고분자공학실험 | ITO Pattering 공정

 

 

 

TIP

 

 

1. OLED / PLED / OTFT / OPV device의 투명전극으로 사용되는 ITO를 원하는 pattern으로 식각하는 법을 습득한다.
2. Photo lithorgraphy에 사용하는 각 공정의 원리와 공정 시 주의점을 습득한다. 

 

 

 

Lift off 공정

Lift-off공정이란 반도체 공정중 Etching(식각) 공정중에 일반적인 etching을 사용하지 않고 패터닝(patterning)하는 경우가 있는데, 대표적으로 이에 속하는 방법이다. film deposition 이전에 PR 패터닝을 하고 그 위에 film deposition을 한 후 PR을 제거함으로서 패턴을 형성시키는 방법을 말한다. PR을 용제(solvent)에 녹이는 과정에서 PR 위에 deposition된 필름은 제거되고 기판 위에 deposition된 필름만이 남게 되는 것이다. 이 방식은 기판위에 PR 패터닝한 후 또 다른 박막을 그 위에 코팅한다. 그리고 PR을 쉽게 제거 즉 lift-off시키면 기판위에는 PR 패턴과는 정반대의 다른 박막의 패턴이 형성된다.

 

 

 

Lithography 공정

Photolithography 공정은 어떤 특정한 화학약품(Photo resist)이 빛을 받으면 화학반응을 일으켜서 성질이 변화하는 원리를 이용하여, 얻고자 하는 pattern의 mask를 사용하여 빛을 선택적으로 PR에 조사함으로써 mask의 pattern과 동일한 pattern을 형성시키는 공정이다.

 

 

각각의 원리에 대해 좀 더 자세히 알아보면 다음과 같다.

 

1. 감광막 [Photo Resist]

PR은 빛이나 방사, 열 등 여러 형태의 에너지에 노출되었을 때 내부구조가 바뀌는 특성을 가진 혼합물이다. 반도체에 적용되는 PR의 구조 변화는 현상 가능에서 현상 불능 혹은 그 역으로 바꾸어진다. PR은 복사업계에서 쓰여 왔는데, 1920년에 인쇄회로기판업계에서 먼저 응용하기 시작했다. 반도체 산업은 1950년대에 웨이퍼공정에 이 기술을 적용시켰다. 반도체에 쓰이는 PR은 Eastman Kodak 회사에서 최초로 개발되었다. PR은 패턴 크기나 공정을 생각지 않고는 선택할 수 없다. 한 번 공정이 설정되었으면 PR을 바꿀 때는 충분한 테스트가 선행되어야 한다.

 

감광액(점착성의 유기용액)을 웨이퍼 기판 위에 필요한 양만큼 떨어트린 후 스피너(spinner)로 기판을 수천 rpm(revolutions per minute)의 속도로 회전시키면 기판 표면 위에 1μm 두께의 얇은 막이 균일하게 형성된다. Photoresist dispensing methods 이 막이 PR인데, 이 막은 빛에 노출되면 그 물리적 특성이 변화되는 성질을 이용하여 마스크 마스크 (Mask) 패턴을 실리콘 웨이퍼 위에 옮길 수 있는 것이다.

 

∴ Photoresist의 종류 및 특징

감광막은 음성형 감광막(negative PR)과 양성형 감광막(positive PR)으로 구분된다. 음성형 감광막은 현상액(developer) 용매에 빛이 쪼여진 부분이 용해되지 않고, 나머지 부분이 용해되는 성질을 갖고 있다. 양성형 감광막은 빛이 쪼여진 부분이 용해되고 나머지 부분이 용해되지 않는 성질을 갖는 것이다.

 

2. Spin-coater

스핀 코팅이란, 코팅을 시킬 피코팅물을 회전을 시키면서 그 회전판의 가운데 면에 고분자를 떨어뜨리면 피코팅물의 회전하는 원심력으로 인해 고분자가 표면 전체로 얇게 퍼져나가서 코팅되는 방법이다, 회전속도가 고속으로 돌아가고 있는 표면에 보다 균일하게 코팅하고, 작업의 속도를 증가시킬 수 있다.

 

스핀코팅기를 사용할 때는 물론 사용하는 액체의 점도가 적당히 있어야 된다. 순수한 물은 점도가 없어서 이러한 스핀코팅기에 사용할 수 없고, 끈적이는 액체가 가능하다. 물론 꿀이나 물엿 같은 정도의 점도를 가진 물질도 사용 할수 없다. 반도체 공정상에 많이 사용하며, 반도체는 기판이라는 크리스탈 위에 다른 물질을 스핀코팅해서 박막(아주 얇은 막)을 만들어서 소자를 만들기 때문에, 많은 반도체 업계에서 사용하고 있다. 일반적으로 스핀코팅법에 사용되는 스핀코팅기는 약 1000rpm에서 10000rpm 정도 사이를 사용하고 가변저항으로 회전수를 조절할 수 있으며, 중심에는 물체를 회전하는 동안 밖으로 이탈하지 못하도록 물체를 잡고 있는 진공튜브가 있다. 스핀코팅이 산업에서 사용하고 있는 예는, DVD CD의 기록 면에 스핀코팅법에 의해 막을 형성하여, 디스크 수차를 제거하여 고배속에서 안정적으로 회전할 수 있게 개발하였다. 디스플레이분야에서도 무반사 코팅기술로 스핀코팅이 사용된다. 스핀코팅방식은 작업의 속도가 빨라 대량 생산이 가능하다.

 

3. 현상 [development]

UV 노광을 통한 광화학 반응에 의한 분자구조가 변화된 PR을 유기용매를 이용해 용해 시키는 과정을 development(현상)라고 한다. 이 공정을 통해 용해되는 PR film은 PR의 type에 따라서 크게 positive와 negative PR 두 종류로 분류되는데 positive type일 경우 UV가 조사된 부분만이 현상액에 의해 용해되며 negative type일 경우 UV가 조사되지 않은 부분만이 용해된다. 이 공정에서 고려되어야 할 주요한 parameter에는 노광시간, 현상액 농도 및 온도, PR 두께, pre-bake온도 등이 있다. 현상이 끝나면 미미하게 남아있는 PR 내부의 PEGMEA 와 같은 solvent를 제거하고 세척 후 완전한 수분제거를 목적으로 후 열처리를 시켜줘야 하는데 (past-bake) 이러한 열처리를 통해 PR film이 강산 조건에서의 etching공정에 대해 충분한 저항성을 가지게 되며 glass 기판과 R과의 물리적 접착력도 향상된다.

 

4. 식각 [etching]

식각공정은 궁극적으로 기판 상에 미세회로를 형성하는 과정으로 현상공정을 통해 형성된 PR pattern과 동일한 metal(혹은 기타 deposition된 물질) pattern을 만든다. 식각 공정은 그 방식에 따라 크게 wet etching과 dry etching으로 구분하는데, wet etching이란 금속 등과 반응하여 부식시키는 산(acid)계열의 화학 약품을 이용하여 PR pattern이 없는 부분을 녹여 내는 것을 말하며, dry etching이란 이온을 가속시켜 노출 부위의 물질을 제가함으로서 pattern을 형성하는 것을 말한다.

 

또한, 각각의 etching방식은 선택적 etching과 비 선택적 etching 으로 나뉘는데 선택적 etching이란 여러 layer 중에서 다른 layer에는 영향을 주지 않고 표면의 layer에만 반응하여 식각하는 것을, 비선택적 etching은 기타 다른 layer와도 반응하여 여러 layer를 동시에 식각하는 것을 말한다. wet etching에서의 선택적 etching은 특정 물질에만 반응하도록 몇몇 화학약품을 조합하여 etchant를 만들어 사용함으로서 가능하며 dry etching의 경우 특정 물질에만 반응하는 반응선 gas를 주입함으로서 가능해진다. 특히 dry etching의 경우 이온 가속만을 이용하는 IBE(ion beam etching)와 sputtering과 같이 magnetron을 이용하는 sputtering etching 이 비선택적 etching이며, 이온 가속에 반응성 gas를 사용하는 RIE(reactive ion etching)은 선택적 etching이다.

 

5. stripping

ITO가 etching 되고 나면 patterning된 ITO위에 남아있는 PR을 제거해 주어야한다. 이 과정을 stripping이라 하며 stripping은 그 방법에 따라 batch 방식과 개별방식이 있는데 batch방식은 cassette에 담긴 기판 전체를 bath에 담가 PR을 제거하는 방식이다. 이 방법은 대형 size의 기판에는 장비의 크기가 너무 커지게 되는 문제가 있으므로 적용하기 어려운 점이 있다. 개별 방식은 낱장으로 glass를 처리 하는 방식이다. 일반적으로 유기 EL의 patterning 공저에서는 batch 방식을 사용하고 이때 stripper로는 고농도의 알칼리 용액을 사용한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) ITO 기판 Cleaning(전처리)

 

2) Spin coater위에 기판을 올려놓고 진공을 잡아 고정시킨 후, photo resister를 뿌려 전면에 고르게 코팅

 

3) PR coating 후 잔류 용매를 제거하고 기판과의 접착력을 높이기 위하야 soft baking(100℃, 10분) 실시

 

4) 원하는 pattern을 얻기 위해 제작한 photo-mask를 올려놓고 UV 노광

 

5) 노광된 PR을 제거하기 위해 developer에 기판을 담금

 

6) DI water(탈 이온수)로 세척하여 developer를 완전히 제거

 

7) 세척 후 Hot plate에서 hard baking(120℃, 10분)하여 pin hole 제거 및 기판과의 접착력을 높임

 

8) ITO etchant에 dipping하여 경과를 보면서 ITO를 식각

 

9) 식각된 부분 이외에 남아있는 PR을 제거하기 위하여 stripper에 dipping하여 제거

 

 

 

[고분자공학실험]ITO Pattering 공정 레포트