KR102026617B1 - 금속 촉매 패턴을 이용한 금속 배선 형성방법 및 이에 의한 금속 배선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 촉매 패턴을 이용한 금속 배선 형성방법 및 이에 의한 금속 배선에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 금속 이온, 고분자 및 용매를 포함하는 코팅액을 준비하여 상기 코팅액을 기판 상에 도포시켜 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층 상에 마스크 패턴을 위치시킨 후, 자외선(UV)를 조사하여 금속나노입자를 포함하는 금속 촉매 패턴을 형성하고, 상기 금속 촉매 패턴을 도금시켜 금속 배선을 형성하는 방법을 제공한다. 따라서 본 발명은 자외선(UV)을 조사하는 과정을 통해 금속이온이 환원에 의해 금속나노입자로 변형되기 때문에, 금속 배선 형성 과정에서 열적 변형에 대한 문제없이 균일한 촉매의 분산이 가능하며, 금속 배선을 제조하는데 도금용 금속 사용을 절감하여 공정 운영시간적 측면 및 비용적 측면에서 효과적이다.

Description

금속 촉매 패턴을 이용한 금속 배선 형성방법 및 이에 의한 금속 배선{Method for fabricating metal interconnection using pattern of metal catalyst and metal interconnection thereby}

본 발명은 금속 촉매 패턴을 이용한 금속 배선 형성방법 및 이에 의한 금속 배선에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 금속이온에 자외선(UV)를 조사하여 형성된 금속나노입자를 포함하는 금속 촉매 패턴을 이용한 금속 배선 형성방법 및 이에 의한 금속 배선에 관한 것이다.

최근 전자소자의 고집적화, 소형화 추세에 따라 나노구조체 및 그 제조방법에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 나노구조체는 수 nm 크기의 입자로 이루어져 광학적, 자기적, 전기적 성질을 가지며, 입자의 크기에 따라 상이한 성질을 나타낸다.

나노구조체를 제조하기 위한 원료로 사용되는 금속나노입자는 벌크(bulk) 상태에서는 볼 수 없었던 새로운 물리적 특성들이 나타나며, 금속나노입자의 크기나 모양이 변하면 새로운 다른 특성들이 나타난다. 금속나노입자는 자기 특성, 높은 촉매 작용 등의 고유한 특성을 가지며, 센서, 의학, 촉매, 전자, 광학 등의 산업 전 범위에 걸쳐 이들의 특성을 이용한 다양한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

최근, 전자디스플레이, 유기태양전지, 유기 반도체 등의 산업이 급속도로 발전하고 있으며, 보다 경쟁력을 확보하기 위하여 얇거나 플렉시블(flexible)한 특성 및 기능 등 다양한 특성 및 기능이 복합적으로 부가된 기능성 소재 및 간단한 공정기술이 필요로 하게 되었고, 이를 실현하기 위하여 기판전극소재, 유기전도체 등에서 기능성 박막기술이 광범위하게 이용되고 있다.

현재까지 상술한 목적을 위해 금속나노입자를 패턴화 시키는 방법으로 미리 제작된 유기 고분자 지지체위에 금속나노입자 용액을 스핀 코팅(spin-coating) 하고, 용매를 제거한 후, 레지스터를 지지체로부터 제거함으로써 패턴을 형성하는 방법, 잉크젯 프린트 법, 마이크로컨택 프린팅(microcontact printing) 방법, 딥펜 나노리소그래피(dip-pen nanolithography)방법, 자기 조직화 방법(self-assembly monolayer), 층상자기조립법(layer-by-layer(LBL) assembly method) 등이 주로 이용되고 있다.

하지만, 금속나노입자는 그 크기가 매우 작아 응집력이 강하기 때문에 균일하게 분산시키기 어려운 문제점이 있었고, 상기 문제점을 해결하기 위해 금속나노입자를 고분자와 혼합하여 코팅하는 기술이 연구되었지만, 이 또한 금속나노입자의 응집력으로 인해 균일하게 분산시키기 어려운 문제점이 여전히 존재하였다.

금속나노입자를 균일하게 분산시키고자 고분자 및 금속이온을 혼합하여 스핀 코팅 또는 침지한 후 열처리를 통해 환원하는 공정을 연구하였는데, 상기 공정의 경우 금속나노입자의 균일한 분산은 확보할 수 있었으나, 내열성이 높지 않은 소자의 경우 열적 변형에 노출되어 소자의 변형이 생길 수 있는 문제점이 있었다. 또한, 금속이온의 환원 과정에서 산화를 방지하기 위한 추가적인 열처리 장치가 필요하여 공정 상 복잡한 문제점이 있었다.

따라서, 공정이 단순하며, 금속이온을 열에너지가 아닌 열적 변형이 일어나지 않는 수준의 에너지로 환원시킬 수 있는 금속나노입자 패터닝에 대한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1373834호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 금속나노입자 패터닝 한계를 극복할 수 있는 기술로서, 금속이온이 코팅된 기판 상에 마스크 패턴을 위치시킨 후, 자외선(UV)를 조사하여 형성된 금속나노입자를 포함한 금속 촉매 패턴을 이용하여 금속 배선을 형성하는 방법을 제공하는 것을 일목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 금속이온, 고분자 및 용매를 포함하는 코팅용액을 준비하는 단계, 상기 코팅용액을 기판 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 단계, 상기 코팅층 상에 마스크 패턴을 위치시킨 후, 상기 마스크 패턴 사이로 자외선(UV)을 조사하여 상기 자외선이 조사된 코팅층 영역의 금속이온을 금속나노입자로 환원시켜 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계 및 상기 금속 촉매 패턴을 도금시켜 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 금속 배선 형성방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속이온은 은이온, 팔라듐이온, 코발트이온, 니켈이온, 금이온 및 구리이온 중 선택되는 1종 이상의 금속이온인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고분자는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl metacrylate), 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene), 폴리비닐 아세테이트(poly(vinyl acetate)) 및 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 중 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고분자는 상기 코팅용액 내에 5 wt% 내지 22 wt% 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 용매는 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF), 디클로로메탄(dichloromethane), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 포믹 애시드(formic acid), 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol) 및 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide) 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코팅용액에 금속나노입자 응집 방해제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코팅용액을 기판 상에 도포하는 방법은 스핀 코팅(spin-coating)을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스핀 코팅(spin-coating)은 300 rpm 내지 2500 rpm 속도로 10 초 내지 120 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코팅층에 조사되는 자외선(UV)은 파장이 200 nm 내지 400 nm 자외선(UV)인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코팅층에 자외선(UV)을 조사할 때, 조사시간은 1 분 내지 2 시간인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계 및 상기 금속 배선을 형성하는 단계 사이에 상기 자외선(UV)이 조사되지 않은 코팅층 영역을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도금은 무전해 도금법에 의하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도금을 하는 경우 도금 금속은 구리, 니켈, 크롬, 아연, 주석 및 알루미늄 중 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 금속 배선 형성방법에 따라 제조된 금속 배선을 제공한다.

본 발명의 일 효과로서, 금속이온 및 고분자를 포함하는 코팅용액으로 촉매를 제조할 때, 열처리가 아닌 자외선(UV)을 조사하는 과정을 통해 금속이온이 환원에 의해 금속나노입자로 변형되기 때문에, 열적 변형에 대한 문제없이 균일한 촉매의 분산이 가능하다.

또한, 촉매 제조 시 마스크 패턴을 활용하면, 원하는 영역에만 촉매 분산이 가능한 금속 촉매 패턴을 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 효과로서, 금속나노입자를 포함하는 금속 촉매 패턴에 무전해 도금법을 이용하여 금속을 도금하여 금속 배선을 형성할 수 있다.

또한, 균일하게 분산되지 않은 금속 촉매 패턴을 사용하는 경우, 상기 금속 촉매 패턴의 구성 물질인 금속나노입자 간의 접촉수가 증가하게 되면서 금속을 도금할 때에도 도금하기 위한 금속의 양이 많이 드는 반면, 자외선으로 금속 촉매 패턴을 형성한 후 금속 배선을 형성할 때 사용되는 도금용 금속 사용을 절감하여 공정 운영시간적 측면 및 비용적 측면에서 경제적으로 공정을 운영할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 배선 형성방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 배선을 형성하는 과정을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 배선을 형성하는 과정에서 그 단면을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 금속 배선의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자외선(UV) 조사 시간에 따른 금속 배선의 XPS 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자외선(UV) 조사 시간에 따른 금속 배선에서 은 원소의 XPS 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하, 첨부된 도 1을 참조하여 금속 배선 형성방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 배선 형성방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 금속 배선 형성방법은 금속이온, 고분자 및 용매를 포함하는 코팅용액을 준비하는 단계(S100), 상기 코팅용액을 기판 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 단계(S200), 상기 코팅층 상에 마스크 패턴을 위치시킨 후, 상기 마스크 패턴 사이로 자외선(UV)을 조사하여 상기 자외선이 조사된 코팅층 영역의 금속이온을 금속나노입자로 환원시켜 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계(S300) 및 상기 금속 촉매 패턴을 도금시켜 금속 배선을 형성하는 단계(S400)를 포함한다. 이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.

보다 도식적으로 각 단계를 살펴보면, 도 2는 금속 배선을 형성하는 과정을 간단하게 나타낸 모식도로, 기판(10)을 준비하고(도 2(A)), 상기 기판(10) 상에 스핀 코팅으로 코팅층(20)을 형성하며(도 2(B)), 상기 코팅층(20) 상에 마스크 패턴(30)을 위치시킨 후 상기 마스크 패턴(30) 사이로 자외선(40)을 조사하여 금속이온을 금속나노입자로 환원시켜 금속 촉매 패턴(50)을 형성하고(도 2(C)), 상기 금속 촉매 패턴(50)을 도금시켜 금속 배선(60)을 형성하는 과정(도 2(D))에 대해 나타낸다.

도 3의 경우, 모식도 도 2에 대응되는 각 단계에 따라 진행경과를 나타낸 모식도이나, 구체적으로 그 단면을 나타낸 것이다. 더욱 상세하게는 도 2(A)의 기판(10)이 준비되는 단계에서의 단면(도 3(A)), 도 2(B)의 상기 기판(10) 상에 금속이온 및 고분자가 포함된 코팅용액을 코팅하여 코팅층(20)이 형성된 단계에서의 단면(도 3(B)), 도 2(C)의 상기 코팅층(20) 상에 마스크 패턴(30)을 위치시킨 후 상기 마스크 패턴(30) 사이로 자외선(40)을 조사하여 금속이온을 금속나노입자로 환원시켜 금속 촉매 패턴(50)이 형성된 단계에서의 단면(도 3(C)) 및 도 2(D)의 상기 금속 촉매 패턴(50)을 도금시켜 금속 배선(60)이 형성된 단계에서의 단면(도 3(D))을 나타낸다.

먼저, 금속이온, 고분자 및 용매를 포함하는 코팅용액을 준비하는 단계(S100)에 있어서, 상기 금속이온 및 고분자는 용매에 첨가되어 코팅용액으로 제조되며, 상기 금속이온은 추후 단계인 S300 단계에서 금속 촉매로 환원시키기 위한 전구체로 볼 수 있다. 이때, 금속이온을 준비하기 위해서는, 금속이온이 자연적으로 존재하는 것은 아닌바, 사용되는 용매에 용해될 수 있는 염형태로 준비하는 것이 바람직하고, 상기 금속이온은 은이온, 팔라듐이온, 코발트이온, 니켈이온, 금이온 및 구리이온 중 선택되는 1종 이상의 금속이온일 수 있다.

그 구체적 예시로서, 상기 금속이온이 은이온인 경우, 질산은(AgNO₃) 또는 과산화은(Ag₂O₂, Ag₂O₃)을 용매에 용해하여 코팅용액을 생성할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 용매에 용해되면 금속이온 상태로 존재할 수 있는 염상태의 물질이면 어떤 것이든 적용될 수 있다.

상기 고분자의 경우, 추후 단계인 S200 단계에서 코팅층을 형성하기 위한 용도로 사용되는 물질로서, 보다 구체적인 예시로서, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl metacrylate), 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene), 폴리비닐 아세테이트(poly(vinyl acetate)) 및 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 중 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지는 않고 코팅층 형성 용도로 사용될 수 있는 고분자의 경우 종류와 무관하게 모두 사용될 수 있다.

하기 S200 단계에서 진행되는 코팅층 형성 공정에 영향을 주는 요인으로서 상기 고분자의 종류도 영향을 받으나, 고분자의 함량 또한 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 고분자는 코팅용액의 전체 질량 대비 5 wt% 내지 22 wt%가 포함되어 있을 수 있다. 고분자의 질량비가 5 wt% 미만인 경우에는, 코팅층을 형성하기 위한 코팅용액으로 사용되기에 농도가 상대적으로 묽고, 점성이 낮아 코팅하고자 하는 기판 상에 고른 코팅층이 형성되지 않을 수 있다. 반면, 고분자의 질량비가 22 wt%를 초과하는 경우, 점성이 높아 균일한 코팅이 어려운 문제가 있어 상기 고분자의 질량비는 5 wt% 내지 22 wt%인 것이 바람직하다.

상기 코팅용액에 있어서, 금속이온 및 고분자 이외에도, 용매로서 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF), 디클로로메탄(dichloromethane), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 포믹 애시드(formic acid), 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol) 및 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 더 첨가할 수 있다. 첨가되는 물질들은 상기 나열된 물질에 한정되지는 않고, 상기 고분자를 용해시킬 수 있는 분산제인 경우, 종류와 무관하게 어떤 화합물이든 첨가할 수 있다. 특히, DMF의 경우, 대표적인 극성 유기용매이며, 고분자를 분산 및 용해하는 용매로서 사용될 수 있다.

그 다음으로는, 상기 코팅용액을 기판 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 단계(S200)에 있어서, 상기 코팅용액을 기판 상에 도포하는 방법은 스핀 코팅(spin-coating)을 이용할 수 있다. 상기 스핀 코팅이란, 코팅할 물질의 용액 또는 액체 물질을 기판 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법으로서, 전자 제품 소자의 제조에 일반적으로 많이 사용되는 코팅법이다. 상기 스핀 코팅에 의해 제조되는 코팅층의 두께는 스핀 코팅의 공정 조건에 따라 좌우될 수 있는데, 상기 코팅층의 두께를 결정하는 요인으로서, 코팅용액의 농도, 고분자의 몰 질량, 점도, 스핀 코팅 속도, 스핀 코팅 시간 등 다양한 요인에 의하여 조절될 수 있다. 다만 상기 언급하였던 요인에 의해서만 상기 코팅층의 두께가 결정되는 것은 아니고, 스핀 코팅과 관련된 모든 요인 및 경화 공정에서 발생될 수 있는 추가적 요인에 의하여 상기 코팅층의 두께가 결정될 수 있다.

상기 스핀 코팅으로 코팅층을 형성함에 있어서, 상기 스핀 코팅은 300 rpm 내지 2500 rpm 속도로 10 초 내지 120 초 동안 수행될 수 있다. 스핀 코팅의 속도가 300 rpm 미만이거나 120초 초과일 경우에는 기판 상에 도포되는 코팅용액의 양이 불균일할 수 있으며, 스핀 코팅의 속도가 2500 rpm 초과이거나 10초 미만일 경우에는 금속 배선을 형성할 수 있을 정도의 충분한 두께가 형성되지 않을 수 있어, 상기 스핀 코팅 시 속도는 300 rpm 내지 2500 rpm으로 조절되고, 10 초 내지 120 초 동안 수행되는 것이 바람직하다.

상기 코팅용액을 기판 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 단계(S200) 이후에, 용매를 제거하기 위한 소성 단계가 더 추가될 수 있으며, 상기 용매는 최종적으로 제조되는 금속 배선의 전기전도도를 저하시킬 수 있는 불순물로 작용될 수 있기 때문에 제거하는 것이 바람직하다. 상기 용매를 제거하는 과정은 50 ℃ 내지 80 ℃ 에서 5 분 내지 1 시간 동안 수행될 수 있다. 용매가 제거되는 온도가 50 ℃ 미만이거나 용매가 제거되는 시간이 5 분 미만일 경우에는 용매가 충분히 제거되기 어려운 수준의 조건으로, 잔여 용매가 추후 불순물로 작용할 수 있어 바람직하지 않으며, 용매가 제거되는 온도가 80 ℃ 초과이거나 용매가 제거되는 시간이 1 시간을 초과할 경우에는 코팅층의 열적 변형으로 인해 추후 금속 배선의 변형이 생길 수 있어 바람직하지 않다.

그 다음으로, 상기 마스크 패턴 사이로 자외선을 조사하여 상기 자외선이 조사된 코팅층 영역의 금속이온을 금속나노입자로 환원시켜 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계(S300)는, 자외선의 조사에 의한 금속이온이 환원반응 및 고분자 일부를 제거하는 반응이 동시에 진행될 수 있다. 상기 금속이온을 금속 촉매 패턴으로 변환하는 환원반응은, 마스크 패턴이 위치되지 않은 상기 금속이온이 자외선을 흡수하여 환원반응이 일어나면서 용매에 용해되어 있던 금속이온이 금속나노입자로 환원되고, 용매에 용해되어 있던 고분자는 광산화반응으로 산화되는 반응이다. 그 구체적 예시로서, 금속이온이 은이온(Ag⁺)인 경우, 은(Ag⁰) 나노입자로 환원되고, 고분자는 광산화될 수 있다. 상기 금속이온이 환원되어 금속 촉매 패턴이 형성되는 경우, 그 순간부터 환원된 금속나노입자는 응집을 시작한다. 상기 단계에서도 자외선을 조사함에 따라 금속이온은 금속나노입자로 환원되고, 금속나노입자 간의 응집이 발생할 수 있다. 특히 은이온을 사용하는 경우, 응집현상이 발생할 수 있다.

이때, 금속나노입자 간의 응집으로 인하여 금속나노입자끼리만 응집하여 뭉쳐짐에 따라 불균일한 금속 촉매 패턴이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 코팅용액에 응집 방해제를 더 첨가할 수 있다. 예를 들어, 상기 응집 방해제로서는 폴리비닐피롤리돈(PolyVinyl Pyrrolidone, PVP)을 더 첨가할 수 있다. PVP를 첨가하는 경우, 금속이온은 PVP 분자의 카르보닐기 산소원자에 있는 비공유전자쌍과 상호작용하여 안정한 PVP/금속 복합체를 형성할 수 있어, 금속이온이 빠르게 응집되는 것을 방지할 수 있다. 다만, 금속이온의 환원반응의 응집 방해제는 PVP에 한정되지는 않고, 금속나노입자가 응집되는 속도를 늦춰주거나, 응집을 방지하는 물질인 경우 종류와 무관하게 어느 화학물질이든 사용될 수 있다.

상기 코팅층에 조사되는 자외선의 파장은 200 nm 내지 400 nm일 수 있다. 자외선은 가시광선의 보라색보다 파장이 짧은 광선으로 약어로는 UV(Ultraviolet rays)이며, 파장이 긴 자외선 A(320 nm 내지 400 nm), 파장이 중간 길이인 자외선 B(280 nm 내지 300 nm), 파장이 짧은 자외선 C(100 nm 내지 280 nm)로 나뉜다. 상기 코팅층에 조사되는 자외선은 금속이온을 금속나노입자로 환원시킬 수 있고, 그와 동시에 상기 고분자의 일부를 제거할 수 있어야 하는 바, 상기 파장 범위 내의 자외선을 조사하는 것이 바람직하다.

상기 자외선을 조사하는 경우, 단순히 화학적 방법을 이용하여 금속이온을 환원시키는 경우와 달리 고분자의 일부를 제거할 수 있는데, 상기 고분자의 일부가 제거됨에 따라, 금속 배선의 전기전도도가 저하될 수 있는 원인을 제거시켜, 금속 배선의 전기전도도가 저하되지 않는 효과가 발생할 수 있다.

상기 나노와이어에 자외선을 조사할 때, 자외선의 조사시간은 1 분 내지 2 시간일 수 있다. 다만, 조사되는 자외선의 세기에 따라, 자외선의 조사시간은 달라질 수 있는 점에서, 자외선의 조사시간은 상기 범위로 한정되지는 않는다. 다만, 자외선을 파장이 200 nm 내지 300 nm 범위의 자외선으로 하여 조사하는 경우, 자외선의 조사시간이 1 분 미만이면, 상기 코팅층의 금속이온은 금속나노입자로 대부분 환원되지 못함은 물론, 상기 고분자도 거의 제거되지 않아 이후 단계에서 금속 배선을 형성할 수 없고, 자외선의 조사시간이 2 시간을 초과하면, 자외선에 의하여 환원반응이 다 일어난 이후에도 자외선이 계속 조사되어 금속 촉매 패턴이 손상될 수 있음은 물론, 고분자 전부가 제거되어, 금속 촉매가 기판에서 떨어지는 문제점이 발생할 수 있는바, 특정 파장대의 자외선 영역에서는 상기 범위 내에서 자외선을 조사하는 것이 바람직하다.

상기 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계(S300) 및 추후 단계(S400) 사이에 상기 자외선이 조사되지 않은 코팅층 영역을 제거하는 단계를 더 추가할 수 있다. 상기 금속 촉매 패턴이 위치된 기판 상에는 금속 촉매 패턴이 형성되지 않은 영역이 존재하는데, 상기 영역은 금속 촉매 패턴이 추후 단계에서 금속 배선으로 형성될 때 금속 배선의 전기전도도에 영향을 끼치지는 않지만, 금속 촉매 패턴만 남겨두기 위해서 상기 영역을 제거할 수 있다.

상기 금속 촉매 패턴을 도금시켜 금속 배선을 형성하는 단계(S400)에 있어서, 상기 금속 배선은 금속이온이 금속 촉매로 환원되고, 고분자 일부가 제거된 후 그 표면 상에 도금이 될 수 있다.

특히 상기 도금 방법은 구속되지 않으나, 그 중에서도 일 예시로 무전해 도금방법을 사용할 수 있다. 상기 무전해 도금(electroless plating)이란, 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고, 금속염 수용액 중 금속이온을 환원제의 힘에 의해 자기 촉매적으로 환원시켜 피처리물의 표면 위에 금속을 석출시키는 방법으로 화학도금 또는 자기촉매도금이라고 한다. 이때, 금속 간 화학반응을 기초로 하여 도금반응이 일어나는 것이므로, 단순히 고분자로만 구성되어 있는 입자에는 무전해 도금을 수행할 수 없기 때문에, 환원된 금속나노입자가 촉매로 작용하여 도금 반응이 일어날 수 있다.

상기 도금을 하는 경우, 상기 도금 금속은 구리, 니켈, 크롬, 아연, 주석 및 알루미늄 중 선택되는 하나 이상의 금속일 수 있다. 다만, 일반적으로 비용과 전기전도도 간의 관계를 고려하여 효율을 따졌을 때 구리를 사용하는 것이 일반적이다.

이하, 금속 배선 형성방법에 따라 제조된 금속 배선에 대하여 설명한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형성방법에 따라 제조된 금속 배선을 제공할 수 있다. 상기 금속 배선은 무전해 도금의 시간, 무전해 도금 온도 등의 조건들을 조절하면 PCB, IC 칩 등의 금속 배선이 사용되는 분야에 맞추어 제조가 가능하기 때문에, 금속 배선이 사용되는 모든 분야에 상기 금속 배선이 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 제조예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 제조예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.

[제조예 1]

금속 배선 제조

폴리비닐 부티랄(PolyVinyl Butyral, PVB) 5 wt%와 질산은(AgNO₃) 2 wt% 및 DMF용매를 혼합하여 코팅용액을 준비하고, 1000 rpm으로 60 초 동안 스핀 코팅하여 코팅층을 형성하였다. 상기 코팅층 상에 마스크 패턴을 위치시킨 후, 상기 마스크 패턴 사이로 파장이 254 nm인 자외선을 1 분 동안 조사하여 금속 촉매 패턴을 형성하였다. 상기 금속 촉매 패턴을 무전해 구리도금하여 금속 배선을 제조하였다.

[제조예 2]

금속 배선 제조

상기 제조예 1에서 자외선을 2 분 동안 조사한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 금속 배선을 제조하였다.

[제조예 3]

금속 배선 제조

상기 제조예 1에서 자외선을 5 분 동안 조사한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 금속 배선을 제조하였다.

[제조예 4]

금속 배선 제조

상기 제조예 1에서 자외선을 10 분 동안 조사한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 금속 배선을 제조하였다.

[제조예 5]

금속 배선 제조

상기 제조예 1에서 자외선을 20 분 동안 조사한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 금속 배선을 제조하였다.

[제조예 6]

금속 배선 제조

상기 제조예 1에서 자외선을 30 분 동안 조사한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 금속 배선을 제조하였다.

[비교예 1]

금속 배선 제조

상기 제조예 1에서 자외선을 조사하는 과정을 제외하고는 동일하게 수행하여 금속 배선을 제조하였다.

[실험예 1]

패터닝된 금속 배선 형상 분석

패터닝된 금속 배선의 형상을 확인하기 위해, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하였다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 금속 배선의 SEM 이미지로서, 도 4를 참조하면, 격자 무늬의 마스크 패턴을 이용하여 금속 촉매 패턴을 형성하고, 무전해 도금을 이용하여 금속 배선을 제조하였을 때, 두께가 150 μm이고, 높이가 100 nm인 격자 무늬의 금속 배선이 형성된 것을 확인하였다.

[실험예 2]

자외선 조사 시간에 따른 금속 배선 성분 분석

자외선 조사 시간에 따른 금속 배선의 성분을 분석하기 위해 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 이용하여 성분 분석을 실시하였다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자외선(UV) 조사 시간에 따른 금속 배선의 XPS 그래프로서, 비교예 1(UV 0min), 제조예 1(UV 1min), 제조예 3(UV 5min), 제조예 4(UV 10min), 제조예 5(UV 20min) 및 제조예 6(UV 20min)에 대하여 나타내고 있다. 도 5를 참조하면, 비교예 1의 경우 탄소 및 산소의 피크(peak)의 크기가 크고 상대적으로 은의 피크(peak)의 크기는 작지만, 자외선의 조사 시간이 길어질수록 산소 및 은의 피크(peak)의 크기가 커지며, 탄소의 피크(peak)의 크기는 작아지는 것을 확인하였다. 이러한 결과는, 자외선이 은이온 및 고분자를 포함하는 코팅층에 조사되면, 고분자가 광산화되면서 산소의 함량이 증가하고, 은이온은 고분자에서 광산화되면서 발생하는 전자를 받아 은나노입자로 환원되어, 은나노입자의 함량이 증가하면서 피크(peak)의 변화가 관찰되는 것으로 판단할 수 있다. 상기 비교예 및 상기 제조예들에 대한 보다 더 구체적인 원소 함량은 하기 표 1에 도시하였다.

[표 1]

보다 더 확실하게 은이온이 자외선에 의해 은나노입자로 환원된 것을 확인하기 위해 자외선(UV) 조사 시간에 따른 금속 배선에서 XPS 분석을 실시하였고, 은 원소의 피크(peak)가 나타나는 결합 에너지(binding energy) 부분을 확대하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다. 도 6을 참조하면, 비교예 1의 경우 은 원소의 피크(peak)가 은이온(Ag⁺)의 결합 에너지에 해당하는 368.8 eV 영역에 위치하지만, 자외선의 조사가 진행될수록 은 원소의 피크(peak)가 은(Ag⁰)의 결합 에너지에 해당하는 368.3 eV 영역으로 이동되는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 제조예 및 실험예에 따르면, 은이온 및 고분자를 포함하는 코팅층 상에 마스크 패턴을 위치시켜 자외선을 조사하면 고분자가 광산화되고, 상기 광산화에 의해 발생되는 전자로 인해 은이온이 은나노입자로 환원되며, 상기 은나노입자는 금속 배선을 제조하기 위한 촉매로 사용될 수 있어, 금속 배선을 제조하는데 도금용 금속 사용을 절감하여 공정 운영시간적 측면 및 비용적 측면에서 효과적인 것으로 판단할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 기판
20 : 코팅층
30 : 마스크 패턴
40 : 자외선
50 : 금속 촉매 패턴
60 : 금속 배선

Claims (14)

1. 금속이온, 고분자 및 용매를 포함하는 코팅용액을 준비하는 단계;
   상기 코팅용액을 기판 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 단계;
   상기 코팅층 상에 마스크 패턴을 위치시킨 후, 상기 마스크 패턴 사이로 자외선(UV)을 조사하여 상기 자외선이 조사된 코팅층 영역의 금속이온을 금속나노입자로 환원시켜 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계; 및
   상기 금속 촉매 패턴을 도금시켜 금속 배선을 형성하는 단계;를 포함하고,
   상기 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계는 상기 자외선을 조사하여 상기 자외선이 조사된 코팅층 영역의 고분자가 광산화되고, 상기 광산화에 의해 발생되는 전자로 인해 상기 금속이온이 금속나노입자로 환원되는 것을 특징으로 하고,
   상기 코팅용액에 금속나노입자 응집 방해제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하고,
   상기 코팅층에 조사되는 자외선(UV)은 파장이 200 nm 내지 400 nm 자외선(UV)인 것을 특징으로 하고, 상기 코팅층에 자외선(UV)을 조사할 때, 조사시간은 1 분 내지 2 시간인 것을 특징으로 하고,
   상기 고분자는 상기 코팅용액 내에 5 wt% 내지 22 wt% 포함되어 있는 것을 특징으로 하고,
   상기 고분자는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl metacrylate), 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene), 폴리비닐 아세테이트(poly(vinyl acetate)) 및 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 중 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 금속 촉매 패턴을 형성하는 단계 및 상기 금속 배선을 형성하는 단계 사이에 상기 자외선(UV)이 조사되지 않은 코팅층 영역을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 금속이온은 은이온, 팔라듐이온, 코발트이온, 니켈이온, 금이온 및 구리이온 중 선택되는 1종 이상의 금속이온인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 용매는 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF), 디클로로메탄(dichloromethane), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 포믹 애시드(formic acid), 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol) 및 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide) 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 코팅용액을 기판 상에 도포하는 방법은 스핀 코팅(spin-coating)을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 스핀 코팅(spin-coating)은 300 rpm 내지 2500 rpm 속도로 10 초 내지 120 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 1항에 있어서,
    상기 도금은 무전해 도금법에 의하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
    
13. 제 1항에 있어서,
    상기 도금을 하는 경우 도금 금속은 구리, 니켈, 크롬, 아연, 주석 및 알루미늄 중 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성방법.
    
14. 제 1항의 금속 배선 형성방법에 따라 제조된 금속 배선.

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