KR102060222B1 - 미세 배선 형성 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD)이나 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 기술을 이용하는 미세 배선 형성 방법이 개시된다. 미세 배선 형성 방법은, 합금 재료를 사용하여 기판에 배선을 형성하는 단계, 및 레이저를 이용하여 배선을 열처리하는 단계를 포함하며, 합금 재료는 텅스텐 50중량% 및 몰리브텐 50중량%를 포함하고, 구현에 따라서 열처리하는 단계는 500℃ 내지 650℃의 온도 분위기에서 배선의 표면에서 깊이 1㎛까지를 선택적으로 가열한 후 냉각한다.

Description

미세 배선 형성 방법{METHOD FOR FORMING FINE WIRING}

본 발명의 실시예들은 미세 배선 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD)이나 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 기술 혹은 이들의 조합 방식에 의해 미세 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.

종래의 잉크젯 프린팅 공정 기술은 비접촉식 공정 방식으로 기판의 손상 없이 10㎛급의 미세전극 패턴을 형성할 수 있고, 직접 패터닝 방식으로 재료의 낭비를 줄일 수 있는 기술로 주목받고 있다. 하지만, 잉크젯 프린팅 공정 기술은 압전(piezoelectric) 구동, 에어로졸(aerosol), 열(thermal) 분사 방식의 프린팅 헤드 구조를 사용하므로 고점도 재료를 적용하는데 한계가 있다.

고해상도의 미세전극을 형성하기 위해서는 금속 파티클의 함량이 높은 재료를 적용해야 한다. 하지만, 전도성 재료의 함량이 증가하면 용액 점도가 증가하게 되므로 종래의 잉크젯 프린팅 공정 기술로는 고점도 및 고함량 재료의 토출에 있어 자주 작동 불량이 발생하는 문제가 있다. 고전도성 및 고함량 특성을 갖는 고점도 재료의 토출 문제를 해결하기 위해 전기수력학(electro-hydro-dynamics, EHD) 패터닝 헤드, 레이저 유도전사 헤드 등과 같은 다양한 고성능 미세 전극 패터닝 헤드 기술이 제안되고 있다.

전기수력학 기반의 고성능 패터닝 기술은 반도체 공정에서 요구하는 식각, 현상, 증착 등의 복잡한 공정을 단순화시킬 수 있고, 전도성 금속파티클, 유기재료, 탄소나노튜브 등의 기능성 재료가 첨가된 고점도 잉크를 수 마이크로미터(㎛) 크기의 액적으로 만들어 사용해야 기판상에 원하는 미세 패턴을 형성할 수 있다. 이를 위해, 전기수력학 미세선폭 패터닝 기술은 전기장과 유체 내의 유도된 전하와의 상호 작용을 통해 전기력 방향으로 유체를 이동시켜 노즐 오리피스(nozzle orifice)를 통해 미세한 액적으로 분무 또는 토출시킨다.

전기수력학에 의한 유체의 토출 현상을 이용한 고성능 패터닝 헤드는 기존의 잉크젯 헤드보다 미세한 액적과 10㎛ 이하의 미세전극을 인쇄할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 전기수력학 방식의 고성능 패터닝 헤드는 구조가 간단하여 제작하기가 용이하고 노즐 오리피스의 크기보다 상대적으로 작은 액적을 토출할 수 있는 장점을 가지고 있다.

하지만, 전기수력학에 의한 유체의 토출 현상을 이용한 미세배선 패터닝 기술로 제조되는 미세 배선은 배선 중간 부분에 U자 형태의 골이 발생하고, 배선 내부에 크랙이 발생하며 최소 선폭이 3.3㎛인 한계가 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 합금을 사용하여 미세배선의 조직 치밀도를 향상시킬 수 있는 미세 배선 형성 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD)이나 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 기술 혹은 이들의 조합으로 구현되는 미세배선 폭 중간 부분의 U자 형태의 골 발생을 방지하고, 배선 내부의 크랙을 제거할 수 있고, 선폭을 3.3㎛보다 작게 형성할 수 있는 미세 배선 형성 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일측면에 따른 미세 배선 형성 방법은, 합금 재료를 사용하여 기판에 배선을 형성하는 단계, 및 상기 배선을 레이저로 열처리하는 단계를 포함한다.

일실시예에서, 합금 재료는 텅스텐(tungsten, W)과 몰리브덴(Molybdenum, Mo)을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 합금 재료는 텅스텐 30중량% 내지 70중량% 및 몰리브덴 70중량% 내지 30중량%일 수 있다. 합금 재료는 백금(Pt)을 더 함유할 수 있다.

일실시예에서, 합금 재료는 텅스텐 50중량% 및 몰리브텐 50중량%를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 합금 재료는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 서로 다른 제1 금속과 제2 금속을 포함할 수 있다. 제1 금속과 제2 금속의 함량은 기재된 순서대로 30중량% 내지 70중량% 및 70중량% 내지 30중량%일 수 있다. 합금 재료는 소정량의 백금(Pt)을 더 함유할 수 있다.

일실시예에서, 상기 열처리하는 단계는, 상기 배선의 표면에서 깊이 1㎛까지를 선택적으로 가열한 후 냉각할 수 있다. 열처리하는 단계는, 상기 배선을 500℃ 내지 650℃의 온도 분위기에서 가열할 수 있다.

일실시예에서, 상기 형성하는 단계는 레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD)을 이용할 수 있다.

일실시예에서, 상기 형성하는 단계는 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 젯(jet)을 이용할 수 있다.

상술한 미세 배선 형성 방법을 이용하는 경우에는, 미세배선의 조직 치밀도를 높일 수 있다, 특히, 레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD) 또는 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 기술을 이용하는 미세 배선 형성 기술에서 배선 중간 부분에 U자 형태의 골이 발생하는 것을 방지하고, 배선 내부의 크랙을 제거하며, 선폭을 2.3㎛ 정도로 작게 형성할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 대한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 미세 배선 형성 방법에 따른 합금 배선의 열처리 이전과 이후의 막질을 단일 텅스텐 배선의 막질과 대비하여 보여주는 도면들이다.
도 3은 도 2의 합금 배선의 열처리 전후의 상태를 대비하여 보여주는 예시도이다.
도 4는 도 3의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 합금 배선의 열처리 전후의 변화를 보여주는 도면들이다.
도 7은 도 2의 합금 배선의 열처리 후의 변화를 보여주는 또 다른 예시도이다.
도 8a 내지 8d는 도 1의 미세 배선 형성 방법에 따른 합금 배선의 열처리 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 채용할 수 있는 합금 재료의 성분 비율을 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9의 합금 재료를 이용하는 미세 배선 형성 방법의 열처리 전후의 합금 배선 상태를 대비하여 보여주는 예시도이다.
도 11은 도 10의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 10의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 10의 합금 배선의 열처리 후의 상태를 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 채용할 수 있는 합금 재료의 성분 비율을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 채용할 수 있는 단일 금속 배선의 재료 성분비를 나타낸 예시도이다.
도 16은 도 15의 단일 금속 배선을 이용한 미세 배선 형성 방법의 열처리 전후의 배선 상태를 대비하여 보여주는 예시도이다.
도 17은 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 평가 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 평가 결과를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 19는 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 전후의 변화를 확대하여 보여주는 전자현미경 사진들을 포함한 도면이다.
도 20은 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 후의 두께 변화를 보여주는 예시도이다.
도 21은 본 실시예의 또 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 장치에 대한 예시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 대한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법은, 기판에 미세 배선을 형성하는 제1 단계(S10)와, 레이저를 이용하여 배선을 열처리하는 제2 단계(S20)의 일련의 절차를 포함한다. 본 실시예의 방법은, 미세 배선을 형성하는데 있어서, 합금 재료를 사용하여 미세 배선을 형성하고 레이저로 열처리를 수행함으로써 배선의 조직 치밀도와 성능을 향상시킬 수 있다. 여기서 성능은 저항 산포 감소, 평균 저항 감소, 증착 선폭 감소, 내부 막질 향상 및 크랙 제거의 종합적인 성능을 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 단계(S10)에서는 기판에 수 마이크로미터(㎛)의 선폭을 가진 미세배선 패턴을 형성한다. 제1 단계(S10)에서는 미세배선 패턴을 형성하는 기존의 다양한 패터닝 기술들을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD)이나 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 잉크젯 기술을 이용할 수 있다.

미세배선 패턴은 기판상에 단층 구조로 형성되거나 적층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 제조되는 전자부품 소자에서 미세배선 패턴은 산화막이나 질화막의 절연층에 의해 덮혀질 수 있다.

배선 재료는 텅스텐(tungsten, W)과 몰리브덴(Molybdenum, Mo)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서 배선 재료는 은(Ag), 구리, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 또는 이들의 조합 중에서 선택되는 하나 이상의 재료를 더 포함할 수 있다. 이러한 배선 재료로 형성되는 미세배선 패턴은 탄소 원자나 산소 원자를 포함할 수 있다.

제2 단계(S20)는 위에서 언급한 특정 합금 재료를 LCVD나 EHD 젯(jet) 등의 기술을 이용하여 미세배선 패턴을 형성한 후 일반적인 열처리를 수행하는 것과 달리 추가적인 성능 향상을 위해 레이저 열처리를 수행하는 것을 포함한다.

레이저 열처리는 배선의 표면에서 깊이 1㎛까지를 500℃ 내지 650℃의 온도 분위기에서 선택적으로 가열한 후 냉각하도록 구현될 수 있다. 냉각은 실온으로의 서냉을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

도 2는 도 1의 미세 배선 형성 방법에 따른 합금 배선의 열처리 이전과 이후의 막질을 단일 텅스텐 배선의 막질과 대비하여 보여주는 도면이다. 도 2에서 합금 배선과 단일 텅스텐 배선 각각은 절연층에 의해 덮여있다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법은 합금 배선(간략히, Alloy)과 단일 금속 재료로 형성되는 텅스텐 배선(간략히, Single W)에서 저항, 저항 산포, 단면 상태, 선폭, 어닐링 효과 등에서 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 합금 배선으로는 텅스텐 50중량%와 몰리브덴 50중량%로 구성된 재료를 사용하였다. 텅스텐 배선의 재료는 화학식 W(CO)6로 표시되는 화학적 화합물일 수 있다.

합금 배선에 대한 실험 결과, 단위 면적당 저항은 기존의 약 200Ω에서 약 107Ω으로 낮아진 것으로 측정되었고, 추가적으로 레이저 열처리를 수행한 후에는 약 94Ω으로 낮아진 것으로 측정되었다. 저항 산포는 레이저 열처리 전후를 비교할 때 약 30% 감소된 것을 확인되었다. 단면 상태의 관찰 결과, 레이저 열처리 전후의 표면 거칠기 정도를 유사하나, 내부 막질은 레이저 열처리를 수행한 경우가 더 좋은 것으로 확인되었다. 또한, 미세배선의 선폭은 레이저 열처리 전에 비해 1.0㎛가 감소되어 약 2.3㎛를 유지하는 것으로 측정되었다.

텅스텐 배선에 대한 실험 결과, 단위 면적당 저항은 기존의 약 150Ω에서 약 72Ω으로 낮아진 것으로 측정되었고, 추가적으로 레이저 열처리를 수행한 후에는 약 62Ω으로 낮아진 것으로 측정되었다. 단면 상태의 관찰 결과, 내부 막질은 레이저 열처리 전후가 유사하고 레이저 열처리에 의해 공극 변형에 따라 크랙이 제거되는 효과가 있는 것으로 확인되었다. 또한, 미세배선의 선폭은 레이저 열처리 전에 비해 2.0㎛가 감소되어 약 2.5㎛를 유지하는 것으로 측정되었다.

이하에서는 먼저 도 3 내지 도 14를 참조하여 다양한 합금 배선들에 대한 실시예들을 설명하고, 그 다음으로 도 15 내지 도 20을 참조하여 단일 텅스텐 배선의 경우를 설명하기로 한다.

도 3은 도 2의 합금 배선의 열처리 전후의 상태를 대비하여 보여주는 예시도이다. 도 4는 도 3의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 3의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 도식적으로 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 합금 배선의 재료는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다. 특히, 합금 배선은 텅스텐 50중량% 및 몰리브덴 50중량%로 구성될 수 있다.

전술한 배선 재료로 형성된 미세배선의 성능을 향상시키기 위해, 본 실시예에서는 레이저 열처리를 수행한다. 레이저 열처리의 수행 전 및 후의 미세배선 패턴의 외관은 도 3에 도시한 바와 같다. 도 3에서 레이저 열처리 후의 미세배선 패턴은 레이저 열처리 전의 미세배선 패턴에 비해 선폭 감소 등의 우수한 성능을 나타낸다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 기판에 형성된 합금 배선에 대한 7회의 실험 결과, 레이저 열처리 이전 즉, 어닐링(annealing) 전에 측정한 저항 평균은 약 107.29Ω이었으나, 레이저 열처리 이후 즉, 어닐링 후 저항평균은 약 94.29Ω으로 변하였다. 최대로는 약 19Ω이 감소하였고, 최소로는 약 13Ω이 감소하였다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 대부분의 실험예에서 증착(deposition, depo) 선폭은 3.3㎛에서 2.3㎛로 감소하여 1.0㎛만큼 감소하였다. 평균 저항은 약 107Ω에서 약 94Ω으로 약 13Ω만큼 감소하였다. 그리고 저항 산포는 약 6.9Ω에서 약 4.9Ω으로 약 30%만큼 감소하였다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 레이저 열처리 후 합금 배선에 대한 성능은, 레이저 열처리 전이나 기존의 다른 열처리 수행 후의 합금 배선의 성능에 비해 우수한 것으로 확인되었다.

도 6은 도 2의 합금 배선의 열처리 전후의 변화를 보여주는 도면들이다. 도 7은 도 2의 합금 배선의 열처리 후의 변화를 보여주는 또 다른 예시도이다.

본 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에서 합금 재료를 이용하여 배선을 형성하는 경우, 레이저 열에 의한 어닐링 효과로 합금 배선이 불안정한 상태에서 안정한 상태로 변화하고 그에 따라 내부 막질의 밀도가 증가하는 것을 확인하였다.

또한, 합금 배선의 흑결함을 수정하는 재핑(zapping) 작업을 수행하여 평균저항을 1차적으로 107Ω으로 낮출 수 있다. 재핑 작업은 본 실시예에서 열풍, 마이크로파 또는 이들의 조합에 의한 개선된 재핑 작업을 포함할 수 있다. 그런 다음, 레이저 열처리에 의한 어닐링 적용을 통해 평균저항을 107Ω에서 94Ω으로 크게 낮출 수 있다.

전술한 미세 배선 형성 방법에 의하면, 도 6에 도시한 바와 같이, 합금 배선의 열처리 미 적용시에 배선 중간 부분에 U자 형태의 골이 발생하였으나(A1 참조), 열처리 적용 후에 대응 배선 중간 부분에 U자 형태의 골 모양이 사라진 것을 확인할 수 있다(A2 참조). 또한, 합금 배선의 열처리 미 적용시에 약 50% 또는 2개 중 1개 정도의 실험 대상인 미세배선의 내부에서 크랙(crack)이 발생하였으나(B1 참조), 열처리 적용 후에 대응 미세배선의 내부 모두에서 크랙이 제거된 것을 확인할 수 있다(B2 참조).

또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 합금 배선에 대한 본 실시예의 열처리 적용시, 배선의 선폭은 약 3.3㎛에서 약 2.3㎛로 감소된 것을 확인할 수 있다.

도 8a 내지 8d는 도 1의 미세 배선 형성 방법에 따른 합금 배선의 열처리 과정을 설명하기 위한 도면들이다.

도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법은 레이저 열처리 과정을 포함한다. 레이저 열처리 과정은 여러 미세배선 패턴 중 특정 미세배선을 레이저 초점에 정렬하고(도 8a 참조), 기설정 온도 분위기에서 예열하고(도 8b 참조), 예열 동작 직후나 일정 시간 이내에, 혹은 예열 온도가 일정 온도 이하로 떨어지기 전에(도 8c 참조) 예열의 온도보다 높은 온도 분위기에서 레이저 빔으로 가열하도록 이루어질 수 있다. 레이저 빔은 특정 미세배선에 맞추어진 원형 단면 형태를 구비할 수 있다(도 8d 참조).

레이저 빔에 의한 가열은 기판 상면측이나 하면측에서 레이저 빔을 조사하여 수행될 수 있다. 본 실시예에서, 원형 단면을 가진 레이점 빔은 세 개의 미세배선 패턴 중 중앙의 미세배선에 맞추어 조사되고 있다(도 8d 참조). 이 경우, 바람직한 구현예로서, 레이저 열처리를 위한 레이저 빔은 배선 표면에 조사될 수 있다. 레이저 빔은 온도 분위기 500℃ 내지 650℃에서 배선 표면에서 깊이 1㎛까지를 선택적으로 가열하도록 수행될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 채용할 수 있는 합금 재료의 성분 비율을 보여주는 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 합금 배선의 재료는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다. 이러한 합금 재료로 기판에 형성되는 미세배선 패턴은 상대적으로 소량의 탄소원자(C), 산소원자(O) 등을 더 포함할 수 있다.

배선 재료의 구성원소에 대한 함량을 나타내면 표 1과 같다.

Element	Wt%	At%
C (CK)	02.53	15.74
O (OK)	04.93	23.00
W (WM)	28.90	11.73
Mo (MoL)	63.64	49.52

표 1에서와 같이, 본 실시예에 따른 합금 배선에 함유된 원소의 함량비는 텅스텐 28.90 중량%, 몰리브덴 63.64 중량%, 산소 4.93 중량% 및 탄소 02.53 중량% 일 수 있다. 또한, 표 1에는 각 원소의 중량%(Wt%)가 At%로도 환산되어 표시되어 있다.

위와 같은 합금 배선을 위한 합금 재료는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)의 함량비(중량% 기준)가 3:7인 경우에 대응할 수 있다. 이러한 합금 재료를 이용하면, 기판에 미세배선 패턴을 형성한 후 레이저 열처리를 수행하여 배선 성능을 향상시킬 수 있다.

도 10은 도 9의 합금 재료를 이용하는 미세 배선 형성 방법의 열처리 전후의 합금 배선 상태를 대비하여 보여주는 예시도이다. 도 11은 도 10의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 10의 합금 배선의 열처리 평가 결과를 도식적으로 나타낸 도면이다. 도 13은 도 10의 합금 배선의 열처리 후의 상태를 보여주는 도면이다.

본 실시예에 따른 합금 배선의 재료는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)을 기재된 순서대로 약 30중량%와 약70중량%로 함유할 수 있다. 전술한 배선 재료로 형성된 미세배선의 성능을 향상시키기 위해, 본 실시예에서는 레이저 열처리를 수행한다. 레이저 열처리는 레어저 어닐링(Laser annealing)을 포함한다.

레이저 열처리의 수행 전 및 후의 미세배선 패턴의 외관은 도 10에 도시한 바와 같다. 도 10에서 레이저 열처리 후의 미세배선 패턴은 레이저 열처리 전의 미세배선 패턴에 비해 선폭 감소 등의 우수한 성능을 나타낸다.

또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 기판에 형성된 합금 배선에 대한 5회의 실험 결과, 레이저 열처리 이전 즉, 어닐링(annealing) 전에 측정한 저항 평균은 약 108.6Ω이었으나, 레이저 열처리 이후 즉, 어닐링 후 저항 평균은 약 99.4Ω으로 변하였다. 최대로는 약 19Ω이 감소하였고, 최소로는 약 5Ω이 감소하였다.

또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 대부분의 실험예에서 증착(deposition, depo) 선폭은 3.4㎛에서 2.3㎛로 감소하여 1.1㎛만큼 감소하였다. 평균 저항은 약 109Ω에서 약 99Ω으로 약 10Ω만큼 감소하였다. 그러나 저항 산포는 약 4.9Ω에서 약 5.9Ω으로 약 20%만큼 증가하였다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 레이저 열처리 후 합금 배선에 대한 일부 성능은, 레이저 열처리 전이나 기존의 다른 열처리 수행 후의 합금 배선의 성능에 비해 부분적으로 우수한 것으로 확인되었다. 특히, 도 13에 도시한 바와 같이, 열처리 후의 막질은 단일 텅스텐 배선의 열처리 후의 막질(도 2 참조)에 비해 상대적으로 우수함을 알 수 있다.

한편, 본 실시예의 변형예에서, 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)의 함량비(중량% 기준)를 기재된 순서대로 7:3인 경우에 대하여도 실험하였다. 그 결과, 위의 3:7의 함량비를 갖는 합금 재료와 유사한 배선 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

전술한 실시예들에 의하면, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법은 텅스텐과 몰리브덴의 함량비가 기재된 순서에 상관없이 30 내지 70중량% 및 50 내지 30중량% 범위에서 모두 우수한 배선 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.

이하에서는 합금 재료에 특정 원소를 추가한 경우에 대하여 살펴보기로 한다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 채용할 수 있는 합금 재료의 성분 비율을 보여주는 도면이다.

도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 합금 배선의 재료는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다. 또한, 배선 재료는 소정 함량의 백금(Pt)를 더 함유할 수 있다. 이러한 합금 재료를 사용하여 기판에 형성되는 미세배선 패턴은 상대적으로 소량의 탄소원자(C), 산소원자(O) 등을 더 포함할 수 있다.

상기의 배선 재료의 구성원소에 대한 함량을 나타내면 표 2와 같다.

Element	Wt%	At%
C (CK)	03.74	25.81
O (OK)	03.59	18.59
W (WM)	48.27	21.77
Pt (PtM)	10.34	04.40
Mo (MoL)	34.06	29.43

표 2에서와 같이, 본 실시예에 따른 합금 배선에 함유된 원소의 함량비는 텅스텐 48.27 중량%, 몰리브덴 34.06 중량%, 백금 10.34 중량%, 산소 3.59 중량% 및 탄소 03.74 중량% 일 수 있다. 표 2에는 각 원소의 중량%(Wt%)가 At%로도 환산되어 표시되어 있다.

또한, 표 2에서 합금 배선 재료에 함유되는 원소들의 함량비는 매트릭스 보정(matrix correction) 또는 ZAF 보정에 의해 측정되거나 계산된 것일 수 있다. 매트릭스 보정이나 ZAF 보정은 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM) 등을 이용하는 X-선 분광분석(energy dispersive spectrometer, EDS)에서 발생하는 시료의 원소에 따라 X-선의 양이 달라지는 정량 결과의 에러를 보정하는 것을 포함할 수 있다.

위와 같은 합금 배선 재료는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo)의 함량비(중량% 기준)가 약 5:3.5이면서 다른 금속 예컨대 백금을 함유(약 10중량%)하는 경우에 대응할 수 있다. 이러한 합금 배선 재료를 이용하는 경우에도, 기판에 미세배선 패턴을 형성한 후 레이저 열처리를 수행하여 배선의 성능을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 단일 금속 배선의 경우에 대하여 설명하기로 한다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 방법에 채용할 수 있는 단일 금속 배선의 재료 성분을 나타낸 그래프이다.

도 15를 참조하면, 미세배선 패턴에 사용할 수 있는 단일 금속 배선의 재료는 텅스텐(W)을 포함할 수 있다. 단일 텅스텐 재료를 사용하여 기판에 형성되는 미세배선 패턴은 소량의 탄소(C), 산소(O) 등의 원소를 더 포함할 수 있다.

상기 텅스텐 배선 재료의 원소에 대한 함량을 나타내면 표 3과 같다.

Element	Wt%	At%
C (CK)	03.04	27.77
O (OK)	02.30	15.74
W (WM)	94.66	56.49

도 16은 도 15의 단일 금속 배선을 이용한 미세 배선 형성 방법의 열처리 전후의 배선 상태를 대비하여 보여주는 예시도이다. 도 17은 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 평가 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 18은 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 평가 결과를 도식적으로 나타낸 도면이다.

단일 텅스텐 재료를 사용하여 기판에 미세배선 패턴을 형성한 후 레이저 열처리를 수행하기 전과 수행한 후의 미세배선 패턴 상태를 대비하여 나타내면 도 16과 같다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 레이저 열처리 후의 미세배선 패턴의 선폭은 레이저 열처리 전의 미세배선 패턴의 선폭에 비해 감소한 것을 알 수 있다.

또한, 도 17에 나타낸 바와 같이, 단일 텅스텐 배선에 대한 7회의 실험 결과, 레이저 열처리 이전 즉, 어닐링(annealing) 전에 측정된 일정 길이의 각 미세배선 패턴의 저항은 62, 73, 63, 78, 82, 73, 75(Ω)이고 그 평균은 약 72.29Ω이었고, 레이저 열처리 이후 즉, 어닐링 후에 측정된 저항은 기재된 순서대로 60, 62, 51, 72, 77, 58, 57(Ω)이었고 그 평균은 약 62.71Ω이었다. 7회의 실험 결과 중 미세배선 패턴에 대한 저항은 최대 17Ω과 최소 2Ω이 감소되어 편차가 큰 것으로 확인되었다.

또한, 도 18에 나타낸 바와 같이, 증착(deposition, depo) 선폭은 4.5㎛에서 2.5㎛로 감소하여 2.0㎛만큼 감소한 것으로 확인되었다. 평균저항은 약 72Ω에서 약 62Ω으로 약 10Ω만큼 감소한 것으로 확인되었다. 그리고 저항 산포는 약 7.4Ω에서 약 9.0Ω으로 약 18% 정도 증가한 것으로 확인되었다.

도 19는 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 전후의 변화를 확대하여 보여주는 전자현미경 사진들을 포함한 도면이다. 도 20은 도 16의 단일 금속 배선의 열처리 후의 두께 변화를 보여주는 예시도이다.

단일 텅스텐 배선에도 본 실시예의 미세 배선 형성 방법을 적용하여 소정의 효과를 얻을 수 있다. 도 19에 도시한 바와 같이, 단일 텅스텐 배선의 열처리 미 적용시에 배선 중간 부분에 U자 형태의 골이 발생하였으나(A1 참조), 열처리 적용 후에 대응 배선 중간 부분에 U자 형태의 골 모양이 볼록한 형태로 변하여 사라진 것을 확인할 수 있다(A2 참조). 또한, 합금 배선의 열처리 미 적용시에 배선 내부에 약 17% 또는 6개 중 1개 정도에서 크랙(crack)이 발생하였으나(B1 참조), 열처리 적용 후에 대응 배선 내부의 크랙이 제거된 것을 알 수 있다(B2 참조).

전술한 경우, 단일 텅스텐 배선의 흑결함을 수정하는 재핑(zapping) 작업을 수행하여 평균저항을 150Ω에서 1차적으로 72Ω으로 낮출 수 있고, 레이저 열처리에 의한 어닐링 적용을 통해 평균저항을 추가로 72Ω에서 62Ω으로 낮출 수 있다.

이와 같이, 단일 텅스텐 재료를 이용한 미세배선 패턴의 경우에도 본 실시예와 유사하게, 레이저 열에 의한 어닐링 효과로 텅스텐 배선이 불안정한 상태(A1)에서 안정한 상태(A2, B2)로 변화하고 그에 따라 내부 막질의 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다.

또한, 단일 텅스텐 배선에 대하여 본 실시예의 열처리를 적용하는 경우, 배선의 선폭은 약 4.5㎛에서 약 3.06㎛ 내지 약 2.3㎛로 감소될 수 있다(도 20 참조).

전술한 레이저 열처리는 레이저 빔을 집광 렌즈로 집광한 후 스캐너나 스테이지로 배선 표면을 주사하는 방식을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 레이저 열처리의 효율을 높이기 위해 기판을 사이에 두고 반사경에 의해 형성되는 반사 레이저 빔에 의한 다수의 미세배선이나 선 형태의 미세배선을 열처리하도록 구현될 수 있다.

도 21은 본 실시예의 다른 실시예에 따른 미세 배선 형성 장치에 대한 예시도이다.

도 21을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 장치는, 타겟 기판(target substrate, S), 메인 레이저(210), 소결 레이저(sintering LASER, 230), 대물렌즈(objective lens, 220), 노즐팁(nozzle tip, 100), 투과조명(transmit illumination, 240), 반사조명(reflective illumination, 245), 카메라(camera), 미러부재(BS1, BS2), 슬릿(slit)을 포함할 수 있다. 또한, 미세 배선 형성 장치는 오토포커스 모듈의 제어모듈(미도시)을 추가로 구비할 수 있다. 메인 레이저(210)는 Zap 레이저 또는 이와 유사한 종류나 구조의 레이저일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

본 실시예의 장치에 의하면, 가공 대상 기판(S)과의 간격에 따라서 형성되는 전기장의 크기에 영향을 받는 종래 기술 대비 기판 하부에 전극을 형성하지 않고 전기수력학(Electrohydrodynamic, EHD) 노즐을 이용하여 상부 전극을 형성할 수 있다. 이때, 미리 설정된 조건으로 펄스를 제어하여 상부 전극에 인가할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 고주파 펄스제어를 통해 EHD 노즐에서 전도성 잉크를 미세 토출하여 미세 금속 배선을 형성할 수 있다.

이러한 미세 배선 형성 장치를 채용하면, 별도의 관측용 카메라 모듈을 사용하지 않고 기존 레이저 장치의 광학계의 렌즈와 기판 사이에 EHD 노즐(100)을 삽입하는 형태로 제조 장치를 구성할 수 있고, 이러한 장치를 통해 원하는 미세배선 패턴의 금속 라인을 효율적으로 형성할 수 있다.

한편, 다른 구성의 예로서, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 장치는, 미세 배선이 형성된 기판(substrate)을 지지하며 히터(heater) 등의 예열수단이 결합하고 서모커플(thermo-couple) 등의 센서가 결합하는 히터 플레이트(heater plate), 산소(oxygen)를 방출하는 노즐(nozzle)과 전구체(precursor)를 방출하는 노즐을 구비하는 원료공급수단, 및 적외선 레이저(IR-laser)를 조사하는 레이저 중 적어도 어느 하나를 대체하여 포함하거나 추가로 더 포함할 수 있다.

또 다른 구성의 예로서, 본 실시예에 따른 미세 배선 형성 장치는, 미세 배선이 형성된 기판(substrate)을 지지하며 액츄에이터(actuator)가 결합하는 플레이트; 액추에이터의 2축 구동을 제어하는 스테이지 컨트롤러(stage controller); 플레이트 상의 기판을 예열하거나 조명을 제공하는 광원(light source); 기판 위에 정렬되고 전기수력학 헤드(EHD head); 전기수력학 헤드에 잉크를 공급하는 잉크 공급 제어기(ink flow controller); 잉크 공급 제어기에 연결되어 잉크 공급 제어기 내 잉크 챔버의 공기 압력과 진공 압력을 원하는 조건으로 제어하는 공기 제어기(air controller); 전기수력학 헤드에 수 백볼트 이상의 고전압 전력을 공급하는 고전압 컨트롤러(high voltage controller); 기판상의 전기수력학 젯(jet)의 토출 과정을 고속 촬영하는 카메라; 및 스테이지 컨트롤러, 잉크 공급 컨트롤러, 고전압 컨트롤러 및 카메라의 동작을 제어하는 메인 컨트롤 시스템(main control system) 중 적어도 어느 하나를 대체하여 포함하거나 추가로 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 의하면, 레이저 광원의 직진성/방향성(directionality)과 단색성(monochromaticity)을 이용하여 기판에 금속 재료를 효과적으로 증착할 수 있다. 방향성은 특정 파장의 레이저에서 배선 표면에서 일정 깊이까지 영역에 원하는 에너지를 매우 정확하게 조준하는데 이용될 수 있고, 그에 의해 국부적인 증착이나 열처리를 효과적으로 수행할 수 있다. 단색성은 열에너지로 전자 또는 진동 에너지 레벨을 자극하여 배선 내의 반응 분자를 직접 증착하는데 이용될 수 있다. 이러한 에너지 유동의 정확한 제어는 열 평행에 필요한 온도보다 매우 낮은 기판 온도에서 증착을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 식각, 현상, 증착 등의 복잡한 공정을 단순화시킬 수 있고, 전도성 금속파티클, 유기재료, 탄소나노튜브 등의 기능성 재료가 첨가된 고점도 잉크를 수 마이크로미터(㎛) 크기의 액적으로 만들어 기판상에 원하는 미세 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.

전술한 실시예의 미세 배선 형성 장치를 이용하면, 기판에 형성되는 미세배선의 조직 치밀도를 향상시키고 단위 저항을 수십 옴으로 낮추며 선폭을 2㎛대 수준까지 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 미세 배선의 중간 부분에 형성되는 U자 형태의 골을 제거하고, 배선 내부에 발생된 크랙이 제거할 수 있으며 배선의 선폭을 2.3㎛까지 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 텅스텐(tungsten, W)과 몰리브덴(Molybdenum, Mo)을 포함한 합금 재료를 사용하여 레이저 화학기상증착(laser chemical vapor deposition, LCVD)으로 기판 상에 선폭 3.3㎛ 이하의 배선을 형성하는 단계;
   상기 형성하는 단계 후에 상기 배선에 대한 흑결함을 수정하는 재핑(zapping) 작업을 수행하는 단계; 및
   상기 재핑 작업 후에 상기 배선을 레이저로 500℃ 내지 650℃의 온도 분위기에서 상기 배선의 표면에서 깊이 1㎛까지를 선택적으로 가열하여 열처리하는 단계를 포함하며,
   상기 열처리하는 단계는 상기 배선을 레이저 초점에 정렬하고, 기설정 온도 분위기에서 예열하고, 예열 온도보다 높은 온도 분위기에서 레이저로 가열하는, 미세 배선 형성 방법.
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3. 청구항 1에 있어서,
   상기 합금 재료는 텅스텐 30중량% 내지 70중량% 중에서 선택되는 중량% 및 몰리브덴 70중량% 내지 30중량% 중에서 선택되는 중량%을 함유하고, 상기 텅스텐과 상기 몰리브덴의 총량은 100중량% 이하인, 미세 배선 형성 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 합금 재료는 백금 10중량%를 더 함유하며, 상기 텅스텐과 상기 몰리브덴 및 상기 백금의 총량은 100중량% 이하인, 미세 배선 형성 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 합금 재료는 텅스텐 50중량% 및 몰리브텐 50중량%인, 미세 배선 형성 방법.
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