슈퍼소닉 마이크로 노즐이 장착된 나노입자 적층 시스템을 이용한 구리 분말 적층 및 전기적 특성에 관한 연구

Abstract

나노입자적층시스템(NPDS)은 새로운 건식 분말 적층 시스템이다. 기존의 건식 적층 방법인 Cold spray와 ADM방법과는 다르게 NPDS는 세라믹 분말 및 금속 분말의 적층이 가능 할 뿐만 아니라 상온에서 공정이 가능하기 때문에 다양한 기판에 적용이 가능하다. NPDS의 챔버와 캐리어 가스와의 압력 차이로 인해 가속화된 세라믹 또는 금속 분말은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용하여 제작한 마이크로 사이즈 크기의 노즐을 통해 초음속으로 가속이 되고 다양한 SoD(Stand-off Distance)에 따라 입자 속도 제어가 가능하다. 여기서 SoD는 기판과 노즐 사이의 간격을 의미한다. 초음속 마이크로 노즐을 통해 가속된 입자는 운동에너지를 지니며 기판과 충돌시 열에너지로 변하면서 입자 사이에 necking이 유도되어 적층이 된다. 본 연구에서는 NPDS 방법을 통하여 실리콘 웨이퍼 위에 100 nm 입도의 Cu 분말을 적층하는 실험을 진행하였다. 구리는 열적, 전기적 전도도가 다른 금속 나노 분말 재료들에 비해 뛰어나며 가격 경쟁력까지 갖추고 있어 산업적으로 많이 사용되는 재료다. 이 중 Cu 분말을 이용하는 기존의 잉크젯 프린팅 기술은 반도체 공정 중 하나인 마스크 패터닝 공정을 생략할 수 있어 비용 절감이라는 장점이 있지만, 분말을 분산시키는 용액을 제조해야 한다는 단점이 있다. NPDS는 이런 단점을 극복 할 수 있는 차세대 건식 적층 방법 중 하나이다. 본 연구에서 다양한 스캐닝 속도에 따른 구리 분말 적층에 따른 전기적 특성 분석을 진행하였으며 제조된 패턴은 광학 현미경을 통해 확인 할 수 있었다. 다양한 스캐닝 속도(0.5 ~ 10 μm/s) 에 따라 적층한 구리 배선에서 10 μm/s에서 0.39 μm, 8 μm/s에서 0.41 μm, 5 μm/s에서 0.44 μm, 2 μm/s에서 0.47 μm, 1 μm/s에서 0.60 μm 그리고 0.5 μm/s에서 0.31 μm 평균 적층 두께를 보였다. 그리고 이 시편들의 적층 너비는 같은 SoD 300 μm에서 적층을 진행을 하였기 때문에 약 167 ~ 174 μm를 보임으로써 비슷한 너비를 보였다. 적층된 시편의 환원과 소결을 위하여 수소분위기에서 350℃, 4시간 열처리를 하였으며 다양한 스캐닝 속도에 따른 구리배선이 형성이 되었는지 확인하기 위하여 I-V 곡선을 측정하였다. 그 결과 10 μm/s 와 8 μm/s에서 적층한 구리 배선은 Schottky 접촉을 나타낸 반면에 5 μm/s, 2 μm/s, 1 μm/s 그리고 0.5 μm/s 에서는 Ohmic 접촉을 보였다. 5 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 저항과 비저항 값은 263.16 Ω과 1.68 x 10^-4 Ωcm, 2 μm/s 스캐닝 속도에서의 저항과 비저항 값은 19.12 Ω과 3.91 x 10^-5 Ωcm, 1 μm/s 스캐닝 속도에서의 저항과 비저항 값은 6.27 Ω과 1.70 x 10^-5 Ωcm 그리고 0.5 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 저항과 비저항 값은 11.16 Ω과 1.59 x 10^-5 Ωcm를 보였다. 이에 대한 원인 분석을 위하여 기공률을 측정한 결과, 5 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 기공률은 15.59 %, 2 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 기공률은 7.84 %, 1 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 기공률은 1.79 % 그리고 0.5 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 기공률은 6.31 %를 보였다. 기공률은 적층 밀도와 관계가 깊으며 이는 저항값에 영향을 준다. 1 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 저항값이 가장 작지만 적층 두께 및 너비를 고려한 비저항 값은 0.5 μm/s 스캐닝 속도에서 적층한 구리배선의 비저항 값이 가장 작았다. 본 실험에서는 NPDS를 통해 상온에서 건식방법으로 다양한 Cu패턴의 제조가능성을 확인할 수 있었다. NPDS는 새로운 건식방법의 프린팅 기술로서 Cu를 통한 회로설계가 가능 할 뿐만 아니라 금속 분말 및 세라믹 분말에도 적층이 가능하기 때문에 캐패시터 소자 및 염료감응전지에서도 적용 가능하리라 기대한다.