전기도금의 최첨단 공정제어 기술
* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김유상(kiysjnsc@reseat.re.kr)
* 출처 : 上川和成, “電氣めっきの最先端プロセスコントロル技術”, 「表面技術(日本)」,59(12), 2008, pp.869~875
- 목 차 -
1. 개요
2. 배경
3. 분석기구의 구성
가. 파형의 생성
나. 트레이닝 세트의 비교
다. 다변수 분석의 우위성
라. 데이터의 분해
마. 조기이상 검지
4. 직류와 교류 전압 전류법의 기본
5. 결언
6. 전문가 제언
1. 개요
첨단 전기동도금이 직면하는 과제를 해결하기 위하여 적절한 공정제어 기술이 필요하다. 현재 채용되고 있는 동의 전기화학적 석출(ECD;Electro Chemical Deposition)은 복잡한 다층회로기판이나 통상의 인쇄 회로기판에서부터 실리콘 웨이퍼 상의 패턴 전해동도금 혹은 및 관통 실리콘 비아(TSV : Through Silicon Via) 등의 반도체관련 동도금에 이르기까지 적용범위는 다양하다.
동 도금은 시장으로부터 도금, 조립한 장치의 사이즈, 제조원가 및 중량 감소가 요구되고 있으며 또한 기능성을 높이기 위한 도금성능 향상이 요구되어 엄격한 도금공정의 제어가 필요하다.
이와 같은 도금액의 구성성분과 농도에 제약된 관리방법은 도금액의 구성성분을 목표수준으로 유지하는 것에서도 불충분할 뿐만 아니라 도금성능 유지에서도 불충분하다. 도금액의 모니터링을 위해서는 도금액의 제어하는 방법이 필요하다. 본 내용에서는 새로운 분석기술로써 요소분석을 기초로 한 다원적인 데이터 취급에 대하여 기술하였다.
2. 배경
전기도금액은 대부분의 경우 복수성분의 조합으로 구성되어 있는데, 일반적으로 다음과 같은 첨가제의 유기화합물을 함유하고 있다.
① 석출억제제(Suppressor) : 고분자 폴리글리콜로서 오목부나 비어홀 정상부 모서리에 동의 석출속도를 억제한다.
② 석출촉진제(Accelerator) : 황화물을 함유한 화합물로서 동의 환원반응을 촉진시킨다. 금속표면에서 동 화합물의 음이온을 유도하여 흡착을 촉진시킨다.
③ 표면평활제(Leveler) : 고분자 아민 혹은 아미드로서 석출하는 동 입자의 입경을 제어하는 이차적인 석출억제기능을 하며 과잉도금을 억제한다.
유기첨가제는 도금반응을 촉진시켜서 농도를 변화시키기 때문에 도금액 농도를 최적상태로 유지시키기 위하여 면밀하고 정확히 분석하여 보급할 필요가 있다.
이미 30년 이전에 전기화학적 분석기술을 기초로 한 분석방법이 도입되었다. 사이클릭 볼타메트리 스트리핑(CVS ; Cyclic Voltametry Stripper, 이하 전압전류 박리법)인 이 기술은 전기화학적인 백금회전 원판전극을 희석한 도금액의 샘플 중에서 일정한 속도로 회전시켜 소량의 금속을 전극에 석출시킨 후, 양극용해로써 전해박리하였다.
CVS법에서는 회전(Sweeping)속도가 일정할 때, 전해박리 피크면적이 평균 석출량에 비례하기 때문에 액 중의 첨가제 농도를 분석할 수 있었다. 하지만 전극 셀의 구조가 복잡하기 때문에 도금현장기술로 응용하기가 어렵고 유지도 곤란하였다. 회전원판 전극의 표면상태가 수시로 변화하였기 때문에 상대적으로 번잡한 표준화가 필요했고 데이터의 연속추출에 방해되었다. CVS법은 전기화학측정에는 다수의 장점이 포함되어 있지만 단일성분의 농도분석에
한정되었기 때문에 유용한 모든 정보를 잃고, 그 형상변화를 기초로 한 이상검지능력을 저해하게 된 것이다.
교류 전압전류법은 기존의 상당한 기초이론과 실험적인 연구가 있는데도 불구하고 폭넓게 적용되지 않았다. 여기서 해설한 동도금액 자동분석기술(RTA ; Real Time Analyzer)은 직류와 교류 전압전류법을 조합하여 도금액의 안정적, 정량적 상황을 알려주는 센서침적으로 전체성분을 실시간 분석한다.
3. 분석기구의 구성
교류 전압전류법의 실험은 완전히 컴퓨터 제어된 전기화학시스템인 RTA를 사용하여 실시한다. 측정은 온도 제어된 도금액에 침적한 MTEP의 용량 20㎖의 전극실을 갖는 소형 유량식의 전기화학 셀 중에서 실시한다.
자동분석은 컴퓨터 소프트웨어 버튼방식으로서 온도가 제어된 현장 도금액에 소형 전기화학 셀인 MTEP를 침적하여 측정한다.전기화학분석용 셀은 3전극 시스템으로 구성되고 백금와이어를 작용 전극, 이를 둘러싼 얇은 백금 막을 대향전극 및 계측개시 직전에 백금 와이어에 동을 석출시켜서 사용하는 참조전극으로 구성된다.
도금액과 접촉하는 재질은 백금과 PVDF(Poly Vinylidene Fluoride, 고강도 불소수지) 뿐이다. 단일의 MTEP가 동도금액 성분농도 측정과 도금액 성능평가를 위한 조기이상 검지정보까지도 제공하며, 컴퓨터 분석으로써 작동이 쉽고 높은 신뢰성과 정확성, 오염방지 및 설치면적 최소화 등의 특징이 있다.
4. 직류와 교류 전압전류법의 기본
RTA에서 사용되고 있는 분석수단으로는 직류와 교류 전압전류법 등이 적용되고 있다. 일반적으로 전압전류법은 전기화학적인 분석기술이고 작용전극의 전위와 전류의 상관관계를 계측한다.
직류와 교류요소를 합한 작용전극의 전위차 E는 교류파형의 진폭 △E, 각진동수 ω에 따라 E 〓 EDC + △E sinωθ 로 표시된다. 단일 MTPE를 사용하여 도금액 농도분석은 물론 도금액 성능평가에 관한 조기이상 정보도 얻을 수 있다.
가. 파형의 생성
RTA의 분석대상은 고객이 요구하는 첨가제이다. 유기첨가제의 표준농도와 농도범위는 보통 수요자가 용도에 맞게 최적화하는 정보를 포함하고 있다. 분석 모델을 개발하기 위해서는 유기첨가제의 절대적인 농도를 알 필요가 있기 때문에 이들 첨가제분석에는 공인된 표준농도를 사용한다.
파형설계 작업으로써 분해생성물의 축적이나 외부오염 및 기기류가 받는 간섭(외부 노이즈로의 폭로) 등, 예상되는 이상한 여러가지가 부각된다. 이 조건을 메우기 위하여 간섭을 받는 전기화학적 특성을 정상상태로 얻는 전기화학적 특성과 비교하여 이상 값을 검지할 수 있다.
나. 트레이닝 세트의 비교
생성된 파형으로서 교정이 진행된다. 교정은 액을 구성할 때 생성된 하나의 파형으로부터얻은 정보를 제공한다. 각 액에는 직류와 교류 전기화학적 특성을 연속하여 2번 분석한다. 데이터는 단위변동에 대하여 자동측정 된다.
다. 다변수 분석의 우위성
일반적으로 사용되고 있는 다변수 분석에 대하여 RTA를 사용하는 다변수분석이 우위인 것은 명백하다. 전기도금액 용의 RTA의 새로운 분석기술은 기존의 방법에 대한 다변수분석의 비교평가기술의 필요성을 명확히 하였다.
라. 데이터의 분해
수치법의 안정특성을 갖는 다수의 전기화학적 데이터를 취급하기 위하여 RTA의 다변수 시도는 데이터 압축과 정보추출을 위한 분해를 기초로 한 요소분석에 의존하고 있다.
마. 조기이상 검지
반도체제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼 상의 패턴 전해동도금은 예상 외의 변동에 특히 민감하다. 동 도금액의 이 미세한 구조물 메움 능력은 석출억제제, 석출촉진제 및 표면평활제인 유기첨가제의 상호비율에 크게 의존한다. 도금액의 성분농도변동을 검지하기위해서는 별도로 마스터교정모델과의 상호확인을 실시하는 한 방법으로서 이상값 검지기술이 트레이닝 세트 내의 이상값 검지에 적용되고 있다. 도금액의 외부오염, 가동욕의 에칭모니터링(분해생성물의 축적) 및 기기류의 부적합 조기 검지 등에 관하여 이상 값의 검지기술을 기본으로 한 다양한 요소해석을 실시하였다. 분해생성물 축적의 모니터링에도 응용되고 있다. 분해생성물의 축적속도는 분해의 복잡한 과정과 액의 용도에 영향을 받아 변화한다. 도금액의 가격이 높기 때문에 이 액 교환을 빈번하게 실행하는 것은 곤란하다.
5. 결언
직류 및 교류 전압전류 측정기술을 이용한 RTA는 In situ, 온라인, 액의 오염이 없고 자동 혹은 정확한 도금액 성분을 분석하는 능력을 갖고 있는 시스템이다. 직류와 교류 전압전류측정법, 실험계획법 및 전압 전류파형에 관하여 기술하였다.전기화학 분석과 계통적인 접근을 조합시켜서 전기도금액의 분석에 사용하였다. 인자분석을 기본으로 한 이상 값의 검지방법을 적용한 도금액의 온라인 모니터링 방법은 도금액의 성능이상을 조기 검지하는데 효과적인 것으로 증명되었다.
6. 전문가 제언
최근 전기도금공정 RTA(Real Time Analyzer)와 같은 자동화 제어시스템 기술적용이 급속히 확산되고 있는 추세다. 이것은 인쇄회로기판이나 반도체 전기화학적 동 도금공정에 적합한 자동분석 기술로서 전기화학적 자동분석기기 전체적으로 도금액 성분의 농도분석과 도금액 성능의 모니터링을 동시에 수행할 수 있다.
높은 신뢰성이 요구되는 휴대폰이나 정보통신 서버, 노트북 컴퓨터 등의 전자기기의 핵심부품으로 사용되는 플렉시블 인쇄회로기판 동도금 반도체 도금공정에는 도금액 오염이 없어야 하며 불량을 최대한 줄여야 한다. RTA 도금액 자동분석 및 보급시스템은 종래의 박리 석출을 반복하는 10년 전에 사용되었던 종래의 수동적 분석방법인 CVS 분석방법보다 도금액의 이상 유무를 조기에 감지하기 때문에 훨씬 효과적이다.
새로이 개발한 RTA 전기화학적 첨단도금공정 제어시스템은 전기도금공정에 고도의 숙련된 분석담당자나 고가의 표준용액도 필요가 없으므로 생산성 10% 이상 향상과 도금인력의 감소에 의한 원가절감 효과가 기대된다. 더구나 이동통신용 휴대전화 플렉시블 인쇄회로기판의 비어홀이나 반도체 관통 실리콘 비아 동 도금공정에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
TSV(Through Silicon Via) 패키지 방식은 웨이퍼나 다이의 패드 뒷면에서 수직으로 구멍(Via)을 뚫어 전기적으로 연결하여 패키지를 제조한다. 이러한 TSV는 앞면에 빛을 흡수하거나 발산하는 광소자와 여러 개의 칩이 집적되는 System in Package, Chip Stack MCM에 사용할 수 있다. TSV 패키지 방식을 사용하면 패키지 면접과 높이를 축소할 수 있어서 많은 이점이 있으나 아직 초기 단계라서 공정안정화가 필요하다.