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연구결과 요약서
연 구 과 제 명 기술을 이용한 금속 구조체 연구MEMS
연 구 기 관 한 국 과 학 기 술 원
연구개발책임자 소속 재료공학과 직위 부 교 수 성명 강 상 원: : :
협 약 연 구 비 천원20,000( ) 협약연구기간 개월1995. 7. 1. ~1996. 6. 30. (12 )
연구수행내용 및 연구결과1.
가 연구수행내용.
반도체와 분야에서 연구되고 있는 무전해 도금의 응용분야와 금속의 종류 금속o MEMS ,
무전해 도금 공정기술에 대해 조사하였다.
니켈 무전해 도금공정에 있어서 도금기지인 다결정 실리콘의 표면 전처리 공정 전처o (HF
리 산세척 등 에 따른 니켈의 도금 특성을 분석하였다, ) .
팔라듐 전처리 용액의 의 유무에 따른 니켈 박막의 밀착력 분석과 활성화 온도에o EDTA
따른 팔라듐 핵 생성 양상을 연구하였다.
도금 박막의 잔류응력 분석을 위하여 잔류응력 분석 패턴을 고안하고 잔류응력 크기 변o ,
화에 따른 분석 패턴의 변형을 예측하기위해 이를 전산 모의 실험하였다.
금속구조체와 함께 현재 구조체로서 가장 많이 사용되는 다결정 실리콘 박막의o MEMS
열전도도를 측정하기 위해 브릿지 구조의 열전도도 측정패턴을 설계하였으며 측정방법을 모
델링하였다.
열팽창력을 이용한 소자 개발을 위해 먼저 다결정 실리콘 브릿지 빔을 제조하여 동작전o
류에 따른 동작특성을 분석하였다.
나 연구결과.
기존의 무전해 도금 연구현황1)
기존의 반도체 박막 제조방법인 물리 및 화학 증착법에 비교하여 볼 때 무전해 도금방법은,
제조장치와 공정이 간단하고 거의 모든 금속 등(Ni, Co, Fe, Cu, Ta, Au, Ag, Pd, Zn, Sn )
의 박막제조가 가능하다 따라서 균일한 용 금속 박막 제조방법으로 반도체 산업. hole filling
에 응용하기 위해 실리콘과 금속간의 접촉저항 특성 연구에 집중되어 왔다 또한 분. MEMS
야에서는 와 에서 사용되는 전해 도금 방법을 대체하기LIGA process LIGA-like process
위한 목적으로 연구되어왔다.
이중 니켈은 등과 같은 높은 융점을 가지고 우수한 전기적 특성과 기계적 특성이Ti, W ,
우수하기 때문에 많은 연구자들의 관심을 끌어왔다 니켈의 경우 순수한 니켈보다는 와. NiP
를 많이 사용하는데 는 기계적 강도가 우수하고 는 전기적 특성 접촉저항 이 우NiB , NiP NiB ( )
수하다고 알려져 있다 따라서 이러한 니켈 도금막을 마이크로 머신 구조체 재료로서 사용.
할 때 피로 파괴 탄성계수 잔류응력 등의 기계적 특성이 좋아야 하므로 본 연구에 사용된, , ,
무전해 도금 금속은 로 결정하였다NiP .
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금속 구조체 공정 기술2) (Ni)
무전해 니켈 도금을 하기 위한 실험 순서는 무전해 도금 기지시편 제조 전처리 활성화 무, , ,
전해 도금으로 나눌 수 있다 무전해 니켈 도금 기지 시편을 제조하기 위한 공정순서는 다.
음과 같다.
먼저 인치 실리콘 웨이퍼에 열산화막을 니켈 구조체와 기판사이의 전기 화학p-type 5① ㆍ
적 절연을 위하여 두께로 형성시킨다0.6 .㎛
무전해 도금될 니켈 박막을 표면으로부터 띄우기 위해 희생층 으로서(sacrificial layer)②
다결정 실리콘을 중착하였다3 .㎛
무전해 니켈 도금은 도금 기지의 종류에 따라 활성화 방법이 다르고 도금된 박막의 물성③
또한 크게 변하게 된다 그러므로 씨앗층 의 종류에 따른 도금 박막의 특성분석. (seed layer)
을 위해 을 를 를 를 각각 증착한 가지 종류와 희생충인 다결Al 0.5 , Pt 0.1 , TiW 0.5 3㎛ ㎛ ㎛
정 실리콘을 바로 씨앗층으로 사용한 시편으로 도금 기판 제조실험을 분리하였다.
도금이 이루어질 틀을 형성하기 위해 점성이 높은 포토 레지스트를Hoechst AZ4562④
으로 스핀 코팅하였다 포토 레지스트의 투께는 로 관찰되었다 그 후에 틀의4000rpm . 7.5 .㎛
형상이 패턴화되어 있는 마스크를 통해 에너지로 노광한 후 현상하였다 그림550mJ/ . 1㎠
에 도금용 시편의 구조를 나타내었다.
전처리 공정의 경우에는 일반적으로 웨이퍼의 불순물과 잔연 산화막을 제거하기 위해 다음
과 같은 공정을 거친다.
시편위의 유지분 제거를 위해 가 인 산탈지pH 1 (UF-78:H① 2SO4:H3PO4:H2O =
를 사용하였다 씨앗층이 인 경우에는 산탈지 후에10:15:5:70) . Al HNO3 로 산세척을50%
하였다.
도금용 시편은 포토 레지스트로 패턴이 형성되어 있으므로 알카리 세척시 포토 레지스,②
트 틀이 손상될 위험이 있어 알카리 세척 공정을 생략하였다.
다결정 실리콘이 씨앗층일 때 자연산화막이 표면을 덮고 있어 팔라듐 핵생성을 방해한,③
다 따라서 이러한 자연산화막을 제거하기 위해 로 산화막을 제거하였다 실험결과로는. BHF .
처리를 하지 않은 시편은 도금이 이루어지지 않았다BHF .
에 의해 소수성 이 된 표면을 친수성 으로 만들어 주기BHF (Hydrophobic) (Hydrophilic)④
위해 산 세척 공정을 하였다.
무전해 니켈 도금 용액은 모두 사의 의Uemura NIMUDEN SX M(NiSO4 과) A(NaH2PO4 를)
로 섞어서 사용하였으며 는 으로 고정하였다 무전해 도금에서의 도금율은 온100:55 pH 4.6 .
도가 높아짐에 따라 커지는 특성이 있으나 포토 레지스트가 이상에서 균열이 발생하므, 85℃
로 도금온도를 로 고정하였다 그림 에 위에 형성된 니켈 도금패턴의 형상을 나타80 . 2 Pt℃
내었다 도금은 포토 레지스트 위에도 약간 이루어지는 것으로 보이며 이는 활성화 공정시.
에 핵생성이 틀 주위에도 이루어지기 때문으로 생각된다.
니켈을 실리콘이나 금속위에 무전해 도금하기 위해서는 활동도가 큰 촉매 금속을 전기화학
적인 방법이나 흡착방법으로 먼저 표면에 형성시켜야 한다 이러한 활성화는. PdCl2/HCl/HF
계의 용액이 많이 사용된다 하지만 실리콘 상에서는 팔라듐 핵이 비교적 크기가 크고 적은.
수가 생겨 를 착화제로 첨가하였다EDTA .
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도금 기판이 실리코인 경우에 팔라듐은 실리콘보다 환원 전위가 낮기 때문에 불산을 포함하
는 용액내에서 실리콘이 용해되고 팔라듐은 환원 도금되는 원리를 이용한다 본 실험에서.
사용된 활성화 공정은 와 기판인 경우 기판에 대한 활성화 용액인Pt TiW , Cu
사 에 물을 로 희석시켜 사용하였다 기판의 활성화는 아연 치환용KAT-450(Uemura ) 1:9 . Al
액인 를 사용하였으며 이의 는 정도이다 실리콘인 경우에는 가 첨AZ-401 X4 pH 11 . EDTA
가된 경우와 하지 않은 경우 가지 종류로 나누었다, 2 . (PdCl2:HCl:HF:EDTA =
그림 에 다결정 실리콘이 도금 기지인 경우에 활성화 온도에 따른 핵1:1.5:0.2:2mM) 3 Pd
생성의 표면 주사 전자 현미경 사진을 나타내었다 온도가 높아짐에 따라 핵의 수가 많. Pd
아지는 것을 볼 수 있다.
구조체 물성분석3)
도금 피막의 밀착력 측정은 일반적으로 사용하는 스카치테이프 실험 으로(scatch tape test)
측정하였다 가 첨가되지 않은 활성화 용액으로 처리된 시편인 경우에는 밀착력이 좋. EDTA
지 않아서 도금 공정 중에도 도금피막이 벗겨졌다 하지만 가 첨가된 활성화 용액 처. EDTA
리한 시편은 도금 공정 중간이다 스카치테이프 실험에서도 벗겨지지 않았다 이는 가. EDTA
포함된 활성화 용액이 핵을 좀더 작고 조밀하게 생성시키기 때문으로 보인다Pd .
무전해 니켈 도금시에는 도금시 용액 조성의 변화 등의 조건의 부분적인 변화로 인해 잔류
응력이 발생한다 이러한 무전해 도금을 이용하여 구조체를 제작할 경우 이러한 잔. MEMS ,
류응력의 형성으로 인해 구조체의 변형이 생기게 되므로 잔류응력의 크기를 측정하고 또한
제거하여야 한다 또한 탄성계수 항복응력 등의 기계적 성질을 이해하고 있어야 구조체의. ,
설계가 가능하다 에서 박막의 잔류응력 분석은 특수한 패턴의 변형을 현미경으로 관. MEMS
찰하는 방법이 많이 연구되고 있다 이러한 방법은 기존의 측정방법이 가지는 방법. X-ray
의 복잡성과 오차를 줄이는 장점을 가지고 있다.
패턴의 변형은 박막의 높이에 따른 응력 기울기로 인한 구조체의 수직방향으로의 변형과 박
막에서의 잔류응력 평균값으로 인한 구조체의 수평방향으로의 압축 또는 인장변형으로 나눌
수 있다.
먼저 그림 에 박막의 잔류응력 기울기를 측정하기 위한 측정패턴을 나타내었다 박막의 높4 .
이 방향으로 잔류응력의 기울기가 존재할 경우에 캔티레버 빙은 위 또는 아래로 휘게 된다.
이로 인해 현미경으로 수직방향에서 관찰시에 빔의 길이방향으로 수축이 일어나게 된다 이.
를 두 개의 고정되어 변형되지 않는 빔과 두 개의 변형되는 빔 사이의 버니어 눈금변화를
읽어서 측정하도록 되어 있다 두 번째로 박막의 평균 잔류응력을 구하기 위해서는 두 캔티.
레버 빔의 수축 또는 팽창으로 인해 버니어 눈금이 회전하도록 하였다 패턴의 구조는 그림.
에 나타내었다5 .
다결정 실리콘의 열전도도 측정방법4)
다결정 실리콘은 현재 반도체 재료로서 전기적 특성 등의 물성연구와 여러 가지 증착기술에
대한 연구가 선행되어 있다 또한 기계적 강도 탄성계수 피로 잔류응력 등의 기계적 물성. , , ,
에 대한 데이터 구축이 잘 되어 있어 마이크로 머신 구조체로서 현재 가장 많이 사용되고
있는 재료이다 그러나 마이크로 구조 캔티레버 빔 브릿지 빔 에서 열전도도 열팽창계수. ( , ) , ,
열 확산도 등의 물성에 대해서는 잘 알려지 있지 않다.
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이러한 물성들은 온도측정 센서 또는 열팽창력을 이용하는 액츄에이터의 소자 개발시에 이
용되는 상수로서 정확한 데이터 확보가 필요하다.
기존의 열전도도 측정방법으로는 미국의 에서 제안한 방법으로서 브릿지 가운데에 확BSAC
산 방지 마스크를 만들어 도핑을 하지 않아 그 부분만 저항이 높게 만들어 그 부분의 저항,
과 열전도도와의 관계식을 통해 측정하였다 하지만 이 방법은 확산방지용 마스크가 필요하.
는 등의 공정이 복잡한 단점이 있다 따라서 우리는 하나의 마스크만으로 간단하게 열전도.
도를 측정하는 패턴을 설계하고 열전도도와 브릿지 빔과의 관계식을 유도하였다 브릿지의.
전체저항은 브릿지의 온도분포와 관계가 있는데 온도분포는 열전도도와 관계가 있으므로 이
를 이용하여 열전도도를 측정한다 브릿지 빔의 온도분포는 브릿지의 가운데 부분에 열전달.
경로로서 빔을 연결시켜 그쪽으로 빠져나가는 열량을 계산하여 구해내었다 그림 에 열전. 6
도도 측정패턴을 나타내었다.
여기서 Rb 브릿지 저항: , ρo : To에서의 비저항 브릿지 길이 브릿지의 폭 브, 1 : W : , z :
릿지의 높이 비저항의 온도계수: , Tε o 기판의 온도 상온: ( ), C1 상수: , C2 상수 전: , J :
류밀도 다결정 실리콘 열전도도이다, K : .
그림 은 연전도도 변화에 따른 브릿지 저항변화를 위의 관계식을 통해 구한 곡선이다 열7 .
전도도가 증가할수록 브릿지 저항은 감소하며 이의 의존성은 열전달경로인 가운데 브릿지의
폭이 작을수록 큰 것으로 나타났다 앞으로 열전달 브릿지의 길이와 히터의 폭과 길이에 따.
른 추가적인 모의실험을 할 계획이다.
논문등 연구결과가 도출된 참고자료 목록2.
이재열 박경호 이종현 안병태 강상원 을 이용한 다결정 실리콘 빔의 잔류응, , , , , “ -stepα①
력 기울기와 탄성계수 측정 년 한국재료학회 춘계학술대회”, 1996 , B31.
활용에 대한 건의 및 기대효과3.
측정된 다결정 실리콘의 열전도도는 마이크로 히터 적외선 센서 유량센서 열구동형 액o , , ,
츄에이터 등의 온도의 측정과 열팽창력을 이용한 소자를 개발함에 있어 기본 상수로 사용될
수 있다.
확립된 무전해 금속 도금기술을 이용하여 많은 전류를 흘려야 하는 마이크로 머신 소자o
개발시에 전류경로로서 적용가능하다 또한 니켈의 경우 강도 등의 기계적 특성 또한 우수.
하므로 구조체 재료로서도 사용이 가능하다.
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나 기대효과.
다결정 실리콘 박막의 열전도도 측정방법은 마이크로 머신의 구조체 재료의 열전도도 측정
을 기존의 온도를 직접 측정하는 방법보다 전기저항 측정으로 간단하게 대치시키는 장점이
있다 따라서 측정된 결과의 정확성을 높을 수 있고 측정방법이 간단하다. , .
그림 도금용 시편의 구조1
그림 니켈 도금 패턴의2. Pt
주사 전자 현미경 사진
그림 활성화 온도에 따른 핵의 주사 전자 현미경 사진3. Pd
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그림 잔류응력 기울기 측정 패턴4.
그림 평균잔류응력 측정 패턴5.
그림 열전도도 측정 패턴7.
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그림 형 마이크로 브릿지 저항의 변화8. T
L1 : 300㎛ W1 : 6㎛
L2 : 100㎛ W2 : variable
1 : 1mA z : 1.5㎛
TCR : 1.2×10-3
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MRS-KOREA
년도1996
한국재료학회 춘계학술발표회
일자 :□ 년 월 일 금 일 토1996 5 17 ( )-18 ( )장소 :□ 경북대학교주최 :□ 사단법인 한국재료학회후원 :□ 경북대학교
MATERIALS RESEARCH SOCIETY OF KOREA
Seongdong P. O. Box 4, Seoul 133-600, TEL : 82-2-297-6771, FAX :
82-2-291-0578
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10:45~11:00
회 장A 회 장B 회 장C 회 장D
좌장 유지범 성균관: (대 이주현 선문대) ( )
좌장 박형호 연세대: ( )강종봉 경남대( )
좌장 이용희 연세대: ( )노재상 홍익대( )
좌장 이성민 강원대: ( )김영섭(RIST)
A-27 마이크로파펄스가
로ECRPECVD증착된
박막의a-Si:H광학적 특성에미치는 영향 선문대박상국,이주현명지대 이강렬 박,성성균관대 심천만,정동근
초청강연I-9Characterisation ofIncommensurateBi2-Sr2-CuO2 byX-ray powderDiffracction andOxyger ContentDeterminations
육군 제 사관학교3
남궁 찬
C-28Cyper-Phthalocyan
적충막의ine/PbTe창조와 광전변환특성 부산수산대리혜연일본 오사카대학카와이 토모지
D-25발화합성법으로제조한Y2O3/BaCo3/CuO/A분말에서gY1Ba2쳐3O7-δ상의생성속도전북대 양석우,신형식한국원자력연구소김찬중 홍계원,
11:00~11:15
A-28를ECRPECVD
이용한 용TFT의 대면적a-Si:H
증착성균관대 심천만,정동근선문대 박상국,이주현
C-29기계적합금화법에의해 제조된 ZSM5촉매의 제거NO특성에 관한 연구경상대 안효준남태현 이동근, ,안인섭한국분말야금 박동규
D-26 플라스틱압출법에 의한YBa2Cu3O7-δ-Ag복합 초전도 선재의제조 및 특성한국원자력연구소김찬중 홍계원,전북대 박순동 신형,식
11:15~11:30
A-29 인치4.5 ICB에 의한cell
패턴형성된 Si기판위의 증착에In대한 연구
B-30 Na-doped완화형PMN
강유전계의 1:1단범위 질서화 기구포항공대 이규만정현명
C-30 세라믹확산장벽과 전해질을동일한 물질로사용한 제한전류형센서삼성종합기술원이종혼김호인, ,이교열 김병기,
D-27 용융공정으로제조한 YBCO초전도체의 부상력성균관대 이이성박현순
11:30~11:45
A-30LPCVD,PECVD,EC
를R plasma CVD이용한 막질의SiN비교한양대 이태호,이규한 이승윤, ,정창영 안진호,
B-31 을-stepα이용한 다결정실리콘 빔의잔류응력 기울기와탄성계수 측정KAIST 이재열,안병태 강상원,한국전자통신연구소박경호 이종현,
C-31 이트리아안정화 지르코니아산소 펌핑셀에서전류처리 효과가다공질 백금 전극의특성에 미치는 영향삼성종합기술원이종혼 김호인, ,이교열 김병기,
D-28 Pulsed Laser법을Deposition
이용한 양질의YBa2Cu3Oy 고운초전도 박막의 제작삼성종합기술원이은홍박상진, ,송인상 공준호, ,석중현 홍진표, ,송이헌 이조원,
전덕영KAIST
11:45~12:00
좌장 장호정 단국대: ( )백종태(ETRI)
좌장 박진구 한양대: ( )오태성 홍익대( )
좌장 노광수: (KAIST)장현명 포항공대( )
좌장 리혜연 부산수: (산대)한영호 성균관대( )
A-31 불순물이첨가된 다결정실리콘의 열처리온도에 따른비저항의 변화현대전자 김민수,임 찬 박영진, ,김종철
B-32 Carbon를 이용한Nitrido
실리콘 팁이전계방출 특성에관한 연구연세대 지옹준,심재엽 백홍구,
C-32 와Cu사이에 도입된Si
이중충Ta/Cr확산방지막의 열적안정성에 관한 연구연세대 윤동수,백홍구강원대 강병선,이성민
D-29 첨가에WO3의한 Zr0.8Sn0.2TiO4마이크로파 유전체의품질계수 향상 기구홍익대 이정준,박종관 오태성,
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B 31
을 이용한 다결정 실리콘 빔의 잔류응력 기울기와 탄성계수 측정-step (Measurements ofα
residual stress gradients and Young's modulus for polycrystalline silicon beam using
a -step)α
한국과학기술원 : 이재열 안병태 강상원, ,
한국전자통신연구소 박경호 이종현: ,
미소 구조체 제작단계인 희생충 제거공정후에 구조체의 형상유지 여부와 가해진 의력에 대
한 구조체의 변형량율 예측하기 위해서는 구조체를 이루는 박막의 잔류응력 탄성계수 프, ,
와송 비 등의 기계적 특성을 알아야 한다 일반적으로 박막재료의 잔류응력 측정은 증착된.
기판의 곡률을 측정하여 분석하거나 를 이용하지만 이러한 방법으로 축정된 잔류응력XRD ,
은 실제 적용하려는 공중에 떠 있는 미소 구조체에서의 잔류응력과 일치하지 못하는 단점이
있다.
따라서 최근에 마이크로 머신에서 적용가능한 탄성계수 측정법으로서 nanoindenter
법 법excitation , electrostatic excitation , photothermal acoustic and mechanical
법등이 연구되어 왔다 또한 잔류응력 측정방법으로서 법excitation . balloon , membrane
법 법 법 등이 있다 하지만 실험load deflection , microfabricated structure , vernier gauge .
장치와 방법이 비교적 복잡하고 실제값과 오차가 큰 문제법이 있다.
본 연구에서는 이러한 기존의 잔류응력과 탄성계수 측정방법에 대신하여 surface profiler
인 을 측정장치로서 이용하였다 에 따른 캔티레버 빔의 휨 정도를 측정-step . Stylus forceα
하여 타성계수와 잔류응력 기울기를 동시에 측정하는 방법으로 다결정 실리콘 박막으로 이
루어진 마이크로 캔티레버 빔의 기계적 특성을 측정하였다 의 장점으로서는 박막두. -stepα
께를 측정하는 장비로서 널리 사용되고 있고 실험이 편리하다는 것과 캔티레버의 길이 방향
이나 또는 폭 방향으로 하면서 데이터를 측정할 수 있는 장점을 가진다 두께의scan . 2㎛
다결정 실리콘 빔 폭 길이 을 제작하였으며 잔류응력 기울기( : 10 ~ 100 , : 10 ~ 100 ) ,㎛ ㎛
는 로 측정되었고 탄성계수는 로 측정되었다90MPa/ 110Gpa .㎛
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을 이용한 다결정 규소 마이크로-stepα
캔티레버 빔의 잔류응력 기울기와 탄성계수
측정법
이재열 채정헌 박경호 이종현 강상원, , *, **,
한국과학기술원 재료공학과피케이 주식회사*한국전자통신연구소 반도체연구단 미세구조 연구실**
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요 약
기존의 미소 구조체에서의 잔류응력과 탄성계수 측정방법의 문제점을 해결하기 위하여 간편
한 측정방법을 새로이 제안하였다 박막의 두께측정 장치인 을 이용하여 다결정 규소. -stepα
마이크로 캔티레버 빔의 잔류응력 기울기와 탄성계수를 동시에 특정하였다 측정된 다결정.
규소의 잔류응력 기울기는 이며 탄성계수는 이다 측정된 잔류응력 기울84MPa/ , 120GPa .㎛
기로 계산된 빔의 초기 변형량과 단면 주사 현미경으로 관찰된 초기 변형량과는 약 20%
오차를 보였다.
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서론1.
미소 구조체 제작의 경우 희생층 제거시 구초체의 형상 유지 여부를 알고 가해진 힘에 대,
한 구조체의 변형량을 예측하기 위해서는 구조체를 이루는 박막의 잔류응력 탄성계수 프, ,
와송 비 등의 기계적 특성을 알아야 한다.
일반적으로 박막재료의 잔류응력 측정은 증착된 기판의 곡률을 측정하거나 또는
를 이용하나 이러한 방법은 측정시편 상의 박막과 기판이 붙어있XRD(X-Ray Diffraction) ,
어 실제 적용하려는 공중에 떠 있는 미소 구조체에서의 잔류응력과 일치하지 못하는 단점이
잇다 따라서 최근에 마이크로 머신에서 적용가능한 잔류응력 측정방법으로서.[1, 2]
법 법 법ballooon [3], membrane load-deflection [4], microfabricated structure [5],
법 등이 연구되어 왔다 하지만 이러한 방법들은 미소 구조체를 이루는vernier gauge [6] .
박막의 평균 잔류응력만을 측정하며 구조체의 상하변형을 유도하는 박막높이에 따른 잔류,
응력 기울기는 측정이 불가능하다.
탄성계수를 측정하는 경우에는 법photothermal acoustic and mechanical excitation [7],
법 법 등이 있다 그러나 기존의 이nanoindenter excitation [8], electrostatic excitation [9] .
러한 방법들은 특정한 실험장비와 복잡한 측정방법이 요구되는 단점이 있다.
그러므로 본 연구에서는 이러한 기존의 잔류응력과 탄성계수 측정방법에 대신하여 surface
인 을 이용하여 에 따른 캔티레버 빔의 휨정도를 측정하여 자류profiler -step stylus forceα
응력 기울기와 탄성계수를 동시에 측정하는 방법을 택하여 마이크로 캔티레버 빔의 기계적
특성을 측정하였다 은 반도체 분야에서 박막두께를 측정하는 장비로서 널리 사용되. -stepα
고 있고 실험이 편리하다는 장점을 가지고 있다.
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실험2.
다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔을 크기의 칩내에 두께로 다음과 같은 여10×10mm 2㎛
러 형태로 제조하였다 빔의 폭은 최소 에서 까지 변화시켰으며. 10 20, 40, 60, 80, 100 ,㎛ ㎛
빔의 길이는 각 빔 폭의 배부터 배까지 변화시켰다1 15 .
시편 제조 순서를 그림 에 나타내었다 먼저 희생층으로 사용할1 . LTO(Low Temperature
를 에서 두께로 증착하였다 에칭시에 캔티레버 빔을 지지하는 지지대를Oxide) 420 4 .℃ ㎛
확보하기 위해 산화막 건식 식각을 통해 트렌치를 구성하였다 다결정 규소를 에서. 625 2℃
증착하여 트렌치를 채움과 동시에 캔티레버 빔의 박막을 형성시킨 후 마이크로 캔티레,㎛
버 빔 구조 형상을 건식식각으로 구현하였다 마지막으로 와 를 의 비율로 섞은. NH4F HF 6:1
로 희생층을 제거하여 다결정 규소 빔을 완성하였다BOE(Buffered Oxide Etchant) .
미소 구조체의 잔류응력과 타성계수를 구하기 위해 그림 와 같이 마이크로 캔티레버 빔의2
길이방향으로 스캔하면서 에 따른 캔티레버 빔의 휨정도를 측정하였다stylus force .
결과 및 고찰3.
제작된 마이크로 캔티레버 빔의 사진을 그림 에 나SEM(Scanning Electron Microscope) 3
타내었다 그림 에서 관찰되듯이 증착된 에 구현된 트렌치가 수직하지 못하고 자형. 3 LTO V
의 모양을 이루고 있다 이로 인하여 후에 증착된 다결정 규소 역시 형태를 띄. , V-groove
고 있는 것으로 생각된다 이 부분은 측정시에 마이크로 캔티레버 빔의 스캔 기준점. -stepα
으로 사용하였다.
박막내부의 잔류응력 기울기는 일정하다고 가정하면 캔티레버를 휘게 하는 힘으로는 다음
가지를 생각해 볼 수 있다3 .
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에 의한 휨Stylus force(load)①
캔티레버의 잔류응력에 의한 휨②
캔티레버의 무게에 의한 휨③
여기서 는 휨정도 는 는 관성모멘트 는 빔의 폭 는 빔의 두께 은, Y , P stylus force, I , W , t , M
잔류응력에 의해 유발되는 모멘트 는 잔류응력 기울기 는 빔의 단위길이당 무게 은, S , q , L
마이크로 캔티레버 빔의 길이를 나타낸다.
윗 식을 이용하여 빔의 폭을 길이를 두께를 다결정 규소의 탄성계수를100 , 100 , 2 ,㎛ ㎛ ㎛
잔류응력 모멘트을 의 를 이라고 가정할 때의161Gpa, 20MPa/ , -step stylus force 5α㎛ ㎎
캔티레버의 휨정도를 전산모의실험한 결과를 그림 에 나타내었다 그림 에서 나타나듯이4 . 4
마이크로 캔티레버 빔 자체의 크기가 작아 구조체 무게로 인한 휨은 거의 무시가능하다 따.
라서 박막의 두께 방향으로 잔류응력의 기울기가 존재할 경우에 마이크로 캔티레버의 α
의 스캔형상은 다음 식으로 표현할 수 있다-step .
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여기서 는 지지대에서의 마이크로 캔티레버의 높이를 나타내며 는 시편 자체의 기판이B , Cx
기울어져 있는 정도를 보여준다.
그림 에 빔의 폭이 길이가 두께가 인 다결정 실리콘 마이크로 캔티레버5 100 , 100 , 2㎛ ㎛ ㎛
의 스캔형상을 에 따라 나타내었다 가 작을 경우에는 잔류응력stylus force . Stylus force
기울기로 인한 잔류응력 모멘트에 의해서 캔티레버 빔이 윗방향으로 휘어져 있으며, stylus
가 커짐에 따라 빔이 아래로 휘어짐을 볼 수 있다 스캔 곡선의 굴곡은 다결정 규소force .
박막의 표면형상 때문이다.
그림 은 트렌치 부분의 를 캔티레버 빔의 원점으로 설정하여 그림 의 곡선을6 V-groove 5
식 에 피팅한 결과이다 왼쪽 축은 잔류응력 기울기를 나타내며 오른쪽 축은 탄성계수를4 .
나타낸다 먼저 탄성계수값을 계산한 후 이를 식 의 비례상수에 넣어 잔류응력 기울기를. 2
구하였다 측정된 탄성계수 값은 약 이며 이론적인 벌크 다결정 실리콘의 탄성계수. 120GPa
값인 와는 다소 차이가 난다 잔류응력 기울기의 경우 약 로 계산되었다161GPa . 84MPa/ .㎛
이로부터 하중이 없을 경우의 마이크로 캔티레버 빔의 초기 변형량을 역산하면 이 계6.5㎛
산되었다 단면 주사 전자 현미경 사진으로부터 길이 의 마이크로 캔티레버 빔의 초. 160㎛
기 변형량은 로서 그림 에 나타내었다 따라서 주사 전자 현미경 사진과 으로8.5 7 . -stepα㎛
측정된 값이 약 의 오차를 보였다 측정시에 사용된 값은20% . -step stylus force -stepα α
자체내에서 보여주는 값이기 때문에 실제 캔티레버 빔에 가해지는 값과 차이가 있을 수 있
다 따라서 실험의 오차를 줄이기 위해서 를 보정할 수 있는 방법에 대한 연구. stylus force
가 더 필요할 것이다.
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결론4.
본 연구에서는 박막 두께를 측정하는 장비로서 널리 사용되며 실험이 편리한 을 이-stepα
용하여 다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔의 잔류응력 기울기와 탄성계수를 동시에 측정하
였다 측정을 위해 폭이 에서 길이가 에서 두께가 인 다결정. 10 100 , 10 1500 , 2㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛
규소 마이크로 캔티레버 빔을 제작하였다 측정된 잔류응력 기울기는 이며 탄성. 84MPa/ ,㎛
계수는 로 측정되었다 특정된 잔류응력 기울기로부터 계산된 초기 변형량과 단면120GPa .
주사 전자 현미경 사진을 통해 확인된 변형량에는 약 의 오차를 나타내었다20% .
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참고 문헌5.
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2. Ismail C. Noyan and Jerome B. Cohen, "Residual Stress : Measurement by
Diffraction and Interpretation", Springer-Verlag New York Inc. (1987)
3. R. T. Jaccordine and W. A. Schlegel, J. Appl. Phys. 37 (1966) 2429
4. R. T. Howe and R. S. Muller, J. Apl. Phys. 54(8) (1983) 4674
5. J. F. L. Goosen, B. P. van Drieenhuizen, R. J. French and R. F. Wolffenbuttel,
Transducer 93, 783
6. C. J. Kim, R. S. Muller and A. P. Pisano, Sensors and Materials
7. L. Kese Wetter, J. M. Zhang, D. Houdeau and A. Steckenborn, Sensors and
Actuators, A35 (1992) 153
8. T. P. Weihs, S. Hong, J. C. Bravman and W. D. Nix, J. Mater. Res. 3(5) (1998)
931
9. Kurt E. Peterson and C. R. Guarnier, J. Appl. Phys. 50(11) (1998) 931
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(a) LTO Deposition & Dry Etch
(b) Poly-Si Deposition
(c) Poly-si Dry Etch & Oxide Wet Etch
그림 다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔의 제조공정1.
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그림 다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔의 구조화 의 스캔방향2. -stepα
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그림 제작된 다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔의 주사 전자현미경 사진3.
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그림 다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔의 휨정도 전산모의실험 결과4.
폭 길이 두께 탄성계수( : 100 , : 100 , : 2 , : 161GPa,㎛ ㎛ ㎛
잔류응력 기울기 : 20MPa/ , Stylus force : 5 )㎛ ㎎
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그림 에 따른 다결정 규소 마이크로 캔티레버 빔의5. Stylus force
측정결과 폭 길이 두께-step ( : 100 , : 100 , : 2 )α ㎛ ㎛ ㎛
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그림 피팅결과로부터 계산된 잔류응력 기울기와 탄성계수6.
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그림 다결정 마이크로 캔티레버 빔의 단면 주사 현미경 사진7.
빔의 길이 빔의 두께( : 160 , : 2 )㎛ ㎛
