대일본스크린제조(주)  야마시타 에이지(山下 永二)
Source : Monthly ‘DISPLAY’ January 2007, TechnoTimes of Japan

현재 가정용 TV에 있어서 LCD나 PDP의 평판 디스플레이(FPD) TV 출하 비율은 CRT(브라운관) TV를 추월하고 또한 화면 사이즈도 지금까지 주류였던 32인치에서 40인치 이상으로 바뀌고 그 수요도 점점 증가하고 있다.
LCD 패널은 커다란 마더글라스에서 복수 면취로 생산된다. 1990년대 초반의 제 1세대(300×400) 사이즈에서부터 시작하여 2000년을 지날 무렵부터는 대형 사이즈화가 가속됐다<그림 1>. 현재 많은 양산 공장에서 채택하고 있는 제 6세대(1500×1850) 기판에서는 32인치 패널을 8면취로 하지만 2007년도에는 47인치 패널을 8면취하는 제 8세대(2200×2500)로 본격 돌입한다.
유리기판을 대형화하면 이론적으로는 대화면 패널을 대량 생산하는 것이 가능하지만 실제로는 많은 문제가 있다. 디바이스 면에서는 처리면적 확대에 따르는 균일성 저하, 그리고 제품 패널 사이즈의 확대로 인해 허용되는 면내(面內)의 불량 수를 적게 해야 하는데 결과적으로 수율 저하가 염려된다. 한편 제조장치의 관점에서는 제조장치 자체가 대형으로 됨에 따라 재료비 증대, 약액(藥液)이나 순수(純水) 사용량의 증대를 들 수 있다. 가전 대리점에서는 LCD TV의 가격이 하락하는 경향에 있고 앞으로도 패널의 시장가격은 하향 추세일 것으로 예상되기 때문에 이들의 운영비(Running Cost) 증대는 큰 문제여서 서둘러 개선할 필요가 있다.
본고에서는 TFT-LCD 어레이 프로세스에 있어서 습식장치의 역할, 요구되는 성능과 유리기판 대형화에 있어서 운영비 절감에 대해 소개한다.

1. TFT-LCD 습식 프로세스

비정질 Si(a-Si)의 TFT 어레이 제조 프로세스 중에서 습식 프로세스로 불리는 것으로는 세정, 에칭, 포토레지스트 박리가 있다.

습식 세정에는 맨 처음 유리기판을 투입할 때 실시하는 수납 세정과 도중에 실시하는 공정간 세정이 있다. 세정 도구로는 롤 브러시를 사용한 접촉 세정과 메가소닉, 고압 스프레이, 2유체 스프레이를 사용한 비접촉 세정이 있다.
에칭 대상인 박막에는 AL계 막(합금을 포함한다), Mo, ITO, SiO2, SiNx 등이 있다. 금속막은 TFT의 게이트와 소스/드레인, 화소전극의 각 패터닝에 의하고, SiO2, SiNx 등의 Si계 막은 콘택트 홀(Contact Hole)의 에칭이다. 에칭 방법으로는 주로 스프레이 및 디핑(Dipping)을 사용하는데 대일본스크린제조(주)에서는 여기에 경사반송·수평반송을 공작물의 막 종류에 따라 구분해서 사용할 수 있도록 라인업했다.
포토레지스트 박리에서는 TFT 어레이 프로세스에서 사용되고 있는 레지스트의 거의가 노보락(Novolac)계 포지티브형 레지스트이기 때문에 지금까지 아민계 박리액을 사용해 왔다(최근에는 환경문제도 있어 비(非)아민계 박리액을 사용하는 공장도 증가하는 추세이다). 박리 툴로는 고압 스프레이(0.8 MPa 이하)와 저압 스프레이(0.1 MPa 이하)를 병용해서 경사반송 처리를 채택한다.

2. 습식장치에 요구되는 성능과 문제점

2.1  경사반송
많은 습식 프로세스에서 문제해결의 열쇠가 되는 것은 경사반송 처리기술이다. 경사반송의 이점은 주로 다음과 같다.

2.1.1  세척성 향상
<그림 2>에서는 수평반송과 경사반송을 비교한 이미지에 대해 나타낸다. 수평반송의 경우, 기판상에서는 오염성분을 끌어들인 처리액이 체류해 버려 좀처럼 치환되지 않는다. 그러므로 장시간 세척할 필요가 있다. 한편 경사반송에서는 기판 위를 처리액이 항상 일정한 방향으로 흐르기 때문에 치환효율이 좋아 단시간에 세척이 완료된다.

<그림 3>에 나타내는 바와 같이 수평반송에서는 기판상의 액막이 두꺼워진다. 통상 스프레이나 2유체 스프레이 등의 비접촉 툴에서는 기판상의 액막이 두꺼우면 타력(打力)이 기판 표면에 도달하는 것을 방해하기 때문에 세척효과가 떨어진다. 한편 경사반송에서는 기판상의 액막이 얇아 세척 툴의 타력을 기판표면에 효율적으로 가할 수 있어 세척효과가 향상된다.

2.1.2  에칭 균일성의 향상
앞에서 말한 세척과 같은 현상이 에칭에서도 일어난다. 수평반송의 습식 에칭에서는 기판 사이즈가 커짐에 따라 에칭액이 기판 면에 체류하기 쉬워진다. 이로써 <그림 4>⒜에 나타내는 바와 같은 얼룩(에칭속도의 불균일)을 만든다.
이에 대해 경사 에칭을 실시하면 이 얼룩은 <그림 4>⒝와 같이 개선된다. 왜냐하면 기판 위를 항상 중력작용을 받는 에칭액이 한 방향으로 계속 흘러 액체가 체류되기 어렵기 때문이다.

2.1.3  약액 사용량의 절감
유리기판이 프로세스 챔버에서 수세조(槽)로 이동할 때 기판상에 있는 약액은 수세조로 갖고 간다. 수평반송의 경우엔 기판상의 액막이 두껍기 때문에 다량의 약액이 반출되기 쉽다. 그러나 경사반송의 경우엔 기판상의 액막이 얇기 때문에 수평처리에 비해 약액 반출량을 70% 정도 줄일 수 있다.

2.2  에칭
AL 에칭의 경우에는 점도가 높은 인산(H3PO4)계 에칭액을 사용한다. 시판되고 있는 일반적인 스프레이 노즐에서는 고(高)점도액을 토출할 때 얼룩이 생겨 에칭 균일성이 나빠진다.

이것을 개선하기 위해 대일본스크린제조(주)에서는 독자적인 고점도액 전용 스프레이 노즐을 사용하고 있다. 이 노즐에서 토출되는 스프레이 패턴은 기판 표면에 대해 정사각형으로 여러 개 나열된 노즐에 의해 그 정사각형이 오버랩 되어 빈틈없이 쫙 깔린 상태이다. <그림 5>에서는 스프레이 노즐의 차이에 따른 면내(面內) 에칭 균일성의 차이를 나타낸다. 고점도액 전용 노즐로 스프레이한 쪽의 균일성이 우수함을 알 수 있다.

AL 에칭에서는 스프레이 노즐 이외에도 얼룩이 발생하기 쉬운 문제가 있다. 그 문제점은 기판이 에칭조나 수세조로 반입되는 공정에서 종종 일어난다. 처리하기 전의 마른 기판 위에 에칭액 방울을 떨어뜨리면 그 부분만 국부적으로 에칭된다.

또는 에칭을 마친 후 에칭액이 기판 위에 실려있는 곳에 물방울이 떨어지면 국부적으로 에칭이 급격하게 정지되기도 하고 반대로 반응이 가속화되기도 하는데 이것이 얼룩의 원인으로 작용한다.
가장 유효한 대책으로는 각 챔버 입구에 액상(液狀)으로 토출하는 커튼 노즐을 설치하여 기판이 조(槽)에 들어감과 동시에 액체가 기판 전면에 균일하게 실리게 하고, 또 기판을 반입·반출할 때도 계속해서 스프레이 처리를 해 둔다. 이렇게 하면 액체가 기판 위에 불규칙하게 떨어지는 것을 방지하여 얼룩을 줄일 수 있다.

2.3  레지스트 박리
하드 베이크(Hard Bake)된 포토레지스트나 건식 에칭(Dry Etching) 후의 포토레지스트는 기판과의 계면 또는 레지스트 표면이 변질되어 있어서 박리력을 강하게 할 필요가 있다. 박리력을 향상시키는 요소로는 주로 ①박리액의 유속을 높이고 ②타력을 올리는 것, 이 2가지가 있다. 앞에서 말한 바와 같이 여기서도 경사처리를 함으로써 기판상의 박리액 유속을 높여 약액을 신속하게 치환하면서 저압 스프레이에 의한 팽윤(澎潤) 처리, 고압 스프레이의 타력에 의한 레지스트막 박리라는 방법을 적용했다.
박리액의 주성분인 MEA(Mono Ethanol Amine)는 수세조에서 물과 섞여 강알칼리성을 띰으로써 AL막을 부식한다<그림 6>. 그러므로 예전에는 박리액의 치환액으로서 IPA(Isopropyl Alcohol)나 DMSO(Dimethyl Sulfoxide)라는 유기용제를 사용했다. IPA는 인화점이 낮기 때문에 장치는 방폭 사양으로 하고 또 치환조에는 챔버를 추가로 설치하기 때문에 장치 비용이 많이 들었다. 최근에는 치환조를 사용하지 않고 AL 부식을 방지하기 위한 방법으로서 물 세척을 할 때 고속 헹굼(Quick Rinse)을 한다. 이로써 장치 비용절감 효과를 높이고 있다. 고속 헹굼은 수세조에 들어간 기판상의 아민 성분을 순간적으로 씻어버려 AL 부식 영역인 알칼리성에서 재빨리 벗어나는 방식이다. 여기서도 경사반송의 효과가 발휘된다.

스프레이에서 토출된 순수(純水)로 기판상의 아민 성분을 신속하게 제거하기 위한 필수적인 아이템이다.

2.4  세정
최근에는 패널 수율의 향상을 위해 서브 마이크론 파티클의 제거성능에 대한 문의가 많다. 특히 저온 폴리 실리콘(LTPS) TFT에서는 배선의 선폭이 가늘어 그런 경향이 강하다. 이에 대응하는 툴로는 2유체 스프레이가 있다. 2유체 스프레이 세정에서는 기존의 스프레이 처리에 비해 액적(液滴)의 지름이 작고 또한 토출 속도가 빠르기 때문에 미세한 이물질을 제거하는 데 효과적이고, 또 미세한 패턴에도 들어가기가 쉬워 세척효과가 향상된다<그림 7>.
예전부터 메가소닉(1 MHz 전후의 초음파) 세척기를 주로 사용했다. 메가소닉은 진동자가 열화(劣化)되기 때문에 정기적으로 교환할 필요가 있는데 반해, 2유체 세정에서는 교환할 필요가 없다. 2유체 스프레이는 세척력과 비용, 양쪽에서 볼 때 메가소닉 세정을 대체하는 방법으로 사용되는 일이 많아지고 있다.
그리고 브러시를 사용한 세척 방법을 보면 막 증착 후의 공정에서는 상처가 발생할 우려가 있기 때문에 피하는 일이 많고 비접촉 2유체 스프레이, 고압 스프레이가 사용된다. 대일본스크린제조(주)에서는 새로운 비접촉 세정 툴도 개발하고 있다.

3. 패널 대형화 추세의 운영비 절감을 위한 연구

2007년 이후에는 제 8세대 라인이 본격적으로 가동되기 시작한다. 앞에서도 말한 바와 같이 유리기판의 대형화 추세에 따라 장치 메이커는 운영비 절감을 강력히 요구하고 있어 그 요망에 부응하기 위해 대일본스크린제조(주)에서도 전념해 왔다.

3.1  약액 사용량의 절감
약액 사용량을 결정짓는 요인으로는 ①약액 반출량, ②약액 주기(Life Cycle), 이 2가지를 들 수 있다. ①의 약액 반출량이란 배기에 의해 챔버 밖으로 배출되는 미스트나 증기와 더불어 유리기판상에 체류된 약액이 수세조로 반출되는 것을 말한다. ②는 약액이 기판을 처리함에 따라 열화되어 에칭속도 저하라든가 균일성 악화를 초래하기 때문에 약액을 정기적으로 교환할 필요가 있음을 말한다.

3.1.1  반출량 절감
에칭이나 박리에서는 화학반응을 활성화하기 위해 통상적으로 처리온도를 높이고 있다. AL계 막의 에칭에서는 40℃ 전후, 박리에서는 70℃ 전후이다. 온도 상승으로 인해 챔버 내부는 약액의 증기로 충만해진다. 그리고 약액처리의 대부분은 스프레이 토출이고 여기서는 미스트가 대량 발생한다. 환경안전을 충족시키기 위해 배기는 필수이지만 지금까지는 증기나 미스트가 된 약액 중 상당량이 이 배기와 함께 배출되었다. 이 문제는 고성능의 미스트 집진기(Mist Catcher)를 탑재하여 증기나 미스트로 배기된 약액을 다시 액체화하고 이것을 약액 탱크로 돌려보냄으로써 해결할 수 있었다. 이로써 배기로 빠져나갔던 약액을 종전에 비해 약 60% 줄일 수 있다.
약액 처리된 기판이 수세조에 들어갈 때 기판상에 체류된 약액은 약액 챔버 출구에서 물기를 제거하는 에어 나이프에 의해 반출이 방지된다.
하지만 현실적으로 모든 반출을 막을 수는 없고 예전에 수평반송에서는 제 8세대로 환산하여 약 2.8 ℓ, 경사반송에서도 약 0.6 ℓ가 반출됐다. 기판 사이즈의 대형화로 에어 나이프의 길이도 길어지고 있어 휨으로 인한 에어 나이프와 기판간의 갭 편차라든가 슬릿(Slit) 갭 편차로 인한 에어 토출의 불균일이 약액 반출량을 증대시키는 요인이었다.
현재는 에어 나이프의 강성 향상과 갭 정밀도를 향상시킴으로써 이 문제를 극복하고 있다. 이와 같은 신형 물기제거 에어 나이프를 채택함으로써 균일하게 물기를 제거해서 약액 반출량을 줄일 수 있다. <그림 8>에서는 에어 나이프 개선에 따른 반출량의 변화를 나타낸다. 예전부터 경사반송에서는 반출량이 적도록 억제할 수 있었는데 이제는 신형 물기 제거 에어 나이프를 사용함으로써 수평반송에서도 경사반송에 필적할 정도로 반출량을 줄이는 데 성공하고 있다.

3.1.2  약액의 수명 연장
AL계 막의 에칭액은 질산(HNO3), 초산(CH3COOH), 인산(H3PO4)의 혼합 산으로 에칭을 반복하면 농도가 변화된다. 단, 3종의 약액은 개별적으로 변해서 질산과 초산은 농도가 내려가고 인산은 기화되기 어렵기 때문에 상대적으로 농도가 올라간다. 농도의 밸런스가 기준치를 초과하면 에칭속도와 배선 형상(Profile)이 균일해지지 않기 때문에 통상적으로는 에칭액을 전량 교환할 필요가 있다.
대일본스크린제조(주)에서는 약액 농도 제어 시스템을 라인업했다. <그림 9>에서는 시스템 개요를 나타낸다. 이 시스템에 의해 약액의 농도를 구성단위마다 수시로 자동 측정하여 농도가 저하된 성분을 공급한다. 이로써 약액의 수명이 대폭 연장되어 전량 교환빈도를 낮춤으로써 약액 사용량을 줄일 수 있다.

3.2  세척수 폐액량, 사용량 절감
대형 사이즈의 기판을 세척하려면 대량의 순수가 필요하다. 에칭이나 박리 후의 제 1수세조에서는 스프레이한 처리수 거의 모두를 폐수(廢水)로 하는 것이 좋다. 왜냐하면 약액이 섞여 오염된 스프레이 물을 다시 탱크로 돌려보내면 순수 탱크 오염물이 축적되기 때문이다. 그리고 탱크내의 순수가 오염되면 스프레이를 할 때 그 오염수가 기판상에 남아 다음 조로 반출되고 그러면 다음 조의 탱크도 오염된다. 이와 같은 상태에서 기판을 청정하게 세정하려면 수세조를 늘리지 않을 수 없어 결과적으로 장치가 길어지므로 바람직하지 않다.
그러나 기존의 제 1수세조의 전량을 폐수 처리하기에는 그 유량이 많다. 그래서 최종 수세조에서 보충하는 순수의 양만으로는 부족하므로 그 부족 분을 수시로 추가했다. 그러나 이 상태 그대로이면 순수의 총 사용량이 제 8세대 장치에서는 400 ℓ/min에 달할 수도 있다. 그리고 대량의 폐수는 공장의 폐액처리 설비능력을 압박하게 된다.

이와 같이 순수 사용량의 절감과 수세조의 길이 절감은 상용할 수 없는 과제였으나 이것을 해결하는 방법으로 신형 치환 수세 시스템을 개발하여 채택했다. 이 시스템은 세척능력이 높기 때문에 수세조는 짧지만 기판상의 약액 오염성분을 적은 순수량으로, 그리고 발 빠르게 치환할 수 있다. 이로써 <그림 10>에 나타내는 바와 같이 기존의 방식에 비해 순수 사용량이 1/3 이하로 억제되고 있다. 신형 치환 수세 시스템을 채택하면 전량 폐수이지만 순수 사용량을 줄일 수 있고 또 수세조의 길이도 짧아진다.

4. 맺음말

대형 텔레비전의 수요 확대에 따른 마더글라스의 대형화 추세는 이미 제 9세대에서도 검토되고 있고 앞으로도 계속될 것이다. 그리고 패널 가격의 하락을 보충하기 위한 생산성 향상의 관점에서는 디바이스 메이커뿐만 아니라 장치 메이커에서도 더욱 원가절감 노력이 필요하다. 대일본스크린제조(주)도 평판 디스플레이의 지속적인 발전에 기여하기 위해 제조원가 절감을 위한 기술발전에 주력해 갈 것이다.

<참고문헌>
-Semiconductor FPD World, 2006년 7월호