[논문]반응표면분석을 통한 SU-8 포토레지스트의 특성 및 최적화

문세영; 김광범; 소대화; 홍상진

반응표면분석을 통한 SU-8 포토레지스트의 특성 및 최적화
Statistical Characterization and Optimization of SU-8 Photoresist Processing by Response Surface Methodology 원문보기

문세영 (명지대학교 전자공학과) , 김광범 (명지대학교 전자공학과) , 소대화 (명지대학교 전자공학과) , 홍상진 (명지대학교 전자공학과)

SU-8은 부드러운 벽면을 가지는 두꺼운 패턴을 제작하는 데 사용되는 음성 감광제(negative photoresist)이다 .이것은 처리 후에 강성이 높고 화학적으로 강인한 장점을 가지고 있으며 최근 MEMS 디바이스의 구조체로 쓰이고 있다. 그러나 SU-8은 공정 처리요소들에 대하여 매우 민감하고 사용하기 어려운 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 공정 처리요소로 exposure energy, post exposure bake (PEB) temperature, PEB time을 조절하여 실험을 하였다. Response Surface Methodology (RSM)를 이용해 각 인자가 delamination에 미치는 영향에 대해 분석하였고 이를 바탕으로 SU-8의 delamination을 최소화하기 위한 처리요소들의 최적화 방안을 제시하였다.

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문제 정의

과도하게 develop 하는 시간을 늘리면 표면과의 접착력이감소되어 d이amination이 증가될 수 있으며 불충분하게 develop을 하게 되면 패턴의 해상도에 영향을 주게 된다. 본 실험에서는 매우 복잡한 특성화를 피하기 위해 최적의 패턴 해상도를 갖게 하는 적절한 develop 시간으로 고정하였다.

제안 방법

SU-8을 4인치 웨이퍼에 100“m의 두께로 spin coating 하였으며 70E 에서 soft bake 시켰다. 계획된 실험에 바탕을 두어 3가지 인자의 조합을 이용하여 실험을 하였으며 일정하게 develop 하는 시간을 유지시켜 delamination 이 측정되었다. delamination의 일어나는 정도는 다음과 같이 정의 되었다.
있다. 따라서 본 연구에서는 d이amination을최소화 하는 것의 근본적인 목표를 가지고 통계적인 방법을 통해 SU-8의 처리요소들을 조절하여 delamination을 측정하고 반응표면분석 (Response Surface Methodology)을 통하여 처리 요소들을분석하여 최적화를 모색하였다.
실험은 3개의 인자를 3 수준으로 계획하였으며 인자는 exposure energy, post exposure baking (PEB) 온도 및 시간을 고려하였다. 그러나 expose 공정을 통해 cross-linking 되어 SU-8의 특성이 바뀌므로 인자에서 soft-baking의 온도 및 시간은 고려하지 않았다[9].
영향을 줄 수 있는 모든 인자들을 다른 인자들은 고정한 후 하나의 인자의 가능한 범위까지 증가시키며 최대한 많은 실험 데이터를 얻어 분석하는 것이 전통적인 방법이지만 본 연구에서는 통계적인 실험 계획을 함으로서 상대적으로 작은 수의 데이터를 가지고 체계적이고 능률적으로 실험을 수행 하였다 [8].

데이터처리

측정오차를 최소화 하기위해 그림 2에서와 같이 8개 이상의 일정한 패턴을 형성하여측정하였으며 여기서 측정된 1값을 평균하였다.

이론/모형

실험계획은 데이터가 3인자 3수준이므로 Box -Behnken법을 사용하여 15회 실험을 설계하였다. Box-Behnken법은 1차, 2차항을 효율적으로 추정하고자 할 때, 모든 요인들이 동시에 낮은 수준 혹은 높은 수준이 아니라는 확실할 때, 모든 실험이 안정된 공정 영역에서 이루어진다고 확실할 때 활용 한다.

성능/효과

Minitab을 사용하여 데이터를 반응표면실험분석을 한 결과 R-square 값이 92.1% 로 상당히 높게 나왔다. 즉, 샘플의 분석 값이 이 모집단 데이터를 완벽하게 설명하는데 있어서 92.
하지만 SU-8의 이점들에도 불구하고 여러 연구를 통해 SU-8 초소형 구조체에서 delamination이 발생됨이 보고되고 있다. [2], MEMS 약물전달 디바이스의 구조가 얇은 조각으로 갈라지는 delamination이 관찰되었으며 높은 종횡비를 갖는 구조들을 제작하는 동안 SU-8이 delami -nation되는 것을 발견할 수 있었다 [3, 4]. 특히 두꺼운 패턴에서 얇은 패턴에서보다 패턴에 가해지는 스트레스가 증가하며 delamination0] 발생하기 쉬운 것으로 알려져 있다.
값은 동일하다. 위의 세 가지 Contour plot을 종합해서 해석해보면 PEB 시간은 낮을수록, PEB 온도 역시 낮을수록 그리고 Energy는 TWmJ/cm? 이상을가했을 때 가장 낮은 delamin箱on을 가진다고 말할 수 있다. 3수준 기준으로 해석하자면 PEB 온도 60C, PEB 시간 20min 그리고 Energy 720mJ/cm² 일 때의 공정조건이 95%의 신뢰도를 가지고 가장 작은 delamination 가진다고 말할 수 있다,
이번 연구를 통해 3인자 3수준 내에서 S3의 d인aminatig을 작게 만들 수 있는 공정 조건을 알 수 있었다. 하지만 공정에는 아직도 de lameation에적지 않은 영향을 미치는 많은 인자들이 존재한다.
그림 5는 PEB 시간을 중간 값 SOminS. 고정한 상태에서 Hiergy 450mJ/cm2이하 혹은 TSmJ/cm?이상에서, FEB 온도는 낮을수록 작은 delamination을 가짐을 나타낸다. 그림 6은 PEB 온도를 중간 값 70°C로 고정한 상태에서 PEB 시간의 변화에 대해 거의 변화가 없고, Energy가 700mJ/cm²이상에서 작은 delamination을가짐을 나타낸다.
확인할 수 있다. 잔차 대 더이터의 순서그래프에서 점들이 어떠한 일정한 성향을 보이지않고 특별한 형태 없이 랜덤하게 위치하고 있으므로 잔차가 다른 인자에 영향을 받지 않고 독립적인 것을 확인할 수 있다.
1% 로 상당히 높게 나왔다. 즉, 샘플의 분석 값이 이 모집단 데이터를 완벽하게 설명하는데 있어서 92.1%정도가정확하다고 95%의 신뢰도를 가지고 말할 수 있다.

후속연구

인자 하나하나가 끼치는 영향은 작지만 여러 개가 모여서 커다란 영향을 끼치는 경우도 있다. 남아있는 다른 인자들을 가지고 많은 실험과 분석을 함으로서 delaminatione) 최소화 공정조건에 대한 지속적인 연구개발이 요구된다.

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