 수 있다. 자외선에 노광되는 상기 포토레지스트의 영역들은 특정 현상액에 용해될 수 있는 상태로 될 수 있다. 노광 및 현상 단계를 거친 후, 구리 금속은 이전에 자외선에 노광된 부분들에서만 노출된다. 이제 상기 유리판을 염화 제2철 용액에 침지시키면, 구리의 노출된 영역들은 용해되고, 여전히 레지스트 내에 코팅되어 있는 영역들만 남게 된다. 이어서, 레지스트를 제거하면, 원하는 패턴의 구리가 유리판에 남게 된다. 전형적으로, 이는 일련의 트랙 및 패드들의 패턴이 되며, 그 위에 전자 소자들을 장착시키고 서로 연결할 수 있다.
포토리소그래피 공정은 또한 투명 기판 위에 소자를 패터닝하는데 사용될 수 있다. 이는 특히 정보 디스플레이 및 인간-기계 인터페이스 분야에서 흔한 일이다. 액정 디스플레이 소자의 경우, 디스플레이 셀을 구성하는 두 유리층을 코팅하는 광학적으로 투명한 전도성 물질인 산화인듐주석(ITO) 층에 형상을 에칭함으로써, 데이터 패턴을 표시할 수 있다. 또한 ITO 층들은, 스크린에 디스플레이된 이미지와 사용자가 직접 상호작용할 수 있도록 하는 입력 장치인 투영 정전용량식 터치스크린을 위한 전극을 형성하도록 패터닝될 수도 있다.
포토레지스트 물질은 전형적으로 서브트랙티브 패터닝 공정, 즉, 원하지 않는 물질은 제거하고 필요한 물질은 레지스트에 의해 보호하는 공정에 사용되지만, 애더티브 공정에도 사용될 수 있다.
인쇄회로기판 분야에서는 다층 구조체를 제조하는 것이 다반사이다. 이를 행하기 위해, 에폭시-유리 기판의 양면을 구리 박판으로 피복(clad)하고, 둘 다 포토레지스트 물질로 코팅하는 것이 일반적이다. 기판의 양면을 예컨대 자외선에 동시 노광함으로써 동시에 패터닝하는 것이 공정 단계들의 수와 복잡도를 줄이는데 경제적으로, 기술적으로 유리하다. 구리 박판은 불투명하기 때문에, 빛을 사용하여 포토레지스트를 상면으로부터 저면 상에 노광시키는 속경화(through-cure) 문제가 전혀 없으므로, 이 접근법은 앞서 언급한 인쇄회로기판에 아주 적합하다.
디스플레이, 터치 스크린, 태양광 전지 및 조명 시설과 같은 적용분야에 있어서, 이들 분야에 사용되는 ITO-코팅 유리 또는 플라스틱과 같은 광학적으로 투명한 기판 물질 상에 동시 양면 포토리소그래피를 수행할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 불행히도, 이는 기판의 투명성으로 인해 보통 불가능한 것으로, 기판 물질의 한 면이 빛에 노출되면 다른 한 면 역시 투명 기판 물질을 통해 빛에 노출되는 현상, 즉, 속경화가 발생한다는 뜻이다. 이는, 양면(double-sided) 포토리소그래피를 투명 물질 상에 시도하였을 때, 두 면들 사이에 간섭이 발생하여, 각 면 위에 고유 패턴이 형성되는 대신, 각 면 위의 두 가지 패턴이 합쳐진 형태로 유사하게 양면이 패터닝된다.
결과적으로, 이러한 소자는, 종종, 각 기판의 한 쪽에만 층이 패턴된 여러 개의 기판들로 구성되거나, 또는 둘 이상의 반복된 레지스트 도포, 노광 및 현상 단계들에 의해 패터닝될 수 있다. 이러한 기법은 빛에 노출됨으로써 불용성 상태로 되는 레지스트에는 허용될 수 있지만, 빛에 노출됨으로써 가용성 상태로 되는 레지스트에는 사용될 수 없는데, 그 이유는 해당 물질의 제1면 위에 이미 패터닝된 레지스트가 제2 노광 단계에서도 여전히 노광될 것이기 때문이다.
본 발명은 광학적으로 투명한 기판의 양면에 광패터닝을 수행할 수 있게 하는 문제를 해결하고자 한다.
일 양태에서, 본 발명은
제1면과 제2면이 구비된 광학적으로 투명한 기판, 및 제1면과 제2면 위에 각각 위치되는 감광 물질 코팅을 포함하는 광패터닝-가능 구조체를 제공하며, 코팅된 기판은 상기 감광 물질이 민감하게 반응하는 하나 이상 파장의 전자기파에 대해 불투명하다.
"광학적으로 투명한"이란 용어는 기판이 전자기파의 가시광선(전형적으로 약 380nm 내지 약 720nm 범위에 속함) 모두 또는 일부를 투과시킬 수 있다는 것을 의미하고자 사용된다. 방사선 투과 수준은 예컨대 입사광 투과율 1% 정도로 매우 낮을 수 있지만, 여전히 육안으로 기판을 꿰뚫어 볼 수 있는 수준이라면 이는 여전히 광학적으로 투명한 것으로 여겨진다. 또한, 많은 디스플레이 소자는 빛의 다양한 부분을 적색, 녹색 및 청색으로 이루어진 원색들로 조합하여 전체 색상 스펙트럼 착시를 일으킨다. 이러한 시스템에서, 최단파장 성분은 약 420nm까지만 연장할 수 있으며, 이 경우, 윈도우 재료는 무색으로 보이기 위해 상기 파장보다 짧은 빛을 투과시킬 필요가 없다.
통상, 기판은 서로 마주보는 제1면과 제2면을 갖는, 판, 시트 또는 필름과 같은 평면이다.
기판은 광범위한 파장 또는 협대역(들)의 파장에 걸쳐 광학적으로 투명할 수 있는 아주 다양한 물질로 만들어질 수 있다. 적합한 기판은, 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌-나프탈레이트(PEN)(이를테면, 테이진 듀퐁 필름사가 시판 중인 제품명 Teonex으로 알려져 있는 PEN 필름)을 포함한다. 예를 들어, Teonex Q65 PEN 필름은 375nm보다 짧은 파장에 대해 단지 2% 이하의 투과율을 가진다. 즉, 자외선을 흡수한다. 기판은 또한 극성 물질을 포함할 수 있다.
"감광 물질"이란 용어는 예컨대 전자기파 스펙트럼의 소정 영역으로부터의 하나 이상 특정 파장의 전자기파에 노광되었을 때 경화 반응에서 화학적 또는 물리적 변화를 겪게 되는 물질을 의미하고자 사용된다. 이러한 방사선은 경화 반응을 야기시키기 위해 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선으로 일컬어진다. 생성되는 방사선-유도 변화는 방사선 흡수를 통해 활성 화학종이 생성되기 때문일 것이다(예컨대, 자유 라디칼이 생성되어, 중합체 내의 화학 결합들을 중합시키거나 분열시키고, 이는 용해도 증가로 이어진다). 대안으로 이러한 방사선-유도 변화는 방사선으로 유도되는 물리적 변화일 수 있다(예컨대, 중합체 사슬 내에 광학적으로 유도된 입체배좌 변화로 인해, 해당 물질의 자유 부피가 증가하고 팽창하게 된다). 방사선-유도 변화(또는 경화 반응)는 전형적으로, 위에 논의한 바와 같이, 용해도를 변화시킨다. 일반적으로, 이러한 변화는 관련된 파장의 빛의 광자 흡수 속도와 연관되는 속도로 발생하게 된다.
감광 물질은 잘 알려져 있으며, 당해 기술분야의 숙련자는 감광 물질로 적합한 아주 다양한 물질들을 쉽게 입수할 수 있으며 이에 대해 숙지하고 있다. 감광 물질이 활성을 띠는 파장 범위는, 자신의 상태를 변경하는데 이용되는 광화학 반응을 활성화하기 위해 사용된 화학종을 선택함으로써 조절가능하다. 전형적으로, 감광 물질은 광학적으로 여기된 상태에서 화학적으로 반응할 수 있게 되는 하나 이상의 발색단(즉, 전자기파를 흡수하는 종)을 포함한다.
감광 물질은 음성 작용 물질일 수 있다(예컨대, 감광 물질은 경화 방사선의 작용에 의해 불용성이 되며, 이로써 현상되어, 포토마스크의 불투명한 영역들의 네거티브 이미지를 형성한다). 대안으로, 감광 물질은 양성 작용 물질일 수 있다(예컨대, 감광 물질은 경화 방사선에 노광됨으로써 가용성이 되며, 이로써 포토마스크의 불투명한 영역들의 복사본을 형성한다).
전형적으로, 감광 물질 코팅은 기판 면 전부 또는 상당 부분을 연속적으로 덮을 수 있는 층의 형태로 존재한다.
제1 감광물질 코팅은 기판의 제1면 위에 제공되고, 제2 감광물질 코팅은 기판의 제2면 위에 제공된다. 전형적으로, 제1면 및 제2면 각각에는 동일한 감광 물질이 사용된다. 즉, 제1 감광 물질과 제2 감광 물질이 동일하다. 그러나, 이는 필수적이지 않으며, 제1 감광 물질을 제2 감광 물질과 상이하게 하는 등으로, 각 면에 상이한 감광 물질들을 사용할 수 있다.
기판과 관련하여, "불투명"이란 용어는, 코팅된 기판이, 제1 및 제2 감광 물질이 민감하게 반응하는 하나 이상 파장의 전자기파에 대해 제한된 투과율을 가졌다는 것을 의미하고자 사용된다. 이러한 방사선의 투과를 완전히 방지(0% 투과율)할 필요는 없지만, 투과율은 바람직하게 약 50% 미만, 더 바람직하게는 약 10% 미만, 이상적으로는 약 2% 미만이다. 기판은 그 자체가 요구되는 바와 같이 불투명일 수 있다. 대안으로, 기판은, 감광 물질 코팅과 더불어, 필요한 불투명도를 가질 수 있다. 예를 들어, 기판은 해당 방사선의 50%를 투과시킬 수 있지만, 만일 제1면의 제1 감광 물질도 방사선의 50%만 투과시키면, 방사선의 25%만 제2면 위의 제2 감광 물질에 전달될 것이다. 극단적인 일 예로, 기판은 해당 방사선의 95%를 투과시킬 수 있지만, 투과된 방사선은 제1면 위의 제1 감광 물질의 효과에 의해, 가령, 10%로 줄어들 수 있다. 기판과 감광 물질을 적절하게 조절 또는 설계 조합하여 제공함으로써, 불투명한 코팅 기판을 제조할 수 있다.
기판이란 용어는 감광성 코팅 사이의 물질을 가리키는데 사용되며, 여러 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판은 그 표면 특성(예컨대, 접착성, 표면 장력, 내화학성)을 개질하기 위해 하나 이상의 코팅을 한쪽 면 또는 양쪽 면에 구비한 코어 기판 물질을 포함할 수 있으며; 기판은 하나 이상의 층/코팅을 한쪽 면 또는 양쪽 면에 구비한 코어 기판 물질을 포함할 수 있고; 기판은 광학적으로 투명한 기능성 층(패터닝된 감광 코팅을 템플릿(원판)으로 사용하여 나중에 개질시킴)을 한쪽 면 또는 양쪽 면에 구비한 코어 기판 물질을 포함할 수 있다.
보호층으로서 표면 코팅은 감광 물질 코팅의 한쪽 또는 양쪽에 선택적으로 제공될 수 있다. 표면 코팅은 통상 비활성 코팅 형태로 존재한다.
사용시, 구조체의 제1면 및/또는 제2면은 경화 방사선으로 지칭되는 방사선에 (순차적으로 또는 동시에) 노광된다. 상기 방사선은 그에 대해 감광 물질이 민감하게 반응하고, 코팅된 기판이 불투명한 방사선이다. 감광 물질을 적합한 조건들(예컨대, 방사선 세기, 노광 시간 등) 하에서 노광시켜, 위에 논의한 바와 같이, 감광 물질이 방사선-유도 경화 반응을 거치면서, 통상 용해도가 변화된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은, 제1 및 제2 감광 물질을 경화 방사선에 노광시키는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 광패터닝-가능 구조체의 광패터닝 방법을 제공하며, 상기 경화 방사선은 그에 대해 감광 물질이 민감하게 반응하고, 코팅된 기판이 불투명한 방사선이다.
따라서, 적합한 기판, 감광 물질 및 경화 방사선을 선택함으로써, 속경화를 막을 수 있어서, 양면 광패터닝을 가능하게 한다는 것이 분명해진다.
광패터닝을 야기하기 위해, 구조체의 면들을 통상 패턴 방식으로 방사선에 노광시키며, 두 면에 형성되는 이들 패턴은 전형적으로 서로 상이하다. 광패터닝을 야기하기 위해 면들을 경화 방사선에 선택적으로 노광시키는 단계는, 종래 기술에 잘 알려져 있듯이, 감광 물질 상부로 이미지 처리된 마스크 또는 개구, 또는 감광 물질과 접촉되거나 아주 근접하게 위치한 마스크 또는 개구를 통해 노광시키는 조작; 감광 물질을 방사선의 작은 영역에 노광시킨 후, 이를, 예컨대 레이저 빔을 사용하여 직접 작성하거나 개구 플레이트를 이동시킴으로써 이동 또는 스캔하여, 원하는 패턴을 형성하는 조작; 또는 방사선을, 예컨대, 격자 또는 슬릿을 통해 또는 홀로그램 투사를 통해 물질 상부로 회절시켜 간섭 패턴을 형성하는 조작을 비롯한, 대다수의 방식으로 수행될 수 있다.
제1면 및 제2면 위의 감광 물질 상에서의 방사선 노광 패턴은 통상 서로 상이하다.
기판이 경화 방사선에 대해 불투명하기 때문에 속경화가 전혀 발생하지 않으며, 이에 따라 제1면 및 제2면 위의 감광 물질의 경화 반응에 의해 두 가지 상이한 패턴이 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 광패터닝-가능 구조체는 현재까지는 불가능했던 방식으로 양면 광패터닝을 위해 사용될 수 있다.
경화 반응이 끝나면, 감광 물질을 현상용 매질, 전형적으로는 1종 이상의 용매가 사용되는 현상 공정으로 통상 처리하는 종래 방식으로 처리함으로써, 기판으로부터 가용성 감광 물질을 선택적으로 제거하며, 이로써 기판의 제1면과 제2면 위에는 불용성 감광 물질의 패턴들(전형적으로, 두 면 위의 패턴이 상이함)이 남는다.
표면 코팅을 구비한 구현예의 경우, 바람직하게 표면 코팅은 현상용 매질에 용해될 수 있지만; 그렇지 않다면, 현상 단계 이전에, 예컨대 적합한 용매를 사용한 처리법에 의해, 표면 코팅을 제거해야 한다.
(한쪽 면 또는 양쪽 면 위에) 상기 수득된 패터닝된 감광 물질은 많은 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 그 아래에 위치한 물질을 습식 또는 건식 에칭 공정으로부터 보호하는 에칭 마스크를 형성할 수 있고; 그 아래에 위치한 물질 위에 후속 물질이 (예컨대, 금속 증발 또는 전기도금법에 의해) 증착되지 않도록 방지하는 템플릿을 형성할 수 있으며; 후속층이 위에 형성되는 템플릿을 형성할 수 있다(예컨대, 무전해도금을 위한 촉매일 수 있거나, 또는 화학종 또는 생물종이 그 위에 결합될 수 있는 반응층일 수 있다).
본 발명에 따른 구조체를 사용하면, 기판의 양면에 광패터닝을 동시에 수행하거나, 또는 제1면을 현상하기 전에 수행하는 것이 가능해진다.
경화 방사선은 기판의 특성과 감광 물질의 특성을 고려하여 선택되어야 한다.
기판이 불투명하지 않게 되는 파장과 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선 파장이 서로 겹치지 않는 경우에는, 감광 물질이 민감하게 반응하는 하나 이상의 파장을 포함한다는 조건으로, 임의의 파장의 경화 방사선을 사용하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 광대역 방사선원(source)을 사용하는 것이 가능하다. 적합한 광대역원은, 260nm 이상의 파장에서 방사선을 방출하는 수은 아크 램프를 비롯하여 사용하기 편리한 공급원과 함께, 잘 알려져 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 200nm 내지 365nm의 영역 내 방사선에 대해 민감하게 반응하는 감광 물질을 제1 및 제2 감광 물질로 하여, 테이진 듀퐁 필름사로부터의 Teonex Q65 PEN 필름 기판의 양면 상에 코팅한다. 이러한 물질은 375nm보다 짧은 파장에 대해 단지 2% 이하의 투과율을 갖는다. 상기 물질을, 260nm 이상의 파장에서 방사선을 방출하는 수은 아크 램프로부터의 광대역 조명에, 예컨대 마스크를 사용하여 패턴 방식으로 노광시킨다. 비록 기판은 375nm를 초과하는 방사선을 강하게 투과시키겠지만, 감광 물질은 이러한 긴 파장의 방사선을 흡수하지 않으므로, 기판의 반대 쪽(remote side) 상에서 노광되지 않는다. 즉, 시스템의 오버랩 함수는 필름의 투과 영역 내에서 영에 가까우며, 따라서 속경화가 발생하지 않는다.
한 접근법에서, 본 발명은 기판에 의해 투과될 수 있는 빛보다 더 짧은 파장의 빛을 흡수하는 발색단에 기초한 감광 물질을 사용한다.
이와 대조적으로, 기판이 불투명하지 않게 되는 파장과 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선 파장이 서로 겹치는 경우에는, 적합하게 선택된 방사선원을 사용해야 한다. 예를 들면, 레이저, 발광다이오드(LED) 또는 여과된 원자 방출 램프(이를테면, 약 365nm의 협대역에서 방사선을 방출하는 수은 I-라인원)와 같은 매우 좁은 방출 스펙트럼을 가진 방사선원을 사용하는 것이 적절할 수 있다. 이러한 방사선원은 예컨대 비교적 넓은 감도 스펙트럼을 갖는 감광 물질과 함께 통합된 형태로 사용될 수 있다. 예를 들면, 일 구현예에서는, 200nm 내지 450nm의 방사선에 대해 민감하게 반응하는 감광 물질을 제1 및 제2 감광 물질로 사용하고, 이를 Teonex Q65 PEN 필름 기판의 양면 위에 코팅한다. 필름의 상면은, 355nm에서 주파수가 3배인 Nd:YAG 레이저로부터의 방사선에, 예컨대 마스크를 사용하여 패턴 방식으로 노광시킨다. 비록 기판 물질은 감광 물질이 빛을 흡수하는 영역에서 투과성을 띠지만, 노광원은 기판 물질이 강하게 흡수하는 매우 좁은 파장 대역에 속하는 빛만 방출시킨다. 이는, 시스템의 오버랩 함수가 필름의 투과 영역 내에서 영이고, 감광 물질의 저부층은 노광되지 않으므로, 속경화가 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
기판이 (선형 또는 원형으로) 극성을 띠는 물질을 포함하는 경우에는, 적합한 편광된 빛을 사용하여, 빛이 기판을 투과하는 것을 방지함으로써 속경화를 막는 것이 가능하다. 구체적인 일 구현예에 의하면, 방사선원이 편광된 빛(또는 편광되기 위해 여과된 빛)을 방출하는 경우, 기판 물질은, 기판이 불투명하지 않게 되는 파장과 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선 파장이 겹치는 영역 전체에 걸친 빛의 편광에 대해 민감하게 반응하므로, 단지 감소된 투과율을 가질 필요가 있다. 예를 들어, 만일 방사선원이 남북 방향으로 편광된다면, 기판 물질은 이러한 편광에 대한 투과만 차단시킬 필요가 있으며, 동서 방향으로 편광된 방사선에 대해서만 완전히 투과시켜도 된다. 이는 편광 시트를 기판으로 사용함으로써 성취될 수 있다. 또 다른 예는 1/4(사분) 파장판 겸 선형 편광판을 사용하는 것으로, 이는 시계방향 또는 반시계방향으로 원형으로 편광된 빛의 하나 또는 다른 하나를 차단/투과시킨다. 이러한 장치는 액정 디스플레이와 같은 디스플레이 소자에 특히 사용되며, 예를 들면, 디스플레이에서 터치 스크린의 기능과 편광판의 기능을 통합하여, 전체 층 수를 줄이고 이에 따라 소자의 두께 및 무게를 감소시킬 수 있다.
광대역 방사선원은 통상 협대역 방사선원보다 저렴하다. 경화 시간은 방사선원의 세기를 고려하여 결정하는 것이 요구될 수 있으며, 특히 협대역 방사선원의 경우에는 더 높은 세기를 사용하는 것이 요구될 수 있다.
감광 물질의 반응 속도는 선형 또는 비선형일 수 있다. 예를 들어, 반응종의 생성 속도(또는 물리적 변화의 속도)는 입사광선의 세기에 대해 초-선형(super-linear)일 수 있다(예컨대, 반응 속도는 입사광 세기의 제곱에 비례할 수 있다). 게다가, 감광 물질은, 특정 입사광 세기를 초과하면 반응 속도가 더 이상 증가하지 않도록, 포화될 수 있다.
본 시스템의 유효성은 또한 방사선원의 세기와 노광 기간에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들어, 시스템을 더 짧은 시간 동안 더 높은 세기의 방사선원에 노광시키면 노광면과 비노광면 사이의 명암은 시스템을 더 긴 시간 동안 더 낮은 세기의 방사선원에 노광시켰을 때보다 높을 수 있다. 이는 초-선형 시스템(예컨대, 반응 속도가 입사광 세기의 제곱에 비례하는 시스템)에 특히 해당된다. 이는 또한 더 낮은 세기에서 외적 효과들이 반응을 방해(예컨대, 자유 라디칼계 자외선 경화 수지에서 산소에 의한 방해)할 수 있는 시스템에도 해당된다.
감광 물질이 겪게 되는 광화학적 반응은 현상 공정과 같은 후속 반응 동안에 상기 감광 물질이 제거되지 않도록 충분한 정도로 진행되어야 한다. 100% 반응을 반드시 요구하는 것은 아니다. 예를 들어, 자외선-유도 가교 반응은, 상기 수지가 현상용 매질에 불용성인 경우에 수지를 겔화하기 위해 전체 반응의 20%까지만 진행되는 것이 요구될 수 있다. 이 경우, 방사선원에서 멀리 떨어진 기판 반대쪽 위 감광 물질 내의 반응이 감광 물질의 용해도를 변경하기에는 불충분하게 반응 조건(구체적으로, 노광 시간)이 정해졌다면, 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선의 제한된 투과를 허용하는 기판을 가진 시스템이 그럼에도 불구하고 적합할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 사용 설명서와 함께 본 발명에 따른 광패터닝-가능 구조체를 제공한다. 상기 설명서는, 예컨대, 파장 면에서 적합한 경화 방사선, 빛이 편광되어야 하는지에 대해서, 그리고 빛이 편광되어야 한다면 그 배향 등에 대해서 명시해야 한다. 적합한 방사선 세기를 제공할 수도 있다. 바람직하게는 적합한 경화 시간 또한 명시된다.
본 발명은 또한 감광 물질들과 경화 방사선의 스펙트럼 오버랩 함수(SOF) 면에서도 고려되고 분석될 수 있다. 이를 행하기 위해, 여러 가지 용어들을 정의할 필요가 있다.
감광 물질의 "흡수 스펙트럼"은 소정 범위의 파장에 걸쳐 감광 물질이 흡수한 입사 전자기파의 부분이다.
감광 물질의 "감도 스펙트럼"은 감광 물질의 흡수 스펙트럼과 유사하지만, 원하는 화학 반응종의 발생 속도 대 광화학 종에 대한 파장을 나타내는 선도로 정의된다.
"감광 물질의 감도 영역"은 전자기파 스펙트럼의 영역으로, 상기 영역에 걸쳐서 이루어지는 감광 물질 내 방사선의 흡수는 반응종을 발생시키며, 이에 따라 상기 물질 내에는 원하는 변화(예컨대, 가교 결합 또는 가용성 상태로 되는 것)가 야기된다. 이는 감도 스펙트럼이 한정된 발생 속도를 나타내거나, 또는 발생 속도가 최대 속도의 약 1%보다 큰 전자기파 스펙트럼의 영역이다.
흡수 스펙트럼은 원하는 화학 반응종을 발생시키기 않는 광학적 전이로 인한 특징들을 포함할 수 있기 때문에, 감광 물질의 감도 스펙트럼 및 감도 영역은 흡수 스펙트럼과 동일하지 않다는 것을 주지해야 한다. 예를 들어, 청색 염료가 도핑된 감광 물질은 상기 염료로 인해 적색광 또는 적외선을 흡수하는 특징을 갖게 되며, 반응종을 발생시키지 않을 것이다.
방사선원의 "방출 스펙트럼"은 광패터닝 공정에서 감광 물질을 노광시키는데 사용되는 방사선원의 방출 스펙트럼(mWcm2nm-1)이다.
특정 방사선원에 사용되는, 본 발명에 따른 구조체를 포함하는 특정 시스템의 "스펙트럼 오버랩 함수"(SOF)는 감광 물질의 감도 스펙트럼과 방사선원의 방출 스펙트럼의 곱셈값(감도 스펙트럼의 각 파장에서의 값들을 방사선원의 스펙트럼과 함께 곱하여 구해짐)으로 정의된다.
기판은 상기 시스템의 SOF를 고려하여 선택해야 한다.
광화학 패터닝 반응에서 방사선의 가장 중요한 파장은 스펙트럼 오버랩 함수가 한정된 파장, 즉, 감도 스펙트럼의 값과 방출 스펙트럼의 값 어느 것도 영이 아닌 파장이다. 실제, SOF가 그 피크값의 10%보다 큰 영역들을 고려하는 것이 적절하다. 이는, SOF가 그 피크값의 0 내지 10%인 방사선 파장에 감광 물질이 노광되는 경우에 상기 물질의 반응이 여전히 진행될 수 있을지라도, 이러한 영역에서의 상기 반응은 SOF가 더 높은 영역들과 비교하여 매우 늦을 것이기 때문이다.
이에 따라 본 발명은 광학적으로 투명한 기판의 제1면과 제2면에 감광 물질의 광패터닝을 수행하기 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 기 설정된 스펙트럼을 갖는 방사선원; 기 설정된 감도 스펙트럼을 갖는 감광 물질; 및 기 설정된 투과 스펙트럼을 갖는 기판 물질을 포함한다.
시스템의 구성요소들은, 기판 물질이, 스펙트럼 오버랩 함수가 그 최대값의 약 10%보다 높은 스펙트럼 영역 내의 전자기파 투과를 한정하도록 선택된다. 이는 SOF가 그의 이론적 최저값보다 큰 체제를 채택하는 것이 유리할 수 있으며, 바람직하게는 SOF가 그 최대값의 약 50%보다 크고, 가능하게는 그 최대값의 약 80%보다 크도록 시스템을 구성한다.
스펙트럼 오버랩 함수는 일반적으로 방사선원의 방출 스펙트럼과 감광 물질의 감도 스펙트럼을 합친 것보다 더 좁은 스펙트럼을 가질 수 있다. 광대역 노광원(예컨대, 고압 수은 램프)은 200nm 내지 320nm의 방사선만 흡수하는 감광 물질과 함께 통합된 형태로 사용될 수 있다. 비교적 넓은 감도 스펙트럼을 가진 감광 물질은 방출 스펙트럼이 매우 좁은 노광원, 예컨대 레이저, LED 또는 여과된 원자 방출 램프(이를테면, 수은 I-라인원)와 함께 통합된 형태로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 광패터닝-가능 구조체로부터 제조되거나, 또는 본 발명의 방법을 이용하여 제조되는, 패터닝된 구조체를 포함한다. 이러한 구조체의 제1면과 제2면은 통상 서로 상이한 패턴을 가진다.
상기 구조체는 추가 처리 단계들을 거칠 수 있다. 예를 들어, 패터닝된 물질은 그 아래에 위치한 물질을 에칭하기 위한 마스크로 사용되거나, 그 아래에 위치한 기판 위나 자신의 위에 물질 성장을 위한 템플릿으로 사용될 수 있다.
감광 물질은 노광되면, 팽윤(스탬핑에 이용될 수 있음), 충전 또는 방전(예컨대, 레이저 프린터) 또는 색상 변화(포토그래피)와 같은 물리적 변화를 일으킬 수도 있다.
본 발명은 전자공학, 광학 또는 관련 학문 분야에 유용한 항목, 구체적으로 시각적 디스플레이 및 터치 스크린, 특히 용량식 터치 스크린과 같은 정보 디스플레이에 포함되는 투과층을 구비한 항목의 제조에 특히 적용된다.
본 발명을, 첨부된 도면들을 참조로, 예시하는 형태로 하기 실시예들에서 더 설명하기로 한다. 도면에서:
도 1은 패터닝되기 전의, 본 발명에 따른 광패터닝-가능 구조체를 도시하는 개략도이다.
도 2는 패터닝된 후의 구조체에 대한, 도 1과 유사한 도면이다.
도 3은 한 쌍의 그래프로서, 도 3a는 특정 감광 물질의 감도 스펙트럼(실선으로 표시되었으며, "속도"로 지칭됨) 및 특정 방사선원의 방출 스펙트럼(점선으로 표시되었으며, "세기"로 지칭됨)을 나타내고, 도 3b는 감광 물질 및 방사선원의 스펙트럼 오버랩 함수(SOF)를 나타낸다.
도 4는 다른 감광 물질 및 방사선원에 대한, 도 3과 유사한 한 쌍의 그래프이다.
도 5는 또 다른 감광 물질 및 방사선원에 대한, 도 3과 유사한 한 쌍의 그래프이다.
도면의 상세한 설명
도면을 참조하여 설명하자면, 도 1은, 서로 마주보는 제1면(14)과 제2면(16)을 구비하며 광학적으로 투명한 기판 물질의 시트(12)를 포함하는, 본 발명에 따른 광패터닝-가능 구조체(10)를 개략적으로(비례하지 않음) 나타낸다. 각 면은 동일한 감광 물질의 코팅(18, 20)을 포함한다.
사용시에, 구조체의 면들은 경화 방사선원(미도시됨)으로부터의 방사선에 각각의 마스크(22, 24)를 사용하여 패턴 방식으로 노광된다. 두 면은 편리하게 동시 노광된다. 두 마스크는 서로 상이한 패턴을 가진다. 경화 방사선은 전술한 바와 같이 기판의 특성과 감광 물질의 특성을 고려하여 선택된다. 적합한 조건(예컨대, 시간) 하에 경화 방사선에 노광시키면, 속경화가 발생하지 않으면서, 마스크에 의해 덮이지 않은 감광층(18, 20)의 노광부만 반응하며, 감광 물질의 용해도 특성이 특정 현상 매질에 대해 변화된다. 도시된 구현예에서는, 경화 방사선에 노출되었을 때 불용성 상태에서 가용성 상태로 전환되는 양성 작용 감광 물질을 사용하였다. 적합한 조건 하에 현상용 매질로 처리하면, 반응된 노광부에만 있는 감광 물질이 선택적으로 제거되고, 도 2에 나타낸 바와 같은 패턴들(26 및 28)로, 광경화성 물질은 기판 위에 마스크에 상응하는 부분들에만 남게 된다. 속경화가 일어나지 않기 때문에, 기판의 마주보는 면들에 서로 상이한 패턴을 형성하는 것이 가능하다.
도 3은 약 280nm 내지 420nm에 이르는 비교적 넓은 범위의 감도를 가진 감광 물질의 감도 스펙트럼, 약 365nm에 집중된 비교적 좁은 대역의 방사선원(예컨대, 수은 I-라인원)의 방출 스펙트럼, 및 이에 따른 스펙트럼 오버랩 함수를 도시한다.
도 4는, 발광 다이오드와 같은 더 넓은 대역의 방사선원과 통합된, 약 250nm 내지 320nm에 이르는 비교적 좁은 범위의 감도를 가진 감광 물질에 대한 것이라는 점을 제외하면, 도 3과 유사하다.
도 5는, 텅스텐 할로겐 램프와 같은 광대역 방사선원의 고에너지 테일과 사용되는, 약 240nm 내지 360nm에 이르는 비교적 좁은 범위의 감도를 가진 감광 물질에 대한 것으로, 도 3과 유사하다.
상기 경우들 모두에서, 전체 가시광선을 투과시키되 자외선을 흡수하는 광학적으로 투명한 기판(예컨대, 폴리에틸렌 나프탈레이트)은, 속경화를 일으키지 않으면서, 본 발명에 따른 구조체의 기판으로 사용될 수 있다.
실시예
실시예 1
기판 물질의 스펙트럼 투과성의 효과를 보여주기 위해, 두 가지 상이한 기판 필름 상에 샘플들을 마련하였다.
기판:
1. PET - PMX726, 50μ 하이파이사 필름
2. PEN - Teonex Q65FA, 100μ 테이진 듀퐁사 필름
PET는 315nm까지 이르는 강한 광학 투과율(10%를 초과함)을 가졌다. 반면 PEN은 375nm 미만에서 강하게 흡수한다.
이들 실험에서는 Irgacure 907(Irgacure는 상표명)을 광개시제 물질로 활용하였다. Irgacure 907의 흡수 피크는 300nm 내지 320nm이다. 340nm를 초과하면 이러한 흡수는 피크값의 10% 훨씬 아래로 떨어진다.
코팅:
모든 코팅은 12μ 인출(drawdown) 바로 도포한 후, 50℃ 고온 플레이트 상에서 5분간 건조시켰다.
3층 공정을 사용하였다:
1. 기저층을 먼저 각 기판의 양면 위로 코팅한 후, 1 kW 수은 램프를 사용하여 경화시켰다. 이는 후속 코팅에 대해 양립할 수 있는 표면 에너지를 보장하기 위한 것이다.
2. 감광 물질의 활성층을 기저층의 상부에 코팅한 후 건조시켰다.
3. 비활성 탑코트를 활성층의 상부에 도포하였다. 이를 건조시켜, 경화 공정 동안 산소의 방해를 줄이고, 활성층으로부터의 경화 오염에서 비롯되는 모든 손상으로부터 포토마스크를 보호하는 투명한, 비점착성 표면 코팅 필름을 얻었다. 탑코트는, 그 아래에 위치한 감광 물질 코팅을 공격하지 않는 용매(이 경우는 물)로부터 도포될 수 있으면서, 미리 설정된 경우에서 사용되는 현상용 매질(DMSO/아세톤)(DMSO는 디메틸 설폭사이드)에 용해될 수 있도록 주의하여 제조되었다.
세 가지 제제는 다음과 같았다:
제1층(기저층)
중량%
에틸 락테이트 92.3
DPHA 7
Irgacure 907 0.7
점도 = 2.96 cPs(25℃)
건조 두께 = 0.92μ
DPHA는 자외선-경화 헥사관능성 단량체인 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트이다.
제2층(활성층)은 제1층과 같되, 경화처리 없이 단순히 건조되었다.
제3층(탑코트 층)
중량%
탈이온수 72.12
Mowiol 4-88 (TM) 6.12 폴리비닐 알코올
Eastek 1100 (TM) 18.39 폴리에스테르 분산액
Hydrocer EC35 (TM) 2.21 왁스 에멀젼
Dowfax 2A1 (TM) 0.36 계면활성제
Surfadoe LP100 (TM) 0.50 계면활성제
Novec FC4430 (TM) 0.30 플루오로계면활성제
건조 두께 = 1.69μ
이어서, 기판들을 두 개의 상이하게 패터닝된 크롬-온-글래스 포토마스크들 사이에 개재하고, 1 kW 수은 램프를 사용한 자외선에, 5초 동안 각 면에 20 mW/cm2로 노광시켰다.
노광이 끝나면, 샘플들을 현상하였다.
현상:
이 공정은 DMSO/아세톤(50/50)을 사용하여 수행되었다. 샘플들을 DMSO/아세톤에 5분간 침지시키고, 세척병으로부터의 아세톤으로 세정하고, 세척병으로부터의 탈염(DI)수로 세정한 후, 공기총을 사용하여 송풍 건조시켰다. 이러한 현상 단계는 활성층의 비노광 부분들을 선택적으로 제거시킨다. 위에서 주목한 바와 같이, 탑코트는 DMSO/아세톤에 용해될 수 있으므로, 본 단계에서 제거된다: 그렇지 않으면, 현상 단계에 앞서, 예컨대 적합한 용매를 사용한 처리법에 의해, 탑코트를 제거시킬 필요가 있다.
결과:
PEN 기판 상의 샘플들은 필름의 각 면에 서로 상이한 패턴을 나타내도록 현상되었으며, 속경화가 야기되었다는 어떠한 증거도 없었다. 그러나, PET 기판 상의 샘플들은 필름의 서로 마주보는 면에 해당 이미지의 강한 다중 이미지(ghost image)를 나타내었다. 이는 빛이 투과되어 속경화를 야기시켰기 때문이다.
실시예 2
실시예 1의 감광 물질은, 콜로이드상 팔라듐과 같은 촉매적 물질의 첨가에 의해 애더티브 무전해 도금을 위한 촉매로 전환될 수 있다.
도금:
폴리비닐 피롤리돈(PVP)계 콜로이드를 실시예 1에 설명된 감광 제제에 첨가하고, 동일한 과정을 이용하여 처리하였다. 상기 물질의 완전한 경화를 보장하기 위해, 노광 시간을 10초로 늘렸다. 현상 단계는 실시예 1에서와 같이 수행하였다. DMSO/아세톤 단계 동안에, 비노광 촉매 물질의 대부분이 씻겨 나가, 포토마스크로부터의 패턴이 드러나는 것을 볼 수 있었다. 구리 도금은 표준 조건 하에서 Enthone Entrace EC 5005 배쓰에서 수행하였다. 도금 전에, 디메틸 아미노보란(DMAB) 프리딥(pre-dip)(1.6% 용액, 실온, 2시간)을 사용하면, 도금 작업이 더 빨리 시작될 수 있다는 것을 발견하였다. 어느 경우에서든, 샘플들을 3 내지 4분간 도금시켜, 광택이 나는 연속적 구리 필름을 얻었다.
감광성 촉매 제제:
중량%
에틸 락테이트 72.3
DPHA 7
Irgacure 907 0.7
Pd/PVP K15 콜로이드 20
Pd/PVP K15 콜로이드의 제제:
중량%
에틸 락테이트 91
팔라듐 아세테이트 4.5
PVP K15 4.5

Claims (22)

  1. 제1면과 제2면이 구비된 광학적으로 투명한 기판, 기판의 제1면 위에 위치되는 제1 감광 물질 코팅, 및 기판의 제2면 위에 위치되는 제2 감광 물질 코팅을 포함하는 광패터닝-가능 구조체이며, 코팅된 기판은 상기 제1 및 제2 감광 물질이 민감하게 반응하는 하나 이상 파장의 전자기파에 대해 불투명한, 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 기판은 서로 마주보는 제1면과 제2면을 갖는 평면인 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 감광 물질 및 제2 감광 물질은 동일한 것인 구조체.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 감광 물질 코팅들 중 하나 또는 모두에 표면 코팅을 더 포함하는 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 표면 코팅은, 경화 이후, 감광 물질을 제거시키는데 사용하기에 적합한 현상용 매질에 가용성인 구조체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 감광 물질은 전해도금을 위한 촉매를 포함하는 것인 구조체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기판은 극성 물질을 포함하는 것인 구조체.
  8. 제1 및 제2 감광 물질을 경화 방사선에 노광시키는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 광패터닝-가능 구조체의 광패터닝 방법이며, 상기 경화 방사선은 그에 대해 감광 물질이 민감하게 반응하고, 코팅된 기판이 불투명한 방사선인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 구조체의 제1면과 제2면을 동시에 경화 방사선에 노광시키는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 광패터닝을 야기시키기 위해, 구조체의 면들을 패턴 방식으로 방사선에 노광시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 두 면에 형성되는 패턴이 서로 상이한 것인 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 경화 반응이 끝나면, 감광 물질을 현상용 매질이 사용되는 현상 공정으로 처리함으로써, 기판으로부터 가용성 감광 물질을 선택적으로 제거하여, 기판의 제1면과 제2면 위에 불용성 감광 물질의 패턴들을 남기는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 현상용 매질은 구조체 위의 모든 표면 코팅 역시 제거시키는 것인 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 기판이 불투명하지 않게 되는 파장과 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선 파장이 서로 겹치지 않는 경우에는, 구조체를 광대역 방사선원으로부터의 경화 방사선에 노광시키는 방법.
  15. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 기판이 불투명하지 않게 되는 파장과 감광 물질이 민감하게 반응하는 방사선 파장이 서로 겹치는 경우에는, 구조체를 좁은 방출 스펙트럼 방사선원으로부터의 경화 방사선에 노광시키는 방법.
  16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 기판은 극성 물질을 포함하고, 구조체는 적합한 편광된 빛에 노광되는 것인 방법.
  17. 사용 설명서를 구비한, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 광패터닝-가능 구조체.
  18. 제17항에 있어서, 설명서는 적합한 경화 방사선을 명시하는 것인 구조체.
  19. 제1항 내지 제7항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에 기재된 광패터닝-가능 구조체로부터 제조되거나, 또는 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용하여 제조되는 패터닝된 구조체.
  20. 제19항에 있어서, 제1면과 제2면에 서로 상이한 패턴을 갖는 패터닝된 구조체.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 기판은 디스플레이 구조체의 일부를 형성하는 극성 물질을 포함하는 것인 패터닝된 구조체.
  22. 제19항, 제20항 또는 제21항에 따른 패터닝된 구조체를 포함하는, 터치 스크린, 구체적으로는 용량식 터치 스크린.
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