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문제 정의
- 이에 본 연구 논문에서 대량 생산이 가능한 롤투롤 포토리소그래피의 가능성을 알아보고 향후 발전 방안에 대해 고찰해 보고자 한다. 또한 그 대표적 응용분야인 디스플레이 부품 시제품을 생산해보고 실제 산업 적용 가능성에 대해 알아본다.
- 이러한 대면적의 패턴 형성 기술은 여러 소자를 만드는데 있어서 매력적인 방법이 될 것이고 실제 그 예로 투명 전극을 제작하여 응용의 가능성을 가늠하였다. 이렇게 제작된 투명전극은 현재 디스플레이와 태양전지 등의 연구에서 사용되고 있는 ITO 기판을 대체할 수 있을 만한 성능을 보여줌으로써 이 기술의 학문적, 산업적 중요성을 확인시켜 주었다. 이 새로운 기술은 미세구조의 대량생산에 있어 매우 효율적인 방법이 될 것이다.
- 나노 임프린트에 비해 상대적으로 제작 물질이나 응용 분야 등이 오랫동안 발전되어온 포토리소그래피를 연속공정으로 발전 시킬 수 있다면 현재의 생산 방식 자체를 바꿀 수 있으리라 예상한다. 이에 본 연구 논문에서 대량 생산이 가능한 롤투롤 포토리소그래피의 가능성을 알아보고 향후 발전 방안에 대해 고찰해 보고자 한다. 또한 그 대표적 응용분야인 디스플레이 부품 시제품을 생산해보고 실제 산업 적용 가능성에 대해 알아본다.
제안 방법
- 개발된 롤타입 위상 이동 리소그래피의 응용 사례로 금속 그물망 구조를 갖는 투명 전극(transparent metal electrode, TME) 을 개발하였다. 금속 투명 전극은 현재 많이 연구되고 있는 CNT 를 이용한 투명 전극이나 그래핀을 이용한 투명전극과 더불어 디스플레이, 태양전지에 사용되고 있는 ITO glass 를 대체할 수 있는 부품이다.
- 실험을 통해 광원에서 나오는 자외선을 최대한 막아주면서 가장 얇은 효율적인 금속층의 두께를 구했고 그 결과인 50 nm 두께의 알루미늄을 PET 필름 위에 증착하였다. 그 후 PR 코팅, 노광, 현상 과정을 거쳐서 알루미늄 필름 마스크를 제작하였다. 알루미늄 층의 식각을 위해 현상은 사용한 PR 의 일반적인 현상 시간보다 약 2분 더 진행하였다.
- 본 연구진은 365 nm 의 파장을 갖는 단파장 자외선 광원을 사용하여 200 nm 부터 수십 마이크로미터에 이르기까지의 다양한 크기의 미세 구조를 롤타입의 위상 이동 리소그래피와 포토리소그래피 기술을 통해 구현하였다. 그리고 그 기술의 응용으로서 디스플레이 장치의 터치 패널 부품으로 사용이 가능한 금속 그물망 구조로 제작된 투명 금속 전극을 개발하였다.
- 그리고 자외선 광원은 실린더 내부에 고정되어 있고 파장은 365 nm 단일 파장이다. 또한 콜리메이션 렌즈를 사용하여 빛의 방향을 전 노광 면적에 대해 일정하게 조절하였으며 광원의 끝부분에 작은 슬릿을 만들어 이동방향에 수직한 방향의 선광원을 사용할 수 있도록 하였다. 빛의 세기는 컨트롤러로 0~200 mW/cm2까지 조절하였다.
- 롤타입의 포토리소그래피는 앞서 소개한 위상 이동 리소그래피의 마스크를 금속 필름 마스크로 교체하여 공정을 진행한다. 실제로 이 방식은 현재 사용하고 있는 일반적인 포토리소그래피 공정을 롤투롤 공정으로 변환 시킨 공정으로 웨이퍼 로딩, 언로딩을 연속 기판의 이동으로 변화시킨것 이외의 부분은 모두 포토리소그래피와 공정을 공유한다.
- 본 연구를 통해 제작된 롤 타입의 연속 포토리소그래피는 목표하는 한계 해상도에 따라 두 가지 종류의 기술로 구성된다. 첫번째 방식은 500 nm 이하의 한계 해상도 구현을 목표로 하는 롤타입 위상 이동리소그래피(roll type phase shift lithography)(5)이고 두번째 방식은 그 이상의 sub-micron 크기와 마이크로 단위의 구조물 제작을 목표로 하는 롤타입 포토리소그래피(roll type photolithography)이다.
- Stepper 나 Scanner 등을 포함하여 극단파장의 광원을 사용하는 방법을 제외한 일반적인 자외선(350 nm~400 nm)을 사용하고 있는 보통의 포토리소그래피의 한계 해상도는 대략 600 nm 정도로 알려져 있다. 본 연구진은 365 nm 의 파장을 갖는 단파장 자외선 광원을 사용하여 200 nm 부터 수십 마이크로미터에 이르기까지의 다양한 크기의 미세 구조를 롤타입의 위상 이동 리소그래피와 포토리소그래피 기술을 통해 구현하였다. 그리고 그 기술의 응용으로서 디스플레이 장치의 터치 패널 부품으로 사용이 가능한 금속 그물망 구조로 제작된 투명 금속 전극을 개발하였다.
- 앞서 2.3 에서 보았던 롤타입 위상 이동 리소그래피의 응용과 마찬가지로 롤타입 포토리소그래피를 이용해서 투명 금속 전극을 제작해 보았다. 아래 Fig.
- 이 방식으로 제작된 투명 전극에 대해서도 역시 투과도와 면저항을 측정하였다. Fig.
- 이 연구를 통하여 연속적으로 구조를 생산 할 수 있는 포토리소그래피 공정을 한계 해상도에 따라 위상이동 리소그래피와 포토리소그래피로 나누어 소개하였다. 웨이퍼 기반의 생산을 벗어난 연속 생산 공정과 잔존층이 없는 미세 구조 제작 그리고 실시간 주기 조절 공정 등의 생산 공정상의 특징은 기존의 포토리소그래피와 롤타입의 나노임프린팅의 한계를 잘 극복한 점이다.
- 이러한 PUA 몰드는 10, 30, 50, 70 µm의 주기를 갖는 금속 그물망 구조를 만들기 위해 각각의 주기를 갖는 구조물로 제작 되었다.
- 반대로 느린 속도의 롤 마스크 회전의 결과로는 마스크패턴의 주기보다 넓은 주기의 패턴이 형성 된다. 이러한 생산 특성을 테스트 하기 위해서 이미지를 롤 마스크로 만들어 주기 조절 실험을 하였다. Fig.
- 2에 설명 되어 있다. 진정한 의미의 연속 공정이라면 포토레지스트의 코팅과 현상(development)공정까지 연속적으로 이루어져야하지만 이번 연구에서는 가능성의 파악에 의미를 두고 스핀코팅과 수동 현상으로 공정을 진행 하였다.
- 비교 기준이 될 수 있는 ITO glass 의 경우 투과도가 약 85 %이기 때문에(7) 비교적 투명 금속 전극이 투과도라는 측면에서는 충분히 ITO 를 대신하여 사용 될 수 있다는 사실을 알 수 있다. 투과도와 더불어 투명 금속 전극의 중요한 성능요소인 면저항은 전극 증착을 통해서 측정을 하였다. 면저항 측정치를 보여주고 있는 Fig.
- 실제로 이 방식은 현재 사용하고 있는 일반적인 포토리소그래피 공정을 롤투롤 공정으로 변환 시킨 공정으로 웨이퍼 로딩, 언로딩을 연속 기판의 이동으로 변화시킨것 이외의 부분은 모두 포토리소그래피와 공정을 공유한다. 특히 완전한 연속 공정을 위해서 필요한 연속 PR 코팅 장치와 현상(Develop) 장치는 이번 연구에서는 생략하고 스핀코팅과 수동 Develop으로 대체 하였다. 필름형태의 마스크는 현재 인쇄를 통해서 제작되어 여러 분야에서 사용이 되고 있다.
대상 데이터
- 실제 선행 연구 결과로 발표한 수율은 10 % 라고 밝혀져 있다. 롤타입의 마스크에 적용가능한 위상 이동 마스크를 제작하기 위하여 본 연구진은 Polyurethanacrylate(PUA)(MINS-311, Minuta, co.)를 사용하였다.(6) Rigiflex mold 라는 이름으로 알려져 있는 PUA 는 수십나노급의 구조를 구현해 낼만큼 높은 Elastic modulus를 가지고 있지만 대면적의 패턴 결과물은 필름과 같이 유연한 특성을 가져 실린더형의 마스크를 제작 하기에 용이하다.
- 하지만 이 필름마스크는 최대 10 µm 정도까지 해상도가 보장이 되기 때문에 그보다 작은 패턴을 구현하기 위해서는 필름 형태의 금속 마스크 를 제 작 할 필 요 가 있 다 . 마 스 크 용 도로 가장 널리 쓰이는 금속은 크롬(Cr)이지만 본 실험에서는 에칭을 포함한 제작의 편의성을 위해 알루미늄(Al)을 사용하였다. 알루미늄은 TMAH 성분이 있는 현상액(Developer)에 식각이 되는 특성이 있어서 금속 마스크 제작 시 패터닝과 식각을 동시에 진행할 수 있는 장점이 있다.
- 경화 후 마스터로부터 PUA 몰드를 분리하여 실린더에 감아주면 롤타입 위상 이동 마스크가 완성된다. 사용한 빛의 파장과 PUA 의 굴절률(R.I.~1.4)를 고려하여 구조물의 높이는 450 nm 로 제작을 하였다. 롤타입 위상 이동 리소그래피의 개략도는 Fig.
- 실험 장비는 Fig. 1 에서 볼 수 있듯이 롤타입의 마스크 유닛, xyz-stage, 샘플 이송 장치(linear motion actuator), 그리고 UV 노광 유닛으로 구성이 되었다.
- 5 에 각 주기별로 나타나 있다. 실험에 사용된 금속은 알루미늄으로 400, 600, 800 Å의 세가지 두께로 증착하였고 증착은 E-beam evaporator 로 진행하였다.
- 아래 Fig. 9 에서 보는 것과 같이 10, 30, 50, 70 µm 주기를 갖는 폭 1 µm, 두께 60 nm 의 알루미늄 그물 구조를 제작하였다.
- 9 에서 보는 것과 같이 10, 30, 50, 70 µm 주기를 갖는 폭 1 µm, 두께 60 nm 의 알루미늄 그물 구조를 제작하였다. 큰 결함 부분 없이 100 mm2면적에 패터닝이 잘 되었고 금속층의 에칭 역시 현상액(MF-319, Shipley)을 사용하여 현상과 동시에 진행하였다.
이론/모형
- 하지만 그 마스크가 쿼츠(Quartz)로 만들어져 제작비용이 비싸고 대면적의 패턴을 형성하기에 높은 수준의 균일한 접촉이 잘 이루어지지 않아 결점이 발생하는 등의 문제가 있었다. 이 문제를 해결하기 위하여 PDMS 를 마스크로 사용하는 연구가 Whiteside 연구팀에 의해 이루어졌다.(5) PDMS 물질의 특성상 넓은 면적에 균일한 접촉이 가능하였고 매우 낮은 생산비로 마스크를 제작할 수 있었다.
- 9(a))에서는 더욱 계산값보다 낮은 투과도를 보이고 넓은 주기의 패턴에서는 계산값과 거의 일치하는 값을 보이게 된다. 이 샘플들의 면저항 역시 옴의 법칙으로 계산되었고 동시에 전극 증착 후 측정되었다.(테이블 1) 알루미늄 전극의 산화와 웻에칭의 불균일성 등의 이유로 계산값보다 측정값이 높게 나왔지만 타당한 수준의 결과값이 측정되었다.
성능/효과
- 이 문제를 해결하기 위하여 PDMS 를 마스크로 사용하는 연구가 Whiteside 연구팀에 의해 이루어졌다.(5) PDMS 물질의 특성상 넓은 면적에 균일한 접촉이 가능하였고 매우 낮은 생산비로 마스크를 제작할 수 있었다. 하지만 이 물질은 탄성계수가 매우 낮아서 작은 힘에도 변형이 쉬운 단점이 있다.
- )를 사용하였다.(6) Rigiflex mold 라는 이름으로 알려져 있는 PUA 는 수십나노급의 구조를 구현해 낼만큼 높은 Elastic modulus를 가지고 있지만 대면적의 패턴 결과물은 필름과 같이 유연한 특성을 가져 실린더형의 마스크를 제작 하기에 용이하다. 롤타입의 PUA 위상 이동 마스크를 제작하는 과정은 다음과 같다.
- 85%의 투과도와 최소 20 Ω/□의 면저항을 가지고 있는 ITO glass 와 비교했을때 30 µm 주기를 갖는 두께 60 nm 의 금속 투명 전극은 투과도 90%, 저항 21.11 Ω/□을 보여 주며 굽힘 안정성과 제작의 용이성 등을 토대로 향후 ITO glass 를 대체 할 수 있는 가능성을 보여주었다.
- 그리고 향후 물질과 공정 최적화를 통해 defect 을 줄이고 금속 도선 자체의 저항을 줄인다면 상용 ITO 에 상응하는 면저항 성능을 가질 수 있으리라 예상한다. 또한 필름 기판 위에도 제작이 가능하고 굽힘 하중에 대해서 표면 안정성이 있는 금속 전극이 ITO glass 에 대해서 충분히 경쟁력이 있음을 확인할 수 있었다. 이에 롤타입의 위상 이동 리소그래피를 이용하여 제작한 투명 금속 전극이 충분히 기존에 사용하던 ITO glass 를 대체할 수 있다는 가설의 타당성을 확인할 수 있었다.
- 알루미늄 필름 마스크는 기존에 사용되던 포토리소그래피나 Stepper 를 이용한 패터닝을 활용한다. 실험을 통해 광원에서 나오는 자외선을 최대한 막아주면서 가장 얇은 효율적인 금속층의 두께를 구했고 그 결과인 50 nm 두께의 알루미늄을 PET 필름 위에 증착하였다. 그 후 PR 코팅, 노광, 현상 과정을 거쳐서 알루미늄 필름 마스크를 제작하였다.
- 또한 필름 기판 위에도 제작이 가능하고 굽힘 하중에 대해서 표면 안정성이 있는 금속 전극이 ITO glass 에 대해서 충분히 경쟁력이 있음을 확인할 수 있었다. 이에 롤타입의 위상 이동 리소그래피를 이용하여 제작한 투명 금속 전극이 충분히 기존에 사용하던 ITO glass 를 대체할 수 있다는 가설의 타당성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 미세구조 제작에 있어 포토리소그래피와 함께 널리 쓰이고 있는 방법 중 하나인 나노임프린트의 경우에는 웨이퍼 크기의 면적을 제작하던 공정을 롤투롤 공법을 적용하여 대면적에 연속적으로 높은 수율의 생산을 가능하게 하는 연구가 많이 진행 되었고 실제 많은 연구진들에 의해 실용화에 대한 노력이 이루어지고 있다.(3,4) 이 밖에 유연기판에 포토리소그래피를 적용함에 있어 기판자체의 변형이 후속공정에서의 정렬 불량으로 이어질 수 있어 이에대한 연구가 더욱 진행되어야 한다.(5)
- 가장 작은 주기 10 µm 의 경우 57 Ω/□의 면저항을 보이고 있고 이는 비교 대상으로 잡고 있는 상용 ITO glass (15~30 Ω/□) 에 대하여 저항 부분에서 조금은 그 성능이 떨어지지만 터치스크린과 같이 저항값에 관용도가 높은 응용처에는 충분히 경쟁력이 있는 값이다. 그리고 향후 물질과 공정 최적화를 통해 defect 을 줄이고 금속 도선 자체의 저항을 줄인다면 상용 ITO 에 상응하는 면저항 성능을 가질 수 있으리라 예상한다. 또한 필름 기판 위에도 제작이 가능하고 굽힘 하중에 대해서 표면 안정성이 있는 금속 전극이 ITO glass 에 대해서 충분히 경쟁력이 있음을 확인할 수 있었다.
- 나노 임프린트에 비해 상대적으로 제작 물질이나 응용 분야 등이 오랫동안 발전되어온 포토리소그래피를 연속공정으로 발전 시킬 수 있다면 현재의 생산 방식 자체를 바꿀 수 있으리라 예상한다. 이에 본 연구 논문에서 대량 생산이 가능한 롤투롤 포토리소그래피의 가능성을 알아보고 향후 발전 방안에 대해 고찰해 보고자 한다.
- 이렇게 제작된 투명전극은 현재 디스플레이와 태양전지 등의 연구에서 사용되고 있는 ITO 기판을 대체할 수 있을 만한 성능을 보여줌으로써 이 기술의 학문적, 산업적 중요성을 확인시켜 주었다. 이 새로운 기술은 미세구조의 대량생산에 있어 매우 효율적인 방법이 될 것이다.
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