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문제 정의
- 본 연구에서는 고체 UV 레이저와 금속 마스크 (INVAR 소재)를 적용한 프로젝션 어블레이션을 이용하여 반도체 기판에 음각 도선 패턴을 가공하는 공정에 대한 실험적 연구를 수행한다. 고체 UV 레이저는 엑시머 레이저에 비해 가격이 낮고 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.
제안 방법
- INVAR 소재의 열변형을 최소화하기 위해 레이저 빔을 반복적으로 조사하였으며, 가공된 INVAR 마스크의 선폭은 하부 16μm, 상부 40μm로 측정되었다.
- 기초 실험을 위해 선형(straight line) 패턴을 갖는 마스크(fig. 3,4)와 적용 가능성 테스트를 위해 샘플 도선 패턴을 갖은 마스크(fig. 5)를 동일한 공정 조건으로 가공하였다. INVAR 소재의 열변형을 최소화하기 위해 레이저 빔을 반복적으로 조사하였으며, 가공된 INVAR 마스크의 선폭은 하부 16μm, 상부 40μm로 측정되었다.
- 레이저 빔은 1회 조사되었으며, 반도체 기판에 가공된 사각형 점 패턴의 치수는 마스크 패턴과 수직 방향으로는 16μm, 수평 방향으로 20μm로 측정되었다(fig. 6,7).
- 실험에서 레이저 빔은 레이저 스캐너(intelliScan 20, Scanlab)를 이용하여 래스터(raster) 방식으로 40mm × 40mm의 전체 영역에 조사하였다. 레이저 출력 안정성을 확보하기 위해 고체 UV 레이저 자체 출력은 고정하고 beam splitter와 ND 필터를 이용하여 출력을 미세 조정하였다.
- 레이저 출력, 펄스 반복률, 조사 속도를 변화시키면서 INVAR 마스크의 선폭과 동일한 선폭을 갖는 도선 패턴이 반도체 기판에 가공되는 조건을 도출하였으며, 이때 도선 패턴의 세장비(aspect ratio)는 반도체 기판 도선 패턴의 요구 조건에 따라 1이 되는 조건을 최적 조건으로 하였다.
- 샘플 도선패턴 마스크의 면적은 프로젝션 어블레이션에서 사용된 telecentric f-θ 렌즈의 조사면적과 동일하게 40mm × 40mm으로 가공하였다.
- 선형 패턴을 갖는 INVAR 마스크(fig. 3)를 사용하여 반도체 기판에 점, 선 패턴 가공 실험을 수행하여 프로젝션 비율(1:1)을 만족하는 가공 조건을 도출하였다. 실험에서 레이저 빔을 선형 패턴에 수직한 방향으로 조사하였다.
- 점, 선 패턴 가공 실험에서 도출한 가공 조건으로 샘플 도선 패턴 가공을 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 샘플 도선 패턴은 실제품의 일부분을 수정한 것이다. 샘플 도선 패턴의 면적은 40mm × 40mm로 레이저 빔 조사를 위해 설계 및 제작한 telecentric f-θ 렌즈의 조사 면적과 동일하다.
- 실험에서 레이저 빔은 레이저 스캐너(intelliScan 20, Scanlab)를 이용하여 래스터(raster) 방식으로 40mm × 40mm의 전체 영역에 조사하였다.
- 샘플 도선 패턴의 면적은 40mm × 40mm로 레이저 빔 조사를 위해 설계 및 제작한 telecentric f-θ 렌즈의 조사 면적과 동일하다. 실험에서 레이저 빔을 레스터(raster) 방식으로 조사하였으며, fig. 11에서 INVAR 마스크와 프로젝션 렌즈를 통과한 레이저 빔이 마스크 형상대로 반도체 기판 위에 조사되는 것을 볼 수 있다.
- 3)를 사용하여 반도체 기판에 점, 선 패턴 가공 실험을 수행하여 프로젝션 비율(1:1)을 만족하는 가공 조건을 도출하였다. 실험에서 레이저 빔을 선형 패턴에 수직한 방향으로 조사하였다.
- 점, 선 패턴 가공 실험에서 도출한 가공 조건으로 샘플 도선 패턴 가공을 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 샘플 도선 패턴은 실제품의 일부분을 수정한 것이다.
- 피코초 레이저로 가공한 INVAR 마스크와 고체 UV 레이저를 이용한 프로젝션 어블레이션 공정을 반도체 기판의 음각 도선 패턴 가공에 적용하여 선폭 15μm, 깊이 13μm을 갖는 샘플 도선 패턴을 가공하였다.
대상 데이터
- 레이저 빔을 집속하는 telecentric f-θ 렌즈의 사양은 초점거리 150mm, 초점 직경 25μm, 조사면적 40mm × 40mm 등이며, 프로젝션 렌즈의 비율은 1:1로 설계 및 제작되었다.
- 프로젝션 어블레이션에 사용된 금속 마스크는 내열강인 두께 30μm의 INVAR 소재를 피코초 레이저로 가공하였다.
성능/효과
- 가공된 선형 패턴의 치수를 측정한 결과 선폭은 16μm, 깊이는 15μm로 확인되었다(fig. 9,10).
- 따라서 INVAR 마스크를 사용한 프로젝션 어블레이션 공정에서 반도체 기판에 선폭 15μm이하, 세장비 ~1인 도선 패턴을 가공할 수 있으므로 기존의 에칭 기반 SAP를 대체할 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 실험에서 INVAR 마스크는 유리 기판 사이에 고정하였으며, 패턴이 조밀한 부분은 마스크가 유리기판에 밀착되지 않아 가공된 패턴의 선폭 오차가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 사용된 마스크는 내열강인 INVAR 소재이나, 도출된 가공 조건 하에서 가공 시 열축적(heat accumulation)이 발생하여 다수 사용 시 변형이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 일반적으로 사용되는 크롬(chromium) 박막 마스크에 비해 내열성이 매우 높으나, 여전히 신뢰성 있는 대체 마스크의 적용이 필수적이다.
- 실험에서 INVAR 마스크는 유리 기판 사이에 고정하였으며, 패턴이 조밀한 부분은 마스크가 유리기판에 밀착되지 않아 가공된 패턴의 선폭 오차가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 사용된 마스크는 내열강인 INVAR 소재이나, 도출된 가공 조건 하에서 가공 시 열축적(heat accumulation)이 발생하여 다수 사용 시 변형이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 측정 결과, 반도체 기판 위에 형성된 샘플 도선 패턴의 치수는 선폭 15μm이며, 깊이는 13μm로 확인되었다.
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