DM 23757: Surface Engineering When: Mon. & Wed., 13:30-14:45 PM(75min.), Spring 2014 Where: Room #3315 Teaching Staff: Prof. Haedo Jeong, #3209 (tel. 2463, hdjeong@pusan.ac.kr) Dasol Lee, #3215 (tel 3210, dasol.lee@pusan.ac.kr) Web Page: http://www.cmplab.re.kr/자료실 Check the site for homework assignments, material for lectures, and updates.
Recommended Supplementary Material Hand out developed by Prof. Jeong 표면공학, 이홍로, 형성출판사 Introduction to microelectronic fabrication, 2 nd edition by Richard C. Jaeger, Prntice Hall 表 面 と 界 面 の 不 思 議 丸 井 工 業 調 査 会 ナノメータスケール 加 工 技 術 安 永 日 刊 工 業 新 聞 社 ULSI Technology by C. Y. Chang and S. M. Sze, McGraw- Hill International Companies, 1996. Silicon Processing for the VLSI Era, Volume 2, 3 by S. Wolf, Lattice Press, 1986. 나노 집적회로 공정기술, 윤영섭, 홍릉과학출판사, 2005.
Time Table for Instruction March 3, 5 Ch1_Introduction 10, 12 Ch2_Surface geometry examination 17, 19 Ch2_Surface element examination 24, 26 Ch3_Wafering April 3/31, 2 휴강 MRS_SFA 출장 7, 9 Ch3_ULSI processes 14, 16 Ch4_Patterning processes 21, 23 Mid-term Exam 28, 30 Ch5_Removal processes (1) May 5, 7, 12 Etching 12, 14, 19 Ch5_Removal processes (2) CMP 21, 26, 28 Ch6_Adhesion processes June 2, 4 Ch7_Cleaning processes 9, 11 Contest 16- Final Exam
Course Expectations Careful reading of assignments Mid-Exam (30%), Final (35%) Contest (35%) Attendance (5%) Important Dates: Mid-Exam scheduled for April 21 Week Contest, June 9 Final-Exam schedule for June 16 Week
Objective of DM 23757 I. Fundamental understanding the mechanical behavior of engineering surfaces II. Focus on the understanding of surface regeneration processes, especially patterning, removal, adhesion and cleaning by fusion of mechanics and chemistry III. Full understanding through experiment and measurement
Surface Engineering Definition ; embraces those processes which modify the surfaces of engineering components to improve their in-service performance, useful working lifetimes, aesthetic appearance or economics of production. It means 'modifying the surface' of a material or component to confer surface properties which are different from the bulk properties.
Image Mechanics Examination Removal Cleaning Surface Engineering Adhesion Chemistry H 2 O Si(OH) 4 SiO 2 1 mm 10 mm 15 mm 30 mm 60 mm 100 mm
Surface Image
Surfaces from Nature Outer layer; crust / lithosphere Solid mantle Liquid outer core Solid inner core Humus layer Topsoil Subsoil Parent rock Underlying bed rock
Surfaces from Human body
Surfaces from Engineering Materials Wool is loosely packed Fiber, insulator Low carbon steel (0.87%C) -carbon contents & cooling Double polarized rock.. colors Atoms of copper stack together In a regular way as the metal Forms to make crystals.
Optical microscopic view of general metals aluminum steel stainless steel
Copper Electrplated Copper surface (SEM) Etched poly crystal (SEM) Etched single crystal (SEM) Polished single crystal (SEM)
Aluminum Electron microscope picture of SafeGard CC-3000 treated aluminum surface Aluminum surface. The large hexagonal features are due to substrate impurities Porous surface of anodized aluminum, 3um scan
Silicon Graphene on silicon surface Single crystal black silicon SEM of a n-type silicon surface
Polysilicon surface No oxidation Oxidation time 20min Oxidation time 136min Oxidation time 200min
SiC surface after polishing and KOH etching (Optical microscopic view)
Ceramic surface Scanning electron photomicrograph of an original porous glass-ceramic sample Surface of a nanocomposite sample Ceramic surface Glass surface
Polymer surface Polyurethane surface Goretex surface Graphene sheets imbedded in polystyrene SEM micro of multi-layer surface on plastic. Shrunk, cracked, crazed and curling due to over-enthusiastic etch in plasma etcher
Structure of surface layer
Surface patterning 자연계에서의 소수성 현상 연잎의 마이크로 나노 돌기구조 Lotus leaf 자가세정효과 인공 연잎구조 제작 micro nano micro nano micro nano
Surface removal >>>> CMP
Dry plating >>> Sputtering
식초로 하는 도금 구리(Cu) + 식초(CH3COOH) 초산구리(Cu(COOH)2 Cu2+ + 2COOH-) 준비물 : 식초 또는 레몬주스, 소금 조금, 큰 못(귀걸이 대신 못을 사용했음), 깨끗한 10원 동전15개, 컵, 나무젓가락, 치약 1.. 컵에 식초를 반 정도 담고, 거기에 10원 동전을 모두 넣는다. 2. 여기에 소금을 조금 집어서 넣고, 나무젓가락으로 휘저어 준다. 3. 이 상태로 5분 두었다가 동전을 꺼낸다. 4. 치약으로 못을 깨끗하게 닦고 물로 씻은 뒤 깨끗해진 못을 식초 속에 넣는다. (치약에는 연마제가 들어있어 불순물을 깨끗하게 닦을 수 있다.) 5. 15분 뒤 못을 젓가락으로 꺼낸다.
Electroplating >>>>> Al Anodizing
Surface Cleaning
Basic Questions on Surface (HW#1) 1. Meaning of real surface image - God made solids, but surfaces were made by Devil. (W.Pauli) 2. Surface area - Why does insect have a hard body shell? - Is movie King kong true? Why? 3. Wettability - Definition of Wetting angle 4. Wave > Principle of each item - Light wave 변색, CD면의 무지개색, 난/무반사 - Electronic and Thermal 전파흡수재, 열방사차단박
Basic Questions on Surface(HW#2) 1. Explain each definition of pure, clean and technical surfaces 2. Why are catalyst, deodorant and ignitor made by powder? 3. Investigate Gulliver s Travels on Surface Engineering. 크기의 과학, 존 타일러 보너 4. Compare cleaning mechanisms between shampoo and rinse. 5. Explain the mechanism of water-proof. 6. What is Damascene process for traditional use and microchip?
Contest and Pizza Party June 9, 2014
Term Project on Surface Engineering (DM23757) Objectives; Better understanding of process mechanism, operating method and experimental results Outline ; 상감기법 (Damascene Process) 을 응용한 창작품 제작 재료 제한 없음 (금속, 플라스틱, 세라믹, 나무 등) Evaluation ; 1. 창의성 5 2. 기술성 3 3. 응용성 2 6월 7일까지 메일로 제출 hdjeong@pusan.ac.kr) 늦으면 감점 -3 Contest ; June 11 1인당 1개의 작품을 전시, 1페이지에 작품에 대한 설명 첨부 학점에 35% 반영함과 동시에 상금 (3명에 10만원씩)
상감( 象 嵌 )기법 (1) 1. 기원 및 발달사 1) 상감기법의 어의 금속상감은 금속면의 일부를 깍아내고 다른 금속을 넣는 기술로 고대부터 널리 응용되어온 예술적 공예 장식법으로 그 종류는 기법에 바탕금속의 파낸홈에 이질의 금속을 감입하여 색채적인 효과를 나타내는 기법으로 선상감, 면상감, 포목상감, 절상감, 소상감의 기법이 있으며, 감입금속의 높낮이에 따라 평상감과 고육상감으로 구분된다. 2) 상감기법의 전래 상감의 역사는 확실한 고증은 없으나 고대 이집트와 중국에서 찾을 수 있다고 한다. 중국에서는 진( 秦 ), 전국시대에 이미 나타났으며 한나라 시대에 성해져서 청동기의 등의 소형기구에 금, 은으로 가는 얇은 판을 상감한 것을 만ㄶ이 볼 수 있으며, 우리나라의 상감기법도 한나라에서 전래된 것으로 보여진다. 2. 상감에 사용되는 금속의 종류와 그 특성 상감되는 금속은 금, 은, 동, 오동, 황동 같은 융점이 높은 금속이 주로 쓰이며 바탕을 이루는 금속은 백동, 황동, 청동 등이 주로 쓰여진다.
상감( 象 嵌 )기법(2) 3. 기법에 따른 분류 1) 선상감 ( 線 象 嵌 ) 바탕이 되는 금속에 문양을 연속된 홈으로 음각한 후 선재의 금속을 밀어 넣어 색상의 차이를 이용하여 문양을 나타내는 기법이다. 문양의 상감이 끝난 후에는 줄과 사포를 이용하여 표면을 다듬는다. 또 다른 방법으로는 부식을 이용한 상감기법이 있는데 이 방법은 문양의 음각을 부식에 의해서 하는데 일반적으로 부식된 금속의 단면은 상부보다 하부가 약간 넓게 들어가는 경향을 이용하여 부식 후 바로 선을 메꾸어 주는 방법이다. 선상감은 세공이 까다로운 대신 금속상감이 목접하는 바의 화려하고 격조높은 멋을 풍기며 장중하고 신비로운 상감효과를 나타낸다. 2) 평상감 (면상감) 금속의 표면에 문양부분을 정을 사용해서 쪼아내고 그 자리에 다른 금속을 망치질이나 땜으로 고정시키는 기법을 말한다. 일반적으로 파내는 홈의 단면은 표면이 좁고 저변이 넓은 형이 되어야 하며 그 이유는 상감된 금속이 빠져나오지 못하게 하기 위함이다. 3) 포목상감 (눈금상감) 바탕금속의 표면에 실을 짜듯이 날실과 밑실의 모습을 정을 사용하여 규칙적으로 이나를 올리고 직경이 1mm정도되는 목정으로 눌러가면 금, 은판이 잘리어 눈금에 박힌다. 4) 부조상감 (고육상감) 바탕이 되는 금속을 평상감과 같은 방법으로 문양에 맞추어 쪼아내어 공간을 만든 다음 상감할 금속을 바탕금속의 표면보다 높게 끼워 문양이 두드러져 보이게 하는 기법이다. 상감된 위에 다시 조각을 하기도 하고 입체적으로 돋보이게 하는 효과도 낼 수가 있다. 또한 상감된 문양위에 다시 상감을 하는 수도 있다. 5) 소입상감 (부식상감) 이 기법은 금도금의 기법을 응용한 것으로 바탕위에 문양을 파고 그부분에 수은과 금의 합금(Amalgam)을 바르고 이것을 태워서 도금하고 숫돌로 갈아서 문양될 부분이외의 부분을 떨어뜨린다. 6) 절상감 상감된 문양을 내부와 외부에서 다 볼 수 있도록 하기 위한 기법으로 상감될 금속의 형태를 실톱 등을 이용하여 수직으로 자르고 바탕금속을 같은 모양으로 투각한 후 서로 맞추어 땜을 하고 표면을 다듬어 마무리 한다.
반도체 배선의 Damascene Process SiN Seed layer (By Electroless plating, MOCVD,Sputtering) Barrier Insulator Insulator deposition Via Via definition Plated metal Barrier and seed layer deposition Electroplating Line Via Line definition CMP
Process flow #1 (2008) Pre CMP Scribing Cu EP
Process flow #2 (2008) Post CMP Au Evaporation Wire connection Give your girl or boy friend!!
Results (2008) A+ A B C
Examples
Examples
EVALUATION 1. 제작성 (작품을 직접 만들었는가) ; 50 점(직접) / 25점 (간접) / 0 점 (없음) 2. 창의성 (자연과 생활에서의 새로운 발견 ) ; 20 점 / 15점 / 10점 3. 예술성 (얼마나 시간과 노력을 ) ; 10 점 / 5점 / 0점 4. 기술성 (다마신공정에 적합한가) ; 10 점 / 5점 / 0점 5. 응용성 (공업적 용도) ; 10 점 / 5점 / 0점 예1) 홍길동 ; 직접/ 상/ 중/ 중/ 하 > 50 + 15 + 5 + 5 + 0 = 75 점 예2) 김유신 ; 없음/ 상/ 상/ 상/ 상 > 0 + 20 + 10 + 10 + 10 = 50점
김성종 (2010) 재료준비 아크릴에 출력된 그림 코팅지 및 시트지코팅 드릴로 아크릴 가공 코팅지 따라 구멍 뚫기 그림부분을 다파낸 아크릴 판 색 입히기 색이 다 들어간 아크릴 판 시트지 제거 테두리 은박지 및 LED부착 받침대 제작 완성 완성
최미금 (2010) 표면 가공으로 송곳을 표면에 대고 망치로 두드림 파인 부분에 크레파스를 넣음 (다마신 공정) 표면을 꾸미고, 일부분에 구멍을 뚫어 셀로판지를 붙였음 안에 전구를 넣어 소형 스탠드(조명)을 만들 수 있음
서슬기 (2010) 상감기법을 이용한 공작 공작을 표현해 보았습니다. 은으로 전체적인 형태를 만들고 거기에 공작의 화려 한 꼬리를 상감기법을 이용하여 구리를 집어넣음으로 표현해 보았습니다. 재료 : 은(은점토) + 구리(청동, 황동)
김태준 (2010) 유리 표면가공 1 표면 세척: 유리의 표면에 있는 불순물, 오 염물 등을 제거 2 파라핀 도포: 양초를 녹여 액체 상태로 만 든 후 유리의 표면에 부어 굳힘. 3 도안 그림: 파라핀이 굳은 후 원하는 모양 의 그림을 그려 파라핀를 제거한다. 4 에칭: 양초가 제거된 부분에 HF를 부어 에 칭 한다. 황산을 조금 섞으면 에칭 속도가 빨라 지며, 약 20분 정도를 둔다. (유리의 두께에 따 라 다름) 5 세척: 어느 정도 에칭이 되면 물로 HF를 씻 어낸다. 6 파라핀 제거: 에칭이 완료된 것을 확인하면 다른 부분을 보호하던 파라핀을 제거한다. 7 세척: 표면에 달라붙은 파라핀이나 기타 남 은 이물질들을 완전히 제거하기 위해 세척 을 한다. 8 도색: 세척이 끝나고 물기를 완전히 제거한 다음 에칭 된 부분에 원하는 색상으로 색을 입 힌다.
김 수 용 (2010) 제작과정 1 조명갓 제작 : 아크릴, 우드락 사다리꼴 모양 절단, 목공용풀 이용 접착 2 문양 조각, 포장 : 나비문양으로 우드락 파냄 표면에 한지 붙임 3상감: 파낸홈안에 아로마 향초를 녹여서 굳힘 4 상감 마무리 : 칼이용 굳은 향초의 넘쳐 나온 부분 긁어냄 제품설명 피로회복 돕는 아로마 향초 를 상감기법으로 제작한 간접조명 Point 1 기본 구조 - 아크릴, 우드락 : 전등의 은은한 빛 연출 2 표면 재료 - 한지 : 전통적인 느낌 부여 3 상감 재료 - 아로마 향초 : 취침시 안정감과 안락함 제공 5 조명갓 완성 : 글루건, 테이프 이용 각 면 부착 후, 모서리 정리 6몸통제작: 플라스틱 병에 한지 붙임, 드릴이용 옆면 구멍 내어 전선 통과 7 조명갓-몸통 고정 : 철사, 글루건 이용 조명갓-몸통고정 8조명완성: 점등 위한 전구, 소켓, 전선, 플러그 연결
<나무 꽃 무늬 상감 머그컵> 오 심 관 (2011) 1. 점토를 가지고 머그컵모양으로 만듭니다. 2. 반건조 시킨 후 꽃, 나무무늬 그립니다. 3. 그린 무늬를 음각으로 새깁니다. 4. 음각선에 백토를 넣습니다. 5. 백토를 건조시킨후 굽칼을 이용해 음각주위의 백토를 긁어냅니다. 6. 머그컵을 건조시킨 후 유약을 바르고 구워냅니다. 완성 사진과 커피 한잔
Boom Boom Speaker 최혜림 (2011) 표면에 광섬유를 상감기법으로 적용하여 음악에 맞춰 불빛이 반짝이는 스피커 - 음악의 세기에 따라 스피커에 인가되는 전력의 차이가 발생함을 이용해 LED의 광량을 조절 - 빛을 전반사 시켜 손실 없이 이동 시킬 수 있는 광섬유를 이용해 LED 빛을 스피커 표면에서 빛나게 함 1. 도안 준비 2. 도안 부착 3. 스피커 가공 4. LED 연결 5. 스피커 가공 완료 6. 광섬유 준비 7. 광섬유 부착 8. LED-광섬유 연결
상감기법을 이용한 공예 이화용 (2011) 판지와 한지, 그리고 매니큐어를 가지고 다용도 보관함을 만들었습니다. 판지로 기본적인 보관함 형태를 만든 후 흰색 한지를 이용하여 겉을 감싸고 색색의 한지로 한국적인 미를 표현하였습니다. 뚜껑에 커터칼을 이용하여 봉황 문양의 홈을 파내고 검은색 매니큐어를 채움으로써 상감기법을 이용한 보관함을 완성하였습니다. 뚜껑은 매니큐어 표면이 긁힐 것을 우려하여 코팅처리를 하였습니다.
제작 기간 장기알 만들기 김봉건 (2011) 1.틀 만들기 : 2일 2.찍어 내기 : 2일 3.채워 넣기 : 1일 4.표면 코팅 : 1일 총제작기간: 6일
자작나무 iphone 스탠드 200721332 전신영 자작나무를 이용한 iphone 스탠드에 상감기법으로 애플 로고를 새김으로서 심미적 요소 추가. 실생활에 사용될 수 있는 제품에 상감기법으로 디자인적 요소를 추가함으로 부가가치 창출. 아이폰 크기에 맞게 스탠드 설계 및 제작 애플로고를 먹지에 대고 무늬목에 스케치. 무늬목에 스케치된 도면. 무늬목과 같은 크기로 스탠드에 로고 파내기. 스탠드의 파낸부분에 무늬목 끼우고 접착. 표면과 높이가 같아지도록 사포로 연마. 표면에 유광 스프레이로 마무리 후 완성. 실생활에 유용한 ipoone의 스탠드에 심미적 요소를 더하여 다른 스탠드와 차별화 하였고, 직접 상감기법을 제작하는 과정을 통해 반도체에 쓰이는 CMP공정을 더욱 활실히 이해할 수 있었다.
뜨거운 맛 좀 볼래!!! 정의진(2012) - 위험수위 온도를 알려주는 무늬 - 제작과정 70 이상 흰색 35-70 분홍색 35 이하청색 커피나 차를 끓인 후 바로 마시면 너무 뜨거워 먹기 힘들고, 때때로 혀 나 입천장에 화상을 입는 사태 발생. 실제로 마시는 커피나 차의 온도는 약 50-60 가 적당 상감기법에 온도에 따라 색깔이 변하는 시온물감을 접목 - 온도에 따른 3가지 색깔 변화(상세그림 참조)로 마실 수 없을 만큼 뜨거운 온도,안심할 수 있는 온도, 차가운 온도를 구분 1.도안선정 3.밑판 은박지 부착 2.EVA소재에 가공 4.시온물감 채우기 실용성 - 용기에 직접 새기는 것이 아닌 EVA 소재에 제작 후 고무밴드를 부착 하는 방법을 채택하여 다른 용기에도 사용 가능(호환성) - 사용법이 간단하고 휴대가 용이 - 장시간 고온에 노출시 수명단축을 가져오는 노트북이나 기타 전자제품 등 활용 범위가 넓음. 5. 니스 칠하기 6.고무밴드 부착 * EVA ; ethylene vinyl acetate
최창락 (2012) 상감기법(부식상감)을 이용한 판화 금속 판에 못을 이용하여 밑그림을 그린 후 배경을 일일이 못으로 두드려 강조하였으며, 나타내고자 하는 케릭터의 음각과 양각을 확실하게 구분시킨 후 부식 액을 통하여 음각을 채워서 그림의 입체감을 부여하는 부식상감기법을 활용하였다.
면상감 문양의 접시 공예 강문석(2013) 200721103 강문석 1 접시틀에 찍어내기 2 접시 성형 3표면조각 4 접시 완성 5 오븐에서 열처리 6 문양 채우기 접시에 새긴 홈에 에폭시와 파스텔과 글리터를 섞어 채워넣음 기존의 흙이나 유약을 사용한 상감기법과 달리 더 선명하고 다양한 색을 표현 가능 7 사포로 표면 정리 8 완성
분청사기 상감 시계 (이재천 2013) 제작과정 평평하게 만든다 원형으로 자른다 무늬를 판다 건조시킨다 분장을 덮는다 건조시킨다 분장을 긁어내고 초벌,재벌 한다 무브먼트를 부착한다. 완성!
김도일(200721128) 입체에펠탑그림액자 제작 동기 : 반도체제조공정인Multilevel chip제작을 활용할 수 없을까? 제작순서 표면공학 1. 밑 그림인쇄 2. 그림 음각 3. 음각 된 모습 4. 파진 자리에 채워 넣을 찰흙 5. 찰흙 채워 넣고 닦아내기 6. 같은 방법으로 여라 장제작 Litho &Etching Deposition &CMP 제작 과정 그림 음각 찰흙 채워 넣기 테두리 제작 소요시간 3일 1일 1일 느낀점 생각보다 많은 시간과 비용일 들었고 완성품의 외관이 아름답지 못했다. 그리고 가장 큰 이득은 절대로 조각칼로 아크릴 판을 파내는 행동을 해서는 안 된다는 것이다. 손가락이 부러지는 것과 같은 고통을 느끼는 것은물론내눈이내것이아닌경험도 덤으로할수있다.