KR102171884B1 - Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process - Google Patents

Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process Download PDF

Info

Publication number
KR102171884B1
KR102171884B1 KR1020190018789A KR20190018789A KR102171884B1 KR 102171884 B1 KR102171884 B1 KR 102171884B1 KR 1020190018789 A KR1020190018789 A KR 1020190018789A KR 20190018789 A KR20190018789 A KR 20190018789A KR 102171884 B1 KR102171884 B1 KR 102171884B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silver
film
aerosol
nozzle
silver film
Prior art date
Application number
KR1020190018789A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200100464A (en
Inventor
오종민
구상모
조명연
이동원
김원중
김익수
김용남
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR1020190018789A priority Critical patent/KR102171884B1/en
Publication of KR20200100464A publication Critical patent/KR20200100464A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102171884B1 publication Critical patent/KR102171884B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04Impact or kinetic deposition of particles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/20Metals
    • G01N33/208Coatings, e.g. platings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/05Investigating materials by wave or particle radiation by diffraction, scatter or reflection
    • G01N2223/056Investigating materials by wave or particle radiation by diffraction, scatter or reflection diffraction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/10Different kinds of radiation or particles
    • G01N2223/101Different kinds of radiation or particles electromagnetic radiation
    • G01N2223/1016X-ray

Abstract

에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법이 개시된다. 실온 에어로졸 증착(AD) 프로세스를 이용하여 집적 회로에서 저항-용량 지연을 감소시키고 신호 전파 속도를 증가시키는데 적용될 수 있는 고효율 금속배선을 위한 은 후막을 형성하였다. 이전의 연구에서 보고된 에어로졸-증착 은 필름보다 더 개선된 성능을 얻기 위해, 전기 저항도에 직접 영향을 미칠 수 있는 실험 파라미터들(노즐의 오리피스 크기 및 가스 소모량)이 먼저 최적화되었다. 삼투 효과를 활성화시키고 상대적으로 더 많은 전도 채널을 생성함으로써 전기 저항도의 감소를 촉진시키는데 적절한 작은 오리피스 크기가 선택되었다. 또한, 높은 가스 소모는 은 필름(silver film)의 전기 저항도를 감소시켜, 많은 금속 클러스터를 형성하였다. 최저의 저항성을 보인 실험 파라미터를 이용하여, 은 후막이 AD 프로세스를 통해 조성되고 그 특성들이 분석되었다. X-선 회절의 결과는 은 입자들이 충돌-유도 소성 변형을 고쳤음을 확인하였다. 막 두께가 12 스캔(scan)까지 두꺼워짐에 따라, 충돌한 입자들이 거친 알루미나 기판을 채웠다. 12 스캔 후, 은막은 증착-된 은 입자들의 심각한 소성 변형 때문에 밀화(densify) 되었다. 그러므로, 성장 매커니즘은 초기 증착 단계에서의 대부분의 은 입자들이 기계적 인터로킹에 기여하며, 그후의 입자들은 필름 치밀화를 초래하는 점을 제시하였다.A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process is disclosed. A room temperature aerosol deposition (AD) process was used to form a silver thick film for high-efficiency metallization that can be applied to reduce resistance-capacity delay and increase signal propagation speed in integrated circuits. In order to obtain a more improved performance than the aerosol-deposited silver film reported in the previous study, the experimental parameters (nozzle orifice size and gas consumption) that can directly affect the electrical resistivity were first optimized. A suitable small orifice size was chosen to promote the reduction in electrical resistivity by activating the osmotic effect and creating relatively more conductive channels. In addition, high gas consumption reduces the electrical resistivity of the silver film, thereby forming many metal clusters. Using the experimental parameters showing the lowest resistance, a silver thick film was formed through the AD process and its properties were analyzed. The results of X-ray diffraction confirmed that the silver particles corrected the collision-induced plastic deformation. As the film thickness became thicker to 12 scans, the collided particles filled the coarse alumina substrate. After 12 scans, the silver film was densified due to severe plastic deformation of the deposited-silver particles. Therefore, the growth mechanism suggested that most of the silver particles in the initial deposition step contribute to mechanical interlocking, and the subsequent particles cause film densification.

Description

에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법{Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process}Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process

본 발명은 에어로졸 증착 프로세스(aerosol deposition process)를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process.

본 연구는 2018년 광운대학교의 연구 보조금에 의해 수행되었으며 그리고, 본 결과물은 대한민국 정부(MSIP; 미래창조과학부)에 의해 펀딩된 한국 연구 재단(NRF) (과제번호 2017R1C1B5017013) 및 한국 에너지 기술 평가원의 에너지 산업 및 전기자동차용 전력반도체 기술 고급 트랙(과제번호 20174010201290)에 의해 지원되었습니다.This study was carried out by a research grant from Kwangwoon University in 2018, and this result was funded by the Korean Government (MSIP; Ministry of Science, ICT and Future Planning) and the Korea Research Foundation (NRF) (Project No. 2017R1C1B5017013) Supported by the Advanced Track in Power Semiconductor Technology for Industrial and Electric Vehicles (Task Number 20174010201290).

1. 배경 기술1. Background technology

후막 기술(Thick film technology)은 최근 전기전자 분야에서 관심을 받아왔는데 이는 디스플레이 장치, 상이한 센서들, 하이브리드 회로, 및 다층 세라믹 기판의 내구성과 성능을 증진시키기 때문이다. 이는 박막 기술(thin film technology)에 비하여 더 경제적이고 신뢰성 있는 디바이스를 제조하는데 사용될 수 있다. 후막 제조 공정과 다용도의 응용에 관한 연구가 많은 산업 분야에서 광범위하게 수행되었다. 많은 후막 애플리케이션들(thick film applications) 중에서, 더 빠른 능동 부품을 위한 금속배선기술(metallization)이 널리 이용되어 집적 회로를 마운트하고 금속 상호결합에 의한 전기 저항을 감소시킨다. 능동 부품을 위한 고성능을 달성하기 위해, 집적 회로의 성능에 영향을 주는 것으로 알려진, 상호 접속 레벨에서의 신호 전파 시간(signal propagation time)와 누화(crosstalk)를 감소시키는 것이 필수적이다. 신호 전파 시간은 저항-용량 지연[resistance-capacitance (RC) delay]에 부분적으로 영향을 줄 수 있는 저항 부품들과 같은 수동 소자들에 상당히 관련된다. 그러므로, 금속 연결선 간의 낮은 전기 저항도(low electrical resistivity)이 더 우수한 장치들을 구현하는데 당연히 요구되며, 높은 증착률(high deposition rate)을 갖는 제조 공정도 수 ㎛ 두께에서 후막 금속배선기술(thick film metallization)에 신중하게 고려되어야 한다. 낮은 전기 저항도(low electrical resistivity) 및 더 빠른 신호 전달을 하기 위해, 은(silver)은 극도로 낮은 전기 저항(bulk silver: ~1.59μΩ·㎝)과 부식(corrosion) 및 산화(oxidation)에 대한 높은 전기 저항도 때문에 대표적인 금속 물질로 여겨진다.Thick film technology has recently attracted attention in the electrical and electronic field because it improves the durability and performance of display devices, different sensors, hybrid circuits, and multilayer ceramic substrates. It can be used to manufacture devices that are more economical and reliable compared to thin film technology. Research on the thick film manufacturing process and its versatile application has been extensively carried out in many industrial fields. Among many thick film applications, metallization for faster active components is widely used to mount integrated circuits and reduce the electrical resistance due to metal interconnects. In order to achieve high performance for active components, it is essential to reduce signal propagation time and crosstalk at the interconnect level, known to affect the performance of integrated circuits. Signal propagation time is highly related to passive components, such as resistive components, which can partially affect the resistance-capacitance (RC) delay. Therefore, low electrical resistivity between metal connection lines is naturally required to implement better devices, and the manufacturing process with high deposition rate is also a thick film metallization technology at a thickness of several µm. ) Should be carefully considered. For low electrical resistivity and faster signal transmission, silver is used for extremely low electrical resistance (bulk silver: ~1.59 μΩ·cm) and against corrosion and oxidation. It is considered a representative metal material because of its high electrical resistance.

스크린 프린팅 프로세스(Screen printing process)는 산업화 및 비용-효율성을 위한 높은 스루풋(high throughput) 덕에 금속배선기술(metallization)에 가장 널리 이용되는 가공 방법이다. 이는 고-효율 태양광 전지의 최적 전측 금속배선을 가공하는데 널리 이용된다. 그러나, 이는 널리 이용되는 프로세스임에 불구하고 몇 가지 심각한 결점들을 갖는다: The screen printing process is the most widely used processing method for metallization due to its high throughput for industrialization and cost-efficiency. It is widely used to fabricate the optimum front-side metallization of high-efficiency solar cells. However, despite being a widely used process, it has some serious drawbacks:

(1) 헤이즈 리무버(haze remover) 및 솔벤트(solvents)와 같은 기초 물질(base materials)이 환경과 인체 건강을 위협할 수 있다; (1) Base materials such as haze removers and solvents can threaten the environment and human health;

(2) 이 프로세스는 상당히 복잡하며 시간-소모적이다; 그리고 (2) This process is quite complex and time-consuming; And

(3) 솔벤트의 비중을 조정하고 요구되는 패턴을 프린트하는데 많은 시간과 고도의 노하우가 요구된다. (3) It takes a lot of time and a high level of know-how to adjust the specific gravity of the solvent and print the required pattern.

그러므로, 더 간단하고 더 신뢰성 있는 제조가 가능한 새로운 방법이 금속배선기술(metallization)을 위해 요구된다.Therefore, a new method that enables simpler and more reliable manufacturing is required for metallization.

여기서, 전술한 종래의 프로세스의 문제를 극복하기 위해, 우리는 에어로졸 증착(AD) 프로세스로 명명된, 새로운 파우더-스프레이-코팅 방법(novel powder-spray-coating method)을 제안한다. AD 프로세스는 스크린 프린팅 방법(screen printing method)과 비교하여 눈에 띄는 이점들을 갖는데, 23℃ 실온 프로세스(room temperature process), 간단하고 환경-친화적인 절차(eco-friendly procedure), 및 후막(thick films)을 위한 높은 증착률(high deposition rate)을 포함한다. 이전의 연구에서, 마이크로파 장치를 위한 은 금속배선(silver metallization for a microwave device)이 AD 프로세스를 통해 신중하게 시도되어, resistivity는 13.4 내지 17.5μΩ·㎝를 달성하였다. 그러나, 이러한 에어로졸-증착 은 필름(aerosol-deposited silver films)은 고정된 실험 파라미터를 이용하여 조성되었고, 낮은 저항도를 위한 최적화된 조건이 조사되지 않았으며, 성장 매커니즘도 모호하였다.Here, in order to overcome the problem of the conventional process described above, we propose a new powder-spray-coating method, called an aerosol deposition (AD) process. The AD process has noticeable advantages compared to the screen printing method, a 23°C room temperature process, a simple eco-friendly procedure, and thick films. ) For a high deposition rate (high deposition rate). In previous studies, silver metallization for a microwave device was carefully attempted through the AD process, achieving a resistivity of 13.4 to 17.5 μΩ·cm. However, these aerosol-deposited silver films were prepared using fixed experimental parameters, and optimized conditions for low resistance were not investigated, and the growth mechanism was also ambiguous.

S. Burnside, S. Winkel, K. Brooks, V. Shklover, M. Gratzel, A. Hinsch, R. Kinderman, C. Bradbury, A. Hagfeldt, and H. Pettersson, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 11, 355 (2000).S. Burnside, S. Winkel, K. Brooks, V. Shklover, M. Gratzel, A. Hinsch, R. Kinderman, C. Bradbury, A. Hagfeldt, and H. Pettersson, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 11, 355 (2000). H. W. Lin, C. P. Chang, W. H. Hwu, and M. Der Ger, J. Mater. Process. Technol. 197, 284 (2008).H. W. Lin, C. P. Chang, W. H. Hwu, and M. Der Ger, J. Mater. Process. Technol. 197, 284 (2008). J. G. Liang, C. Wang, Z. Yao, M. Q. Liu, H. K. Kim, J. M. Oh, and N. Y. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 851 (2018).J. G. Liang, C. Wang, Z. Yao, M. Q. Liu, H. K. Kim, J. M. Oh, and N. Y. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 851 (2018). J. G. Liang, E. S. Kim, C. Wang, M. Y. Cho, J. M. Oh, and N. Y. Kim, Sens. Actuators B 265, 632 (2018).J. G. Liang, E. S. Kim, C. Wang, M. Y. Cho, J. M. Oh, and N. Y. Kim, Sens. Actuators B 265, 632 (2018). C. A. Galan-Vidal, J. Munoz, C. Dominguez, and S. Alegret, TrAC Trends Anal. Chem. 14, 225 (1995).C. A. Galan-Vidal, J. Munoz, C. Dominguez, and S. Alegret, TrAC Trends Anal. Chem. 14, 225 (1995). V. Guidi, M. A. Butturi, M. C. Carotta, B. Cavicchi, M. Ferroni, C. Malagu, G. Martinelli, D. Vincenzi, M. Sacerdoti, and M. Zen, Sens. Actuators B 84, 72 (2002).V. Guidi, M. A. Butturi, M. C. Carotta, B. Cavicchi, M. Ferroni, C. Malagu, G. Martinelli, D. Vincenzi, M. Sacerdoti, and M. Zen, Sens. Actuators B 84, 72 (2002). J. M. Oh, T. Hoshina, H. Takeda, and T. Tsurumi, Appl. Phys. Express 6, 062001 (2013).J. M. Oh, T. Hoshina, H. Takeda, and T. Tsurumi, Appl. Phys. Express 6, 062001 (2013). Y. Bai, G. Zheng, and S. Shi, Appl. Phys. Lett. 96, 192902 (2010).Y. Bai, G. Zheng, and S. Shi, Appl. Phys. Lett. 96, 192902 (2010). J. Larry, R. Rosenberg, and R. Uhler, IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol. 3, 211 (1980).J. Larry, R. Rosenberg, and R. Uhler, IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol. 3, 211 (1980). N. M. White and J. D. Turner, Meas. Sci. Technol. 8, 1 (1997).N. M. White and J. D. Turner, Meas. Sci. Technol. 8, 1 (1997). D. Hilbich, B. L. Gray, and L. Shannon, J. Electrochem. Soc. 164, B3067 (2017).D. Hilbich, B. L. Gray, and L. Shannon, J. Electrochem. Soc. 164, B3067 (2017). A. Hajian, M. Stoger-Pollach, M. Schneider, D. Muftuglu, F. K. Crunwell, and U. Schmid, J. Eur. Ceram. Soc. 38, 2369 (2018).A. Hajian, M. Stoger-Pollach, M. Schneider, D. Muftuglu, F. K. Crunwell, and U. Schmid, J. Eur. Ceram. Soc. 38, 2369 (2018). A. Farcy, O. Cueto, B. Blampey, V. Arnal, L. G. Gosset, W. F. A. Besling, S. Chhun, T. Lacrevaz, C. Bermond, B. Flechet, O. Rousire, F. de Crecy, G. Angenieux, and J. Torres, Proc. IEEE Int. Interconnect Technology Conf., 2005, p. 74.A. Farcy, O. Cueto, B. Blampey, V. Arnal, LG Gosset, WFA Besling, S. Chhun, T. Lacrevaz, C. Bermond, B. Flechet, O. Rousire, F. de Crecy, G. Angenieux , and J. Torres, Proc. IEEE Int. Interconnect Technology Conf., 2005, p. 74. R. Manepalli, F. Stepniak, S. A. Bidstrup, and P. A. Kohl, IEEE Trans. Adv. Packag. 22, 4 (1999).R. Manepalli, F. Stepniak, S. A. Bidstrup, and P. A. Kohl, IEEE Trans. Adv. Packag. 22, 4 (1999). J. Perelaer, M. Klokkenburg, C. E. Hendriks, and U. S. Schubert, Adv. Mater. 21, 4830 (2009).J. Perelaer, M. Klokkenburg, C. E. Hendriks, and U. S. Schubert, Adv. Mater. 21, 4830 (2009). R. D. Prengaman, J. Power Sources 95, 224 (2001).R. D. Prengaman, J. Power Sources 95, 224 (2001). E. Cabrera, S. Olibet, J. Glatz-Reichenbach, R. Kopecek, D. Reinke, and G. Schubert, J. Appl. Phys. 110, 114511 (2011).E. Cabrera, S. Olibet, J. Glatz-Reichenbach, R. Kopecek, D. Reinke, and G. Schubert, J. Appl. Phys. 110, 114511 (2011). C. Ballif, D. M. Huljic, G. Willeke, and A. Hessler-Wyser, Appl. Phys. Lett. 82, 1878 (2003).C. Ballif, D. M. Huljic, G. Willeke, and A. Hessler-Wyser, Appl. Phys. Lett. 82, 1878 (2003). J. Hoornstra, A. W. Weeber, H. H. C. de Moor, and W. C. Sinke, 14th Eur. Photovoltaic Solar Energy Conf. Exhib., 1997.J. Hoornstra, A. W. Weeber, H. H. C. de Moor, and W. C. Sinke, 14th Eur. Photovoltaic Solar Energy Conf. Exhib., 1997. M. M. Hilali, K. Nakayashiki, C. Khadilkar, R. C. Reedy, A. Rohatgi, A. Shaikh, S. Kim, and S. Sridharan, J. Electrochem. Soc. 153, A5 (2006).M. M. Hilali, K. Nakayashiki, C. Khadilkar, R. C. Reedy, A. Rohatgi, A. Shaikh, S. Kim, and S. Sridharan, J. Electrochem. Soc. 153, A5 (2006). T. Ma, T. Kida, M. Akiyama, K. Inoue, S. Tsunematsu, K. Yao, H. Noma, and E. Abe, Electrochem. Commun. 5, 369 (2003).T. Ma, T. Kida, M. Akiyama, K. Inoue, S. Tsunematsu, K. Yao, H. Noma, and E. Abe, Electrochem. Commun. 5, 369 (2003). J. Akedo, J. Therm. Spray Technol. 17, 181 (2008).J. Akedo, J. Therm. Spray Technol. 17, 181 (2008). J. Akedo, J. Am. Ceram. Soc. 89, 1834 (2006).J. Akedo, J. Am. Ceram. Soc. 89, 1834 (2006). Y. H. Kim, J. W. Lee, H. J. Kim, Y. H. Yun, and S. M. Nam, Ceram. Int. 38, S201 (2012).Y. H. Kim, J. W. Lee, H. J. Kim, Y. H. Yun, and S. M. Nam, Ceram. Int. 38, S201 (2012). J. J. Park, D. Y. Kim, J. G. Lee, D. Kim, J. H. Oh, T. Y. Seong, M. F. A. M. Van Hest, and S. S. Yoon, J. Am. Ceram. Soc. 96, 1596 (2013).J. J. Park, D. Y. Kim, J. G. Lee, D. Kim, J. H. Oh, T. Y. Seong, M. F. A. M. Van Hest, and S. S. Yoon, J. Am. Ceram. Soc. 96, 1596 (2013). D. W. Lee, H. J. Kim, Y. N. Kim, M. S. Jeon, and S. M. Nam, Surf. Coatings Technol. 209, 160 (2012).D. W. Lee, H. J. Kim, Y. N. Kim, M. S. Jeon, and S. M. Nam, Surf. Coatings Technol. 209, 160 (2012). J. Exner, M. Hahn, M. Schubert, D. Hanft, P. Fuierer, and R. Moos, Adv. Powder Technol. 26, 1143 (2015).J. Exner, M. Hahn, M. Schubert, D. Hanft, P. Fuierer, and R. Moos, Adv. Powder Technol. 26, 1143 (2015). V. N. Rodionov and A. I. Goncharov, Combust. Explos. Shock Waves 31, 313 (1995).V. N. Rodionov and A. I. Goncharov, Combust. Explos. Shock Waves 31, 313 (1995). M. Lebedev, J. Akedo, K. Mori, and T. Eiju, J. Vac. Sci. Technol. A 18, 563 (2000).M. Lebedev, J. Akedo, K. Mori, and T. Eiju, J. Vac. Sci. Technol. A 18, 563 (2000). M. W. Lee, J. J. Park, D. Y. Kim, S. S. Yoon, H. Y. Kim, D. H. Kim, S. C. James, S. Chandra, T. Coyle, J. H. Ryu, W. H. Yoon, and D. S. Park, J. Aerosol Sci. 42, 771 (2011).M. W. Lee, J. J. Park, D. Y. Kim, S. S. Yoon, H. Y. Kim, D. H. Kim, S. C. James, S. Chandra, T. Coyle, J. H. Ryu, W. H. Yoon, and D. S. Park, J. Aerosol Sci. 42, 771 (2011). R. A. Brown, J. Phys. F 7, 1283 (1977).R. A. Brown, J. Phys. F 7, 1283 (1977). C. R. Tellier and A. J. Tosser, Thin Solid Films 44, 201 (1977).C. R. Tellier and A. J. Tosser, Thin Solid Films 44, 201 (1977). L. Zhigang, L. Shibing, W. Congshun, L. Ming, W. Wengang, H. Yilong, and Z. Xinwei, J. Phys. D 39, 2839 (2006).L. Zhigang, L. Shibing, W. Congshun, L. Ming, W. Wengang, H. Yilong, and Z. Xinwei, J. Phys. D 39, 2839 (2006). V. Sabayev, N. Croitoru, A. Inberg, and Y. Shacham-Diamand, Mater. Chem. Phys. 127, 214 (2011).V. Sabayev, N. Croitoru, A. Inberg, and Y. Shacham-Diamand, Mater. Chem. Phys. 127, 214 (2011). D. W. Lee, O. Y. Kwon, W. J. Cho, J. K. Song, and Y. N. Kim, Nanoscale Res. Lett. 11, 162 (2016).D. W. Lee, O. Y. Kwon, W. J. Cho, J. K. Song, and Y. N. Kim, Nanoscale Res. Lett. 11, 162 (2016).

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에어로졸 증착(AD) 프로세스를 이용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법을 제공한다. An object of the present invention to solve the above problem is to provide a method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition (AD) process.

우리 연구의 목적은 에어로졸-증착 은 필름을 조성하고 실험 파라미터를 변경함으로써 낮은 저항도(low resistivity)을 달성하기 위한 최적화된 방법들을 평가하는 것이었다. 은 필름(silver film)이 AD 프로세스를 이용하여 조성되는 한편 주입 가스의 소모와 더불어, 파우더 스프레이 노즐(powder spray nozzle)의 오리피스 크기(orifice size)를 0.64로부터 4.0

Figure 112020076226863-pat00012
까지 변경하여, 최고의 금속배선 성능(best metallization performance)을 찾았다. 최소 전기 저항도(minimum resistivity)을 보이는 실험 파라미터에 기초하여, 막 두께(film thickness)의 증분에 따라 전기 저항도의 변동(variation in electrical resistivity)이 측정되고 분석되었다. 또한, 은 필름의 성장 매커니즘이 그 미세구조를 관찰함으로써 결정되었다.The aim of our study was to evaluate the optimized methods to achieve low resistivity by forming aerosol-deposited silver films and changing the experimental parameters. While a silver film is formed using the AD process, along with consumption of the injection gas, the orifice size of the powder spray nozzle has been increased from 0.64 to 4.0.
Figure 112020076226863-pat00012
By changing to, the best metallization performance was found. Based on the experimental parameters showing minimum resistivity, the variation in electrical resistivity with increments of film thickness was measured and analyzed. In addition, the growth mechanism of the silver film was determined by observing its microstructure.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법은 (a) 기판 상에 실온에서 AD 장치를 사용하여 에어로졸 증착(AD) 프로세스에 의해 파우더 스프레이 코팅 방법을 사용하여 파우더 스프레이 노즐로부터 분사된 에어로졸 증착 은 파우더들이 증착되어 에어로졸 증착된 은 필름으로 된 금속 후막을 형성하는 단계; 및 (b) 유량 제어기에 의해 제어된 4~10 L/min 가스 유량을 사용하여 전기 저항도(resistivity)에 대한 노즐의 오리피스 크기와 가스 소모량이 분석되는 단계를 포함하며,
상기 단계 (a)에서, 상기 노즐의 오리피스는 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00013
상이한 오리피스 크기 중 어느 하나의 노즐의 오리피스를 사용하며, 에어로졸-증착 은 후막이 형성되고,
상기 단계 (b)는 4.0
Figure 112020076226863-pat00014
의 노즐로부터의 은 필름의 전기 저항도가 최고치를 나타낸 반면, 1.0
Figure 112020076226863-pat00015
의 노즐 면적으로부터의 전기 저항도가 최저값을 보였으며, 입자 속도가 캐리어 가스의 증가 및 노즐의 오리피스 크기의 감소에 비례하며, 노즐의 오리피스 면적(nozzle orifice area)과 전기 저항도(resistivity)에 비례한다.To achieve the object of the present invention, a method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process is: (a) powder spray by an aerosol deposition (AD) process using an AD device at room temperature on a substrate. Forming a thick metal film of aerosol-deposited silver film by depositing aerosol-deposited silver powders sprayed from the powder spray nozzle using a coating method; And (b) analyzing the orifice size and gas consumption of the nozzle for electrical resistivity using a 4-10 L/min gas flow rate controlled by the flow controller,
In the step (a), the orifice of the nozzle is 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00013
Using the orifice of any one of the different orifice sizes, the aerosol-deposited silver thick film is formed,
The step (b) is 4.0
Figure 112020076226863-pat00014
While the electrical resistivity of the silver film from the nozzle of was the highest, 1.0
Figure 112020076226863-pat00015
The electrical resistivity from the nozzle area of was the lowest value, and the particle velocity was proportional to the increase of the carrier gas and the decrease of the nozzle orifice size, and proportional to the nozzle orifice area and the resistivity of the nozzle. do.

상기 기판은 알루미나 기판을 사용한다. The substrate is an alumina substrate.

상기 금속 후막은 금속배선을 위한 은 후막(silver thick film) 인 것을 특징으로 한다. The metal thick film is characterized in that it is a silver thick film for metal wiring.

상기 AD 장치는 상이한 노즐의 오리피스 크기를 갖는 AD 장치를 구비하며, 상기 AD 장치는 에어로졸 챔버와 증착 챔버를 구비하며, 상기 에어로졸 챔버는 가스 유량을 제어할 수 있는 유량 제어기를 구비하고, The AD device has an AD device having different nozzle orifice sizes, the AD device has an aerosol chamber and a deposition chamber, the aerosol chamber has a flow controller capable of controlling the gas flow rate,

상기 에어로졸 증착(AD) 프로세스의 출발 파우더로써, 금속들 중에서 최고의 전기 전도성을 갖는 은 파우더(silver powder)를 사용하였으며, As a starting powder for the aerosol deposition (AD) process, silver powder having the highest electrical conductivity among metals was used,

상기 증착 챔버에 상기 은 파우더가 로딩되며, 헬륨 가스가 4∼10 L/min 가스 유량을 갖는 캐리어 가스로 사용되며, 상기 에어로졸 챔버는 가스 유량을 제어할 수 있는 상기 유량 제어기에 직접 접속되고, The silver powder is loaded in the deposition chamber, and helium gas is used as a carrier gas having a gas flow rate of 4-10 L/min, and the aerosol chamber is directly connected to the flow controller capable of controlling the gas flow rate,

상기 캐리어 가스가 상기 에어로졸 챔버에 공급되었을 때, 은 파우더는 상기 캐리어 가스를 이용한 혼합 및 휘젓기에 의해 에어로졸화 되며, 에어로졸화 된 은 파우더는 테프런 튜브를 통해 주입된 헬륨 가스에 의해 슬릿 노즐로 전송되고 나서 상기 증착 챔버에 분사된다. When the carrier gas is supplied to the aerosol chamber, the silver powder is aerosolized by mixing and stirring using the carrier gas, and the aerosolized silver powder is transferred to the slit nozzle by the helium gas injected through the Teflon tube. And then sprayed into the deposition chamber.

상기 은 파우더는 1.1㎛의 평균 입자 직경을 갖는 은 파우더가 사용된다. Silver powder having an average particle diameter of 1.1㎛ is used as the silver powder.

상기 단계 (a)에서, 상기 노즐의 오리피스는 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00016
상이한 오리피스 크기 중 어느 하나의 노즐의 오리피스를 사용하며, 에어로졸-증착 은 후막이 형성된다. In the step (a), the orifice of the nozzle is 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00016
Using the orifice of the nozzle of either of the different orifice sizes, an aerosol-deposited silver thick film is formed.

상기 단계 (b)는 The step (b) is

삭제delete

삭제delete

예상과 달리, 0.64

Figure 112020076226863-pat00017
의 극도로 작은 오리피스 크기로부터의 은 필름의 전기 저항도는 1.0
Figure 112020076226863-pat00018
의 오리피스 크기로부터의 것보다 높았으며, Unlike expected, 0.64
Figure 112020076226863-pat00017
The electrical resistivity of the silver film from an extremely small orifice size of 1.0
Figure 112020076226863-pat00018
Was higher than that from the orifice size of,

10L/min의 캐리어 가스 및 1

Figure 112020076226863-pat00019
의 노즐의 오리피스를 사용할 때, 입자 속도는 500 내지 650 m/s 이었으며, 4.0
Figure 112020076226863-pat00020
의 노즐의 오리피스를 사용하면 430m/s 이였으며, 이 조건은 더 많은 전도 채널을 형성할 수 있으며, 채널의 개수는 은 필름의 전기 저항도를 상당히 감소시킬 수 있으며, 상대적으로 작은 노즐의 오리피스 직경으로부터 조성된 밀한(dense) 은 필름이 전기 저항도의 감소하였을지라도, 10 L/min of carrier gas and 1
Figure 112020076226863-pat00019
When using the orifice of the nozzle of, the particle velocity was 500 to 650 m/s, and 4.0
Figure 112020076226863-pat00020
Using the orifice of the nozzle was 430 m/s, this condition can form more conductive channels, the number of channels can significantly reduce the electrical resistivity of the silver film, and the orifice diameter of the relatively small nozzle Even though the dense silver film formed from a decrease in electrical resistivity,

0.64

Figure 112020076226863-pat00021
의 극도로 작은 오리피스를 사용한 은 필름은 상기 기판에 충돌되는 입자들의 높은 충격에 기인하여 표면 열화 및 에칭 효과를 가져올 수 있으므로, 결정의 전위(dislocation)를 야기한다. 0.64
Figure 112020076226863-pat00021
The silver film using an extremely small orifice of may cause surface deterioration and etching effect due to the high impact of particles impinging on the substrate, thereby causing dislocation of crystals.

상기 단계 (a)에서 상기 노즐의 오리피스 크기는 1.0

Figure 112020076226863-pat00022
의 오리피스의 면적을 사용한 금속배선(metallization)을 위한 에어로졸-증착 은 필름을 형성하였으며, 상기 기판에 증착된 은 필름의 전기 저항도는
Figure 112020076226863-pat00023
Ω·㎝ 으로 측정됐다. In the step (a), the orifice size of the nozzle is 1.0
Figure 112020076226863-pat00022
An aerosol-deposited silver film was formed for metallization using the orifice area of, and the electrical resistivity of the silver film deposited on the substrate was
Figure 112020076226863-pat00023
It was measured in Ω·cm.

상기 기판에 증착된 은 필름(deposited silver films)의 전기 저항도에 관한 가스 소모량(gas consumption on electrical resistivity)의 효과를 검증하기 위해, 유량 제어기에 의해 측정될 수 있는, 가스 소모량은 4∼10 L/min으로 제어되었으며, 전기 저항도(electrical resistivity)는 가스 소모량(gas consumption)을 증가시킴에 따라 감소하였으며, To verify the effect of gas consumption on electrical resistivity of silver films deposited on the substrate, the gas consumption, which can be measured by a flow controller, is 4-10 L It was controlled as /min, and electrical resistivity decreased with increasing gas consumption,

4L/min의 가스 소모량의 경우, 전기 저항도는 64x10-5Ω·㎝로 최고치를 나타냈는데,In the case of gas consumption of 4L/min, the electrical resistivity was the highest at 64x10 -5 Ω·cm.

7L/min의 가스 소모량 보다 많을 때 최종적으로 포화값 9x10-6Ω·㎝에 접근하였다. When the gas consumption was more than 7L/min, the saturation value of 9x10 -6 Ω·cm was finally approached.

상기 방법은, (c) 표면 프로파일러를 사용하여 알루미나 기판 상에 증착된 은 필름의 두께와 노즐의 오리피스 면적에 따른 RMS 거칠기를 측정하는 단계; 및 The method includes the steps of: (c) measuring RMS roughness according to the thickness of the silver film deposited on the alumina substrate and the orifice area of the nozzle using a surface profiler; And

(d) 증착된 은 필름의 X-선 회절(XRD; PANytical X'Pert Pro) 패턴이 분석되어 로(raw) 파우더와 증착된 은 필름의 결정성(crystalinity)을 확인하여 비교하는 단계를 더 포함한다. (d) further comprising the step of analyzing the X-ray diffraction (XRD; PANytical X'Pert Pro) pattern of the deposited silver film to check and compare the crystalinity of the raw powder and the deposited silver film. do.

상기 AD 장치에서, 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00024
노즐의 오리피스에서 상대적으로 노즐의 작은 오리피스 크기(small orifice size)와 4~10 L/min 가스 유량에서 상대적으로 많은 가스 소모량(high gas consumption)은 전기 저항도(electrical resistivity)의 감소에 크게 연관되며, 이 파라미터들이 삼투 효과를 활성화시키고 은 입자들의 미세접촉(microcontacts between the silver particles)을 증가시키며, AD 프로세스 동안 메짐성 있는 은 입자들에 대한 소성 변형이 XRD에서의 피크 시프트의 크기를 관측되었으며, 은 입자들이 기판 상에 축적됨에 따라 표면 산란과 그레인 경계 산란 모두가 감소되어 상기 전기 저항도는 필름 두께에 따라 점차 감소된다. In the AD device, 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00024
The relatively small orifice size of the nozzle at the orifice of the nozzle and the relatively high gas consumption at the gas flow rate of 4 to 10 L/min are highly related to the decrease in electrical resistivity. , These parameters activate the osmotic effect and increase microcontacts between the silver particles, and the plastic deformation of the brittle silver particles during the AD process observed the magnitude of the peak shift in XRD, As silver particles accumulate on the substrate, both surface scattering and grain boundary scattering are reduced, so that the electrical resistivity gradually decreases with the film thickness.

4, 8, 12 스캔 횟수가 증가함에 따라, 기판 상에 차후의 입자들의 충돌 에너지가 증착-된 은 필름에 더욱 더 전달될 수록, 그레인 경계(grain boundaries)에서의 흠결들(defects)이 점차적으로 감소되고, 다공성 은 필름(porous silver film)이 상대적으로 밀한 구조(dense structure)로 변환되며, 상대적으로 많은 클러스터의 형성 때문에 상대적으로 낮은 전기 저항도로 귀결된다. As the number of 4, 8, 12 scans increases, the more the collision energy of subsequent particles on the substrate is transferred to the deposited silver film, the more defects at grain boundaries gradually become. It is reduced, and the porous silver film is converted into a relatively dense structure, resulting in relatively low electrical resistivity due to the formation of relatively many clusters.

상기 기판에 에어로졸 증착된 은 필름의 성장 프로세스(growth process of silver films)를 조사하기 위해, 2 내지 100 번째 스캔까지의 각 스캔 횟수(scan number)에 따른 막 두께(film thickness)가 먼저 매번 측정되었으며, In order to investigate the growth process of silver films deposited on the aerosol on the substrate, the film thickness according to each scan number from the 2nd to the 100th scan was first measured each time. ,

AD 프로세스가 16 번째 스캔까지 수행되었을 때, 은 필름의 표면 및 단면 SEM 이미지를 획득하여 검토한 결과, 은 필름 두께의 변화가 없었으며, When the AD process was performed up to the 16th scan, as a result of obtaining and examining the surface and cross-sectional SEM images of the silver film, there was no change in the thickness of the silver film.

스캔 횟수에 대한 필름 두께의 변동(Δfilm thickness=Δscan number)는 대략 0.027의 매우 낮은 값을 가졌으며, 이는 스캔 당 평균 증착 두께(average deposited thickness per scan)가 초기 AD 단계에서 0.027 ㎛였음을 의미하며, The variation of film thickness with respect to the number of scans (Δfilm thickness=Δscan number) had a very low value of approximately 0.027, which means that the average deposited thickness per scan was 0.027 µm in the initial AD stage. ,

반면, 매 스캔에 대한 증착률(deposition rate for every scan)은 12 번 이상의 스캔 뒤 증가되었으며, 이 경우, Δfilm thickness=Δscan number의 값은 0.123이었으며, 이는 초기 증착률의 값보다 4배가 넘었으며, On the other hand, the deposition rate for every scan increased after more than 12 scans, in this case, the value of Δfilm thickness=Δscan number was 0.123, which was more than 4 times the value of the initial deposition rate.

알루미나 기판의 대부분의 거친 표면이 12회의 스캔 후에 채워졌을 때, 이후의 은 입자들이 해머링 효과에 기초하여 증착된 은 필름 상에 연속하여 누적되었으며, 은 필름이 12회의 스캔 후 동일한 매커니즘으로써 증착되었기 때문에, 필름 두께가 선형 함수로 증가되었으며, 에어로졸-증착 은 후막이 금속배선을 위해 실온에서 가공되었다. When most of the rough surface of the alumina substrate was filled after 12 scans, the subsequent silver particles were successively accumulated on the deposited silver film based on the hammering effect, because the silver film was deposited by the same mechanism after 12 scans. , The film thickness was increased as a linear function, and an aerosol-deposited silver thick film was processed at room temperature for metallization.

본 발명의 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법은 23℃ 실온 에어로졸 증착(AD) 프로세스를 이용하여 집적 회로에서 저항-커패시턴스 지연(resistance-capacitance delay)을 감소시키고 신호 전파 속도(signal propagation speed)를 증가시키는데 적용될 수 있는 고효율 금속배선(metallization)을 위한 은 후막(silver thick films)을 조성하였다. 이전의 연구에서 보고된 에어로졸-증착 은 필름(aerosol-deposited silver films)보다 더 개선된 성능을 얻기 위해, 전기 저항도에 직접 영향을 미칠 수 있는 실험 파라미터들(노즐의 오리피스 크기 및 가스 소모)이 먼저 최적화되었다. 삼투 효과(percolation effect)를 활성화시키고 상대적으로 더 많은 전도 채널(conduction channels)을 생성함으로써 전기 저항도의 감소를 촉진시키는데 적절한 작은 노즐의 오리피스 크기(small orifice size)가 선택되었다. 또한, 상대적으로 높은 가스 소모는 은 필름의 전기 저항도(electrical resistivity of silver films)를 감소시켜, 상대적으로 많은 금속 클러스터를 형성하였다. 최저의 전기 저항도(lowest resistivity)를 보인 실험 파라미터를 이용하여, 은 후막(silver thick films)이 AD 프로세스를 통해 조성되고 그 특성들이 분석되었다. X-선 회절(X-ray diffraction)의 결과는 은 입자들이 충돌-유도 소성 변형(plastic deformation)이 됨을 확인하였다. 막 두께가 12 스캔(scan)까지 두꺼워짐에 따라, 충돌한 입자들이 거친 알루미나 기판(alumina substrate)을 채웠다. 12 스캔 후, 은막(silver film)은 증착된 은 입자들의 심각한 소성 변형 때문에 밀화(densify) 되었다. 그러므로, 성장 매커니즘은 초기 증착 단계에서의 대부분의 은 입자들이 기계적 인터로킹에 기여하며, 그후의 입자들은 필름 치밀화를 초래하는 점을 제시하였다.The method of forming a silver film for improved electrical properties using the aerosol deposition process of the present invention uses a 23° C. room temperature aerosol deposition (AD) process to reduce resistance-capacitance delay and signal Silver thick films for high-efficiency metallization that can be applied to increase the signal propagation speed were formed. In order to obtain better performance than the aerosol-deposited silver films reported in previous studies, the experimental parameters (nozzle orifice size and gas consumption) that can directly affect the electrical resistivity are determined. It was optimized first. A small orifice size of a suitable nozzle was chosen to facilitate the reduction in electrical resistivity by activating the percolation effect and creating relatively more conduction channels. In addition, relatively high gas consumption reduces the electrical resistivity of silver films, thereby forming relatively many metal clusters. Using the experimental parameters showing the lowest resistivity, silver thick films were formed through the AD process and their properties were analyzed. The results of X-ray diffraction confirmed that the silver particles became collision-induced plastic deformation. As the film thickness increased to 12 scans, the colliding particles filled the coarse alumina substrate. After 12 scans, the silver film was densified due to severe plastic deformation of the deposited silver particles. Therefore, the growth mechanism suggested that most of the silver particles in the initial deposition step contribute to mechanical interlocking, and the subsequent particles cause film densification.

도 1은 (a) 평면보기에 의해 결정된 은 파우더(silver powder)의 평면-SEM 이미지 및 (b) 입자 크기 분포를 보인 그림이다.
도 2는 (컬러 온라인) 고정 가스 소비량 8L/min 하에서 노즐의 다른 오리피스 영역(4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112019017032962-pat00001
)에서 저항도(resistivity) 및 노즐의 오리피스 면적에 따른 표면 RMS 거칠기(surface RMS roughness)의 변화를 보인 그림이다.
도 3은 가스 소비(gas consumption)의 함수로서 전기 저항도(resistivity) 변화시킴을 보인 그림(가스 소비가 4로부터 10 L/min으로 증가)이다.
도 4는 출발 파우더(powder) 및 증착된 실버 필름의 XRD 패턴의 그림이다. 삽입 된 그림은 76-79°의 2θ 범위를 갖는 XRD 패턴의 확대를 보여준다.
도 5는 1.0
Figure 112019017032962-pat00002
의 노즐 면적(nozzle area)과 10L/min 가스 소비량 사용시에, 에어로졸 증착된 은 필름(silver film)에 대한 막 두께에 대한 전기 저항도(resistivity on film thickness)의 의존성을 보인 그림이다.
도 6은 1.0
Figure 112019017032962-pat00003
의 노즐 면적과 10L/min 가스 소비량 사용시에, 필름 두께(film thickness)와 스캐닝 번호(scanning number)의 관계를 보인 그림이다.
도 7은 (컬러 온라인) SEM 현미경 사진을 관찰한 5 가지 유형의 스캐닝 번호를 나타낸 바와 같이, 분류된 은 필름(silver film)의 성장 메커니즘을 보인 그림이다. (a, f) 4 회 스캔, (b, g) 8 회 스캔, (c, h) 12 회 스캔, (d, i) 16 회 스캔 및 (e, k) 60 회 스캔.1 is a diagram showing (a) a plane-SEM image of silver powder determined by a plan view and (b) a particle size distribution.
Figure 2 shows the different orifice areas (4.0, 2.25, 1.0 and 0.64) of the nozzle under a (color online) fixed gas consumption of 8 L/min.
Figure 112019017032962-pat00001
) Shows the change in surface RMS roughness according to the resistance and the orifice area of the nozzle.
3 is a diagram showing the change in electrical resistivity as a function of gas consumption (gas consumption increases from 4 to 10 L/min).
4 is an illustration of the XRD pattern of the starting powder and the deposited silver film. The inserted figure shows the magnification of the XRD pattern with a 2θ range of 76-79°.
Figure 5 is 1.0
Figure 112019017032962-pat00002
The figure shows the dependence of the resistivity on film thickness on the aerosol-deposited silver film when using the nozzle area and 10L/min gas consumption.
Figure 6 is 1.0
Figure 112019017032962-pat00003
The figure shows the relationship between the film thickness and the scanning number when using the nozzle area and the gas consumption of 10L/min.
7 is a diagram showing the growth mechanism of the sorted silver film, as showing the five types of scanning numbers observed in the (color online) SEM micrograph. (a, f) 4 scans, (b, g) 8 scans, (c, h) 12 scans, (d, i) 16 scans and (e, k) 60 scans.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

2. 실험 방법2. Experiment method

본 발명의 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법은 The method of forming a silver film for improved electrical properties using the aerosol deposition process of the present invention

(a) 상이한 노즐의 오리피스 크기(4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00025
)를 갖는 AD 장치를 구비하며, 상기 AD 장치는 에어로졸 챔버와 증착 챔버를 구비하며, 상기 에어로졸 챔버는 가스 유량을 제어할 수 있는 유량 제어기(mass flow controller)를 구비하며, 알루미나 기판 상에 23℃ 실온에서 후막(thick film)에 대한 높은 증착률을 갖는 에어로졸 증착(AD) 프로세스에 의해 파우더 스프레이 코팅 방법을 사용하여 파우더 스프레이 노즐로부터 분사된 에어로졸 은 파우더들이 증착되어 에어로졸 증착된 은 필름으로 된 금속 후막(은 후막, silver thick film)을 형성하는 단계; 및 (a) Different nozzle orifice sizes (4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00025
), the AD device includes an aerosol chamber and a deposition chamber, the aerosol chamber includes a mass flow controller capable of controlling a gas flow rate, and 23° C. on an alumina substrate A metal thick film made of aerosol-deposited silver film by depositing aerosol silver powders sprayed from a powder spray nozzle using a powder spray coating method by an aerosol deposition (AD) process that has a high deposition rate for thick films at room temperature. Forming a (silver thick film); And

(b) 상기 유량 제어기에 의해 제어된 4~10 L/min 가스 유량을 사용하여 전기 저항도(resistivity)에 대한 노즐의 오리피스 크기(size of nozzle orifice)와 가스 소모량(gas consumption)이 분석되는 단계를 포함하며,
상기 단계 (a)에서, 상기 노즐의 오리피스는 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00026
상이한 오리피스 크기 중 어느 하나의 노즐의 오리피스를 사용하며, 에어로졸-증착 은 후막이 형성되고,
상기 단계 (b)는 4.0
Figure 112020076226863-pat00027
의 노즐로부터의 은 필름의 전기 저항도가 최고치를 나타낸 반면, 1.0
Figure 112020076226863-pat00028
의 노즐 면적으로부터의 전기 저항도가 최저값을 보였으며, 입자 속도가 캐리어 가스의 증가 및 노즐의 오리피스 크기의 감소에 비례하며, 노즐의 오리피스 면적(nozzle orifice area)과 전기 저항도(resistivity)에 비례한다. (b) Analyzing the size of nozzle orifice and gas consumption of the nozzle with respect to electrical resistivity using the 4-10 L/min gas flow rate controlled by the flow controller. Including,
In the step (a), the orifice of the nozzle is 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00026
Using the orifice of any one of the different orifice sizes, the aerosol-deposited silver thick film is formed,
The step (b) is 4.0
Figure 112020076226863-pat00027
While the electrical resistivity of the silver film from the nozzle of was the highest, 1.0
Figure 112020076226863-pat00028
The electrical resistivity from the nozzle area of was the lowest value, and the particle velocity was proportional to the increase of the carrier gas and the decrease of the nozzle orifice size, and proportional to the nozzle orifice area and the resistivity of the nozzle. do.

기판은 유리 기판 보다 거친 표면을 갖고, 더 좋은 접착력을 갖는 알루미나 기판(alumina substrate)을 사용한다. 알루미나 기판이 기판층(substrate layer)으로 선택하였으며, 이는 기본적으로 금속막(metal film)과 기판(substrate) 사이의 증강된 접착을 이용하여 밀한 금속 필름(dense metal films)을 가공할 수 있는 거친 표면(rough surface)을 갖기 때문이다. AD 프로세스에 의해 유리 기판 상에 증착된 금속 필름은 알루미나 기판 상에서 보다 나쁜 접착력(worse adhesion)을 갖는 것으로 알려지는데, 이는 종국적으로 유리 기판으로부터 금속 필름의 탈락을 초래한다. The substrate has a rougher surface than a glass substrate and uses an alumina substrate having better adhesion. The alumina substrate was chosen as the substrate layer, which is basically a rough surface that can process dense metal films by using the enhanced adhesion between the metal film and the substrate. (rough surface). Metal films deposited on a glass substrate by the AD process are known to have worse adhesion on an alumina substrate, which ultimately results in the detachment of the metal film from the glass substrate.

23℃ 실온에서, 에어로졸 증착(AD) 프로세스의 출발 파우더로서, 어느 금속들 중에서 최고의 전기 전도성을 갖는 은 파우더(silver powder, Kojundo Chemical Laboratory AGE09PB)가 준비되었다.At 23° C. room temperature, as a starting powder for the aerosol deposition (AD) process, silver powder (Kojundo Chemical Laboratory AGE09PB) having the highest electrical conductivity among any metals was prepared.

AD 장치는 상이한 노즐의 오리피스 크기를 갖는 노즐을 구비하며, 상기 AD 장치는 주로 에어로졸 챔버(aerosol chamber)와 증착 챔버(deposition chamber)로 구비되며, 상기 에어로졸 챔버는 가스 유량을 제어할 수 있는 유량 제어기(mass flow controller)가 구비된다. The AD device is provided with nozzles having different orifice sizes of different nozzles, and the AD device is mainly provided with an aerosol chamber and a deposition chamber, and the aerosol chamber is a flow controller capable of controlling the gas flow rate. (mass flow controller) is provided.

준비된 은 파우더(silver powder)가 먼저 에어로졸 챔버에 로딩되었다. 에어로졸 챔버는 가스 플로우 레이트(gas flow rate)를 제어할 수 있는 유량 제어기(mass flow controller)에 직접 접속되었다. 캐리어 가스(carrier gas)가 에어로졸 챔버에 공급되었을 때, 은 파우더들은 캐리어 가스를 이용한 혼합 및 휘젓기에 의해 에어로졸화 되었다. 99.99%의 순도를 갖는 헬륨 가스가 캐리어 가스로서 사용되었다. 실험은 유량 제어기에 의해 다양한 가스 유량(4~10 L/min)을 사용하여 수행되어 전기 저항도(electrical resistivity)에 대한 가스 소모(gas consumption)의 효과를 조사하였다. 에어로졸화 된 은 파우더는 테프런 튜브를 통해 주입된 헬륨 가스에 의해 슬릿(slit) 노즐로 전송되고, 증착 챔버에 분사되었다. 에어로졸을 생성하기 전에, 증착 챔버는 로터리 펌프와 기계 부스터 펌프로써 미리 비워져 가속된 에어로졸로부터 공기 저항을 제거하였다. The prepared silver powder was first loaded into the aerosol chamber. The aerosol chamber was directly connected to a mass flow controller capable of controlling the gas flow rate. When a carrier gas was supplied to the aerosol chamber, the silver powders were aerosolized by mixing and stirring using a carrier gas. Helium gas with a purity of 99.99% was used as the carrier gas. Experiments were conducted using various gas flow rates (4-10 L/min) by a flow controller to investigate the effect of gas consumption on electrical resistivity. The aerosolized silver powder was transferred to a slit nozzle by helium gas injected through a Teflon tube, and sprayed into the deposition chamber. Prior to generating the aerosol, the deposition chamber was preempted with a rotary pump and mechanical booster pump to remove air resistance from the accelerated aerosol.

일반적으로, 노즐의 오리피스 면적은 전기적 특성에 관련되는 것으로 알려진 에어로졸-증착 필름의 내부 미세구조와 표면에 상당한 영향을 줄 수 있다. 그러므로, 노즐의 오리피스에서, 상이한 오리피스 크기(4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00029
)의 노즐이 사용되었다. 슬릿 노즐이 에어로졸 흐름을 수렴시켜 고속으로 탈출가능한 구조를 갖기 때문에, 에어로졸은 수 백 m/s로 가속되어, 미리 설계된 X-Y 축에 대응하는 알루미나 기판의 증착 영역에 도달하고 축적되었다.In general, the orifice area of the nozzle can have a significant effect on the internal microstructure and surface of an aerosol-deposited film, which is known to be related to its electrical properties. Therefore, in the orifice of the nozzle, different orifice sizes (4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00029
) Nozzles were used. Since the slit nozzle has a structure capable of escaping at high speed by converging the aerosol flow, the aerosol was accelerated to several hundred m/s, reaching and accumulating the deposition area of the alumina substrate corresponding to the predesigned XY axis.

은 파우더의 입자 크기 분포가 입자 크기 분석기(particle size analyzer:PSA)로써 측정되었다. 에어로졸 생성에 영향을 미칠 수 있는 출발 은 파우더의 조건을 조사하기 위해, 초기 파우더 형태가 전자 현미경(FE-SEM; Hitachi S-470)을 스캔함으로써 관측되었다. 또한, 에어로졸-증착된 은 필름의 표면과 내부 미세구조가 FE-SEM에 의해 조사되었다. The particle size distribution of the silver powder was measured with a particle size analyzer (PSA). To investigate the conditions of the starting silver powder that may affect aerosol formation, the initial powder morphology was observed by scanning an electron microscope (FE-SEM; Hitachi S-470). In addition, the surface and internal microstructure of the aerosol-deposited silver film were investigated by FE-SEM.

노즐의 오리피스 면적, 가스 소모량, 및 막 두께를 변동시키면서 전기 저항도(resistivity)가 4-점 프로브에 의해 측정되었다. 표면 프로파일러(Ambios XP-1)을 이용하여 알루미나 기판 상에 증착된 은 필름의 두께와 노즐의 오리피스 면적에 따른 RMS 거칠기(RMS roughness)가 측정되었다. 또한, 필름의 X-선 회절(XRD; PANytical X'Pert Pro) 패턴이 분석되어 로(raw) 파우더와 증착된 은 필름의 결정성(crystalinity)을 확인하고 비교하였다.Electrical resistivity was measured with a four-point probe while varying the orifice area, gas consumption, and film thickness of the nozzle. Using a surface profiler (Ambios XP-1), the thickness of the silver film deposited on the alumina substrate and the RMS roughness according to the orifice area of the nozzle were measured. In addition, the X-ray diffraction (XRD; PANytical X'Pert Pro) pattern of the film was analyzed to confirm and compare the crystalinity of the raw powder and the deposited silver film.

3. 결과3. Results

3.1 전기 저항도(resistivity)에 대한 노즐의 오리피스 크기(size of nozzle orifice)와 가스 소모량(gas consumption)의 효과3.1 Effect of nozzle orifice size and gas consumption on electrical resistivity

도 1(a)은 ~1.1㎛의 평균 입자 직경을 갖는 은 파우더의 초기 형태를 나타낸다. 10, 50 및 90%의 누적 체적에 대한

Figure 112020076226863-pat00030
,
Figure 112020076226863-pat00031
Figure 112020076226863-pat00032
의 값은 각각 0.595, 1.016 및 1.823 ㎛였다.
Figure 112020076226863-pat00033
으로부터 계산된 파라미터 스팬(parameter span)은 에어로졸화에 적절한 값(1.356)이었는데, 이는 은 입자들(silver particles)이 유사한 평균 직경을 가짐을 나타낸다. 더욱이, 대부분의 은 입자들은 원-형 형태를 가지는 것으로 관측되었으며, 뭉쳐진 입자들은 거의 없었다. AD 프로세스에서 고품질의 고운 에어로졸을 생성하기 위해, 충분한 양의 독립적 단위 입자(primary particle)를 갖는 것이 50%의 누적 체적의 값보다 더 중요하였다. 그러므로, 균일하고 원형의 형태를 갖는 파우더 구성은 비균일 형태의 파우더보다 더 많은 에어로졸을 생성할 수 있으며, 이는 높은 증착률(high deposition rate)에 중요한 요소이다.1(a) shows the initial form of silver powder having an average particle diameter of ~1.1㎛. For cumulative volumes of 10, 50 and 90%
Figure 112020076226863-pat00030
,
Figure 112020076226863-pat00031
And
Figure 112020076226863-pat00032
The values of were 0.595, 1.016 and 1.823 μm, respectively.
Figure 112020076226863-pat00033
The parameter span calculated from was a value suitable for aerosolization (1.356), indicating that the silver particles have similar average diameters. Moreover, most of the silver particles were observed to have a circular-shape, and there were few agglomerated particles. In order to generate a high quality fine aerosol in the AD process, having a sufficient amount of independent primary particles was more important than the value of 50% cumulative volume. Therefore, a powder composition having a uniform and circular shape can generate more aerosols than a powder having a non-uniform shape, which is an important factor for a high deposition rate.

전기 저항도(resistivity)에 대한 노즐의 오리피스 면적의 효과를 조사하기 위해, 우리는 노즐의 오리피스에서, 상이한 노즐의 오리피스의 크기(4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00034
)를 갖는 노즐을 사용하여 에어로졸-증착 은 후막을 형성하였다. 4.0
Figure 112020076226863-pat00035
의 노즐로부터의 은 필름의 전기 저항이 최고치를 나타낸 반면, 1.0
Figure 112020076226863-pat00036
의 노즐의 오리피스의 면적으로부터는 전기 저항도가 최저값을 갖는다. 예상과 달리, 0.64
Figure 112020076226863-pat00037
의 오리피스 크기로부터의 은 필름의 전기 저항도는 1.0
Figure 112020076226863-pat00038
의 오리피스 크기로부터의 것보다 높았다. 또한, 노즐의 오리피스 면적에 따른 RMS 거칠기(RMS roughness)가 표면 프로파일러로써 측정되었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이는 전기 저항도의 변동 경향에 대응하였다.To investigate the effect of the nozzle's orifice area on the electrical resistivity, we used the different nozzle's orifice sizes (4.0, 2.25, 1.0 and 0.64) at the nozzle's orifice.
Figure 112020076226863-pat00034
) To form an aerosol-deposited silver thick film. 4.0
Figure 112020076226863-pat00035
While the electrical resistance of the silver film from the nozzle of was the highest, 1.0
Figure 112020076226863-pat00036
From the area of the orifice of the nozzle of, the electrical resistivity has the lowest value. Unlike expected, 0.64
Figure 112020076226863-pat00037
The electrical resistivity of the silver film from the orifice size of is 1.0
Figure 112020076226863-pat00038
Was higher than that from the orifice size of. In addition, RMS roughness according to the orifice area of the nozzle was measured with a surface profiler. As shown in Fig. 2, this corresponds to the tendency of fluctuations in electrical resistivity.

노즐의 오리피스 면적(nozzle orifice area)과 전기 저항도(resistivity)의 비례 관계가 존재하였다. 이 현상의 합리적 설명은 충돌과 통합 동안의 은 입자들의 소성 변형과 관련된다. AD 매커니즘을 감안하면, 슬릿 노즐로부터 분사된 은 입자들은 높은 속도(high velocity) 때문에 큰 운동 에너지(large kinetic energy)를 가져서, 알루미나 기판과 강하게 충돌한다. 슬릿 노즐(slit nozzle)의 오리피스 면적이 감소되면, 입자의 속도는 수렴-구조 노즐 때문에 급속히 분사 속도가 증가되었을 수 있으며, 이는 결과적으로 입자들 간의 지속적인 삼투의 가능성을 증가시켰을 수 있다. 이전의 연구들은 입자 속도가 캐리어 가스의 증가 및 노즐의 오리피스 크기의 감소와 비례한다고 보고한 바 있다. 그러므로, 우리의 연구에서 10 L/min의 캐리어 가스 및 1

Figure 112020076226863-pat00039
의 노즐의 오리피스를 사용할 때, 입자 속도(particle velocity)는 500 내지 650 m/s인 것으로 추정되었으며, 4.0
Figure 112020076226863-pat00040
의 노즐의 오리피스(nozzle orifice)를 사용하면 430m/s 였다. 이 조건은 상대적으로 더 많은 전도 채널(conducting channels)을 형성할 수 있으며, 채널의 개수는 은 필름의 전기 저항도(electrical resistivity of silver films)를 상당히 감소시킬 수 있다. There was a proportional relationship between the nozzle orifice area and the electrical resistivity. A rational explanation for this phenomenon is related to the plastic deformation of silver particles during collision and integration. Considering the AD mechanism, the silver particles injected from the slit nozzle have large kinetic energy due to their high velocity, and they collide strongly with the alumina substrate. If the orifice area of the slit nozzle is reduced, the velocity of the particles may have increased rapidly due to the convergent-structure nozzle, which may consequently increase the likelihood of continuous osmosis between the particles. Previous studies have reported that the particle velocity is proportional to an increase in the carrier gas and a decrease in the nozzle orifice size. Therefore, in our study 10 L/min of carrier gas and 1
Figure 112020076226863-pat00039
When using the orifice of the nozzle of, the particle velocity was estimated to be 500 to 650 m/s, and 4.0
Figure 112020076226863-pat00040
It was 430 m/s when the nozzle orifice of was used. This condition can form relatively more conducting channels, and the number of channels can significantly reduce the electrical resistivity of silver films.

작은 노즐의 오리피스 직경으로부터 조성된 밀한(dense) 은 필름이 전기 저항도의 감소에 기여하였을지라도, 0.64

Figure 112020076226863-pat00041
의 극도로 작은 오리피스를 이용한 은 필름은 결정의 전위(dislocation)를 야기하였을 수 있다. 더욱이, 이러한 0.64
Figure 112020076226863-pat00042
노즐의 오리피스 구조가 기판 상에서 입자들의 높은 충격에 기인하는 표면 열화(surface deterioration) 및 에칭 효과(etching effect)를 가져올 수 있으므로, RMS 거칠기는 도 2의 청색 선에 의해 도시된 바와 같이, 노즐의 오리피스 면적이 1
Figure 112020076226863-pat00043
였을 때와 비교하여 약간 증가된 값을 나타냈다. 상기 전위 영역들은 금속에 있어서 가장 광범위한 결함인 것으로 잘 알려져 있으며, 따라서 심각한 소성 변형(plastic deformation)에 의한 전도 전자(conduction electrons)의 산란(scattering)이 잔여 저항도(residual resistivity)를 개선시킬 수 있다. The dense silver film created from the small nozzle's orifice diameter was 0.64, although it contributed to the reduction in electrical resistivity.
Figure 112020076226863-pat00041
Silver films using extremely small orifices of may have caused crystal dislocation. Moreover, these 0.64
Figure 112020076226863-pat00042
Since the orifice structure of the nozzle can bring about surface deterioration and etching effect due to high impact of particles on the substrate, the RMS roughness is as shown by the blue line in FIG. Area is 1
Figure 112020076226863-pat00043
Compared to when was, it showed a slightly increased value. The dislocation regions are well known to be the most widespread defects in metal, so scattering of conduction electrons due to severe plastic deformation can improve residual resistivity. .

결과적으로, 노즐의 오리피스 크기 효과의 결과로부터, 최고의 금속배선 성능(best metallization performance)을 갖는 1.0

Figure 112020076226863-pat00044
의 오리피스의 면적을 사용한 금속배선(metallization)을 위한 에어로졸-증착 은 필름을 형성하였다.As a result, from the results of the nozzle's orifice size effect, 1.0 with the best metallization performance
Figure 112020076226863-pat00044
An aerosol-deposited silver film for metallization was formed using the area of the orifice of.

증착된 은 필름(as-deposited silver films)의 전기 저항도에 관한 가스 소모량(gas consumption on electrical resistivity)의 효과를 검증하기 위해, 유량 제어기에 의해 측정될 수 있는, 가스 소모량은 4 ~ 10 L/min으로 제어되었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 저항도(electrical resistivity)는 가스 소모량(gas consumption)을 증가시킴에 따라 감소하였다. 4 L/min의 가스 소모량의 경우, 전기 저항도는

Figure 112020076226863-pat00045
Ω·㎝로 최고치를 나타냈는데, 이는 금속배선에 부적합했다. 저항도는 가스 소모량이 높아짐에 따라 현저히 감소하였는데, 가스 소모량이 7 L/min 보다 많을 때 최종적으로 포화값
Figure 112020076226863-pat00046
Ω·㎝에 접근하였다.To verify the effect of gas consumption on electrical resistivity of as-deposited silver films, the gas consumption, which can be measured by a flow controller, is 4-10 L/ Controlled in min. As shown in Figure 3, electrical resistivity (electrical resistivity) decreased as the gas consumption (gas consumption) increased. For gas consumption of 4 L/min, the electrical resistivity is
Figure 112020076226863-pat00045
The highest value was displayed in Ω·cm, which was not suitable for metal wiring. The resistance decreased significantly as the gas consumption increased, but when the gas consumption was more than 7 L/min, the final saturation value
Figure 112020076226863-pat00046
Approached to Ω·cm.

이러한 과도한 전기 저항도는 은 필름의 내부 미세구조에 있어서, 은 입자들 간의 접촉 면적과 밀접하게 관련되는 점에 주목하였다. 상대적으로 높은 가스 유량은 AD 프로세스 동안 상대적으로 더 높은 은 입자들의 충돌 에너지를 암시한다. 적절히 높은 충돌 에너지를 갖는 은 입자들이 딱딱한 기판과 충돌할 때, 이들은 소성 변형(plastic deformation) 때문에 활모양 또는 원형(arcing or circular shape)으로 축적되었을 수 있다. 마지막으로, 메짐성 있는 입자들 간의 미세접촉을 형성할 가능성은 이들을 클러스터들(clusters)로 그룹화함으로써 쉽게 상승될 수 있다.It was noted that this excessive electrical resistance is closely related to the contact area between the silver particles in the internal microstructure of the silver film. The relatively high gas flow rate implies a relatively higher collision energy of the silver particles during the AD process. When silver particles with moderately high impact energy collide with a hard substrate, they may have accumulated in an arcing or circular shape due to plastic deformation. Finally, the possibility of forming microcontacts between brittle particles can be easily raised by grouping them into clusters.

3.2 최적 실험 파라미터를 이용한 소성변형과 전기 저항도의 조사3.2 Investigation of plastic deformation and electrical resistivity using optimal experimental parameters

상기 결과들에 기초하여, 1.0

Figure 112020076226863-pat00047
의 노즐 오리피스 면적과 10L/min의 가스 소모량이 고정 실험 파라미터로서 이용되었으며, 우리는 이러한 파라미터들을 사용하여 고전도성을 갖는 에어로졸-증착 은 필름을 조성하려고 하였다. Based on the above results, 1.0
Figure 112020076226863-pat00047
The nozzle orifice area of and the gas consumption of 10 L/min were used as fixed experimental parameters, and we tried to form an aerosol-deposited silver film with high conductivity using these parameters.

도 4는 로(raw) 은 파우더 및 증착된 은 필름의 XRD 패턴을 나타낸다. 은 파우더가 AD 프로세스 동안 소성 변형을 받았는지를 결정하기 위해, 우리는 회절 피크(diffraction peak)(311)의 국부 확대를 점검하였다(도 4(b)의 삽도). 은 필름의 회절 피크(311)는 은 파우더와 비교하여 낮은 각도로 시프트하였다. 피크 시프트의 크기는 종종 잔여 스트레스의 존재에 밀접하게 관련된다. 그 결과, 은 파우더가 AD 프로세스 동안 딱딱한 알루미나 기판 상에서 강한 충돌 에너지를 받았기 때문에 은 필름의 내부 구조에 잔여 스트레스(residual stress)가 존재함이 드러났는데, 이는 소성 변형이 대개 발생하였음을 의미한다. 4 shows the XRD pattern of raw silver powder and deposited silver film. To determine if the silver powder was subjected to plastic deformation during the AD process, we checked the local magnification of the diffraction peak 311 (inset in Fig. 4(b)). The diffraction peak 311 of the silver film shifted at a lower angle compared to the silver powder. The magnitude of the peak shift is often closely related to the presence of residual stress. As a result, it was revealed that residual stress was present in the internal structure of the silver film because the silver powder received strong impact energy on the hard alumina substrate during the AD process, which means that plastic deformation usually occurred.

도 5는 AD 프로세스 동안의 은 필름 두께에 따른 전기 저항도의 변화를 도시한다.5 shows the change in electrical resistivity with silver film thickness during the AD process.

전기 저항도(resistivity)는 극도로 높은 값(

Figure 112020076226863-pat00048
Ω·㎝)을 가졌다. 이는 은 필름 두께가 0.4㎛일 때 급격하게 떨어졌다. 1㎛ 이상의 두께에서, 전기 저항도는
Figure 112020076226863-pat00049
Ω·㎝로 포화되었다. 최저 저항을 보이는 포인트는, 은 필름 두께가 5㎛일 때,
Figure 112020076226863-pat00050
Ω·㎝였다. 전반적으로, 그래프의 개방 형태가 전기 저항도(resistivity)와 필름 두께(film thickness)의 역관계를 나타냈다. 전기 저항도와 필름 두께의 역관계는 두 가지 매커니즘을 수반하였을 수 있다. 제 1 매커니즘은 표면 산란(surface scattering)에 관련되는 Fuchs-Sonheimer 모델이며, 다른 하나는 그레인 경계 산란(grain boundary scattering)에 관련되는, Mayadas-Shatzkes이다. Fuchs-Sonheimer 표면 산란과 Mayadas-Shatzkes 그레인 경계 산란은, 각각 식(1)과 식(2)로 주어진다:The electrical resistivity is an extremely high value (
Figure 112020076226863-pat00048
Ω·cm). This fell sharply when the silver film thickness was 0.4 μm. At a thickness of 1㎛ or more, the electrical resistivity is
Figure 112020076226863-pat00049
It was saturated with Ω·cm. The point showing the lowest resistance is when the silver film thickness is 5㎛,
Figure 112020076226863-pat00050
It was Ω·cm. Overall, the open shape of the graph showed an inverse relationship between electrical resistivity and film thickness. The inverse relationship between electrical resistivity and film thickness may have involved two mechanisms. The first mechanism is the Fuchs-Sonheimer model, which relates to surface scattering, and the other is Mayadas-Shatzkes, which relates to grain boundary scattering. The Fuchs-Sonheimer surface scattering and the Mayadas-Shatzkes grain boundary scattering are given by equations (1) and (2), respectively:

Figure 112019017032962-pat00004
Figure 112019017032962-pat00004

여기서, ρ는 측정된 전기 저항도(resistivity), p는 전자가 필름 표면으로부터 산란되었을 확률, t는 필름 두께(film thickness), R은 그레인 경계 반사 계수(grain boundary reflection coefficient), D는 그레인 경계의 평균 거리(average distance of grain boundaries)이다. Here, ρ is the measured electrical resistivity, p is the probability that electrons have been scattered from the film surface, t is the film thickness, R is the grain boundary reflection coefficient, and D is the grain boundary. Is the average distance of grain boundaries.

일반적으로, 전기 저항도(resistivity)의 초기 변동은 지배적으로 Fuchs-Sonheimer 표면 산란에 기인하는데, 이는 그 표면 모폴로지가 필름 성장의 초기 단계들 동안 울퉁불퉁한 것으로부터 매끄러운 것으로 지속적으로 변화되었기 때문이다. In general, the initial fluctuations in electrical resistivity are predominantly due to Fuchs-Sonheimer surface scattering because its surface morphology continuously changes from bumpy to smooth during the early stages of film growth.

반면, 표면 모폴로지(surface morphologies)가 연속 증착 동안 좀처럼 변화하지 않기 때문에, Mayadas-Shatzkese 그레인 경계 산란(Mayadas-Shatzkese grain boundary scattering)은 Fuchs-Sonheimer보다 저항도(resistivity)를 결정하는데 더 지배적인 요소가 된다. On the other hand, since surface morphologies seldom change during successive deposition, Mayadas-Shatzkese grain boundary scattering is a more dominant factor in determining resistivity than Fuchs-Sonheimer. do.

이 경우, 4, 8, 12 스캔 횟수가 증가함에 따라, 기판 상에 차후의 입자들의 충돌 에너지가 증착된 은 필름에 더욱 더 전달될 수록, 그레인 경계(grain boundaries)에서의 흠결들(defects)이 점차적으로 감소되고, 다공성 은 필름(porous silver film)이 처음 스캔보다 상대적으로 밀한 구조(dense structure)로 변환되며, 이는 상대적으로 많은 은 클러스터의 형성 때문에 상대적으로 낮은 전기 저항도로 귀결된다.In this case, as the number of 4, 8, 12 scans increases, the more the collision energy of subsequent particles on the substrate is transferred to the deposited silver film, the more defects at grain boundaries are. It gradually decreases, and the porous silver film is converted to a relatively dense structure than the first scan, which results in relatively low electrical resistivity due to the formation of relatively many silver clusters.

3.3 은 필름(silver films)의 성장 매커니즘3.3 The growth mechanism of silver films

기판에 에어로졸 증착되는 은 필름의 성장 프로세스(growth process of silver films)를 조사하기 위해, 각 스캔 횟수에 대한 필름 두께(film thickness)가 먼저 매번 측정되었다. 도 6은 2 내지 100 번째 스캔까지의 스캔 횟수(scan number)에 따른 막 두께를 나타낸다. AD 프로세스가 16 번째 스캔까지 수행되었을 때, 필름 두께의 변화가 거의 없었으며, 이는 비선형 그래프를 나타낸다. In order to investigate the growth process of silver films deposited aerosol on the substrate, the film thickness for each scan number was first measured each time. 6 shows the film thickness according to the scan number from the 2nd to the 100th scan. When the AD process was carried out up to the 16th scan, there was little change in film thickness, indicating a nonlinear graph.

스캔 횟수에 대한 필름 두께의 변동(Δfilm thickness=Δscan number)는 0.027의 매우 낮은 값을 가졌다. 이는 스캔 당 평균 증착 두께(average deposited thickness per scan)가 초기 AD 단계에서 0.027 ㎛였음을 의미한다. The variation of film thickness with respect to the number of scans (Δfilm thickness=Δscan number) had a very low value of 0.027. This means that the average deposited thickness per scan was 0.027 μm in the initial AD stage.

반면, 매 스캔에 대한 증착률(deposition rate for every scan)은 12 번 이상의 스캔 뒤 현저히 증가되었다. 이 경우, Δfilm thickness=Δscan number의 값은 0.123이었으며, 이는 초기 증착률의 값보다 4배가 넘었다.On the other hand, the deposition rate for every scan was significantly increased after more than 12 scans. In this case, the value of Δfilm thickness=Δscan number was 0.123, which was more than 4 times the value of the initial deposition rate.

상이한 스캔 횟수를 이용한 은 필름의 표면 및 단면 SEM 이미지를 획득하여 왜 증착률이 16번째 스캔 전후로 다른지를 결정하였다. The surface and cross-sectional SEM images of the silver film using different scan times were acquired to determine why the deposition rate was different before and after the 16th scan.

도 7은 스캔 횟수를 증가시킴에 따른 알루미나 기판 상에서의 에어로졸-증착 은 필름의 표면 및 내부 미세구조를 도시한다. 4번의 스캔이 수행된 후, 일부 은 입자들이 알루미나 기판의 거친 표면을 채웠다. 8회의 스캔 후에도, 알루미나 기판의 일부분은 여전히 표면으로부터 표면적으로 노출되어 있었고, 12번 이상의 스캔 후에 은 필름만이 표면에서 관측되었다. 이는 12회의 스캔까지 필름 두께의 매우 작은 변화에 대한 주된 이유이다. 7 shows the surface and internal microstructures of an aerosol-deposited silver film on an alumina substrate with increasing the number of scans. After four scans were performed, some silver particles filled the rough surface of the alumina substrate. Even after 8 scans, a portion of the alumina substrate was still superficially exposed from the surface, and after 12 or more scans only a silver film was observed on the surface. This is the main reason for the very small change in film thickness up to 12 scans.

AD 매커니즘의 기본 원리는 메짐성 있는 입자에 의한 결정 크기의 감소(reduction of the crystallite size by brittle particles)에 기초하여 밀한 구조(dense structure)를 조성하는 것이다. 그러나, 연성 금속은 AD 프로세스 동안 달리 거동한다. 다량의 캐리어 가스와 더불어 슬릿 노즐로부터 분사되는 은 입자들은 거친 알루미나 기판의 표면에 강한 충격을 전달할 수 있다. 은 입자들은 알루미나 기판의 딱딱함 때문에 높은 수준의 스트레스를 받았기 때문에, 알루미나 기판의 표면 상에서 그 거동은 주로 심각한 소성 변형에 얽매인다. 이는 결과적으로 거친 알루미나 기판의 계곡들을 커버하여, 은 입자들과 알루미나 기판 간의 기계적 인터로킹을 형성한다. The basic principle of the AD mechanism is to create a dense structure based on the reduction of the crystallite size by brittle particles. However, ductile metals behave differently during the AD process. The silver particles sprayed from the slit nozzle together with a large amount of carrier gas can deliver a strong impact to the surface of the rough alumina substrate. Since the silver particles are subjected to a high level of stress due to the rigidity of the alumina substrate, their behavior on the surface of the alumina substrate is mainly bound to severe plastic deformation. This consequently covers the valleys of the coarse alumina substrate, forming a mechanical interlock between the silver particles and the alumina substrate.

알루미나 기판의 대부분의 거친 표면이 12회의 스캔 후에 채워졌을 때, 이후의 은 입자가 해머링 효과에 기초하여 증착된 은 필름 상에 연속하여 누적되었다. 즉, 은 필름이 12회의 스캔 후 동일한 매커니즘으로써 증착되었기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같이, 필름 두께가 선형 함수로 증가되었다.When most of the rough surfaces of the alumina substrate were filled after 12 scans, subsequent silver particles were successively accumulated on the deposited silver film based on the hammering effect. That is, since the silver film was deposited with the same mechanism after 12 scans, as shown in Fig. 6, the film thickness increased with a linear function.

본 연구에서, 에어로졸-증착 은 후막이 금속배선을 위해 23℃ 실온에서 가공될 수 있었다. 노즐의 오리피스 면적과 가스 소모량과 같은 실험 파라미터들을 최적화시킴으로써, 가열 프로세스 없이, 증착된 은 필름의 전기 저항도는

Figure 112020076226863-pat00051
Ω·㎝ 으로 측정되었으며, 이는 에어로졸-증착 은 필름의 이전 연구에서 보고된 것보다 1.5배 작았다. 더욱이, 기판 상에 증착된 은 필름의 내부 미세구조와 표면 모폴로지를 관측함으로써, 특정 스캔 횟수에 따라, 그 성장 매커니즘이 두 가지 프로세스들로 나누어짐이 밝혀졌다: In this study, an aerosol-deposited silver thick film could be processed at 23° C. room temperature for metallization. By optimizing the experimental parameters such as the nozzle's orifice area and gas consumption, without the heating process, the electrical resistivity of the deposited silver film is
Figure 112020076226863-pat00051
It was measured as Ω·cm, which was 1.5 times smaller than that reported in previous studies of aerosol-deposited silver films. Moreover, by observing the internal microstructure and surface morphology of the silver film deposited on the substrate, it was found that, depending on the specific number of scans, its growth mechanism was divided into two processes:

1) 기계적 인터로킹을 형성함으로써 은 입자들로 거친 표면을 채우고(filling the rough surface with the silver particles by forming mechanical interlocking), 그리고 1) filling the rough surface with the silver particles by forming mechanical interlocking, and

2) 해머링 효과로써 은 필름을 치밀화시킨다(densifying the silver films with a hammering effect).2) Densifying the silver films with a hammering effect.

실험 결과들에 기초하여, 최적화된 실험 파라미터를 이용한 에어로졸-증착 은 필름(aerosol-deposited silver films)은 장래 집적 회로의 금속배선(integrated circuit metallization)을 위한 응용에 적용될 것으로 예상된다.Based on the experimental results, aerosol-deposited silver films using optimized experimental parameters are expected to be applied in future applications for integrated circuit metallization.

4. 결론4. Conclusion

알루미나 기판 상에서 에어로졸 증착된 은 필름(silver films)이 고성능 금속배선(high performance metallization)을 위해 23℃ 실온에서 간단한 AD 프로세스를 통해 성공적으로 가공되었다. 노즐의 오리피스 크기(orifice size of nozzle) 및 가스 소모량(gas consumption)과 같은 실험 파라미터들이 낮은 저항도(low resistivity)를 찾도록 변경되었으며, 이는 우리 연구의 주 목표였다. Aerosol-deposited silver films on alumina substrates have been successfully processed through a simple AD process at 23° C. room temperature for high performance metallization. Experimental parameters, such as the orifice size of nozzle and gas consumption, were changed to find low resistivity, which was the main goal of our study.

AD 장치에서, 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64

Figure 112020076226863-pat00052
노즐의 오리피스에서 상대적으로 노즐의 작은 오리피스 크기(small orifice size)와 4~10 L/min 가스 유량에서 상대적으로 많은 가스 소모량(high gas consumption)은 전기 저항도의 감소에 크게 연관되는 점이 확인되었는데, 이는 이러한 파라미터들이 삼투 효과(percolation effect)를 활성화시키고 은 입자들 간의 미세접촉(microcontacts between the silver particles)을 증가시킬 수 있었기 때문이다. In AD devices, 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00052
It was confirmed that the relatively small orifice size of the nozzle at the orifice of the nozzle and the relatively high gas consumption at the gas flow rate of 4 to 10 L/min are strongly related to the decrease in electrical resistivity. This is because these parameters could activate the percolation effect and increase microcontacts between the silver particles.

AD 프로세스 동안, 은 입자에 대한 소성 변형이 XRD에서의 피크 시프트의 크기를 관측함으로써 확인되었다. 전기 저항도(electrical resistivity)는 필름 두께(film thickness)에 따라 점차 감소되었는데, 이는 은 입자들(silver particles)이 기판 상에 축적됨에 따라 표면 산란(surface scattering)과 그레인 경계 산란(grain boundary scattering) 모두가 감소되었기 때문이다. During the AD process, plastic deformation for the silver particles was confirmed by observing the magnitude of the peak shift in XRD. The electrical resistivity gradually decreased with the film thickness, which is surface scattering and grain boundary scattering as silver particles accumulate on the substrate. Because everyone has decreased.

은 필름의 증착 행위를 관측하기 위해, 성장 매커니즘이 상이한 scan 횟수를 사용하여 SEM 이미지들로써 조사되었다. 12회의 스캔까지, 은 입자들이 거친 알루미나 기판을 채우는데 역할을 한 반면 소성 변형을 받았다. 12회 스캔(12 scans) 후에는, 이 포인트로부터 선형 함수로 필름 두께가 증가되는 경향의 방식으로 증착되었다. 본 연구의 이러한 가공된 기판 상에 에어로졸 증착된 은 후막(silver thick films)은 명백한 에어로졸 증착 매커니즘을 갖는 월등한 전기적 특성을 보였으며 상대적으로 낮은 저항도를 갖는 RC 지연의 감소(reduction of RC delay with low resistivity)에서의 응용에 적합하다.To observe the deposition behavior of the silver film, the growth mechanism was investigated with SEM images using different scan times. Up to twelve scans, the silver particles were subjected to plastic deformation while playing a role in filling the coarse alumina substrate. After 12 scans, it was deposited in a manner that tends to increase the film thickness as a linear function from this point. The aerosol-deposited silver thick films on the processed substrate in this study showed superior electrical properties with a clear aerosol deposition mechanism, and a reduction of RC delay with relatively low resistance. low resistivity).

본 발명의 에어로졸 증착(AD) 프로세스를 이용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법은 23℃ 실온 에어로졸 증착(AD) 프로세스를 사용하여 집적 회로에서 저항-커패시턴스 지연(resistance-capacitance delay)을 감소시키고 신호 전파 속도(signal propagation speed)를 증가시키는데 적용될 수 있는 고효율 금속배선(metallization)을 위한 은 후막(silver thick films)을 조성하였다. 이전의 연구에서 보고된 에어로졸-증착 은 필름(aerosol-deposited silver films)보다 더 개선된 성능을 얻기 위해, 전기 저항도에 직접 영향을 미칠 수 있는 실험 파라미터들(노즐의 오리피스 크기 및 가스 소모)이 먼저 최적화되었다. 삼투 효과(percolation effect)를 활성화시키고 상대적으로 더 많은 전도 채널(conduction channels)을 생성함으로써 전기 저항도의 감소를 촉진시키는데 적절한 작은 노즐의 오리피스 크기(small orifice size)가 선택되었다. 또한, 상대적으로 높은 가스 소모는 은 필름의 전기 저항도(electrical resistivity of silver films)를 감소시켜, 상대적으로 더 많은 금속 클러스터를 형성하였다. 최저의 전기 저항도(lowest resistivity)를 보인 실험 파라미터를 이용하여, 은 후막(silver thick films)이 AD 프로세스를 통해 조성되고, 그 특성들이 분석되었다. X-선 회절(X-ray diffraction)의 결과는 은 입자들이 충돌-유도 소성 변형(plastic deformation)이 됨을 확인하였다. 막 두께가 12 스캔(scan)까지 두꺼워짐에 따라, 충돌한 입자들이 거친 알루미나 기판(alumina substrate)을 채웠다. 12 스캔 후, 은막(silver film)은 증착-된 은 입자들의 심각한 소성 변형 때문에 밀화(densify) 되었다. 그러므로, 성장 매커니즘은 초기 증착 단계에서의 대부분의 은 입자들이 기계적 인터로킹에 기여하며, 그후의 입자들은 필름 치밀화를 초래하는 점을 제시하였다.The method of forming a silver film for improved electrical properties using the aerosol deposition (AD) process of the present invention is a resistance-capacitance delay in an integrated circuit using a 23°C room temperature aerosol deposition (AD) process. Silver thick films for high-efficiency metallization, which can be applied to reduce and increase signal propagation speed, were formed. In order to obtain better performance than the aerosol-deposited silver films reported in previous studies, the experimental parameters (nozzle orifice size and gas consumption) that can directly affect the electrical resistivity are determined. It was optimized first. A small orifice size of a suitable nozzle was chosen to facilitate the reduction in electrical resistivity by activating the percolation effect and creating relatively more conduction channels. In addition, relatively high gas consumption reduced the electrical resistivity of silver films, thereby forming relatively more metal clusters. Using the experimental parameters showing the lowest resistivity, silver thick films were formed through the AD process, and their properties were analyzed. The results of X-ray diffraction confirmed that the silver particles became collision-induced plastic deformation. As the film thickness increased to 12 scans, the collided particles filled the coarse alumina substrate. After 12 scans, the silver film was densified due to severe plastic deformation of the deposited-silver particles. Therefore, the growth mechanism suggested that most of the silver particles in the initial deposition step contribute to mechanical interlocking, and the subsequent particles result in film densification.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims by those of ordinary skill in the relevant technical field It will be appreciated that various modifications or variations can be implemented.

Claims (13)

(a) 기판 상에, 실온에서 AD 장치를 사용하여 에어로졸 증착(AD) 프로세스에 의해 파우더 스프레이 코팅 방법을 사용하여 파우더 스프레이 노즐로부터 분사된 에어로졸 증착 은 파우더들이 증착되어 에어로졸 증착된 은 필름으로 된 금속 후막을 형성하는 단계; 및
(b) 유량 제어기에 의해 제어된 4 - 10L/min 가스 유량을 사용하여 전기 저항도(resistivity)에 대한 노즐의 오리피스 크기와 가스 소모량이 분석되는 단계를 포함하며,
상기 단계 (a)에서, 상기 노즐의 오리피스는 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64
Figure 112020076226863-pat00053
상이한 오리피스 크기 중 어느 하나의 노즐의 오리피스를 사용하며, 에어로졸-증착 은 후막이 형성되고,
상기 단계 (b)는 4.0
Figure 112020076226863-pat00054
의 노즐로부터의 은 필름의 전기 저항도가 최고치를 나타낸 반면, 1.0
Figure 112020076226863-pat00055
의 노즐 면적으로부터의 전기 저항도가 최저값을 보였으며, 입자 속도가 캐리어 가스의 증가 및 노즐의 오리피스 크기의 감소에 비례하며, 노즐의 오리피스 면적(nozzle orifice area)과 전기 저항도(resistivity)에 비례하는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
(a) On a substrate, aerosol deposition silver powder sprayed from a powder spray nozzle using an aerosol deposition (AD) process by an aerosol deposition (AD) process using an AD device at room temperature is deposited and aerosol deposited silver film metal Forming a thick film; And
(b) analyzing the orifice size and gas consumption of the nozzle for electrical resistivity using a 4-10 L/min gas flow controlled by the flow controller,
In the step (a), the orifice of the nozzle is 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00053
Using the orifice of any one of the different orifice sizes, the aerosol-deposited silver thick film is formed,
The step (b) is 4.0
Figure 112020076226863-pat00054
While the electrical resistivity of the silver film from the nozzle of was the highest, 1.0
Figure 112020076226863-pat00055
The electrical resistivity from the nozzle area of was the lowest value, and the particle velocity was proportional to the increase of the carrier gas and the decrease of the nozzle orifice size, and proportional to the nozzle orifice area and the resistivity of the nozzle. A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process.
제1항에 있어서,
상기 기판은 알루미나 기판을 사용하는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process, wherein the substrate uses an alumina substrate.
제1항에 있어서,
상기 금속 후막은 금속배선을 위한 은 후막(silver thick film) 인 것을 특징으로 하는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
The method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process, characterized in that the metal thick film is a silver thick film for metal wiring.
제1항에 있어서,
상기 AD 장치는 상이한 노즐의 오리피스 크기를 갖는 AD 장치를 구비하며, 상기 AD 장치는 에어로졸 챔버와 증착 챔버를 구비하며, 상기 에어로졸 챔버는 가스 유량을 제어할 수 있는 유량 제어기를 구비하며,
상기 에어로졸 증착(AD) 프로세스의 출발 파우더로써, 금속들 중에서 최고의 전기 전도성을 갖는 은 파우더(silver powder)를 사용하였으며,
상기 증착 챔버에 상기 은 파우더가 로딩되며, 헬륨 가스가 4∼10 L/min 가스 유량을 갖는 캐리어 가스로 사용되며, 상기 에어로졸 챔버는 가스 유량을 제어할 수 있는 상기 유량 제어기에 직접 접속되며,
상기 캐리어 가스가 상기 에어로졸 챔버에 공급되었을 때, 은 파우더는 상기 캐리어 가스를 이용한 혼합 및 휘젓기에 의해 에어로졸화 되며, 에어로졸화 된 은 파우더는 테프런 튜브를 통해 주입된 헬륨 가스에 의해 슬릿 노즐로 전송되고 상기 증착 챔버에 분사되는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
The AD device includes an AD device having different nozzle orifice sizes, the AD device includes an aerosol chamber and a deposition chamber, and the aerosol chamber includes a flow controller capable of controlling a gas flow rate,
As a starting powder for the aerosol deposition (AD) process, silver powder having the highest electrical conductivity among metals was used,
The silver powder is loaded in the deposition chamber, and helium gas is used as a carrier gas having a gas flow rate of 4-10 L/min, and the aerosol chamber is directly connected to the flow controller capable of controlling the gas flow rate,
When the carrier gas is supplied to the aerosol chamber, the silver powder is aerosolized by mixing and stirring using the carrier gas, and the aerosolized silver powder is transferred to the slit nozzle by the helium gas injected through the Teflon tube. And sprayed into the deposition chamber, a method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process.
제4항에 있어서,
상기 은 파우더는 1.1㎛의 평균 입자 직경을 갖는 은 파우더가 사용된, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 4,
The silver powder is a method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process, in which silver powder having an average particle diameter of 1.1 μm is used.
삭제delete 제1항에 있어서,
0.64mm2의 극도로 작은 오리피스 크기로부터의 은 필름의 전기 저항도는 1.0mm2의 오리피스 크기로부터의 것보다 높았으며,
10L/min의 캐리어 가스 및 1
Figure 112020076226863-pat00056
의 노즐 오리피스를 사용할 때, 입자 속도는 500 내지 650 m/s 이었으며, 4.0
Figure 112020076226863-pat00057
의 노즐의 오리피스를 사용하면 430m/s 이였으며, 이 조건은 상대적으로 더 많은 전도 채널을 형성할 수 있으며, 채널의 개수는 은 필름의 전기 저항도를 감소시킬 수 있으며, 상대적으로 작은 노즐의 오리피스 직경으로부터 조성된 밀한(dense) 은 필름이 전기 저항도의 감소하였을지라도,
0.64
Figure 112020076226863-pat00058
의 극도로 작은 오리피스를 사용한 은 필름은 상기 기판에 충돌되는 입자들의 높은 충격에 기인하여 표면 열화 및 에칭 효과를 가져올 수 있으므로, 결정의 전위(dislocation)를 야기하는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
The electrical resistivity of the silver film from the extremely small orifice size of 0.64mm 2 was higher than that from the orifice size of 1.0mm 2 ,
10 L/min of carrier gas and 1
Figure 112020076226863-pat00056
When using the nozzle orifice of, the particle velocity was 500 to 650 m/s, and 4.0
Figure 112020076226863-pat00057
When using the orifice of the nozzle of 430m/s, this condition can form relatively more conductive channels, the number of channels can reduce the electrical resistivity of the silver film, and the orifice of the relatively small nozzle Although the dense silver film formed from the diameter has a decrease in electrical resistivity,
0.64
Figure 112020076226863-pat00058
Silver film using an extremely small orifice of can lead to surface deterioration and etching effect due to the high impact of particles impinging on the substrate, and thus, improved using an aerosol deposition process, which causes dislocation of crystals. Method of forming silver film for electrical properties.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 노즐의 오리피스 크기는 1.0
Figure 112020076226863-pat00059
의 오리피스의 면적을 사용한 금속배선(metallization)을 위한 에어로졸-증착 은 필름을 형성하였으며, 상기 기판에 증착된 은 필름의 전기 저항도는
Figure 112020076226863-pat00060
Ω·㎝ 인 것으로 측정된, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
In the step (a), the orifice size of the nozzle is 1.0
Figure 112020076226863-pat00059
An aerosol-deposited silver film was formed for metallization using the orifice area of, and the electrical resistivity of the silver film deposited on the substrate was
Figure 112020076226863-pat00060
A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process, measured to be Ω·cm.
제1항에 있어서,
상기 기판에 증착된 은 필름(deposited silver films)의 전기 저항도(electrical resistivity)에 관한 가스 소모량의 효과를 검증하기 위해, 유량 제어기에 의해 측정될 수 있는, 가스 소모량은 4∼10 L/min으로 제어되었으며, 전기 저항도는 가스 소모량을 증가시킴에 따라 감소하였으며,
4L/min의 가스 소모량의 경우, 전기 저항도는
Figure 112020076226863-pat00061
Ω·㎝로 최고치를 나타냈는데,
7L/min의 가스 소모량 보다 많을 때 최종적으로 포화값
Figure 112020076226863-pat00062
Ω·㎝에 접근하는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
To verify the effect of gas consumption on the electrical resistivity of silver films deposited on the substrate, the gas consumption, which can be measured by a flow controller, is 4-10 L/min. Was controlled, and the electrical resistivity decreased with increasing gas consumption,
For gas consumption of 4 L/min, the electrical resistivity is
Figure 112020076226863-pat00061
It showed the highest value in Ω·cm,
When the gas consumption is more than 7L/min, the final saturation value
Figure 112020076226863-pat00062
A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process approaching Ω·cm.
제1항에 있어서,
(c) 표면 프로파일러를 사용하여 알루미나 기판 상에 증착된 은 필름의 두께와 노즐의 오리피스 면적에 따른 RMS 거칠기를 측정하는 단계; 및
(d) 증착된 은 필름의 X-선 회절(XRD; PANytical X'Pert Pro) 패턴이 분석되어 로(raw) 파우더와 증착된 은 필름의 결정성(crystalinity)을 확인하여 비교하는 단계를 더 포함하는 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
(c) measuring the RMS roughness according to the thickness of the silver film deposited on the alumina substrate and the orifice area of the nozzle using a surface profiler; And
(d) further comprising the step of analyzing the X-ray diffraction (XRD; PANytical X'Pert Pro) pattern of the deposited silver film to check and compare the crystalinity of the raw powder and the deposited silver film. A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process.
제1항에 있어서,
상기 AD 장치에서, 4.0, 2.25, 1.0 및 0.64
Figure 112020076226863-pat00063
노즐의 오리피스에서 상대적으로 노즐의 작은 오리피스 크기와 4~10 L/min 가스 유량에서 상대적으로 많은 가스 소모량은 전기 저항도의 감소에 연관되며, 이 파라미터들이 삼투 효과를 활성화시키고 은 입자들의 미세접촉(microcontacts between the silver particles)을 증가시키며, AD 프로세스 동안 메짐성 있는 은 입자들에 대한 소성 변형이 XRD에서의 피크 시프트의 크기를 관측되었으며, 은 입자들이 기판 상에 축적됨에 따라 표면 산란과 그레인 경계 산란 모두가 감소되어 상기 전기 저항도는 필름 두께에 따라 점차 감소되는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
In the AD device, 4.0, 2.25, 1.0 and 0.64
Figure 112020076226863-pat00063
The relatively small orifice size of the nozzle at the orifice of the nozzle and the relatively high gas consumption at the gas flow rate of 4-10 L/min are associated with a decrease in the electrical resistivity, these parameters activate the osmotic effect and the microcontact of the silver particles ( microcontacts between the silver particles), and plastic deformation of brittle silver particles during the AD process observed the magnitude of the peak shift in XRD, and surface scattering and grain boundary scattering as silver particles accumulate on the substrate. A method of forming a silver film for improved electrical properties using an aerosol deposition process, all of which are reduced so that the electrical resistivity gradually decreases with film thickness.
제1항에 있어서,
4, 8, 12 스캔 횟수가 증가함에 따라, 기판 상에 차후의 입자들의 충돌 에너지가 증착-된 은 필름에 더욱 더 전달될 수록, 그레인 경계(grain boundaries)에서의 흠결들(defects)이 점차적으로 감소되고, 다공성 은 필름(porous silver film)이 상대적으로 밀한 구조(dense structure)로 변환되며, 상대적으로 많은 클러스터의 형성 때문에 상대적으로 낮은 전기 저항도로 귀결되는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
As the number of 4, 8, 12 scans increases, the more the collision energy of subsequent particles on the substrate is transferred to the deposited silver film, the more defects at grain boundaries gradually become. Reduced, improved electrical properties using an aerosol deposition process, where the porous silver film is converted to a relatively dense structure, resulting in relatively low electrical resistivity due to the formation of relatively many clusters. Method of forming a silver film for.
제1항에 있어서,
상기 기판에 에어로졸 증착된 은 필름의 성장 프로세스(growth process of silver films)를 조사하기 위해, 2 내지 100 번째 스캔까지의 각 스캔 횟수(scan number)에 따른 막 두께(film thickness)가 먼저 매번 측정되었으며,
AD 프로세스가 16 번째 스캔까지 수행되었을 때, 은 필름의 표면 및 단면 SEM 이미지를 획득하여 검토한 결과, 은 필름 두께의 변화가 없었으며,
스캔 횟수에 대한 필름 두께의 변동(Δfilm thickness=Δscan number)는 0.027의 매우 낮은 값을 가졌으며, 이는 스캔 당 평균 증착 두께(average deposited thickness per scan)가 초기 AD 단계에서 0.027 ㎛였음을 의미하며,
반면, 매 스캔에 대한 증착률(deposition rate for every scan)은 12 번 이상의 스캔 뒤 현저히 증가되었으며, 이 경우, Δfilm thickness=Δscan number의 값은 0.123이었으며, 이는 초기 증착률의 값보다 4배가 넘었으며,
알루미나 기판의 표면이 12회의 스캔 후에 채워졌을 때, 이후의 은 입자들이 해머링 효과에 기초하여 증착된 은 필름 상에 연속하여 누적되었으며, 은 필름이 12회의 스캔 후 동일한 매커니즘으로써 증착되었기 때문에, 필름 두께가 선형 함수로 증가되었으며, 에어로졸-증착 은 후막이 금속배선을 위해 실온에서 가공되는, 에어로졸 증착 프로세스를 사용하여 개선된 전기적 특성을 위한 은 필름의 형성 방법.
The method of claim 1,
In order to investigate the growth process of silver films deposited on the aerosol on the substrate, the film thickness according to each scan number from the 2nd to the 100th scan was first measured each time. ,
When the AD process was performed up to the 16th scan, as a result of obtaining and examining the surface and cross-sectional SEM images of the silver film, there was no change in the thickness of the silver film.
The variation in film thickness with respect to the number of scans (Δfilm thickness=Δscan number) had a very low value of 0.027, which means that the average deposited thickness per scan was 0.027 μm in the initial AD stage,
On the other hand, the deposition rate for every scan was significantly increased after more than 12 scans.In this case, the value of Δfilm thickness=Δscan number was 0.123, which was more than 4 times the value of the initial deposition rate. ,
When the surface of the alumina substrate was filled after 12 scans, the subsequent silver particles were continuously accumulated on the deposited silver film based on the hammering effect, and since the silver film was deposited by the same mechanism after 12 scans, the film thickness Is increased as a linear function, and an aerosol-deposited silver thick film is processed at room temperature for metallization, using an aerosol deposition process to form a silver film for improved electrical properties.
KR1020190018789A 2019-02-18 2019-02-18 Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process KR102171884B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018789A KR102171884B1 (en) 2019-02-18 2019-02-18 Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018789A KR102171884B1 (en) 2019-02-18 2019-02-18 Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200100464A KR20200100464A (en) 2020-08-26
KR102171884B1 true KR102171884B1 (en) 2020-10-29

Family

ID=72293429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190018789A KR102171884B1 (en) 2019-02-18 2019-02-18 Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102171884B1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002523215A (en) * 1998-08-22 2002-07-30 イーテーヴェー ゲマ アクチェンゲゼルシャフト Powder spray coating equipment
JP2011153329A (en) * 2010-01-26 2011-08-11 Mitsubishi Materials Corp Method for forming electrode or wiring pattern

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101538312B1 (en) * 2013-04-09 2015-07-23 한국기계연구원 Method of manufacturing for solid electrolyte film having high ion conductivity using low temperature aerosol deposition process

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002523215A (en) * 1998-08-22 2002-07-30 イーテーヴェー ゲマ アクチェンゲゼルシャフト Powder spray coating equipment
JP2011153329A (en) * 2010-01-26 2011-08-11 Mitsubishi Materials Corp Method for forming electrode or wiring pattern

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200100464A (en) 2020-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Latthe et al. Self-cleaning and superhydrophobic CuO coating by jet-nebulizer spray pyrolysis technique
WO2007080997A1 (en) Silver conductive film and production method thereof
Lee et al. Effects of starting powder on the growth of Al2O3 films on Cu substrates using the aerosol deposition method
Noh et al. Microstructure, electrical properties, and electrochemical migration of a directly printed Ag pattern
Lee et al. Characteristics and mechanism of Cu films fabricated at room temperature by aerosol deposition
Cho et al. Fabrication of TiO2/Cu hybrid composite films with near zero TCR and high adhesive strength via aerosol deposition
Bajpai et al. Fabrication of Through-glass Vias (TGV) based 3D microstructures in glass substrate by a lithography-free process for MEMS applications
CN105895262B (en) Transparent conductive film and its manufacturing method
Cho et al. Formation of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process
Kim et al. High-density BaTiO3–Cu composite films with optimized BaTiO3 matrix for embedded capacitors
Kokai et al. Effect of laser fluence on the deposition and hardnessof boron carbide thin films
KR102171884B1 (en) Formation method of silver films for advanced electrical properties by using aerosol deposition process
JP5191663B2 (en) Manufacturing method of silver conductive film
Khudhayer et al. Hydrophobic metallic nanorods with Teflon nanopatches
Imanaka et al. Dielectric and insulating properties of embedded capacitor for flexible electronics prepared by aerosol-type nanoparticle deposition
KR102046419B1 (en) Adhesive method of Al2O3 and Cu composite film via aerosol deposition process for application of film resistor
Kim et al. The effects of ion beam treatment on the interfacial adhesion of Cu/polyimide system
CN106567039A (en) A MoS2/Ag/MoS2 semiconductor film material and a preparing method thereof
KR20160000825A (en) Deposition method, deposition apparatus and structure
Schubert et al. Effect of substrate hardness and surface roughness on the film formation of aerosol-deposited ceramic films
JP5659495B2 (en) Method for forming electrode or wiring pattern
Choi et al. Plasma resistant aluminum oxide coatings for semiconductor processing apparatus by atmospheric aerosol spray method
JP2010261069A (en) Spray deposit film and method for manufacturing the same
JP2007320797A (en) Composite structure and its manufacturing method
JP4917725B2 (en) Transparent conductive film, method for producing the same, and use thereof

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant