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문제 정의
- 본 연구에서는 Pt, Pd 및 Pt-Pd합금 타겟을 이용하여 폴리이미드 위의 seed layer의 두께를 달리하여 구리 전해도금을 하였을 경우 구리전착층의 표면형상과 결정구조에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
제안 방법
- Cu/seed lay er/폴리이미드 계에서 seed lay er 의 두께를 다르게 하여 구리 전착층의 표면형상 및 표면 특성에 관한 분석을 통하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. seed layer의 두께가 증가되면서 표면 거칠기는 증가되었으며, 증착되는 금속에 따라 표면 활성도는 차이를 보이고 있다.
- 구리전착층의 표면형상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경 (SEM, JSM-5900, JEOL, Japan)을 사용하였으며, 결정구조를 관찰하기 위하여 XRD(Dmax Ⅲ-A type, Rigaku Co., Japan)장치를 사용하였다. Seed layer와 전착층의 표면 조도를 측정하기 위하여 AFM(BioScope, Digital Instruments, U.
- 15 mm 의 Platinum, palladium, Pt-Pd 합금 타겟을 가지고 이온 스퍼터 장비를 이용하여 Ar 분위기하에서 seed layer의 두께를 약 130nm, 260 nm, 390 nm로 증착시켰다. 금속/PI 구조의 필름을 내산 테이프와 지지대를 이용하여 1cm2의 면적만 전해액에 노출되도록 음극전극을 제작하였다. 이러한 실험 조건을 Table 1에 나타내었다.
- )장치를 사용하였으며, 비저항을 측정하기 위하여 Four Point Probe(CMT-SR1000N, AIT, Korea) 장치를 사용하였다. 젖음성 테스트(Phoenix 300, SEO, Korea) 을 통하여 기지층의 접촉각를 측정하였다.
대상 데이터
- 수세하여 상온에서 건조하였다. 99.999% 순도를 가지는 직경 5.7 cm, 두께 0.15 mm 의 Platinum, palladium, Pt-Pd 합금 타겟을 가지고 이온 스퍼터 장비를 이용하여 Ar 분위기하에서 seed layer의 두께를 약 130nm, 260 nm, 390 nm로 증착시켰다. 금속/PI 구조의 필름을 내산 테이프와 지지대를 이용하여 1cm2의 면적만 전해액에 노출되도록 음극전극을 제작하였다.
이론/모형
- , Japan)장치를 사용하였다. Seed layer와 전착층의 표면 조도를 측정하기 위하여 AFM(BioScope, Digital Instruments, U.S. A.)장치를 사용하였으며, 비저항을 측정하기 위하여 Four Point Probe(CMT-SR1000N, AIT, Korea) 장치를 사용하였다. 젖음성 테스트(Phoenix 300, SEO, Korea) 을 통하여 기지층의 접촉각를 측정하였다.
성능/효과
- 그러나 결정 크기가 작아 electromigration(EM)에 대한 내성이 낮고 반응 화학성도 복잡하여 제어가 어렵다.3) 전해 도금법은 성장속도가 높을 뿐만 아니라, 화학적 반응이 비교적 간단하고 취급이 쉬우며 결정 크기가 크고 양호한 막질을 얻을 수 있으므로 EM에 대한 내성이 우수하다. 또한 유지보수 비용도 매우 낮은 장점을 가지고 있다.
- 상기 방법들 중 sputtering 방법이나 ion beam deposition 방법이 널리 이용되고 있으나, 이들 방법으로 형성된 박막은 큰 압축응력을 지니게 되어 hillock 형성에 의한 leakage current의 증가를 초래한다.4) 무전해 도금법은 고종횡비에서도 우수한 틈채움(gap filling)특성을 보여준다. 그러나 결정 크기가 작아 electromigration(EM)에 대한 내성이 낮고 반응 화학성도 복잡하여 제어가 어렵다.
- 또한 유지보수 비용도 매우 낮은 장점을 가지고 있다. 5) 이러한 전해도금법을 이용하여 구리 박막 제조시 표면 형상과 구조는 음극 전압, 전류밀도, 전해액의 조성과 같은 다양한 도금 변수에 영향을 받는다. 또한 어떤 금속을 기지로 사용하느냐에 따라 구리 핵생성 및 결정성장에 영향을 미치고 동일 금속을 사용하는 경우에라도 기지의 표면 상태에 따라 전착층의 표면형상 및 결정구조에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
- 표면 활성화 정도는 시편 표면에 액적을 떨어뜨렸을 경우 표면과의 접촉각을 측정함으로써 알 수 있는데 그 각이 낮을수록 표면 활성화 정도는 높다고 할 수 있다.9) Pd 금속을 증착한 D군의 경우 증착층의 두께가 증가할수록 접촉각이 감소되어 표면활성화 에너지가 증가함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 Kim10)등의 연구에서 표면 거칠기를 증가시킬수록 접촉각이 감소하여 표면 횔성화 정도가 증가한다는 연구결과와 일치하였다.
- seed layer의 두께가 증가되면서 표면 거칠기는 증가되었으며, 증착되는 금속에 따라 표면 활성도는 차이를 보이고 있다. Pd(D군)금속을 이용하는 경우에는 표면 거칠기가증가되면서 표면 활성도가 증가되었으나, Pt(T, TD군) 성분이 함유되어 있는 경우에는 증착증의 두께가 증가되면서표면 거칠기는 증가되었음에도 불구하고 오히려 활성화 정도는 감소되었다. Seed layer의 두께가 130nm 인 경우에는 구리 전착층의 표면에 약 5~10 pm 크기의 결정들이 표면에 존재하여 미세회로 형성이 어렵다.
- 67 uΩ-cm) 보다 높은 값을 나타내고 있다. Pt 성분이 들어간 T와 TD군에서는 seed layer 두께가 약 260 nm 인 경우에 가장 낮은 비저항 값을 보이며 390nm의 두께의 seed layer에서는 비저항값이 증가되는 것을 알 수 있었다. :D군의 경우에는 seed layer의 두께가 증가될수록비저항 값이 증가하고 있으나 260nm 이상의 두께에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
- Pt(T군)를 증착한 경우에는 표면 거칠기가 두께변화에 따라 약 16%의 증가율을 보였으며, 표면 거칠기 Ra값 또한 D-3에 비하여 T- 3에서 매우 낮게 나타났다. Seed lay er의 두께별 표면 거칠기 Ra값은 D > TD > T군 순으로 Pt 타겟을 사용한 경우에 가장 낮은 표면 거칠기를 보였다.
- 이는 증착층의 두께가 증가된 반면 증착층이 치밀하지 못하기 때문이다. Seed layer의 표면 거칠기와 비저항과의 관계를 살펴보면, 증착층의 두께가 증가될수록 접촉각이 감소한 D군의 경우에는 비저항값이 증가하였으며 접촉각이 증가한 T, TD군의 경우에는 비저항 값이 감소하였다. 이러한 결과들로부터 표면의 활성화 정도와 비저항과의 어느 정도의 연관관계가 있음을 확인할 수 있었으나, 이들 관계에 대한 명확한 해석은 아직 밝혀진바 없으며, 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- Pd 금속을 seed lay er로 사용하는 경우에는 구리 전착증의 결정구조가 (220)면에 평행하게 성장하려는 경향이 강하여 Electromigration이 쉽게 일어날 우려가 있으나 Pt 타겟과 Pd 성분이 함유된 TD군의 경우에는 260nm 이상의 두께로 증착된 seed lay er을 사용하는 경우에는 구리 결정이 (111)면에 평행하게 성장하려는 경향이 강하기 때문에 EM에 대한 저항성을 증가 시킬 수 있다. 또한 260nm 두께에서 낮은 비저항값을 보이고 있으므로 260nm로 증착된 Pt seed lay er를 이용하여 구리 전착층을 형성하는 것이 효과적임을 알 수 있었다.
- 표면거칠기는 같은 seed layer의 두께에서 Pt seed layer을 사용한 경우에 전체적으로 가장 낮은 값을 보였으며, Pd seed layer(ge)을 사용한 경우에 좀더 거친 구리 전착층이 형성되었다. 전체적으로 표면 거칠기 Ra값은 약 36%(T-1 ~D-3)정도의 차이를 보이고 있으며, seed layer가 전체적으로 평활한 조직일수록 그 위에 전착되는 구리층의 표면이 균일한 전착층이 얻어짐을 알 수 있다. 또한 seed lay er의 표면 거칠기 (Ra)가 증가할수록 구리 전착 층의 표면 거칠기 Ra값 또한 증가하였다 이러한 표면 거칠기 Ra값은 구리 전착층 표면에 존재하는 큰 결정들을 제외하고 즉정한 결과이다.
- 금속 증착층의 두께가 130nm 인 경우를 제외하고는 D군 보다는 T군에서 표면 거칠기 Ra값은 감소한 반면 접촉각은 증가하였다. 즉, Pd 금속 보다는 Pt 금속의 표면 활성화 정도가 낮음을 알 수 있었다.
- 5에 나타내었다. 표면거칠기는 같은 seed layer의 두께에서 Pt seed layer을 사용한 경우에 전체적으로 가장 낮은 값을 보였으며, Pd seed layer(ge)을 사용한 경우에 좀더 거친 구리 전착층이 형성되었다. 전체적으로 표면 거칠기 Ra값은 약 36%(T-1 ~D-3)정도의 차이를 보이고 있으며, seed layer가 전체적으로 평활한 조직일수록 그 위에 전착되는 구리층의 표면이 균일한 전착층이 얻어짐을 알 수 있다.
후속연구
- Seed layer의 표면 거칠기와 비저항과의 관계를 살펴보면, 증착층의 두께가 증가될수록 접촉각이 감소한 D군의 경우에는 비저항값이 증가하였으며 접촉각이 증가한 T, TD군의 경우에는 비저항 값이 감소하였다. 이러한 결과들로부터 표면의 활성화 정도와 비저항과의 어느 정도의 연관관계가 있음을 확인할 수 있었으나, 이들 관계에 대한 명확한 해석은 아직 밝혀진바 없으며, 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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