keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 ·...

95
KETI-RD-2006075 KETI-RD-2006075 KETI-RD-2006075 KETI-RD-2006075 프로브카드용 수직형 탐침 프로브카드용 수직형 탐침 프로브카드용 수직형 탐침 프로브카드용 수직형 탐침 MEMS MEMS MEMS MEMS 도금구조물 제조기술 지원 도금구조물 제조기술 지원 도금구조물 제조기술 지원 도금구조물 제조기술 지원 2006. 9. 30. 2006. 9. 30. 2006. 9. 30. 2006. 9. 30. 지원기관 전자부품연구원 지원기관 전자부품연구원 지원기관 전자부품연구원 지원기관 전자부품연구원 : 지원기업 코셈 지원기업 코셈 지원기업 코셈 지원기업 코셈 :( ) :( ) :( ) :( ) 산업자원부 산업자원부 산업자원부 산업자원부

Upload: others

Post on 17-Jun-2020

14 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

KETI-RD-2006075KETI-RD-2006075KETI-RD-2006075KETI-RD-2006075

프로브카드용 수직형 탐침프로브카드용 수직형 탐침프로브카드용 수직형 탐침프로브카드용 수직형 탐침MEMSMEMSMEMSMEMS

도금구조물 제조기술 지원도금구조물 제조기술 지원도금구조물 제조기술 지원도금구조물 제조기술 지원

2006 9 302006 9 302006 9 302006 9 30

지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원

지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈 ( ) ( ) ( ) ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

관리번호관리번호관리번호관리번호

종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술 지원MEMS

지원책임자소속 전자부품연구원

성명 조진우지원기간

부터2005 10 01

까지2006 09 30

사업비 규모

총 백만원170

지원기관의

참여연구원

조진우 선임연구원

이철승 선임연구원

김성현 전임연구원

정 부 출 연 금 백만원 85

기업부담금현금 백만원 51

현물 백만원 34

부품 소재종합기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 종합기술지원사업18ㆍ

수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다

첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부 5 5 5 5

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2006 9 302006 9 302006 9 302006 9 30

지 원 책 임 자지 원 책 임 자지 원 책 임 자지 원 책 임 자 조 진 우조 진 우조 진 우조 진 우

전자부품연구원장전자부품연구원장전자부품연구원장전자부품연구원장 김 춘 호김 춘 호김 춘 호김 춘 호

주 코셈 대표주 코셈 대표주 코셈 대표주 코셈 대표( )( )( )( ) 노 창 현노 창 현노 창 현노 창 현

부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하ㆍㆍㆍㆍ

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술 지원 지원기ldquoMEMS rdquo(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다 2005 10~2006 09)

2006 09 302006 09 302006 09 302006 09 30

지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원

대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호( )( )( )( )

지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈 ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 노 창 현대표자 노 창 현대표자 노 창 현대표자 노 창 현( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원

김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원

주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문 ( ) ( ) ( ) ( )

주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장 ( ) ( ) ( ) ( )

주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장 ( ) ( ) ( ) ( )

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심 기술들을 지원한다면 조속한 시일 내

에 신제품 출시는 물론 기반기술 확보에 따른 기업 경쟁력을 크게 증가시킬 수

있을 것으로 기대한다

고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

주요목표 세부목표 상세예상목표

정밀 패터닝 기술 지원1

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

포토레지스트 사진식각공정기-

술 지원

전도성 박막 증착기술 지원-

- Phirana solution clearing

작성recipe

패턴정밀도 이내- plusmn2

박막 증착속도 제어- CrAu

(500 1500 )Å Å

정밀 전주도금 기술 지원2

정밀 도금기술- Ni Ni alloy

지원

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금 용액 안정화 기술 지원-

도금 정밀도 이내- plusmn3

탐침 구조물 표면 경도- 400Hv

이상

인장 강도 이상- 1000N

도금 용액관리 안정화 시방서-

도금구조물 평탄화 기술3

지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

웨이퍼- CMP

이하TIV plusmn1

이하roughness 300Å

도금구조물- CMP

이하TTV plusmn15

이하roughness 700Å

- 5 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

고강도 도금용액 제

조기술도금용액 제조기술 없음

니켈도금용액 제조기술 지원-

합금도금용액 제조기술 지원-

정밀 패터닝 기술 및

도금기술 지원

정밀 패터닝 기술 및 니켈

전주도금기술 미확보

패터닝 공정기술확보- Thick PR

고정밀 니켈 전주도금기술 확보-

니켈 전주도금용액 항상성 유지-

를 위한 관리기술 확보

해외 선진제품 분석 해외선진제품 미 확보

해외선진업체를 대상으로 샘플의

뢰를 통하여 성분분석 표면경도

표면 거칠기 인장강도 패턴검사

분석 등 데이터 확보SEM

탐침 도금구조물 물

성평가

자체제품 미보유로 인한 물

성평가 데이터 미확보

성분분석 도금용액분석 분 EDX

석 인장강도 표면 경도 XRD

분석 등 제품 특성 평가 후SEM

개발 제시spec

특허출원 관련기술 특허 㒇원천 특허에 대응이 가능한 새로

운 개념의 출허 출원

- 6 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 고강도 탐침 구조물o Probe Card

모 델 명o

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질고강도 탐침구조물

일(JEM( ))0 이상90

경쟁제품 대비 가격

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년 ( )

인건비 절감 백만원 년 ( )

계 백만원 년 ( )

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년300 백만원 년6000 2000 년부터 양- lsquo07rsquo

산 체제 시작

년 간 예상매출-

액 억원 이상 60

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년 백만원 년

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 2: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 2 -

관리번호관리번호관리번호관리번호

종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술 지원MEMS

지원책임자소속 전자부품연구원

성명 조진우지원기간

부터2005 10 01

까지2006 09 30

사업비 규모

총 백만원170

지원기관의

참여연구원

조진우 선임연구원

이철승 선임연구원

김성현 전임연구원

정 부 출 연 금 백만원 85

기업부담금현금 백만원 51

현물 백만원 34

부품 소재종합기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 종합기술지원사업18ㆍ

수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다

첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부 5 5 5 5

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2006 9 302006 9 302006 9 302006 9 30

지 원 책 임 자지 원 책 임 자지 원 책 임 자지 원 책 임 자 조 진 우조 진 우조 진 우조 진 우

전자부품연구원장전자부품연구원장전자부품연구원장전자부품연구원장 김 춘 호김 춘 호김 춘 호김 춘 호

주 코셈 대표주 코셈 대표주 코셈 대표주 코셈 대표( )( )( )( ) 노 창 현노 창 현노 창 현노 창 현

부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하ㆍㆍㆍㆍ

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술 지원 지원기ldquoMEMS rdquo(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다 2005 10~2006 09)

2006 09 302006 09 302006 09 302006 09 30

지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원

대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호( )( )( )( )

지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈 ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 노 창 현대표자 노 창 현대표자 노 창 현대표자 노 창 현( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원

김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원

주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문 ( ) ( ) ( ) ( )

주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장 ( ) ( ) ( ) ( )

주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장 ( ) ( ) ( ) ( )

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심 기술들을 지원한다면 조속한 시일 내

에 신제품 출시는 물론 기반기술 확보에 따른 기업 경쟁력을 크게 증가시킬 수

있을 것으로 기대한다

고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

주요목표 세부목표 상세예상목표

정밀 패터닝 기술 지원1

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

포토레지스트 사진식각공정기-

술 지원

전도성 박막 증착기술 지원-

- Phirana solution clearing

작성recipe

패턴정밀도 이내- plusmn2

박막 증착속도 제어- CrAu

(500 1500 )Å Å

정밀 전주도금 기술 지원2

정밀 도금기술- Ni Ni alloy

지원

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금 용액 안정화 기술 지원-

도금 정밀도 이내- plusmn3

탐침 구조물 표면 경도- 400Hv

이상

인장 강도 이상- 1000N

도금 용액관리 안정화 시방서-

도금구조물 평탄화 기술3

지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

웨이퍼- CMP

이하TIV plusmn1

이하roughness 300Å

도금구조물- CMP

이하TTV plusmn15

이하roughness 700Å

- 5 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

고강도 도금용액 제

조기술도금용액 제조기술 없음

니켈도금용액 제조기술 지원-

합금도금용액 제조기술 지원-

정밀 패터닝 기술 및

도금기술 지원

정밀 패터닝 기술 및 니켈

전주도금기술 미확보

패터닝 공정기술확보- Thick PR

고정밀 니켈 전주도금기술 확보-

니켈 전주도금용액 항상성 유지-

를 위한 관리기술 확보

해외 선진제품 분석 해외선진제품 미 확보

해외선진업체를 대상으로 샘플의

뢰를 통하여 성분분석 표면경도

표면 거칠기 인장강도 패턴검사

분석 등 데이터 확보SEM

탐침 도금구조물 물

성평가

자체제품 미보유로 인한 물

성평가 데이터 미확보

성분분석 도금용액분석 분 EDX

석 인장강도 표면 경도 XRD

분석 등 제품 특성 평가 후SEM

개발 제시spec

특허출원 관련기술 특허 㒇원천 특허에 대응이 가능한 새로

운 개념의 출허 출원

- 6 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 고강도 탐침 구조물o Probe Card

모 델 명o

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질고강도 탐침구조물

일(JEM( ))0 이상90

경쟁제품 대비 가격

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년 ( )

인건비 절감 백만원 년 ( )

계 백만원 년 ( )

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년300 백만원 년6000 2000 년부터 양- lsquo07rsquo

산 체제 시작

년 간 예상매출-

액 억원 이상 60

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년 백만원 년

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 3: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술 지원 지원기ldquoMEMS rdquo(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다 2005 10~2006 09)

2006 09 302006 09 302006 09 302006 09 30

지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원

대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호( )( )( )( )

지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈지원기업 주 코셈 ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 노 창 현대표자 노 창 현대표자 노 창 현대표자 노 창 현( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원조 진 우 선임연구원

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

PrimePrimePrimePrime

이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원이 철 승 선임연구원

김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원김 성 현 전임연구원

주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문주 코셈 김수학 고문 ( ) ( ) ( ) ( )

주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장주 코셈 이철호 팀장 ( ) ( ) ( ) ( )

주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장주 코셈 김진호 팀장 ( ) ( ) ( ) ( )

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심 기술들을 지원한다면 조속한 시일 내

에 신제품 출시는 물론 기반기술 확보에 따른 기업 경쟁력을 크게 증가시킬 수

있을 것으로 기대한다

고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

주요목표 세부목표 상세예상목표

정밀 패터닝 기술 지원1

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

포토레지스트 사진식각공정기-

술 지원

전도성 박막 증착기술 지원-

- Phirana solution clearing

작성recipe

패턴정밀도 이내- plusmn2

박막 증착속도 제어- CrAu

(500 1500 )Å Å

정밀 전주도금 기술 지원2

정밀 도금기술- Ni Ni alloy

지원

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금 용액 안정화 기술 지원-

도금 정밀도 이내- plusmn3

탐침 구조물 표면 경도- 400Hv

이상

인장 강도 이상- 1000N

도금 용액관리 안정화 시방서-

도금구조물 평탄화 기술3

지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

웨이퍼- CMP

이하TIV plusmn1

이하roughness 300Å

도금구조물- CMP

이하TTV plusmn15

이하roughness 700Å

- 5 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

고강도 도금용액 제

조기술도금용액 제조기술 없음

니켈도금용액 제조기술 지원-

합금도금용액 제조기술 지원-

정밀 패터닝 기술 및

도금기술 지원

정밀 패터닝 기술 및 니켈

전주도금기술 미확보

패터닝 공정기술확보- Thick PR

고정밀 니켈 전주도금기술 확보-

니켈 전주도금용액 항상성 유지-

를 위한 관리기술 확보

해외 선진제품 분석 해외선진제품 미 확보

해외선진업체를 대상으로 샘플의

뢰를 통하여 성분분석 표면경도

표면 거칠기 인장강도 패턴검사

분석 등 데이터 확보SEM

탐침 도금구조물 물

성평가

자체제품 미보유로 인한 물

성평가 데이터 미확보

성분분석 도금용액분석 분 EDX

석 인장강도 표면 경도 XRD

분석 등 제품 특성 평가 후SEM

개발 제시spec

특허출원 관련기술 특허 㒇원천 특허에 대응이 가능한 새로

운 개념의 출허 출원

- 6 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 고강도 탐침 구조물o Probe Card

모 델 명o

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질고강도 탐침구조물

일(JEM( ))0 이상90

경쟁제품 대비 가격

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년 ( )

인건비 절감 백만원 년 ( )

계 백만원 년 ( )

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년300 백만원 년6000 2000 년부터 양- lsquo07rsquo

산 체제 시작

년 간 예상매출-

액 억원 이상 60

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년 백만원 년

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 4: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심 기술들을 지원한다면 조속한 시일 내

에 신제품 출시는 물론 기반기술 확보에 따른 기업 경쟁력을 크게 증가시킬 수

있을 것으로 기대한다

고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물고강도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

주요목표 세부목표 상세예상목표

정밀 패터닝 기술 지원1

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

포토레지스트 사진식각공정기-

술 지원

전도성 박막 증착기술 지원-

- Phirana solution clearing

작성recipe

패턴정밀도 이내- plusmn2

박막 증착속도 제어- CrAu

(500 1500 )Å Å

정밀 전주도금 기술 지원2

정밀 도금기술- Ni Ni alloy

지원

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금 용액 안정화 기술 지원-

도금 정밀도 이내- plusmn3

탐침 구조물 표면 경도- 400Hv

이상

인장 강도 이상- 1000N

도금 용액관리 안정화 시방서-

도금구조물 평탄화 기술3

지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

웨이퍼- CMP

이하TIV plusmn1

이하roughness 300Å

도금구조물- CMP

이하TTV plusmn15

이하roughness 700Å

- 5 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

고강도 도금용액 제

조기술도금용액 제조기술 없음

니켈도금용액 제조기술 지원-

합금도금용액 제조기술 지원-

정밀 패터닝 기술 및

도금기술 지원

정밀 패터닝 기술 및 니켈

전주도금기술 미확보

패터닝 공정기술확보- Thick PR

고정밀 니켈 전주도금기술 확보-

니켈 전주도금용액 항상성 유지-

를 위한 관리기술 확보

해외 선진제품 분석 해외선진제품 미 확보

해외선진업체를 대상으로 샘플의

뢰를 통하여 성분분석 표면경도

표면 거칠기 인장강도 패턴검사

분석 등 데이터 확보SEM

탐침 도금구조물 물

성평가

자체제품 미보유로 인한 물

성평가 데이터 미확보

성분분석 도금용액분석 분 EDX

석 인장강도 표면 경도 XRD

분석 등 제품 특성 평가 후SEM

개발 제시spec

특허출원 관련기술 특허 㒇원천 특허에 대응이 가능한 새로

운 개념의 출허 출원

- 6 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 고강도 탐침 구조물o Probe Card

모 델 명o

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질고강도 탐침구조물

일(JEM( ))0 이상90

경쟁제품 대비 가격

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년 ( )

인건비 절감 백만원 년 ( )

계 백만원 년 ( )

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년300 백만원 년6000 2000 년부터 양- lsquo07rsquo

산 체제 시작

년 간 예상매출-

액 억원 이상 60

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년 백만원 년

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 5: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 5 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

고강도 도금용액 제

조기술도금용액 제조기술 없음

니켈도금용액 제조기술 지원-

합금도금용액 제조기술 지원-

정밀 패터닝 기술 및

도금기술 지원

정밀 패터닝 기술 및 니켈

전주도금기술 미확보

패터닝 공정기술확보- Thick PR

고정밀 니켈 전주도금기술 확보-

니켈 전주도금용액 항상성 유지-

를 위한 관리기술 확보

해외 선진제품 분석 해외선진제품 미 확보

해외선진업체를 대상으로 샘플의

뢰를 통하여 성분분석 표면경도

표면 거칠기 인장강도 패턴검사

분석 등 데이터 확보SEM

탐침 도금구조물 물

성평가

자체제품 미보유로 인한 물

성평가 데이터 미확보

성분분석 도금용액분석 분 EDX

석 인장강도 표면 경도 XRD

분석 등 제품 특성 평가 후SEM

개발 제시spec

특허출원 관련기술 특허 㒇원천 특허에 대응이 가능한 새로

운 개념의 출허 출원

- 6 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 고강도 탐침 구조물o Probe Card

모 델 명o

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질고강도 탐침구조물

일(JEM( ))0 이상90

경쟁제품 대비 가격

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년 ( )

인건비 절감 백만원 년 ( )

계 백만원 년 ( )

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년300 백만원 년6000 2000 년부터 양- lsquo07rsquo

산 체제 시작

년 간 예상매출-

액 억원 이상 60

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년 백만원 년

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 6: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 6 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 용 고강도 탐침 구조물o Probe Card

모 델 명o

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질고강도 탐침구조물

일(JEM( ))0 이상90

경쟁제품 대비 가격

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년 ( )

인건비 절감 백만원 년 ( )

계 백만원 년 ( )

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년300 백만원 년6000 2000 년부터 양- lsquo07rsquo

산 체제 시작

년 간 예상매출-

액 억원 이상 60

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년 백만원 년

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 7: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 7 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

고강도 탐침구조물 천달러 년3 천달러 년2 천달러 년1 주 코셈이 본격적으( )

로 제품을 양산할

년부터는 억lsquo07rsquo 100

년 정도의 수입대체

효과 기대계 천달러 년 천달러 년 천달러 년

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

정밀 패터닝 기술1

과제 을 이용한 애칭 및 용 일반 패터닝 기술- DFR PR lift off前

과제 포토 레지스트를 이용한 정밀 패터닝 기술 지원- Liquid Thick後

정밀 도금기술 지원2

도금기술- 㒇

정밀 니켈 전주도금기술 지원-

해외 선진제품 분석 및 도금제품 물성 평가3

과제 도금기술 및 장비 미확보로 인해 선진제품 의뢰 및 분석 불가- 前

과제 해외 선진제품의 성분 경도 인장강도 등 물성 분석 및 자체 제작한- 後

제품과의 품질을 비교 분석하여 경쟁력 있는 개발 확보함spec

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 8: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 8 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

최근 들어 고집적 칩의 패드간격이 더욱 미세화되면서 기존의 에칭방식으로는

더 이상 대응이 어려운 상황이며 이러한 문제를 해결하기위해 고강도 도금기술

을 이용한 초정밀 탐침구조물 제조기술을 개발하고자한다

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의MEMS

탐침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조

업체에 독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 주 코셈과 같은 중소기업에서는 ( )

아직까지 자체적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을

통하여 국내에서 고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수

입대체 효과는 물론 국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할

수 있을 것이다

충분한 기술력과 개발경험이 있는 전자부품연구원의 지원을 받아 고강도 탐침

도금구조물을 개발한다면 매출신장은 물론 수입대체효과 또한 매우 클 것으로

기대한다 현재 억원 년 이상의 국내 시장이 이미 형성되어 있으며 향 후 1500

기존의 에칭형 탐침이 고강도 고 정밀 도금탐침으로 대체된다는 사실을 고려할

때 향후 세계시장은 억 원 이상으로 성장할 것으로 예상된다 따라서 주6000 ( )

코셈이 보유한 프로브카드 조립기술과 전자부품연구원이 확보한 수직형 탐침구

조물의 도금기술이 접목된다면 제품화는 물론 기술적 경제적 파급효과가 매우

클 것으로 기대한다

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

특허

무전해도금법을 이용

한 프로브카드용 탐

침구조물 제조 방법

10-2006-0095970조진우

이철호이철호 이철호 출원

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 9: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 9 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건gt10 도금장비 도금용액 해외기술 기술 MEMS

시제품제작 건gt7 테스트 제품 제작 및 물성평가

양산화개발 건 추진 중

공정개선 건gt20 포토레지스트 패터닝 합금도금용액 노즐장치

품질향상 건gt20 방지 스트레스 조절 경도 향상pit

시험분석 건gt30 성분분석 분석 표면경도 스트레스 XRD SEM

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 크린룸 시설관리 포토레지스트 관리요령

기술마케팅 경영자문 건gt5 도금관련 탐침구조물 시장관련

정책자금알선 건

기 타 건1 특허 출원(10-2005-0061331)

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

수직형 탐침 도금구조물을 이용하여 제조에 사용 반도체에Probe Card Hynix

납품하였음 지속적으로 수직형 탐침을 사용하여 국내 외에 모든 업체에 Probe

를 공급하겠음Card

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 10: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 10 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술지원2222

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석니켈 도금구조물의 특성분석4444

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 11: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면1111

반도체 칩이 점차 고 집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 구현된 칩의 패드 크기 역사 소

형화되고 있으며 특히 각 패드와 패드 사이의 피치 간격이 점점 미세화되고 있다

현재 반도체 칩이나 검사용으로 주로 쓰이고 있는 탐침 구조물은 끝단이 에칭LCD

처리된 텅스텐 탐침을 사용하고 있다 그러나 이러한 방식으로 제작된 탐침으로는

패드 간 피치 간격이 이하인 고집적 반도체 칩에 대응하기 어렵고 특히 응답속65

도가 이상인 고주파 대역에 적합한 탐침은 아직 미개발 상태이다150

주 코셈은 이미 고집적 반도체 칩 검사장치인 프로브카드 전문 제조업체로서 하이( )

닉스를 비롯하여 토마토 엑셀반도체 테스나 등 국내 유수의 반도체업체를 대LSI

상으로 핵심모듈을 납품하고 있다 자체적으로 조립라인 및 테스트장비를 충분히

갖추고 있으며 제품개발을 위한 전담 개발인력 또한 보유하고 있다 그러나 에칭기

술이 갖는 이방성에칭 특성 때문에 수직형태의 정밀한 구조물을 제작하기 불가능하

다 또한 사용되는 소재 또한 황동합금을 사용하기 때문에 탐침구조물의 강도 및

경도에 있어서도 최근의 고집적 프로브카드 을 충족하기 어렵다 특히 내마spec

모성과 에 대한 초기 변형을 제어가 프로브카드의 성능을 좌우하고 제품Over Drive

의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 평가항목이며 새로운 소재 및 제작공정이 절실

히 요구되고 있다 또한 미세한 패드 피치로 이루어진 고집적 반도체 칩을 고속으

로 검사할 수 있는 새로운 형태의 탐침 구조물 및 이를 이용한 반도체 칩 검사장치

의 개발이 시급한 실정이다

기존의 에칭된 텅스텐 니들방식이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된

마이크로머시닝 기술은 사진식각공정기술을 통하여 수 수준의 패터닝이 가능하

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 12: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 12 -

또한 정밀 도금기술은 기 제작된 미세패턴영역을 도금하여 미세한 구조물을 제작할

수 있고 도금 소재 및 도금 방식에 따라 도금 구조물의 물성을 크게 향상 시킬 수

있기 때문에 고집적 반도체 칩 검사장치에 적용할 수 있는 새로운 형태의 금속 탐

침 구조물 제작이 가능하다 이미 선진 외국에서는 마이크로머시닝공정 및 정밀 도

금기술을 이용한 고집적 반도체 칩 검사용 금속 탐침 구조물을 제작하여 검사 장비

를 판매하고 있다

그러나 국내에서는 아직까지 기술을 이용한 반도체 칩 검사장치를 제작하지MEMS

못하고 전량 미국 일본 등 기술 선진국으로부터 수입에 의존하고 있다 물론 국내

사에서 미국 사의 제품을 하여 초도제품을 제작하였으나 이 역시P Formfactor copy

성능 부족으로 인하여 로부터 외면을 당하고 있는 상황이며 특허침해 문End user

제로 인하여 현재 제소를 당한 상태이다 이러한 국내 제품의 문제점은 핵심 부품

인 탐침 구조물에서 요구되는 기본적인 부품의 특성을 충족하지 못하고 있기 때문

이며 따라서 기술 및 도금 기술을 기반으로 한 다 기능성 고강도 탐침 구조MEMS

물 제작은 국내 기술로 반도체 칩 검사 장치를 제작할 수 있는 기반기술로 활용도

가 매우 높다

경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면경제 사회적 측면2 2 2 2

선진외국에서는 공정기술과 고강도 도금기술을 접목하여 새로운 소재의 탐MEMS

침구조물 개발에 성공하였으며 이미 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 칩 제조업체에

독점적으로 공급을 하고 있다 그러나 본사와 같은 중소기업에서는 아직까지 자체

적으로 개발이 어려운 상황이며 국내 전문연구기관의 기술지원을 통하여 국내에서

고강도 탐침 도금구조물을 개발할 수 있다면 국산화를 통한 수입대체 효과는 물론

국내 반도체 칩 제조업체의 국제 경쟁력 강화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한

다 본 기술지원 과제에서 개발하고자 하는 다 기능성 금속 탐침 구조물 은 선진 『 』

외국에서 독점하고 있는 분야로서 국내에서 신뢰성 있는 마이크로 금속 탐침 구조

물을 제작하다면 그 기술적 경제적 파급효과는 매우 크다

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 13: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 13 -

특히 반도체 강국이라는 명예를 가짐과 동시에 제품의 신뢰성을 검증할 수 있는 측

정 장비 분야에서는 기술적 낙후성을 면치 못하고 있는 국내 실정을 고려할 때 제

품 개발의 의미는 매우 크다 할 수 있다 또한 현재 추정되는 국내 시장 규모가

억 원 이상이고 년에는 국내 시장이 약 억 원 세계 시장이 억450 2006 1200 3200

원으로 기대되는 상황에서 정밀 도금기술 지원을 통한 제품 개발은 일시에 기업의

위상을 바꾸기에 충분한 가치가 있다 따라서 기술지원 결과에 대해 기업과 그 가

치를 공유하고 급격히 성장하고 있는 시장의 요구에 대응하기 위해서 기술지원 과

제 종료 후 양산화를 위한 기술이전 형태로 직접 참여할 계획이다 또한 기술지원

과제 진행과정에서 발생한 결과물을 토대로 반도체 칩 신뢰성 측정용이 아닌 바이

오 분야에서 필요로 하는 생체 메커니즘 규명을 위한 탐침구조물 개발에 기술을 활

용하고자 한다 바이오 분야는 아직은 시장에 열리지 않고 있으나 잠재적으로 폭발

적인 수요가 예상되고 있으며 현재 국내외에서 관심이 집중되고 있다 지금의 기술

개발 속도라면 조속한 시일 내에 의료용 검사장비를 위한 기능성 탐침 구조물이 요

구될 전망이며 따라서 지원 과제를 통한 금속 탐침 개발기술은 향후 기술력 확보

차원에서 매우 가치가 있을 것이다

국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향국내외 기술동향3333

가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준가 선진 외국의 금속 탐침 제작기술 수준

사FormFactor

기술의 창시자로 웨이퍼 레벨 반도체 테스트 및 패키지 솔루Microspring contact

션을 제공하는 세계적인 기업이다 국내에서 자사제품을 판매하는 코 FormFactor

리아는 이미 지난 년 월에 천만블 규모의 클린룸 및 수리 센터를 오픈한 상2001 6 2

태이며 개의 핵심 특허기술을 받았거나 출원중이다 최근에는 탄성계수를 조절125

할 수 있는 의 구조인 라는 구조를 제안하여cantilever type spring Microspring-Ⅱ

제작하여 판매하고 있다

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 14: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 14 -

사UPSYS

프랑스의 라는 회사에서 실리콘을 이용하여 제작하고 있는 수직형 탐침방식UPSYS

을 이용하여 피치까지 대응할 수 있으며 탄성도가 정도로 알려45 1~15gmil

져 있다

사Cerprobe

미국의 사에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 라는 금속 탐침을 제Cerprobe P4

작하였다 이는 정도의 미세 피치에 대응이 가능하나 일차원 구조만이 가능하 50

기 때문에 에 대한 자유도가 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다layout

나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준나 국내 음속 탐침 제작기술 수준

경북대와 람소닉사

국내에서 최초로 마이크로머시닝기술을 이용하여 미세 피치에 대응하고자 하는 시

도는 년말 경북대학교와 주 람소닉의 공동연구에서 시작되었다 이들은1996 ( )

실리콘 공정과 이종물질 접합부위의 잔류 응력 차이를 이용하여porous cantilever

형태의 탐침을 제작하였다 그러나 실리콘 공정의 특성상 구조물의 기계적 porous

특성이 약화되고 탐침부가 지나치게 날카롭게 되어 패드와 접촉 시에 패드의 산화

막에서 발생하는 오염물질이 탐침부에 달라붙는 현상이 심하여 매번 탐침부를 청소

해 주어야 하는 단점이 있어 상용화가 어려웠다

주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원주 파이컴과 전자부품연구원( )( )( )( )

전자부품연구원과 함께 지난 년에 정부지원과제를 통하여 마이크로2002 post G7

머시닝 기술과 도금 기술을 이용한 금속 탐침 구조물을 제작하였다 도금 소재로는

니켈 코발트 합금도금을 사용하여 있으나 도금 시 내부 응력 및 과다한 도금시간으-

로 인하여 생산 수율이 저조하고 불량률이 높다

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 15: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 15 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

주 코셈은 정밀에칭기술 및 세라믹 유닛 가공분야에 있어서는 독보적인 기술력을( )

바탕으로 타사와 기술경쟁력을 갖추고 있다 그러나 정밀 도금기슬 및 웨이퍼 평탄

화 기술 등은 새롭게 추진하고 있는 기술분야로 아직까지 안정화된 기술을 갖추지

못하고 있어 불량을 주도하고 수율을 감소시키는 원인이 되고 있다 그 결과 수직

형 탐침 도금구조물과 같은 고 부가가치 제품을 제작하기에는 아직 안정화된 기술

력이 상대적으로 미흡하며 따라서 이번 지원사업을 통하여 아래 제시된 핵심기술

들을 지원받는다면 조속한 시일 내에 신제품 출시는 물론 기반기술확보에 따른 기

업 경쟁력을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다

가 기본목표가 기본목표가 기본목표가 기본목표

고감도 고정밀 탐침 도금구조물 제작기술 지원『 』

정밀 패터닝 공정기술 확립

니켈 및 니켈합금도금용액 개발

고정밀 도금기술개발

합금비에 따른 도금물성 테스트 경도 계면응력 등( )

도금기술개발RP(Reverse Pulse) Pulse

도금조직 분석

표면경도 및 인장강도 제어

도금스트레스 제어

성분분석 합금비 해석EDX ICP ( )

도금구조물 평탄화기술 확보

나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용나 세부목표 및 내용

정밀 패터닝 기술지원

기판 전처리 공정기술 지원-

공정기술 지원- MEMS

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 16: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 16 -

포토레지스트 사진식각공정기술 지원-

전도성 박막 증착기술 지원-

정밀 전주도금 기술 지원

정밀 도금기술 지원- Ni Ni alloy

도금 탐침 구조물 물성 향상-

도금용액 안정화 기술 지원-

도금구조물 평탄화기술 지원

웨이퍼 기술 지원- CMP

도금구조물 기술 지원- CMP

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 17: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 17 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 과제에서는 고 집적 반도체 칩 검사장치를 구성하는 핵심부품인 수직형 탐침 도

금구조물을 제작을 위한 기술지원을 하였다 프로브카드의 요구 에 대 MEMS spec

응할 수 있는 탐침구조물을 제작하기 위하여 시뮬레이션을 통해 최적의 도금소재를

선정하였으며 세부 기술지원 측면에서 정밀 패터닝 기술 정밀 전주도금 기술 물성

분석 성분 분석 조직 분석 등 신뢰성 확보를 위한 다양한 기술지원을 하였다

정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원정밀 패터닝 기술 및 도금 기술 지원1111

주 코셈에서 자체적으로 탐침 도금구조물을 제작할 수 있도록 정밀 포토레지스트( )

패터닝 기술 및 니켈 전주도금기술을 지원하였다 포토레지스트를 사용하여 코팅

기술 노광기술 패턴 현상기술 등 최적의 패터닝 조건을 확립하였으며 주 코 UV ( )

셈에서 기술을 안정화 할 수 있도록 지원하였다 또한 정밀 니켈 전주도금기술을

개발하여 탐침구조물이 안정적인 물성을 확보할 수 있도록 기술지원을 하였다

해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교해외 선전 제품 분석 및 비교2222

미국 일본 등 선진외국에서는 개발된 탐침구조물에 대한 기술정Fromfactor( ) JEM( )

보를 분석하고 본 과제에서 개발하고자 하는 제품의 개발기준을 제시하였다 특히

최근에 삼성으로부터 제품 성능상의 문제점이 제기되어 전량 된 의 탐침recall JEM

구조물을 입수하여 문제점을 분석하고 대응방안을 모색하였다

특허 출원특허 출원특허 출원특허 출원3333

해외 원천특허에 대응이 가능하고 제품개발 및 출하 시 국내외 시장에서 독자적인

모델 생존이 가능한 새로운 개념의 특허를 출원하였다 또한 기존의 방식과 달리

단위공정들을 단순화하고 정량화하였으며 저가의 무전해도금공정을 이용하여 표면

경도 강화가 가능하기 때문에 양산성 측면에서도 획기적이라 할 수 있다

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 18: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 18 -

본 특허는 전자부품연구원과 주 코셈이 공동 출원하였으며 상호 계약에 따라 주( ) ( )

코셈에서 전용 실시권 및 소유권을 가진다

출원번호 10-2006-0095970

제목 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

영문 A manufacturing method of tip constituting probe card by using

electroless plating

발명자 조진우 전자부품연구원 ( )

이철호 주 엠투엔(( ) )

요약서요약서요약서요약서【 】【 】【 】【 】

요약요약요약요약【 】【 】【 】【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은 탐침구조

물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및 무1 2

전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브유닛에 조립하는 제 단계를 포함한다3

명세서명세서명세서명세서【 】【 】【 】【 】

발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭발명의 명칭【 】【 】【 】【 】

무전해도금범을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법A manufacturing

method of tip constituting probe card by using electroless plating

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 19: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 19 -

도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명도면의 간단한 설명【 】【 】【 】【 】

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시 예를 나타2a 2e

내는 도면이다

발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명발명의 상세한 설명【 】【 】【 】【 】

발명의 목적발명의 목적발명의 목적발명의 목적【 】【 】【 】【 】

발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술【 】

본 발명은 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법에 관한 것으

로 보다 자세하게는 고집적 반도체 칩 또는 디스플레이 희로검사에 사용되는

프로브카드용 고경도 탐침구조물의 제조 방법에 관한 것이다MEMS

일반적으로 본 발명에서와 같은 탐침구조물은 프로브카드를 구성하는 핵심부품으로

반도체 공정에서 을 비롯한 메모리 칩 또는 디스플레이의 희로검사 등에 사DRAM

용되어 불량유무를 패키지 전 단계에서 미리 검사하기 위한 장치이다

기존의 프로브카드용 탐침구조물은 금속판을 탐침형상으로 정밀 에칭하여MEMS

사용하거나 전도성 기판상에 포토레지스트를 패터닝한 후 도금으로 채우고 최종적

으로 기판과 분리함으로써 탐침구조물을 제조하여 사용하였다 제조된 프로브카드

의 탐침구조물은 메모리 칩의 패드와 직접 접촉함으로써 메모리 칩의 전기적 연결

상태를 확인하는 방식으로 이용된다 그러나 이 과정에서 반복적인 터치다운 (touch

및 주기적인 클리닝으로 인해 탐침구조물의 끝단은 마모되기 쉬우며 마모down)

에 의해 탐침 끝단이 일정 크기 이상으로 커지면 더 이상 미세패드에 대응할 수 없

게 되는 단점이 있다

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 20: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 20 -

이에 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키기 위해 다음 두 가지 방법이 사용되고 있

먼저 이종 금속 접합 방식을 이용한 탐침구조물의 표면 경도 향상 방법은 미국의

사에서 사용하고 있는 제조방식으로 탐침구조믈의 몸체부분을 먼저 니켈Formfactor

코발트 합금도금으로 제조하고 마모되기 쉬운 탐침구조물의 끝 부분은 별도로 고-

경도 재질인 로듐 으로 제조한 후 탐침구조물의 몸체와 솔더링하여 제조하는 방(Rh)

식이다

그러나 이 방법으로 제조된 탐침구조물은 다단계 정렬 도금 및 공정으로 제 CMP

조되기 때문에 공정이 복잡하고 수율이 낮은 단점이 있으며 상호 정밀정렬장치 본

딩용 솔더링 장치 등 추가적인 장비들이 필요하고 사용되는 로듐 자체가 고가의

도금 재료이기 때문에 제조원가가 높다는 단점이 있다

또한 이종 금속 플라즈마 코팅법을 이용한 탐침구조물의 표면경도 향상 방법은 금

속 에칭 또는 도금방식으로 제조된 탐침구조물의 표면에 플라즈마 코팅 기술을 이

용하여 고경도 재질의 소재를 코팅함으로써 탐침구조물의 표면 경도를 향상시키는

방법이다

그러나 이 방법은 공정 특성상 코팅 두께를 두껍게 올리기 힘들기 때문에 내마모

에 대한 신뢰성이 떨어지며 진공챔버를 이용하는 고가의 공정이 요구되므로 양산

시 제조 원가가 높다는 단점이 있다

발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제발명이 이루고자 하는 기술적 과제【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명은 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물의 표면경도를 향상시키는

데 목적이 있다

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용하여 제조공정을 단순화

하고 제조비용을 절감하는데 다른 목적이 있다

발명의 구성발명의 구성발명의 구성발명의 구성【 】【 】【 】【 】

본 발명의 상기 목적은 탐침구조물을 형성하는 제 단계 형성한 상기 탐침구조물을1

무전해도금하는 제 단계 및 무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립2

하는 제 단계를 포함하는 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방3

법에 의해 달성된다

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 21: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 21 -

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인

의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의

방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하

여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람

직한 일설시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니

므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이

있을 수 있음을 이해하여야 한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 일실시예를 나타내는1a 1e

도면이다 본 발명의 일실시예를 참조하면 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐

침구조물의 제조순서는 다음과 같다

먼저 전도성 메탈이 증착된 실리콘 기판 또는 메탈 기판상에 감광제 를 코팅 (110)

한 후 이를 탐침구조물 형태의 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 이용하여(120)

패터닝한다 이때 사용되는 감광제 는 양성형 및 음성형 (110) (positive type)

을 모두 포함한다(negative type)

두 번째로 감광제 현상 후 형성된 패턴을 검사하고 노출된 탐침구조물 (110) (120)

패턴 영역을 도금한다 이때 탐침구조물 을 형성하기 위한 도금의 소재는 니켈 (120)

또는 니켈합금으로 한다

세 번째로 감광제 를 제거하고 도금된 탐침구조물 을 기판 으로부터 (110) (120) (100)

분리한다

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 22: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 22 -

네 번째로 습식 또는 건식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 분리한 탐침구조물 (120)

의 표면을 세정한다

다섯 번째로 세정된 탐침구조물 표면을 등 (120) Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

고경도 도금소재로 무전해도금한다

여섯 번째로 표면이 무전해도금된 고경도 탐침구조물 을 일정 간격으로 배열 (120)

된 프로브 유닛 에 조립한 후 와 연결함으로써 프로브카드를 제조한다(130) PCB

도 는 도금용 전도성 기판 상에 감광제 를 통해 패터닝된 프로브카드용1a (100) (110)

정밀 탐침구조물 형상을 보여준다 전도성 기판 은 전도성 박막이 증착된(120) (100)

실리콘 기판을 포함하는 금속성 기판으로 이루어져 있으며 전도성 기판 의 한 (100)

쪽 면을 미리 연마하여 두께편차를 수 이내로 가공하고 표면이 우수한 광택도

를 갖도록 준비된다

패터팅 공정은 준비된 전도성 기판 상에 액상의 감광제 를 코팅하는 공정(100) (110)

으로서 상용화된 양성 또는 음성 감광제 가 사용 가능하며 (110) DFR(Dry Film

또한 이용 가능하다Resist)

감광제 는 전용 스핀코터를 이용하여 탐침구조물 의 제품사양에 따라 수십(110) (120)

두께로 전도성 기판 상에 균열하게 코팅한 후 베이킹 한다(100) (baking)

준비된 포토마스크를 베이킹된 감광제 상에 장착한 후 일정량의 에너지로(110) UV

노광한다 노광 후 전용 현상액을 이용하여 선택적으로 감광제 를 식각하여 UV (110)

탐침구조물 형상을 갖도록 정밀 패터닝한다(120)

도 는 탐침구조물 을 제조하기 위한 도금공정으로서 감광제 를 통해 패1b (120) (110)

터닝된 탐침구조물 형상을 등 고강도 도금(120) Ni Ni-W Ni-Fe Ni-Co Ni-Mn

소재로 도금한다 이때 도금은 내지 두께로 도금한다 10 70

이후 공정을 거쳐 감광제 를 전용 에칭 CMP(Chemical mechanical Polishing) (110)

용액을 이용하여 제거한다

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 23: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 23 -

도 는 도금된 탐침구조물 을 전도성 기판 으로부터 분리하는 공정으로1c (120) (100)

서 감광제 가 제거된 전도성 기판 을 전용 에칭용액을 이용하여 제거한다 (110) (100)

도 는 전도성 기판 으로부터 분리된 탐침구조물 의 표면을 습식 또는 건1d (100) (120)

식 플라즈마 클리닝법을 이용하여 세정한 후 탐침구조물 표면에 무전해도금법(120)

을 이용하여 도금한다 이때 도금은 등 고경도 도 Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

금소재로 도금하며 수 두께로 도금한다

도 는 무전해도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 일정 간격으로 가공된 프로1e (120)

브 유닛 에 조립한 후 와 조립하여 프로브카드를 완성한다(130) PCB MEMS

도 내지 도 는 본 발명에 따른 탐침구조물 제조 방법의 다른 실시예를 나타2a 2e

내는 도면이다 본 발명의 다른 실시예를 참조하면 탐침구조물 의 제조순서는 (120)

도 내지 도 에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 제조 공정과 상1a 1e

호 대응된다

다만 본 발명의 다른 실시예에서는 도 내지 도 에 나타난 본 발명의 일실시 1a 1e

예에 따른 제조 공정 중 탐침구조물 의 제조를 위한 도금법을 이용한 공정 대(120)

신 금속에칭법을 이용한 공정을 사용한다

즉 도 는 제조할 탐침구조물 의 소재와 동일한 소재의 금속판 을 준비 2a (120) (200)

하는 공정이고 도 는 금속판 상에 감광제 를 코팅하고 감광제 상 2b (200) (210) (210)

에 탐침구조물 형상의 패턴을 형성하는 공정이며 도 는 탐침구조물(120) 2c (120)

형상의 패턴을 이용하여 금속판 을 에칭하는 공정을 나타낸다 도 는 도(200) 2d 1d

의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해도금법을 이용하여 탐침구조물 의 표(120)

면을 도금하는 공정이고 도 는 도 의 본 발명의 일실시예에서와 같이 무전해 2e 1e

도금된 프로브카드용 탐침구조물 을 프로브 유닛 에 조립하는 공정을 나타(120) (130)

낸다

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 24: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 24 -

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였

으나 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위

내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의

기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이

가능함은 물론이다

발명의 효과발명의 효과발명의 효과발명의 효과【 】【 】【 】【 】

따라서 본 발명의 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법은

탐침구조물의 표면경도를 향상시켜 탐침구조물의 내마모성을 향상시키는 효과가 있

또한 본 발명은 탐침구조물의 제조시 무전해도금법을 사용함으로써 제조공정을 단

순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 25: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 25 -

특허청구범위특허청구범위특허청구범위특허청구범위【 】【 】【 】【 】

청구항청구항청구항청구항 1111【 】【 】【 】【 】

탐침구조물을 형성하는 제 단계1

형성한 상기 탐침구조물을 무전해도금하는 제 단계 및2

무전해도금한 상기 탐침구조물을 프로브 유닛에 조립하는 제 단계를 포함하는 무전3

해도금법을 이용한 프르브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 2222【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서1

상기 무전해도금의 소재는 및 중 어느 하나인 무전Ni-P Ni-B Ni-W-P Ni-W-B

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 3333【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

전도성 기판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정

상기 감광제를 제거하는 과정 및

상기 탐침구조물을 상기 전도성 기관으로부터 분리하는 과정을 포함하는 무전해도

금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

청구항청구항청구항청구항 4444【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서3

상기 탐침구조물의 패턴에 도금하는 과정에서의 상기 도금의 소재는 Ni-W Ni-Fe

및 중 어느 하나인 무전해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물Ni-Co Ni-Mn

제조 방법

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 26: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 26 -

청구항청구항청구항청구항 5555【 】【 】【 】【 】

제 항에 있어서 상기 제 단계는2 1

형성할 탐침구조물의 소재와 동일한 소재의 금속판을 준비하는 과정

상기 금속판상에 감광제를 코팅하는 과정

상기 감광제상에 상기 탐침구조물의 패턴을 형성하는 과정 및

상기 탐침구조물의 패턴을 이용하여 상기 금속판을 에칭하는 과정을 포함하는 무전

해도금법을 이용한 프로브카드용 탐침구조물 제조 방법

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 27: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 27 -

도면【 】

도 1a【 】

도 1b【 】

도 1c【 】

도 1d【 】

도 1e【 】

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 28: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 28 -

도 2a【 】

도 2b【 】

도 2c【 】

도 2d【 】

도 2e【 】

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 29: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 29 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석금속에칭 탐침구조물 분석1111

프로브카드를 제작하기 위하여 현재 사용되고 있는 탐침구조물 제작방식은MEMS

금속 에칭방식과 정밀 도금방식 크게 두 가지로 나눌 수 있다 금속 에칭방식은 기

존의 정통적인 탐침구조물 제작기술로 합금판재를 일정 두께로 압연한 후Cu-Be

표면에 원하는 형상의 탐침구조물 패턴을 사진식각공정으로 구현 한 후 적절한 금

속에칭용액을 이용하여 탐침구조물을 제외한 나머지 부분을 제거함으로서 제작이

가능하다 그림 은 에칭방식을 이용한 탐침구조물 제작공정을 보여주고 있다 1

그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정그림 금속에칭 탐침구조물을 이용한 프로브카드 제작공정1 MEMS1 MEMS1 MEMS1 MEMS

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 30: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 30 -

정밀 금속에칭방식을 이용한 프로브카드 제작기술은 주 코셈에서 보유하고 있는( )

자체 개발 기술로 기존의 일반적인 제품에 적용되어 왔다 그러나 최근low para

들어 프로브카드의 패드 간격이 좁아지고 방식이 요구되면MEMS high pin count

서 더 이상 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물로서 대응이 힘들다 그림 는 금 2

속에칭 방식으로 제작된 탐침구조물의 전체 형상을 보여주고 있으며 그림 은 금속3

에칭 탐침구조물의 미세구조를 을 이용하여 분SEM(Scanning Electro Microscopy)

석한 결과이다

그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상그림 금속에칭방식으로 제작된 탐침구조물의 형상2222

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 31: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 31 -

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 32: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 32 -

그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조그림 으로 분석된 금속에칭 탐침구조물의 미세구조3 SEM3 SEM3 SEM3 SEM

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 33: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 33 -

정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원정밀 도금 탐침구조물 제작 기술 지원2222

가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원가 정밀 패터닝 기술지원

고 정밀 탐침구조물의 형상은 정밀 패터닝 공정기술로 구현가능하며 니켈 전주도금

기술을 이용하여 고 강도 탐침구조물을 제작할 수 있다 포토레지스트 패터닝 (PR)

공정은 기존의 대신 언 을 사용하였DFR(Dry File Resist) Liquid thick PR JSR 151N

으며 패터닝 및 니켈 전주도금을 위한 기판은 전도성 박막이 증착된 두께의500

실리콘웨이퍼를 사용하였다 양면이 된 지름 크기의 실리콘 웨이퍼 polishing 4inch

상에 장비를 이용하여 전도성 박막을 각각 과E-beam evaporator NiCrAu 500Å

두께로 증착한 후 을 일정두께로 코팅한 후 및 노광공정을 거쳐1500 PR bakingÅ

코팅된 상에 탐침 형상을 전사시켰다 구현된 패턴 사이에 니켈전주도금을PR PR

하였으며 도금 후 전용 를 이용하여 도금 패턴 사이에 남아있는 잔여stripper PR

찌꺼기 및 실리콘웨이퍼를 제거하고 도금된 금속 탐침구조물을 하였다 표release

은 단위공정별 특징을 정리한 것이며 그림 은 본 연구애서 고강도 탐침구조물을1 4

제작하기 위하여 사용된 개략적인 공정도이다

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 34: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 34 -

표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도표 탐침 도금구조물 제작을 위한 단위공정도1111

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 35: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 35 -

그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도그림 고강도 탐침구조물 제작공정도4444

전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝전도성 박막 코팅 정밀 패터닝1) amp PR1) amp PR1) amp PR1) amp PR

본 연구에서는 기존의 보다 미세 패터닝 정밀도가 우수한DFR(Dry File Resist)

을 사용하여 탐침 구조물 형상을 정밀 패터닝 하였다 먼저 두께JSR 151N 500

로 가공된 실리콘 웨이퍼상에 탐침도금을 위한 전도성 로서seed layer NiCr(500

을 코팅하였다 밀착력을 강화하기 위하여 전처리 공정을 정량화하)Au(1500 ) Å Å

였고 박막의 증착속도를 조절하여 계면 스트레스를 제어하였다

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 36: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 36 -

탐침형상 구현을 위한 포토레지스트를 후 에서 약 분간 하coating 120 10 baking

였다 기 제작된 포토마스크를 된 포토레지스트위에 장착하고 노광 후 전용 baked

현상용액으로 현상하였다 제작된 패턴구조물은 광학현미경으로 정밀도를 관찰하였

고 패터닝된 영역의 두께는 측정기로 부위별 두께 편차를 측정하였다PR a-step

그림 는 정밀 패터닝된 탐침의 부위별 패턴형상을 관찰한 결과이다5

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 37: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 37 -

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 38: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 38 -

그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상그림 정밀 패터닝된 부위별 탐침형상5555

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 39: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 39 -

나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금나 고강도 탐침구조물 도금

패터닝된 탐침의 형상 정밀도를 확인한 후 패턴내부를 니켈전주도금과 니켈합금도

금으로 채워 고강도 탐침 도금구조물을 제작하였다 니켈도금 시 미세 패턴 내부로

의 도금 성을 향상시키기 위하여 를 이용하여 표면 및 바닥면을filling plasma asher

활성화시켰다 플라즈마 은 를 로 공급하면서 ashing oxygen gas 15mLsec 200

로 플라즈마를 방전하여 동안 하였다 플라즈마 처리 후 표면개질효45sec ashing

과는 테스트 과정을 이용하여 표면개질 정도를 확인하였다 그림 은 플라droplet 6

즈마 후 표면개질효과를 를 이용하여 관찰한 결과이며 그림 은ashing XPS 7

테스트 결과이다 플라즈마 처리 후 젓음성이 향상되었음을 알 수droplet ashing

있다

도금용액은 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 합금도금용액을 각각 사용하였으며 도

금 스트레스와 석출속도 등을 고려하여 적정 도금조건을 확립하였다 먼저 도금된

샘플의 부위별 두께편차를 측정하였다 그림 은 패턴이 없이 실리콘 웨이퍼상 8 PR

에 전도성 박막을 코팅한 후 부위별 도금 두께편차를 측정한 결과이다 측정결과

부위를 중심으로 정도의 두께 편차가 발생하고 있음을 알 수 있center 2~3土

다 중심에서 외각으로 갈수록 두께가 증가하는 현상은 외각 접점 방식으로 전류가

인가되기 때문에 외각부위에 전류가 상대적으로 집중되는 현상 때문인 것으로 판단

된다 그림 는 테스트 패턴을 이용하여 전체 샘플의 부위별 패턴도금 두께편차를 9

측정한 결과이다 측정기를 이용하여 패턴별로 도금두께를 측정하였고 thickness

웨이퍼 샘플의 상 하 좌 우 각각 부위별로 도금두께 편차를 측정하였다 측정결과

용 일반 스템퍼 도금과는 달리 정밀 패턴도금에 있어서는 부위별CDDVD MEMS

두께편차가 발생하고 있음을 알 수 있었다 일반 스템퍼 도금의 경우에는 형상이

단순하며 패턴의 크기가 상대적으로 조대하고 균일한 반복패턴으로 구성되어있다

반면 도금의 경우에는 패턴의 형상이 매우 복잡하고 부위별로 크기 및 깊이MEMS

가 수십 에서 수백 로 다양하기 때문에 각 패턴별 도금면적이 불균일한 분포를

가지고 있다

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 40: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 40 -

그 결과 도금 시 상대적인 전류밀도에 있어 패턴 영역별로 고 전류부와 저 전류부

가 동시에 혼재되어있기 때문에 도금두께 편차가 발생한다

그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과그림 분석 결과6 XPS6 XPS6 XPS6 XPS

그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트그림 에 의한 젖음성 테스트7 droplet7 droplet7 droplet7 droplet

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 41: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 41 -

그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포그림 무패턴 웨이퍼의 부위별 도금 두께 분포8888

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 42: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 42 -

그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차9 amp9 amp9 amp9 amp

차 테스트에서 가장 큰 문제점으로 지적된 도금층의 성 문제를 집중적으로1 filling

개선하고자 차 테스트를 하였으며 도금표면의 경도를 증가시키기 위하여 니켈합금2

도금을 시도하였다 그림 은 합금도금에 의해 제작된 탐침구조물의 도금 두께 분 10

포를 보여주고 있다 합금도금 결과 표면경도는 약 까지 증가하였으나 두께 500Hv

편차 역시 부위별로 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다 그림 은 합금도금된 패 7

턴 내부의 두께 편차를 보여주고 있다

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 43: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 43 -

그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차그림 니켈합금도금 후 패턴 내부 부위별 두께편차10 amp10 amp10 amp10 amp

상기 결과에서 알 수 있듯이 탐침 구조물 패턴도금의 경우 도금두께 분포에 있어

서 평면에서의 도금과 달리 도금 두께편차가 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 또

한 니켈합금도금의 경우에는 일부 가 발생하였다 주요 원인으로는 고 전류밀도pit

하에서의 수소발생에 기인한 것으로 사료되며 용액의 분사속도 증가 및 방지제pit

첨가 등을 활용하여 해결할 수 있을 것으로 판단된다 그러나 궁극적으로는 용액의

성을 최적화할 수 있는 확보가 최대 변수라 할 수 있다 그림 은filling wet ability 11

상기 패터닝 및 정밀도금 실험에서 확보된 최적 조건을 바탕으로 제작된 탐침구조

물의 형상을 보여주고 있다 도금 전류 인가방식은 와 방식을 병 CD reverse pulse

행하였으며 이때 전류밀도는 이고 도금시간은 이다 전용 도금지그를 제 2ASD 2hrs

작하였으며 초기 도금 테스트 공정에서는 로 최종 도금 안정화 단계에서는4inch

로 각각 시도하였다 도금된 탐침 구조물은 몇 가지 후 공정 단계를 거처 세6inch

라믹 프로브유닛에 조립하였으며 그 중 부위별로 샘플을 추출하여 미도금 표pit

면 형상 등 미세 구조를 관찰하였다

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 44: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 44 -

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 45: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 45 -

그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상그림 니켈도금에 의한 탐침구조물 형상11111111

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 46: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 46 -

다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원다 탐침구조물 공정 기술지원 CMP CMP CMP CMP

탐침도금 후 구조물이 일정한 두께를 갖도록 CMP(Chemical Mechanical

하였다 먼저 공정으로 목표 두께까지 차 가공을 한 후 전체Polishing) Lapping 1

의 두께편차가 이하가 되도록 하였다 도금구조물의 공정은Sub plusmn20 CMP CMP

사이에 도금된 니켈 도금층을 함께 폴리싱하는 공정으로서 과 금속의 표면경PR PR

도 차이로 인하여 두께편차를 유지하기 어렵다 따라서 공정을 여러 단계로 나 CMP

누어 각 단계별로 후 부위별 두께를 측정하며 진행하였다 그림 는 후CMP 12 CMP

두께 균일도가 확보된 탐침 도금구조물의 형상을 보여주고 있다 탐침구조물 도금

후 된 기판은 도금패턴 정밀도 및 두께 정밀도를 확인한 후 실리콘 기판을 제CMP

거하였다 실리콘 전용 에칭용액인 용액을 로 가열한 후 탐침구조물이 TMAH 90

도금된 실리콘 기판을 에칭하고 탐침을 분리하였다 분리된 도금구조물은

을 이용하여 탐침구조물의 각 부위별 미세영역SEM(Scanning Electro Microscope)

을 관찰하였다 검사결과 탐침도금구조물은 설계 대비 우수한 정밀도를 보여 spec

주고 있으며 탐침의 스트레스 또한 완전히 제어되어 수직한 구조물이 제작되었음을

확인하였다 그림 은 으로 관찰된 탐침구조물의 미세형상을 보여주고 있다 13 SEM

기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물은 을 이용하여 정밀도 확인 후 캐리어에SEM

조립하여 초기 변형율 내마모성 등 고집적 칩 검사모듈용 탐침구조물Over Drive

로서 요구되는 성능 을 검사하였다spec

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 47: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 47 -

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 48: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 48 -

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 49: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 49 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상12121212

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 50: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 50 -

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 51: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 51 -

그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상그림 기판으로부터 분리된 탐침 도금구조물 미세 형상13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)13 (by SEM)

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 52: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 52 -

정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원정밀 니켈전주도금 기술지원3333

가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요가 도금 공정의 개요

전기도금전기도금전기도금전기도금1)1)1)1)

금속자체의 내마모성이나 내식성뿐 아니라 표면의 색채와 광택을 좋게 하는 등의

목적으로 행하는 표면 처리에는 도금이 주종을 이룬다 금속이나 비금속의 표면에

다른 금속 막을 형성 시키는 도금은 전기도금과 무전해 도금으로 나눌 수 있다 그

중에서 전기도금은 전해질 수용액 중에 두개의 전극을 넣고 전원을 연결시켜 전류

를 흘리면 양이온은 음으로 음이온은 양극으로 이동하여 각각의 극에서 방전하는

전기화학반응을 이용하는 것이다 그림 은 일반적인 전기도금의 원리를 보여주고 14

있다

그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리그림 전기도금의 원리14141414

금속의 석출금속의 석출금속의 석출금속의 석출2)2)2)2)

전기도금 시 전해질 내 금속이온이 전극으로 이동하고 환원되어 금속으로 석출되는

과정은 다음과 같다

가 용액 내부로부터 전극까지 수화된 금속이온의 확산)

나 둘러싸여 있는 물분자의 탈수)

다 전자와 금속이온의 방전)

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 53: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 53 -

라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동라 환원된 금속 이온의 이동))))

일반적으로 다 의 과정에서 방전이 일어나는 장소는 금속결정의 격자점과 반드시)

일치하지는 않으며 방전된 금속원자는 표면 확산에 의해 격자 형성점에 도달하여

격자를 형성시킨다고 알려져 있다 그러므로 방전된 금속원자는 아직 활성된 상태

에 있다고 할 수 있다 이와 같이 전해석출 과정은 여러 과정을 거치게 되는데 이

들을 모두 고려한 통일된 이론은 아직 없다 다만 도금액 중의 금속이온은 확산에

의해 금속표면에 운반되고 전하이동에 의해 금속원자로 된다는 설이 지배적이며 금

원자는 표면에서 확산하면서 의 위치에 오고 다시 에서 로 확산되어step step kink

결정화되는 과정에서 도금이 완료된다고 알려져 있다

니켈도금니켈도금니켈도금니켈도금3)3)3)3)

니켈도금은 미려한 색도를 가지고 있고 내식성 및 기계적강도가 우수하기 때문에

철강이나 구리합금 위에 도금하여 장식과 방식의 기능을 가지게 할 수 있는 하지도

금으로 많이 사용된다 그 외에 니켈도금으로 제작된 도금 층 자체를 고 정밀 구조

물로 사용하는 경우가 있으며 니켈전주도금이 이 경우에 해당된다 니켈도금액 중

가장 중요한 것은 액으로 넓은 전류밀도 범위에 걸쳐 일정한 음극 전류효율을watt

유지하며 비교적 고농도까지 첨가제를 첨가할 수 있다는 장점 때문에 가장 일반적

으로 사용되고 있으며 오늘날 사용되는 니켈 도금액의 대부분이 이액을 기초로 개

발된 것이다

가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금가 무광택니켈도금))))

대표적인 무광택 니켈 도금액으로는 액이 있다 액은 황산니켈 염화니켈watt watt

붕산을 기본 조성으로 하며 광택니켈 도금액의 기본액으로 사용된다 이 용액은

에서 가장 많이 사용되고 있으나 밀착력이 좋고 내부응력이 작은 도PH 45 ~ 52

금을 얻으려면 가 정도가 좋다 온도는 범위에서 사용가능PH 15 ~ 35 40 ~ 60

하지만 가 표준이다45

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 54: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 54 -

나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금나 광택니켈도금))))

광택도금은 연마가 생략되어 니켈 도금층의 연마 손실이 없고 복잡한 형상의buff

구석구석까지 광택형성이 가능할 뿐 아니라 광택제의 성능에 따라 많은 장점이 있

어 널리 사용되고 있다

다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금다 중 니켈도금) 2) 2) 2) 2

중 니켈 도금은 하지 니켈층은 평활성과 연성을 가지고 있는 황 성분이 없는 반광2

택 니켈 도금을 하고 상층은 황서 분이 있는 광택 니켈 도금을 하여 내식성을 향상

시키는 것이 목적이다 중 니켈 도금이 내식성을 갖는 이유는 황이 들어 있지 않 2

은 니켈은 황이 있는 니켈보다 화학적 용해도가 적기 때문에 반광택 니켈층에 부식

이 생기면 부식은 하지 니켈층에서 저지된다 또한 중 니켈층은 별 개의 부식성 2

전위가 있어 한 개의 핀홀이 소지에 발생하여도 이 주위에 다른 핀홀이 발생하는

경우가 적다

라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금라 중 니켈도금) 3) 3) 3) 3

중 니켈도금은 광택과 반광택 도금의 중간에 극히 엷은 스트라이크3 (03~08 )

니켈도금을 하는 것이다 이 스트라이크의 역할은 중 니켈도금의 경우와 같이 각 2

층이 서로 다른 전위를 가지고 있으며 특히 스트라이크 니켈층이 다른 층보다도

황성분이 많아서 강하게 양극적으로 되어 부식이 빠르게 진행되며 또 부식이 깊은

속으로 들어가게 되므로 부식도 억제된다 반면 부식이 억제되었던 것이 한 곳에서

동시에 발생하면서 부식이 한 곳에 몰릴 우려가 있다

니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할니켈 도금액 성분의 역할4)4)4)4)

가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈가 황산니켈))))

황산니켈은 염화니켈과 함께 니켈이온의 공급원이다 따라서 도금이 되는 것도 이

들 니켈이온의 환원에 의하는데 그것은 양극에서 용해된 니켈이온이 음극까지 이르

려면 많은 시간을 필요로 하기 때문이다

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 55: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 55 -

니켈이온이 부족하면 수소이온이나 기타 불순물들이 석출되어 도금층에 결함이 발

생하며 과잉이면 액의 점도가 높아지고 피트가 발생하기 쉽다

나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈나 염화니켈))))

도금액 중에 염화니켈은 니켈 이온의 공급과 동시에 양극의 용해를 순조롭게 하는

역할을 한다 양극의 용해가 나쁘면 도금액에 금속이온이 잘 보급되지 않아 도금

시 피트발생 광택부족 양극의 부동태 반응이 생길 우려가 있다 그러나 염화물의

과잉 또는 도금막의 내부 응력을 증대시키는 문제점이 있다

다 붕산다 붕산다 붕산다 붕산))))

니켈 도금시 음극의 반응은 주로 니켈 환원 반응이나 수소의 동시 발생이 불가피하

다 그 결과 고 전류밀도 부분에서 수소의 수모가 심하게 일어나 가 변하며 이 PH

로 인해 도금층에 수산화니켈이 석출하여 정상적인 도금층을 얻을 수 없다 이때

도금액의 변화를 완화시키는 완충제로써 붕산을 사용하는데 다음과 같은 반응PH

에 의해 가 상승하면 정반응이 일어나 수소이온을 공급한다PH

H3BO3 = H++ H2BO3

-

붕산은 또한 광택범위를 확대하고 도금면을 평활하게 하며 내부응력이나 연성 등의

물성도 개선된다 그러나 너무 많은 양의 붕산은 양극의 용해를 나쁘게 한다

라 광택제라 광택제라 광택제라 광택제))))

일반적으로 도금액에는 도금층의 저 내부응력과 입자의 미세화 광택 등을 위해 여

러 가지 첨가제를 함께 첨가하는데 그 중 하나가 광택제이다

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 56: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 56 -

좋은 광택제일수록 단시간에 광택과 평활성을 얻을 수 있으며 불순물에 강하고 전

류밀도 범위가 넓어서 고니리가 용이하고 과량 첨가해도 도금에는 지장을 주지 않

는다 도금에 쓰이는 유기광택제는 제 광택제와 제 광택제로 분류하고 있으나 1 2

때에 따라서는 구별하기 힘든 것도 있다 제 광택제는 1 =C-SO2 의 화학식을 가-

진 물질로 나프탈린술폰산염 술폰아미드 사카린 등 DNS (O-benzoic sulphimide)

이 이에 속하며 이것이 소지가 가지고 있는 광택도를 그대로 유지하고 제 차 광택2

제의 흡착을 적절하게 조절하여 흡착작용을 완화시킴으로써 도금층의 내부응력을

감소시키고 취약성을 개선하는 역할을 한다 제 차 광택제로는 부틴디올 포 2 14

프말린 쿠마린 젤라틴 등이 있으며 도금층에 평활성을 부여하고 광택을 향상시킴

으로 경면광택을 얻을 수 있다 도금액에 광택제를 첨가함으로서 도금면의 결정이

미세화되고 평활해지는 것은 사실이니 과잉으로 첨가하면 오히려 내부응력 때문에

균열이 생기기 쉽다 그러므로 광택제는 적당량 첨가하고 유지를 위한 관리가 필요

하다 또한 전류밀도와 가 증가할수록 도금 층은 더욱 불균일해지기 때 aspect ratio

문에 높은 와 균일성을 요구하는 미세 구조물 제조에는 이런 광택제가aspect ratio

필수적이다 이들 광택제는 전극 표면에 강하게 흡착하거나 탈착을 반복하면서 도

금의 핵 생성과 성장거동에 영향을 주어 도금 층의 결정학적 성질을 변화시키는 것

으르 인식되나 아직 정확한 기구에 대해서 알려진 바 없다

도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리도금액 제조 및 관리5)5)5)5)

니켈썰파메이트 도금액은 일반적으로 응력이 낮고 석출 속도가 빠르기 때문에 전주

도금용으로 사용되고 있다 일한적인 도금액 조성은 썰파민산니켈 염화니 550gL

켈 붕산 이며 는 온도는 의 조건에서 사용된다 니켈5gL 30gL PH 35~45 60

썰파메이트 도금액의 제조방법은 일반적으로 증류수에 붕산 썰파민산니켈50

염화니켈을 순서대로 넣고 기계적 교반을 이용하여 완전히 용해한 후 가스를 삽Ar

입하여 용액 내 함유된 용존산소를 제거한다

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 57: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 57 -

제조된 도금액의 가 가 될 때까지 붕산을 보충한 후 와PH 45 PP filter carbon filter

를 번갈아 가면 도금액을 정제한 후 피트방지제를 소량 첨가한다 본 연05mLL

구에서는 도금 공정을 효율성 및 도금액의 항상성을 유지하기 위하여 차1 make

된 니켈썰파민산 용액을 구입하였다 구입한 도금액은 도금조에 넣고 충분히 용up

해시킨 후 와 를 번갈아 가며 정제한 후 약전 처리를 허였다PP filter carbon filter

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 58: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 58 -

표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법표 니켈썰파메이트 도금액 건욕 방법2222

니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경니켈도금의 이론적 배경6)6)6)6)

본 연구에서는 니켈전기도금공정을 이용하여 패터닝된 기판상에 메탈마스크 형PR

상을 제작하는 바 크기와 높이가 다른 다양한 패턴이 존재할 때의 균일한 도금 특

성을 얻는 것이 중요한 이슈이며 이에 대한 연구를 수행하였다 니켈 도금액은 Ni

니켈썰파메이트 액 등 여러 가지 종류가 있으나 그 중chloride wattrsquos bath

으로 도금한 니켈도금막이 가장 응력이 낮아 전주도금용으로 널sulfamate solution

리 사용된다 니켈 도금층은 패턴이 현상된 기판의 바닥면에서 시작하여 패턴닝된

구조물의 벽면을 따라 성장하므로 도금된 니켈 구조물의 벽면 조도 및 치수 정밀도

는 패턴 구조물의 상태에 따라 결정된다PR

패턴 영역에서의 전기도금은 상에서 이루어지는 도금과는 다른 특성을 나타낸bulk

다 주원인은 도금액 내에서 발생하는 금속이온의 물질이 동효과인 것으로 알려져

있다 즉 도금이 진행됨에 따라 패턴 사이의 좁은 공간 사이로 이동하는 금속 이온

들은 음극 근처에서 고갈된 후 이들은 용액의 부분으로부터 이온들을 원활하bulk

게 공급받지 못하여 확산층이 증가하게 되고 따라서 도금속도가 저해되는데 이러한

도금속도의 차이는 확산층 길이 및 금속 이온의 농도 구배 등에 의존한다

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 59: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 59 -

확산층 및 농도 구배는 패턴의 높이 및 선폭에 따라 차이가 나며 이러한 현상을 물

질 이동 효과라 한다 그 밖에도 도금 두께편차는 의 저항에 의한 전 plating base

자공급의 능력 차이에 의해서도 영향을 받는다

본 기초연구에서는 도금 두께편차를 최소화시키고 정밀도금을 위한 연구의 일환으

로 물질이동 효과 및 기구연구 에 따른 도금 거동 연구 등을 조사하 plating base

였다

가 의 영향가 의 영향가 의 영향가 의 영향) plating base) plating base) plating base) plating base

기판 위에 전기도금을 이용한 도금 구조물을 형성하기 위해선 전기도금 층이 핵 생

성 및 성장을 할 수 있는 도전 층이 필요하다 이를 라하며 니켈도금 plating base

을 위한 전도성 가 갖추어야할 조건들은 다음과 같다plating base

낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항낮은 면 저항①①①①

외각 접점방식에서는 도금 시 기판의 외각에서 중심으로 들어갈수록 음극 지그 접

점과 멀어지고 그에 따른 저항이 점차 증가하기 때문에 도금이 완료된 후 기판 전

체의 도금층은 두께 편차가 발생한다 이러한 현상은 기판의 면 저항값이 크면 클

수록 외각 부위와 중심부 간의 두께 편차는 더욱 심해진다 따라서 도금용 기판은

가능한 전도도가 높은 기판을 선택해야하며 도금 지그의 접점 배열에 있어서도 전

체 면적에서 균일한 전류값을 인가할 수 있도록 균등 분할해야 한다 또한 기판과

정면으로 배치하고 있는 도금 소스인 양극 배열에 있어서도 기판의 중심부위와 외

각부위 간에 상호극간 거리를 차별화함으로서 전체 기판의 두께 편차를 억제할 수

있으며 기판 외각에서 중심으로 전자를 원활히 공급하여 부위별 저항에 의한 두께

편차 발생을 억제하여야 한다

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 60: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 60 -

과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력과의 밀착력PRPRPRPR②②②②

니켈전주도금 시 과 기판간의 밀착력이 우수하여야 원하는 패턴으로 도금되어PR

디자인된 형상을 구현할 수 있다 만약 밀착력이 좋지 못할 경우 밑으로 도금액 PR

이 침투하여 도금 후 의도하지 않았던 구조물이 제작된다 따라서 본 연구에서는

니켈도금 기저층으로 박막이 코팅된 실리콘 기판를 사용하였으며 과 기판간Au PR

의 밀착력을 향상시키기 위하여 코팅 전에 기판 표면을 로 충분히 수세하여PR IPA

전처리 하였으며 과의 밀착력을 향상시키기 위하여 일반적인 로 알PR PR promotor

려진 를 코팅하였다 스핀코터에서 기판을 으로 회전시키며HMDS 2000rpm HMDS

를 하였으며 에서 초간 유지하여 을 형성한 후dispense 2000rpm 30 promotor film

을 하였다JSR 151N coating

나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향나 물질 이동 효과의 영향))))

한 기판 상에 여러 가지 크기의 패턴이 공존하는 경우 도금 시 두께 편차가 발생하

고 또한 각 패턴의 전착 특성이 다양해지는데 이러한 현상이 발생하는 원인은

도금액에서 패턴 사이의 바닥에 있는 음극 표면으로의 물질이동bulk (mass

에 기인한 전류밀도분포 및 농도구배transport) electrode kinetics (concentration

등으로 보고되고 있다 이러한 문제를 극복하기 위해선 원인이 되는 물질이profile)

동 현상의 기구 및 인자를 파악하고 이를 개선할 조건을 찾아야 한다 이러한 물질

이동은 전극 전해액 구성에서 전류의 흐름에 따른 제반과정을 고려할 때 전극 내

에서의 전자의 이동이나 전극과 전해액 계면에 있어서의 전하이등반응 이외에 전해

액 내의 물질이동 과정을 고려할 필요가 있다 전기도금에 있어서 금속이온은 대류

확산 및 전기영동 의 세 가지 방법에 의(convection) (diffusion) (electro-migration)

해 도금액에서 전극 표면까지 이동된다 전기도금 시 반응속도는 이온의 영동bulk

에 지배되는 것이 아니라 오히려 전극계면으로의 이온의 확산속도나 이온이 전극에

서 전자의 주고받는 속도에 지배되는 경우가 많다

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 61: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 61 -

기존의 평판도금은 기판위에 도금 시 확산에 의한 이동은 이온의 양이 충분하므로

무시할 수 있다 그러나 패턴이 있는 경우에서는 대류에 의한 이온의 흐름만으로는

미세 패턴 사이의 깊은 바닥까지 닿을 수 없고 이때부터의 이온의 이동은 확산에

의존하게 되어 평판 상에서의 도금에 비해 확산 층의 두께가 커지게 된다 따라서

한계전류밀도의 크기가 크게 낮아져 이용 가능한 전류밀도의 가 낮throwing power

아진다

그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과그림 물질이동 효과15151515

그림 와 같이 도금 시 확산층은 식 과 같이 도금시간 경과에 따라 두꺼워 진15 (1)

=2 (Dt )δ ㆍ π 12 (1)

확산계수D

도금시간t

그러나 확산층의 두께는 무한정 성장하는 것이 아니라 확산층의 두께에 전이시간을

곱한 값보다 두꺼워지지는 않는다

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 62: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 62 -

즉 전해시간이 어느 정도 경과하면 전극표면의 금속이온 농도가 전극표면에서 이 0

된다 이때의 시간을 전위시간 이라 한다 전기도금과 같은 음극 (transition time) τ

반응에서 전극표면의 양이온 농도가 이 되는 시간은 전해의 전류밀도에 반비례하0

고 용액의 양이온 농도에 비례한다 그러므로 도금액의 금속이온 농도가 높으bulk

면 전극표면의 금속이온 농도는 곧 이 되지 않으나 전류밀도가 크면 빠르게 값에0 0

접근한다

확산속도와 전류의 관계는 다음과 같다

in F = D(Cㆍ0- C

X=0)δ

전류밀도i

전자가n

F Faraday Constant

확산계수D

C0도금액 에서의 이온농도 bulk

Cx=0전극표면에서의 이온농도

확산층두께δ

오른쪽 항의 Cx=0일 때 최대확산속도에 해당한다= 0 C

x=0가 일 될 때0

in F = D Cㆍ ㆍ0δ

i =n F Cㆍ ㆍ0 (2)ㆍ

오른쪽 항이 최대값을 나타낸 때에는 왼쪽항의 전류값도 최대값이 된다 이 최대전

류밀도를 한계전류밀도(i lim라 하고 이 이상에서는 전압을 높여도 전류는 증가하지)

않는다

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 63: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 63 -

전해액의 농도가 클수록 반대로 확산층의 두께가 얇아질수록 한계전류밀도는 커진

전류밀도 용액 교반상태 확산층의 두께와의 관계는 RDE(Rotating Disk

를 이용하여 계산할 수 있다 의 특성은 회전 중심으로부터 거리에Electrode) RDE

따라 전형속도로 증가하고 교반을 위한 전극 회전에 의해 용액의 흐름이 laminar

로 되므로 물질이동의 속도를 정확하게 계산할 수 있다 에 의하면 한계flow Levich

전류밀도는 아래 식으로 나타낼 수 있다

i lim = 062 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16ㆍω

12Cㆍ

0

를 으로 바꾸면rpmω

i lim = 020 n F Dㆍ ㆍ ㆍ23ㆍυ

-16(rpm)ㆍ

12Cㆍ

0(3)

상수F Faraday (96500 Cmole)

확산계수D ( sec)

kinematic viscosity( sec)υ

angular velocity(radianssec)ω

C0용액의 농도

식으로부터 에서의 확산층 두께 를 구할 수 있다 식과 식을 같(2) (3) RDE ( ) (2) (3)δ

다고 보면 의 회전속도에 따른 확산층 두께는RDE

= 161 Dδ ㆍ13ㆍυ

16ㆍω

-12

또는

= 50 Dδ ㆍ13ㆍυ

16(rpm)ㆍ

-12

로 나타낼 수 있다

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 64: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 64 -

일반적으로 D=10-5

인 값에서sec =001 sec 10 υ 2~ 10

4에서의 확산 두rpm

께는 로 나타난다 이 범위는 일반적인 스터링에 의해 주어지는5 ~ 50 100 ~

에 비해 작은 두께이다200

등은 이러한 와 유사한 구조로 그림 과 같이KLeyendecker RDE 16 RME(Rotating

을 이용하여 구조물의 형상 인자에 따른 한계전류밀도의Microstructure Electrode)

변화를 측정하고 확산 거리를 계산하였다

그림그림그림그림 16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Mi16 Rotating Miccccrostrrostrrostrrostrucucucucttttuuuure Elere Elere Elere Elecccctrodetrodetrodetrode

는 도전성 금속 실린더 표면을 절연성 폴리머로 입힌 후 실린더 끝의 폴리머층RME

을 마이크로 드릴로 뚫어 그 부분만 금속이 노출되는 원형의 마이크로 홀을 형성한

것으로 홀직경은 로 일정하고 구조물 높이는 각각 로 제작하200 100 200 500

였다 실험결과 한계전류밀도는 회전속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내

었으며 이러한 차이는 높이가 낮을수록 더욱 커졌다 이 결과를 위에서 계산한 결

과와 비교하면 경향이 유사한 것을 알 수 있다 한편 이들은 회전속도에 다른

의 확산층 두께를 계산하였는데 이때 구조는 높이에 대해RME RME 500 50

의 홀 직경으로 가정하였다 계산 결과 전체적으로 에 비해 확산층100 200 RDE

이 두꺼웠고 회전속도와 층 두께간의 관계는 에서와 같은 선형 관계가 발견되RDE

지 않았다

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 65: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 65 -

대체로 교반이 증가할수록 확산층 두께는 감소하는데 교반이 없는 경우 확산층의

두께는 정도이지만 높이의 경우 회전속도가 일 때300 200 700rpm 200

일 때 로 감소하였다 이 결과로 보아 구조물 높이가 증가하고 폭이2000rpm 75

작아질수록 대류가 물질이동에 기여하는 정도가 감소함을 알 수 있다 따라서 물질

이동의 차이를 최소화하기 위하여 도금이 영역에서 이루어지도록kinetic control ii

lim 의 비율을 조절해야하며 적절한 대류과정이 필요하고 전기 도금 시 전류 및 전

압 인가방식의 변화가 요구된다 도금 시 확산층 두께의 증가를 최소화하기 위해선

이온고갈속도를 최소화시키거나 고갈된 이온의 빠른 보충이 이루어져야한다 이러

한 효과를 주기 위한 방법으로 도금 시 전류밀도를 낮추어 도금 속도를 전체적으로

감소시키던지 교반으로 용액순환을 원활히 하여 이온의 고갈에 따른 확산층 증가

를 억제하여야 한다

본 연구에서는 이러한 물질이동현상이 의 도금에 미치는 영100 thick PR pattern

향을 살펴보고 이러한 현상을 개선하기 위한 연구의 일환으로 도금 시 이온이동Ni

기구 변화에 의한 평판 도금과의 도금 속도 차이를 관찰하였다 또한bulk pattern

간 깊이 변화 및 도금 시 전류밀도가 금속이온의 이동 및 도금속도에 미치는 영향

을 관찰하였다 우선 이 없는 평판에 도금을 실시한 경우 도금속도 pattern bulk Ni

는 그림 에 나타난 것처럼 전류밀도가 증가할수록 도금속도가 증가함을 알 수 있17

다 또한 법칙에 의해 계산된 도금속도와 실험에 의해 측정된 도금속도를 Faraday

비교해 본 결과 의 전류밀도인 경우 계산치가 에 대해 실험값은 1A 02 min

을 도금속도를 얻었으며 음극전류효율은 이고 도금전류밀도가018 min 90 3A

로 증가하는 경우 도금속도는 로 계산치인 5A 054 mim 087 min 06

에 대해 각각 음극전류효율은 로 나타났다 인가한 전류min 10 min 90 87

밀도에 대한 음극에서 도금에 소모된 전류비율인 음극전류효율은 전반적으로 약

이었다90

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 66: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 66 -

그림 은 전류밀로에 따른 패턴 부분과 상에서의 도금속도 차이를 비교18 bulk sub

한 것이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도 변변변변화화화화17171717

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 67: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 67 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 평따른 평따른 평따른 평판상과 패판상과 패판상과 패판상과 패런런런런 사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교사이에서의 니켈도금속도 비교18 b18 b18 b18 buuuullllkkkk SSSSUUUU-8-8-8-8

그림 에서 알 수 있듯이 패턴 사이에서 도금된 경우가 평판 상18 100 SU-8 bulk

에서 도금한 경우보다 가 전반적으로 낮음을 알 수 있다 이는 음극 근plating rate

처에서 금속이온들이 도금이 진행되는 동안 고갈되면서 나타나는 현상이다 평판

상에서 이루어지는 도금인 경우 도금액의 로부터 원활한 이온 공급을 받아bulk bulk

일정 속도로 도금이 진행되지만 상대적으로 미세한 구조를 갖는 패턴 사Ni SU-8

이에서는 이온 공급이 원활치 못하여 물질이동이 확산에 의해 지배되며 도금이 진

행되면서 확산층이 증가하여 이것이 전체 도금 속도를 감소시킨 것으로 추정된다

정밀 금속 구조물을 제작하기 위해서는 도금 시 응력 및 도금편차가 최소화되어야

한다 본 연구에서는 도금층 두께 편차 및 도금 시 발생하는 를 최소화하기 stress

위한 적정조건을 확립하였다 도금 조건은 상기 여러 기초실험을 통하여 도금 응력

이 가장 적은 조건인 으로 하였고 이때 도금 속도는 이다 본 도1Ad 018 min

금에서 사용한 도금장치는 와 로 구성되어 있고 도금지그를 회main bath reservoir

전시킬 수 있는 회전축이 설치되어있다

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 68: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 68 -

표 은 본 연구에서 사용한 니켈 도금액의 조성 및 도금조건을 표 는 니켈 코발트3 4 -

합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있다

표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈도금용액의 조성 및 도금조건3333

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 69: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 69 -

니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석니켈 도그구조물의 특성분석4444

가가가가 순순순순수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석수 니켈전주도금의 물성 분석

탐침구조물 도금용 니켈전주도금 용액은 니켈썰파메이트 도금액과 니켈 코발트 합-

금도금용액을 사용하였다 도금액의 도금조건 및 관리방법은 표 와 표 에 각각 2 3 4

나타나 있다 본 연구에서는 도금조직을 미세화하고 표면경도를 증가시키기 위하여

형 전류 인가방식과 형 전류 인가방식을 혼합하여 사용하였으며 도금용액Pulse DC

을 연속분사하면서 동시에 도금시편을 회전하면서 니켈전주도금을 진행하였다 전

주도금 공정조건을 확립하기 위하여 전류밀도 및 분사방식에 따른 도금속도 표면

경도 표면 거칠기 비저항 변화 분석 및 결정립크기 등 기초실험을 통하여 XRD

적정 도금조건을 확립하였으며 그 결과를 탐침구조물 도금에 적용하였다 먼저 전

류밀도 및 순환방식에 따른 도금 석출속도를 정리하였다 대략적으로 10 A hr

정도의 석출속도를 유지하고 있음을 알 수 있었으며 그 결과 패턴의 면적 및 두PR

께에 따른 대략적인 도금시간을 유추할 수 있다 본 연구에서는 기본 도금 두께를

로 지정하고 그 두께까지의 도금석출시간을 확인하고 단위 시간당 도금두께를40

정량화하였다 그림 는 전류밀로에 따른 도금석출속도의 변화를 보여주고 있다 19

탐침 도금구조물은 고집적 칩의 불량 유무를 검사할 수 있는 칩 검사모듈을 구성하

는 핵심부품으로서 칩 패드와의 직접 접촉에 의해 회로의 단락유무를 측정하기 때

문에 사용빈도에 따라 탐침 마모가 매우 중요한 신뢰성 평가항목이다 본 연구에서

는 도금조건에 따른 탐침구조물의 경도변화를 측정하고자 및 형 전류 인DC Pulse

가방식에서 용액 고속 순환과 비 순환상태에 따른 경도를 측정하였다 측정결과 경

도는 정도의 분포를 가지며 의 전류밀도에서 도금용액 고속200 ~ 500Hv 05Ad

순환을 병행한 결과 구조물의 표면경도 값이 가장 높음을 알 수 있다 또한 전 DC

류인가 방식과 방식으로 전류인가 방식을 달리 했을 때 도금 표RP(reverse pulse)

면의 경도 변화를 측정하였다 그림 은 전류인가방식에 따른 도금구조물의 표면 20

경도 변화를 보여준다

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 70: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 70 -

전전전전류류류류인가 방식에인가 방식에인가 방식에인가 방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도a) Pa) Pa) Pa) Puuuulselselselse

전전전전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 있어있어있어있어 전전전전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금속도도금속도도금속도도금속도b) DCb) DCb) DCb) DC

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 도금 속도도금 속도도금 속도도금 속도 변변변변화화화화19191919

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 71: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 71 -

전전전전류류류류밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에밀도 증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화a) DCa) DCa) DCa) DC

전전전전류류류류증가에증가에증가에증가에 따른따른따른따른 도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도도금구조물의 경도 변변변변화화화화b) Pb) Pb) Pb) Puuuulselselselse

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 72: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 72 -

전전전전류류류류인가 및인가 및인가 및인가 및 순순순순환방식에환방식에환방식에환방식에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화cccc))))

그림그림그림그림 순순순순수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에수니켈도금에 있어있어있어있어 도금조건에도금조건에도금조건에도금조건에 따른따른따른따른 경도경도경도경도변변변변화화화화20202020

니켈도금 시 부위별 및 비저항 거동은 매우 중요하다 본 연구에서는roughness

최적의 니켈도금 조건을 결정하기 위하여 에서 까지 전류 밀도를05Ad 3Ad

변화시키며 니켈도금을 하였다 그림 은 전류밀도 변화에 따른 도금 부위별 21

를 관찰한 결과이며 그림 은 등 전류 인roughness 22 DC Pulse Reverse Pulse

가방식에 대한 개념도이고 그림 은 전류 인가방식에 따른 도금표면 상태를 관찰23

한 결과이다 기존의 일반적인 인가방식에 비해 전류인가방식으로 도금 시 DC PR

핵생성 의 증가로 인하여 가 미세화된 것으로 판단된다 인가방size grain size DC

식에 비해 방식으로 도금된 표면의 조직이 상대적으로 미세한 것으로 확인RP PS

되었다 그림 에서 관찰한 결과를 확인하고자 도금 표면의 거칠기를 측정하였다 28

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 73: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 73 -

측정기를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였으며 각각의 전류인가방식에 따dectak

른 표면 거칠기를 비교분석하였다 결과에서 알 수 있듯이 일반적인 전류인가 DC

방식으로 도금한 결과에 비해 및 전류인가방식으로 도금한 결과 표면조도가RP PS

우수함을 알 수 있었다 그림 는 전류인가방식에 따른 도금표면의 거칠기를 측정 24

한 결과이다

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화21 ro21 ro21 ro21 rouuuugggghhhhnessnessnessness

인가방식인가방식인가방식인가방식DCDCDCDC

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 74: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 74 -

인가방식인가방식인가방식인가방식RPRPRPRP

인가방식인가방식인가방식인가방식PSPSPSPS

그림 및 전그림 및 전그림 및 전그림 및 전류류류류인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개인가 방식에 대한 개략략략략도도도도22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS22 DC RP PS

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 75: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 75 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면DC (DC (DC (DC (ccccontinontinontinontinuuuue)e)e)e)

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면RPRPRPRP

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 76: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 76 -

전전전전류류류류인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면인가 방식에 의한 도금 표면PSPSPSPS

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상도금표면의 형상23232323

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류인가방식에인가방식에인가방식에인가방식에 따른따른따른따른 도금 표면의도금 표면의도금 표면의도금 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기24242424

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 77: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 77 -

상기 도금결과를 분석하여 최적의 도금조건을 찾고자 하였다 먼저 전류밀도 변화

에 따른 도금 조직을 관찰하였다 그림 는 전류밀도에 따라 변화하는 도금조직을 25

관찰한 결과이며 실험결과 전류밀도가 일 때 가장 조밀한 도금 조직을 얻3Ad

을 수 있었다 또한 이러한 도금조직의 형상변화를 분석하기 위하여 각 전류밀도별

도금조직을 로 분석하였다 그 결과 그림 에서 알 수 있등이 전류밀도가XRD 26

에서 로 증가함에 따라 도금 조직의 가 변하고 있음을 알01Ad 4Ad texture

수 있으며 이는 도금 조직이 형상에서 형상으로 변화되고 있음을columner granular

알 수 있다 분석 결과는 초기실험결과인 전류밀도 변화에 따른 비저항 거동 XRD

및 표면 변화와도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다 그림 은 전류밀roughness 27

도에 따른 전류밀도에 따른 비저항 거동의 편화를 측정한 결과로서 낮은 전류밀도

영역에서는 미세 결정립의 분포가 지배적이기 때문에 미세입계 분포로 인한 비저형

값 증가를 보이고 있으며 전류밀도가 증가함에 따라 결정립 성장에 의한 입계영역

의 감소로 비 저항값이 감소하고 있음을 알 수 있다

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도a) 05a) 05a) 05a) 05 AAAAdddd

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 78: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 78 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도b) 1b) 1b) 1b) 1 AAAAdddd

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도cccc) 2) 2) 2) 2AAAAdddd

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 79: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 79 -

전전전전류류류류밀도밀도밀도밀도d) 3d) 3d) 3d) 3AAAAdddd

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의 형상의 형상의 형상의 형상변변변변화화화화25252525

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 니켈도금조니켈도금조니켈도금조니켈도금조직직직직의의의의 변변변변화화화화26 te26 te26 te26 texxxxttttuuuurererere

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 80: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 80 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른따른따른따른 비저항비저항비저항비저항 거거거거동동동동 변변변변화화화화27272727

분석 결과 도금구조물은 과 결정면으로 우선성장 방위를 가짐을XRD (111) (200)

보여주고 있으며 도금 조건에 따라 각 결정면의 가 차이를 보이고relative intensity

있음을 확인하였다 이 결과는 도금구조물의 경도 강도 비저항 등 일반물성에 있

어 차이를 보이는 메카니즘을 규명하기 위한 중요한 기초 이다 즉 전류밀도data

가 증가할 수 록 방향으로의 성장이 지배적이며 결정립 크기가 증가하고 있고(200)

구조를 가짐을 확인하였다 그 결과 전류밀도가 증가할 수 록 표면경도와columner

비 저항값은 감소하고 있으며 이는 면과 면 사이의 상대 크기의 비율이(111) (200)

높을 수 록 보다 밀도가 높은 도금조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 은 28

도금 전류밀도에 따른 변화를 보여주고 있으며 그림 과 그peak intensity ratio 29

림 는 각각 방향과 방향에서의 전류밀도에 따른 결정립 크기를 그림30 (111) (200)

은 전류밀도에 따른 평균 결정립 크기를 계산한 결과이다31

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 81: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 81 -

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도에밀도에밀도에밀도에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화28 pea28 pea28 pea28 peakkkk intensity ratiointensity ratiointensity ratiointensity ratio

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈29 (111) S29 (111) S29 (111) S29 (111) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 82: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 82 -

그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서그림 면 기준에서 를를를를 이용한 결정이용한 결정이용한 결정이용한 결정립립립립사이사이사이사이즈즈즈즈30 (200) S30 (200) S30 (200) S30 (200) Schchchcherrererrererrererrerrsquorsquorsquorsquossss fffforororormumumumulalalala

그림 전그림 전그림 전그림 전류류류류밀도밀도밀도밀도 변변변변화에화에화에화에 따른 평균따른 평균따른 평균따른 평균결정결정결정결정립립립립 사이사이사이사이즈즈즈즈31313131

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 83: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 83 -

나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석나 니켈합금 도금구조물의 특성분석

상기 실험 결과에서 알 수 있듯이 순수니켈 도금구조물의 경우에는 전류05Ad

밀도 조건에서 최대 경도값인 를 얻었다 그러나 이 도금조건은 탐침 도금구490Hv

조물을 양산하기에는 석출속도가 너무 느리고 경도 역시 탐침의 안정한 내마모성을

유지할 수 없다 따라서 본 연구에서는 순수니켈 도금실험에서 얻은 결과를 토대로

니켈 코발트 합금도금을 진행하였다 니켈 코발트 합금도금은 순수니켈 에- - matrix

코발트 이온이 고용된 구조로 이루어져 있으며 이러한 고용강화효과 및 dislocation

분포에 의하여 경도 및 강도를 강화할 수 있다 일반적으로 합금도금은 합금되는

상호 이온들의 혼합비에 따라 물성이 달라지며 스트레스 또한 지배적인 영향을 받

는다 본 연구에서는 니켈이온과 코발트이온 간의 혼합비에 따른 도금구조물의 경

도변화를 연구하였으며 그 결과를 탐침구조물 의 도금공정에 적용하였다 표 는 4

니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건을 보여주고 있으며 그림 는 상기- 32

니켈합금도금용액을 이용하여 도금된 시표의 성분 분석비를 로 분석한 결과이EDX

표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건표 니켈 코발트 합금도금용액의 조성 및 도금조건4 -4 -4 -4 -

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 84: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 84 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1268

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과a)a)a)a) NNNNi(90i(90i(90i(90)))) Co(10Co(10Co(10Co(10) EDX) EDX) EDX) EDX

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 85: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 85 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2718

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과b)b)b)b) NNNNi(83i(83i(83i(83)))) Co(17Co(17Co(17Co(17) EDX) EDX) EDX) EDX

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 86: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 86 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 1525

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과cccc)))) NNNNi(75i(75i(75i(75)))) Co(25Co(25Co(25Co(25) EDX) EDX) EDX) EDX

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 87: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 87 -

Accelerating Voltage 2000 Live Time 10000

Gaussian Fit Chi-squared value 2197

Correction Method ZAF

AccVoltage 200 Take Off Angle 350 deg

합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과합금도금 구조물 분석결과d)d)d)d) NNNNi(73i(73i(73i(73)))) Co(21Co(21Co(21Co(21)))) FFFFe(6e(6e(6e(6) EDX) EDX) EDX) EDX

그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과그림 니켈합금도금 구조물의 성분분석 결과32 EDX32 EDX32 EDX32 EDX

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 88: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 88 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른따른따른따른 경도경도경도경도 변변변변화화화화33333333

그림 많은 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량에 따른 경도 변화를 보여주고-

있다 결과에서 알 수 있듯이 코발트 이온의 함량에 따라 일정 비율까지는 경도가

증가하지만 약 이상의 혼합비에서는 경도가 오히려 감소하고 있음을 확인하였20

다 따라서 니켈 코발트 합금도금에 있어 최대 경도를 확보할 수 있는 합금비율은 -

를 초과해서는 안 된다 또한 코발트 혼합비에 따라 합금도급 구조물에서 발생20

하는 를 측정하였다 그림 에서 알 수 있듯이 코발트 함량이 약internal stress 34

일 때 스트레스가 가장 낮았고 코발트 함량이 높아짐에 따라 압축응력상태에서15

인장응력상태로 스트레스가 변해가고 있음을 확인하였다 상기 결과에서 알 수 있

듯이 니켈 코발트 합금도금에 있어 코발트 함량이 약 일 때 가장 높은 경도값- 15

을 갖는 동시에 가장 낮은 를 가짐을 알 수 있다 따라서 니켈 코발internal stress -

트 합금도금 시 최적의 합금도금 비율은 라 할 수 있다15

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 89: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 89 -

그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에그림 코발트 합금비에 따른 변따른 변따른 변따른 변화화화화34 internal stress34 internal stress34 internal stress34 internal stress

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 90: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 90 -

제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가제 절 기술지원 목표 대비 실적평가4444

기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과기술지원 추진일정 및 수행주체의 담당업무 성과1111

본 과제에서는 크게 세 가지 대표적인 공정기술에 대한 기술지원을 하였다 LTPR

을 이용한 정밀 패터닝 공정기술 탐침구조물 제작을 위한 니켈전주도금기술 그리

고 두께 균일도 가공인 공정기술이다 정밀CMP(Chemical Mechanical polishing)

패터닝 공정기술은 전자부품연구원 내 크린룸에서 적정조건을 확립한 후 주 코셈( )

에서 독자적으로 공정을 진행할 수 있도록 기술지원을 하였다 주 코셈은 동수원 ( )

이의동에 위치한 나노특화팹센터로 회사를 이전하여 장비 및 유틸리티를 활용하고

있다 전자부품연구원이 보유하고 있는 설비 및 도금장비를 이용하여 도금용액을

제조하였으며 도금용액에 대한 기초물성 테스트 후 패터닝 되어있는 기판상에 니켈

전주도금을 진행하였다 도금용액은 각각 순수 니켈썰퍼메이트용액과 니켈 코발트 -

합금도금용액으로 나누어 제조하였고 각각의 특성을 평가하였다 도금공정에서 확

보된 연구결과를 바탕으로 나노특화팹센터 내에 정밀전주도금장치를 활용하여 자체

적으로 도금을 진향할 수 있도록 기술을 지원하였다 두께 균일도 확보를 위한

공정은 전문업체와 협력관계를 체결하고 공정지원을 받을 수 있도록 계약을 체CMP

결하였으며 향 후 양산 정도에 따라 공정기술에 필요한 장비 및 유틸리티를 설CMP

치하고 기업으로부터 기술을 이전받을 수 있도록 진행할 예정이다

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 91: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 91 -

기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용기술지원 일정 및 세부 지원내용2222

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 92: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 92 -

과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적과제 목표 대비 기술지원 실적3333

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 93: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 93 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 을 이용하여 정밀 패터닝을 하였으며 구현된 패턴JSR 151N PR PR

사이를 니켈전주도금으로 채워 탐침구조물을 제작하였으며 기존 금속에칭제품과 본

과제에서 제작한 도금 탐침구조물을 비교분석하였다 정밀도 표면 경도 및 표면 조

도 등에서 다수의 평가항목에서 본 연구 결과가 금속에칭 제품보다 매우 우수한 결

과를 보여주고 있다

향후에는 새롭게 개발되고 있는 포토레지스트를 대상으로 기초실험을 통하여 지금

보다 구현한계 및 패턴 정밀도를 보다 개선할 수 있는 연구를 지속적으로 진행해야

할 것이며 탐침도금구조물의 내마모성을 보다 개선하기 위하여 새로운 합금도금용

액 제조 및 고밀도 고강도 도금기술을 지속적으로 연구해야할 것이다

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 94: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 94 -

주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 종합1 ㆍ

기술지원사업의 기술지원보고서이다

이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2

산업자원부에서 시행한 부품 소재종합기술지원사업의ㆍ

기술지원결과임을 밝혀야 한다

- 95 -

Page 95: KETI-RD-2006075 MEMS 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 … · 2012-01-06 · keti-rd-2006075 mems 프로브카드용 수직형 탐침 도금구조물 제조기술

- 95 -