KR20170135170A - 나노 패턴 제조 방법 - Google Patents

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KR20170135170A
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양민양
한규효
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Abstract

나노 패턴 제조 방법을 개시한다.
나노 패턴 제조 방법에 있어서, 기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 형성하는 과정; 상기 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키는 과정; 상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴을 형성하는 과정; 및 상기 반고상의 유기금속화합믈 잉크층을 제거하여 상기 패턴을 남기는 과정을 포함하는 나노 패턴 제조 방법을 제공한다.

Description

나노 패턴 제조 방법{Method of Fabricating Nano Pattern}
본 발명의 실시예는 나노 패턴 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 간섭을 이용하여 나노 패턴을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
금속 나노 패턴 제조 방법은 현재 디스플레이 산업부터 바이오 산업까지 다양한 산업의 기반이 되는 기술이다. 금속 나노 패턴은 다양한 디스플레이 패널, LED 소자, 태양전지, 광 검출기 등에 널리 사용되고 있으며, 대표적으로는 편광판, SERS(Surface enhanced Raman Scattering) 기판, OLED의 외부 양자 효율을 높여주는 구조로써 사용되고 있다.
최근 광산업, 디스플레이 산업, 반도체 산업, 바이오 산업 등 여러 분야에서 제품의 미세화와 고성능화에 대한 요구가 증가하고 있다. 금속 나노 패턴을 형성하는 기술은 제품의 미세화와 고성능화에 필요한 기술로, 금속 나노 패턴을 낮은 가격으로 손쉽게 제작 가능한 방법에 대한 요구 역시 증가하고 있다.
현재 이러한 금속 나노 패턴을 제조하는데 널리 사용되고 있는 기술들은 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피 등이 있는데, 복잡한 공정 과정, 긴 공정 시간, 비싼 장비와 재료 가격 등의 단점들을 가지고 있다.
포토리소그래피는 나노 단위의 구조체를 생성하기 위해 가장 널리 사용되고 있는 방법으로, 감광제(Photoresist)를 코팅한 시편을 마스크를 통해 빛에 선택적으로 노출시켜 패턴을 생성한다.
간섭 리소그래피는 감광제가 반응하는 자외선 파장대의 레이저를 간섭을 일으켜서 노광시켜 선 또는 점과 같은 기본적인 패턴을 전 면적에 균일하게 발생시키는 방법이다. 감광제 패턴을 빠르게 형성할 수 있다는 장점이 있으나, 노출되지 않은 부분을 제거하는 과정, 금속을 코팅해 주는 과정, 감광제 외의 부분을 제거하는 과정 등의 복잡한 과정을 요구한다는 단점이 있다. 또한, 그 과정들에서 오랜 시간을 요구한다는 점, 그리고 이러한 과정들을 수행함에 있어 진공이 필요할 뿐만 아니라 노출 후 현상이나 식각 과정에서 이용되는 장비의 가격 역시 비싸다는 단점들을 가지고 있다.
전자빔 리소그래피는 전자빔을 집속하여 얇은 레지스트(Resist)로 코팅되어 있는 시편을 주사하여 나노미터 급의 패턴을 형성하거나, 형성된 패턴을 포토리소그래피의 마스크로서 사용하는 방법이다. 다양한 형상의 패턴을 제조할 수 있다는 장점이 있지만, 제조시간이 오래 걸려 면적이 큰 기판의 제조에 한계가 있다는 단점이 있다. 또한 간섭 리소그래피 방법과 마찬가지로 고가의 장비를 사용하며, 패턴 형성 이후의 복잡한 과정을 역시 요구하는 같은 단점들을 지니고 있다.
앞서 설명한 리소그래피를 대체하는 레이저를 통한 나노패턴 제조법으로 연구되었던 방법으로는, 레이저 빔의 초점의 크기를 나노미터 단위로 집속시켜 패터닝을 하는 방법이 있다. 하지만 초점을 아주 정밀하게 집속시켜야 하므로 고가의 렌즈가 필요하고, 패턴 모양에 맞춰 일일이 레이저 빔을 조사시켜야 하는 방법이기 때문에 패턴을 형성하는데 시간이 매우 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한 보통 금속 나노파티클을 코팅하여 사용하는데 금속 나노파티클을 얇은 두께로 균일하게 코팅하는 것이 매우 어렵기 때문에 공정 시간이나 과정에 있어서 큰 단점을 가지고 있다.
본 실시예는, 기판 상에 패턴을 형성하기 위한 방법으로 유기금속화합물 잉크를 반고상으로 경화시켜 레이저 간섭무늬를 조사함으로써, 공정 시간이 짧고, 공정 과정이 간단한 나노 패턴을 제조하는 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 나노 패턴 제조 방법에 있어서, 기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 형성하는 과정; 유기금속화합물 잉크층에 반고상으로 경화시키는 과정; 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴이 형성될 부분을 국부적으로 경화시켜 패턴을 형성하는 과정; 및 반고상의 유기금속화합믈 잉크층을 제거하여 패턴을 남기는 과정을 포함하는 나노 패턴 제조 방법을 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 나노 패턴 제조 방법은 패턴이 남은 기판을 가열하는 과정을 더 포함한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 유기금속화합물 잉크는, 유기 용매에 은(Ag) 이온이 녹아 있는 구조를 가지고 있어, 상온에서 투명한 액체로 존재하는 은 유기금속화합물 잉크이다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 패턴을 형성하는 과정은, 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 선 패턴을 형성하는 과정; 및 선 패턴이 형성된 유기금속화합물 잉크층을 일정 각도 회전하고 레이저 간섭무늬를 조사하여 점 패턴을 형성하는 과정을 포함한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 전자소자에 있어서, 기판; 및 기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 형성하고, 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키고, 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사한 후, 레이저 간섭무늬가 조사된 부분을 제외한 반고상의 유기금속화합물 잉크층을 제거함으로써 형성된 나노패턴층을 포함하는 전자소자를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 금속을 증착하는 과정 없이 바로 유기금속화합물 잉크를 이용하여 패턴을 형성함으로써, 패턴 형성에 필요한 시간이 짧아져 전체 공정 시간이 짧아지는 효과가 있다.
또한, 저가의 유기금속화합물 잉크를 사용하여 기존의 포토리소그래피 등의 방법에 비해 저가의 공정시스템 구현이 가능하다.
또한, 감광제가 필요하지 않고 진공의 상태를 구현할 필요가 없어, 패턴을 제조하는데 있어 간단한 공정 과정을 제공하며, 이러한 간단한 공정 과정을 거쳐 나노미터 단위의 패턴까지 높은 해상도로 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법의 공정 과정을 종래의 공정과 비교하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법을 통해 형성된 나노 패턴을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치를 예시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치(100)는 광원부(110), 반사부(120), 빔 확장부(130), 및 베이스부(140)를 포함하여 구성된다.
광원부(110)는 시편(specimen, 141)에 조사되는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원을 포함하여 구성된다. 레이저 광원은 전사재료와 기판의 특성에 따라서 CW 레이저(Continuous Wave Laser) 또는 펄스 레이저(pulsed laser)를 사용할 수 있다. 또한, 레이저 빔의 파장은 기판의 흡수율과 민감도를 고려하여 적합한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
반사부(120)는 레이저 빔의 방향을 조절할 수 있는 반사경(121, 122)을 포함하여 구성된다. 레이저 빔이 직접 빔 확장부(130)를 향하도록 장치를 구성하는 경우에는 생략할 수 있다.
빔 확장부(130)는 공간필터(spatial filter, 131), 조리개(iris, 134) 및 줄맞춤 렌즈(collimation lens, 135)를 포함하여 구성된다. 공간필터(131)는 초점렌즈(focusing lens, 132) 및 핀홀(pinhole, 133)로 구성된다. 공간필터(131)는 레이저 빔의 경로 상에 위치하여, 입사된 레이저 빔을 발산시킨다. 발산하는 레이저 빔은 조리개(134) 및 줄맞춤 렌즈(135)를 통과하여 평행광이 된다.
베이스부(140)는 레이저 간섭무늬가 조사될 시편(141)이 놓이는 조사면과 반사경(142)이 놓이는 반사면을 포함하여 구성되고, 입사된 평행광이 간섭을 일으켜 시편(141)에 레이저 간섭무늬가 조사될 수 있도록 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 조사면과 반사면은 직각을 이루도록 구성될 수 있고, 빔 확장부(130)에서 생성된 평행광의 중심은 조사면과 반사면의 교차점을 향한다. 반사면에 조사되는 레이저 광은 반사되어 간섭광을 생성하고, 조사면에 직접 조사된 평행광과 간섭을 일으켜 조사면에 놓인 시편(141)에 레이저 간섭무늬가 조사되게 된다. 조사면과 반사면은 입사광(평행광)에 대하여 특정한 각을 가진 상태로 위치한다. 입사광의 각도의 변화에 따라 다양한 패턴이 형성되므로, 베이스부(140)는 입사광의 각도를 변화시킬 수 있도록 회전스테이지(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
레이저 간섭 리소그래피는 빛의 간섭패턴을 이용해 패턴을 형성하는 기술로서 두 개 이상의 빛이 서로 간섭현상을 일으켜 만드는 일정한 주기성을 가지는 간섭패턴을 이용해 기판 위에 금속 나노 패턴을 형성하는 방법이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위해, 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치를 이용하는 경우를 예시로 설명한다. 다만, 나노 패턴을 형성하기 위한 간섭 리소그래피 장치가 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치에 한정되는 것은 아니며, 두 개의 레이저 광원을 이용한 간섭 리소그래피 장치 등 레이저 간섭무늬를 조사할 수 있는 어떠한 간섭 리소그래피 장치라도 무방하다.
이하에서는 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 나노 패턴 제조 방법은 기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 과정(S201), 박막이 형성된 기판에 열을 가하여 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키는 과정(S202), 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴을 형성시키는 과정(S203), 및 반고상의 유기금속화합물 잉크층을 제거하여 패턴을 남기는 과정(S204)을 포함한다.
이상의 과정을 상세하게 설명한다. 먼저, 기판(20) 상에 유기금속화합물 잉크층(30)을 형성한다(S201). 이 과정은 기판(20) 전체에 액체 상태의 유기금속화합물 잉크를 코팅하는 과정이다. 유기금속화합물 잉크는 구리, 은, 알루미늄, 금 등의 전도성을 가진 금속 이온이 유기 용매에 녹아 있는 구조를 가진 잉크를 말한다. 도 3의 (a)는 기판(20) 상에 유기금속화합물 잉크가 코팅되어 유기금속화합물 잉크층(30)이 형성된 상태를 도시한 것이다. 이 과정에서 사용되는 유기금속화합물 잉크층(30)의 형성 방법은, 스핀 코팅(spin coating), 블레이딩 코팅(blading coating), 스프레이(spray), 잉크젯(ink jet), 롤투롤(roll to roll) 방법 등이 있다. 기판(20)은 투명기판일 수 있으며, 예를 들어, 석영, 유리, 플라스틱, 실리콘(silicone) 등의 경성(rigid) 기판과, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 동박(copper film)등의 유연성(flexible) 기판일 수 있다.
다음으로, 유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시킨다(S202). 유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시킬 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 무방하다. 도 3의 (b)는 핫플레이트를 통해 기판(20)에 열을 가하여 유기금속화합물 잉크를 반고상으로 경화시키는 경우를 예시한 것이다. 반고상이란, 완전히 경화된 고체 보다는 유동성이 높고, 경사면을 따라 흐를 수 있는 액체보다는 유동성이 훨씬 적은 상태를 말한다. 이 상태에서는 소정 정도 이상의 힘을 가했을 때는 파열되는 것이 아니라, 다소 형상이 변형된 채로 형상을 유지하고 있으며, 또한 유기금속화합물 잉크 내부에서 환원에 의해 고체 입자가 형성되기 시작한다.
액체 상태의 유기금속화합물 잉크층(30)보다 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)의 두께가 얇은데, 이는 유기금속화합물 잉크가 액체 상태에서 반고상으로 변하면서, 유기금속화합물 잉크의 대부분을 이루고 있는 유기용매가 증발되기 때문이다. 그러나 유기 용매가 완전히 증발되어 유기금속화합물 잉크층(30)이 고상이 되어서는 안되며, 유기 용매의 대부분이 증발되어 유기금속화합물 잉크층(30)이 반고상이 되어야 한다.
유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시키는 과정(S202)을 수행하게 되면 투명한 금속 유기 잉크는 갈색으로 변하게 된다. 유기금속화합물 잉크가 투명하면 패터닝을 위해 사용되는 레이저 대부분이 잉크를 투과하게 되지만, 갈색이 되면 유기금속화합물 잉크가 투명했을 때보다 레이저의 흡수율이 증가하여 결과적으로 투과율이 현저하게 떨어지게 된다. 따라서 레이저가 유기금속화합물 잉크를 패터닝하는 효율이 높아지게 된다. 결국 유기금속화합물 잉크의 색도 투명한 색이 아닌 갈색이고, 유기금속화합물 잉크의 상태도 액상이 아닌 반고상이므로, 유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시키는 과정(S202)을 통해 전체적으로 유기금속화합물 잉크의 광흡수율이 증가하게 된다.
다음으로, 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴(31)을 형성시킨다(S203). 이 과정(S203)은 레이저 간섭무늬가 조사된 부위가 고상으로 경화되어 패턴(31)이 형성되는 과정이다. 유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시키는 과정(S202)이 완료되면, 기판(20) 상에는 유기금속화합물 잉크층(30)은 반고상으로 존재하고, 유기금속화합물 잉크층(30)이 전부 경화되기 전에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴(31)이 형성될 부분을 국부적으로 선택 경화시킨다. 도 3의 (C)는 레이저 광이 조사된 부위가 패턴(31)으로 형성되는 경우를 도시한 것이다. 레이저 빔의 출력, 이동속도, 빔의 크기 등을 통하여 경화의 정도를 조절할 수 있다.
이 과정(S203)에서 레이저 간섭무늬를 발생시키는 레이저 광원은 전사재료와 기판(20)의 특성에 따라서 CW 레이저 또는 펄스 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 빔의 파장은 기판(20)의 흡수율과 민감도를 고려하여 적합한 것을 사용하며, 금속유기화합물 잉크에 포함된 금속 물질에 따라 다른 파장대의 빛을 사용할 수 있다. 예를 들어, 은 금속유기화합물 잉크를 사용하는 경우에는, 은 나노 입자의 흡수율이 가장 높은 파장대인 500 내지 560nm, 바람직하게는 532 nm를 사용한다.
이 과정(S203)에서 레이저 간섭무늬는 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치를 이용하여 생성할 수 있다. 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치의 베이스부(140)에서 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)에 레이저 간섭무늬가 조사되는 과정이 이루어 진다. 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)이 형성된 기판(20)이 조사면에 놓여지게 되고, 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)에 직접 입사되는 레이저 빔과 반사면에서 반사되어 입사되는 레이저 빔이 간섭하여, 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)에 간섭무늬가 조사된다. 간섭무늬 간격은 레이저 빔의 파장, 입사광의 각도, 로이드 미러(Lloyd's mirror)의 구성에 따라 달라지며, 이를 이용하여 패턴(31) 형성을 조절할 수 있다.
유기금속화합물 잉크 및 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치를 이용함으로써, 간단한 공정과정을 통해 짧은 공정 시간 내에 마이크로 단위부터 나노 단위까지의 금속 패턴을 높은 해상도로 구현할 수 있다.
패턴(31)이 형성되면, 반고상의 유기금속화합물 잉크층(31)을 제거하여 패턴을 남긴다(S204). 도 3의 (d)와 같이 레이저 간섭무늬를 조사(S203)한 기판(20)을 세척액(32)이 들어있는 용기에 담아 세척하여 반고상의 잉크층(30)을 제거할 수 있다. 도 3의 (e)는 이 과정이 완료되어 최종 완성된 패턴(31)이 형성된 기판을 도시한 것이다. 유기금속화합물 잉크층(30) 중에서 고상상태로 경화되어 패턴(31)이 형성된 소정 영역의 잉크층을 제외한 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)을 제거하면 고상상태의 패턴(31)만이 기판(20) 상에 남게 된다. 이 과정에서(S204) 반고상의유기금속화합물 잉크층을 제거하기 위한 유기 용매는 예컨대, 은 유기금속화합물 잉크의 베이스가 되었던 유기물 또는 아세톤, 헥산 또는 IPA(isopropyl alcohol) 등이 될 수 있다. 유기금속화합물 잉크의 베이스가 되었던 유기물 또는 아세톤, 헥산 또는 IPA 등이 담겨있는 용기에 패턴이 형성되어 있는 기판(20)을 통째로 넣어서 씻어내면, 고상 상태로 경화된 패턴(31)만이 기판 상에 남게 된다. 또한, 초음파세척을 하거나 세척액(32)을 분사하여 반고상의유기금속화합물 잉크층(30)을 제거할 수 있다. 초음파 세척은 세척액(32)을 담근 상태에서 초음파 진동을 가해주는 방식이며, 세척액(32)을 분사하는 방법은 스프레이 방식으로 기판(20)에 직접 분사하여 패턴(31)만을 남기는 방식이다.
이후 추가적인 단계로, 패턴(31)만 남게된 기판(20)을 오븐에 넣고 가열할 수 있다(S205). 기판을 세척하는 과정만을 수행하면, 세척과정 중에 경화된 패턴(31)에 유기 용매가 침투하여 패턴(31)이 다시 액화될 수 있기 때문에, 패턴(31)에 대한 재경화 또는 건조를 수행하기 위함이다. 추가적으로 기판(20)을 가열하는 과정은, 기판(20) 상에 패턴(31)을 형성하기 위해 반드시 필요한 과정이라고 할 수는 없지만, 기판(20) 상에 잔류하는 유기 용매 등의 잔류물을 제거하고, 전도도를 향상시키는 등 패턴(31)이 형성된 기판의 완성도를 높이기 위해서 필요한 과정이다. 이 과정은 패턴(31)이 형성된 후에 수행할 수 있는 선택적인 과정이다.
이하에서는 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 은(Ag) 유기금속화합물 잉크를 이용하여 나노 패턴을 제조하는 방법을 상세히 설명한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 유기용매에 녹아 있는 금속이온으로 '은 이온'을 함유하고 있는 은 유기금속화합물 잉크를 사용하고 있으나, 은 이외에, 전도도가 높은 구리, 금 등 기타 다른 금속을 사용하여도 무방하다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 나노 패턴 제조 방법은 기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 과정(S201), 박막이 형성된 기판에 열을 가하여 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키는 과정(S202), 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴을 형성시키는 과정(S203), 반고상의 유기금속화합물 잉크층을 제거하여 패턴을 남기는 과정(S204)을 포함한다.
먼저, 기판(20) 상에 은 유기금속화합물 잉크를 코팅하여 은 유기금속화합물 잉크층(30)을 박막으로 형성한다(S201). 유기금속화합물 잉크층(30) 형성 방법은, 스핀 코팅, 블레이딩 코팅, 스프레이, 잉크젯, 롤투롤 방법 등을 사용할 수 있다.
다음으로 박막이 형성된 기판(20)에 열을 가하여 은 유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시킨다(S202). 은 유기금속화합물 잉크는 은 이온이 유기 용매에 녹아 있어 상온에서 투명한 액체로 존재한다. 은 유기금속화합물 잉크는 열을 가하면 은 이온의 환원과 유기용매의 증발이 동시에 일어나면서 고상의 금속으로 석출된다. 이 때, 일반적인 나노파티클 잉크와 달리 계면활성제가 없고, 환원되는 은 입자의 크기가 일반적인 나노파티클 잉크의 입자보다 작기 때문에 비교적 낮은 온도에서도 쉽게 소결이 된다. 그러나 은 유기금속화합물 잉크는 잉크 자체로는 입자를 가지고 있지 않기 때문에 잉크를 코팅 후 레이저를 바로 조사하면 흡수가 거의 일어나지 않기 때문에 기판(20)에 잉크를 코팅 후 레이저를 조사하기 전 열을 가하여 갈색 빛을 띄는 반고상으로 변화시킨 후 레이저를 조사하는 방법을 사용한다.
은 유기금속화합물 잉크층(30)을 반고상으로 경화시키는 과정(S202)에서는, 은 유기금속화합물 잉크에 열을 가하게 되고, 은 이온의 환원과 유기 용매의 증발이 동시에 일어나게 되며, 은 이온은 고상의 금속으로 환원되어 석출된다. 여기서 주의할 것은, 잉크에 함유되어 있는 은 이온이 고상의 금속으로 석출되는 것이지, 잉크 자체가 고상이 되는 것은 아니라는 점이다. 이미 설명한 바와 같이, 잉크 자체는 반고상이 된다.
반고상으로 경화된 은 유기금속화합물 잉크층(30)에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴(31)을 형성시킨다(S203). 레이저 간섭무늬는 패턴(31)이 형성되어야 할 영역에 조사되어 그 조사된 부위를 고상 상태로 경화시키게 된다. 레이저 빔의 파장은 금속유기화합물 잉크에 포함된 금속 물질에 따라 다른 파장대의 빛이 사용할 수 있다. 은 금속유기화합물 잉크를 사용하고 있으므로, 은 나노입자의 흡수율을 고려하여 500 내지 560nm의 파장을 사용하고, 바람직하게는 흡수율이 가장 높은 파장대인 532nm를 사용한다.
패턴(31)이 형성되면, 반고상의 유기금속화합물 잉크층(30)을 제거하여 패턴(31)을 남긴다(S204). 이 때, 반고상의 유기금속화합물 잉크층을 제거하기 위한 유기 용매(32)는 은 유기금속화합물 잉크의 베이스가 되었던 유기물 또는 아세톤, 헥산 또는 IPA 등이 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법의 공정 과정을 종래의 공정과 비교하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴 제조 방법에서는 시편에 감광제(photoresist)를 코팅하는 대신 위에서 언급한 은 유기금속화합물 잉크를 코팅하여 복잡한 중간 과정 없이 바로 은 나노 패턴을 형성할 수 있도록 하였다. 종래에는 도 4에 도시된 바와 같이, 나노 패턴을 제조하는 방법은 기판에 감광제를 코팅(PR coating)하는 과정을 거친 뒤, 마스크 패턴을 이용해 빛에 노출(Exposure)시키고, 이를 현상(develop)하는 과정을 거친 다음, 금속을 증착하고(Metal Evaporation), 패턴 이외의 부분을 식각(Lift off)하는 과정을 거쳐야만 금속 패턴을 기판 위에 남길 수 있었다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법에 의하는 경우에는, 도전성이 있는 금속 이온을 포함하고 있는 유기금속화합물 잉크를 직접 코팅하므로, 금속을 따로 증착하는 과정을 거치지 않고도 금속 패턴을 기판 위에 남길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴 형성 방법에서는 감광제 및 레지스트 패터닝 및 금속을 코팅하는 과정을 생략하기 때문에 기존에 금속 나노 패턴을 형성할 때에 쓰이는 방법들인 간섭 리소그래피나 전자빔 리소그래피와 비교하여 훨씬 낮은 비용과 수십 초 이내의 패턴 형성 시간, 3분 이내의 짧은 공정 시간으로 금속 나노 패턴을 제작할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 사용하는 은 유기금속화합물 잉크는 가격 역시 기존의 은 나노파티클 잉크의 가격이나 은 증착에 드는 비용에 비해 훨씬 값싸기 때문에 비용에서의 절감이 보다 더 크다.
또한, 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키는 과정을 거치면서, 반고상의 유기금속화합물 잉크 내에서 환원되는 금속 입자의 양이 많아지게 되어 유기금속화합물 잉크 내에 고체 금속 입자가 존재하기 때문에, 다음의 패턴을 형성시키는 과정에서 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬가 조사되면, 유기금속화합물 잉크가 레이저를 더욱 잘 흡수하게 된다. 따라서, 레이저 간섭무늬를 조사할 때에 미세한 패턴의 구현이 용이하게 되고, 낮은 레이저 출력에서도 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있게 된다. 더구나 잉크가 저가이므로 패턴 제조 공정 비용이 저렴해지는 장점도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴을 제조하는 방법을 통해 형성된 나노 패턴을 나타낸 도면이다.
로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치를 이용하여 레이저 간섭무늬를 조사하는 방식으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴 형성 방법을 실시하여 나노미터 단위의 패턴을 형성한 결과이다. 도 5의 (a)는 유기금속화합물 잉크층을 형성한 기판에 레이저 간섭무늬를 1차로 조사한 후 형성된 나노미터 단위의 선 모양 패턴이고, 도 5의 (b)는 1차 노광(간섭무늬 조사) 후 기판을 90도 회전시켜 2차 노광을 시켰을 때 형성된 점 모양의 패턴이다. 기존의 유기금속화합물 잉크 및 레이저를 이용한 패턴의 경우 마이크로미터 단위의 패턴까지는 형성할 수 있었지만, 나노미터 단위의 패턴은 형성할 수 없었다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴 형성 방법을 통해서는 나노미터 단위의 패턴까지 형성할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 로이드 미러(Lloyd's mirror)를 이용한 간섭 리소그래피 장치
110: 광원부 120: 반사부
121, 121: 반사경 130: 빔 확장부
131: 공간필터 132: 초점렌즈
133: 핀홀 134: 조리개
135: 줄맞춤 렌즈 140: 베이스부
141: 시편 142: 반사경
20: 기판 30: 유기금속화합물 잉크층
31: 패턴
32: 유기금속화합물 잉크층을 제거하기 위한 유기 용매

Claims (10)

  1. 나노 패턴 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 형성하는 과정;
    상기 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키는 과정;
    상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 패턴이 형성될 부분을 국부적으로 경화시켜 패턴을 형성하는 과정; 및
    상기 반고상의 유기금속화합믈 잉크층을 제거하여 상기 패턴을 남기는 과정
    을 포함하는 나노 패턴 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴을 형성하는 과정은,
    상기 금속유기화합물 잉크에 포함된 금속 물질의 특성에 따라 상기 레이저의 파장을 선택하는 것을 특징으로 하는 나노 패턴 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 간섭무늬는,
    상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 직접 입사되는 레이저 빔과 반사되어 입사되는 레이저 빔이 간섭하여 생성된 것임을 특징으로 하는 나노 패턴 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴이 남은 기판을 가열하는 과정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 패턴 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기금속화합물 잉크는,
    유기 용매에 은(Ag) 이온이 녹아 있는 구조를 가지고 있어, 상온에서 투명한 액체로 존재하는 은 유기금속화합물 잉크인 것을 특징으로 하는 나노 패턴 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴을 형성하는 과정은,
    상기 레이저의 파장을 500 내지 560 nm로 하는 것을 특징으로 하는 나노 패턴 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 패턴을 형성하는 과정은,
    상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 선 패턴을 형성하는 과정; 및
    상기 선 패턴이 형성된 유기금속화합물 잉크층을 일정 각도 회전하고 레이저 간섭무늬를 조사하여 점 패턴을 형성하는 과정
    을 포함하는 나노 패턴 제조 방법.
  8. 전자소자에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판 상에 유기금속화합물 잉크층을 형성하고, 상기 유기금속화합물 잉크층을 반고상으로 경화시키고, 상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 레이저 간섭무늬를 조사하여 나노 패턴이 형성될 부분을 국부적으로 경화시킨 후, 상기 레이저 간섭무늬가 조사된 부분을 제외한 상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층을 제거함으로써 형성된 나노패턴층
    을 포함하는 전자소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저 간섭무늬는,
    상기 반고상의 유기금속화합물 잉크층에 직접 입사되는 레이저 빔과 반사되어 입사되는 레이저 빔이 간섭하여 생성된 것임을 특징으로 전자소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 유기금속화합물 잉크는,
    유기 용매에 은(Ag) 이온이 녹아 있는 구조를 가지고 있어, 상온에서 투명한 액체로 존재하는 은 유기금속화합물 잉크인 것을 특징으로 하는 전자소자.


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