일본의 국립대학법인 사이타마 대학 대학원 이공학 연구과 물리적 기능 계열 전공의 연구진은 많은 전자 장치의 제조 공정에 사용되는 레지스트 막의 도포 속도의 고속화, 두께의 균일성에 대응하기 위해, 광학에서 막 두께의 대면적, 일괄 고속 측정 기술을 확립하고 이를 통합한 정전기 코팅 장비 및 실시간 제어 시스템을 개발했다. 본 개발은 NEDO의 혁신 실용화 벤처 지원 사업의 지원을 받아 주식회사 아이테오와 공동으로 실시되었다.
개발된 도포 장치는 높은 처리량이 요구되는 도포 프로세스에 적용 가능한 고속 실시간 두께 측정 기술과 그 막 두께 정보를 정전 도포 장치에 피드백하여 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 요소 기술로서 "고휘도 평행 선광원", "두께 측정 카메라" 및 "이들을 제어하는 시스템"을 구축하여 수십 마이크로 미터 오더의 레지스트 막을 선 모양 (40mm 폭)으로 일괄적으로 평가할 수 있는 장치를 개발했다. 측정한 두께 정보를 실시간으로 피드백하여 막 형성 속도를 제어할 수 있는 정전 도포 장치를 실현했다. 이 연구 성과는 2014 년 9월 11~12일에 실시하는 혁신 재팬2014에서 전시될 예정이다.
[연구의 배경]
도포법은 높은 처리량, 대면적에 도포가 가능하기 때문에, 저비용의 막 생성 기술로서 기대되고 있다. 도포법에는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄, 잉크젯 법 등 다양한 기술이 있지만 이번에 이용한 정전 도포법은 "고점성·저희석 농도 재료의 도색 가능", "도포 재료의 낭비가 없는 저비용", "입체 구조에 평활한 도포 가능", "수십μm 이상의 후막화 가능" 등 다른 도포 기술에는 없는 특징을 가지고 있다. 그래서, 기존 도포법에서는 지금까지 실현할 수 없었던 재료까지 적용 범위를 확대할 수 있다. 그 일례로 마이크로 머신의 제조 과정에 이용되는 레지스트 후막의 고정밀 성막이 가능한 정전 도포 장치의 개발이 요구되고 있었다. 또한, 이외의 용도에서도 형성하는 박막에는 핀홀이 없고, 막 두께의 균일성이 뛰어난 것이 요구되고 있다.
막 두께의 측정은 일반적으로는 촉침식과 광학식 등 두 가지 방법이 이용되고 있지만, 전자는 막을 훼손시키기 때문에 코팅 장치에 내장 막 두께 측정 장치로는 광학식 기법을 적용해야 한다. 그러나, 도포법처럼 고속 성막 기술에 따라 가능한 고속의 광학식 막 두께 측정 장치의 실현은 곤란했다.
[연구 내용과 성과]
앞서 서술한 과제를 해결하기 위해 다음의 (1), (3)의 요소 기술 개발을 추진하고 막 두께의 균일성이 뛰어난 도포가 가능한 고도화된 정전 도포 장치를 개발했다.
(1) 정전 도포법 등의 도포 프로세스에 적용 가능한 고속이면서 폭넓은 영역의 일괄 막 두께 측정이 가능한 고휘도 평행 광원의 실현
상용 콜리메이터 렌즈(collimator lens)에서도 평행 조명을 실현할 수 있지만, 조명 스팟이 원형이기 때문에 광량의 손실로 이어진다. 또한, 넓은 면적의 막 두께를 일괄적으로 측정하기 위해서는 광범위하고 고강도의 평행 조명을 실현할 필요가 있다. 거기에서 조명 광학계의 개량을 실시해, 그림 1과 같은 평행선 조명을 실현했다. 이 조사 영역의 사이즈는 50mm(길이)×10mm(너비)이며, 긴 축을 따라 균일한 광 강도를 보였다(그림 2).
(2) 40mm 폭을 일괄적으로 측정 가능한 2차원 분광기를 이용한 막 두께 측정 카메라
전술한 고휘도 평행선 광원과 2차원(위치*파장) 분광기를 이용한 막 두께 측정 카메라를 개발했다. 막 두께 측정에는 박막에 고휘도 평행선 광원을 조사했을 때의 반사 스텍트럼을 분석해야 한다. 박막 내부에서의 다중 반사에 의해 막 두께와 파장에 의존한 반사광 강도를 나타낸다. 일반적인 방법에서는 측정 점 한 곳마다 막 두께를 계산하므로 계산 방법(고속 푸리에 변환법)에서는 엄청난 시간이 필요해 도포 프로세스에 적용하는 것은 곤란하다. 이 기술은 40mm 폭의 영역에 대해 일괄적으로 막 두께를 계산하는 방식을 채용했다. 여기에서, 주식회사 아이테오에서 자체 개발한 알고리즘(계산 시간의 짧은 레퍼런스 프리 기법)을 이용하여 고속 데이터 처리가 가능하다.
(3) 도포 프로세스 중에 실시간으로 막 두께를 측정하여 그 정보를 도포 조건에 피드백할 수 있는 온라인 막 두께 제어 시스템
전술한 정전 도포법은 몇 kV라는 높은 전압에서 용액 이외의 이온화된 용액을 스프레이 형태로 분사하여 박막을 형성하는 방법이다. 일반적으로 마이크로 머신용으로 사용되는 4인치나 6인치 Si 기판 전면에 걸쳐 면적이 큰 기판에서 도포막의 평탄도를 균일하게 하기 위해서는, 성막 과정에서 레지스트 도포량의 제어가 필요하다. 정전 도포법에서의 레지스트 용액의 공급은 주사기 펌프를 사용하고 있으며, 주사기 펌프의 구동 속도로 공급되는 레지스트량을 조정할 수 있다. 여기에서 막 두께 측정 카메라로부터 얻은 측정 결과를 피드백하여 스테이지 구동 속도를 컴퓨터 제어함으로써, 다양한 파라미터 설정 기능을 가진 제어 소프트웨어를 개발했다.
시제작한 정전 도포 장치를 그림 3에 나타낸다. 본 장치에서는 레지스트 막 두께가 얇은 영역에서는 주사기 펌프의 공급 속도를 빠르게 함으로써 후막화할 수 있는 기능을 개발했다. 그림 4에 도포량을 조절하지 않은 경우의 레지스트 도포막의 외관 사진을 나타낸다. 실시간으로 측정된 막 두께에 따라 도포량을 제어할 경우, 균일한 레지스트 막을 형성할 수 있음을 확인했다(그림 5). 또한, 4인치 실리콘 기판에 도포한 레지스트 막(그림 6, 막 두께:약 20μm)에서는+5.2%/-5.6%의 막 두께 분포를 얻었다.
[향후 기대]
이번에 개발한 막 두께 측정기는 기존 기술에서는 실현이 곤란했던 도포 프로세스 중에 실시간 측정할 수 있는 수준의 고속화를 실현했다. 따라서, 많은 도포 기술에 전개 가능하다. 또한, 정전 도포법은 기존 기법에서는 막 생성에 기여하지 못한 재료에 대한 전개가 가능하며 이 둘을 조합함으로써 새로운 분야를 개척할 수 있다.
[논문 정보]
2014년 9월 11일부터 12일에 실시하는 이노베이션 재팬 2014에서 전시 예정
[용어 해설]
1) 정전 도포 장치
수kV의 고압을 인가하고 박막을 도포하는 장치. 이 장치에서는 레지스트 재료처럼 높은 점성 재료의 도색이 가능하며, 마이크로 머신의 제조에 이용되는 수십μm 정도의 후막 성막이 가능하다.
2) 광학식 막 두께 측정기
빛의 간섭을 이용한 막 두께 측정 장치. 여기서는 백색광에 포함된 각 파장 성분에 따라 얻는 다른 간섭 파형으로 막 두께를 정확하게 구하는 것이 가능하다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』