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재숙 마
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 12 pp , ISSN / eissn 폴리머코팅층레이저직접묘화법을이용한미세패턴증착 이봉구 1* 1 영남이공대학교기계계열 Deposition of Micropattern using The Laser Direct Writing Method with a polymer coating layer Bong-Gu Lee 1* 1 Division of Mechanical Engineering, Yeungnam University College 요약레이저직접묘화방법을이용하여절연기판 (SiO 2) 위에미세전도성패턴을제조하였다. 레이저유도증착공정은레이저빔이금속박막에조사되면레이저빔의빛에너지가금속박막에흡수되어열에너지로바뀌면서열전도에의한열분해반응으로기판위에증착이일어난다. 본논문에서는금속박막위에폴리머코팅을하여레이저직접묘화공정을적용하여미세패턴과 3차원마이크로구조물제조에관한연구를수행하였다. 평균증착율은전반적으로레이저출력이높을수록선형적으로증가하고, 빔스캔속도가감소할수록증착율은증가한다는것을확인하였다. Polymer 코팅층을이용하여미세전극을증착하여비저항값을측정하여, 코팅층을사용한경우의전기전도도가코팅을하지않은경우보다약 3배정도향상되는것을확인할수있었다. Abstract A micro-conductive pattern was fabricated on an insulating substrate (SiO 2) surface using a laser direct writing method. In the LIFT process, when the laser beam irradiates a thin metal film, the photon energy is absorbed by the film and converted to thermal energy, and the thermal decomposition reaction produced by the resulting heat conduction forms a deposit on the substrate. The resistivity of the micro-electrodes deposited through LIFT process with and without polymer coating was measured. The results showed that the electric conductivity of the micro-pattern and micro-structure can be increased approximatly two times when the deposited micropattern is fabricated through a LIFT process with a polymer coating, compared to the case without a polymer coating. Key Words : Direct writing technology, Laser Direct Write(LDW), Laser ablation, Micro deposition 1. 서론미세패턴제작기술은회로제작기술, 기계부품의미세가공, 전자부품의제조, 전도성회로제작등에활용되고있는기술로서공정의종류에따라크게실리콘기판위에구조물을더해가는부가식공정 (additive process), 실리콘소재로부터가공해나가는제거식공정 (subtractive process) 그리고이들공정들이조합된하이브리드공정 (hybrid process) 으로구분된다. 부가식공정은선택적으로필요한부분에만전도층을제작하는공정 으로써제거식공정과비교하여공정의높은유연성, 공정단계및재료의절감등많은장점이있는공정으로알려져있으나, 국부적으로필요로하는부분에패턴을형성하는방법이기때문에대량생산에는적합하지못하고다품종소량생산및시제품제작에적용할수있는공정이라할수있다. 제거식공정은기판 (substrate) 표면에전도성박막을미리증착한후필요하지않는부분만제거하여원하는패턴을제작하는공정이다. 하이브리드공정은기판전체에전도층을도포하고전도층위에포토리소그래피 (photolithography) 공정과전해도금 * Corresponding Author : Bong-Gu Lee(Yeungnam University College) Tel: positive@ync.ac.kr Received November 4, 2014 Revised (1st December 1, 2014, 2nd December 9, 2014) Accepted December 11,

폴리머코팅층레이저직접묘화법을이용한미세패턴증착 (electroplating) 공정으로패턴을형성한후에, 불필요한금속층을에칭공정으로제거하게된다 [1]. 현재절연체기판위에미세전도성패턴형성기술의대표적인방법으로는사진식각 (photolithography) 에의한방법과스크린프린팅 (screen printing) 방법이있다.

2 폴리머코팅층레이저직접묘화법을이용한미세패턴증착 (electroplating) 공정으로패턴을형성한후에, 불필요한금속층을에칭공정으로제거하게된다 [1]. 현재절연체기판위에미세전도성패턴형성기술의대표적인방법으로는사진식각 (photolithography) 에의한방법과스크린프린팅 (screen printing) 방법이있다. 사진식각공정은서브마이크로미터이하의선폭을가지는미세전도성패턴을제작할수있으나, 제작하고자하는패턴을형성하기위해서는별도의마스크제조공정이요구되기때문에공정의유연성이떨어지고고가의장비로인해시제품이나소량생산의경우제조비용이높아지는단점이있다. 스크린프린팅기술또한제작가능한미세패턴 (micropattern) 의최소선폭 (line width) 이 100mm 정도이므로선폭이 100µm 이하인경우에는사진식각공정을사용하고있는실정이다 [2]. 따라서, 두공정기술의중간영역으로수mm 100mm 이하의선폭 (line width) 을가지는미세전도성패턴을제조할수있는기술로레이저직접묘화법 (laser direct writing method) 기술이있다. 특히레이저를이용한직접묘화기술은다품종소량생산그리고시작품제작에유연성있게적용할수있는대체기술로서활용도가크게기대된다. 레이저직접묘화기술은다른가공방법에비해상대적으로간단한장비를이용해수십마이크로미터크기의패턴이나구조물을용이하게제조할수있어미세패턴가공기술로이용된다. 현재레이저직접묘화기술로는레이저유도에칭가공 (laser induced etching), 마이크로조형 (microsterography), 레이저유도증착 (LIFT: laser induced forward transfer), 메트릭스보조펄스레이저직접묘화 (MAPLE: matrix assisted pulsed laser) DW 등이있다 [3,4]. 메트릭스보조펄스레이저직접묘화공정은타겟재료 (target material) 는휘발성이강한잉크와증착하고자하는재료를혼합하여리본과같은띠모양을형성하여레이저를조사하여증착하는공정이다. 메트릭스보조펄스레이저직접묘화공정은메트릭스재료 (matrix material) 와증착재료 (transfer material) 가잘융합될수있어야하고, 레이저빔에노출되었을때메트릭스재료가증착재료보다휘발성이강해야투명시료표면에서기화되어수용기판에증착이일어나게된다. 이와같은제약조건때문에메트릭스재료선정이중요한실험조건이된다. 또한레이저유도증착법은 2단계의공정으로이루어지며, 금속박막형성단계와제거공정에의한증착단계로이루어진공정으로미세패턴을 제작할수있는매우간단하면서도실용적인가공법으로알려져있다 [5,6]. 그러나기존의레이저유도증착공정은레이저열에의해기화되면서증착되는공정이기때문에, 증착된패턴조직의밀도가낮고정밀도가떨어지고또한증착된타겟재료가쉽게산화되거나, 오염되기쉬운단점이있다. 지금까지연구결과를보면, 단펄스의레이저빔에의한패턴형상에관한연구만알려져있으며이렇게증착된패턴은실용화에필요한패턴의비저항값은순수금속의비저항값보다 3에서 50배이상이되는것으로보고되고있다 [7]. 이러한단점을해결하기위해서폴리머코팅층과층단위 (layer by layer) 빔스캔방식으로레이저직접묘화공정을적용하였고 [8], 본공정을통하여마이크로패턴및구조물의증착기술에대한연구를수행하였다. 2. 레이저직접묘화 Fig. 1 은본연구에서사용한폴리머코팅층을이용한레이저직접묘화공정에대한도식적으로보여주고있다. Fig. 1(a) 와같이유리와같은투명재료위에금속박막을전자빔 (E-beam) 으로증착하고, 금속박막위에폴리머를코팅한다. 이렇게만들어진타겟재료를금속박막수용기판 (acceptor substrate) 과밀착시켜고정한후투명재료위에서레이저빔을조사한다. 조사된레이저빔은금속박막폴리머코팅은용융, 증발되어제거되며, 제거된금속은 Fig. 1(c) 와같이아래쪽수용기판표면위에증착된다. (a) T = T

(c)the final phase the ablated material is deposited on the acceptor substrate 본연구에서는부가식공정에속하는레이저직접묘화공정으로폴리머코팅층을사용하여미세패터닝기술을대체할수있는실용화기술의가능성을확인하는것을중점을두었다.

3 한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 표면품위에미치는영향을전자현미경 (SEM) 사진을이용하여분석하였다. 3. 실험장치 (b) T 1 > T 0 (c) T 2 > T 1 [Fig. 1] Schematic diagram of LDW process. (a)metal Thin film material is ablated from the original support substrate. (b)the ablated material impacts on the acceptor substrate. (c)the final phase the ablated material is deposited on the acceptor substrate 본연구에서는부가식공정에속하는레이저직접묘화공정으로폴리머코팅층을사용하여미세패터닝기술을대체할수있는실용화기술의가능성을확인하는것을중점을두었다. 특히금속박막의폴리머코팅을이용한미세패턴및 3차원마이크로구조물제조에관한것으로, 금속박막위에폴리머코팅을이용한레이저직접묘화공정은기존의레이저유도증착공정을수정하여레이저유도증착공정의문제점을개선하고, 새로운레이저직접묘화법의실용화의기술로제품적용에가능한전기전도도및우수한증착율, 결합도 (adhesion) 를향상시켰다. 그결과폴리머코팅을이용한레이저직접묘화공정은수십마이크로미터크기의미세패턴과 3차원미세구조물증착이가능하며, 다양한재료에응용이가능하고, 우수한증착물결합도, 전기전도성을향상시켰다. 또한폴리머코팅을이용한미세패턴및구조물을제조하는기술을개발하고, 공정변수가증착패턴의단면형상, 실험에사용된 Nd:YVO 4 레이저는 355nm의파장, 최대출력 5w을갖는다이오드펌핑고체펄스레이저 (Diode-pumped solid state, DPSS) 로타겟시편과금속박막코팅층사이의증착을유도하는에너지열원으로이용되었다. 다이오드펌핑고체펄스레이저빔은수용기판에서집속효율을높이고, 빔경로에놓여있는다른광학계를보호하기위해서빔확대기를거친후선형평광기와 λ/4 플레이트를통과하여원형평광으로변환된다. 선형편광된레이저빔을원형편광으로만드는이유는조사된레이저빔이타겟시편으로부터일부반사되어나온빔이레이저시스템으로다시들어가서시스템을손상시키는것을방지하기위해서이다. λ/4 플레이트을통과한빔은갈바노미러와 F-θ 렌즈를통과하여항상수용기판표면에수직하게조사된다. 집속된레이저빔의직경은나이프에지 (knife-edge) 방법으로측정한결과빔의직경은약 30μm로확인되었다. 실험에사용된타겟은빔이투과하는 1mm의두께의유리 (Pyrex glass) 를사용하였고, 전자빔증착기를이용하여한쪽면에두께 0.2~0.8μm두께의금속박막을증착하였다. 증착된금속박막위에스핀코터를사용하여두께 1μm폴리머를코팅처리하였다. 수용기판은실리콘웨이퍼, 소다라임글라스 (soda lime glass) 를사용하였으며, 타겟재료와밀착시켜고정하였다. 제작된시편은이송정밀도 (repeatability) 가 0.1μm의 X-Y 테이블상에레이저빔과수직하게고정되어 PC 제어를이용한이송이가능하도록설치하였다. 실험은고가의진공장치가필요없는대기상태에서실험하였다. 실험시편은이송계에고정된상태로레이저빔을조사하는고정초점방식으로증착실험을하였다. 레이저출력및폴리머코팅효과에따른표면품위의영향을확인하기위해서전자현미경 (SEM) 을사용하여, 미세패턴및 3 차원구조물제조기술의가능성을확인하였다. 6982

4 폴리머코팅층레이저직접묘화법을이용한미세패턴증착 [Table 4] Experimental conditions Laser wavelength 355nm Laser power 2.83~13.58J/ cm2 Scan speed 10~30μm /s Thin film material Cr, Cu Thin film thickness 400nm Photoresist AZ1512 Photoresist thickness 1μm [Fig. 2] Schematic diagram of experimental setup Fig. 3은평균증착두께의실험결과에서알수있듯이레이저에너지밀도가높을수록, 빔스캔속도가느릴수록증가하는경향을보인다. 이는빔스캔속도가느릴수록금속코팅층에빔이머무르는시간이많아져증착반응이더활성화되는것으로생각된다. 4. 실험결과및고찰본실험에서는고정초점방식으로, 증착실험을진행하였으며, 금속박막위에폴리머코팅을사용한레이저직접묘화공정으로생성된증착층은쾌속조형 (rapid prototype) 공정처럼시편표면에높이방향으로층단위빔스캔방식으로스캔하여미세패턴및구조물을증착하였다. 증착된패턴이나구조물은높이방향으로증착이일어나면서, 앞에서증착된증착표면은이후의적층될증착물에대하여기질의역할을하기때문에연속적이며균일한표면이필요하다. 만일균일하고연속적이지못한증착물위에다시증착이되면, 증착율 (deposition rate) 의차이가발생하여정밀도가우수한패턴이나구조물을증착하기어렵기때문에적정한공정변수의설정이필요하다. 증착표면의균일성을살펴보기위해서길이 2mm의미세전극을빔스캔횟수를 5회로고정시키고, 레이저출력과빔의스캔속도를변화시키면서증착실험을진행하였다. Fig. 2는레이저에너지밀도에따른구리박막코팅층의평균증착두께의변화를나타낸것이다. 레이저직접묘화공정에사용된레이저가공조건, 금속박막의종류와두께, 폴리머의종류와두께등실험조건은 Table 1과같다. Average deposited height (nm) scan speed: 10 µm/sec scan speed: 20 µm/sec scan speed: 30 µm/sec 5 scan repetitions #Substrate: Si Laser energy Fluence(J/cm 2 ) [Fig. 3] Average deposited height of Cr deposition Fig. 4 레이저직접묘화공정을이용하여실리콘웨이퍼위에증착된크롬증착층의전자현미경 (SEM) 사진이다. Fig. 4(a), 는폴리머코팅층없이기존의레이저직접묘화공정을이용하여증착한패턴의사진이고, Fig. 4(b) 는본연구에서제안한금속박막위에폴리머를코팅한후레이저직접묘화공정을적용한결과이다. 증착된재료는크롬이며증착표면품위를살펴보면폴리머코팅후적용한결과가전체적으로조밀하고균일하게증착되어있는것을확인할수있다. 또한증착된크롬층을확대해보면폴리머코팅후적용한결과가더치밀하게증착된것을관찰수있다. 이것은레이저직접묘화공정전에코팅된폴리머가레이저조사로인해금속박막층이증발할때함께제거되면서표면에서의증착을향상시켰기때문이다. 6983

한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 전압, 전류값을바탕으로저항값을계산한결과폴리머코팅전, 후의저항이각각 3.8Ω, 2Ω으로폴리머가미세패턴의구리조직을치밀하게증착할수있게하여전기저항이감소함을알수있다. (a) without coating layer [Fig.

전도성측정을위해폭 200 μm, 길이 2mm의직선형태의패턴을증착하였으며증착된패턴에전압을가했을때전류를측정하였다. Fig. 5는 0.1~0.5V로전압을인가하였을경우측정된전류값을나타낸그래프이다. 폴리머코팅후레이저직접묘화공정을하였을경우가같은전압을인가하였을때더큰전류값이측정되었다. Fig. 6은유리기판에알루미늄박막폴리머코팅을층단위빔스캔모드로레이저묘화공정을이용하여제조한벌집모양의 3차원미세구조물전자현미경사진이다.

20 0.15 0.10 0.05 0.00 with PR coating(cu) without PR coating(cu) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Applide Voltage (V) [Fig.

5 한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 전압, 전류값을바탕으로저항값을계산한결과폴리머코팅전, 후의저항이각각 3.8Ω, 2Ω으로폴리머가미세패턴의구리조직을치밀하게증착할수있게하여전기저항이감소함을알수있다. (a) without coating layer [Fig. 6] SEM images of 3D microstructure (b) with coating layer [Fig. 4] SEM images of Cr deposited microstructure 레이저직접묘화공정후미세패턴의전기전도성을측정하기위해전기전도성이높은구리를레이저직접묘화공정을통해증착하였다. 전도성측정을위해폭 200 μm, 길이 2mm의직선형태의패턴을증착하였으며증착된패턴에전압을가했을때전류를측정하였다. Fig. 5는 0.1~0.5V로전압을인가하였을경우측정된전류값을나타낸그래프이다. 폴리머코팅후레이저직접묘화공정을하였을경우가같은전압을인가하였을때더큰전류값이측정되었다. Fig. 6은유리기판에알루미늄박막폴리머코팅을층단위빔스캔모드로레이저묘화공정을이용하여제조한벌집모양의 3차원미세구조물전자현미경사진이다. 레이저에너지밀도 5.6J/ cm2, 빔스캔속도 10μm /s 로 25회스캔하면서증착한것으로, 높이 20μm의 3차원미세구조물을증착하였다. 증착표면형상을보면엣지 (edge) 부분과중심부의증착높이가다른것은레이저빔의가우시안분포를갖기때문에중심부와엣지부의출력밀도차이에따른증착반응이차이때문이라생각된다. 4. 결론 Current(A) with PR coating(cu) without PR coating(cu) Applide Voltage (V) [Fig. 5] I-V curve of deposited pattern 지금까지연구된레이저직접묘화공정은마스크없이단일공정으로미세패턴을만들수있는장점이있지만정밀도와전기전도도가떨어지는단점을가지고있었다. 본연구에서는폴리머가코팅된금속박막을레이저직접묘화공정을이용하여정밀한전도성패턴을제작하였다. 폴리머를코팅한후레이저직접묘화공정을적용한결과증착된표면의조직이치밀하고경계가명확한패턴이되었고, 제작된미세패턴전기저항을측정한결과폴리머코팅을적용한미세전극의전기저항이 3.8Ω에서 2Ω으로감소하였다. 평균증착율은전반적으로레이저출력이높을수록선형적으로증가하고, 빔스 6984

폴리머코팅층레이저직접묘화법을이용한미세패턴증착 캔속도가감소할수록증착율은증가한다는것을확인하였다. 폴리머코팅층을이용하여미세전극을증착하여비저항값을측정하여, 코팅층을사용한경우의전기전도도가코팅을하지않은경우보다약 2 배정도향상되는것을확인할수있었다.

6 폴리머코팅층레이저직접묘화법을이용한미세패턴증착 캔속도가감소할수록증착율은증가한다는것을확인하였다. 폴리머코팅층을이용하여미세전극을증착하여비저항값을측정하여, 코팅층을사용한경우의전기전도도가코팅을하지않은경우보다약 2 배정도향상되는것을확인할수있었다. 따라서레이저직접묘화공정을이용하여금속박막재료를비전동성기판표면위에정밀하게증착할수있고, 미세패턴, 미세전극등 3차원미세구조물의증착이가능함을확인하였다. References [1] J. H. Lee, J. Suh, Y. H. Han, A Study on Fabrication of Conductor Patterns on AIN Ceramic Surface by Laser Direct Writing, J. of KSLP, Vol. 3, No. 2, pp , [2] B. G. Lee, J. H. Moon, Characteristics of 3D Microstructures Fabricated using a Modified LIFT Process, metals and materials International, Vol. 16, No. 5, pp , [3] B. S. Shin, J. G. Kim, W. S. Chang, K. H. Whang, Rapid manufacturing of 3D Micro-products using UV Laser Ablation and Phase-change Filling, International Journal of the Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 7, No. 3, pp , [4] D. Y. Yang, T. W. Lim, S. Yong, H. J. Kong, K. S. Lee, D. P. Kim, S. H. Park, Additive Process Using Femto-second Laser for Manufacturing 3D Nano/Micro-structures, Int. Journal of the Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 8, No.4, pp , [5] H. Yamada, T. Sano, Optimization of Laser-Induced Forward Transfer Process of Metal Thin Films, Appl. Surf. Sci. Vol , pp , DOI: [6] D. A. Willis, V. Grosu, Microdroplet Deposition by Laser Induced Forward Transfer, Appl. Phys. Let. 86, pp , DOI: [7] J. Bohandy, B. F. Kim, F. J. Adrian, Metal Deposition from a Supported Metal Film using an Excimer Laser, Journal of Applied Physics, Vol. 60, , DOI: [8] B. G. Lee, Micro-Droplet Deposition by UV-Pulsed Laser Induced Forward Transfer Direct Writing Technology, Electronic materials Letters, Vol. 8, No. 6, pp , 2012 DOI: 이봉구 (Bong-Gu Lee) [ 정회원 ] 2003년 2월 : 연세대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2009년 2월 : 연세대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 2000년 3월 ~ 2003년 7월 : 한국생산기술연구원연구원 2009년 3월 ~ 2012년 2월 : 대림대학교기계설계교수 2012년 3월 ~ 현재 : 영남이공대학교기계계열교수 < 관심분야 > 초정밀가공, CAD/CAM, 복합가공 6985

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method