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브런치북 이미지센서와 소재기술 08화

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by 머티 Mar 13. 2023

(7) Color Filter 소재의 요구 특성

"이미지센서와 소재기술" 포스팅 시리즈

지난 포스팅에서는 CIS 이미지센서를 일반적인 반도체와 다르게 하는, Color Filter 모듈의 구조와 그 핵심이 되는 Color Photoresist (Color Filter)에 대해서 알아보았습니다.

그렇다면 Color PR 을 개발할 때에 염두해두어야 하는 요구 특성에 대해 조금 더 짚고 넘어가겠습니다.

Color PR 요구 특성

Color PR의 요구특성은, 크게 아래 4가지로 분류할 수 있겠습니다.

(1) Lithography 특성

(2) 분광(Color) 특성

(3) Defective 특성

(4) 신뢰성

Lithography 특성

Color PR이 CFA(Color Filter Array) 형성 역할을 하기 위해서는 Photolithography 공정을 거쳐야하고, 일반적인 Photoresist로서의 기능을 수행해내야합니다.

Color PR의 Pattern Profile, Fujifilm

일반적인 PR로서의 요구특성으로서 Resolution(해상력), Profile, Pattern Roughness, Litho. Margin 등의 특성을 충족해내야합니다.

Resolution의 관점에서는 현 시점에서는 0.64um Pixel이 양산되고 있지만(Samsung Isocell JN1) CFA 의 Type을 살펴보면 Tetra, Nona 구조의 제품이 많으므로 실제로 0.64um의 Resolution이 반드시 필요한 것은 아닙니다.

삼성전자에서 공개하고 있는 CIS Catalogue를 참조하면 일반적인 Bayer RGB 구조에서 가장 미세한 Pixel Size를 가지고 있는 제품은 0.8um(GW2)로, Sub 1.0um 시대에 진입해있습니다.

해상력 외에도,

Profile / Margin 특성 중요

또한 Color Filter 역할을 수행해내기 위해서는 Ideal 하게 직각 모서리를 가지는 육면체여야만 하므로, Profile과 Pattern Roughness 또한 중요하다고 할 수 있겠습니다.

그리고 반도체 Lithography 소재로서는 기본적으로 DoF(Depth of Focus), EL(Exposure Latitude) 등 공정/설비적인 산포에 대한 Margin 도 충분한지 또한 검증되어야 할 부분입니다.

@Research Gate, DFM application on dual tone sub 50nm device

분광 특성

다음으로는 Color 특성과 관계되는, 분광 물성입니다.

기본적으로는 고객이 요구하는, 또는 시장에서 요구되는 적합한 Spectrum을 충족해야합니다. 다만, 분광에 따라 높은 안료 함량이 요구되는 경우, 그에 반비례하여 Litho. 역할의 구성성분이 감소할 수 밖에 없어 PR로서의 기능은 쇠퇴하게 되므로 적정선을 타협해야할 것 입니다.

@Image Sensor World

Micro Scale 분광 특성도 중요

Macro 한 Scale에서의, 즉 Film의 분광외에도 Micro Scale 에서도 분광특성은 고루 분포해있어야 합니다.

용해되어 있지 않고 분산되어 있는 안료 입자들이 30cm 너비의 12inch Wafer에 엉겨붙지 않고 고루 분포해있어야 하는 것입니다.

이런 엉겨붙음은 분광의 산포를 유발할 뿐만 아니라, Scale에 따라서는 Defect을 유발할 수도 있게 되므로 분광이 얼마나 Uniform 하게 분포해있는가? 또한 점점 중요해지고 있는 Point 입니다.

@Fujifilm

https://www.imagesensors.org/Past%20Workshops/2011%20Workshop/2011%20Papers/I01_Taguchi_ColorFilter.pdf

Defective 특성

여러번 말씀드리지만 CIS는 반도체 공정으로써, 소자 특성에 영향을 끼칠 수 있는 불순물/Particle Source 유입 차단을 위해 높은 청정도를 가지는 Fab 에서 제조됩니다.

그러므로, 소재 또한 반도체급으로 정제된 원료들을 이용해 제조되어야하고, 공정을 진행하면서 Defect을 유발하지 않아야 하는 등, 기본적인 성능 외에 제조 품질 또한 중요한 요소로 작용하게 됩니다.

일반적인 Photolithography 불량 @Researchgate

그 외에도, 불순물과 관련된 요소는 아니지만 Coating Uniformity (얼마나 고르게 도포가 되는가) 또한, 분광의 산포와 직결될 수 있어 반드시 검증되어야할 부분으로 점차 그 중요성이 중요해지고 있습니다.

신뢰성

소비자 입장에서 가장 중요한 부분이 아닌가 싶습니다. 휴대폰은 2년 정도 사용하면 교체해줘야 해. 라고 하는 막연한 이야기를 들은 적이 있습니다.

따져보면, 이런 미신은 모바일 기기를 구성하고 있는 부품인 반도체의 수명에 대한 우려, 또는 불신이 소비자의 마음 속 어딘가에 자리잡고 있기 때문에 아닌가 하는 생각이 듭니다.

소자에 대한 내구성, 즉 신뢰성 뿐만 아니라, 소재에 대한 신뢰성도 매우 중요합니다.

시간이 많이 흐르더라도, 또는 알래스카의 맹 추위속에서, 한증막처럼 무더운 여름날씨에도 Color PR은 손상되지 않고 그 역학을 다해야할 것 입니다.

이런 요구 특성들을 규격화하여, Heat/Light/Humidity/Chemical 등으로 카테고리화하여 소재 신뢰성 특성을 확보하고 있고, 자율주행 기술의 발전으로 점차 탑재가 늘어나고 있는 Automotive CIS 제품의 경우 더 까다로운 신뢰성 요구조건을 검증하게 됩니다.