KR100587611B1 - 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자외선 엠보싱(UV embossing) 기법을 이용하여 미세 폴리머 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 폴리머 미세 패턴 제조 공정에 있어서, 자외선 엠보싱 기법을 이용하여 용매에 희석된 자외선 경화 수지를 포함하는 폴리머 레지스트 패턴을 형성하고 이를 열처리 공정을 통해 용매를 증발시킴으로써 폴리머 레지스트 패턴의 선폭이 줄어들게 하여 미세 패턴을 형성한다. 이는 자외선 엠보싱 기술과 기존의 노광 장비를 이용하여 간단히 제작할 수 있으며, 미세 패턴을 이용한 소자의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산 원가를 절감하고 대량 생산에 유리하다.

또한, 본 발명에 따른 미세 패턴을 이용하여 반도체 소자, 광학 소자, 디스플레이 소자 등의 제작에 광범위하게 적용할 수 있다.

자외선 엠보싱, 자외선 경화 수지, 스탬프

Description

미세 패턴 형성 방법{A method of forming micro pattern}

도 1은 본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법을 순서대로 보여주는 공정 순서도.

도 2는 본 발명에 따른 미세 패턴을 형성하는 데 있어서 스탬프를 제작하는 과정을 보여주는 공정 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 스탬프와 미세 폴리머 패턴의 일부를 보여주는 SEM 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

100, 200 : 기판 110 : 폴리머 레지스트

120 : 스탬프 210 : 금속 박막

220 : 포토 레지스트

본 발명은 자외선 엠보싱(UV embossing) 기법을 이용하여 미세 폴리머 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

최근에는 트랜지스터가 발명되고 수십년 간 눈부신 발전을 거듭한 전자 전기 기술은 21세기 고도 정보 통신 사회의 구현에 발 맞추기 위하여 더 많은 용량의 정보 저장, 더 빠른 정보 처리와 전송, 더 간편한 정보 통신망의 구축을 위해 빠르게 발전해가고 있다.

특히, 주어진 정보 전송 속도의 유한성이라는 조건 하에서, 이러한 요구 조건을 충족시킬 수 있는 한 방법으로서 원자/분자 레벨의 구조 제작, 조작/제어를 통해 그 구성 소자들을 가능한 더욱 작게하여 새로운 기능성을 부여하는 것이 제안되고 있다.

따라서, 이러한 레벨의 소자를 제작할 수 있는 미세 구조 제작 방법(microfabrication)은 현대 과학과 기술에서 중요한 위치를 차지하고 있다.

최근에는 반도체 소자의 집적도가 더욱 높아지는 추세이며 그에 따라 미세 패턴을 형성하는 방법에 대한 연구가 더욱 활발해지고 있다.

상기에서 언급한 바와 같이 원자/분자 크기에서 근본적인 물질의 특정한 용도를 결정할 수 있는 구조와 조성을 제어/조작하는 기술의 하나로서, 폴리머(polymer) 물질을 사용하는 방법이 있다.

상기 폴리머는 선택적인 에칭 레지스터, 광학 디바이스, 생화학적 센서, 나아가 티슈 엔지니어링에까지 이르는 폭넓은 응용범위를 가지고 있어 차세대 신소재 개발에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 기대되어 최근 많은 관심의 대상이 되고 있다.

상기와 같이 나노 미터(nanometer) 크기의 미세 패턴을 폴리머 박막을 이용하여 형성하는 데 있어서, 종래에는 레이저 직접 전사법과 포토리소그래피를 이용 하는 방법등이 있다.

상기 레이저 직접 전사법은 높은 해상도를 갖는 미세한 패턴을 빠른 속도로 형성시킬 수 있는 방법이다.

물질에 조사되는 레이저 빔은 매우 짧은 시간에 국부적인 온도 상승을 일으켜 물질의 표면에 간섭성 또는 비간섭성 구조를 형성시킨다.

상기 간섭성 구조의 주기성은 사용되는 레이저 변수와 물질 자체의 변수들에 의해 좌우되게 된다.

상기 레이저 빔의 변수로는 스팟 사이즈(spot size), 레이저의 파장 등이 있으며, 그리고 기판의 물질의 변수로서는 입사 빛에 대한 흡수도, 반사도, 열 확산율, 열 전도율 등을 들 수 있다.

상기 레이저 직접 전사법은 광학계의 구성이 간단하고 짧은 시간에 대면적에 걸쳐 폴리머 박막 패터닝에 사용될 수 있으나, 산업적 응용을 위한 저가의 대량 생산에는 부적합하다.

지금까지 가장 널리 사용되고 있는 미세 패턴 형성 기술 중의 하나는 포토리소그래피(photolithography)를 이용하는 방법으로써, 포토레지스트 박막이 입혀진 기판 위에 패턴을 형성시키는 방법이다.

상기 포토리소그래피를 이용하여 미세 패턴을 형성하는 방법은 포토 레지스트(photo resist)라는 감광성 폴리머를 코팅하여 특정한 부분에 자외선을 조사하여 패턴을 형성하는 방법이다.

이와 같은 포토리소그래피를 이용한 패턴 형성 방법에 있어서, 그 최소 선폭 은 사용하는 자외선 광원의 파장과 밀접한 관계가 있다.

현재 반도체 제조 회사에서 널리 사용되고 있는 스텝퍼(stepper: 포토리소그래피용 자외선 노광 장비)는 238nm의 파장을 갖는 자외선 광원을 사용하고 있으며 약 250nm 이하의 선폭 구현에 주로 사용되고, 193nm 파장의 자외선 노광 자비도 개발이 되어 130nm 이하의 선폭 구현에 사용되고 있다.

그러나, 자외선 광원의 파장이 짧아질수록 장비의 가격이 매우 비싸지고, 또한 파장에 의해 정해지는 선폭의 한계를 극복하기가 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 폴리머 미세 패턴 제조 공정에 있어서, 자외선 엠보싱 기법을 이용하여 용매에 희석된 자외선 경화 수지를 포함하는 폴리머 레지스트 패턴을 형성하고 이를 열처리 공정을 통해 용매를 증발시킴으로써 폴리머 레지스트 패턴의 선폭이 줄어들게 하는 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법은, 기판에 자외선 경화 폴리머 레지스트를 도포하는 단계와; 상기 자외선 경화 폴리머 레지스트에 스탬프를 눌러 패턴을 전사하는 단계와; 상기 폴리머 레지스트 패턴에 자외선을 조사하여 경화시키는 단계와; 상기 경화된 폴리머 레지스트 패턴을 열처리하여 선폭이 수축된 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 자외선 경화 폴리머 레지스트는 용매에 희석된 자외선 경화 수지를 사용하여 열처리 공정후에 휘발되므로 상기 경화된 폴리머 레지스트 패턴의 선폭이 수축되는 것을 특징으로 한다.

상기 스탬프는 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 폴리머 레지스트 패턴에 자외선을 조사하여 경화시키는 단계 이후에, 상기 폴리머 레지스트 패턴에 반응 이온 식각 공정(RIE:Reactive Ion Etching)이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 열처리된 폴리머 레지스트 패턴의 선폭은 스탬프에 형성되어 있는 패턴의 선폭보다 작은 것을 특징으로 한다.

상기 스탬프는 투명한 기판 상에 금속 박막을 증착하는 단계와; 상기 금속 박막 위에 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와; 상기 금속 박막을 식각하여 패턴을 형성하는 단계와; 상기 포토 레지스트 패턴을 제거하는 단계와; 상기 금속 박막 패턴을 마스크로 하여 기판을 식각하여 패터닝하는 단계와; 상기 금속 박막 패턴을 제거하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

상기 열처리된 폴리머 레지스트 패턴의 선폭 수축률은 폴리머 레지스트에서 자외선 경화 수지의 농도에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법을 구체적인 실시예를 들어 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법을 순서대로 보여주는 공정 순서도이다.

먼저, 제작될 패턴의 모양이 음각 또는 양각으로 새겨지고 자외선에 대해 투 명한 스탬프를 제작한다.

이때, 상기 스탬프의 재질로는 쿼츠 글래스(quartz glass), 투명 폴리머와 같이 자외선에 대해서 투과율이 좋은 재질을 사용한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 용매에 일정 농도로 희석된 자외선 경화 폴리머 레지스트(110a)를 도포하거나 스핀 코팅(spin coating)한다.

이때, 상기 용매로는 PGMEA(propylene glycol methyl ether acetate)의 유기 용제를 포함한다.

그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기 제작된 스탬프(120)로 상기 폴리머 레지스트(110a)에 압력을 가하여 눌러 스탬프(120)의 패턴이 폴리머 레지스트(110a)에 전사될 수 있도록 한다.

여기서, 상기 폴리머 레지스트(110a)가 자외선 경화 재료이므로 자외선 엠보싱 (UV embossing) 기법을 사용하여 투명한 스탬프(120) 상에 자외선을 조사하여 상기 스탬프(120)의 패턴이 전사된 자외선 경화 폴리머 레지스트(110b)를 경화시킨다.

이후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프(120)를 폴리머 레지스트(110b)로부터 분리하여 폴리머 레지스트 패턴을 형성한다.

이때, 일차로 형성되는 폴리머 레지스트(110b) 패턴은 스탬프(120)에 형성된 패턴과 거의 동일한 선폭(A)을 형성하게 된다.

다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이, 일차 폴리머 레지스트(110b) 패턴을 가열하여 폴리머 내부에 포함되어 있는 용매를 증발시킨다.

이때, 자외선 경화 수지에 포함되어 있는 용매가 열에 의해 증발되면서 상기 폴리머 레지스트(110b)가 수축하여 패턴의 선폭이 줄어들게 된다.

여기서, 상기 폴리머 레지스트(110b) 패턴의 선폭이 줄어드는 정도는 초기 폴리머 레지스트 재료인 자외선 경화 수지에 함유된 용매의 양에 의해서 결정이 된다.

즉, 상기 자외선 경화 수지에 포함되어 있는 용매의 양이 많으면 패턴 선폭의 수축이 많이 일어나고 용매의 양이 적으면 선폭의 수축이 적게 일어난다.

따라서, 이와 같은 특성을 이용하여 제작하면 스탬프의 패턴 선폭(A)보다 더 미세한 선폭(B)을 가지는 폴리머 레지스트 패턴(110c)을 제작할 수 있다.

최종적으로, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 폴리머 레지스트 패턴(110c)이 형성되어 있는 기판(100)에 남아있는 찌꺼기와 여분의 레지스트를 반응 이온 식각 (RIE:Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 제거한다.

그러면, 도 1f에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 원하는 폴리머 미세 패턴(110d)이 형성된다.

도 2는 본 발명에 따른 미세 패턴을 형성하는 데 있어서 스탬프를 제작하는 과정을 보여주는 공정 순서도이다.

이때, 상기 스탬프는 자외선 엠보싱 기법을 이용할 수 있도록 쿼츠 글래스와 같은 투명한 재질을 이용하여 형성한다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 투명한 기판(200) 상에 금속 박막(210)을 진공 증착한다.

그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정을 이용하여 금속 박막(210) 위에 포토레지스트 패턴(220)을 형성한다.

여기서, 상기 금속 박막(210) 위에 포토 레지스트(220)를 코팅하고, 상기 기판(200) 윗면에 소정의 패턴을 가지는 마스크를 덮고 UV에 노출시킨 후 현상액에 의해 식각하여 패턴을 형성한다.

이때, 상기 포토 레지스트 패턴(220)의 폭은 최종적으로 형성하고자 하는 미세 패턴의 선폭(B)보다 넓게 제작한다.

즉, 상기 포토 레지스트 패턴(220)의 폭은 원하는 미세 패턴의 선폭과 열처리에 의한 폴리머 레지스트 패턴의 선폭 수축률을 고려하여 결정한다.

이어서, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 상기 포토 레지스트 패턴(220)에 의해서 노출되어 있는 금속 박막(210)을 식각하여 패터닝한다.

이후, 상기 금속 박막(210) 위에 형성되어 있는 포토 레지스트 패턴(220)을 제거하고, 패터닝된 금속 박막(210)을 식각 마스크로 사용하여 투명한 기판(200)을 건식 식각한다.

최종적으로, 도 2d에 나타낸 바와 같이, 기판(200) 상에 남아 있는 금속 박막(210)을 제거하면 투명한 스탬프가 완성된다.

이때, 상기 스탬프에 형성된 패턴의 선폭(A)은 포토레지스트 패턴의 선폭과 기본적으로 동일하며, 이는 상기 스탬프를 이용하여 형성할 미세 패턴의 선폭(B)보다 넓게 형성된다.

도 3은 본 발명에 따른 스탬프와 미세 폴리머 패턴의 일부를 보여주는 SEM 사진이다.

도 3a는 포토리소그래피 공정을 이용하여 제작된 스탬프이며, 상기 스탬프는 투명한 쿼츠 글래스와 같은 재질로 이루어지며 다양한 선폭을 가지는 패턴을 형성하고 있다.

이때, 스탬프에 형성되는 패턴의 최소 선폭은 약 1.4㎛로 형성할 수 있다.

도 3b는 상기 투명 스탬프를 이용하여 형성한 최종적인 미세 패턴을 보여주는 도면이다.

상기 투명 스탬프를 이용하여 용매에 희석시킨 자외선 경화 수지로 폴리머 레지스트 패턴을 형성하고, 상기 폴리머 레지스트 패턴을 열처리한다.

그러면, 상기 폴리머 레지스트 패턴에서 용매가 휘발되어 패턴이 수축하게 되고 미세 패턴을 얻을 수 있게 된다.

도 3b에 따르면, 최종 선폭은 약 0.6㎛로 형성되며, 이때 선폭의 수축률은 60%에 이른다.

상기 자외선 경화 수지에 포함되어 있는 용매의 양이 많으면 패턴 선폭의 수축이 많이 일어나고 용매의 양이 적으면 선폭의 수축이 적게 일어난다.

따라서, 상기 자외선 경화 수지를 용매에 더 묽게 희석시키면 더 미세한 패턴도 제작이 가능하다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명은 미세한 폴리머 패턴을 형성하는데 있어서 자외선 엠보싱 기술과 기존의 노광 장비를 이용하여 간단히 제작함으로써 미세 패턴을 이용한 소자의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산 원가를 절감하고 대량 생산에 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 미세 패턴을 이용하여 반도체 소자, 광학 소자, 디스플레이 소자 등의 제작에 광범위하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 기판에 자외선 경화 폴리머 레지스트를 도포하는 단계와;

   상기 자외선 경화 폴리머 레지스트에 스탬프를 눌러 패턴을 전사하는 단계와;

   상기 폴리머 레지스트 패턴에 자외선을 조사하여 경화시키는 단계와;

   상기 경화된 폴리머 레지스트 패턴을 열처리하여 선폭이 수축된 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지며

   상기 자외선 경화 폴리머 레지스트는 용매에 희석된 자외선 경화 수지를 사용하여 열처리 공정후에 휘발되므로 상기 경화된 폴리머 레지스트 패턴의 선폭이 수축되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스탬프는 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리머 레지스트 패턴에 자외선을 조사하여 경화시키는 단계 이후에,

   상기 폴리머 레지스트 패턴에 반응 이온 식각 공정(RIE:Reactive Ion Etching)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 열처리된 폴리머 레지스트 패턴의 선폭은 스탬프에 형성되어 있는 패턴 의 선폭보다 작은 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 스탬프는 투명한 기판 상에 금속 박막을 증착하는 단계와;

   상기 금속 박막 위에 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 금속 박막을 식각하여 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 포토 레지스트 패턴을 제거하는 단계와;

   상기 금속 박막 패턴을 마스크로 하여 기판을 식각하여 패터닝하는 단계와;

   상기 금속 박막 패턴을 제거하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 열처리된 폴리머 레지스트 패턴의 선폭 수축률은 폴리머 레지스트에서 자외선 경화 수지의 농도에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.

Images