[논문]미세가공기술을 이용한 초소형 광픽업용 대면적 실리콘 미러 제작

박성준; 이성준; 최석문; 이상조

미세가공기술을 이용한 초소형 광픽업용 대면적 실리콘 미러 제작
fabrication of the Large Area Silicon Mirror for Slim Optical Pickup Using Micromachining Technology 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.1 = no.178, 2006년, pp.89 - 96

박성준 (삼성전기 중앙연구소 eMD Lab.) , 이성준 (삼성전기 중앙연구소 eMD Lab.) , 최석문 (삼성전기 중앙연구소 eMD Lab.) , 이상조 (연세대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, fabrication of the large area silicon mirror is accomplished by anisotropic wet etching using micromachining technology for implementation of integrated slim optical pickup and the process condition is also established for improving the mirror surface roughness. Until now, few results have been reported about the production of highly stepped $9.74^{\circ}$ off-axis-cut silicon wafers using wet etching. In addition rough surface of the mirror is achieved in case of tong etching time. Hence a novel method called magnetorheolocal finishing is applied to enhance the surface quality of the mirror plane. Finally, areal peak to valley surface roughness of mirror plane is reduced about 100nm in large area of $mm^2$ and it is applicable to optical pickup using infrared wavelength.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 새롭게 제안된 광학계를 제작하기 위해 비등방성 습식 식각 공정을 분석하고 최적의 조건을 도출하여 대면적 실리콘 미러를 제작하였다. 그리고, 습식 식각공정에 의해 제작된 미러면의 표면요구 조건요구조건 수준으로 개선하기 위해 자기유변유체를 이용한 피니싱 공정을 도입하여 개선 정도를 파악하였다.
본 연구에서는 새롭게 제안된 집적형 광 픽업에서 핵심적인 광학계 요소인 대면적 미러를 MEMS 기술을 이용하여 최초로 실리콘 기판으로 제작하였으며, 미러의 표면을 개선하기 위한 식각공정 조건과 후처리 공정기술을 확립하였다.
본 연구에서는 제안된 초소형 집적형 광 픽업에서 광을 전달하는 핵심 광학계인 대면적 미러를최초로 실리콘 기판으로 구현하고, 표면품위를 개선하기 위한 최적 식각조건과 표면 처리 공정을 확립하였다. LD, PD, lens 부와의 집적화를 위하여미러는 700nm 두께의 실리콘 기판을 이용, 비등방성 습식 식각을 통하여 45°와 64.

가설 설정

공구와 실리콘 표면과의 간극은 수직 방향으로 2mm 이며, 공구의 회전속도는 500 rpm 으로고정하였다. 테이블의 왕복 방향 이송속도는 100 mm/min 로 일정하지만 공구의 회전방향에 따라 상대속도는 약간 틀려진다.

제안 방법

일반적으로. 실리콘을 비등방성 습식식각하는용액으로는 EPW, KOH₉₁0, TMAH"등이 사용되고 있는데 본 연구에서는 두 가지의 용액으로 실리콘을 식각하여 표면 상태를 비교하였다. 그 결과의 일부를 Fig.
PR은 1단계 공정과 마찬가지로 AZ1512를 사용했고 황산- 과수에서 10분간 세척을 진행하였다.2차 포토 공정으로 형성된 패턴을 마스크로 RIE를 이용하여 실리콘 질화막을 패터닝 하였다.
제작하였다. 그리고, 습식 식각공정에 의해 제작된 미러면의 표면요구 조건요구조건 수준으로 개선하기 위해 자기유변유체를 이용한 피니싱 공정을 도입하여 개선 정도를 파악하였다.
따라서 본 연구에서는 Fig. 9와 같이 두 가지 로딩 방식에 따른 식각 특성을 비교하였다.
상태가 크게 달라질 수 있다. 따라서 본연구에서는 KOH 용액의 농도를 변화시켜 식각면의 상태를 비교하였다. 농도는 문헌상에서 실리콘식각에 많이 사용되고 있는 30wt.
따라서, 습식식각 공정만으로 대면적 (111) 면의표면거칠기를 요구수준 이하로 향상시키는 것은 거의 ■불가능하기 때문에 MRF(Magnetorehological Finishing) 공정을 도입하였다.” MRF는 인가된 자기장에 의해 점도가 변하는 기능성 유체인 자기유변유체에 연마 입자를 혼합하여 슬러리 형태로 대상 영역에 주입하고, 자기장의 세기를 조정하여 원형의 공구를 회전시킴으로써 발생하는 유동압 (hydrodynamic pressure)을 이용하여 재료를 제거하는 공정이다.
미러 형성을 위한 식각은 circulation bath를 이용하였으며 식각 완료 후 실리콘 질화 막 제거를 위해 웨이퍼 세척 후 85% H₂PO₃용액으로 280°C에서 약 1시간 dipping을 하였고, 잔존하는 실리콘 질화 막의 제거 유무를 확인하였다.
결과를 얻을 수 있었다. 미러면의 광학적 요구 조건을 만족시키기 위해 습식 식각공정으로 제작된 미러에 MRF공정으로 표면품위향상을 시켰으며 광 픽업에서 사용되는 빔의 면적을 고려한 mn? 의 대면적 영역에서 평균 lOOnm대의 Rp.v 를 가지는 미러면을 얻을 수 있었다.
식각을 위한 etching bath는 용액의 온도를 위치별로 균일하게 유지하기 위해서 뜨거워진 물이 bath 의 외곽 공간을 따라 순환할 수 있도록 입구와 출구를 설치하였다. 안쪽에 채워져 있는 KOH 용액 을지 그를 사용하여 웨 이 퍼를 로딩한 후 식 각하는 방법을 사용하였다.
즉, 미러 식각 전에 기준위치 양옆에 두 가지 형태의 패턴을 만든 후 식각을 한다. 원형 패턴에서 형성된 사각형을 광학 현미경으로 확인하면서 기준 패턴으로 정한 후 그 라인에서 동시 에 만든 패턴을 align key로 사용하였다.
발생시킨다. 이러한 기구로 발생하여 실리콘에 잔류하는 열응력은 식각 후에 실리콘 표면 특성에도 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 본 연구에서는 일반 실리콘 질화 막(응력: ~lGpa)과 응력이 수십 Mpa정도로 감소된 저응력 실리콘 질화 막을 사용하여 식각 특성을 서로 비교하였다.
4。의 경사각을 갖도록 제작되었으며 식각 용액으로는 식각률이우수하고, 농도의 조절이 용이한 KOH 수용액을 사용하였다. 적합한 식각 조건을 설정하기 위하여 공정 변수로 KOH 용액의 농도, 온도, 식각 마스크, 웨이퍼 로딩 방법, 웨이퍼의 종류 등을 선택하였고, 기초실험을 통하여 조건들을 비교한 후 선정된 최적 조건으로 본 실험을 진행하였다.
정확한 align key를 찾은 후 포토공정을 통하여미러 식각을 위한 패터닝을 진행하였다. PR은 1단계 공정과 마찬가지로 AZ1512를 사용했고 황산- 과수에서 10분간 세척을 진행하였다.
포토 공정 시 PR은 AZ1512를 사용하였고 패터닝은 RIE로 진행하였다.

대상 데이터

것이 불가능하다. 본 연구에서도 700 iim의두께를 가지는 실리콘 웨이퍼를 관통하여 완전히식각해야만 했기때문에 KOH 와 같은 염기성 용액에 식각이 거의 되지 않는 실리콘 질화막을 식각마스크로 선정하여 실험을 수행하였다.
LD, PD, lens 부와의 집적화를 위하여미러는 700nm 두께의 실리콘 기판을 이용, 비등방성 습식 식각을 통하여 45°와 64.4。의 경사각을 갖도록 제작되었으며 식각 용액으로는 식각률이우수하고, 농도의 조절이 용이한 KOH 수용액을 사용하였다. 적합한 식각 조건을 설정하기 위하여 공정 변수로 KOH 용액의 농도, 온도, 식각 마스크, 웨이퍼 로딩 방법, 웨이퍼의 종류 등을 선택하였고, 기초실험을 통하여 조건들을 비교한 후 선정된 최적 조건으로 본 실험을 진행하였다.

이론/모형

©법으로 (100) 방향으로 성장시킨 후 방향에서 9.74°만큼 off-axis-cut한 웨이퍼를 사용하였다.

성능/효과

%로 식각한 미러의표면은 Ra40nm대로 30wt.% 일 경우보다 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
TMAH로 식각한 미러면은 전체적으로 pit가 다수 형성되어 있으며 KOH로 식각한 미러면이상대적으로 깨끗한 것을 확인하였다.
식각 후의 거친 표면이 전체적으로 매끄러워지고 평탄화된 것을 쉽게 확인할 수 있다. 본 실험에서 MRF 공정을 한 후 습식 식각 공정을 마친 초기표면 대비 약 40-60%의 표면 개선 효과를 얻을 수 있었으며 20-40nm대의 Ra 값을 10nm대로, 평균 200-300nm대의 Rp.v 값을 100nm대로 표면품위를 향상시켰다.
식각 실험 결과 mm² 이상의 대면적 영역에서 평균 200nm대의 Rp.v 값을 얻었으며 국부적인 영역에서는 50nm의 .결과를 얻을 수 있었다.
실험 결과를 통해 80°C에서 식각한 미러 표면 (Ra 49.16nm)이 70°C (Ra 91.48nm)와 90°C (Ra 72.77nm)에서의 결과보다 우수한 것을 Fig. 8 과 같이 확인하였으며 이 결과는 온도에 대하여 상대적인 최적조건이 존재한다는 것을 입증하고 있다.
40-70nm 대의 값을 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 통해 웨이퍼의 로딩 방법이 실리콘의 식각특성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
측정 결과, 웨이퍼를 수평으로 로딩한 경우에는 100-150nm 대의 R, (rms value) 값을 얻은 것에 비 해서 수직 방향으로 로딩한 경우에 는 많이 개 선된 40-70nm 대의 값을 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 통해 웨이퍼의 로딩 방법이 실리콘의 식각특성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

추가적인. 표면 거칠기의 개선이 이루어질 것으로 보이며 공정의 용이성과 저가격 등의 장점을 고려한다면 실리콘을 대면적 미러로 사용하는 집적형 광픽업에 대한 응용 가능성은 더욱 증가할 것으로 예상된다.
향후 off-axis 웨이퍼의 제작 과정에서 첨가되는 불순물의 조절이나 신뢰성 있는 결정 방향 정렬 방법의 개발 및 전용 습식 식각장치의 구현 등이 뒤따른다면 추가적인. 표면 거칠기의 개선이 이루어질 것으로 보이며 공정의 용이성과 저가격 등의 장점을 고려한다면 실리콘을 대면적 미러로 사용하는 집적형 광픽업에 대한 응용 가능성은 더욱 증가할 것으로 예상된다.

참고문헌 (12)

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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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