KR100727393B1

KR100727393B1 - 국부 전기화학석출법을 이용한 높은 구조적 집적도를 갖는고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR100727393B1
Application number: KR1020050073154A
Authority: KR
Inventors: 제정호; 설승권; 편아람; 후유광; 지오르지오 마가리톤도
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2007-06-12
Also published as: KR20070018445A

Abstract

본 발명은 국부 전기화학석출법(localized electrochemical deposition)을 이용한 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 미세구조물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 국부 전기화학석출법을 이용한 향상된 측면 해상도 및 치밀한 구조를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법으로서, (a) 전기화학적 매체를 갖는 용기 내에 팁을 갖는 전도성 전극과 전도성 기판을 담그는 단계; (b) 상기 전도성 기판의 표면위에 원하지 않는 풋이 형성되지 않을 정도로, 상기 전기 전도성 전극의 하단부가 상기 전도성 기판의 표면에 아주 근접하게 이격되게 초기 거리를 결정하여 상기 도전성 전극의 위치를 선정하는 단계; (c) 상기 전기 화학적 매체를 가로질러 전기적 포텐셜을 인가하는 단계; (d) 상기 기판위에 형성된 씨드 구조물의 길이를 최적화 시키는 단계; (e) 씨드 구조물 형성시 전극과 구조물의 접촉을 허용하면서 연속적으로 전극을 상부로 이동시키는 단계; (f) 상기 씨드 구조물이 소정의 높이로 성장한 후에, 상기 다공질 구조의 씨드 구조물위에 치밀한 구조의 미세구조물을 성장시킬 수 있도록, 상기 전도성 전극의 하단부와 상기 미세구조물의 상단부사이의 최적거리를 선정하는 단계; 및 (g) 상기 최적공정 조건하에서 산출된 전기전도성 전극 하단부와 상기 미세구조물의 상단부 사이의 상기 최적 거리가 일정하게 유지되도록, 상기 전도성 전극을 이동시키는 단계를 포함하는 향상된 측면 해상도 및 치밀한 구조를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법이 제공된다.

국부전기화학, 미세구조물, 미세방사학

Description

국부 전기화학석출법을 이용한 높은 구조적 집적도를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법{Method for manufacturing a high aspect ratio structure with high fabrication resolution using a localized electrochemical deposition}

도 1a는 표준 상 전하 접근법(standard image charge approach)을 사용하여 "풋(foot)-발 모양처럼 넓게 형성된 구조를 의미함"의 성장을 설명하기 위한 간단한 모델도.

도 1b는 도 1a에 보여진 모델에서 짧은 거리에 대한 대응하는 등전위면과 전기장을 보여주는 개략도.

도 1c는 도 1a에 보여진 모델에서 긴 거리에 대한 대응하는 등전위면과 전기장을 보여주는 개략도.

도 2a 내지 도 2c는 도 1 a 내지 도 1c로부터의 예측을 검증하는 X-선 마이크로래디오그래피로서, 구조물들은 "접촉" 모드로 인가 전압 4.5 V와 용액 1에서 성장되며, 도 2a는 초기 L-값이 약 44 ㎛ 인 아주 큰 경우이고, 도 2b는 초기 L-값이 약 12㎛ 인 아주 작은 경우이며, 도 2c는 "원하지 않는 거리"(UD)의 용어로 풋 크기를 정의하는 것을 보여주는 설명도이다.

도 3는 초기 L-값에 따른 "바람직하지 않은 도금의 크기"-"풋"의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 4 a 내지 도 4 d는 본 발명에 따른 2 단계 공정에 따라 성장된 구조물의 연속상들을 보여주는 사진이며, 도 4a는 초기 거리가 7㎛ 이며, 도 4b는 "접촉" 모드를 사용하여 성장된 씨드 구조물을 보여주는 도면이고, 도 4c는 전극과 성장된 구조물사이의 거리 L을 약 40 ㎛ 로 유지하는 것이고, 도 4d는 유지된 거리를 이용 "비-접촉" 모드를 사용하여 치밀한 구조물이 씨드 구조물위에 형성된 것을 보여주는 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 용액 1에서 3.5 V의 인가전압에 있어서 밀도가 높은 치밀성의 성장 (좌측)으로부터 밀도가 낮은 다공성의 성장(우측)으로의 전이를 보여주는 사진들.

도 5c 및 도 5d는 용액 1에서 10 V의 인가전압에 있어서 밀도가 높은 치밀성의 성장(좌측)으로부터 밀도가 낮은 다공성의 성장(우측)으로의 전이를 보여주는 사진들.

여기서 "임계"거리는 도 5a 및 도 5b의 첫 번째 경우는 8 ㎛ 이고 도 5c 및 도 5d의 두 번째 경우는 80 ㎛ 이다. 임계 거리는 첫 번째 경우가 두 번째 경우보다 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있다.

도 6a는 도 4의 구조물의 상부의 원주형 구역에 대한 단층 상이며, 도 6b는 4의 구조물의 하부의 씨드 구조의 단층 상이고 도 6c는 전체의 미세구조물에 대한 FESEM상이다.

본 발명은 국부 전기화학석출법(localized electrochemical deposition)을 이용한 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 미세구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명자들이 2004. 07. 23에 발표한 학술논문 “Coherent Microradiology Directly observes a critical cathode-anode distance effect in Localized Electrochemical Deposition" ELECTROCHEMICAL AND SOLID STATE LETTERS 7 (9) C95-C97 2004 에 기재된 선행기술에서는 전 공정에 걸쳐서 전극과 기판이 접촉하지 않는 "비접촉" 모드("non-contact" mode)에서 실험적으로 전극과 기판사이의 최적의 L 값을 선정하고, 성장하는 동안에 일정하게 최적의 L 값을 유지하여 다공성 구조보다 치밀한 구조를 얻었다.

그러나, 선행기술의 비접촉모드의 단일모드로써는 초기상태에 미세구조에서 원하지 않는 넓은 면에 걸쳐서 석출물 “풋”이 생기는 문제가 있었다. 이 바람직하지 않은 넓은 면에 걸친 석출물은 고집적 회로에 응용시 국부전기화학석출(LECD: localized electro chemical deposition) 구조물이 서로 인접하여 다수 정렬되었을 때 인접한 구조물간 단락을 일으킬 수 있어 국부전기화학석출 공정에서 구조적 집적도(해상도)를 저하시키는 문제를 만든다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 도전성 기판상에 폭이 넓은 "풋"이 형성되지 않고, 고 해상도 및 저 기공률을 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 신속하게 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 형성된 미세구조물의 기공률을 제한하고, 국부전기화학석출 공정에서의 실질적인 측면 해상도를 향상시키기 위하여, "풋(foot)-발 모양처럼 넓게 형성된 구조를 의미함"이 형성되지 않는 미세구조물의 형성방법을 개발하고자, 전극의 정교한 제어에 기반을 둔 새로운 방법을 개발한 것이다. 전극의 이동의 최적조건은, 석출과정을 코히어런트 방사광 X-선 미세 영상 장치를 이용하여 전극의 이동을 실시간으로 모니터링함으로써 구할 수 있게 되었다.

본 발명에서는 초기 국부전기화학석출 공정에서 바람직하지 않은 넓은 측면의 "풋"의 형성을 억제하고 동시에 미세구조물의 밀도를 증가시키기 위하여, 국부전기화학석출 공정을 2개의 다른 모드에서 수행하였다. 이는 발명자들이 하나의 단일 모드로는 고 품질의 고 해상도의 미세구조물을 성장시키는 것이 어렵다는 것을 발견하였기 때문이다.

우선, 본 발명자들은 "풋"의 문제를 해결하기 위하여, 도 1a에 보여진 바와 같이 "풋"의 형성 메카니즘을 규명하는 데 이용될 간단한 모델을 제시하였다. 여기서, 국부전기화학석출 공정은 반-무한 음극 면(semi-infinite cathode plane) 및 그것으로부터 거리 d 만큼 떨어져 있는 양 점 전하(positive point charge)로 시뮬레이션된 간단한 모델로 제안되었다.

Bhag, Singh Gure, Huseyin R. Hiziroglu, Electromagnetic Field Theory Fundamentals, PWS, Boston 1998에 제시되어 있는, 표준 이미지 전하 접근법(standard image approach)을 사용하여, 본 실시 예에서는 전위 및 전기장을 계산하였다. 도 1b 및 도 1c는 대응하는 등전위면 및 전기장의 개략도를 나타낸다.

중요한 점은 전기장의 세기 및 퍼짐에 의해 횡방향의 석출률은 d가 작을 때 급격히 감소하며, 반면에 d가 클 때는 그것들이 더 느리게 감소한다는 점이다. 이 점 때문에, d값(L값에 대략적으로 일치함)이 충분히 큰 경우, "풋"이 형성될 수 있다는 사실을 발견하였다.

이 모델은 코히어런트 방사광 X-선 미세 영상 장치를 이용하여 검증되었다. 도 2로부터 고정된 양극, 인가 전압 4.5V 및 용액 1에 의해 얻어진 성장의 결과를 볼 수 있다. 도 2a에 있어서는 초기 L값이 약 44 ㎛로 매우 큰 값에서 출발한 반면에, 도 2b에 있어서는 초기 L값이 대략 12 ㎛의 매우 작은 값에서 출발하 였다. 본 발명자들의 분석과 일치하게, 큰 풋은 첫 번째 경우(초기 L값이 약 44 ㎛로 큰 경우)에 형성되었다.

다음으로, 도 3에 보여진 바와 같이, 본 발명자들은 풋 형성과 초기 L값에 대한 보다 체계적인 분석을 수행하였다. 체계적인 분석을 수행하기 위하여, 풋의 크기를 도 2c에 나타난 "바람직하지 않은 도금의 넓이"(UD)라는 파라미터를 사용하여 표시하였다. 여기서 UD는 도 2c에 보여진 바와 같이, 전극을 중심으로 기판위에 형성된 풋의 반경에서 기판에 투영된 전극의 반경을 뺀 값으로 정의한다.

일련의 상들을 관찰함으로써, 발명자들은 초기 L 값을 감소시킴으로써 UD가 최소화될 수 있다는 아주 중요한 발견을 하였으며, 이는 도 3을 보면 알 수 있다. 실제로는, 초기 L값이 7 ㎛이하에서는 실질적으로 바람직하지 않은 석출물이 관측되지 않았다.

이러한 결과를 이용하여, 본 발명자들은 원하지 않은 풋이 형성되지 않으면서 치밀한 성장의 구조물을 형성하기 위한 두 단계로 이루어지는 국부 전기화학석출법을 이용한 치밀한 품질의 높은 종횡비의 미세 구조물을 제조하는 방법을 개발하게 되었다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

실험은 대한민국, 포항 방사광 가속기 연구소(PLS)의 7B2 X-선 마이크로스코피 빔라인(Microscopy beamline)에서 수행되었다. 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)같은 다른 시험들이 제조된 구조물의 미세현미경적 특징을 연구하기 위해 사용됐다.

국부전기화학석출 공정의 미세방사학적 장치(microradiography) 모니터링을 위해 도금조는 테플론 블록(Teflon block)으로부터 기계 가공하여 제작되었다. 그것은 대부분의 화학반응에 반응하지 않는 캡톤 필름(Kapton film)을 이용한 창을 가지고 있어서 X-선이 통과할 수 있도록 제작되었다.

두개의 셀 사이의 거리는 전극에 의한 불필요한 X-선 흡수를 피하기 위하여 ~5mm로 최적화 되었다.

실험은 두 종류의 용액을 사용하여 상온에서 수행됐다: CuSO₄·5H₂O(250g/L), H₂SO₄(75g/L)(용액 1) 및 CuSO₄·5H₂O(180g/L), H₂SO₄(75g/L)(용액 2). 미세전극은 Pt 와이어(50micron 직경)를 유리관속에 봉인한 후 그것을 연마함으로써 준비됐다. 순수한 구리 봉은 음극으로 사용됐다. 미세 전극 위치는 3개의 스테핑 모터들에 의해서 정확하게 제어되었다.

본 실시 예에서는 높은 종횡비의 미세구조물을 제조하는 공정이 두 단 계로 나누어 행하여졌다.

첫 번째 단계에서는, 풋이 형성되지 않을 정도로 작은 간격으로 하여 초기 L 값을 선정한다. 전극은 도금조에서 넣어진 전도성 기판에 아주 근접하게 놓여진다. 전압이 인가되고 성장하는 미세 구조물과 전극이 접촉할 때, 상기 전극이 이격되도록 빠르게 이동시킨다. 첫 번째 단계에서는 전극이 미세구조물과 접촉이 허용되며, 씨드 구조물(sead structure) 제작 후, 모터를 이용, 상기 전극을 풋이 형성되지 않을 정도의 간격으로 이격시킨다.

초기 L 값은 풋이 형성되지 않을 정도로 충분히 작은 간격을 유지하면서 씨드 구조물을 형성한다. 초기 L값을 7㎛로 유지한 최초의 상태를 도 4a에 보여주고 있다. 다음으로 전극과 씨드 구조물사이에 계속적인 접촉을 허용한다. 이때 마이크로 전극은 초당 200마이크로미터의 속도로 상방향으로 이동시킨다. 접촉을 허용하면서 씨드 구조물을 형성한 결과, 도 4b에 보여진 바와 같이, 본 실시예의 첫 번째 단계에서는 다공성 씨드 구조물이 형성되지만, 풋이 형성되지 않음을 알 수 있다. 첫 번째 단계에서 씨드 구조물은 약 30마이크로미터의 길이를 갖게 된다. 30마이크로미터 이하의 값을 가질 때는 두번째 단계에서 씨드와 기판간에 걸리는 전기장 차이가 작아서 구조물이 씨드 위에만 자라는 것이 아니라 기판위에서도 자라게 된다. 30마이크로미터 이상에서는 기판에 가해지는 전기장 효과가 씨드에 대해 상대적으로 작아져 국부적 석출이 발생한다.

첫 번째 단계는 “바람직하지 않은” 풋의 형성이 되지 않을 정도로 작은 전도성 전극과 미세구조물(또는 전도성기판)과의 간격을 두고 다공성 "씨드(sead)" 구조를 형성하는 단계로서, 팁 지오메트리(tip geometry), 사용된 용액 및 반응물(the solution and reactant(s) used), 인가전압(the applied potential between the tip and the substrate) 및 팁과 기판의 재질 등을 고려하여, “바람직하지 않은” 풋이 형성되지 않을 정도의 전도성 전극팁과 전도성 기판사이의 간격을 선정하는 것이 중요하다. “바람직하지 않은” 풋이 형성되지 않을 정도로 전도성 전극과 씨드 구조물과의 초기 간격을 유지하고 씨드 구조를 형성하는 모드를 접촉모드(contact mode) 라고 칭한다. 여기서 접촉모드라 함은 구조물이 성장될 동안 전극과 성장하는 구조물의 접촉을 허용함을 의미한다.

그리고 나서, 두 번째 단계는 최적 값의 일정한 L 값을 가진 "비접촉(non-contact)“성장이다. 즉, 두 번째 단계에서는 전도성 전극과 씨드 구조물사이에 최적 거리를 선정하여, "비접촉"성장을 하여 씨드 구조물 위에 치밀한 구조물을 형성하였다. 이 "비접촉" 성장을 이용하여 전체적으로 치밀한 구조를 씨드 구조물 위에 제조한 결과를 도 4d에 보여준다.

여기서는, 최적거리의 선정에 대하여 설명하고자 한다.

2004년 7월 23일에 학술지 “Coherent Microradiology Directly observes a critical cathode-anode distance effect in Localized Electrochemical Deposition" ELECTROCHEMICAL AND SOLID STATE LETTERS 7 (9) C95-C97 2004에 발표된 바와 같이(선행특허출원 0035313/2004의 명세서의 설명과 동일할 것으로 보임), 도 5a, 도 5b,도 5c 및 도 5d에서 알 수 있듯이, “임계거리”는 조직이 치밀성에서 다공성으로 전이되는 시점에서의 거리를 의미한다. 미세전극과 구조체 사이의 거리가 임계거리보다 크게 되면 치밀성 조직의 구조물을 얻을 수 있지만, 그 석출 속도가 느리게 된다. 그러나, 거리 L이 임계거리(critical distance) Lc보다 작게 되면 속도가 너무 빨라져 다공성의 구조물을 얻게 된다. 따라서, 석출속도와 조직의 기공률을 고려하여 임계거리 이상의 거리(예를 들면 임계거리 Lc의 약 105%)를 “최적거리”로 한다. 이 최적거리를 근거하여 초기 팁의 제 2 단계에서의 전극과 미세 구조물사이의 간격을 설정하였다. 이러한 임계거리의 측정은 코히어런트 X-선을 이용한 미세 X선 현미경에 의해 행하여진다. 석출되는 과정을 실시간으로 확대하여 관찰하고 또 그와 동시에 전류의 변화를 측정함으로써 임계거리를 측정할 수 있었다.

도 6a 및 도 6b는 상부의 원주형상 구역(제 2 단계공정에서 형성된 미세구조물) 및 하부의 씨드 구조 구역(제 1 단계공정에서 형성된 씨드 구조물)의 단층 상들이다. 도 6a는 균일한 횡단면을 보여주고, 반면에 도 6b는 다공성 마이크로모포로지(micromorphology)에 해당하는 빈 영역을 나타내는 검은 점을 가진 균일하지 않은 모습을 보여준다. 도 6c는 전체의 미세구조의 FESEM 상을 나타낸다.

코히런트 X-선을 이용한 실시간의 미세방사학적 장치가 본 발명의 해결수단에 있어서 필수도구이다.

최근 이러한 기술은 재료과학공정의 역학을 이해하는데 있어 몇몇 돌파구에 이르게 해준다. 본 경우에 있어, 미세방사학적 장치는 본 발명자들로 하여금 특히 원하지 않은 풋의 형성을 피하기 위하여 결정적인 초기단계동안에 성장과정을 직접적으로 관찰할 수 있게 해준다. 미세방사학적 장치는 또한 제조된 미세구조의 형태를 드러내 준다. 미세방사학적 장치가 단층사진 모드로 이용될 때 이러한 분석은 특히 강력하다.

본 발명에 의하면, 실시간 미세방사학적 장치를 이용한 국부전기화학석출 공정의 성장 메카니즘에 대한 분석을 통하여, 미세 구조물의 형성방법을 두 단계의 공정으로 수행함으로써, 원하지 않는 풋이 형성되지 않으면서 치밀한 조직의 구조물을 얻을 수 있다.

본 발명의 기술에 의해 예를 들면 집적회로 패키지에서 패드들사이에서 동선(copper lines)이 성장될 수 있으며, 약 2 ㎝의 안테나가 밀리미터 파 전송선 캔티레버 상에서 성장될 수 있으며, 또한 이 기술은 미세전자 산업분야에서 인터커넥트(interconnect) 수리 및 치밀한 PC 보드 상에서의 인터커넥트를 변경시키는 기술로서 유망할 것이다.

Claims

기판의 표면상에 미세전극을 이용하여 씨드 구조물을 형성하는 단계로서, 상기 씨드 구조물의 원하지 않는 풋이 형성되지 않을 정도의 상기 기판의 표면과 상기 미세전극 선단부 사이의 거리를 초기 거리로 하고 상기 미세전극의 선단부와 상기 씨드 구조물의 선단부 사이에 접촉을 허용하되 상기 초기 거리를 유지하도록 상기 미세전극을 이동시키면서 전기도금하여 씨드 구조물을 형성하는 단계; 및

상기 형성된 씨드 구조물의 선단부 표면상에 치밀한 구조의 미세구조물을 연장 형성하는 단계로서, 상기 미세구조물의 선단부와 상기 미세전극의 선단부 사이의 최적거리를 유지하도록 상기 미세전극을 이동시키면서 전기도금하여 미세구조물을 형성하는 단계를 포함하는 국부 전기화학석출법을 이용한 높은 구조적 집적도를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 최적거리는 임계거리 이상으로 하며, 상기 임계거리는 상기 미세구조물의 조직이 치밀성에서 다공성으로 전이되는 시점에서의 거리인 국부 전기화학석출법을 이용한 높은 구조적 집적도를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법.
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제 1항에 있어서, 상기 최적거리는 미세방사학적 장치를 이용하여 확인되는 국부 전기화학석출법을 이용한 높은 구조적 집적도를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 미세전극의 이동은 마이크론 단위의 스테핑 모터에 의해 행해지는 국부 전기화학석출법을 이용한 높은 구조적 집적도를 갖는 고 종횡비의 미세구조물을 제조하는 방법.
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