단결정 실리콘의 나노스케일 기계가공 시 결정방향에 따른 소성변형 특성에 관한 연구

Abstract

AI, IoT 등과 같은 4차 산업혁명이 시작되면서 반도체 시장 규모가 성장하고 있으며, 이에 반도체 산업의 주요 소재인 단결정 실리콘의 가공에 대한 연구 필요성이 증가하고 있다. 단결정 실리콘은 기존에 리소그라피 방식을 이용하여 가공하였는데, 리소그라피 방식은 단면 형상 자유도가 낮아 복잡한 형상의 제작에 어려움이 있어 기계가공 방식으로 활용하는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 기존 연구는 대부분이 정성적 분석을 통해 취성 재료인 단결정 실리콘의 연성가공 한계점을 결정하였으며, 정량적 분석을 실시한 연구의 경우에도 단결정 실리콘의 결정방향을 고려하지는 않았다. 단결정 실리콘은 동일한 결정면에서도 결정방향에 따라 재료의 물성이 다르게 나타나므로, 결정방향을 고려하지 않으면 취성 파괴가 발생하는 지점을 정의하는 과정에서 오차가 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 나노스크래치 테스터(Nano Scratch Tester)를 이용하였는데, 나노스크래치 테스터는 일반적으로 박막의 접합력을 분석하는 장비지만, 나노스케일에서 우수한 분해능으로 재료의 변형을 정량적으로 분석할 수 있는 장비이기 때문에 본 연구에서 활용하였다. 가공은 (001)/(111) 단결정 실리콘에 대해 (001) 단결정 실리콘은 [100], [110] 결정방향으로 가공을 실시하였고, (111) 단결정 실리콘에 대해서는 [110] 결정방향으로 가공을 실시하여 결정방향에 따른 연성가공한계지점을 결정하고, 결정방향이 가공 시 소성변형에 미치는 영향을 분석하기 위해 기계가공 분야의 ‘비절삭저항’을 이용하여 변형 특성을 분석하였다. 나노스크래치 테스터를 이용해 실리콘을 가공하여 나온 절삭력과 가공 깊이를 정성적/정량적으로 분석한 결과, 실험을 진행한 모든 결정방향에 대해서 기존의 연구 결과와 같이 연성가공이 이루어지다가 취성 파괴로 바뀌는 경계점이 존재하지만, 결정방향에 따라 절삭력에 차이가 있음을 확인하였다. 또한, 모든 결정방향에서 패턴 단면을 확인한 결과 가공 공구의 단면 형상인 V형 단면이 생성되고, 패턴 내부에 취성파괴가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 정량적 분석을 이용하여 연성가공 한계지점을 결정하는 방법을 활용하면 기계가공을 통해 단결정 실리콘의 취성 파괴가 발생하지 않는 가공이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구의 연성가공 한계지점이 가지는 물리적 의미를 분석하기 위해 비절삭저항을 계산한 결과, 결정방향과 무관하게 비절삭저항은 크기 효과가 발생하지만 결정방향에 따라 비절삭저항의 크기에 차이가 존재하고 연성가공 한계지점 이전에서 수렴하는 현상이 나타났다. 이러한 현상의 원인을 규명하기 위해 가공 시 가공 공구와 재료가 접하는 길이와 면적 간 비율과 비절삭저항의 상관관계를 분석하여 공구와 재료가 접하는 길이와 면적 간 비율이 비절삭저항의 크기 효과를 일으키고 수렴 현상이 발생하게 할 것이라는 결론을 도출하였다. 기존의 연구에서 수직 응력과 수평 응력 간 비율을 통해 재료의 파괴 거동이 결정된다는 이론이 제시되었는데, 이를 연성가공 한계지점 발생 원인에 적용할 수 있을 것으로 예측하여, 본 연구에 적용한 결과, 가공 깊이가 증가함에 따라 수직 응력/수평 응력의 비율이 감소하다 수렴하는데, 이 때 수직 응력/수평 응력의 수렴 지점이 연성가공 한계지점과 일치하는 것을 확인하였다. 이를 통해 수직 응력과 수평 응력의 비율이 연성가공 한계지점의 발생 원인이라는 결론을 도출하였다.