Microstructure Characterization of Cu Thin Films : Effects of Sputter Deposition Conditions

스퍼터 증착조건에 따른 구리박막의 미세구조 분석

The microstructure of Cu thin films in various deposition conditions was characterized. Cr films (50 nm thick) and Cu films (500 or 1000 nm thick) were deposited on polyimide films by DC magnetron sputtering. The Ar pressure during Cu deposition was controlled to 5, 50 and 100 mtorr. The microstructure was characterized using conventional and high resolution SEM and TEM. As sputtering pressure increases, open boundaries are observed more frequently. The Cu film deposited at 5 mtorr has a dense and uniform structure, while low-density regions or open boundaries between columns exist in the film deposited at higher pressure. As the film grows thicker, open boundaries are wider and the density of open boundaries are higher. The comparison between SEM and TEM show that the small features shown in high resolution SEM are grains. High resolution SEM is very effective to characterize the microstructure of the thin films. One column in the films deposited at 50 and 100 mtorr consists of several grains, which are smaller than those deposited at 5 mtorr.

DC마그네트론 스퍼터링방법으로 공정조건을 변화시키며 종착된 구리박막의 미세구조를 분석하였다. 폴리이미드위에 두께 50nm의 Cr박막을 증착한 뒤 두께 500 nm 또는 1000nm의 Cu 박막을 아르곤 압력을 5, 50, 100 mtorr로 변화시키며 증착하였으며 박막의 미세구조는 범용 SEM과 고분해능 SEM, TEM을 사용하여 관찰하였다. 스퍼터링 압력이 증가할수록 열린 계면이 더 많이 관찰되었다. 5 mtorr에서 형성된 박막의 표면은 균일하고 치밀한 구조인 반면에 높은 압력에서 증착된 시편에는 많은 미세 균열이 관찰되었다. 50, 100 mtorr에서 증착된 시편은 박막 두께의 영향도 관찰되어 500nm의 경우에 비해 두께가 $1{\mu}m$인 두꺼운 박막에서 더 법고 큰 균열이 발견되며 균열의 수도 증가하였다. 고분해능 SEM과 TEM으로 관찰한 결과 5 mtorr에서 증착된 시편의 특정 미세 형상은 하나의 결정립이며 주상정이 잘발달된 50, 100 mtorr에서 증착된 시편에서는 1개의 주상정 내부에 여러개의 결정립이 존재하였다. 증착압력이 증가할수록 구리박막의 결정립 크기가 감소하였는데 이는 구리원자의 표면 확산이 방해 받았기 때문이다.