Excimer UV 램프

1. 엑시머의 필요성과 개발 배경

UV 램프 주위 공기의 엑시머 UV는 일반 UV보다 에너지 준위가 높은 UV이다.
일반 저압 UV는 253.7nm와 184.9nm만 나온다. 184.9nm는 154.7kcal/mol 의 높은 에너지가 나오므로 유기 불순물의 분해를 잘 할 수 있다.
그러나 결합 에너지가 140.5 kcal/mol인 C =C 결합이나, 190 kcal/mol 인 C=O 결합을 끊는 것은 184.9nm의 154.7kcal/mol 의 에너지로 이런 결합을 끊는 것은 구조적으로 불가능하다. 현실적으로 LCD기판이나 웨이퍼 표면은 물론이고 PVC, PP, PE, PET, PS,금속 리드 프레임 등의 표면에 있는 불순물은 많은 2중 결합과 3중 결합을 가지고 있다.

이렇게 결합 에너지가 높은 2주, 2중 결합을 끊기 위해서는 253.7nm와 184.9nm의 154.7kcal/mol 만으로는 부족하다. 184.9nm 보다 더 강한 에너지를 얻기 위해서는 파장이 더 짧은 파장이나, 더 집중화된 파장이 필요하게 되었다. 그래서 개발된 것이 172nnm 146nm를 발생하는 Excimer UV이다.


2. E-UV 개요

저압 UV 램프에는 수은이 들어가 있으므로 램프를 방전할 때 184.9 253.7, 298, 302 365, 403, 436, 546등의 수은 고유 파장이 나온다. 수은 대신에 더 짧은 파장을 방사하는 물질을 사용하면 그 물질 고유의 파장이 방사된다. 이론적으로는 이처럼 명쾌한데도 국내에서 아직 개발되지 않은 이유는 수은 램프는 양 쪽에 전극을 사용하여 쉽게 방전을 시킬 수 있는데 비하여 Excimer UV는 전극을 사용하지 않고 1/10 9 초 동안의 짧은 시간 동안 희유 가스의 짧은 파장을 발생할수 있는 여기 조건을 만든다는 것은 쉽지 않다.

크세논(Xe) 가스가 고 에너지 충격을 받으면 외각 전자가 기저 상태에서 여기되고 여기 상태에서 에너지를 방출하고 크세논 원자는 다시 기저 상태로 돌아온다. 이 때 방출되는 에너지의 파장이 172nm이다. 크세논(Xe) 가스가 여기되면 단원자 분자에서 원자가 2개인 2원자 분자가 되는데 이러한 2원자 분자를 dimer라고 한다. 이 2원자 분자 크세논은 계속 2원자 분자 상태로 존재하는게 아니라 10억 분의 1초 동안의 짧은 시간에 다시 모노머 상태로 회귀된다. 그래서 정확히는 excimer라기 보다는 hetero excimer 또는 exciplex라고 부르는 것이 정확한 말인데 특별히 구별하지 않고 excimer라고 부른다. 물리적인 의미로는 excited state of dimer 혹은 extreamly short excited dimer라는 의미이다.

3. 엑시머의 용도

Excimer가 LCD, Wafer등 여러 산업에서 중요하게 사용되는 이유는 에너지가 높기 때문이다.
과학자들은 이처럼 에너지 준위가 높은 excimer를 레이저로 만들면 잘 활용할수 있을 것이라는 데 있었고, 그 연구 결과는 1980년대에 excimer 레이저로 이루어 졌다. 초기 excimer 레이저는 가격이 비싸며 사용하기 어렵고 성능이 좋지 않아서 연구용으로 사용되는 것 외는 많이 사용되지 않았다. 그러나 LCD, Wafer등 초 정밀한 산업에서 정밀도가 높으면서 높은 에너지를 요구하게 되었고, 이에 부응하는 것은 excimer UV 혹은 excimer 레이저 밖에 없으므로 excimer 가 한 방법이 되므로 엑시머가 사용되게 되었다.

4. 엑시머의 장단점

1) 단위당 에너지가 높으므로 여러가지 산업에 Light Source로 응용할 수 있다.
2) 고출력의 진공 자외선을 방사하므로 작은 소비전력으로 큰 일을 할 수 있다.
3) 예열하지 않고 순간적으로 점등하므로 에너지 로스가 적다.
4) Light Source 전체의 에너지 분포가 일정하므로 균일한 광원이 가능하다.
5) 저전력인 경우 발열이 거의 없으므로 피 처리물이 열에 의해 손상되는 열변형의 염려가 없다.
6) 여러 개의 복합 파장이 아니고 단파장이므로 에너지 효율이 높다.
7) 간접 에너지 이므로 유기물 분해 속도가 대기압 플라즈마에 비해 늦다.
8) 처리 대상물과의 거리가 2-3mm로 좁아야 하므로 평판 제품에만 적용할 수 있다.

5. Wafer, TFT, Glass에서의 엑시머

반도체와 LCD, TFT, Color Filter에는 여러 차례의 세정 공정이 있다.
공정별 flow는 회사마다 다소 다르므로 일률적으로 말하기는 어렵지만 공통점은 분자 하나 단위(실제 크기는 수 A)의 불순물 까지 모두 제거해야 하는 초 정밀성이 요구된다는 점이다. 기본적인 것만 말하면

1) 원판이 출고되기 전에 완벽하게 clean한 상태로 입고되었지만, 공정에서 투입되기 전에 다시 세정해야 한다. **생산된 후 시간이 지남에 따라 기판이 contamination이 일어나 있다.

2) 이 불순물을 제거해 주는 방법으로는 습식세정과 건식세정, 약품 세정이 있다.

3) 습식세정과 약품 세정으로는 분자 단위 크기의 오염물질을 제거하기 어렵고, 세정후 기판에 남아 있는 IPA등 케미칼 자체의 오염도 심각한 문제다.

4) 그에 대한 대안이 건식세정이며, 건식 세정은 다시 플라즈마 세정과 uv 세정이 있다.

5) 플라즈마 세정은 유기성 불순물을 플라즈마 분위기에서 CO2와 H2O로 분해하는 방법으로서 불순물 제거효과는 좋지만 Pattern이 손상될 수도 있다.

6) 플라즈마는 직접 분해 에너지이지만 패턴 데미지가 일어날 수도 있으므로 TFT와 같이 pattern이 손상되면 절대 안되는 공정에서는 No Streamer 플라즈마 만 사용할수 있다.

7) patern damage가 없이 높은 에너지로 유기물을 제거할 수 있는 방법이 엑시머이므로 많은 LCD공정에서 엑시머를 사용하고 있지만, 처리 속도가 낮아서 No Streamer 플라즈마를 검토하고 있다.