절연코팅된 알루미늄 박막의 기계적 거동

국문 초록 (Abstract)

금속 박막은 집적 회로, 가스 센서, 마이크로 엑추에이터 및 마이크로 히터와 같은 다양한 소자에 광범위하게 활용된다. 대부분의 소자에서 자가지지 박막의 형태보다는, 서로 다른 재료로 이루어진 여러 층의 박막이 복잡하게 쌓인 적층 구조가 더욱 빈번하게 활용된다. 금속 층을 통해 전도되는 전기 및 열을 절연하고 금속 표면의 산화를 방지하기 위해 유전체 물질을 활용해 금속 박막을 코팅하는 경우가 많 다. 본 발표에서는 절연코팅된 금속 박막의 기계적 거동을 측정하기 위한 표준 미소제조 공정을 활용한 두 가지 시험 방법을 제시하고자 한다. 수 nm 두께의 SiNx 로 코팅된 서브 마이크론 두께의 알루미늄 박막이 샘플로 활용되었다. 첫 번째로는 SEM 내부 장착하여 사용할 수 있도록 제작-설계된 미소 인장 시험기를 활용해 절연코팅된 알루미늄 박막의 기계적 거동을 측정하였다. 시험기의 최대 변위는 250μm이며 변위 분해능은 10nm이고 부하 분해능은 9.7μN이다. 본 장비는 double-leaf spring으로 구성된 로드 셀, 정전용량형 변위 게이지와 변위 측정이 가능한 압전 엑추에이터를 이용하여 나노 박막 재료의 면내 (in-plane) 인장 특성을 측정할 수 있다. 두 번째로는 마찬가지로 SEM 내부에서 활용할 수 있는 다이아몬드 쐐기 팁이 장착된 나노인덴터 장비를 활용하였다. MEMS 공정을 통해 멤브레인 및 외팔보 형태의 시편을 제작하였고 시편에 가해진 선 하중에 따른 샘플의 눌린 깊이를 측정함으로써 박막 재료의 기계적 거동을 측정할 수 있다. 절연코팅된 알루미늄 박막의 경우 코팅막이 없는 알루미늄 박막에 비해 약20MPa 높은 항복 강도를 보였는데, 이는 코팅막에 의해 전위의 움직임이 막혀 앞으로 나아가지 못함에 따라 발생한 현상이다. 이러한 실험 결과와 더불어 박막 재료의 고온 물성 측정에 대한 향후 계획 또한 소개하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metal thin films are widely used in various small-scale devices such as integrated circuits, gas sensors, micro-actuators, and micro-heaters. In most of the devices, it is hard to find freestanding thin films; instead, a number of layers of different materials are stacked in a complex way. In other words, metal films are generally surrounded by other materials. Dielectric materials commonly cover metal thin films in order to insulate electricity and heat conducted through the metal layer, and to prevent oxidation of the metal surface.
In this presentation, we will introduce two in-situ experimental techniques utilizing Si-based micromachining process to characterize the mechanical behavior of passivated metal thin films. Experiments were carried out on submicron thick aluminum thin films passivated with a few nm thick SiNx. The first measurement technique is performed through use of a custom-built in-situ scanning electron microscope (SEM) mechanical tester for measurement of the mechanical properties of Al thin films with and without a passivation layer. The apparatus has a stroke of 250μm with a displacement resolution of 10nm and a load resolution of 9.7μN. It utilizes pre-calibrated leaf spring, capacitive displacement gauge, and piezo actuator with a built-in displacement sensor. The second technique utilizes an in-situ SEM nanoindentation system equipped with a diamond wedge tip. Micro-scale bridge-shaped membranes and cantilever samples are fabricated via standard microfabrication process, and deflected by applying a line load. Stress– strain curves can be determined from load-displacement curves. Metallic thin films with a passivation layer exhibit significant increase in yield strength because the passivation layer forms a strong interface, which acts as an obstacle to dislocation motion. Future plans for measurements at elevated temperatures will be introduced.