1. 서 론
현재 IT 산업기술의 발전에 따라 데이터 이동 속도 향상과 소비전력 감소 등 전자기기의 성능 향상이 요구되고 있으며, 이를 위해 반도체, 디스플레이 소자 및 배선의 미세화와 고집적화에 많은 관심과 연구가 집중되고 있다. 현재 주로 사용되는 미세 패터닝 방법인 포토 리소그래피(Photo-lithography)는 복잡한 과정과 고가의 포토마스크 및 공정 장비를 통해 제작되며, 패턴 자유도가 제한된다. 또한 건식 식각 방식을 사용하므로 소재 선택에 제한이 있으며, 유독성 물질 사용으로 인체 및 환경에 유해할 뿐만 아니라, 막대한 후처리 비용도 요구된다[1-5]. 따라서 이와 같은 포토 리소그래피 공정의 단점을 보완하기 위해 대체 기술의 필요성이 대두되었으며, 반도체 배선에 주로 사용되는 구리(Cu) 금속 배선의 미세 패터닝을 위한 공정 기술 연구가 활발히 진행 중에 있다[6-9].
따라서 본 연구는 리소그래피를 대체하는 방법으로 기계 가공을 활용하고자 한다. 이는 복잡한 과정 없이 절삭 공구와 장비만으로 금속 패터닝이 가능한 올인원(All-in-One) 방식이며, 비화학적인 공정으로 소재 제한이 없고, 유독성 물질 발생도 없어 친환경적이다. 또한 포토마스크에 의존하지 않고, 가공 공구와 하중 조절을 통해 다양한 패턴 구사가 가능하여 높은 자유도를 갖는다[10,11].
하지만 재료 본연의 기계적 특성에 따라 가공 형상은 다르게 나타나게 된다. 강도가 높은 취성 재료의 경우 가공이 잘 되지 않고, 연성 재료의 경우 공구에 점착되어 박막이 찢어지는 등의 이슈가 있다[12]. 따라서 기계 가공 패터닝 기술을 최적화하기 위해서는 재료의 특성에 따른 가공 방법 및 가공 변수 등의 최적 조건을 수립할 필요가 있다.
따라서, 반도체 산업에서 배선으로 주로 사용되는 구리 금속 박막을 증착 후 반도체 열처리 공정으로 주로 사용되는 급속열처리(Rapid Thermal Process, RTP)를 이용하여 열처리에 의한 기계적 특성 변화를 유도하였다. 이는 기존의 노(Furnace) 공정의 온도를 높이고 낮추는데 오랜 시간이 걸려 미세 소자 내에 원치 않는 확산 발생 및 열처리 시간 감소, 열 소모비용 등의 단점을 방지한다[13]. 열처리로 인해 기계적 특성이 변화된 박막을 기계 가공 후 나타나는 가공 특성 변화를 비교하여, 재료의 물성이 기계 가공 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 또한 이를 통해 나노/마이크로 스케일 기계 가공 (Nanoscale machining) 기술의 반도체, 디스플레이용 금속 배선 제작에의 적용 가능성을 확인하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 시편 제작
실험에 사용된 구리 금속 박막은 기판의 결정성에 영향을 받지 않고 금속 고유의 특성을 갖도록 실리콘 산화막(SiO2)이 성장된 기판 위에 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 공정 중 하나인 스퍼터링(Sputtering) 방법으로 제작하였다. 표 1은 구리 금속 박막의 주요 증착 조건을 나타낸 것으로, 99.99 % 순도를 갖는 타겟을 사용하여 고순도 구리 박막을 증착하였다. 유동 가스(Flow gas)는 아르곤(Ar) 가스를 사용하였으며, 스퍼터링 공정 시 베이스 압력(Base pressure)은 3.0×10-6 Torr, 공정 압력(working pressure)은 아르곤 가스를 주입하여 1.0×10-2 Torr 조건에서 1 µm 구리 박막을 증착하였다.
2.2 시편 열처리
구리 금속 박막 증착 이후 구리 박막의 기계적 특성 변화를 부여하기 위해 RTP를 이용하여 각 200, 400, 600 °C로 설정하여 30초 동안 급속 열처리하였다. 표 2는 주요 열처리 조건을 나타낸 것으로, 구리 박막이 산화되는 것을 방지하기 위해 포밍가스 (Foaming gas, N2+H2_10%)를 흘려주어 환원성 분위기에서 열처리하였다. 열처리 공정 시 베이스 압력(Base pressure)과 공정 압력(Working pressure)은 4.5×10-3, 100 Torr였다. 열처리를 하지 않은 금속 박막과 각 200, 400, 600 °C로 열처리된 박막 샘플을 제작하였으며, 이를 증착 후 열처리 (Post-deposition Annealing)의 약자를 사용하여 각각 non-PDA, PDA200, PDA400, PDA600으로 명명하였다.
2.3 Cu 박막 표면 가공 실험
구리 금속 박막 위의 절삭 가공을 위해 그림 1의 3축 초정밀 기계 가공 장비를 제작하여 실험하였다. 미세하중으로 균일 가공하기 위해 높은 분해능(0.002 N)을 갖는 압력 게이지(Force gauge, Mark-10)와 가공 방향(X-axis)과 인가 하중(Z-axis)이 조절되는 2개의 자동 제어기, 패턴의 간격(Y-axis)을 조절할 수 있는 1개의 수동 제어기로 초정밀 기계 가공 시스템을 구축하였다. 또한 설정한 하중을 계속적으로 유지하며 가공하기 위해 압력 게이지 값에 따라 자동적으로 Z 축 변위를 조절하는 보정 속도(Calibration speed)를 제어 가능하도록 제작하였다. 가공 공구는 다양한 소재에서 우수한 절삭성 확보를 위해 높은 경도와 우수한 내마모성을 가진 다이아몬드 공구(그림 2의 V 형태의 공구각 90°, 곡률 반경 1 µm)를 사용하였다[11].
표 3은 초정밀 기계 가공 조건이며, 후열처리된 박막 위에 각 2, 4, 6 mN의 미세하중으로 정밀 가공하였다. X축 스테이지 이동속도 즉, 가공 속도(Cutting speed)는 0.001 mm/s, 하중 정밀 조절을 위한 보정속도(Calibration Speed)는 0.001 mm/s로 설정하였다. 각 패턴의 깊이, 폭, 모양 등의 가공 특성을 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM)으로 분석하였으며, 열처리로 인하여 변화된 소재 미세구조 및 기계적 특성은 X선 회절(X-ray Diffraction, XRD), X선 반사 측정(X-ray Reflectivity, XRR), 그리고 나노인덴테이션(Nanoindentation)을 통해 비교 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 열처리 온도에 따른 박막의 가공 특성 분석
그림 3은 미세 하중으로 정밀 가공된 패턴을 SEM으로 관찰한 이미지이다. 그림 3(a)은 2 mN의 인가하중에서 가공된 각 박막에서의 패턴이며, 그림 3(b)은 4 mN, 그리고 그림 3(c)은 6 mN 인가하중에서의 가공 패턴이다. 모두 동일한 증착 및 가공 조건에서 생성된 패턴이지만, 열처리를 하지 않거나, 혹은 200 °C 열처리 시 파괴에 의한 불규칙한 취성 가공 패턴이 관찰되며, 400 °C 이상의 열처리 시 연성 가공 패턴이 관찰되었다. 이러한 기계 가공 특성의 변화는 고온 열처리에 의한 구리 박막의 기계적 특성 변화에 기인하며, 본 가공 조건에서 PDA400과 PDA600은 우수한 절삭면을 갖는 연성 가공이 가능한 박막 임을 확인하였다.
그림 4(a)와 4(b)는 연성 가공된 PDA400, PDA600의 단면을 FE-SEM을 통해 관찰한 이미지로 가공 깊이(depth)와 폭(width) 측정을 통해 절삭성을 분석하였다. 기계적 특성과 가공 특성이 무관한 관계라면 하중 증가에 따라 지속적으로 폭과 깊이가 증가했을 것이다. 하지만 그림 4를 통해 하중 증가에 따라 계속적으로 가공 깊이가 증가하는 것이 아닌, 구리보다 높은 기계적 강도를 갖는 실리콘 기판에 도달하게 되면 더 이상 가공 깊이가 증가되지 않음을 알 수 있다. 이는 소재의 기계적 특성 따른 가공 특성이 달라짐을 증명하는 결과로, 6 mN 이하의 하중에서 구리 박막의 연성 가공이 가능하며 실리콘 기판을 파괴하지 않음을 확인하였다[14].
표 4의 인가 하중에 따른 가공 패턴의 깊이와 폭을 측정한 데이터를 통해 기계적 특성에 따른 가공성을 확인하였다. PDA400과 PDA600의 두 박막 비교 시 2 mN의 하중에서 각각 0.629, 0.949 µm 가공 깊이를 가지며, 패턴의 폭은 각 2.520, 3.281 µm로 동일한 인가하중에서도 가공 패턴의 크기가 다름을 확인하였다. 600 °C 열처리 박막이 0.320 µm 더 깊게 가공되고, 패턴의 폭 또한 0.761 µm 더 넓게 가공되어 PDA400 보다 높은 절삭성을 가짐을 알 수 있다. 또한 하중이 증가함에 따라 패턴의 깊이와 폭은 증가하나, 실리콘 기판이 드러난 이후의 절삭은 인가하중 증가와 무관하게 가공 패턴의 절삭률이 증가하지 않았다. 더 이상 증가하지 않은 패턴인 6 mN의 인가하중에서 PDA400과 PDA600을 비교 시 고온 열처리 박막인 PDA600의 절삭면 기울기가 완만한 것을 알 수 있다. 이는 열처리로 인한 구리 박막의 탄성회복특성 변화에 따른 회복력 차이로, 열처리 온도가 높을수록 탄성 회복 정도가 감소하여 넓은 패턴 폭을 가짐을 의미한다[15].
하중에 따른 가공 패턴을 통해 박막 소진 이후의 가공은 하부 기판의 기계적 특성 따른다는 것을 확인하였다. 그림 5는 하중에 따른 절삭성(Machinability)을 정량적으로 분석한 결과로, PDA400의 경우 박막 소진 이전의 절삭성은 약 17.2 nm/mN이며, 박막 소진 이후는 약 1 nm/mN의 절삭성을 보여 가공 특성이 변화되는 특정 구간이 존재함을 확인하였다. 이는 재료 물성에 따라 절삭성의 변화로, 다른 기계적 특성을 갖는 재료가 드러날 시 하부 층을 가공하지 않고 패턴을 일정하게 유지하는 하중으로, 이를 임계 하중(Critical load)이라 정의하였다. 따라서 임계 하중 이하에서 가공 시 정밀한 가공 깊이 조절이 가능할 뿐만 아니라, 임계 하중으로 가공 시 하부 재료의 손상 없이 완전한 제거 가공이 가능하다. 이러한 임계 하중 가공 조건을 전기적 신호 불량을 일으키는 회로의 수리 과정인 리페어(Repair) 공정으로 적용 시 이어진 배선 등을 단락 시켜 소자 오작동을 방지할 수 있다.
3.2 열처리 온도에 따른 박막의 결정성 변화 분석
온도에 따른 결정 성장(Grain growth)을 관찰하기 위해 XRD 분석을 진행하였다 (그림 6). 4개의 박막 모두 동일한 43.7°, 50.7°, 그리고 74.3°의 Cu XRD 회절 피크가 발생하였다. 또한 32.3°, 35.2°, 38.4°, 48.7°. 53.2°, 58.0°, 61.3°, 66.1°, 그리고 67.6° 등의 산화구리(CuO) 회절 피크가 발생하지 않음을 통해 산화되지 않은 순수 구리 박막임을 확인하였다 [16,17]. 또한 피크 강도 증가와 반가폭 감소를 통해 열처리 온도에 따른 결정 크기를 계산하여, 그림 6의 (b)에 나타냈다. non-PDA와 PDA200의 결정 크기는 각 6.1, 6.0 nm로 200 °C 이하의 열처리는 결정 크기의 변화가 없으며, PDA400 박막은 13.6 nm로 non-PDA보다 약 2배, PDA600 박막은 36.6 nm로 약 5배의 결정 크기 증가를 확인하였다. 이를 통해 고온 열처리일수록 결정 크기가 증가함을 확인하였다. 열에너지에 의한 결정 성장은 높은 에너지를 갖는 불안정한 요소인 결정립계(Grain boundary) 감소 및 내부 잔류응력(Residual stress) 완화를 유도한다[18,19]. 따라서, 외부 스트레스에 의해 쉽게 파괴되어 취성 가공을 유발하던 박막이 고온 열처리에 의해 결정 성장 및 잔류응력 제거로 안정화되어 연성 가공되었음을 알 수 있다.
3.3 열처리 온도에 따른 박막의 밀도 변화 분석
구리 금속 박막의 밀도(Density)의 변화를 확인하기 위해 XRR 분석을 실행하였다 (그림 7). XRR 분석의 경우 정확한 분석을 위해 약 50 nm Cu 박막을 동일한 조건으로 스퍼터링 증착 및 열처리하여 분석을 진행하였다. 구리 박막의 열처리에 따른 기계적 특성은 박막의 두께의 영향보다, 열처리 온도에 따른 결정 성장에 큰 영향을 받아 낮은 두께 의존성에 의해 얇은 박막으로 유효한 분석이 가능하다[19]. non-PDA와 PDA200 박막은 임계 각도(Critical angle)와 반사 파형이 유사하였으며, 이 또한 동일하게 200 °C 이하의 열처리는 박막의 기계적 특성 변화를 유도하지 않음을 확인하였다.
그림 7(b)은 XRR 분석으로 얻어진 피팅 데이터를 통해 나타낸 온도에 따른 밀도 변화 그래프이다. non-PDA과 PDA200의 밀도는 각 7.5, 7.4 g/cm3로 유사한 밀도 값을 가지며, 이는 통해 기계적 특성에 큰 변화가 일어나지 않았음을 의미한다. 그러나 PDA400는 non-PDA의 밀도보다 0.2 g/cm3 증가된 7.7 g/cm3이며, PDA600는 0.4 g/cm3 증가되어 7.9 g/cm3이다. 열처리로 인해 결정성이 증가된 박막일수록 결정립계가 감소하여 원자 조밀화(Densification)가 이루어졌으며, 이를 통해 열처리 온도 증가와 결정 크기, 밀도는 서로 비례하게 증가하는 관계임을 확인하였다.
3.4 열처리 온도에 따른 박막의 경도 변화 분석
박막의 경도(Hardness) 변화를 분석하기 위해 나노인덴테이션 분석을 진행하였다. 그림 8은 각 열처리 박막의 하중 변위 곡선으로, 인가 하중(loading)의 최댓값(PMAX)에 해당하는 유지(hold) 구간의 값이 클수록 높은 기계적 강도를 갖는 박막임을 의미한다[20,21]. 그림 8(b)은 온도에 따른 비커스(Vickers) 경도를 나타낸 그래프로, non-PDA와 PDA200 비커스 경도는 156.9, 156.8 MPa로 특성 변화가 일어나지 않음을 확인하였다. PDA400는 148.2 MPa로 non-PDA 보다 8.7 MPa 감소하였으며, PDA600의 경우 124.8 MPa로 32.1 MPa 감소했다. 따라서 열처리 온도 증가에 따라 유지 구간 값의 감소를 통해 강도 저하를 확인하였으며, 열처리 온도 증가에 따라 강도와 경도가 감소하고 이로 인해 연성이 향상되었음을 알 수 있다.
3.5 열처리 온도에 따른 박막의 기계적 특성과 가공성
표 5와 그림 9는 열처리 온도에 따른 기계적 특성 간의 연관성을 분석하기 위해 XRD 분석을 통한 결정 크기(그림 6(b))와 XRR 분석을 통한 밀도(그림 7(b)), 그리고 나노인덴테이션을 통한 경도(그림 8(b))값을 중첩한 데이터이며, 열처리 온도와 가공 특성에 영향을 미치는 인자들의 관계를 알 수 있다. 결과적으로 열처리 온도 증가에 따라 결정 성장이 일어나며, 결정이 성장할수록 높은 에너지를 갖는 불안정 요소인 결정립계가 감소되고, 원자 간 조밀화로 밀도 증가 또한 확인하였다. 이는 내부 스트레스 완화의 역할을 하여 박막의 안정화가 이루어졌으며, 경도 감소 및 반대 특성인 연성 증가를 이끈다. 이로 인해 외부 스트레스를 견디지 못하고 취성 파괴되어 불균일한 가공 면을 갖던 패턴이 열처리로 인한 연성 증가를 통해 깨끗하고 균일한 가공 면을 얻는 연성 가공이 가능해짐을 확인하였다[22,23].
따라서 구리 금속 박막은 400 °C 이상의 열처리를 통해 연성 가공 유도가 가능함을 확인하였다. PDA400의 경우 non-PDA 기준 약 2배의 결정 크기 증가와 2.8% 가량의 밀도 증가, 그에 따라 연성이 5.6%가량 증가되었다. 이와 같은 기계적 특성의 변화로 인해 2 mN의 하중으로 0.64 µm 깊이로 가공되며, 4 mN에서 임계 하중 가공이 되어 1 µm 박막을 모두 절삭하고 하부 기판은 파괴하지 않는 연성 가공이 가능하다. PDA600의 경우는 non-PDA 기준 약 5배의 결정 크기 증가와 5%가량의 밀도 증가, 그에 따라 20.4%가량 연성이 급격히 증가된다. 이와 같은 기계적 특성의 변화로 인해 우수한 절삭력을 가져 2 mN의 하중 만으로 모든 박막을 절삭해 내는 임계 하중을 통한 가공이 가능하다. 따라서 인가 하중에 따른 패턴 깊이의 조절 가능성과, 기계적 특성과 절삭력의 연관성을 설명하여 물성에 따른 최적화된 기계 가공 패터닝 조건을 최적화하였다. 추가적으로 하부 층 손상없이 모든 박막을 제거해 내는 임계 하중을 적용하여 불량 배선 수리를 통해 정상 작동 소자의 수율을 향상 시키는 리페어 공정에 적용 가능성을 제시하였다. 이에 본 연구는 열처리를 통한 박막의 기계적 특성 변화와 그에 따른 우수한 절삭면을 갖는 나노/마이크로 스케일 패터닝 기계로의 연성 가공 조건을 수립하였으며, 이는 포토리소그래피를 대체하기 위한 새로운 지속 가능한 친환경 미세 패터닝 기술로써의 가능성을 제시한다.
4. 결 론
본 연구에서는 반도체 배선으로 주로 사용되는 Cu 금속의 나노/마이크로 스케일 기계 가공 패터닝 기술을 최적화하기 위해 가공 조건과 열처리 조건을 변수로 두어 실험하였다. 박막의 기계적 특성 변화를 XRD, XRR, 그리고 나노인텐테이션 분석을 통해 확인하였으며, 가공 깊이와 폭을 통해 절삭성을 정량적으로 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
초정밀 기계 가공 기술 최적화를 위해서는 외부 스트레스로 쉽게 파손되는 박막의 기계적 특성 변화를 유도해야 한다. 이는 경도와 연성의 반비례하는 관계를 이용하여, annealing을 통한 연성 강화로 해결 가능함을 확인하였다.
non-PDA와 PDA200의 경우 취성가공이 나타나 균일한 패터닝이 불가능하지만, 400 °C 이상의 열처리 박막인 PDA400과 PDA600은 결정 성장과 밀도 증가, 그에 따른 연성 증가를 통해 기계적 특성이 변화됨을 확인하였으며 연성 가공 가능함을 확인하였다. 이때의 절삭 깊이는 인가 하중에 비례하여 증가한다.
하중에 따라 나노/마이크로 스케일의 정밀 가공이 가능함을 통해 포토리소그래피(Photo-lithography)를 대체하기 위한 가능성을 제시한다. 이는 간결한 과정과 패턴자유도가 높으며 유독성 물질이 발생하지 않는다는 장점을 가지며, 지속 가능한 친환경 기술로써의 대체 가능성을 제시한다.
임계 하중을 이용한 나노/마이크로 스케일 기계 가공 기술은 디스플레이와 반도체, 그리고 각종 IT 산업에서 불량 배선 수리를 위해 사용하는 리페어 공정에도 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 같은 최적화된 기계가공 기술을 다양한 고부가 가치 산업에 적용함으로써 미세 패터닝 기술 발전에 도움이 될 것이다.
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