[반도체 용어] 열팽창계수 (Coefficient of Thermal Expansion, CTE)

 

열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)는

물질이 온도 변화에 따라 얼마나 팽창하거나 수축하는지를 나타내는 물리적 특성입니다. 이는 물질의 온도가 변할 때 단위 길이 또는 부피 당 길이 또는 부피의 변화량을 나타냅니다. 

 

물질마다 고유의 CTE를 가지며, 이는 물질의 원자 구조와 결합 방식에 따라 다릅니다. 일반적으로 금속은 높은 CTE를 가지며, 세라믹과 같은 비금속 재료는 낮은 CTE를 가집니다.

 

물질 마다 각각의 고유의 값을 가지고 있습니다 !

CTE는 보통 선팽창계수(Linear Thermal Expansion Coefficient)와 체적팽창계수(Volumetric Thermal Expansion Coefficient)에서 생각됩니다

 

선팽창계수  온도 변화에 따른 길이 변화

 

  체적팽창계수  온도 변화에 따른 부피 변화

 

1) 선팽창계수 

L = 초기 길이 

dL = 온도 변화에 따른 길이 변화 

dT = 온도 변화량

 

2) 체적팽창계수

V = 초기부피 

dV = 온도 변화에 다른 부피 변화 

dT = 온도 변화량

 

 

 

열팽창계수의 중요성

1.기계적 응력: 서로 다른 CTE를 가진 두 재료가 접합된 경우, 온도 변화에 따라 팽창 및 수축의 차이로 인해 응력이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 반도체 디바이스에서 실리콘 웨이퍼와 금속 박막 사이의 열팽창 차이는 열응력(thermal stress)을 유발할 수 있습니다.

 

> Thin film 에서 tensile compressive stresses (인장, 압축 응력)을 유발시키는 부분 입니다.

다음 포스팅에서 간단히 알아보겠습니다.

 

2. 정밀 기기 : 고정밀 기기에서는 온도 변화에 따른 치수 변화가 오작동이나 성능 저하를 초래할 수 있기 때문에, CTE가 낮은 재료를 사용하는 것이 중요합니다.

 

 

- 열팽창계수 분석 방법

 

 

열기계분석법 (Thermomechanical Analysis, TMA): 시료를 가열하면서 길이 변화를 측정하는 방법으로, 높은 정밀도로 CTE를 측정할 수 있습니다. TMA 장비는 시료의 길이 변화를 실시간으로 모니터링하며, 온도 변화에 따른 팽창 및 수축을 정확히 측정합니다.

 

LVDT( The linear variable differential transformer) 변위센서, 퍼니스, Thermocouple(온도센서) 측정부에서 

온도에 따른 변형길이를 측정하여 열팽창 계수 밒 변형점 연화점등을 측정 가능 

 

 

간섭법 (Interferometry): 빛의 간섭 현상을 이용하여 미세한 길이 변화를 측정하는 방법으로, 매우 작은 변화도 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이 방법은 특히 매우 낮은 CTE를 가진 재료의 측정에 유용합니다.

 

X선 회절법 (X-Ray Diffraction, XRD): 온도 변화에 따른 결정 구조 변화를 분석하여 CTE를 계산하는 방법입니다. XRD는 결정 구조의 격자 상수 변화를 측정하여 CTE를 산출할 수 있습니다.

 

보통 온도를 높이면서 측정합니다.