PCB Photo-lithography 공정에 사용되는 Photo-resist인 Dry Film에 대한 물의 확산 침투 현상평가 Evaluation of Water Absorption Phenomena into the Photo-resist Dry Film for PCB Photo-lithography Process원문보기
본 연구에서는 ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transfer Infrared)기법을 이용하여 PCB 회로형성에 사용하는 아크릴레이트 계열의 포토레지스트 드라이필름(Dry film)의 흡습 특성을 평가하였다. 또한 습도 변화에 따른 드라이필름의 파단면을 관찰하여 습도에 따라 고분자의 파단특성이 달라지는 것으로 확인하였으며, 정량적인 분석방법으로써 흡습에 따른 무게 변화 및 ATR-FTIR을 이용한 흡광도 변화를 통하여 확산계수를 계산하였다. 실험 결과 주변환경의 온도와 습도가 높아질수록 상온에서 취성과 연성의 중간 정도의 특성을 나타내던 드라이필름이 연성으로 전이되는 사실을 확인할 수 있었고, 온도와 습도가 낮을 경우엔 취성의 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 이를 통해 PCB 회로형성 공정의 온 습도 환경 조건을 항상 일정하게 유지해야 일정한 품질을 유지할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. 본 연구에서 사용된 흡습특성 평가법인 ATR-FTIR방법의 타당성을 확보하기 위해, 기존에 많이 사용하는 무게 변화법을 통한 고분자-물 확산계수와 ATR-FTIR을 이용한 값을 상호 비교하였다. ATR-FTIR을 이용한 방법은 무게변화법과 동일한 수준의 정확도를 가질 뿐만 아니라 흡습 및 탈습 과정에서 고분자 구조가 어떻게 변화하는지를 평가할 수 있어 가장 적합한 방법으로 판단된다.
본 연구에서는 ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transfer Infrared)기법을 이용하여 PCB 회로형성에 사용하는 아크릴레이트 계열의 포토레지스트 드라이필름(Dry film)의 흡습 특성을 평가하였다. 또한 습도 변화에 따른 드라이필름의 파단면을 관찰하여 습도에 따라 고분자의 파단특성이 달라지는 것으로 확인하였으며, 정량적인 분석방법으로써 흡습에 따른 무게 변화 및 ATR-FTIR을 이용한 흡광도 변화를 통하여 확산계수를 계산하였다. 실험 결과 주변환경의 온도와 습도가 높아질수록 상온에서 취성과 연성의 중간 정도의 특성을 나타내던 드라이필름이 연성으로 전이되는 사실을 확인할 수 있었고, 온도와 습도가 낮을 경우엔 취성의 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 이를 통해 PCB 회로형성 공정의 온 습도 환경 조건을 항상 일정하게 유지해야 일정한 품질을 유지할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. 본 연구에서 사용된 흡습특성 평가법인 ATR-FTIR방법의 타당성을 확보하기 위해, 기존에 많이 사용하는 무게 변화법을 통한 고분자-물 확산계수와 ATR-FTIR을 이용한 값을 상호 비교하였다. ATR-FTIR을 이용한 방법은 무게변화법과 동일한 수준의 정확도를 가질 뿐만 아니라 흡습 및 탈습 과정에서 고분자 구조가 어떻게 변화하는지를 평가할 수 있어 가장 적합한 방법으로 판단된다.
In this study, we have evaluated the water absorption phenomenon of photoresist dry film, which is commonly used to build circuits on PCB (Printed Circuit Board) by photolithography, by using ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared). We have firstly observed significant cha...
In this study, we have evaluated the water absorption phenomenon of photoresist dry film, which is commonly used to build circuits on PCB (Printed Circuit Board) by photolithography, by using ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared). We have firstly observed significant change in fracture mode of dry film with respect to temperature and humidity, which we assumed the material transition from ductile to brittle. Secondly, we have established the process of absorption test for determining the diffusion coefficients of water into the dry film both with gravimeter and ATR-FTIR. We have successfully calculated the diffusion coefficients for each environmental conditions from the results which we achieved by gravimeter and ATR-FTIR. Compared to the gravimeter which is a conventional method for absorption test, the ATR-FTIR method in this study has been found to be very easy to use and have the same accuracy as gravimeter. Moreover, we are expecting to use the ATR-FTIR as an appropriate method to study the absorption phenomena related to any kinds of solvent and polymer system.
In this study, we have evaluated the water absorption phenomenon of photoresist dry film, which is commonly used to build circuits on PCB (Printed Circuit Board) by photolithography, by using ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared). We have firstly observed significant change in fracture mode of dry film with respect to temperature and humidity, which we assumed the material transition from ductile to brittle. Secondly, we have established the process of absorption test for determining the diffusion coefficients of water into the dry film both with gravimeter and ATR-FTIR. We have successfully calculated the diffusion coefficients for each environmental conditions from the results which we achieved by gravimeter and ATR-FTIR. Compared to the gravimeter which is a conventional method for absorption test, the ATR-FTIR method in this study has been found to be very easy to use and have the same accuracy as gravimeter. Moreover, we are expecting to use the ATR-FTIR as an appropriate method to study the absorption phenomena related to any kinds of solvent and polymer system.
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문제 정의
고분자에 대한 용매의 확산 침투현상은 무게 변화 또는 흡광도 변화를 통해 관찰 가능하다. 본 연구에 사용된 ATR-FTIR방법의 타당성을 확보하기 위하여 기존에 많이 사용되는 무게 변화법과 상호 비교해 보았다. Figure 8에 나타낸 두 측정값의 상관관계를 보면, 무게변화 측정값과 흡광도의 측정값은 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 ATR-FTIR을 이용한 고분자 물질의 확산침투 평가 방법에 대해 제안하였다. 본 연구에서 제안한 방법을 이용하여, 당사포토리소그래피 공정에서 사용되는 드라이필름의 흡습 특성을 평가하였으며, 이를 통해 드라이필름이 물을 흡습하고 난 뒤에는 연성의 성질을 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었다.
이렇듯이 일반적으로 고분자 재료는 온⋅습도가 올라가면 자유 체적이 커지고 고분자 운동이 활발해지며, 외력에 의해 쉽게 변형되는 연성의 특성을 지닌다고 알려져 있다. 본 연구에서는 당사 PCB 제조공정에서 사용하는 고분자 재료의 흡습에 의한 물성변화를 확인하기 위하여, 회로 형성용 드라이필름을 대상으로 습도 변화에 따른 파단면 변화를 관찰하였다. 또한 정량적인 분석방법으로써 흡습에 의한 무게 변화 측정법 및 ATR-FTIR을 이용한 흡광도 변화를 통하여 물의 확산계수를 계산하였다.
물분자 흡습에 의한 드라이필름의 무게 변화는 온/습도 챔버가 갖춰진 무게 측정기(TA 社 Q5000SA)를 이용하였다. 본 장비의 원리는 재료의 초기 무게를 측정하고 일정한 온도, 습도 조건에 노출시키면서 시간에 따른 재료의 무게 변화를 측정하는 것이다. 온⋅습도 조절이 가능한 챔버를 함께 구비하고 있으며 무게 변화에 매우 민감하여 (무게 정확도 ± 0.
이는 실험 전의 드라이필름이 가지고 있는 초기수분을 증발시켜 드라이필름 고유의 흡⋅탈습 특성을 파악하고자 하는 것이다.
제안 방법
본 연구에서는 당사 PCB 제조공정에서 사용하는 고분자 재료의 흡습에 의한 물성변화를 확인하기 위하여, 회로 형성용 드라이필름을 대상으로 습도 변화에 따른 파단면 변화를 관찰하였다. 또한 정량적인 분석방법으로써 흡습에 의한 무게 변화 측정법 및 ATR-FTIR을 이용한 흡광도 변화를 통하여 물의 확산계수를 계산하였다.
따라서 Figure 3과 같이 ATR 결정 위에 드라이필름을 놓고 그 위에 함수물질(일정 시간 동안 물을 머금을 수 있는 물질)을 올려서 시간 변화에 따른 흡광도 변화량을 측정한다. 본 연구에서는 다이아몬드 ATR이 장착된 FT-IR (Varian FTS-3000)을 이용하여 흡광도 측정 모드로 측정하였다.
실제 흡습에 따른 고분자의 무게 변화를 측정하기 위해서, 먼저 드라이필름을 챔버에 넣어 80 ℃, 30 min간 탈습 후 지정된 온⋅습도로 유지하여 이에 따른 변화를 확인한다.
이러한 제품 판넬을 정해진 습도 환경(34%, 90%)에서 약 12 h 정도 보관하여 습도 환경에 충분히 노출시킨다. 이후 Figure 2와 같이 끝이 뾰족한 마이크로 프로브(Micro-probe)를 이용하여 판넬 표면에 있는 드라이필름 패턴에 한 방향으로 스크래치를 만들어 파단면을 SEM (Scanning Electron Microscope, Hitachi 社, S 4700)으로 관찰하였다.
대상 데이터
물분자 흡습에 의한 드라이필름의 무게 변화는 온/습도 챔버가 갖춰진 무게 측정기(TA 社 Q5000SA)를 이용하였다. 본 장비의 원리는 재료의 초기 무게를 측정하고 일정한 온도, 습도 조건에 노출시키면서 시간에 따른 재료의 무게 변화를 측정하는 것이다.
본 연구에서 사용된 고분자 재료는 회로형성에 사용되는 포토레지스터인 드라이필름(Hitachi 社, RY-3625)을 이용하였다. 드라이필름은 빛(UV)에 의해 반응하여 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 현상액에서의 용해도가 달라지게 되는 아크릴레이트(acrylate)계열의 고분자물질이다.
온⋅습도 조절이 가능한 챔버를 함께 구비하고 있으며 무게 변화에 매우 민감하여 (무게 정확도 ± 0.1%, 무게 정밀도 ± 0.01%) 흡/탈습 실험 시 자주 이용된다.
성능/효과
상대적으로 낮은 분자량인 물분자가 드라이필름에 확산되면서 가소제 역할을 하여 내부 운동성을 증가시킨다고 알려져 있다[7]. 고분자의 내부 운동성이 커지면 외부 응력에 쉽게 변형되어 파괴에너지가 높아지게 되고, 결과적으로 외력에 의해 뜯겨지는 형태로 파단되는 것을 확인하였다. 이에 반해 겨울철 온⋅습도가 낮은 환경에 드라이필름 패턴이 노출될 경우, 외부의 스트레스나 충격에 의해 깨지는 형태의 취성 파괴가 일어날 수도 있다.
온도가 증가함에 따라 활성화 에너지를 넘는 물분자들이 많아져 흡습 현상이 빨리 진행되고, 낮은 온도에 비해 고분자들의 자유 체적이 커지고 운동성이 좋아져서 물분자가 쉽게 확산되는 것으로 추정된다. 따라서 온도는 확산 속도를 좌우하며(아레니우스 법칙), 습도는 최대 흡습량을 좌우한다는 사실을 확인할 수 있었다.
초기 측정값의 차이는 무게 측정법과 흡광도 측정법 간의 측정메커니즘상의 차이에 의해 발생하며, 시간 스케일을 조정하면 일치하는 것을 확인할 수 있다. 또한 무게 측정법을 기준으로 흡광도 측정방법의 정확도를 정량적으로 평가하기 위해 측정시간별 제곱오차계산 방법 (root-mean-square error)을 이용하여 비교한 결과 R2 = 93%의 무게법대비 정확도를 얻을 수 있었다. 따라서 ATR-FTIR을 이용한 측정법은 기존의 무게 변화법 수준의 정확도를 구현하므로 흡습 현상을 관찰할 수 있는 적당한 방법으로 생각된다.
또한, ATR-FTIR을 이용한 흡습 침투 현상 평가 방법은 기존에 많이 사용되는 평가 측정법인 무게 변화 측정법에 상당하는 정확도를 가지므로, 흡습 현상을 관찰하는데 충분한 방법으로 생각된다. ATR-FTIR 을 이용한 확산침투 관련 방법은 본 연구에서 소개된 것뿐만 아니라 바이오산업 등 다양한 분야의 연구에 많이 활용되고 있다.
Figure 7은 시간에 따른 OH 결합의 흡광도 면적을 평형 상태에서의 OH 결합 면적 대비하여 나타낸 것이다. 물분자는 1 h 이내에 드라이 필름 내부로 침투하여 완전 평형상태에 도달하였고, 실험 재현성 또한 우수하였다. 이 결과를 볼 때 ATR-FTIR방법에 의한 흡습 특성 평가 방법이 충분한 정밀도를 보유하고 있다는 사실을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 ATR-FTIR을 이용한 고분자 물질의 확산침투 평가 방법에 대해 제안하였다. 본 연구에서 제안한 방법을 이용하여, 당사포토리소그래피 공정에서 사용되는 드라이필름의 흡습 특성을 평가하였으며, 이를 통해 드라이필름이 물을 흡습하고 난 뒤에는 연성의 성질을 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었다. 이를 통해 공정 대기환경 조건이 연중 일정하게 유지되어야만 일정한 품질특성이 유지된다고 판단할 수 있었다.
물분자는 1 h 이내에 드라이 필름 내부로 침투하여 완전 평형상태에 도달하였고, 실험 재현성 또한 우수하였다. 이 결과를 볼 때 ATR-FTIR방법에 의한 흡습 특성 평가 방법이 충분한 정밀도를 보유하고 있다는 사실을 확인할 수 있다. 또한 시간에 따른 스펙트럼을 구하는 데 있어서, 매우 많은 수의 스펙트럼을 얻기 보다는 적절한 수의 스펙트럼만으로도 충분히 현상을 재현해낸다는 사실은 ATR-FTIR방법의 우수성을 잘 말해주고 있다.
Figure 5(b)는 흡습에 따른 무게 변화를 흡습평형 상태의 무게에 대한 비율로 나타낸 것이다. 이를 통하여 온도가 증가함에 따라 드라이 필름의 무게 증가가 가속되는 것을 확인하였다. 온도가 증가함에 따라 활성화 에너지를 넘는 물분자들이 많아져 흡습 현상이 빨리 진행되고, 낮은 온도에 비해 고분자들의 자유 체적이 커지고 운동성이 좋아져서 물분자가 쉽게 확산되는 것으로 추정된다.
본 연구에서 제안한 방법을 이용하여, 당사포토리소그래피 공정에서 사용되는 드라이필름의 흡습 특성을 평가하였으며, 이를 통해 드라이필름이 물을 흡습하고 난 뒤에는 연성의 성질을 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었다. 이를 통해 공정 대기환경 조건이 연중 일정하게 유지되어야만 일정한 품질특성이 유지된다고 판단할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 접착제가 수분 또는 다른 저분자 용매를 흡습할 경우 품질에 어떤 영향을 끼치는가?
이러한 현상은 고분자 접착제를 다룬 다른 연구들에서도 볼 수 있는데, 고분자 접착제가 수분 또는 다른 저분자 용매를 흡습할 경우 고분자의 고유 특성이 변하여 품질에 영향을 끼친다고 보고된다[3]. 고분자와 고분자 네트워크에 침투할 수 있는 용매가 만나면 용매가 확산을 통해 고분자 네트워크 안으로 침투하게 되고 이는 다양한 화학적 변화와 물리적 변화를 일으킨다. 이는 고분자 물질의 결정화[4,5], 가소화[6,7], 접착면 사이의 경계 면을 약화시키는 등의 변화[8]를 일으키므로 제품의 사용수명이 짧아진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 재료의 용매 흡습에 따른 물성을 평가하는 것이 중요하다.
포토레지스트란 무엇인가?
PCB 회로는 패턴을 만들어 놓은 마스크(mask)에 빛이 통과하면서 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술인 포토리소그래피(Photolithography)를 이용하여 형성하게 된다. 이때 사용하는 포토레지스트(Photoresist)인 드라이필름(Dryfilm)은 빛에 의해 광경화하는 물질로써, 현상액에서의 용해도가 변하는 특성을 이용하여 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 고분자 물질이다[2].
겨울철에는 현상된 드라이필름에 어떤 문제가 발생하는가?
일부 공정은 외기를 이용하여 공기를 순환시키기 때문에 상대적으로 온⋅습도가 낮은 겨울철의 경우 공정내 온⋅습도가 낮아진다. 이에 따라 겨울철에는 현상된 드라이필름이 약한 충격에도 쉽게 깨지고, 깨진 부위로 도금액이 침투하여 원치 않은 부분에 도금이 되는 불량이 발생한다. 이러한 현상은 고분자 접착제를 다룬 다른 연구들에서도 볼 수 있는데, 고분자 접착제가 수분 또는 다른 저분자 용매를 흡습할 경우 고분자의 고유 특성이 변하여 품질에 영향을 끼친다고 보고된다[3].
참고문헌 (12)
Ontario Ministry of the Environment, Information brief on the disposal of PCB and PCB contaminated materials, 5-10 (1976).
J. H. Ahn and S. S. Lee, The basic of Photolithography, Physics and High Technology, January/February, 2-8 (2011).
T. Nguyen, E. Byrd, and C. Lin, A spectroscopic technique for in situ measurement of water at the coating/metal interface, J. Adhes. Sci. Technol., 5, 697-709 (1991).
A. B. Desai and G. L. Wilkes, Solvent-induced crystallization of polyethylene terephthalate, J. Polymer Sci. Sym., 46, 291-319 (1974).
K. S. Kwan, The Role of Penetrant Structure in the Transport and Mechanical Properties of a Thermoset Adhesive, Ph.D. Dissertation at Virginia Polytechnic Institute and Stated university (1998).
A. R. Berens, Gravimetric and volumetric study of the sorption of gases and vapors in poly(vinyl chloride) powders, Poly. Eng. Sci., 20, 95-101 (1980).
P. J. Makarewicz, G. L. Wilkes, and Y. Budnitsky, Mechanical property studies of poly(ethylene terephthalate) crystallized by nonreactive liquids, J. Polymer Sci. : Polymer Physics Edition, 16, 1545-1557 (1978).
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M. H. Shirangi, X. J. Fan, and B. Michel, Mechanism of moisture diffusion, hygroscopic swelling and adhesion degradation in epoxy molding compounds, Proceedings of the 41st International Symposium on Microelectronics (IMAPS), Providence, USA, 1082-1089 (2008).
C. H. Shen and G. S. Springer, Moisture absorption and desorption of composite materials, J. Compos. Mater., 10, 2-20 (1976).
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