이대종
(Dae-Jong Lee)
1
최환용
(Hwan-Yong Choi)
2
임재윤
(Jae-Yoon Lim)
3
지평식
(Pyeong-Shik Ji)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation, Korea
)
-
(The Vision, Korea)
-
(Daeduk University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Laser diode, Multi-channel control Board, Photo lithography equipment
1. 서 론
TFT LCD 등 회로 공정이 필요한 제조라인에서는 패턴 전사를 위한 노광 장비 또는 노광기가 필수적이다. 노광기란 빛에 반응하는 물질(Photo-resist
: PR, 감광액)이 코팅된 시료(웨이퍼 또는 유리 기판 등) 위에 원하는 패턴이 형성된 마스크를 올려놓고 자외선을 쬐어주어 감광막에 원하는 패턴을
전사시키는 장치를 말한다[1-3]. 산업현장에서 널리 사용되는 광학식 노광기는 그림 1에서 보는 바와 같이 기판 1매에 몇 개의 칩 단위로 전후좌우로 이동하면서 각 단위 칩마다 정렬 및 노광을 실시한다.
패턴 사이즈가 1um 이하이거나 같은 형상을 계속 반복할 경우 마스크에 원래 원하는 패턴 사이즈의 정수배로 확대하여 만든 후 마스크와 감광막이 코팅된
시료를 적정 거리로 유지하여 마스크 상하에 적당한 축소 광학계(Lens)를 이용하여 웨이퍼나 마스크를 x 및 y 방향으로 한 Step씩 옮겨가며 자외선을
노광시킨다. 그림 2에서 보는 바와 같이 순차적으로 한 step씩 이동하며 패턴을 전사시키며 Field 영역을 한정함으로써 Uniformity를 향상시킨다[4].
그림. 1. 광학식 노광기의 구조
Fig. 1. Structure of optical exposure machine
그림. 2. 노광기를 이용한 공정 과정 (Step & Repeat)
Fig. 2. Process using an exposure machine (Step & Repeat)
그림 3에서는 의료용으로 널리 사용되는 있는 1.2W 레이저 다이오드 활용제품의 구성도를 나타냈다[5][6]. 본 논문에서는 메인보드 1개당 30W 용량의 LD(Laser Diode) 광원을 이용하여 노광 광원의 강도를 균일 및 정밀하게 제어하여 노광 대상물을
정확하고 빠르게 노광할 수 있는 LD 제어모듈을 개발함과 동시에 다수의 LD 제어모듈을 통합적으로 운영할 수 있는 관리 프로그램을 개발한다.
그림. 3. 소용량 레이저 다이오드 구동 모듈
Fig. 3. Small capacity laser diode drive module
2. 노광설비용 레이저 다이오드 제어 보드 설계
2.1 제어 보드 시스템 구성도
그림 4에서는 본 연구에서 개발한 다채널 노광설비용 레이저 다이오드 제어보드 구성도를 나타냈다. 그림 4에서 보는 바와 같이 제어보드는 인터페이스 보드와 메인보드로 각각 구성되어 있다. 인터페이스 보드는 PC에서 전송되는 다양한 명령어를 해당되는 메인보드에
전송하는 역할과 메인보드에서 측정한 다양한 센싱 값들을 PC로 전송하는 역할을 담당한다. 메인보드는 레이저 다이오들 출력을 위한 제어 드라이버 역할을
수행한다.
그림. 4. 제어보드 시스템 구성도
Fig. 4. Control Board Configuration
2.2 인터페이스 보드 설계
그림 5에서는 인터페이스 보드 주요 회로도를 나타냈다. 그림 5(a)에서는 STM32F405 MCU의 주변 회로와의 연결도를 나타냈다. TM32F405 MCU의 주된 역할은 RS232통신에 의해 PC로부터 전송된 명령어를
RS485 통신에 의해 해당되는 메인보드로 전송하는 기능과 이와 반대로 메인보드에서 전송된 센싱 정보를 PC로 전송하는 기능을 담당한다. PC와 STM32F405
MCU와의 통신은 USART1번 단자를 이용하였고, STM32F405 MCU와 메인보드와의 통신은 USART2번 단자를 이용하였다. 그림 5(b))에서는 인터페이스 보드에서 RS232-RS485 통신 회로를 나타냈다. 그림 6에서는 SolidWorks로 설계한 인터페이스 보드 외관 도면을 나타냈다. 그림 6에서 보는 바와 같이 PC와 연결을 위한 RS232단자와 메인보드와의 연결을 위한 RS485 단자 2개로 구성되어 있다. RS485 단자는 2-wire
방식으로 병렬로 연결하면 여러 개의 메인보드와 연결할 수 있는 장점이 있다.
그림. 5. 인터페이스 보드 회로도
Fig. 5. Interface board circuit diagram
(a) MCU (STM32F405)
(b) RS485 통신 회로
그림. 6. 인터페이스 보드 외관 도면
Fig. 6. Interface board exterior design drawing
2.3 메인보드 설계
그림 7에서는 메인보드 주요 회로도를 나타냈다. 그림 7(a)에서는 ATMEGA2560 MCU의 주변 회로와의 연결도를 나타냈다. ATMEGA2560 MCU의 주된 역할은 노광설비에 사용되는 레이저다이오드의
출력제어이다. 본 연구에서는 디지털 기반의 출력제어방식을 적용하였으며, 이를 위하여 TLV5610 DAC 소자를 적용하였다.
그림. 7. 메인보드 회로도
Fig. 7. Main board circuit diagram
(a) MCU (ATMEGA2560)
(b) TLV5610 회로도
그림 8에 나타낸 레이저 다이오드 출력제어를 위해 사용된 TLV5610은 8채널, 12비트 전압 출력 DAC 소자이다. ATMEGA128의 SPI 통신에
의해 이 소자를 제어하며, 제어 프로토콜은 4개의 제어 및 12개의 데이터 비트를 포함하는 16 비트 직렬 문자열로 구성되어 있다. 추가 기능으로는
전원 차단 모드, 8개의 DAC 출력 모두를 동시에 업데이트하기 위한 LDAC 입력 및 여러 장치를 캐스케이드하는 데 사용할 수 있는 데이터 출력이
있다.
그림. 8. TLV5610 블록다이오그램
Fig. 8. Block diagram for TLV5610
그림. 9. 메인보드 외관 도면
Fig. 9. Main board exterior design drawing
그림 9에서는 SolidWorks로 설계한 메인보드 외관 도면을 나타냈다. 그림 9에서 보는 바와 같이 좌측면과 우측면에 4열씩 6개의 레이저 다이오드를 설치한다. 따라서 한 개의 메인보드에서 총 48개의 레이저 다이오드 출력을
제어한다. 또한 인터페이스 보드와의 통신을 위한 커넥터, 메인보드 온도 측정결과를 전송하기 위한 광원 온도 커넥터 등으로 구성되어 있다. 또한 전원부의
발열로 인한 메인 제어기를 보호하기 위하여 그림 10에 나타낸 바와 같이 메탈 PCB((MCPCB) 기반의 분리형 방열 구조 설계 및 제작하여 부착하였다.
그림. 10. 메탈(MC) PCB 기반의 분리형 방열 구조
Fig. 10. Separate heat dissipation structure based on metal (MC) PCB
3. 시제품 제작
3.1 인터페이스 보드 제작
그림 11에서는 제작한 인터페이스 보드를 나타냈다. 그림 11에서 보는 바와 같이 ①은 전원이 포함된 RS485단자, ②는 전원이 포함되지 않은 RS485단자로 메인보드와의 통신연결을 위해 사용된다. ③은
PC나 PLC 등 외부로부터 통신을 위한 RS232통신 단자를 나타낸다. ④는 펌웨어 다운로드를 위한 JTAG 커넥터, ⑤는 외부 TRIG 신호 입력을
위한 외부 TRIG 신호 입력 단자를 나타낸다. ⑥과 ⑦은 각각 TRIG 신호 입력 시 상태 표시 LED를 나타내고, TRIG 신호 입력 시 상태
표시 LED를 나타낸다.
그림. 11. 인터페이스 보드 제작
Fig. 11. Interface board production
3.2 메인보드 제작
그림 12에서는 제작한 메인 보드를 나타냈다. 그림 12에서 보는 바와 같이 ①은 전원이 포함된 RS485단자, ②는 하드웨어 레이저 다이오드 출력 최대전류 설정을 위한 가변 저항을 나타낸다. ③은
펌웨어 다운로드 시 사용되는 ISP 단자, ④는 LD광원 온도 센서 연결 커넥터를 나타낸다. ⑤는 입력전압 20~26V 범위를 갖는 전원 연결 커넥터,
⑥은 레이저 다이오드 연결 커넥터를 나타낸다. ⑦, ⑧, ⑨는 레이저 다이오드의 상태, 에러, 모드 설정을 나타내는 LED 표시등이다. ⑩은 Dip
스위치로 보드 ID 설정을 위해 사용된다.
그림. 12. 메인보드 제작
Fig. 12. Main board production
3.3 PC 제어 프로그램 구현
그림 13에서는 레이저 다이오드 제어를 위한 PC 프로그램을 나타냈다. ①은 COM포트 선택을 위한 RS232 통신 연결 기능을 갖는다. ②는 메인보드 Module
ID (T, 1~8) 표시 및 설정을 위한 Module 설정, 연속모드와 트리거 모드 설정을 위한 Mode 설정부, 채널 선택 및 표시를 위한 채널
설정부로 구성되어 있다. ③은 레이저 다이오드 출력제어를 위한 설정 및 표시 기능을 갖는다. ④는 각 개별 채널 출력 및 ON/OFF제어를 위한 채널
ON/OFF 버튼 기능을 갖는다. ⑤는 선택 모듈의 레이저 다이오드 관련 정보 표시 및 LD 상태 표시하는 정보표시 기능을 갖는다. ⑥은 오류 발생
시 에러 메시지를 나타낸다. ⑦은 레이저 디이오드 평균 출력값을 그래프로 나타내는 기능을 한다. ⑧은 통신 데이터 전송 및 수신 데이터 표시, ⑨는
레이저 다이오드 상태정보 모니터링 수신 데이터를 표시하는 기능을 갖는다. ⑩은 LD보드 관리 정보 표시 및 설정창. 시리얼 번호,, 사용 시간, 사용
시점 등 보드 관리 정보를 하는 기능을 갖는다.
그림. 13. PC 제어 프로그램
Fig. 13. PC control program
그림 14에서는 PC와 연결 및 레이저 다이오드 출력제어를 위한 2채널 메인보드와 연결된 인터페이스 보드 외부 연결도를 나타냈다. 그림 15에서는 2채널로 구성된 메인보드 연결도를 나타냈다. 그림 15에서 보는 바와 같이 본 개발품은 총 96개(48개×2채널)의 레이저 다이오드를 제어함을 알 수 있다. 그림 15에 나타낸 메인 보드 1개는 소비전력이 300W로 1,000mA 까지 정전류 제어가 가능하다. 따라서 메인보드 5개를 연결하면 총 소비저력이 1500W
대용량 레이저 다이오드 제어가 가능함을 알 수 있다. 그림 16에서는 메인보드에 의한 6채널 출력 제어 사진을 나타냈다. 출력제어는 PC에 의해 10비트 1024레벨로 세부적으로 제어된다. 표 1에서는 개발 보드의 성능을 나타냈다.
그림. 14. 인터페이스 보드 외부 연결
Fig. 14. Interface board external connection
그림. 15. 메인보드 외부 연결
Fig. 15. Main board external connection
표 1. 개발 보드의 성능
Table 1. Performance of the developed board
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Specification
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Performance
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Power
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240W (20V, 12A)
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Output current
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1000mA
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Control method
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Constant current control
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Communication
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RS232(9600bps)
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그림. 16. 메인보드에 의한 6채널 출력 제어
Fig. 16. 6-channel output control by main board
4. 결 론
본 논문에서는 노광설비용 다채널 레이저 다이오드 제어 보드 개발하였다. 개발 보드는 인터페이스 보드, 메인 보드 및 PC 제어프로그램을 구성되어 있다.
인터페이스 보드는 PC에서 전송되는 다양한 명령어를 해당되는 메인보드에 전송하는 역할과 메인보드에서 측정한 다양한 센싱 값들을 PC로 전송하는 기능을
하도록 개발하였다. 또한, 메인보드는 레이저 다이오들 출력을 위한 제어 드라이버 역할을 하도록 모듈화 시켰다. 모든 제어는 PC 제어 프로그램에 의해
이루어진다. 향후 개발된 보드에 대해 노광설비에 적용하여 균일도 및 정출력 특성을 지속적으로 평가하고자 한다.
Acknowledgements
본 논문은 중소벤처기업부에서 지원하는 2018년도 산학연협력 기술개발사업(S2659243)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.
References
Jinho AHN, Sangsul LEE, 2011, Principles of Photolithography, Physics & High Technology,
special edition, pp. 1-8
Harry J. Levinson, 2004, Principles of Lithography, 2nd ed
J. F. Ready, 2001, LIA Handbook of laser materials processing, Magnolia Publishing
Inc., pp. 661-665
Bae-Kyu Lee, 2015, Multi-channel LD Driver designed for CTP (computer to plate), Journal
of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 19, No.
3, pp. 667-673
2009, EUVL Projection on Samsung’s Device Roadmap, EUVL Symposium
2010, EUV into production with ASML’s NXE platform, EUV Symposium
저자소개
1995년 충북대학교 전기공학과 졸업 (학사)
1997년 동 대학원 졸업(공학석사)
2002년 동 대학원 졸업(공학박사)
2006년～2008년 충북대학교 초빙 조교수
관심분야 : 영상처리, 인공지능, 빅데이터
2007년 청주대학교 레이저광정보공학과 졸업(학사)
2010년 충북대학교 대학원 졸업(공학석사)
2007년∼2012년 리스광시스템 전자제어팀 과장
2012년~현재 더비젼 대표
관심분야 : 전자제어설계, 광원설계
1986년 충북대 대학원 전기공학과 졸업(공학석사)
1995년 홍익대 대학원 전기공학과 졸업(공학박사)
1999～2000 Texas A&M Univ. Post Doc.
2006～2007 캐나다Victoria Univ. 방문교수
현재 대덕대학교 교수
E-mail : 이메일
1994년 충북대학교 대학원 전기공학과 석사과정 졸업(공학석사)
1998년 동대학원 박사과정 졸업(공학박사)
현재 대한전기학회 평의원 및 학술이사, 한국교통대학교 전기공학과 교수
E-mail : psji@ut.ac.kr