[논문]범용성 유도결합 플라즈마 식각장비를 이용한 깊은 실리콘 식각

조수범; 박세근; 오범환

doi:10.4313/jkem.2004.17.7.701

범용성 유도결합 플라즈마 식각장비를 이용한 깊은 실리콘 식각
The Development of Deep Silicon Etch Process with Conventional Inductively Coupled Plasma (ICP) Etcher 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.17 no.7, 2004년, pp.701 - 707

조수범 (인하대학교 정보통신공학과) , 박세근 (인하대학교 정보통신공학) , 오범환 (인하대학교 정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

High aspect ratio silicon structure through deep silicon etching process have become indispensable for advanced MEMS applications. In this paper, we present the results of modified Bosch process to obtain anisotropic silicon structure with conventional Inductively Coupled Plasma (ICP) etcher instead of the expensive Bosch process systems. In modified Bosch process, etching step ($SFsub6$) / sidewall passivation ($Csub4Fsub8$) step time is much longer than commercialized Bosch scheme and process transition time is introduced between process steps to improve gas switching and RF power delivery efficiency. To optimize process parameters, etching ($SFsub6$) / sidewall passivation ($Csub4Fsub8$) time and ion energy effects on etching profile was investigated. Etch profile strongly depends on the period of etch / passivation and ion energy. Furthermore, substrate temperature during etching process was found to be an important parameter determining etching profile. Test structures with different pattern size have been etched for the comparison of the aspect ratio dependent etch rate and the formation of silicon grass. At optimized process condition, micropatterns etched with modified Bosch process showed nearly vertical sidewall and no silicon grass formation with etch rate of 1.2 ${\mu}{\textrm}{m}$/ min and the size of scallop of 250 nm.

주제어

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문제 정의

이런 혼합 상태를 최소화하기 위해서 장비회사에서는 고속가스H 체시스템 (fast gas switching system)과 고속제어시스템을 요구하고 있어, 결과적으로 매우 고가의 가격으로 판매되고 있다. 본 연구에서는 다양한 물질의 식각과 에싱, 표면개질과 같이 광범위한 응용성을 가지는 범용성 유도결합플라즈마 식각장비의구조를 그대로 유지하고, 보쉬 공정 전용장비와 달리 고속제어가 필요 없고, 비교적 구현이 용이한, 분 단위 공정제어를 동해 수직 실리콘 식각을 얻기 위한 빙-법에 주목하였다. 그림 2.
반면, 보쉬 공정은 기판의 냉각 없이 수직식각을 얻는 방법으로서 현재 MEMS 구조물을 제작할 때 가장 많이 사용되는 방법이다. 본 연구에서는 위와 같은 보쉬 공정이 가지고 있는 장점을최대한 유지하고, 고가의 보쉬공정 전용장비가 아닌 범용성 유도결합플라즈마 식각장비(inductively coupled plasma etcher)를 통해 깊은 실리콘을 식각을 위한 방법을 제시하였고, 주요 공정변수에 따른 식각형상의 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 현재 깊은 실리콘 식각에 널리사용되고 있는 상업용 실리콘 식각 전용장치를 활용하지 않고 통상적인 범용성 유도결합 플라즈마식각장치를 통해 깊은 실리콘 식각을 효과적으로수행하기 위한 연구를 수행하여 1.2 ㎛ / min의 식각율과 250 nm의 식각 굴곡을 가지는 40 网 높이의 실리콘 마이크로 구조물을 얻었다. SF6에 의한실리콘식각과 QF8에 의한 보호막 증착의 반복을통한 식각공정을 적용하였고, 이를 통해 언더컷이없는 수직 실리콘 구조물을 얻을 수 있었다.

제안 방법

식각과정중 입사이온에너지의 영향을 분석하기 위하여, 본 실험에서는 식각과 증착 주기를 2 : 1 로 유지하고 기판에 인가되는 직류-바이어스 전압을 -50 ''/와 - 100 V로 나누어 총 10 싸이클 식각공정 후 그 영향을 분석하였다.
2 ㎛ / min의 식각율과 250 nm의 식각 굴곡을 가지는 40 网 높이의 실리콘 마이크로 구조물을 얻었다. SF6에 의한실리콘식각과 QF8에 의한 보호막 증착의 반복을통한 식각공정을 적용하였고, 이를 통해 언더컷이없는 수직 실리콘 구조물을 얻을 수 있었다. 통상적인 보쉬 공정과 달리 식각과 증착 시간을 상대적으로 길게 유지하였고, 다음 공정으로의 전환을위한 공정전환단계를 도입하였다.
식각 / 증착 주기의 영향을 분석하기 위하여 식각 과정 중 기판에 인가하는 직류바이어스전압은 0 V로 고정하고, 식각과 증착을 1 : 1 주기 (식각 90 초 / 증착 90초), 2 : 1 주기 (식각 90초 / 증착 45 초)로 설정하고, 식각과 증착을 하나의 싸이클로 정의하여 총 10 싸이클의 실리콘 식각을 진행하였다.
크롬패턴은 통상적인 노광공정과 상용 크롬-습식식각용액(CR7S)를 통해서 형성하였다. 식각 후, 식각율과 식각형상을 분석을 위해 주사전자현미경 (SEM, Hitachi, S-4300)을 사용하였다.
(b)는 본 연구에서 새로이 시도한 실리콘식각공정이다. 식각은 60초, 증착은 30초 ~ 45초 이내로 유지하였으며, 하나의 공정이 완료되고 다음 공정으로 전환하느사이 에 는 공정 전환시 간(process transition time)을 5초간 설정하여, 이 시간동안에는 공정가스, 안테나 전력(source power)과 기판인가전력(bias power) 은 완전히 차단되며, 사용된 공정기체는 완전히 배기 될 수 있도록 하였다.
SF6에 의한실리콘식각과 QF8에 의한 보호막 증착의 반복을통한 식각공정을 적용하였고, 이를 통해 언더컷이없는 수직 실리콘 구조물을 얻을 수 있었다. 통상적인 보쉬 공정과 달리 식각과 증착 시간을 상대적으로 길게 유지하였고, 다음 공정으로의 전환을위한 공정전환단계를 도입하였다. 식각 / 증착의주기와 식각 과정 중 이온에너지는 실리콘의 수직식 각을 위해 가장 중요한 공정변수로 확인 되 었고, 식각과정 중 기판의 온도는 식각형상에 큰 영향을주고 있음을 확인하였다.

대상 데이터

기판이 사용되었다. 마스크로는 1.2 倒 두께의 AZ1512 감광제와 RF 마그네트론 스퍼터링를 통해증착한 0.1 urn 두께의 크롬마스크가 사용되었다. 크롬패턴은 통상적인 노광공정과 상용 크롬-습식식각용액(CR7S)를 통해서 형성하였다.
본 실험에는 (100)의 결정방향을 가진 n-타입 실리콘 기판이 사용되었다. 마스크로는 1.
크롬마스크를 사용하였고, 안테나 전력은 600 W, 기판에 인가하는 직류인가전압은 -80 V, 공정압력은 20 mTorr로 유지하였다. 이때 식각 율은 1.

이론/모형

이러한 식각가스는 상온에서 플로린과 실리콘의 자발적인 화학적 식각(spontaneous chemical etching)을 통해 분당 1 丿加 이상의 식각율을 얻을 수 있으나, 식각프로파일이 등방 적이라 문제점을 안고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 초저온식각(cryogenic etching)[기과 보쉬 공정(Bosch process)[8, 이을 도입하였다. 초저온식각은 기판의 온도를 -100 ℃ 이하의 초저온으로 냉각하여 수직적인 실리콘 식각을얻는 방법으로, 측벽에 부착되는 실리콘 산화 막을이용하여 수직적이고 매끄러운 식각 측벽을 얻을수 있으나, 추가적인 저온설비와 마스크 변형, 식각후 대기압으로 노출 시 수분이 발생되는 문제를 안고 있다.

성능/효과

반응 챔버내로 공급된다. 각각의 공정시간과 다음 공정으로의 전환시간은 실리콘의 측면에 형성되는 식각굴곡(scallop)에 큰 영향을 주는 것으로 알려졌다. 통상적인 보쉬 공정 전용 장비의 경우 7 ~ 3초 이내에서 식각과 증착이 반복되고 있으며 각 공정사이에는 수 ms ~ 수 s 정도의 가스혼합상태 (gas transition 혹은 mixed gas state)[8, 9] 가존재하게 되며, 이 상태에는, SR와 C₄F8 가스가 혼합된 플라즈마가 발생하게 된다.
그림 6 (b)은 냉각장치(chiller)의 온도를 -2 ℃로 유지하고 헬륨가스를 기판 뒤에서 4 torr 인가하여 식각과정 중 기판자체의 온도를 약 50 ℃ 이하로 최대한 낮게 유지하였을 때의 결과이다. 기판의 온도가 상대적으로 높은 경우 식각 면은 매우 부드럽고, 식각깊이도 13 ㎛로 식각 율이 빠른 것으로 측정되었다. 하지만 식각형상은 등방 적으로 진행되었음을 확인할 수 있다.
크롬마스크의 식각은 관측되지 않을 정도로 미미하였으며, 매우 수직적인 식각경사와 보쉬 공정에서 흔히 발견되는실리콘 잔디(silicon grass)[10]가 없는 양호한 식각면을 확인할 수 있었다. 본 공정이 실험실 수준에서 이루어지는 분 단위 공정 제어를 통해 깊은 실리콘 식각이 수행되는 것을 감안한다면, 상업용 보쉬 공성 장치에 비■교하여도 크게 손색없는 양호한식각걸과로 판단된다. 그림 3 (c)은 실리콘 식각 후산소플라즈마와 습식 세정을 통해서 측면에 부착뇐폴리머층을 완전히 제거 후 주사전자현미경(SEM) 은 통해 식각 면을 분석한 견과이나.
통상적인 보쉬 공정과 달리 식각과 증착 시간을 상대적으로 길게 유지하였고, 다음 공정으로의 전환을위한 공정전환단계를 도입하였다. 식각 / 증착의주기와 식각 과정 중 이온에너지는 실리콘의 수직식 각을 위해 가장 중요한 공정변수로 확인 되 었고, 식각과정 중 기판의 온도는 식각형상에 큰 영향을주고 있음을 확인하였다. 10 ㎛, 20 ㈣ 폭을 가지는 트렌치 구조와 개방된 구조의 식각을 수행하여패턴의 크기에 따른 식각율의 변화, 실리콘 잔디현상을 확인할 수 있었匸h
식각과 증착 시에 플라즈마 발생을 위한 안테나 전력은 600 W, 직류-바이어스전압은 식각과정 시에만 -80 V로 유지하였고 식각과 정에는 10 mTorr, 증착공정에는 20 mTorr의 압력을 유지하였다. 크롬마스크의 식각은 관측되지 않을 정도로 미미하였으며, 매우 수직적인 식각경사와 보쉬 공정에서 흔히 발견되는실리콘 잔디(silicon grass)[10]가 없는 양호한 식각면을 확인할 수 있었다. 본 공정이 실험실 수준에서 이루어지는 분 단위 공정 제어를 통해 깊은 실리콘 식각이 수행되는 것을 감안한다면, 상업용 보쉬 공성 장치에 비■교하여도 크게 손색없는 양호한식각걸과로 판단된다.
이는 측벽 폴리머를 형성하는 전구체(precursor)인 CFx 라디칼과 실리콘과의 흡착계수 (sticking coefficient)가 기판 온도가 저온일수록 증가하여 선택적 마스크 효과를 극대화시키기 때문이다. 하지만 기판온도가 적정온도 이하로 내려가도 바닥 면이 상대적으로 거칠고 실리콘 잔디가 심하게 생성 되었으며, 실리콘 식각이 주로 화학적 식각과정에 의존하는 바, 실리콘 식각율도 다소 저하되어식각깊이는 10.3 ㎛로 나타났다.
확대한 사진에서 본 연구를 통해 식각한 실리콘구조물의 측벽에서 250 nm 깊이의 식각굴곡을 발견할 수 있다. 이는 평균 100 ~150 nm의 식각굴곡을 가지는 보쉬 공정 전용장비에 비해 다소 큰값으로, 상대적으로 긴 식각시간으로 인해 유발되는 것으로 판단된다.

후속연구

이는 평균 100 ~150 nm의 식각굴곡을 가지는 보쉬 공정 전용장비에 비해 다소 큰값으로, 상대적으로 긴 식각시간으로 인해 유발되는 것으로 판단된다. 이러한 식각굴곡은 추가적인공정변수의 최적 화와 식 각 후 열산화막 증착과 습식산화막 식각의 반복[11]을 통해 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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