실리콘 관통 전극(TSV)의 상향식 급속 충전을 위한 첨가제 개발:

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 화학생물공학부, 2020. 8. 김재정.실리콘 관통 전극(TSV)는 3차원 웨이퍼/칩 적층 공정에서 가장 중요한 기술 중의 하나로 꼽힌다. 이 연구에서는 무기 할라이드 평탄제, 4차 암모늄 및 나프탈렌 고리를 가진 합성 평탄제 등 다양한 첨가제들을 활용하여 TSV (깊이: 60 μm, 지름: 5 μm) 를 결함없이 채웠으며, 해당 평탄제들의 채움 메커니즘을 규명하였다. 우선 아이오딘 이온의 TSV 채움 메커니즘을 전기화학적인 분석 방법들을 통해 확인하였으며, 그 결과 이 이온은 아이오딘화 구리라는 안정한 물질을 전극 표면에 형성함으로써 구리 도금을 억제 하는 것을 확인하였다. 아이오딘 이온의 이러한 억제 작용을 통해 TSV를 바닥 차오름 형태로 결함없이 채울 수 있었다. 더 나아가 전류를 2단계에 걸쳐 가함으로써, 아이오딘화 구리의 억제 작용을 줄이고 구리 이온의 직접적인 도금을 증가시킴으로써 TSV 내부의 구리 결정의 크기를 크게 형성할 수 있었고, 구리 돌출 현상 역시 크게 줄어들었다. 하지만 이러한 아이오딘화 구리의 형성과정에서 전자의 소모가 발생하기 때문에, 구리 도금을 진행할 때 도금 효율이 크게 감소한다는 문제점이 발견되었다. 아이오딘화 구리는 웨이퍼 표면에 불안정하게 흡착해 쉽게 떨어지게 되며, 이로 인해 초기 억제층을 형성하기 위한 전자 소모 이후에도 도금 과정 동안 지속적으로 전자를 소모하게 된다. 이러한 문제를 가진 아이오딘 이온의 대안으로써 브로민 이온에 대한 연구가 진행되었다. 브로민 이온은 아이오딘 이온보다 더 약하게 구리 도금을 억제했지만, 브로민 이온이 형성한 억제층은 아이오딘화 구리보다 안정적으로 전극 표면에 유지되는 것을 관찰했다. 그 결과 구리 도금의 효율이 크게 향상 되었으며, 공정 시간 역시 기존의 1000 초에서 500 초로 크게 단축시킬 수 있었다. 무기 첨가제와 더불어, 단일 첨가제 조성에서도 TSV 를 효과적으로 채울 수 있는 유기 첨가제에 대한 연구도 진행하였다. 폴리 에틸렌 글라이콜(polyethylene-glycol, PEG)을 기반으로 4차암모늄 이온과 나프탈렌 고리를 포함한 이 평탄제는, 단일 첨가제 조성에서 바닥 차오름 현상을 유도하였으며, 이를 통해 TSV를 성공적으로 채울 수 있었다. 하지만 다른 첨가제와의 상호 작용이 없고, 흡착력이 너무 강해 TSV가 균일하게 차지 않는 문제가 발생하였다. 이 문제를 평탄제의 사슬 길이를 조절함으로써 해결하고자 하였고, 그 결과 TSV채움의 균일도를 향상시킬 수 있었다. 전기 화학 분석을 통해 사슬 길이와 재흡착 속도, 대류 조건의 연관성을 밝혔으며, 이로 인해 TSV의 위치에 따른 재흡착 속도의 차이로 인한 억제 세기의 차이로 바닥 차오름이 유도되는 것을 확인하였다. 따라서, 적절한 길이의 사슬 길이를 가진 합성 평탄제를 사용함으로써, TSV를 결함없이 균일하게 채울 수 있었다. 또한, 평탄제의 강한 억제를 기반으로 도금의 선택도를 향상시켜 공정 시간을 450 s까지 줄일 수 있었다.Through silicon via (TSV) is one of the most important technologies in 3-dimensional wafer/chip stacking. In this study, TSVs with 60 μm deep and 5 μm in diameter were sufficiently filled without defects using various levelers, inorganic halide ions and synthesized leveler containing quaternary ammonium cations and naphthalene ring, and their filling mechanism was investigated. The working mechanism of the iodide ions in TSV filling was systemically identified by electrochemical measurements; It was found that the formation of CuI on the electrode surface is a key process for inhibiting Cu ion reduction. This inhibition effect of the iodide ions enables defect-free TSV filling. Furthermore, we achieved a defect-free TSV filling with enlarged Cu grains using a two-step filling method that effectively promotes the direct reduction of the Cu ions rather than electrochemical reduction of CuI. However, it was found that the iodide ions considerably decreased the efficiency of Cu electrodeposition because of the formation of an unstable CuI suppression layer on top of the wafer. The CuI layer easily detached from the wafer, and additional electrons were consumed to reestablish the suppression layer during gap-filling. The bromide ions were introduced as an alternative to the iodide ions. Although the suppression strength of bromide ions to Cu electrodeposition is weaker than that of iodide ions, bromide ions form a more stable suppression layer that does not reduce the efficiency of Cu electrodeposition, enabling high-speed TSVs filling. As a result, the filling rate with bromide ions was twice as fast as that with iodide ions at the same applied current density; thereby TSVs were completely filled in 500 s. We also tried to perform the TSV filling in single-additive condition using synthesized organic leveler. We synthesized a polyethylene-glycol-based organic leveler having quaternary ammonium cations linked to a naphthalene ring at both ends. This leveler enabled a bottom-up TSV filling in a single-additive system. The uniformity of TSV filling was highly dependent on the chain length of the leveler controlled by the molecular weight of polyethylene glycol. The electrochemical investigation of the leveler revealed that the chain length was related to the rate of re-adsorption during Cu electrodeposition, which is critical in TSV filling. At the optimal chain length, the uniform and defect-free bottom-up TSV filling was successfully achieved. TSV filling time was also reduced by up to 500 s.Chapter I. Introduction 1 1.1. Recent trend for Cu interconnection 1 1.2. Cu electrodeposition and through silicon via (TSV) filling 7 1.3. Levelers for the TSV filling and filling mechanism 15 1.4. Purpose of this study 22 Chapter 2. Experimental 24 2.1. Basic condition: electrolyte, additives, and electrode system 24 2.2. TSV filling using iodide ions as leveler 26 2.2.1. Electrochemical analysis 26 2.2.2. TSV filling and visualization of Cu micro structure 27 2.3. TSV filling using bromide ions as leveler 29 2.3.1. Electrochemical analysis 29 2.3.2. TSV filling and Cu film deposition 30 2.4. TSV filling in single additive system 31 2.4.1. Synthesis of advanced organic additive 31 2.4.2. Electrochemical analysis 32 2.4.3. TSV filling and Cu deposition 34 Chapter III. Results and Discussion 36 3.1. TSV filling using iodide ions as leveler 36 3.1.1. Filling results and filling mechanism of iodide ions 37 3.1.2. Microstructure control of Cu in TSV and its application 51 3.2. TSV filling using bromide ions as leveler 58 3.2.1. Electrochemical behavior and filling results of bromide ions 59 3.2.2. Enhanced results with bromide ions compared to iodide ions 63 3.3. TSV filling in single additive system 74 3.3.1. TSV filling with synthesized additive 74 3.3.2. Electrochemical analysis and filling mechanism 78 Chapter IV. Conclusion 91 References 94 국문 초록 105 Appendix I 108 Appendix II 138 Appendix III 165Docto

Dual Side Control of Wireless Power Transfer System with Mutual Inductance Estimation

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 전기·정보공학부,2020. 2. 하정익.Charging through power delivery can be divided into contact and contactless. In the case of using a contact terminal, it is widely used from a general household plug to an EVs charging plug, and a contactless method using wireles power transfer has been used and studied from a wireless charging of a smartphone to a wireless charging pad for EVs. In the case of the contact charging method, there is a risk of electric shock because the terminal is exposed. In addition, EVs charging is not only an electric shock problem, but also frequently charged from the outside, dust, snow and water, such as foreign matter may cause charging problems. In the wireless power transfer method for charging EVs, there is a problem in that coupling between coils is low due to the distance between the bottom of the vehicle and the floor. This has the disadvantage of low power transfer efficiency and large volume. In the case of a contactless plug using a magnetic coupling can be a solution to the conventional charging methods as described above. First of all, the risk of electric shock is greatly reduced because the metal terminals for charging are not exposed. In addidion, there is an advantage that even of there is some foreign matter between the plug can be charged. In addition, since the distance between the coils is close, the coupling coefficient is high, so there is an advantage the it can be configured on a small volume. In the case of the charging method using the plug, a wireless power transfer system for controlling the transmitting side, the receiving side, and both sides may be applied. The advantage of this type of topology is that it is more suitable for next battery charging because it can deliver power in both directions compared to conventional diode receivers. In addition since the degree of freedom of control is increased, an additional control algorithm for efficiency can be applied. In this paper, we focus on the above research backgrounds and apply a system with high coupling coefficient in the wireless power transfer tolopogy controlling dual sides. For both sides, we designed a wireless power transfer system that can be controlled by estimation method rather than communication. In this paper, we propose a method of driving a dual side controlled wireless power transfer systems without communication. The control of thr primary side inverter on the source is made by estimation mutual inductane of the coil coupling and the information of the secondary side inverter on the load. In the case of secondary side inverter, the aim is to control the load voltage stably. The proposed driving method is presented through simulation and experimental results, and the goals of the propose method are implemented and verified.전력 전달을 통한 충전 방식은 크게 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다. 접촉식 단자를 이용한 경우는 일반적인 가정용 플러그부터 전기차 충전용 플러그까지 널리 사용되고 있으며, 무선 전력 전송을 이용한 비접촉식 방식은 스마트폰 무선 충전에서 전기차 충전용 무선 충전 패드까지 사용되고 연구되고 있다. 이 중 접촉식 충전 방식의 경우 단자가 노출이 되어있기 때문에 감전의 위험이 존재한다. 또한 전기차 충전의 경우 감전 문제만이 아니라 외부에서 충전하는 경우가 많기 때문에 먼지, 눈 그리고 물 등 이물질로 인해서 충전에 문제가 생길 수 있다. 전기차 충전을 위한 무선 전력 전송 방식의 경우에는 차량 하부와 바닥 사이의 거리로 인해 코일간의 결합이 낮다는 문제점이 있다. 이 때문에 전력 전달 효율이 낮고, 부피가 커진다는 단점이 있다. 코일 결합을 이용한 비접촉식 플러그의 경우 위와 같은 기존의 충전 방식들에 대한 해결책이 될 수 있다. 우선 충전을 위한 금속 단자가 드러나 있지 않기 때문에 감전의 위험이 크게 감소한다. 또한 플러그 사이에 이물질이 일부 있더라도 충전이 가능하다는 장점이 있다. 또한 코일 사이의 거리가 가까워 결합 계수가 높기 때문에 작은 부피로 만들 수 있다는 장점이 있다. 이러한 플러그를 이용한 충전 방식의 경우 송신단과 수신단, 양단을 제어하는 무선 전력 전송 시스템을 적용할 수 있다. 이러한 방식의 토폴로지의 장점은 기존의 다이오드 수신단 대비 양방향으로 전력을 전달할 수 있기 때문에 차세대 배터리 충전 방식에 더욱 적절하다. 또한 제어의 자유도가 늘어나기 때문에 효율을 위한 추가적인 제어 알고리즘 적용이 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서는 위와 같은 연구 배경들에 초점을 맞춰 양단을 제어하는 무선 전력 전송 토폴로지에서 코일 결합 계수가 높은 시스템을 적용하였다. 또한 양단 제어를 위해서는 통신이 아닌 추정 방식을 통해 제어할 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 설계하였다. 본 논문에서는 통신을 사용하지 않는 양단 제어 무선 전력 전송 시스템의 구동 방법에 대해 제안한다. 전원 측의 1차단 인버터의 제어는 코일 결합의 상호 인덕턴스와 부하 측의 2차단 인버터의 정보 추정을 통해 이루어지며, 전체 시스템의 효율 개선을 목표로 한다. 2차단 인버터의 경우 부하 전압을 안정적으로 제어하는 것을 목표로 한다. 제안하는 구동 방법을 모의 실험과 실험 결과를 통해 제시하였고 제안하는 방법의 목표를 구현 및 입증하였다.제 1장 서론 １ 1.1 연구의 배경 １ 1.2 연구의 목적 ４ 1.3 논문의 구성 ６ 제 2장 기존 유도성 무선 전력 전송 시스템 연구 ７ 2.1 상호 인덕턴스 추정을 이용한 기존 연구 ７ 2.1.1 부하 전압 추정을 통한 무선 전력 전송 시스템 연구 ７ 2.1.2 3고조파 신호를 이용한 결합 계수 추정 ８ 2.1.3 Time domain 해석을 통한 상호 인덕턴스 추정 ９ 2.2 양단 제어 무선 전력 전송 시스템의 기존 연구 ９ 2.2.1 통신을 이용하지 않는 다중 부하 시스템 ９ 2.2.2 통신을 사용한 양단 제어 무선 전력 전송 시스템 １０ 제 3장 양단 제어 무선 전력 전송 시스템의 구동 １２ 3.1 연구 배경 １２ 3.2 비통신 양단 제어 무선 전력 전송 시스템 １６ 3.3 제안하는 상호 및 자기 인덕턴스 추정 방법 １７ 3.3.1 상호 인덕턴스의 추정 １８ 3.3.2 상호 인덕턴스 추정의 문제점 ２０ 3.3.3 인덕턴스 변화 추정 알고리즘 ２１ 3.3.4 상호 및 자기 인덕턴스 추정을 위한 구동 방식 ２３ 3.4 Aliasing을 활용한 신호 측정 기법 ２５ 3.5 부하 변동에 따른 1차단 인버터 제어 ２８ 3.5.1 부하 변동에 따른 2차단 인버터 선간 전압 기본파 추정 ３０ 3.6 2차단 인버터 제어 방법 ３２ 제 4장 네트워크 모델링 ３４ 4.1 공진 네트워크 보상 회로 ３４ 4.1.1 두 개의 커패시터가 적용된 보상 네트워크 ３４ 4.1.2 SS 보상 회로와 dual-side LCC 보상 회로 토폴로지 ３６ 4.2 코일 시스템 설계 ４０ 4.2.1 결합 계수 선정 ４０ 4.2.2 공진 네트워크 디자인 ４１ 제 5장 모의 실험 및 실험 결과 ４７ 5.1 모의 실험 ４７ 5.1.1 초기 상호 및 자기 인덕턴스 추정 ４７ 5.1.2 부하 변동에 따른 2차단 인버터 선간 전압 기본파 추정 ４９ 5.1.3 공극에 따른 운전 조건에서의 동손 분석 ６２ 5.2 실험 결과 ６６ 5.2.1 초기 상호 및 자기 인덕턴스 추정 ６８ 5.2.2 부하 변동에 따른 2차단 인버터 선간 전압 기본파 추정 ７１ 5.2.3 공극에 따른 운전 조건에서의 효율 실험 ８６ 제 6장 결론 ９１ 6.1 연구 결과 ９１ 6.2 향후 연구 ９２ 참고 문헌 ９４ ABSTRACT ９８Maste

A study of the uniformity improvement of UV imprint resin by multi-dispensing methods

With the development of the integrated circuit technology for electronic devices,the fabrication of high-performance devices using nanostructures is gaining importance in the semiconductor manufacturing industry. The imprint method is a promising approach for fabricating nanostructures at a low cost and high processing volume. The nano-imprint lithography (NIL) method is widely used to fabricate devices. It includes thermal-NIL and UV-NIL, and it is performed using resins. This study examined the effect of the resin application method on the pattern transferred to a substrate. In NIL, a resin is generally applied via spin coating and dispensing. Spin coating is suitable for controlling the thickness of the resin. However, the surplus resin is discarded. Dispensing can adjust the amount of resin to be applied, thereby reducing wastage. Spin coating can be used in single-step and step-repeat processes, but dispensing can only be used in step-repeat processes. In a single-step process, a stamp pattern is transferred to a substrate at once. In a step-repeat process, a large wafer pattern is repeatedly transferred to a small stamp with a thickness of less than 1 inch. We divided a square glass substrate with a side length of 7.5 cm into unit regions of 3 × 3, 4 × 4, 5 × 5, and 6 × 6. Then, a resin was dispensed in each unit region, followed by spin coating according to the conditions. Thereafter, a pattern was transferred using a single-step process. After measuring the parameters of the transferred pattern, the uniformity was calculated to confirm the best conditions for obtaining an excellent pattern, and the validity of the imprint process was confirmed. It is expected that the method confirmed in this study will contribute to electronic material fabrication in the future as a high-quality cost-effective pattern production method.1. 서론 1 1.1 연구 목적 1 1.2 리소그래피 4 1.2.1 포토리소그래피 5 1.2.2 전자빔 리소그래피 8 1.2.3 소프트 및 임프린트 리소그래피 9 2. 임프린트 리소그래피 14 2.1 연구 동향 14 2.2 임프린트 방법 16 2.2.1 임프린트 레진 도포 16 2.2.2 임프린트 레진 경화 17 2.2.2.1 열 경화 임프린트 리소그래피 17 2.2.2.2 UV 경화 임프린트 리소그래피 18 2.2.2.3 전기 경화 임프린트 리소그래피 19 2.2.3 임프린트 레진 전사 20 2.2.3.1 Roll to plate 방식 20 2.2.3.2 Roll to roll 방식 23 2.2.3.3 Plate to plate 방식 24 2.3 임프린트 공정 개선 사항 26 2.3.1 Stamp 제작 과정 27 2.3.2 임프린트 레진 합성 28 2.3.3 Demolding 공정 30 3. UV 임프린트 실험 31 3.1 임프린트 장비 31 3.2 측정 장비 33 3.3 레진 및 스탬프 35 3.4 임프린트 실험 조건 37 3.5 임프린트 공정 순서 39 4. 결과 및 분석 41 4.1 레진 도포 방법에 따른 평균 두께 변화 41 4.2 레진 도포 방법에 따른 패턴 일치율 변화 43 5. 결론 44 참고문헌 45 국문초록 50Maste

하천을 통한 미세플라스틱 해양 유입 평가 지침서

미세플라스틱(microplastics; MP)은 1㎛에서 5 mm에 이르는 작은 크기의 합성수지를 통칭하며 생성과정에 따라 1차 미세플라스틱과 2차 미세플라스틱으로 구분된다. 1차 미세플라스틱은 생산 단계에서 5mm 미만의 작은 크기로 만들어진 플라스틱이며 2차 미세플라스틱은 중대형 플라스틱이 환경 내에서 광분해, 열분해, 생분해 등의 화학적 풍화와 물리적 풍화에 의해 작은 크기로 파편화된 플라스틱이다. 이러한 분해 과정을 통해 플라스틱이 계속 작아지면서 입자 수가 크게 환경 및 생물체에 영향을 끼칠 수 있는 범위가 넓어지고 있다. 또한, 플라스틱 입자가 미세화 될수록 플라스틱을 합성할 때 사용되는 첨가제의 용출 가능성도 커지고 플라스틱의 표면적 증가로 인한 유기 오염물질의 흡착 또한 증가할 수 있으며, 육상 및 해양의 생물 이용도 증가한다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 이는 결국 최상위 포식자인 인간 역시 먹이사슬을 통한 미세플라스틱의 체내 축적에 따른 위험에 노출 될 수 있음을 시사한다. 미세플라스틱의 전 주기를 파악하고 오염 관리 방안 및 규제 정책을 만들어 실시하려면 환경에서의 미세플라스틱 거동에 대한 연구와 이해가 필수적이다. 대부분의 플라스틱은 제대로 관리되지 않고 폐기되고 있으며 육상에서 버려진 플라스틱은 수계를 따라 하천을 통해 해양으로 유입된 후 해양환경 내에서 다양한 기작을 통해 이동·확산한다. 미세플라스틱의 해양으로의 유입경로는 대기침적, 하천을 통한 유입, 하수처리장 배출을 통한 유입, 해양오염원으로부터의 발생 등으로 나뉘는데 현재까지의 연구결과들에 따르면 하천을 통한 유입이 가장 중요한 유입경로라고 알려져있다. 따라서, 해양으로의 유입되는 양과 해양에서의 거동기작을 규명하기 위해서는 하천을 통해 해양으로 유입되는 미세플라스틱에 대한 유입특성과 유입량 평가가 선행적으로 수행될 필요가 있다. 하천에서 미세플라스틱을 채취하고 분석하는 연구가 기존에도 진행되고는 있으나 해양으로의 유입특성과 유입량을 정확히 평가하기 위해서는 조사결과가 대표성을 갖도록 하천의 시간적 변동성과 공간적 변동성을 모두 고려한 채취방법이 마련되어야 한다. 본 지침서는 해양수산부의 “해양 미세플라스틱 유입·발생 및 환경거동 연구” 과제에서 수행된 하천을 통해 해양으로 유입되는 미세플라스틱 유입특성 평가 및 유입량 산정 연구 결과를 바탕으로 작성되었다. 본 지침서에서 하천을 통한 미세플라스틱 유입 평가를 위해 적합한 조사정점과 조사수층 선정 방안을 제시하고, 시료의 채취/전처리/기기분석을 포함한 전 과정에 대하여 검증된 분석법을 제시하였다. 본 지침서를 통해 하천으로부터 해양으로 유입되는 미세플라스틱에 대한 표준화된 채취 및 분석법을 제시함으로써 서로 다른 연구자들 간의 연구방법의 차이에 의해 발생할 수 있는 불확실성을 최소화하고자 한다. 이러한 이유로 하천을 통한 해양으로의 미세플라스틱 유입특성 평가 및 유입량 산정을 위해서는 본 지침서에 기재된 방법을 따를 것을 권장하지만, 조사 정점 및 수층의 선정, 시료채취, 전처리, 분석과정에서 유사하거나 혹은 더 나은 결과를 낼 수 있는 새로운 방법이 제안될 수 있으며 개선된 방법은 검증을 통해 대체 사용할 수 있다. 본 지침서는 모든 하천조사에 적용하는 것이 아니라 하천을 통해 최종적으로 해양으로 유입되는 종말점(즉, 하구)에서의 조사를 위한 것임을 유의할 필요가 있다.1. 서론 2. 시료채취방법 2.1. 시료채취 정점 및 수층 선정 2.2. 시료채취 도구 2.3. 시료의 채취 및 보관 3. 시료의 전처리 방법 3.1. 전처리 도구 및 시약 3.2. 하천 시료의 전처리 4. 미세플라스틱분석 4.1. 기기분석 4.2. 자료분석 4.3. 미세플라스틱 분류 4.4. 유입량 계산 5. 정도관리 5.1. 현장조사 정도관리 5.2. 전처리 정도관리 5.3. 미세플라스틱 분석 시 정도관리 6. 유의사