KR101086162B1 - 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명의 선택적 박막 형성 공정은 박막재료액을 준비하는 단계; 목적하는 박막의 패턴에 따라 박막이 형성되는 제 1 영역과 박막이 형성되지 않는 제 2 영역을 갖도록 기판의 표면을 처리하는 단계; 상기 제 2 영역 상에 액상 격벽을 형성하는 단계; 상기 액상 격벽에 둘러싸인 상기 제 1 영역 상에 상기 박막재료액을 도포하는 단계; 및 상기 박막재료액 및 상기 액상격벽이 도포된 기판을 건조하는 단계를 포함하여 구성된다.
박막, 나노, 액상 격벽

Description

박막 형성 방법{METHOD FOR FABRICATING THIN FILM}
도 1은 종래 잉크젯 방식을 이용한 박막 형성 방법을 나타내는 도면.
도 2a-2e는 본 발명의 박막 형성 방법에 따른 박막 형성 과정을 나타나내는 공정단면도.
***본 발명의 주요부분에 대한 부호의 설명***
200: PDMS 몰드 210, 210a: 액상조성물
110: 액상 격벽 120: 박막재료액
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로, 특히, 액상격벽을 사용한 비노광방식의 선택적 박막 형성 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 집적 회로의 미세화, 고집적화에 따라, 기판(예를 들어, 반도체 기판) 상에 형성하는 절연막 및 금속 배선막 등에 대해서 박막화, 복잡한 형상에 대한 피복성이 좋은 성막, 웨이퍼 전체에 대해 거시적으로 균일한 성막, 나노미터 레벨의 미시적으로 평활한 성막 등이 요구되고 있다.
현재 일반적으로 적용될 수 있는 박막 형성법에는 진공증착방법, 노광방식에 의한 선택적 성막법 및 잉크젯 인쇄방식을 이용한 박막 형성법 등이 있다.
진공증착방법으로는 스퍼터링(sputtering), 열증착, 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition), 이온 빔(ion-beam) 증착 및 전자 빔(electron-beam) 증착 방법 등이 있는데, 진공상태의 증착실(chamber) 안에 위치한 단분자 단위의 증착재료(target)에 높은 출력의 레이저 빔을 조사해 그 펄스가 증착재료의 온도를 급격히 올려 표면에서 폭발적인 기화 즉, 용발을 일어나게 하는 것이다. 즉, 기판을 증착재료에 근접한 위치에 놓고, 용발된 재료가 기판에 날아와 균일하게 증착 되도록 유도하여 박막을 형성하는 것이다.
그런데, 나노(nano) 박막 형성을 위한 나노 재료의 경우, 수 Å 사이즈의 단분자 단위가 아니므로, 증착이나 빔을 쏴서 초박막을 만드는 게 쉽지 않다. 다시 말해, 수 Å에 불과하는 단분자와 비교할 때, 나노 파우더의 직경은 실질적으로 수 nm 내지 수 십 nm에 이르고, 길이가 수 십 ㎛ 내지 수 백 ㎛에 이르는 비등방성 구조일 경우가 많으며, 또한 단층 또는 다발 형태의 다양한 구조의 형상을 갖고 있어, 분자의 증발에 의한 증착법으로는 균일한 성막이 어려운 것이다.
노광공정에 의한 선택적 성막법을 적용할 경우, 나노 박막 형성 시 박막의 형성을 위한 나노 재료를 감광성(light sensitive) 재료 및 고분자 등과 함께 용매에 고루 분산시켜 용액 타입으로 형성한 후, 기판 상에 필름 형태로 성막하고, 노광과 현상과정을 통해 원하는 패턴을 갖는 나노 박막으로 형성한다.
하지만, 이와 같은 노광방식에 의한 성막법에서는 감광성 필름의 형성 과정에서 박막 형성 용 재료 뿐 아니라 감광제 등의 이물질이 첨가되므로, 박막의 물성 에 변화를 야기할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 종래의 노광방식을 이용한 패턴공정은 별도의 고가 노광장치를 필요로 하며, 공정 또한 매우 복잡하여 공정 수율을 낮추고 재료비를 상승시키는 원인이 되고 있다.
다음으로, 나노 박막을 형성할 수 있는 또 다른 방법은 잉크젯 인쇄방식이다. 잉크젯 방식은 나노 파우더가 분산된 나노 용액을 성막을 원하는 영역 상에만 선택적으로 분사시키는 방식으로, 직경이 수 ㎛ 단위인 액체방울을 고해상도로 토출 및 도포할 수 있기 때문에, 고정밀 패터닝이 가능하다.
하지만, 이와 같은 잉크젯 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 원하는 박막 패터닝(p)을 도포하기 위해 통상적으로 각 패턴(p)을 구획하는 격벽(11)을 설치해야 하는 단점이 있어, 별도의 격벽구성을 위한 공정 및 격벽 제거 공정이 추가로 필요하다. 또한, 상기 격벽 공정은 사진식각 공정에 의해 이루어지므로, 비교적 고가의 사진식각 공정용 재료 및 노광, 현상 장비가 요구되는 제조비용이 증가한다. 즉, 격벽구조를 이용한 잉크젯 방식은 격벽의 구성을 위한 별도의 사진식각 공정과 공정수 및 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 기판(10) 상 격벽(11) 사이에 도포된 박막 재료 용액(12)의 표면에서 국소적인 증발 용매 분자의 분압차가 발생한다. 즉, 격벽(11)을 접하는 각 단부(상, 하, 좌, 우단)에서 용매의 분자의 분압이 낮기 때문에 건조가 더욱 빠르게 진행되는데, 이와 같은 유기 재료 액체의 건조 시간차는 동일 패턴 내에서의 유기 박막의 막 두께 불균일을 야기한다. 그리고, 이러한 막 두께 불균일은 각종 표시장치에서 휘도 불균일 및 발광색 불균일 등과 같은 표시 불균일의 원인으로 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공정수 및 제조 비용을 감소시키면서, 선택 영역에 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선택적 박막 형성 공정은 박막재료액을 준비하는 단계; 목적하는 박막의 패턴에 따라 박막이 형성되는 제 1 영역과 박막이 형성되지 않는 제 2 영역을 갖도록 기판의 표면을 처리하는 단계; 상기 제 2 영역 상에 액상 격벽을 형성하는 단계; 상기 액상 격벽에 둘러싸인 상기 제 1 영역 상에 상기 박막재료액을 도포하는 단계; 및 상기 박막재료액 및 상기 액상격벽이 도포된 기판을 건조하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 박막재료액을 준비하는 단계는 나노 와이어 또는 나노 튜브 또는 나노 파우더 등의 박막 형성 재료를 표면 장력이 20 dyne/cm 이상인 용매에 균일하게 분산시키는 단계이며, 상기 용매는 상기 박막 형성 재료에 대해 친화성인 소수성 용매이다.
상기 기판의 표면을 처리하는 단계는 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드를 이용하여 미세 접촉 인쇄(micro-contact printing) 방식으로 실시하는데, 상기 PDMS 몰드는 상기 나노 박막의 패턴에 따라 볼록부와 오목부의 요철을 구비하여 형성된다.
상기 미세 접촉 인쇄 방식은 상기 PDMS 몰드에 상기 박막재료액에 대한 친화 성 액상조성물을 도포하는 단계와, 상기 PDMS 몰드의 볼록부에 도포된 상기 액상조성물을 상기 기판 상의 제 1 영역에 전가하는 단계, 상기 제 1 영역 상에 전가된 액상조성물의 용매를 건조시키는 단계로 구성된다.
여기서, 상기 액상조성물은 옥타데실트리클로로실레인(octa-decyltriclorosilne, OTS) 또는 알콕시 실레인(alkoxy silane) 화합물 또는 씨올(thiol) 화합물을 상기 박막재료액에 친화적인 헥산(hexane) 등의 소수성 유기 용매에 녹여 형성한다.
한편, 상기 기판의 표면을 처리하는 단계는 상기 제 2 영역에 상기 박막재료액에 대하여 비친화성인 친수성기를 도입하는 방식으로 실시할 수도 있다.
상기 액상 격벽을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 잉크젯 방식 또는 스핀 코팅 방식으로 상기 박막 형성 재료에 대하여 비친화적인 친수성 용매를 분사하는 단계이며, 상기 나노 박막재료액 도포하는 단계는 잉크젯 방식으로 이루질 수 있다.
결국, 본 발명은 기판 상에서 박막이 형성되는 제 1 영역을 제외한 나머지 영역, 즉 제 2 영역에 박막재료액과 반발력을 갖는 액상의 격벽을 형성함으로써, 박막의 패턴 정밀도를 높이는 선택적 박막 형성 방법을 제공하게 된다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 박막 형성 방법을 설명한다.
도 2a ~ 2e는 본 발명에 따른 선택적 박막 형성 방법의 과정을 나타내는 공정단면도로서, 정확한 패턴 정밀도와 균일한 두께를 갖는 박막이 도면에 도시된 바와 같은 과정에 의해 형성된다.
먼저, 도면에 도시하지는 않았지만, 박막을 형성하기 위한 재료들을 용매와 혼합시킨 박막재료액을 준비한다. 여기서, 사용 가능한 재료로는 나노 튜브 또는 나노 와이어 또는 나노 파우더 등이 있으며, 상기한 나노 재료를 표면장력이 크며, 소수성이 강한 용매인 디이미도메탄(diimidomethane)에 균일하게 분산시켜 박막재료액을 형성한다. 상기 박막재료액을 형성하기 위한 용매로 디이미도메탄 외에 표면장력이 크고, 소수성인 다른 용매가 적용될 수 있다.
다음은 실질적인 박막 형성 공정으로서, 우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드(200) 상에 상기 소수성 액상 조성물(210)을 도포한다. 이때, 상기 PDMS 몰드(200)는 박막의 패턴 형태에 따라 박막이 형성될, 즉 박막재료액이 도포될 제 1 영역(a)에 대응되는 부분은 돌출부(200a)가 되고, 액상 격벽을 형성할 제 2 영역(b)에 대응되는 영역은 오목부(200b)가 되도록 요철을 갖는 구조로 형성된다. 즉, 박막이 형성될 기판(100) 상에 PDMS 몰드(200)의 요철을 이용하여, 상기 제 1 영역(a)과 영역(b)을 구별하는 선택적 표면처리를 실시하게 되는 것이다.
실질적으로, PDMS 고분자로 제작된 몰드는 표면 에너지가 낮고 화학적으로 안정하여 여러 가지 모양으로 성형이 가능하며, 기판과의 흡착력이 우수하고, 코팅하고자 하는 용액에 대한 젖음성(wettability)이 적기 때문에, 용액의 코팅 후 몰드를 기판으로부터 제거 시에 어떠한 결함도 주지 않아, 몰드 재료로 주로 이용되고 있다. 또한, 이러한 몰드는 제작이 용이하고, 제작비가 저렴하기 때문에 원하는 패턴으로 조절이 가능한 장점이 있다. 따라서, 원하는 박막의 형태에 따라 PDMS 몰 드의 요철부의 폭, 높이, 구간 조절을 통해 원하는 패턴을 용이하게 조절한다.
한편, 상기 액상조성물(210)은 박막이 형성될 대상 기판(100)과 화학결합을 할 수 있는 유기화합물의 용액으로서, 옥타데실트리클로로실레인(octa-decyltriclorosilne, OTS) 또는 알콕시 실레인(alkoxy silane) 화합물 또는 씨올(thiol) 화합물 등 표면에너지가 매우 낮은 유기화합물을 헥산(hexane) 등의 소수성 용매, 즉 상기 박막재료액에 대한 비친화성 용매에 녹여 형성한다.
또한, 상기 기판(100)은 실리콘, 산화실리콘, 보로실리케이트 유리, 스테인레스 합금강, 사파이어, 인듐-주석-산화물, 질화 티타늄, SIMOX 등 실레인 화합물 액상조성물이 결합될 수 있는 모든 기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 PDMS 몰드(200)를 상기 기판(100)에 접촉시켜, 상기 PDMS 몰드(200)의 볼록부(200a)에 도포된 상기 액상 조성물(210)이 기판(100)의 제 1 영역(a), 즉 박막이 형성될 영역 상에 전가되도록 한 후, 다시 상기 기판(100)으로부터 제거한다.
이후, 상기 기판(100) 상에 전가된 액상조성물(210a)에서 용매를 증발시켜 건조하면, 상기 기판(100) 상에 남은 단분자들은 서로 결합되어 자기조립 단분자막(self assembly mono-layer, SAM)(210a)을 형성하게 되고, 상기 자기조립 단분자막(210a)으로 이루어진 표면처리 패턴을 얻게 된다. 즉, 기판 표면과 결합할 수 있는 작용기를 포함하는 유기분자를 미세 접촉 인쇄 방식으로 기판(100)의 선택 영역(a) 상에 전가시켜 소수성 자기조립 단분자막(210a) 패턴을 형성하는 것이다.
이때, 형성된 자기조립 단분자막(210a)은 그 두께가 수십 Å에 불과하므로, 이후 상기 자기조립 단분자막(210a)의 상부에 형성되는 박막의 물성에 영향을 미치지 않는다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 기판의 표면을 선택적으로 처리하는 또 다른 방법은 상기 기판에 전체적인 친수성 표면처리를 한 후, PDMS 몰드를 이용한 미세 접촉 인쇄 방식을 통해 제 1 영역 상의 친수성기만을 물리적으로 제거하는 것으로서, 박막이 형성될 제 1 영역이 상기 제 2 영역과 비교할 때 상대적인 소수성, 즉 박막재료액에 대한 친화성을 갖게 된다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 표면처리 된 기판(100) 상에 잉크젯 방식 혹은 스핀 코팅(spin coating) 방식을 통해 친수성 용매인 물을 분사하여 상기 제 2 영역(b) 상에 물을 안착시킴으로써, 액상 격벽(110)을 형성한다. 이때, 형성되는 반구형의 상기 액상 격벽(110)은 소수성을 지닌 박막재료액과 반발하여, 상기 박막재료액이 박막의 패턴에 따라 제 1 영역(a) 상에만 안착할 수 있도록 격벽의 역할을 수행한다. 즉, 상기 기판(100) 상 액상 격벽(110)에 의해 구획되는 제 1 영역에 나노 재료를 포함하는 소수성 박막재료액이 도포되는 것이다. 이때, 상기 액상 격벽(110)이 기판(100)의 표면과 이루는 접촉각은 큰 값을 가질수록 격벽의 역할을 수행하는 데 유리하므로, 물(~73 dyne/cm)과 같이 표면장력이 큰 친수성 용매를 도포하는 것이다.
이후, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 액상 격벽(110)으로 둘러싸여진 제 1 영역(a) 상에 소수성 박막재료액(120)을 잉크젯방식을 통해 도포한다. 이는 친수성과 소수성의 반발 원리를 이용한 것으로, 나노 튜브, 나노 와이어 또는 나노 파우더 등의 나노재료(121)와 이를 포함하는 용매(123)로 이루어진 소수성의 박막재료액(120)을 친수성 액상 격벽(110) 사이에 가둠으로써, 기판(100) 상의 선택 영역에만 상기 박막재료액(120)이 코팅되도록 하는 것이다. 따라서, 상기 박막재료액은 기판(100) 상에서 구형을 유지할 수 있도록, 디이미도메탄(diimidomethane)과 같은 표면장력이 큰 용매를 이용하는 것이 유리하다. 만약, 박막재료액을 이루는 용매의 표면장력이 20 dyne/cm 미만이 되면, 용액의 퍼짐 성질이 커져, 액상 격벽(110) 영역으로 넘치게 된다.
다음은 기판(100)의 건조단계로서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 목적된 박막의 패턴을 따라 박막재료액 및 액상 격벽이 도포된 기판을 건조하여, 원하는 패턴의 박막(125)을 얻는단계이다. 이때, 건조조건은 상기 박막재료액 및 액상 격벽에 사용된 용매의 물성에 따라 달라지며, 용매의 끓는점 이하의 온도에서 시간을 조절하여 건조한다. 즉, 상기 박막 형성 방법에서는 종래 잉크젯 방식에서 사용되었던 격벽이 액상 격벽으로 대체되어, 별도의 격벽 제거 공정이 필요치 않으며, 격벽 형성시 노광 공정이 요구되지 않는다.
결과적으로, 본 발명은 박막이 형성될 기판 상에서 박막 패턴에 따른 선택 영역을 제외한 나머지 영역에 박막재료액과 비친화성, 즉 반발력을 갖는 액상의 격벽을 형성함으로써, 높은 패턴 정밀도와 균일한 두께를 갖는 박막을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선택적 나노 박막 형성 방법은 종래와 비 교하여 노광장비 및 증착장비와 같은 고가의 장비가 사용되지 않으므로 제조 단가가 매우 저렴하고, 비교적 공정이 쉬우면서도, 박막 패턴의 정밀도 및 두께의 균일도가 높아, 공정 수율 개선 및 원가 절감에 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 나노 박막의 패턴에 따라 볼록부와 오목부의 요철을 구비하여 형성된 PDMS(polydimethylsiloxane)몰드를 이용하여 박막이 형성되는 제 1 영역과 박막이 형성되지 않는 제 2 영역을 갖도록 기판의 표면을 처리하는 단계;
    상기 기판 상에 잉크젯 방식 또는 스핀 코팅 방식으로 박막형성 재료에 대하여 비친화적인 친수성 용매를 분사하여 상기 제 2 영역 상에 액상 격벽을 형성하는 단계;
    상기 액상 격벽에 둘러싸인 상기 제 1 영역 상에 박막재료액을 도포하는 단계; 및
    상기 박막재료액 및 상기 액상격벽이 도포된 기판을 건조하는 단계를 포함하여 구성되는 선택적 박막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 박막재료액은 나노 와이어, 나노 튜브 및 나노 파우더 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 박막 형성 재료를 용매에 균일하게 분산시킨 것임을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 용매는 상기 박막 형성 재료에 대해 친화성인 소수성 용매임을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 용매는 디이미도에탄(diimidoethane)임을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 표면을 처리하는 단계는 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드를 이용하여 미세 접촉 인쇄(micro-contact printing) 방식으로 실시하는 것을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 미세 접촉 인쇄 방식은 상기 PDMS 몰드에 상기 박막재료액에 대한 친화성 액상조성물을 도포하는 단계를 포함하는 선택적 박막 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 PDMS 몰드의 볼록부에 도포된 상기 액상조성물을 상기 기판 상의 제 1 영역에 전가하는 단계를 포함하는 선택적 박막 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 영역 상에 전가된 액상조성물의 용매를 건조시킴으로써, 상기 기판 상에 표면처리 패턴을 얻는 것을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 액상조성물은 옥타데실트리클로로실레인(octa- decyltriclorosilne, OTS) 또는 알콕시 실레인(alkoxy silane) 화합물 또는 씨올(thiol) 화합물을 상기 박막재료액에 친화적인 소수성 헥산(hexane) 등의 유기 용매에 녹여 형성함을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 영역에는 상기 박막재료액에 대하여 비친화성인 친수성기가 도입되는 것을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 용매는 물임을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 박막재료를 도포하는 단계는 잉크젯 방식으로 이루어지는 단계임을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 기판을 건조하는 단계는 상기 박막재료액을 구성하는 용매의 끓는점보다 낮은 온도에서 이루어짐을 특징으로 하는 선택적 박막 형성 방법.
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