PECVD SiO2 박막에서 잔류응력에 따른 나노압입 응답 특성 연구 = Investigating Nanoindentation Responses to Residual Stress in PECVD SiO2 Thin Films

국문 초록 (Abstract)

박막 내 잔류응력은 박리, 좌굴, 균열 및 파괴를 유발하여 소자의 기계적 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 PECVD로 증착된 SiO2 박막을 대상으로 잔류응력이 나노압입 응답에 미치는 영향을 분석하고, 이를 이용한 국부 잔류응력 평가 가능성을 검토하였다. 열팽창계수차이를 이용하여 서로 다른 압축 잔류응력 상태를 갖는 SiO2 박막을 제작하였으며, Berkovich 압입자를 이용하여 경도 및 하중-변위(P-h) 거동을 분석하고, cube-corner 압입자를 이용하여 압입 균열 거동을 평가하였다. 실험 결과, 곡선 기반(curve-based) 접근법에서는 경도가 잔류응력 변화에 따라 증가하는 경향을 보였으나 탄성계수는 기판효과로 인해 명확한 상관관계를 나타내지 않았으며, 개별 측정값의 산포가 커단일 압입 결과만으로 응력 상태를 구분하기 어려웠다. 반면, 균열 기반(crack-based) 접근법에서는 압축 잔류응력이 증가할수록 균열 길이가 감소하는 일관된 경향이 나타났으며, 데이터 산포 또한 상대적으로 작아 잔류응력에 대한 높은 민감도를 보였다. 또한 파괴역학 기반 해석을 통해 역산한 잔류응력은 wafer curvature method 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 nanoindentation 기반 crack-based 접근법이 박막의 국부 잔류응력 평가에 활용될 수 있는 가능성을 보여주며, 정량적 평가를 위해서는 박막-기판 구조와 기판 효과를 고려한 추가적인 해석 모델이 필요함을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Residual stress significantly affects the mechanical reliability of thin-film devices by promoting delamination, buckling, cracking, and fracture.
This study investigated the influence of residual stress on the nanoindentation response of PECVD SiO2 thin films and evaluated the feasibility of localized residual stress assessment. SiO2 films with different compressive residual stress states were fabricated by utilizing thermal stresses arising from differences in coefficients of thermal expansion. Nanoindentation tests were performed using Berkovich and cube-corner indenters to analyze hardness, elastic modulus, and indentation-induced cracking. The curve-based approach showed that hardness increased with increasing compressive residual stress, whereas elastic modulus exhibited no clear correlation. In addition, the relatively large scatter in individual measurements limited the ability to distinguish residual stress states from a single indentation. In contrast, the crack-based approach showed a consistent decrease in crack length with increasing compressive residual stress and exhibited significantly lower data scatter, indicating higher sensitivity to residual stress. Residual stresses estimated using a fracture mechanics model also showed trends comparable to those obtained by the wafer curvature method. These results demonstrate the potential of crack-based nanoindentation for localized residual stress evaluation, although improved analytical models accounting for thin-film/substrate interactions are required for accurate quantitative assessment.