선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는sputtering 으로 제조된 Al 박막의 두께 및 증착 조건에 따라서, Al 박막의 구조적 성질을 포함한 여타 성질들을 체계적으로 연구한다. 증착 온도, 플라즈마 인가 전력, 공정 시간, 압력 등 공정 변수들을 조절하여 박막의 특성들을 분석하여, Al 박막의 거칠기 특성과 전기 전도도 특성을 체계적으로 연구한다.
가설 설정
- 지역적으로 발생되는 표면 전기 화학 반응은 pitting, intergranular, intragranular 부식 반응을 일으킨다.11) 금속과 주변환경 간의 전자 교환이 금속 표면에서 발생하며, 이 산화 환원 반응으로 인해 부식이 발생된다. 박막의 표면적이 넓을수록 전자 교환이 더 활발해지므로,12) 거칠기 적은 Al 박막 형성이 굉장히 중요하다.
- 거칠기가 큰 표면에는 smooth한 기판 보다 표면 굴곡이 더 심해, 부식 표면적이 더 크다. 2. 거친 표면은 표면 valley와 peak의 수가 더 많다. 상대적으로 peak 내부의 전자들은 valley 내부의 전자들 보다 방출되기 더 쉽기 때문에,12) 거친 표면의 전자들이 smooth한 표면의 전자들 보다 전기 화학적으로 반응성이 더 높다.
제안 방법
- 스퍼터로 성장된 Al 박막의 부식 테스트는 기존 연구에서의 부식 방법을 준용하여 진행하였다.14) 1 M의 HCl 용액을 만들었고, Al 박막을 2시간 동안 dipping한 이후에 optical microscope(OM, ARTRAY사)으로 부식 정도를 측정하였다. Image J 프로그램을 이용하여 Al 박막 표면에 부식된 areal density를 계산하였다.
- Al 박막의 표면저항을 측정하기 위하여 4-Point Probe(CMT사, 4-Point Probe System)을 사용하였다. 4개의 탐 침으로 전류와 전압을 이용하여 저항 값을 구한 후, 표면저항으로 환산하기 위해 보정계수(Correction Factor; C.F, 4.532)를 적용하였다. Al 박막의 결정성을 측정하기 위해 X-ray diffraction(XRD, SmartLab사)를 이용하였다.
- 532)를 적용하였다. Al 박막의 결정성을 측정하기 위해 X-ray diffraction(XRD, SmartLab사)를 이용하였다. Al 박막의 경도를 측정하기 위해 Pencil hardness tester(PHT, 오션과학사)를 이용하였다.
- Fig. 5와 같이 XRD 분석을 통해 두께 별, 증착 온도별 Al 박막의 결정성을 확인하였다. 200 oC에서 증착된 600 nm Al 박막, 200 oC에서 증착된 300 nm Al 박막, 100 oC에서 증착된 300 nm Al 박막 모두 cubic phase의 결정성을 갖는 것을 확인하였다.
- 14) 1 M의 HCl 용액을 만들었고, Al 박막을 2시간 동안 dipping한 이후에 optical microscope(OM, ARTRAY사)으로 부식 정도를 측정하였다. Image J 프로그램을 이용하여 Al 박막 표면에 부식된 areal density를 계산하였다.
- 플라즈마 인가 전력은 30~200 W로 변화 시키면서, 온도는 100~300 oC까지 변화 시키면서 실험하였다. 두께에 따른 박막 특성을 확인하기 위해 300 nm와 600 nm Al 박막을 증착 하였으며 이를 위해 공정 시간은 각 1시간과 2시간 진행하였다. 기판 회전은 6 revolution per minute(RPM)으로 고정하여 실험하였다.
- 상대적으로 peak 내부의 전자들은 valley 내부의 전자들 보다 방출되기 더 쉽기 때문에,12) 거친 표면의 전자들이 smooth한 표면의 전자들 보다 전기 화학적으로 반응성이 더 높다. 따라서 내화학성을 지니는 Al 박막을 증착 하기 위해 가장 거칠기가 적은 박막을 증착 할 수 있는 30 W에서 후속 공정을 진행하였다.
- 연필의 강도는 6B가 가장 무르고 8H가 가장 강하며, 연필로 Al 박막을 일정한 속도로 긁었을 때 긁히기 직전의 연필강도가 Al의 강도가 된다. 스퍼터로 성장된 Al 박막의 부식 테스트는 기존 연구에서의 부식 방법을 준용하여 진행하였다.14) 1 M의 HCl 용액을 만들었고, Al 박막을 2시간 동안 dipping한 이후에 optical microscope(OM, ARTRAY사)으로 부식 정도를 측정하였다.
- 전계방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy; FE-SEM, JEOL사, JSM-7001F)을 표면 형태와 박막의 조성 분석에 사용하였다. 얻어진 SEM image로부터 hill lock 크기를 산출하기 위하여 그래픽 표면 분석 소프트웨어(Image J, developed at the National Institutes of Health)를 사용하였다.
- 결국, 위와 같은 이유들로 인해 hillock의 크기와 분포가 커져 표면 굴곡이 커졌다고 생각한다. 정확한 표면 거칠기 정도 측정을 위해 AFM 분석을 하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는sputtering 으로 제조된 Al 박막의 두께 및 증착 조건에 따라서, Al 박막의 구조적 성질을 포함한 여타 성질들을 체계적으로 연구한다. 증착 온도, 플라즈마 인가 전력, 공정 시간, 압력 등 공정 변수들을 조절하여 박막의 특성들을 분석하여, Al 박막의 거칠기 특성과 전기 전도도 특성을 체계적으로 연구한다. 이러한 결과들을 조합함으로써, 더 높은 신뢰성을 가진 Al 박막 pad의 제조 공정을 제시를 할 수 것으로 기대된다.
- 이 때의 Ar 양은 20 sccm을 사용하였다. 플라즈마 인가 전력은 30~200 W로 변화 시키면서, 온도는 100~300 oC까지 변화 시키면서 실험하였다. 두께에 따른 박막 특성을 확인하기 위해 300 nm와 600 nm Al 박막을 증착 하였으며 이를 위해 공정 시간은 각 1시간과 2시간 진행하였다.
- 플라즈마 인가 전압, 공정 온도, 박막두께의 공정변수를 바꾸어 가며 각각에 대해 sputtered Al의 공정을 확보하였다. 공정온도와 박막두께가 증가할수록 박막의 hillock 평균 크기가 증가하는 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 p-type (001)의 단결정 Si 웨이퍼(1~ 20 Ωcm)를 기판으로 진행하였다.
데이터처리
- 공정 온도 및 박막 두께에 따른 박막의 경도를 분석하기 위해 hardness test를 진행하였다. 국소부위의 경도를 측정하는 nano indenter 대신 grain boundary 이상의 면적에 대한 경도를 분석하기 위해 hardness test 중 pencil test를 진행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 공정온도가 올라갈수록, 박막 두께가 증가할수록 Al 박막의 경도가 약해지는 것을 알 수 있다.
이론/모형
- Al 박막의 결정성을 측정하기 위해 X-ray diffraction(XRD, SmartLab사)를 이용하였다. Al 박막의 경도를 측정하기 위해 Pencil hardness tester(PHT, 오션과학사)를 이용하였다. 연필은 6B~8H까지 사용하였고 추의 무게는 강한 Al의 경도를 이기기 위해 1 kg을 사용하였다.
- 표면 거칠기 특정을 위해 원자 간력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM, JPL Instument사, Nanowizard I) 을 사용하였다. Al 박막의 표면저항을 측정하기 위하여 4-Point Probe(CMT사, 4-Point Probe System)을 사용하였다. 4개의 탐 침으로 전류와 전압을 이용하여 저항 값을 구한 후, 표면저항으로 환산하기 위해 보정계수(Correction Factor; C.
- 공정 온도 및 박막 두께에 따른 박막의 경도를 분석하기 위해 hardness test를 진행하였다. 국소부위의 경도를 측정하는 nano indenter 대신 grain boundary 이상의 면적에 대한 경도를 분석하기 위해 hardness test 중 pencil test를 진행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다.
- 전계방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy; FE-SEM, JEOL사, JSM-7001F)을 표면 형태와 박막의 조성 분석에 사용하였다. 얻어진 SEM image로부터 hill lock 크기를 산출하기 위하여 그래픽 표면 분석 소프트웨어(Image J, developed at the National Institutes of Health)를 사용하였다. 표면 거칠기 특정을 위해 원자 간력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM, JPL Instument사, Nanowizard I) 을 사용하였다.
- 얻어진 SEM image로부터 hill lock 크기를 산출하기 위하여 그래픽 표면 분석 소프트웨어(Image J, developed at the National Institutes of Health)를 사용하였다. 표면 거칠기 특정을 위해 원자 간력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM, JPL Instument사, Nanowizard I) 을 사용하였다. Al 박막의 표면저항을 측정하기 위하여 4-Point Probe(CMT사, 4-Point Probe System)을 사용하였다.
성능/효과
- 이는 곧 표면 Al 원자들의 이동도가 증가하게 하며, 결국 표면을 거칠게 만든다.15) 박막의 부식은 표면에서의 전자 교환 반응이기 때문에, 아래 2가지 이유에 의해 거칠가기 큰 표면에서 부식이 더 잘 일어난다; 1. 거칠기가 큰 표면에는 smooth한 기판 보다 표면 굴곡이 더 심해, 부식 표면적이 더 크다. 2.
- 이때, 박막에 가해지는 온도가 높을수록, 박막과 기판간의 thermal expansion coefficient 차이로 인해 박막의 소형 변형(plastic deformation)이 심해진다고 알려져 있다.15) 박막의 stress state는 공정 조건에 따라 달라질 수 있지만, 기존 논문(180~280 oC에서 어닐링, 250~ 600 nm 두께의 Al 박막)15) 과 비교해서 본 연구에서 사용된 박막이 유사한 조건에서 성장되었기 때문에, 기존 문헌과 같이, Al 박막이 성장되면서 우리의 박막 또한 compressive stress를 받았다고 판단된다. 결국, 위와 같은 이유들로 인해 hillock의 크기와 분포가 커져 표면 굴곡이 커졌다고 생각한다.
- 앞서 말한 바와 같이, Al 박막은 성장하면서 compressive stress를 받는다.16) 박막 성장 시간이 길어질 수록, 박막 두께가 늘어날 수록, 박막이 받는 stress를 relaxation 하는 정도가 커지며, 이로 인해 소형 변형이 더 심하게 일어나, hillock의 크기는 커진다.
- 증착 온도가 증가하면 Al의 비저항이 증가하는 것 하였으며, 이것은 기존 논문과 일치하는 경향이다.17) SEM과 AFM 분석을 통해 증착 온도가 증가하면, 표면 거칠기 값이 증가하는 것을 관찰하였다(Fig. 2 and Fig. 3). 표면 거칠기가 증가하면 같은 면적 내의 박막 표면적이 증가하며, 이로 인해 전자들의 이동 거리가 증가하고 결국 저항 값이 증가한다.
- 16) 온도가 높을 수록 grain boundary를 따라 이동하는 Al 원자의 수가 증가하기 때문에, 공정 온도가 높을수록 grain boundary에 형성되는 hillock의 크기가 커진다.16) 2. 아울러, Al 박막은 성장하면서 compressive stress를 받는다. 이때, 박막에 가해지는 온도가 높을수록, 박막과 기판간의 thermal expansion coefficient 차이로 인해 박막의 소형 변형(plastic deformation)이 심해진다고 알려져 있다.
- 5와 같이 XRD 분석을 통해 두께 별, 증착 온도별 Al 박막의 결정성을 확인하였다. 200 oC에서 증착된 600 nm Al 박막, 200 oC에서 증착된 300 nm Al 박막, 100 oC에서 증착된 300 nm Al 박막 모두 cubic phase의 결정성을 갖는 것을 확인하였다. 38.
- 특히 package의 가장 겉면에 있는 molding compound는 습기에 비교적 큰 permeability를 보이므로,2) 만일 corrosive environment와 결합할 경우, Al Pad의 corrosion에 의한 신뢰성 저하를 피하기 힘들게 된다.3) 기존에는 무시할 수 있는 수준의 좁은 영역의 소재 부식은 구조의 미세화로 인해 더 이상 무시할 수 없으며, 전기적 소자의 특성과 수명을 크게 좌우한다. 또한 악화되어 가는 환경오염과 고온 다습한 기후 변화는 package 구조의 미세화와 이슈와 함께 신뢰성의 중요성을 부각시켰다.
- 즉, 공정 온도와는 달리, 두께가 Al 박막에 전기 전도도에 영향을 미치는 주된 요인이 아닌 것을 확인하였다. Fig. 2의 SEM 이미지 분석과 Fig. 3의 AFM 이미지 분석을 통해 hillock의 크기가 커지면 거칠기가 증가하는 것을 확인하였다. Fig.
- Image들 내에서 상대적으로 검은색으로 나타난 부분이 Al 박막 표면에서 부식이 진행된 지역이다. Image J 프로그램을 통한 계산 결과, 전체 면적 대비 부식된 면적은 각각 8, 22, 43 % 였다. 박막 성장 온도가 증가할수록 더 많은 부식이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
- 3(a-c)는 각각 100 oC, 200 oC, 300 oC 공정온도에 따른 Al 박막의 표면 AFM이미지이다. Root mean square(RMS) 거칠기 값이 온도가 증가할수록 각각 28, 43, 68 nm로 증가하는 것을 확인하였으며, 온도가 증가할수록 SEM 분석에서 확인한 hillock의 크기가 증가 했기 때문이라고 판단된다.
- 플라즈마 인가 전력을 30 W로 고정하고, 공정 온도를 바꿔가며, Al을 Si 기판에 증착 하였다. SEM 측면 이미지 분석을 통해 100 oC, 200 oC, 300 oC도에서 증착된 Al 박막의 두께가 각각 280 nm, 300 nm, 300 nm인 것을 확인하였으며, 공정온도가 바뀌어도 같은 시간의 증착에서는 박막의 두께가 같은 것을 확인하였다. Fig.
- 국소부위의 경도를 측정하는 nano indenter 대신 grain boundary 이상의 면적에 대한 경도를 분석하기 위해 hardness test 중 pencil test를 진행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 공정온도가 올라갈수록, 박막 두께가 증가할수록 Al 박막의 경도가 약해지는 것을 알 수 있다. 또한 공정온도 100 oC와 200 oC에서의 Al 경도차이보다 200 oC와 300 oC에서의 Al 경도차이가 더 컸다.
- 플라즈마 인가 전압, 공정 온도, 박막두께의 공정변수를 바꾸어 가며 각각에 대해 sputtered Al의 공정을 확보하였다. 공정온도와 박막두께가 증가할수록 박막의 hillock 평균 크기가 증가하는 것을 확인하였다. Hillock이 증가할수록 박막표면의 거칠기가 증가하는 것을 확인하였다.
- 박막 성장 온도가 증가할수록 더 많은 부식이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 성장 온도가 증가할수록 더 거친 표면을 발생시켰고, 이로 인해 더 많은 부식이 된 것을 확인할 수 있었다. 성장 온도의 영향과 마찬가지로, 앞선 결과에서 더 높은 플라즈마 파워에 따라서(Fig.
- 3) 더 거친 표면인 것을 확인 했었고, 이에 따라 더 높은 부식성을 갖을 것으로 기대된다. 따라서, 더 낮은 부식성을 갖는 Al 박막 제작을 위해서는 낮은 플라즈마 파워에서, 낮은 시간 동안(낮은 두께에서), 낮은 성장 온도에서 공정을 진행해야 한다는 결론을 얻었다.
- 측면 이미지를 통해 1시간과 2시간의 공정시간에서 각각 280 nm와 580 nm 두께의 Al 박막이 형성 된 것을 확인하였다. 또한 박막 표면에 hillock들이 확인되었고, 이미지 분석을 통해 hillock 크기가 평균 반지름이 각각 220, 320 nm인 것을 확인하였다. 앞서 말한 바와 같이, Al 박막은 성장하면서 compressive stress를 받는다.
- Image J 프로그램을 통한 계산 결과, 전체 면적 대비 부식된 면적은 각각 8, 22, 43 % 였다. 박막 성장 온도가 증가할수록 더 많은 부식이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 성장 온도가 증가할수록 더 거친 표면을 발생시켰고, 이로 인해 더 많은 부식이 된 것을 확인할 수 있었다.
- 4o에서 cubic (200) 방향성을 갖는 픽을 확인하였다. 박막의 두께가 클수록, 증착 온도가 높을수록 더 높은 픽을 확인하였으며, 이를 통해 결정성이 높아진다는 것을 확인하였다. 두께에 따른 결정성 증가로 인해, Table 2의 증가된 두께에서도 비슷한 비저항 값을 갖는다고 판단된다.
- 따라서 성장 온도가 증가할수록 더 거친 표면을 발생시켰고, 이로 인해 더 많은 부식이 된 것을 확인할 수 있었다. 성장 온도의 영향과 마찬가지로, 앞선 결과에서 더 높은 플라즈마 파워에 따라서(Fig. 1), 더 두꺼운 두께에서(Fig. 3) 더 거친 표면인 것을 확인 했었고, 이에 따라 더 높은 부식성을 갖을 것으로 기대된다. 따라서, 더 낮은 부식성을 갖는 Al 박막 제작을 위해서는 낮은 플라즈마 파워에서, 낮은 시간 동안(낮은 두께에서), 낮은 성장 온도에서 공정을 진행해야 한다는 결론을 얻었다.
- 앞선 결과에서 성장 온도가 높을수록 거칠기가 높아졌고, 이로 인해 더 높은 부식 가능성을 제시했다. Fig.
- Hillock과 박막표면 거칠기 모두 부식에 영향을 줄 수 있는 요인이기 때문에 hillock과 박막표면 거칠기를 조절하는 것이 내화학성을 갖는 Al 증착에 중요하다. 적은 hillock과 낮은 표면 거칠기를 갖는 박막을 증착하기 위해서는 낮은 플라즈마 파워와 낮은 공정 온도에서 얇은 Al을 증착하는 것이 유리하다는 것을 확인하였다.
- Table 2과 같이 박막의 두께가 변해도 비저항은 변하지 않는 것을 확인하였다. 즉, 공정 온도와는 달리, 두께가 Al 박막에 전기 전도도에 영향을 미치는 주된 요인이 아닌 것을 확인하였다. Fig.
- 4(a)와 4(b)는 Al 을 각각 1시간, 2시간 증착한 박막의 표면 SEM 이미지 이며, inset은 측면 SEM 이미지 이다. 측면 이미지를 통해 1시간과 2시간의 공정시간에서 각각 280 nm와 580 nm 두께의 Al 박막이 형성 된 것을 확인하였다. 또한 박막 표면에 hillock들이 확인되었고, 이미지 분석을 통해 hillock 크기가 평균 반지름이 각각 220, 320 nm인 것을 확인하였다.
- 1(c): 200 W). 플라즈마 인가 전력이 증가할수록 거친 morphology를 보였다. 플라즈마인가 전력이 증가하면 전하를 띄고 있는 전자들 혹은 Ar 이온들의 가속이 증가된다.
후속연구
- 증착 온도, 플라즈마 인가 전력, 공정 시간, 압력 등 공정 변수들을 조절하여 박막의 특성들을 분석하여, Al 박막의 거칠기 특성과 전기 전도도 특성을 체계적으로 연구한다. 이러한 결과들을 조합함으로써, 더 높은 신뢰성을 가진 Al 박막 pad의 제조 공정을 제시를 할 수 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.