KR100772440B1 - 미세배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세배선의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (a) 인쇄회로기판용 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크로 수계 잉크 도포층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)의 수계 잉크 도포층 상에 금속 나노입자를 포함하는 비수계 잉크 도포층을 인쇄하는 단계;를 포함하는 미세배선의 형성방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 의하면 잉크젯 공법을 이용한 기판의 배선 형성에 있어서, 잉크의 반복 인쇄 회수를 줄일 수 있고, 균일한 배선 라인을 형성할 수 있다.
미세배선, 잉크젯, 수계 잉크, 비수계 잉크, 반복 인쇄
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 미세배선의 형성방법을 개략적으로 보여주는 단면공정도이고,
도 2는 일반적으로 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크로 기판 상에 배선을 인쇄한 후의 모습을 보여주는 사진이고,
도 3은 일반적으로 금속 나노입자를 포함하는 비수계 잉크로 기판 상에 배선을 인쇄한 후의 모습을 보여주는 사진이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크로 기판을 스핀코팅한 후 그 위에 다시 비수계 잉크로 인쇄하여 형성된 배선을 나타내는 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 수계 잉크 도포층
30 : 비수계 잉크 도포층
본 발명은 미세배선의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세배선 형성방법에 관한 것이다.
잉크젯 공법은 원하는 곳에 원하는 양의 물질을 정확히 토출할 수 있다. 잉크젯 공법은 컴퓨터와 연계된 직접 인쇄에 의한 패턴 형성에 있어서 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정이 필요 없고, 단차가 있는 부분에도 인쇄할 수 있다는 장점 때문에 산업적으로 이를 활용하기 위한 많은 노력이 이루어지고 있다.
상기 잉크젯 공법을 적용한 인쇄회로기판의 배선 인쇄에 있어서 기판 배선으로 적용하기 위해서는 10㎛ 이상의 배선을 형성할 필요가 있는데, 현재의 잉크젯 공법으로는 배선 두께가 1㎛ 이하로 형성되기 때문에 반복인쇄를 해야 할 필요가 있다.
금속 입자가 분산되어 있는 주 용매가 친수성인 수계 잉크를 이용한 인쇄 시에는, 금속 함량이 낮다는 잉크 특성상 인쇄 회수가 많아질 수 밖에 없으며, 이 경우 인쇄가 반복됨에 따라 정렬의 문제가 발생하게 된다. 즉, 반복 인쇄 회수가 많아질수록 기계적 오차가 누적되기 때문에 불리하다.
또한 금속 입자가 분산되어 있는 주 용매가 비극성 또는 저극성인 비수계 잉크를 이용할 경우에는 금속 함량이 높다는 장점이 있으나 라인 중간에 잉크가 뭉치는 현상이 발생하고 반복 인쇄를 거듭할수록 이러한 불균일한 라인 형상이 누적되게 된다.
따라서, 잉크젯 공법으로 미세배선의 인쇄회로기판을 제작할 경우 반복 인쇄 회수를 감소시켜 정렬의 오차를 줄일 수 있고, 균일한 라인을 형성할 수 있는 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 잉크젯 공법으로 미세배선을 형성함에 있어, 반복 인쇄 회수를 줄일 수 있고, 균일한 라인을 가지는 배선을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
잉크젯 방식으로 금속 배선을 형성하는데 있어서,
(a) 인쇄회로기판용 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크로 수계 잉크 도포층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 단계 (b)의 수계 잉크 도포층 상에 금속 나노입자를 포함하는 비수계 잉크 도포층을 인쇄하는 단계;
를 포함하는 미세배선의 형성방법을 제시할 수 있다.
이하, 본 발명의 미세배선 형성방법에 대하여 좀더 상세하게 설명하기로 한 다.
본 발명의 특징은 수계 및 비수계 잉크를 조합하여 기판 상에 배선을 반복 인쇄하여 형성함에 있다.
기존의 금속 나노입자를 포함하는 잉크젯 프린팅용 잉크는 금속 나노 입자를 분산시키는 용매에 따라 나뉠 수 있는데, 주 용매를 기준으로 크게 수계 잉크와 비수계 잉크로 나뉘어진다.
수계 잉크의 경우 물, 에탄올을 비롯한 알코올계, 에테르계 및 에틸렌글리콜을 비롯한 글리콜계 등을 주로 사용한다. 일반적으로 사용되는 수계 잉크는 입자 크기가 30~50nm인 금속 나노입자를 약 20 중량% 함유한다. 금속 나노입자로는 백금, 은, 구리, 니켈, 주석, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 아연, 납, 인듐 및 티탄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 주 용매로서 에탄올이 약 10 중량%, 에틸렌글리콜이 약 60 중량%, 분산 안정성이나 표면 장력 또는 잉크젯 토출을 위하여 적절한 점도 범위의 첨가제를 약 10 중량% 함유할 수 있다.
비수계 잉크의 경우 테트라데칸, 도데칸, 톨루엔 및 크실렌 등을 주 용매로 사용한다. 수계 잉크와는 달리, 비수계 잉크의 경우에는 일반적으로 3~10nm의 입자 크기를 가지는 금속 나노입자를 약 60 중량%로 높게 함유하며(금속 나노입자의 종류는 상술한 바와 같다), 이밖에 주 용매로서 테트라데칸 약 25%, 상기한 기타 첨가제를 약 15 중량% 함유할 수 있다.
상기한 주 용매가 다를 경우, 이를 포함하는 잉크는 서로 다른 인쇄 특성을 보이게 된다. 즉, 금속 함량이 낮은 수계 잉크의 경우는 기판의 특별한 표면 처리 없이도 균일한 배선 라인의 형성이 가능하다 (도 2 참조). 그러나, 기판에 사용하기 위한 금속 배선을 인쇄하기 위해서는 두께를 향상시키기 위하여 일반적으로 반복 인쇄가 필요하게 되는데, 수계 잉크는 금속 함량의 한계로 인하여 반복 인쇄 회수가 많아지게 된다. 반복 인쇄 회수가 많아지면 기계적 오차가 누적되기 때문에 정렬에 있어 불리하다.
반면, 비수계 잉크의 경우는 기판의 표면 처리가 반드시 필요하며, 벌즈 (bulge) 가 발생하기 때문에 특별한 인쇄 조건이 필요하다. 도 3은 기판의 발수 처리 후 비수계 잉크로 인쇄한 배선의 잉크 뭉침 현상을 나타내는 사진이다. 비수계 잉크는 수계 잉크에 비하여 높은 금속 나노입자의 함량을 가질 수 있으나, 최초의 배선 라인의 경우 라인 중간에 잉크가 뭉치는 현상이 발생하고, 이로 인하여 위로 인쇄가 반복될수록 이러한 불균일한 라인 형상이 누적되는 문제가 있다.
본 발명자 등은 상기한 문제점에 착안하여 인쇄 특성이 서로 다른 수계 및 비수계 잉크를 조합하여 반복 인쇄한 결과, 라인 모양이 깨끗하면서도 두께가 향상된 배선을 얻을 수 있음을 확인하였다. 도 4는 수계 잉크로 기판상에 도포층을 형성한 후, 금속 입자 함량이 높은 비수계 잉크를 그 위에 인쇄한 결과를 나타내는 사진으로서, 잉크 뭉침 현상이 없는 라인 톨러런스 (line tolerance)가 균일한 배선이 형성된 것을 알 수 있다. 아래에 라인 톨러런스를 구하는 식을 기재하였다.
line tolerance = ([max width]-[min width])/(average width)
max width : 측정 화면에서 최대 선폭
min width : 측정 화면에서 최소 선폭
average width : 측정한 선폭의 평균
도 1은 본 발명에 따른 미세배선 형성방법을 개략적으로 도시한 단면공정도로서, 이를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 미세배선 형성방법은 잉크젯 방식으로 금속 배선을 형성하는데 있어서, (a) 인쇄회로기판용 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크로 수계 잉크 도포층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)의 수계 잉크 도포층 상에 금속 나노입자를 포함하는 비수계 잉크 도포층을 인쇄하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (a)는 인쇄회로기판용 기판(10)을 준비하는 단계이다. 상기 기판(10)은 인쇄회로기판 (PCB)용 기판으로 일반적으로 사용하는 것으로서, 열경화에 견딜 수 있는 절연성 기판이라면 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 예를 들면 페놀수지 또는 에폭시 수지를 이용한 기판 등을 사용할 수도 있고, 플렉서블 회로기판에 적합하도록 폴리이미드 기판을 사용할 수도 있다. 기판(10)이 준비되면, 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크를 이용하여 기판(10) 표면에 수계 잉크 도포층(20)을 형성한다 (단계 (b)). 상기 (b)단계 전에 수계 잉크 도포층과 기판과의 접착력을 향상시키기 위하여 기판의 표면처리 단계를 더 포함할 수도 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기(b) 단계는, 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크를 기판 표면에 토출하여 인쇄하는 방식으로 이루어진다. 이후 상기 토출된 잉 크를 200 내지 300℃ 온도에서 10분 내지 1시간 동안 열처리하여 소성하는 과정을 거쳐 단계 (c)로 진행할 수 있다.
200℃ 이하로 소성할 경우에는 낮은 비저항 달성이 불가능하며 300℃ 이상으로 소성할 경우에는 고분자의 Tg 이상 온도 범위이기 때문에 소성 전에 고분자를 포함하는 기판의 변형이 발생할 수 있는 문제가 있다.
또한, 10분 이하로 소성할 경우에는 200℃ 이하로 소성하는 경우와 마찬가지로 충분한 비저항 달성이 어렵고, 1시간 이상으로 소성할 경우에는 공정 시간이 지나치게 길어져 비경제적이다. 즉, 1시간 이상 소성 할 경우 증가된 공정 시간에 비하여 비저항 측면에서 얻을 수 있는 효과가 크지 않다.
여기서, 상기 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크는 스핀 코팅, 스크린 코팅, 잉크젯 인쇄 등의 방법으로도 기판 상에 도포될 수 있다. 도포되는 기판 면은 기판 전면 혹은 배선 패턴이 형성될 부분에 선택적으로 형성할 수 있다. 이때 잉크젯 코팅을 이용할 경우 형성될 배선 패턴의 폭과 같거나 이보다 넓은 폭으로 상기 수계 잉크 도포층을 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 수계 잉크 도포층(20)을 형성하고 나면, 다음으로 상기 수계 잉크 도포층(20) 상에 금속 나노입자를 포함하는 비수계 잉크를 토출하여 잉크젯 방법으로 비수계 잉크 도포층 (30)을 인쇄한다 (단계 (c)). 이후 상기 토출된 잉크를 200 내지 300℃ 온도에서 10분 내지 1시간 동안 열처리하여 소성하는 과정을 거칠 수 있으며 이와 같이 온도와 시간을 한정한 이유는 앞서 기술한 것과 같다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1> 미세배선의 형성 1
폴리이미드 기판 표면에 20nm 내외의 은 나노입자, 에탄올 및 에틸렌 글리콜 용매를 포함하는 은 나노 잉크를 스핀 코팅하여 두께 0.5 미크론의 수계 잉크 도포층을 형성하였다. 이것을 250℃에서 20분 동안 열처리하여 소성한 후 그 위에 20nm의 은 나노입자 및 테트라데칸을 포함하는 은 나노 잉크를 잉크젯 공법으로 인쇄하였다. 이것을 250℃에서 30분 동안 열처리하여 소성시켜 선폭 381.4um에 편차 1.98um 라인을 얻었다. 라인 톨러런스는 1.04% 이다. 도 4는 본 실시예로부터 얻어진 배선 패턴을 보여주는 사진이다.
<실시예 2> 미세배선의 형성 2
폴리이미드 기판 표면에 10nm 내외의 은 나노입자, 에탄올 및 에틸렌 글리콜 용매를 포함하는 은 나노 잉크를 이용하여 잉크젯으로 면 인쇄하여 두께 0.4 미크론의 수계 잉크 도포층을 형성하였다. 이것을 250℃에서 20분 동안 소성한 후 그 위에 10nm의 은 나노입자 및 테트라데칸을 포함하는 은 나노 잉크를 잉크젯 공법으로 인쇄하고 250℃에서 30분 동안 열처리하여 소성시켜 선폭 383.9um에 편차 2.49um 라인을 얻었다. 라인 톨러런스는 1.54% 이다.
본 발명에서와 같이 수계 및 비수계 잉크를 조합하여 반복 인쇄하면, 수계 잉크만을 이용하는 경우의 반복인쇄로 인한 정렬의 문제 및 비수계 잉크를 이용하는 경우의 표면 처리 및 잉크 뭉침 현상을 동시에 해소할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 잉크젯 방식으로 금속 배선을 형성하는데 있어서, 수계 잉크로 배선을 형성한 후 비수계 잉크로 반복 인쇄하면 두께를 향상시키기 위한 반복 인쇄 횟수를 줄일 수 있고, 라인 톨러런스가 균일한 배선을 얻을 수 있다.
Claims (6)
- 잉크젯 방식으로 금속 배선을 형성하는데 있어서,(a) 인쇄회로기판용 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 수계 잉크로 수계 잉크 도포층을 형성하는 단계; 및(c) 상기 단계 (b)의 수계 잉크 도포층 상에 금속 나노입자를 포함하는 비수계 잉크 도포층을 인쇄하는 단계;를 포함하는 미세배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,단계 (b) 또는 (c) 이후에, 상기 잉크 도포층을 소성하는 단계를 더 포함하는 미세배선의 형성방법.
- 제2항에 있어서,상기 소성 조건은 200 내지 300℃에서 10분 내지 1시간 소성시키는 것인 미세배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속 나노입자는 백금, 은, 구리, 니켈, 주석, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 아연, 납, 인듐 및 티탄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 것인 미세배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 수계 잉크에 포함되는 용매는 물, 알코올, 에테르 및 글리콜로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 것인 미세배선의 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 비수계 잉크에 포함되는 용매는 테트라데칸, 도데칸, 톨루엔 및 크실렌으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 미세배선의 형성방법.
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