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문제 정의
- 본 연구에서는 Au와 明의 타겟을 독립적으로 사용하고 다층막 방법과 동시증착 방법을 적용하여 AuSn 조성 을 제어 함으로써 Sn-rich Au Sn 솔더를 구현하고자 하였다. 각 단계에서의 증착 특성과 조성을 변화를 근거로하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- ds) 본 연구는 스퍼터을 사용하여 AuSn 솔더 를 다층막(multilayer)과 동시 증착 방법 (co-sputtering)을 이용하여 형성 하였다. 여기에 구현한 AuSn의 증착 특성과 조성의 결과에 대하여 연구하였다.
가설 설정
- 12(a)와 Fig. 12(b)의 본딩자국형상은 매우 다름을 알 수 있다.
제안 방법
- 999%순도를 가지는 Au, Sn타겟을사용 하였으며, 파워는 5-300W 까지 조절이 가능하며 3개의 파워장치가 있어 3개의 원소까지 동시 증착이 가능하다. 증착온도는 시편에 열충격이 없는 30℃에서 진행하였고, 이후 200。(:까지 승온시키며 증착 특성을 분석하였다. 또한 매 실험간 초기 진공 레벨을 aOxK/torr이하로 유지 하였고, sputtering gas로는 Ar(99.
- 또한 융점의 정확한 분석을 위해 시차주사열량계(DSC)를 Ar 분위기에서 5℃/min 의 조건으로 사용하였다. DSC 데이터를 기반으로 20VC~300℃범 위로 본딩 온도를 한정하였고, 표면에 Ag가 2.5 pun의 두께로 도금되어 있는 Alloy42 프레임 위에 본딩하였다. 본딩 이 끝난 샘플은 정확한 전단응력 측정과 측정 간 샘플의 변형을 방지하기 위해 Alloy42 프레임의 후면을 에폭시를 사용하여 슬라이드글래스에 고정 한 후다이전단시 험 기 (dage, DAGE4000)를 사용하여 전단응력를 측정하였다.
- 상술한 단위 금속 증착 데이터를 통해 증착 파워-원자공급량에대한 데이터를 확보하였고, 동시증착 AuSn을 증착 하였다. 두께는 전술한 바와 같이 1 um(±0.05 urn)이며, SEM, EDX, DSC, 다이전단시험기, Xray 회절 분석기 (XRD) 관측을 통하여 조성 및 특성을 분석하였다.
- 중요하다. 또한 막의 표면 형상은 밀도와 밀접하게 연관되므로 재현성 있는 최적 조건을 얻기 위해 Au와 Sn에 대하여 단위금속 증착 실험을 하였다.
- 3에 나타난 바와 같이 계산에 의해 설계된 목표조성에는 근접하고 있음을 알 수 있다. 또한 시편 2 와 4에서 나타난 바와 같이 2층구조 보다 4층 구조의 오차 범 위 가 큼을 알 수 있었고, 이러한 현상을 야기하는 원인을 규명하기 위해 표면 형상을 분석하였다.
- 본 실험에서는 설계한 조성을 EDX를 통하여 분석 하였고 이를 보완하기 위해 DSC분석을 하였다. Fig.
- 5 pun의 두께로 도금되어 있는 Alloy42 프레임 위에 본딩하였다. 본딩 이 끝난 샘플은 정확한 전단응력 측정과 측정 간 샘플의 변형을 방지하기 위해 Alloy42 프레임의 후면을 에폭시를 사용하여 슬라이드글래스에 고정 한 후다이전단시 험 기 (dage, DAGE4000)를 사용하여 전단응력를 측정하였다. 로드셀의 속도는 200 um/ sec, 높이는 50um의 조건에서 실험 되었다.
- 상술된 식에 의해 총 1 um 두께에서 Au와 Sn의 각 두께를 얻을 수 있었고 구현 층수에 따른 차이를 알아보기 위해 Sn/Au의 2층 구조 와 Sn/Au/Sn/ Au의 4층 구조에 대하여 실험 하였다. 증착 후 표면 형상 관찰을 위해 주사전자현미경(SEM)을 사용하였으며, 조성 확인을 위해 N2 분위기 에서 300 ℃ 10초간 reflow를 진행한 후 에너지 분산형 X선 분광기(EDX)를 측정하였다.
- 스퍼터 공정 에서 원자 공급량을 제어 하는 요소는 증착파워 이다. 상술한 단위 금속 증착 데이터를 통해 증착 파워-원자공급량에대한 데이터를 확보하였고, 동시증착 AuSn을 증착 하였다. 두께는 전술한 바와 같이 1 um(±0.
- 나타냈다. 우리는 Fig. 2의 두께 결과를 토대로 비교적 안정적 인 증착속도를 가지는 100W 조건을 Sn layer 형성 하는데 사용하였다. Au는 상대적으로 두께가 훨씬 얇기 때문에 Au layer의 형성에는 낮은 증착 속도를 가져 얇은 두께를 컨트롤하기 용이 한 50W 조건으로 형 성 하였다.
- 5에서 보이는 Sn과 매우 다르다. 입자 형태가 작고 구형으로 변한 것을 설명하기 위해 XRD로 결정구조를 분석하였다.
- Au는 상대적으로 두께가 훨씬 얇기 때문에 Au layer의 형성에는 낮은 증착 속도를 가져 얇은 두께를 컨트롤하기 용이 한 50W 조건으로 형 성 하였다. 재현성테스트를 위해 각 샘플은 3회 실험하였다.
- 1(a)에 다층막구조에 대한 모식도를 나타내었다. 정확한 두께 조절을 위해 Au 와 Sn에 대해 단위 금속증착 실험을 진행하여 파워 및 시간의 변화에 따른 두께 데이터를 확보하였다. 증착 두께는 실시간 두께 측정장치(MAX-TEK, TM-100R)와 알파스텝 (Tencor, AS-500)을 이용하여 상호 비교 보완해서 실험적인 오차 범위 줄였다.
- 정확한 두께 조절을 위해 Au 와 Sn에 대해 단위 금속증착 실험을 진행하여 파워 및 시간의 변화에 따른 두께 데이터를 확보하였다. 증착 두께는 실시간 두께 측정장치(MAX-TEK, TM-100R)와 알파스텝 (Tencor, AS-500)을 이용하여 상호 비교 보완해서 실험적인 오차 범위 줄였다. 두께에 따른 특성차이를 없애기 위해 본 실험에서 증착한 모든 솔더의 두께는 lum(±0.
- 4층 구조에 대하여 실험 하였다. 증착 후 표면 형상 관찰을 위해 주사전자현미경(SEM)을 사용하였으며, 조성 확인을 위해 N2 분위기 에서 300 ℃ 10초간 reflow를 진행한 후 에너지 분산형 X선 분광기(EDX)를 측정하였다. 또한 융점의 정확한 분석을 위해 시차주사열량계(DSC)를 Ar 분위기에서 5℃/min 의 조건으로 사용하였다.
대상 데이터
- 0.1 μm의 Ti 또는 Cr이 우선 증착되어 있고 그 위 에 Ni이 0.2 jim 증착 되어 있는 Si wafer를 사용하였다. Ti와 Cre 접 합층이며 Ni는 확산방지 막 으로 사용된다.
- *成 본 실험에서 Ti와 Cr이 혼용되었으나 이에 기인한 솔더의 특성 변화는 관측되지 않았다. Si는 lcmx2cm의 크기로 사용되 었으며, 초음파 분위기에서 아세톤, 이소프로필알코올, 초순수로 세정을 하였다. 증착 공정이 끝난 샘플은 본딩을 위해 350 呻乂350 呻의 칩으로 절단 하였다.
- 증착온도는 시편에 열충격이 없는 30℃에서 진행하였고, 이후 200。(:까지 승온시키며 증착 특성을 분석하였다. 또한 매 실험간 초기 진공 레벨을 aOxK/torr이하로 유지 하였고, sputtering gas로는 Ar(99.999%)을 5~6sccm 사용하였다. 증착 압력은 lOmtorr, sample rotatione 5rpm 으로 고정하였다.
- 증착 공정이 끝난 샘플은 본딩을 위해 350 呻乂350 呻의 칩으로 절단 하였다. 타겟은 99.999%순도를 가지는 Au, Sn타겟을사용 하였으며, 파워는 5-300W 까지 조절이 가능하며 3개의 파워장치가 있어 3개의 원소까지 동시 증착이 가능하다. 증착온도는 시편에 열충격이 없는 30℃에서 진행하였고, 이후 200。(:까지 승온시키며 증착 특성을 분석하였다.
이론/모형
- 또한 기존의 연구는 주로 증발법 이나 전해도금법을 통하여 Au80Sn20을 증착하였으며, Sn 솔더 에 대한 연구도 전해 도금에 한정적으로 연구 되었다.ds) 본 연구는 스퍼터을 사용하여 AuSn 솔더 를 다층막(multilayer)과 동시 증착 방법 (co-sputtering)을 이용하여 형성 하였다. 여기에 구현한 AuSn의 증착 특성과 조성의 결과에 대하여 연구하였다.
성능/효과
- 동시증착된 AuSne 금속 간 화합물을 형성함을 알 수 있었으며, Au와 Sn 의 파워만으로 매우 쉽게 조성을 조절이 가능함을 보였다. DSC 분석을 통하여 본 실험의 AuSn 솔더가 정확하게 제어 되고 있음이 확인되었다. 또한 동일한 조성 을 가져 도 솔더 가 증착된 방법에 따라 솔더 링 특성이 변하는 현상을 관측하였고, 같은 조성 이 라도 솔더 의 증착 타입 에 따라서 본딩 조건의 조절이 필요함을 보였다.
- 5(b)의 경우 표면이 상대적으로 매끄러워지고 있음을 알 수 있다. Sn층의 표면 형상은 기 판 온도를 높임으로서 표면내의 원자 확산을 용이 하게 하고, 이로 인하여 표면의 조도가 현저히 개선되고 있음을 알 수 있었다.
- 또한 기판온도를 높임으로써 조도를 낮추고, 조성 제어의 정밀도를 높일 수 있음을 증명하였다. 동시증착된 AuSne 금속 간 화합물을 형성함을 알 수 있었으며, Au와 Sn 의 파워만으로 매우 쉽게 조성을 조절이 가능함을 보였다. DSC 분석을 통하여 본 실험의 AuSn 솔더가 정확하게 제어 되고 있음이 확인되었다.
- 즉 낮은 온도 일때 Sn의 조도가 불균일한 것에 기인한 것임을 알 수 있었다. 또한 기판온도를 높임으로써 조도를 낮추고, 조성 제어의 정밀도를 높일 수 있음을 증명하였다. 동시증착된 AuSne 금속 간 화합물을 형성함을 알 수 있었으며, Au와 Sn 의 파워만으로 매우 쉽게 조성을 조절이 가능함을 보였다.
- DSC 분석을 통하여 본 실험의 AuSn 솔더가 정확하게 제어 되고 있음이 확인되었다. 또한 동일한 조성 을 가져 도 솔더 가 증착된 방법에 따라 솔더 링 특성이 변하는 현상을 관측하였고, 같은 조성 이 라도 솔더 의 증착 타입 에 따라서 본딩 조건의 조절이 필요함을 보였다.
- 이러한 현상에 대해서는 추후 연구가 필요하며, 각 금속간화합물 및 순수 Sn의 산화막 형성 정도에 영향을 받는 것으로 사료된다. 또한 본 실험에서는 전혀 다른 타입의 솔더를 본딩함에 있어 동일한 본딩 하중과 시간을 적용하였기 때문에 해당 조성 과 타입이 갖는 본래의 전단응력 를 충분히 나타내지 는 못했을 수 있음을 예상 할 수 있다. Fig.
- 이들을 JCPDS 카드와 비교 하였을 때 5, 30, 60, 80wt%의 Au조성 에서 각각 AuSrif, AuSn2, AuSn, AmSn의 회절 특성을 포함함을 알 수 있었다. 특히 Sn의 절대 량이 많은 5wt%의 경우 Sn과 AuSm 가 혼재된 것으로 나타났다.
후속연구
- 이는 동시증착의 경우, 대부분 박막이 금속간 화합물로 구성되어 있어 본딩이 어려울 것으로 예상하였으나, 다소 상이한 결과를 보였다. 이러한 현상에 대해서는 추후 연구가 필요하며, 각 금속간화합물 및 순수 Sn의 산화막 형성 정도에 영향을 받는 것으로 사료된다. 또한 본 실험에서는 전혀 다른 타입의 솔더를 본딩함에 있어 동일한 본딩 하중과 시간을 적용하였기 때문에 해당 조성 과 타입이 갖는 본래의 전단응력 를 충분히 나타내지 는 못했을 수 있음을 예상 할 수 있다.
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