KR20140125844A - 경화성의 패턴화가능한 잉크 및 인쇄 방법 - Google Patents

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한국다우코닝(주)
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Abstract

경화성의 패턴화가능한 잉크, 전자 디바이스 내에서 기능을 수행하는 구조체의 부분으로서의 이 잉크의 사용 방법, 및 전자 디바이스 내에서 사용하기 위한 기판 상에 상기 구조체를 형성하는 소프트 리소그래피 방법이 개시된다. 일반적으로, 경화성의 패턴화가능한 잉크는 (R)SiO3/2의 구조 단위들로 정의되는 제1 부분; (R)2SiO2/2의 구조 단위들로 정의되는 제2 부분; 및 유기 용매를 포함한다. 대안적으로, 잉크는 구조 단위들 (R)3SiO1/2 또는 SiO4/2를 추가로 포함한다. R 기는 아릴 기, 메틸 기, 또는 가교결합성 기이도록 독립적으로 선택되며, 이때 아릴 기의 수는 적어도 하나의 아릴 기로부터 20 몰%까지의 범위인 양으로 존재한다. 패턴화가능한 잉크는 도포된 패턴의 우수한 재현성으로 소프트 리소그래피 공정을 이용하여 기판에 도포될 수 있다.

Description

경화성의 패턴화가능한 잉크 및 인쇄 방법{CURABLE AND PATTERNABLE INKS AND METHOD OF PRINTING}
일반적으로 본 발명은 전자 디바이스, 예를 들어 초대규모 상호접속(ultra-large scale interconnect; ULSI) 구조체에서 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한(patternable) 재료에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 패턴화가능한 유전 잉크 및 전도성 잉크, 전자 디바이스의 구조체에 있어서의 이들 잉크의 용도 및 소프트 리소그래피 공정(soft lithographic process)을 통한 상기 구조체의 형성 방법에 관한 것이다.
포토리소그래피는 전자 회로의 제조 동안 기능성 박막의 에칭 및 침착을 위한 주형으로서의 역할을 하는 마이크로미터 미만의 크기의(submicron-sized) 패턴화된 특징부를 제공할 수 있는 공정이다. 이 기술을 이용한 구조체의 형성과 관련된 일반 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 단계를 포함한다. 이들 단계는 스핀 코팅(spin coating), 베이킹(baking), UV-노출, 포스트 베이킹(post-baking), 현상, 하드 베이킹(hard-baking), 및 금속화(metallization)를 포함한다. 각각의 단계에 관련된 재료 및 장비의 유형 및 공정 단계의 수로 인하여, 이 방법을 이용하여 패턴화된 특징부를 제공할 수 있게 되는 것은 비용이 매우 많이 들며, 따라서 많은 응용에 있어서 비용 효과적이지 않다.
소프트 리소그래피 공정은 대안적인 인쇄 및 패턴화 기술을 제공한다. 일반적으로 소프트 리소그래피는 인쇄, 스탬핑(stamping), 성형 또는 엠보싱(embossing)과 같은 다양한 상이한 패턴화 기술을 이용하는 비-포토마스크(non-photo mask) 및 비감광성 화학물질을 사용하는 패턴화 공정을 포함한다. 상기 공정 동안 패턴을 전사시키는 수단으로서 소프트 리소그래피에서 사용되는 가장 일반적인 재료는 폴리다이메틸실록산 (PDMS)의 블록이다. 소프트 리소그래피에서 사용되는 몇몇의 유형의 패턴화 기술은 마이크로-접촉 인쇄(micro-contact printing; mCP), 모세관에서의 마이크로성형(micro-molding in capillary; MIMIC), 복제 성형(replica molding; REM), 마이크로전사 성형(micro-transfer molding; mTM), 용제 보조 마이크로성형(solvent assisted micro-molding; SAMM), 및 데칼 전사 마이크로리소그래피(decal transfer microlithography; DTM)를 포함한다. 박막의 침착에 사용되는 다양한 소프트 리소그래피 공정에 대한 더욱 완전한 논의는 미국 특허 공개 제2007/0166479A1호에 제공되어 있다. 불행하게도, 종래의 소프트 리소그래피 공정은 패턴화된 특징부의 재현성과 관련된 문제로 고통받는다.
상기 필요성을 충족시키고, 이외에도, 관련 분야의 열거된 결점 및 다른 한계를 극복함에 있어서, 일반적으로 본 발명은 경화성의 패턴화가능한 잉크를 제공하며, 이와 함께, 전자 디바이스에서 기능을 수행하는 구조체의 부분으로서 잉크를 사용하는 방법을 제공한다. 게다가, 본 발명은 전자 디바이스 내에서 사용하기 위하여 기판 상에 상기 구조체를 형성하는 소프트 리소그래피 방법을 또한 제공한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전자 디바이스 내에서 사용하기 위해 구조체를 기판 상에 형성하는 소프트 리소그래피 방법이 제공된다. 일반적으로 이 방법은 기판의 표면 상에 패턴화가능한 잉크를 소정 패턴으로 인쇄하여 패턴화된 잉크 층을 형성하는 단계; 상기 패턴화된 잉크 층을 경화시키는 단계; 패턴화된 잉크 층의 표면의 적어도 일부분을 금속화하는 단계; 및 전자 디바이스 내에서 기능을 수행할 수 있는 기판 상에 구조체를 형성하는 단계를 포함한다. 패턴화가능한 잉크는, 아릴 작용화 수지 성분이 경화성 아릴 작용화 실세스퀴옥산 수지 및 선형 아릴 작용화 폴리실록산의 소정의 배합물을 포함하도록, 유기 용매 중에 분산된 아릴 작용화 수지 성분을 포함한다. 대안적으로, 아릴 기는 페닐 기, 톨릴 기, 자일릴 기, 나프틸 기, 또는 이들의 조합이다. 패턴화가능한 잉크는 경화 촉진제 또는 촉매, 저분자량 가교결합제, 접착 촉진제 및 저해제 중 적어도 하나를 또한 추가로 포함할 수 있다.
패턴화가능한 잉크의 인쇄 단계는 롤(roll) 인쇄, 마이크로-접촉 인쇄 또는 나노-임프린팅(nano-imprinting) 기술의 사용을 포함할 수 있다. 기본적으로 이들 기술의 수행은 패턴화가능한 잉크를 폴리다이메틸실록산 (PDMS) 층의 표면 상에 전사시키는 것; 패턴화된 잉크 층을 PDMS 층 상에 형성시키는 것; 패턴화된 잉크 층과 PDMS 층 사이의 계면을 건조시키거나 또는 겔화시키는 것; 패턴화된 잉크 층을 기판의 표면과 접촉시키는 것; 및 패턴화된 잉크 층을 PDMS 층으로부터 기판의 표면으로 전사시키는 것을 포함한다.
상기 계면의 건조 또는 겔화는 패턴화가능한 잉크의 유기 용매의 PDMS 층 내로의 흡수에 의해 용이해지게 되는 반면, PDMS 층으로부터의 기판의 표면으로의 패턴화된 잉크 층의 전사는 패턴화된 잉크 층과 PDMS 층 사이의 불상용성에 의해 용이해지게 된다. 일반적으로, 이러한 불상용성은 패턴화된 잉크 층 및 PDMS 층이 나타내는 표면 에너지의 차이를 나타낸다. 더 구체적으로, 패턴화된 잉크 층이 나타내는 표면 에너지는 PDMS 층이 나타내는 표면 에너지보다 더 높다. 패턴화된 잉크 층과 PDMS 층 사이의 표면 에너지의 차이는 적어도 하나의 아릴 기로부터 수지 성분에 대하여 대략 20 몰%까지의 아릴 기를 포함하는 패턴화가능한 잉크 중 아릴 작용화 수지 성분에 의해 야기된다. 일반적으로, 패턴화된 잉크 층의 경화는 하이드로실릴화, 수소화(hydrogenative) 커플링, 또는 가수분해 및 축합 경로를 통하여 달성된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 기판; 소정 패턴으로 기판의 표면에 근접하여 위치된 경화된 잉크 층; 및 적어도 하나의 금속화 층을 포함하는 전자 디바이스가 제공된다. 경화된 잉크 층은 하기 식에 따른, TR, DRR, MRRR, 및 Q 구조 단위들로 정의되는 아릴 수지 층을 포함한다:
(TR)a (DRR)b (MRRR)c (Q)d
여기서, 각각의 R 기는 아릴 기이도록 독립적으로 선택되도록, (TR)a는 (R)SiO3/2의 구조 단위들을 나타내며; (DRR)b는 (R)2SiO2/2의 구조 단위들을 나타내고; (MRRR)c는 (R3)SiO1/2의 구조 단위들을 나타내며; (Q)d는 SiO4/2의 구조 단위들을 나타내고; 하첨자 (a - d)는 관계식 (a + b + c + d) = 1에 따른 각각의 구조 단위의 몰분율을 나타내며, 이때 하첨자 (a) 및 (b)는 0 초과이다. 아릴 기는 아릴 수지 층 중에 하나의 아릴 기로부터 수지 분자의 대략 20 몰%까지의 범위의 양으로 존재한다. 대안적으로, 아릴 기는 페닐 기이다.
전자 디바이스는 초대규모 상호접속 구조체 (ULSI), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor liquid crystal display; TFT-LCD), 반도체 디바이스, 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB), 또는 태양 전지일 수 있다. 전자 디바이스는, 금속화 층 또는 솔더 범프(solder bump)가 당해 구조체 내에 포함됨으로써 유발되는 응력을 경화된 잉크 층이 감소시키도록, 봉지(encapsulation) 층, 패시베이션(passivation) 층, 솔더 범프, 또는 와이어(wire) 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크가 제공된다. 일반적으로, 경화성의 패턴화가능한 잉크는 (R)SiO3/2의 구조 단위들로 정의되는 제1 부분; (R)2SiO2/2의 구조 단위들로 정의되는 제2 부분; 및 유기 용매를 포함한다. 대안적으로, 패턴화가능한 잉크는 (R)3SiO1/2의 구조 단위들로 정의되는 제3 부분 및/또는 SiO4/2의 구조 단위들로 정의되는 제4 부분을 추가로 포함한다. R 기는 아릴 기, 메틸 기, 또는 가교결합성 기이도록 독립적으로 선택되며, 이때 아릴 기의 수는 하나의 아릴 기와, 패턴화가능한 잉크에 대하여 대략 20 몰%의 아릴 기 사이인 양으로 존재한다. 아릴 기는 페닐 기, 톨릴 기, 자일릴 기, 나프틸 기, 또는 이들의 조합으로서 선택된다. 가교결합성 기는 비닐, Si-H, 실라놀, 또는 알콕시 부분(moiety)으로서 선택되는데, 이는 하이드로실릴화, 수소화 커플링, 또는 가수분해/축합 반응을 겪을 수 있다. 대안적으로, 경화성의 패턴화가능한 잉크는 경화 촉진제 또는 촉매, 저분자량 가교결합제, 접착 촉진제, 전도성 충전제, 비전도성 충전제 또는 저해제 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
경화성의 패턴화가능한 잉크 중 유기 용매는 130℃ 초과의 비점을 갖는다. 유기 용매는 다이에틸렌 글리콜 메틸 에틸 에테르, 프로필렌 카르보네이트, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 카르비톨 아세테이트, 다이에틸렌 글리콜 에틸 에테르 또는 카르비톨, 에틸 락테이트, r-부티로락톤, n-메틸 2-피롤리디논 (NMP), n-부틸 카르비톨 또는 이들의 혼합물이도록 선택될 수 있다.
추가의 적용 영역이 본 명세서에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 구체적인 실시예는 단지 예시 목적으로 의도되며, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것이 아님이 이해되어야 한다.
본 명세서에 기재된 도면은 단지 예시 목적을 위한 것이며, 어떠한 식으로든 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니다.
<도 1>
도 1은 종래의 포토리소그래피 공정의 개략도.
<도 2>
도 2는 본 발명의 교시에 따른 패턴화가능한 잉크로 제작된 초대규모 상호접속체 (ULSI)의 단면도.
<도 3>
도 3은 본 방법의 인쇄 단계를 강조하는, 소프트 리소그래피 공정에서의 패턴화가능한 잉크의 용도를 설명하는 방법의 개략도.
<도 4>
도 4는 본 발명의 교시에 따른 패턴화가능한 잉크를 도포하는 데 사용되는 롤 인쇄 공정의 개략도.
<도 5a>
도 5a는 현미경 및 3-D 현미경 기술을 사용하여 관찰된, 10회의 인쇄 패스(pass) 후, 본 발명의 교시에 따라 기판에 도포된 인쇄된 패턴의 현미경 사진.
<도 5b>
도 5b는 현미경 및 3-D 현미경 기술을 사용하여 관찰된, 100회 초과의 인쇄 패스 후, 본 발명의 교시에 따라 기판에 도포된 인쇄된 패턴의 현미경 사진.
<도 6>
도 6은 3-D 나노-임프린팅을 강조하는, 소프트 리소그래피 공정에서의 패턴화가능한 잉크의 용도를 설명하는 개략도.
하기의 상세한 설명은 본질적으로 단지 예시적이며 어떠한 식으로든 본 발명 또는 그의 적용 또는 사용을 제한하고자 하는 것이 아니다. 상세한 설명 및 도면 전체를 통해, 상응하는 도면 부호는 유사하거나 상응하는 부분 및 특징부를 가리킨다는 것이 이해되어야 한다.
일반적으로 본 발명은 초대규모 상호접속 (ULSI) 구조체로 예시되는 전자 디바이스의 제작에서 사용되는 경화성의 패턴화가능한 잉크를 제공한다. 대안적으로, 본 발명은 당해 구조체 내에 포함된 금속화 또는 솔더 범프에 의해 유발되는 응력을 감소시키는 데 적합한 패턴화가능한 잉크를 제공한다. 이들 패턴화가능한 잉크는 사실상 유전성 또는 전도성이도록 사전 선택되며, 일반적으로, 용매 중에 분산된 경화성의 아릴 작용화 수지 성분을 포함한다. 대안적으로, 패턴화가능한 잉크는 경화 촉진제 (예를 들어, 촉매), 저분자량 가교결합제, 또는 다른 첨가제, 예를 들어 접착 촉진제, 전도성 충전제 및 저해제 중 적어도 하나를 추가로 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 아릴 작용화 수지 성분 중에 존재하는 아릴 기는 페닐 기, 톨릴 기, 자일릴 기, 나프틸 기 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아닐 수 있다. 대안적으로, 상기 수지 성분 중에 존재하는 아릴 기는 페닐 기이다.
도 2를 참조하면, ULSI 구조체의 제작에서 본 발명의 경화성의 패턴화가능한 잉크를 사용하는 일례가 예시되어 있다. 당업자라면, 본 발명의 범주를 넘지 않고서, 플라즈마 디스플레이 패널 (PDP), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이 (TFT-LCD), 반도체 디바이스, 인쇄 회로 기판 (PCB), 및 태양 전지를 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 전자 디바이스에서 패턴화가능한 잉크가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 그러나, 본 발명의 개시 내용 전체에 걸쳐, ULSI 구조체의 제작에서의 패턴화가능한 잉크의 용도가 이 잉크를 더욱 완전히 예시하고 그 용도의 예를 제공하기 위하여 기재되어 있다. 이러한 예시적인 예의 용도는 다른 응용에서의 이들 잉크의 용도를 한정하고자 하는 것이 아니다.
도 2에 나타낸 대표적인 예에서, ULSI 구조체(1)는 규소 웨이퍼 또는 칩(5)을 포함하며, 상기 웨이퍼 또는 칩 상에 후속 일차 패시베이션 층(10), 구리 트레이스(trace) 층(15), 이차 패시베이션 층(20), 및 Ti/Cu/Ni 금속화 층(25)이 형성된다. 솔더 볼(30)은 외부 와이어에 결합시키기 위하여 금속화 층(25)과 접촉하도록 배치된다. 이러한 구체적인 예에서, 본 발명의 패턴화가능한 잉크(35)는 유전체로 작용하며, 솔더 볼(30)용 지지체를 제공하기 위하여 구리 트레이스 층(15)과 금속화 층(25) 사이에 배치된다.
일반적으로 아릴 작용화 수지 성분은 아릴 작용화 실세스퀴옥산 (SSQ) 수지, 및 선형 아릴 작용화 폴리실록산의 소정의 배합물을 포함한다. 전형적으로 아릴 작용화 SSQ 수지 및 아릴 작용화 폴리실록산은 하이드로실릴화, 수소화 커플링, 또는 가수분해/축합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 가교결합 반응을 겪는다. 따라서, 이들 아릴 SSQ 수지 및 아릴 폴리실록산은 촉매된 하이드로실릴화, 수소화 커플링, 또는 가수분해 및 축합 경로를 통하여 가교결합을 겪도록 비닐 작용기, Si-H, 실라놀, 및/또는 알콕시 작용기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한 아릴 작용화 수지 성분은 아릴 풍부 Si-H 가교결합제를 포함하지만 이에 한정되지 않는 저분자량 가교결합성 분자를 포함하여 이러한 가교결합 반응을 용이하게 할 수 있다. 패턴화가능한 잉크는 잉크가 소프트 리소그래피 공정에 사용되는 폴리다이메틸실록산 (PDMS) 층 또는 블록 내로 이동하는 것을 방지하기 위하여 소정의 개수의 아릴 기를 포함한다.
패턴화가능한 잉크 중 아릴 작용화 수지 성분은 (R)SiO3/2의 구조 단위들로 정의되는 제1 부분 및 (R)2SiO2/2의 구조 단위들로 정의되는 제2 부분을 포함한다. 대안적으로, 아릴 작용화 수지 성분은 (R)3SiO1/2의 구조 단위들로 정의되는 제3 부분을 추가로 포함할 수 있다. 아릴 작용화 수지는 SiO4/2의 구조 단위들로 정의되는 제4 부분을 또한 선택적으로 포함할 수 있다. 아릴 작용화 수지 성분은 하한치가 1000, 대안적으로 2000, 또는 대안적으로 3000 g/몰이고, 상한치가 10,000, 대안적으로 15,000, 또는 대안적으로 20,000 g/몰인 범위 내의 분자량을 가질 수 있다.
R 기는 독립적으로 아릴 기, 메틸 기 또는 가교결합성 기이도록 선택되며, 이때 아릴 기의 수는 인쇄 공정에서 사용되는 잉크와 PDMS 기판 사이에 불상용성이 존재하는 것을 보장하기 위하여 소정의 것이다. 아릴 작용화 수지 성분 중에 존재하는 소정의 개수의 아릴 기는 적어도 하나의 아릴 기로부터 경화된 패턴화가능한 잉크의 약 20 몰%까지; 대안적으로 약 15 몰%까지; 대안적으로 약 10 몰%까지의 범위일 수 있다.
아릴 작용화 수지 성분 내에서의 가교결합은 하이드로실릴화, 수소화 커플링 또는 가수분해/축합 반응을 통하여 잉크가 가교결합을 겪도록 하기 위하여 비닐, Si-H, 실라놀, 또는 알콕시 부분과 같은 가교결합성 부분인 수지 성분 중 R 기들 중 적어도 하나에 의해 유발될 수 있다. 또한 가교결합은 저분자량의 아릴 풍부 가교결합제 분자, 예를 들어 페닐 풍부, Si-H 가교결합제 (예를 들어, 다이메틸 수소 말단화된 페닐 실세스퀴옥산)을 경화성의 패턴화가능한 잉크에 첨가하는 것을 통하여 아릴 작용화 수지 성분에서 유발될 수 있다. 이러한 가교결합 반응은 소프트 리소그래피 공정과 관련된 열적 경화 또는 베이킹 단계 동안 일어난다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 경화성의 패턴화가능한 잉크는 도 3에 나타낸 바와 같이 소프트 리소그래피 공정(99)을 이용하여 기판에 패턴으로 도포된다. 소프트 리소그래피 공정(99) 내에서, 잉크는 인쇄 공정(100), 예를 들어 롤 인쇄, 마이크로-접촉 인쇄, 나노-임프린팅 기술 - 여기서, PDMS 블랭킷(blanket) 또는 롤이 전사 매체로서 작용함 - 을 이용하여 패턴으로 도포된다. 후속적으로, 패턴화된 잉크는 하드 베이킹(110)에 의해 열적으로 경화되고 이어서 금속화(115)되어, 완성된 구조체 또는 디바이스를 형성한다. 하드 베이킹(110)은 약 70℃ 초과; 대안적으로 약 95℃ 초과; 대안적으로 약 110℃ 초과의 온도에의 노출 시에 잉크의 표면을 경질화함으로써 패턴화된 잉크의 내에칭성을 향상시키고자 한다. 특히, 금속화(115)는 스퍼터링(sputtering), 화학 증착(chemical vapor deposition; CVD), 열증발, 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE), 또는 임의의 다른 화학적, 전기화학적, 또는 이온-보조 기술을 사용하여 잉크의 경질화된 표면 상에 도포될 수 있다. 이러한 소프트 리소그래피 공정(100)에서의 단계들의 수는 유사한 구조체를 생성하기 위하여 포토리소그래피에서 요구되는 단계들의 수보다 실질적으로 더 적다 (도 1 참조). 따라서, 본 발명의 패턴화가능한 잉크에서 사용되는 소프트 리소그래피 공정은 종래의 포토리소그래피보다 비용 효과가 더 큰 공정이다.
또한 도 3을 참조하면, 소프트 리소그래피 공정(99)의 인쇄 단계(100)에서 잉크를 기판에 패턴으로 도포하는 방법은 일반적으로 하기 단계를 포함한다: 습윤 잉크를 PDMS 전사 층 또는 매체로 전사시키는 단계(102); 잉크 패턴화된 층을 PDMS 전사 층의 표면 상에 형성하는 단계(104); 잉크 층과 PDMS 전사 층 사이의 계면을 건조시키거나 또는 겔화시키는 단계(106); 및 패턴화된 잉크 층을 기판으로 전사시키는 단계(108). 상기 계면을 건조시키거나 또는 겔화시키는 단계(106)는 도포된 잉크 층 중 용매가 PDMS 전사 층 내에 흡수되게 함으로써 달성될 수 있다. 용매의 흡수는 PDMS 층의 팽윤을 야기할 수 있다. 패턴화가능한 잉크 중 아릴 작용화 수지 성분과 PDMS 전사 층 사이의 불상용성은 잉크의 기판으로의 전사(108)를 돕는다.
폴리다이메틸실록산 (PDMS)은 그의 낮은 표면 에너지 및 패턴화가능한 잉크의 이형 능력 때문에 전사 층 또는 매체용으로 사용된다. 소정량의 아릴 작용기를 포함하는, 패턴화가능한 잉크 층에서 사용되는 수지는 PDMS 전사 층과 불상용성이다. 불상용성이란, 요구될 경우, 층들이 서로로부터 분리될 수 있도록, 상기 층들이 서로와 접착되지 않도록 하는 각각의 층의 화학적 특성 및 물리적 특성을 말한다. 예를 들어, 잉크 층은 PDMS보다 더 높은 표면 에너지를 나타낸다. 표면 에너지의 이러한 차이는 인쇄 공정 동안 PDMS 층의 표면으로부터 잉크가 이형될 수 있게 한다.
또한 도 3을 참조하면, 경화성의 패턴화가능한 잉크는 잉크 중 유기 용매 또는 담체의 존재로 인하여 액체 형태로 기판의 표면에 도포되거나 또는 전사된다(102). 유기 용매는 약 130℃ 초과의 비점(Bp)을 갖는 임의의 용매일 수 있으며, 인쇄 공정에서 사용되는 PDMS 층과 상용성이다. 다시 말하면, 용매는 PDMS 층 내로 흡수될 수 있다. 패턴화가능한 잉크에서 사용하기에 적합한 몇몇 유기 용매의 예에는 다이에틸렌 글리콜 메틸 에틸 에테르 (Bp = 176℃), 프로필렌 카르보네이트 (Bp = 242℃), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 (Bp = 146℃), 카르비톨 아세테이트 (Bp = 219℃), 다이에틸렌 글리콜 에틸 에테르 또는 카르비톨 (Bp = 196℃), 에틸 락테이트 (Bp = 154℃), r-부티로락톤 (Bp = 204℃), n-메틸 2-피롤리디논 or NMP (Bp = 202℃), n-부틸 카르비톨 (Bp = 231℃), 및 이들의 혼합물이 포함되지만, 이에 한정되지 않는다.
일단 경화성 잉크가 PDMS 층의 표면에 전사되면(102), 잉크 층이 형성된다(104). 잉크 층으로부터의 PDMS 층 내로의 용매의 흡수는 잉크 층과 PDMS 층 사이의 계면에서의 잉크 층의 "건조" 또는 "겔화"(106)를 돕는다. 전사 매체로서 일반적으로 사용되는 PDMS 층이 나타내는 특성은 표 1 (A - B)에 더욱 상세하게 기재되어 있다. 더 구체적으로, PDMS 층은 대략적으로 약 20 내지 30의 쇼어(Shore) A 경도 값, 약 2.4 × 105 내지 5.5 × 106 Pa (35 내지 800 psi)의 인장 응력 및 200%를 초과하는 신율을 나타낸다. PDMS 층은 유기 용매, 예를 들어 테르피네올, 메틸에틸 카르비톨, 및 카르비톨 아세테이트의 흡수에 대하여 고도로 허용가능하다. PDMS 층에 의한 잉크 층으로부터의 용매의 흡수 시에, 건조되거나 또는 겔화된 잉크 층은 그 후 예를 들어 유리 또는 웨이퍼와 같은 기판으로 전사될(108) 수 있다. 기판의 표면으로 일단 전사되면(108), 건조되거나 또는 겔화된 잉크 층은 하드 베이킹(110)에 의해 경화될 수 있다.
[표 1 (A - B)]
Figure pct00001
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 패턴화가능한 잉크의 하드 베이킹(110) 시에, 하기 화학식 F-1에 따른, TR, DRR, MRRR, 및 Q 구조 단위들을 포함하는 아릴 수지 층이 형성된다:[화학식 F-1]
(TR)a (DRR)b (MRRR)c (Q)d
여기서, (TR)a는 (R)SiO3/2의 구조 단위들을 나타내며; (DRR)b는 (R)2SiO2/2의 구조 단위들을 나타내고; (MRRR)c는 (R)3SiO1/2의 구조 단위들을 나타내며; (Q)d는 SiO4/2의 구조 단위들을 나타낸다. 각각의 R 기는 독립적으로 아릴 기이도록 선택되며, 대안적으로 각각의 R 기는 페닐 기이고; 하첨자 (a - d)는 관계식 (a + b + c + d) = 1에 따른 각각의 구조 단위의 몰분율을 나타내며, 이때 하첨자 (a) 및 (b)는 0 초과이다.
하기 특정 실시예는 본 발명을 설정하기 위해 제공되며 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 당업자는, 본 발명의 개시 내용을 고려하여, 본 명세서에 개시된 특정 실시 형태에서 많은 변경이 이루어질 수 있으며, 본 발명의 사상 또는 범주를 벗어나거나 넘어서지 않으면서 유사하거나 비슷한 결과를 여전히 얻을 수 있음을 알 것이다.
실시예 1 - 경화성의 패턴화가능한 잉크의 제조
본 발명의 교시에 따라 제조한 패턴화가능한 잉크의 많은 것 중 하나의 구체예는 카르비톨 아세테이트 용매 중에 보관된 페닐 (Ph) 실세스퀴옥산 (SSQ) 수지, 페닐 (Ph) 선형 폴리실록산, 건식 실리카, 및 페닐 (Ph) 풍부, Si-H 가교결합제의 혼합물에 의해 정의되는 구조 단위들을 포함하는 아릴 작용화 수지 성분을 포함한다. SSQ 수지는 (Ph)SiO3/2의 구조 단위들을 제공하며; 선형 폴리실록산은 (Ph)2SiO2/2의 구조 단위들을 제공하고; 페닐 풍부 가교결합제는 (Ph)3SiO1/2의 구조 단위들을 제공하며; 건식 실리카는 SiO4/2의 구조 단위들을 제공한다. 아릴 작용화 수지 성분은 프로필렌 글리콜 페닐 에테르 용매 중에서 백금 촉매, 접착 촉진제, 및 저해제와 배합되고 혼합된다. 패턴화가능한 잉크 제형을 형성하도록 배합되는 다양한 양의 상이한 수지들, 첨가제들, 및 용매들에 관한 더욱 구체적인 정보가 표 2에 제공되어 있다. 패턴화가능한 잉크는 인쇄 공정을 통하여 기판에 도포될 때까지 보관한다.
[표 2]
Figure pct00002
실시예 2 - 롤 인쇄를 통한 패턴화가능한 잉크의 인쇄
이 실시예에서, 실시예 1의 패턴화가능한 잉크는 그라비어 오프셋(Gravure Offset) 인쇄로 공지된 롤 인쇄의 형태인 인쇄 공정(100)으로 기판에 도포된다. 이제 도 4를 참조하면, 이 인쇄 단계(100)에서, 패턴화가능한 잉크를 롤 또는 잉크젯과 같은 잉크 주입 유닛(unit)의 사용을 통하여 그라비어 롤의 표면에 도포한다. 이러한 기술에서, 원하는 잉크 패턴을 그라비어 롤의 표면 내에 새긴다. 패턴화가능한 잉크는 새겨진 패턴을 구성하는 그라비어 롤의 표면 내의 트로프(trough)를 채운다. 닥터 블레이드(doctor blade)를 사용하여, 새겨진 패턴을 채우는 데 필요하지 않은 임의의 여분의 잉크를 제거한다. 그라비어 롤의 회전은 잉크가 채워진 새겨진 패턴이 블랭킷 롤과 접촉하게 하며, 여기서 상기 롤의 외부 표면은 폴리다이메틸실록산 (PDMS)을 포함한다. 따라서, 습윤 잉크는 새겨진 패턴의 형태로 그라비어 롤로부터 PDMS 블랭킷 롤로 전사된다(102). 일단 전사되면, 습윤 잉크는 PDMS 블랭킷 롤의 표면 상에 패턴화된 잉크 층을 형성한다(104). 패턴화가능한 잉크로부터의 PDMS 블랭킷 롤 내로의 용매의 흡수는 잉크 층과 PDMS 블랭킷 롤 사이의 계면이 건조되거나 겔화되게(106) 한다. PDMS 블랭킷 롤의 회전은 잉크 층이 기판과 접촉하게 하는데, 상기 기판 상에는 잉크 층이 PDMS 블랭킷 롤로부터 기판으로 전사된다(108).
이제 도 5 (도 5a 및 도 5b)를 참조하면, 기판에 패턴으로 도포된 패턴화가능한 잉크의 영상들이 예시되어 있으며, 이는 정상 현미경 및 3-D 현미경 둘 모두를 이용한다. 인쇄된 패턴의 두께는, 10회의 인쇄 사이클을 이용한, 도 5a에 예시된 3-D 현미경 영상과, 100회 초과의 인쇄 사이클을 이용한, 도 5b에 예시된 3-D 현미경 영상을 비교함으로써 입증되는 바와 같이 인쇄 공정을 다수회 거침으로써 증가시킬 수 있다. 이 실시예는 소프트 리소그래피 공정에서 패턴화가능한 잉크를 사용한 원하는 패턴의 재현성을 입증한다.
실시예 3 - 3-D 나노-임프린팅 단계를 이용한 패턴화가능한 잉크의 인쇄를 이용한 소프트 리소그래피 공정.
이 실시예에서, 실시예 1의 패턴화가능한 잉크를 3-D 나노-임프린팅으로 공지된 인쇄 공정(100)을 이용하여 소프트 리소그래피(99)를 통하여 전자 디바이스의 제작 동안 도포한다. 이제 도 6을 참조하면, 인쇄 단계(100)에서, 패턴화가능한 잉크를 PDMS 블랭킷 또는 시트의 표면에 도포한다. PDMS 시트는 실시예 2에 기재된, 그라비어 롤에서 행해진 새김(engravement)과 유사하게 시트 상에 원하는 패턴이 제공되도록 성형되거나 또는 제작될 수 있다. 대안적으로, PDMS 시트는 평평하거나 또는 평활할 수 있으며, 잉크를 직접적으로 PDMS 시트에 원하는 패턴으로 도포할 수 있다. 패턴화가능한 잉크를 롤 인쇄 및 잉크젯 인쇄를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 주입 유닛을 이용하여 PDMS 시트의 표면에 도포할(102) 수 있다. 일단 전사되면, 습윤 잉크는 PDMS 블랭킷 또는 시트의 표면 상에 패턴화된 잉크 층을 형성한다(104). 패턴화가능한 잉크로부터의 PDMS 시트 내로의 용매의 흡수는 잉크 층과 PDMS 시트 사이의 계면이 건조되거나 겔화되게(106) 한다. PDMS 시트 및 패턴화된 잉크 층을 기판의 표면에 프레스하면 잉크 층이 기판과 접촉하게 되는데, 상기 기판 상에는 잉크 층이 PDMS 시트로부터 기판으로 전사된다(108).
일단 패턴화된 잉크가 기판의 표면 상에 임프린트되게 되면, 포토리소그래피 공정에서의 다음 단계(99)가 일어날 수 있는데, 이는 하드 베이킹(110) 및 금속화(115)를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 대안적으로, 추가의 단계들, 예를 들어 연삭(grinding), 패시베이션, 및 솔더 볼의 적용을 실시할 수 있다.
당업자는 설명된 측정이 다양한 상이한 시험 방법에 의해 얻어질 수 있는 표준 측정이라는 것을 인식할 것이다. 실시예에 기재된 시험 방법들은 각각의 요구되는 측정치를 얻기 위한 단지 하나의 이용가능한 방법을 나타낼 뿐이다.
본 발명의 다양한 실시 형태의 전술한 기재는 예시 및 설명을 위해 제공되었다. 이는 본 발명을 개시된 정확한 실시 형태들로 총망라하거나 제한하고자 하는 것은 아니다. 상기 교시내용에 비추어 다수의 변경 및 변형이 가능하다. 논의된 실시 형태들은 본 발명의 원리 및 그의 실제 응용에 대한 최상의 설명을 제공하기 위해 선택되고 기재되었으며, 그에 의해 당업자가 다양한 실시 형태로 그리고 고려된 특정 용도에 적합한 다양한 변경 형태로 본 발명의 교시를 이용할 수 있게 한다. 그러한 모든 변경 및 변형은, 정당하게, 합법적으로 그리고 공정하게 권리가 있는 범위에 따라 해석될 때, 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되는 본 발명의 범주에 속한다.

Claims (14)

  1. 전자 디바이스에서 사용하기 위해 구조체를 기판 상에 형성하는 소프트 리소그래피 방법(soft lithographic method)으로서,
    상기 기판의 표면 상에 패턴화가능한(patternable) 잉크를 소정 패턴으로 인쇄하여 패턴화된 잉크 층을 형성하는 단계로서, 상기 패턴화가능한 잉크는 유기 용매 중에 분산된 아릴 작용화 수지 성분 및 선택적으로, 경화 촉진제, 촉매, 저분자량 가교결합제, 접착 촉진제 및 저해제로부터 선택되는 하나 이상의 추가 성분을 포함하며; 상기 아릴 작용화 수지 성분은 경화성 아릴 작용화 실세스퀴옥산 수지와 선형 아릴 작용화 폴리실록산의 소정의 배합물을 포함하는, 상기 단계;
    상기 패턴화된 잉크 층을 경화시키는 단계로서, 상기 경화된 패턴화된 잉크 층은 하기 화학식 F-1에 따른, TR, DRR, MRRR, 및 Q 구조 단위들에 의해 정의되는 아릴 수지 층을 포함하는, 상기 단계:
    [화학식 F-1]
    (TR)a (DRR)b (MRRR)c (Q)d
    (여기서, 각각의 R 기는 아릴 기이도록 독립적으로 선택되도록, (TR)a는 (R)SiO3/2의 구조 단위들을 나타내며; (DRR)b는 (R)2SiO2/2의 구조 단위들을 나타내고; (MRRR)c는 (R)3SiO1/2의 구조 단위들을 나타내며; (Q)d는 SiO4/2의 구조 단위들을 나타내고; 하첨자 (a - d)는 관계식 (a + b + c + d) = 1에 따른 각각의 구조 단위의 몰분율을 나타내며, 이때 하첨자 (a) 및 (b)는 0 초과임);
    금속화 층을 상기 경화된 패턴화된 잉크 층의 상기 표면의 적어도 일부분에 도포하는 단계; 및
    상기 전자 디바이스 내에서 기능을 수행할 수 있는 구조체를 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스에서 사용하기 위해 구조체를 기판 상에 형성하는 소프트 리소그래피 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 아릴 기는 페닐 기, 톨릴 기, 자일릴 기, 나프틸 기 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 전자 디바이스에서 사용하기 위해 구조체를 기판 상에 형성하는 소프트 리소그래피 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 패턴화가능한 잉크를 상기 기판의 표면 상에 인쇄하는 상기 단계는
    상기 패턴화가능한 잉크를 폴리다이메틸실록산 (PDMS) 층의 상기 표면 상에 전사시키는 단계;
    상기 패턴화된 잉크 층을 상기 PDMS 층 상에 형성시키는 단계;
    상기 패턴화된 잉크 층과 상기 PDMS 층 사이의 계면을 건조시키거나 또는 겔화시키는 단계;
    상기 패턴화된 잉크 층을 상기 기판의 상기 표면과 접촉시키는 단계; 및
    상기 패턴화된 잉크 층을 상기 PDMS 층으로부터 상기 기판의 상기 표면으로 전사시키는 단계를 추가로 포함하는, 전자 디바이스에서 사용하기 위해 구조체를 기판 상에 형성하는 소프트 리소그래피 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패턴화가능한 잉크 중 상기 아릴 작용화 수지 성분은 적어도 하나의 아릴 기를 상기 수지 성분의 20 몰% 이하의 양으로 포함하는, 전자 디바이스에서 사용하기 위해 구조체를 기판 상에 형성하는 소프트 리소그래피 방법.
  5. 전자 디바이스로서, 상기 전자 디바이스는
    표면을 갖는 기판;
    소정 패턴으로 상기 기판의 상기 표면에 근접하여 위치된 경화된 잉크 층;
    적어도 하나의 금속화 층; 및 선택적으로,
    봉지(encapsulation) 층, 패시베이션(passivation) 층, 솔더 범프(solder bump), 및 와이어(wire) 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 경화된 잉크 층은 하기 화학식 F-1에 따른, TR, DRR, MRRR, 및 Q 구조 단위들에 의해 정의된 아릴 수지 층을 포함하는, 전자 디바이스:
    [화학식 F-1]
    (TR)a (DRR)b (MRRR)c (Q)d
    (여기서, 각각의 R 기는 아릴 기이도록 독립적으로 선택되도록, (TR)a는 (R)SiO3/2의 구조 단위들을 나타내며; (DRR)b는 (R)2SiO2/2의 구조 단위들을 나타내고; (MRRR)c는 (R)3SiO1/2의 구조 단위들을 나타내며; (Q)d는 SiO4/2의 구조 단위들을 나타내고; 하첨자 (a - d)는 관계식 (a + b + c + d) = 1에 따른 각각의 구조 단위의 몰분율을 나타내며, 이때 하첨자 (a) 및 (b)는 0 초과임).
  6. 제5항에 있어서, 상기 전자 디바이스는 초대규모 상호접속 구조체(ultra-large scale interconnect structure; ULSI), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor liquid crystal display; TFT-LCD), 반도체 디바이스, 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB), 또는 태양 전지인, 전자 디바이스.
  7. 제5항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경화된 잉크 층 중 상기 아릴 기는 페닐 기, 톨릴 기, 자일릴 기, 나프틸 기 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 전자 디바이스.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경화된 잉크 층 중 상기 아릴 기는 상기 수지 성분의 20 몰% 이하의 양으로 존재하는, 전자 디바이스.
  9. 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크로서, 상기 경화성의 패턴화가능한 잉크는
    (R)SiO3/2의 구조 단위들로 정의되는 제1 부분;
    (R)2SiO2/2의 구조 단위들로 정의되는 제2 부분; 및
    유기 용매와, 선택적으로, 경화 촉진제, 촉매, 저분자량 가교결합제, 접착 촉진제, 전도성 충전제, 비전도성 충전제 및 저해제로부터 선택되는 하나 이상의 추가 성분을 포함하며;
    여기서, R 기는 독립적으로 아릴 기, 메틸 기 또는 가교결합성 기이도록 선택되고; 상기 아릴 기는 적어도 하나의 아릴 기로부터 상기 아릴 수지의 20 몰%까지의 범위의 양으로 존재하는, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크.
  10. 제9항에 있어서, 상기 잉크는 R3SiO1/2의 구조 단위들로 정의되는 제3 부분 및 선택적으로, SiO4/2의 구조 단위들로 정의되는 제4 부분을 추가로 포함하는, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 아릴 기는 페닐 기, 톨릴 기, 자일릴 기, 나프틸 기 또는 이들의 조합인, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가교결합성 기는 하이드로실릴화, 수소화(hydrogenative) 커플링, 또는 가수분해/축합 반응을 겪을 수 있는 비닐, Si-H, 실라놀, 또는 알콕시 부분(moiety)인, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 용매는 130℃ 초과의 비점을 갖는, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 용매는 다이에틸렌 글리콜 메틸 에틸 에테르, 프로필렌 카르보네이트, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 카르비톨 아세테이트, 다이에틸렌 글리콜 에틸 에테르 또는 카르비톨, 에틸 락테이트, r-부티로락톤, n-메틸 2-피롤리디논 (NMP), n-부틸 카르비톨, 또는 이들의 혼합물인, 전자 디바이스 내에 구조체를 형성하는 데 사용하기 위한 경화성의 패턴화가능한 잉크.
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