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마이크로웨이브 소결이론

제 1 장 마이크로웨이브에 의한 재료의 가열 이론1. 마이크로웨이브와 재료의 상호 반응마이크로웨이브(microwave)는 주파수가 0.3 에서 300 ㎓이고, 파장이 1 m에서 1 ㎜인 정합적(coherent)이고 분극화(polarized)되어 있는 전자기파(electromagnetic wave)이다. 이러한 마이크로웨이브가 재료에 인가되었을 때 [그림 1-1]과 같이 물질의 종류와 온도에 따라 투과, 흡수, 또는 반사가 일어나는 정도가 달라지게 된다.[그림 1-1] Interaction of microwave with materials.대부분의 금속은 마이크로웨이브를 반사하므로 가열되지 않는다. 그러나 Al2O3, MgO, SiO2 및 대부분의 유리등과 같은 세라믹스 유전재료(전기적 절연물질)는 상온에서 마이크로웨이브를 투과시키지만 임계온도(Tcr) 이상에서는 마이크로웨이브와 점차적으로 반응(coupling)하여 마이크로웨이브 에너지를 효과적으로 흡수하게 된다. 한편 Co2O3, MnO2, NiO, Fe2O3, CuO, carbon black등과 같은 전도성 또는 자성 물질은 상온에서부터 마이크로웨이브를 흡수하기 시작하는데 이와 같은 마이크로웨이브 흡수 재료를 마이크로웨이브에 투과성을 가지는 세라믹스 재료에 섬유상(fiber)이나 입자(particle) 형태로 첨가하면 모상(matrix)보다 먼저 마이크로웨이브와 반응하는 선택적 가열 현상이 일어나서 재료 전체가 마이크로웨이브를 흡수하는 효율이 크게 증가된다.마이크로웨이브가 재료에 인가되었을 때 단위 부피 V에 흡수되는 평균 마이크로웨이브 출력 P(W/㎥)는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.(1-1)위 식에서 재료에 흡수되는 마이크로웨이브 출력은 마이크로웨이브의 주파수(f), 재료의 비 유전상수(εr', relative dielectric constant)와 손실계수(tan δ, loss tangent), 그리고 재료 내 전장(E)의 제곱에 비례함을 알 수 있다. 이중에서 마이크로웨이브 주파수와 전장은 마 1-2]와 같이 전자 분극, 원자 분극, 쌍극자 분극 또는 배향 분극, 그리고 공간 전하 분극의 4가지로 구분 될 수 있다. 이중에서 어떤 분극기구가 주로 작용하는가는 물질의 종류 및 전자기파의 주파수와 온도에 의해 좌우된다.[그림 1-2] Schematic representation of different mechanisms of polarization.마이크로웨이브의 주파수 영역에 있어서 전자 분극은 높은 주파수 영역에서 주로 고분자 물질에서, 공간전하 분극은 낮은 주파수 영역에서 다른 물질 사이의 계면에서 일어난다.1 ～ 10 ㎓의 마이크로웨이브 주파수 범위에서 세라믹스의 발열은 주로 [그림 1-3]과 같은 쌍극자 재배열에 의한 것으로 알려져 있다. 쌍극자가 무질서하게 배열된 세라믹스 유전체에 전장이 가해지면 재료내의 쌍극자(dipole)들은 전장의 반대 방향으로 배향되려고 하며 쌍극자들이 배향될 때 외부 전장의 반대 반향으로 쌍극자에 의한 전장이 발생하므로 내부 전장이 감소하는 현상이 발생한다. 그런데 마이크로웨이브와 같은 1 ㎓ 이상의 빠른 전장의 변화가 세라믹스에 가해지면 질량과 관성을 가지는 물리적 실체(physical entity)인 쌍극자가 전장이 변화하는 속도를 따르지 못하기 때문에, 가해준 전장에 대해서 위상지연(phase retardation)이 발생하게 되며, 지연되는 정도(= loss angle, δ)만큼 유전손실(∝ tan δ)이 일어나서 열이 발생하게 되는 것이다.[그림 1-3] Dipolar reorientation mechanism.2. Thermal runaway 현상시편이 내화물에 의해 단열되어 있을 경우 마이크로웨이브에 의한 재료의 가열속도는 다음 식과 같이 시편의 자체 발열 항과 복사에 의한 열손실 항의 합으로 나타낼 수 있다.(2-2)εeff'' : 유효 유전 손실인자(effective dielectric loss fact, = εr' × tan δ)Cp(T) : 피가열체의 정압 열용량ρ(T) : 파가열체의 밀도σsb되고, 온도상승은 다시 손실계수를 더욱 빠르게 증가시킨다. 이러한 일련의 가속 효과에 의하여 온도의 지수함수적인 증가가 발생하는데 이러한 현상을 Thermal runaway라 한다.온도의 지수적 증가가 일어나는 조건(thermal runaway condition)을 두 가지 형태의 재료에 대하여 [그림 1-6]에 나타내었다.[그림 1-4] Temperature dependence of the relative dielectric constant.[그림 1-5] Temperature dependence of the dielectric loss tangent.[그림 1-6] Response of two different materials to microwave heating.A형 재료는 상온에서 낮은 손실정접을 갖고 있어서 B형 재료에 가해준 출력 범위에서는 thermal runaway가 일어나지 않지만 출력이 충분히 높아지면 흡수 효율이 증가하여 thermal runaway가 일어난다. B형 재료는 상온에서 마이크로파를 효율적으로 흡수하는 재료로 일정한 출력의 마이크로파를 시편에 가할 경우 곧바로 thermal runaway가 일어난다. A형 재료는 B형 보다는 작은 손실인자를 가지고 있기 때문에 B형과 같은 출력에서는 thermal runaway가 일어날 수 있다. Fe3O4는 상온에서도 큰 손실인자의 값을 가지기 때문에 B형 재료와 유사한 거동을 보인다고 보고 된 바 있으며,53 알루미나에 50 w% Fe3O4를 첨가한 경우는 저온 영역에서부터 마이크로웨이브를 잘 흡수하게 되어 B형과 유사하였다고 보고 되었다.Thermal runaway 현상은 급속한 승온이 가능한 기본적인 이유가 되기도 하는 반면에 시편의 조성이 균일하지 않거나 단열이 일정하지 않아 시편에 온도차이가 발생할 경우 국부적인 부위에 바람직하지 못한 열점(hot spot) 및 용융(melting)을 발생시켜 이에 따른 열 충격으로 재료의 파괴를 일으키는 원인이 될 수도 있으므로 세라믹스의 소결 시반 소결과 구별되는 상이한 특성으로 인하여 여러 가지 새로운 가능성을 제공하고 있는데 그 대표적인 장점들을 열거하면 다음과 같다.(1) 공정시간이 짧고 에너지 소비가 적어 제조 단가를 낮출 수 있다.(2) 피 가열체의 자체 발열에 의해 소결이 이루어지므로 제품의 크기와 수량에 구애를 받지 않아서 품질의 균일성과 수율이 증가된다.(3) 급속가열이 가능하고 물질의 확산속도의 증가로 소결온도가 낮아진다.(4) 복합재료 및 비산화물 같은 난소결성 재료의 소결에 응용이 가능하다.초기 연구자들에게 급속가열 효과는 미세구조의 조절에 따른 특성 증진의 측면에서도 많은 관심을 유발시켰다. 이는 마이크로웨이브 가열에 의해서는 초 급속 가열(ultra-rapid heating)이 가능함으로써 비교적 저온 영역에서 발생하는 표면 확산에 의한 입자의 조대화와 이에 따른 소결 구동력의 감소를 억제하고, 입계 및 격자확산을 크게 증가시키므로 치밀화 속도(densification rate)를 비약적으로 높일 수 있기 때문이다.소결온도의 감소 효과는 마이크로웨이브 소결에 있어서 가장 관심의 집중이 되고 있는 부분이며 이와 관련된 많은 연구 결과가 보고 되었다. Janney와 Kimrey는 소결온도 감소의 원인을 마이크로웨이브에 의한 활성화 에너지의 감소로서 설명하였으며 치밀화에 대한 겉보기 활성화 에너지가 마이크로웨이브 소결의 경우 일반적인 상압소결과 비교하여 70 %감소 (575 kJ/mol → 160 kJ/mol) 하고, 입자성장에 대한 겉보기 활성화 에너지는 20 %감소 (590 kJ/mol → 480 kJ/mol) 한다고 보고 하였다.Booske등은 마이크로웨이브에 의해 이온의 이동도(ion mobility)가 증가되어 확산속도가 증가한다는 것으로서 그 원인을 설명하였는데 마이크로웨이브의 에너지(photon energy, ≒ 10-4eV)로는 원자결합이나 화합물의 구조와 관계되는 엔탈피(enthalpy), 즉 활성화 에너지를 변화시킬 수 없다는 이유로 Janney와 Kimrey의 주를 설명하고 있다.마이크로웨이브 소결의 또 다른 특성은 마이크로웨이브 전장에서는 손실인자의 차이에 의해 물질마다 상이한 가열특성이 나타나므로 마이크로웨이브를 잘 흡수할 수 있는 물질(coupling materials or susceptor materials)을 섬유상, 입자, 또는 첨가제(additive)의 형태로 넣어주면 재료의 균일한 가열이 가능하다는 것이다. 이러한 특성에 의해 난소결성 재료의 소결 및 새로운 복합재료의 제조가 가능하며 소결밀도와 기계적 물성의 증진을 기대할 수 있다.2. Insulation box의 역할마이크로웨이브 소결 장치에서 세라믹스를 소결하기 위해서 가열기에 시편만을 장착하게 되면 소결이 잘 이루어지지 않는다. 이는 임계온도 이상에서 마이크로웨이브를 잘 흡수하기 시작하는 저손실 세라믹스의 경우에는 상온에서 마이크로웨이브를 그대로 투과시키므로 가열이 전혀 이루어지지 않고, 손실인자가 큰 세라믹스의 경우에는 시편의 자체발열이 일어나더라도 발생한 열을 주위로 빼앗기게 되기 때문이다. 그러므로 마이크로웨이브로 세라믹스를 소결하기 위해서는 다음과 같은 역할을 할 수 있는 특별한 insulation box(또는 casket)가 필요하다.첫째는 마이크로웨이브를 투과시키는 시편(low loss sample)의 예열이다. 대부분의 세라믹스는 [그림 1-5]에서와 같이 저온에서 낮은 손실정접의 값을 갖기 때문에 마이크로웨이브를 흡수할 수 있는 임계온도(Tcr)까지 간접적인 방법으로 가열시켜 주어야 한다. 둘째는 마이크로웨이브에 의하여 시편에서 발생된 열의 단열이며, 셋째는 마이크로웨이브 가열기 내에서의 arching 방지이다.Insulation box에 의해 thermal runaway의 발생유무, 시편의 마이크로웨이브 흡수효율 및 소결체의 균일성(uniformity)이 좌우되므로 세라믹스의 마이크로웨이브 소결에 있어서 insulation box의 고안은 중요한 부분을 차지하며 소결하고자 하는 물질의 종류에 따라 적절하게 고안되어야 한다.이제까지

공학/기술| 2009.04.16| 14페이지| 1,500원| 조회(1,381)

마이크로, 마이크로웨이브, 마이크로웨이브소결

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이온플레이팅의 원리

이온플레이팅의 원리와 특징이온플레이팅(Ion Plating)은 1963년 미국의 D.M. Mattox에 의해 처음 소개되었다. 당시 Mattox는 분압하에서 증발시킨 금속의 일부를 이온화하고, 여기에 전계를 가해 큰 에너지를 부여함으로써 기판 표면에 밀착성이 강한 막을 형성하는 방식을 제안하였다. 이 방법은 곧 NASA에 의해 우주공간의 윤활유가 없는 상황에서 사용되는 베어링 등에 강한 밀착성의 금, 은 윤활막을 형성시키는데 응용되었다.Mattox의 제안 이후 이온플레이팅은 각종 개량, 개선이 가미된 다양한 방식들이 개발되었으며, 특히 1972년 미국 UCLA의 R. F. Bunshah교수가 개발한 활성화반응 증착법(ARE법 : Activated Reactive Evaporation)은 종래 CVD에 의해 1,000℃ 이상의 고온에서 증착시켜 온 TiC막을 500℃ 이하에서도 증착할 수 있어 크게 주목을 받았다. ARE법은 저온플라즈마중에서 금속과 반응가스를 이온화하여 각종 화합물막을 형성시키는 방법으로, 오늘날 널리 이용되고 있는 절삭공구의 초경질 TiC, TiN, TiCN막 코팅, 장식품의 금색 TiN막 코팅 등 반응성 이온플레이팅은 대부분 이 기본적인 ARE법에서 파생된 것이다.Ion Plating이란?금속이나 합금, 무기화합물 등의 이온이나 가스의 이온을 도금표면에 증착시키는 방법으로 진공증착과 유사하지만 기판으로 이동하는 과정에 가스형태의 Glow discharge를 거치며, 이렇게 하여 기화된 원자를 이온화시킨다.이온 도금 ⇒ 직류 이온화, 고주파 이온화, 복합법; 증발된 입자가 플라즈마 속을 통과하면서 이온화하고 스파터와 같은 고에너지를 가지고 도금이 되므로 도금속도도 크고 밀착도 좋으며 뒷면에도 도금이 된다. 즉, 이온을 사용한 도금이라고 하여 이온 도금이라 한다.다시 말해서 이온 플레이팅이란 진공챔버(Chamber)내에 아르곤 등의 가스를 주입하여 약 10 torr의 고진공 상태에서 플라즈마를 일으켜, 증착물질과 가스를 이온화하여 증착될 물체에로 방출되거나, 혹은 음극표면에 침투하여 표면의 성질을 변화시킨다. 음극표면에서 방출된 원자는 다시 다음의 반응으로 이온화된다.S + e- → S+ + 2e-S + G* → S+ + G + e (Penning이온화) ---------------------------------(3)(S : 음극물질, G* : 불안정한 가스 원자)이상과 같이 방전공간에 증발원자를 도입하는 이온플레이팅의 경우도 가스중의 방전과 동일한 (1), (2), (3)의 반응이 일어나며, 이 경우 음극(기판)에서는 G+M+ (증발원자의 이온), S+ 등의 충격을 받으면서 증발원자가 퇴적하게 된다. 단, 이와 같은 직류방전의 경우 이온화되는 방식은 공간에 존재하는 워자의 1% 이하에 불과하며, 99% 이상은 중성원자로 존재하게 된다는 점에 유의할 필요가 있다.(2) 이온플레이팅의 기본Process그림2는 플라즈마법에 의한 이온플레이팅의 기본구성이며 막형성은 다음의 세가지 주요 프로세스를 통해 이루어진다.? 진공증착과 마찬가지로 코팅할 물질을 가열, 증발시켜 원자, 분자로 분해하는 프로세스? 원자, 분자를 이온화하는 프로세스? 이온을 전계에 의해 가속하여 고에너지로 기판에 충돌시키는 프로세스1) 증발원가열막형성의 원재가 되는 증발물질의 분류법에는 가열방식에 따라 증발가열방식, 고주파가열방식, 전자빔가열방식, 중간음극방전(HCD)플라즈마전자빔방식 등의 방법이 있다. 이들 중 증발가열방식이 가장 간편한 방법이지만, 현재 고융점 활성금속을 증발시키기 위해 전자빔가열방식이 주로 이용되고 있다.2) 이온화(활성화)일반적으로 이온화에 필요한 에너지는 표1과 같이 대개 불활성가스, 활성가스, 금속의 원으로 많은 에너지가 필요하며, 불활성가스가 이온화한 공간 분위기 중에 증발금속이 들어가면 쉽게 이온화된다. 후속하는 Mattox법은 이것을 이용하여 증발금속을 이온화한 것이다. 이와 같이 방전중에서 증발금속은 그 일부가 쉽게 이온화되지만, 이것은 주로 증발금속과 전자의 충돌에 의한 것이다. 따라서 방전공간에서 가 고온으로 되기 때문에 막표면에 오목볼록이 생겨 막형성 후에는 다시 표면을 연마할 필요가 있다. 또한 전자빔을 사용하지 않으면 방전이 일어나지 않으며, 국부적인 플라즈마이기 때문에 반응성이 양한 결점도 있다.2. 이온플레이팅의 특징현재 이용되고 있는 각종 이온플레이팅은 일반적으로 다음과 같은 특징을 갖고 있다.(1) 양호한 막의 밀착성일반적으로 이온플레이팅에 의해 형성된 막은 표2와 같이 밀착성이 종래 진공증착에 비해 50~100배 정도 뛰어나다. 이것은 방전중에서 이온화되어 가속된 증발입자 혹은 가스분자가 기판에 충돌하여 자신이 갖고 있던 운동에너지를 열로 교환하고 기판을 국부적으로 가열함으로써 막과 기판 상이의 확산 또는 화학반응을 촉진하기 때문이다. 한 예로 증발입자의 운동에너지는 진공증착의 경우 0.1~0.5eV, 스퍼터링의 경우 100eV 정도이지만 이온플레이팅의 경우는 100eV 이상에 달한다.또한 코팅물질을 증발시키기 전, 후처리로서 불활성가스방전(주로 Ar)중에서 발생한 Ar이온을 기판에 충돌시켜 시판표면의 오염물질을 제거하고, 코팅작업중에도 계속 기판표면이 이온의 충격을 받아 항상 청정한 상태를 유지하기 때문에 밀착성이 개선된다.(2) 다양한 화합물막의 형성반응성 증착(Reactive Evaporation)에서도 증발공간에 반응가스를 도입하면 화합물막을 형성시킬 수 있지만, 반응이 완만하기 때문에 화학중론적으로 균일한 화학물막을 얻기가 곤란하다. 반면, 이온플레이팅은 방전에 의한 활성화여과로 균일한 화합물막을 쉽게 얻을 수 있다. 표3은 이온플레이팅에 의해 얻어지는 화합물막의 예를 든 것이다.현재 가장 널리 상품화되고 있는 것은 절삭공구의 내마모용 TiC, TiN 코팅이지만 금형, 시계케이스 등에도 탄화물, 질화물 등의 코팅이 확대되고 있다. 특히 현재 연구되고 있는 것은 주로 결정 혹은 비결정의 반금속, 금속, 합금, 탄화물, 질화물, 산화물 등의 막형성이지만 향후 각종 신기능물질막형성도 기대되고 있다.(3) 저온처리 및 기판재질이온플레이팅 플라즈마를 발생시킴으로써 이온화시킨다. 멀티아크 이온플레이팅 장치는 다중 타켓에 각각 설치된 아크 발생장치를 이용하여 아크 방전을 일으켜 입자의 증발 및 이온화를 유도한다. 전자빔 이온플레이팅 장치는 전자빔을 이용하여 입자의 증발 및 이온화를 유도한다.5. 장점 및 특징이온도금방법은 다른 PVD 방법에 비하여 증착물의 증발 효과가 높고, 피복률이 크며, 고융점 금속을 전자빔에 의해 쉽게 증발시킬 수가 있으며, 낮은 작업 온도를 갖는다. 최근 선진국에서는 마찰계수 및 마모의 감소가 요구되는 상대 운동하는 접촉면의 피복 및 부식 또는 산화 저항이 요구되는 보호피막 분야 등에 이용이 시도되고 있다.CVD법 보다 낮은 온도에서 화합물이 형성되고 도금속도가 10～100배 빠르며 무공해의 이점이 있으며 또한 내마모성에 있어서도 CVD법과 동등 이상이다.1) 이온과 중성입자의 충돌로 인하여 기판이 깨끗해지고 기판이 예열되기 때문에 접착력이 향상된다.2) 증착동안 기체의 산란효과와 기판의 회전에 의해 균일한 두께의 막을 얻을 수 있다.3) 증착 후 기계가공이나 연마를 할 필요가 없다.4) 이온의 충돌이 주상정 조직의 성장을 방해하고 원자의 이동도를 높이기 때문에 코팅의 구조를 제어할 수 있다.5) 부도체를 포함한 다양한 범위의 기판재료와 박막재료가 사용 가능하다. (보통 RF bias를 사용함)6) 다양한 증발원을 사용하기 때문에 증착율를 제어할 수 있다. (저항가열, e-beam, 유도가열, sputter, magnetron 등)7) 오염물, 유독성 용액을 사용하지 않고 해로운 부산물을 만들지 않는다.8) 순수한 물질을 source로 쓰고 진공환경에서 사용함으로 고순도 증착이 가능하다.9) CVD법에 비해 낮은 증착온도이다.10) 전기도금에서 문제가 되는 수소취성을 피할 수 있다.11) 코팅의 성질(morphology나 우선방위)을 제어할 수 있다.(=> 물리적 성질 항상 가능)12) 다른 방법으로 얻을 수 없는 합금계 박막을 얻을 수 있다.(compound, metas품(치과 임플란트, 틀니), 욕실 수전금구, 핸드폰 부품, 자동차 Emblem, 초음파 맛사지기 헤드. 그 외에 다양한 칼라와 내마모성, 윤활성 등의 기능이 요구되는 제품금과 유사한 색상- 내부식성, 내마모성, 윤활성 향상, 다양한 칼라 (Blue Rainbow, Black, Gray, Brown, old(TiN), IPG절삭공구고온 내마모성내열성내소착성TiNTiCN호브, 브로치, 드릴, 엔드밀, 밀링커터, 바이트, 리머, 탭, 서어멧, 세라믹스, 각종칼날류(믹서기,쥬서기 칼날), 각종 톱날 등절삭속도향상:40∼60m/min100∼130m/min- 수명 : 3 ∼ 8 배 이상 연장- 내마모성, 윤활성 향상전자부품내마모성전기전도성내부식성TiN접점재료, 자기헤드 등3배이상 수명 연장우주항공윤활성TiN볼트너트의 알루미늄코팅,3배이상 수명 연장기계부품류윤활성내부식성내마모성TiN산업기계부품, 기어, 스크류, 로울러, 베어링, 자동차펀치 등3배이상 수명 연장● Cutting tool (절삭 공구)- Life Extension (수명연장) : TiN과 같은 경질내마모막은 커팅공구의 내마모성을 개선하고,그러한 수명연장의 결과 최근에 개발된 TiCN,TiC,TiAIN 막은 더 뛰어난 능력을 얻을 수 있다.- Higher Productivity (高생산성) : 하드코팅한 기계공구는 더 빠른 기계속도에서 사용할 수 있다.향상된 커팅속도는 高생산이 가능하다.● Mechanical Parts (기계 부품) : 공정온도가 낮은,최상의 밀착력을 얻는 HCD (= Hollow Cathode Discharge)이온플레이팅 방법은 기계부품의 코팅에 가장 유리한 방법이다.HCD이온플레이팅으로 증착한 마찰성이 좋은 TiN은 격한 미끄럼 피복접촉을 하는 면에 적용한다.● Punches and Molds (펀치와 금형) : 최상의 경도를 가진 TiN으로 코팅하는 HCD이온플레이팅은 펀치와 금형의 수명을 향상시킨다. HCD 이온플레이팅의 저온공정은 CVD(화학적진공증착)보다 낮은 서브스트레이트의 정밀.

공학/기술| 2007.12.02| 23페이지| 2,500원| 조회(1,135)

도금, 이온, 이온화, ion plating, Glow

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LED 의 기본 원리 평가C아쉬워요

■ LED(light emitting diode)반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상은 전기 루미네센스[전기장발광]라고 하며, 1923년 탄화규소 결정의 발광 관측에서 비롯되는데, 1923년에 비소화갈륨 p-n 접합에서의 고발광효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었다. 1960년대 말에는 이들이 실용화되기에 이르렀다.■ 발광다이오드에 적합한 재료① 발광파장이 가시(可視) 또는 근적외영역(近赤外領域)에 존재할 것② 발광효율이 높을 것③ p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서 주로 비소화갈륨 GaAs, 인화갈륨 GaP, 갈륨-비소-인 GaAs1 Px, 갈륨-알루미늄-비소 Ga1-xAlxAs, 인화인듐 InP, 인듐-갈륨-인 lnGaP 등 3 B 및 5 B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있는데, 2 B, 6 B족이나 4 A, 4 B족인 것에 대하여도 연구가 진행되고 있다.■ 발광기구는 분류① 자유 케리어의 재결합에 의한 것② 불순물 발광중심에서의 재결합에 의한 것이 있다.①에서 발광파장은 대략 ch/Eg(c 는 광속, h 는 플랑크 상수, Eg 는금지띠의 에너지폭)와 같으며, 비소화갈륨의 경우에는 약 900nm인 근적외광이 된다. 갈륨-비소-인에서는 인의 함유량 증가에 따라 Eg가 증가하므로 가시발광 다이오드가 된다.한편, ②에서는 발광파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르다. 인화갈륨인 경우, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이다. 발광 다이오드는 종래의 광원(光源)에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율(?率)이 좋다.또한 고속응답이라 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다. 또, 주입형 반도체 레이져는 주입 밀도가 매우 높은 발광 다이오드의 일종이며, 반전분포(反지털 신호를 재생하게되어 텔레비전이나 다른 가전제품을 구동하게 된다. 여기서 수광 다이오드는 포토 다이오드가 사용되는데 그것의 동작 원리를 알아보도록 하자.● 포토다이오드의 개요광에너지를 전기에너지로 변환하는 포토 다이오드는 PN접합에 광이 닿으면 전위차가 생기는 광기전력 효과를 이용한 광검출기의 하나이다.▲ 본 구조와 동작 원리실리콘 포토 다이오드는 광기전력 효과 형광센서의 대표적인 디바이스로, 광기전력 효과의 설명도 포함해, 구조와 동작원리를 그림 4.1(a),(b),(c),(d)에 나타낸다 즉, 그림 (a)는 그 rne조를 나타낸 것으로, n형 실리콘 기판의 위에 p형 실리콘층을 마련하는 p-nwjq합을 형성시킨다. 이 구조는 그림 (b)에 나타낸것처럼 실리콘의 p-nwjq합 다이오드라고 간주된다. 여기서, 그림(c)에 나타내는 것과 같이 p형 실리콘층의 외부 표면에서 광에너지가 조사되면, 그 빛은 파장에 따라서 다이오드 내에서 흡수되고, 전자(일렉트론,?)와 정공(홀,?)을 생성한다. 즉, p형 실리콘내의 접합면에 근접한 영역(길이)에서는 홀 ?는 전극으로, 일렉트론(electron)?는 n형 실리콘내를 통해서 ?전극으로 이동하여, 각 js극으로부터 외부로 꺼내진다. 한편, n형 실리콘 내의 접합면에 근접한 영역(길이)안은 홀 ?는 p형 실리콘층으로 이동하여 ?전극으로, 또한 일렉트론 ?는 ?전극으로 이동해, 전술과 같이 각 전극으로부터 외부로 꺼내진다. 여기서, 접합부,으로 나타내는 영역 이외에 흡수된 광에너지는 호로가 일렉트론을 생성하는데, 접합주에 이르기 전에 재결합이 행해지기 때문에 외부 전류에는 기여하지 않는다. 이처럼 p형 실리콘층이 얇은 만큼, 단파장빛 측에 의해서도 감도를 가진다. 그림(d)는 양전극을 개방상태로 했을 때 다이오드 내의 홀과 일렉트론의 상태를 나타낸 것으로 접합부에 기전압[eV]이 생긴다. 전극 전압으로도 동등한(개방전압)이 나타난다.■ LED의 필요성기존 광원에 비해 에너지 절감 효과가 뛰어나고 거의 반영구적으로 사용할 대 기대주다. 모바일기기 키패드의 컬러화에 따라 R(적)·G(녹)·B(청) 등 개별 수요 증가와 모바일 디스플레이의 백라이트 광원으로백색LED가 기존 램프(형광등)를 대체, 수요가 폭발하고 있다.특히 모바일 디스플레이(LCD) 백라이트용 백색LED는 지난 2000년 전체시장의 0.9%에 불과했지만 향후 폭발적인 성장을 거듭, 수년내에 시장을 평정할 것으로 전망된다. 휴대폰 교체주기가 더욱 빨라지면서 향후 시장 성장곡선은 더욱 가파른 상승곡선을 그릴 것으로 예상된다.전광판 시장은 LED시장의 보고다. 이 시장은 지난 99년 50억달러 규모의 세계시장을 형성, LED업계의 새로운 엘도라도로 떠올랐다. 이미 LED 전광판의 위력은 ‘2002 한일월드컵’ 당시 10개 주경기장은 물론 길거리 응원에서 증명된 바있다.특히 LED전광판 가운데 VHS는 고속도로 표지판, 공항표지판, 은행, 주식시세판, 지하철 안내판 등에 설치되는 가장 보편적인 LED 전광판이며 점차 영역을 확대하고 있다. 조명용 LED의 경우 연간 120억달러로 추산되는 기존 조명등 시장을 겨냥해 오스람·GE 등의 전문 조명업체가 LED 램프업체들과 연합해 시장선점을 위한 연구개발을 진행, 하나둘씩 제품을 선보이고 있다.자동차시장의 경우 최근 몇년간 해마다 20%에 가까운 성장률을 보였으며 2001년 기준으로 전체 LED 시장의 26%인 3억1000만달러의 기록을 세우며 이미 고휘도 LED 거대 수요처로 자리매김했다. 스위치, 카오디오, 대시보드 등 자동차안에서 빛을 발하는 곳에는 대부분 LED가 자리잡고 있다. LED는 독일 오스람옵토사와 지멘스가 생산을 개시한 지난 97년 이래 2001년에는 이미 유럽 생산차량의 50%가 LED을 이용해 내부 광원을 충당할 정도다. 전조등 등 외부등의 경우도 ‘CHMSLs(Center High-Mounte Stop Lamps)’라는 LED램프를 사용, 빠른 속도로 채택이 확대되고 있다. 이미 미국·유럽·일본 등에서 생산되는 고급 차량의 전조등이 LED로 교체되고 있다.산설비가 자연스럽게 늘어날 것이란 의미다.현재 LED칩은 물론 전방의 각종 LED 애플리케이션 시장 전망은 매우 밝다. 총체적 IT경기침체와는 상관없이 LED시장은 분명한 신흥시장(이머징 마켓)이자 기존 제품을 대체하는 시장이기 때문이다.산업의 가능성을 보여주는 지표를 제시하는 또 하나의 근거는 종합부품업체 삼성전기와 LG이노텍 등이 올들어 약속이라도 한듯 LED사업을 차세대 수종 육성사업으로 삼겠다고 선언한 것이다. 통상적으로 대기업들이 본격적인 사업참여와 수종사업 육성을 선언하는 경우는 그 산업이 매머드급 산업으로 부상할 가능성이 있다는 것을 의미한다. 하지만, 한국의 차세대 부품사업군으로 부상하는 LED산업이 기초부터 탄탄한 뿌리를 내려 먼훗날 풍부한 열매를 수확하기 위해서는 여러가지 난제를 해결해야 한다는 것이 업계의 중론이다. 무엇보다 시급한 것이 기초원천기술 확보 문제. 현재 LED 웨이퍼에서 발광재료, 첨가물 등 상당부분의 원천기술 및 특허는 일본 니치아를 비롯한 선진업체들이 갖고 있다. 그러다보니, 국내업체들은 눈치를 봐야 하며 국제경쟁력에서 그만큼 불리해질 수밖에 없다. LED칩의 원재료인 웨이퍼만해도 아직취약하기 그지없다. 국내업체들이 패키징 기술 면에서는 일본업체들과 비슷한 수준에 도달했지만, 에피 공정 기술은 일본은 고사하고 비슷한 산업 경쟁력을 가진 대만보다 취약한 것으로 평가받는 실정이다.실제 국내에서 소비되는 웨이퍼 가운데 50% 정도가 일본·유럽·대만 등지에서 수입되고 있다. 국내 에피웨이퍼업체들이 시장진입을 꾸준히 시도하고 있지만 수요량에 비해 턱없이 부족하다. 재주는 곰이 넘고 돈은 일본·유럽·대만 등 해외업체들이 챙기는 것이다. 전문가들은 “업체들이 기술개발보다 설비증설에 치중함에 따라 날이 갈수록 투자금액에 비해 수익률이 하락하고 있다”며 “고성장하는 LED산업에서 부가가치를 높이기 위해서는 에피택시를 비롯한 첨단기술 육성이 필요하다”고 입을 모은다.LED를 전문적으로 연구하는 고급인력이 태부족한 것도 문제. 현재 일부 대기학·연 등이 힘을 모아 관련 인프라 확충을 통해 체계적인 육성에 나서야 할 때”라고 입을 모은다.■ 국내 시장동향 : 삼성전기 -LG 이노텍부품산업의 양대산맥이자 최대 라이벌인 삼성전기(대표 강호문)와LG이노텍(대표 허영호)이 발광다이오드(LED)시장에서 또 다시 충돌한다.세계 IT경기 회복 지연으로 부품산업 전반이 침체를 보이는 상황에서 LED 분야가 활황세를 보이자 두 회사 모두 LED사업을 차세대 수종 육성사업으로 선정, 치열한 경쟁체제를예고하는 것이다.특히 LED는 저전력·장수명·고급화 등의 강점을 바탕으로 기존의 보조광원 차원에서 벗어나 휴대폰 백라이트, 교통신호등, 전광판, 자동차 조명 등 응용분야가 폭발적으로 확대되고 있어 두 회사는 전면전이 불가피할 전망이다.두 회사는 이에 따라 올해 생산능력을 확대하고, 연구인력을 대폭 충원해 신제품 개발에 박차를 가하는 한편 국내외 마케팅을 강화하는 등 벌써부터 신경전이 치열하다.LED·레이저다이오드(LD) 등 광부품을 차세대 1위 제품으로 육성하고 있는 삼성전기는 올해 2000억원 가량의 매출을 올리고 내년 이후 자동차 및 조명기기용 고휘도 LED사업을 확대, 2007년께 주력사업 중 하나로 성장시킨다는 목표다.삼성전기는 지난 95년 ‘범용 LED’와 98년부터 ‘고휘도 LED’를 각각 양산하기 시작했으며 지난해 LED부문에서 전년대비 무려 545% 성장한 1000억원을 기록, 일단 기선을 잡은 상태다.이는 지난해 삼성전자를 비롯한휴대폰업체들의 생산량이 증가하면서 액정과 키패드에 사용된 LED 수요가 급증했기 때문. 공급처를 모토로라 등 해외업체로 다변화한 것도 중요한 이유다.삼성측은 “지난 2000년부터 삼성전자 애니콜의 키패드용 LED를 저휘도용 범용 LED에서 청색 LED로 대체시켜 왔다”며“지금은 부품에 대한 품질기준이 까다롭기로 유명한삼성전자가 생산하는 대부분의 휴대폰 모델에 청색 LED를 공급할 만큼 그 기술력을 인정받고 있다”고 말했다.삼성전기는 올해 LED부문에서 세계시장 점유율을 정상권에 올망이다.

공학/기술| 2007.05.24| 12페이지| 1,000원| 조회(2,033)

LED, 공학, 신소재

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LCD기본원리

LCD (Liquid Crystal Display)I. 액정의 기본개념1. 액정이란 무엇인가?1) 액정의 정의유동성(Fluidity)과 같은 액체의 성질과 장거리 질서(Long range order)와 같은 결정(고체)의 성질을 동시에 지니는, 액체와 고체의 중간상태(Ordered fluid mesophase)2) 액정의 상전이- Thermotropic액정 : 온도의 변화에 따라 상전이 발생(디스플레이, 센서 등에 이용)- Lyotropic액정 : 농도의 변화에 따라 상전이 발생(생명을 연구하는데 이용)3) 액정분자의 기본구조2. 액정의 분류1) Nematic 액정- 일차원적 배열- 액정분자들이 서로 평행한 방향으로 정렬- 무게중심은 Random- LCD에서 가장 널리 사용2) Cholesteric 액정- 이차원적 배열- Nematic액정이 나선형으로 꼬여있는 구조- TN형 LCD에서 Dopant로 흔히 사용3) Smectic 액정- 이차원적 배열- 액정 분자들이 층상 구조를 이룸- 무게중심은 등거리 평면(Equidistant Plane)에 존재- 층상의 액정분자들의 각도에 따라 A, B, C, D, E....등 여러 종류로 나뉨3 .액정의 기본물성액정은 막대 형태의 독특한 구조적 특징 때문에 굴절율, 유전율, 전도율, 점성율 등의 물성값이 분자 장축에 평행한 방향과 수직한 방향에 따라 서로 다르게 나타나는 이방성을 가진다.1) 분자배열과 질서도물리적 분자 배열의 질서도 변수(Order parameter)S는 로 주워진다. : 시간과 공간에 대한 평균: 각 분자의 축방향과 director n이 이루는 각* S=1 : 결정, S=O : 액체, O 액정을 통과하는 빛의 편광 상태나 편광의 진동방향을 변화3) 유전이방성(Dielectric Anisotropy)액정분자의 장축방향과 장축에 수직인 방향의 유전율(Dielectric Constant)이 다른 성질유전이방성 는: 전기장이 액정분자의 장축 방향으로 인가된 경우의 유전율: 전기장이 액정분자의 장축 방향에 수직으로 인가된 경우의 유전율※ 유전 이방성에 따른 액정의 분류-P형 액정 (Positive형 액정) : > O, 액정분자들이 인가된 전기장에 평행 방향으로 정렬-N형 액정 (Negative형 액정) : < O, 액정분자들이 인가된 전기장에 수직 방향으로 정렬4 )액정의 탄성 변형과 탄성계수- 액정의 탄성 변형 : 외부의 힘에 의하여 액정의 균일한 분자 배열이 변화되는 상태- 탄성 변형의 종류 : Splay, Twist, Bend- 탄성계수 : Frank의 탄성계수 K액정의 탄성 변형 형상II. LCD의 기본개념1. LCD의 정의 및 특징LCD에서 LC는 일정 온도 범위에서 유동성을 지닌 액정 상태이며 동시에 광학적으로 복굴절성을 나타내는 결정이다. 보통 물질은 용융 온도에서 고체로부터 투명한 액체로 변화하지만, 액정물질은 용융 온도에서 우선 불투명하고 혼탁한 액체로 일단 변화하고 그 후 더욱 온도를 올리면 보통의 투명한 액체로 변화한다.액정이란 명칭은 고체상과 액체상의 중간상태인 액정상을 가리키는 경우와 이러한 액정상을 같는 물질 그 자체를 가리키는 경우의 두 가지 의미로 사용한다.그림 1. 액정 물질의 온도 변화에 의한 상태 변화.그림 2. 액정상에서의 분자 배열 구조.= > LCD는 이러한 액정의 특성을 이용해 만드는 디스플레이로서 특징1) 저소비 전력(수∼수십μW/cm2)으로 장시간의 전지구동이 가능한 에너지 절약형.2) 저전압에서 동작(수∼10V)하므로 직접 IC 구동이 가능하고 구동 전자회로의 소형화, 간략화가 가능.3) 소자가 얇고(수mm), 또한 대형표시(수십 cm대각)에서 부터 소형표시(수 mm대각)까지 가능.4) 수광형 표시이므로 밝은 장소에서도 표시가 선명.5) 표시의 컬러화가 쉽기 때문에 표시기능의 확대, 다양화.6) 투사확대 표시나 집적표시가 가능하여 대화면 표시 (수 m대각)가 용이= > LCD의 단점.1) 비발광형이므로 반사형 표시인 경우 어두운 곳에서 표시의 선명함이 떨어짐.2) 선명한 표시가 요구되는 경우 또는 컬러 표시의 경우 후광(back light)을 필요.3) 표시 콘트라스트가 보는 방향에 의존하는 경우가 많아서 시각에 제약을 받음.4) 응답시간이 주위 온도에 의존하기 때문에 저온동작(-30∼-40℃)에 어려움.2. LCD의 역사CRT는 1887년 브라운이 최초로 전자관(음극선관 또는 브라운관이라고도 한다)을 발명하면서부터, 액정 디스플레이는 이보다 1년 늦은 1888년, 오스트리아의 F. Reinitzer에 의해 액정이 처음 발견되면서부터 시작되었다.액정은 언뜻 보기에는 액체이지만 광학적으로는 결정체와 같은 이방성을 나타내는 특이상태의 것으로 일정 온도범위에서 액정이 되는 서모트로픽 액정(Thermotropic Liquid Crystal)이라 불리는 유기화합물. 그러나 제품으로 응용은 발명되고 얼마 지나지 않은 1934년 영국인 쇤베르크가 CRT(Cathode Ray Tube)를 이용하여 진공관 TV를 발명한 것과는 달리, LCD는 1968년 미국 RCA사에 의해 디스플레이에 응용되기까지 오랜 시간이 걸림. 하지만 1973년부터 전자 계산기와 시계에 많이 이용되기 시작한 액정은 이 후부터 꾸준한 발전을 거듭해, 1986년에는 STN LCD와 소형 TFT LCD가 실용화되는 단계 이름. 1990년대에 들어와서는 10인치 TFT LCD의 양산화가 실현되면서 노트북PC의 대표적인 디스플레이로 자리잡았고, 이제는 CRT를 대체하는 디스플레이 중 하나로 각광받았다.

공학/기술| 2007.05.24| 6페이지| 1,000원| 조회(1,866)

재료, LCD, 신소재, LCD원리

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[공학]플라즈마

■ 플라즈마 과학의 개요플라스마 과학은 1808년 H. Davy의 직류 아아크방전 개발과 1830년대 M. Faraday 등의 고전압 아크방전 튜브 개발에서 시작되었다고 볼 수 있으며, 19세기 동안 아아크방전이나 직류전기방전 플라스마는 가스램프를 대치하기 위해 활발히 연구되어 왔었다. 1879년 W. Crookes는 플라스마는 물질의 제 4 상태라고 규명했다. 이 때의 플라스마는 저온에 있는 고체물질에 열을 가하면 녹아 액체로 변하고, 증발하여 가스로 변화되며, 열을 더 증가하면 각 원자들은 전자들과 양이온들로 깨져 물질의 제 4 상태가 된다고 보았다. 그러나 진정한 의미의 플라스마란 자유 하전입자인 전자, 이온 및 중성입자로 구성되어 있으며, 전기적으로는 중성인 성질을 갖고 있는 상태라고 1928년 Langmuir에 의해 처음 도입되었다.이와 같이 가스방전 플라스마는 백년 넘게 하나의 연구주제가 되어왔으며, 플라스마 물리의 기초는 19세기 말 원자물리의 발전에 크게 힘을 입었다고 Raizer는 지적하고 있다. 20세기 후반기 동안 플라스마에 관한 모든 연구는 핵융합과 우주 플라스마 분야에 초점이 맞추어져 왔으며, 1960년까지 공정플라스마에 대한 대부분의 관심은 가스 방전 레이저와 램프 개발에 있었다. 1960년대 말부터 PECVD에 의한 SiN 박막형성과 산소 플라스마를 이용한 Photoresist (PR) 에싱 가능성 그리고, CF4/O2 혼합가스를 이용 SiN 박막 에칭에 플라스마 응용 가능성이 처음 제안되는 등 반도체분야에서 공정플라스마의 응용은 활발히 진행되었다. 이러한 플라스마 기술은 1970년대 후반부터 1980년대 초반까지 반도체 칩 제조에 있어 그 중요성이 크게 대두되지는 않았다.1980년도 중반부터 반도체의 집적도가 급속히 높아짐에 따라 고단차(Aspect Ratio)에서 선폭 미세화에 대한 기술이 절실히 요구되었다. 종래의 습식 에칭기술은 등방성 에칭 특성 때문에 이러한 공정 조건을 만족시킬 수 없어, 비등방성 에칭이 가능한 플라스마 공 이상의 가속이 필요하며 또 실제로 플라즈마가 유지되기 위해서는 적당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다. 따라서 압력(압력이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다.)과 외부에서 인가하는 전압(전자를 가속시키는 일을 한다.)이 중요한 공정변수가 된다. 하지만 너무 높은 압력은 충돌사이에 평균적으로 이동하는 거리(mean free path)를 짧게 하므로 충분한 에너지를 가지도록 가속되지 못하므로 이온화를 방해하는 결과를 초래한다.▲ 특성- 전기적 특성 : 전체적으로는 중성이지만 1/만개~백만개 정도의 이온과 자유전자가 존재하므로 외부의 전계에 의해 전류를 흘릴 수 있는 특성을 갖는다. 특히 플라즈마의 온도는 입자의 운동상태와 직접적으로 연관되기 때문에 전도도 증가와도 관련된다.- 화학적 특성 : 플라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 전자와 이온이 존재하기 때문에 다른 물질을 여기, 전리시킬 수 있다. 따라서 다른 물질의 화학 반응을 활발하게 일어나도록 분위기를 조장해 준다.- 물리적 특성 : 전자와 이온의 질량차이가 아주 크다. 그런 이유로 각 입자의 운동속도도 아주 큰 차이를 보이는데 이는 sheath, debye shielding 같은 현상을 초래한다.- 자기적 특성 : 플라즈마 내부에 있는 전자와 이온들은 자계를 걸어주면 운동방향이 자계방향과 직각으로 원 운동하게 되며 이러한 방식으로 플라즈마를 한쪽에 잡아 놓을 수 있게 되고, 플라즈마의 밀도를 원하는 곳에 집중시킬 수 있다. 높은 밀도의 플라즈마는 전기저항이 낮아지게 된다. 이러한 자기적 특성을 이용하면 전압을 상승시키지 않고 높은 밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있다.■ DC에서의 플라즈마 / RF에서의 플라즈마▲ DC를 사용할 때 Cathode가 전기를 통하지 못하는 부도체일 경우 Cathode에서 이온에게 전자를 제공하지 못하기 때문에 이온이 Cathode 표면에 이온이 쌓이게 된다. 이온이 많이 쌓이면 Cathode 면은 양전위를 띠게 되어 이온은 더 이상 오지 못하게 되고, 플라즈마 내as 라 한다. 이런 현상은 전자의 상대적인 작은 질량에 의해서 Cathode 전위가 음의 전위를 띠며 이에 따라서 Self DC Bias가 형성된다.▲ Free path / mean free path : 방전된 기체들은 기체 분자, 전자 및 이온으로 이루어져 있는데 이러한 입자들이 1회 충돌하고 나서 다음 충돌이 일어날 때까지 공간을 날아간 거리를 free path라 한다. 이 거리를 d라 하면 이 d는 긴 것과 짧은 것이 있어 일정하지 않다. 그래서 이것을 평균으로 나타낸 값을 mean free path라 한다.■ 플라스마 공정반도체 제조공정에서 플라스마의 응용성은 뛰어나기 때문에 여기에서는 반도체 공정플라스마에 대해서만 언급하고자 한다. 반도체 제조공정에 응용되는 플라스마는 크게 세 가지 부류로 나눌 수 있다. 이 세 가지 부류에는 플라스마 에싱, 플라스마 CVD, 플라스마 에칭이 있다.1. 플라스마 에싱플라스마를 이용한 에싱 공정은 Irving이 1968년 Kodak PR 세미나에서 가능성을 제시한 이후 널리 이용되기 시작하였다. 이것은 반도체 제조공정에서 종래 사용되어 왔던 화공약품 (H2SO4/H2O2 또는 알칼리용액)을 사용하는 습식 제거 방법의 단점 (막대한 화공약품을 사용함으로 인한 경제적 부담, 폐수처리 등의 환경문제, 비효율성과 이온주입을 받은 PR은 습식 방법으로 제거곤란)을 해결하기 위하여 제안되었으며, 화학적 에칭과 같은 원리를 이용한다. 초기의 에싱장비는 배치식(100매/배치) 처리를 위하여 원통형의 챔버 구조를 갖고 있었다. PR은 C, H, O의 원자들로 구성되어있는 폴리머이므로 에싱 공정에서는 주로 O2가스를 사용하여 CO, CO2 등의 휘발성 반응생성물 생성을 통해 제거된다. 이러한 에싱공정은 여러 가지 단점들을 갖고있다. 이중 가장 커다란 문제는 전하축적 손상이다. 에싱 중 일부의 축적전하 전류가 얇아진 PR을 뚫고, 하지 도체 막에 전달되어 쌓이면 그 밑에 있는 게이트 산화막을 파괴할 수 있다. 또한, PR없이 웨이퍼가 플PECVD 장치가 발표된 후, 1980년에 들어서는 필수적인 반도체 공정설비로 자리를 굳혔다.이렇게 도입된 PECVD 기술은 SiN과 SiO2 박막형성뿐만 아니라 최근에는 천이금속이나 천이금속 실리사이드형성에서도 널리 사용되고 있다.PECVD에 의한 박막형성 메커니즘은 1) 플라스마에서 이온과 라디칼 형성 2) 라디칼 흡착 3) 표면에 붙은 원자의 재 분포의 화학적, 물리적 반응들로 이루어진다.전형적인 PECVD 조건에서는 전자의 에너지가 충분히 작아 이온화 속도보다 라디칼의 형성속도가 빠르다. 또한 라디칼은 높은 흡착계수를 갖고있어 쉽게 표면에 흡착한 후, 가장 안정된 site를 찾아 이동, 새로운 결합을 만들어 박막을 형성하게 된다. 때로는 외부 공정 변수에 따라 가스상태에서 핵 형성 반응이 일어나기도 하고, 플라스마내의 불순물은 핵 site로 작용, 불필요한 먼지 입자를 생성시킬 수도 있다. 일반적으로 PECVD 공정변수들은 기판온도, 가스조성비, 가스유량, 압력, 입력 파워 및 고주파수와 전극 간격 등이다. 전형적인 PECVD 장치는 그림 2와 같이 평형 평판형 구조를 갖고있으며, 웨이퍼는 접지 전극에 두어 이온 충돌에 의한 스퍼터링 효과를 최소화시키고 있다. PECVD에 의한 박막특성은 증착속도, 박막조성비, 밀도, 굴절률, 막 두께의 균일도, 응력, 표면 덮음율(stepcoverage)과 에칭속도 등으로 평가한다. PECVD 방식으로 형성할 수 있는 여러 가지 박막들을 플라스마 공정관점에서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.MethodsDeposition PropertitiesAPCVDLPCVDPECVDTemperature300 - 500500 - 900100 - 350MaterialsSiO2P-glassPoly-siSiO2P-glassSi3N4SiOSiNUsesPassivation,InsulationPassivation,Insulation,Gate metalPassivation,InsulationThroughputHighHighLowStep cove과 Si 함유량이 클수록 굴절률은 증가하게 된다. 대체로 PECVD SiO2 박막은 압축 응력을 갖고 있으나, 입력 파워의 주파수를 바꾸면 인장력(tensile stress)으로도 바뀔 수 있다.균일한 표면 덮음율(Conformal stepcoverage)는 그림 3에서 보듯이 측면이나 바닥의 박막두께가 일정한 것을 의미한다. 이것은 표면에 흡착된 라디칼이 반응하기 전 표면을 따라 빨리 이동하여 균일한 표면농도를 유지하기 때문이다. 만일 라디칼의 표면 이동이 없으면 증착속도는 입자들의 입사각도에 의존하게 되는데 가스의 평균자유행로가 단차의 길이보다 길면 상단의 입사각도는 180도이나 바닥 면의 입사각도는 90도가 되어 바닥 면의 증착속도가 떨어진다. 또한 평균자유행로가 더 짧을 경우 상단의 입사각도는 270도가 되나 바닥 면은 90도가 되어 더욱 악화된다. 이러한 관점에서 PECVD는 APCVD보다 평균자유행로가 길어 더 좋은 표면 덮음율을 갖게 된다. PECVD SiN 박막은 알칼리 금속이나 수분에 대한 침투억제능력을 갖고 있고 SiO2 박막은 전자이동을 막아주는 특성을 갖고 있어, 이 두 가지 박막을 동시에 금속배선 보호막으로 사용한다.(2) PECVD W, WSI2 박막 텅스텐(W) 박막 증착은 WF6/H2 혼합가스를 이용해 생성한다. 증착 속도는 박막의 활성화 에너지와 관련이 있는데, PECVD의 활성화 에너지는 0.16 eV로 APCVD(0.69 eV), LPCVD(0.71 eV)와 비교할 때 매우 낮고, 또한 APCVD의 경우 증착속도는 기판의 표면에서 H2 분해율에 의해서 결정되는데 비해 PECVD는 수소원자가 플라스마 내에 이미 존재함으로 200-400도 정도의 낮은 온도에서 높은 증착속도를 보인다. 이와 같이 증착된 W 박막은 구조적으로 열적(columnar) 구조를 갖고 있으며, 200 nm 두께에서 20-40 nm 크기의 낟알(grain)은 후속열처리(900 ℃)공정에 의해 50-70 nm 정도까지 성장되어 저항이 낮아진다.또한, W 박막의 높다.

공학/기술| 2007.03.18| 12페이지| 1,000원| 조회(575)

오염, 플라즈마, 웨이퍼

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