KR100951778B1 - Method for patterning thin film by laser printing - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라서 병렬식 레이저 프린팅에 의한 박막 패터닝 방법이 제공된다. 상기 방법은 입자를 포함하는 박막이 형성되어 있고, 광투과성인 유리 또는 플라스틱 소스 기판을 제공하는 단계로서, 상기 박막은 상기 입자를 함유하는 용액을 상온에서의 용액 적층에 의해 상기 소스 기판 상에 형성되며, 상기 입자는 상기 박막 중에 응집된 형태로 존재하는 것인 상기 소스 기판 제공 단계와, 상기 박막이 형성된 소스 기판 표면에 대향하여 그리고 상기 소스 기판에 형성된 박막과 접촉 상태로 혹은 인접하여 광투과성 또는 불투명 재질의 리시버 기판을 배치하는 단계와, 펄스 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 공간적 광 변조기를 통해 통과시켜, 상기 소스 기판을 조사하는 단계로서, 상기 공간적 광 변조기는 사용자가 원하는 임의의 형태의 패턴으로 형성되어 상기 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 공간적으로 변조시켜 통과시키며, 상기 패턴에 대응하여 상기 펄스 레이저 빔이 상기 소스 기판을 통과하여 상기 입자 박막에 조사되도록 하는 것인, 상기 펄스 레이저 빔 조사 단계와, 상기 입자 박막에 조사되는 펄스 레이저에 의한 상기 소스 기판에서의 패터닝 단계로서, 상기 공간적 광 변조기에 의해 에너지 밀도가 공간적으로 변조되어 상기 패턴에 대응되는 입자 박막 부위에 조사된 펄스 레이저의 에너지 밀도가 임계값 이상이면, 입자의 열탄성 효과에 의한 힘이 입자와 기판 사이의 결합력보다 크게 되어, 상기 레이저가 조사된 입자 박막 부위가 기판으로부터 분리되어, 상기 공간적 광 변조기의 패턴에 대응되는 패턴이 입자 박막에 형성되도록 하는 것인, 상기 소스 기판에서의 병렬 방식의 패터닝 단계와, 상기 리시버 기판에서의 프린팅 단계로서, 상기 소스 기판에서의 패터닝 단계 중에 상기 입자 박막으로부터 분리된 입자들을 열탄성력에 의해 상기 리시버 기판을 향해 구동시켜 상기 리시버 기판 상에 적층되도록 함으로써, 상기 소스 기판에 형성된 패턴과 대응되는 패턴을 갖는 박막을 상기 리시버 기판 상에 형성하는, 상기 리시버 기판에서의 병렬 방식의 프린팅 단계 및 상기 리시버 기판에 형성된 박막에 대해 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention there is provided a thin film patterning method by parallel laser printing. The method comprises providing a glass or plastic source substrate on which a thin film comprising particles is formed and which is light transmissive, wherein the thin film is formed on the source substrate by stacking a solution containing the particles at room temperature. Wherein said particles are present in agglomerated form in said thin film, wherein said source substrate is present in an agglomerated form, and wherein said particles are light transmissive or opposite to or in contact with a thin film formed on said source substrate and opposing said source substrate surface. Arranging a receiver substrate of opaque material and irradiating the source substrate by passing a pulsed laser beam from the pulsed laser beam irradiation means through a spatial light modulator, wherein the spatial light modulator is in any shape desired by the user. The energy density of the pulsed laser beam is formed in a pattern of Modulating and passing the pulsed laser beam through the source substrate and irradiating the thin film of particles to correspond to the pattern; and irradiating the thin film of particles with the pulsed laser beam. In the patterning step of the source substrate, if the energy density of the pulse laser beam irradiated to the particle thin film portion corresponding to the pattern is spatially modulated by the spatial light modulator, the thermoelastic effect of the particles Wherein the force is greater than the bonding force between the particles and the substrate, such that the portion of the thin film of irradiated laser is separated from the substrate such that a pattern corresponding to the pattern of the spatial light modulator is formed in the thin film of particles. Patterning step in parallel and printing step in the receiver substrate, The thin film having a pattern corresponding to the pattern formed on the source substrate by driving the particles separated from the particle thin film toward the receiver substrate by thermoelastic force during the patterning step on the source substrate to be laminated on the receiver substrate And a step of performing a heat treatment on the thin film formed on the receiver substrate and a parallel printing method on the receiver substrate formed on the receiver substrate.
Description
본 발명은 박막 패터닝 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 진공 프로세스와 감광층(photoresist layer)을 필요로 하지 않으면서도 기판 상에 주기적으로 반복되는 단순한 패턴뿐만 아니라, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 형태의 고해상 패턴을 입사 빔의 공간 변조를 통하여 용이하게 형성할 수 있고, 기판 재료의 종류에 제한을 받지 않으면서 상기 패턴을 형성할 수 있으며, 집속된(focused) 레이저 빔을 스캔하는 직렬방식이 아니라 펄스 레이저를 이용한 병렬 레이저 프린팅에 의해 박막 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film patterning method, and more particularly to a simple pattern that is periodically repeated on a substrate without requiring a vacuum process and a photoresist layer, as well as any complex form of high resolution desired by a user. The pattern can be easily formed through spatial modulation of the incident beam, the pattern can be formed without being limited by the type of substrate material, and the pulsed laser rather than a serial method of scanning a focused laser beam. It relates to a method for forming a thin film pattern by parallel laser printing using.
현대의 전자 소자들은 공통적으로, 전극 또는 배선(metallization lines)용 금속 박막 패턴을 필요로 한다. 이들 금속 박막 패턴은 통상적으로, 박막의 진공 증착과 결합한 포토리소그래피(photolithography) 공정을 거쳐 형성된다. 포토리소그래피는 높은 해상도(resolution)를 갖는 패터닝을 가능케 하는 장점이 있지만, 고가의 장비, 다단계 공정, 많은 에너지 소모를 필요로 하며, 증착과 에칭의 반복으로 상당량의 화학 폐기물의 배출 또한 수반된다. 플렉시블 전자소자의 도래와 더불어 저온에서 대면적화가 가능한 패터닝 공정의 중요성이 제기되고 있으며, 따라서 고비용, 고온공정으로 대표되는 기존의 포토리소그래피 공정을 대체하는 대안을 찾고자 하는 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 예컨대, 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 소프트-리소그래피(soft-lithography), 레이저-유도식 포워드 트랜스퍼(laser-induced forward transfer)(LIFT) 등이 있다. 이와 같은 방식들은 모두 additive patterning 방식이라는 장점이 있고 일부는 상당한 기술적 진보를 보이기도 하였으나, 해상도, 신뢰성, 공정 속도에 있어서의 각각의 한계로 인해 여전히 포토리소그래피 공정을 대체하지 못하고 있는 실정이다. Modern electronic devices commonly require metal thin film patterns for electrodes or metallization lines. These metal thin film patterns are typically formed through a photolithography process combined with vacuum deposition of the thin film. Photolithography has the advantage of enabling high resolution patterning, but requires expensive equipment, multi-step processes, high energy consumption, and also involves the discharge of significant amounts of chemical waste by repeated deposition and etching. With the advent of flexible electronic devices, the importance of the large-area patterning process has been raised. Therefore, many researches and developments have been conducted to find an alternative to the conventional photolithography process represented by high cost and high temperature processes. For example, ink-jet printing, soft-lithography, laser-induced forward transfer (LIFT), and the like. All of these methods have the advantage of additive patterning and some have made significant technological advances, but due to their limitations in resolution, reliability, and processing speed, they still do not replace photolithography.
구체적으로, 박막 패턴 프린팅에 레이저를 사용한 연구는 J. Bohandy 등에 의해 처음 제시되었다. 소스 기판의 역할을 하는 유리기판 위에 진공 증착된 Cu 박막에 실리콘 기판을 접촉시킨 후, excimer 펄스레이저 (λ = 195 nm, pulse width = 15 ns)를 cylindrical lens를 사용하여 집속시켜 박막에 조사함으로써(focused laser beam) 실리콘 기판위에 수십 ㎛ 선폭의 line 패턴을 형성할 수 있음을 보고하였는데 이러한 방식이 Laser-induced forward transfer (LIFT)로 명명되었다. 제시된 모델에 의하면, 레이저 펄스가 유리와 직접 접하고 있는 박막의 계면 부분을 가열하여 계면에 Cu melt가 형성되는데, melt front가 점차 이동하여 박막의 표면 (free surface)에 도달할 때쯤에는 계면부분은 비등점 이상의 온도로 가열되어 Cu vapor가 생기게 된다. 이러한 vapor의 압력에 의해 melt가 실리콘 기판으로 전이되고 그곳에서 응축되어 패턴이 형성된다는 것이다. 그 후 Ag, Au, Al 등 여타 금속 박막을 이용한 유사 연구 결과들이 발표되었으며, 전통적인 LIFT는 쉽게 증발하거나 녹을 수 있는 단순한 물질의 패턴형성에는 유용할 수 있으나, 복잡한 구조의 물질이나 상변태 없이 물질 그 자체의 고유한 성질을 유지해야 하는 경우에는 적합하지 않다. Tolbert et al.는 전이시키고자 하는 물질과 유리 기판사이에 얇은 흡수층 (absorption layer)을 삽입하고 흡수층의 증발에 의한 압력을 전이의 driving force로 사용하였다. 이러한 방식은 전이되는 물질이 증발하거나 녹지 않는다는 장점이 있으나, 흡수층을 기판과 박막 사이에 별도로 적층하여야 하는 등 추가 공정이 필요하다는 단점이 있다. 또 다른 방식으로는 파우더 형태의 물질을 고분자 바인더와 섞어 paste로 만든 후 이를 유리 기판위에 코팅하여 패턴을 형성하는 것인데, 전이과정에서 주로 바인더가 레이저 에너지를 흡수하여 선택적으로 증발하게 된다. 전이과정에서 완전히 증발하지 않고 남아있는 바인더는 추가적인 열처리를 통해 제거할 수 있으며, 전이하고자 하는 물질의 용융과 응축이 수반되지 않으므로 일반적인 LIFT보다 더 두꺼운 필름을 프린팅 할 수 있는 장점이 있다. 이는 별도로 matrix-assisted pulsed laser evaporation, direct-write (MAPLE; DW)로 불리기도 하나 근본적으로는 LIFT의 범주에 속하며, paste로 만드는 공정 등의 부가적인 절차가 필요하다.Specifically, a study using lasers for printing thin film patterns was first presented by J. Bohandy et al. After contacting the silicon substrate with the Cu thin film deposited on the glass substrate serving as the source substrate, the excimer pulse laser (λ = 195 nm, pulse width = 15 ns) was focused using a cylindrical lens to irradiate the thin film ( It has been reported that a line pattern of several tens of micrometer width can be formed on a silicon substrate. This method is called laser-induced forward transfer (LIFT). According to the proposed model, the laser pulse heats the interface part of the thin film directly in contact with the glass, and Cu melt is formed at the interface. The interface part has a boiling point until the melt front gradually moves to reach the free surface of the thin film. Cu vapor is formed by heating to the above temperature. The pressure of the vapor causes the melt to transfer to the silicon substrate and condense on it to form a pattern. Subsequent studies using other metal thin films such as Ag, Au, and Al have been published, and traditional LIFTs can be useful for patterning simple materials that can easily evaporate or melt, but without the complex structure or phase transformation of the material itself. It is not suitable when it is necessary to maintain the unique properties of. Tolbert et al. Inserted a thin absorption layer between the material to be transferred and the glass substrate and used the pressure by the evaporation of the absorption layer as the driving force of the transition. This method has the advantage that the material to be transferred does not evaporate or melt, but has the disadvantage of requiring an additional process such as separately absorbing layer between the substrate and the thin film. In another method, a powder-like material is mixed with a polymer binder to form a paste, which is then coated on a glass substrate to form a pattern. In the transition process, the binder mainly absorbs laser energy and selectively evaporates. The remaining binder, which is not completely evaporated during the transfer process, can be removed by additional heat treatment, and since it does not involve melting and condensation of the material to be transferred, there is an advantage of printing a thicker film than the general LIFT. It is also called matrix-assisted pulsed laser evaporation and direct-write (MAPLE; DW), but it is essentially a category of LIFT and requires additional procedures, such as a paste-making process.
LIFT는 무기재료(inorganic materials)뿐만 아니라 polymer와 biomaterials의 전이에도 적용될 수 있지만, 근본적으로 펄스 레이저 빔의 집속에 의한 특정 물질 혹은 그와 섞여 있는 matrix의 증발을 이용한다. 이러한 serial 혹은 spot-by- spot 방식은 일정한 폭을 가진 line 패턴과 같이 규칙적이고 주기적인 패턴의 형성에는 유용할 수 있으나, 다양한 모양과 크기를 가진 임의의 패턴을 신속히 형성하는 데에는 한계가 있으며 패턴의 단면형상 제어 또한 어렵다. 국부적인 영역에서의 물질의 용융 혹은 증발을 유도하기 위해서는 순간적인 에너지 흡수가 높아야 하므로 고출력의 펄스 레이저가 필요한데, 프린팅 속도는 사용하는 레이저의 repetition rate와 밀접한 관련이 있다. 단일 펄스에 의해서 하나의 droplet을 receiver 기판으로 전이하는 경우 펄스 사이의 시간 간격이 매우 짧아야 하므로 repetition rate는 최소 수 kHz 이상으로 높아야 한다. 그렇지 않으면 펄스사이의 간격이 길어져 전체적인 패터닝 공정에 많은 시간이 소요된다. 평균출력이 고정된 레이저에서 repetition rate가 커지면 그만큼 단일 펄스가 가지는 에너지는 낮아질 수밖에 없는데, 프린팅에는 필요한 최소한의 펄스 에너지가 존재한다. 이는 프린팅 속도를 증가시키기 위해서는 이와 비례하여 더 높은 출력의 레이저를 사용해야 함을 의미한다. 더욱이, 소스 기판에 코팅된 박막, 흡수층, 페이스트 등을 재사용할 수 없어, 재료의 폐기 등과 관련하여 추가 공정, 비용 등이 발생하게 된다.LIFT can be applied not only to inorganic materials but also to the transition of polymers and biomaterials, but essentially takes advantage of the evaporation of a particular material or matrix mixed with it by the focusing of the pulsed laser beam. This serial or spot-by-spot method can be useful for the formation of regular and periodic patterns, such as line patterns with constant widths, but there are limitations to the rapid formation of arbitrary patterns of various shapes and sizes. Cross-sectional shape control is also difficult. In order to induce melting or evaporation of the material in the local area, instantaneous energy absorption must be high, so a high power pulse laser is required. The printing speed is closely related to the repetition rate of the laser used. When transferring a droplet to a receiver substrate by a single pulse, the repetition rate must be high, at least a few kHz, because the time interval between the pulses must be very short. Otherwise, the spacing between pulses will be long and the entire patterning process will be time consuming. In a laser with a fixed average power, the repetition rate increases, and the energy of a single pulse is inevitably lowered. There is a minimum pulse energy necessary for printing. This means that in order to increase the printing speed, a higher power laser must be used in proportion. Moreover, thin films, absorbing layers, pastes, etc. coated on the source substrate cannot be reused, resulting in additional processes, costs, etc. in connection with the disposal of materials.
한편, 나노입자 패터닝이라 불리는 패터닝 기술이 제안되어 활용되고 있는데, 이는 나노입자(nanoparticle)를 원하는 위치에 증착시키거나 나노입자로 구성된 조립체를 얻는 것으로서, 종래의 재료가 가졌던 거시적 물성과는 다른, 나노 사이즈 재료의 양자 효과, 높은 비표면적 등의 특이성을 이용하여 차세대 산업의 주력이 될 양자 소자(quantum device), 단전자 트랜지스터(single electron transistor), 테라레벨 저장 매체(tera-level memory device) 등에 적용할 수 있는 신기술이다.On the other hand, a patterning technique called nanoparticle patterning has been proposed and utilized, which deposits nanoparticles at desired positions or obtains an assembly composed of nanoparticles, which is different from the macroscopic properties of conventional materials. Specificity such as quantum effect of size material, high specific surface area, etc. makes it applicable to quantum devices, single electron transistors, tera-level memory devices, etc. It is a new technology that can be done.
패터닝된 나노입자(nanoparticle)는 나노 디바이스(nano device)의 기본적인 구성체(building block) 역할을 하는바, 이의 실현을 위해서는 나노입자의 공간 분포를 조절하여 기판 위에 나노입자의 주기적인 패턴을 보다 용이하게 형성하는 것이 매우 중요하게 여겨지고 있다.Patterned nanoparticles act as a basic building block for nano devices. To achieve this, the pattern of nanoparticles is controlled to facilitate the periodic patterning of nanoparticles on a substrate by controlling the spatial distribution of nanoparticles. Forming is considered very important.
현재까지 여러 가지의 나노입자 패터닝 방식이 제안되어 사용되었는데, 그 중 대표적인 것 중 하나는 포토 또는 e-빔 리소그래피(photo or e-beam lithography)에 의해 기판상에 직접적으로 패터닝하는 방식이 있고, 그 밖에 미리 패턴이 형성된 기판(즉, 템플릿(template))위에 나노입자의 증착이나 흡착을 유도하는 방식, 마이크로접촉 프린팅(microcontact printing) 방식, 자기조립(self assembly) 방식 등이 사용되어 왔다.To date, various nanoparticle patterning methods have been proposed and used, and one of them is a method of directly patterning onto a substrate by photo or e-beam lithography. In addition, a method of inducing deposition or adsorption of nanoparticles on a substrate (ie, a template) on which a pattern is previously formed, a microcontact printing method, a self assembly method, and the like have been used.
실제 산업적으로 적용하기 위한 패터닝 공정은 패턴의 형상과 주기를 자유롭게 조절할 수 있어야 할 뿐 아니라, 공정 자체가 단순 및 신속하며 경제적이어야 하지만, 지금까지의 패터닝 기술은 패턴의 형상과 주기 조절이 가능한 경우에는 복잡한 다단계 공정으로 인하여 많은 비용과 시간을 요구하고 있으며, 공정 자체가 비교적 단순한 자기조립 방식의 경우 패턴의 형상과 주기조절이 자유롭지 못하다는 문제점이 있다.While the patterning process for industrial application should not only freely control the shape and period of the pattern, but the process itself should be simple, fast and economical. Due to the complex multi-step process, it requires a lot of cost and time, and the process itself is a relatively simple self-assembly there is a problem that the shape and period control of the pattern is not free.
또한, 종래기술로서 대한민국 등록특허(등록번호: 10-687295(2007.2.20))에는 "나노입자 패터닝 방법" 이 개시되어 있고, 대한민국 등록특허(등록번호: 10-638091(2006.10.18))에는 "나노입자 패터닝 방법 및 이를 이용한 소결체의 제조 방법"이 개시되어 있으며, 또한 대한민국 공개특허공보(공개번호: 10-2006-0108202(2006.10.17))에는 "나노입자 집속 증착 패터닝 방법"이 공개되어 있다.In addition, as a prior art, the Republic of Korea Patent (Registration No .: 10-687295 (2007.2.20)) is disclosed in the "nanoparticle patterning method", and the Republic of Korea Patent (Registration No .: 10-638091 (October 18, 2006)) "Ananoparticle patterning method and a method for producing a sintered body using the same" are disclosed, and the Republic of Korea Patent Publication (Publication No .: 10-2006-0108202 (October 17, 2006)) discloses the "nanoparticle focused deposition patterning method" have.
그러나, 상기 문헌에 개시된 기술은 공통적으로 감광막(photoresist layer) 패턴이 형성된 기판(일종의 템플릿(template))에 전기장을 가하여 하전된 나노 입자를 선택적으로 흡착시키는 방식이므로, 별도의 리소그래피(lithography) 및 에칭(etching) 과정, 그리고 정전증착장치가 필요한 복잡한 공정을 요구하는 단점이 있다. 더욱이, 진공 증착 등의 공정을 수행함에 따라, 높은 온도에서 수행하여야 하는 공정상의 비효율성도 야기하고 있다.However, the technique disclosed in this document is a method of selectively adsorbing charged nanoparticles by applying an electric field to a substrate (a kind of template) on which a photoresist layer pattern is commonly formed, so that separate lithography and etching are performed. There are drawbacks to the complex process requiring etching and electrostatic deposition. Moreover, as a process such as vacuum deposition is performed, it also causes a process inefficiency to be performed at a high temperature.
또한, 홀로그래픽 방식으로 나노입자를 패터닝하는 기술도 제안되지만, 이 기법 역시 상기한 종래의 나노입자 패터닝 기술과 마찬가지로, 주기적으로 반복되는 일정한 형태의 패턴만을 구현할 수가 있고, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 형태의 나노입자 패턴을 구현하는 데에는 많은 한계점을 보이고 있다.In addition, a technique for patterning nanoparticles in a holographic manner is also proposed, but this technique, like the conventional nanoparticle patterning technique described above, can implement only a pattern of periodically repeated patterns, and any complex form desired by a user. There are many limitations in implementing the nanoparticle pattern.
본 발명은 전술한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 종래의 포토리소그래피에서 요구되는 포토레지스트층(photoresist layer) 없이도, 기판 상에 소정의 박막 패턴을 형성할 수 있는, 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and one object thereof is to form a predetermined thin film pattern on a substrate without a photoresist layer required in conventional photolithography. To provide a thin film patterning method using a pulse laser.
본 발명의 다른 목적은 박막 패터닝을 수행함에 있어서, 포토리소그래피의 장점인 고해상도를 유지하면서 동시에 저온, 대면적화를 가능케 하는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a thin film patterning method using a pulse laser that enables low temperature and large area while maintaining high resolution which is an advantage of photolithography in performing thin film patterning.
본 발명의 또 다른 목적은 재료의 용융/증발 및 응축 없이도 원하는 기판 상에 사용자가 원하는 임의의 패턴을 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a thin film patterning method using a pulse laser capable of forming any pattern desired by a user on a desired substrate without melting / evaporating and condensing the material.
본 발명의 또 다른 목적은 주기적으로 반복되는 단순한 형태의 패턴 뿐만 아니라, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 형태의 패턴을 단순화된 공정으로 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a thin film patterning method using a pulse laser capable of forming a simple pattern that is periodically repeated, as well as a pattern of any complex shape desired by a user in a simplified process.
본 발명의 또 다른 목적은 기판의 종류에 제한을 받지 않으면서 상기와 같은 패턴을 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a thin film patterning method using a pulse laser capable of forming such a pattern without being limited to the type of substrate.
본 발명의 또 다른 목적은 전극 또는 배선용 금속 패턴을 신속히 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a thin film patterning method using a pulse laser capable of rapidly forming an electrode or a metal pattern for wiring.
본 발명의 또 다른 목적은 집속형 레이저를 이용한 직렬방식 패터닝(serial patterning)이 아니라, 한 번의 레이저 조사에 의해 원하는 임의의 패턴을 기판에 형성할 수 있는 펄스 레이저를 이용한 박막 패터닝 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is not to provide serial patterning using a focused laser, but to provide a thin film patterning method using a pulse laser capable of forming a desired pattern on a substrate by one laser irradiation. .
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 입자를 포함하는 박막이 형성되어 있고, 광투과성인 유리 또는 플라스틱 소스 기판을 제공하는 단계로서, 상기 박막은 상기 입자를 함유하는 용액을 상온에서의 용액 적층에 의해 상기 소스 기판 상에 형성되며, 상기 입자는 상기 박막 중에 응집된 형태로 존재하는 것인 상기 소스 기판 제공 단계와, 상기 박막이 형성된 소스 기판 표면에 대향하여 그리고 상기 소스 기판에 형성된 박막과 접촉 상태로 혹은 인접하여 광투과성 또는 불투명 재질의 리시버 기판을 배치하는 단계와, 펄스 레이저 빔 조사 수단으로부터 나오는 펄스 레이저 빔을 공간적 광 변조기를 통해 통과시켜, 상기 소스 기판을 조사하는 단계로서, 상기 공간적 광 변조기는 사용자가 원하는 임의의 형태의 패턴으로 형성되어 상기 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 공간적으로 변조시켜 통과시키며, 상기 패턴에 대응하여 상기 펄스 레이저 빔이 상기 소스 기판을 통과하여 상기 입자 박막에 조사되도록 하는 것인, 상기 펄스 레이저 빔 조사 단계와, 상기 입자 박막에 조사되는 펄스 레이저에 의한 상기 소스 기판에서의 패터닝 단계로서, 상기 공간적 광 변조기에 의해 에너지 밀도가 공간적으로 변조되어 상기 패턴에 대응되는 입자 박막 부위에 조사된 펄스 레이저의 에너지 밀도가 임계값 이상이면, 입자의 열탄성 효과에 의한 힘이 입자와 기판 사이의 결합력보다 크게 되어, 상기 레이저가 조사된 입자 박막 부위가 기판으로부터 분리되어, 상기 공간적 광 변조기의 패턴에 대응되는 패턴이 입자 박막에 형성되도록 하는 것인, 상기 소스 기판에서의 병렬 방식의 패터닝 단계와, 상기 리시버 기판에서의 프린팅 단계로서, 상기 소스 기판에서의 패터닝 단계 중에 상기 입자 박막으로부터 분리된 입자들을 열탄성력에 의해 상기 리시버 기판을 향해 구동시켜 상기 리시버 기판 상에 적층되도록 함으로써, 상기 소스 기판에 형성된 패턴과 대응되는 패턴을 갖는 박막을 상기 리시버 기판 상에 형성하는, 상기 리시버 기판에서의 병렬 방식의 프린팅 단계 및 상기 리시버 기판에 형성된 박막에 대해 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬식 레이저 프린팅에 의한 박막 패터닝 방법이 제공된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, a thin film comprising particles is formed and provides a transparent glass or plastic source substrate, wherein the thin film is a solution lamination at room temperature Formed on the source substrate, wherein the particles are present in agglomerated form in the thin film, and in contact with the thin film formed on the source substrate opposite the surface of the source substrate on which the thin film is formed. Arranging a receiver substrate of a light transmissive or opaque material in a state or adjacent thereto, and irradiating the source substrate by passing a pulsed laser beam from a pulsed laser beam irradiation means through a spatial light modulator, wherein the spatial light The modulator is formed in a pattern of any shape desired by the user so that the pulse Irradiating the energy density of the edger beam spatially and causing the pulsed laser beam to pass through the source substrate and irradiate the particle thin film corresponding to the pattern; and the particle thin film Patterning at the source substrate by a pulse laser irradiated onto the substrate, wherein the energy density is spatially modulated by the spatial light modulator so that the energy density of the pulse laser beam irradiated onto the particle thin film portion corresponding to the pattern is greater than or equal to a threshold value The force due to the thermoelastic effect of the particles is greater than the bonding force between the particles and the substrate, so that the thin film portion irradiated with the laser is separated from the substrate, so that a pattern corresponding to the pattern of the spatial light modulator is formed in the particle thin film. Parallel patterning in the source substrate; A pattern formed on the source substrate by printing on a burr substrate, wherein the particles separated from the thin film of particles during the patterning on the source substrate are driven toward the receiver substrate by thermoelastic force to be laminated on the receiver substrate. Forming a thin film having a pattern corresponding to the surface of the receiver substrate, the parallel printing method on the receiver substrate, and performing a heat treatment on the thin film formed on the receiver substrate. There is provided a thin film patterning method by printing.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 입자는 나노미터 크기의 입자 또는 마이크로미터 크기의 입자일 수 있다.In one embodiment, the particles can be nanometer sized particles or micrometer sized particles.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 입자는 나노미터 크기 또는 마이크로 크기의 전도성 금속 입자일 수 있다.In one embodiment, the particles can be conductive metal particles of nanometer size or micro size.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 입자는 상기 펄스 레이저를 흡수할 수 있는 나노미터 크기 또는 마이크로미터 크기의 반도체 입자 또는 상기 펄스 레이저를 흡수할 수 있는 나노미터 크기 또는 마이크로미터 크기의 유전체 입자일 수 있다.In one embodiment, the particles may be nanometer-sized or micrometer-sized semiconductor particles capable of absorbing the pulsed laser or nanometer-sized or micrometer-sized dielectric particles capable of absorbing the pulsed laser. .
한 가지 실시예에 있어서, 상기 펄스 레이저 빔 조사 수단은 나노세컨드의 펄스폭을 갖는 Nd:YAG 펄스 레이저를 조사할 수 있다.In one embodiment, the pulsed laser beam irradiation means may irradiate an Nd: YAG pulsed laser having a pulse width of nanoseconds.
본 발명에 따른 펄스 레이저를 이용한 나노입자 박막 패터닝 방법에 따르면, 포토레지스트를 사용하지 않으면서, 기판 상에 형성된 나노입자 박막에 펄스 레이저를 미리 규정한 패턴 형태로 조사하여, 박막 중의 입자를 선택적으로 제거함으로써, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 패턴을 나노입자 박막에 형성할 수가 있다.According to the nanoparticle thin film patterning method using the pulse laser according to the present invention, the nanoparticle thin film formed on the substrate is irradiated in a predetermined pattern form without using a photoresist to selectively irradiate particles in the thin film. By removing it, any complex pattern desired by the user can be formed in the nanoparticle thin film.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 복잡하고 비경제적인 포토리소그래피 및 에칭 공정을 수반하지 않고, 기판에 미리 패턴을 형성하는 과정을 요구하지 않으므로, 공정 자체가 매우 단순할 뿐 아니라, 단일 펄스에 의해 입자가 분리되므로 신속한 패터닝이 가능한 장점이 있다.In addition, according to the present invention, since it does not involve conventional complicated and inexpensive photolithography and etching processes and does not require a process of forming a pattern on a substrate in advance, the process itself is not only very simple but also particles by a single pulse. Has the advantage of allowing fast patterning.
즉, 기존의 나노입자 패터닝 공정은 기판에 미리 패턴을 형성한 템플릿(template)이 필요하지만, 본 발명의 방법에서는 펄스 레이저빔 강도의 공간분포에 의해 패턴의 형상과 주기가 결정되므로 템플릿이 필요 없어 패터닝 공정이 매우 신속하고 단순하게 이루어지는 장점이 있다.That is, the conventional nanoparticle patterning process requires a template in which a pattern is formed on a substrate in advance, but in the method of the present invention, since the shape and period of the pattern are determined by the spatial distribution of the pulse laser beam intensity, no template is required. The advantage is that the patterning process is very quick and simple.
또한 본 발명에 따르면, 금속 입자 용액을 투명 기판 상에 상온 적층하고, 저온 열처리 공정을 수행하고 있어, 종래 기술과 달리 비용을 대폭 절감할 수 있다.In addition, according to the present invention, since the metal particle solution is laminated at room temperature on a transparent substrate and a low temperature heat treatment process is performed, the cost can be greatly reduced unlike the prior art.
또한, 리시버 기판은 레이저에 직접적으로 노출되지 않기 때문에, 소스 기판과 달리 리시버 기판은 광투과성 또는 광불투과성 재질로 구성할 수가 있어, 반도체로의 용이한 적용이 가능하다.In addition, since the receiver substrate is not directly exposed to the laser, the receiver substrate can be made of a light transmissive or light impermeable material, unlike the source substrate, and thus can be easily applied to a semiconductor.
또한, 본 발명에 따르면, 재료의 용융/증발 및 응축을 통해 재료를 전이시킬 필요가 없으므로, 저출력의 짧은 펄스폭을 가진 레이저를 이용할 수 있고, 더욱이 물질 전이에 요구되는 임계 에너지 밀도가 LIFT, MAPLE:DW 등과 같은 종래의 직렬 방식의 레이저 프린팅과 비해 매우 낮기 때문에, 집속된(focused) 레이저 빔을 사용하지 않아도 되며, 더욱이 한 번의 레이저 조사에 의해 넓은 면적에 걸쳐 원하는 임의의 박막 패턴을 기판 상에 형성할 수가 있다.Furthermore, according to the present invention, there is no need to transfer the material through melting / evaporation and condensation of the material, so that a laser having a short pulse width of low power can be used, and furthermore, the critical energy density required for the material transfer is LIFT, MAPLE. It is much lower than conventional serial laser printing such as DW, so that no focused laser beam can be used, and any desired thin film pattern can be printed on the substrate over a large area by one laser irradiation. It can be formed.
이하에서는, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
A. Subtractive PatterningA. Subtractive Patterning
도 1은 본 발명의 방법을 수행할 수 있는 나노입자 패터닝 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면으로서, subtractive 방식으로 기판(40) 상에 소정의 패턴을 형성하는 것을 보여준다. 후술하는 바와 같이, 도 1에 도시한 장치를 기본으로 하여 본 발명의 패터닝 방법을 수행할 수 있다.FIG. 1 schematically shows the overall configuration of a nanoparticle patterning device capable of carrying out the method of the present invention, showing the formation of a predetermined pattern on a
먼저, 본 발명에 따른 패터닝 방식, 즉 additive 패터닝 방식을 설명하기에 앞서, 이러한 본 발명에 이용될 수 있는 기본적인 본 발명의 원리를 설명하면 다음과 같다.First, prior to describing the patterning method according to the present invention, that is, additive patterning method, the basic principles of the present invention that can be used in the present invention will be described.
도시된 바와 같이, 본 발명의 패터닝 방법을 수행할 수 있는 나노입자 박막 패터닝 장치는 펄스 레이저 소스 역할을 하는 펄스 레이저 빔 조사 수단(10)과, 빔 확장기(20)와, 공간적 광 변조기(spatial light modulator)(30)와, 나노입자 박막(50)이 형성되어 있는 광투과성 기판(40)을 포함한다.As shown, the nanoparticle thin film patterning apparatus capable of performing the patterning method of the present invention includes a pulse laser beam irradiation means 10 serving as a pulse laser source, a
빔 확장기(20)는 실시예에 따라서 상기 조사 수단으로부터 방출되는 펄스 레이저의 조사 면적을 확대시키기 위해 제공되는 것으로서, 상기 조사 수단으로부터 펄스 레이저가 넓은 면적에 걸쳐 방출되도록 구성되는 경우에는 제공되지 않을 수도 있다. The
공간적 광 변조기(30)는 포토 마스크와 같은 역할을 수행하는 것으로서, 후술하는 바와 같이, 상기 광 변조기에는 나노입자 박막(50)에 사용자가 원하는 패턴을 형성하기 위해 그 패턴에 대응되는 소정의 패턴(P)이 형성되어, 펄스 레이저가 상기 패턴(P)을 통과하여, 기판(40)에 조사된다.The spatial
상기와 같이 구성된 장치를 이용하여 먼저 subtractive 방식으로 광투과성 기판(40)에 패터닝을 수행하는 과정을 설명하면 다음과 같다.First, a process of performing patterning on the
먼저, 나노입자 박막(50)이 형성된 광투과성 기판(40)을 제공한다. 다음에, 상기 조사 수단(10)을 통해 펄스 레이저(바람직한 실시예에 따르면, Nd:YAG 펄스 레이저)를 기판을 향해 방출시킨다. First, the
상기 펄스 레이저는 빔 확장기(20)를 통과하면서 기판에 대해 조사할 수 있는 범위가 확장된다.The pulse laser is extended to the range that can be irradiated to the substrate while passing through the
이어서, 조사 면적이 확대된 펄스 레이저가 공간적 광 변조기(30)를 통과하는데, 상기 광 변조기는 사용자가 원하는 패턴(P)이 미리 형성되어 있어서, 펄스 레이저는 그 대응되는 패턴을 통해 광 변조기를 통과하게 된다. 상기 패턴(P)을 통해 통과된 펄스 레이저는 광투과성 기판(40)의 이면에 도달한 후, 기판을 통과하여 반대쪽 표면에 형성된 나노입자 박막(50)에 이르게 된다. 패턴(P)에 대응되는 형태로 펄스 레이저가 상기 박막에 조사되어, 박막(50)은 상기 패턴(P)에 대응되는 패턴(P')으로 형성되어, 최종적으로 기판의 박막에는 사용자가 원하는 패턴이 형성된다.Subsequently, a pulsed laser having an enlarged irradiation area passes through the spatial
상기 박막에 사용자가 원하는 패턴이 형성되는 메커니즘을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The mechanism of forming a pattern desired by the user on the thin film will be described in more detail as follows.
나노입자 박막(본 발명의 한 가지 예에 따르면, 평균 크기가 25 nm인 상업적인 Ag 나노입자 용액을 저온 용액 적층에 의해 기판 상에 형성되며, 이러한 저온 용액 적층 기법 자체는 널리 알려진 기술이므로, 그 설명은 생략한다)에 펄스 레이저가 입사되면, 박막 내의 나노입자는 레이저 에너지 흡수로 인해 급격한 온도 상승과 그로 인한 열팽창에 의해 열탄성력(thermo-elastic force)을 보유하게 되고, 이러한 열탄성력은 나노입자를 표면으로부터 떨어지게 하는 힘으로 작용한다. 결국, 열탄성력이 나노입자와 기판 표면 사이의 부착력(adhesive force; 주로 van der Walls force에 기인한다)보다 크게 되면 나노입자가 기판 표면으로부터 분리되며, 이러한 현상을 레이저-유도 열적 이탈(laser-induced thermal desorption; LITD)이라 한다.Thin film of nanoparticles (according to one example of the present invention, a commercial Ag nanoparticle solution having an average size of 25 nm is formed on a substrate by low temperature solution lamination, and this low temperature solution lamination technique itself is a well-known technique, When the pulsed laser is incident on the nanoparticles, the nanoparticles in the thin film retain the thermo-elastic force due to the rapid temperature rise and the resulting thermal expansion due to the laser energy absorption. It acts as a force away from the surface. As a result, when the thermoelastic force is greater than the adhesive force between the nanoparticles and the substrate surface (mostly due to the van der Walls force), the nanoparticles are separated from the substrate surface, and this phenomenon is laser-induced thermal deviation. Thermal desorption (LITD).
즉, 상기 열탄성력은 나노입자의 온도상승 속도에 비례하므로, 펄스폭(pulse width)이 고정된 레이저 조사 하에서 나노입자가 보유하는 열탄성력은 펄스 에너지 밀도(pulse energy density; J/㎠)에 비례하여 증가하고, 특정한 위치에서의 펄스 에너지 밀도가 임계 에너지 밀도(threshold energy density) 이상이 될 경우 그 부분의 나노입자는 기판 표면에서 떨어져 나오게 되며, 임계에너지 밀도에서의 열탄성력은 나노입자와 표면의 부착력과 동일하여, 결국 기판에 균질하게 형성된 나노입자 박막에 펄스 레이저 빔의 에너지 밀도를 공간적으로 변조하여 입사시키면 이러한 변조 패턴에 따라 나노입자 패턴을 얻을 수 있게 되는 것이다.That is, since the thermoelastic force is proportional to the temperature rise rate of the nanoparticles, the thermoelastic force possessed by the nanoparticles under laser irradiation with a fixed pulse width is proportional to the pulse energy density (J / cm 2). When the pulse energy density at a specific position is above the threshold energy density, the nanoparticles in the portion are separated from the substrate surface, and the thermoelastic force at the critical energy density is In the same manner as the adhesion force, if the energy density of the pulsed laser beam is spatially modulated and incident on the nanoparticle thin film uniformly formed on the substrate, the nanoparticle pattern can be obtained according to the modulation pattern.
이러한 메커니즘을 도 2의 두 빔 간섭실험의 결과를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 어닐링된 박막을 사인파형 간섭 프로화일(sinusoidal interference profile)에 놓으면, 궁극적으로 패터닝되는 영역이 초기에 수직으로 크랙된다(도 2 의 A 참조). 다음에, 크랙이 발생된 나노입자 블록들이 펄스 에너지를 증가시키는 과정에서 제거되는데, 도 2의 B 및 C는 예상된 패터닝 메커니즘을 보여준다. This mechanism is described below with reference to the results of the two beam interference experiments of FIG. 2. When the annealed thin film is placed in a sinusoidal interference profile, the ultimately patterned area initially cracks vertically (see A in FIG. 2). The cracked nanoparticle blocks are then removed in the course of increasing the pulse energy, with B and C in FIG. 2 showing the expected patterning mechanism.
도시한 바와 같이, 다층화된 박막을 탈착시키기 위한 임계 에너지 밀도(도 2의 B에서 "threshold"로 표기)는 단일층 박막에 대한 임계 에너지 밀도("monolayer threhold"로 표기)보다 더 크다. 간섭 패턴의 에너지 밀도가 이들 두 레벨 사이에 있다면, 기판과 접촉 상태의 나노입자들에 대해 상부로 밀어올리는 힘이 가해지고, 이러한 불균일한 힘으로 인해 박막에서 수직의 크랙이 야기된다. 피크 에너지 밀도가 상기 임계값을 초과함에 따라, 상기 크랙이 형성된 영역 내의 일부 나노입자 블록들이 떨어지기 시작한다(도 2의 C 상단 참조). 일단 초기에 크랙 형성된 영역이 완전히 제거되면, 펄스 에너지의 추가적인 증가는 패턴의 라인 폭을 감소시키는데, 임계 에너지 밀도 이상으로 노출된 영역이 점점 넓어지기 때문이다(도 2의 C 하단 참조).As shown, the critical energy density (denoted “threshold” in B of FIG. 2) for desorption of the multilayered thin film is greater than the critical energy density (denoted “monolayer threhold”) for the single layer thin film. If the energy density of the interference pattern is between these two levels, upward force is exerted on the nanoparticles in contact with the substrate, and this non-uniform force causes vertical cracks in the thin film. As the peak energy density exceeds the threshold, some nanoparticle blocks in the cracked region begin to fall (see top C of FIG. 2). Once the initially cracked areas are completely removed, an additional increase in pulse energy reduces the line width of the pattern, as the areas exposed beyond the critical energy density become wider (see bottom C in FIG. 2).
일 실시예로서, 본 발명자들은 광투과성 기판(유리 또는 플라스틱) 위에 스핀 코팅(spin coating), 적하 코팅(drop coating), 딥 코팅(dip coating) 등 다양한 용액 적층 기술(solution deposition techniques)을 이용하여 Ag 나노입자 박막을 100 nm~1 ㎛ 범위의 두께로 상온에서 적층하였으며, 상기 적층된 박막에 대하여 대기압에서 450℃ 미만의 온도에서 어닐링 열처리를 수행한 후, Ag 나노 입자에 대한 패터닝을 Nd:YAG 펄스 레이저(λ=1064 nm, 펄스 폭= 6 ns, 펄스 반복율 = 10 Hz, 최대 평균 파워=8.5W)를 이용하여 수행하였다. 이러한 과정을 통해 형성한 패턴의 예들이 도 3에 도시되어 있다.In one embodiment, the present inventors utilize various solution deposition techniques such as spin coating, drop coating and dip coating on a light transmissive substrate (glass or plastic). Ag nanoparticle thin films were laminated at room temperature with a thickness ranging from 100 nm to 1 μm. After the annealing heat treatment was performed at a temperature of less than 450 ° C. at atmospheric pressure, the Ag thin film was patterned with Nd: YAG. Pulse laser (λ = 1064 nm, pulse width = 6 ns, pulse repetition rate = 10 Hz, maximum average power = 8.5 W). Examples of patterns formed through this process are shown in FIG. 3.
도 3에서 A는 유리 기판 상에 패터닝된 "모나리자"의 포토그래픽 이미지로서, 데스크톱 컴퓨터에 의해 투명 플라스틱 시트(폴리에스테르) 상에 프린트된 흑백 "모나리자" 페인팅이 포토 마스크로서 사용되었다. 도 3의 B는 통상적인 유리 포토 마스크를 이용하여 투명 플라스틱 시트 상에 형성한 패턴의 한 가지 예이고, 도 3의 C와 D는 각각, 유리 및 폴리이미드 기판 상에 제작된 패턴들의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 주기적으로 반복되는 단순한 패턴뿐만 아니라, 사용자가 원하는 임의의 복잡한 형태의 패턴을 포토레지스트 없이도 간단하게 형성할 수가 있다.In FIG. 3, A is a photographic image of a "mona lisa" patterned on a glass substrate, wherein a black and white "mona lisa" painting printed on a transparent plastic sheet (polyester) by a desktop computer was used as the photo mask. 3B is one example of a pattern formed on a transparent plastic sheet using a conventional glass photomask, and C and D of FIG. 3 are scanning electron microscopes of patterns fabricated on glass and polyimide substrates, respectively. (SEM) image. As described above, according to the present invention, not only a simple pattern that is periodically repeated, but also any complicated form desired by a user can be easily formed without a photoresist.
본 명세서에서 설명한 상기 직접적 레이저 패터닝 계획은 일단 재료가 레이저 파장을 흡수한다면 반도체 및 유전체와 같이 비금속 재료로도 확장될 수 있다. 또한, 기판에 형성된 박막의 입자들이 서로 엉켜져 있어 상기한 본 발명의 메커니즘이 적용될 수만 있다면 입자의 크기에는 제한되지 않는다. 즉, 박막의 입자의 크기가 반드시 나노 크기일 필요는 없고 더 큰 마이크로 입자로 구성된 용액을 이용하여 박막을 형성하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 물론, 입자가 받는 열탄성력은 입자의 종류 및 크기에 따라 다르므로, 적절한 레이저의 파장 및 펄스 폭은 그에 상응하여 달라질 수 있다. The direct laser patterning scheme described herein can be extended to nonmetal materials, such as semiconductors and dielectrics, once the material absorbs the laser wavelength. In addition, since the particles of the thin film formed on the substrate are entangled with each other, the size of the particles is not limited so long as the mechanism of the present invention can be applied. That is, the size of the particles of the thin film does not necessarily have to be nano size, and the present invention can be applied to the case of forming a thin film using a solution composed of larger micro particles. Of course, the thermoelastic force that the particles receive depends on the type and size of the particles, so that the wavelength and pulse width of the appropriate laser may vary accordingly.
또한, 종래의 LIFT 방식과 확연히 구별되는 원리는 재료의 이탈 및 후술하는 재료의 전이의 구동력으로서 물질의 증기압이 아닌 열탄성력이 이용된다는 것과, 집속된 레이저 빔을 스캔하는 직렬 방식이 아닌 병렬 공정(parallel process)을 이용하여 소정의 프린팅이 수행된다는 것이며, 이와 관련하여서는 이하에서 더욱 상세히 설명한다.In addition, the principle that is clearly distinguished from the conventional LIFT method is that the thermoelastic force, not the vapor pressure of the material, is used as the driving force for the release of the material and the transition of the material, which will be described later, and the parallel process (not the series method of scanning the focused laser beam) Predetermined printing is performed using a parallel process, which will be described in more detail below.
B. Additive Patterning (Printing)B. Additive Patterning (Printing)
상기한 바와 같이, 투명 기판 상에 형성된 박막에 레이저를 조사하여 열탄성력에 의해 입자들을 선택적으로 제거함으로써, 박막에 원하는 모양의 패턴을 형성할 수 있다는 것을 확인하였다.As described above, by irradiating a thin film formed on the transparent substrate with a laser to selectively remove particles by thermoelastic force, it was confirmed that a pattern having a desired shape can be formed on the thin film.
그런데, 본 발명자들은 이러한 원리를 적용한 패터닝 방법을 지속적으로 연구하면서, 상기 패터닝 방법을 확대하여, 보다 효율적인 패터닝 방법을 완성하였다.However, the present inventors continued to study the patterning method applying this principle, and thus expanded the patterning method to complete a more efficient patterning method.
즉, 상기한 패터닝 방법은 기본적으로 subtractive 패터닝 방법으로서, 광 변조기(30)를 통과한 레이저 빔에 의해 박막의 소정 부위가 선택적으로 제거되어 패턴을 형성하게 된다. 이러한 방식에 따르면, 박막의 일부가 필연적으로 제거되는데(subtractive), 떨어져 나간 박막의 자원 활용 문제, 박막과 관련된 비용과 관련하여 다소 비효율적인 문제를 발생시킬 수 있으며, 이는 subtractive 패터닝 방식이 갖고 있는 기본적인 문제점이기도 하다.That is, the patterning method described above is basically a subtractive patterning method in which predetermined portions of the thin film are selectively removed by the laser beam passing through the
또한, 상기한 바와 같이, 레이저 빔이 기판의 이면으로부터 입사되어 반대쪽 표면에 적층되어 있는 박막으로 들어가기 때문에, 기판은 반드시 광투과성 재료로 구성되어야 하는 제한점이 발생한다. 그러나, 전자 소자 기판은 대부분 실리콘과 같은 불투명 재료로 이루어지고 있어, 상기와 같은 패터닝 방식을 전형적인 반도체 기판 등에 제조하는 데에 적용함에 있어서는 많은 제약이 따를 수밖에 없다.In addition, as described above, since the laser beam is incident from the back surface of the substrate and enters the thin film laminated on the opposite surface, a limitation arises in that the substrate must be made of a light transmissive material. However, since the electronic device substrate is mostly made of an opaque material such as silicon, there are many restrictions in applying the above patterning method to the manufacture of a typical semiconductor substrate.
따라서, 본 발명자는 상기와 같은 패터닝 방식을 확대하여, 박막 재료를 재활용할 수 있고, 또 기판을 구성하는 재료에 상관없이 임의의 기판에 소정 문양의 패턴을 형성할 수 있는 방법을 연구하였다. 이러한 연구의 결과가 도 4에 도시되어 있다.Accordingly, the present inventors have expanded the patterning method as described above, and have studied a method capable of recycling thin film materials and forming a pattern of a predetermined pattern on any substrate, regardless of the material constituting the substrate. The results of this study are shown in FIG. 4.
즉, 도 4는 본 발명에 따라 임의의 기판에 소정 문양의 패턴을 형성할 수 있는 메커니즘을 개략적으로 보여주고 있다. 도 1에 도시한 것과는 달리, 본 실시예에 따르면 리시버 기판(60) 상에서는 additive 방식으로 패터닝이 수행된다. 즉, 소스 기판(40)에서는 도 1에 도시한 메커니즘에 따라 subtractive 방식으로 박막에 소정 모양의 패턴이 형성되고, 리시버 기판(60) 상에서는 이하에서 설명하는 바와 같이, additive 방식, 즉 printing에 의해 소정 모양의 패턴이 형성되는 바, 도 1과 중복되는 부분을 제외하고 설명하면 다음과 같다.That is, FIG. 4 schematically illustrates a mechanism capable of forming a pattern of a predetermined pattern on an arbitrary substrate according to the present invention. Unlike shown in FIG. 1, according to the present embodiment, patterning is performed on the
먼저, 소스 기판(40)은 도 1의 광투과성 기판(40)에 대응하는 것으로서, 도 1과 관련하여 설명한 메커니즘에 따라, 소스 기판(40)에는 사용자가 원하는 모양의 패턴이 형성된다.First, the
한편, 도 1에 도시한 것과는 달리, 본 방법에 따르면, 박막이 형성된 소스 기판(40) 측에는 리시버 기판(60)이 부착되어 있다(도 4에 있어서, 리시버 기판과 소스 기판이 상당한 거리를 두고 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위하여 그와 같이 도시한 것이다. 즉, 리시버 기판(60)은 소스 기판(40)에 접촉하고 있고, 또는 접촉하고 있지 않더라도 거의 접촉한 상태로 소스 기판(40)에 대해 위치되어 있다).On the other hand, unlike the one shown in Fig. 1, according to this method, the
이어서, 도 1에 도시한 것과 같은 방식으로 레이저 빔이 포토 마스크(30)를 통해 소스 기판(40)의 이면으로 조사된다. 그 결과, 소스 기판(40)에는 도 1에 도시한 것과 같은 메커니즘에 따라, 포토 마스크(30)에 형성된 소정 모양의 패턴(P)에 대응하는 패턴이 형성된다. 한편, 소스 기판(40)에는 리시버 기판(60)이 접촉 또는 거의 접촉한 채 배치되어 있어서, 포토 마스크를 통과한 레이저에 의해 제거된 박막의 나노 입자들이 리시버 기판(60)을 향해 이동되어, 리시버 기판(60)에는 소정 모양의 패턴(P")을 갖는 박막(70)이 형성된다.Subsequently, the laser beam is irradiated to the back surface of the
즉, 본 발명에 따르면, 소스 기판(40)의 박막에 소정 패턴의 박막을 형성하 는 것에 추가하여, 동일한 메커니즘을 이용하여 별도의 리시버 기판(60) 상에 소스 기판에 형성된 패턴에 대응되는 패턴을 갖는 박막을 프린팅 방식으로 형성한다.That is, according to the present invention, in addition to forming a predetermined pattern of thin films on the thin film of the
이때, 소스 기판과는 달리 리시버 기판에는 레이저 빔이 통과할 필요가 없으므로, 즉 리시버 기판은 레이저에 직접적으로 노출되지 않으므로, 리시버 기판의 재질에 제한이 없다. 즉, 상기한 바와 같이, 소스 기판(40)에 소정 패턴의 박막을 형성하는 경우, 박막이 형성된 표면과 반대쪽의 이면으로부터 레이저가 입사하여, 박막의 나노입자들을 분리시키기 때문에, 소스 기판은 레이저가 통과할 수 있는 재질, 예컨대 광투과성 유리나 플라스틱과 같은 재질로 구성되어야 한다.In this case, unlike the source substrate, since the laser beam does not need to pass through the receiver substrate, that is, the receiver substrate is not directly exposed to the laser, so there is no limitation in the material of the receiver substrate. That is, as described above, when the thin film having a predetermined pattern is formed on the
따라서, 소정 모양의 패턴을 갖는 박막을 형성할 수 있는 소스 기판의 재질에 제한이 있게 되어, 반도체 산업 분야에서 가장 많이 이용하고 있는 실리콘과 같은 재질에는 상기와 같은 방법을 이용하여 패터닝을 수행하기가 어려울 수 있다는 문제점이 있다.Therefore, there is a limitation in the material of the source substrate that can form a thin film having a predetermined shape pattern, it is difficult to perform the patterning by using the same method for the material such as silicon which is most used in the semiconductor industry The problem is that it can be difficult.
그러나, 소스 기판에만 박막을 형성하는 것이 아니라, 리시버 기판을 배치하여 리시버 기판에, 소스 기판의 박막으로부터 떨어져 나오는 나노 입자들을 이용하여 소정 패턴의 박막을 형성하는 경우에는 리시버 기판이 직접적으로 레이저와 같은 광에 노출될 필요가 없으므로, 리시버 기판의 재질에 특별한 제한이 없고, 실리콘, 유리, 플라스틱 등과 같은 임의의 재료(광투과성 재료, 광불투과성 재료 등)로 이루어진 기판 상에 상기와 같은 방식으로 패터닝을 수행하여, 소정 모양의 패턴을 갖는 박막을 프린팅 할 수가 있다.However, instead of forming a thin film only on the source substrate, when the receiver substrate is placed to form a thin film of a predetermined pattern by using nanoparticles separated from the thin film of the source substrate, the receiver substrate is directly like a laser. Since there is no need for exposure to light, there is no particular limitation on the material of the receiver substrate, and patterning is performed in the above manner on a substrate made of any material (light transmissive material, light impermeable material, etc.) such as silicon, glass, plastic, or the like. By doing this, a thin film having a pattern of a predetermined shape can be printed.
한편, 상기한 바와 같이, 본 발명에서는 재료의 전이의 구동력으로서 열탄성력을 이용한다. 즉, 상기 과정에 따라 에너지가 기판에 조사되어 특정한 위치에서의 펄스 에너지 밀도가 임계 에너지 밀도 이상이 될 경우, 그 부분의 박막은 리시버 기판으로 선택적으로 전이되며, 따라서 레이저 빔의 에너지 밀도를 공간적으로 변조하여 입사시키면 이러한 변조 패턴에 따른 박막 패턴을 얻을 수 있게 된다. 열탄성력은 온도 상승속도, 즉 얼마나 빨리 상승하느냐에 의존하며 온도상승의 절대값에는 무관하다. 따라서 나노초 펄스 레이저와 같이 짧은 펄스폭을 가진 레이저에 의해 박막의 melting없이 기판으로부터의 분리가 가능하며, 물질 전이에 요구되는 임계 에너지 밀도(threshold pulse energy density)가 LIFT의 그것에 비해 매우 낮아 집속된 빔을 사용할 필요가 없게 된다. 이러한 레이저 프린팅 방식은 빛의 공간변조가 기존의 리소그래피와 동일한 방법으로 이루어지므로 상대적으로 높은 해상도를 기대할 수 있을 뿐만 아니라 박막의 용액증착과 결부된다면 저온, 대면적 패터닝도 가능하게 할 것으로 예상된다. 또한 종래의 잉크젯 프린팅, LIFT등과 같은 serial 프린팅가 비교하여, 집속식이 아닌 병렬식으로 레이저를 조사하여 한 번에 원하는 패턴을 얻을 수 있다. 또한 종래의 잉크젯 프린팅, LIFT등과 같은 직렬 방식의 프린팅과 비교하여 훨씬 높은 효율(throughput)을 기대할 수 있다. On the other hand, as described above, in the present invention, the thermoelastic force is used as the driving force for transition of the material. That is, when the energy is irradiated onto the substrate according to the above process and the pulse energy density at a specific position is greater than or equal to the critical energy density, the thin film of the portion is selectively transferred to the receiver substrate, thus spatially changing the energy density of the laser beam. When modulated and incident, a thin film pattern according to the modulation pattern can be obtained. Thermoelasticity depends on the rate of temperature rise, how fast it rises, and is independent of the absolute value of the temperature rise. Therefore, lasers with short pulse widths, such as nanosecond pulsed lasers, can be separated from the substrate without melting the thin film, and the threshold pulse energy density required for material transfer is very low compared to that of LIFT. There is no need to use. This laser printing method is expected to achieve relatively high resolution as the spatial modulation of light is performed in the same way as conventional lithography, and to enable low-temperature and large-area patterning when combined with solution deposition of thin films. In addition, compared to conventional serial printing such as inkjet printing, LIFT, it is possible to obtain a desired pattern at a time by irradiating the laser in parallel rather than focused. In addition, much higher throughput can be expected compared to conventional printing such as inkjet printing, LIFT, and the like.
일실시예로서, 본 발명자들은 두께가 120 nm~1㎛인 은 박막을, 평균 입경이 25 nm인 Ag 나노-잉크(ABC NANOTECH, Inc.)를 사용하여 유리 소스 기판에 용액 증 착한 다음 실온에서 건조시켰다(저온 적층 공정). 적층 전에, 잉크를 아세톤으로 희석하였는데 이는 적층된 박막을 건조시키는데 소요되는 시간을 감소시키고 두께 제어를 용이하게 하기 위함이다. 이어서, Nd:YAG 펄스 레이저 빔(λ=1.064㎛, 펄스폭= 6ns, 반복율 = 10 Hz, 최대 평균 파워= 8.5W, 출력 빔 직경=0.9 cm)을 소스 기판의 이면에 접촉시킨 공간적 광 변조기(30)를 이용하여 그 에너지 밀도를 공간적으로 변조시킨 후 박막으로 입사시켰다. 도 5는 단일 펄스가 입사한 후 소스 기판 및 리시버 기판을 스캐닝하여 얻은 광학적 프로화일러 이미지(optical profiler images)이다. 이들 이미지는, 소스 기판으로부터 이탈된 물질이 리시버 기판으로 전이되었다는 것을 명확하게 보여주고 있다. 본 발명의 고무적인 특징은, 소스 기판에 남아 있는 건조된 Ag 박막을 아세톤과 같은 유기 용매에 용해시키거나, 그 위에 용액상태의 박막을 다시 증착함으로서 재사용할 수 있다는 점이다. 후자의 경우 건조 상태의 박막이 새로 증착되는 용액상태의 박막에 녹아 들어가 새로운 균질한 박막을 형성한다. 따라서, 종래 기술과 달리 남아 있는 재료의 폐기 및 그 관련된 문제를 해결할 수 있다.In one embodiment, the inventors have evaporated a silver thin film having a thickness of 120 nm to 1 μm onto a glass source substrate using Ag nano-ink (ABC NANOTECH, Inc.) having an average particle diameter of 25 nm and then at room temperature. It dried (low temperature lamination process). Prior to lamination, the ink was diluted with acetone to reduce the time required to dry the laminated thin film and to facilitate thickness control. Subsequently, the spatial light modulator (Nd: YAG pulse laser beam (λ = 1.064 mu m, pulse width = 6 ns, repetition rate = 10 Hz, maximum average power = 8.5 W, output beam diameter = 0.9 cm) was brought into contact with the back surface of the source substrate ( 30) was used to spatially modulate the energy density and enter the thin film. FIG. 5 is optical profiler images obtained by scanning a source substrate and a receiver substrate after a single pulse has been incident. These images clearly show that the material deviating from the source substrate has transferred to the receiver substrate. An encouraging feature of the present invention is that the dried Ag thin film remaining on the source substrate can be reused by dissolving it in an organic solvent such as acetone or re-depositing the thin film in solution thereon. In the latter case, the dried thin film is melted into the newly deposited solution thin film to form a new homogeneous thin film. Therefore, it is possible to solve the disposal of the remaining material and related problems unlike the prior art.
이처럼, 종래의 LIFT 및 MAPLE-DW 방식이 물질의 증발에 따른 증기압(vapor pressure)에 기초하고 있는 반면에, 본 발명은 열탄성 구동력을 이용한다. 근적외선의 금속 내부로의 매우 짧은 투과 깊이를 고려하면, 입사 레이저 에너지는 대부분 소스 기판에 인접하는 입자들에 의해 흡수될 것이다. 이들 입자를 기판으로부터 떼어내는 열탄성력은 그 입자들 위의 다른 입자들을 밀어낼 것으로 예상된다(전 술한 내용 참조). 용액 적층된 나노입자 박막은 응집력(cohesion)이 약하기 때문에, 상기 열탄성력은 박막의 특정 부분을 소스 기판에 남아있는 박막으로부터 쉽게 전단시켜 리시버 기판을 향해 추진시킬 수 있을 것이다. 상기 열탄성력은 온도 상승의 절대값이 아닌, 온도 상승 속도에 비례한다. 이는, 총 펄스 에너지가 그렇게 높지 않더라도 펄스폭이 짧다면 입자를 탈착시킬 수 있다는 것을 의미한다. 프린팅을 위한 임계 펄스 에너지 밀도는 0.1 J/cm2보다 약간 작은 것으로 측정되었는데, 박막의 두께에는 거의 영향을 받지 않았다. 출력 레이저 빔을 확장한 후에, 본 발명자는 850 mJ의 에너지를 갖는 단일 펄스를 이용하여 수 cm2에 걸쳐 패턴을 프린팅할 수 있었다. 첨두 출력이 수 kW에 이르는 산업용 Nd:YAG 레이저하에서는 단일 펄스에 의해서 wafer-scale의 패터닝도 가능할 것이다. 이 프로세스에서, 리시버 기판은 입사 레이저에 직접 노출되지 않는다. 이는 표면을 손상시키지 않으면서, 실리콘, 유리, 플라스틱과 같이 매우 다양한 고체 기판 상에 패턴을 프린팅할 수 있다는 것을 의미한다. As such, the conventional LIFT and MAPLE-DW schemes are based on vapor pressure due to evaporation of the material, while the present invention utilizes thermoelastic driving forces. Given the very short penetration depth of the near infrared into the metal, the incident laser energy will most likely be absorbed by the particles adjacent to the source substrate. The thermoelastic force that separates these particles from the substrate is expected to repel other particles on the particles (see above). Since the solution-laminated nanoparticle thin film has a weak cohesion, the thermoelastic force may easily shear a portion of the thin film from the thin film remaining on the source substrate and propel it toward the receiver substrate. The thermoelastic force is proportional to the rate of temperature rise, not the absolute value of the temperature rise. This means that particles can be desorbed if the pulse width is short even if the total pulse energy is not so high. The critical pulse energy density for printing was measured to be slightly less than 0.1 J / cm 2 , with little effect on the thickness of the thin film. After expanding the output laser beam, we were able to print the pattern over several cm 2 using a single pulse with an energy of 850 mJ. Under industrial Nd: YAG lasers with peak outputs up to several kW, wafer-scale patterning will be possible with a single pulse. In this process, the receiver substrate is not directly exposed to the incident laser. This means that patterns can be printed on a wide variety of solid substrates, such as silicon, glass and plastic, without damaging the surface.
한편, 본 발명자는, 형성된 박막이 적절한 전도성 및/또는 기계적 밀착성을 갖기 위해서는 어닐링을 수행하여야 한다는 결론을 도출하였다. 이와 관련하여, 본 발명자는 본 발명의 방식을 적용하여 리시버 기판 상에 소정 패턴의 박막을 형성하는 경우, 프린팅 후에 어닐링을 수행하는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 물질의 트랜스퍼는 어닐링된 필름으로도 가능하였지만, 이 경우 프린트된 패턴은 리시버 기판과의 부착력이 매우 열악하였다. 구체적으로, 나노-잉크는 안정화제와 같은 일부 유기 첨가물 또는 기타 물질을 함유하며, 이들이 나노입자 사이의 공간을 채우고 있다. 이들 유기 성분 역시 레이저광으로부터의 직접적인 흡수 또는 가열된 Ag 입자로부터의 열전도에 의해 가열되어, 일종의 접착제 역할을 하는 것으로 보인다. 그런데, 본 발명의 패터닝을 수행하기에 앞서, 박막이 형성된 소스 기판에 대해 열처리를 하게 되면(어닐링), 상기 접착제 역할을 하는 유기 물질들이 열처리 과정에서 제거되어, 리시버 기판으로 트랜스퍼되더라도 리시버 기판과의 접착력이 떨어지는 것으로 보인다. On the other hand, the present inventors have concluded that annealing should be performed in order for the formed thin film to have appropriate conductivity and / or mechanical adhesion. In this regard, the inventors have found that when applying the method of the present invention to form a thin film of a predetermined pattern on the receiver substrate, it is preferable to perform annealing after printing. Transfer of the material was also possible with an annealed film, but in this case the printed pattern had very poor adhesion to the receiver substrate. Specifically, the nano-inks contain some organic additives or other materials, such as stabilizers, which fill the spaces between the nanoparticles. These organic components also appear to be heated by direct absorption from the laser light or by heat conduction from the heated Ag particles, acting as a kind of adhesive. However, prior to performing the patterning of the present invention, when the heat treatment is performed on the source substrate on which the thin film is formed (annealed), the organic material serving as the adhesive is removed during the heat treatment process, even if transferred to the receiver substrate. The adhesion seems to be poor.
이와 관련하여, 본 발명자는 소스 기판으로서 약 100㎛ 두께의 유리를 사용하였고, 10㎛ 이하 스케일에서 프린트된 패턴을 얻을 수 있었다(도 6 참조). 위에서 언급한 포토 마스크를 소스 기판에 직접 접촉시키는 contact mode 방식의 경우 소스 기판이 더 얇으면 더 미세한 패턴을 프린트할 수 있을 것이며, 빛의 회절한계에 도달하는 해상도를 갖기 위해서는 궁극적으로 projection mode에 의한 프린팅이 필요할 것이다. 상기 프린트된 필름을 대기에서 약 30분 동안 어닐링하였는데, 상기 필름은 T=125℃ 까지 거의 부도체인 상태로 남아 있었지만, 약 150℃에서의 어닐링 후 저항은 10-2~10-3Ω·cm로 급격히 떨어졌다. 이는 모든 유기 성분이 제거된 채 상기 박막이 약 150℃ 부근에서 경화될 수 있다는 것을 나타낸다. 어닐링 온도를 더욱 높이면 225℃ 이상에서 거의 포화될 때까지 저항은 더욱 떨어졌다. 얻어진 최소 저항은 2.25×10-6Ω·cm의 Ag 벌크 저항보다 3~5배 더 컸다. In this regard, the present inventors used a glass having a thickness of about 100 μm as a source substrate, and obtained a printed pattern on a scale of 10 μm or less (see FIG. 6). In the case of the contact mode method of directly contacting the photo mask with the source substrate, the thinner the source substrate, the finer the pattern can be printed. In order to have a resolution that reaches the diffraction limit of light, You will need printing. The printed film was annealed for about 30 minutes in air, the film remained almost nonconducting up to T = 125 ° C., but after annealing at about 150 ° C., the resistance was 10 −2 to 10 −3 Ω · cm. Fell sharply. This indicates that the thin film can be cured around about 150 ° C. with all organic components removed. Increasing the annealing temperature further lowered the resistance until nearly saturated above 225 ° C. The minimum resistance obtained was three to five times greater than the Ag bulk resistance of 2.25 × 10 −6 Ω · cm.
또한, 본 발명자는 본 발명에 따른 프로세스를 이용하여 전자 소자용의 금속 배선을 형성하는 데 적용할 수 있는지 여부를 검토하기 위하여, 프린트된 소스 전극 및 드레인 전극을 이용하여 펜타신(pentacene) 박막 트랜지스터(TFT)를 제조하였다. 고농도로 도핑된 p-타입 Si 웨이퍼를 게이트 전극으로서 사용하였고, 열적으로 성장시킨 SiO2 층(200 nm 두께)을 게이트 유전체로서 사용하였다. 소스 전극 및 드레인 전극을 프린팅한 후에, 60nm 두께의 펜타신 반도체층을 열적 증발에 의해 적층하였다. 상기 소자는 L=17㎛의 채널 길이와 W=340㎛의 채널 폭을 갖고 있다. 도 7의 A는 여러 게이트 전압(VG)에서 측정한 드레인 전압(VD) 대 드레인 전류(ID)의 관계를 보여주는데, 이는 전형적인 TFT 특성을 나타내고 있다. 도 7의 B는 포화 동작 영역(VD=-40V)에서 바이어스된 동일한 소자에 대한 ID 대 VG 플롯을 보여준다. 전류의 ON/OFF 비는 105 정도이었고, 계산된 이동도는 2.7×10-2cm2V-1s-1이었다. 이들 값은 진공 증착된 금속 전극을 갖고 있는 전형적인 펜타신 TFT에 대하여 보고된 값들과 필적한다. 이는, 본 발명에서 설명한 프로세스가 종래의 금속 배선용 기법에 대한 대안이 될 수 있다는 것을 말해주고 있다.In addition, to examine whether the present invention can be applied to forming metal wiring for electronic devices using the process according to the present invention, a pentacene thin film transistor using a printed source electrode and a drain electrode (TFT) was prepared. A heavily doped p-type Si wafer was used as the gate electrode and a thermally grown SiO 2 layer (200 nm thick) was used as the gate dielectric. After printing the source electrode and the drain electrode, a 60 nm-thick pentacin semiconductor layer was laminated by thermal evaporation. The device has a channel length of L = 17 μm and a channel width of W = 340 μm. FIG. 7A shows the relationship between the drain voltage V D and the drain current I D measured at various gate voltages V G , which shows typical TFT characteristics. 7B shows the I D vs. V G plot for the same device biased in the saturated operating region (V D = -40 V). The ON / OFF ratio of the current was about 10 5 , and the calculated mobility was 2.7 × 10 −2 cm 2 V −1 s −1 . These values are comparable with those reported for typical pentacin TFTs with vacuum deposited metal electrodes. This indicates that the process described in the present invention may be an alternative to the conventional metal wiring technique.
결론적으로, 본 발명자는 나노입자들의 레이저-유도 열탄성력에 기초하여, 금속 배선을 위한 병렬 레이저 프린팅 프로세스를 입증하였다. 나노구조로 된 은 박막 패턴을 공간 변조된 Nd:YAG 펄스 레이저 빔(λ=1064 nm, 펄스폭=6 ns, 최대 평균 파워=8.5W)에 의해 실리콘, 유리 및 플라스틱과 같은 다양한 기판 상에 프린트하였다. 10㎛ 이하의 스케일에서 높은 충실도의 패턴을 850 mJ의 에너지를 갖는 단일 펄스에 의해 수 cm2에 걸쳐 프린트할 수 있었다. 본 발명자는 또한 프린트된 소스 및 드레인 전극을 이용하여 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다는 것을 보여주었다. 용액 적층과 결합된 이러한 병렬 레이저 프린팅은 전자 소자용의 간단하고도 비용 효율적인 금속 배선을 제공하고, 다른 물질계로 확장될 수 있다.In conclusion, we have demonstrated a parallel laser printing process for metallization, based on the laser-induced thermoelasticity of nanoparticles. Printed nanostructured thin film pattern on various substrates such as silicon, glass and plastic by spatially modulated Nd: YAG pulsed laser beam (λ = 1064 nm, pulse width = 6 ns, maximum average power = 8.5W) It was. A pattern of high fidelity on a scale of 10 μm or less could be printed over several cm 2 by a single pulse with an energy of 850 mJ. We have also shown that printed thin film transistors can be fabricated using source and drain electrodes. Such parallel laser printing combined with solution stacking provides simple and cost effective metallization for electronic devices and can be extended to other material systems.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 제한되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 즉, 본 발명은 후술하는 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described with reference to drawings, it should be noted that this invention is not limited to this embodiment. That is, the present invention may be variously modified and modified within the scope of the present invention described below, and all of them fall within the scope of the present invention.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 제한되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 즉, 본 발명은 후술하는 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described with reference to drawings, it should be noted that this invention is not limited to this embodiment. That is, the present invention may be variously modified and modified within the scope of the present invention described below, and all of them fall within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 한 양태에 따라서, 펄스 레이저를 이용한 패터닝 방법을 수행하기 위한 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a view schematically showing an overall configuration of an apparatus for performing a patterning method using a pulse laser according to an aspect of the present invention.
도 2는 본 발명의 방법의 메커니즘을 보여주는 도면이다.2 shows the mechanism of the method of the invention.
도 3은 본 발명이 방법에 따라 나노입자 박막에 형성된 다양한 형태의 복잡한 패턴의 예를 보여주는 도면이다.3 is a diagram showing examples of complex patterns of various shapes formed on a nanoparticle thin film according to the present invention.
도 4는 본 발명의 한 양태에 따라서, 펄스 레이저를 이용한 병렬 프린팅 방법을 수행하기 위한 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.4 is a diagram schematically showing the overall configuration of an apparatus for performing a parallel printing method using a pulse laser, according to an aspect of the present invention.
도 5는 프린팅 후에 측정한 소스 기판 및 리시버 기판의 광학적 프로화일러 이미지를 보여주는 도면이다.5 is a view showing an optical profiler image of the source substrate and the receiver substrate measured after printing.
도 6은 프린트된 은(Ag) 박막 패턴의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a printed silver (Ag) thin film pattern.
도 7은 프린트된 Ag 소스 전극 및 드레인 전극(L=17㎛의 채널 길이와 W=340㎛의 채널 폭)을 이용하여 제작한 펜타신 TFT의 특성을 보여주는 것으로서, 도 7의 A는 드레인 전류(ID) 대 드레인 전압(VD)의 관계를 보여주고 있으며, 도 7의 B는 드레인 전류(ID) 대 게이트 전압(VG)의 관계를 보여준다.FIG. 7 shows the characteristics of a pentacin TFT fabricated using printed Ag source and drain electrodes (channel length of L = 17 μm and channel width of W = 340 μm), where A in FIG. I D ) is shown the relationship between the drain voltage (V D ), B of Figure 7 shows the relationship between the drain current (I D ) and the gate voltage (V G ).
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