• 한국진공학회지
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• 제21권5호
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• pp.273-278
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• 2012

현재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 $SiO_2$보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 부족한 상태이므로 본 연구에서는 게이트 절연층으로 최적화하기 위하여 $HfO_2$ 박막의 nano-mechanical properties를 자세히 조사하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si (silicon) 기판 위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 8 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 8 sccm으로 증착한 시료가 열처리 온도가 증가할수록 누설전류 특성 성능이 우수 해졌다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 결과, $HfO_2$ 박막의 stress는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 tensile stress로 변화되었다. 그러나 온도가 증가(600, $800^{\circ}C$)할수록 compressive stress로 변화 되었다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 hardness 값이 (산소유량 4 sccm : 5.35 GPa, 8 sccm : 5.54 GPa) 가장 감소되었다. 반면에 $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서는(산소유량 4 sccm : 8.09 GPa, 8 sccm : 8.17 GPa) 크게 증가된 것을 확인하였다. 이를 통해 온도에 따른 $HfO_2$ 박막의 stress 변화를 해석하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.315-316
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• 2012

반도체와 금속배선의 확산을 방지하기 위한 확산방지막의 필요성이 대두되고 있으며, 이에 대한 연구는 많은 연구 그룹에서 진행중에 있다. 하지만 이러한 연구의 대부분은 전기적, 결정학적 특성에 대하여 안전성 및 재료학적 연구에 국한되어 진행되어졌다. 본 연구그룹은 텅스텐(W)을 질화시킨 W-N 확산방지막에 대하여 연구를 진행하였고, 역시 결정학적 특성에 대한 열적인 안전성을 주로 연구하였으나, 본 연구에서는 W-N 박막의 나노영역에 대한 기계적 특성 평가에 주안점을 두어 W-N 박막의 stress를 nano-indenter 기법을 이용하여 측정하고자하였다. 특히 공정시간의 단축 효과 등의 이유로 박막의 두께를 감소시키는 현재 추세에 맞춰 더 얇은 W-N 확산방지막을 제작하였으며, 이에 대한 분석을 실시하였다. W-N 확산방지막은 Ar(Argonne), $N_2$ (nitrogen) 총유량을 40 sccm으로 고정하여, 질소 유입 조건을 0, 0.5, 1 sccm 으로 변화시켜 Si (silicon) (100) 기판 위에 rf (radio-frequency) magnetron sputter를 이용하여 증착하였다. 이때 W-N 박막의 두께를 30, 100 nm로 달리하여 증착하였으며, 증착된 박막은 질소 분위기 $600^{\circ}C$에서 30분간 열처리하였다. 증착된 시료는 nano-indent를 통하여 표면으로부터 10 nm 부근의 극 표면 물성을 측정하였다. 측정 결과, $N_2$ 가스의 유량을 0.5 sccm 흘려주면서 증착한 W-N 박막이 $N_2$가스를 흘려주지 않은 W 박막과 비교하여 압축응력을 덜 받아 비교적 열에 대하여 안정적임을 확인하였다. 또 30 nm 두께의 W-N 박막이 100 nm 두께의 W-N 박막보다 더 기계적으로 안정적인 상태임을 확인하였다.

• 한국진공학회지
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• 제21권1호
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• pp.12-16
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• 2012

Top-Emitting OLED (Organic Light-Emitting Diode) 디스플레이에서는 반사율이 가장 높은 Ag (silver) 박막이 쓰이고 있지만, 소자에서 요구되는 일함수(work function)가 상대적으로 낮기 때문에 전극과 유기물간에 에너지 장벽이 발생하여 발광효율을 낮추는 요인이 되고 있다. 본 논문에서는 Ag 전극의 일함수를 높이기 위한 연구를 진행하였으며, 박막 형태의 Ag 전극에 대하여 nanotribology 접근법으로 연구를 실행하였다. Ag는 rf magnetron sputter를 이용해 glass 위에 증착한 후 furnace에서 $300^{\circ}C$, 30분간 대기 중에서 열처리하였고, 또 다른 시료는 표면에 산소 상압플라즈마로 처리 시간(30, 60, 90, 120s)을 각기 다르게 하여 시료를 제조하였다. Ag 전극을 nanoindentation을 통해 국부 영역에 대한 물리적 특성의 변화를 측정하였고, Kelvin probe force microscopy을 이용해 시료 표면의 포텐셜을 측정했다. 그 결과 열처리한 시료의 포텐셜값은 가장 크게 증가하였지만 균일도가 낮아졌다. 120s 플라즈마 처리한 시료는 불완전한 산화막의 생성으로 인해 탄성계수 및 경도값과 박막의 Weibull modulus를 극히 낮게 만들었지만, 60s, 90s 플라즈마 처리는 시료의 균일도를 높이고 또한 포텐셜을 증가시켜 T-OLED 성능 개선에 좋은 영향을 미치게 될 것이다.

• 한국진공학회지
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• 제21권6호
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• pp.328-332
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• 2012

Ag (silver)의 일함수는 T-OLED (Top Emission Organic Light Emitting Diode)의 전극소자로 사용하기에는 다소 낮다는 단점이 있다(~4.3 eV). 이러한 단점을 해결하기 위한 대안으로 Ag 박막의 표면을 플라즈마, UV, 열처리를 통하여 일함수를 높이는 연구가 진행되어 왔다(~5.0 eV). 하지만 현재의 대부분 연구는 후 처리된 박막의 일함수에 초점을 맞춰 연구가 진행되어, 박막의 mechanical property에 대한 연구는 매우 부족하며 이는 T-OLED의 효율과 수명 등의 연구에 매우 중요하다. 본 논문에서는 Ag와 $AgO_x$ 박막의 mechanical property에 초점을 맞춰 분석을 실시하였다. Ag는 유리기판 위에 rf-magnetron sputter를 이용하여 100 W의 power에서 150 nm 두께로 증착되었다. 증착된 박막은 UV 램프를 이용하여 다양한 시간동안 UV 처리되었다(0~9분). 본 논문에서는 처리된 박막의 면저항을 측정하고 nano indenter, Scanning Probe Microscopy의 Atomic Force Microscopy mode를 이용하여 mechanical property를 분석하였다. 실험 결과 UV 처리 시간이 3분을 넘어가는 시편과 3분 이내의 시편은 면저항값 및 경도 값에 큰 차이가 있었다. 이러한 결과는 Ag 박막의 후처리에 따른 Ag 물질의 산화 및 결합상태에 따라 박막 내에 존재하는 stress의 영향으로 예상되어진다.

• 한국소성가공학회:학술대회논문집
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• 한국소성가공학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.108-111
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• 2007

It's important to measure quantitative properties about thermal-nano variation conduct of polymer for producing high quality components using NIL process. NanoScale indents can be used ad cells for molecular electronics and drug deliver, slots for integration into nanodevices, and defects for tailoring the structure and properties. In this study, it's to evaluate mechanical characteristic of polymer such as PMMA and PC at high temperature for manufacture of nano/micro size of polymer using indenter at high temperature. At high temperature mechanical properties of polymer have extreme variation. Because heating the polymer, it becomes softer than room temperature. In this case it is especially important to study for mechanical properties of polymer at high temperature.

• 대한기계학회논문집A
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• 제33권11호
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• pp.1233-1238
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• 2009

This study analyzed the characterization of high temperature strength of $Si_3N_4$ composite ceramics additive based on variations in the amount of nano colloidal $SiO_2$ added. Semi-elliptical cracks about 100 ${\mu}m$ length were obtained from a Vickers indenter using a load of 24.5 N. The results showed that the heat-treated smooth specimens with $SiO_2$ nano colloidal coating exhibited the highest bending strength at 0.0 wt% $SiO_2$ nano colloidal added, which is amounted to a 187 % increase over that of smooth specimen. Limiting temperature for bending strength of crack-healed zone for bending strength was about 1273 K. However, the bending strength of SSTS-3 and SSTS-4 was considerably increased while that of SSTS-1 and SSTS-2 was decreased at a temperature of 1,573K.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.386-386
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• 2013

반도체 소자의 소형화, 고집적화로 박막의 다층화 및 선폭의 감소 등의 복잡한 제조 공정이 불가피하고, 따라서 공정 중 실리콘 웨이퍼와 금속 박막사이의 확산을 방지하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 현재까지의 연구는 확산방지막의 nano-mechanics 특성 분석에 대한 연구는 전무하다. 본 논문에서 tungsten (W)을 주 물질로, nitrogen (N)을 첨가한 확산방지막을 질소 유량을 2.5, 5, 7.5, 10 sccm으로 변화시켜가면서 rf magnetron sputter 방법으로 tungsten-nitride (W-N) 박막을 증착하였다. 박막의 기본 물성인 증착율, 비저항 및 결정학적 특성을 ${\beta}$-ray, 4-point probe, X-ray diffraction (XRD)를 이용하여 측정하였고, 측정결과 증착 중 질소 유량이 증가할수록 W-N 박막의 비저항은 증가하였고 반대로 증착율과 결정성은 감소하였다. 이는 기존의 연구 결과와 비교하여 일치한 결과로 증착된 박막이 신뢰성을 가짐을 확인하였다. 이후 가장 관심사인 nano-mechanics 특성은 nano-indenter를 이용하여 측정하였다. 측정 결과 시료는 증착 중 질소 유량이 2.5 sccm인 시료를 기준으로 5 sccm 포함된 박막에서 load force-depth 그래프가 급격히 변화하는 경향을 나타내었고, 표면강도(surface hardness)는 10.07 GPa에서 15.55 GPa로 증가하였다. 이후 질소 유량이 7.5 sccm과 10 sccm에서는 12.65 GPa와 12.77 GPa로 질소 유량이 5 sccm 포함된 박막보다 상대적으로 감소하였다. 이는 박막내 결정상으로 존재하는 질소와 비정질 상태로 존재하는 질소의 비율에 의한 것이고, 압축력에 기인하는 스트레스 증가로 판단된다.

• 한국진공학회지
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• 제17권6호
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• pp.518-522
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• 2008

반도체 집적도의 비약적인 발전으로 박막은 더욱 다층화 되고 선폭은 더욱 미세화가 진행되었다. 이러한 악조건에서 소자의 집적도를 계속 향상시키기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 소자 집적도 향상으로 금속 배선 공정에서는 선폭의 미세화와 배선 길이 증가로 인한 RC지연이 발생하게 되었다. 이를 방지하기 위하여 Al보다 비저항이 작은 Cu를 배선물질로 사용하여야 하며, 또한 일부 공정에서는 이미 사용하고 있다. 그러나 Cu를 금속배선으로 사용하기 위해 해결해야 할 가장 큰 문제점은 저온에서 쉽게 Si기판과 반응하는 문제이다. 현재까지 본 실험실에서는 tungsten (W)을 주 물질로 W-C-N (tungsten- carbon - nitrogen) 확산방지막을 증착하여 연구를 하였으며, $\beta$-ray, XRD, XPS 분석을 통하여 고온에서도 Cu의 확산을 효과적으로 방지한다는 연구 결과를 얻었다. 이 연구에서는 기존 연구에 추가적으로 W-C-N 확산방지막의 표면을 Nano-Indenter System을 이용하여 확산방지막 표면강도 변화를 분석하여 확산방지막의 물성 특성을 연구하였다. 이러한 연구를 통하여 박막내 불순물인 질소가 포함된 박막이 고온 열처리 과정에서 보다 안정적인 표면강도 변화를 나타내는 연구 결과를 얻었으며, 이로부터 박막의 물성 분석을 실시하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제41회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.271-271
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• 2011

본 논문에서는 W-N 확산 방지막을 각각 다른 질소 유입 조건 (0 sccm, 0.5 sccm, 1 sccm) 하에 Si (Silicon) (100) 기판 위에 rf (radio-frequency) magnetron sputter를 이용하여 증착하였다. 증착된 박막은 800$^{\circ}C$에서 열처리하였고, 이때 각각의 W-N 확산 방지 막의 열적 안정성을 분석하였다. 기존 W-N박막의 분석은 X-ray diffraction (XRD)와 같은 분광학적 방법을 사용하여 분석하였으나, 이는 점점 미세화 되어가는 반도체 산업의 최근 동향에는 적합하지 않다. 따라서 이번 실험에서는 박막 국부적인 영역에서 nano scale의 분석이 가능한 nano indentation을 이용하여 분석하였다. 본 연구에서는 열적 안정성을 분석하기 위하여 각각 열처리 온도가 다른 박막의 stress 분포를 XRD와 AFM를 이용하여 구한 격자상수로 먼저 박막 전체적인 영역을 분석하였다. 박막의 국부적인 영역은 앞서 언급하였던 nano indentation을 이용하여 stress 분포를 분석하였다. 실험 결과, 표면의 RMS roughness는 3.6에서 1.4 nm으로 변하였으며, 박막은 미열처리에서 열처리 온도의 증가 시 보다 tensile stress를 많이 받는 것으로 분석하였다.

• 한국진공학회지
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• 제18권3호
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• pp.203-207
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• 2009

반도체 공정에서 기존 금속배선으로 사용되던 Al을 대체하여 사용되는 금속배선으로는 Cu가 그 대안으로 인식되고 있다. 이는 비저항값이 Al ($2.66{\mu}{\Omega}$-cm)보다 Cu ($1.67{\mu}{\Omega}$-cm)가 더 작아 RC 지연 시간 (RC delay time)을 극복하기 때문이다. 그러나 Cu의 녹는점은 $1085^{\circ}C$로 높지만 저온에서 쉽게 Si기판과 반응하는 특성을 가지고 있고, 또한 Si과의 접착력이 좋이 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 Cu와 Si과의 반응을 방지하고 접착력을 높이기 위하여 확산방지막의 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 본 연구그룹에서는 Cu의 확산을 방지하기 위하여 W-C-N의 확산방지막에 대하여 연구하여 왔다. 지금까지 보고된 연구 결과에 의하면 W-C-N (tungsten-carbon-nitrogen) 확산방지막은 고온에서도 Cu와 Si과의 확산을 효과적으로 방지하는 것으로 보고되었다. 이 논문에서는 W-C-N 확산방지막에 질소(N) 비율을 다르게 증착하여 지금까지 진행한 연구 결과를 기반으로 새로이 Cu의 전자거동현상(Electromigration)에 대하여 연구하였고, 고온 열처리 과정에서 박막의 표면강도 (Surface hardness)를 Nano-Indenter system을 이용하여 연구하였다. 이러한 연구를 통하여 박막내 질소가 포함된 W-C-N 확산방지막이 Cu의 전자거동에 더 안정적이며, 고온 열처리 과정에서도 표면 강도가 더 안정한 연구 결과를 획득하였다.