TFT 기판 공정은 TFT가 형성되는 기판 위에 행하여지는 공정들로 다양한 TFT 어래이의 제조,화소 전극의 형성 등을 포함합니다. 가장 중요한 TFT 어래이의 경우, 기본적으로 비정질 실리콘 TFT 어래이 제조를 위주로 설명하며, 저온 다결정 실리콘을 위한 열처리 공정 등은 별도로 다루겠습니다.
TFT를 제조하기 위해서는 세정, 박막 증착, 사진 식각, 그리고 에칭으로 이루어지는 단위 공정들이 반복적으로 행하여지죠. 세정 공정은 각각의 박막들을 증착하기 전이나 패터닝 등 일정 공정 후에 오염된 유기물과 입자들을 제거하여 표면을 청결하고 평탄하게 하여 주는 공정입니다. 기판과 박막 간의 접착력, 거칠기, 오염이나 손상, 그리고 전기적인 쇼트나 누설 전류 등에 관여하므로 수율에 직접적인 영향을 주는 과정이죠. 세정 공정은 사용하는 물질이나 방법에 따라서 습식 세정과 건식 세정, 물리적 세정과 화학적 세정 등으로 구분이 되며 화학 용액이나 가스는 물론 브러쉬, 자외선이나 플라즈마, 그리고 초음파 등을 이용합니다.
박막 증착 공정은 크게 물리적 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)과 화학적 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 구분됩니다. PVD에서는 원재료를 녹여서 증기로 만들어 증착하는 증발법(evaporation)과 에너지를 가진 이온들을 원재료dls 타깃에 충돌시켜 그 에너지로 분리된 원자들을 증착하는 스퍼터링법(sputtering)이 대표적입니다. CVD에서는 주로 기체들간의 화학 반응을 수반하는데 반응 에너지로는 열이나 플라즈마 등을 사용하죠. TFT에서 금속 배선, 그리고 화소 전극으로 사용되는 ITO의 증착에는 스퍼터링이 주로 이용되고, 반도체 채널층인 비정질 실리콘막이나 절연체인 실리콘 질화막의 증착에는 주로 플라즈마 CVD(Plasma Enhanced-CVD, PE-CVD) 방법이 사용됩니다.
사진 식각 공정은 증착된 박막들을 일정 부분을 남기고 제거하는 패터닝 과정 전반을 의미하기도 하는데, 여기에서는 감광제(PhotoResist, PR)를 도포(coating)하고, 마스크를 정렬(alignment)한 뒤 노광(exposure)을 하고, 다음 과정으로 현상(develop)을 하여 노광된 PR을 제거하는 과정, 즉, PR 도포, 마스크 정렬, 노광, 현상까지를 설명합니다. 이후 패터닝된 PR로 마스킹을 한 뒤, 오픈된 박막을 제거하거나 남기는 과정은 에칭 공정으로 별도 구분하기로 합니다. PR의 도포는 스핀 코팅이나 슬릿 코팅을 이용하는데, 스핀 코팅의 경우, 상대적으로 균일한 도포가 가능하지만 재료 손실이 커서 생산성이 떨어지는 단점이 있습니다. 반면에 슬릿 코팅은 재료의 손실이 적어 생산성은 좋지만, 균일한 도포가 어렵죠. 노광 공정에서 근접(proximity) 노광은 마스크와 기판을 수십 마이크론 정도의 간격으로 분리, 설치하고 평행광을 사용하는 방식인데, 마스크 비용의 절감과 생산성 향상에서는 장점이 있지만 정밀도가 낮아서 주로 블랙 매트릭스나 컬러 필터 등 공정 마진이 큰 경우에 사용합니다. 거울 노광은 마스크의 패턴 이미지를 거울에 투영하여 노광하는 방식으로 거울의 크기를 키워서 일괄, 대형화를 이룰 수 있습니다. 이는 근접 노광에 비해 해상도가 향상되고 생산성 역시 우수하지만 마스크의 크기에 따른 비용 상승이 단점이죠. 스테퍼(stepper) 방식에서는 렌즈 광학계를 사용하므로 렌즈 투영(lens projection) 방식으로도 불리는데, 렌즈 크기에 한계가 있어 기판을 구역별로 나누어 분할 노광을 반복하는 과정(step and repeat)을 따릅니다. 이는 해상도가 우수하므로 미세 패턴이 요구되는 TFT 공정에 활발히 적용되는데, 특히 구역간 경계에서 발생하는 오차 영향을 최소화할 수 있는 설계와 공정 기법을 요구합니다. 다음 단계인 현상 공정은 노광 공정을 통하여 자외선에 노출된 PR을 선택적으로 제거하거나 남기는 과정이며, 분사(spray), 담금(dipping), 그리고 퍼들(puddle) 방식 등을 적용합니다.
에칭(etching, 식각) 공정은 노광과 현상 공정을 통하여 패터닝된 PR을 식각 마스크로 사용하여 아래에 위치한 박막들을 남기거나 제거함으로써 원하는 패턴을 얻는 과정입니다. 이는 이온이나 플라즈마와 같은 기체를 이용하는 건식 식각(dry etching)과 화학 용액을 사용하는 습식 식각(wet etching)으로 구분되며, 식각의 방향성, 선택도, 식각률, 정밀도와 생산성 등에서 각각 고유의 장단점들을 지니고 있습니다. 에칭 후 PR 제거(strip) 공정이 수반되는데, 이는 패턴 형성을 위해 사용되었던 PR을 제거하는 공정으로, 선행 공정중에 발생한 변성 물질과 오염 물질들을 제거하는 것을 목적으로 하죠. PR 제거를 위해서는 알카놀아민(alkanolamine)과 용재(solvent)가 혼합된 유기 용액이 주로 사용됩니다. 또한 식각 공정에서 발생되는 PR 변성 특성에 따라 플라즈마를 이용한 제거(ashing) 공정이 추가되기도 하죠. 잔류 PR은 오염원이 되어서 다양한 불량을 야기하므로 완전히 제거되어야 합니다.
이러한 기본 공정들을 적용하여 후방 활성층 식각(Back Channel Etched, BCE) 구조를 갖는 TFT를 만드는 과정을 진행하여 보겠습니다. 먼저 게이트 배선의 경우, 신호가 적은 손실로 전달되기 위하여 비저항이 낮은 알루미늄이 사용되는데, 높은 온도에서 돌출부(hillock) 발생을 억제하고 내화학성을 위해 알루미늄 합금이나 혹은 몰리브덴을 추가한 2중 금속 구조를 채택합니다. 사전 세정, 증착, 사진 식각, 그리고 에칭 과정을 거쳐 게이트 배선이 만들어지면, 게이트 절연층인 실리콘 질화막, 활성층, 즉 채널 영역인 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H), 도너가 강하게 도핑된 n형 실리콘(n+ a-Si:H)을 PE-CVD 공정으로 연속 증착하여 박막들간에 우수한 계면 특성을 확보합니다. 다음으로 사진 식각 및 에칭 공정을 통하여 박막 패터닝을 하죠. 소스 및 드레인 전극과 데이터 신호 배선으로는 n+ a-Si:H 막과 저항성 접촉(ohmic contact)이 원활하고 접촉 저항이 작은 몰리브덴이 주로 사용되나, 고해상도나 대형 패널의 경우, 배선 저항을 낮추기 위해 알루미늄처럼 비저항이 낮은 물질을 함께 적용함으로써 몰리브덴-알루미늄-몰리브덴 3층막을 적용하기도 하죠. 이들은 역시 사진 식각과 에칭 공정을 통하여 패터닝됩니다. TFT의 채널 영역은 수분이나 이온성 물질 등에 취약하므로 보호막(passivation layer)이 코팅되어야 하며, 주로 실리콘 질화막이 사용됩니다. 다만, 이후 모듈 공정에서 구동용 집적 회로의 연결을 위하여 연결 단자(bonding pad) 부분은 패터닝 공정을 통해 오픈되어야 합니다. 끝으로 화소 전극으로 사용되는 ITO의 증착과 패터닝 공정을 수행하면 TFT 어래이가 완성되죠. TFT 어래이 위에는 배향막 도포 및 러빙 공정을 통하여 액정 분자들이 들어갈 홈을 만들어 주는데, 이는 LCD의 동작 모드에 따라 생략되는 경우도 있습니다. 이는 액정 셀 공정에서 설명하기로 하죠. 이상과 같이 TFT 기판을 완성하기 위하여 수행되는 공정과 그 순서를 살펴보았습니다.
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a. TFT 공정은 특히 반도체 공정과 매우 유사하다. 공정이나 재료 측면에서 어떤 차이와 특이성들이 있을까
b. 시설면에서는 어떨까
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