KR20230121362A - 마이크로 led 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법 - Google Patents

마이크로 led 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 고해상도 디스플레이에 사용되는 마이크로 LED 제조에 사용되는 마스크 프레임 어셈블리의 패턴마스크를 열팽창을 통해 스트레칭된 상태에서 오픈형 지지마스크를 통해 간접 용접하여 프레임과 일체화시키는 과정을 통해 용접열에 의한 패턴마스크 변형 없이 텐션이 인가된 상태를 유지할 수 있는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 마마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법에 있어서, (a) 열팽창 계수가 높은 이질재(4)의 열팽창을 통해 상기 이질재(4)와 가압 접촉된 패턴마스크(1)를 스트레칭시키는 단계와; (b) 상기 스트레칭된 패턴마스크(1) 상부로, 사전에 프레임(3)과 용접되어 텐션이 인가된 상태로 일체화된 구조를 가지는 오픈형 지지마스크(2)를 이동시킨 후 위치정렬하는 단계와; (c) 용접기(9)가 패턴마스크 보다 상대적으로 두꺼운 오픈형 지지마스크를 통해 전도시킨 용접열로 스트레칭된 패턴마스크와 용접시켜 일체화시키는 단계와; (d) 이질재를 분리시켜 온도가 내려간 패턴마스크가 축소율에 해당하는 힘으로 오픈형 지지마스크를 잡아당겨 텐션이 유지되도록 하는 단계;를 포함하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법을 발명의 특징으로 한다.

Description

마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법{Manufacturing method of mask frame assembly for manufacturing micro LED}
본 발명은 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AR(증강현실)·VR(가상현실)용 고해상도 마이크로 디스플레이에 사용되는 마이크로 LED를 제조하기 위해 텐션이 인가된 상태로 패턴마스크가 일체화된 구조를 가지는 마이크로 LED 마스크 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
OLED(유기발광다이오드)는 반응속도가 종래 박막 트랜지스터 액정표시장치(TFT LCD)보다 월등히 빠르고, 별도의 백라이트 없이 자체 발광이 가능하고 디스플레이 패널 구조가 LCD 방식 디스플레이 패널 구조 보다 단순하여 제조시 LCD 대비 두께와 무게를 대폭 줄일 수 있고, 넓은 시야각과 저전력 소비 구조를 가져 고급형 디스플레이를 포함한 다양한 용도의 디스플레이 소자로 각광받고 있는 추세이다.
하지만 OLED(유기발광다이오드)는 많은 장점에도 불구하고 발광소자로 유기물을 사용함으로 인해 산소나 수분에 취약하다는 문제와 디스플레이에 번인(Burn-in)현상이 발생한다는 문제점 그리고 구조상 유리기판에 유기화합물 소스를 증착해야 하는데 디스플레이용 유리기판 크기를 크게 하면 할수록 무게 증가와 내구성 저하 등이 발생하여 보통 100인치 이상 대화면으로 구현하기가 어렵다는 문제점이 있다.
이 때문에 최근에는 OLED(유기발광다이오드) 소자가 지닌 물리적 문제점을 해결할 수 있는 무기물을 사용한 자발광 디스플레이 소자인 마이크로 LED 소자가 차세대 디스플레이 기술로 활발히 연구되고 있다.
마이크로 LED 소자는 그 크기가 10~100㎛ 정도의 작은 소자로, 발광물질이 무기물이어서 산소나 수분에 취약하지 않아 OLED의 물리적 한계점을 극복할 수 있고, 또한 휘도, 명암비, 화질, 응답속도, 소비전력 효율이 좋고, 적용될 수 있는 디스플레이 기판 소재도 유리기판 뿐만 아니라 플렉시블, 스트레처블 및 웨어러블 소재의 기판을 포함한 다양한 소재 기판에 적용할 수 있어서 디스플레이의 대형화 및 응용성 측면에서 많은 장점을 가진다.
다만, 마이크로 LED 디스플레이 패널은 OLED 디스플레이 패널과 달리 유리기판에 직접 RGB 유기물을 증착하여 제작하는 것이 아닌, 개별로 제작된 Red, Green, Blue 마이크로 LED 칩을 제조 후 이를 전사공정 및 접합공정을 통해 일일이 유리기판 또는 다양한 소재의 기판에 옮겨 심어야 한다는 제조공정상의 어려움이 있어 제조비용과 시간이 많이 소요된다는 단점이 있어서 아직까지 주력 디스플레이로 대중화 되지 못하고 있는 실정이다.
따라서 마이크로 LED를 제작하는데 소요되는 고비용 소재의 수율 문제와 제조공정의 비효율성 문제와 같은 기술적 문제가 극복되어 생산성이 증대되어 대량 양산 체제만 구축된다면 차세대 디스플레이 시장을 선도할 것으로 전망된다.
마이크로 LED의 제조방법은 각 픽셀을 이루는 RGB화소를 구현하는 각각의 소자인 Red 마이크로 LED, Green 마이크로 LED, Blue 마이크로 LED를 각각의 웨이퍼 에서 LED 구조로 성장(epitaxy)시킨 후 다이싱(Dicing) 공정을 거쳐 하나 하나의 마이크로 LED로 잘라내는 작업을 거쳐 완성되게 된다.
상기와 같이 하나 하나의 마이크로 LED 구조를 웨이퍼 상에서 성장시킨 후 잘라낼 때 제대로 성장되지 않으면 수율의 문제점이 발생하게 되어 제작단가가 올라가게 된다.
이를 방지하기 위해서는 웨이퍼에 LED 구조를 성장(epitaxy)시킬 때 고해상도의 정밀한 마이크로 LED 마스크 프레임 어셈블리가 구비되어 패턴마스크(또는 파인 메탈 마스크(FMM))에 미세하게 가공된 북수개의 홀과 동일한 위치와 크기로 웨이퍼 상에 무기물이 공급되어 p형 반도체 또는 n형 반도체가 증착되는 공정이 중요하다.
종래의 마이크로 LED 마스크 프레임 어셈블리 구조를 보면 레이저 가공을 통해 웨이퍼에 성장될 마이크로 LED 패턴과 동일하게 가공된 패턴마스크를 제작 후 접착제 또는 접착층을 형성하여 프레임과 결합시켜 마이크로 LED 마스크 프레임 어셈블리를 제조 후 이를 이용하여 웨이퍼에 마이크로 LED 구조를 성장시키도록 구성된다.
다만, 상기와 같이 접착제 또는 접착층을 형성하여 패턴마스크를 프레임에 결합시키는 이유는 레이저 용접장치 등을 이용할 경우 튼튼하게 고정시킬 수 있지만 용접과정에서 발생되는 고열로 인해 인바(invar) 재질 패턴마스크가 녹거나 변형되는 문제는 발생하기 때문이다.
또한 상기와 같은 구조를 가지는 종래 마이크로 LED 마스크 프레임 어셈블리의 또 다른 문제점으로는 패턴마스크가 인장되지 않은 상태로 프레임에 결합된 구조여서 패턴마스크에 균일한 인장력이 제공되지 않아 중심 부위로 갈수록 처짐 현상이 발생할 수 있다는 구조적 문제점이 발생한다.
이와 같은 처짐현상이 발생하면 패턴마스크에 가공된 패턴과 웨이퍼에서 성장하는 마이크로 LED가 정확히 성장하지 못해 수율 문제가 발생할 수 있다.
그럼에도 종래와 같은 구조의 마이크로 LED 마스크 프레임 어셈블리를 사용하는 이유는 인바(invar) 재질 패턴마스크의 두께가 8㎛ 내외로 얇기에 그리퍼로 파지후 잡아당겨 인장하기가 어렵고, 설사 그리퍼로 인장한다 하더라도 필요로 하는 인장 길이로 정밀하고 균일하게 인장시킬 수 없거나 무리한 인장력을 제공하면 얇은 두께를 가진 패턴마스크가 찢어지거나 형태가 변형되어 정밀한 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임어셈블리로 사용할 수 없기 때문이다.
물론 인바(invar) 재질 패턴마스크의 두께를 OLED용으로 사용되는 마스크 프레임 어셈블리의 패턴마스크처럼 8㎛ 보다 두껍게 하여 상기한 문제점을 해결할 수 있지만, 이 경우 무기물 소스가 패턴마스크에 가공된 홀을 통과시 그 두께로 인해 새도우 이펙트(Shadow Effect)가 발생하여 웨이퍼 상에서 성장하는 마이크로 LED가 불균일하게 증착될 수 있어서 양품으로 제조되는 수율이 저하된다는 문제점이 있기 때문에 바람직하지 않다.
따라서 8㎛ 이하 두께를 가지면서 패턴마스크의 처짐현상이 발생하지 않는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리의 필요성이 대두되고 있지만 아직까지 이와 같은 문제를 해결한 마이크로 LED 마스크 프레임 어셈블리 제조방법 기술이 제공되지 못하고 있는 실정이다.
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상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 AR(증강현실)·VR(가상현실)용 고해상도 마이크로 디스플레이를 포함하는 고해상도 디스플레이에 사용되는 마이크로 LED 제조에 사용되는 마스크 프레임 어셈블리의 패턴마스크를 열팽창을 통해 스트레칭된 상태에서 오픈형 지지마스크를 통해 간접 용접하여 프레임과 일체화시키는 과정을 통해 용접열에 의한 패턴마스크 변형 없이 텐션이 인가된 상태를 유지할 수 있는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 패턴마스크를 스트레칭시 상대적으로 높은 열팽창계수를 가지는 이질재와 접촉시켜 클램핑한 상태에서 낮은 온도로 이질재를 가열시켜 필요로 하는 패턴마스크의 인장길이 만큼 스트레칭된 상태에서 오픈형 지지마스크와 용접시켜 제조된 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법에 있어서,
(a) 열팽창 계수가 높은 이질재의 열팽창을 통해 상기 이질재와 가압 접촉된 패턴마스크를 스트레칭시키는 단계와;
(b) 상기 스트레칭된 패턴마스크 상부로, 사전에 프레임과 용접되어 텐션이 인가된 상태로 일체화된 구조를 가지는 오픈형 지지마스크를 이동시킨 후 위치정렬하는 단계와;
(c) 용접기(9)가 패턴마스크 보다 상대적으로 두꺼운 오픈형 지지마스크를 통해 전도시킨 용접열로, 스트레칭된 패턴마스크와 용접시켜 일체화시키는 단계와;
(d) 이질재를 분리시켜 온도가 내려간 패턴마스크가 축소율에 해당하는 힘으로 오픈형 지지마스크를 잡아당겨 텐션이 유지되도록 하는 단계;를 포함하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 상기 (a) 단계는,
(a1) 패턴마스크의 열팽창 계수보다 높은 이질재 상부에 패턴마스크를 위치시키는 단계와;
(a2) 상기 패턴마스크의 상부면을 클램프로 클램핑하여 이질재와 고정시키는 단계와;
(a3) 히팅플레이트를 통해 패턴마스크가 필요로 하는 인장길이 만큼의 온도로 이질재를 가열시키는 단계와;
(a4) 패턴마스크가 열팽창되는 이질재의 열팽창계수에 따라 측방향으로 늘어나면서 스트레칭되는 단계;를 포함한다.
바람직한 실시예로, 상기 (b) 단계의 오픈형 지지마스크는,
(b1) 프레임 상부에, 중앙부에는 천공부가 형성되고 그 주변으로 파지부로 이루어진 오픈형 지지마스크(2)를 로딩하여 위치 정렬하는 단계와;
(b2) 그리퍼를 사용하여 상기 오픈형 지지마스크(2)의 각 파지부를 잡아 당겨 스트레칭시키는 단계와;
(b3) 오픈형 지지마스크가 스트레칭된 상태에서 프레임과 용접하여 일체화시키는 단계와;
(b4) 프레임과 용접되어 텐션이 인가된 상태의 오픈형 지지마스크의 파지부를 트리밍시키는 단계;를 거쳐 프레임과 일체화된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 패턴마스크는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 8㎛ 이하로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 패턴마스크는 중앙부에 무기물 소스가 증착되는 증착대상 웨이퍼 크기에 해당하는 원형의 패턴 가공된 영역을 포함하고 그 외의 영역은 용접 가능한 면상의 영역으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 패턴마스크 및 이질재는 하부에 위치한 이동식 정전척에 의해 함께 고정되고, 상기 이동식 정전척 하부에는 히팅플레이트가 설치된 상태로 제조공정을 함께 이동하면서, 히팅플레이트에서 전도된 열이 이동식 정전척을 통해 이질재를 가열하여 열팽창하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 이질재는 열팽창계수가 9.0 x 10-6㎝/℃인 유리를 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 유리는 37℃로 가열되어 이와 연동되어 열팽창하는 패턴마스크가 200mm의 패턴 가공 영역 기준으로 텐션을 제공하기 위한 축소율 0.02%에 해당하는 40㎛ 길이로 열팽창되도록 스트레칭 시키는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 오픈형 지지마스크는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 100~200㎛이고 중앙부는 패턴마스크의 패턴 가공 영역보다 동일 하거나 약간 큰 지름을 가지는 원형의 천공부를 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 (c)단계는 레이저 용접기가 오픈형 지지마스크의 상부면에 조사시킨 레이저의 용접열이 두꺼운 오픈형 지지마스크를 통과하면서 낮아진 상태로 패턴마스크 상부면과 용접되도록 하여 패턴마스크의 변형을 방지하면서 용접하는 단계인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로, 상기 프레임은 인바 재질로 이루어지고, 각 변을 이루는 단위 프레임의 일측면이 하부로 갈수록 좁아지게 돌출되면서 내측으로 경사 절곡되게 성형된 내측성형부 구조를 가지고, 내측에는 4각 공간부가 형성되며, 하부면이 오픈형 지지마스크의 면상 영역을 통해 용접되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 따른 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법은 패턴마스크가 열팽창을 통해 스트레칭되어 프레임과 용접되어 일체화되는 과정을 거침으로써 이러한 마스크 프레임 어셈블리를 통해 무기물을 공급할 경우 패턴마스크에 형성된 패턴에 따라 웨이퍼 상에 마이크로 LED를 성장시킬 수 있어서 AR(증강현실)·VR(가상현실)용 디스플레이 등을 포함한 다양한 고해상도 디스플레이에 사용되는 정밀한 마이크로 LED를 높은 수율로 제조할 수 있다는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 마스크 프레임 어셈블리 제조방법은 인바(invar) 재질 패턴마스크의 두께가 8㎛ 내외로 얇아 기계적인 클램핑 장치로 직접 클랭핑하여 인장하지 못한다는 문제점을 온도조절을 통한 열팽창을 통해 균일하게 인장시킴으로써 패턴마스크가 텐션을 가지면서 프레임에 일체화 된다는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 마스크 프레임 어셈블리 제조방법은 온도변화를 통해 인바(invar) 재질 패턴마스크를 스트레칭시 하부에 이질재인 유리를 접촉시킨 후 패턴마스크 상부를 눌러 클램핑한 상태에서 인바 재질보다 열팽창계수가 높은 유리소재를 가열하여 열팽창율에 따라 패턴마스크가 스트레칭되도록 함으로써 열팽창계수가 낮은 인바 재질 패턴마스크를 직접 고온 온도조건에서 열팽창시 발생하는 변형 문제 등을 방지하면서 낮은 온도조건에서 필요로 하는 인장길이 만큼 정밀하게 제어하여 오픈형 지지마스크와 용접함으로써 정밀한 마스크 프레임 어셈블리를 제조할 수 있다는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 마스크 프레임 어셈블리 제조방법은 온도조절에 의해 스트레칭된 패턴마스크를 프레임에 일체화시 패턴마스크 상부에 8㎛ 보다 두꺼운 200㎛ 이상의 두께를 가지는 오픈형 지지마스크를 배치후 간접 용접을 통해 패턴마스크를 프레임과 일체화 용접시킴으로써 용접열 때문에 패턴마스크가 녹거나 변형되지 않은 상태에서 일체화된 패턴마스크가 온도가 낮아져 수축작용이 일어나면 텐션이 유지되어 중심부에서의 처짐현상이 방지된 마스크 프레임 어셈블리를 제조할 수 있다는 효과를 가진다.
상기와 같이 본 발명은 다양한 효과를 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리의 제조공정을 보인 순서도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리의 제조공정에 따른 장치 구성을 보인 개략적인 정면 예시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리의 제조공정에 따른 장치 구성을 보인 개략적인 평면 예시도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 제조방법에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리의 단면 구조도이고,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 제조방법에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리의 용접부위를 보인 단면 예시도이고,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리를 구성하는 패턴마스크의 평면 및 단면도이고,
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 패턴마스크를 이질재를 이용한 온도조절을 통해 스트레칭하는 개념을 보인 평면 예시도이고,
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 패턴마스크를 이질재를 이용한 온도조절을 통해 스트레칭하는 개념을 보인 정면 예시도이고,
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리를 구성하는 오픈형 지지마스크와 프레임 간의 일체화된 구조를 보인 평면 및 단면도이고,
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 오픈형 지지마스크를 스트레칭하여 프레임에 용접하여 일체화하는 개념을 보인 예시도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리의 제조공정을 보인 순서도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리의 제조공정에 따른 장치 구성을 보인 개략적인 정면 예시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리의 제조공정에 따른 장치 구성을 보인 개략적인 평면 예시도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리의 제조방법은,
열팽창 계수가 높은 이질재(4)의 열팽창을 통해 상기 이질재(4)와 가압 접촉된 패턴마스크(1)를 스트레칭시키는 단계(a 단계)를 가진다.
구체적으로 (a) 단계는 (a1) 패턴마스크(1)의 열팽창 계수보다 높은 이질재(4) 상부에 패턴마스크를 위치시키는 단계와; (a2) 상기 패턴마스크의 상부면을 클램프(5)로 클램핑하여 이질재와 고정시키는 단계와; (a3) 히팅플레이트(6)를 통해 패턴마스크(1)가 필요로 하는 인장길이 만큼의 온도로 이질재(4)를 가열시키는 단계와; (a4) 패턴마스크(1)가 열팽창되는 이질재의 열팽창계수에 따라 측방향으로 늘어나면서 스트레칭되는 단계;를 포함하여 패턴마스크를 스트레칭시킨다.
또한 본 발명은 상기 스트레칭된 패턴마스크(1) 상부로, 사전에 프레임(3)과 용접되어 텐션이 인가된 상태로 일체화된 구조를 가지는 오픈형 지지마스크(2)를 이동시킨 후 위치정렬하는 단계(b)를 가진다.
구체적으로 (b) 단계의 오픈형 지지마스크는 (b1) 프레임(3) 상부에 천공부(21)와 파지부(22)로 이루어진 오픈형 지지마스크(2)를 로딩하여 위치 정렬하는 단계와; (b2) 그리퍼를 사용하여 상기 오픈형 지지마스크(2)의 각 파지부(22)를 잡아 당겨 스트레칭시키는 단계와; (b3) 오픈형 지지마스크가 스트레칭된 상태에서 프레임과 용접하여 일체화시키는 단계와; (b4) 프레임과 용접되어 텐션이 인가된 상태의 오픈형 지지마스크의 파지부를 트리밍시키는 단계;를 포함하여 프레임과 용접되어 일체화된다.한다.
또한 본 발명은 용접기(9)가 패턴마스크 보다 상대적으로 두꺼운 오픈형 지지마스크를 통해 전도시킨 용접열로, 스트레칭된 패턴마스크와 용접시켜 일체화시키는 단계(c 단계)를 가진다.
이와 같은 용접방법을 사용하는 이유는 크기가 10~100㎛ 정도의 마이크로 LED 소자를 웨이퍼 상에 성장시키기 위해서는 본 발명에 따른 패턴마스크(1)는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 8㎛ 이하로 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 두께를 가진 패턴마스크를 직접 마스크프레임과 용접하게 되면 인바(Invar steel) 재질로 이루어지는 패턴마스크(1)는 고온의 용접열원이 직접 제공되면 패턴 가공된 영역 및 주변 영역 구조가 변형될 수 있기 때문에 오픈형 지지마스크(2)를 통한 용접을 통하게 된다.
즉, 오픈형 지지마스크(2)는 레이저 용접시 열원이 패턴마스크(1)에 직접 전달되어 용접되지 않고, 오픈형 지지마스크(2)의 상부면으로 레이저 용접기(9)에서 조사된 레이저에 의한 열원이 두께 100~200㎛로 두껍게 형성된 오픈형 지지마스크(2)를 통과하여 패턴마스크(1)의 상부면으로 간접 전달되어 접촉부위에서 용접이 이루어지도록 함으로써 인바재질 오픈형 지지마스크(2)가 용융되면서 패턴마스크(1)와 용접이 이루어지지고, 두꺼운 두께차로 인해 패턴마스크(1)와 접촉부위는 오픈형 지지마스크(2)의 상부면에 조사되는 열원보다 낮은 온도가 전달되어 용접열에 의한 직접적인 변형이 일어나지 않으면서도 강한 접합구성을 제공하기 때문이다.
또한 본 발명은 (d) 이질재를 분리시켜 온도가 내려간 패턴마스크가 축소율에 해당하는 힘으로 오픈형 지지마스크를 잡아당겨 텐션이 유지되도록 하는 단계(d단계);를 포함한다.
즉, 패턴마스크(1)가 이질재와 가압 접촉된 상태에서 이질재의 열팽창율에 따라 스트레칭된 상태에서 용접 후 이질재가 제거되면 온도가 내려가면 200mm의 패턴 가공 영역을 포함하는 열팽창 계수(0.9 x 10-6㎝/℃)인 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1)는 제조된 마스크 프레임 어셈블리를 구성하는 오픈형 지지마스크(2)에 용접으로 고정된 상태이기 때문에 200mm의 패턴 가공 영역을 가지는 패턴마스크(1)에 텐션을 제공하기 위한 축소율을 0.02%로 할 경우 인장시 길이 변화율은 40㎛(200mm X 축소율 0.02% = 40㎛)만큼의 축소율 만큼의 힘으로 잡아당기면서 텐션을 유지하게 된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 마스크프레임 제조장치(100)는 상기 (a)단계 내지 (d)단계를 수행하는 장치이다.
마스크프레임 제조장치(100)에는 양측에 길이방향으로 설치된 레일(121)을 따라 직선으로 움직이는 갠트리(120) 상에서 직선 운동을 하면서 오픈형 지지마스크(2)와 프레임(3) 간을 용접하고, 또한 오픈형 지지마스크(2)와 패턴마스크(1) 간의 용접을 수행하는 용접기(110)가 구비된다. 이러한 용접기에는 스캐너가 함께 설치되어 패턴마스크(1), 오픈형 지지마스크(2), 프레임(3) 간을 위치 정렬시 사용된다.
또한 오픈형 지지마스크(2)를 프레임(3) 상부에 로딩하고, 제조공정에 따라 일체화된 오픈형 지지마스크와 프레임을 마스크프레임 상부에 이동시켜 로딩시키는 이재기(130)가 구비된다. 이재기(130)는 레일(131)을 따라 선형모터 또는 일반 모터 등의 구동력에 의해 직선 운동하는 수단으로 오픈형 지지마스크(2)를 파지하여 들거나 내려놓는 수단이 구비된다.
또한 오픈형 지지마스크의 파지부를 트리밍하는 트리밍 용접기(140)가 구비된다. 이러한 트리밍 용접기(140)는 스캐너가 함께 설치되어 오픈형 지지마스크(2)의 파지부를 정밀하게 절단시 정확한 위치를 추출하게 사용된다.
또한 패턴 가공기(200)에서 레이저 등을 이용해 패턴 가공을 거친 패턴마스크(1)가 이재되면 UVW 스테이지(150)에 올려지게 되는데, UVW 스테이지(150)는 적재된 패턴마스크, 이질재, 이동식 정전척 및 히팅플레이트의 위치를 XYθ 방향으로 위치결정시켜 정밀한 제조가 이루어지도록 한다.
또한 적재된 UVW 스테이지(150)를 작업공정 위치로 직선 이동시키는 라이너 스테이지(160)가 구비된다.
또한 UVW 스테이지(150)에 로딩된 패턴마스크(1)를 균일하게 상부에서 하부로 가압하여 클랭핑하는 클램프(5)가 구비되어 (a) 단계를 수행하게 된다.
또한 프레임(3)에 로딩된 오픈형 지지마스크(2)의 파지부를 기계적으로 인장시키게 설치된 그리퍼(8)가 구비된다.
본 발명을 구성하는 마스크프레임 제조장치(100)에 도시된 상기 각 구성은 본 발명의 제조방법을 설명하기 위한 개념적인 구성으로 각 구성의 위치나 크기 및 작동은 미도시된 구성에 의해 설치되거나 제거될 수 있음은 물론이다.
상기 (a)단계에 사용되는 패턴마스크(1)는 본 발명에 따른 마스크프레임 제조장치(100)에서 (a)단계 내지 (d)단계를 수행하기 전에 미리 패턴 가공기(200)에서 레이저 등을 이용해 패턴 가공을 거친 패턴마스크(1)를 사용한다.
패턴마스크(1)는 패턴 가공기(200)를 통해 레이저 가공 등의 방법을 통해 마이크로 LED가 성장되는 증착대상 웨이퍼에 공급되는 무기물 소스가 통과되는 다수의 홀이 패턴 가공된 영역이 가공된다. 그 외의 영역은 용접 가능한 면상의 영역으로 구성된다. 이와 같은 가공은 한 실시예로 레이저 가공이 일반적이지만 공지의 다른 방법으로 가공되어도 상관은 없다. 본 발명은 패턴마스크(1) 가공방법이 아닌 이를 이용해 텐션이 제공되는 마스크 프레임 어셈블리 제조방법이기 때문이다.
다만, 본 발명에 따른 제조방법을 수행하기 위해 상기 패턴마스크(1) 가공시부터 하부에 이질재(4)와, 상기 이질재 하부에 위치하는 이동식 정전척(ESC Chuk, 7)을 설치하여 패턴마스크(1)와 이질재(4)를 고정시켜야 한다.
또한 이동식 정전척(ESC Chuk, 7) 하부에는 히팅플레이트(6)를 위치시킨다.
따라서 패턴마스크(1)는 이와 같이 이질재, 이동식 정전척 및 히팅플레이트가 한 개의 세트로 적층 구성된 상태로 본 발명에 따른 제조방법의 각 공정을 이동하게 구성하여 상기 (a) 단계에서 히팅플레이트에서 제공된 열원이 이질재를 통해 패턴마스크(1)로 전달되어 온도가 조절되는 형태를 유지하는 것이 중요하다.
상기와 같은 제조방법을 거치면, 무기물 소스가 통과되는 다수의 홀이 패턴 가공된 영역을 포함하고 텐션이 인가된 상태의 패턴마스크(1)와; 스트레칭된 패턴마스크(1)를 지지하게 용접되어 텐션을 유지시키도록 일체화된 오픈형 지지마스크(2)와; 스트레칭된 오픈형 지지마스크(2)를 지지하게 용접되어 텐션을 유지시키도록 일체화된 프레임(3);으로 이루어진 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리가 제조된다.
상기 본 발명의 제조방법에 따라 기계적 인장이 아닌 열팽창을 통한 스트레칭 공정을 거친 패턴마스크(1)는 스트레칭이 유지된 상태에서 오픈형 지지마스크와 용접되어 프레임과 강한 접합력으로 일체화되어 수축율에 따라 수축되는 힘이 형성되어 텐션이 유지되게 된다.
텐션이 유지된 패턴마스크가 구비된 마스크 프레임 어셈블리는 웨이퍼 상에 마이크로 LED를 성장시켜 제조하기 위해 무기물 소스 증착 장치(도시생략)에 설치되어 중심부 처짐없이 정밀한 무기물 공급이 가능하도록 해준다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 제조방법에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리의 단면 구조도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 제조방법에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리의 용접부위를 보인 단면 예시도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리를 구성하는 패턴마스크의 평면 및 단면도이다.
첨부된 도면과 같이 본 발명에 따른 제조방법에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리는 AR(증강현실)·VR(가상현실)용 고해상도 마이크로 디스플레이를 포함하는 다양한 고해상도 디스플레이에 사용되는 마이크로 LED가 성장되는 증착대상 웨이퍼에 무기물을 공급하는데 사용되는 것으로, 그 구성은 마이크로 LED가 성장되는 증착대상 웨이퍼에 공급되는 무기물 소스가 통과되는 다수의 홀(11a)이 패턴 가공된 영역(11)을 포함하고 텐션이 인가된 상태의 패턴마스크(1)와; 스트레칭된 패턴마스크(1)를 지지하게 용접되어 텐션을 유지시키도록 일체화된 오픈형 지지마스크(2)와; 스트레칭된 오픈형 지지마스크(2)를 지지하게 용접되어 텐션을 유지시키도록 일체화된 프레임(3);으로 이루어진다.
상기 패턴마스크(1)는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 8㎛ 이하로 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 두께를 한정한 이유는 크기가 10~100㎛ 정도의 마이크로 LED 소자를 웨이퍼 상에 성장시키기 위해서다. 즉, 이보다 두꺼우면 무기물 소스가 패턴마스크(1)의 패턴 가공된 영역(11)을 통과시 홀(11a)의 유입구쪽을 지나 유출구쪽을 통과하면서 새도우 이펙트(Shadow Effect)가 발생하여 웨이퍼에 증착시 불균일한 마이크로 LED 소자가 성장될 수 있기 때문이다.
상기 패턴마스크(1)는 중앙부에 무기물 소스가 증착되는 증착대상 웨이퍼 크기에 해당하는 원형의 패턴 가공된 영역(11)을 포함하고 그 외의 영역은 용접 가능한 면상의 영역(12)으로 구성된다.
패턴마스크(1)의 형상은 사각면체 또는 원판형으로 구성할 수 있다. 물론 이와 같은 패턴마스크(1)의 형상뿐만 아니라 다양한 형태로 구성할 수도 있음은 물론이다.
하지만, 패턴마스크(1) 상부면과 용접되는 오픈형 지지마스크(2)의 구조가 바람직한 형태로 사각면체로 구성되기 때문에 스트레칭된 상태에서 오픈형 지지마스크(2)와 용접되어 균일한 텐션을 제공하기 위해 패턴마스크(1)도 사각면체로 구성하는 것이 바람직하다.
패턴마스크(1)는 면상의 영역(12)에서 원형의 패턴 가공된 영역(11)의 둘레를 따라 오픈형 지지마스크(2)와 원형 용접라인(13)을 따라 레이저 용접기(9)로 용접되고, 4개의 변을 따라 직선 용접라인(14)을 따라 용접하여 일체화된다.
용접은 바람직한 실시예로 레이저 용접을 사용하여 라인(line) 또는 스팟(spot) 형태로 생성될 수 있다.
상기 패턴 가공된 영역(11)의 크기는 무기물 소스가 증착되어 마이크로 LED가 성장되는 다양한 웨이퍼 크기에 따라 정해질 수 있다. 예를 들자면 웨이퍼 크기가 200mm, 300mm, 450mm 등과 같은 웨이퍼 크기에 대응하여 형성될 수 있다. 물론 본 발명이 이러한 웨이퍼 크기에 한정되는 것은 아니다. 다만, 이하에서는 설명의 편의상 200mm 크기의 웨이퍼 기준으로 설명한다.
또한 패턴마스크(1)의 패턴 가공된 영역은 증착대상 웨이퍼에 성장되는 마이크로 LED의 구조나 공정에 따라 필요한 홀(11a) 크기나 형상 및 배열로 패턴 가공된 것을 사용하면 된다. 따라서, 도면에 형성된 패턴 가공된 영역(11)의 홀(11a) 형상이나 크기 및 배열은 설명의 편의를 위한 예시적인 것으로 본 발명이 이러한 예시에만 패턴이 한정되는 것은 아니다.
한 실시예로 패턴 가공된 영역의 홀(11a)은 보통 레이저 가공을 통해 형성하나 그 외 공지의 마스크 홀 가공을 통해 형성할 수도 있다. 본 발명은 패턴 가공된 영역이 존재하면 충분하고, 그 가공방법이나 형상 또는 배열을 한정하지는 않는다.
다만, 패턴마스크(1)의 패턴 가공된 영역의 홀의 해상도는 AR(증강현실)·VR(가상현실)용 고해상도 마이크로 디스플레이에 적용될 수 있도록 적어도 2,000 PPI(pixel per inch) 이상의 고해상도로 가공된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 패턴마스크를 이질재를 이용한 온도조절을 통해 스트레칭하는 개념을 보인 평면 예시도이고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 패턴마스크를 이질재를 이용한 온도조절을 통해 스트레칭하는 개념을 보인 정면 예시도이다.
도면을 참조하여 본 발명에 따른 (a) 단계를 보다 구체적으로 본 발명에 사용되는 패턴마스크(1)의 스트레칭 과정을 설명한다.
본 발명에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리 구조에서 패턴마스크(1)는 항시 텐션된 상태를 유지하게 되는데, 이를 위해 패턴마스크(1)는 사전에 기계적 인장이 아닌 열팽창을 통한 스트레칭 공정을 거친 다음 이를 유지시킨 상태에서 오픈형 지지마스크(2)와 용접하여 일체화 시키게 된다.
특히 본 발명은 패턴마스크(1)에 직접 가열하여 열팽창시켜 스트레칭하지 않고 이질재(4)와의 상부에 패턴마스크를 위치시킨 후(a1 단계), 클램프에 의해 가압접촉(a2단계) 시키고, 이후 가열된 이질재의 열패창계수에 따라 간접적으로 스트레칭되는 과정을 거친다.(a3 ~ a4단계),
이와 같은 공정을 사용하는 이유는 인바(Invar steel) 재질로 이루어지는 패턴마스크(1)는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/℃로 매우 낮기 때문에 가열공정을 통해 필요로 하는 인장길이를 제공하기 위해서는 고온의 열원이 제공되어야 하는데 이 경우 패턴마스크(1)의 패턴 가공된 영역 및 주변 영역 구조가 변형될 수 있어서 정밀한 마이크로 LED 소자를 제조하는데 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
한 실시예로 마이크로 LED가 성장하는 웨이퍼가 200mm의 직경을 가지는 크기에 대응하는 패턴가공 영역을 가지는 패턴마스크(1)를 기준으로 설명하면 다음과 같다.
200mm의 패턴 가공 영역을 포함하는 열팽창 계수(0.9 x 10-6㎝/℃)인 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1)의 1℃ 온도 변화에 대한 변형 길이는 0.108㎛이다.
따라서 마스크 프레임 어셈블리에서 200mm의 패턴 가공 영역을 가지는 패턴마스크(1)에 텐션을 제공하기 위한 축소율을 0.02%로 할 경우 인장시 길이 변화율은 40㎛(200mm X 축소율 0.02% = 40㎛)이다.
이러한 인장율을 감안할 때 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1)를 직접 가열하여 온도 변화를 통한 인장력을 얻기 위해서는 370.4 ℃(40㎛/0.108㎛)의 온도 변화가 필요 하다.
하지만 370.4 ℃와 같은 고열로 직접 패턴 가공 영역을 포함하는 패턴마스크(1)를 가열할 경우 열변형이 일어나 이를 통해 무기물 소스를 웨이퍼에 공급시 정밀한 증착공정을 수행하기 어렵기 때문에 직접 고온의 온도를 제공하는 스트레칭 공정을 적용하기 곤란하다.
이 때문에 본 발명은 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1) 보다 열팽창 계수가 높은 이질재를 통한 스트레칭 공정을 적용한다. 이질재(4)는 다양한 재질을 사용할 수 있지만 본 발명에서는 인바(Invar Steel) 재질 열팽창 계수와 되도록 정수배의 비를 가져 정밀한 온도조절이 가능하고 100℃ 보다 낮은 온도변화 구간을 가져 접촉된 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1)에 대한 영향이 적은 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
이질재(4)로 사용되는 유리의 열팽창 계수는 9.0 x 10-6㎝/℃로 패턴마스크(1)를 구성하는 인바 재질과 비교시 10배의 열팽창율을 가진다.
따라서 유리 위에 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1)를 올려놓고 클램프를 사용하여 패턴마스크(1)를 클램핑한 상태로 유리를 가열시킬 경우 40㎛의 인장력을 얻기 위해 37℃의 온도만큼만 가열하면 필요로 하는 인장길이가 제공된다.
한편, 상기 클랭핑 공정에서 인바(Invar Steel) 재질 패턴마스크(1)가 하부에 위치한 이질재(4)인 유리에 연동되어 동일한 열팽창을 제공하기 위해 인바 재질 패턴마스크(1)에 형성된 패턴가공 영역 외곽 상부면에 원형 배열되어 분할된 복수개 클램프 조(Clamp Jaw, 51)가 구비된 클램프(5)로 균일하게 누른 상태에서 히팅플레이트(6)를 통해 유리를 가열하면 열팽창 계수에 따라 바깥방향으로 유리가 팽창하게 된다.
한 실시예로 도시된 클램프(5)는 8개의 클램프 조(Clamp Jaw)로 구성되었지만 이러한 클램프 조의 개수가 본 발명을 한정하는 것은 아니고 상부에서 하부로 안정적으로 누를 수 있는 구조를 가진 클램프와 복수개의 클램프 조로 구성되면 충분하다.
상기와 같이 구성된 상태에서 히팅플레이트(6)를 통해 유리를 37℃로 가열시키면 유리가 열팽창되면서 상부쪽에 가압되어 접촉된 상태의 패턴마스크(1)도 함께 연동되어 측방향으로 스트레칭되면서 40㎛ 만큼 늘어나게 된다.
이때 유리와 패턴마스크(1)의 고정은 열팽창에 방해가 되지 않도록 유리 하부에 이동식 정전척(ESC Chuk, 7)을 설치하여 정전기력으로 유리와 패턴마스크(1)를 함께 고정시켜 스트레칭 공정을 수행하도록 해준다.
특히 이동식 정전척(ESC Chuk, 7)은 금속재질로 이루어진 것을 사용한다. 바람직하게는 열전도율이 좋은 알루미늄 재질로 이루어져 히팅플레이트(7)가 제공하는 열원을 유리까지 신속히 전달하게 된다.
상기 이동식 정전척(7)을 사용하는 이유는 스트레칭 공정이 끝나면 사전에 프레임(3)과 일체화된 오픈형 지지마스크(2)를 스트레칭된 패턴마스크(1)와 용접하여 일체화하게 되는데 이때 용접작업이 시작되기 전에 히팅플레이트(6)의 열원 공급이 중단되면 수축작용이 일어나기 때문이다.
따라서 용접이 끝나기 전까지는 지속적으로 히팅플레이트(6)에서 발생된 열원이 공급되어야 하기 때문에 스트레칭 공정 및 용접 공정 순서에 따라 작업위치를 이동시에는 항시 유리와 패턴마스크(1)를 동시에 고정하는 이동식 정전척 그리고 히칭플레이트가 모두 함께 이동되도록 고정식 정전척이 아닌 이동식 정전척이 사용되어야 한다.
이를 위해 이동식 정전척은 한 실시예로, 외부 전기 공급 없이 최소 10분 이상의 정전기력에 의한 고정력을 발생시키기 위해 내부에 충전지와, 정전기력을 제어하는 컨트롤러가 내장되고, 하부면에는 무접전충전장치가 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 마스크 프레임 어셈블리를 구성하는 오픈형 지지마스크와 프레임 간의 일체화된 구조를 보인 평면 및 단면도이고, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 오픈형 지지마스크를 스트레칭하여 프레임에 용접하여 일체화하는 개념을 보인 예시도이다.
도면을 참조하여 본 발명의 (b) 단계의 오픈형 지지마스크(2)를 스트레칭하는 과정을 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 마스크 프레임 어셈블리를 구성하는 오픈형 지지마스크(2)와 프레임(3) 간의 일체화된 구조가 개시된다.
상기 오픈형 지지마스크(2)는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 100~200㎛이고 중앙부는 패턴마스크(1)의 패턴 가공 영역보다 동일 하거나 약간 큰 지름을 가지는 원형의 천공부(21)를 가지는 구성이다, 원형의 천공부가 구비됨으로써 패턴마스크(1)의 패턴 가공 영역부를 통해 무기물 소스가 웨이터로 공급될 때 방해되지 않게 된다.
상기 오픈형 지지마스크(2)는 레이저 용접시 열원이 패턴마스크(1)에 직접 전달되어 용접되지 않고, 오픈형 지지마스크(2)의 상부면으로 레이저 용접기(9)에서 조사된 레이저에 의한 열원이 두께 100~200㎛로 두껍게 형성된 오픈형 지지마스크(2)를 통과하여 패턴마스크(1)의 상부면으로 간접 전달되어 접촉부위에서 용접이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
이 때문에 인바재질 오픈형 지지마스크(2)가 용융되면서 패턴마스크(1)와 용접이 이루어지지고, 두꺼운 두께차로 인해 패턴마스크(1)와 접촉부위는 오픈형 지지마스크(2)의 상부면에 조사되는 열원보다 낮은 온도가 전달되어 용접열에 의한 직접적인 변형이 일어나지 않으면서도 강한 접합구성을 제공하게 된다.
도면에서는 나타나지 않지만 오픈형 지지마스크(2)의 하부면과 패턴마스크(1)의 용접부위 영역에는 용접시 발생하는 용접부가 형성되는데 이 용접부는 대부분 두꺼운 오픈형 지지마스크(2)가 용융되어 형성되는 것이고, 그 두께는 무시할 만큼 작아 도시가 생략되었다. 용접은 바람직한 실시예로 레이저 용접을 사용하여 라인(line) 또는 스팟(spot) 형태로 생성될 수 있다.
한 실시예로 오픈형 지지마스크(2)의 형상은 최종 완성된 마스크 프레임 어셈블리 구조상에서 사각면체로 구성될 수 있다. 물론 원형의 디스크 형태로 구성할 수도 있으나 그 상부면에 용접되는 프레임(3)의 구조가 입체 형상을 가지는 사각면체로 구성되고, 이 프레임(3)에 기계적으로 인장시킨 오픈형 지지마스크(2)를 4개의 직선 용접라인을 따라 균일하게 용접하여 일체화시키기 위해서는 사각면체로 구성하는 것이 바람직하다,
보다 상세히 설명하면 프레임(3)과 용접되어 일체화되기 전 최초 오픈형 지지마스크(2)의 형상은 중앙부에는 원형의 천공부(21)가 형성되고, 주변은 기계적 인장을 위한 그리퍼(8)가 파지되는 4변에 형성된 파지부(22)를 포함하여 구성되는데, 한 파지부 당 복수개의 그리퍼를 이용해 스트레칭된 상태에서 프레임(3)과 정렬시킨 상태에서 용접시킨 후에는 파지부(22)를 도 2 및 4에 도시된 트리밍 용접기(140)를 이용 트리밍 라인(Trimming line, 24)을 따라 절단하여 4각면체가 되도록 한다.
상기와 같은 구조를 가진 오픈형 지지마스크(2)과 프레임(3) 간의 용접 단계는, 먼저 프레임(3) 상부에, 중앙부에는 천공부(21)가 형성되고 그 주변으로 파지부(22)로 이루어진 오픈형 지지마스크(2)를 로딩하여 위치 정렬하는 단계(b1단계)를 가진다.
이후 그리퍼(8)를 사용하여 상기 오픈형 지지마스크(2)의 각 파지부(22)를 잡아 당겨 스트레칭시키는 단계(b2)를 가진다.
이후 레이저 용접기(9)를 사용하여 레이저를 오픈형 지지마스크 표면에 조사시켜 전도된 용접열이 오픈형 지지마스크를 용융시키면서 프레임(3)과 접한 부위를 따라 직선 용접라인(23)을 따라 4변을 모두 용접하여 일체화시키는 단계를 가진다.(B3단계)
이후 기계적 인장을 위한 그리퍼(8)가 파지되는 4변에 형성된 파지부(22)를 레이저 용접기를 이용 트리밍 라인(Trimming line, 24)을 따라 절단하여 4각면체가 되도록 하는 단계를 수행한다.(B4단계)
상기 단계를 거친 오픈형 지지마스크(2)는 그리퍼(8)에 의해 4방향이 기계적으로 인장된 상태에서 프레임(3)과 용접되기 때문에 텐션이 인가된 상태를 유지하여 패턴마스크(1)와 용접시 균일한 접촉면 상태를 유지하게 된다.
상기 프레임(3)은 인바 재질로 이루어지고, 각 변을 이루는 단위 프레임(31)의 일측면이 하부로 갈수록 좁아지게 돌출되면서 내측으로 경사 절곡되게 성형된 내측성형부(31a) 구조를 가진다. 이로인해 4개의 단위 프레임(31)이 4각 구조체로 용접 결합된 하부의 내측으로는 4각 공간부(32)가 형성되는 입체 구조를 가진다.
상기 프레임(3)의 경사 절곡된 하부면은 상기 오픈형 지지마스크(2)의 천공부 바깥쪽 면상 영역과 맞닿은 상태에서 오픈형 지지마스크(2)를 통해 레이저 용접기의 용접열이 인가되어 용접된다. 용접은 오픈형 지지마스크(2)과 프레임(3) 간의접한 부위를 따라 4변의 직선 용접라인을 따라 용접되어 일체화시킨다.
상기와 같은 구조를 가지는 프레임(3)은 그리퍼에 의해 기계적으로 스트레칭된 오픈형 지지마스크(2)와 레이저 용접으로 일체화되면, 오픈형 지지마스크(2)의 텐션이 유지되도록 지지해주게 된다.
상기 오픈형 지지마스크(2)와 일체화된 프레임(3)은 마이크로LED 무기물 소스 증착 장치 내에 고정 설치되어 안정적으로 마스크 프레임 어셈블리에 의한 무기물 소스가 공급되어 웨이퍼 상에 정밀한 마이크로LED가 성장되도록 한다.
상기 용접은 바람직한 실시예로 레이저 용접을 사용하여 라인(line) 또는 스팟(spot) 형태로 생성될 수 있다.
상기와 같은 발명에 따른 제조방법에 따라 제조된 마스크 프레임 어셈블리는 텐션이 유지되는 패터마스크가 중심부 처짐현상 없이 지속적으로 안정적인 무기물 소스가 웨이퍼 상에 공급되어 10~100㎛ 정도의 크기를 가지는 마이크로 LED 소자를 균일하게 높은 수율로 생산하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
(1) : 패턴마스크 (2) : 오픈형 지지마스크
(3) : 프레임 (4) : 이질재
(5) : 클램프 (6) : 히팅플레이트
(7) : 이동식 정전척 (8) : 그리퍼
(9) : 용접기 (11) : 패턴 가공된 영역
(11a) : 홀 (12) : 면상의 영역
(13) : 원형 용접라인 (14) : 직선 용접라인
(21) : 천공부 (22) : 파지부
(23) : 직선 용접라인 (24) : 트리밍 라인
(31) : 단위 프레임 (31a) : 내측성형부
(32) : 공간부 (51) : 클램프 조
(100) : 마스크프레임 제조장치 (110) : 용접기
(120) : 갠트리 (121) : 레일
(130) : 이재기 (131) : 레일
(140) : 트리밍 용접기 (150) : UVW 스테이지
(160) : 라이너 스테이지 (200) : 패턴 가공기

Claims (11)

  1. 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법에 있어서,
    (a) 열팽창 계수가 높은 이질재(4)의 열팽창을 통해 상기 이질재(4)와 가압 접촉된 패턴마스크(1)를 스트레칭시키는 단계와;
    (b) 상기 스트레칭된 패턴마스크(1) 상부로, 사전에 프레임(3)과 용접되어 텐션이 인가된 상태로 일체화된 구조를 가지는 오픈형 지지마스크(2)를 이동시킨 후 위치정렬하는 단계와;
    (c) 용접기(9)가 패턴마스크 보다 상대적으로 두꺼운 오픈형 지지마스크를 통해 전도시킨 용접열로, 스트레칭된 패턴마스크와 용접시켜 일체화시키는 단계와;
    (d) 이질재를 분리시켜 온도가 내려간 패턴마스크가 축소율에 해당하는 힘으로 오픈형 지지마스크를 잡아당겨 텐션이 유지되도록 하는 단계;를 포함하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 패턴마스크(1)의 열팽창 계수보다 높은 이질재(4) 상부에 패턴마스크를 위치시키는 단계와;
    (a2) 상기 패턴마스크의 상부면을 클램프(5)로 클램핑하여 이질재와 고정시키는 단계와;
    (a3) 히팅플레이트(6)를 통해 패턴마스크(1)가 필요로 하는 인장길이 만큼의 온도로 이질재(4)를 가열시키는 단계와;
    (a4) 패턴마스크(1)가 열팽창되는 이질재의 열팽창계수에 따라 측방향으로 늘어나면서 스트레칭되는 단계;를 포함하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계의 오픈형 지지마스크(2)는,
    (b1) 프레임(3) 상부에, 중앙부에는 천공부(21)가 형성되고 그 주변으로 파지부(22)로 이루어진 오픈형 지지마스크(2)를 로딩하여 위치 정렬하는 단계와;
    (b2) 그리퍼를 사용하여 상기 오픈형 지지마스크(2)의 각 파지부(22)를 잡아 당겨 스트레칭시키는 단계와;
    (b3) 오픈형 지지마스크가 스트레칭된 상태에서 프레임과 용접하여 일체화시키는 단계와;
    (b4) 프레임과 용접되어 텐션이 인가된 상태의 오픈형 지지마스크의 파지부를 트리밍시키는 단계;를 거쳐 프레임과 일체화된 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴마스크(1)는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 8㎛ 이하로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴마스크(1)는 중앙부에 무기물 소스가 증착되는 증착대상 웨이퍼 크기에 해당하는 원형의 패턴 가공된 영역을 포함하고 그 외의 영역은 용접 가능한 면상의 영역으로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 패턴마스크(1) 및 이질재(4)는 하부에 위치한 이동식 정전척(7)에 의해 함께 고정되고, 상기 이동식 정전척(7) 하부에는 히팅플레이트(6)가 설치된 상태로 제조공정을 함께 이동하면서, 히팅플레이트에서 전도된 열이 이동식 정전척을 통해 이질재를 가열하여 열팽창하도록 구성한 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이질재(4)는 열팽창계수가 9.0 x 10-6㎝/℃인 유리를 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유리는 37℃로 가열되어 이와 연동되어 열팽창하는 패턴마스크(1)가 200mm의 패턴 가공 영역(11) 기준으로 텐션을 제공하기 위한 축소율 0.02%에 해당하는 40㎛ 길이로 열팽창되도록 스트레칭 시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 오픈형 지지마스크(2)는 열팽창계수가 0.9 x 10-6㎝/ ℃인 인바(Invar steel) 재질로 이루어지고, 두께 100~200㎛이고 중앙부는 패턴마스크(1)의 패턴 가공 영역보다 동일 하거나 약간 큰 지름을 가지는 원형의 천공부를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c)단계는 레이저 용접기(9)가 오픈형 지지마스크(2)의 상부면에 조사시킨 레이저의 용접열이 두꺼운 오픈형 지지마스크(2)를 통과하면서 낮아진 상태로 패턴마스크(1) 상부면과 용접되도록 하여 패턴마스크(1)의 변형을 방지하면서 용접하는 단계인 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 프레임(3)은 인바 재질로 이루어지고, 각 변을 이루는 단위 프레임(3)의 일측면이 하부로 갈수록 좁아지게 돌출되면서 내측으로 경사 절곡되게 성형된 내측성형부(31a) 구조를 가지고, 내측에는 4각 공간부가 형성되며, 하부면이 오픈형 지지마스크(2)의 면상 영역을 통해 용접되도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 제조용 마스크 프레임 어셈블리 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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