제가 석사 과정 동안 노광장비인 Aligner 담당자를 맡으면서 이 장비에 대해 여러 가지 알아보았는데요, 한번 정리해 보고자 합니다. 저희 연구실은 SUSS MicroTec의 MA/BA6를 사용했습니다.
Aligner 구조와 작동방식
먼저 구조를 설명해 드리자면 크게 램프, 내부 optics, mask & stage로 나눌 수 있습니다. 내부 optics는 사용자가 건드릴 수 없고 건드려서도 안 됩니다. 왜냐하면 램프에서 나오는 자외선을 stage 전체적으로 일정하게 비취도록 optics에서 조절을 해주거든요. 만약에 stage의 spot마다 자외선의 intensity가 다르면 기판 위치마다 포토 공정의 resolution이 달라지기 때문에 optics는 사용자가 조절하지 않습니다.
참고로 장비 관리자로서 자외선 intensity calibration을 하기도 했는데, optics를 만지는 게 아니라 ‘램프의 위치’을 조절했습니다.
Mask를 끼우고 stage에 기판을 올리고 align을 맞춰야 하는데 평상시에는 위 그림과 같이 scope가 내려와 있어서 align을 맞춥니다. Align이 맞으면 사용자가 expose를 하는데 이때 scope가 위로 올라가고 Front Mirror가 앞으로 튀어나와 노광하게 됩니다. 이와 같은 장비의 작동은 공기압력으로 작동하기 때문에 Aligner에 컴프레셔를 연결해서 사용했습니다. 진짜 펌프 소리 때문에 엄청나게 스트레스받았어요;;
램프에서 나온 자외선은 Ellipsoidal Mirror와 Cold Mirror를 통해 optics로 향하게 됩니다. Cold Mirror는 고주파 빛은 반사하고 저주파 빛은 투과하기 때문에 Cold Mirror라고 불린다고 하네요. 그리고 램프 쪽으로 Gas가 나오는데 이걸로 Lamp cooling을 합니다. 그래서 항상 Gas가 나와야 하는데, N2 가스를 쓰는 게 정석입니다.
저희는 350W 수은 램프를 사용했습니다.
작동 모드
제가 사용했던 SUSS MicroTec MA/BA6는 Expose와 Contact에 여러 mode가 있었습니다.
Expose mode: CP / CH mode
램프를 켤 때 사용자가 선택하는 expose mode에는 2가지가 있습니다(CP / CH mode).
CP mode
CP mode는 Constant Power로 램프에 일정한 power(350W)가 인가됩니다. 그래서 램프를 쓰면 쓸수록 기판에 인가되는 자외선 intensity가 점점 떨어지게 됩니다. 그래서 상대적으로 정밀도가 낮은 공정에서 사용하는 모드입니다.
CH mode
CH mode는 사용자가 intensity를 설정하면 그에 맞는 power가 램프에 가해지는 방식입니다. 램프에는 적정 power에 최대 20%까지 더 들어갈 수 있습니다. 저희는 350W 램프를 사용해서 420W 이상으로는 power가 인가되지 않습니다.
CP mode와 마찬가지로 램프를 쓰면 쓸수록 동일한 power에 나오는 intensity가 줄어들기 때문에 인가되는 power가 점점 커집니다. 그래서 420W 이상의 power가 필요하면 경고음이 켜집니다(그렇다고 420W 이상의 power가 들어가지는 않습니다). 일정한 intensity가 기판에 인가되기 때문에 상대적으로 정밀도가 높은 패터닝에 사용합니다.
Contact mode: Soft / Hard / vacuum contact
노광할 때, 마스크와 기판 사이의 거리를 contact mode를 통해 설정할 수 있습니다.
Soft contact
기판과 마스크의 Align을 맞출 때, 마스크와 기판 사이의 gap을 설정하고 모두 진공을 잡아서 마스크와 기판이 흔들리지 않도록 만듭니다. Soft contact는 노광 시 기판의 진공이 그대로 유지됩니다. 그러면 Align 맞출 때 설정한 수치만큼 기판과 마스크 사이에 gap이 유지됩니다.
Soft contact는 마스크와 기판을 보호하기 위해 사용합니다. 저희 연구팀 중 태양전지 연구팀은 기판이 쉽게 깨져서 Soft contact를 사용해서 노광을 진행했습니다.
Hard contact
Hard contact는 align을 맞추고 노광 시 기판의 진공을 풀어주고 기판 밑에서 질소 가스 pursing을 통해 마스크와 기판의 gap을 없애줍니다. 이럴 경우 마스크와 기판이 오염될 수 있지만 상대적으로 높은 resolution을 확보할 수 있습니다.
Vacuum contact
Vacuum contact는 기판을 올려둔 stage와 마스크를 완전히 밀착시켜 줍니다. 그러면 stage가 챔버역할을 해서 기판과 마스크 사이의 공간을 진공상태로 만들어 gap을 0으로 만들어줍니다.
포토 공정 시 resolution은 Soft < Hard < Vacuum contact 순으로 좋습니다.
Aligner issue
램프 관리
intensity 변경
CH mode를 사용할 시 사용자가 설정한 intensity를 맞추기 위해 적정 값보다 큰 power가 인가될 수 있다고 설명했습니다.
램프에는 적정 값보다 최대 20% 높은 power가 들어갈 수 있어서 420W 이상의 power가 필요하면 경고음이 울리게 됩니다. 제가 처음 연구실에 들어갔을 때 항상 420W power가 들어가서 노광할 때마다 경고음이 들렸는데 이미 잡힌 공정 환경이니까 그냥 사용했었어요.
제가 장비 담당자가 된 이후 업체 엔지니어에게 문의하니 경고음이 울리는 원인이 위와 같고, intensity 값을 수정할 수 있다는 답변을 받았습니다. 그래서 intensity를 낮춘 뒤, 사용자들에게 낮아진 intensity만큼 노광공정 시 expose time을 보정하라고 공지 메일을 보냈습니다. 그러니 확실히 램프에 인가되는 power가 낮아져서 경고음이 울리지 않더라고요.
Mirror 관리
제가 장비 담당자가 되기 전까지 Aligner담당자의 업무는 대부분 수명이 다한 램프 교체 및 주문, 그리고 문제 생기면 업체에 CS 요청하는 것이었어요. 한 번은 램프가 계속 안 켜져서 CS를 요청하고 엔지니어가 왔을 때 뭘 하나 보니 램프 주변에 있는 Mirror를 살펴보더라고요.
Aligner 구조에서 설명했듯이 내부 Optics는 건들면 안 되지만 램프 위아래에 있는 Ellipsoidal Mirror와 Cold Mirror는 주기적으로 질소가스와 DI water로 세척을 해줘야 한다고 하더라고요. 안 그래도 저희 연구실의 옐로우룸 환경이 많이 열악하거든요,,,,(클린룸도 아니었고 습도도 높았습니다) 그리고 램프를 cooling 해주기 위해 가스가 나오는 관이 있는데 원래는 질소가스를 사용해야 하지만, 비용이 들어서 컴프레셔를 달아서 사용했어요. 펌프로 주변 공기를 끌어다가 보내는 거여서 Mirror에 굉장히 안 좋은 영향을 주었습니다.
그래서 위의 두 Mirror를 주기적으로 세척해 주고 뒤에 설명하겠지만 Aligner에 들어가는 가스를 컴프레셔 가스가 아닌 필터를 통과한 가스를 사용하니 램프 수명이 많이 길어졌습니다.
장비 사용환경 (compressed air)
Aligner에는 2가지 가스를 사용합니다. 바로 질소와 compressed air인데요, 질소는 앞에서 말씀드린 대로 램프 cooling과 Hard contact에서 기판을 마스크와 밀착시키는 용도로 사용합니다. 그리고 compressed air는 Align을 맞출 때 기판을 확대해서 볼 수 있는 OM이나 Front mirror를 움직이는 공기압력으로 사용합니다. 물론 저희는 비용 절감을 위해 질소가스가 필요한 기능도 compressed air를 사용했어요.
Compressed air는 컴프레셔에서 나왔는데 여기에 달린 펌프가 주기적으로 돌아서 밀폐된 옐로우룸이 진짜 시끄러웠어요. 연구소에는 중앙에서 보내주는 House gas가 있으니까 이걸 쓰면 되는데 왜 안 쓰는지 알아보니 예전에는 업무시간에만 gas가 나오고 새벽에는 안 보내줬다고 하더라고요. Aligner가 포토 공정에 꼭 필요한 장비이다 보니, 사용자가 많아서 새벽에도 써야 하는데 House gas가 새벽에 안 나오면 쓸 수 없으니 컴프레셔를 달아서 썼다고 하더라고요.
그런데 이제는 24시간 내내 나온다고 해서 컴프레셔를 빼고 House gas를 사용하기로 했습니다. 박사님께 컴프레셔를 House gas로 대체해도 되고 필터를 달면 컴프레셔보다 오히려 램프 cooling에는 좋은 거라고 건의하니 허락을 받아서 추진하게 되었어요.
이렇게 하니까 사용자들이 소음으로 인한 스트레스가 없어졌다고 긍정적인 반응을 보이더라고요 ^^
램프 파워 에러
자외선 intensity 조정하고 쿨링 시스템과 거울 관리를 하니 업체 엔지니어 CS 요청할 만한 이슈는 발생하지 않았어요. 그래서 석사 2년 차 때는 대부분의 문제가 제 선에서 해결할 수 있었는데 졸업 직전에 수명이 다한 램프를 교체하니 파워 에러가 발생했어요. 램프를 처음 켤 때 ignition을 하고 안정화되면 장비를 사용할 수 있는데, 안정화가 되지 않고 에러가 나는 거예요.
엔지니어를 불러서 확인 요청하니 램프가 일정 시간 안에 안정화돼야 하는데 그렇지 않아서 에러가 난 거고, 그 이유는 램프 냉각하는 가스가 너무 강해서 그렇다는 거예요. 그런데 가스 유량은 업체 측에서 처음 설정해 준 건데…. 이런 상황을 설명하니 이번 서비스는 CS 비용을 청구하지 않기로 했어요, 이게 맞죠~~
제가 알기로 수은 램프는 방전에 의해 빛이 나는데 그러려면 수은이 기체 상태가 되어야 하거든요. 그러기 위한 높은 온도가 안정적으로 유지되어야 하는데 가스가 너무 강하니까 온도가 높아지지 않아서 에러가 난 게 아닌가 예상해 봅니다.
참고: 대구연구장비정보시스템
