2.1 시편 제작

본 연구에서는 Si wafer와 Glass wafer, 즉 두 종류의 기판을 사용하였으며, 기판의 두께는 약 670 μm로 동일하였다. 기판과 박막의 접착력을 향상시키기 위해 먼저 DC 마그네트론 스퍼터링(DC magnetron sputtering) 방법을 이용하여 20 nm(구리 박막 두께의 약 1 %) 두께의 티타늄(Ti) 접착층(Adhesion layer)을 증착하였다. 이후 동일한 방법으로 구리 박막을 증착하였으며, 구체적인 증착 조건은 표 1에 정리하였다. 챔버 내 초기 진공도는 3.0 × 10^-6 Torr 이하로 설정하였고, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 공정 압력을 1.0 × 10^-2 Torr로 유지하였다. DC 전력은 50 W였으며, 두께 1.5 μm의 구리 박막을 증착하였다.Fig. 1.

2.2 Cu 박막의 나노 기계가공

구리 박막의 정밀 가공에는 2 mN의 고분해능을 갖는 압력 게이지 (Force gauge, Mark-10)가 장착된 초정밀 패턴 가공 시스템을 활용하였다. 본 시스템은 Y축 방향의 턴 간격을 조절하는 수동 제어기와 X축 이동 및 Z축 하중을 제어하는 두 개의 자동 제어기로 구성되어 있다. 가공 과정에서는 인가 하중을 일정하게 유지하기 위해 압력 게이지 값을 실시간으로 보정하는 기능이 적용되었으며, 이에 따라 Z축 변위의 보정 속도(Calibration speed)를 정밀하게 제어할 수 있도록 설계되었다. 가공 공구로는 곡률 반경 1.6 μm의 V형 다이아몬드 공구가 사용되었다[¹⁵]. 구리 박막이 증착된 시편은 2 mN에서 16 mN까지의 하중 조건에서 정밀 가공되었으며 패턴 가공 속도(X축 이동속도)는 0.001 mm/s, 게이지 값의 보정속도는 0.00025 mm/s로 설정하였다. 해당 가공 조건은 표 2에 정리되어 있다.

2.3 나노 기계가공 특성 분석

가공이 완료된 패턴의 깊이와 폭 등의 가공 형상을 분석하여 기판 종류에 따른 가공 특성을 비교하였다. 깊이 및 폭 분석에는 3차원 레이저 현미경(3D laser microscope, Olympus)을 사용하였으며, 표면 형상 관찰은 광학 현미경(Optical microscope, Nexcope)을 사용하였다. 또한 기판의 경도 차이에 따른 가공 특성 변화를 평가하기 위해 나노압입시험(Nanoindentation, CSM Instruments) 분석을 수행하였다. Berkovich 타입의 다이아몬드 압입자를 사용하였으며, 100 n m부터 1,500 nm까지의 깊이 범위에서 경도를 측정하고, 이를 구간별로 평균하여 깊이에 따른 경도 분포를 정량화하였다.

3.1 기판에 따른 나노 기계가공 형상 및 깊이 분석

동일한 하중 조건(2~16 mN)에서 구리 박막에 나노 기계가공을 수행한 결과, Si 기판과 Glass 기판 간의 가공 특성 차이가 명확히 관찰되었다. 그림 2 (a)는 Si 기판 위에서 가공된 구리 박막의 표면을 광학 현미경으로 관찰한 이미지로, 16 mN의 최대 하중에서도 안정적으로 가공되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 그림 2 (b)에 나타난 바와 같이, Glass 기판 위 구리 박막은 14 mN 이하의 하중에서는 Si 기판과 유사한 가공 형상을 보였으나, 16 mN 이상의 하중에서는 기판 파괴(Fracture)가 발생한 것을 확인할 수 있다. 그림 2 (b)의 inset 이미지에서 볼 수 있듯이, 3차원 레이저 현미경 분석을 통해서도 기판 파괴가 확인되며, 이는 동일한 조건에서 동일한 두께의 박막을 가공하더라도, 기판에 따라 박막 가공 결과가 달라질 수 있음을 시사한다.

정량적 분석을 위해, 3차원 레이저 현미경을 활용하여 하중에 따른 가공 깊이와 폭을 측정하였다. 그림 3은 기판별 각 하중 조건에서 측정된 가공 깊이와 폭을 나타낸다. 하중이 증가함에 따라 두 기판 모두에서 가공 깊이와 폭이 증가하였으며, 특히, 4 mN 이상의 하중 조건에서는 Glass 기판 위 박막의 가공 깊이와 폭이 Si 기판보다 약 8~9% 더 크게 측정되었다. 이는 동일한 하중 조건에서 Glass 기판 위 박막이 Si 기판 위 박막보다 상대적으로 높은 절삭성을 갖는 것으로 해석할 수 있다.

또한, 두 기판 모두 가공 깊이와 폭은 하중 증가에 따라 비선형적으로 증가하였으며, 이는 동일한 기판에서도 박막의 절삭 깊이에 따라 절삭성이 달라질 수 있음을 의미한다. 그림 4는 하중에 따라 변화하는 가공 기울기를 나타낸 것이다. 가공 기울기는 하중 증가에 따른 가공 깊이 증가율을 의미하며, 이를 통해 기판별 절삭성 차이를 정량적으로 파악할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 가공 기울기의 변화 양상에 따라 전체 가공 영역을 세 구간(①, ②, ③)으로 구분하였다. Si 기판 위 박막의 경우 ① 구간(2~4 mN)의 가공 기울기는 약 0.2 μm/mN, ② 구간 (4~8 mN)은 0.09 μm/mN, ③ 구간 (8~16 mN)은 0.04 μm/mN으로 나타났다. Glass 기판 위 박막의 경우는 ①, ②, ③ 구간에서 0.2, 0.11, 0.07 μm/mN으로 나타났다. 두 기판 모두에서 하중이 증가함에 따라 가공 기울기는 점차 완만해졌으며, 이는 절삭 깊이가 깊어질수록 기계가공 절삭성이 점차 감소함을 나타낸다. 또한 동일한 구리 박막이라도 절삭 깊이에 따라 두 기판 간 절삭성의 차이는 점차 뚜렷하게 나타났다.

3.2 나노압입시험을 통한 기판별 박막 경도 구간 분석

구리 박막의 기계가공 결과, 절삭성은 기판 종류에 따라 차이를 보였으며, 절삭 깊이에 따라서도 유의미한 변화를 나타냈다. 일반적으로 절삭성은 박막의 기계적 특성, 특히 재료의 경도에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다[¹⁶-¹⁷]. 이에 따라 본 연구에서는 각 기판 위에 증착된 박막의 경도를 정량적으로 평가하기 위해 나노압입시험 분석을 수행하였다. 그림 5는 (a) Si 기판과 (b) Glass 기판 위에 증착된 구리 박막의 압입 깊이에 따른 경도 측정 결과를 나타낸 것이다. 두 기판 위의 구리 박막 모두 0.1~0.3 μm의 압입 깊이 구간에서 약 2.0 GPa의 경도가 측정되었으며, 이는 기존 문헌에서 보고된 스퍼터링 공정 기반 Cu 박막의 경도 범위(약 1.5~2.3 GPa)와 일치한다[¹⁸-¹⁹]. 해당 깊이 범위는 박막 고유의 기계적 특성이 나타나는 영역으로 해석된다.

반면, 압입 깊이가 0.3 μm를 초과하면서 경도는 점차 증가하는 경향을 보였으며, 이는 기판의 영향이 반영되기 시작하는 복합경도(Composite hardness) 영역에 해당한다. R. Saha et al. 은 압입 깊이(h)와 박막 두께(t)의 비(h/t)가 약 0.2를 초과할 경우, 박막의 경도가 기판의 영향을 받아 복합경도 영역에 진입한다고 보고하였다[²⁰]. 본 연구에 사용된 구리 박막의 두께는 1.5 μm이므로, h/t가 0.2에 해당하는 0.3 μm 이후부터 관찰된 경도 증가 현상은 이러한 기존 연구 결과와 잘 부합한다. 또한 복합경도 영역(0.3~1.5 μm) 내에서도 압입 깊이에 따른 경도 증가율, 즉 경도 기울기의 차이가 나타났다. Si 기판 위의 박막은 0.3 μm에서 0.9 μm 깊이까지 경도가 선형적으로 증가하였으나, 0.9 μm 이후부터 기울기가 감소하였다. 반면, Glass 기판 위 박막에서는 약 1.1 μm 깊이에서 경도 기울기 변화가 발생하였다. 이러한 경향은 단순한 경도 수치의 해석을 넘어서, 실제 절삭 시 박막이 받는 저항 특성이 압입 깊이에 따라 달라진다는 것을 의미한다. 즉, 복합경도 영역에서도 압입 깊이에 따라 기판의 영향이 더욱 강화되는 구간이 존재함을 알 수 있다.

위의 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 박막의 경도 구간을 다음과 같이 정의하였다. 기판의 영향을 받지 않고 박막의 고유 경도만 반영되는 영역을 F 구간(Film hardness), 기판 영향이 반영되는 복합경도 영역을 C 구간(Composite hardness)으로 구분하였다. 또한 C 구간 내에서도 경도 기울기 변화를 기준으로 기판 영향이 시작되는 C₁ 구간과 기판 영향이 더욱 강화되는 C₂ 구간으로 세분화하였다. 표 3은 각 기판 위 구리 박막에서 정의된 경도 구간을 압입 깊이에 따라 정리한 것이다. C₁ 구간은 두 기판 모두에서 동일하게 약 0.3 μm에서 시작되었으나, C₂ 구간은 Glass 기판 위의 박막에서 더 깊은 약 1.1 μm 이후부터 나타났다.

3.3 박막 경도에 따른 가공 특성 변화

나노압입시험 분석 결과를 바탕으로, 기판 종류에 따른 박막의 가공 특성을 비교하였다. 그림 6은 박막 내 경도 구간에 따라 가공 특성이 달라지는 메커니즘을 나타내는 모식도이다. 실제 가공에서는 하중에 따라 가공 깊이가 결정되며, 이에 따라 절삭이 이루어지는 경도 구간도 달라지게 된다. 경도 구간은 기판 재료의 물성에 의해 결정되므로, 동일한 구리 박막이라 하더라도 기판에 따라 절삭성에 차이가 발생할 수 있다. 그림 7은 (a) Si 기판과 (b) Glass 기판 위에서의 박막 경도 변화와 가공 특성 간의 상관관계를 비교한 그래프이다. Si 기판 위 박막의 경우, 2mN 하중에서는 가공 깊이가 약 0.2 μm로, F 구간(< 0.3 μm) 경도가 가공에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 4~8 mN 하중에서는 가공 깊이가 0.6~0.9 μm로 측정되며, 이 영역에서는 C₁ 구간(0.3~0.9 μm) 경도가 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한, 10 mN 이상의 하중에서는 가공 깊이가 1.1~1.4 μm에 도달하며, 이때는 C₂ 구간(> 0.9 μm)의 경도가 가공 특성에 반영된다.

이러한 경도 구간은 앞서 제시한 하중-가공 깊이 그래프(그림 4)에 나타난 세 가지 가공 기울기 변화 구간(①, ②, ③)과 잘 대응된다. Si 기판 위 박막의 가공 ① 구간(2 mN)에서는 기울기가 약 0.2 μm/mN으로 가장 크게 나타났으며, 이는 낮은 절삭 저항을 갖는 F 구간의 경도가 반영된 결과이다. 가공 ② 구간(4~8 mN)에서는 기울기가 약 0.09 μm/mN로 감소하였으며, 이는 C₁ 구간의 복합경도가 영향을 주어 절삭 저항이 증가하고, 이에 따라 절삭성이 감소했음을 의미한다. 가공 ③ 구간(10~16 mN)에서는 가공 기울기가 0.04 μm/mN으로 더욱 감소했으며, 이는 기판 영향이 강화된 C₂ 구간의 경도에 해당되며, 가장 낮은 절삭성이 나타나는 영역이다. Glass 기판 위 박막에서도 유사한 경향이 관찰되었으나, C₂ 구간 진입 깊이가 약 1.1 μm로 Si 기판보다 더 깊은 위치에서 나타났다. 주목할 점은 가공 기울기가 변화하는 시점 (그림 4에서 가공 ② 구간에서 ③ 구간으로 변하는 지점) 또한 동일한 깊이인 1.1 μm 부근에서 발생하였다는 점으로, 이는 C₂ 구간의 경도 특성과 절삭성 변화가 밀접하게 연관되어 있음을 보여준다. 결국 하중-가공 깊이 그래프의 기울기 변화는 경도 구간의 변화로 인한 절삭성 차이에 기인함을 확인할 수 있다.

한편, Glass 기판 위 박막은 Si 기판에 비해 복합경도 구간(> 0.3 μm)에서 상대적으로 낮은 경도 값을 나타냈으며(그림 5), 이는 기판 고유의 경도 차이에 기인한 것으로 판단된다. 나노압입시험을 통해 기판의 고유 경도를 측정한 결과, Si 기판은 약 14.4 GPa, Glass 기판은 약 8.7 GPa로 나타났으며, 이는 기존 문헌에서 보고된 경도 값에 부합한다[²¹-²²]. 따라서 각 기판 경도는 박막의 복합경도 값에 반영되어 실제 박막 가공 특성에도 영향을 주었으며, 그 결과 4 mN 이상의 하중에서는 Glass 기판 위 박막이 Si 기판 대비 더 큰 가공 기울기(절삭성)를 갖는 것을 알 수 있다(그림 4). 또한, 16 mN 하중에서 Glass 기판 위 박막에서만 파괴가 발생한 이유도(그림 2), 낮은 복합경도로 인해 절삭 저항이 작아 1.5 μm 두께의 박막 전체가 제거되며 기판까지 가공이 진행되었기 때문으로 분석된다.

표 4은 앞에서 언급한 박막 내 경도 구간에 따른 가공 결과 및 절삭성 변화 간의 관계를 정리한 것이다. 결론적으로, 박막 내 절삭성 변화는 깊이에 따른 경도 구간 변화에 따라 발생하며, 이는 기판에 따라 동일한 하중에서도 절삭 저항과 가공 깊이에 차이를 유발함을 알 수 있다. 이 결과는 반도체, 디스플레이, MEMS 소자와 같이 다양한 기판 위에서 금속 박막을 정밀하게 가공해야 하는 산업 분야에서 박막 가공 특성을 사전에 예측하고, 이에 적합한 가공 조건을 설정하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.