[논문]빔 쉐이핑을 이용한 펨토초 레이저 ITO 박막 가공 깊이 제어에 대한 연구

김훈영; 윤지욱; 최원석; 황경현; 조성학

문제 정의

또한 측면 프로파일을 통하여 6발에서 유리 기판의 손상 없이 ITO만 가공이 되는 선택적 가공이 가능함을 추측할 수 있었다. 기존의 가우시안 분포의 빔을 사용했을 때는 어려웠던 가공 깊이 조절에 대해서 본 연구에서는 현재 널리 쓰이는 투명전 극유리 위에 슬릿 빔 쉐이핑을 이용하여 깊이 조절이 가능한 사각패턴을 만드는데 성공하였다.
따라서, 본 연구에서는 슬릿에 의한 빔 쉐이핑 기술을 이용하여 유리 기판 위에 증착되어 있는 ITO에 대해 펄스 수를 조절하여 패턴 가공 깊이의 40nm급 조절과 함께 선택적 가공 또한 가능함을 보았다.
본 연구에서는 유리 기판 위에 증착되어있는 ITO에 대하여 펨토초 레이저 빔의 경로에 슬릿을 구성하여 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔을 사각형모양의 quasi-flat top 형태로 쉐이핑하고, 쉐이핑 된 빔과 펄스 수 조절을 이용하여 가공 패턴의 균일도를 높이고 가공 깊이를 조절하기 위한 연구를 수행하였다.

제안 방법

방출된 레이저 빔은 직선평광을 가지며 빔의 프로파일은 가우시안 형태를 가진다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 방출된 가우시안 분포를 가지는 빔을 슬릿을 구성하여 통과하도록 하였으며 Fig. 3과 같이 사각형 모양을 갖는 quasi-flat top 형태로 쉐이핑 하였다. 쉐이핑 된 빔을 이용하여 가공 깊이를 조절하고 선택적 가공에 대한 실험을 수행하였으며, 얻어진 가공 실험 결과 특성을 측정하기 위하여 광학현미경, 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope)을 사용하였고, ITO의 선택적 가공의 여부를 확인하기 위하여 에너지 분산 엑스선 분광계(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 이용하였다.
Fig. 5(e)의 결과와 같이 6발의 펄스를 조사하였을 때, 선택적 가공이 이루어졌는지 정확히 측정하기 위하여 전자빔에 의한 성분의 엑스선영역대 에너지를 스캔하여 사용하는 EDS를 이용하여 ITO의 주성분인 In과 Sn의 잔존율을 측정하였다. In과 Sn의 어느정도의 성분 감소가 이루어졌는지 정확하게 확인하기 위하여 펄스가 조사되기 전 샘플의 표면과 선택적 가공이 완료되었다고 추측되는 6발의 펄스 수로 가공된 가공부 바닥면에 대해서 EDS를 이용하여 비교 성분 검출을 수행하였으며, 그 결과를 Fig.
6TW/cm²의 가공임계치를 얻었다. ITO의 가공임계치값 이상과 유리 기판의 가공임계치값 이하에서 펄스 수에 따른 가공 깊이의 차이점을 더욱 명확하게 알아보기 위하여 2.8TW/cm²으로 인텐시티를 고정하여 실험을 진행하였으며, 펄스 수를 조절하여 가공된 결과의 광학현미경 사진을 Fig. 4(a)-(g)에 나타내었다. 슬릿을 조절하여 Fig.
5(e)의 결과와 같이 6발의 펄스를 조사하였을 때, 선택적 가공이 이루어졌는지 정확히 측정하기 위하여 전자빔에 의한 성분의 엑스선영역대 에너지를 스캔하여 사용하는 EDS를 이용하여 ITO의 주성분인 In과 Sn의 잔존율을 측정하였다. In과 Sn의 어느정도의 성분 감소가 이루어졌는지 정확하게 확인하기 위하여 펄스가 조사되기 전 샘플의 표면과 선택적 가공이 완료되었다고 추측되는 6발의 펄스 수로 가공된 가공부 바닥면에 대해서 EDS를 이용하여 비교 성분 검출을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 전자의 운동 에너지에 따른 각 원소의 카운트 수의 함수그래프와 In과 Sn의 atm%를 보기 위한 표로 나타내었다. 측정 결과의 비교 분석 결과, 레이저로 가공된 부분의 성분비가 기존 ITO-유리 표면의 성분비에 비해 In의 경우 5.
정밀 가공에 적합한 스테이지 가공 시스템을 이용하여 실험을 수행하였으며, 가공 시스템은 펨토초 레이저와 빔 전송을 위한 광학계, X-Y스테이지, Z축 슬라이드로 구성되었고, Z축 슬라이드를 통해 가공초점을 결정하였다. 가공용 대물렌즈와 동일한 축에 설치된 CCD를 통하여 레이저 초점을 결정하고 가공 상태를 모니터링 할 수 있도록 하였으며, 출력조절을 위하여 레이저운용 소프트웨어가 사용되었다. 실험장치의 구성도를 Fig.
4에 보이는 바와 같이 10μm × 10μm의 크기를 갖는 사각형 형태의 가공 결과를 얻었고, 조사되는 펄스의 수가 증가함에 따라 점차 색이 짙어지는 것을 볼 수있었으며, 펄스 수의 증가에 의한 에너지흡수에 따라 ITO의 제거양상이 다르게 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 가공이 시작되는 펄스 수 1발부터 유리 기판에는 손상을 주지 않고 증착되어 있는 ITO의 선택적 가공이 이루어진다고 예측되는 6발까지 펄스 수 조절을 하며 실험을 하였고, 얻어진 가공 결과의 형상 및 깊이를 더욱 정확하게 분석하기 위하여 AFM을 이용하여 측정하였다. Fig.
3과 같이 사각형 모양을 갖는 quasi-flat top 형태로 쉐이핑 하였다. 쉐이핑 된 빔을 이용하여 가공 깊이를 조절하고 선택적 가공에 대한 실험을 수행하였으며, 얻어진 가공 실험 결과 특성을 측정하기 위하여 광학현미경, 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope)을 사용하였고, ITO의 선택적 가공의 여부를 확인하기 위하여 에너지 분산 엑스선 분광계(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 이용하였다.
슬릿을 통과한 quasi-flat top 빔을 이용하여 유리 기판 위에 증착되어 있는 ITO의 가공 깊이를 조절하기 위하여 조사되는 펄스의 수를 늘려가며 실험을 수행하였다. 유리 기판에 데미지를 주지 않고 증착되어있는 ITO만 가공하는 선택적 가공을 하기 위하여 실험에 앞서 유리 기판과 ITO 박막의 가공임계치를 측정하였으며, 각각 12.
슬릿을 통과한 quasi-flat top 빔을 이용하여 유리 기판 위에 증착되어 있는 ITO의 가공 깊이를 조절하기 위하여 조사되는 펄스의 수를 늘려가며 실험을 수행하였다. 유리 기판에 데미지를 주지 않고 증착되어있는 ITO만 가공하는 선택적 가공을 하기 위하여 실험에 앞서 유리 기판과 ITO 박막의 가공임계치를 측정하였으며, 각각 12.2TW/cm², 0.6TW/cm²의 가공임계치를 얻었다. ITO의 가공임계치값 이상과 유리 기판의 가공임계치값 이하에서 펄스 수에 따른 가공 깊이의 차이점을 더욱 명확하게 알아보기 위하여 2.
42의 NA값을 갖는 50배율의 대물렌즈를 사용하였다. 정밀 가공에 적합한 스테이지 가공 시스템을 이용하여 실험을 수행하였으며, 가공 시스템은 펨토초 레이저와 빔 전송을 위한 광학계, X-Y스테이지, Z축 슬라이드로 구성되었고, Z축 슬라이드를 통해 가공초점을 결정하였다. 가공용 대물렌즈와 동일한 축에 설치된 CCD를 통하여 레이저 초점을 결정하고 가공 상태를 모니터링 할 수 있도록 하였으며, 출력조절을 위하여 레이저운용 소프트웨어가 사용되었다.
패턴 가공 깊이 조절이 어려운 가우시안 분포를 가지는 빔을 슬릿 빔 쉐이핑 기술을 사용하여 선택적 가공과 가공 깊이 조절에 대한 연구를 진행하였다. 펨토초 레이저를 이용하여 ITO-유리에 대해 선택적 가공을 수행하였으며, 디스플레이 디바이스에 접목가능한 사각 패턴을 구성하였다.
패턴 가공 깊이 조절이 어려운 가우시안 분포를 가지는 빔을 슬릿 빔 쉐이핑 기술을 사용하여 선택적 가공과 가공 깊이 조절에 대한 연구를 진행하였다. 펨토초 레이저를 이용하여 ITO-유리에 대해 선택적 가공을 수행하였으며, 디스플레이 디바이스에 접목가능한 사각 패턴을 구성하였다. 실험 결과를 정확히 측정하기 위하여 AFM, EDS를 이용한 측정을 수행하였으며, 40nm급의 가공 깊이를 조절 할 수 있음과 동시에 선택적 가공 또한 가능함을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 1030nm의 중심파장, 30kHz의 반복률, 200fs의 펄스폭과 최대 출력 3.5W를 가지는 펨토초 레이저가 사용되었으며, 0.42의 NA값을 갖는 50배율의 대물렌즈를 사용하였다. 정밀 가공에 적합한 스테이지 가공 시스템을 이용하여 실험을 수행하였으며, 가공 시스템은 펨토초 레이저와 빔 전송을 위한 광학계, X-Y스테이지, Z축 슬라이드로 구성되었고, Z축 슬라이드를 통해 가공초점을 결정하였다.
실험에 사용된 ITO 박막은 145nm정도의 두께로 1.1mm두께의 유리 기판 위에 In₂O₃(90wt%) : SnO₂(10wt%)을 사용하여 DC 마그네트론 스퍼터링 방법에 의해 증착되었으며, 제작되어진 ITO-유리의 모식도를 Fig. 1에 나타내었다.

성능/효과

(e)145 ± 0.5nm로 점점 깊어짐을 AFM 측정을 통해 알 수있었고, 깊이의 변화로 보아 약 40nm급의 가공 깊이 조절이 가능함을 확인 할 수 있었다.
5nm로 점점 깊어짐을 AFM 측정을 통해 알 수있었고, 깊이의 변화로 보아 약 40nm급의 가공 깊이 조절이 가능함을 확인 할 수 있었다. 또한 측면 프로파일을 통하여 6발에서 유리 기판의 손상 없이 ITO만 가공이 되는 선택적 가공이 가능함을 추측할 수 있었다. 기존의 가우시안 분포의 빔을 사용했을 때는 어려웠던 가공 깊이 조절에 대해서 본 연구에서는 현재 널리 쓰이는 투명전 극유리 위에 슬릿 빔 쉐이핑을 이용하여 깊이 조절이 가능한 사각패턴을 만드는데 성공하였다.
슬릿을 조절하여 Fig. 4에 보이는 바와 같이 10μm × 10μm의 크기를 갖는 사각형 형태의 가공 결과를 얻었고, 조사되는 펄스의 수가 증가함에 따라 점차 색이 짙어지는 것을 볼 수있었으며, 펄스 수의 증가에 의한 에너지흡수에 따라 ITO의 제거양상이 다르게 보이는 것을 확인 할 수 있었다.
펨토초 레이저를 이용하여 ITO-유리에 대해 선택적 가공을 수행하였으며, 디스플레이 디바이스에 접목가능한 사각 패턴을 구성하였다. 실험 결과를 정확히 측정하기 위하여 AFM, EDS를 이용한 측정을 수행하였으며, 40nm급의 가공 깊이를 조절 할 수 있음과 동시에 선택적 가공 또한 가능함을 확인하였다. 특정 기판 위에 증착되어 있는 투명전도성 물질에 대한 패턴 가공 깊이 조절과 ITO의 깊이 제어가 가능한 선택적 가공은 산업적으로 큰 이슈이며, 본 연구로 얻어진 결과를 토대로 디스플레이에 이용되는 TCO에 대한 응용연구를 진행하여 핵심요소기술을 확보한다면 산업발전에 큰 보탬이 될 것으로 생각 된다.
6에 전자의 운동 에너지에 따른 각 원소의 카운트 수의 함수그래프와 In과 Sn의 atm%를 보기 위한 표로 나타내었다. 측정 결과의 비교 분석 결과, 레이저로 가공된 부분의 성분비가 기존 ITO-유리 표면의 성분비에 비해 In의 경우 5.66atm%에서 0.41atm%로, Sn은 0.7atm%에서 0.0atm%로 각각 93%와 100%의 제거됨을 알 수 있었다.

후속연구

실험 결과를 정확히 측정하기 위하여 AFM, EDS를 이용한 측정을 수행하였으며, 40nm급의 가공 깊이를 조절 할 수 있음과 동시에 선택적 가공 또한 가능함을 확인하였다. 특정 기판 위에 증착되어 있는 투명전도성 물질에 대한 패턴 가공 깊이 조절과 ITO의 깊이 제어가 가능한 선택적 가공은 산업적으로 큰 이슈이며, 본 연구로 얻어진 결과를 토대로 디스플레이에 이용되는 TCO에 대한 응용연구를 진행하여 핵심요소기술을 확보한다면 산업발전에 큰 보탬이 될 것으로 생각 된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정보통신기술의 발전은 무엇으로 이어지고 있는가?	정보통신기술의 발전은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템과 휴대용 모바일 기기의 개발로 이어지고 있으며, 이에 따른 디스플레이 장치는 사람과 전자기기와의 연결을 담당하는 중요한 기능을 하고 있다. 1897년 최초 브라운관이 발명된 이래로 각종 전자기기에서 다양한 정보를 인간이 볼 수 있도록 화면상에 구현해 주는 역할을 해온 디스플레이는 미래 정보화 시대의 핵심 산업으로 각광 받고 있고, 박막형 액정패널 및 PDP, OLED 등 다양한 장점을 가진 플랫패널디스플레이들이 등장하였다.
	디스플레이 장치의 기능은?	정보통신기술의 발전은 다양한 용도의 컴퓨터 기반 시스템과 휴대용 모바일 기기의 개발로 이어지고 있으며, 이에 따른 디스플레이 장치는 사람과 전자기기와의 연결을 담당하는 중요한 기능을 하고 있다. 1897년 최초 브라운관이 발명된 이래로 각종 전자기기에서 다양한 정보를 인간이 볼 수 있도록 화면상에 구현해 주는 역할을 해온 디스플레이는 미래 정보화 시대의 핵심 산업으로 각광 받고 있고, 박막형 액정패널 및 PDP, OLED 등 다양한 장점을 가진 플랫패널디스플레이들이 등장하였다.
	포토리소그래피 공정의 단점은?	터치패널로 이용하기 위해선 PET나 유리와 같은 기판 위에 ITO를 성막하여서 터치모듈로 제작되며, 이 터치모듈의 패터닝에는 습식 에칭을 이용한 포토리소그래피 공정이 주로 이용되고 있다. 하지만 이러한 공정은 다중 프로세스의 단계를 거쳐야 함과 동시에 장비나 용품이 고비용이고 유독성의 물질이 이용됨에 따라 자연환경에 악영향을 끼치는 단점을 가지게 된다. 그렇기 때문에 레이저를 이용하여 직접적인 패터닝을 한다면, 다중 프로세스의 수를 줄이고, 공정 비용 절감을 할 수 있을 뿐만 아니라 친환경적이라는 큰 이점을 가질 수 있다.

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