구리-아연 합금 박막을 이용한 polyimide 박막 내에 분산된 나노입자 형성과 그 특성 연구

Abstract

Recently, nano-sized particles dispersed in solid dielectric matrices have been intensively studied both from fundamental viewpoint and potential applications such as laser, transistor, and storage processes because such materials exhibit unique electrical and optical properties based on size quantization effect of the nano-particles. As solid dielectric matrices, polymeric materials have been widely used in industry because of their various chemical and physical properties driven by various chemical structure, spatial arrangement, and molecular weight of the polymer in addition to their easy processing methods such as spin-coating, jetting, printing or blade coating. One of polymeric materials, Polyimide (PI) has become good candidates. PI films have been widely used in the microelectronics industry due to their low dielectric constant, lower coefficient of thermal expansion (CTE), desirable mechanical properties, good chemical stability and high glass transition temperature. Various methods have been developed to fabricate the nanoparticles dispersed in polymer matrices, but these methods have the disadvantage of complex and costly manufacturing processes. We have previously developed a new method to fabricate nanoparticles in PI film by spin coating the PI precursor, polyamic acid (PAA), on thin metal films and imidization of PAA into PI and the type of particles formed, the particle distribution, and the mechanism depend on the reactivity between PAA and thin metal films and curing condition . In our previous work, when PAA was in contact with pure Cu or Zn thin films, the thin metal films reacted with PAA. We extended our research to Cu-Zn alloy film. PAA was reacted with Cu-Zn alloy film and the nanoparticles formation was investigated after imidization of PAA into PI. Also, the influence of N2 flow rate during curing was studied. To sythesis the nanoparticles in PI with the alloy films, A Cu-Zn alloy film was deposited on silicon (Si) or glass substrates by DC magnetron sputter. Biphenyltetracarboxylic dianhydride-p-phenylene diamine (BPDA-PDA) type PAA was spin-coated onto the Cu-Zn alloy films and the PAA/alloy film was subsequently cured at 250℃, 300℃ and 350℃ for 2 hours in various curing environment. Transmission electron microscopy (TEM) and SAD (selected area diffraction) pattern analysis were carried out to characterize the nanoparticles. The PI imidization degree of a Cu-Zn alloy specimen was compared with that of a pure Cu or Zn specimen by using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. The optical properties were measured by using the ultraviolet visible (UV-Vis) spectrometer and photoluminescence (PL) measurements were carried out in order to investigate possibility of it’s application in optical devices. In conclusion, the size and density of the particles increased with increasing curing temperature. FTIR results showed that the imidization degree increased when the curing temperature increased. Different phases of nanoparticles were formed during curing in various N2 flow rate. Result showed that the formation of Cu2O and ZnO or Cu and ZnO nanoparticles in a PI film due to flow rate of N2 and their size, distribution and density were highly dependent on the curing conditions.; 나노 기술은, 나노 크기의 제작 물질, 기능적 구조 및 소자의 과학과 공학을 의미한다. 이런 나노 기술은 최근 전자, 정보통신 및 생명공학 산업의 급속한 발전으로 인해 나노 기술에 대한 관심히 고조되고 있다. 나노 물질은 벌크 물질과 달리 새로운 물리적, 화학적 현상의 거동을 나타내며 미래형 광전소자를 구현하기 위한 새로운 가능성을 제시하였다. 이러한 물리적, 화학적 현상을 이용한 다양한 광전소자의 연구가 활발히 진행되고 있다. 소자로써의 적용을 위해서는 제조된 나노 입자의 크기 및 밀도 등이 가장 중요시되고 있으며 기존의 나노 입자 형성방법에서는 국부적인 분포도의 차이나 생성된 미립 입자의 응집 현상 등의 여러가지 문제점이 발견되었고 또한 고가의 공정상 사용 비용 등으로 인해서 새로운 공정의 필요성이 요구되었다. 본 연구는 박막 패키지용 metal/polyimide 구조에 있어서 polyimide (PI) 내에 분산된 금속 산화물 형성에 착안하여 다른 금속에 적용하여 기존에 알려진 공정보다는 비교적 용이한 방법으로 나노 크기의 영역에 속하는 미세한 입자를 절연 박막 내에 균일하게 분포시켜 제조에 목적이 있다. 이러한 금속 산화물 입자는 나노 스케일의 크기 영역으로 들어가면서, Bulk에서는 나타나지 않는 물리적, 광학적, 전기적 특성을 지니게 되며, 입자 크기에 의존하는 양자 크기 효과(Quantum Size Effect)가 나타나게 된다. 본 연구의 가장 중요한 점은 금속박막을 PI가 포함된 polyamic acid (PAA)에 반응시켜 금속이 PAA에 완전히 용해되어 큐어링을 통하여 PI 내에 나노입자의 금속산화물을 형성하는 것이다. 이번 연구에서는 과거에 실시한 한 가지 (Cu or Zn)의 금속 산화물 나노 입자를 제조하는 방법을 연장한 두 가지 이상의 합금 (Cu-Zn 합금)을 사용하여 금속 및 금속 산화물 나노 입자를 제조하는 방법을 실시 하였다. 이로 인하여 금속 산화물인 경우 크기의 의한 양자 구속 효과와 동시에 두 가지 이상 다른 상의 나노 입자를 형성 할 수 있는 이 점을 제시 할 수 있게 되었고 폴리이미드 내에 금속 및 금속 산화물, 두 가지 상의 나노입자를 형성 할 수 있게 되어 이 것을 이용하여 다양한 응용 소자 제작에 적용할 수 있게 되었다는 점에서 큰 장점을 가진다. 나노 입자를 제조하는데 있어서 중요한 것은 형성된 입자의 크기 조절이 가능 해야 하며, 균일하게 입자들을 분포시킬 수 있어야 한다. 그러므로 과거 연구결과를 바탕으로 공정 조건을 변화 시켜 나노입자 형성에 대한 영향을 관찰 하고자 시도 하였다. 결과적으로 폴리이미드 내에 두 가지 상의 나노 입자를 관찰 할 수 있었으며 이렇게 형성된 금속, 금속 산화물 나노 입자는 단전자 트랜지스터, 플래쉬 메모리 등의 전자소자, 광학 특성을 이용한 광소자, sensor 등에도 사용이 기대된다.