KR101181274B1 - 플렉서블 기판상의 금속층 두께 측정방법 - Google Patents

플렉서블 기판상의 금속층 두께 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉서블 일렉트로닉스에 사용되는 플렉서블 배선 기판 제조 공정 중에서, 플렉서블 기판 위에 형성된 금속층의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이며, 금속층에 인장응력 혹은 굽힘응력을 가함으로써 금속층에 주름을 만들고, 이때 발생한 주름의 주기를 광학현미경등으로 현장에서 직접 측정함으로써 얇은 금속층의 두께를 손쉽게 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

플렉서블 기판상의 금속층 두께 측정방법{METHOD FOR EVALUATING THICKNESS OF METAL THIN FILM ON FLEXIBLE SUBSTRATES}
본 발명은 플렉서블 기판 위에 구비된 금속층의 두께 측정 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 플렉서블 일렉트로닉스(flexible electronics)에 사용되는 플렉서블 배선 기판 제조 공정 중에서, 플렉서블 기판 위에 놓인 얇은 금속층의 두께를 손쉽게 측정할 수 있는 두께 측정방법에 관한 것이다.
플렉서블 배선기판을 이용하는 플렉서블 일렉트로닉스 분야에서 금속 박막층의 두께에 따라 소자의 특성과 수명이 크게 달라지기 때문에 금속 박막층 두께를 정확하게 측정하는 것은 매우 중요하다. 일반적으로 사용되는 금속 박막층의 두께측정 방법으로는 빛, 적외선, x-ray, 레이저 등의 간섭, 반사, 굴절을 이용한 방법과 적외선 열화상 장치를 이용한 방법, 고주파를 이용한 방법 등이 있다.
그러나 기존의 두께 측정 방법들은, 적외선, x-ray, 고주파와 같은 고가의 광원이 필요할 뿐만 아니라, 별도로 광학장치인 간섭계, 분광계, 검출기 등을 필요로 한다. 더욱이 박막의 두께 측정을 위해서는 박막을 제조한 후 측정하고자 하는 박막을 채취하여 별도의 측정 장치로 이동하여 측정하게 된다. 그러므로, 두께측정 작업이 현장에서 적시에 이루어질 수 없고 시간이 소요되며, 두께측정의 결과를 반영하기 위한 피드백이 느리게 될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 플랙서블 일렉트로닉스에서 사용되는 플렉서블 배선 기판 내 금속층의 두께를 인시츄(in-situ)로 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 플렉서블 기판위에 금속층이 입혀졌을 때 잔류응력이나 외부에서 가해진 응력에 의해 금속층에 주기적으로 발생하는 주름현상을 이용하여 금속층의 두께를 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 플렉서블 기판의 일면에 코팅된 금속박막층의 두께를 측정하는 측정방법으로서, 상기 금속박막층에 압축응력을 가하여 주름을 생성하는 제1단계; 및 상기 주름의 주기를 측정하는 제2단계;를 포함하는 플렉서블 기판의 금속층 측정방법에 관한 것이다. 상기 플렉서블 기판은 점탄성을 갖는 폴리머이다.
상기 플렉서블 기판에 코팅된 금속층에 주름을 생성하는 방법으로는, 금속층을 코팅한 후 존재하는 잔류응력을 이용하여 주름을 생성하거나, 상기 플렉서블 기판에 인장력을 가한 상태에서 금속층을 코팅하고 인장력을 제거하는 방법을 이용하거나, 플렉서블 기판에 금속층을 코팅한 상태에서 굽힘응력을 가하여 주름을 생성하거나 또는 플렉서블 기판에 금속층을 코팅한 상태에서 어느 한쪽방향으로 인장력을 가함으로써 인장력이 가해지는 방향과 수직한 방향으로 압축응력이 걸리게 하여 주름을 생성하는 방법을 이용할 수 있다.
상기 주름의 주기 즉 주름의 간격을 측정하는 방법은 광학현미경, 원자현미경, 전자현미경을 이용하여 측정할 수 있으며, 상기 플렉서블 기판에 코팅된 금속박막층은 하나의 금속층이거나 또는 복수개의 금속층으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 주름생성 및 주름측정은 플렉서블 배선기판 제조공정 중에 인시츄로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 플렉서블 기판에 코팅된 금속박막층의 두께를 측정하는 방법으로서, 상기 금속박막층에 주름을 생성한 후, 주름의 간격(λ)과 금속층의 두께(t f )의 관계를 나타내는 아래 식을 이용하여 금속층의 두께를 측정하는 플렉서블기판의 금속층 두께측정방법을 제공한다.
Figure 112009082227846-pat00001
또한, 본 발명은 플렉서블 기판에 코팅된 제1금속층과 제2금속층의 두께를 측정하는 방법으로서, 상기 제1 및 제2금속층에 압축응력을 가하여 주름을 생성한 후, 아래 식을 이용하여 금속층의 두께를 측정하는 플렉서블기판의 금속층 두께측정방법을 제공한다.
Figure 112009082227846-pat00002
본 발명은 상기 구성에 의해서, 플렉서블 기판 위에 코팅된 금속층의 두께를 인시츄로 측정할 수 있다. 즉, 플렉서블 기판 위에 금속박막을 입힌 후 응력에 의해 발생하는 주름의 주기를 측정함으로써, 플렉서블 기판 위 금속 단일박막 혹은 다층박막의 두께 측정을 용이하게 할 수 있는 것으로, 플렉서블 일렉트로닉스 배선 기판의 두께를 기판제조 공정 중에 인시츄로 측정함으로써 박막의 두께를 손쉽게 측정할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명한다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속층 두께를 측정하기 위한 흐름이 나타나 있다. 먼저 플랙서블 기판을 준비하고, 플렉서블 기판에 금속층을 코팅한 후 금속층에 응력을 부가하여 주름을 형성한다. 그리고, 금속층에 형성된 주름의 주기를 측정함으로써 금속층의 두께를 알 수 있게 되는 것이다.
이하 본 발명을 설명하기 위한 실시예에서는 구리/폴리머(Cu/PDMS)에서 단층박막인 Cu두께를 측정하는 방법에 대해서 먼저 설명하고, 다음으로 구리/티타늄/폴리머(Cu/Ti/PDMS)에서 다층박막인 Cu/Ti의 두께 및 Cu, Ti층 각각의 두께를 측정하는 방법을 설명한다. 그리고, 본 실시예에서 설명을 위해 사용되는 플렉서블 기판으로는 탄성계수가 약 2.7MPa 정도의 값을 가지는 PDMS (Polydimethylsiloxane)를 이용하였고 이 PDMS위에 Cu단층박막과 Cu/Ti 다층박막은 DC 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 증착하였다.
증착장비의 진공 챔버내의 압력은 10-6 Pa (< 10-8 torr) 정도로 유지되었으며, 금속 박막층 증착 후 박막층에 압축응력을 가하여 주름을 생성시켰다. 압축응력을 가하는 방법으로는 증착 전에 플렉서블 기판을 미리 인장시켜 놓고 증착 후 인장응력을 제거하는 방법, 직접 압축응력을 주는 방법, 증착 후 굽힘변형(bending)을 주는 방법, 포아송 규칙(Poisson rule)을 이용하여 x축으로 인장하면 y축으로 압축응력이 걸리게 하는 방법 등 여러가지 방법이 모두 가능하다. 다만, 본 실험에서는 증착 전에 PDMS를 미리 인장변형시키고 박막 증착 후 인장응력을 제거하는 방법을 이용하였다.
도 2에서는 폴리머(PDMS)위에 코팅된 Cu박막층에 생성된 주름의 모양과 주기를 보여준다. 플렉서블 기판에 금속층이 압축변형을 받게 되면, 금속박막층과 폴리머가 비선형 변형을 하게 되어, 도 2에서 보이는 광학이미지와 같이 특수한 주름주기를 가지는 주름을 만들어 낸다. 이렇게 만들어진 박막의 주름주기는 박막과 폴리머 기판의 탄성계수 및 박막층의 두께에 따라서 결정되어진다.
도 3은 이와 같은 방법으로 폴리머 위에 증착된 탄성 금속층에 주름이 형성되는 모습을 보여주고 있다.
도 3의 위쪽 그림에서는 플렉서블 기판(2)위에 얇은 금속박막층(1)이 증착되어 있고, 도 3의 아래쪽 그림에서는 상기 금속층에 압축응력을 가해서 주름을 형성한 모습이다. 이때, 상기 플렉서블 기판(2) 위 금속박막층의 두께를 t f , 탄성계수를
Figure 112009082227846-pat00003
, 포아송비를
Figure 112009082227846-pat00004
라 한다. 플렉서블 기판이 연성 폴리머 기판의 경우, 탄성계수 가
Figure 112009082227846-pat00005
, 포아송비가
Figure 112009082227846-pat00006
일 때 기판의 두께는 박막층의 두께에 비해서 상당히 크기 때문에 무한히 큰 것으로 가정할 수 있다. 즉, 평면변형(plain strain) 조건으로 생각할 수 있다. 여기서, 주름의 형태 혹은 윤곽은
Figure 112009082227846-pat00007
로 나타낼 수 있으며, 주름이 생기기 위한 임계변형량은
Figure 112009082227846-pat00008
이다. 이러한 임계변형량 이상에서 생성되는 주름의 간격, λ는 [식 1a]와 같이 표현된다. 그리고, 평면변형 조건에서는 α가 4.356 이므로 [식 1a]는 [식 1b]와 같이 표현된다. 그리고, [식 1b]를 금속층의 두께에 대해서 정리하면, [식 1c]와 같이 금속층의 두께를 구할 수 있게 된다.
Figure 112009082227846-pat00009
[식 1a]
Figure 112009082227846-pat00010
[식 1b]
Figure 112009082227846-pat00011
[식 1c]
여기에서
Figure 112009082227846-pat00012
를 나타내며
Figure 112009082227846-pat00013
와
Figure 112009082227846-pat00014
는 각각 평면변형 탄성계수(plane strain modulus)와 탄성계수(elastic modulus)를 나타낸다.
따라서 폴리머 기판의 탄성계수, 금속층의 탄성계수, 주름의 폭 혹은 주기를 이용함으로써 [식 1c]에서와 같이 금속층의 두께를 측정할 수 있다. 폴리머 기판의 탄성계수는 기존 문헌의 탄성계수 값을 사용하여 알 수 있고, 금속층의 탄성계수는 금속층의 결정방위가 동일할 경우 일정한 값을 가지므로 기존 문헌의 탄성계수 값을 사용하여 알 수 있고, 주름의 폭은 광학현미경 혹은 원자현미경 등으로 측정하여 알 수 있으므로, 위 식을 이용하면 금속층의 두께를 바로 측정할 수 있게 되는 것이다.
이하에서는 도 4와 같이 금속층이 복수개의 층으로 형성된 경우에 두께를 측정하는 방법에 대해서 설명한다. 도 4에서는 플렉서블 기판 위에 금속층이 Cu/Ti와 같이 두층으로 증착된 경우를 도시하고 있으며, 이 경우 Ti층 위에 입혀진 Cu층의 두께 측정은 다음과 같은 방법으로 가능하다.
먼저 도 4와 같이 Cu/Ti 다층 박막 제조 공정 중에 Ti층만 증착된 부분과 Cu/Ti 모두 증착된 부분에 대해서 압축응력을 가하여 각각에 대해 주름을 형성한 후, 이들 주름의 주기를 측정한다.
먼저 아래 [식 2a]에 의해 Ti층의 두께를 측정한다.
Figure 112009082227846-pat00015
[식 2a]
다음으로 Cu/Ti 금속층의 두께는 Cu 금속층의 두께와 Ti 금속층의 두께의 합이므로, 아래 [식 2b]의 관계가 성립한다.
Figure 112009082227846-pat00016
[식 2b]
그리고, Cu/Ti 금속층의 두께는 아래 [식 2c]를 이용하여 결정된다.
Figure 112009082227846-pat00017
[식 2c]
그리고, 아래의 [식 2d]를 [식 2c]에 넣고 정리하면 [식 2e]가 된다.
Figure 112009082227846-pat00018
[식 2d]
Figure 112009082227846-pat00019
[식 2e]
그리고, 위 [식 2e]를 다시 정리하면 [식 2f]가 된다.
Figure 112009082227846-pat00020
[식 2f]
따라서 Cu/Ti 금속층의 두께는 [식 2f]의 3차방정식을 풀어 양의 실근을 구하면 얻을 수 있다. 이러한 과정을 통해 Cu/Ti/PDMS에서 Ti층과 Cu층의 두께를 결정할 수 있게 된다.
위에서 설명의 편의상 Cu와 Ti가 코팅된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이를 플렉서블 기판 위에 복수개의 금속박막층이 코팅된 일반적인 경우에 대해 적용하면 다음과 같은 식이 된다. 즉, 플렉서블 기판에는 제1금속층과 제2금속층이 코팅되어 있고, 제1금속층의 탄성계수와 두께를 각각 하첨자 '1'을 이용하여 나타내고, 제2금속층의 탄성계수와 두께를 각각 하첨자 '2'를 이용하면, 위 [식 2f]는 다음의 [식 2g]와 같은 일반적인 형식으로 표현된다.
Figure 112009082227846-pat00021
[식 2g]
위 식에서 하첨자 '1/2'는 제1금속층 및 제2금속층 전체의 두께 및 주름의 간격 등을 나타낸다.
본 발명에 따른 측정방법의 유효성을 검증하기 위해서 실시한 측정실험에서는 먼저 Ti 단일박막에서 발생한 주름의 주기를 측정하였으며 그 결과 도 5에서와 같이 3.82㎛ 이었다. 그리고, 기판인 PDMS의 평면변형 탄성계수(
Figure 112009082227846-pat00022
)에 2.7MPa, Ti박막의
Figure 112009082227846-pat00023
값에 129GPa을 넣고 [식 2a]를 이용하여 Ti의 두께를 계산한 결과 Ti의 두께는 24nm로 측정되었다. 마찬가지 방법으로 도 6에서와 같이 Cu/Ti 다층 금속층에서 발생한 주름의 주기는 29.2㎛로 측정되었으며 [식 2f]에서 Cu의
Figure 112009082227846-pat00024
값에 147GPa을 넣고 방정식을 푼 결과 Cu/Ti 금속층의 두께는 177nm로 측정되었다. 이와 같이 주름을 이용한 다층박막의 두께 측정이 유효한지를 알아보기 위해 step profilometer를 이용하여 실제 Cu/Ti 다층막의 두께를 측정하여 비교해 본 결과 측정된 Cu/Ti 금속층의 두께는 172nm였다. 또한 [식 2b]에 의해 계산된 Cu의 두께는 153nm이었는데 Cu/Ti 다층 금속층 중 Cu의 증착조건과 동일한 조건으로 입힌 도 2와 같은 Cu단일박막의 주름의 주기를 측정하여 얻은 Cu의 두께는 148nm 이었다. 따라서 주름을 이용한 다층박막의 두께측정은 매우 정확하고 유효하다고 할 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 기판 위 금속층의 인시츄 두께 측정 방법은 플레서블 기판 위에 금속박막을 입힌 후 잔류응력 혹은 외부응력에 의해 발생하는 주름의 주기를 측정함으로써, 플렉서블 기판 위 금속 단일박막 혹은 다층박막의 두께 측정을 용이하게 할 수 있는 것으로, 플렉서블 일렉트로닉스 배선 기판의 두께를 기판제조 공정 중에 인시츄로 측정함으로써 박막의 두께를 손쉽게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 기판 상의 금속층 두께측정을 위한 흐름도이며,
도 2는 폴리머(PDMS)위에 코팅된 Cu박막층에 생성된 주름의 모양과 주기를 보여주며,
도 3은 점탄성 폴리머 위에 증착된 탄성 금속층의 주름형상에 대한 계략적인 모습이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층박막의 두께 측정방법이며,
도 5는 폴리머(PDMS)위에 코팅된 Ti 박막층에 생성된 주름의 모양과 주기를 보여주며,
도 6은 폴리머(PDMS)위에 코팅된 Cu/Ti 다층 박막층에 생성된 주름의 모양과 주기를 보여준다.

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  13. 플렉서블 기판에 제2 금속층과 제1 금속층을 순차적으로 코팅하고, 코팅된 제1 금속층과 제2 금속층의 전체 두께를 측정하는 방법으로서,
    상기 제1 및 제2 금속층에 압축응력을 가하여 주름을 생성한 후, 아래 식을 이용하여 제1 및 제2 금속층의 전체 두께를 측정하는 플렉서블기판의 금속층 두께측정방법.
    Figure 112012041833297-pat00028
    여기서,
    Figure 112012041833297-pat00029
    ,
    Figure 112012041833297-pat00030
    및
    Figure 112012041833297-pat00031
    는 각각 제1 금속층, 제2 금속층 및 플렉서블기판의 탄성계수를 나타내며,
    Figure 112012041833297-pat00032
    와
    Figure 112012041833297-pat00033
    는 각각 제1 금속층과 제2 금속층이 중첩된 부분의 전체두께와 주름의 간격을 나타내고, t2는 제2 금속층의 두께를 나타낸다.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 점탄성을 갖는 폴리머인 것을 특징으로 하는 플렉서블기판의 금속층 두께측정방법.
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  17. 삭제
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