노광이란?

[견우76]

노광기술은 현대산업에서 추구하는 이른바 경박단소를 구현할 수 있는 핵심기술로서, 소재 가공기술의 기계적 한계를 넘어 수십 미크론에서 수십 나노미터까지도 전자회로를 구현할 수 있다. 이는 PCB 제조산업뿐만 아니라 반도체 산업 및 기타 미세형상 가공이 요구되는 전 산업에 적용 가능한 기술로, 감광제와 광학부품 등의 발전으로 일반인이 상상하지 못하는 미세분야까지 발전하고 있으며, 이 기술 등을 이용해 정밀 PCB의 소형화 및 저소비전력 제품의 구현, 반도체 부품의 초고집적화, 마이크로 로봇의 개발, 고분해능 평판 디스플레이 제품 생산이 가능하게 되었다. 노광기술은 향후 비약적인 발전에 따라 관련 산업으로의 파급효과가 매우 클 것으로 전망되며, 첨단 기술개발을 위한 고급 기술인력의 필요성이 대두될 것으로 보인다. 여기서는 PCB 생산용 노광장비로 범위를 국한해 관련 생산장비에 적용되는 기술 위주로 소개하기로 한다. 

<조 영 석/ 노광장비개발연구소( youngsuk@ots -kr.com)>

- PCB 노광장비 기술 - 

■ 노광이란?

노광(Exposure)이란, 미세회로를 형성하기 위해 기판에 Dry Film(Film Type Photo Resist)을 Laminating하거나 액상형 감광제를 코팅한 후 이 기판 위에 패턴이 미리 형성된 포토 마스크를 진공으로 밀착(Contact Printing) 또는 가볍게 접합(Soft Contact Printing)하거나 일정 간격을 띄워서(Proximity Printing) 정렬한 다음, 감광제가 광화학반응(Photo Chemical Reaction)을 일으킬 수 있는 특정 파장영역(310∼400nm)의 빔을 일정량(시간) 노출시켜 감광작용을 유도하는 과정을 말한다.

이를 이용한 기술로서 관련 산업분야에서는 몇 가지 용어를 사용하고 있다.

>>리소그래피(Lithography)：기판 표면 위에 3차원적인 이미지를 형성하는 프린팅 기술로서 Lithos(=stone)와 Graphos(=writing)의 합성어이다.

>>포토 리소그래피：감광액을 코팅한 기판에 빛을 조사하여 원하는 이미지를 형성하는 기술

>>마이크로 리소그래피：리소그래피 방법에 의해 미세 패턴을 형성하는 반도체 제조기술

■ 감광제란?

감광제(Photo Resist)란, 빛에 의해 분자구조가 바뀌어 현상액에 선택적 용해가 가능한 물질을 말한다. BC 5000~4000년경 이집트인들은 린넨천을 아스팔트가 함유된 용액에 담근 후 이 천을 햇빛에 쪼이면 천이 딱딱하게 굳는다는 것을 발견했는데, 이것은 아스팔트 분자가 햇빛에 의해 서로 결합되었기 때문이다. 이들은 이 천을 이용해 죽은 사람의 시체에 감아 미이라를 만들었다.

최근에는 미국의 KODAK에서 프린팅 회로 생산을 위해 최초로 감광제를 개발했고, 그 후 SHIPLY, HUNT, McDermid, TOKYO OHKA, Mitshibishi, Hitachi, UCB-JSR 등의 공급자가 개발 및 시판에 참여하고 있다.

감광제는 솔벤트(Solvent), 폴리머(Polymer), 신시타이저(Sensitizer)로 구성되어 있다. 특히, 솔벤트는 점도 결정에 중요한 변수로 작용하며, 폴리머는 모노머(Monomer)가 수천 개씩 결합한 상태로 현상 후 패턴으로 남아 있는 레지스트의 실체이다. 신시타이저는 일명 PAC(Photo Active Compound)라고도 하며, 현상공정에서 폴리머를 녹게 하거나(Positive) 또는 녹지 않게 하는(Negative) 중개자 역할을 한다.

- 노광방식의 분류 및 각 방식의 특성 - 

■ 접촉식 노광(Contact Exposure)

접촉식 노광은 마스크와 패널을 밀착하여 노광하는 방식으로, 마스크와 패널을 강제적으로 진공 밀착한 다음 노광하기 때문에 하드 접촉식 노광이라고도 한다. 

하드 접촉식과 소프트 접촉식 노광은 주로 패턴의 선 폭이 10㎛ 이상 되는 배선기판의 제조공정에 많이 사용된다. 

또한, PDP의 제조에도 적용 가능하나 감광제의 두께가 두꺼우면 설계와 상이한 패턴이 생성되는 경우도 있다. 패턴이 마스크에 밀착되어 있어서 빛의 회절을 줄이게 되므로 마스크 패턴을 비교적 정확히 전달하는 것이 가능하지만, 밀착으로 인해 마스크와 PR층이 손상을 입을 수 있다. 그러므로 사용 가능한 광원 조사장치로는 평행광과 산란광이 있다. 

■ 근접식 노광(Proximity Exposure)

마스크와 패널 간격을 일정하게 유지하여 노광하는 방식을 근접식 노광이라 하는데, 미소한 힘 또는 자중으로 가볍게 접촉하여 노광하므로 소프트 접촉식이라고도 한다. 

포토 마스크와 기판 사이에 특정거리 간격을 유지해서 포토 마스크의 손상을 방지하고, 평행광을 사용하여 해상력을 향상시키며, 밀착을 위한 진공과정 생략이 가능하므로 생산성이 높다. 섀도 마스크, PDP와 TFT-LCD용 컬러 필터의 제조에 주로 많이 사용된다.

■ 투영식 노광(Projection Exposure)

광원으로부터 방출된 빛을 F.E.L.을 통과시켜 빔의 균일성을 향상시킨 후 콘덴싱 렌즈를 통해 집광한 빔을 마스크 역할을 하는 레티클(Reticle) 상의 패턴을 통해 프로젝션 렌즈로 조사, 이 빛을 기판에 필요한 크기로 변환하여 기판 표면에 패턴 형상을 전사시켜서 노광에 이용하는 장치를 말한다. 

미세한 패턴을 형성하기 위해 프로젝션 렌즈로 상을 축소하기 때문에 한번에 기판의 크기만큼을 노광하는 것이 곤란해 여러 번으로 나누어 노광을 반복하므로 Step과 Repeat의 합성어로 스테퍼(Stepper)라 부른다. 현재 사용하고 있는 노광방식 가운데서 가장 미세한 패턴을 형성하는 것에 속하므로 Sub-Micron급 패턴 구현에 적용되며, 반도체 등 수 ㎛ 이하의 미세회로 구성 등에 사용된다. 분해능(Resolution) 향상을 위하여 패턴 L/S보다 4배, 10배 등의 마스크를 이용한다.

- 노광장비 구성 기술 -

노광장비를 구성하는 주요 기술인 자동 정렬기술과 휨 보정 및 방지기술, 광학계를 비롯하여 노광 램프와 진공기술, 글라스 품질과 정밀 메커니즘, 그리고 전력공급기술과 온도관리기술, 분진관리기술 등에 대해 자세히 살펴본다.

■ 자동 정렬기술

내외층 노광을 하는 경우 상·하면 또는 인접면에서 회로의 연속성이나 정렬 정밀도는 매우 중요하다. 이를 위해 CCD 카메라를 이용하여 마스크 면과 기판 면에 정해진 마크의 영상을 획득하고 이미지 처리기술을 이용해 정렬 정도를 파악하여 자동으로 마스크나 기판을 지정된 위치에 맞추는 기술을 말한다. 자동 정렬기술은 노광의 품질을 좌우하는 매우 중요한 기술이며, 노광장비의 수준을 가늠하는 척도라고 해도 과언이 아니다.

■ 휨 보정 및 방지기술

노광면과 글라스가 각 위치별로 휨 정도가 다를 경우, 노광 후의 품질이 비정상적이 되므로 노광 전 두 면의 평행도를 일정한 범위 내로 맞추는 것이 중요하다. 이는 수직형 장비구조를 선택함으로써 어느 정도는 해결되지만 보다 정밀한 간격 정밀도가 요구되며, 이를 계측하기 위한 제어기술이 확보되어야 한다.

■ 광학계

광원에서 노광면에 이르는 빛은 여러 광학부품을 지나게 되면서 원하는 광학적 거동특성을 보이므로 광 경로나 광 손실, 조도 분포도, 빛의 세기 등 여러 가지 광학부품의 정밀 조정이 중요하다. 또한, 이는 전문적인 영역이므로 숙련된 기술진에 의한 조종에 필요하다.

■ 노광 램프

노광용 램프는 고가의 제품일 뿐만 아니라 온도나 취급요령 등 각 조건에 따라 그 수명이나 안정된 광량이 결정되므로 램프에서 요구되는 제반조건을 정확히 준수하는 것이 중요하다.

■ 진공기술

접합식 노광방식에서 두 글라스 사이에 있는 기판은 밀착되어야만 고분해능을 얻을 수 있으므로 전 면적에 걸쳐 진공이 형성되는 것은 매우 중요하다. 진공의 세기나 진공 형성시간은 장비의 생산성에 영향을 주는 인자이므로 누설 없이 빠른 시간에 형성되어야 한다.

■ 글라스 품질

필름 타입 포토 마스크를 글라스에 부착하는 경우, 베이스 글라스의 표면에 이물질이나 흠이 있게 되면 노광면에 이 형상이 전사되므로 글라스의 품질 또한 정밀하고 세심한 관리가 필요하다.

■ 정밀 메커니즘

기판의 이송 예비정렬, 비전 카메라에 의한 정렬 정밀도는 영상분석에 따라서 달라지기도 하나 이송 정밀도나 반복 정밀도 등은 절대적으로 기계에 의존하므로 정밀기계기술 역시 확보돼야 한다.

■ 전력공급기술

램프는 전기를 인가하게 되면 램프 고유의 특성에 따라 발광하게 된다. 일반적인 트랜스포머를 사용한 경우와 SMPS 방식, SCR 방식, IGBT 방식이 있는데, 이 중에서 IGBT 방식이 전력공급 안정성은 가장 우수하나 가격이 비싸다.

■ 온도관리기술

노광용 필름은 온도나 습도의 변화에 매우 민감한 수축·팽창 특성을 갖게 되므로 노광작업 전체 시간 동안 노광실 내부의 온도관리가 매우 중요하다. 특히, 램프는 부적절한 온도관리가 수명에 가장 큰 영향을 미치므로 지정된 온도대로 관리하는 것이 매우 중요하다.

■ 분진관리기술

분진은 노광 도중 장비 외부에서 유입되거나 자체적인 발생으로 노광의 품질에 영향을 주게 된다. 따라서 장비가 안착된 작업실은 분진 제거와 분진 발생 억제를 위해 노력해야 하며, PCB에 묻은 분진을 효과적으로 제거한 후 노광작업에 임하는 것이 중요하다. 내부적으로 각종 액츄에이터와 진공 펌프, 기압부품 등이 분진 발생원이 될 수 있으므로 장비제조시 소요부품은 지정된 부품을 선정하여 사용하고 분진이 발생되더라도 노광면에 유입되는 구조는 피하는 것이 좋다.

■ 기타

습도 및 장비진동에 의한 정렬 정밀도 등은 품질에 영향을 주는 인자이므로 설계단계에서부터의 검토가 선행되어야 한다. 

- 국내 기술개발 동향 -

현재 국내의 노광장비 제작기술은 노광 선진국의 장비와 비교하여 일괄 노광방식의 경우, 대등한 위치에 있다고 볼 수 있고 평행광원을 이용한 분할 노광방식의 경우, 개념이나 방식에 따른 기술적 격차가 크지 않으므로 필요에 따라 충분히 개발이 가능하다고 판단된다.

그러나 투영 노광방식의 경우는 다르다. 이 기술은 무엇보다도 국내의 광학부품 설계와 가공기술의 낙후성으로 인해 수십 나노미터급의 노광장비 개발은 아직도 요원하다고 판단된다. 그러므로 이 정도 수준의 장비를 개발하기 위해서는 단순히 광학기술뿐만 아니라 정밀계측 기술과 정밀·고속 자동정렬 기술, 초정밀기계 구동기술, 그리고 레이저 기술과 장비제어기술 등 어느 것 하나라도 부족하면 안되므로 얼마간의 시간이 더 필요하다고 판단된다.

또한, 수 마이크로미터급의 노광장비는 시작단계에 있으며, 일부 업체에서 개발에 성공했다는 보도를 접한 바 있으므로 이 분야는 곧 개발이 완결되리라고 본다. 정밀소재 가공기술은 포토 리소그래피 기술에 의해서 가능하게 되므로 일괄 노광방식이 아닌 투영식 노광방식은 반드시 개발되어야 하는 리소그래피 기술의 목표이다.

- 향후 노광장비 기술 과제 및 전망 -

노광장비 기술 중 가장 중요하며, 우선적으로 풀어야 할 기술은 고정도 대응기술, 대면적화 대응기술, 글라스 반송기술, 고생산성 대응기술, 오염 및 정전기 대응기술 등 5분야로 나눌 수 있다. 다음은 각각에 대해 보다 상세하게 살펴보도록 하자.

■ 고정도 대응기술

패턴의 미세화에 대응하기 위해 정렬 정밀도 향상 등 위치결정기술의 고도화 필요가 필요하며, 고품질의 평행광을 조사하기 위한 광학설계 기술 향상이 요구된다. 

또한 글라스 스테이지 및 마스크의 온도관리가 절대적으로 요구되며, 고해상도의 패턴 형성이 가능한 결상광 방식 또는 고품질의 평행광을 이용한 평행광 노광장비 개발이 시급하다.

■ 대면적화 대응기술

PDP 및 LCD를 중심으로 하는 FPD는 대형화 추세에 있어 원판 마스크가 자중에 의해 처짐이 발생할 가능성이 증가하므로 수직형의 노광방식을 채용하거나 자중의 영향을 보상하는 마스크 지지 시스템의 고안이 요구된다.

■ 글라스 반송기술

대형의 얇은 글라스를 고속으로 이송, 동시 예비 정렬을 만족하는 글라스 반송기술의 핵심이다.

■ 고생산성 대응기술

넓은 면적의 제품을 고생산성으로 생산하기 위해 대면적 일괄 노광방식으로 전개되고 있다. 노광시간 단축을 위해 높은 Intensity를 얻기 위한 조명 광학계 설계기술이 필요하며, 고속·고정도의 위치결정기술이 요구된다.

■ 오염 및 정전기 대응기술

제품이 파인 패턴(Fine Pattern)을 추구할수록 먼지 및 유기오염에 대한 대책이 필요한데, 노광 체임버(Chamber)의 기류 해석 및 적정 재질의 선정으로 먼지에 의한 패턴의 영향을 최소화하며, 정전기 또한 LCD에서는 ±50V 이하로 관리할 정도로 중요한 요소이다.

■ 저비용 장비 제작기술 

향후, 노광기의 투자는 지속적인 증가가 예상되고 있다. 따라서 제품 생산공장의 초기 투자를 절감할 수 있도록 최소의 제작단가와 함께 사용 램프 교환비 및 청정실 관리비 등 유지비를 절감할 수 있는 노광장비 제작이 필요하다.