KR100355346B1 - 산화물 후막의 치밀화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화물 후막의 치밀화 공정에 있어서, 기판 위에 형성된 산화물 후막을 금속 또는 산화물 부도체 박막으로 인캡슐레이션(encapsulation)시키고, 600 ~ 900℃의 온도에서 20 ~ 3000 기압의 압력으로 가스 가압소결하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 현재 사용되는 산화물 후막, 예를 들어 압전 후막 등의 밀도를 획기적으로 증대시켜서, 전기적 물성이 벌크(bulk)값 정도에 이를 수 있다. 또한 본 발명의 가스 가압 소결법은 가스의 등방향 압축을 이용한 치밀화 기술로서, 시편을 여러 층으로 쌓아서 수행할 수 있어서, 실제 양산화 공정에 적용이 가능하다. 높은 압력에서 소결하므로 승압 융점 강하 현상으로 저온에서 소결 및 치밀화할 수 있다.

Description

산화물 후막의 치밀화 방법{METHOD OF DENSIFICATION FOR OXIDE THICK FILM}

본 발명은 산화물 후막의 치밀화 방법에 관한 것으로, 상세하게는 압전 후막 등의 전기적, 기계적 물성 증진에 필요한 산화물 후막의 치밀화(densification)에 관한 기술이다.

후막 제조 공정은 주로 기능성 고형물 입자의 패이스트를 사용하여 실크 스크린한다. 금속 후막 공정의 경우, 사용 고형물의 요구 특성이 전도성이므로, 후막의 밀도가 크게 중요하지 않다. 그러나, 형성하려는 후막이 산화물이고, 특히 압전성, 유전성 등의 전기적 특성을 이용하는 경우는 후막의 밀도가 전기적 특성에 큰 영향을 미친다.

현재까지, 산화물 후막의 치밀화에 관한 기술은 실크 스크린에 사용되는 패이스트의 기능성 고형물(예를 들면, 압전 후막에서 압전 분말) 이외에 유리 프릿트, 유기 바인더 및 용매의 종류와 성분을 조절하여 후막의 치밀화를 시도하여 왔다.

그러나, 이 경우, 기존의 열처리 방식으로는 그린 후막의 고형물 사이의 거리가 너무 멀어서, 물질 이동에 따른 소결이 어려웠다. 또한, 기능성 고형물의 부피 분율이 50% 내외로 고정되어 있어서, 소결 후에는 다공성 구조를 형성하게 되므로 산화물 후막에 요구되는 물성을 구현하기 어렵다. 스크린 프린팅 후의 그린 후막을 열처리한 후의 미세구조를 도 1에 나타내었다. 하부전극(13) 위에 형성된 산화물 후막층(11)을 보면 기능성 고형물입자(12) 간 거리가 서로 떨어져 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 소결시 치밀화되기 어려운 미세구조는 산화물 후막의 여러가지 전기적, 기계적 응용에 큰 제약을 주고 있다.

따라서 본 발명은 산화물 후막이 치밀하게 소결될 수 있는 방법을 제공함으로써 산화물 후막의 전기적, 기계적 물성을 향상시키며, 후막 형성 후의 후속 프로세스를 용이하게 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 치밀화되지 못한 후막의 미세구조를 나타내는 사진이다.

도 2는 본 발명에 의한 박막 인캡술레이션과 가스 압력 소결법을 개념적으로 나타낸 모식도이다.

도 3은 금속 또는 산화물 부도체에 의해 산화물 후막이 인캡슐레이션된 것을 나타내는 단면도이다.

도4는 금속 인캡슐레이션이 패턴 에칭되고 상부전극을 형성한 것을 나타내는 단면도이다.

도 5는 전극/산화물 후막에 부도체 인캡슐레이션한 후 금속 전극 배선이 플러그 인된 것을 나타내는 모식도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

21:가스투과방지 박막 22:기판

23:다공성 그린 후막

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산화물 후막의 치밀화 공정에 있어서, 기판 위에 형성된 산화물 후막을 금속 또는 산화물 부도체 박막으로 인캡슐레이션(encapsulation)시키고, 600 ~ 900℃의 온도에서 20 ~ 3000 기압의 압력으로 가스 가압소결하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법을 제공한다.

상기 산화물 후막으로는 실크 스크린 공정으로 형성된 산화물 그린 후막을 디왁싱하여 유기 바인더를 제거한 후의 다공성 성형체를 사용한다. 또한, 상기 가스로는 알곤(Ar)을 사용하며, 산화물 후막의 물성 증진을 위해 탄화규소 발열체 등과 같은 내산화성 발열체를 사용하여 열을 공급하고 산소와 알곤 혼합 기체를 사용할 수도 있다.

상기 금속 인캡슐레이션 재료로는 은-팔라듐 합금, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈 등을 사용하고, 인캡슐레이션 공정은 직류 스퍼터링, 열증착법, 전자선 증착법, 고주파 마그네트론 스퍼터링법, 이온 프레이팅, 전기도금법, 무전해 도금법 등에 의해 수행한다. 또한, 산화물 인캡슐레이션 재료로는 산화규소계의 산화물 부도체를사용하며, 인캡슐레이션 공정은 저압 화학증착법, 플라즈마 화학증착법, 스핀온 글라스법, 고주파 마그네트론 스퍼터링법 등에 의해 수행한다.

상기 금속 또는 산화물 부도체 박막을 산화물 후막 위에 코팅하여 가스 가압 소결법으로 치밀화시킨 후에는 인캡슐레이션된 금속 또는 산화물 부도체 박막을 패턴 에칭(pattern etching)하고 상기 산화물 후막 위에 상부 전극을 형성하는 공정을 수행할 수 있다. 또한, 치밀화 공정 후 산화물 박막 인캡슐레이션을 통해 상부전극 쪽으로 금속 도체 배선을 플러그인하여, 상부 전극과 연결하는 금속배선 공정을 수행 할 수 있다.

본 발명의 가스 가압 소결법의 원리는 다음과 같다. 밀폐된 챔버 안에 표면이 인캡슐레이션된 다공성 시편을 넣고, 압력을 가해서 가스를 주입하고 온도를 올려주면 밀폐된 챔버에서 기체가 팽창하여 온도와 압력이 동시에 상승한다. 이 상태에서 상기 다공성 시편의 가압소결이 일어난다. 일반적인 치밀화 공정인 소결은 고온에서 물질의 이동 및 확산에 의해 이루어지지만, 가스 가압 소결은 압력에 의해서 소결이 촉진되는 특징이 있다. 특히 다공성 시편에 등방향 압력을 가하기 위해 표면을 인캡슐레이션하는 것이 매우 중요하며, 인캡슐레이션함으로써 가스 가압시 시편에 가스의 침투를 막을 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 치밀화 방법은 여러 개의 시편을 일정 간격으로 적층시켜 동시에 치밀화 공정을 수행하게 되면 양산성이 크게 향상될 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 도면을 참조하며 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 산화물 후막의 치밀화 방법을 개념적으로 나타낸 모식도를 도2에 나타내었다. 기판(22) 위에 형성된 다공성 그린 후막(23)을 가스 통과 방지 박막(21)으로 코팅하고, 여기에 가스 가압하여 소결시킴으로써 상기 후막을 치밀화시킨다. 인캡슐레이션된 상기 후막(23)을 압력과 열을 동시에 가해주는 가스 가압 소결법을 이용하여 압력과 열에 의해 후막의 입자간 간격이 줄어들면서 소결되므로, 종래의 방법에 비하여 산화물 후막의 치밀화를 크게 향상시키게 된다. 특히, 압력에 의해 원자간 간격이 가까와지고, 고압에 의한 융점 저하로 소결 온도가 현저하게 낮아지므로 통상적인 소결 온도보다 낮은 온도에서 소결이 이루어질 수 있다.

가스통과 방지박막으로 금속을 사용하는 경우에는 인캡슐레이션을 위해 금속 박막 공정을 이용한다. 도 3에는 기판(32) 위에 형성된 후막(33) 위에 금속 코팅(31)이 되어 후막(33)을 감싸고 있다. 이와 같은 상태에서 도 2에서 설명한 바와 같이 알곤기체로 20에서 3000 기압까지 압력을 높이면서 온도를 증가시키며 가스 가압 소결 공정을 수행한다. 가압 소결로 형성된 치밀한 산화물 후막(43)의 인캡슐레이션된 금속을 에칭하여 상부 전극(41)을 형성할 수 있다. 이것을 도 4에 나타내었다. 42는 기판을 나타낸다. 상부 전극을 형성시킬 때는 가스 가압소결에 필요한 알곤 가스 투과 방지와 스텝 커버리지가 우수해야 한다. 금속을 사용하여 인캡슐레이션하는 공정은 상부전극 형성이 매우 용이하다는 장점을 갖는다.

또한, 가스통과 방지 박막으로 산화물 부도체를 이용하는 경우를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 기판(52) 위에 스크린 프린팅 공정으로 형성된 산화물 후막(53)과 상부 전극(55)을 형성한 후 디왁싱 공정을 수행한다. 이러한 구조에 산화물 부도체(51)를 코팅하여 상기 산화물 후막(53)과 상부 전극(55)을 인캡슐레이션시키고, 그 다음 알곤기체로 20에서 3000 기압까지 압력을 높이면서 온도를 증가시켜 가스 가압 소결 공정을 수행한다. 한편, 치밀화된 산화물 후막(53) 상부에 플러그를 형성하여 금속 박막(54)을 형성시키게 되면 전기적으로 분리된 치밀화된 산화물 후막 패턴이 형성된다.

본 발명에 의하면, 현재 사용되는 산화물 후막, 예를 들어 압전 후막 등의 밀도를 획기적으로 증대시켜서, 전기적 물성이 벌크(bulk)값 정도에 이를 수 있다. 또한 본 발명의 가스 가압 소결법은 가스의 등방향 압축을 이용한 치밀화 기술로서, 시편을 여러 층으로 쌓아서 수행할 수 있어서, 실제 양산화 공정에 적용이 가능하다. 높은 압력에서 소결하므로 승압 융점 강하 현상으로 저온에서 소결 및 치밀화할 수 있다.

Claims (13)

1. 산화물 후막의 치밀화 공정에 있어서, 기판 위에 산화물 후막을 형성시키고,

   상기 산화물 후막을 금속 또는 산화물 부도체 박막으로 인캡슐레이션(encapsulation)시키고,

   인캡슐레이션된 산화물 후막을 600 ~ 900℃의 온도에서 20 ~ 3000 기압의 압력으로 가스 가압소결하는 것으로 이루어지며,

   상기 가압소결에 의하여 승압에 의한 융점강하 현상으로 일반적인 소결과 비교할 때 낮은 온도에서 소결이 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화물 후막으로는 실크 스크린 공정으로 형성된 산화물 그린 후막을 디왁싱하여 유기 바인더를 제거한 후의 다공성 성형체를 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스로는 알곤(Ar)을 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 가스로는 산소와 알곤 혼합 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 가압소결시 내산화성 발열체를 사용하여 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 인캡슐레이션에 금속을 사용하는 경우에는 은-팔라듐 합금, 백금, 구리, 알루미늄 또는 니켈 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 인캡슐레이션 공정은 직류 스퍼터링, 열증착법, 전자선 증착법, 고주파 마그네트론 스퍼터링법, 이온 프레이팅, 전기도금법 또는 무전해 도금법 등에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 인캡슐레이션에 산화물 부도체를 사용하는 경우에는 산화규소계의 산화물 부도체를 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 인캡슐레이션 공정은 저압 화학증착법, 플라즈마 화학증착법, 스핀온 글라스법 또는 고주파 마그네트론 스퍼터링법 등에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 가압소결 후, 상기 인캡슐레이션된 금속 또는 산화물 부도체 박막을 패턴에칭(pattern etching)하고, 상기 산화물 후막 위에 상부 전극을 형성하는 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
11. 산화물 후막의 치밀화 공정에 있어서, 기판 위에 형성된 산화물 후막과 산화물 후막 위에 형성된 상부 전극을 산화물 부도체 박막으로 인캡슐레이션(encapsulation)시키고, 600 ~ 900℃의 온도에서 20 ~ 3000 기압의 압력으로 가스 가압소결하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 가압소결 후, 상기 인캡슐레이션된 산화물 부도체 박막을 통해 상기 상부 전극 쪽으로 금속 배선을 플러그인하여 상부 전극과 연결하는 금속배선 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.
13. 제1항 또는 제11항에 있어서, 여러 개의 시편을 일정 간격으로 적층시키고 동시에 가스 가압소결하는 것을 특징으로 하는 산화물 후막의 치밀화 방법.