현대의 평판 디스플레이는 대형 유리 기판 위에 형성되는 매우 복잡한 다층 구조에 의존합니다. 디스플레이 세대가 발전하고 크기가 커짐에 따라 리소그래피는 대면적 처리 능력뿐만 아니라 점점 더 엄격해지는 해상도, 균일성 및 정렬 요구사항을 충족해야 합니다.
이러한 공정을 간소화하는 데 도움이 되는 기술 중 하나가 하프톤 포토마스크(HTM)입니다. 하나의 마스크에 불투명 영역과 부분 투과 영역을 결합함으로써 하프톤 리소그래피는 한 번의 노광으로 서로 다른 포토레지스트 두께를 형성할 수 있으며, 간소화된 마스크 공정에서 여러 가공 단계를 구현할 수 있습니다.
디스플레이 제조에 새로운 리소그래피 방식이 필요한 이유
액티브 매트릭스 OLED(AMOLED) 디스플레이는 여러 기능층으로 구성됩니다. 백플레인에는 개별 서브픽셀을 제어하는 박막 트랜지스터(TFT) 회로가 포함되며, 프론트플레인에는 빛을 방출하는 소자가 포함됩니다. 하나의 완전한 디스플레이를 제조하려면 전체 제조 공정에서 20장 이상의 개별 포토마스크가 필요할 수 있습니다.
기판의 크기는 이 공정을 특히 어렵게 만듭니다. 예를 들어 Gen 8.5 디스플레이 제조에서는 마더 글라스의 크기가 약 2200 × 2500 mm에 달하며, 하나의 기판에 55인치 TV 패널 6개를 배치할 수 있습니다. 이러한 크기에서는 포토마스크 자체도 매우 크고 고가가 되는 반면, 각 리소그래피 단계에서 전체 영역에 걸쳐 엄격한 정렬 정밀도와 균일성을 유지해야 합니다.
따라서 리소그래피 공정 단계를 줄이면 처리량과 제조 경제성을 모두 향상시킬 수 있습니다.
바로 여기에서 하프톤 포토마스크가 중요한 역할을 합니다.
하프톤 포토마스크는 어떻게 작동하는가?
기존의 바이너리 포토마스크는 일반적으로 투명한 석영 기판과 패턴을 정의하는 불투명 크롬 영역으로 구성됩니다. 하프톤 포토마스크에는 크롬 산화물 화합물과 같은 부분 투과층이 추가되며, 그 광학 특성을 정밀하게 설계할 수 있습니다.
부분 투과층은 두 가지 중요한 기능을 수행합니다.
첫째, 주변 석영에 대해 위상 시프트가 발생하도록 두께를 설계할 수 있습니다. 이를 통해 패턴 경계에서 상쇄 간섭이 발생하여 선명하고 높은 대비의 레지스트 패턴을 형성하는 데 도움이 되며, 동시에 초점 심도를 높이고 공정 윈도우를 넓힐 수 있습니다.
둘째, 조성을 조절하여 광학 투과율을 제어할 수 있습니다. 디스플레이용 포토마스크의 경우 투과율은 일반적으로 약 20~50% 범위에서 조정됩니다.
그 결과 중요한 장점이 생깁니다. 한 번의 노광으로 여러 단계의 레지스트 두께를 형성할 수 있습니다.
한 번의 노광으로 여러 레지스트 레벨 형성
하프톤 포토마스크를 통해 노광하고 현상한 후, 포지티브 포토레지스트에는 세 가지 서로 다른 영역이 형성될 수 있습니다.
- 마스크의 불투명 영역에 해당하는 완전한 레지스트 두께
- 하프톤 영역을 통해 빛이 부분적으로 투과되는 영역에 해당하는 감소된 레지스트 두께
- 마스크가 완전히 투명한 영역에 해당하는 레지스트가 없는 영역
이러한 계단형 레지스트 프로파일을 통해 하나의 리소그래피 공정으로 서로 다른 후속 가공 작업을 수행할 수 있습니다.
디스플레이 제조에서 하프톤 포토마스크는 일반적으로 4-마스크 TFT 공정에 사용됩니다. 중요한 응용 분야 중 하나는 액티브 반도체 채널과 소스/드레인 금속 콘택트를 동시에 정의하는 것입니다.
노광 후 순차적인 식각 및 레지스트 박막화 단계를 통해 관련 재료층을 선택적으로 제거합니다. 핵심 구조가 동일한 마스크 노광에서 형성되기 때문에 결과적으로 형성되는 패턴은 본질적으로 자기 정렬됩니다. 이를 통해 대형 유리 기판 전체에서 채널과 콘택트 사이의 정렬 오차를 제거할 수 있습니다.
이러한 공정 간소화와 자기 정렬의 결합은 대면적 디스플레이에서 하프톤 리소그래피가 갖는 주요 장점 중 하나입니다.
과제: 포토마스크 자체의 제조
하프톤 리소그래피의 장점은 포토마스크 제조업체에 높은 수준의 요구사항을 제시합니다.
제조는 대형 유리 기판 위에 부분 투과 하프톤 막과 불투명 크롬층을 증착하는 것에서 시작합니다. 이러한 크기에서는 기존의 스핀 코팅을 더 이상 적용하기 어려우므로 슬릿 코팅과 같은 기술이 사용됩니다. 이후 레이저 리소그래피를 통해 기판을 패터닝하고, 현상 및 각 층에 대한 고도로 정밀하게 제어된 식각을 진행합니다.
요구되는 성능 수준은 매우 높습니다. 첨단 디스플레이용 포토마스크의 경우 대형 기판 전체에서 ±50 nm 미만의 임계 치수(CD) 균일성이 필요하며, 미터급 영역에서 일반적으로 500 nm보다 우수한 오버레이 정밀도가 요구됩니다. 결함 제어 역시 매우 중요합니다. 마스크의 작은 결함 하나라도 최종 디스플레이 제조 공정에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
이러한 요구사항으로 인해 마스크 라이팅 시스템의 정밀도와 안정성이 매우 중요합니다.
VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD: 디스플레이 스케일에서의 정밀도
다층 하프톤 포토마스크 제조와 관련된 오버레이 및 균일성 문제를 해결하기 위해 Heidelberg Instruments는 차세대 디스플레이 응용 분야를 위한 VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD를 개발했습니다.
이 시스템은 넓은 라이팅 영역과 안정적인 기계적·열적 환경을 결합합니다. 최대 1400 × 1800 mm²의 라이팅 영역, 화강암 척, 온도 제어 환경 챔버를 갖추고 있으며, 대형 기판에서 발생하는 열적 런아웃을 줄이도록 설계되었습니다. 툴 매칭 기능을 통해 마스크 라이팅 장비 간 좌표계의 차이를 보정할 수 있으며, 여기에는 오프셋, 회전, 스케일링 및 왜곡이 포함됩니다.
노광 시스템의 핵심에는 고속 Grating Light Valve(GLV), 355 nm DPSS 레이저 및 맞춤형 양면 코팅 라이팅 렌즈가 사용됩니다. 이 광학 엔진은 8 nm 어드레스 그리드와 800 nm의 최소 라이팅 피처 크기를 제공하며, 처리량은 2750 mm²/min에 달합니다. G8 디스플레이 패널에 사용되는 1200 × 1400 mm 포토마스크의 경우 이는 약 10시간의 노광 시간에 해당합니다.
그러나 하프톤 마스크 제조에서는 처리량만으로는 충분하지 않습니다. 두 번째 노광층을 그 아래에 있는 불투명 크롬 패턴에 대해 정밀하게 배치해야 합니다.
VPG⁺ 플랫폼은 노광 광학계를 통해 기판의 위치를 직접 측정하는 렌즈 관통형(through-the-lens) 정렬 카메라를 통해 이러한 문제를 해결합니다. 이를 통해 계측과 노광 사이에 고정된 관계가 형성됩니다. 또한 이 아키텍처는 이미지 인식 및 1 nm 간섭계식 위치 제어 시스템을 지원할 수 있습니다. 이를 통해 1000 × 1000 mm² 영역에서 평균값 + 3σ 기준 400 nm의 2차 레이어 정렬 정밀도를 구현할 수 있습니다.
하프톤 포토마스크가 디스플레이의 미래에 중요한 이유
디스플레이 제조가 더 큰 기판과 더욱 정교한 소자로 확장됨에 따라 리소그래피 공정이 하나 추가될 때마다 비용과 시간이 증가하고 정렬 오차가 발생할 가능성도 커집니다.
하프톤 포토마스크는 한 번의 노광으로 여러 레지스트 레벨을 형성하는 동시에 핵심 TFT 구조의 자기 정렬 공정을 가능하게 합니다. 이에 따라 마스크 제조업체에는 CD 균일성, 오버레이, 결함 제어 및 대면적 열 안정성 측면에서 매우 높은 수준의 성능이 요구됩니다.
따라서 적합한 마스크 라이팅 기술의 개발은 차세대 대면적 디스플레이를 구현하는 데 중요한 요소입니다.
이 주제를 더 자세히 알아보고 싶으신가요?
The Lithographer: From Lab to Fab 4호에서 “Halftone Photomasks: Enabling Flat Panel Display Manufacturing” 전문을 읽어보세요.
