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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 ALD기법으로 증착된 A12O3 박막과 전극재료용 스퍼 터 Cu박막 사이 의계면접착력 을 정량적으로 측정 하였고, Cu/A12O3 의 계면접착력을 향상시키고자 A12O3 표면에 Ar+ RF 플라즈마 전처리 및 접착력 향상층인 Cr 박막 삽입하여 계면접착력 향상에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.
가설 설정
- 3. FE-SEM image of peeled surface of the specimens; (a) EP Cu/Cu/Cr/Al2O3/Si wafer and (b)EP Cu/Cu/ Cr/Ar+ RF plasma(0.123W/cm2)/Al2O3/Si wafer.
- 는 금속박막의 항복강도, E는 금속 박막의 영율, t는 금속 박막의 두께, Ne 금속박막의 가 공경 화지 수이다. 금속박막의 소성 변형에 너 지는 탄성-완전소성 재료로 가정 한 해석방법 수식 (2) 를 이용하여 계산하였다/
제안 방법
- 필 강도(Peel strength, P)는 필 링 동안의 정상상태 하중을 시편 폭으로 나눈 값으로 정의하였다. 90° 필 테스트가 이루어지는 동안 디지털카메 라를 이용하여 금속박막이 박리 되는 사진을 촬영하여, 필링동안 계면균열선단으로부터 금속 박막의 휘어지는 부분을 원 호로 근사하여 얻은 반지름의 역수를 취해 금속박막의 최대곡률(Kb) 을 구하였다. 금속박막의 기계적 물성 측정을 위해 5 mmx50 nun 크기의 Electroplated(EP) Cu(13 μm)/sputtered Cu(500 nm)/sputtered Cr(20 nm) 구조를 가진 금속박막을 100kg load-cell이 연결된 인장 시험기의 grip에 장착하여 0.
- 제 작하였다. ALD기 법으로 A12O3 를 증착시 킨 50mmx50 min 크기의 실리콘 웨이퍼에 앞서 실시한 동일한 방법으로 세 척 하여 완전히 건조된 시 편을 스퍼터 챔버에 넣어 약 5xl0'5 torr 진공도를 유지한 후 스퍼터 챔버 내로 99.9999 %의 Ar 가스를 15 seem 흘려주어 3xl(y3torr 진공도를 유지하여 AI2O3 표면에 0.123 W/cm2 의 power density로 2분간 RF 플라즈마 전처 리를 실시하였다. Ar 가스의 주입 량을 조절 하여 스퍼 터 챔 버내 진공도를 5x10-3 torr 로 유지 하여 Cr박막을 20 nm 두께로 스퍼 터 증착하였고 바로 (、박막을 500 nm 두께로 스퍼터증착하여 냉각시킨 후 꺼내었다.
- 두께를 증가시켰다. Cu전기도금 조건은 CuSQ 용액 에서 H2SO4와 HC1, 첨가제를 넣고 충분히 교반시킨 용액에서 전류밀도 20 mA/cm2, 양극과 음극과의 5 cma리 에서 13 gm 두께로 Cu 전기도금을 실시하였고 상온에서 3일간 건조시켰다. 충분히 건조가 이루어진 시편의 금속 박막을 날카로운 칼을 이용하여 5 mmx50mm 크기로 절단하여 Fig.
- 6 eV) 로 분석 하였다. XPS분석으로 얻은 wide-scan spectra의 binding energy scalee C Is의 graphite결합 (284.6 eV)을 기준으로 조정 하였다. 필 테스트 후 박리 된 A12O3 기판 표면의 XPS peak중에서 O Is peak spectra를 Gaussian curve fitting을 실시하여 나타난 peak형 상으로 화학결합상태를 알아보았고, 분리된 각각의 peak의 면적을 구하여 화학결합의 상대적인 비율로 비교하였다.
- 필링 된 A12O3 박막과 Cr 박막의 표면의 화학 결합상태를 관찰하기 위하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS) 분석을 실시하였다. XPS장비는 Kratos사의 Axis모델이 었고, 사용된 X-ray source는 MgKa (1253.6 eV) 로 분석 하였다. XPS분석으로 얻은 wide-scan spectra의 binding energy scalee C Is의 graphite결합 (284.
- 90° 필 테스트가 이루어지는 동안 디지털카메 라를 이용하여 금속박막이 박리 되는 사진을 촬영하여, 필링동안 계면균열선단으로부터 금속 박막의 휘어지는 부분을 원 호로 근사하여 얻은 반지름의 역수를 취해 금속박막의 최대곡률(Kb) 을 구하였다. 금속박막의 기계적 물성 측정을 위해 5 mmx50 nun 크기의 Electroplated(EP) Cu(13 μm)/sputtered Cu(500 nm)/sputtered Cr(20 nm) 구조를 가진 금속박막을 100kg load-cell이 연결된 인장 시험기의 grip에 장착하여 0.2mm/min속도로 인장시험을 실시하여 금속박막의 항복강도(<5丫)와 영률(E), 가공경화지수(N)을 구하여 금속박막의 소성변형에너지를 구할 때 사용하였다.
- 따라서 AEQ 기판과 Cr 박막의 화학결합구조 변화를 XPS를 이용하여 분석하였다. 필 테스트 후 박리된 A12O3 기판 표면을 XPS로 얻은 spectra 결과 중에서 O Is peak spectra를 Gaussian curve fitting을 실시하였다.
- 박리가 이루어지고 난 후 파면형상을 알아보기 위해 금속박막과 A12O3 기판의 표면을 FE-SEM으로 관찰하여 Fig. 3에 나타내었다. 먼저 Fig.
- 박리가 이루어지고 난 후 파면형상을 알아보기위해 필링된 금속박막과 A12O3 기판의 표면을 전계 방출형 주사전자현미 경 (Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)으로 관찰하였다. Ar+ RF 플라즈마 전처 리가 A12O3 표면의 거 칠기에 미치는 영향을 알아보기 위해 Atomic Force Microscopy(AFM) 으로 측정하였다.
- 임베디드 PCB내 유전체 재료인 ALD AI2O3 박막과 전극재료용 스퍼터 Cu박막 사이의 계면 접착력을 90° 필 테스트 방법으로 측정하여 순수 빔 굽힘을 가정한 에너지 평형 해석을 통하여 순수한계면 파괴에너지를 구하였다. Cu/A&Q의 계면파괴에너지는 매우 약하여 측정할 수 없었으나 접착력 향상층 Cr박막을 삽입 하여 Cr/ALQ의 계면파괴에너지(「)는 1O.
- 증착된 Cu/Cr박막은 두께 가 너무 얇아 90° 필 테스트 도중에 박막이 찢어지거나 장비의 grip에서 박막이 미끄러질 위험이 있어 Cu전기도금을 하여 금속 박막의 두께를 증가시켰다. Cu전기도금 조건은 CuSQ 용액 에서 H2SO4와 HC1, 첨가제를 넣고 충분히 교반시킨 용액에서 전류밀도 20 mA/cm2, 양극과 음극과의 5 cma리 에서 13 gm 두께로 Cu 전기도금을 실시하였고 상온에서 3일간 건조시켰다.
- 증착된 시편을 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올 용액에서 차례로 각각 10분간 초음파 세척을 한 후 A12O3 표면에 N2 가스를 분사하여 건조시켰다. 완전히 건조된 시편을 진공이 유지되고 있는 스퍼터 챔버에 넣어 약 5x10" torr진공도를 유지한 후 스퍼터챔버 내로 99.
- 6 eV)을 기준으로 조정 하였다. 필 테스트 후 박리 된 A12O3 기판 표면의 XPS peak중에서 O Is peak spectra를 Gaussian curve fitting을 실시하여 나타난 peak형 상으로 화학결합상태를 알아보았고, 분리된 각각의 peak의 면적을 구하여 화학결합의 상대적인 비율로 비교하였다.
- 따라서 AEQ 기판과 Cr 박막의 화학결합구조 변화를 XPS를 이용하여 분석하였다. 필 테스트 후 박리된 A12O3 기판 표면을 XPS로 얻은 spectra 결과 중에서 O Is peak spectra를 Gaussian curve fitting을 실시하였다. 그 결과 A12O3 기 판에서 화학결합을 이루고 있는 것으로 생각되는 A1-O 결합 peak(531.
- 측정범위는 3 |imx3 |im 이고 표면의 거 칠기 비교는 AFM으로 측정 된 Root Mean Square(RMS) 값을 이용하여 비교하였다. 필링 된 A12O3 박막과 Cr 박막의 표면의 화학 결합상태를 관찰하기 위하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS) 분석을 실시하였다. XPS장비는 Kratos사의 Axis모델이 었고, 사용된 X-ray source는 MgKa (1253.
- 필링된 A12O3 박막과 Cr 박막의 표면의 화학 결합상태를 관찰하기 위해 XPS분석을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 증착된 시편을 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올 용액에서 차례로 각각 10분간 초음파 세척을 한 후 A12O3 표면에 N2 가스를 분사하여 건조시켰다. 완전히 건조된 시편을 진공이 유지되고 있는 스퍼터 챔버에 넣어 약 5x10" torr진공도를 유지한 후 스퍼터챔버 내로 99.9999%의 Ar 가스를 15 seem 흘려주어 5xl0-3torrS 유지하여 스퍼터 증착하여 Cu (500 nm), Cu(500 nm)/Cr(20 nm) 두 가지 종류의 시편을 제작하였다. 스퍼터 증착시 발생한 열에 의한 금속박막의 급속한 산화를 막기 위해 5x10-3 torr 진공도를 유지한 스퍼터 챔버 내에서 시편을 100분간 냉각시킨 후 꺼내었다.
- 50mmx50mm 크기의 실리콘 웨이퍼 조각에 AI2O3를 ALD 기 법 으로 50 nm 증착하였다. 증착된 시편을 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올 용액에서 차례로 각각 10분간 초음파 세척을 한 후 A12O3 표면에 N2 가스를 분사하여 건조시켰다.
데이터처리
- Ar+ RF 플라즈마 전처 리가 A12O3 표면의 거 칠기에 미치는 영향을 알아보기 위해 Atomic Force Microscopy(AFM) 으로 측정하였다. 측정범위는 3 |imx3 |im 이고 표면의 거 칠기 비교는 AFM으로 측정 된 Root Mean Square(RMS) 값을 이용하여 비교하였다. 필링 된 A12O3 박막과 Cr 박막의 표면의 화학 결합상태를 관찰하기 위하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS) 분석을 실시하였다.
이론/모형
- Ar+ RF 플라즈마 전처 리가 A12O3 표면의 거 칠기에 미치는 영향을 알아보기 위해 Atomic Force Microscopy(AFM) 으로 측정하였다. 측정범위는 3 |imx3 |im 이고 표면의 거 칠기 비교는 AFM으로 측정 된 Root Mean Square(RMS) 값을 이용하여 비교하였다.
성능/효과
- 먼저 Fig. 3(a)와같이, 계면파괴에너지 값이 작았던 RF 플라즈마전처 리를 하지 않은 Cr/A1203 계면의 박리 된 Cr 박막 표면에서는 중앙에 V자 모양의 작은 균열들이 일부 존재하였고, 박리된 AI2O3의 표면에서는 필균열은 관찰되지 않았고, 스크래 치가 많이 존재하였다. Fig.
- 구하였다. Cu/A&Q의 계면파괴에너지는 매우 약하여 측정할 수 없었으나 접착력 향상층 Cr박막을 삽입 하여 Cr/ALQ의 계면파괴에너지(「)는 1O.8±5.5g/mm로 향상되었다. A12O3 표면 에 0.
- 필 테스트 후 박리된 A12O3 기판 표면을 XPS로 얻은 spectra 결과 중에서 O Is peak spectra를 Gaussian curve fitting을 실시하였다. 그 결과 A12O3 기 판에서 화학결합을 이루고 있는 것으로 생각되는 A1-O 결합 peak(531.5 eV)과, A12O3 기 판과 Cr 박막이 계면에서 반응하여 나타난 화학결합으로 생각되는(* Al-O-Cr) 결합 peak(530.5 eV)16) 의 형 상이 나타났다. 이렇게 fitting된 A1-O 결합 peak과 (A1-O-C* r) 결합 peak의 면적을 구하여 Fig.
- AkQ표면에 Ar+ RF 플라즈마 전처리를 실시하면 A12O3 표면 거칠기가 증가하였고, A1 과。의 결합이 손상을 입 어 Cr과 반응하는 O가 많아져 더 많은 (* Al-O-Cr) 결합을 형성하였다. 따라서 AI2O3기판에 Ar+ RF 플라즈마 전처리 를 하고 Cr박막을 증착하게 되면 mechanical interlocking 효과와 chemical bonding효과가 동시에 이루어져 계면 접착력이 향상되었다.
- 따라서 금속박막 소성변형에너지를 구하는 식에서 의 변수는 Kb이 므로 Kb와 W의 그래 프 거 동이서로 유사한 거동을 보이는 것이다. 또한, 필 강도가 증가할수록 금속박막의 소성변형에너지도 증가하는데, 이는 필 강도가 커질수록 필링 시 금속 박막의 최대곡률이 증가하여 금속박막의 소성변형에너지가 증가하였다고 판단된다.
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