KR20200002162A - 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파라데이 상자를 이용하여, 영역 별로 상이한 깊이 구배를 가지는 패턴부를 식각용 기재 상에 형성할 수 있는 플라즈마 식각 방법에 관한 것이다.

Description

파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법{METHOD FOR PLASMA ETCHING PROCESS USING FARADAY BOX}
본 발명은 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법에 관한 것이다.
최근 증강현실(AR: Augmented Reality), 혼합현실(MR: Mixed Reality), 또는 가상현실(VR: Virtual Reality)을 구현하는 디스플레이 유닛에 관심이 커지면서, 이를 구현하는 디스플레이 유닛에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세이다. 증강현실, 혼합현실, 또는 가상현실을 구현하는 디스플레이 유닛은 광의 파동적 성질에 기초한 회절 현상을 이용하는 회절 격자 도광판을 포함하고 있다. 회절 격자 도광판은 입사되는 광을 내부 반사 또는 내부 전반사시켜, 회절 격자 도광판에 입사된 광을 일 지점으로 가이드할 수 있는 회절 격자 패턴을 포함하고 있다.
상기와 같은 회절 격자 도광판을 제조하기 위해서 다양한 방법이 이용되고 있으며, 일반적으로 몰드를 이용한 임프린팅 방법을 통해 회절 격자 도광판을 제조하고 있다. 이 때, 식각용 기재 상에 플라즈마 식각을 수행하여 회절 격자 패턴을 형성하여, 회절 격자 도광판용 몰드를 제조할 수 있다.
다만, 종래의 플라즈마 식각을 수행하여 회절 격자 도광판용 몰드를 제조하는 과정에서, 식각용 기재상에 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성하기 어려운 문제가 있었다.
이에, 플라즈마 식각 공정을 통해 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성할 수 있는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는, 메쉬부가 상면에 구비된 파라데이 상자 내에, 식각용 기재를 구비하는 단계; 상기 메쉬부의 적어도 일부를 셔터로 차폐한 후, 상기 식각용 기재 상에 플라즈마 식각을 수행하는 단계; 및 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라 상기 셔터를 이동시키며, 플라즈마 식각을 수행하여 상기 식각용 기재 상에 패턴부를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라, 상기 셔터가 이동하는 속도가 변화되고, 상기 식각용 기재의 일측에서 타측 방향으로, 상기 패턴부의 깊이는 점진적으로 변화되는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법은, 식각용 기재의 영역 별로 상이한 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 파라데이 상자의 메쉬부로부터 식각용 기재까지 거리에 따른 식각률을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 제1 영역 내지 제3 영역이 구획된 식각용 기재를 파라데이 상자를 이용하여 플라즈마 식각하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 경사 식각 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법에서 셔터의 초기 위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 1에서 제조된 패턴부가 구비된 석영 기재의 일측으로부터 거리에 따른 패턴부의 깊이를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 패턴부가 구비된 석영 기재의 단면을 촬영한 SEM 사진이고, 도 7b는 비교예 1에서 제조된 패턴부가 구비된 석영 기재의 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본 발명에서의 파라데이 상자는 도체로 이루어진 밀폐공간을 의미하며, 플라즈마 내에 파라데이 상자를 설치하면 상자의 겉표면에 쉬스(sheath)가 형성되어 내부는 전기장이 일정한 상태로 유지된다. 이 때, 파라데이 상자의 윗면을 메쉬부로 형성하면 쉬스가 메쉬부의 표면을 따라서 형성된다. 그러므로, 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각을 수행하는 경우, 메쉬부 표면에 수평으로 형성된 쉬스와 수직한 방향으로 가속된 이온은 파라데이 상자의 내부로 입사한 후, 입사할 때의 방향성을 유지하며 기재까지 도달하게 되어 기재를 식각하게 된다. 나아가, 본 발명에서의 파라데이 상자 내부의 몰드용 기재 표면은 메쉬면에 대하여 수평 또는 경사진 상태로 고정될 수 있고, 이온은 메쉬면에 수직한 방향으로 입사하므로 몰드용 기재 표면에 대하여 수직 또는 경사진 방향으로의 식각이 가능하다. 파라데이 상자는 상면이 전도성을 가지는 메쉬부로 구성된 전도체 상자일 수 있다. 상기 플라즈마 식각의 식각 방향은 상기 파라데이 상자의 메쉬부 표면에 수직한 방향일 수 있다.
파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각의 경우, 메쉬부를 통과한 이온은 기재를 향하여 이동하는 동안 파라데이 상자의 내부에 존재하는 중성 입자들과 충돌하여 운동 에너지를 상실하게 되며, 이에 따라 이온의 밀도는 메쉬부의 거리에 반비례하는 경향을 가지게 된다. 즉, 이온이 입사되는 메쉬부에 가까울수록 높은 식각 속도를 나타내고, 메쉬부와 멀어질수록 낮은 식각 속도를 나타낸다.
본 발명자들은 전술한 특성을 가지는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 연구하였고, 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성할 수 있는 방법을 구체적으로 연구하여, 하기와 같은 발명을 개발하게 되었다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 메쉬부가 상면에 구비된 파라데이 상자 내에, 식각용 기재를 구비하는 단계; 상기 메쉬부의 적어도 일부를 셔터로 차폐한 후, 상기 식각용 기재 상에 플라즈마 식각을 수행하는 단계; 및 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라 상기 셔터를 이동시키며, 플라즈마 식각을 수행하여 상기 식각용 기재 상에 패턴부를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라, 상기 셔터가 이동하는 속도가 변화되고, 상기 식각용 기재의 일측에서 타측 방향으로, 상기 패턴부의 깊이는 점진적으로 변화되는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법은, 식각용 기재의 영역 별로 상이한 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법은 패턴부 형성 과정에서 침상 구조물이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 식각용 기재는 석영 기판 또는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 플라즈마 식각, 구체적으로 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)를 이용한 식각 공정시, 자가 마스킹 현상(self-masking mechanism)에 의하여 식각 영역 내에 낮은 반사율을 가지는 침상 구조물(Grass)이 형성되는 문제가 발생될 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 식각용 기재로 석영 기판 또는 실리콘 웨이퍼를 사용함으로써, 식각용 기재의 일면 상에 패턴부를 식각하는 공정 시에 침상 구조물이 발생되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 식각용 기재의 일면 상에, 알루미늄 및 크롬 중 적어도 하나를 포함하고, 개구를 가지는 금속 마스크가 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 마스크는 알루미늄으로 이루어진 것일 수 있다. 금속 마스크가 일면 상에 구비된 식각용 기재를 상기 파라데이 상자 내에 위치시킬 수 있다. 상기 금속 마스크의 개구에 의하여 노출된 상기 식각용 기재의 영역 상에 플라즈마 식각을 수행하여, 상기 식각용 기재 상에 패턴부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 금속 마스크에 구비된 개구는 2 이상일 수 있다. 즉, 2 이상의 개구가 형성된 금속 마스크를 이용하여, 상기 식각용 기재 상에 2 종류의 패턴부를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 메쉬부가 상면에 구비된 파라데이 상자를 이용하여, 상기 식각용 기재의 일면을 플라즈마 식각함으로써, 식각용 기재의 일면 상에 패턴부를 형성할 수 있다. 상기 메쉬부는 플라즈마 식각시, 플라즈마와의 접촉면에서 자유전자를 끌어당겨 쉬스를 형성하게할 수 있다. 또한, 상기 메쉬부는 전도성을 가질 수 있으며, 이를 통해 양전하를 가지는 이온을 끌어당겨 가속시킬 수 있다. 나아가, 상기 메쉬부는 상기 파라데이 상자의 일 면에 평탄하게 구비될 수 있으며, 굴곡부가 있는 경우 굴곡부에서의 식각속도가 국부적으로 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 메쉬부는 0.5 Ω/□ 이상의 면저항을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 메쉬부의 면저항은 0.5 Ω/□ 이상 100 Ω/□ 이하일 수 있다. 기존의 파라데이 상자를 이용하여 상기 식각용 기재를 플라즈마 식각하는 경우, 파라데이 상자의 위치별로 고식각 영역과 저식각 영역이 불규칙하게 혼재되어, 플라즈마 식각의 정확도가 저하되는 문제가 있었다. 반면, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 메쉬부의 면저항을 전술한 범위로 조절함으로써, 플라즈마 식각시 파라데이 상자 내에 고식각 영역과 저식각 영역을 일정하게 형성할 수 있다. 즉, 상기 식각용 기재 상에 패턴부를 정밀하게 식각할 수 있다. 또한, 상기 메쉬부의 면저항이 전술한 범위 내인 경우, 파라데이 상자의 제작 비용을 절감하면서도, 식각 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 메쉬부는 금속 메쉬 상에 불화탄소 라디칼이 흡착된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 불화탄소 라디칼은 -CF, -CF2, -CF3 또는 -C2Fx(x는 1 내지 5의 정수)일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 파라데이 상자의 상기 메쉬부는 플라즈마 식각 시, F 라디칼에 의한 식각 및 표면 중합에 의하여 불화탄소 라디칼이 메쉬부에 흡착될 수 있다. 또한, 상기 메쉬부는 금속과 같은 전도성을 가지는 물질 상에 상기 불화탄소 라디칼이 흡착됨에 따라, 상기 메쉬부는 전술한 범위의 면저항을 보유할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 메쉬부는 스테인리스 재질의 메쉬를 사용할 수 있다. 구체적으로, SUS304 재질의 #200(피치 125 ㎛, 와이어 직경 50 ㎛, 개구율 36%) 상용 메쉬를 사용할 수 있다. 다만, 메쉬부의 재질을 한정하는 것은 아니며, 상기 메쉬부는 Al, Cu, W, Ni, Fe 및 이들 중 적어도 2종을 포함하는 합금을 재료로 하는 것일 수 있다. 또한, 상기 메쉬의 공극률 및 격자 크기는 식각의 용도에 따라 자유롭게 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 식각용 기재와 상기 메쉬부의 이격거리는 1 mm 이상 35 mm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 식각용 기재와 상기 메쉬부의 이격거리는 3 mm 이상 32 mm 이하, 6 mm 이상 30 mm 이하, 8.5 mm 이상 25 mm 이하, 10 mm 이상 15 mm 이하, 8 mm 이상 12 mm 이하, 또는 12.5 mm 이상 20 mm 이하일 수 있다.
본 발명자들은 파라데이 상자 내에 40°의 경사면을 가지는 지지대를 설치하고, 상기 지지대 상에 식각용 기재를 구비한 후, ICP-RIE(Oxford社 plasmaLab system100)을 이용하여 플라즈마 식각을 수행하였다. 이때, 반응성 가스로서, O2 및 C4F8을 2:48의 비율로 혼합하여 50 sccm의 유속으로 공급하였다. 또한, 식각 조건으로서, RF 파워 150 W, ICP 파워 2 kW, 작동 압력 7 내지 10 mTorr로 하여 3분간 식각하였다. 이를 통하여, 파라데이 상자의 메쉬부로부터의 거리에 따른 식각률을 측정하였으며, 이의 결과는 도 1과 같다.
도 1은 파라데이 상자의 메쉬부로부터 식각용 기재까지 거리에 따른 식각률을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 1의 결과에 따르면, 식각용 기재와 메쉬부가 이격된 거리가 35 mm를 초과하는 경우에는 식각 속도가 현저하게 떨어지는 것을 확인할 수 있으므로, 식각 효율을 고려하여 식각용 기재와 메쉬부가 이격된 거리를 35 mm 이하로 조절할 수 있다. 또한, 메쉬부와 식각용 기재의 거리가 약 1 ㎜ 미만인 경우에는 메쉬부의 메쉬 격자 무늬가 식각용 마스크와 같은 작용을 하여 식각 영역에 남게 되는 문제가 발생하는 것을 발견하였다. 따라서, 상기 식각용 기재는 상기 메쉬부와 적어도 1 ㎜의 이격거리를 유지하는 것이 필요할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 2는 상면에 메쉬부(110)가 구비된 파라데이 상자(100) 내에 지지대(300)를 구비하고, 지지대(300) 상에 식각용 기재(200)를 위치시키고, 메쉬부(110)의 적어도 일부를 셔터(120)로 차폐하고, 식각용 기재(200) 상에 플라즈마 식각을 수행하는 것을 나타낸 것이다. 또한, 도 2는 파라데이 상자(100)의 중앙부에서 외측부 방향(점선의 화살표 방향)을 따라 셔터(120)를 이동시키며, 식각용 기재(200) 상에 플라즈마 식각을 수행하여 깊이 구배를 가지는 패턴부를 형성하는 것을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 메쉬부의 적어도 일부를 셔터로 차폐한 후, 상기 식각용 기재 상에 플라즈마 식각을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 파라데이 상자의 중앙부 부근의 메쉬부 상에 상기 셔터를 구비할 수 있다. 도 2을 참고하면, 파라데이 상자(100)의 중앙부 부근의 메쉬부(110) 상에 셔터(120)를 구비하여, 메쉬부(110)의 적어도 일부를 차폐하고, 식각용 기재(200) 상에 플라즈마 식각을 수행할 수 있다. 이 때, 파라데이 상자(100)의 외측부에 인접한 식각용 기재(200)의 일측 부분이 차폐되지 않도록, 상기 셔터(120)의 위치를 설정할 수 있다. 또한, 상기 식각용 기재의 일면 전체가 상기 셔텨에 의해 차폐되도록, 상기 셔터의 위치를 설정할 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 파라데이 상자의 매쉬부 일부를 셔터를 이용하여 차폐함으로써, 셔터로 차폐된 영역에 인접한 식각 영역에서, 메쉬부로부터 식각용 기재까지의 거리 증가에 따른 식각률 변화폭을 크게 조절할 수 있다. 즉, 메쉬부의 일부를 셔터로 차폐하여 식각률 변화폭을 크게 조절함으로써, 깊이 구배를 가지는 패턴부를 식각용 기재의 일면 상에 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라 상기 셔터를 이동시키며, 플라즈마 식각을 수행하여 상기 식각용 기재 상에 패턴부를 형성할 수 있다. 즉, 상기 파라데이 상자의 중앙부 부근에 위치한 셔터를 상기 파라데이 상자의 외측부 부근으로 이동시킬 수 있다. 도 2을 참고하면, 메쉬부(110) 상에 구비된 셔터(120)를 파라데이 상자(100)의 중앙부에서 외측부 방향(점선의 화살표 방향)을 따라 이동시키며, 식각용 기재(200)의 일면을 플라즈마 식각할 수 있다. 이를 통해, 식각용 기재의 일측에서 타측 방향으로, 깊이가 점진적으로 변화되는 패턴부가 구비된 식각용 기재를 용이하게 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 식각용 기재(200)의 일측(A)에서 타측(B) 방향을 따라, 식각용 기재(200)에 구비된 패턴부(P)의 깊이는 점진적으로 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴부를 형성하는 단계는, 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라 상기 셔터를 이동시켜, 상기 셔터가 상기 식각용 기재의 일측으로부터 타측 방향으로 상기 식각용 기재의 일면을 순차적으로 개방하여, 상기 식각용 기재의 일측으로부터 타측방향으로 깊이가 점진적으로 변화되는 패턴부를 상기 식각용 기재의 일면 상에 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라, 상기 셔터가 이동하는 속도가 변화될 수 있다. 구체적으로, 상기 셔터는 상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라, 상기 메쉬부 상에서 이동할 수 있으며, 점차 셔터의 이동 속도가 증가될 수 있다. 이를 통해, 상기 식각용 기재의 영역 별로 깊이 구배가 상이한 패턴부를 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴부를 형성하는 단계는, 상기 식각용 기재의 일측에서 타측방향을 따라, 상기 식각용 기재 상에 제1 영역 내지 제3 영역을 구획하고, 상기 식각용 기재의 상기 제1 영역 내지 제3 영역 상에 제1 패턴부 내지 제3 패턴부를 각각 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 식각용 기재의 일측에서 타측까지의 거리를 3 등분하여, 상기 식각용 기재의 일면 상에 가상의 영역인 제1 영역 내지 제3 영역을 구획할 수 있고, 플라즈마 식각 공정을 통해 상기 제1 영역 상에 제1 패턴부를 형성하고, 상기 제2 영역 상에 제2 패턴부를 형성하고, 상기 제3 영역 상에 제3 패턴부를 형성할 수 있다. 또한, 설계에 따라, 상기 제1 영역 내지 제3 영역의 크기는 동일하거나 상이할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 제1 영역 내지 제3 영역이 구획된 식각용 기재를 파라데이 상자를 이용하여 플라즈마 식각하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 3은 식각용 기재(200)의 일측에서 타측 방향을 따라 구획되는 제1 영역(R1), 제2 영역(R2) 및 제3 영역(R3) 상에서 셔터(120)를 이동시켜, 식각용 기재(200)의 상기 제1 영역(R1) 내지 제3 영역(R3) 상에 제1 패턴부 내지 제3 패턴부를 각각 형성하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 식각용 기재의 일면 상에 구획되는 제1 영역 내지 제3 영역 상에서 상기 셔터가 이동하는 속도를 변화시킴으로써, 제1 영역 내지 제3 영역 상에 깊이 구배가 서로 상이한 패터부를 보다 정밀하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 식각용 기재의 일면 상에 구획되는 영역을 제1 영역 내지 제3 영역으로 한정하는 것은 아니고, 예를 들면, 식각용 기재의 일면 상에 제1 영역 내지 제4 영역을 구획하고, 깊이 구배가 상이한 제1 패턴부 내지 제4 패턴부를 각 영역 상에 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 0 mm/min 초과 40 mm/min 이하이고, 상기 제1 패턴부는 250 nm 내지 500 nm의 깊이 구배를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 1 mm/min 이상 35 mm/min 이하, 5 mm/min 이상 30 mm/min 이하, 7 mm/min 이상 25 mm/min 이하, 10 mm/min 이상 20 mm/min 이하, 1 mm/min 이상 15 mm/min 이하, 또는 20 mm/min 이상 38 mm/min 이하일 수 있다.
도 3을 참고하면, 제1 영역(R1) 상에서의 셔터(120)의 이동 속도는, 셔터(120)의 끝단이 식각용 기재(200)의 제1 영역(R1) 상에 위치하는 경우, 셔터(R1)가 파라데이 상자(100)의 중앙부에서 외측부 방향으로 이동할 때의 속도를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 패턴부는 식각용 기재의 길이 5 mm 당 250 nm 내지 500 nm, 270 nm 내지 480 nm, 300 nm 내지 450 nm, 350 nm 내지 400 nm, 260 nm 내지 320 nm, 340 nm 내지 420 nm, 또는 430 nm 내지 490 nm의 깊이 구배를 가질 수 있다. 상기 제1 패턴부는 복수의 격자 패턴을 포함할 수 있으며, 복수의 격자 패턴 각각의 깊이는 서로 상이할 수 있고, 상기 복수의 격자 패턴 각각의 식각 깊이가 전술한 범위 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 복수의 격자 패턴의 평균 깊이가 전술한 깊이 구배 중 하나일 수 있다.
상기 제1 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도를 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 깊이 구배 범위를 가지는 제1 패턴부를 상기 식각용 기재의 일면 상에 형성할 수 있다. 다만, 상기 제1 패턴부의 깊이 구배는 전술한 범위로 한정되는 것은 아니고, 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워, 식각용 기재와 메쉬부의 이격 거리 등을 조절하여, 상기 제1 패터부의 깊이 구배를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 40 mm/min 초과 200 mm/min 이하이고, 상기 제2 패턴부는 100 nm 내지 350 nm의 깊이 구배를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 45 mm/min 이상 180 mm/min 이하, 60 mm/min 이상 160 mm/min 이하, 90 mm/min 이상 150 mm/min 이하, 50 mm/min 이상 110 mm/min 이하, 또는 120 mm/min 이상 190 mm/min 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 패턴부는 식각용 기재의 길이 5 mm 당 100 nm 내지 350 nm, 120 nm 내지 330 nm, 150 nm 내지 300 nm, 180 nm 내지 250 nm, 110 nm 내지 190 nm, 210 nm 내지 260 nm, 또는 280 nm 내지 340 nm의 깊이 구배를 가질 수 있다. 상기 제2 패턴부는 복수의 격자 패턴을 포함할 수 있으며, 복수의 격자 패턴 각각의 깊이는 서로 상이할 수 있고, 상기 복수의 격자 패턴 각각의 식각 깊이가 전술한 범위 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 복수의 격자 패턴의 평균 깊이가 전술한 깊이 구배 중 하나일 수 있다. 상기 제2 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도를 전술한 범위로 조절함으로써, 전술한 범위의 깊이 구배 가지는 제2 패턴부를 상기 식각용 기재의 일면 상에 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제3 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 200 mm/min 초과 400 mm/min 이하이고, 상기 제3 패턴부는 0 nm 내지 200 nm의 깊이 구배를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 210 mm/min 이상 380 mm/min 이하, 230 mm/min 이상 350 mm/min 이하, 260 mm/min 이상 310 mm/min 이하, 220 mm/min 이상 270 mm/min 이하, 또는 300 mm/min 이상 390 mm/min 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제3 패턴부는 식각용 기재의 길이 5 mm 당 0 nm 내지 200 nm, 5 nm 내지 180 nm, 20 nm 내지 150 nm, 50 nm 내지 100 nm, 1 nm 내지 40 nm, 70 nm 내지 130 nm, 또는 150 nm 내지 190 nm의 깊이 구배를 가질 수 있다. 상기 제3 패턴부는 복수의 격자 패턴을 포함할 수 있으며, 복수의 격자 패턴 각각의 깊이는 서로 상이할 수 있고, 상기 복수의 격자 패턴 각각의 식각 깊이가 전술한 범위 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 복수의 격자 패턴의 평균 깊이가 전술한 깊이 구배 중 하나일 수 있다. 상기 제3 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도를 전술한 범위로 조절함으로써, 전술한 범위의 깊이 구배 가지는 제3 패턴부를 상기 식각용 기재의 일면 상에 형성할 수 있다.
다만, 상기 제2 패턴부 및 제3 패턴부의 깊이 구배는 전술한 범위로 한정되는 것은 아니고, 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워, 식각용 기재와 메쉬부의 이격 거리 등을 조절하여, 상기 제2 패터부 및 제3 패턴부의 깊이 구배를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 영역 내지 제3 영역에서의 상기 셔터의 이동 속도를 전술한 범위로 조절함으로써, 깊이 구배가 상이한 제1 패턴부 내지 제3 패턴부를 각 영역 상에 보다 정밀하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 영역 내지 제3 영역에서의 상기 셔터의 이동 속도를 전술한 범위로 조절함으로써, 플라즈마 식각 과정에서 침상 구조물이 형성되는 것을 보다 억제할 수 있다.
또한, 상기 제1 영역 내지 제3 영역에서의 상기 셔터의 이동 속도는 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워에 따라, 적절히 조절될 수 있다. 즉, 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워에 따라, 상기 셔터의 이동 속도를 적절히 조절함으로써, 상기 식각용 기재의 일면 상에 깊이 구배가 상이한 패턴부를 보다 정밀하게 형성할 수 있고, 침상 구조물이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 식각용 기재는 상기 파라데이 상자의 바닥면에 경사지게 구비될 수 있다. 상기 식각용 기재를 상기 파라데이 상자의 바닥면에 경사지게 구비함으로써, 상기 식각용 기재 상에 깊이 구배를 가지는 경사 패턴부를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 경사 식각 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4는 상면에 메쉬부(110)가 구비된 파라데이 상자(100) 내에 경사면을 가지는 지지대(300)를 구비하고, 지지대(300) 상에 식각용 기재(200)를 위치시키고, 메쉬부(110)의 적어도 일부를 셔터(120)로 차폐하고, 식각용 기재(200) 상에 플라즈마 경사 식각을 수행하는 것을 나타낸 것이다. 또한, 도 4는 파라데이 상자(100)의 중앙부에서 외측부 방향(점선의 화살표 방향)을 따라 셔터(120)를 이동시키며, 식각용 기재(200) 상에 플라즈마 경사 식각을 수행하여 깊이 구배를 가지는 경사 패턴부(P)를 형성하는 것을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 파라데이 상자의 바닥면에 대한 상기 지지대의 경사각은 0 ° 이상 60 ° 이하, 또는 35 ° 이상 45 ° 이하일 수 있다. 상기 지지대의 경사각을 조절함으로써, 상기 패턴부의 경사각을 조절할 수 있다.
상기 지지대의 경사각을 전술한 범위로 조절함으로서, 상기 패턴부의 평균 경사각을 0 °내지 55 °, 또는 30 ° 내지 40 °로 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 지지대의 경사각을 35 °로 조절하는 경우, 상기 패턴부의 최소 경사각은 27 °, 최대 경사각은 36 °, 평균 경사각은 33 °로 조절될 수 있다. 또한, 상기 지지대의 경사각을 40 °로 조절하는 경우, 상기 패턴부의 최소 경사각은 32 °, 최대 경사각은 40 °, 평균 경사각은 36 °로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 식각은, 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워를 0.1 kW 이상 4 kW 이하, RF 파워를 10 W 이상 200 W 이하로 조절하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워를 0.2 kW 이상 3.8 kW 이하, 0.5 kW 이상 3.5 kW 이하, 0.75 kW 이상 3.0 kW 이하, 1.0 kW 이상 2.5 kW 이하, 또는 1.5 kW 이상 2.0 kW 이하로 조절할 수 있다. 또한, 플라즈마 식각 장치의 RF 파워를 10 W 이상 200 W 이하, 20 W 이상 180 W 이하, 50 W 이상 150 W 이하, 또는 70 W 이상 120 W 이하로 조절할 수 있다.
상기 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워 및 RF 파워를 전술한 범위로 조절함으로써, 식각용 기재 상에 깊이 구배를 가지는 패턴부를 정밀하게 형성할 수 있고, 식각용 기재의 플라즈마 식각 과정에서 침상 구조물의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 식각은, 작동 압력을 1 mtorr 이상 30 mtorr 이하로 조절하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 작동 압력을 2 mtorr 이상 28 mtorr 이하, 5 mtorr 이상 28 mtorr 이하, 7 mtorr 이상 25 mtorr 이하, 10 mtorr 이상 20 mtorr 이하, 또는 12 mtorr 이상 18 mtorr 이하로 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 식각은, 반응성 가스 및 산소 가스를 포함하는 혼합 가스를 10 sccm 이상 200 sccm 이하로 플라즈마 식각 장치에 공급하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 플라즈마 식각 과정에서, 플라즈마 식각 장치에 상기 혼합 가스를 20 sccm 이상 180 sccm 이하, 40 sccm 이상 150 sccm 이하, 60 sccm 이상 130 sccm 이하로 공급할 수 있고, 보다 구체적으로, 15 sccm 이상 75 sccm 이하, 25 sccm 이상 70 sccm 이하, 30 sccm 이상 70 sccm 이하, 40 sccm 이상 60 sccm 이하, 또는 45 sccm 이상 55 sccm 이하로 공급할 수 있다.
상기 반응성 가스 및 산소 가스를 포함하는 혼합 가스의 공급 유량을 전술한 범위로 조절함으로써, 패턴부의 식각 공정의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 식각용 기재를 패터닝하는 과정에서 침상 구조물의 발생을 보다 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응성 가스는 플라즈마 식각시 사용하는 일반적인 반응성 가스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응성 가스로 SF6, CHF3, C4F8, CF4, 및 Cl2 등의 가스를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 플라즈마 식각은, 상기 혼합 가스의 총 유량에 대하여 산소 가스 유량의 함량이 1 % 이상 20 % 이하인 혼합 가스를 플라즈마 식각 장치에 공급할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합 가스의 총 유량 중 산소 가스 유량의 함량은 1 % 이상 15 % 이하, 1 % 이상 10 % 이하, 또는 1 % 이상 5 % 이하 일 수 있다. 상기 혼합 가스 유량 중의 산소 가스 유량의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 플라즈마 식각 과정에서 상기 식각용 기재 상에 발생되는 침상 구조물의 양을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴부가 구비된 상기 식각용 기재는 회절 격자 도광판용 몰드 기재일 수 있다. 구체적으로, 상기 식각용 기재 상에 형성된 패턴부는, 회절 격자 도광판용 몰드의 패턴일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는, 상기 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법을 이용하여 패턴부가 형성된 회절 격자 도광판용 몰드를 준비하는 단계; 상기 회절 격자 도광판용 몰드의 패턴부가 형성된 일면 상에 수지 조성물을 도포하는 단계; 및 상기 수지 조성물을 경화시키는 단계;를 포함하는 회절 격자 도광판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수지 조성물은 당업계에서 일반적으로 사용되는 수지 조성물이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 나아가, 상기 수지 조성물을 도포하는 단계는 스핀 코팅, 딥 코팅, 드롭 캐스팅 등 당업계에서 일반적으로 사용되는 코팅 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 상기 수지 조성물을 경화시키는 방법은 당 업계에서 일반적으로 사용되는 경화 방법을 제한없이 사용할 수 있다. 일 예로, 광경화성 수지 조성물을 사용하는 경우에는 광경화 방법을 이용할 수 있고, 열경화성 수지 조성물을 사용하는 경우에는 열경화 방법을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 회절 격자 도광판은 직접 회절 격자 도광판으로 사용될 수 있다. 또한, 상기 회절 격자 도광판을 중간 몰드로 이용하여, 이를 복제하는 방법으로 최종 생산품을 제조할 수도 있다. 구체적으로, 상기 제조된 회절 격자 도광판을 중간 몰드로 하여 다시 회절 격자 도광판을 제조하는 경우, 중간 몰드로 사용된 회절 격자 도광판의 격자 패턴의 기울기가 반전된 것을 얻을 수 있다. 나아가, 격자 패턴의 기울기가 반전된 회절 격자 도광판을 중간 몰드로 이용하여 회절 격자 도광판용 몰드를 제조한 후, 회절 격자 도광판을 제조하는 경우, 최초의 회절 격자 도광판과 동일한 방향의 격자 패턴을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1
메쉬부의 면저항이 0.5605 Ω/□이고, 바닥면이 스테인리스(SUS304) 플레이트인 파라데이 상자를 준비하였다. 그리고, 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 장비(ICP-RIE)(Oxford社 plasmaLab system100) 내에 상기 파라데이 상자를 구비하였다.
두께 2 ㎜의 석영 기재 상에 Al을 증착하여 50 nm 두께의 Al층을 형성하였다. 이후, Al층 상에 포토레지스트를 스핀 코팅한 후, 400 ㎚의 피치를 가지는 포토 마스크를 사용하여 UV경화로 포토레지스트를 현상한 후, Al층을 선택적으로 식각하여, 400 nm의 피치, 200 nm의 폭을 가지는 패턴을 가지는 Al 금속 마스크를 석영 기재 상에 형성하여, 식각용 기재를 준비하였다.
이후, 높이가 30 mm이고, Al 재질의 지지대를 상기 파라데이 상자에 구비시키고, 지지대 상에 석영 기재를 위치시켰다. 이 때, 석영 기재의 일면과 메쉬부의 최소 이격거리는 약 5 mm이었다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법에서 셔터의 초기 위치를 나타낸 도면이다. 도 5와 같이, 파라데이 상자(100)의 메쉬부(110) 상에 셔터(120)를 구비시키되, 셔터(120)의 끝단과 식각용 기재(200)의 끝단의 거리(d1)가 1 mm가 되도록 설정하였다.
그리고, ICP-RIE(Oxford社 plasmaLab system 100)을 이용하여 플라즈마 식각을 수행하였으며, 반응성 가스로서, O2 및 C4F8을 2:48의 비율로 혼합하여 50 sccm의 유속으로 공급하였다. 또한, 식각 조건으로서, RF 파워를 150 W, ICP 파워를 2 kW, 작동 압력을 7 mTorr로 설정하였다.
이후, 도 5와 같이 파라데이 상자(100)의 중앙부에서 외측부 방향(도 5의 점선의 화살표 방향)을 따라 셔터(120)를 1.9 mm 간격으로 이동시켰으며, 식각용 기재의 일측(A)에서 타측(B) 방향으로 식각용 기재의 일측(A)으로부터 거리에 따라, 셔터의 이동 속도 및 제조된 식각용 기재의 패턴부의 깊이를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
상기 표 1을 참고하면, 셔터의 이동속도를 조절함으로써, 깊이 구배가 상이한 패턴부를 식각용 기재 상에 용이하게 형성할 수 있음을 확인하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일한 파라데이 상자 및 식각용 기재를 준비하였고, 셔터를 이용하여 메쉬부를 차폐하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 식각용 기재를 식각하였다.
도 6은 비교예 1에서 제조된 패턴부가 구비된 석영 기재의 일측으로부터 거리에 따른 패턴부의 깊이를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참고하면, 본 발명의 실시예 1과 달리 셔터를 이용하지 않고 플라즈마 식각 공정을 수행한 비교예 1의 경우, 패턴부가 깊이 구배를 가지지 못함을 확인하였다.
패턴부 단면 관측
도 7a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 패턴부가 구비된 석영 기재의 단면을 촬영한 SEM 사진이고, 도 7b는 비교예 1에서 제조된 패턴부가 구비된 석영 기재의 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 7a를 참고하면, 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라 셔터를 이동시키되, 셔터의 이동 속도를 변화시키며 플라즈마 식각을 수행한 실시예 1의 경우, 석영 기재의 일측으로부터의 거리에 따라 패턴부의 깊이가 상이한 것을 확인하였다. 반면, 도 7b를 참고하면, 셔터를 구비시키기 않고 플라즈마 식각을 수행한 비교예 1의 경우, 석영 기재의 일측으로부터의 거리에 따라 패턴부의 깊이 구배를 형성하지 못함을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법은 식각용 기재 상에 깊이 구배를 가지는 패턴부를 용이하게 형성할 수 있음을 알 수 있다.
100: 파라데이 상자
110: 메쉬부
120: 셔터
200: 식각용 기재
300: 지지대

Claims (15)

  1. 메쉬부가 상면에 구비된 파라데이 상자 내에, 식각용 기재를 구비하는 단계;
    상기 메쉬부의 적어도 일부를 셔터로 차폐한 후, 상기 식각용 기재 상에 플라즈마 식각을 수행하는 단계; 및
    상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라 상기 셔터를 이동시키며, 플라즈마 식각을 수행하여 상기 식각용 기재 상에 패턴부를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 파라데이 상자의 중앙부에서 외측부 방향을 따라, 상기 셔터가 이동하는 속도가 변화되고,
    상기 식각용 기재의 일측에서 타측 방향으로, 상기 패턴부의 깊이는 점진적으로 변화되는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴부를 형성하는 단계는,
    상기 식각용 기재의 일측에서 타측방향을 따라, 상기 식각용 기재 상에 제1 영역 내지 제3 영역을 구획하고,
    상기 식각용 기재의 상기 제1 영역 내지 제3 영역 상에 제1 패턴부 내지 제3 패턴부를 각각 형성하는 것을 포함하는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 0 mm/min 초과 40 mm/min 이하이고,
    상기 제1 패턴부는 250 nm 내지 500 nm의 깊이 구배를 가지는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 40 mm/min 초과 200 mm/min 이하이고,
    상기 제2 패턴부는 100 nm 내지 350 nm의 깊이 구배를 가지는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 영역 상에서의 상기 셔터의 이동 속도는 200 mm/min 초과 400 mm/min 이하이고,
    상기 제3 패턴부는 0 nm 내지 200 nm의 깊이 구배를 가지는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 식각용 기재와 상기 메쉬부의 이격거리는 1 mm 이상 35 mm 이하인 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 식각은, 플라즈마 식각 장치의 ICP 파워를 0.1 kW 이상 4 kW 이하, RF 파워를 10 W 이상 200 W 이하로 조절하는 것을 포함하는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 식각은, 작동 압력을 1 mTorr 이상 30 mTorr 이하로 조절하는 것을 포함하는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 식각은, 반응성 가스 및 산소 가스를 포함하는 혼합 가스를 10 sccm 이상 200 sccm 이하로 플라즈마 식각 장치에 공급하는 것을 포함하는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 혼합 가스의 총 유량에 대하여 상기 산소 가스 유량의 함량은 1 % 이상 20 % 이하인 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬부는 0.5 Ω/□ 이상의 면저항을 가지는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 메쉬부는 금속 메쉬 상에 불화탄소 라디칼이 흡착된 것인 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 식각용 기재의 일면 상에, 알루미늄 및 크롬 중 적어도 하나를 포함하고, 개구를 가지는 금속 마스크가 구비되는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 식각용 기재는 상기 파라데이 상자의 바닥면에 경사지게 구비되는 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴부가 구비된 상기 식각용 기재는 회절 격자 도광판용 몰드 기재인 파라데이 상자를 이용한 플라즈마 식각 방법.
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