[논문]무전해 동도금 Throwing Power (TP) 및 두께 편차 개선

서정욱; 이진욱; 원용선

doi:10.7464/ksct.2011.17.2.103

무전해 동도금 Throwing Power (TP) 및 두께 편차 개선
Improvement of the Throwing Power (TP) and Thickness Uniformity in the Electroless Copper Plating 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.17 no.2 = no.53, 2011년, pp.103 - 109

서정욱 (삼성전기주식회사 생산기술센터) , 이진욱 (삼성전기주식회사 중앙연구소) , 원용선 (국립부경대학교 화학공학과)

초록
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전기도금의 seed layer를 형성하는 무전해 동도금 공정의 throwing power (TP)와 두께 편차를 개선하기 위한 공정 최적화 방법을 제시하였다. 실험계획법 (DOE)을 이용하여 가능한 모든 공정 인자들 가운데 TP와 두께 편차에 가장 큰 영향을 미치는 주요 인자를 파악해 보았다. 균일성을 가진 via filling을 위해서는 도금액 내의 Cu 이온의 농도를 높여주고 도금 온도를 낮추어 주는 것이 바람직한 것으로 판단되었으며 이는 표면 반응성의 측면에서 설명되었다. Kinetic Monte Carlo (MC) 모사가 이를 시각화하기 위해 도입되었으며 실험에서 관찰된 현상을 정성적으로 무리 없이 설명할 수 있었다. 실험계획법을 이용한 체계적인 실험과 이를 뒷받침하는 이론적인 모사가 결합된 본 연구의 접근법은 관련 공정에서 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The process optimization was carried out to improve the throwing power (TP) and the thickness uniformity of the electroless copper (Cu) plating, which plays a seed layer for the subsequent electroplating. The DOE (design of experiment) was employed to screen key factors out of all available operation parameters to influence the TP and thickness uniformity the most. It turned out that higher Cu ion concentration and lower plating temperature are advantageous to accomplish uniform via filling and they are accounted for based on the surface reactivity. To visualize what occurred experimentally and evaluate the phenomena qualitatively, the kinetic Monte Carlo (MC) simulation was introduced. The combination of neatly designed experiments by DOE and supporting theoretical simulation is believed to be inspiring in solving similar kinds of problems in the relevant field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 얇은 도금 두께는 잠재적으로 앞서 언급한 open 불량뿐 아니라 에칭 공정에서 미에칭 불량 등을 발생시킬 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 무전해 동도금의 TP 개선이 필요하며 이를 위해 무전해 동도금의 TP에 대한도금액 인자들의 영향을 파악하는 실험을 진행하였다. 우선, 도금액 종류별로 TP를 평가하였으며 가장 TP가 높은 A-II 도금액에 대하여 도금액 인자 별 TP에 대한 영향을 파악하였다.
따라서 기판 표면 토금두께를 낮추면서 via 내부 도금 두께는 일정하게 유지하여 via를 통한 층간 연결이 가능하도록 하는 무전해 동도금기술 개발이 매우 중요하다. 이 논문에서는 기판 표면 도금두께는 일정하게 유지하면서 via 바닥 부위의 무전해 동도금 층 두께를 향상시킬 수 있도록 throwing power (TP)를 증가시 킴과 동시에 기판 표면과의 도금 두께 편차를 개선함으로써 궁극적으로 전체적 인 도금 두께를 감소할 수 있는 공정 최적화 방법을 제시하고자 한다.
0 g/L, 기준용액 농도 = 95 mL/L, 도금 온도 =30 °C, NaOH 농도 = 7 g/L, 안정제 농도 =1 mL/L, 환원제 농도 = 16 mL/L, air bubbling = 1 L/min, 도금 시간 = 40 min이다. 이를 기준으로 각각 두 개의 높고 낮은 조건(Table 1의 shaded 부분)을 도입함으로써 위 인자들의 TP에 주는 영향을 파악하고자 하였다.
인쇄회로 기판의 제작 공정 중 무전해 동도금은 후속 공정인 전기도금이 가능하도록 seed layer 형성을 목적으로 진행된다[1-3]. 인쇄회로 기판이 고밀도, 다층화되면서 미세회로 영역이 증가하고 있으며 via에 의해서 층간 연결이 이루어지는 stacked via 형태의 제품이 많은 비중을 차지하고 있다[4-9].

가설 설정

Figure 1. Definition of the throwing power (TP) of electroless Cu plating solution

제안 방법

A-n 도금액에 대한 도금 공정조건 별 tp 영향 평가 결과를 바탕으로 A-I 도금액에 대해서도 동일한 방식의 DOE를 적용하여 실험하였다. 평가 결과 도금 공정 조건 중에서 A-n 도금액과 같이 Cu 이온 농도와 도금 온도가 파에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 관찰되었다.
5)에서 A-I 도금액의 TP는 40% 수준으로 관찰되었으며 A-II 도금액의 경우 70% 이상이었다. 도금액에 따른 TP를 명확히 비교하기 위하여 aspect ratio가 2배인 기판을 사용하여 TP를 평가하였다. 도금액 별 TP 평가 결과 A-I, B 및 C 도금액은 TP가 40% 수준이었으며 A-II 도금액의 경우 50% 이상이었다(Figure 3).
실험 결과 구리이온 농도, 도금 온도 및 stabilizer 양이 TP에 가장 '괂은 영향을 주는 인자로 결정되었다. 또한 이러한 현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 통해 이론적으로 뒷받침하였다.
무전해 동도금을 이용하여 via 구조에 후속 공정인 전기도금을 위한 seed layer를 형성할 때 전체적인 두께 편차를 감소하고 throwing power (TP)를 향상시 킬 수 있는 공정 조건을 실험계획법 (DOE)을 통하여 알아보았다. 가능한 모든 공정 인자를 검토한 결과 Cu 이온의 농도와 도금 온도가 TP에 가장큰 영향을 미치는 것으로 파악되었는데 Cu 이온의 농도가 높을수록 도금 온도가 낮을수록 TP와 두께 편차가 향상되었다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 무전해 동도금의 TP 개선이 필요하며 이를 위해 무전해 동도금의 TP에 대한도금액 인자들의 영향을 파악하는 실험을 진행하였다. 우선, 도금액 종류별로 TP를 평가하였으며 가장 TP가 높은 A-II 도금액에 대하여 도금액 인자 별 TP에 대한 영향을 파악하였다. 실험 결과 구리이온 농도, 도금 온도 및 stabilizer 양이 TP에 가장 '괂은 영향을 주는 인자로 결정되었다.
가능한 모든 공정 인자를 검토한 결과 Cu 이온의 농도와 도금 온도가 TP에 가장큰 영향을 미치는 것으로 파악되었는데 Cu 이온의 농도가 높을수록 도금 온도가 낮을수록 TP와 두께 편차가 향상되었다. 이러한 현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 통하여 구현하였으며 표면 반응성과 연관하여 정성적인 해석을 하였다. 본 연구에서 보여준 DOE 및 모사를 이용한 이론적 해석은 해당 분야의 엔지니어들이 유익하게 활용할 수 있는 접근법이라고 생각된다.
A-II 도금액은 다른 도금액들과 비교하여 Cu 이온 농도가 높고, 도금액 온도가 낮은 특징이 있다. 이외에도 도금액의 어떤 요인이 TP에 영향을 주는 지 확인하기 위하여 A-II 도금액을 선정하여 인자별 TP 평가를 진행하였다.

대상 데이터

테스트기판은 TP의 차이를 명확히 비교하기 위하여 기존 기판(AR-0.5)의 aspect ratio 보다 2배 큰 기판(AR~1)을 자체 제작하여 사용하였으며 도금 시간은 현미경으로 via 내부 관찰이 용이하도록 40분을 적용하였다. Figure 2는 AR-0.
테스트기판은 TP의 차이를 명확히 비교하기 위하여 기존 기판(AR-0.5)의 aspect ratio 보다 2배 큰 기판(AR~1)을 자체 제작하여 사용하였으며 도금 시간은 현미경으로 via 내부 관찰이 용이하도록 40분을 적용하였다. Figure 2는 AR-0.

이론/모형

위의 실험을 통해 무전해 동도금 공정의 TP와 두께 편차에 영향을 미치는 주요 인자로서 Cu 이온 농도와 도금 온도가 결정되었다. Figure 4와 6을 통해 관찰된 현상을 물리적으로 해석하기 위하여 conventional kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 도입하였다. Kinetic MC에 대한 이론적인 배경은 참고문헌을 참조하길 바라몌11-14] 여기서는 얻어진 결과를 해석하는 데 초점을 맞춘다.

성능/효과

위 실험 결과에서 TP에 영향을 주는 주요 도금 인자는 i) Cu 이온 농도, ii) 도금 온도, iii) 안정제 농도였다. Cu 이온 농도와 안정제는 그 농도가 높을수록(양이 많을수록) TP가 증가됨을 알 수 있었으나 안정제의 경우 농도가 2 mL/L 이상에서 도금 후 외관이 매우 어둡게 나타나 도금 시 2.0 mL/L 이상의 높은 농도를 유지하는 것이 바람직하지 않은 것으로 판단되었다. 나머지 도금 인자들은 운전적인 측면에서 도금 조건을 고정함으로써 TP에 주는 영향을 배제할 수 있는데 예를 들어 air bubbling은 1.
위 실험 결과에서 TP에 영향을 주는 주요 도금 인자는 i) Cu 이온 농도, ii) 도금 온도, iii) 안정제 농도였다. Cu 이온 농도와 안정제는 그 농도가 높을수록(양이 많을수록) TP가 증가됨을 알 수 있었으나 안정제의 경우 농도가 2 mL/L 이상에서 도금 후 외관이 매우 어둡게 나타나 도금 시 2.0 mL/L 이상의 높은 농도를 유지하는 것이 바람직하지 않은 것으로 판단되었다. 나머지 도금 인자들은 운전적인 측면에서 도금 조건을 고정함으로써 TP에 주는 영향을 배제할 수 있는데 예를 들어 air bubbling은 1.
위 실험 결과에서 TP에 영향을 주는 주요 도금 인자는 i) Cu 이온 농도, ii) 도금 온도, iii) 안정제 농도였다. Cu 이온 농도와 안정제는 그 농도가 높을수록(양이 많을수록) TP가 증가됨을 알 수 있었으나 안정제의 경우 농도가 2 mL/L 이상에서 도금 후 외관이 매우 어둡게 나타나 도금 시 2.
무전해 동도금을 이용하여 via 구조에 후속 공정인 전기도금을 위한 seed layer를 형성할 때 전체적인 두께 편차를 감소하고 throwing power (TP)를 향상시 킬 수 있는 공정 조건을 실험계획법 (DOE)을 통하여 알아보았다. 가능한 모든 공정 인자를 검토한 결과 Cu 이온의 농도와 도금 온도가 TP에 가장큰 영향을 미치는 것으로 파악되었는데 Cu 이온의 농도가 높을수록 도금 온도가 낮을수록 TP와 두께 편차가 향상되었다. 이러한 현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 통하여 구현하였으며 표면 반응성과 연관하여 정성적인 해석을 하였다.
무전해 동도금을 이용하여 via 구조에 후속 공정인 전기도금을 위한 seed layer를 형성할 때 전체적인 두께 편차를 감소하고 throwing power (TP)를 향상시 킬 수 있는 공정 조건을 실험계획법 (DOE)을 통하여 알아보았다. 가능한 모든 공정 인자를 검토한 결과 Cu 이온의 농도와 도금 온도가 TP에 가장큰 영향을 미치는 것으로 파악되었는데 Cu 이온의 농도가 높을수록 도금 온도가 낮을수록 TP와 두께 편차가 향상되었다. 이러한 현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 통하여 구현하였으며 표면 반응성과 연관하여 정성적인 해석을 하였다.
평가 결과 도금 공정 조건 중에서 A-n 도금액과 같이 Cu 이온 농도와 도금 온도가 파에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 따라서 기준 도금액의 농도와 상관없이 Cu 이온 농도와 도금 온도 두 인자를 조절하여 TP가 극대가 되도록 공정 조건을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. Figure 4와 6에서 동일한 공정 조건에서 도금 온도 만 변경하였을 때 중간온도에서 TP 값이 최대가 되는 현상이 관찰되 었으며 Cu 이온 농도의 경우 다소의 차이는 있지만 Cu 이온의 농도가 증가할수록 TP도 같이 증가하였다.
평가 결과 도금 공정 조건 중에서 A-n 도금액과 같이 Cu 이온 농도와 도금 온도가 파에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 따라서 기준 도금액의 농도와 상관없이 Cu 이온 농도와 도금 온도 두 인자를 조절하여 TP가 극대가 되도록 공정 조건을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. Figure 4와 6에서 동일한 공정 조건에서 도금 온도 만 변경하였을 때 중간온도에서 TP 값이 최대가 되는 현상이 관찰되 었으며 Cu 이온 농도의 경우 다소의 차이는 있지만 Cu 이온의 농도가 증가할수록 TP도 같이 증가하였다.
이러한 현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 통하여 구현하였으며 표면 반응성과 연관하여 정성적인 해석을 하였다. 본 연구에서 보여준 DOE 및 모사를 이용한 이론적 해석은 해당 분야의 엔지니어들이 유익하게 활용할 수 있는 접근법이라고 생각된다.
우선, 도금액 종류별로 TP를 평가하였으며 가장 TP가 높은 A-II 도금액에 대하여 도금액 인자 별 TP에 대한 영향을 파악하였다. 실험 결과 구리이온 농도, 도금 온도 및 stabilizer 양이 TP에 가장 '괂은 영향을 주는 인자로 결정되었다. 또한 이러한 현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 통해 이론적으로 뒷받침하였다.
위의 실험을 통해 무전해 동도금 공정의 TP와 두께 편차에 영향을 미치는 주요 인자로서 Cu 이온 농도와 도금 온도가 결정되었다. Figure 4와 6을 통해 관찰된 현상을 물리적으로 해석하기 위하여 conventional kinetic Monte Carlo (MC) 모사를 도입하였다.
A-n 도금액에 대한 도금 공정조건 별 tp 영향 평가 결과를 바탕으로 A-I 도금액에 대해서도 동일한 방식의 DOE를 적용하여 실험하였다. 평가 결과 도금 공정 조건 중에서 A-n 도금액과 같이 Cu 이온 농도와 도금 온도가 파에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 따라서 기준 도금액의 농도와 상관없이 Cu 이온 농도와 도금 온도 두 인자를 조절하여 TP가 극대가 되도록 공정 조건을 찾을 수 있을 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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