WO2014196802A1 - Ito 패터닝 장치 및 패터닝 방법 - Google Patents

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WO2014196802A1
WO2014196802A1 PCT/KR2014/004956 KR2014004956W WO2014196802A1 WO 2014196802 A1 WO2014196802 A1 WO 2014196802A1 KR 2014004956 W KR2014004956 W KR 2014004956W WO 2014196802 A1 WO2014196802 A1 WO 2014196802A1
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WO
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ito
laser
pattern
amorphous
layer
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PCT/KR2014/004956
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English (en)
French (fr)
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이찬구
김수찬
배현섭
김영원
박병규
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위아코퍼레이션
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04103—Manufacturing, i.e. details related to manufacturing processes specially suited for touch sensitive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1884—Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO

Definitions

  • the present invention relates to an ITO patterning device and a patterning method.
  • the touch screen is a device that allows a user to view information displayed on a display of a corresponding device and to display desired information on a display when a user touches or selects a touch active area corresponding to a touch screen attached to the display with a finger or a pen.
  • a touch screen is also increasing.
  • the touch screen is classified into a capacitive type or a resistive film type according to its structure.
  • the capacitive type has the advantage of excellent transmittance and durability, and multi-touch.
  • the capacitive touch screen is provided with an indium tin oxide (ITO) film layer corresponding to the coordinates of each axis, and each ITO film is attached by an optical adhesive tape (OCA).
  • ITO indium tin oxide
  • OCA optical adhesive tape
  • a transparent electrode is formed on the ITO conductive film, and when the ITO film comes into contact, a corresponding electric signal is transmitted through a wire to perform a desired function. Therefore, an ITO pattern is required in the ITO conductive film to insulate a desired portion to form a peripheral circuit and wiring so as to perform such a function.
  • a chemical etching method is mainly used to form a pattern on an ITO film.
  • 1 is a flowchart showing a conventional method of forming a pattern on an ITO film.
  • a conventional ITO patterning method using chemical etching forms an amorphous ITO layer, photoresist coating, soft baking, and exposure. , Developing, hard baking, etching with an etchant, removing photoresist and annealing in an oven.
  • the conventional method of patterning the ITO layer by such a chemical method is complicated in the process, it takes a long time, and expensive installation and installation equipment is expensive, the installation cost is high, and the influence of the etching solution around the pattern This has the problem of being affected.
  • the circuit formation is completed by only isolating the outer ITO pattern. Therefore, the etching is usually performed by etching paste or laser etching using the low-cost 1064 nm laser. .
  • the etching is usually performed by etching paste or laser etching using the low-cost 1064 nm laser.
  • the human eye has a characteristic.
  • an index matching layer is coated or deposited on the top of the ITO film and the glass to improve the visibility problem.
  • the material to be deposited is a layer of Nb2O5 and SiO2 layers of several to several tens of nanometers in thickness (repetitive stacking of the Low index and High index), and the optical adjustment is made so that patterned ITO is not visible by setting it similar to the reflectance of ITO film and glass. To produce.
  • patterning is performed using a spot laser, patterning is performed by overlapping a laser spot of several tens of micrometers several times. At this time, in order to improve the visibility problem, the deposited index matching layer may be damaged, resulting in poor visibility.
  • polycrystalline ITO is formed by crystallization of a pattern form using an excimer laser.
  • the etching solution is different, only the polycrystalline ITO pattern can be formed by etching the amorphous ITO using an etching solution capable of etching the amorphous ITO.
  • a projection optical system of n: 1 should be formed in consideration of a damage threshold of a photo mask.
  • n: 1 the projection method of n: 1 is inevitably necessary to prevent damage of the photo mask. Should be used. Otherwise, a ceramic mask or a metal mask should be used without using a photo mask, but it is difficult to manufacture such a mask in order to produce a pattern of 10 ⁇ m, and it is difficult to use due to a large area problem. Situation.
  • the side length of 5 inches should be 381mm, and the step and repeat form should be used. Problems and reduced productivity.
  • the present invention is derived to solve the above-described problems, and to provide an ITO patterning apparatus and a patterning method that can reduce the process time and cost.
  • the present invention is to provide an ITO patterning device and a patterning method that can solve the problems caused by the overlap of the laser beam.
  • an ITO patterning method includes forming an amorphous ITO layer on a film or glass, and partially annealing the amorphous ITO layer using a laser beam in the form of a line beam and a mask on which an ITO pattern to be formed is formed.
  • the laser The wavelength of the beam is in the range of more than 0 and 250 nm or less and the amount of energy is in the range of 60 mJ / cm 2 or more and 100 mJ / cm 2 or less.
  • the ITO patterning method according to the present invention may include various embodiments.
  • the amorphous ITO layer may be repeatedly annealed two or more times.
  • Amorphous ITO is formed by vapor deposition, and the vapor deposition can be carried out under conditions where the content of water (H 2 O) is above 0 SCCM and below 6 SCCM.
  • the deposition may be performed under conditions in which the oxygen (O 2 ) content is more than 0.9 SCCM and less than 1.7 SCCM.
  • a pattern having a size of 1: 1 with the ITO pattern may be formed on the mask.
  • the ITO layer forming unit for forming an amorphous ITO layer on a film or glass, and by irradiating the amorphous ITO layer with a laser beam in the form of a line beam, using a mask to form an ITO pattern
  • a laser annealing portion that anneals the portion to form polycrystalline ITO
  • an etching portion that removes amorphous ITO and leaves polycrystalline ITO to form an ITO pattern, wherein the wavelength of the laser beam is in the range of more than 0 and 250 nm or less and energy The amount is in the range of 60 mJ / cm 2 or more and 100 mJ / cm 2 or less.
  • the ITO patterning device may include various embodiments.
  • the ITO layer forming unit forms an amorphous ITO layer by deposition, and the deposition may be performed under conditions in which the water (H 2 O) content is greater than 0 SCCM and less than 6 SCCM.
  • Deposition can be made under conditions where the oxygen (O 2 ) content is greater than 0.9 SCCM and less than 1.7 SCCM.
  • a pattern having a size of 1: 1 with an ITO pattern to be formed may be formed on the mask.
  • the present invention can provide an ITO patterning device and a patterning method that can reduce the process time and cost.
  • the present invention can provide an ITO patterning apparatus and a patterning method capable of preventing damage to the underlying layer due to the overlap of the laser beam.
  • the present invention may provide an ITO patterning device and a patterning method capable of preventing damage to an underlying layer such as a color filter or overcoat.
  • the present invention can provide an ITO patterning device and a patterning method capable of reducing the resistance value of the ITO pattern and improving the transmittance.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method of forming an ITO pattern by a conventional chemical etching.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an ITO pattern method according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a diagram illustrating a laser annealing unit.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a mask used for laser annealing.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an ITO patterning device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the transmittance with respect to the laser wavelength of the Eagle XG glass.
  • FIG. 7 is a graph illustrating secondary ion mass spectrometry for an ITO sample optimized for laser annealing and an ITO sample deposited at normal temperature, with the horizontal axis representing depth (nm) and the vertical axis representing intens (c / s).
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an ITO patterning method according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a diagram illustrating a laser annealing unit 100 partially annealing the amorphous ITO layer 160
  • FIG. 4 is a patterned mask 140 used in the laser annealing unit 100 of FIG. 3.
  • 5 is a block diagram illustrating an ITO patterning apparatus 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the ITO patterning method may include forming an amorphous ITO (a-ITO) layer 160, a laser beam and a mask in the form of a line beam. partially annealing the amorphous ITO layer 160 using a mask, and removing the non-annealed amorphous ITO using an etchant and leaving polycrystalline ITO to form an ITO pattern.
  • a-ITO amorphous ITO
  • the ITO patterning apparatus 200 the ITO layer forming unit 210 for forming the amorphous ITO layer 160 on the film or glass, the laser in the form of a line beam on the amorphous ITO layer 160 By irradiating the beam with the mask 140, the laser annealing unit 100 and the amorphous ITO 164 that form the polycrystalline ITO 162 are formed by annealing a portion to form the ITO pattern, and then the polycrystalline ITO 162 is removed. The etching unit 220 is left to form an ITO pattern.
  • the ITO patterning apparatus and method according to the present embodiment does not undergo a conventional chemical etching method, that is, a complex process such as photoresist coating, exposure and development, etc., and undergoes two steps of annealing by a laser beam and removing amorphous ITO by an etching solution. Therefore, the process is simple and there is no need to provide expensive exposure and developing equipment, and the like, thereby reducing the cost.
  • a conventional chemical etching method that is, a complex process such as photoresist coating, exposure and development, etc.
  • the ITO patterning method according to the present embodiment does not use a laser scanner and a spot-shaped laser beam, but uses a 1: 1 direct laser direct annealing using a line beam. Compared to the laser annealing method of the process speed is faster and can solve the problem due to the overlap of the laser beam.
  • the ITO layer forming unit 210 forms an amorphous ITO layer 160 by laminating amorphous indium tin oxide (ITO) on a film or glass such as polyethylene terephthalate (PET).
  • ITO indium tin oxide
  • PET polyethylene terephthalate
  • Amorphous ITO is easier to stack at low temperatures (eg, about 25 ° C.) than polycrystalline ITO.
  • the method of forming the amorphous ITO layer 160 may include chemical methods such as spraying, chemical evaporation, dipping, or physical methods such as vacuum evaporation and sputtering. have.
  • the sputtering method can reduce the resistance value and form an ITO layer with a uniform thickness.
  • the amorphous ITO layer 160 may be formed to be suitable for later crystallization by a laser.
  • the method of forming the amorphous ITO layer and the ITO layer forming unit 210 according to the present embodiment is characterized by using a significantly smaller water content than the conditions used in the general deposition equipment.
  • the process of depositing the amorphous ITO according to the present embodiment can be deposited by increasing the amount of oxygen in the chamber compared to the general deposition process, thereby increasing the transmittance of the ITO after laser crystallization compared to the reference value to secure a transmittance of 90% or more. can do.
  • the laser annealing unit 100 illustrated in FIG. 3 anneals a portion of the amorphous ITO layer 160 to form an ITO pattern using a laser.
  • the amorphous ITO annealed by the laser annealing unit 100 is formed of polycrystalline ITO and is subsequently left without being etched by the etching solution to form an ITO pattern.
  • the amorphous ITO, which is not annealed by the laser annealing unit 100, is later etched and removed by the etching solution.
  • the laser annealing unit 100 serves to form an crystalline polycrystalline ITO by annealing a portion to be formed in the ITO pattern in advance. Therefore, the laser annealing unit 100 anneals the portion to be formed in the ITO pattern, thereby etching the non-annealed portion, that is, the portion other than the ITO pattern (the etching liquid used here can etch amorphous ITO but cannot etch polycrystalline ITO). Polycrystalline ITO can be easily etched using different etching rates so that only a small fraction is etched.
  • the laser annealing unit 100 includes a laser light source 110, an attenuator 120, a beam collimation unit (telescope), a beam homogenizing and shaping unit 130, and an ITO pattern of 1
  • the mask 140 and the projection lens 150 which are formed by: 1 are included.
  • the laser annealing unit 100 illustrated in FIG. 3 is characterized in that the laser annealing unit 100 is directly annealed to a 1: 1 size using a line beam rather than using a spot beam. That is, the size of the pattern (not shown) formed on the mask 140 is the same as the size of the ITO pattern to be formed on the amorphous ITO layer 160. As such, by using the mask 140 having the ITO pattern to be formed and the pattern having a size of 1: 1 and the line beam, the laser annealing unit 100 according to the present embodiment uses the line beam once to form the mask 140. Since the annealing of the large area can be performed by scanning, the processing time can be greatly reduced as compared with the case of using a conventional spot beam, and the problem due to the overlapping of the laser beams can be solved.
  • the laser light source 110 may use a Diode Pumped Solid State (DPSS) laser having a wavelength of 355 nm, 532 nm or 1064 nm, or an excimer laser having a wavelength of 157 nm, 193 nm, 248 nm, or 308 nm.
  • DPSS Diode Pumped Solid State
  • the excimer laser exhibits a beam absorption of 90% or more in the ITO layer, so that only the upper ITO layer can be selectively annealed and the lower layer (e.g., index matching layer, color filter and overcoat, etc.) ) Almost no damage.
  • the lower layer e.g., index matching layer, color filter and overcoat, etc.
  • a laser having a wavelength of 308 nm may have high transmittance and may damage and damage laser energy such as a color filter, an overcoat, and an index matching layer corresponding to the lower layer. Accordingly, in the case of using Corning's Eagle XG glass or Soda lime glass, a wavelength of 248 nm (KrF) or 193 nm (ArF) laser may be used so that the laser is not absorbed by the lower layer.
  • KrF 248 nm
  • ArF 193 nm
  • FIG. 6 is a graph showing transmittance (y-axis) with respect to laser wavelength (x-axis) when Eagle XG glass is used.
  • the transmittance of 70% or more may occur at a wavelength of 308 nm or more to damage the color filter and the overcoat.
  • a transmittance of less than 5% is shown, thereby preventing damage to the underlying layer. Therefore, the laser annealing unit 100 according to the present embodiment may use an excimer laser having a wavelength of 250 nm or less.
  • the energy density of the laser and the degree of crystallization of the amorphous ITO layer 160 are shown in Table 3 below.
  • the laser annealing unit 100 and the annealing step according to the present embodiment may use an excimer laser having a wavelength of 248 nm and an amount of energy of 60 mJ / cm 2 or more and 100 mJ / cm 2 or less.
  • edge sharpness is an element showing the straightness of the edge portion of the ITO pattern formed by crystallization and wet etching after the laser beam transmitted through the mask 140 is irradiated to the amorphous ITO layer 160. to be.
  • edge sharpness value is large, it is determined to be inferior.
  • the edge sharpness is improved as shown in Table 3 above.
  • the wavelength is 245 nm and the energy amount is 60 mJ / cm 2
  • the edge sharpness is ⁇ 1.27 ⁇ m after 12 repeated annealing.
  • the energy amount is 100 mJ / cm 2 at the same wavelength
  • the edge sharpness is ⁇ 10 times. 0.47 ⁇ m.
  • the edge sharpness is ⁇ 1 ⁇ m or more, it is not suitable for use as a display element.
  • the attenuator 120 adjusts the energy of the laser beam output from the laser light source 110 to a desired value. By the attenuator 120, the energy of the laser beam can be adjusted between 10-90% of the laser output.
  • the beam homogenizer and the shaping unit 130 improve the uniformity of the beam and have a line beam shape.
  • the beam homogenizer converts the energy distribution from a Gaussian form to a flat top form.
  • the shaping unit changes the spot-shaped laser beam into a line beam shape.
  • the line beam corresponds to a laser beam having a length longer than its width.
  • the shape of the line beam may be, for example, 60 mm long and 1 mm wide.
  • the line beam is moved by scanning on top of the mask 140 to anneal the amorphous ITO layer 160. Since the laser annealing unit 100 according to the present embodiment uses a line beam, not only can quickly anneal a large area of the ITO layer, but also minimizes or removes an overlapping section where the laser beam overlaps, thereby making it amorphous. The lower layer of the ITO layer 160 may be prevented from being damaged.
  • the optical system between the exposure mask and the substrate pattern is manufactured in a 1: 1 structure, but the amount of energy used at this time is about 30 mJ / cm 2 or less. You can use a mask.
  • a mask having a dielectric layer structure capable of 1: 1 patterning can be used without damaging the mask at 100 mJ / cm 2 required for KrF laser annealing. Do.
  • the laser beam is manufactured in the form of a line beam by using such a mask, it is possible to form a pattern of high productivity.
  • 10-inch panels can be patterned by laser crystallization in 12 seconds.
  • the touch panel that can be produced by this method can be applied to G2, G1, GG2, On Cell products as well as GFF, GF1, GF2 products of the film base.
  • it can be applied even in the case of a product that can not produce polycrystalline ITO by applying heat during deposition of ITO due to the process characteristics.
  • the mask 140 described below with reference to FIG. 4 is a mask having such a dielectric layer structure, and may be annealed using a line beam type laser beam without being damaged in the amount of energy of 100 mJ / cm 2 required for KrF laser annealing. have.
  • a transmissive part 145 having the same shape and size as the ITO pattern to be formed is formed in the mask 140. That is, the transmission part 145 formed in the mask 140 has a size of 1: 1 with the ITO pattern to be formed in the amorphous ITO layer 160.
  • the laser beam is transmitted through the transmission part 145 formed in the mask 140 to partially anneal the amorphous ITO layer 160.
  • the laser beam is reflected by the reflector 146 of the mask 140.
  • the mask 140 includes a reflector 146 formed by alternately stacking several to several tens of layers of the first reflective film 148 and the second reflective film 152 in the buried groove 144 formed in the base substrate 142.
  • the remaining portion of the base substrate 142 on which the reflective portion 146 is not formed corresponds to the transmission portion 145 through which light passes.
  • the base substrate 142 is formed of a material that transmits the laser beam.
  • a glass substrate, a fused silica substrate, a quartz substrate, a synthetic quartz substrate, or a CaF 2 substrate may be used as the base substrate 142.
  • an anti-refection coating (ARC) (not shown) may be additionally formed on the bottom surface of the base substrate 142, that is, the surface where the laser beam is incident, thereby transmitting through the base substrate 142.
  • the annealing efficiency can be increased by improving the transmittance of the laser beam at 145.
  • a buried groove 144 is formed in a portion other than to form an ITO pattern, and a buried portion 146 is formed in the buried groove 144 to reflect a laser beam.
  • the buried groove 144 is a groove having a constant depth and may be formed through a photoresist patterning process or a patterning process using a laser.
  • the buried groove 144 formed in the base substrate 142 is formed with a reflector 146 reflecting the laser beam.
  • the reflector 146 is formed by alternately stacking several to tens of layers of the first reflective film 148 and the second reflective film 152 having different reflectances.
  • the buried groove 144 is completely filled by laminating the first reflective film 148 and the second reflective film 152.
  • the first reflective film 148 may be a SiO 2 film or an MgF 2 film having a relatively low refractive index
  • the second reflective film 152 may be a TiO 2 film or an Al 2 O 3 film having a higher refractive index than the first reflective film 148.
  • Ta 2 O 5 film, Cerium fluoride film, Zinc sulfide film, AlF 3 film, Halfnium oxide film or Zirconium oxide film may be used.
  • the reflector 146 may be formed by repeatedly stacking a stacked structure such as an HfO 2 film / SiO 2 film, a Ta 2 O 5 film / SiO 2 film, or the like, and the HfO 2 film / SiO.
  • the first reflective film 148 and the second reflective film 152 are evaporative deposition, ion beam assisted deposition, chemical vapor deposition (CVD), and ion beam deposition, respectively.
  • evaporative deposition ion beam assisted deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ion beam deposition ion beam deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • sputter deposition sputter deposition
  • the transmissive portion 145 of the mask 140 has the same shape and size as the ITO pattern to be formed in the amorphous ITO layer 160. Therefore, the laser beam in the form of a line beam transmitted through the transmission part 145 is irradiated to the amorphous ITO layer 160 to convert the amorphous ITO into polycrystalline ITO by annealing. Polycrystalline ITO formed by being annealed by a line beam is left without being etched later by an etchant and becomes an ITO pattern.
  • the reflective portion 146 of the mask 140 corresponds to a portion other than the ITO pattern to be formed in the amorphous ITO layer 160. Therefore, since the laser beam is reflected by the reflector 146, the laser beam does not reach the portion of the amorphous ITO layer 160 corresponding to the reflector 146. A portion of the amorphous ITO layer 160 that has not been annealed by the laser beam is later etched by the etchant.
  • the projection lens 150 allows the line beam 152 passing through the mask 140 to enter the amorphous ITO layer 160 in the same size and shape as the mask 140.
  • the polycrystalline ITO 162 is formed on a portion of the amorphous ITO layer 160 annealed by the laser annealing unit 100.
  • the amorphous ITO 164 remains in the portion of the amorphous ITO 160 that is not annealed by the laser annealing unit 100.
  • the etching unit 220 removes the amorphous ITO 164 using the etching solution from the partially annealed amorphous ITO layer 160.
  • the etchant oxalic acid or acetic acid may be used, and the annealed polycrystalline ITO 162 may not etch, but only the annealed amorphous ITO 164. As a result, an ITO pattern to be formed by the polycrystalline ITO 162 not etched by the etching solution is formed.
  • the remaining etching solution may be removed by a cleaning process.
  • the ITO patterning method according to the present embodiment crystallizes the ITO layer at least twice using relatively weak energy (for example, 60 mJ / cm 2).
  • the annealing may be performed by repeating the energy amount of the laser beam 6 times or more at 80 mJ / cm 2.
  • the number of laser irradiations per surface can be adjusted by controlling the moving speed of the stage 170.
  • the line beam thickness is 1 mm and the frequency of the laser pulse is 100 Hz, it is annealed once at a moving speed of 100 mm / s, but is repeatedly annealed five times at 20 mm / s.
  • the mask 140 is not only a dielectric mask but also a high refractive metal thin film mask, a diffusing mask, a photo mask, a ceramic mask, or a metal mask. mask).
  • a material having low thermal deformation such as invar is used, and when etching by wet etching, it is difficult to form a fine pattern due to an isotropic problem. .
  • the natural deflection of the invar occurs, so the thickness of the invar should be increased, but it is more difficult to form a fine pattern as the thickness increases.
  • a lithography pattern including a sacrificial layer may be formed on a quartz plate, followed by dry etching or masking, and then a diffusing pattern may be formed by sandblasting.
  • a diffusing pattern may be formed by sandblasting.
  • the semiconductor dry etching equipment is used in large-area production, so it can be etched about 300mm x 300mm.
  • a pattern is formed by forming chromium and chromium oxide layers, but ablation of the chromium layer occurs within the process range of the 248 nm excimer laser. Therefore, it is possible to manufacture a mask that can be used even at a slightly higher energy than the process range by depositing a high refractive layer such as aluminum (Al).

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Abstract

ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 ITO 패터닝 방법은, 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 단계와, 라인빔 형태의 레이저빔 및 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 비정질 ITO 레이어를 부분적으로 어닐링함으로써, ITO 패턴으로 형성할 부분을 다결정 ITO로 형성하는 단계와, 화학적인 에칭에 의해서 비정질 ITO 레이어에서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있다.

Description

ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법
본 발명은 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법에 관한 것이다.
최근 많이 사용되고 있는 스마트 폰 또는 태블릿 PC에는 터치 스크린이 구비되어 있다. 터치 스크린은 사용자가 해당 기기의 디스플레이 상에 표시되는 정보를 보고 디스플레이 상에 부착된 터치 스크린에 대응하는 터치 활성영역을 손가락 또는 펜으로 접촉하여 선택하면, 원하는 정보가 디스플레이에 표시되게 하는 장치이다. 최근에는 스마트 폰이나 태블릿 PC 사용의 증가로 인해서 터치 스크린의 사용도 증가하고 있다.
터치 스크린은 그 구조에 따라서 정전용량 방식 또는 저항막 방식으로 구분된다. 이중에서 정전용량 방식은 투과율 및 내구성이 우수하고 멀티터치(multi-touch)가 가능한 장점을 갖는다.
정전용량 방식의 터치 스크린에는 각 축의 좌표에 해당하는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름층이 구비되어 있으며, 각각의 ITO 필름은 광학접착테이프(OCA)에 의해 부착된다. 또한, ITO 필름에는 ITO 도전막에 투명전극이 형성되며, ITO 필름을 접촉하게 되면 해당되는 전기신호가 배선을 통해 전달되어 원하는 기능을 수행하게 된다. 따라서 이와 같은 기능을 수행할 수 있도록 ITO 도전막에는 원하는 부분을 절연시켜서 주변회로와 배선을 형성하기 위한 ITO 패턴(pattern)이 필요하다.
종래에는 ITO 필름에 패턴을 형성하기 위해서 화학적인 에칭 방법이 주로 이용되었다. 도 1은 ITO 필름에 패턴을 형성하는 종래의 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 화학적 에칭을 사용하는 종래의 ITO 패터닝 방법은, 비정질(amorphous) ITO 레이어(layer)를 형성하고, 포토레지스트(photo resist) 코팅, 소프트 베이킹(soft baking), 노광(exposure), 현상(developing), 하드 베이킹(hard baking), 에칭액으로 에칭, 포토레지스트 제거 및 오븐에서 어닐링(annealing)과 같은 공정을 거쳐야 한다.
이와 같은 화학적인 방법에 의해 ITO 레이어를 패터닝 하는 종래의 방법은, 공정이 복잡하여 시간이 많이 소요되고, 고가의 노광 및 현상 장비 등을 구비해야 하기 때문에 설치 비용이 높으며, 에칭액의 영향으로 패턴 주변이 영향을 받게 되는 문제점을 갖는다.
이와 같은 화학적 에칭의 문제점을 해결하기 위해서, 종래에는 레이저를 이용하여 ITO 레이어를 어닐링하는 방법이 사용되고 있다.
저항막 방식의 경우 외곽 ITO 패턴만 분리(isolation)시켜 주면 회로 형성이 완료 되기 때문에, 통상 에칭 페이스트에 의한 에칭으로 제작하거나 가격이 저렴한 1064nm 레이저를 이용하여 외곽 패턴부를 레이저 에칭하는 방법으로 제작하고 있다. 그러나 정전용량 제품의 경우 내부 회로들의 패턴 형성이 필요하며, 이 부분은 육안으로 관측되기 쉽기 때문에 내부 패턴을 레이저를 이용한 방법으로 패터닝 할 경우 사람 눈에 잘 보이는 특성을 가지고 있다. 특히 시인성 문제가 터치센서 제작의 중요한 이슈 사항으로 부각되어 있는 최근의 상황에서는, 레이저에 의한 시인성 문제와 미세 패턴 형성 문제로 인해 정전용량 제품의 경우 레이저 적용에 많은 어려움이 있는 상태이다.
시인성 문제를 개선하기 위해 ITO 필름 및 글라스 상단에 인덱스 매칭 레이어(Index Matching Layer)를 코팅 또는 증착하여 시인성 문제를 개선하고 있다. 증착하는 물질은 Nb2O5와 SiO2 레이어를 수 ~ 수십 나노미터의 두께로 적층(Low index와 High index를 반복 적층)하여, ITO 필름 및 글라스의 반사율과 유사게 설정하여 패턴된 ITO가 보이지 않도록 광학적 조정을 하여 제작한다.
또한, 일반적인 레이저 패터닝의 경우는 스폿(Spot) 레이저를 이용하여 패터닝 하기 때문에 수십 마이크로 미터의 레이저 스폿을 여러 번 중첩(overlap)하여 패터닝을 진행 하고 있다. 이때, 시인성 문제를 개선하기 위해 증착한 인덱스 매칭 레이어가 손상되어 시인성 불량이 발생 한다.
특히, DPSS 레이저의 경우 한 펄스당 수 ~ 수십 μJ의 높은 에너지로 인해 하부 인덱스 매칭 레이어 및 필름층까지 손상이 많이 발생하게 된다.
이러한 문제의 개선을 위해, 통상적인 나노 펄스 레이저보다 열영향이 적게 나타나는 피코 펄스(Pico Pulse) 레이저를 이용하는 경우에도, 누적된 열영향에 의한 하부 인덱스 매칭 레이어의 손상은 발생한다.
미국 등록 특허 US 6,448,158에서와 같이 글라스 상단에 비정질 ITO를 증착한 후에 엑시머 레이저를 이용하여 패턴 형태의 결정화를 진행하여 다결정 ITO를 형성한다. 비정질 ITO와 다결정 ITO의 경우 에칭액이 다르기 때문에, 비정질 ITO를 식각할 수 있는 에칭액을 이용하여 비정질 ITO를 에칭하면 다결정 ITO 패턴만 형성이 가능하다. 그러나 이러한 패턴 형성을 위한 레이저 결정화 설비의 경우 현재 사용하고 있는 5인치 이상의 패턴을 형성하기 위해서는 포토 마스크(photo mask)의 손상 한계치(damage threshold)를 고려하여 n:1의 프로젝션 광학계를 형성하여야 한다. 248nm 엑시머 레이저에서의 통상적인 포토 마스크의 손상 한계치가 50mJ/㎠이지만 비정질 ITO의 레이저 결정화 에너지의 경우 60 ~ 100mJ/㎠ 이므로, 포토 마스크의 손상 방지를 위해서는 필연적으로 n:1의 프로젝션(projection) 방식을 이용하여야 한다. 아니면 포토 마스크를 사용하지 않고, 세라믹 마스크(ceramic mask)나 메탈 마스크(metal mask)를 사용하여야 하지만, 10㎛급의 패턴 제작을 위해서는 이러한 마스크의 제작이 어렵고 대면적화에도 문제가 많아 실제 사용하기에는 어려운 상황이다.
포토 마스크를 3:1로 제작 할 경우에 5인치 기준으로 한 변의 길이가 381mm로 제작하여야 하며, 스텝 앤드 리피트(step and repeat) 형태로 제작하여야 하므로 샷(shot)간 중첩 부분에 대한 스티치(stitch) 문제와 생산성 저하 문제가 발생한다.
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 공정 시간 및 비용을 줄일 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 레이저빔의 중첩으로 인해 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 ITO 패터닝 방법은, 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 단계와, 라인빔 형태의 레이저빔 및 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 비정질 ITO 레이어를 부분적으로 어닐링함으로써, ITO 패턴으로 형성할 부분을 다결정 ITO로 형성하는 단계와, 화학적인 에칭에 의해서 비정질 ITO 레이어에서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있다.
본 발명에 따른 ITO 패터닝 방법은 다양한 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들면, 비정질 ITO 레이어를 2회 이상 반복하여 어닐링할 수 있다.
비정질 ITO는 증착에 의해서 형성되고, 증착은 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 이루어질 수 있다. 그리고 증착은 산소(O2) 함량이 0.9 SCCM 초과 및 1.7 SCCM 이하인 조건에서 이루어질 수 있다.
마스크에는 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 ITO 패터닝 장치는, 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 ITO 레이어 형성부와, 비정질 ITO 레이어에 라인빔 형태의 레이저빔을 마스크를 이용하여 조사함으로써, ITO 패턴을 형성할 부분을 어닐링 하여 다결정 ITO를 형성하는 레이저 어닐링부와, 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 에칭부를 포함하고, 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있다.
본 발명에 따른 ITO 패터닝 장치는 다양한 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들면, ITO 레이어 형성부는 증착에 의해서 비정질 ITO 레이어를 형성하고, 증착은 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 이루어질 수 있다.
증착은 산소(O2) 함량이 0.9 SCCM 초과 및 1.7 SCCM 이하인 조건에서 이루어질 수 있다.
마스크에는 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명은 공정 시간 및 비용을 줄일 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저빔의 중첩에 의한 하부 레이어의 손상을 방지할 수 있는ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 컬러 필터(color filter) 또는 오버코트(overcoat) 등과 같은 하부층의 손상을 방지할 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 ITO 패턴의 저항값을 줄이고 투과율도 개선할 수 있는 ITO 패터닝 장치 및 패터닝 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 화학적 에칭에 의해 ITO 패턴을 형성하는 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패턴 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 레이저 어닐링부를 예시하는 도면이다.
도 4는 레이저 어닐링에 사용되는 마스크를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치를 예시하는 블록도이다.
도 6은 Eagle XG 글라스의 레이저 파장에 대한 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 레이저 어닐링에 최적화된 ITO 시료 및 일반 상온에서 증착된 ITO 시료에 대한 이차 이온 질량분석을 나타낸 그래프로서, 가로축은 깊이(depth, nm) 세로축은 intens(c/s)를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법을 예시하는 순서도이다. 그리고 도 3은 비정질 ITO 레이어(160)를 부분적으로 어닐링 하는 레이저 어닐링부(100)를 예시하는 도면이고, 도 4는 도 3의 레이저 어닐링부(100)에서 사용되는, 패턴이 형성된 마스크(140)를 예시하는 도면이다. 그리고 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치(200)를 예시하는 블록도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법은, 비정질 ITO(a-ITO) 레이어(160)를 형성하는 단계, 라인빔(line beam) 형태의 레이저빔 및 마스크(mask)를 이용하여 비정질 ITO 레이어(160)를 부분적으로 어닐링 하는 단계, 그리고 에칭액을 이용하여 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 다결정 ITO를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치(200)는, 비정질 ITO 레이어(160)를 필름 또는 글라스에 형성하는 ITO 레이어 형성부(210), 비정질 ITO 레이어(160)에 라인빔 형태의 레이저빔을 마스크(140)를 이용하여 조사함으로써, ITO 패턴을 형성할 부분을 어닐링하여 다결정 ITO(162)를 형성하는 레이저 어닐링부(100) 그리고 비정질 ITO(164)를 제거하고 다결정 ITO(162)를 잔존시켜서 ITO 패턴을 형성하는 에칭부(220)를 포함한다.
본 실시예에 따른 ITO 패터닝 장치 및 방법은 종래의 화학적인 에칭 방법, 즉 포토레지스트 코팅, 노광 및 현상 등과 같은 복잡한 공정을 거치지 않고, 레이저빔에 의한 어닐링 및 에칭액에 의한 비정질 ITO 제거 두 단계를 거치기 때문에, 공정이 간단하고 고가의 노광 및 현상 장비 등을 구비할 필요가 없게 되어 비용을 절감할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법은 레이저 스캐너 및 스폿(spot) 형상의 레이저빔을 이용하는 것이 아니라, 라인빔을 이용하여 1:1 방식의 레이저 다이렉트 어닐링(laser direct annealing)을 이용하기 때문에, 종래의 레이저 어닐링 방식에 비해 공정 속도가 빠르고 레이저빔의 중첩으로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
ITO 레이어 형성부(210)는 PET(Polyethylene Terephthalate) 등과 같은 필름(film) 또는 글라스(glass) 상에 비정질 ITO(Indium Tin Oxide)를 적층하여 비정질 ITO 레이어(160)를 형성한다. 비정질 ITO는 다결정 ITO에 비해 저온(예를 들면, 약 25℃)에서 적층이 용이하다.
비정질 ITO 레이어(160)를 형성하는 방법은, 스프레이(spray), 화학증착(chemical evaporation), 디핑(dipping) 등과 같은 화학적 방법 또는 진공증착(vacuum evaporation) 및 스퍼터링(sputtering) 등과 같은 물리적 방법 등이 있다. 일반적으로, 스퍼터링 방법이 저항값을 줄이고 두께가 균일한 ITO 레이어를 형성할 수 있다.
비정질 ITO 레이어(160)는 추후 진행되는 레이저에 의한 결정화에 적합하도록 형성될 수 있다. 스퍼터링(sputtering) 방법의 경우 저항값과 연관된 파라미터(parameter)에 해당하는 증착 분위기 특히 물(H2O) 및 산소(O2)의 함량에 따라서 증착되는 비정질 ITO의 레이저에 대한 결정화 정도 및 투과율이 변화된다. 따라서 비정질 ITO 레이어(160)를 증착하는 과정에서 물 및 산소의 함량을 제어함으로써, 비정질 ITO의 레이저에 대한 결정화 정도 및 투과율을 변화시킬 수 있고 이를 통해서 추후 레이저에 의한 결정화를 더욱 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 결정화 후의 투과율도 높일 수 있게 된다.
화학적인 에칭에 의해서 비정질 ITO를 결정화 하는 종래의 공정에서는, 비정질 ITO 레이어를 증착하는 과정에서 물을 사용함으로써 증착시 발생하는 열의 영향으로 순수 비정질 ITO에서 일부 다결정 ITO가 형성되는 것을 방지하여 균일한 에칭을 가능하게 하였다. 그러나 레이저를 이용하여 ITO를 결정화하는 경우에는 물의 함량이 증가하면 결정화가 잘 이루어지지 않는다. 따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO 레이어를 형성하는 방법 및 ITO 레이어 형성부(210)는 일반적인 증착장비에서 사용하는 조건에 비해서 현저히 작은 물 함량을 이용하는 것을 특징으로 한다.
아래 표1을 참조하면, 물의 함량이 6 SCCM인 비교예의 경우에는 ITO 증착 완료 후의 투과율(transmittance)이 83.62%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 88.14%로서 4.52% 증가함을 알 수 있다. 이에 대해, 물의 함량이 0 초과 및 6 SCCM 미만인 실험예1의 경우에는 ITO 증착 완료 후의 투과율이 84.6%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 89.3%로서 4.7% 증가함을 알 수 있다. 이에 반해, 물의 함량이 6 SCCM 이상 및 10 SCCM 미만인 실험예2의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 84.5%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 83,7%로 0.8% 감소함을 알 수 있다.
또한, 도 7과 같이 레이저 어닐링에 최적화된 ITO 시료(좌측)와 일반 증착 시료(우측)의 경우 증착 시 물의 함량에 따라서 레이저 어닐링 이후 시료에 잔존하는 H의 함량에 차이가 발생하여 결정화 정도에 따른 저저항 구현과 투과율에 많은 영향을 준다. 일반 상온 ITO 증착 시료의 경우(도 7에서 우측)에는 어닐링 이후에 시료에 H의 함량이 상대적으로 높기 때문에 투과율이 낮고 저항이 높은 문제점을 갖는다.
표 1
스퍼터링 증착조건 투과율
ITO 증착 후 레이저 결정화 완료 후 변화량
비교예(물 함량 6 SCCM) 83.62% 88.14% +4.52%
실험예1(0<물 함량<6 SCCM) 84.6% 89.3% +4.7%
실험예2(6≤물 함량<10 SCCM) 84.5% 83.7% -0.8%
따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO 레이어를 증착하는 과정에서는, 물의 함량을 6 SCCM 미만으로 유지함으로써, ITO 레이어에 대한 결정화를 더욱 용이하게 하고 투과율도 높일 수 있다.
그리고 비정질 ITO를 증착할 때 챔버(chamber)에 산소 가스 공급량을 감소시킬 경우, 증착된 비정질 ITO 레이어(160)의 투과율이 감소하여 레이저에 의한 결정화 이후에도 기준치에 미달하는 문제점이 있다. 따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO를 증착하는 과정은 챔버 내부의 산소량을 일반적인 증착 공정에 비해 증가시켜서 증착할 수 있는데, 이로 인해 레이저 결정화 이후의 ITO 투과율이 기준치에 비해 증가하여서 90% 이상의 투과율을 확보할 수 있다.
아래 표2를 참조하면, 산소의 함량이 0.9 SCCM인 비교예의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 83.62%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 88.14%로서 4.52% 증가함을 알 수 있다. 이에 대해, 산소의 함량이 비교예에 비해서 감소하여 1.0 초과 및 1.5 SCCM 미만인 실험예1의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 68.1%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 76.2%로서 8.1% 증가함을 알 수 있다. 그리고 산소의 함량이 1.5 초과 3.0 SCCM 이하인 실험예2의 경우에는 ITO 스퍼터링 완료 후의 투과율이 86.3%이고 레이저 결정화 완료 후의 투과율이 91.4%로 5.1% 증가함을 알 수 있다.
표 2
스퍼터링 증착조건 투과율
ITO 증착 후 레이저 결정화 완료 후 변화량
비교예(산소 함량 0.9 SCCM) 83.62% 88.14% +4.52%
실험예1(1.0<산소 함량<1.5 SCCM) 68.1% 76.2% +8.1%
실험예2(1.5<산소 함량≤3.0 SCCM) 86.3% 91.4% +5.1%
따라서 본 실시예에 따른 비정질 ITO 레이어를 증착하는 과정에서는, 산소의 함량을 1.0 초과 3.0 SCCM 이하로 유지함으로써, 레이저 결정화 이후 ITO 레이어의 투과율을 높일 수 있다.
도 3에 예시된 레이저 어닐링부(100)는, 비정질 ITO 레이어(160)에서 ITO 패턴을 형성하고자 하는 부분을 레이저를 이용하여 어닐링한다. 레이저 어닐링부(100)에 의해서 어닐링된 비정질 ITO는 다결정 ITO로 형성되어 추후 에칭액에 의해 식각되지 않고 잔존하여서 ITO 패턴이 된다. 그리고 레이저 어닐링부(100)에 의해서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO는 추후 에칭액에 의해서 식각되어 제거된다.
이와 같이, 레이저 어닐링부(100)는 ITO 패턴으로 형성할 부분을 미리 어닐링하여 다결정 ITO로 형성하는 역할을 한다. 따라서 레이저 어닐링부(100)는 ITO 패턴으로 형성할 부분을 어닐링함으로써, 어닐링 되지 않은 부분 즉 ITO 패턴 이외의 부분을 에칭액(여기서 사용되는 에칭액은 비정질 ITO를 식각할 수 있지만 다결정 ITO를 식각할 수 없음. 다결정 ITO는 에칭 레이트(etching rate)가 달라서 미량의 일부만 에칭됨)을 이용하여 용이하게 식각할 수 있도록 한다.
레이저 어닐링부(100)는, 레이저광원(110), 어테뉴에이터(120), 빔 콜리메이션 유닛(텔레스코프), 빔호모지나이저 및 쉐이핑 유닛(beam homogenizing and shaping unit)(130), ITO 패턴이 1:1로 형성되어 있는 마스크(140), 프로젝션 렌즈(150)를 포함한다.
도 3에 예시된 레이저 어닐링부(100)는 스폿 빔(spot beam)을 이용하는 것이 아니라 라인빔(line beam)을 이용하여 1:1 사이즈로 직접 어닐링하는 것을 특징으로 한다. 즉, 마스크(140)에 형성되어 있는 패턴(도시하지 않음)의 크기는, 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴의 크기와 동일하다. 이와 같이, 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1 사이즈의 패턴을 갖는 마스크(140) 그리고 라인빔을 이용함으로써, 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100)는 라인빔이 마스크(140)를 한 번 스캔(scan)하여 대면적에 대한 어닐링을 수행할 수 있기 때문에, 종래의 스폿 빔을 이용하는 경우에 비해서 공정 시간을 대폭 줄일 수 있고 레이저빔의 중첩으로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
레이저광원(110)은, 파장이 355nm, 532nm 또는 1064nm와 같은 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저를 이용하거나 또는 파장이157nm, 193nm, 248nm, 308nm와 같은 엑시머(excimer) 레이저를 사용할 수 있다. 이 중에서 엑시머 레이저는 ITO 레이어에서 90% 이상의 빔 흡수율을 나타내기 때문에, 상부의 ITO 레이어만 선택적으로 어닐링할 수 있고 그 하부층(예를 들면, 인덱스 매칭 레이어(index matching layer), 칼라 필터 및 오버코트 등)을 거의 손상시키지 않는다.
엑시머 레이저 중에서 파장이 308nm인 레이저의 경우 투과율이 높아서 하부층에 해당하는 컬러 필터(color filter), 오버코트(overcoat) 및 인덱스 매칭 레이어 등에 레이저 에너지가 도달하여 손상시킬 수도 있다. 따라서 코닝(Corning)사의 Eagle XG 글라스 또는 소다라임(Sodalime) 글라스를 이용하는 경우 등에 있어서는, 레이저가 하부층에는 흡수되지 않도록 파장이 248nm(KrF) 또는 193nm(ArF) 레이저를 사용할 수 있다.
도 6은 Eagle XG 글라스를 사용한 경우 레이저 파장(x축)에 대한 투과율(y축)을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일반적으로 TFT LCD 용으로 가장 많이 사용되고 있는 Eagle XG 글라스의 경우, 파장이 308nm 이상에서는 70% 이상의 투과율이 발생하여 하부의 컬러 필터 및 오버코트 등을 손상시킬 수 있다. 그러나 파장이 250nm에서는 5% 미만의 투과율이 나타내기 때문에 하부층의 손상을 방지할 수 있게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100)는 파장이 250nm 이하의 엑시머 레이저를 사용할 수 있다.
파장이 250nm 이하, 예를 들면 파장이 248nm인 엑시머 레이저를 사용하는 경우 레이저의 에너지량(energy density)과 비정질 ITO 레이어(160)의 결정화 정도는 아래 표3과 같이 나타난다.
표 3 248nm 파장의 레이저를 이용한 경우 에너지량과 다결정 ITO 레이어의 결정화 정도
에너지량 (mJ/㎠) 다결정 ITO 면저항 (Ω/㎠) 에지 선예도 (㎛)
50 55.4 ±1.9㎛
60 28.2 ±1.27㎛
65 23.8 ±0.96㎛
70 18.1 ±0.78㎛
75 17.9 ±0.67㎛
80 18.1 ±0.59㎛
85 20.5 ±0.57㎛
90 22.3 ±0.52㎛
95 25.9 ±0.48㎛
100 28.6 ±0.47㎛
105 350 ±0.39㎛
상기 표3에서 알 수 있는 바와 같이, 레이저 에너지량이 100mJ/㎠를 초과하는 경우에는 비정질 ITO 레이어의 결정화 정도가 심해서 마이크로 크랙(micro crack)이 발생하게 되는데, 이로 인해 다결정 ITO의 저항값이 증가하게 된다. 또한, 레이저 에너지량이 60 mJ/㎠ 미만의 경우에는 결정화 정도가 약해서 ITO 결정화가 약하게 이루어지는데, 이로 인해 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100) 및 어닐링 단계는, 파장이 248nm이고 에너지량이 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하인 엑시머 레이저를 이용할 수 있다.
그리고 파장이 248nm인 레이저를 사용하여 비정질 ITO 레이어(160)를 결정화할 때 중요한 파라미터는 저저항 구현, 투과율 증가, 미세 선간/선폭 형성(resolution), 라인 형성시의 선예도(sharpness), 다결정 ITO와 비정질 ITO를 습식 에칭(wet etching) 할 경우 선택비(selectivity), 습식 에칭시의 테이퍼(taper), 생산 속도, 레이저빔의 균일성, 레이저빔 오버랩(overlap) 영역의 패턴 구현성, ITO 타겟 물지의 구성비 등이 있다. 이 중에서 에지 선예도(edge sharpness)는, 마스크(140)를 투과한 레이저빔이 비정질 ITO 레이어(160)에 조사되면서 결정화가 이루어지고 습식 에칭 후에 형성된 ITO 패턴의 가장자리(edge) 부분의 직진성을 나타내는 요소이다. 이와 같은 에지 선예도 값이 크게 나타날 경우 불량으로 판단되지만, 레이저 에너지량이 100mJ/㎠과 같이 클 경우에는 상기 표3에서 알 수 있는 바와 같이 에지 선예도가 개선됨을 알 수 있다. 예를 들어 파장이 245nm이고 에너지량이 60mJ/㎠인 경우 12회 반복하여 어닐링한 경우 에지 선예도가 ±1.27㎛이지만, 동일한 파장에서 에너지량이 100mJ/㎠인 경우 8회 반복하여 어닐링한 경우 에지 선예도가 ±0.47㎛로 나타났다. 참고로, 에지 선예도가 ±1㎛ 이상일 경우 표시 소자로서 사용하기에는 부적절하다.
어테뉴에이터(attenuator)(120)는 레이저광원(110)에서 출력된 레이저빔의 에너지를 원하는 값으로 조절한다. 어테뉴에이터(120)에 의해 레이저빔의 에너지는 레이저 출력의 10~90% 사이에서 조절될 수 있다.
빔호모지나이저 및 쉐이핑 유닛(130)은 빔의 균일도를 향상하고 라인빔 형상을 갖도록 한다. 빔호모지나이저는, 에너지 분포를 가우시안(Gaussian) 형태에서 플랫탑(flat top) 형태로 변환한다. 그리고 쉐이핑 유닛은 스폿 형상의 레이저빔을 라인빔 형상으로 변경한다.
라인빔은 그 폭에 비해 길이가 긴 형태의 레이저빔에 해당한다. 라인빔의 형태는 예를 들여, 길이가 60mm이고 폭이 1mm에 해당할 수 있다. 라인빔은 마스크(140)의 상부에서 스캐닝(scanning)에 의해 이동함으로써, 비정질 ITO 레이어(160)에 대한 어닐링을 실시한다. 본 실시예에 따른 레이저 어닐링부(100)는 라인빔을 이용하기 때문에, 대면적의 ITO 레이어를 신속하게 어닐링할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저빔이 중첩되는 오버랩(overlap) 구간을 최소화 또는 제거하여 비정질 ITO 레이어(160)의 하부층이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
일반 TFT 글라스 패턴을 형성하는 스캐너(scanner) 노광 장비의 경우, 노광용 마스크와 기판 패턴간의 광학계가 1:1 구조로 제작되고 있지만, 이때 사용하는 에너지량은 30mJ/㎠ 이하 정도이기 때문에, 통상적인 포토 마스크를 사용할 수 있다.
포토 마스크를 사용하는 경우의 문제점을 개선 하기 위해, 1:1 패터닝이 가능한 유전체 레이어(dielectric layer) 구조의 마스크를 이용하여 KrF 레이저 어닐링에서 필요한 100mJ/㎠에서 손상을 받지 않는 형태로 마스크 사용이 가능하다. 특히 이러한 마스크의 사용으로 레이저 빔을 라인빔 형태로 제작하면 고 생산성의 패턴 형성이 가능하다. 라인빔을 최대 100mm x 1mm까지 제작할 경우, 10인치 패널을 12초 만에 레이저 결정화 시켜 패터닝 할 수 있다.
이러한 방법의 경우 US 6,448,158 특허에서 제안한 레어저 결정화에서 해결하지 못한 부분인 고생산성의 다결정 ITO 형성 방법을 개선할 수 있게 된다.
그리고 이러한 방법으로 생산할 수 있는 터치패널은, 필름 베이스(film base)의 GFF, GF1, GF2 제품뿐만 아니라 G2, G1, GG2, On Cell 제품 등에 적용 될 수 있다. 특히 공정 특성상 ITO 증착시 열을 가하여 다결정 ITO를 제작할 수 없는 제품의 경우에도 적용될 수 있다. 아래 도 4를 통해 설명하는 마스크(140)는 이와 같은 유전체 레이어 구조의 마스크로서, KrF 레이저 어닐링에서 필요한 100mJ/㎠ 에너지량에서 손상을 받지 않고 라인빔 형태의 레이저빔을 이용하여 어닐링을 실시할 수 있다.
도 4를 참조하면, 마스크(140)에는 형성하고자 하는 ITO 패턴과 동일한 형상 및 크기의 투과부(145)가 형성되어 있다. 즉, 마스크(140)에 형성된 투과부(145)는 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1의 크기를 갖는다. 마스크(140)에 형성된 투과부(145)를 통해서 레이저빔이 투과하여 비정질 ITO 레이어(160)를 부분적으로 어닐링한다. 그리고 마스크(140)의 반사부(146)에서는 레이저빔이 반사된다.
마스크(140)는 베이스기판(142)에 형성된 매립홈(144)에 제1반사막(148) 및 제2반사막(152)을 교대로 수 내지 수십층 적층하여 형성된 반사부(146)를 포함한다. 그리고 반사부(146)가 형성되지 않은 베이스기판(142)의 나머지 부분은 빛이 투과하는 투과부(145)에 해당한다.
베이스기판(142)은 레이저빔을 투과시키는 재질에 의해 형성된다. 베이스기판(142)으로는 유리기판, 용융 실리카(fused silica) 기판, 석영(Quartz) 기판, 합성 석영(Synthetic Quartz) 기판 또는 CaF2 기판 등이 사용될 수 있다. 또한, 베이스기판(142)의 저면, 즉 레이저빔이 입사되는 면에는 반사방지막(Anti-Refection Coating; ARC)(도시하지 않음)이 추가로 형성될 수 있으며, 이를 통해 베이스기판(142)의 투과부(145)에서 레이저빔의 투과율을 향상시킴으로써 어닐링 효율을 높일 수 있다.
베이스기판(142)에서, ITO 패턴을 형성하고자 하는 이외의 부분에는 매립홈(144)이 형성되고, 매립홈(144)에는 레이저빔을 반사시키는 반사부(146)가 형성된다. 매립홈(144)은 일정한 깊이를 가진 홈으로서, 포토레지스트 패터닝 공정이나 레이저를 이용한 패터닝 공정을 통해서 형성될 수 있다.
베이스기판(142)에 형성되는 매립홈(144)에는 레이저빔을 반사하는 반사부(146)가 형성된다. 반사부(146)는 상이한 반사율을 갖는 제1반사막(148) 및 제2반사막(152)을 교대로 수 내지 수십층 적층함으로써 형성된다. 제1반사막(148) 및 제2반사막(152)의 적층에 의해서 매립홈(144)이 완전히 매립된다.
제1반사막(148)은 굴절율이 상대적으로 낮은 SiO2막 또는 MgF2막이 사용될 수 있으며, 제2반사막(152)은 제1반사막(148)에 비해 굴절율이 높은 TiO2막, Al2O3막, Ta2O5막, Cerium fluoride막, Zinc sulfide막, AlF3막, Halfnium oxide막 또는 Zirconium oxide막 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 반사부(146)는 HfO2막/SiO2막, Ta2O5막/SiO2막 등의 적층 구조를 반복적으로 수 내지 수십층 적층함으로써 형성될 수 있으며, HfO2막/SiO2막의 경우에는 5J/cm2~8J/cm2, Ta2O5막/SiO2막의 경우에는 10 J/cm2 정도의 에너지를 갖는 레이저빔에 견딜 수 있도록 형성될 수 있다.
제1반사막(148) 및 제2반사막(152)은 각각 기상증착(evaporative deposition), 이온보조증착(ion beam assisted deposition), 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 이온증착(ion beam deposition), 분자선 결정성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 스퍼터 증착(sputter deposition) 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
마스크(140)의 투과부(145)는 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴의 형상 및 크기와 동일하다. 따라서 투과부(145)를 투과한 라인빔 형태의 레이저빔은 비정질 ITO 레이어(160)에 조사되어서 어닐링에 의해서 비정질 ITO를 다결정 ITO로 변환시킨다. 라인빔에 의해 어닐링되어 형성된 다결정 ITO는 추후 에칭액에 의해 식각되지 않고 잔존하여서 ITO 패턴으로 된다.
마스크(140)의 반사부(146)는 비정질 ITO 레이어(160)에 형성하고자 하는 ITO 패턴 이외의 부분에 대응한다. 따라서 레이저빔은 반사부(146)에 의해 반사되기 때문에, 반사부(146)에 대응하는 비정질 ITO 레이어(160) 부분에는 레이저빔이 도달하지 않게 된다. 레이저빔에 의해 어닐링되지 않은 비정질 ITO 레이어(160)의 일부분은 추후 에칭액에 의해 식각된다.
프로젝션 렌즈(150)는 마스크(140)를 통과한 라인빔(152)이 마스크(140)와 동일한 크기 및 형상으로 비정질 ITO 레이어(160)에 입사하도록 한다.
레이저 어닐링부(100)에 의해 어닐링된 비정질 ITO 레이어(160) 부분에는 다결정 ITO(162)가 형성되어 있다. 그리고 레이저 어닐링부(100)에 의해 어닐링되지 않은 비정질 ITO(160) 부분에는 비정질 ITO(164)가 그대로 남게 된다.
에칭부(220)는, 이와 같이 부분적으로 어닐링된 비정질 ITO 레이어(160)에서 에칭액을 이용하여 비정질 ITO(164)를 제거한다. 에칭액은 옥살산(oxalic acid) 또는 초산 등이 사용될 수 있으며, 어닐링된 다결정 ITO(162)는 식각하지 않고 어닐링되지 않은 비정질 ITO(164)만을 식각한다. 이로 인해, 에칭액에 의해 식각되지 않은 다결정 ITO(162)에 의해서 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된다.
화학적인 에칭에 의해서 어닐링되지 않은 비정질 ITO(164)를 제거한 후 크리닝(cleaning) 공정에 의해서 잔존하는 에칭액 등을 제거할 수 있다.
상기와 같은 유전체 마스크(140)를 이용한 레이저 어닐링의 경우, 1회 조사(one shot)에 의한 어닐링, 예를 들면 150mJ/㎠의 에너지를 이용하여 결정화 할 때, ITO 레이어의 결정화가 일부 이루어지기는 하지만, 강한 에너지에 의해서 ITO 레이어의 일부가 제거(ablation)되거나 결정화 되어도 미세한 마이크로 크랙(micro crack)이 발생한다. 그리고 이로 인해, 저항값이 상승하거나 단선되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 ITO 패터닝 방법은, 상대적으로 약한 에너지(예를 들면, 60mJ/㎠)를 이용하여 2회 이상 ITO 레이어를 결정화한다.
예를 들면, 레이저빔의 에너지량이 80mJ/㎠로 6회 이상 반복하여 어닐링을 수행할 수 있다. 특히, 라인빔 광학계가 구성되어 있으므로 스테이지(170)의 이동 속도를 제어하여 표면당 레이저 조사 회수를 조정할 수 있다. 라인 빔 두께가 1mm 이고 레이저 펄스의 진동수(frequency)가 100Hz일 때, 100mm/s의 이동 속도이면 1회 어닐링 되지만 20mm/s일 경우에는 5회 반복하여 어닐링 된다.
마스크(140)는 유전체 마스크뿐만 아니라, 고반사 메탈 박막 마스크(high refractive metal thin film mask), 디퓨징 마스크(diffusing mask), 포토 마스크(photo mask), 세라믹 마스크(ceramic mask) 또는 메탈 마스크(metal mask) 중 어느 하나일 수 있다.
메탈 마스크를 이용 하는 경우에는 인바(invar) 등의 열변형이 적은 소재를 이용하게 되며, 습식 에칭(wet etching) 등의 방법으로 에칭을 할 경우 등방성의 문제로 인해 미세 패턴을 형성하는게 어려운 상황이다. 또한, 대면적화의 경우 인바의 자연 처짐이 발생하기 때문에, 인바의 두께를 증가시켜 제작 하여야 하지만 두께가 증가 할수록 미세 패턴 형성은 더욱 곤란하게 된다.
디퓨징 마스크의 경우에는 석영 플레이트에 희생막을 포함한 리소그라피 패턴을 형성 후 드라이 에칭(dry etching)을 진행하거나 마스킹을 한 후 샌드 블라스트 처리를 통해 디퓨징(diffusing) 패턴을 형성할 수 있다. 하지만 일반적인 샌드 블라스트 처리의 경우 미세 패턴을 형성할 수 없으므로, 마이크로 블라스트 처리를 하여야 하지만 이 또한 20㎛ 수준에서 패턴 형성이 가능한 상황이다. 드라이 에칭의 경우도 대면적으로 생산 하기에서 반도체 드라이 에칭 장비를 이용하기 때문에 300mm x 300mm 정도 에칭할 수 있는 수준이다.
일반적인 포토 마스크의 경우에는 크롬과 산화 크롬 층을 형성하여 패턴을 형성 하지만, 248nm 기준 엑시머 레이저의 공정 범위 내에서는 크롬 층의 어블레이션이 발생 한다. 따라서 알루미늄(Al) 등의 고반사(high refractive)층을 증착하여 공정 범위 보다 약간 높은 에너지에서도 사용 할 수 있는 마스크를 제작 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 단계;
    라인빔 형태의 레이저빔 및 형성하고자 하는 ITO 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 상기 비정질 ITO 레이어를 부분적으로 어닐링함으로써, 상기 ITO 패턴으로 형성할 부분을 다결정 ITO로 형성하는 단계;
    화학적인 에칭에 의해서 상기 비정질 ITO 레이어에서 어닐링 되지 않은 비정질 ITO를 제거하고 상기 다결정 ITO를 잔존시켜서 상기 ITO 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있는 ITO 패터닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 ITO 레이어를 2회 이상 반복하여 어닐링하는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 ITO는 증착에 의해서 형성되고,
    상기 증착은 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 증착은 산소(O2) 함량이 1.0 SCCM 초과 및 3.0 SCCM 이하인 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스크에는 상기 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 방법.
  6. 비정질 ITO 레이어를 필름 또는 글라스에 형성하는 ITO 레이어 형성부;
    상기 비정질 ITO 레이어에 라인빔 형태의 레이저빔을 마스크를 이용하여 조사함으로써, ITO 패턴을 형성할 부분을 어닐링 하여 다결정 ITO를 형성하는 레이저 어닐링부; 및
    비정질 ITO를 제거하고 상기 다결정 ITO를 잔존시켜서 상기 ITO 패턴을 형성하는 에칭부를 포함하고,
    상기 레이저빔의 파장은 0 초과 및 250nm 이하의 범위에 있고 에너지량은 60mJ/㎠ 이상 및 100mJ/㎠ 이하의 범위에 있는 ITO 패터닝 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 ITO 레이어 형성부는 증착에 의해서 상기 비정질 ITO 레이어를 형성하고,
    상기 증착은 물(H2O)의 함량이 0 SCCM 초과 및 6 SCCM 미만인 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 증착은 산소(O2) 함량이 1.0 SCCM 초과 및 3.0 SCCM 이하인 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마스크에는 형성하고자 하는 ITO 패턴과 1:1 크기의 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 ITO 패터닝 장치.
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