[논문]MEMS 소자를 위한 무전해 니켈도금의 잔류응력과 인 농도 의존성

이승환; 민남기; 고주열; 김은석

문제 정의

따라서 본 연구에서는 MEMS에의 응용을 위하여 EN 반응조의 온도, pH 및 hypophosphorous acid 농도변화에 따른 잔류 응력 및 박막 필름의 구조적 상관성에 대해서 살펴보았다.
첫째 전해 도금의 경우 외부에서 일정한 전압을 기판에 인가해 박막을 퇴적시키기 때문에 전도체가 필요하나, 무전해 도굼의 경우 외부인가 전압이 필요하지 않으며, 둘째 무전해 도금은 플라스틱과 같은 절연체 표면에도 일정한 전 처리 과정을 거치면 도금이 가능하고, 셋쨰 무전해 도금온 도금 용액과 금속 표면에서의 autocatalytic 반응에 의한 박막 퇴적 방법이기 떄문에 천해도금보다 단차피복성 (step coverage)이 좋다는 장점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 무전해 도금 (Electroless plating) 방법을 선택하였으며, 니켈은 HF 용액 내에서 강한 내화학적 특성을 갖고 있기에 무전해 니켈 도금 (Electroless Nickel Deposition)을 MEMS 제작에 융용하고자 하였다.

제안 방법

1 pm Ni, 500 Å Cr) thermal evaporatoi를 이용하여 증착하였으며, 제작된 시료는 다음과 같은 단계를 통하여 제작되었다. 1) NiA?r 및 이면 질화막의 패터닝, 2) 천면 Ni/Cr의 부분 식각 및 실리콘 이방성 식각을 위한 이면 질화막 RIE, 3) END 후 Ni/Cr/SiN 박막만을 갖는 다이어프램을 얻기 위헤 전면 외부 분 적 PR 도포 4) 공정 조건에 따른 END, 이때 EN 박막의 두께는 퇴적시간을 조절하여 약 6 ㎛ 두께의 박막을 확보하였다. 5) 전면 EN 박막을 KOH용액으로부터 보호하고, 실리콘 이방성 식각 기구물에 부착하기 위해 실리콘웨이퍼 가장자리에 PDMS (Poly-Di-Methyl Silicon) 의 도포 및 80 ℃에서 30 분간 경화 (7), 6) KOH 용액내에서 IR lamp를 이용한 실리콘 이방성 식각, 7) 마지막 공정으로 웨이퍼의 세척 및 칩 절단과정을 통하여 시료크기 10 × 20 mm의 bulge 시험 시료를 얻을 수 있었고, 이때 다이어프램의 크기는 2 × 12 mm 였다.
END 후 전면의 PR을 제거한 후 alpha step-200을 이용하여 퇴적된 EN 박막의 두께를 측정하였으며, 잔류 응력은 자체 제작한 Bulge test 시스템을 이용하여 측정하였다 (8). Bulge test 시스템의 구성은 그림 1과 같으며, 세가 지부 속 시스템으로 구성되어 있다.
또한 MEMS의 구조체로 사용될 이 물질은 HF 및 KOH 용액 내에서의 강한 내화학적 특성을 수반하여야 한다는 제약을 갖고 있었다. 이러한 목적에 합당한 구조적 물질을 MEMS에 옹용하기 위해 전해 도금 (Electr야)!ating) 및 무전해 도금 (Electroless Plating)에 대해 기초 조사를 하였다.
36 ㎛로 계산되었다 (10). 공정 조건에 따른 EN 박막내의 결정 방향성은 XRD 분석을 통하여 살펴보았으며, 측정에 의해 도출된 d-space와 JCPDS 데이터 베이스의 값과 비교 검토함으로써 결정 방향을 확인하였다.
그러나 알루미늄 seed 층을 Pd 전 쳐리법예 외비 활성화 시킨 후 END을 하는 경우 노출된 실리콘 표면 및 실리콘 과잉 저 스트례스 질화막의 표면 모두 니쌜이 도금된 것을 실험적으로 확인 할 수 있었으며, Bcmdal 공정이라 알려진 아연 처리법은 용액 자체가 갛 알카리성 (12 < pH < 13)이기 때문에 MEMS용 molds 이용하고자 하는 Photoreist를 용해시키는 단점을 갖고 있다 두 경우 모두 본 연구의 목적에 미흡한 점을 갖고 있었오며, 이롤 보완 극복할 목적으로 EN 용액 내에서 자발적인 반응율 하는 Ni/Cr 층을 이용한 END울 시도하였다.
잔류 응력과 인 농도의 상관성을 살펴보기 위해서 EN 박막내의 인 농도는 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) 시스템을 이용하여 측정하였으며, 이때 X선의 가속 전압은 40 keV 였으며, X선의 투과 깊이는 약 1.36 ㎛로 계산되었다 (10). 공정 조건에 따른 EN 박막내의 결정 방향성은 XRD 분석을 통하여 살펴보았으며, 측정에 의해 도출된 d-space와 JCPDS 데이터 베이스의 값과 비교 검토함으로써 결정 방향을 확인하였다.
6 ㎛ 의 저 스트레스 질화막을 LPCVD법에 의해 되적하였다. 질화막 퇴적 후 Ni/Cr seed 층은 (0.1 pm Ni, 500 Å Cr) thermal evaporatoi를 이용하여 증착하였으며, 제작된 시료는 다음과 같은 단계를 통하여 제작되었다. 1) NiA?r 및 이면 질화막의 패터닝, 2) 천면 Ni/Cr의 부분 식각 및 실리콘 이방성 식각을 위한 이면 질화막 RIE, 3) END 후 Ni/Cr/SiN 박막만을 갖는 다이어프램을 얻기 위헤 전면 외부 분 적 PR 도포 4) 공정 조건에 따른 END, 이때 EN 박막의 두께는 퇴적시간을 조절하여 약 6 ㎛ 두께의 박막을 확보하였다.

대상 데이터

2) END시의 침전물 방지등의 화학적 안정성을 고려하여 NiSOgHzO 15.7 g/liter, Ni acetate 4.3 g/liter, succinic acid 11.7 g/liter, 및 50 % H₃PO₂ 15 g/liter등이 함유된 용액을 사용하였다 (1). 이때 용액의 pH는 NHK)H와 pH 미터를 이용하여 조절하였으며, 공정조건에 따른 잔류 응력을 살펴보기 위해 반응조의 온도는 60℃에서 80℃, pH 값은 4.

이론/모형

공정 조건에 따른 잔류 응력 및 구조적 특성을 분석하기 위해 4 인치 p-type (100) 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 전세척 후 bulge 시험용 다이어프램으로논 공정온도 835 ℃, 가스비 SiHzCh: NH₃: N₂ =70:16:0.04 예서 0.6 ㎛ 의 저 스트레스 질화막을 LPCVD법에 의해 되적하였다. 질화막 퇴적 후 Ni/Cr seed 층은 (0.

성능/효과

따라서 EN 박막 퇴적시 pH 값의 변화는 인 농도 몇결졍 방향성을 좌우하는 인자임을 확인할 수 있었다.
증감함울 제시하였는떼(12), 이는 인함 유량에 따라 결정의 확대와 축소를 의미한다. 따라서 이를 바탕으로 pH 변화에 따른 잔류 응력의 상태를 살펴보면, 인 함유량의 중가에 따륜 lattice parameter의 증가로 잔류 옹력은 보다 압축 응력 방향으로 변화될 것임을 예측할 수 있으며, 이는 본 실험을 롱하여 확인할 수 있었다.또한 pH 값이 증가함에 따라 nickel (ill) 결정 화가 증대됨을 XRD 분석으로부터 확인 할 수 있었다.
또한 MEMS의 구조체로 사용될 이 물질은 HF 및 KOH 용액 내에서의 강한 내화학적 특성을 수반하여야 한다는 제약을 갖고 있었다. 이러한 목적에 합당한 구조적 물질을 MEMS에 옹용하기 위해 전해 도금 (Electr야)!ating) 및 무전해 도금 (Electroless Plating)에 대해 기초 조사를 하였다.
따라서 이를 바탕으로 pH 변화에 따른 잔류 응력의 상태를 살펴보면, 인 함유량의 중가에 따륜 lattice parameter의 증가로 잔류 옹력은 보다 압축 응력 방향으로 변화될 것임을 예측할 수 있으며, 이는 본 실험을 롱하여 확인할 수 있었다.또한 pH 값이 증가함에 따라 nickel (ill) 결정 화가 증대됨을 XRD 분석으로부터 확인 할 수 있었다.
무젼해 니켈 박막의 특성을 이해하고, 공경을 츼적화하기 위해 온도, pH, 및 농도를 반화시켜 가며test 시료틀 제작한 후 잔류 응력, EDS 및 XRD 훈석을 수행하였다, EN 박막내에서 인 농도는 Ph와 억벼례하는관계가 있음을 알 수 있었다. 즉 pH를 증가시킴에 따라인 농도는 감소하였으며, 니켈의 결정화는 인 농도가 감소함에 따라 증가하는 양상을 나타내었다.
그러나 반응조의 온도가 90 ℃인 경우 결정입계를 따라 미소 균열이 발생됨을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 본 실험의 최대 온도는 80 ℃로 고정하였다. 반응조 온도에 따른 EN 박막의 잔류 응력은 그림 2와 같으며, 온도에 따른 잔류 응력은 각각 13와 MPa, 200 MPa, 및 73 MPa로 각 온도에서 퇴적된 EN 박막은 인장 응력을 받고 있음을 알 수 있으며, EN 박막내의 인 농도는 11.39 %, 10.52 %, 및 9.87 %로 측정되었다.
웨이퍼간 질화막의 잔류 응력은 다소 변화가 있었으나 약 40 MPa 였으며, Ni/Cr seed 층의 잔류 응력은 으¥ 600 MPa임을 알 수 있었다.
있음을 알 수 있었다. 즉 pH를 증가시킴에 따라인 농도는 감소하였으며, 니켈의 결정화는 인 농도가 감소함에 따라 증가하는 양상을 나타내었다. B^e 시험 결과 잔류 응력은 모든 공정 조건에 민감함율 알 수 있었다' 비록 공정 조건에 따른 잔쀼 웅력의 젼채적인 변화양상을 설명할 수 없었으나, 니켈 결정내에서 인이 격자 상수를변화시칸다는 결과를 바탕으로 니켈에 함유된 인 농도가 증가함에 따라 EN 필름을 보다 압축 응력을 갖계 됨을젱안할 수 있었다.

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