1. 열전대 온도계의 원리와 종류 및 사용법(1)열전대란?열전대는 구조적으로 간단하고 조작이 간편하여 산업현장이나 실험실등에서 많이 쓰이는 전기 신호식 온도계이다. 측정값이 전기적 신호인 전압크기로 출력되어 측정값을 먼 거리까지 전송할 수 있어 중앙제어에 유용하게 활용되고 있는 범용의 온도센서이다.열전대는 0.5K부터 2500 까지 광범위한 측정범위를 갖고 있고 0.1 ∼ 1% 의 정밀도를 갖고있다. 300여종의 열전대가 있으나 한국 산업 표준규격에는 8 종류를 규격화하였다. 열전대의 제작형태에 따라 일반열전대(KS C 1602)와 시스열전대(KS C 1615)로 나뉘어지고 온도측정부위에 위치한 열전대로부터 계측기까지는 보상도선(KS C 1609)으로 연장하여 사용하고 있다. 모든 도전성을 갖는 금속선은 서로다른 선과 구성하여 열에 의해 모두 열기전력을 발생시킨다. 그러나 실용화 할 수 있는 열전대가 되려면 다음 요건을 갖추어야 한다.1 온도변화에 따른 열기전력이 클 것.2 고온 또는 저온에서 사용하여도 열기전력이 안정되고 수명이 길 것.3 내열성이 좋고 고온에서도 기계적 강도가 유지되는 것.4 내식성이 좋고 화학적 분위기에 대해 강할 것.5 같은 종류의 열전대 소선에는 그 특성이 균일하여 호환성이 있을 것.이러한 모든 조건을 완전하게 만족시키는 열전대 재료는 얻기 어려우므로 측정조건에 따라 알맞는 열전대를 선택하여야 한다.열전대를 만드는 방법은 아주 간단하다. 즉 서로 다른 두가지의 금속선(도전체)으로 그림1.1과 같이 폐회로를 구성하면 된다. 이때 측정 대상체에 접촉한 온접점(Hot Junction)인 Th 이 감지한 온도가 나머지 접점인 기준 접점(Reference Junction)인 Tr과의 온도 차이만큼 열기전력 Ｖ를 발생시킨다. 이것이 열전현상이다.V (Th-Tr)= Sb(Th-Tr)만약 기준접점의 온도Tr가 0 이면= Sab(Th-Tr)= Sab Th ---------------1.1{그림 1.1 열전대의 원리열전대의 열전현상은 1821년에 독일의학자들의 열역학적 관점에서의 연구로 열전대의 온도측정에 사용 가능성이 알려졌고 1826년에 베크레르는 고온분야를 측정할 수 있는 획기적인 백금, 팔라듐(Pt/Pd)열전대를 제안하였다.1885년에 르샤트리(Henri Le Chatelier)가 90%의 백금(Pt)에 10% 로듐(Rh)과 백금(Pt)으로 구성된 S 열전대를 만들어 발표하였다. 그때부터 사실상 고온측정에 사용되기 시작하였다.이 S 열전대는 1927년 국제온도눈금(ITS-27)부터 1968년 국제 실용 온도눈금(IPTS-68)까지 630 부터 1068 구간의 보간식을 갖고 표준온도계로 사용되어 왔다.그 후, S 열전대보다 단위 온도 변화에 대해 높게 발생되는 R 열전대, S.R 열전대와 고온에서 사용할 수 있는 B 열전대등 귀금속 열전대가 개발이 되었다.값싼 금속으로 1000 이하에서 경제적으로 사용할 수 있는 비금속열전대인 K, E, J, T열전대가 개발되고 이상의 열전대는 20세기 중엽에 산업국가에서 국가규격으로 규격화 하게 되었다. 그리고 고온용으로 쓰이는 B 열전대보다 더 높은 온도(3000 )를 측정할 수 있는 열전대로 텅스텐, 레니움 열전대를 1955년에 슈나이더가 개발하였다.한편 극저온대역을 측정할 수 있는 Au·0.07%Fe와 Chromel로 구성한 열전대가 있다. 이 열전대는 미항공우주국(NASA)가 아폴로계획의 일부로 NBS(미국 표준국, 현재는NIST)에 의뢰하여 개발한 열전대로서 0.5K∼20K에서 실용성이 입증되어 사용하고 있다. (3)열전대는 극저온에서 고온영역까지 광범위하게 측정할 수 있는 특징을 갖은 실용적인 온도계이다.(2)열전대 회로어떠한 금속선이라도 종류가 다른 두개의 금속선을 결선하면 그림 1.1과 같은 열전대가 된다. 즉 어떠한 종류의 금속이라도 그 열전효과가 발생될 수 있는 절대 제벡계수를 갖고 있는데 그 열전효과는 두개의 금속선(ａ，ｂ)이 각각 소유하고 있는 그 절대 제벡계수(Sa,Sb)에 따라 다른 상대 제벡계수 (SbB)가 성립된다. 이 상대 제벡계수가 온t)의 관계식을 도입한다.{Sa - Sb = Sab ------------- 1.2Sab = -Sab ------------- 1.3Sac = Sab - Scb ------------ 1.4Sac = Sab + Sbc ------------ 1.5(3) 기본적 열전대 회로{V = Sab (T2-T1)그림 1. 3 기본적 열전대 회로식 1.1 은 열전대의 기본적 원리를 표현한 것이다. 그 식을 그림 1.3의 기본적인 열전대회로를 통해 설명하고자 한다. 일반적으로 ａ금속은 프러스(+)선으로 ｂ금속은 마이너스(-)선으로 정하기로 한다. 모파트해법에 의해 식을 전개하는 방식은 우선 프러스(+)측 Sa부터 기준접점온도(T1)부터 시작하여 T2로 T2에서 Sb 를 거쳐 T2에서 T1으로 순환하여 식을 만든다.즉 ,V = Sa (T2 - T1) + Sb (T1 - T2)= Sa (T2 - T1) - Sb (T1 - T2)= (Sa - Sb)(T1 - T2)= Sab (T2-T1) ------------------- 1.6여기서 측정된 열전대의 기전력은 ａ금속과 ｂ금속의 상대 제벡계수 Sab와 측온 접점부위 온도(T2)와 기준접점온도(T1)차이 값에 의해 기준점 열기전력(V1=SabxT1)이 발생되어 오차값으로측정값 Ｖ에 포함되어 나타난다.사실 우리는 측온 접점의 온도(T2)만을 측정하고 싶으나 기준 접점온도(T1)에 의해 생기는 오차값인 V1에 의해 실질적으로 온도측정이 제약받고 있는 것이다.그러므로 기준 접점온도(T1)에 의해 T1에서 발생되는 열기전력을 제거해야 한다. 그러면 V는 T2의 온도에 의한 열기전력값만 나타나게 될 것이다. (식 1.7)V = Sab·T2 --------------------- 1.7기준 접점온도(T1)을 제거하는 방법은 T1을 Ice Bath의 빙점분위기에 위치시켜 0 로 만들면 된다.(4)열전대의 종류열전대는 구성 재료가 서로 다른 금속선이면 온도 변화에 따른 열기전력을 상대 제벡계수에 의해 발생시킨다. 그러나 온도에 따라 열기전력의 직선4.4%Cr,13-1.65%Si95%Ni,4.2-4.6%Si,0.5-1.5%MgK89-90%Ni,9-9.5%Cr,0.5%Si,Fe95-90%Ni,1-1.5%Si,1-2.3%Al,1%Mn,0.5%CoＪ99.5%Fe55%Cu,45%NiＥ니켈- 10% 크롬콘스탄탄Ｔ99.95%Cu55%Cu,45%Ni표 1.1 규격화된 열전대표 1.1 의 규격화 된 열전대는 각자의 특성과 온도측정범위 및 정밀도를 갖고 있다. 열전대는 소선의 굵기, 모양에 따라 소선의 사용수명이 달라지기 때문에 온도측정범위에 제약을 받는다. 또한 온도측정범위에 따라 측정정밀도가 제약을 받는다. 표 1.2에서는 열전대 소선의 굵기에 따른 최대 사용온도를 나타냈고 표 1.3에서는 열전대의 허용오차를 나타냈다.가. Ｒ 및 Ｓ형 열전대대표적인 귀금속 열전대이고 Ｓ형은 비교 교정시 국가표준온도의 소급용으로 기준기급 열전대로 사용되고 있으며 유럽에서는 산업용으로도 많이 사용하고 있다. 그리고 Ｒ형 열전대는 주로 한국등 아시아에서 많이 쓰이고 있다. 이들 열전대의 특징은 다음과 같다.1 Ｒ, Ｓ형 열전대는 1400 (용융온도의 70%이상) 부근에서 사용할 때는 소선내부의 조직이 재결정되어 사용시간에 따라 동일온도에서의 열기전력이 변화하므로 측정오차가 발생 및 증가한다.2 귀금속 열전대(R,S,B)는 산화성, 불활성 분위기에서는 사용이 가능하나 환원성 분위기와 금속증기, 혹은 비금속 증기가 있는 분위기에서 사용하면 열전대 소선이 극단적 손상을 받을 뿐만아니라 열기전력의 심한 변화로 오차가 발생된다.3 귀금속 열전대(R,S,B)를 고온에서 오랫동안 사용하면 열전대 소선내에 조직의 크기가 성장되면 열전대 소선이 끊어지게 될 경우가 있다. 특히 열전대 소선을 취급하는 과정중에 오염되면, 예를 들면 맨 손으로 만진 손자욱, 먼지, 기름등이 소선에 묻어 있으면 고온중에서 금속내부로 급속하게 확산되어 끊어진다. (그림 1.11 참조)그러므로 기계적 강도가 약하지만 세라믹 또는 석영을 보호관을 사용해야 한다. 물론 백금으로된 금조직성장이 느리고 사용시간에 따른 열기전력 변화가 적은 장점이 있다. 또한 Ｂ형 열전대는 열기전력이 작은 편이어서 상온부근에서는 거의 열기전력이 없어 기준 접점온도에 대한 보상이 필요가 없어 보상도선으로는 흔히 구하기 쉬운 구리선을 사용한다.Ｂ형 열전대의 사용 환경은 귀금속 열전대로서 Ｒ，Ｓ형 열전대와 같이 환원성 분위기,금속증기에 취약하여 금속 보호관을 사용하지 않는다.다. N형 열전대Ｎ형 열전대는 1997년도에 산업표준 규격으로 규격화된 열전대이다. 고온 영역에서 Ｋ형 열전대가 갖고 있는 결점에 대해 Ｎ형 열전대의 대체 요구가 점차 높아가고 있어 중요하게 인식되고 있는 열전대이다. Ｎ형 열전대는 호주의 N.A.Burley가 1972년에 발표한 새로운 열전대이다. 미국 NIST의 특성평가가 완료되었고 열기전력표가 작성되어 있다. IEC에서는 규격으로 채용하였다. 그리고 일본에서는 일본 학술 진흥회에서 특성 시험을 완료하였고 Ｋ형 열전대보다 고온에서 특히 1000 ∼1250 에서 내산화성이 좋다는 평가를 하였다. 1995년도에 JIS규격에서 규격열전대로 채용하였다. KS에서는" KS C1602 열전대" 가 1997년도에 JIS규격과 동일하게 개정되어 N형 열전대를 채용하였다.그러나 KS C 1609 보상도선 , KS C 1615 시스열전대 가 2002년 현재 아직까지 개정되지 않아 N형 열전대에 대한 한국산업규격이 미흡하여 사용상에 어려움이 있다.향후 Ｋ형 열전대를 대체할 것으로 예측되며 현재 상품화된 제품이 사용되고 있다. 이 열전대는 고온에서,유황분위기,환원 분위기 혹은 산화 -환원이 반복되는 분위기에서 보호관이 없는 상태로 사용하지 않는다.ASTM[5]에서 0 에서 1250 구간에서 2.2 (또는 0.75%)이다.2.조성적 과냉과 그에 대한 조건식 유도고용체를 정출하는 합금의 응고계면에서는 액상쪽으로 정출 고상이 배출하는 용질이 누적되어 확산경계층이 형성된다. 따라서 그림과 같은 각 위치에서의 용질농도에 대응하는 액상선 온도분포가 나타난다. 한편 이 계면.
1. CVD란?(1) CVD(화학 기상 증착법)공정의 개요외부와 차단된 반응실 안에 Substate(기판)를 넣고 Gas를 공급하여 열, 플라즈마, 빛(UV or LASER), 또는 임의의 에너지에 의하여 열분해를 일으켜(Si 기판과 공급된 O2와 반응하여 산화막을 형성 시키는 Diffusion 과는 달리) 기판의 성질을 변화 시키지 않고 solid Deposition를 이루는 합성 공정을 말한다(1)-1. CVD System의 활용 범위1 Diamond thin film으로 coating된 향상된 음향성질의 speaker diaphragm Plasma CVD2 향상된 마모 저항성을 지닌 bushings(관내에 끼우는 물질)과 textile 구성요소를 생산하기 위한 Diamond-like carbon coating. Plasma CVD3 Uncoated toll 보다 크게 우세하고 산업에의 적용성이 빨라진 Titanium carbide와Titanium nitride CVD-coated carbide toll4 MO CVD에 의해 증착된 Ir은 2000 까지의 온도 범위에서 small rocket nozzle의 부식저항성에 두드러진 향상을 나타낸다.5 Advanced semiconductor의 요소의 생산에 우수한 CVD에 의해 생산된 Tungstensilicon oxide, metal silicides 및 other coatings(1)-2. 필요조건1 반응 Gas, 반응 Energy, Chamber(용기의 구조, Wall의 Cool & Heat), 압력, 온도, 농도등 및 잔류 배출2 CVD 박막의 조건- 박막두께 및 성분의 Uniformity- 박막 된 기판과의 adhesion 우수- 재현성 우수- 고 순도 유지- 미세 패턴의 형성이 가능할 것(step coverage)(1)-3. CVD의 장 / 단점1 장점- 다양한 재료에 적용 가능- 증착 층의 성분 조절 가능- 미세 구조 조절 가능- 복잡한 형태위에 균일한 coating- Dense한 증착 층, pur로 주목 받고 있다. 이러한 경향은 많이 사용되고 있는 인(P)으로 도핑 된 SiO2(PSG) 보호막보다도 습기나 유동이온의 침투에 대해 실리콘 질화 막이 훨씬 효과적인 장벽을 만들기 때문이다.* CVD에서의 Plasma의 사용플라즈마 몰리나 플라즈마 화학은 고압영역으로 부터 글로우 방전, 불꽃방전, 태양 코로나등에 이르는 광범위한 상태를 다루고 있다, 여기서 논하고자 하는 것은 Plasma인데 이것은 어떤 용기내의 Gas 분자에 전장을 걸고 압력을 0.01 ~ 1 Torr 범위로 해 줄때 발생한다. Plasma는 Gas 분자가 기저 상태나 여기 상태에서 전자, 이온, 분자에 이르는 여러 종류의 반응성이 큰 물질로 되어 공존하는 상태인 것이다. 분자들 자신은 주위 온도에 가까우나 유효 전자 온도는 그 보다 1 ~ 2배 이상으로 높을 수 있으며 이 높은 에너지를 갖는 전자들을 대개의 경우 높은 온도에서 쉽게 발생시킬 수 있기 때문에 고온 CVD가 발전 하였으나 최근에는 고온 반응으로 하여 박막이 형성 되면 하부 층의 Metal Line에 Damage를 주어 제품 불량이 초래되어 Metal Line에영향을 주지 않을 온도의 층간 절연 막 내지 보호막 공정으로 저온에 의한 공정의 Plasma CVD 기법이 각광을 받고 있다.(2)-3. LPCVD: LPCVD 장비의 설비 구성APCVD의 수평 대기압 반응로는 융통성이 있고 잘 이해할 수 있지만 다음과 같은문제점이 있다1 Wafer가 Susceptor 위에 평행으로 놓이기 때문에 Wafer 처리 능력이 적다2 많은 양의 Gas가 사용된다.이러한 단점을 보완하기 위해 다른 형태의 반응로가 개발되게 되었다.*저압 화학 기상 증착 (LPCVD)은 다음과 같은 이점을 갖고 있다.1 Wafer 처리 용량이 증가한다. (100 ~ 200장 동시 공정 가능)2 사용되는 Gas량의 감소1) LPCVD System 의 주요 구성 형태{Figure 2-3-1. LPCVD 장비 설비 구성의 Block-DiagramLPCVD System은새로운 고체면의 생성과 휘발성의 반응가스 생성된다.{AX``(g)~+~H_2 ~ ~ A``(s)~+~2HX``(g)2) 복합적인 화학반응이 증기상, 증기/고체 계면, 기지/코팅층 계면, 고체 내부 계면 등에서 발생한다.{3) zone1에서 가스의 주요 흐름은 코팅/기지 층간을 통과하여 흐르고 계면 층(boundary layer)은 유체 동력학적인 측면에서 진행4) 증착과정 동안 반응물과 생성물들은 이 계면층(zone1)을 따라서 전달이 되고, 증착 속도는 이 과정의 속도에 따라서 제한된다.5) 증기 상에서 주로 비 균질 반응이 발생하고 코팅 층이 생성, 진행, 성장된다.6) Al2O3의 CVD process- AlCl3, CO2, H2에 의한 가스 장입- water formation reaction 발생{H_2 ``(g) ~+~ CO_2 ~ ~ H_2 O ``(g)~+~CO``(g)- Al2O3의 생성{2AlCl_3 ``(g) ~+~ 3H_2 O ``(g) ~ ~ Al_2 O_3 ``(s) ~+~ 6HCl ``(g)7) zone2는 비균질반응 영역으로 미세구조의 변화, 증착된 물질의 물리적 성질 변화 등의 영역8) 증착온도는 25 ∼2250 정도의 넓은 범위로서 고온에서는 다양한 고체상태 반응 (상변태, 석출, 재결정, 결정립 성장 등)이 일어나며, CVD 과정 동안 zone3에서 5까지 발생)9) zone4에서는 코팅층과 기지층과의 상호확산(interdiffusion)이 발생하며, 중간상의 형성 등으로 인하여 코팅 후의 점착성질(adhesion)에 중요한 역할 수행2.PVD란?(1) PVD 공정의 개요PVD(물리 기상 증착) 공정의 정의는 생성하고자 하는 박막과 동일한 재료(Al, Ti, TiW, W, TiN, Pt 등)의 입자를 진공 중에서 여러 물리적인 방법에 의하여 기판 위에 증착시키는 기술을 말한다. 특징을 보면 1 기판의 온도를 자유롭게 선택 가능하고, 2 화학반응은 거의 일어나지 않고, 3 부착한 원자와 기판의 밀착성이 좋고, 4 진공도, 증기압, 기판 위에 증착 시키는 기술로 박막을제조하는 방법을 말한다. 가열 방식은 주로 전자 Beam 가열 방식이 주류를 이루고 있다.특징으로서는 증착 물질만을 가열하고 도가니는 냉수로 냉각되므로 오염을 통제할 수 있고, 진공계 내부가 가열되기 어려우며, 재료의 반복 사용 또는 연속 사용이 가능하며전자빔의 조사 때에 발생하는 2차 X선에 의한 Si-SiO2 계면에 방사선에 의한 손상을입을 수 있는 것이다.{전자빔가열을 이용한 진공증착의 개략도2 Sputtering 증착법진공상태에서 금속 화합물로 만들어진 Target에 고전압을 공급하여 주면 Target 주위에Plasma 방전이 발생되고 방전 영역에 존재하고 있는 양 이온들이 전기적인 힘에 의해Target 표면에 충돌하여 Target에서 떨어져 나온 원자들을 기판 위에 증착 시키는 기술로 박막을 제조하는 방법을 말한다. Sputtering 법은 고융점 금속의 박막 형성에는 가장적당한 방법이며, 진공 증착법 처럼 가열 증발되기 어려운 재료에 적용되었지만, Al 및 Al의 합금에 대해서는 Sputtering 속도가 늦거나 또한 기판의 온도가 상승하는 등의 불리한점이 있어 실용화 되지 않았으나, Magnetron Sputtering 기술이 개발되어 위의 문제점들을 해결하여 반도체 소자 제조의 배선 형성 기술에 사용되고 있다.{기본 Sputtering 과정(2) PVD의 구조(2)-1. PVD의 구성PVD공정을 수행하는 SPUTTER SYSTEM의 기본 구성은 크게 웨이퍼를 투입, 회수하는 LOAD LOCK CHAMBER와 웨이퍼를 PROCESS CHAMBER까지 이동시켜주는 TRANSFER, CHAMBER, 그리고 웨이퍼에 공정을 진행하는 PROCESS CHAMBER로 나눌 수 있다. LOAD LOCK CHAMBER와 TRANSFER CHAMBER 사이에서 완충역할을 하는 BUFFER CHAMBER라는것이 있는데 이는 LOAD LOCK의 일종이다. TRANSFER CHAMBER에는 웨이퍼를 이동 할 수 있는 ROBOT이 있위에 흡착하게 된다. 이 때 AXn 원료끼리의 흡착은 physisorption으로 이루어져 결합력이 약하기 때문에 쉽게 떨어질 수 있으며, 반면 기판과 흡착한 A 원소는 기판과 chemisorption으로 더 강한 결합을 하기 때문에 그 다음 단계인 purge 단계에서physisorption한 반응 원료는 모두 떨어져 나가 제거되고 chemisorption한 A 원소는 흡착된 채로 남아 있게 된다. 이러한 chemisorption과 physisorption의 차이에 의해 ALD 기술에서 원자층 단위의 조절이 가능하게 된다. 이후에 AB 화합물을 만들기 위해 BYm를 공급하게 되면, BYm과 기판에 흡착되어 있는 A 원소가 서로 반응을 통해 A-B 결합이 이루어지게 되고 mY와 nX는 결합하여 부산물로서 기상으로 빠져나가게 된다. 마찬가지로 이후에 purge를 통해 physisorption하고 있는 BYm는 모두 제거되고 monolayer만큼 성장하게 된다. 이와 같은 과정이 한 cycle로 구성되며 증착 속도는 ligand의 size 효과로 인해 보통cycle 당 monolayer 이하로 나타나는 특성을 보인다.(2)ALD의 특징 및 CVD와의 비교ALD 기술의 경우 표면 반응을 이용하여 원자층 단위로 박막을 성장시키며 cycle 수에 따라 증착되는 박막의 두께가 결정되기 때문에 박막의 두께 조절이 매우 용이하다. 또한 대면적의 기판에서 CVD 보다 우수한 박막의 두께 균일성 특성을 나타내며, 재현성 또한 우수한 특성을 보인다. 그리고, 반응 원료의 열분해 반응을 이용하는 CVD와 달리 ALD는 반응 원료의 chemisorption을 이용하기 때문에 CVD 보다 증착 온도를 낮출 수 있는 장점이 있다. CVD는 반응 원료의 유량 및 증착 온도, 시간 등에 매우 민감한 특성을 나타내어 공정 조건을 확립하기가 어려우나 ALD의 경우 self-limited mechanism을 이용하기 때문에 일정량 이상의 반응 원료가 공급되면 그 이상의 반응 원료의 양에 민감하지
1. 리소그래피란(lithography)? 리소그래피는 리소(돌) + 그래피(인쇄술)의 합성어로 직역하면 바로 석판인쇄술이다. 여기서 기원한 것이 리소그래피이다. 인쇄술이라고 하면 자기가 원하는 대로 디자인하여 그리는 것을 말한다. 여기서 미술에 응용되기도 하고 오늘날에는 "포토 리소그래피(photolithography)"라하여 빛을 이용하여 그리는 것으로 기판인 웨이퍼 위에 원하는 패턴을 구현하는 기술이다. 반도체와 LCD공정에 이용되는 것이다. 반도체에서는 메모리의 집적화를 위해서 더 얇게 그릴 필요가 있고, LCD에서는 더 얇게 그리기 보다는 가격을 낮추기 위해서 어떻게 하면 값싼 공정으로 이어질 수 있을까 고민하는 것 이다.빛으로 모양을 그릴 때 빛을 받은 부분이 굳어지고 다른 부분이 현상(녹음)되면 negative(-) 타입이고, 빛을 받은 부분이 녹아내리면 positive(+) 타입이라고 한다.2.리소그래피(lithography)의 종류◎리소그래피의 분류 : 광학 리소그래피, 비 광학(소프트) 리소그래피(1)광학 리소그래피 : 자외선, 전자빔, 엑스선 등을 광원으로 이용하는 리소그래피 말 그대로 빛의 직진 성을 이용한 형상 성형 기법이다. 일정한 빛에 민감한 재료로 만들어진 필름이나 액체(이를 photoresist라 부름)를 일종의 mask를 투과시켜 형상물을 만들어 내는 것이다. 쉽게 예를 들면 우리가 나무판에 "주차금지"라는 글자를 새겨 넣는 공정을 여러 개 해야 한다고 가정할 경우 우선 주차금지라고 글자를 파낸 도화지가 필요하고, 나무판이 필요하고, 잉크나 락카가 필요하죠? 빛의 역할이 락카의 역할, 글자를 판 도화지가 mask의 역할을 합니다. 그게 미세한 회로 단위로 작아졌다 보면 된다.(2)소프트 리소그래피 : 기존의 photo(광학) 공정이 고가인데다가 고 에너지 등이 요구되고 빛의 산란으로 나노 단위 미세 패턴 성형에는 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 나온 방법이 soft Lithography 이다. 탄성 중합체로 만들어진 스탬프를 이용하여 30nm부터 100μm 사이의 패턴 또는 구조물을 생성하는 공정이다.나노 각인 리소그래피(NIL, NanoImprint Lithography), 마이크로 접촉 인쇄 (μCP, Micro Contact Printing), 복사조형(REM, Replica Molding), 마이크로 전사 조형 (μTM, Micro transfer Molding)등 이 있다.3.전통적인 리소그래피(lithography)전통적인 리소그래피 : 광학 리소그래피의 한 종류이며, 자외선을 광원으로 이용하는 것(1) 전통적인 리소그래피의 장점대량생산으로 인해 생산속도가 뛰어나다.=>반도체 생산에서 가장 핵심적인 기술(2) 전통적인 리소그래피의 문제점회로 선폭의 계속적 축소에 대응하기 어렵다.전통적인 리소그래피에서는 마스크의 패턴을 광학 렌즈를 통하여 웨이퍼에 축소 전사시키는데, 이 때문에 웨이퍼에 전사되는 패턴은 원래의 모양에서 왜곡된 형태가 되며, 패턴의 크기가 작아질수록 이러한 왜곡 현상은 점점 심해지게 된다.(3) 광학 리소그래피의 최근 경향전통적인 리소그래피의 문제점을 해결하기 위하여, 새로운 광원을 이용하는 리소그래피의 개발이 진행되고 있으며, 일부는 대량생산에 적용이 가능함. 이러한 리소그래피로는 전자빔, 이온빔, 엑스선 등을 광원으로 이용하는 리소그래피가 있다.4.소프트 리소그래피전통적인 리소그래피 : 광학 리소그래피로 마스크의 패턴를 감광저항체에 전사하는 방법장점은 대량 생산에 적합하나 단점으로 '100nm 장벽'을 극복할 수 없다는 점이다. (100nm 장벽: 렌즈로 사용되는 광학물질의 투명도에 대한 단파장 차단과 광학 굴절에 의해 결정되는 대상체 축소의 한계 값 )(1)빛을 이용한 비전통적인 리소그래피①100nm 장벽를 극복하기 위한 리소그래피②종류 : 극초자외선, 엑스선, 및 전자빔 리소그래피 등.③장점 : 수 나노미터 크기의 형상 제작 가능.④단점 : 대량생산에 부적합(비경제적)⑤과제 : 대량생산에 적용할 수 있는 경제적인 방법 연구 필요(2)빛을 이용한 리소그래피의 단점①비평면 표면에 부적합②표면에 특정한 화학적 기능성을 가진 패턴 형성 불가③2차원 구조물 제작만 가능.④감광저항체에 대해서만 적용(적용 물질 한정)(3)소프트 리소그래피의 장점 및 단점◎장점①저렴한 제작비②표면에 다양한 화학적 성질을 가진 패턴 형성 가능③다양한 재료에 적용④유사 3차원 구조물 제작 가능⑤비평면 표면에 구조물 및 패턴 생성 가능⑥100nm 장벽 극복( 크기가 30 nm~500 μm 사이의 형상 또는 구조물 제작 가능 )◎단점①스탬프, 주형(mold)의 변형②형성된 패턴 내에서 결함 밀도(density of defect)③고 분해능 맞춰 찍기의 어려움5. 광학 리소그래피 공정(1)웨이퍼제작 : 초 순수 실리콘 (EGS, electron grade silicon) 생산=> 실리콘 성장=> 실리콘 형상 가공 => 웨이퍼(2)마스크 제작① 크롬/감광물질 적층 : 순수 유리 기판 위에 크롬 층 및 감광물질의 증착② 패턴전사 : 레이저 빔이나 전자빔을 이용하여 CAD 배치도(회로도면)대로 감광 물질 층에 저항체 패턴을 생성③ 크롬 습식 식각 : 생성된 저항체 패턴을 막으로 하여 크롬을 습식 식각하며, 패턴의 크기가 작은 경우에는 크롬을 건식 식각하기도 함
XRD에 대하여: X선 회절 분석법(X-Ray Diffractometry)은 초기에 비교적 단순한 형태의 결정 물질 속에 있는 원자들의 배열과 상호거리에 관한 지식과 금속, 중합물질 그리고 다른 고체들의 물리적 성질을 명확하게 이해하는데 많은 도움을 준다.최근의 X선 회절(X-Ray Diffraction) 연구는 Steroid, 비타민, 항생물질과 같은 복잡한 자연물의 구조를 밝히는데 주로 이용되고 있다.또한, 임의 시료가 어떠한 성분으로 구성되어 있는지 몰라도, 이 시료에 X선(X-Rays)을 조사시켜서 나타나는 회절패턴(Diffraction Pattern)을 이미 알고 있는 시료에서 얻어진 회절패턴(Diffraction Pattern)과 서로 비교하여 그 성분을 알아낼 수 있다.{1.X선(X-Rays)의 검출법1) X선(X-Rays) 검출법의 종류X선(X-Rays)은 우리들의 오감에 의하여 감지할 수 없는 것이므로, X선(X-Rays)과 물질의 상호작용을 이용하여 감지 가능한 형태로 변환하지 않으면 안 된다.일반적으로 다음과 같은 방법이 이용된다.{(1) 사진작용사진 film(2) 이온화작용전리함(Ion Chamber)GM 계수관(Geiger-Muller Counter, GMC)비례계수관(Proportional Counter, PC)위치민감형 비례계수관(Position Sensitive Proportional Counter, PSPC)반도체 검출기(Solid-State Detector, SSD)(3) 형광작용형광판Scintillation 계수관(Scintillation Counter, SC)X선(X-Rays) TVCCDImage Plate, IP(4) 광전도작용PbO(X선 TV)2) 사진법X선(X-Rays)은 가시광선과 같이 사진유제를 감광시킨다.X선(X-Rays)이 유제 중에 입사되면, 할로겐화은을 이온화 시키고, 현상핵을 형성한다.현상액에 의해 은 입자가 유리되고, 흑화 한다.Film은 X선강도(X-Rays Intensity)의 측정에 대하여 계수관과 같이 고정밀도의 측정이 가능하다.사진 Film은 여러 곳의 X선강도(X-Rays Intensity)뿐만 아니라 공간적으로 상대위치(2차원적인 도형을 기록가능)를 볼 수 있는 이점이 있다.3) 전리함전리함(Ion Chamber)는 양극전압을 비례계수관 보다 낮게 사용하며, 전리전류를 읽는것으로 강한 X선(X-Rays), 넓은 파장영역의 X선(X-Rays)의 검출에 편리하다.전리함 Survey meter, Pocket 선량계 등에 사용한다.4) 비례계수관비례계수관(Proportional Counter, PC)는 보통, 내경 25mm 정도의 원 관을 음극으로 하고, 그 중심에 50mm 정도의 텅스텐 심선을 놓고 양극으로 한다.두 극간에 1000 ~ 2000 V 의 직류 고전압이 걸린다. 관 안에는 보통 아르곤 90%, 메탄 10% 의 혼합가스를 약 1기압 정도로 넣어서 사용한다. 비교적으로 강한 X선(0.2 ~ 3 {)을 검출하는 경우는 가스를 봉입한 계수관(봉입 형 비례계수관, Sealed Proportional Counter, S-PC)이 사용된다. 약한 X선(2 ~ 50 {)을 검출하는 경우는 창을 아주 얇게 하여 가스를 천천히 흐르게 하여 사용한다(Gas Flow 비례계수관, Gas Flow Proportional Counter, F-PC). 예를 들면, 전자는 X선 회절(X-Ray Diffraction)에, 후자는 형광X선 분석(Fluorescence X-Ray Analysis)의 경 원소 측정용으로 사용한다.다음 그림에 S-PC의 단면을 표시했다.{X선(X-Rays)이 계수관 안으로 들어와서 계수관 내의 가스를 이온화 시킨다. 이 1차 이온의 수는 X선(X-Rays) 광양자(Photon)의 Energy에 비례한다. 여기서 이온은 양극으로 향하는 도중에 다른 중성원자에 충돌하여 이온의 수가 증가한다. 이렇게 X선(X-Rays) 광양자 1개가 계수관에 들어가 1개의 Pulse전류가 계수관의 두 극 사이에 흐르게 된다.이 Pulse의 평균전압을 파고(Pulse height)의 평균값(평균 파고 값)이 입사된 X선 광량자의 Energy에 비례하므로 비례계수관(Proportional Counter, PC)이라고 한다.다수의 특성X선(Characteristic X-Rays) 광양자를 한꺼번에 검출하려면, 각각의 Pulse Height는 일정하지 않으므로 평균파고(Mean/Average Pulse Height)를 중심으로 비교적 좁은 범위 내에 분포하게 된다.평균파고는 위에서 설명한 비례성 보다 X선(X-Rays) 광량자의 Enegry에 의한 결과이다각각의 Pulse분포의 폭이 좁은 정도를 Energy 분해능(Energy Resolution), 또는 Energy 분별 성(Energy Discrimination)이 좋다고 한다.{Energy 분해능을 수식으로 표시하면, 보통(분포의 반가폭)/(평균파고)*100(%) 로 표시한다.비례계수관과 구조가 동일한 것으로 Geiger-Muller 계수관 이 있지만, Energy 분별성이 없고, 계수 직선 성 영역(Linear Region of Counting Rate)이 좁고, 수명이 짧아서 현재는 사용하지 않는다.5) 위치 민감 형 비례계수관PC의 심선 양단에서 생긴 Pulse의 시간차를 검출하는 것으로, PC의 심선방향에 위치분해능을 얻을 수 있는 것이다.이것을 위치 민감 형 비례계수관(Position Sensitive Proportional Counter, PSPC)이라고 한다. 검출기의 주사(Scan)가 필요 없어, 동시측정을 할 수 있어 약한 계수강도의 시료를 짧은 시간에 측정할 경우에 이용한다.6) 반도체 검출기전리함, GMC, PC, PSPC는 방사선에 의한 기체의 이온화 작용(전리작용)을 이용한 것이지만, 반도체검출기(Solid-State Detector, SSD)는 고체(반도체)의 이온화 작용을 이용한 것이다. 실리콘이나 게르마늄 반도체에 X선(X-Rays)을 입사시키면 이온 대(전자의 정공)가 만들어 진다. 이온대의 수는 입사 X선 광량자의 Energy에 비례한다. 이러한 전자, 정공은 전압이 걸려있는 두 전극으로 분리되어 Pulse 전류가 된다.전자, 정공은 두 전극으로 이동하는 도중에 전자를 쉽게 이온화 시키지 못하므로, Pulse 전류는 아주 미약하다. 열잡음과 구별하기 위하여 반도체와 Pre-Amplifier는 액체질소로 냉각한다. 이 검출기는 Energy 분해능이 좋다.7) 형광판형광판, X선(X-Rays) 검파기는 ZnS, CdS등의 형광도료(광전흡수에 의한 발광)를 판위에 칠한 것으로, X선(X-Rays)의 존재를 확인하는 정도에 이용한다.8) Scintillation 계수관NaI, ZnS, CdS, 만트라센 등의 결정은 X선(X-Rays)이 입사되면 발광한다.이 미약한 빛을 광전자증배관(Photomultiplier, Phototube)으로 전기 Pulse로 변환하여 증폭한다.Scintillation 계수관(Scintillation Counter, SC)도 Energy를 선별하는 것이 가능하며 Energy분해능은 비례계수관에 비해 나쁘다. SC와 PC 모두 X선 회절에 잘 이용하고 있다.9) X선 Television형광판으로 X선(X-Rays)을 가시광선으로 변환하여, 이것을 고감도 촬영관을 사용하여 Television에 투영하는 방식과, 직접 X선(X-Rays)에 감응하는 촬영관을 사용하는 방식 2종류가 있다.10) Image PlateIP는 형광체( BaFBr : Er2+ )의 아주 작은 결정을 Film위에 칠한 것으로, 종래의 Film의 10 ~ 60 배의 감도와 105 ~ 10 6정도의 넓은 Dynamic range를 갖고 있다.2.분말 법1) 다결정체고체물질은 원래 결정상태로 존재하며, 대부분은 미세한 결정입자가 모여 있다.이러한 것을 다결정체(Polycrystalline substance)라고 하며, 예를 들면 금속뿐만 아니라 넓은 분야에 존재 한다.2) 분말 법분말상태의 결정, 또는 다결정체를 시료로 하여 X선회절(X-Ray Diffraction)을 얻는 것을 분말 법(Powder Method)이라고 한다.이 방법은 시료의 조성분석(상태분석), 결정입자의 상태 또는 집합의 상태 등의 연구에 활용한다.3) 분말법의 원리분말시료에 단색의 가는 X선 다발(X-ray beam)을 조사 시킨다고 하자, 이때 시료 중에 있는 결정입자의 면 간격 d의 격자면(hkl)이 입사X선(Incident X-Rays)에 대하여 Bragg식(Bragg's formular) 2d sin q = n l 를 만족하는 각도 q (Bragg각, Bragg Angle) 만큼 기울어져 있으면, 입사X선(Incident X-Rays)은 이 격자 면에 의하여 회절 된다.
. 이론1. 금속의 전기전도도A. 전기전도도의 열적인성분 , 불순물성분, 결함성분실험에 의하면, 아주 낮은 온도(0 K근방) 에서 금속의 비저항은 거의 일정하고, 온도의 증가에 따라 약간 상승한다. 어느 온도 이상이 되면 상당한 온도 영역에 걸쳐 온도에 비례하는 비저항을 보인다. 어떤 종류의 금속은 낮은 온도에서 아예 저항이 갑자기 사라져 버리는 이상한 현상, 즉 초전도 상태를 보이기도 한다. 납의 경우 7.2 K 이하의 온도에서 초전도체가 된다. 그러나 구리 같은 금속은 현재까지는 아무리 낮은 온도에서도 초전도 현상을 보이지 않고 있다.금속의 경우 valence band와 conduction band가 겹쳐있고, 따라서 전도에 참여할 수 있는 자유로운 전자의 수가 많은 것을 볼 수 있다. 전자는 스핀이 1/2 인 Fermi 입자라서 배타원리의 지배를 받는다. 따라서 가장 높은 에너지 상태의 전자는 Fermi Energy에 해당하는 상당히 높은 에너지를 가지고 있는데, 구리의 경우는 약 7eV 정도이다. 상온에서 온도에 의한 에너지는 kT ~ 25m eV 정도 이므로 전자의 최대 속도는 온도의 변화에 별로 영향받지 않는다고 볼 수 있다. 전기장이 가해지지 않을 때는 금속의 전자의 평균 속도는 0 이다. 전기장이 가해질 때는 전기장의 방향(정확하게 말하자면 반대 방향)으로 가속되어 흘러가게 되는데, 전자가 충돌(주로 원자가 될 것이다)하여 자기가 가진 과거의 속도 정보를 모두 상실하는데 걸리는 시간을 t로 두고 그 시간 동안 전자가 진행하는 거리를 평균자유행로 {로 표시하면 하나의 식이 얻어진다. 이 식에서 온도에 영향을 받을 수 있어 보이는 양은 평균자유행로 {뿐이다.전자가 진행하다가 원자와 충돌하는 정도를 충돌 단면적이라고 표현하는데, 평균자유행로는 충돌단면적에 반비례함을 볼 수 있고, 이 충돌 단면적의 온도 의존성이 곧 전도도의 온도 의존성이 된다. 양자역학적으로 보면, 규칙적인 배열을 가진 격자에서는 전자가 원자와 충돌하지 않는다. 그러나, 결정에 불규칙성, 즉 불순물이나, 진동등에 의하여 원자가 제 위치에 있지 않으면 전자와 충돌한다. 그러면 격자속의 원자를 생각해보자. 원자는 그 평균 위치에서의 단조화 운동으로 상태가 기술 될 수 있다. 이 경우 위치에너지는{(식1.2)으로 주어진다. 따라서 충돌 단면적은 정위치에서 이탈되는 정도의 제곱에 비례할 것이다. 즉{(식1.3)가 된다. 그리고, 온도 T에서, 원자는 자기 평균 위치에서 자유도마다{(식1.4)의 에너지를 가진다(equipartition principle). (식1.2)와 (식1.3)을 연결하면,{인 관계를 얻고, 따라서{(식1.5)혹은 {인 결과를 얻는다. 이상의 결과는 어느 정도 이상의 온도에서는 좋은 근사가 된다. 그러나 온도가 아주 낮아지면, 양자역학적인 추가적인 고려가 필요하며, 그 결과는 산란의 확률이 낮아지는 방향이 되며, 따라서 그 도체의 저항이 감소하는 결과를 가져온다. (그림 3)에 구리의 저항 대 온도의 관계를 보였다.{합금과 같이 불순물이 많은 금속의 경우는 상온의 경우에도 불순물에 의한 산란이 저항의 중요한 원인이 된다. 어떤 합금은 일부러 이런 목적으로 만들기도 한다. 예를 들면 Cu84, Mn12, Ni4의 조성인 망가닌이라고 부르는 합금의 경우 상온근처에서 거의 온도계수가 없어서 정밀 저항기의 재료로 사용된다. (망가닌의 또 다른 중요한 특성은 구리에 대해 열기전력 효과가 없다는 것이다.)격자 불완전성R = RL + RI{2. 반도체의 전기전도도순수한 반도체에 있어 저항의 온도에 따른 변화는 전기 전달자의 수인 n의 변화에 주로 원인이 있다. 에너지 띠 구조에서 보다시피 conduction band 에 있는 전자의 수가 전기전도에 기여하게 되는데, 반도체의 경우 conduction band가 valence band 에 비해 수 eV 정도 높기 때문에 절대온도 0도에서는 모든 전자가 valence band에 있게 될 것이다. 온도가 올라가면 valence band의 전자가 conduction band로 올라가게 되고, 이 확률은 Boltzmann 분포를 따르게 될 것이다. 이에 따르면 valence band에서의 전자의밀도를 {라고 하면 온도 T에서 그보다 {만큼 높은에너지상태의 conduction band로 올라가는 전자의 밀도 {와의 비율은{가 된다. 올라간 전자는 정공(hole)을 만나야만 다시 내려올수 있으므로 실제 conduction band에 머물러 있는 전자의 밀도비는{이 된다. 따라서 불순물이 없는 반도체 고유의 전기전도도 {역시 같은 온도 의존성을 가진다.{따라서 이 경우 비저항은{의 온도 의존성을 보일 것이다. 이런 특성을 이용하여 온도변화에 민감한 저항을 만들어 온도 측정 등에 널리 쓰인다. (식 1.8)에서 B는 서미스터의 특성을 나타내는 상수로서 보통 수백�K ~ 수만�K에 해당되는 값이다. 보통 25�C 의 저항값과 함께 서미스터의 특징을 대표하는 양이다. 아래 그림은 25�C에서 5k 의 저항을 가진 B=4100??K인 서미스터의 저항 온도관계이다.{반도체와 부도체(절연체)는 band gap energy의 차이에 있으므로 전도도에 대한 근본적인 이해는 같이 할 수 있다.만일 반도체에 불순물이 가미되면 n 및 가 모두 전도특성에 영향을 미치는 양상이 되지만, 지금까지 논의한 내용을 결합하여 생각하면 이해할 수 있다.A.진성반도체의 전기전도도실리콘 단결정은 실리콘 원자가 규칙적 으로 늘어서 있다. 한개의 실리콘원자는 최외각에 4개의 전 자를 가지는 주기율표상의 IV족원소이며, 서로 이웃하는 전자끼리 굳게 결합하므로 써 결정을 이루게 된다. 이러한 결합을 공유결합이라고 한다.이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결 합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문 에 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않으며 이를 진성(Intrin-sic)반 도체라고 한다.
![[공학기술]반도체증착기술](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2007/07/19/data4521893-0001.jpg)
[공학기술]반도체증착기술
