TFT 기판 제작 공정 및 진동제어

OLED 디스플레이 패널의 화소 단위에서의 개별 발광 제어는 고밀도 스위칭 소자인 박막 트랜지스터(TFT)를 통해 이루어진다. 

이는 단순한 구동 회로 수준이 아닌, 고속 신호 전달, 정밀 전류 제어, 박막 균일성 유지 등 다층적 기술이 요구되는 공정으로, 궁극적으로 OLED의 수율, 수명, 화질 균일도 전반에 절대적인 영향을 미친다.

TFT 기판은 일반적으로 유리(glass) 혹은 폴리이미드(polyimide, PI)와 같은 고평탄성·저열팽창 기판 위에 여러 층의 박막을 정밀하게 증착 및 패터닝하여 형성된다. 

사용되는 박막은 절연체, 반도체, 도전체의 기능에 따라 각각 다르고, 각 층은 나노미터 단위의 두께 정밀도와 수 마이크론 단위의 정렬 정확도를 요구한다. 

이 공정은 반도체 소자 제조와 매우 유사하지만, 공정 온도 제한 및 유연 기판 대응이라는 특수 조건 하에서 수행되며, 특히 진동 및 외란에 매우 민감한 특수 장비 환경이 요구된다.

(1) 기판 세정 및 전처리

공정의 시작은 기판의 초기 세정으로, 이는 전체 TFT 패터닝 정밀도에 직접적인 영향을 주는 단계이다. 

세정은 입자(파티클), 유기물, 금속 이온 등을 제거하는 데 목적이 있으며, 일반적으로 RCA 방식 또는 산화물 에천트 기반의 습식/건식 복합 세정 공정이 적용된다. 

특히 OLED 공정의 경우, 기판에 극히 미세한 결함이나 이물질이 잔존할 경우 증착 불균일 및 단락 결함으로 이어질 수 있어 클래스 10 이하의 클린룸 환경과 정전기 제어 기술이 병행되어야 한다

(2) 게이트 전극 형성

세정된 기판 위에는 먼저 게이트 절연층(Gate Insulator)이 증착되고, 그 위에 금속 게이트 전극층이 형성된다. 

절연층은 일반적으로 SiO₂, SiNx 등의 유전체로 구성되며, PECVD(Plasma Enhanced CVD) 방식으로 수십 나노미터의 균일한 박막을 저온에서 형성한다.

그 후, Sputtering 혹은 E-Beam 증착 방식으로 Mo, Al, Mo/Al/Mo 적층구조 등의 금속을 증착하고, 포토리소그래피 공정으로 원하는 게이트 전극 패턴을 형성한다. 

이때 사용되는 PR(Photoresist)의 코팅 두께 및 균일성, 현상 시간, 식각 공정의 등방성 조절 등이 선폭 제어의 핵심이며, 매우 낮은 오차의 노광 정밀도를 필요로 한다.

따라서 진동 제어는 필수적으로 필요하며, 다양한 환경에 맞춰 진동제어를 수행해야한다.

(3) 활성층(Active Layer) 및 결정화 공정 (LTPS)

이 단계는 TFT 소자의 핵심인 반도체 활성층을 형성하는 공정이다. 

먼저 비정질 실리콘(a-Si:H)층을 LPCVD 또는 PECVD 방식으로 증착한 후, 이를 고출력 엑시머 레이저(Excimer Laser, 308 nm)를 이용하여 국부적으로 어닐링 함으로써 다결정 실리콘(poly-Si)으로 결정화한다. 

이 과정을 ELA (Excimer Laser Annealing)이라 하며, 높은 이동도를 갖는 채널 영역 형성에 필수적이다.

여기서 레이저의 스폿 사이즈, 중첩율, Pulse energy uniformity, 그리고 기판 이송 정밀도는 결정립 크기, grain boundary 균일도에 결정적인 영향을 준다. 

특히 고속 기판 이송 장비와 고출력 레이저의 결합은 기판의 미세 진동(10 nm 수준)이 곧바로 결정립 불균일 및 이동도 저하로 이어질 수 있으므로, 이 구간은 진동제어가 적용되어야 한다

대부분의 OLED 제조사는 이 구간을 위해 다양한 방법으로 진동 제어를 수행하고 있으며, FAB의 구조 및 다양한 진동환경에 대응하는 진동제어를 수행해야한다.

(4) 소스/드레인 전극 형성

다결정 실리콘 활성층 위에는 소스(Source)/드레인(Drain) 전극을 형성한다. 

일반적으로 금속재료는 Mo, Cr, Ti 등을 사용하며, 도전성과 접합 특성을 동시에 고려한다. 금속은 Sputtering 방식으로 증착되며, 이후 정밀 패터닝을 위해 리소그래피 + 식각 공정이 반복된다. 

이 과정에서 식각 가스의 선택성(selectivity), 마스크 이탈 저항성, PR 잔여물 등이 수율에 영향을 미치며, 소스/드레인과 채널 간 격리 구조 형성이 필수적이다.

전극 형성 후에는 경우에 따라 플라즈마 처리 또는 저온 어닐링 공정을 추가하여 접촉 저항(contact resistance)을 개선하고, 금속과 반도체 간 계면 전위 장벽을 최적화한다.

(5) 절연층 및 콘택홀(Contact Hole) 공정

다음으로, 소자 간 전기적 절연을 위한 인터레이어 유전체(ILD: Interlayer Dielectric)가 증착된다. 

이 유전체 역시 SiO₂, SiNx 등으로 구성되며, 층간 커패시턴스를 줄이기 위해 저유전율(Low-k) 소재가 일부 적용되기도 한다. 

그 위에 포토 공정을 통해 콘택홀(Contact Hole)을 식각하여 다음 층과의 전기적 연결을 확보한다.

이때 콘택홀 식각은 매우 미세한 정렬 정밀도를 요구하며, 층간 격차로 인한 포커싱 오차, 플라즈마 데미지, 식각 후 재오염 가능성 등을 고려해야 한다. 

진동이 클 경우 콘택홀의 위치가 빗나가거나 식각 깊이가 달라지는 문제가 발생할 수 있다.

(6) 픽셀 전극 형성 및 최종 검사

OLED 소자와 직접 연결되는 투명전극(ITO, IZO 등)을 증착하고 픽셀 전극 패턴을 형성한다. 

이후 전기적 특성 검사를 통해 단락(Short), 개방(Open), 전류 밀도 이상 등을 확인하며, 필요한 경우 레이저 수리 장비(Laser Repair Tool)로 결함을 제거하거나 배선을 우회시킨다.

이 단계에서도 진동이 클 경우, 레이저 초점의 위치 오차나 과열로 인한 미세 손상 가능성이 있으며, 이는 곧 디스플레이 해상도 불균형, 잔상, 번인 등의 불량으로 이어질 수 있다.

따라서 수율 상승을 위해서 반드시 진동 제어가 필요하다.

(7) 공정 특성 및 진동제어 요약

TFT 기판 공정은 다층 박막 공정의 누적 정밀도와 장비의 위치 정렬 신뢰도가 절대적으로 요구되는 공정이다. 

특히 ELA 레이저 어닐링, 포토리소그래피, 콘택홀 형성 등의 미세 패턴 공정에서는 기판 이송 장비의 반복 정밀도(repeatability)와 방진 성능이 제품 수율을 결정짓는 요소가 된다. 

일반적으로 고가의 장비와 클린룸 환경이 구축되어 있음에도 불구하고, 지반 진동, 내부 설비 진동, 구조 공진 등은 미세 공정에 치명적인 영향을 주며, 이에 따라 공진 주파수 분리 설계, 구조물 고유진동수 조정, 방진 제어 시스템의 도입이 필수적이다.

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