(TMAH + 첨가제) 용액을 이용한 실리콘 이방성 식각 특성 및 실리콘 압력센서 응용 Characteristics of Anisotropic Si-Etching Using the TMAH with Additives and Its Application for the Si Pressure Sensor원문보기
Micro Electro Mechanical System (MEMS) 기술을 이용한 3차원 미세가공기술이 급속히 발전함에 따라 각종 센서 및 기계부품은 초소형화 되었다. 이와 같은 기술 중에서 Si 이방성 식각기술은 MEMS 개발에 필수 불가결한 핵심기술이다. 본 연구에서는 압저항형 ...
Micro Electro Mechanical System (MEMS) 기술을 이용한 3차원 미세가공기술이 급속히 발전함에 따라 각종 센서 및 기계부품은 초소형화 되었다. 이와 같은 기술 중에서 Si 이방성 식각기술은 MEMS 개발에 필수 불가결한 핵심기술이다. 본 연구에서는 압저항형 압력센서의 정교한 멤브레인 구조를 형성하기 위해 암모니아 계열의 용액 중 가장 안정되고 독성이 적으며 알카리 이온에 의한 오염이 없는 tetramethylammonium hydroxide (TMAH) 용액을 이용하여 단결정 실리콘의 이방성 식각 특성을 조사하였다. TMAH 용액의 농도와 온도변화에 따른 Si의 식각 속도 및 표면 상태를 측정하였다. TMAH 용액의 농도(10∼25 wt.%)가 감소할수록 식각 속도는 10∼70 μm로 증가하는 반면 표면 거칠기(roughness)는 급격히 저하됨을 확인할 수 있다. 이러한 현상을 개선하기 위해 교반 위치 및 웨이퍼의 방향을 변화시켰으며, 첨가제로써 피라진, ammonium persulfate (AP), ammonium hydrogen sulfate (AHS), isopropyl alcohol (IPA)를 TMAH 용액에 첨가하였다. 실험결과 피라진, AP, AHS의 첨가는 식각 반응을 촉진시킴으로써 식각 속도를 10∼20% 증가시켰고 식각 표면 조도를 50% 이하로 감소시켰다. 또한 IPA의 첨가는 식각 표면 평탄도 및 undercutting 을 2배 이상 개선시켰으며 교반 위치 및 웨이퍼의 방향의 변화는 식각된 표면의 평균 표면 조도를 3배 이상 감소시켰다. 본 실험을 진행함에 있어 TMAH 용액의 농도, 온도, 첨가제 그리고 식각 용액의 교반은 식각 속도와 표면 조도에 큰 영향을 미치며 식각 시 각각의 첨가제의 특성에 따라 알맞은 첨가량이 TMAH 용액에 함유될 때 undercutting을 억제 하면서도 식각 속도 및 표면 조도 모두를 향상시킬 수 있었다. TMAH 용액의 사전 연구를 통해 식각 특성이 가장 우수한 식각용액 (TMAH/IPA/AHS)을 찾을 수 있었고, 이 식각용액을 이용하여 1000 × 1000 × 7 μm3의 멤브레인 크기를 갖는 압저항 압력센서를 성공적으로 제작할 수 있었다.
Micro Electro Mechanical System (MEMS) 기술을 이용한 3차원 미세가공기술이 급속히 발전함에 따라 각종 센서 및 기계부품은 초소형화 되었다. 이와 같은 기술 중에서 Si 이방성 식각기술은 MEMS 개발에 필수 불가결한 핵심기술이다. 본 연구에서는 압저항형 압력센서의 정교한 멤브레인 구조를 형성하기 위해 암모니아 계열의 용액 중 가장 안정되고 독성이 적으며 알카리 이온에 의한 오염이 없는 tetramethylammonium hydroxide (TMAH) 용액을 이용하여 단결정 실리콘의 이방성 식각 특성을 조사하였다. TMAH 용액의 농도와 온도변화에 따른 Si의 식각 속도 및 표면 상태를 측정하였다. TMAH 용액의 농도(10∼25 wt.%)가 감소할수록 식각 속도는 10∼70 μm로 증가하는 반면 표면 거칠기(roughness)는 급격히 저하됨을 확인할 수 있다. 이러한 현상을 개선하기 위해 교반 위치 및 웨이퍼의 방향을 변화시켰으며, 첨가제로써 피라진, ammonium persulfate (AP), ammonium hydrogen sulfate (AHS), isopropyl alcohol (IPA)를 TMAH 용액에 첨가하였다. 실험결과 피라진, AP, AHS의 첨가는 식각 반응을 촉진시킴으로써 식각 속도를 10∼20% 증가시켰고 식각 표면 조도를 50% 이하로 감소시켰다. 또한 IPA의 첨가는 식각 표면 평탄도 및 undercutting 을 2배 이상 개선시켰으며 교반 위치 및 웨이퍼의 방향의 변화는 식각된 표면의 평균 표면 조도를 3배 이상 감소시켰다. 본 실험을 진행함에 있어 TMAH 용액의 농도, 온도, 첨가제 그리고 식각 용액의 교반은 식각 속도와 표면 조도에 큰 영향을 미치며 식각 시 각각의 첨가제의 특성에 따라 알맞은 첨가량이 TMAH 용액에 함유될 때 undercutting을 억제 하면서도 식각 속도 및 표면 조도 모두를 향상시킬 수 있었다. TMAH 용액의 사전 연구를 통해 식각 특성이 가장 우수한 식각용액 (TMAH/IPA/AHS)을 찾을 수 있었고, 이 식각용액을 이용하여 1000 × 1000 × 7 μm3의 멤브레인 크기를 갖는 압저항 압력센서를 성공적으로 제작할 수 있었다.
Anisotropic etching of silicon is a key technology for fabricating 3-D structures such as thin membranes and silicon micro-bridges for MEMS device. Tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) solution is one of the most popular single crystal etchant which provides good etching characteristics such as low...
Anisotropic etching of silicon is a key technology for fabricating 3-D structures such as thin membranes and silicon micro-bridges for MEMS device. Tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) solution is one of the most popular single crystal etchant which provides good etching characteristics such as low device contamination, low toxicity and high compatibility with the CMOS process. In this study the anisotropic etching properties of single crystal silicon were investigated using TMAH. The variations in Si etching rate and surface morphology at different etching temperature and TMAH concentrations were evaluated. The effects of different additives and solution agitation were also discussed. As the THAM concentration (10∼25 wt.%) decreased, the etching rate increased from 10 μm/h to 70 μm/h in the range of 70∼90℃. However, the etched surface roughness was degraded as the hillock density and corner undercut ratio increased. To solve these problems, the agitation and wafer holder direction were changed and four additives, pyrazine, ammonium persulfate (AP), ammonium hydrogen sulfate (AHS), and isopropyl alcohol (IPA) were employed. Experimental results showed that additives (pyrazine, AP and AHS) played an important role to increase the etching rate significantly up to 20% and the change of agitation led to smooth etched surface. The addition of IPA to the TMAH solution showed excellent results in the improvement of the etched surface flatness and the undercutting compensation. However, one of the characteristics of IPA is the decrease in the etching rate with the increased amount of IPA. Hillock formation was also suppressed by adding additives and changing agitation direction. As shown in this study, etchant concentration, temperature, additives and solution agitation have a greater effect on etching rate and surface roughness.
Anisotropic etching of silicon is a key technology for fabricating 3-D structures such as thin membranes and silicon micro-bridges for MEMS device. Tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) solution is one of the most popular single crystal etchant which provides good etching characteristics such as low device contamination, low toxicity and high compatibility with the CMOS process. In this study the anisotropic etching properties of single crystal silicon were investigated using TMAH. The variations in Si etching rate and surface morphology at different etching temperature and TMAH concentrations were evaluated. The effects of different additives and solution agitation were also discussed. As the THAM concentration (10∼25 wt.%) decreased, the etching rate increased from 10 μm/h to 70 μm/h in the range of 70∼90℃. However, the etched surface roughness was degraded as the hillock density and corner undercut ratio increased. To solve these problems, the agitation and wafer holder direction were changed and four additives, pyrazine, ammonium persulfate (AP), ammonium hydrogen sulfate (AHS), and isopropyl alcohol (IPA) were employed. Experimental results showed that additives (pyrazine, AP and AHS) played an important role to increase the etching rate significantly up to 20% and the change of agitation led to smooth etched surface. The addition of IPA to the TMAH solution showed excellent results in the improvement of the etched surface flatness and the undercutting compensation. However, one of the characteristics of IPA is the decrease in the etching rate with the increased amount of IPA. Hillock formation was also suppressed by adding additives and changing agitation direction. As shown in this study, etchant concentration, temperature, additives and solution agitation have a greater effect on etching rate and surface roughness.
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