표면 미세가공 공정에서 Al 공정을 이용하면 Al 전극의 제작에 의해 접촉 저항이나 선 저항 등을 줄여 전기적인 신호 손실을 줄일 수 있고, 산화막을 희생층으로 사용하는 간단한 공정에 의해 Al 구조물 제작이 가능한 장점을 지닌다. 그러나 실제 공정에서는 Al 전극이나 Al 구조물이 희생층 제거 시에 사용되는 HF 용액에 의해서 부식되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 사용되는 희생층 식각액인 BHF/glycerine 혼합 용액에 대한 PSG와 Al의 기본적인 식각 특성은 표면 미세가공에서 발생하는 구조적인 제한 조건에 따라 상당히 달라진다. 본 논문에서는 이러한 희생층의 구조적 특성과 Al 박막의 증착 표면 거칠기의 변화로 인한 식각 특성의 변화를 고려하여 실제로 표면 미세가공에 적용 가능한 혼합 용액의 조건을 조사하였다. 희생층 식각 조건변화에 따른 BHF/glycerine 혼합용액의 최적 혼합비는 $NH_4F$:HF:glycerine=2:1:2에서 가장 좋은 식각 선택비를 보이는 것으로 나타났으며 이 실험 결과를 실제 Al 전극 제작에 적용한 결과 Al 패턴이 희생층 식각액에 대해서 우수한 내식성을 보였다. 또한 Al의 식각액에 대한 내식성을 향상시키기 위하여 CMP 공정을 도입하여 증착 표면을 개선시켰으며 이를 Al 구조물의 제작에 적용하여 식각 특성을 분석하였다. 이러한 분석을 통해 본 논문에서 제시한 식각 조건을 이용하면 Al 전극과 Al 구조물을 표준적인 표면 미세가공 공정을 통하여 간단하게 제작할 수 있다.
표면 미세가공 공정에서 Al 공정을 이용하면 Al 전극의 제작에 의해 접촉 저항이나 선 저항 등을 줄여 전기적인 신호 손실을 줄일 수 있고, 산화막을 희생층으로 사용하는 간단한 공정에 의해 Al 구조물 제작이 가능한 장점을 지닌다. 그러나 실제 공정에서는 Al 전극이나 Al 구조물이 희생층 제거 시에 사용되는 HF 용액에 의해서 부식되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 사용되는 희생층 식각액인 BHF/glycerine 혼합 용액에 대한 PSG와 Al의 기본적인 식각 특성은 표면 미세가공에서 발생하는 구조적인 제한 조건에 따라 상당히 달라진다. 본 논문에서는 이러한 희생층의 구조적 특성과 Al 박막의 증착 표면 거칠기의 변화로 인한 식각 특성의 변화를 고려하여 실제로 표면 미세가공에 적용 가능한 혼합 용액의 조건을 조사하였다. 희생층 식각 조건변화에 따른 BHF/glycerine 혼합용액의 최적 혼합비는 $NH_4F$:HF:glycerine=2:1:2에서 가장 좋은 식각 선택비를 보이는 것으로 나타났으며 이 실험 결과를 실제 Al 전극 제작에 적용한 결과 Al 패턴이 희생층 식각액에 대해서 우수한 내식성을 보였다. 또한 Al의 식각액에 대한 내식성을 향상시키기 위하여 CMP 공정을 도입하여 증착 표면을 개선시켰으며 이를 Al 구조물의 제작에 적용하여 식각 특성을 분석하였다. 이러한 분석을 통해 본 논문에서 제시한 식각 조건을 이용하면 Al 전극과 Al 구조물을 표준적인 표면 미세가공 공정을 통하여 간단하게 제작할 수 있다.
Aluminum metal process in surface micromachining enables to fabricate Al electrodes or Al structures, which improve electrical characteristics by reducing contact- and line-resistance or makes the whole process to be simple by using oxide as sacrificial layer. However, it is not possible to use conv...
Aluminum metal process in surface micromachining enables to fabricate Al electrodes or Al structures, which improve electrical characteristics by reducing contact- and line-resistance or makes the whole process to be simple by using oxide as sacrificial layer. However, it is not possible to use conventional sacrificial layer etching process, because HF solution attacks aluminum as well as sacrificial oxide. The mixed solution of BHF and glycerine as an alternative shows the adequate properties to meet with this end. The exact etching properties, however, are sensitively depends on the geometry of the released structure, because the most etching process of sacrificial layer proceeds to the lateral direction in narrow space. Also, the surface roughness of aluminum affects to the etching characteristics. This paper reports experimental results on the effect of microstructure and surface roughness of aluminum to the etching properties. Considering these effects, we propose the optimized etching condition, which can be used practically for the fabrication of aluminum electrodes and microstructures by using standard surface micromachining process without modification or additional process.
Aluminum metal process in surface micromachining enables to fabricate Al electrodes or Al structures, which improve electrical characteristics by reducing contact- and line-resistance or makes the whole process to be simple by using oxide as sacrificial layer. However, it is not possible to use conventional sacrificial layer etching process, because HF solution attacks aluminum as well as sacrificial oxide. The mixed solution of BHF and glycerine as an alternative shows the adequate properties to meet with this end. The exact etching properties, however, are sensitively depends on the geometry of the released structure, because the most etching process of sacrificial layer proceeds to the lateral direction in narrow space. Also, the surface roughness of aluminum affects to the etching characteristics. This paper reports experimental results on the effect of microstructure and surface roughness of aluminum to the etching properties. Considering these effects, we propose the optimized etching condition, which can be used practically for the fabrication of aluminum electrodes and microstructures by using standard surface micromachining process without modification or additional process.
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문제 정의
본 논문에서는 표면 미세가공에서 실제 Al 전극이나 Al 미세 구조물 제작에 적용할 수 있는 희생층 식각액혼합비 조건을 표준 표면 미세가공을 통해 제작된 미세 구조물을 이용하여 조사하였다. 희생층 식각 조건은 구조물의 구조적 형상에 의한 식각 제한에 의해서 일반적으로 알고 있는 산화막의 식각률과는 다소 차이가 나며 실제 식각 데이터에서도 3배 이상의 차이를 보였다.
본 논문에서는 표면 미세가공에서 희생층의 구조적 제한에 따른 식각률 양상과 Al의 증착 표면 거칠기에 따른 식각률의 변화를 고려한 실험을 통하여 실제 공정에서 적용 가능한 조건을 모색하고 이를 이용하여 실제 구조물 상에 Al 전극과 Al 미세 구조물을 제작해본다.
앞에서 얻은 실험 데이터를 표준 표면 미세가공으로 제작한 시편에 적용시켜 이 데이터가 실제 사용 가능한지를 알아보았다. 실험에 사용한 구조물은 etch hole 사이의 폭이 최대 10㎛인 comb-drive 액추에이터이며 HF(49%) 용액과 NH」F:HF:glycerine=2:l:2의 혼합비를 갖는 혼합용액으로 각각 실험을 하였다.
표준 표면 미세가공으로 제작한 외팔보를 Al 구조물의 부유 실험 대상으로 하였으며 식각액은 NH」F:HF:g}ycerine=2:l:2 혼합용액으로, 희생층 식각 시간은 Al 외팔보가 완전히 부유되는 것을 목표로 하였다. 희생층 식각 시간은 외팔보 폭이 약 9㎛인 점과 NH4FHF:이ycerine=2:l:2 혼합용액에서의 식각률을 함께 고려하여 결정하였다.
한편 구조물로 사용되는 폴리 실리콘 위에 증착되는 Al 박막의 표면 상태가 희생층 제거 시 가장 중요한 요소가 되는 식각 선택비를 저하시키는 문제점을 나타내었다. 또한 희생층의 구조적 형상에 따른 식각률의감소도 식각 선택비를 감소시키는데 영향을 끼치고 있다.
제안 방법
그러나 Al 역시희생층 식각액에 대해 쉽게 부식되는 단점을 지녀 이에 대한 개선이 필요하다. 그러므로 Al의 희생층 식각액에 대한 내식성 검토를 위해 Al의 증착 표면 거칠기 변화에 대한 식각 특성을 알아보았으며 Al 증착 표면의 재료는 표면 거칠기가 서로 다른 폴리 실리콘 박막으로 하였다.
희생층 식각 조건은 구조물의 구조적 형상에 의한 식각 제한에 의해서 일반적으로 알고 있는 산화막의 식각률과는 다소 차이가 나며 실제 식각 데이터에서도 3배 이상의 차이를 보였다. 그리고 Al 패턴 또한 식각 특성이 Al의 증착 표면 거칠기에 따라 변화하였으며 이에 따라 식각률의 재검토가 필요하였다. 본 실험을 통해서 얻은 희생층 식각액의 최적 조성비는 NH」F:HF:glycerine=2:l:2였으며 이미 발표된 혼합비와는 glycerine의 첨가량에서 다른 값을 가졌으며 식각 선택비는 약 40배 가량 낮은 것으로 나타났다.
이러한 조건을 모두 갖추고 있는 혼합 조성비 군은 NH」F/HF/glycerine=2:l:x이며, 여기서 x는 0에서 4의 값을 가진다. 그리고 기존의 희생층 식각액으로 널리 사용되는 HF(49%) 용액도 실험 대상에 추가하여 서로 비교할 수 있도록 하였다.
이렇게 하여 얻은 식각 시간은 HF(49%) 용액의 경우 약 1분이며 혼합용액의 경우는 약 12분이 되었다. 그리고 실험 결과는 실험의 관찰 대상이 되는 패드의 표면 상태를 판단 기준으로 하여 HF(49%) 용액과 혼합용액을 서로 비교 분석하였다.
희생층 식각 시간은 외팔보 폭이 약 9㎛인 점과 NH4FHF:이ycerine=2:l:2 혼합용액에서의 식각률을 함께 고려하여 결정하였다. 그리고 희생층의 완벽하고 깨끗한 식각을 위하여 3(X1% 과도 식각을 하였다.
또한 CMP 공정이 적용된 PSG 박막과 CMP 공정이 적용되지 않은 PSG 박막 위에 Al을 증착하고 표면 거칠기를 측정하여 Al 이 증착된 후에는 거칠기가 어떠한 양상을 보이는 지를 조사하였다. 그 결과 표 7(before etching)에서 나타낸 수치와 같이 Al 박막 표면 거칠기는 아래층의 PSG 표면 거칠기를 따라가고 있음을 알 수 있다.
그리고 그림 12는 혼합용액으로 식각하여 부유한 구조물의 패드 사진이며 그림 11에 비해 훨씬 표면이 고르다는 것을 현미경 사진으로 알 수 있다. 패드의 표면 상태를 더욱정확하게 확인하기 위하여 surface profiled a-step)를 사용하여 패드 표면의 거칠기를 측정하였다 (표 5). 2:1:2 혼합용액으로 식각한 경우는 49.
%) 로 선택하였으며 희생층 식각액은 NHjF:HF:glycerine=2:l:2 혼합용액을 사용하였다. 표면거칠기 개선에 따라 Al 구조물이 어느 정도의 내식성을 지니고 있는지를 분석하기 위하여 희생층을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 한 것과 그렇지 않은 경우로 나누어 습식 식각을 수행하였다.
실험에 사용한 구조물은 etch hole 사이의 폭이 최대 10㎛인 comb-drive 액추에이터이며 HF(49%) 용액과 NH」F:HF:glycerine=2:l:2의 혼합비를 갖는 혼합용액으로 각각 실험을 하였다. 희생층 식각 시간 설정은 희생층을 충분히 제거하기 위하여 이론적인 희생층 식각 시간의 약 3배로 하였으며 여기에 사용되는 실험데이터 중 산화막 식각률은 식각 형태가 비슷한 채널 형태 구조물의 식각률을 택하여 실험하였다. 이렇게 하여 얻은 식각 시간은 HF(49%) 용액의 경우 약 1분이며 혼합용액의 경우는 약 12분이 되었다.
희생층 식각 시간은 외팔보 폭이 약 9㎛인 점과 NH4FHF:이ycerine=2:l:2 혼합용액에서의 식각률을 함께 고려하여 결정하였다. 그리고 희생층의 완벽하고 깨끗한 식각을 위하여 3(X1% 과도 식각을 하였다.
희생층 식각에 사용된 NftF/HF/glycerine 혼합용액의 조성비는 이미 발표된 실험 결과[2]에서, 높은 식각선택비를 보인 부분 중에서도 빠른 PSG 식각률을 나타내는 혼합비를 선택하였다. 즉, PSG와 Al 박막과의 식각 선택비가 1000:1 이상이며 PSG의 식각률이 2㎛ /min 이상인 혼합 조성비만을 선택하여 실험에 채택하였다.
희생층 식각을 한 후, 희생층의 식각된 정도를 보기 위해 희생층 상부에 있는 폴리 실리콘 구조물을 제거해야 되며 이 공정은 SF6를 식각가스로 하는 RIE-80 dry etcher와 XeF> etcher로 시도하였다. 그러나 두 장비 모두 식각 시간을 과도하게 할 경우 구조물 폴리실리콘뿐만 아니라 바닥의 bulk 폴리 실리콘까지 식각되어 측정에 어려움이 따랐다.
대상 데이터
Al 구조물의 희생층은 높은 식각률을 나타내는 PSG(7wt.%) 로 선택하였으며 희생층 식각액은 NHjF:HF:glycerine=2:l:2 혼합용액을 사용하였다. 표면거칠기 개선에 따라 Al 구조물이 어느 정도의 내식성을 지니고 있는지를 분석하기 위하여 희생층을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 한 것과 그렇지 않은 경우로 나누어 습식 식각을 수행하였다.
% PSG를 2㎛ 증착하였고 dimple과 anchor 패턴이 들어간다. 구조물은 2㎛ 폴리 실리콘(E=160GPa±10%, 저항<5xl0Tohm・cm) 박막으로 하였으며 패드 패터닝과 Al 스퍼터링(0.5㎛) 공정이 포함되었다.
알아보았다. 실험에 사용한 구조물은 etch hole 사이의 폭이 최대 10㎛인 comb-drive 액추에이터이며 HF(49%) 용액과 NH」F:HF:glycerine=2:l:2의 혼합비를 갖는 혼합용액으로 각각 실험을 하였다. 희생층 식각 시간 설정은 희생층을 충분히 제거하기 위하여 이론적인 희생층 식각 시간의 약 3배로 하였으며 여기에 사용되는 실험데이터 중 산화막 식각률은 식각 형태가 비슷한 채널 형태 구조물의 식각률을 택하여 실험하였다.
혼합비를 선택하였다. 즉, PSG와 Al 박막과의 식각 선택비가 1000:1 이상이며 PSG의 식각률이 2㎛ /min 이상인 혼합 조성비만을 선택하여 실험에 채택하였다. 이러한 조건을 모두 갖추고 있는 혼합 조성비 군은 NH」F/HF/glycerine=2:l:x이며, 여기서 x는 0에서 4의 값을 가진다.
희생층의 식각률을 측정하기 위한 구조물은 표준 표면 미세가공으로 제작하였다. 절연막으로 완충 실리콘 산화막(005㎛)과 실리콘 질화막(0.
성능/효과
패드의 표면 상태를 더욱정확하게 확인하기 위하여 surface profiled a-step)를 사용하여 패드 표면의 거칠기를 측정하였다 (표 5). 2:1:2 혼합용액으로 식각한 경우는 49.6A정도의 평균 거칠기를 나타내었으며 HF(49%)의 경우는 혼합용액의 경우의 약 두 배인 86A을 나타내었다. 이러한 결과로써 혼합용액을 희생층 식각액으로 사용했을 시에 HF(49%에서 보다 나은 특성을 보여줌을 알 수 있다.
HF(49%)에서의 식각률은 횡방향 식각률이 종방향 식각률보다 3배 정도 작게 나왔으며 혼합용액에서는 거의 50% 이하의 차이를 나타내어 희생층 식각에 있어서 희생층의 구조적인 요소가 식각률에 상당한 요소로 작용함을 알 수가 있다. 그리고 식각액에서 글리세린의 첨가량이 증가할수록 횡방향 식각률과 종방향 식각률의 차이가 줄어들게 됨을 확인할 수 있는데 이것은 혼합용액에서 글리세린의 비중이 커지면 희생층의 구조적 형상으로 인한 식각률 감소보다는 화학적 반응의 비활성화로 인한 식각률 감소가 더 큼을 보여주는 것이다.
새로이 얻어진 혼합비의 희생층 식각액으로 실제 미세 구조물을 부유하고 제작한 Al 전극을 관찰하였으며 그 결과 일반적인 희생층 식각액으로서 사용되는 HF(49%)와 비교했을 때 혼합 희생층 식각액의 개선된 특성을 확인할 수 있었다. 또한 Al 식각률이 Al 증착 표면 거칠기에 큰 영향을 받으므로 실리콘 산화막 희 생층에 CMP 공정을 도입하여 Al 증착 표면 거칠기를 개선한 Al 구조물은 혼합 희생층 식각액에서 식각을 잘 견뎌내었으며 식각 후 표면 상태도 매우 양호한 것으로 나타났다.
희생층 자체의 제한된 형상으로 인한 산화막의 식각변화와 표면 거칠기 영향으로 더욱 빨라진 Al 박막의식각으로 글리세린이 적게 첨가되는 방향으로 최적 혼합비가 이동한 것이다. 본 실험에서는 NHjF:HF:glycerine= 2:1:2에서 최적 혼합비를 보였으며 이때 식각 선택비는 250:1정도가 나왔으며 이때 산화막의 식각률은 2.5㈣/min 정도인 것으로 나타났다. 이 결과는 Al 구조물 제작에 적용하기에는 크게 만족스럽지 않지만 전극에 사용되는 금속은 충분히 보호할 수 있는 수준으로 판단된다.
그리고 Al 패턴 또한 식각 특성이 Al의 증착 표면 거칠기에 따라 변화하였으며 이에 따라 식각률의 재검토가 필요하였다. 본 실험을 통해서 얻은 희생층 식각액의 최적 조성비는 NH」F:HF:glycerine=2:l:2였으며 이미 발표된 혼합비와는 glycerine의 첨가량에서 다른 값을 가졌으며 식각 선택비는 약 40배 가량 낮은 것으로 나타났다. 이것은 희생층의 구조적 제한에 의한 식각률감소와 증착 표면의 거칠기에 의한 Al 식각률 증가에 의한 것이다.
이것은 희생층의 구조적 제한에 의한 식각률감소와 증착 표면의 거칠기에 의한 Al 식각률 증가에 의한 것이다. 새로이 얻어진 혼합비의 희생층 식각액으로 실제 미세 구조물을 부유하고 제작한 Al 전극을 관찰하였으며 그 결과 일반적인 희생층 식각액으로서 사용되는 HF(49%)와 비교했을 때 혼합 희생층 식각액의 개선된 특성을 확인할 수 있었다. 또한 Al 식각률이 Al 증착 표면 거칠기에 큰 영향을 받으므로 실리콘 산화막 희 생층에 CMP 공정을 도입하여 Al 증착 표면 거칠기를 개선한 Al 구조물은 혼합 희생층 식각액에서 식각을 잘 견뎌내었으며 식각 후 표면 상태도 매우 양호한 것으로 나타났다.
식각 실험 후 Al 표면 거칠기는 표 7(after etching) 에 나타낸 바와 같이 CMP 공정을 적용한 경우 30A의 평균 거칠기를 보였으며 CMP 공정을 하지 않은 경우 약 330A 정도의 평균 거칠기를 보여 약 11배 차이를 나타내었다. 앞에서 조사한 데이터를 살펴보았을 때 CMP 공정에 따른 식각률과 거칠기 차이는 확연한 결과를 보여' 예상했던 것처럼 표면 거칠기 개선에 따른 Al 박막의 내식성은 향상됨을 알 수 있었다.
앞에서 조사한 데이터를 살펴보았을 때 CMP 공정에 따른 식각률과 거칠기 차이는 확연한 결과를 보여' 예상했던 것처럼 표면 거칠기 개선에 따른 Al 박막의 내식성은 향상됨을 알 수 있었다.
어느 경우든 거칠기의 증가에 따라 식각률이 증가함을 알 수 있다. 이 결과로부터 Al의 증착 표면 거칠기를 개선할수록 Al 이 희생층 식각액에 대해서 내식성이 강해짐을 알 수가 있으며 Al 증착 표면 거칠기 개선은 Al 구조물 제작에 가장 큰 문제점을 제거해주게 된다.
이 실험을 통해 표준 표면 미세가공의 공정 조건에서의 회생층과 Al의 최적 식각 선택비는 이미 발표된 최적 혼합비인 NHFHF:glycerine=2:l:4의 혼합비[2]에서의 최적 식각 선택비와는 차이가 있음을 알 수 있다. 희생층 자체의 제한된 형상으로 인한 산화막의 식각변화와 표면 거칠기 영향으로 더욱 빨라진 Al 박막의식각으로 글리세린이 적게 첨가되는 방향으로 최적 혼합비가 이동한 것이다.
6A정도의 평균 거칠기를 나타내었으며 HF(49%)의 경우는 혼합용액의 경우의 약 두 배인 86A을 나타내었다. 이러한 결과로써 혼합용액을 희생층 식각액으로 사용했을 시에 HF(49%에서 보다 나은 특성을 보여줌을 알 수 있다.
희생층과 Al과의 식각 선택비는 NHiF:HF:glycerine=2:1:2에서 최적 값을 나타내었으며 전반적으로 식각 선택비는 식각 시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 혼합비에 따른 식각 선택비는 2:1:2의 혼합비에서 245:[라는 비교적 큰 값을 보였으며 자세한 데이터는 표 4와 그림 9에 나타내었다.
희생층의 식각률은 표 1과 그림 7에서 나타내었으며 실험에서 얻은 식각률은 횡방향 식각률(lateral etch rate)로서 이미 발표된 종방향 식각률(vertical etch rate)과는 약 3배 이상의 차이를 보였다. HF(49%)에서의 식각률은 횡방향 식각률이 종방향 식각률보다 3배 정도 작게 나왔으며 혼합용액에서는 거의 50% 이하의 차이를 나타내어 희생층 식각에 있어서 희생층의 구조적인 요소가 식각률에 상당한 요소로 작용함을 알 수가 있다.
후속연구
또한 희생층의 구조적 형상에 따른 식각률의감소도 식각 선택비를 감소시키는데 영향을 끼치고 있다. 이러한 희생층의 구조적 형상에 의한 식각률 감소는 etch hole의 간격을 줄이거나 희생층의 식각이 원활하게 가능한 구조물 설계를 취한다면 어느 정도 줄일 수 있을 것이다. 그리고 Al 박막의 경우 아래층에 증착되는 폴리 실리콘 표면이 고르게 형성되는 공정 조건을 찾아낼 수 있다면 식각 선택비를 개선시킬 수 있다.
이와 같이 개발된 희생층 식각 공정 조건과 CMP 공정을 실제 표면 미세가공에 적용한다면 표준적인 표면 미세가공 공정을 통하여 Al 전극은 물론 Al 구조물도 제작할 수 있을 것으로 판단된다.
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