KR20150051810A - Method for measuring hardness of thin film - Google Patents

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KR20150051810A
KR20150051810A KR1020130133784A KR20130133784A KR20150051810A KR 20150051810 A KR20150051810 A KR 20150051810A KR 1020130133784 A KR1020130133784 A KR 1020130133784A KR 20130133784 A KR20130133784 A KR 20130133784A KR 20150051810 A KR20150051810 A KR 20150051810A
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thin film
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test
hardness
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이승미
우승완
임지혁
이경호
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삼성전기주식회사
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Abstract

Disclosed is a method for measuring the hardness of a thin film. The method for measuring hardness of the thin film comprises the steps of: providing a substrate in which the thin film is formed; forming a surface layer on the thin film; recognizing the surface layer by a test tip; applying the weight to the test tip so that the test tip penetrates the surface layer and is located inside the thin film; and calculating the hardness of the thin film by using identation depth of the test tip to the weight applied to the test tip, and the thin film.

Description

박막 경도 측정 방법{METHOD FOR MEASURING HARDNESS OF THIN FILM}[0001] METHOD FOR MEASURING HARDNESS OF THIN FILM [0002]

본 발명은 박막 경도 측정 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a thin film hardness measurement method.

박막의 재료 물성은 거대 구조물(Bulk Structure)을 구성할 때와는 다르다. 또한, 박막은 박막의 제조 방법 및 제조 환경 등에 따라서도 다른 물성을 가진다. 따라서 실제 제품에 사용되는 박막과 동일한 크기 및 제조 과정을 가진 박막에 대한 재료 시험이 필요하다. 박막은 보통 그 두께가 1㎛ 이하이므로 기존의 거대 구조물에 적용되는 재료 시험을 그대로 이용할 수 없고, 새로운 재료 시험법을 개발하여 적용할 필요가 있다. The material properties of thin films are different from those of bulk structures. The thin film also has different properties depending on the manufacturing method of the thin film, the manufacturing environment, and the like. Therefore, it is necessary to test materials for thin films having the same size and manufacturing process as actual thin films. Since the thickness of the thin film is usually 1 μm or less, it is necessary to develop and apply a new material test method that can not use the material test applied to existing large structures.

재료의 기계적 물성은 여러 방법에 의해 평가 될 수 있으며, 그 대표적인 기계적 물성은 경도이다. 경도를 측정하기 위하여 사용되는 시험법 중에는 압입 시험법(indentation)이 있다. 이 방법은 시편 준비과정이 용이하며, 측정방법이 다소 간단하다는 장점을 가진다.The mechanical properties of a material can be evaluated by various methods, and typical mechanical properties thereof are hardness. Among the test methods used to measure hardness is indentation. This method has an advantage that the sample preparation process is easy and the measurement method is somewhat simple.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0032420호(초미세 압입 시험장치, 2002.05.03 공개)에 개시되어 있다.
The background art of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2002-0032420 (ultrafine indentation testing device, published May 30, 2002).

본 발명의 목적은 박막 상에 표면층을 형성한 후에 압입시험을 시행하는 박막 경도 측정 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a thin film hardness measurement method in which an indentation test is performed after forming a surface layer on a thin film.

본 발명의 일 측면에 따르면, 박막이 형성된 기판을 제공하는 단계; 상기 박막 상에 표면층을 형성하는 단계; 시험팁이 상기 표면층을 인식하는 단계; 상기 시험팁이 상기 표면층을 관통하여 상기 박막 내부에 위치하도록 상기 시험팁에 하중을 인가하는 단계; 및 상기 시험팁에 인가되는 상기 하중과 상기 박막에 대한 상기 시험팁의 압입깊이를 이용하여 상기 박막의 경도를 산출하는 단계를 포함하는 박막 경도 측정 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: providing a substrate on which a thin film is formed; Forming a surface layer on the thin film; The test tip recognizing the surface layer; Applying a load to the test tip such that the test tip passes through the surface layer and is located within the thin film; And calculating the hardness of the thin film by using the load applied to the test tip and the indentation depth of the test tip with respect to the thin film.

상기 표면층의 두께는 상기 박막의 두께보다 작을 수 있다. The thickness of the surface layer may be smaller than the thickness of the thin film.

상기 표면층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 표면층을 코팅 또는 증착할 수 있다.The step of forming the surface layer may coat or deposit the surface layer on the substrate.

상기 표면층을 형성하는 단계는, 상기 박막 상에 상기 표면층이 균일한 두께를 가지도록 형성될 수 있다.The step of forming the surface layer may be such that the surface layer has a uniform thickness on the thin film.

상기 시험팁에 하중을 인가하는 단계는, 상기 시험팁의 최단부가 상기 박막 내부에 위치하는 시점까지, 상기 시험팁에 하중을 인가할 수 있다.The step of applying a load to the test tip may apply a load to the test tip until a point where the shortest end of the test tip is located inside the thin film.

상기 시험팁에 하중을 인가하는 단계는, 상기 시험팁에 인가되는 하중을 점점 증가시킬 수 있다.The step of applying a load to the test tip may gradually increase the load applied to the test tip.

상기 시험팁이 상기 표면층을 인식하는 단계는, 상기 시험팁이 상기 표면층을 가압함에 따라 발생하는 상기 표면층의 반력이 0을 초과하는지 여부로 판단할 수 있다.The step of recognizing the surface layer by the test tip may determine whether or not the reaction force of the surface layer generated as the test tip presses the surface layer exceeds 0.

상기 표면층은 고경도 물질로 형성될 수 있다.
The surface layer may be formed of a high hardness material.

본 발명의 실시예에 따르면, 박막층에 표면층이 형성되므로 압입시험에 의하여 기판이 훼손되는 것이 방지될 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, since the surface layer is formed on the thin film layer, the substrate can be prevented from being damaged by the indentation test.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 경도 측정 방법을 나타낸 순서도.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 경도 측정 방법을 나타내는 공정도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flowchart showing a method of measuring a thin film hardness according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIGS. 2 to 6 are process charts showing a method of measuring a thin film hardness according to an embodiment of the present invention. FIG.

본 발명에 따른 박막 경도 측정 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring now to the drawings, wherein like reference numerals designate identical or corresponding parts throughout the several views, Is omitted.

또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.It is also to be understood that the terms first, second, etc. used hereinafter are merely reference numerals for distinguishing between identical or corresponding components, and the same or corresponding components are defined by terms such as first, second, no.

또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.In addition, the term " coupled " is used not only in the case of direct physical contact between the respective constituent elements in the contact relation between the constituent elements, but also means that other constituent elements are interposed between the constituent elements, Use them as a concept to cover each contact.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 경도 측정 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 경도 측정 방법을 나타내는 공정도이다.FIG. 1 is a flowchart showing a method of measuring a thin film hardness according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 6 are process diagrams showing a thin film hardness measuring method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 박막(111)이 형성된 기판(110)을 제공하는 단계(S110), 박막(111) 상에 표면층(120)을 형성하는 단계(S120), 시험팁(130)이 표면층(120)을 인식하는 단계(S130), 시험팁(130)에 하중을 인가하는 단계(S140) 및 하중과 압입깊이를 이용하여 박막(111)의 경도를 산출하는 단계(S150)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막(111) 경도 측정 방법은 압입시험법에 의한 측정 방법일 수 있다.Referring to FIG. 1, a step S110 of providing a substrate 110 on which a thin film 111 is formed, a step S120 of forming a surface layer 120 on the thin film 111, (S140) of applying a load to the test tip 130 (S140), and calculating a hardness of the thin film 111 using the load and the indentation depth (S150) . The method of measuring the hardness of the thin film 111 according to an embodiment of the present invention may be a measurement method by an indentation test method.

도 2를 참조하면, 박막(111)이 형성된 기판(110)을 제공하는 단계(S110)는, 경도 측정의 대상이 되는 박막(111)이 형성된 기판(110)을 준비하는 단계이다. 박막(111)은 1㎛ 이하의 두께를 가지는 필름이다.Referring to FIG. 2, a step of providing a substrate 110 on which a thin film 111 is formed (S110) is a step of preparing a substrate 110 on which a thin film 111 to be subjected to hardness measurement is formed. The thin film 111 is a film having a thickness of 1 탆 or less.

도 3을 참조하면, 박막(111) 상에 표면층(120)을 형성하는 단계(S120)는, 박막(111)의 표면을 따라 표면층(120)을 형성하는 단계이다. 표면층(120)은 코팅 또는 증착의 방법으로 형성될 수 있다. 3, forming the surface layer 120 on the thin film 111 (S120) is a step of forming the surface layer 120 along the surface of the thin film 111. Referring to FIG. The surface layer 120 may be formed by a method of coating or deposition.

표면층(120)은 PT(platinum) 코터, 카본(carbon) 코터, 금 또는 폴리머를 이용하여 소정의 두께만큼 형성될 수 있다.The surface layer 120 may be formed to a predetermined thickness using a PT (platinum) coater, a carbon coater, gold, or a polymer.

표면층(120)의 두께는 박막(111)의 두께보다 더 작게 형성될 수 있다. 표면층(120)의 두께가 얇으면 경도 측정에 있어 표면층(120)의 영향을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 박막(111)의 두께는 1㎛인 반면, 표면층(120)의 두께는 10nm일 수 있다.The thickness of the surface layer 120 may be smaller than the thickness of the thin film 111. [ If the thickness of the surface layer 120 is thin, the influence of the surface layer 120 on the hardness measurement can be minimized. For example, the thickness of the thin film 111 may be 1 占 퐉 while the thickness of the surface layer 120 may be 10 nm.

표면층(120)은 박막(111) 상에서 균일한 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 박막(111)은 기판(110) 상에서 불균일한 두께를 가지도록 형성될 수 있으나, 표면층(120)은 균일한 두께로 형성될 수 있다. 표면층(120)이 균일한 두께를 가지는 경우, 박막(111)이 불균일한 두께를 가지도록 형성되더라도 기판(110)의 훼손이 방지될 수 있다.The surface layer 120 may be formed to have a uniform thickness on the thin film 111. [ The thin film 111 may be formed to have an uneven thickness on the substrate 110, but the surface layer 120 may be formed to have a uniform thickness. In the case where the surface layer 120 has a uniform thickness, even if the thin film 111 is formed to have a non-uniform thickness, the substrate 110 can be prevented from being damaged.

도 4를 참조하면, 시험팁(130)이 표면층(120)을 인식하는 단계(S130)는 다이아몬드 탐침 등의 시험팁(130)(tip)이 표면층(120)을 인식하는 단계이다. 이 경우, 시험팁(130)은 압입시험법에서 사용되는 것일 수 있다.Referring to FIG. 4, the step 130 of recognizing the surface layer 120 by the test tip 130 is a step of recognizing the surface layer 120 by a test tip 130 (tip) such as a diamond probe. In this case, the test tip 130 may be one used in the indentation test method.

시험팁(130)이 박막(111)보다 표면층(120)을 먼저 인식하게 되므로 시험팁(130)이 박막(111)의 표면을 인식하지 못할 정도로 박막(111)의 경도가 약한 경우에도 경도 시험을 행할 수 있다. 즉, 박막(111)의 표면인식에 대한 불확실성이 현저히 감소될 수 있다.The hardness test is performed even when the hardness of the thin film 111 is weak enough that the test tip 130 does not recognize the surface of the thin film 111 because the test tip 130 recognizes the surface layer 120 first than the thin film 111 . That is, the uncertainty with respect to the surface recognition of the thin film 111 can be remarkably reduced.

표면층(120)을 인식하는지 여부는, 시험팁(130)은 표면층(120)을 가압함에 따라 발생하는 표면층(120)의 반력이 0을 초과하는지 여부로 판단될 수 있다. 예를 들어, 시험팁(130)이 표면층(120)을 가압함에 따라 표면층(120)이 시험팁(130)에 대해 가지는 반력이 0.1~0.3 mN인 경우에는 시험팁(130)이 표면층(120)을 인식한 것으로 판단한다.Whether or not the surface layer 120 is recognized can be judged as to whether or not the reaction force of the surface layer 120 generated as the test tip 130 presses the surface layer 120 exceeds zero. For example, if the reaction force of the surface layer 120 with respect to the test tip 130 is 0.1 to 0.3 mN as the test tip 130 presses the surface layer 120, the test tip 130 may contact the surface layer 120, As shown in FIG.

한편, 표면층(120)은 고경도 물질로 형성될 수 있다. 표면층(120)이 고경도 물질로 형성되는 경우 시험팁(130)이 표면층(120)을 인식할 가능성이 높아진다. 예를 들어, 표면층(120)의 경도는 50MPa 이상일 수 있다. 50MPa 이상의 경도를 가지는 표면층(120)이 박막(111) 상에 형성되는 경우 시험팁(130)이 표면층(120)을 인식하지 못할 가능성이 현저히 감소된다.On the other hand, the surface layer 120 may be formed of a high hardness material. When the surface layer 120 is formed of a high hardness material, the possibility that the test tip 130 recognizes the surface layer 120 is increased. For example, the hardness of the surface layer 120 may be 50 MPa or more. The possibility that the test tip 130 does not recognize the surface layer 120 when the surface layer 120 having a hardness of 50 MPa or more is formed on the thin film 111 is remarkably reduced.

도 5 및 도 6을 참조하면, 시험팁(130)에 하중을 인가하는 단계(S140)는 시험팁(130)이 표면층(120)을 관통하여 박막(111) 내부에 위치하도록 시험팁(130)에 하중을 인가하는 단계이다. 이 경우, 시험팁(130)은 표면층(120)을 인식하는 시점부터 하중이 인가되기 시작하며, 인가되는 하중은 점점 증가될 수 있다.5 and 6, the step of applying a load to the test tip 130 (S140) may include applying a load to the test tip 130 such that the test tip 130 passes through the surface layer 120 and is located inside the thin film 111. [ The load is applied. In this case, the test tip 130 begins to be loaded from the point of time when the surface layer 120 is recognized, and the applied load can be gradually increased.

박막(111)의 경도가 매우 작은 경우에는 하중이 충분히 커질 수 없고 하중이 충분히 크지 않은 경우에는 데이터 상에 노이즈가 많게 된다. 그러나, 표면층(120)이 박막(111)상에 형성되면 표면층(120)이 없는 경우보다 하중이 커질 수 있으므로 시험 결과의 오차율이 작아질 수 있다.If the hardness of the thin film 111 is very small, the load can not be sufficiently large, and if the load is not large enough, there is a large amount of noise on the data. However, when the surface layer 120 is formed on the thin film 111, the load may be larger than in the case where the surface layer 120 is not provided, so that the error rate of the test result may be reduced.

시험팁(130)에 하중이 인가될수록 시험팁(130)은 표면층(120) 및 박막(111)의 내부로 압입될 수 있다. 이 경우, 시험팁(130)의 최단부가 박막(111) 내부에 위치하게되는 시점까지 시험팁(130)에 하중이 인가될 수 있다.As the load is applied to the test tip 130, the test tip 130 can be pressed into the surface layer 120 and the thin film 111. In this case, a load may be applied to the test tip 130 until the shortest end of the test tip 130 is positioned inside the thin film 111.

시험팁(130)의 최단부는 기설정된 박막(111)의 깊이까지 박막(111) 내부로 압입될 수 있다. 기설정된 박막(111)의 깊이는 박막(111)의 전체 두께보다 얇은 깊이이며, 이는 기판(110)의 손상을 방지하기 위함이다. 예를 들어, 시험팁(130)의 최단부가 박막(111) 두께의 10%의 깊이에 위치할 수 있다.The shortest end of the test tip 130 can be pressed into the thin film 111 to a depth of the predetermined thin film 111. [ The predetermined thickness of the thin film 111 is less than the total thickness of the thin film 111, so as to prevent the substrate 110 from being damaged. For example, the shortest end of the test tip 130 may be located at a depth of 10% of the thickness of the thin film 111.

하중과 압입깊이를 이용하여 박막(111)의 경도를 산출하는 단계(S150)는 시험팁(130)에 인가되는 하중과 시험팁(130)의 압입깊이를 이용하여 박막(111)의 경도를 산출하는 단계이다. 시험팁(130)에 인가되는 하중이 점점 증가할수록 시험팁(130)의 압입깊이가 점점 깊어진다. The hardness of the thin film 111 may be calculated using the load applied to the test tip 130 and the depth of the indentation of the test tip 130 in step S150 of calculating the hardness of the thin film 111 using the load and the indentation depth . As the load applied to the test tip 130 gradually increases, the indentation depth of the test tip 130 gradually becomes deeper.

실시간으로 가해주는 하중과 박막(111)에 대한 시험팁(130)의 입입깊이의 상관관계를 도출하여 박막(111)의 경도를 산출할 수 있다. 압입깊이는 시험팁(130)에 의하여 박막(111)에 생긴 압흔을 통하여 측정될 수 있다. 표면층(120)의 두께가 충분히 얇은 경우, 표면층(120)의 경도는 박막(111) 경도 측정에 영향을 미치지 않을 수 있다.The hardness of the thin film 111 can be calculated by deriving the correlation between the load applied in real time and the depth of entry of the test tip 130 to the thin film 111. [ The indentation depth can be measured through an indentation on the thin film 111 by the test tip 130. When the thickness of the surface layer 120 is sufficiently thin, the hardness of the surface layer 120 may not affect the measurement of the hardness of the thin film 111. [

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 경도 측정 방법에 의하여, 박막에 표면층을 형성하여 경도 측정 시험을 하는 경우, 시험팁은 박막보다 표면층을 먼저 인식하게 되므로, 경도가 매우 작은 박막이나 미경화된 박막의 경우에도 압입 시험을 용이하게 시행할 수 있고, 박막 하부의 기판에 가해지는 손상이 최소화될 수 있다.As described above, according to the thin film hardness measuring method according to an embodiment of the present invention, when a hardness measurement test is performed by forming a surface layer on a thin film, since the test tip recognizes the surface layer before the thin film, It is possible to easily perform the indentation test even in the case of the non-cured thin film, and the damage to the substrate under the thin film can be minimized.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention as set forth in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

110: 기판
111: 박막
120: 표면층
130: 시험팁110: substrate
111: Thin film
120: Surface layer
130: Test Tips

Claims (8)

박막이 형성된 기판을 제공하는 단계;
상기 박막 상에 표면층을 형성하는 단계;
시험팁이 상기 표면층을 인식하는 단계;
상기 시험팁이 상기 표면층을 관통하여 상기 박막 내부에 위치하도록 상기 시험팁에 하중을 인가하는 단계; 및
상기 시험팁에 인가되는 상기 하중과 상기 박막에 대한 상기 시험팁의 압입깊이를 이용하여 상기 박막의 경도를 산출하는 단계를 포함하는 박막 경도 측정 방법.
Providing a thin film formed substrate;
Forming a surface layer on the thin film;
The test tip recognizing the surface layer;
Applying a load to the test tip such that the test tip passes through the surface layer and is located within the thin film; And
And calculating the hardness of the thin film by using the load applied to the test tip and the depth of the test tip with respect to the thin film.
제1항에 있어서,
상기 표면층의 두께는 상기 박막의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the surface layer is smaller than the thickness of the thin film.
제1항에 있어서,
상기 표면층을 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 상기 표면층을 코팅 또는 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the surface layer may include:
Wherein the surface layer is coated or vapor-deposited on the substrate.
제1항에 있어서,
상기 표면층을 형성하는 단계는,
상기 박막 상에 상기 표면층이 균일한 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the surface layer may include:
Wherein the surface layer is formed to have a uniform thickness on the thin film.
제1항에 있어서,
상기 시험팁에 하중을 인가하는 단계는,
상기 시험팁의 최단부가 상기 박막 내부에 위치하는 시점까지, 상기 시험팁에 하중을 인가하는 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.
The method according to claim 1,
The step of applying a load to the test tip comprises:
Wherein a load is applied to the test tip until a time point at which the shortest end of the test tip is located inside the thin film.
제1항에 있어서,
상기 시험팁에 하중을 인가하는 단계는,
상기 시험팁에 인가되는 하중을 점점 증가시키는 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.
The method according to claim 1,
The step of applying a load to the test tip comprises:
Wherein a load applied to the test tip is gradually increased.
제1항에 있어서,
상기 시험팁이 상기 표면층을 인식하는 단계는,
상기 시험팁이 상기 표면층을 가압함에 따라 발생하는 상기 표면층의 반력이 0을 초과하는지 여부로 판단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of recognizing the surface layer comprises:
And determining whether the reaction force of the surface layer generated as the test tip presses the surface layer exceeds 0 or not.
제1항에 있어서,
상기 표면층은 고경도 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 경도 측정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the surface layer is formed of a high hardness material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190043338A (en) * 2017-10-18 2019-04-26 서울대학교산학협력단 Method for Measuring the Hardness using The Continuous Indentation Method

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