KR100267965B1

KR100267965B1 - 새도우 마스크 제조 방법

Info

Publication number: KR100267965B1
Application number: KR1019980015693A
Authority: KR
Inventors: 김성태
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2000-11-01
Also published as: KR19990081660A

Abstract

전계발광(EL) 소자의 픽셀레이션에 이용되는 새도우 마스크 제조방법에 관한 것으로서, 특히 실리콘 양면에 소정 간격으로 에치 스톱층을 형성하는 제 1 스텝, 상기 실리콘 기판을 EDP, hydrazine, KOH 등의 혼합 용액에 담근 후 소정 온도로 가열하는 제 2 스텝으로 이루어져, 정교한 마스크 제작이 가능케 함으로써 결과적으로 양산성이 우수한 고해상도 디스플레이 패널의 제작이 가능해진다.

Description

새도우 마스크 제조 방법

본 발명은 전계발광(Electroluminescence ; EL) 소자(Device)에 관한 것으로서, 특히 새도우 마스크(Shadow mask) 제작방법에 관한 것이다.

최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는데, 이러한 평면표시소자중 하나로서 전계발광소자가 주목되고 있다.

이 전계발광소자는 사용하는 재료에 따라 무기 EL소자와 유기 EL소자로 크게 나뉘어지는데, 이중 유기 EL 소자는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기 박막층에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자로서, 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)이나 무기 EL 디스플레이에 비해 낮은 전압(예컨대, 10V이하)으로 구동할 수 있다는 장점이 있어 연구가 활발하게 진행되고 있다.

또한, 상기 유기 EL 소자는 넓은 시야각, 고속 응답성, 고 콘트라스트(contrast) 등의 뛰어난 특징을 갖고 있으므로 그래픽 디스플레이의 픽셀(pixel), 텔레비젼 영상 디스플레이나 표면광원(surface light source)의 픽셀로서 사용될 수 있으며, 얇고 가벼우며 색감이 좋기 때문에 차세대 평면 디스플레이에 적합한 소자이다. 그리고, 플라스틱과 같이 휠수 있는(Flexible) 투명 기판위에도 소자를 형성할 수 있다.

도 1은 이러한 용도를 갖는 단순 매트릭스 방식의 유기 EL 소자의 구조로서, 투명 기판(11) 상에 띠(stripe) 형태로 형성되는 제 1 전극(anode)(12)과, 제 1 전극(12) 상에 형성되는 유기 박막층(13)과, 유기 박막층(13) 상에 띠(stripe) 형태로 형성되는 제 2 전극(cathode)(14)으로 이루어진다.

상기 유기 박막층(13)은 제 1 전극(12) 상에 형성되는 정공 주입층(hole injecting layer ; HIL) 또는 정공수송층(hole transporting layer ; HTL)과, 정공 주입층 또는 정공 수송층 위에 형성되는 유기발광층과, 유기발광층 위에 형성되는 전자 주입층(electron injecting layer ; EIL) 또는 전자수송층(electron transporting layer ; ETL)으로 이루어진다.

이때, 상기 제 1 전극(12) 상에 정공 주입층과 정공 수송층을 연속적으로 형성할 수도 있으며, 유기 발광층위에 전자 수송층과 전자 주입층을 연속적으로 형성할 수도 있다.

이와같이 형성되는 유기 EL 소자의 제 2 전극(14)은 유기 박막층(13)의 전자 주입층 또는 전자 수송층을 통해 유기 발광층에 전자를 주입시켜주는 기능을 하고, 제 1 전극(12)은 정공 주입층 또는 정공 수송층을 통해 유기 발광층에 정공을 주입시켜 주는 기능을 한다.

이러한 정공과 전자는 유기 발광층에서 전자-정공이 쌍을 이루고 있다가 소멸하면서 빛이 방출된다.

그러나, 이와 같은 유기 EL 소자는 제작시에 많은 어려움이 있는데, 그 중에서 가장 어려운 공정이 픽셀레이션(Pixellation) 또는 패터닝(patterning) 공정이었다.

즉, 제 1 전극(12) 띠로 흔히 쓰이는 ITO(Indium Tin Oxide)는 반도체 제조 공정에서 일반적으로 쓰이는 포토리소그라피(Photolithography) 공정을 이용하여 쉽게 정교한 패터닝을 할 수 있다. 그러나, 제 2 전극의 패터닝은 그리 간단하지 않다. 제 2 전극(14) 밑에 이미 형성되어 있는 유기박막층(13)이 포토리소그라피 공정 중 물이나 솔벤트(Solvent)에 노출될 경우 그 특성이 급격히 열화하기 때문에 일반적인 포토리소그라피 공정을 사용하기 어렵다.

도 2는 이를 해결하기 위한 종래의 유기 EL 소자들 중 하나의 구조 단면도로서, 새도우 마스크(Shadow Mask)를 이용하여 패턴을 형성하고 있다.

그러나, 상기된 방법은 단색 유기 EL 소자를 제작하는 경우 가능하지만, 멀티컬러 또는 풀 컬러 유기 EL 소자를 제작하기 위해서는 다른 기술들이 추가로 필요하다. 그중 하나를 도 3에 도시하였다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 새도우 마스크를 이용한 패터닝 공정을 살펴보면, 먼저 투명 기판(31) 상에 형성된 제 1 전극 띠(32) 위에 격벽(36)을 형성한 후 유기 박막층(33) 중 공통적으로 필요한 버퍼층, 정공 수송층등을 형성한다.

다음 적, 청, 록 3색을 위해 각각 준비된 새도우 마스크(35)를 순차적으로 사용하여 각각의 색을 내는 유기 발광층(emitting layer)을 형성한다.

예를 들어, 녹색 발광층을 형성하는 동안에는 적색 및 청색을 내는 띠(stripe)는 새도우 마스크(35)에 의해 가려져 그 부분에 녹색 발광 물질이 입혀지지 않도록 한다. 경우에 따라 발광층 형성 후 그 위에 전자 수송층을 별도로 입혀야 하는 경우도 있다.

그리고나서, 다시 공통의 물질, 즉, 전자 주입층, 제 2 전극(34)등을 차례로 형성한 후 마지막으로 보호막을 형성한다.

이와 같이 도 3a 내지 도 3c는 격벽(side wall) 및 새도우 마스크를 동시에 사용하여 픽셀레이션을 행하고 있다.

도 4는 이때 사용되는 새도우 마스크의 일부분을 나타내고 있는데, 구동을 간단하게 하기 위해서는 적,록,청 3개의 픽셀이 합쳐 정사각형을 이루는 것이 바람직하다. 즉, 제 2 전극의 폭을 '가', 전극 간의 간격을 '나' 그리고, 제 1 전극의 폭을 '다' 라고 할 때, 가,나,다 사이에는 다음의 수학식 1과 같은 관계가 성립하도록 한다.

다 = (3가) + (2나)

만일, 해상도를 쿼터(quarter) VGA급으로 하면 픽셀의 수는 320 × 240이 된다.

이때, 디스플레이의 대각선의 길이가 5인치라고 가정할 때

3인치 = 240 × 3(가 + 나) - (2 × 나)

즉, (가 + 나) ∼ 100㎛.

이 (가+나)가 대략 새도우 마스크의 열린(뚫린) 부분의 폭과 일치하게 된다.

이때, 디스플레이의 대각선의 길이를 5인치에서 3인치로 줄이면 (가+나)는 약 60㎛로 줄어들게 된다. 따라서, 풀 컬러 유기 EL 디스플레이가 일차적으로 응용될 것으로 보이는 3 ∼ 5인치 디스플레이를 제작하기 위해서는 '가+나'의 최소 치수를 약 60㎛까지 맞출 수 있어야한다. 또한, 새도우 마스크와 투명 기판을 정확히 맞추기(alignment) 위해서는 새도우 마스크상에 얼라인 키를 만들어야 하는데 이 얼라인 키의 허용 오차는 '나'보다 작아야한다. 예컨대, 허용 오차는 10㎛ 이하가 되어야 한다.

그러나, 대부분의 새도우 마스크는 적절한 금속 합금을 화학 부식법(chemical etching)으로 부식시켜 만들기 때문에, 이 경우 상기한 (가+나) ∼ 60㎛, 얼라인 오차 ∼ 10㎛ 이하를 맞추기 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 기판을 에칭하여 정교한 새도우 마스크 패턴을 만듦으로써, 해상도를 높이는 새도우 마스크 제조 방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술의 단순 매트릭스 방식에 따른 단색 유기 EL 소자의 평면도

도 2는 종래 기술에 따른 단색 유기 EL 소자의 구조단면도

도 3은 종래 기술에 따른 다색 유기 EL 소자의 제작 과정을 보여 주는 예시도면

도 4는 도 3의 새도우 마스크의 일부분을 나타낸 평면도

도 5는 본 발명에 따른 새도우 마스크 제조방법중 실리콘 (110) 기판의 에칭 상태를 보인 도면

도 6은 도 5에서 제작된 새도우 마스크의 일예를 보인 도면

도 7은 도 5에서 제작된 새도우 마스크를 지지기판 위에 접착시킨 예를 보인 도면

도 8은 본 발명에 따른 새도우 마스크 제조방법 중 실리콘 (100) 기판의 에칭 상태를 보인 도면

도 9는 도 8에서 제작된 새도우 마스크의 문제점을 나타낸 도면

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 새도우 마스크 제작 방법은, 실리콘 기판의 양면에 소정 간격으로 에치 스톱층을 형성하는 제 1 스텝, 상기 실리콘 기판을 식각(etchent) 용액에 담근 후 소정 온도로 가열하는 제 2 스텝으로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 실리콘 기판은 (110)면이 에칭됨을 특징으로 한다.

이러한 실리콘 기판을 이용한 새도우 마스크 구조에 의해 유기 EL 소자의 해상도를 높일 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 새도우 마스크의 구조 단면도로서, 실리콘 (110) 기판을 에칭하여 새도우 마스크를 만들고 있다.

따라서, 실리콘 (110) 기판을 이용한 새도우 마스크 제조 공정을 살펴보면, 먼저 실리콘 기판을 적절한 두께로 연마한다. 얇을수록 좋으나 취급시 깨질 가능성을 감안하여 100∼500 ㎛로 하는 것이 적절하다. 이어, 실리콘 웨이퍼의 양면을 적절히 폴리싱(polishing)한 후 세정한다.

그리고, 에칭의 종료 시점을 정확하게 제어하기 위해서 기판의 'ㄱ'면에 에치-스톱층(etch stop layer)을 형성하는데, 형성하는 방법은 아래 열거한 방법들 중 하나를 쓰며, 첫 번째 방법이 공정상 유리한 점이 많다.

즉, 하나는 기상화학증착법(chemical vapor deposition ; CVD)이나 스퍼터링(sputtering)등의 방법으로 실리콘 질화물(nitride)(Si₃N₄)을 100 ∼ 5000㎚ 정도 입힌 후 포토리소그라피 공정을 이용하여 패터닝하는 방법이고, 다른 하나는 흔히 boron(B) 등을 임계 농도 이상으로 주입하여 p-도핑층을 형성하는 방법이다. 이때, 선택적인 boron 도핑이 가능하도록 포토리소그라피 공정에 의해 윈도우를 형성한 후 적정량의 boron을 주입한다. 이를 위해서는 diffusion furnace 또는 ion implanter를 사용한다.

그리고나서, 기판을 뒤집어 반대쪽 'ㄴ'면 위에 상기 방법으로 실리콘 질화물을 100 ∼ 5000㎚ 정도 입힌 후, 양면(double side) 마스크 정렬기(aligner)를 이용하여 상기 실리콘 질화물을 패터닝한다.

이어, 상기 실리콘 기판을 ethylenediamine-pyrocatechol(EDP), hydrazine, KOH와 isopropyl alcohol 혼합 용액등의 용액 중 하나에 담근 후 적절한 온도(예: 75∼85℃)로 가열하여 에칭한다.

도 5는 실리콘 기판을 EDP, hydrazine, KOH 혼합 용액중 하나에 담가 단결정 실리콘 (110) 기판을 에칭하였을 때 기판면에 수직으로 에칭되어 들어가는 것을 보여주고 있다. 이렇게 에칭된 면은 매우 매끄러우며 dimension control을 매우 정교하게 할 수 있다는 장점이 있다.

이때, 에칭은 'ㄱ' 또는 'ㄴ' 한면에서 시작하거나 양면에서 동시에 시작될 수 있다.

도 6은 이렇게 만들어진 새도우 마스크를 보여주는데, 'A'가 'B'보다 긴 것이 증착에 의한 띠(stripe) 패턴 형성을 용이하게 해줄 수 있다. 이를 위해 한면에 에치 스톱층을 형성한 후 기판을 뒤집어 반대쪽 면위에 실리콘 질화막을 입혀 패터닝할 때 'C'를 'D'보다 짧게 패터닝하면 된다.

이렇게 제작된 새도우 마스크는 그 자체로 쓰일 수도 있고, 아니면 도 7에서 보듯 적절하게 패터닝된 금속이나 합금으로 된 '지지기판'위에 접합시켜 기계적 강도를 높여 사용할 수도 있다.

한편, 도 8은 실리콘 (100) 기판을 ethylenediamine-pyrocatechol(EDP), hydrazine, KOH와 isopropyl alcohol 혼합 용액등의 용액 중 하나에 담갔을 때 기판 표면과 54.74도 경사를 이루며 에칭되는 것을 보여주고 있다. 이는 (100)면을 따른 에칭 속도가 (111)면의 경우보다 100배 이상 빠르기 때문이다. 도 9는 boron 도핑 방법을 이용하여 에치 스톱층을 형성한 후 에칭된 새도우 마스크를 보여주고 있는데, 이방성 에칭에 의해 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

예를 들어, 실리콘 기판의 두께 c를 500㎛라고 가정하면, d(d = c/(tan 54.74))는 약 350㎛이며, b(b = 2×d+α)는 최소 700㎛ 이상되어야 하므로, a(a=b/2)는 350㎛ 이상이 된다. 그러나, 전술한 바와 같이, a를 60㎛까지 줄이는 것이 목표이므로 상기 실리콘 (100) 기판을 이용하는 방법은 문제가 있다. 만일 실리콘 기판의 두께를 줄이면 a를 줄일 수 있으나 두께를 너무 줄이면 기판이 약해져 취급이 어렵게 되므로 거기에도 한계가 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결한 것이 상기된 도 5의 방법으로서, 단결정 실리콘 (110)면을 에칭하게 되면 기판면에 수직으로 에칭되어 들어가므로 도 9의 d를 0으로 만들 수 있어 상기한 문제점이 없어진다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 새도우 마스크 제조 방법에 의하면, 실리콘 (110) 기판의 일면에 에치 스톱층을 형성하고 그 반대면에 실리콘 질화물을 입혀 패터닝한 후 이 실리콘 기판을 EDP, hydrazine, KOH 혼합 용액중 하나에 담가 기판면에 수직으로 에칭함으로써, 고 해상도 디스플레이(high resolution display) 제작에 필요한 정교한 새도우 마스크 제작이 가능하면서 마스크와 패널 기판의 정확한 정렬(alignment)이 가능해져 생산성을 높이는 효과가 있다.

또한, 이렇게 제작된 새도우 마스크를 이용하여 유기 EL 소자를 제작하면 정확한 픽셀레이션을 가능해진다.

Claims

제 1 전극, 유기전계발광층, 제 2 전극으로 이루어진 다수의 픽셀들을 포함하는 전계발광 소자의 픽셀레이션을 위한 새도우 마스크 제조 방법에 있어서,

실리콘 기판의 양면에 소정 간격으로 에치 스톱층을 형성하는 제 1 스텝;

상기 실리콘 기판을 식각 용액에 담근 후 소정 온도로 가열하여 에칭하는 제 2 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 (110) 기판을 에칭함을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스텝의 에치 스톱층은

기상화학증착법(CVD)이나 스퍼터링등의 방법으로 실리콘 질화물을 소정 두께로 입힌 후 포토리소그라피 공정으로 패터닝하여 형성함을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 실리콘 질화물의 두께는 100 ∼ 5000㎚ 임을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스텝의 에치 스톱층은

boron(B)을 임계 농도 이상으로 주입하여 p-도핑층을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스텝의 양면 에치 스톱층은

상호 간의 정렬을 위해 양면 마스크 정렬기를 이용함을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 스텝의 식각 용액은

EDP, hydrazine, KOH와 isopropyl alcohol 혼합 용액중 어느 하나임을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 에치 스톱층 간의 간격은

조절할 수 있음을 특징으로 하는 새도우 마스크 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 스텝에서 형성된 새도우 마스크는

지지기판 위에 접합시켜 사용될 수 있음을 특징으로 하는 새도우 마스크 제작 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 지지기판은

패터닝된 금속이나 합금으로 이루어짐을 특징으로 하는 새도우 마스크 제작 방법.