1. 서 론

반도체 웨이퍼, TFT LCD 등 회로 공정이 필요한 제조 라인에서 패턴 전사를 위한 노광기가 필수적으로 사용된다. 여기서 노광기란 빛에 반응하는 물질인 포토 레지스트(Photo-resist)가 코팅된 웨이퍼 위에 원하는 패턴이 형성된 마스크를 올려놓고 자외선을 쬐어주어 감광막에 원하는 패턴을 전사시키는 장치이다. 반도체 공정에서 사용되는 노광은 패턴을 생성하는 메인 노광장치와 주변 포토 레지스트를 깨끗하게 정리해주는 엣지 노광 장치가 있다. 엣지 노광은 감광액 도포 후 웨이페의 주변부를 깍아 내어 공정과정에서 발생하는 파티클을 줄이는 공정으로 불량률을 낮추고 수율을 높여 반도체 및 디스플레이 제조에 있어서 생산성을 향상시키는 공정이다^[1-3].

그림 1에서는 웨이퍼의 가장자리 부분에 포토 레지스트가 뭉치는 현상으로 인하여 발생하는 에지 비드를 나타냈다. 그림 1에서 보는 바와 같이 반도체 포토 공정에서 웨이퍼 위에 포토 레지스트를 분사시킨 후 회전시켜 웨이퍼 위에 포토 레지스트를 코딩하는데, 이 때 원심력과 표면 장력에 의해 웨이퍼의 가장자리 부분에 에지 비드가 발생하게 된다. 이러한 에지 비드는 후 공정에서 각종 오염 파티클을 발생시켜 후속 공정에서 패턴 불량을 발생시킬 수 있다^[4][5]. 그림 2에서는 포토 레지스터 뭉치는 부분인 에지 비드를 제거하는 엣지 노광공정을 나타냈다. 그림 2에서 보는 바와 같이 광원 장치에서 발생하는 자외선을 웨이퍼 가장자리에 조사하여 에지 비드를 제거하게 된다.

대부분의 반도체 웨이퍼 노광을 위한 광원으로 수은램프을 사용하고 있다. 그러나 수은램프 광원은 중금속 물질을 포함하고 있어 환경 파괴적 요소를 동반하며 일본에서 수입하고 있기 때문에 외화 낭비가 적지 않다는 것이 국내 노광 업계의 현실이다. 또한 수은램프는 사용 수명이 1개월로 연간 12회 교체로 인한 지속적인 비용이 발생하며, 광원의 구입 단가 또한 높아 유지비용 부담이 상당히 큰 단점이 있다. 이 외에도 노광기의 열화 현상으로 인하여 주기적인 정비도 필요하며, 광원의 폐 처리에 대한 환경 부담 비용도 가중되어 수은 램프 대신에 친환경적인 UV LED를 이용한 엣지 노광용 광원장치의 개발이 요구되고 있다. 또한, 효과적인 노광 공정이 이루어지기 위해서는 높은 광 출력이 요구되며, 이를 만족하기 위하여 다양한 렌즈 개발이 요구된다^[6-9]. 따라서 본 논문에서는 UV LED 기반의 엣지 노광용 렌즈 개발 및 방열에 우수한 엣지 노광용 광원 모듈을 개발하였다.

그림 1. 웨이퍼 가장자리에 발생하는 엣지 비드

Fig. 1. Edge bead on edge of wafer

그림 2. 엣지 비드 제거를 위한 엣지 노광 공정

Fig. 2. Edge exposure process to remove edge bead

2. 광출력 향상을 위한 렌즈 설계

UV LED 소자의 광분포는 지향성을 갖고 있기 때문에 UV LED 소자를 이용한 조명 제품들이 원하는 조명 성능을 얻기 위해서는 광학 소자 사용이 필요하다. 일반적으로 광학 소자는 반사경, 렌즈, 혹은 이들의 조합 형태로 구현되어 왔으며, 최근 광학 소자의 단순화 및 고성능화에 대한 요구 수준이 점차 높아지고 있다. 따라서 광학 소자의 단순화는 복잡한 광학 소자 사용으로 인한 광효율 저하와 정렬문제를 극복하는데 매우 중요한 요소이다. 이런 문제점을 극복하고자 단일 광학 소자인 자유 형상 렌즈 (freeform lens)를 2차 광학 소자로 활용하는 방안이 제안되었으며, 관련 설계법 연구도 활발히 진행되어 왔다.

기본적으로 자유 형상 렌즈 설계에서는 광원의 방출특성과 조명면에서의 조명 조건을 고려하여, 렌즈 입사면 또는 출사면 상의 각 점의 표면 기울기 (혹은 법선 벡터)를 굴절 혹은 반사 법칙에 따라 직접 결정한 후, 해당표면 기울기를 갖는 면 요소를 연결하여 렌즈의 최종형상을 결정하게 된다. 따라서 자유 형상 렌즈는 구면 혹은 비구면으로 정의되는 기존 렌즈와는 다른 형상을 갖는다. 대부분의 경우, 광학 소자는 조명면에 균일 조도 (illuminance) 분포를 이루기 위해 사용되므로, 균일조도 분포를 이루기 위한 설계 조건은 수렴 조명 모델(convergent illumination model)이나 발산 조명 모델(divergent illumination model)에 의해 규정된다. 그러나, 자유 형상 렌즈는 광원 특성에 맞춰 형상이 최적화되므로, UV LED 광원의 방출 특성이나 배치 등이 설계 조건으로부터 벗어날 경우에는 일반 렌즈에 비해 성능 저하가 더욱 클 수 있다.

본 논문에서는 UV LED에 최적인 렌즈를 설계하기 위하여 표 1에 나타낸 6개의 시뮬레이션 모델을 고려하였다. 즉, 표 1에서 보는 바와 같이 렌즈 재질(글라스, 실리콘)에 따른 광 출력과 렌즈 구성에 따른 광 출력 특성을 LightTools을 이용하여 분석하였다. 그림 3에서는 글래스 렌즈 타입의 시뮬레이션 모델을 나타냈으며, 그림 4에서는 실리콘 렌즈 타입의 시뮬레이션 모델을 각각 나타냈다. 시뮬레이션을 위해 선택된 UV LED 광원은 NVSU333A를 선정하였으며, 선정된 모델의 파장은 365nm, 광량은 전류 3.5A일 때 4.640mW 사양을 갖는다.

표 2에서는 렌즈 타입에 따른 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 표 2에서 보는 바와 같이 렌즈 타입이 3종인 모델(Gtype-3, Stype-3)의 광 출력이 렌즈 타입이 1종인 모델(Gtype-1, Stype-1)보다 높게 나타났다. 실리콘 레즈 타입이 3종인 경우 작업 거리 0mm 일 때 최대 광 출력은 1421.3[mW/cm²]으로 나타나 실리콘 레즈 타입이 1종인 경우보다 4.9배 높은 결과를 나타났다. 실리콘 렌즈 타입이 3종인 경우 작업거리 0mm 일 때 최대 광 출력은 1421.3[mW/cm²]으로 나타나 실리콘 레즈 타입이 1종인 경우보다 4배 높은 결과를 나타났다.

그림 3. 글래스 렌즈 타입의 시뮬레이션 모델

Fig. 3. Simulation models of glass lens type

그림 4. 실리콘 렌즈 타입의 시뮬레이션 모델

Fig. 4. Simulation models of silicon lens type

그림 5에서는 렌즈를 1개만 사용한 경우 글래스 재질과 실리콘 재질에 따른 작업거리별 최대 광 출력을 나타냈다. 그림 5에서 보는 바와 같이 작업 거리가 5mm 일 때 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우보다 광 출력이 높게 나타났다. 반면에 작업거리가 10mm 이상인 경우 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우보다 광 출력이 낮게 나타났다.

그림 6에서는 렌즈를 2개 사용한 경우에 대한 최대 광 출력을 나타냈으며 그림 7에서는 렌즈를 3개 사용한 경우 최대 광 출력을 나타냈다. 렌즈를 2개 사용한 경우 렌즈를 1개 사용한 경우와 유사하게 작업 거리가 5mm 일 때 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우보다 광 출력이 높게 나타났다. 반면에 작업거리가 10mm 이상인 경우 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우보다 광 출력이 낮게 나타났다. 그러나 렌즈를 3개 사용한 경우 그림 7에서 보는 바와 같이 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우보다 모든 작업거리에 대해 광출력이 높게 나타났다. 렌즈를 3개 사용한 경우 작업거리가 0mm 일 때 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 광 출력이 1421.3[mW/cm²]로 나타나 글래스 재질보다 1.21배 높은 출력을 나타냈다. 작업거리가 15mm 일 때 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 광 출력이 1421.3[mW/cm²]로 나타나 글래스 재질보다 1.18배 높은 출력을 나타나 작업거리가 증가할수록 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 광 출력은 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우와 유사하거나 낮아지는 경향을 보임을 알 수 있다.그러나 일반적으로 엣지 노광공정에서 작업거리는 5mm 이내의 범위를 사용함으로 이러한 범위를 고려하면 실리콘 재질의 렌즈가 글래스 재질의 렌즈보다 우수한 것으로 판단된다.

그림 5. Gtype-1과 Stype-1에 대한 작업거리별 광 출력

Fig. 5. Optical power by working distacne by Gtype-1 and Stype-1

그림 6. Gtype-2와 Stype-2에 대한 작업거리별 광 출력

Fig. 6. Optical power by working distacne by Gtype-2 and Stype-2

그림 7. Gtype-3과 Stype-3에 대한 작업거리별 광 출력

Fig. 7. Optical power by working distacne by Gtype-3 and Stype-3

그림 8에서는 작업거리가 0mm 일 때 렌즈 구성에 따른 광 출력을 나타냈다. 그림 8에서 보는 바와 같이 실리콘 재질의 렌즈를 3개 사용한 Stype-3 모델이 가장 우수한 광 출력을 나타냈다. Stype-3 모델의 광 출력은 실리콘 렌즈를 1개 사용한 Stype-1과 비교하면 4.5배 높게 나타났으며, 실리콘 렌즈를 2개 사용한 Stype-2과 비교하면 1.6배 높게 나타났다. 또한 실리콘 재질의 렌즈를 사용한 경우 글래스 재질의 렌즈를 사용한 경우보다 높게 나타났다.

그림 8. 렌즈 구성에 따른 광 출력 (작업거리 : 0mm)

Fig. 8. Optical power according to lens configuratin (WD : 0mm)

그림 9에서는 작업거리가 0mm 일 때 글래스 재질의 렌즈를 3개 사용한 Gtype-3과 실리콘 재질의 렌즈를 3개 사용한 Stype-3의 광 분포도를 나타냈다. 일반적으로 광 출력은 가우시안 형태의 분포특성을 나타내는데 최대 광출력의 90%인 광출력에서의 광각과 최대 광출력의 50%에서의 광각의 중요한 성능 척도로 사용된다. 측정된 광각은 작을수록 광출력의 집중도가 높음을 의미한다. 그림 9에서 보는 바와 같이 실리콘 재질의 렌즈를 3개 사용한 Stype-3 모델이 글래스 재질의 렌즈를 3개 사용한 Gtype-3에 비하여 최대 광 출력 뿐만 아니라 빛의 집중도 측면에서도 우수한 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에서는 실리콘 재질의 렌즈를 3개 사용하여 엣지 노광용 광원장치를 개발하였다.

그림 9. Gtype-3과 Stype-3에 대한 광 출력 분포도(작업거리 : 0mm)

Fig. 9. Optical power distribution for Gtype-3 and Stype-3 (WD : 0mm)

3. 엣지 노광용 광원 모듈 개발

고출력 광원은 광원의 사용시간이 지속될수록 온도 상승이 발생하므로 안정적으로 광원을 사용하기 위해서는 반드시 방열장치가 필요하다. 일반적으로 방열장치는 방열판 또는 히트싱크(Heatsink)를 사용하며, 방열 설계시에 재질과 표면적 및 외부 순환팬 유무 등을 조건을 고려하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 UV LED 광원과 렌즈를 내부에 고정시키기 위한 광원 모듈을 개발하기 위하여 그림 10에서 나타낸 알루미늄 재질의 네 가지 방열 구조의 모델을 고려하였다. 그림 10에서 Model-1은 ɸ30, 길이 60mm, 두께 1mm, Model-2은 ɸ30, 길이 75mm, 두께 1mm, Model-3은 ɸ30, 길이 90mm, 두께 2mm, Model-4는 ɸ30, 길이 90mm, 두께 1mm의 구조로 제작하였다.

그림 10에 나타낸 네 가지 모델에 대한 방열 특성을 분석하기 위하여 그림 11에 나타낸 바와 같이 광원 모듈에 전원을 인가한 후 시간에 따른 온도를 측정하였다. 온도 측정을 위하여 UV 광원에 온도 센서를 설치하여 실시간으로 온도 데이터를 취득하였다.

표 3 및 그림 12에서는 네 가지 방열 모델에 대한 시간에 따른 온도 특성 결과를 나타냈다. 표 3 및 그림 12에서 보는 바와 같이 Model-1은 120초 후에 광원 모듈 내부 온도가 46℃, Model-2는 120초 후에 광원 모듈 내부 온도가 41℃, Model-3은는 120초 후에 광원 모듈 내부 온도가 37℃, Model-4는 120초 후에 광원 모듈 내부 온도가 31℃로 나타나 Model-4가 가장 우수한 우수한 방열 효과를 나타냈다. 따라서 Model-4를 바탕으로 그림 13에 나타낸 광원 모듈을 개발하였다. 개발 제품의 성능을 평가하기 위하여 그림 14에 나타낸 바와 같이 글라스 코팅면에서 그레이 존을 측정하였다. 측정 결과 그레이 존은 80~95um로 나타나 엣지 노광용 광원으로서 충분한 성능을 보임을 알 수 있다.

그림 10. 방열 설계를 위한 네 가지 모델

Fig. 10. Four models for heat sink design

그림 11. 네 가지 모델에 대한 방열 실험

Fig. 11. Heat dissipation experiment for four models

그림 12. 네 가지 방열 모델에 대한 시간에 따른 온도 특성

Fig. 12. Temperature characteristics over time for four heat dissipation models

그림 13. 엣지 노광용 광원 모듈

Fig. 13. Light source device for edge exposure

그림 14. 그레이 존 측정

Fig. 14. Gray zone measurement results

4. 결 론

본 논문에서는 UV LED 기반의 웨이퍼 엣지 노광용 광원장치를 개발하였다. 엣지 노광용 광원 장치는 UV LED 광원과 광 출력 집중도 향상을 렌즈 및 방열을 위한 방열 설계가 필수적이다. 렌즈 재질 및 종류에 따른 시뮬레이션 결과 실리콘 재질의 3종 렌즈를 이용하는 것이 글래스 재질의 렌즈를 이용하는 것보다 우수한 결과를 보였다. 또한 다양한 방열 모델에 대해 실험한 결과 ɸ30, 길이 90mm, 두께 1mm의 구조로 방열 구조를 설계하는 것이 효과적임을 알 수 있었다. 개발된 엣지 노광용 광원 모듈의 유용성을 평가하기 위하여 그레이 존을 측정한 결과 노광용 광원으로서 충분한 성능을 보임을 알 수 있다. 향후 개발된 엣지 노광용 광원 모듈을 현장에 설치하여 신뢰성을 지속적으로 평가하고자 한다.