a-Si TFT의 제조공정 소개 및 정보

LCD 화면에서 기본단위는 화소이다. TFT-LCD의 화소와 등가회로를 나타내고 있다. 단위 화소의 등가회로에 구성은 TFT를 비롯하여 액정층과 storage capacitor가 병렬로 연결된 구조이다. 우수한 화질을 가진 TFT-LCD 패널을 만들이 위해서는 TFT와 액정의 특성을 고려하여야하고, 또한 구동회로의 특성도 맞추어야 한다. TFT array 공정은 여러 종류의 박막을 증착하는 과정에서 노광공정과 식각공정을 반복하여 만들어진다. 공정과정에서 사용하는 pohto mask의 수는 TFT의 구조에 따라 다르며, 일반적으로 BCE 방식은 5~6장 정도이고, ES 방식은 5~7장을 사용한다. 이제 TFT 재료에 있어 중요한 공정들에 대해 살펴보자. 1. 박막 공정 TFT를 만들기 위해서는 유리기판 상에 박막을 증착하며, 이때 박막을 형성하는 기법으로 주로 화학적 증착 방법 중에서 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)와 물리적 증착 방법에서는 sputtering 방법이 많이 사용된다. PECVD는 SiNx와 a-Si:H 박막을 형성하기 위해 사용하며, 화소 전극인 ITO, 금속전극 및 금속배선 등은 sputtering 방법으로 증착한다. 2. 노광 공정 노광 공정은 photo mask를 유리기판의 align key에 맞추어 정렬하고 광원을 조사하는 과정이다. 노광장비는 빛을 조사하는 방식에 따라 proximity 방식, stepper 분할방식 및 mirror projection 방식으로 구분한다. proximity 방식은 가장 많이 사용해온 노광 방식이며, 이때 photo mask는 유리기판 위에 수십 um 정도를 띄워 평행한 빛으로 비추게 된다. 이러한 방식은 해상도가 낮기 때문에 주로 color filter나 공정에 black matrix를 형성하거나 STN 제조과정의 주사선이나 신호선을 만드는 공정에서 주로 사용한다. Stepper 분할방식은 projection lens를 사용하여 유리기판에 상을 맺게 하는 방식으로 lens projection 노광 방식이라 부르기도 하며, 해상도가 우숳지만 대형기판에서는 생산성이 떨어지는 단점을 가진다. 그리고 mirror projection 방식은 대형 mask의 영상을 mirror에 투영하여 노광하는 방식이다. 광원이 mask 전체를 scanning 하면서 빛을 비춘다. 생산성이 높으나 mask가 크기 때문에 제작비용이 많이 들고 해상도가 떨어지는 단점이 있다. 식각공정은 증착된 박막 중에 필요 없는 부분을 제거하기 위해 화학 용액을 사용하는 습식식각(wet etching)이나 plasma 방전을 이용하여 제거하는 건식식각(drt etching)으로 구분한다. 습식식각은 다시 화학 용액에 중에 담그는 dipping방식과 화학 용액을 뿌리는 spray 방식으로 나뉜다. 건식식각은 진용기 중에 박막과 반응가스를 넣고 plasma 방전을 일으켜 이온화된 기체가 박막과 충돌하여 불필요한 부분을 제거하는 방식이다. 습식식각은 생산성이 우수하고 제조비용이 저렴하다는 특징을 가지며, 반면에 건식식각은 pattern의 정밀도가 상당히 우수하다. 세정공정은 제조공정 중 먼지나 유기물 등의 불순물을 제거하는 과정이며, 수율의 직접적인 영향을 주게 된다. 모든 박막 증착을 진행하기 전에 반드시 거쳐야 하는 공정으로 막의 계면에서 미착상을 향상하는 중요한 요소이다. 세정작업은 크게 물리적인 방식과 화학적인 방식으로 구분한다. 물리적인 세정공정은 초음파나 brush를 사용하며, 화학적인 세정공정은 중성이나 산성 및 알칼리성 화학 용액을 사용하거나 plasma 가스를 이용한다. 세정설비는 batch식과 매엽식으로 나뉘며, batch 식은 한꺼번에 여러 장의 기판을 운반 틀에 넣어 세정하는 방법으로 생산성이 우수하다. 또한, 매엽식은 낱장의 기판을 개별적으로 세정하는 공정으로 세정 정확도가 높은 편이다. TFT 공정은 구조에 따라 다소 차이가 있지만 BCE 방식은 5장의 Mask step을 이용하여 공정순서가 이루어진다. 이러한 mask step 사이에서 요구되는 여러 종류의 재료에 대한 증착과 pattern 공정이 각각 진행된다. Al과 같은 비저항이 낮은 재료는 신호 지연을 시킬 수 있는 금속이지만 순수한 Al은 화학적인 내성이 약하다. 따라서 화학적 내성이 강하고 열적으로 안정성이 우수한 Al-Nd과 같은 합금을 게이트로 사용하기도 한다. 게이트 절연막은 주로 PECVD를 이용하여 SiNx를 증착하는데 PECVD 법은 SiNx와 a-Si:H를 연속하여 사용할 수 있으며, 계면 특성이 우수한 TFT를 제조할 수 있다. 소스와 드레인의 재료는 Al, Al 합금, Cr, Mo 및 Ta 등이 사용되며, sputtering 방식으로 증착된다. 그리고 passivation 보호막은 TFT의 손상이나 수분 등의 흡수를 차단하기 위해 형성하며, 특히 게이트와 데이터 선을 보호할 목적으로 사용한다. 재료는 SiNx가 주로 이용된다. 화소 전극은 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)를 sputtering 법으로 증착되며, 열처리하여 광투과도를 높이기도 한다. ITO는 공정기술의 개발 측면보다는 저저항 박막증착이나 투과율 향상 등이 더욱 중요시된다.