Nano-indenter는 팁을 박막 표면으로부터 일정 깊이까지 일정한 비율로 힘을 팁에 인가하여 그에 따른 박막의 반응을 in-situ로 확인하기 위하여 고안된 장치이며, 박막은 물론 나노 구조물까지 다양한 범위에서 기계적 특성을 분석하기 위하여 사용되고 있다. 이 연구에서는 유전체 및 확산방지막으로 사용되는 Hf을 rf magnetron sputter로 증착하였으며 이때 Ar 가스와 함께 $N_2$ 가스의 혼합 비율을 다르게 하여 HfN을 증착하였다. 질소 분압에 따라 증착된 HfN 박막은 고온중에서 질소의 영향을 확인하기 위하여 $800^{\circ}C$로 질소 분위기에서 20분간 열처리하여 이후 박막의 nano-mechanical 특성을 nanoindenter를 사용하여 확인하였고 최대 압입력을 250 ${\mu}N$으로 고정하였다. 측정결과 고온 열처리후 HfN 박막은 증착시 질소 분압이 0%에서 5%로 증가함에 따라 surface hardness는 8.6 GPa에서 8.1 GPa로 elastic modulus는 123.7 GPa에서 134 GPa로 각각 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 질소 분압이 2.5%로 증착된 HfN 박막은 열처리후 박막 표면의 물리적 특성이 깊이 방향으로 층을 이루고 있어 nano-indenter 압입시 다수의 pop-in이 나타남을 확인하였다.
MOD법을 마이크로회로용 티탄산 바륨 콘덴서 박막형성에 적용하였다. Barium decanoate barium 2-ethylhexanoate titanium dimethoxy didecanoate 및 titanium dimethoxy di-2-ethylhexanoate와 같은 여러 가지 금속유기화합물들을 합성하고 동정한 다 음 공통용매에 대한 용해도를 시험하였다. 이금속유기화학물들 가운데 barium 2-ethylhexanoate와 titanium dimethoxy di-2-ethylhexanoate가 xylene-pyridine 혼합용매에 잘녹고 MOD법에 의한 BaTiO3 박막형성에 매우 안정한 조성을 이룸을 확인하였다. 이 조 성을 스핀코팅에 의하여 백금박과 실리콘 웨이퍼상에 금속유기화학물 막을 형성하고 최고 온도와 유지시간에 따라 소성하여 형성된 유전체 박막들의 전기전 특성을 측정하고 고찰하 였다.
진공 증착법으로 수정 기판 위에 증착된 유전체 고반사 다층 박막의 산란을 TIS 방법을 이용하여 측정하였다. 기판온도 250~300.deg. C에서 증착한(Ta$_{2}$O$_{5}$/SiO$_{2}$) 다층 박막의 산란율은 0.048~0.050%이며 300.deg. C에서 4시간 열처리에 의하여 영향을 받지 않았다. 기판온도 250.deg. C에서 증착한 (TiO$_{2}$/SiO$_{2}$) 다층 박막의 산란율은 0.029%이며 열처리에 의하여 심한 인장 응력을 받았다. 두 다층 박막의 표면 거칠기는 거의 차이가 없었고 Ta$_{2}$O$_{5}$ 박막의 기둥이 TiO$_{2}$ 박막보다 작고 조밀도는 (Ta$_{2}$O$_{5}$/SiO$_{2}$) 다층 박막이 큰 것을 알 수 있었다. (Ta$_{2}$O$_{5}$/SiO$_{2}$) 다층 박막의 산란율이 큰 것은 Ta$_{2}$O$_{5}$ 박막이 더 조밀하고 기둥 크기가 작으므로 박막 내에 기둥 수가 증가하여 체적 산란이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 것으로 판단된다.
칩의 크기가 감소함에 따라 RC (Resistance, Capacitance) 지연, 전력소비증가 및 신호잡음 등이 문제가 되어왔다. RC지연 문제는 배선에 알루미늄 보다 비저항이 낮은 구리를 사용하고 절연막으로 유전상수가 낮은 물질을 사용하여 개선될 수 있다. 이와 같은 맥락에서 점차 저유전상수 박막의 필요성은 증가하고 있다. 그러므로 이를 개선하기 위해 저 유전상수 값을 가지는 물질을 개발 혹은, UV나 플라즈마 그리고 열을 이용하여 처리하는 연구가 절실히 요구되고 있으며, 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 이 논문에서 저유전박막은 HDP-CVD (High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) 시스템에서 (CyOz)-SiHx와 O2의 비율을 각각 변화시키면서 증착 되었다. (CyOz)-SiHx와 O2의 비율은 60/150, 60/180, 60/210, 60/240로 증가하면서 증착하였다. 그리고 surface profilometer을 이용하여 박막의 증착율을 측정하고 LCR meter를 이용하여 정전용량을 측정하여 유전상수 값을 얻었다. 박막의 화학적 조성과 구조는 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)로 측정하였다. 박막의 유동 특성은 SEM (Scanning electron microscope) 이미지로 살펴보았다.
낮은 산소 부분압과 긴 타깃-기판 거리에서 DC 반응이온 마그네트론 스퍼터링(reactive magnetron sputtering ; RMS) 방법으로 $TiO_2$ 박막을 증착하였으며, 증착되는 박막에 end-Hall 이온 소스를 이용하여 아르곤 이온빔 보조 증착을 해 주었다. $TiO_2$ 박막의 광학적 특성은 분광광도계에서 측정된 투과율과 반사율 스펙트럼을 이용하여 분석하였고, 구조적 특성은 AFM과 XRD를 이용하여 분석하였다. 이온빔 보조 RMS 방법으로 증착된 $TiO_2$ 박막은 일반적인 RMS로 증착된 박막보다 조밀도가 높고, 흡수가 낮으며, 표면거칠기가 작았다. 본 연구에서는 이온빔 보조 RMS 방법이 유전체 광학박막 코팅에 적용될 수 있음을 보여준다.
표면 플라즈몬 공명(SPR:Surface Plasmon Resonance) 현상은 금속이나 유전체 박막의 두께 및 광학계수 등의 측정이나 센서로 주로 응용되어 왔다. 특히, 최근에는 SPR을 이용한 광 센서나 광 변조기, 파장필터, 광 스위치 등의 광소자에 대한 연구가 많이 되고 있다 본 논문에서는 액체의 농도에 따라 유전 상수가 변하는 것을 이용하여 SPR 광센서가 가능함을 보였다. (중략)
본 연구는 다중주파수에 공진하는 안테나에 관한 것으로서, 유전체기판 상에 루프안테나용 동박패턴을 복합적으로 폴딩하여 기본주파수 이외 고 차주파수를 동시에 공진하는 안테나에 관한 것이다. 복합폴딩기법을 통하여 안테나 면적을 줄이는 동시에 폴딩된 루프들의 상호결합 현상을 이용하여 고차모드 공진을 야기하여 다중주파수에 공진이 되게 하는 특징을 가지고 있다. 기본공진주파수를 공진하는 루프안테나의 크기를 줄이기 위하여 루프안테나의 패턴에 폴딩을 수차례 가하여 면적을 줄이면서, 폴딩 루프사이의 결합계수를 조절하여 면적이 좁은 유전체기판 상에 다중주파수를 공진하는 안테나를 제작할 수가 있게 되었다. 실제작에서 크기 $30mm{\times}9mm$ 이하의 사이즈에, 두께 20um 이하의 박막의 유전체기판에 CDMA850 휴대폰대역 및 GPS, DCS, PCS, WCDMA 등의 주파수에 동시에 공진하는 안테나를 구현하여 게인 0dBi 이상 방사효율 50% 이상의 안테나를 구현할 수가 있어, 복수개의 주파수를 사용하는 스마트폰이나 소형 멀티미디어단말기에 유용하게 사용할 수가 있다.
$Ta_2O_5$ 박막은 실리콘산화막, 실리콘질화막 박막에 비해 유전율은 높으나 누설전류밀도가 높고, 절연파괴강도가 낮아 DRAM의 커패시터용 재료로서 실용화가 되지 못하고 있다. 본 연구에서는 LPCVD법으로 형성시킨 $300{\AA}$ 두께의 $Ta_2O_5$ 유전체박막에 대해 후속열처리 또는 전극재료를 변화시켜 열악한 전기적 특성의 원인을 규명하고자 하였다. 그 결과 다결정 실리콘 전극의 경우 성막상태의 $Ta_2O_5$ 박막은 전극에 의한 환원반응에 의해 전기적 특성이 열화됨을 알 수 있었고, 이를 TiN 전극의 사용으로 억제시킬 수 있었다. 다결정 실리콘 전극의 경우 성막상태의 $Ta_2O_5$ 유전체는 누설정류밀도가 $10^{-1}A/cm^2$, 절연파괴강도가 1.5MV/cm 정도였으며, $800^{\circ}C$에서 $O_2$열처리를 하면 전기적 특성은 개선되나, 유전율이 낮아진다 TiN 전극을 채용할 경우 누설전류밀도 $10^{-6}~10^{-7}A/cm^2$, 절연파괴강도 7~12MV/cm 로 ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 박막과 비슷한 $Ta_2O_5$ 고유전막을 얻을 수 있었다.
PDP의 저가화, 친환경화, 고화질화는 타 디스플레이와 경쟁을 위해 필수적이고 그로 인한 소재의 개발이 필요하다. 저가화는 부품, 공정에서도 가능하지만 소재에서의 원가가 상당부분을 차지하고 있기 때문에 소재 개발이 중요하며, 친환경화는 현재 유전체에서 많이 사용되고 있는 유해소재를 친환경 소재로 대체함으로써 개발이 이루어지고 있다. 그래서 우리는 현재 PDP에서 전극물질로 사용되어지는 고가의 Ag를 Gu입자에 Ag 박막으로 코팅한 Ag/Cu 전극 powder를 사용하여 저가의 전극 paste를 만들고 스크린 프린터와 노광장비를 사용하여 전극을 형성하였다. 그 후 친환경적인 Pb free 투명유전체를 입히고 전극과의 상호 매칭성을 연구 하였다. 결과적으로 기존 PDP 공정에서 볼 수 없었던 황변현상, 전극착색현상, 전극입자의 터짐성 등 많은 현상이 일어났지만, 기존 공정 온도보다 낮은 온도로 공정한 결과, 이러한 문제들이 줄어드는 것을 확인하였다. 이로써 공정단가의 저가화와 제품의 친환경을 가면서도 기존과 차이가 제품을 실현할 수 있을 것이다.
유전체 다층박막에 빛이 사각으로 입사할 결우 편광에 의존하는 현상이 나타나므로 사용하기에 바람직하지 못하다. 본 연구에서는 이러한 편광효과를 줄이기 위하여 기존의 몇가지 설계법을 이용하여 비편광 광분리기를 설계해 보고 이 방법들을 응용하여 박막의 광학적두께가 ${\lambda}$/4로 일정할 때 최외각등가층의 반사율을 조절하는 방법을 사용하여 비편광 광분리기를 설계하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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