[논문]Si-PDMS 접착력 개선을 위한 PDMS 표면의 <tex> $O_2$</tex> plasma 처리 시간 및 Power 실험 결과

홍장원; 장종현; 박정호

문제 정의

PDMS의 표면은 O₂ plasma 처리를 통해 그 표면에너지를 변화시킬 수 있다[5]. 본 논문에서는 O₂ plasma의 출력과 시간을 조절하여 표면 처리된 PDMS의 표면 에너지 변화를 확인하고, 이에 따른 silicon-PDMS 간의 접착 특성을 분석하고 접착력을 증가시키기 위한 방법을 찾고자 하였다.
본 논문에서는 PDMS의 O₂ plasma 처리조건에 따른 PDMS의 표면 에너지 변화를 확인하고, silicon과 PDMS 사이의 접착력 변화를 확인하였다. Plasma power에 대해서는 PDMS의 표면에너지 변화가 거의 없었지만 plasma 처리 시간에 따라서는 시간이 길어질수록 PDMS의 표면 에너지가 증가함을 확인할 수 있었다.
본 논문은 서울테크노파크의 차세대패키징 공정.장비 실용화사업의일환으로 산업자원부 지원을 받아 수행되었으며, 이에 관계자 여러분께감사드립니다.

제안 방법

혼합된 PDMS는 진공 챔버에서 40분간 degassing한 후 70℃ oven에서 30분간 curing 하였다. Curing 한 PDMS를 15mm * 15mm의 크기로 자른 후 각각의 sample을 O₂ plasma chamber(Femto Science, CUTE)에 넣고 plasma power를 20 ~ 50W로, 시간은 5 ~ 25 초로 조절하여 표면 처리하였다. 표면 처리된 PDMS 표면에 micro-syringe를 이용하여 droplet(distilled water)을 떨어뜨리고 contact angle analyzer(SEO, Phoenix Plus300)를 이용하여 droplet과 PDMS 표면의 접촉각을 측정하였다(그림 1).
Holder를 blister tester에 올리고 holder 아래로 CO₂ gas가 들어올 때 새지 않게 고정시킨 후 모니터가 연결된 광학 현미경으로 silicon-PDMS sample 중앙의 접착된 부분이 잘 보이도록 움직여 조절하였다. Gas flow regulator를 열어 holder의 가운데 구멍과 silicon die의 관통된 구멍을 통해 gas가 유입되도록 하였다. 이때 gas 의 유입량을 천천히 증가시키며 흐르게 하였다.
이때 gas 의 유입량을 천천히 증가시키며 흐르게 하였다. Gas 유입량이 증가하면 silicon die에 접착된 PDMS의 표면에 압력이 가해지게 되고 PDMS가점차 부풀어 오르게 되는데, PDMS가 부풀어 오르다 silicon과의 접착이떨어지는 순간 gas의 압력을 측정하였다.
4). Holder를 blister tester에 올리고 holder 아래로 CO₂ gas가 들어올 때 새지 않게 고정시킨 후 모니터가 연결된 광학 현미경으로 silicon-PDMS sample 중앙의 접착된 부분이 잘 보이도록 움직여 조절하였다. Gas flow regulator를 열어 holder의 가운데 구멍과 silicon die의 관통된 구멍을 통해 gas가 유입되도록 하였다.
또한 측정된 접촉각과 이미 알고 있는 droplet의 표면에너지를 대입하여 표면 처리된 PDMS의 표면에너지를 산출하였다. 표면에너지 산출 방법은 1개의 용액을 이용하는 Girifalco-Good-Fowkes-Young 모델을 이용하였다(그림 2).
양면에 silicon dioxide가 deposition된 silicon wafer를 준비하고, photolithography와 BOE 6:1 용액을 이용하여 silicon dioxide를 패터닝하였다.
Curing 한 PDMS를 15mm * 15mm의 크기로 자른 후 각각의 sample을 O₂ plasma chamber(Femto Science, CUTE)에 넣고 plasma power를 20 ~ 50W로, 시간은 5 ~ 25 초로 조절하여 표면 처리하였다. 표면 처리된 PDMS 표면에 micro-syringe를 이용하여 droplet(distilled water)을 떨어뜨리고 contact angle analyzer(SEO, Phoenix Plus300)를 이용하여 droplet과 PDMS 표면의 접촉각을 측정하였다(그림 1).

대상 데이터

본 논문에서 사용한 PDMS(Dow Corning, Sylgard 184 Silicone Elastomer)는 base PDMS : curing agent를 3:1, 5:1, 10:1, 15:1의 4 가지의 비율로 혼합한 후 교반기(Daihan Science, DH.WOS01066 model) 를 사용하여 5분간 혼합하였다. 혼합된 PDMS는 진공 챔버에서 40분간 degassing한 후 70℃ oven에서 30분간 curing 하였다.

이론/모형

Blister test를 이용하여 접착된 silicon-PDMS sample의 접착력을 측정하였다[6](그림 4). Holder를 blister tester에 올리고 holder 아래로 CO₂ gas가 들어올 때 새지 않게 고정시킨 후 모니터가 연결된 광학 현미경으로 silicon-PDMS sample 중앙의 접착된 부분이 잘 보이도록 움직여 조절하였다.
표면 처리된 PDMS의 표면에너지를 산출하였다. 표면에너지 산출 방법은 1개의 용액을 이용하는 Girifalco-Good-Fowkes-Young 모델을 이용하였다(그림 2).

성능/효과

또한 표면에너지는 plasma 처리후 25초에서 약 90mJ/m2까지 커지는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 그림 4(a), (b)를 비교해보면 plasma power가 20W일 때와 50W일 때 접촉각과 표면에너지의 값이 크게 차이나지 않음을 볼 수 있으며 PDMS 혼합 비율 또한 접촉각과 표면에너지에 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 PDMS의 O₂ plasma 표면 처리 후 표면 특성에영향을 미치는 것은 plasma 처리 시간임을 알 수 있었다(표 1).
Plasma power에 대해서는 PDMS의 표면에너지 변화가 거의 없었지만 plasma 처리 시간에 따라서는 시간이 길어질수록 PDMS의 표면 에너지가 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 blister test를 통해 silicon과 표면 처리된 PDMS의 접착 강도를 측정하였는데, 접착력 역시 plasma 처리 시간에만 주로 영향을 받으며 처리 시간이 길수록 강한 접착력을 보이는 것을 확인하였다.
반면에 plasma 처리 시간에 따라서는 큰 변화를 보였다. Plasma 처리 시간이 5초일 때에 5psi(=34kPa) 이하의 압력에서 떨어졌으나 25초일 때에는 20psi(=130kPa) 이상의 압력까지 견디는 것으로 확인되었다. 이것은 silicon 위에 thermal dioxide를 올리고 O₂ plasma 처리한 후의 접착력(68.
측정하고 PDMS의 표면에너지를 산출한 것이다. Plasma 처리전 약 110o 였던 접촉각이 점차 낮아져 처리 시간이 25초인 경우 약 10o 까지 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 표면에너지는 plasma 처리후 25초에서 약 90mJ/m2까지 커지는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 그림 4(a), (b)를 비교해보면 plasma power가 20W일 때와 50W일 때 접촉각과 표면에너지의 값이 크게 차이나지 않음을 볼 수 있으며 PDMS 혼합 비율 또한 접촉각과 표면에너지에 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 PDMS의 O₂ plasma 표면 처리 후 표면 특성에영향을 미치는 것은 plasma 처리 시간임을 알 수 있었다(표 1).
Plasma power에 대해서는 PDMS의 표면에너지 변화가 거의 없었지만 plasma 처리 시간에 따라서는 시간이 길어질수록 PDMS의 표면 에너지가 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 blister test를 통해 silicon과 표면 처리된 PDMS의 접착 강도를 측정하였는데, 접착력 역시 plasma 처리 시간에만 주로 영향을 받으며 처리 시간이 길수록 강한 접착력을 보이는 것을 확인하였다. Plasma 처리 시간이 20초인 경우, silicon 위에 thermal dioxide를 올리고 O₂ plasma 처리한 후의 접착력과 비슷한 접착력을 보였고 25초인 경우에는 2배 정도의 강한 접착력을 보이는 것을 확인하였다.
Plasma 처리전 약 110o 였던 접촉각이 점차 낮아져 처리 시간이 25초인 경우 약 10o 까지 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 표면에너지는 plasma 처리후 25초에서 약 90mJ/m2까지 커지는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 그림 4(a), (b)를 비교해보면 plasma power가 20W일 때와 50W일 때 접촉각과 표면에너지의 값이 크게 차이나지 않음을 볼 수 있으며 PDMS 혼합 비율 또한 접촉각과 표면에너지에 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.

후속연구

Plasma 처리 시간이 20초인 경우, silicon 위에 thermal dioxide를 올리고 O₂ plasma 처리한 후의 접착력과 비슷한 접착력을 보였고 25초인 경우에는 2배 정도의 강한 접착력을 보이는 것을 확인하였다. 이 결과는 PDMS의 모양을 만들고 표면 처리하여 silicon에 접착시킴으로써 유연한 기판의 보호용 패키징 소자로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

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