KR20240070405A - Oled 메탈 마스크 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전주도금법을 이용한 OLED 화소 형성에 사용되는 FMM의 제조에 관한 것이다. 본 파인 메털 마스크(Fine Metal Mask)를 제조하는 방법에 있어서,
(a) 캐리어 글래스를 준비하고 상기 캐리어 글래스 상에 박리층을 증착하는 단계와, (b) 전주 도금을 위한 전극 금속(Electrode Metal)을 증착하여 전극층을 형성하는 단계와, (c) 상기 전극층 상에 감광(Photoresist)을 도포하는 단계와, (d) 상기 감광막을 제1 폭의 노광영역 패턴(W1)의 폭을 갖는 제1 마스크에 의해 제1회 노광하는 단계와, (e) 상기 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭의 노광영역 패턴(W2)의 폭을 갖는 제2 마스크에 의해 제2회 노광하는 단계와, (f) 상기 폭보다 좁은 폭의 노광영역 패턴(Wn)의 폭을 갖는 제N 마스크에 의해 제N회 노광하는 단계와, (g) 상기 감광막을 현상하여 패턴 측벽이 제어된 형상을 갖는 감광 패턴을 형성하는 단계와, (h) 상기 패터닝된 감광막에 전주도금 (Electroplating)하여 전주도금층을 형성하는 단계와, (i) 상기 감광막을 제거하여 금속 패턴을 형성하는 단계와, (j) 상기 전극층에 상기 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하여 마스크 패턴을 형성하는 단계와, (k) 패터닝된 상기 전주도금층과 전극층의 강성을 높이기 위해 열처리하는 단계와, (l) 상기 전주도금층과 전극층에 형성된 마스크 패턴을 검사하는 단계와, (m) 상기 전주도금층과 전극층을 상기 캐리어 글래스로부터 분리하는 단계를 포함하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법에 관한 것이다.

Description

OLED 메탈 마스크 및 이의 제조 방법{OLED metal mask and manufacturing method of the same}

본 발명은 디스플레이 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스플레이의 일종인 유기전계발광소자 증착용 FMM(파인 메털 마스크)에 관한 것이다.

현재까지 평판 디스플레이의 대부분을 액정 디스플레이가 차지하고 있으나, 보다 경제적이고 성능이 뛰어나면서 액정 디스플레이와 차별화된 새로운 평판 디스플레이를 개발하려는 노력이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 최근 차세대 평판 디스플레이로 각광을 받고 있는 유기전계발광소자(이하 OLED)는 액정 디스플레이에 비해 낮은 구동전압, 빠른 응답속도 및 광시야각 등의 장점을 가지고 있다.

OLED는 빛을 내는 층이 유기 화합물로 이루어진 박막 발광 다이오드이다. OLED의 구조는 기판, 애노드, 애노드에서 정공을 받아들이는 정공주입층, 정공을 수송하는 정공수송층, 발광층으로부터 정공수송층으로 전자의 진입을 저지하는 전자 저지층, 정공과 전자가 결합하여 빛을 내는 발광층, 발광층에서 전자 수송층으로 정공의 진입을 저지하는 정공 저지층, 캐소드에서 전자를 받아들여 발광층으로 수송하는 전자 수송층, 캐소드에서 전자를 받아들이는 전자 주입층 및 캐소드로 구성되어 있다. 경우에 따라서 별도의 발광층 없이 전자 수송층이나 정공수송층에 소량의 형광 또는 인광성 염료를 도핑하여 발광층을 구성할 수도 있다. OLED를 제조시 이러한 다수의 박막층을 적층하고 패터닝하는 박막 공정이 필요하다. 박막 공정은 각각 대응하는 패턴이 구비된 마스크 조립체를 이용하게 되며, 예컨대 화학적 기상증착(CVD, chemical vapor deposition), 스퍼터링(sputtering), 이온 플레이팅(ion plating), 진공 증착(evaporation) 등이 포함된다.

일반적으로 진공 증착 공정은 반도체 소자의 제조나 평판 디스플레이 소자의 제조에 널리 사용되고 있는 것으로, 진공챔버 상에서 유기물질이 들어있는 증착셀에 열을 인가하여 유기물질을 기화시켜 상부에 위치한 유리기판에 증착하는 방법이다.

이때, 유리기판 중 원하는 위치에 유기물질이 증착될 수 있도록 파인 메털 마스크(패턴 마스트)를 이용하게 되는데, 이러한 파인 메털 마스크(패턴 마스크)에는 목적한 패턴 셀이 형성되어 그 부분만 증착되도록 형성된다.

최근에 이러한 파인 메털 마스크 제조에 있어서 전주 도금(Electroforming) 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 전주 도금 방법은 전해액에 양극체, 음극체를 침지하고, 전원을 인가하여 음극체의 표면상에 금속박판을 전착시키므로, 극박판을 제조할 수 있으며, 대량 생산을 기대할 수 있는 방법이다.

기존의 OLED 제조 공정에서는 마스크를 스틱 형태, 플레이트 형태 등으로 제조한 후, 마스크를 OLED 화소 증착 프레임에 용접 고정시켜 사용한다. 마스크 하나에는 디스플레이 하나에 대응하는 셀이 여러개 구비될 수 있다.

또한, 대면적 OLED 제조를 위해서 여러 개의 마스크를 OLED 화소 증착 프레임에 고정시킬 수 있는데, 프레임에 고정하는 과정에서 각 마스크가 평평하게 되도록 인장을 하게 된다. 마스크의 전체 부분이 평평하게 되도록 인장력을 조절하는 것은 매우 어려운 작업이다. 특히, 각 셀들을 모두 평평하게 하면서, 크기가 수 내지 수십 ㎛에 불과한 마스크 패턴을 정렬하기 위해서는, 마스크의 각 측에 가하는 인장력을 미세하게 조절하면서, 정렬 상태를 실시간으로 확인하는 고도의 작업이 요구된다.

그럼에도 불구하고, 여러 개의 마스크를 하나의 프레임에 고정시키는 과정에서 마스크 상호간에, 그리고 마스크 셀들의 상호간에 정렬이 잘 되지 않는 문제점이 있었다. 또한, 마스크를 프레임에 용접 고정하는 과정에서 마스크 막의 두께가 너무 얇고 대면적이기 때문에 하중에 의해 마스크가 쳐지거나 뒤틀어지는 문제점, 용접 과정에서 용접 부분에 발생하는 주름, 번짐(burr) 등에 의해 마스크 셀의 정렬이 엇갈리게 되는 문제점 등이 있었다.

초고화질의 OLED의 경우, 현재 QHD 화질은 500~600 PPI(pixel per inch)로 화소의 크기가 약 30~50㎛에 이르며, 4K UHD, 8K UHD 고화질은 이보다 높은 ~860 PPI, ~1600 PPI 등의 해상도를 가지게 된다. 이러한 것처럼 초고화질의 OLED의 화소 크기를 고려하여 각 셀들간의 정렬 오차를 수 ㎛ 정도로 감축시켜야 하며, 이를 벗어나는 오차는 제품의 실패로 이어지게 되므로 수율이 매우 낮아지게 될 수 있다.

현재 파인 메털 마스크의 두께는 20㎛ 이하로서, 상술한 바와 같은 종래의 방식으로는 마스크 두께가 너무 얇아 평탄도를 유지하기가 매우 어렵다.

또한, 고해상도용 마스크에서는 패턴 크기가 작아져서 증착 두께를 균일하게 유지하기 위해서는 패턴 안에서 둔턱이 없고 60도 이하의 경사가 필요한데, 상기한 종래의 방법으로는 패턴 안쪽의 경사도를 조정할 수가 없었다.

따라서, 높은 정밀도를 가지면서도 경도 특성이 우수한 파인 메털 마스크의 제조방법에 대한 요구가 있기때문에, 본 발명자는 이에 대한 연구를 거듭하여 본 발명을 제안하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2018-0104964호 대한민국 공개특허 제10-2017-0104632호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전주 도금된 FMM(파인 메털 마스크)제조시 제N 마스크에 의해 제N회 노광하는 단계와 N회 레이저 가공을 통해 패턴의 정밀성을 높이고, 열처리 공정을 통하여 열팽창 특성을 개선하는 열처리 공정을 이용한 FMM(파인 메털 마스크)의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법에 관한 것으로, (a) 캐리어 글래스를 준비하고 상기 캐리어 글래스 상에 박리층을 증착하는 단계와, (b) 전주 도금을 위한 전극 금속(Electrode Metal)을 증착하여 전극층을 형성하는 단계와, (c) 상기 전극층 상에 포토레지스트 막(Photoresist)을 도포하는 단계와, (d) 상기 포토레지스트 막을 제1 폭의 노광영역 패턴(W)을 갖는 제1 마스크에 의해 제1회 노광하는 단계; (e) 상기 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭의 노광영역 패턴(N)을 갖는 제2 마스크에 의해 제2회 노광하는 단계; (f) 상기 폭보다 좁은 폭의 노광영역 패턴(N)을 갖는 제N 마스크에 의해 제N회 노광하는 단계; (g) 상기 포토레지스트 막을 현상하여 패턴 측벽이 제어된 형상을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (h) 상기 패터닝된 감광막에 전주도금 (Electroplating)하여 전주도금층을 형성하는 단계와, (i) 상기 감광막을 제거하여 금속 패턴을 형성하는 단계와, 더 정확한 패턴형성을 위해서 (j) 상기 전극층에 상기 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하여 마스크 패턴을 형성하는 단계는 레이저를 이용하여 상기 마스크 패턴이 테이퍼 형상을 지니도록 트리밍하는 단계을 포함할 수 있으며, (k) 패터닝된 상기 전주도금층과 전극층의 강성을 높이기 위해 열처리하는 단계와, (l) 상기 전주도금층과 전극층에 형성된 마스크 패턴을 검사하는 단계와, (m) 상기 전주도금층과 전극층을 상기 캐리어 글래스로부터 분리하는 단계를 포함하여, 대면적 적용 시 문제가 되는 처짐 현상 및 뒤틀림을 획기적으로 개선하고, 기존의 방식으로는 구현하기 어려운 30㎛ 피치 이하의 높은 정밀도를 가지는 파인 메털 마스크(Fine Metal Mask)의 제조가 가능하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 도금 공정만으로 패턴을 가지는 마스크를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 본 발명은 별도의 공정 없이, 기울어진 형상, 테이퍼 형상을 가지는 마스크 패턴을 도금 공정만으로 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전주 도금된 새도우 마스크에 열처리 공정을 추가하여 열변형에 의한 특성 저하를 방지하는 효과가 있고, 선팽창계수 특성을 좋게 하여 열적 불안전성을 극복할 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 파인 메털 마스크(Fine Metal Mask) 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 3은 종래의 OLED 화소 형성 공정을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법의 단계별 가공 단면도이다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 OLED 증착용 파인 메털 마스크에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 종래의 FMM(Fine Metal Mask) 제조 과정을 나타내는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 기존의 마스크 제조 방법은, 마스크로 사용될 금속 박판(1)을 마련하고[도 1의 (a)], 금속 박판(1) 상에 감광막(Photoresist; 2) 코팅 후 패터닝을 하거나, 패턴을 가지도록 감광막(2) 코팅한 후[도 1의 (b)], 식각을 통해 패턴을 가지는 마스크(3)를 제조하였다.

도 2를 참조하면, 도금을 이용한 기존의 마스크 제조 방법은, 캐리어(4)[도 2의 a)]을 준비하고, 캐리어(4) 상에 소정의 패턴을 가지는 감광막(2)을 코팅한다[도 2의 (b)]. 이어서, 캐리어(4) 상에 도금을 수행하여 금속 박판(3)을 형성한다[도 2의 (c)]. 이어서, 감광막(2)을 제거하고[도 2의 (d)], 캐리어(4)로부터 패턴이 형성된 마스크(3) [또는, 금속 박판(3)]을 분리한다[도 2의 (e)].

도 3은 종래의 OLED 화소 형성 공정을 나타내는 개략도이다.

도 3의 (a)를 참조하면, FMM 법을 사용하는 화소 형성 공정을 위해, 먼저, 대상 기판(9)과 패턴이 형성된 마스크(3)를 최대한 밀착시킨다. 그리고, 일정 경로를 왕복하는 소스 공급 수단(5)을 통해 유기물, 저분자 등의 소스(6)를 증착한다. 마스크(3)를 얼라인하면서 R, G, B 소스(6)를 순차적으로 증착하여 화소(8)를 형성한다. 하지만, 도 3의 (a)과 같이, 화소(8)가 화소 패턴(F)을 따라 균일한 두께를 가지지 않고 화소(8)의 양단으로 갈수록 두께가 얇아지는, 오차(E)가 발생하였다. 이는 직각 패턴으로 인해, 직진하는 소스(6)가 마스크(3) 패턴 모서리에 가려지게 되는, 이른바 새도우 이펙트(Shadow Effect)에 의한 것이다.

본 발명에 따른 파인 메털 마스크(Fine Metal Mask) 제조방법은 대면적 마스크의 제조 시 문제가 되는 처짐 현상을 방지하기 위해 캐리어 글래스(Carrier Glass)(10)을 이용하고, 전주 도금을 이용하여 일정한 두께의 금속마스크를 형성한 후 상기 캐리어 글래스(10)를 분리하여 금속 마스크(70)를 얻는 방식이다.

도 4를 참조하면, 먼저, 캐리어 글래스(10)를 준비하고, 상기 캐리어 글래스(10) 상에 박리층(20)을 증착한 후, 전주 도금을 위한 전극 금속(Electrode Metal)을 증착하여 전극층(30)을 형성하고, 상기 전극층(30) 상에 감광막(Photoresist)(40)을 도포한다.

도 4의 (a), (b), (c)는 캐리어 글래스(10) 위에 박리층(20), 전극층(30) 및 감광막(40)이 순서대로 도포된 상태의 단면도이다.

본 발명은 상기 캐리어 글래스(10) 상에 금속 마스크를 가공하고 가공이 완료된 후 상기 캐리어 글래스(10)와 금속 마스크를 분리하기 때문에 공정 과정에서 금속 마스크가 뒤틀리거나 처지는 현상이 발생하지 않는다.

이는 종래의 기술이 압연으로 금속 마스크 기판을 만든 후 노광하는 방식으로 금속 마스크를 제조하였기 때문에 마스크에 뒤틀림과 처짐이 발생하는 문제점을 획기적으로 해결할 수 있는 것이다.

상기 박리층(20)은 후술할 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 공정 시 상기 캐리어 글래스(10)와 금속 마스크(70)를 분리하기 위해 증착되는 것으로, 상기 박리층(20)으로는 a-Si 등이 사용될 수 있다.

상기 감광막(40)은 양성 또는 음성 감광막을 사용할 수 있으며, 예컨대 상용화된 제품을 사용할 수 있다. 감광막(40)은 예컨대 10 ~ 300㎛의 두께가 되도록 도포할 수 있으며, 큰 면적에 대해서도 감광막의 도포가 가능한 대면적 전용 스핀코터(spin coater)를 사용하여 일정한 두께로 균일하게 감광막을 도포하는 것이 바람직하다.

이후, 광 리소그라피를 사용하여 상기 감광막(40)을 노광 및 현상하여 패터닝한다.

즉, 미리 준비된 마스크(50)를 감광막(40) 위에 배치한 후 일정한 양의 에너지를 사용하여 노광을 한다. 노광후, 현상액을 사용하여 선택적으로 감광막(40)을 식각하여 정밀한 패턴 형상을 구현한다.

도 4의 (d)는 넓은 폭의 노광영역 패턴(W1)을 갖는 제1 마스크(50)에 의해 제1회 노광을 진행한 상태의 단면도이다.

한편, 도 4의 (e)와 같이 더 좁은 폭의 노광영역 패턴(W2)를 갖는 제2 마스크(50)에 의해 제2회 노광을 추가적으로 진행할 수도 있다.

또한, 도 4의 (f)와 같이 더 좁은 폭의 노광영역 패턴(Wn)을 갖는 제n 마스크(50)에 의해 제n회 노광을 추가적으로 진행할 수도 있다.

제1회 노광의 노광영역 패턴(W1)의 폭과 제2회 노광의 노광영역 패턴(W2)의 폭은 최종적으로 원하는 패턴 측벽 형상을 얻도록, 필요에 따라 컴퓨터 시뮬레이션이나 실험을 통해 최적화될 수 있다.

양 패턴의 폭이 많이 차이가 날수록 패턴 측벽의 경사가 완만해 지는 경향이 나타난다(즉, 측벽이 보다 기울어진 상태).

여기서, 제1회 노광과 제n회 노광의 노광영역의 폭을 달리하면서, 그와 함께 광량이나 노출시간 등의 공정 변수를 조정하여 노광 세기를 다르게 조정할 수도 있다. 이때, 노광 세기의 조정은 최종적으로 원하는 패턴 측벽 형상을 얻을 수 있도록 필요에 따라 실험적으로 최적화될 수 있으며, 넓은 폭을 갖는 노광 영역으로 진행되는 제1회 노광에 대하여 제2회 노광에 비해 노광 세기가 낮도록 조정할수록 패턴 측벽의 경사가 완만해지는 경향이 나타난다(즉, 측벽이 보다 기울어진 상태).

이후, 도 4의 (g)와 같은 상기 패터닝된 감광막(40)에 전주도금(Electroplating)하여 전주도금층(60)을 형성한다. 도 4의 (h)는 전주도금층(60)이 형성된 상태의 단면도이다.

본 발명에서는 금속 마스크를 얻는 방식으로 전주도금을 이용함으로써, 일정한 두께의 전주도금층(60)을 형성할 수 있으며, 상기 전주도금층(60)의 두께는 필요에 따라 선택적으로 자유롭게 조절이 가능하다.

본 발명에서 상기 전주도금층(60)은 예컨대 Ni-Fe 합금인 인바(Invar)를 전주도금하여 형성할 수 있다. 그 이외에도 상기 전주도금층(60)은 Ni-W, Ni-Co, Ni-Fe로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 이를 특정하지 않는다.

이후, 상기 감광막(40)을 제거하여 금속 패턴을 형성한다. 도 4의 (i)는 감광막(40)이 제거된 상태의 단면도이다.

이와 같이 금속 패턴이 형성된 전주도금층(60)과 전극층(30)이 마스크 기판을 구성한다. 따라서, 상기 전극층(30)에도 상기 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하여야 한다. 즉, 상기 금속 패턴이 형성되지 않는 전극층(30)의 일부분들을 부분적으로 제거하여 상기 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하는 것이다.

상기 금속 패턴과 이에 대응되는 전극층(30)의 패턴이 최종적으로 금속 마스크의 패턴이 되며, 본 발명에서는 상기 전극층(30)에 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하는 과정에서, 레이저를 이용하여 패턴이 테이퍼(taper) 형상을 가지도록 테이퍼 트리밍을 실시한다.

상기 전주도금층(60)에 형성된 금속 패턴은 도 4의 (i)에서 보는 바와 같이, 수직면으로 경사가 형성되어 있지만, 각도가 완만하여 정밀한 패턴을 어려울 수도 있다. 만약 이와 같이 불완전하게 형성된 경사면이 형성된 패턴은 유기물의 증착 시 쉐도우 현상이 발생될 수 있으므로, 본 발명에서는 패턴 안쪽의 경사도를 조정하여 유기물 증착 시 쉐도우 현상을 방지하도록 구성한다.

본 발명에서는 도 4의 (j)에서 보는 바와 같이, 상기 패턴에 정밀한 경사면을 형성하기 위해 레이저를 이용한 테이퍼 트리밍을 실시할 수도 있다. 즉, 상기 전극층(30)을 부분적으로 제거하여 마스크 패턴을 형성함과 동시에 마스크 패턴을 테이퍼 형상으로 만드는 것이다.

본 발명에서 레이저를 이용하여 상기 마스크 패턴이 테이퍼 형상을 지니도록 트리밍하기 위해 먼저, 상기 전주도금층(60)과 전극층(30) 상에 단위 가공영역을 설정한다.

본 발명에서의 상기 단위 가공영역은 상기 전주도금층(60)에 형성된 패턴과 패턴 사이의 영역으로 설정될 수 있다. 즉, 상기 패턴과 패턴 사이에 형성된 홀을 중심으로 양측의 패턴을 일부분 포함하는 가상의 영역으로 설정되는 것이다.

단위 가공영역의 설정 후, 레이저가 상기 단위 가공영역의 한 경계에서 시작하여, 1번째 스캔경로(scan path)를 따라 이동해 가며, 상기 단위 가공영역의 다른 쪽 경계에 도달할 때까지, 상기 단위 가공영역 내에 포함된 3차원 구조물(본 발명에서는 전주도금층(60)에 형성된 패턴)에 대한 가공이 이루어지는 것이다.

즉, 전주도금층(60)과 전극층(30) 상에 설정된 단위 가공영역의 한 경계에서 다른 쪽 경계까지 1번째 스캔경로를 설정하고, 이를 따라 레이저가 이동하면서 단위 가공영역 내에 포함되는 3차원 구조물 패턴에 대한 부분 또는 전체에 대한 가공이 수행되는 것이다.

그리고, 1번째 스캔경로를 따라 레이저가 이동하면서 단위 가공영역의 다른 쪽 경계에 레이저가 도달하게 되면, 상기 레이저를 다음 스텝(step)으로 방향을 전환시키고, 스텝피치(step pitch)만큼 이동시켜 2번째 스캔경로로 이동시키게 된다.

즉, 단위 가공영역의 다른 쪽 경계에 레이저가 도달하게 되면, 레이저를 오프(off)시키고, 레이저의 방향을 전환하고, 설정된 스텝피치(step pitch)만큼 이동시킨 후, 2번째 스캔경로를 설정하게 된다. 이때 레이저가 다시 온(on)되게 된다.

상기 스텝피치는 인접하는 스캔경로 간의 거리를 의미하는 것으로서, 예컨대, 1번째 스캔경로와 2번째 스캔경로사이의 거리로, 1번째 스캔경로를 이동하는 레이저의 중심에서 2번째 스캔경로를 이동하는 레이저의 중심까지의 거리를 의미한다.

여기에서, 1번째 스캔경로와 2번째 스캔경로는 같은 방향일 수도 있으며, 반대 방향으로 설정될 수도 있다. 즉, 레이저의 이동방향이 반대로 설정될 수 있다. 즉, n-1번째 스캔경로와 n번째 스캔경로는 같은 방향 또는 반대 방향으로 레이저가 이동하도록 설정할 수 있으며, 이에 한정하지 않고, 복수회의 스캔경로는 특정 방향으로, 또는 그 반대 방향으로 설정되거나, 이들의 조합으로 설정될 수 있다.

그 다음, 상기 제1단계 및 제2단계를 반복수행하여, n번째 스캔경로를 따라 레이저의 이동이 완료되면 단위가공영역 전체에 대한 가공이 이루어지게 된다.

설정된 1번째 스캔경로를 따라 레이저가 이동하면서, 1번째 스캔경로 상에 형성된 3차원 구조물 패턴에 대한 가공이 이루어지게 된다. 그리고, 레이저가 단위 가공영역 상의 다른 쪽 경계에 도달하면, 다음 스텝으로의 방향 전환 후, 스텝피치만큼 이동하여 2번째 스캔경로를 따라 레이저가 이동하여 처음 단위 가공영역 상의 경계에 도달하게 된다. 다시 이를 반복하여, n번째 스캔경로를 설정하고, 이를 따라 레이저의 이동이 완료되어 단위 가공영역의 어느 경계에 도달하게 되면, 단위 가공영역에 포함된 3차원 구조물 패턴에 대한 가공이 완료되게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명은 가공 중에 발생하는 레이저의 방향전환의 횟수를 줄여(스캔경로를 이동하며 가공->다음 스텝으로 방향전환 및 이동), 비교적 단순한 가공절차를 반복수행하여 가공이 이루어지게 되므로, 생산성이 향상되게 된다.

또한, 가공영역 내에 포함되는 하나의 3차원 구조물 패턴이 여러 개의 스캔경로를 포함하고 있어서, 가공이 모두 완료되기 위해서는 3차원 구조물 패턴에 대한 가공이 휴지 시간을 갖고 간헐적으로 이루어지도록 하여 피가공대상물인 전주도금층(60)과 전극층(30)에 열에너지가 누적되는 것을 방지하여, 전주도금층(60)과 전극층(30)을 보호하고 미세 패턴의 형성이 가능하게 된다.

이 경우, 상기 레이저는 수십 펨토 초에서 수백 피코 초 사이의 초단 펄스 레이저의 사용으로 상기 마스크 패턴의 표면에서 버(burr)가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

한편, 상기 스캔경로를 따라 레이저가 이동할 때에, 각 스캔경로에 대응하여 가공깊이를 설정할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 레이저는 각 스캔경로에 대응하여 가공깊이를 설정하여 상기 마스크 패턴이 테이퍼 형상을 지니도록 트리밍하는 것이 가능하다.

즉, 1번째 스캔경로의 가공깊이를 얼마로 설정하고, 2번째 스캔경로의 가공깊이는 또 다른 값으로 설정할 수 있으며, n번째 스캔경로의 가공깊이를 각각 다르게 또는 가장 가운데에 존재하는 스캔경로에 대칭적으로 설정할 수도 있다. 이는 3차원 구조물의 형태에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 이러한 가공깊이의 설정은 레이저의 에너지 누적 분포를 제어함으로써 구현될 수 있다.

첫번째, 가공깊이를 설정하는 방법으로서, 상기 스캔경로를 이동하는 레이저의 O.R.(Overlap rate)[O.R.={(레이저의 크기 - S.P.)/레이저의 크기} x 100, S.P.(Scan Pitch) = v/f, v : 구동부의 동작에 의한 피가공대상물과 레이저의 상대 속도, f : 피가공대상물 위에 인가되는 레이저 소스의 펄스 진동수]에 의해 제어된다.

상기 레이저의 O.R.에 따른 가공깊이의 설정은, 레이저 소스부의 펄스 진동수(pulse frequency) 값을 고정한 후, 레이저빔(LBM, laser beam)의 상대 속도를 스캔경로 별로 다르게 설정하는 방법과, 레이저빔의 상대 속도 값을 고정한 채, 펄스 진동수값을 스캔경로 별로 다르게 설정하는 방법이 있다.

상기 레이저의 O.R.은 레이저의 크기에 따른 S.P.의 제어에 의해 설정될 수 있으며, S.P. = v/f에서, 레이저빔의 상대 속도 및 펄스 진동수 값을 조절하여, 각 스캔경로 별로 레이저의 오버랩되는 정도를 제어하고, 가공깊이를 설정하게 하는 것으로서, 3차원 구조물의 가공깊이가 깊을수록 레이저의 O.R.은 커지도록 설정된다.

두번째, 상기 가공깊이의 설정은 상기 스캔경로의 중첩회수에 의해 제어될 수 있다. 즉, 동일한 스캔경로 상에서 레이저를 몇 번 이동시키느냐에 따른 에너지 누적 분포를 제어하여 3차원 구조물의 가공깊이를 설정할 수 있는 것이다.

구체적으로는, 각 스캔경로에 대해서 레이저의 상대 속도와 펄스 진동수 값을 모두 고정한 채(즉, 스캔피치는 일정), 단위 가공영역 내의 스캔경로에 선택적으로 스캔경로의 중첩회수를 설정하는 것이다.

세번째, 상기 가공깊이의 설정은 상기 스캔경로 별로 에너지 강도를 설정하거나 하나의 스캔경로 내에서도 레이저 소스의 펄스 별로 에너지 강도를 설정하거나 이 둘의 조합에 의해 결정될 수 있다. 즉, 동일한 스캔경로 상에서 레이저의 에너지의 세기를 조절에 따른 에너지 누적 분포를 제어하여 3차원 구조물의 가공깊이를 설정할 수 있는 것이다.

구체적으로는, 각 스캔경로에 대해 레이저의 상대 속도와 펄스 진동수 값을 모두 고정한 채(즉, S.P.는 일정), 각 스캔경로를 따라 상대 위치 이동하는 도중에 레이저 소스의 펄스 별로 에너지 강도를 다르게 설정하거나, 각 스캔경로 별로 에너지 강도를 다르게 설정하는 것이다.

상기의 가공깊이를 설정하는 방법에 있어서, 상기 스캔경로를 이동하는 레이저의 O.R., 상기 스캔경로의 중첩회수 및 상기 스캔경로를 이동하는 레이저의 에너지 강도 중 어느 하나, 또는 이들 중 둘 이상의 조합에 의해 결정될 수도 있다.

한편, 상기 1, , , , , n번째 스캔경로(제1방향)와, 상기 스캔경로에 수직하는 1, , , , , m번째 스캔경로(제2방향)를 설정하여, 3차원 구조물을 형성할 수 있다.

이러한 3차원 구조물을 형성하는 방법으로서, 상기 스캔경로에 따라 에너지 누적 분포를 순차적인 강도로 설정하여 테이퍼 형상의 3차원 구조물을 형성할 수 있는 것이다. 즉, 두 방향으로 스캔경로를 직교하게 설정한 채로 스캔경로에 따라 에너지 누적 분포를 순차적인 강도로 설정하여 테이퍼 형상의 3차원 구조물이 형성될 수 있도록 가공깊이를 구현하는 것이다.

구체적으로는, 제1방향의 1번째 제1방향의 n번째, 그리고, 제2방향의 1번째, 제2방향의 m번째 스캔경로의 가공깊이를 동일하게 설정하고, 그와 같은 방식으로 나머지 모든 스캔경로에 대한 가공 깊이를 설정하는 것이다.

예컨대, 제1방향의 1번째(=제1방향 n번째=제2방향 1번째=제2방향 m번째)의 스캔경로의 가공깊이보다, 제1방향의 2번째(=제1방향 n-1번째=제2방향 2번째=제2방향 m-1번째)의 스캔경로의 가공깊이를 같거나 더 큰 값으로 설정하는 것이다. 나머지 스캔경로에 대해서서도 가공깊이는 동일한 방식으로 설정한다.

또한, 테이퍼 형상의 3차원 구조물을 형성하는 또 다른 방법으로서, 상기 단위 가공영역에 포함된 3차원 구조물 영역 상에 다수개의 에너지 영역을 설정하여, 에너지 영역별로 에너지 누적 분포를 순차적인 강도로 설정하여 테이퍼 형상의 3차가공깊이를 설정할 수도 있다.

구체적으로는 제2에너지 영역에 할당되는 에너지 누적분포는 제1에너지 영역에 할당되는 에너지 누적분포보다 크거나 같은 값으로 설정하고, 그와 같은 방식으로 나머지 에너지 영역에 대한 에너지 누적의 할당은 순차적인 값으로 설정된다.

이러한 에너지 영역별로 에너지 누적 분포의 설정은, 상기 스캔경로의 중첩회수 또는 상기 스캔경로를 이동하는 레이저의 에너지 강도의 변화에 의해 이루어지게 된다.

그리고, 제2에너지 영역과 제3에너지 영역의 차집합 영역에 대해 상기 중첩회수보다 크거나 같은 중첩회수로 설정하고, 나머지 모든 에너지 영역에 대해 위와 같은 에너지 누적 분포를 제어하여 테이퍼 형상의 3차원 구조물을 형성하는 것이다.

이와 같이, 본 발명은 상기 스캔경로에 대해 가공깊이를 설정하여 3차원 구조물의 형성이 용이하도록 하였으며, 특정 스캔경로 또는 에너지 영역별로 에너지의 총 누적 분포 제어를 통해 테이퍼 형상의 3차원 구조물의 형성이 용이하도록 한 것이다.

도 4의 (k)는 상기 전주도금층(60)과 전극층(30)에 형성된 마스크 패턴에 테이퍼 트리밍을 실시한 단면도이다.

이후, 패터닝된 상기 전주도금층(62)과 전극층(32)의 강성을 높이기 위해 열처리한다.

본 발명에서 제작하고자 하는 금속 마스크의 두께는 20㎛로 매우 얇다. 따라서, 이를 강화해주기 위해 열처리공정이 필수적이며, 본 발명은 마스크 패턴의 테이퍼 트리밍 후 열처리를 함으로써, 전주도금층(62)의 상면과 트리밍을 한 패턴의 가공면까지 동시에 열처리가 이루어지게 되어 상면과 가공면까지 응력 제거 및 경도 강화를 할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 열처리 공정을 레이저 라인 빔을 사용하여 실시함으로써, 설치 공간을 줄이고 특정영역을 선택하여 부분별로 내부 응력 제거가 가능하다.

레이저 열처리 방법은 레이저의 파워를 조정함으로써, 기판상에 온도를 빠르게 조절할 수 있고 온도 유지를 위한 챔버가 필요하지 않아, 종래의 열처리 방법에서 특정 온도를 유지하기 위해 챔버 형태의 공간이 필요하며 이로 인해 기판의 크기에 따라 많은 면적을 차지하게 되는 단점을 해결할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 레이저 라인 빔을 사용하여 공간상 제약을 많이 받지 않기 때문에 대면적 기판도 처리할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 열처리 방법에서는 금속의 경도를 증가시키는 담금질을 공정을 추가할 수 있다.

본 발명에서 제조하고자 하는 얇은 두께의 금속 마스크의 경도를 증가시키기 위해 응력을 제거하는 어닐링과 경도를 증가시키는 담금질이 필요한데, 기존의 금속 마스크 제조방법에서는 응력을 제거하는 어닐링 공정만 실시되고 있다. 종래에는 얇은 두께의 금속 기판을 받쳐주는 캐리어가 존재하지 않아 담금질을 실시할 경우 금속의 수축에 의해 뒤틀림이나 판재의 변형을 방지할 수 없다.

그러나 본 발명에서는 글래스를 캐리어로 사용하기 때문에 이에 대한 문제가 발생하지 않는다. 담금질은 금속의 경도를 증가시키기 위해 사용되며 금속의 두께에 따라 반복 횟수는 증가할 수 있다.

담금질 후 금속 마스크가 수축하면서 마스크 기판상에 형성된 패턴들이 크기가 변할 수 있다. 그러나 본 발명은 담금질 후 패턴 검사를 통해 패턴의 크기가 변한 경우에는 다시 레이저 공정을 거쳐 가공하고자 하는 패턴의 크기를 조정할 수 있다.

이후, 상기 전주도금층(62)과 전극층(32)에 형성된 마스크 패턴을 검사하여 불량여부를 판단하게 된다.

도 4의 (l)은 CCD 카메라를 이용하여 테이퍼 트리밍된 전주도금층(62)과 전극층(32)의 마스크 패턴을 검사하는 것을 도시한 단면도이다.

이후, 상기 전주도금층(62)과 전극층(32)을 상기 캐리어 글래스(10)로부터 분리한다.

테이퍼 트리밍된 전주도금층(62)과 전극층(32)은 금속 마스크(70)를 구성하게 된다. 도 4의 (m)은전주도금 금속 마스크(70)가 형성된 상태의 단면도이다.

본 발명에서 상기 전주도금층(62)과 전극층(32)을 상기 캐리어 글래스(10)로부터 분리하기 위해, 레이저를 이용하여 상기 캐리어 글래스(10) 위에 형성한 상기 박리층(20)을 제거하는 LLO(Laser Lift Off)를 적용한다.

이와 같이 미세 패턴이 형성된 금속 마스크의 제조가 완성되면, 이를 고정하기 위한 금속 프레임에 용접으로 붙여놓는다.

즉, 상기 금속 마스크는 매우 얇은 두께이기 때문에 휘어짐이나 처짐이 발생할 수 있고 이를 방지하기 위해, 금속 마스크를 살살 당겨 인장한 상태에서 금속 프레임에 레이저로 용접부분을 붙이는 것이다.

이와 같은 본 발명에 의해 제조된 파인 메털 마스크는 대면적 적용 시 문제가 되는 처짐 현상 및 뒤틀림을 획기적으로 개선하고, 기존의 방식으로는 구현하기 어려운 30㎛ 피치 이하의 높은 정밀도를 가짐으로써 제품의 신뢰성 향상 및 생산 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1 : 금속 박판
2, 40 : 감광막
3, 50 : 마스크
4: 캐리어
5 : 소스 공급 수단
6 : R, G, B 소스
8 : 화소
9 : 기판
10 : 캐리어 글라스
20 : 박리층
30 : 전극층
60 : 전주도금층
70 : 미세 패턴이 형성된 금속 마스크

Claims (12)

1. 파인 메털 마스크(Fine Metal Mask)를 제조하는 방법에 있어서,
   (a) 캐리어 글래스를 준비하고 상기 캐리어 글래스 상에 박리층을 증착하는 단계;
   (b) 전주 도금을 위한 전극 금속(Electrode Metal)을 증착하여 전극층을 형성하는 단계;
   (c) 상기 전극층 상에 감광막(Photoresist)을 도포하는 단계;
   (d) 상기 감광막을 제1 폭의 노광영역 패턴(W1)의 폭을 갖는 제1 마스크에 의해 제1회 노광하는 단계;
   (e) 상기 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭의 노광영역 패턴(W2)의 폭을 갖는 제2 마스크에 의해 제2회 노광하는 단계;
   (f) 상기 폭보다 좁은 폭의 노광영역 패턴(Wn)의 폭을 갖는 제n 마스크에 의해 제n회 노광하는 단계;
   (g) 상기 감광막을 현상하여 패턴 측벽이 제어된 형상을 갖는 감광막 패턴을 형성하는 단계;
   (h) 상기 패터닝된 감광막에 전주도금 (Electroplating)하여 전주도금층을 형성하는 단계;
   (i) 상기 감광막을 제거하여 금속 패턴을 형성하는 단계;
   (j) 상기 전극층에 상기 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하여 마스크 패턴을 형성하는 단계;
   (k) 패터닝된 상기 전주도금층과 전극층의 강성을 높이기 위해 열처리하는 단계;
   (l) 상기 전주도금층과 전극층에 형성된 마스크 패턴을 검사하는 단계;
   (m) 상기 전주도금층과 전극층을 상기 캐리어 글래스로부터 분리하는 단계;
   를 포함하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1회 노광의 노광영역 패턴(W1)의 폭과 상기 제n회 노광의 노광영역 패턴(Wn)의 폭의 비율에 따라 패턴 측벽 형상이 얻어지며, 상기 제1회 노광이 상기 제n회 노광보다 노광 세기가 낮도록 조정할수록 패턴 측벽의 경사가 완만해져 기울어진 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 파인 메털 마스크의 제조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 (j)단계에서 상기 전극층에 상기 금속 패턴과 대응되는 패턴을 형성하여 마스크 패턴을 형성하는 방법은, 레이저를 이용하여 상기 마스크 패턴이 테이퍼 형상을 지니도록 트리밍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 (j)단계에서 레이저를 이용하여 상기 마스크 패턴이 테이퍼 형상을 지니도록 트리밍하는 단계는,
   (j-1) 상기 전주도금층과 전극층 상에 단위 가공영역을 설정하는 단계;
   (j-2) 레이저가 상기 단위 가공영역 내에 1번째 스캔경로(Scan path)를 따라 이동하며 가공이 이루어지는 단계;
   (j-3) 상기 레이저를 다음 스텝(Step)으로 방향을 전환하고, 스텝피치(Step pitch)만큼 이동시켜 2번째 스캔경로를 따라 이동하며 가공이 이루어지는 단계; 및
   (j-4) 상기 (j-2)단계 및 (j-3)단계를 반복수행하여 n번째 스캔경로를 따라 레이저의 이동이 완료되면 단위 가공영역 전체에 대한 가공이 이루어지는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 레이저는 각 스캔경로에 대응하여 가공깊이를 설정하여 상기 마스크 패턴이 테이퍼 형상을 지니도록 트리밍하는 것이 가능한 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 레이저는 수십 펨토 초에서 수백 피코 초 사이의 초단 펄스 레이저의 사용으로 상기 마스크 패턴의 표면에서 버(Burr)가 발생하는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 (k)단계에서 패터닝된 상기 전주도금층과 전극층의 강성을 높이기 위해 열처리하여 일정한 온도 범위에서 열팽창계수가 3㎛/m℃이하의 값이 되도록 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 (k)단계에서 패터닝된 상기 전주도금층과 전극층의 강성을 높이기 위해 레이저를 이용하여 열처리하는 단계를 포함하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 (k)단계에서 상기 레이저는 라인 빔을 사용하여 설치 공간을 줄이고, 특정 영역을 선택하여 부분별로 내부응력 제거가 가능한 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 (k)단계에서 금속의 경도를 증가시키기 위한 담금질 공정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 담금질 공정 후 마스크 패턴들이 크기가 변하는 경우, 재차 레이저를 이용하여 상기 마스크 패턴의 크기를 조정하는 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.
12. 상기 (m)단계에서 상기 전주도금층과 전극층을 상기 캐리어 글래스로부터 분리하는 방법은 레이저를 이용하여 상기 캐리어 글래스 위에 형성한 상기 박리층을 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off)하는 것을 특징으로 하는 전주도금법을 이용한 파인 메털 마스크 제조방법.