저압화학기상증착을 이용한 Ni 합금선의 비저항 조절

Abstract

저압화학기상증착을 이용하여 Ni 합금선에 주석을 반응시켜 Ni 합금선의 비저항을 조절하고 그 메커니즘을 규명하였다. Ni 합금선을 반응온도 300℃ ~ 900℃에서 반응시켰으며 반응온도에 따른 시료의 비저항 변화를 확인하였다. Ni 합금선의 비저항이 변화하는 원인을 파악하기 위하여 박막 증착 분석이 용이한 Ni foil에 우선 실험하였다. Ni foil의 비저항은 반응 온도가 400℃ 일 때 10 μΩ•cm에서 12.5 μΩ•cm로 증가하였다. 이후 반응 온도가 100℃씩 증가할 때마다 비저항이 0.3 μΩ•cm 정도 증가하여 반응 온도가 900℃ 일 때 Ni foil의 비저항은 14.2 μΩ•cm까지 증가하였다. Ni foil의 비저항이 변화한 이유를 알아보기 위하여 scanning electron microscope(SEM)로 Ni foil 시료 표면에 생성된 물질의 형상을 관찰하였고 X-ray diffractometer(XRD)로 시료 표면에 Ni/Sn 합금 박막이 생성된 것을 확인하였다. 이후 Secondary ion mass spectroscopy(SIMS)를 통하여 주석이 Ni foil 내부로 거의 확산되지 않았음을 알아내었다. 다음으로 박막 증착 메커니즘을 규명하기 위하여 Ni/Sn 박막 증착속도를 분석하여 속도결정단계를 정하였다. 흡착율을 고려하여 개선한 박막 증착속도식으로 증착속도를 MATLAB으로 시뮬레이션하여 Ni/Sn 박막 증착 반응의 속도상수 및 활성화에너지를 구하였다. 개선한 박막 증착속도식의 타당성을 평가하기 위하여 전구체 유량에 따른 박막 증착속도를 측정하였다. MATLAB으로 얻은 속도상수와 활성화에너지로 유량에 따른 박막 증착속도를 계산하였고 오차율은 약 2%였다. Ni 합금선은 Ni/Cr wire와 Ni/Fe wire로 각각 실험하였다. 반응온도는 300℃에서 900℃까지 변화시켰다. Ni/Cr wire는 반응온도가 400℃ 일 때 비저항이 113.0 μΩ•cm에서 121.5 μΩ•cm로 증가하였다. 이후 500℃ ~ 700℃ 일 때는 비저항 변화가 거의 없다가 700℃ ~ 900℃ 일 때 비저항이 117.2 μΩ•cm 로 감소하였다. SEM과 XRD 분석을 통하여 Ni/Cr wire 시료 표면에 Ni/Sn 합금이 생성된 것을 확인하였다. Ni/Fe wire는 반응온도가 300℃ ~ 500℃ 일 때는 비저항이 변화하지 않았으며 550℃ 이상일 때 비저항이 증가하였다. Ni/Fe wire의 비저항은 550℃ ~ 900℃ 일 때 39.5 μΩ•cm에서 43.2 μΩ•cm까지 증가하였다. 이후 SEM과 XRD 분석을 통하여 Ni/Fe wire 표면에 Ni/Sn 합금과 Fe/Sn 합금이 생성된 것을 밝혔다. Ni/Sn 박막 증착 메커니즘과 증착속도식으로 시료의 주석 함량을 예상하고 비저항을 예측하였다. Energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX)를 통하여 Ni foil, Ni/Cr wire, Ni/Fe wire 표면 조성을 각각 알아보았다. Ni foil의 주석 함량은 반응온도가 300℃ ~ 400℃ 일 때 12% 증가한 후 400℃ ~ 900℃ 일 때는 15%까지 증가하였다. Ni/Cr wire의 주석 함량은 반응온도가 300℃ ~ 400℃ 일 때 15% 증가한 후 400℃ ~ 700℃ 일 때는 거의 변화하지 않다가 400℃ ~ 700℃ 일 때는 9%까지 감소하였다. Ni/Fe wire의 주석 함량은 반응온도가 550℃ ~ 700℃ 일 때 4% 증가한 후 700℃ ~ 900℃ 일 때 20%까지 증가하였다. 이로써 시료의 주석 함량과 비저항이 밀접한 관계가 있음을 알아내었다. 증착 메커니즘 분석을 통하여 반응온도에 따른 증착속도와 주석 함량의 관계를 알아내었고 이를 통하여 시료의 비저항을 예측할 수 있었다. 또한 각 시료별 비저항 변화 양상이 다른 이유를 설명하였다. 이를 통하여 Ni/Sn 박막 증착 메커니즘과 시료의 비저항의 관계를 규명하였다.