(6) Color Filter 소재 구성
"이미지센서와 소재기술" 포스팅 시리즈
그 동안의 포스팅을 요약해보면, CIS 이미지센서는 고화소 추세에서 SNR 특성 개선에 주력하고 있고, 그 과정에서 이미지센서의 구조와 제조 공정이 계속 변화해오고 있습니다.
이 SNR 특성을 개선한다는 것은 소비자가 더 흔들림 없이 사진을 촬영하고, 더 어두운 장면에서 촬영하고, 또 더 정확한 색감을 담아내는 경험으로 이어지기 때문입니다.
이번 포스팅 부터는 CIS 이미지센서 제조 공정에 사용되는 소재에 대해서 알아보겠습니다.
물론 CIS 도 반도체에 해당하므로 대부분의 소재는 일반적인 반도체와 유사하므로, CIS에 특화된 소재인 Color Filter (Color PR), Microlens 소재, 그 외의 소재, 3 그룹으로 나누어 설명하겠습니다.
먼저 Color Filter 입니다.
Color Filter,
원하는 색만 Filter 해낸다.
Color Filter는 말 그대로 색을 Filtering 합니다. Color Filter에는 특정한 Color를 받아들이기로 약속되어있는 소자가 위치해있기 때문에, 사진의 색을 정확하게 표현하기 위해서는 정확하게 색을 Filter 해낼 수 있는 소재가 필요합니다.
Color + Photo Resist
아래 모식도에서 각 Color Filter의 너비는 um Scale이기 때문에, 반도체 공정에서 사용되는 Photo-Lithography 공정을 사용해서 형성합니다.
SK HynixPhotolithography는 um, nm Scale의 패터닝을 위해, Photo Resist가 도포된 Wafer 기판에, 짧은 파장을 가지는 Laser를 조사하여 원하는 모양을 새기는 기술입니다.
지금 껏 얘기해왔던 Color (색) 특성 이외에, Color Filter는 Photoresist로서의 Lithography 특성, 크게는 두 가지 모두 충족해야만 합니다.
Part 1: Lithography 특성
먼저 Lithography 특성부터 살펴보면, 짧은 파장의 자외선(UV)를 조사하여 패턴을 만드는데, 기본적인 원리는 빛을 받은 부분과, 받지 않은 부분의 물성 차이를 만들어 원하는 부분만 제거해서 패턴을 만듭니다.
물성 차이라는 것은, 정확하게는 Developer 라는 Alkali 계 Chemical에 대한 용해도의 차이를 말하는 것이며(=어떤 부분은 씻겨나가고, 어떤 부분은 씻겨나가지 않고), 이 용해도 차이를 이용하여 제거(정확하게는 현상, Develop) 합니다.
Negative Tone Lithography
일반적인 반도체에서는 빛을 받은 부분이 현상(=제거)가 되는 Positive Tone Lithography를 하지만, Color Filter 공정에서는 빛을 받은 부분의 강한 화합 결합을 유도하여, 씻겨나가지 않고 남아있게 하여 Negative Tone Lithography를 합니다.
www.toyo-visual.com이 Negative Tone Lithography 과정에서 Color Filter 소재에는 광 경화반응이 일어나는데, Color Filter (=Color Photoresist) Film을 구성하고 있는 여러 성분들(Monomer, Polymer)들이 UV 조사에 의해 Activation 된 Photo Initiator가 생성하는 Radical에 의해 Polymerization 반응을 일으키게 되어 경화됩니다.
이 상태의 Film은 Alkali 용액인 Developer에 대한 용해도가 크게 낮아지므로, Develop 을 하게 되면 빛을 받은 부분만 남길 수 있게 됩니다.
열과 빛을 통해,
내구성이 우수한 패턴을 만든다.
이 과정을 통해 미세한 패턴의 모양도 안정적으로 형성할 수 있지만, 또 중요한 것은 이 경화 반응을 통해 Polymer와 Monomer가 만드는 촘촘한 그물속에 색 특성을 구현하는 색소를 안정적으로 가지고 있을 수 있게 됩니다.
정확한 비교는 아니지만, 마치 그물에 걸린 물고기와 같다고 볼 수 있겠습니다.
그물은 Polymer+Monomer, 물고기는 Pigment라고 볼 수 있겠습니다. (자료 : Pixta)색 특성을 나타내는 패턴을 만들 수 있는 Lithography의 과정에서는, Polymer (Resin이라고도 함), Monomer, Photo Initiator가 관여합니다.
Part 2: Color 특성
Color 특성을 위한,
Pigment 구성 성분
패터닝이 완료된 Color Filter 속에는 Lithography 기능을 수행했던 Monomer와 Polymer들이 서로 엉켜 결합을 하고 있고, 그 외에 Color 특성을 구현하기 위해서 색소들이 들어가있습니다. 이 색소의 정확한 산업적인 명칭은 Pigment (안료)입니다.
자료 : Royal TalensDye(염료)도 들어보신 적이 있으실 겁니다. 염료와 안료의 가장 큰 차이는 녹느냐(Dye), 녹지않고 분산되느냐(Pigment)인데, Dye의 경우 녹기 때문에 착색력이 높아 섬유 산업에 널리 활용되어 왔습니다.
그러나, 물리/화학적인 안정성이 상대적으로 떨어져서 신뢰성이 중요한 반도체와 디스플레이에서는 Pigment(안료)가 더욱 많이 사용되고 있습니다.
Dye의 안정성을 높이려는 다양한 과학적 시도들은 계속되어 이루어지고 있고, 상업화될 수 있다면 색의 선명도를 높이고, 제조 공정 불량이 감소될 수 있을 것으로 기대됩니다.
Pigment,
녹지 않아 분산시킨다.
Pigment는 물, 기름과 같은 유기용매에 모두 녹지 않습니다. 높은 순도로 합성된 Pigment는 굳은 물감과 같은 상태인데, 녹일 수 없기 때문에 물리적으로 파쇄하여 Powder 형태로 만듭니다.
Powder를 최대한 작은 크기로 만들어, 응집되지 않도록 분산시키는 것이 색의 선명함을 높이는 방향이기 때문에 이 분산(Dispersion) 공정이 핵심 기술이라고 볼 수 있습니다.
분산을 하기 위해서는, 잘게 부서진 입자들이 서로 엉겨붙지 않도록 표면에 다양한 물질을 붙입니다. 붙여지는 표면처리 물질들은 Pigment의 색 특성에 변화를 주면 안되기 때문에, 투명하면서 Pigment와는 화학결합을 이루지 않아야합니다.
자료 : BASF엉겨붙지 않게 하는 원리는 전기적으로(자석), 또는 물리적으로(용수철) 척력을 작용하게 합니다.
Color 특성을 구현하기 위해서는 Pigment(안료), Dispersant(분산제)가 필요하며, 분산된 상태로 사용하기 위해서 Pigment Dispersion(안료분산액)은 Solvent를 포함해야 합니다.
Photo Lithography 관점에서는,
Pigment는 불순물
종합해보면, Color Filter (Color Photoresist)는 Color 특성을 위한 Pigment Dispersion(안료분산액)과, Lithography 특성을 위한 Photoresist의 화합물입니다.
그런데 UV(Ultraviolet)을 이용해 nm, um 스케일의 패턴을 만드는 Lithography의 입장에서는 Pigment는 불순물일 뿐입니다. 더욱 선명한 색을 내려면, Pigment가 더 많이 들어가야하는데, 이 과정에서 Lithography 특성은 상당한 손해를 봅니다.
그래서, Color Filter의 미세 패턴들은 일반적인 반도체 PR의 패턴보다는 훨씬 거칠고 울퉁불퉁한 모양을 띌 수 밖에 없습니다.
현재 Sony, 삼성전자에서는 1um 이하의 Pixel 기술을 구현하고 있으니 기술을 이해하고 보면, 그런 소재를 개발하는 소재사들과, Chip Maker 모두 새삼 대단하다는 생각이 듭니다.
자료 Fujifilm. RGB Color Filter 의 1.5um 패턴 SEM
일반적인 i-line PR의 Sharp 한 Pattern (자료: TOK)