[논문]간접전극 양극산화에 의한 다공성 실리콘의 형성

김순규; 장준연

간접전극 양극산화에 의한 다공성 실리콘의 형성
Formation of Porous Si by Indirect Electrode Anodization 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.15 no.3, 2006년, pp.273 - 279

김순규 (한국과학기술연구원 나노소자연구센터) , 장준연 (한국과학기술연구원 나노소자연구센터)

초록
AI-Helper

Si기반 고주파집적회로의 차단재로서 간접전극 양극산화법으로 형성된 다공성 Si을 활용하기 위한 기초 연구로서 전류밀도, 시간에 따른 기공의 크기와 깊이등을 조사하였고 기공 도입 전,후 Si의 격자상수 변화를 측정하여 유발되는 내부응력의 크기를 평가하였다. 기공의 크기와 깊이는 대개 전류밀도와 시간에 따라 증가하였다. 기공이 형성됨에 따라 Si의 격자상수가 증가하여 약 8MPa의 압축응력이 유발되었다. 간접전극 양극산화법으로 형성된 다공성 Si은 공정이간단하고 기공으로 유발되는 내부응력의 크기가 작아 Si YLSI공정 적합성이 우수하므로 고주파 직접회로의 효과적인 차단재로서 적합한 재료로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study explored the possibility of porous Si (PS) formed by indirect electrode anodization used for effective isolation material for radio frequency integrated circuits (RFIC). We investigated the effect of current density and reaction time on the porosity size and depth, and X-ray diffraction of bulk Si and porous Si to evaluate the change in lattice parameter. Porosity size and depth usually increases with an increase in the current density and reaction time. PS increases the lattice parameter of Si compared to the bulk Si which causes the compressive stress of around 8 MPa. PS formed by the method is believed to be suitable for isolation material for RFIC because it is simple process as well as good compatibility to Si VLSI process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 연구에서는 실리콘 기판 뒷면에 Au나 Cu전극을 증착하여 Si 기판 자체를 전극으로 양극 산화(anodized)시키는 방법을 이용하였는데 [11] 이것은 Si VLSI의 후속 공정을 감안하면 피해야 할 공정방법이다. 따라서 본 연구에서는 기존의 방법과는 달리 실리콘에 직접 전극을 형성하지 않고 대신백금(Pt)로 이루어진 양극 (anode)와 음극 (cathode) 사이에 Si 기판을 설치하는 비접촉방식으로 양극 산화하여 적절한 PS 구조를 얻는 방법을 조사하였다. 비접촉 방식으로 형성된 기공의 크기 및 기공층 형성 깊이를 관찰하여 반응용액의 농도와, 전류밀도, 시간 등의 공정변수에 의해 변화하는 기공의 형태와 구조등을 연구하였다.

가설 설정

의해 기공이 형성되는 반면 3) 높은 포텐셜과 전류 밀도 하에서는 Si 표면 전체가 식각되는 전해연마반응이 일어나게 된다. 그러므로 기공형성중에 포텐셜과 전류밀도를 적절하게 제어해야만 상당한 깊이까지 기공을 형성할 수 있다.

제안 방법

에서 120mA/cm! 까지 증가시키며 기공을 형성한 후 기공의 크기 및 미세구조를 SEM으로 관찰한 것이다. 양극 산화 전 Si 기판은 정밀하게 연마 (polishing) 되어 매우 균일한 표면 조도를 갖고 있으나, 양극산화후에는 사진에서 볼 수 있듯이 표면이 많이 패여 있고 매우 작은 기공들이 보인다.
본 실험에서는 동일한 용액(HF: C₂H₅OH=1:1)을사용함으로써 에칭용액에 의한 기공 변화 가능성을 배제하였으며 시료에 인가하는 전류밀도는 10 mA/ cirf ~ 120 mA/cnf, 양극산화 시간은 2분 ~ 10분으로 변화시키며 각각의 조건에서 기공의 크기와 깊이를 조사하여 PS 형성의 기초적인 자료를 수집하였다. 양극산화후 형성된 PS 내의 기공의 크기와 깊이 그리고 미세조직은 전계 방출 SEM (Field emis sion SEM, JEOL 6500F)으로 관찰하였고 기공 형성 전후의 결정구조와 격자상수의 변화를 XRD (Philips Expert)로 즉정하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 방법과는 달리 실리콘에 직접 전극을 형성하지 않고 대신백금(Pt)로 이루어진 양극 (anode)와 음극 (cathode) 사이에 Si 기판을 설치하는 비접촉방식으로 양극 산화하여 적절한 PS 구조를 얻는 방법을 조사하였다. 비접촉 방식으로 형성된 기공의 크기 및 기공층 형성 깊이를 관찰하여 반응용액의 농도와, 전류밀도, 시간 등의 공정변수에 의해 변화하는 기공의 형태와 구조등을 연구하였다.
비접촉식으로 PS를 형성하면 후면에 금속 전극이 없기 때문에 이후 공정에 아무런 영향을 주지 않아 Si VLSI 공정에 적합한 공정이다. 상온에서 양극산화를 실시하였고 안정된 전압과 전류를 공급하기 위하여 Potentiostat를 사용하였다.
비접촉식으로 양극 산화할 때는 기판의 후면 (back side)에서 전면으로 전류가 잘 흘러야 기공의 형성이 수월하기 때문에 높게 도핑된 기판을 이용하였다. 양극산화를 위한 반응기 (bath) 는 그림 1과 같은데 산과 알칼리에 강하고 절연성이 뛰어난 테프론으로 반응기를 제작하였다. 반응기 중간부분에 샘플을 설치하는데 이 샘플홀더를 경계로 양쪽 용액(불산: 에탄올=1:1)의 흐름은 완전히 차단해야 한다.
양극산화후 형성된 PS 내의 기공의 크기와 깊이 그리고 미세조직은 전계 방출 SEM (Field emis sion SEM, JEOL 6500F)으로 관찰하였고 기공 형성 전후의 결정구조와 격자상수의 변화를 XRD (Philips Expert)로 즉정하였다.

대상 데이터

반응 용액은 48% 불산(HF, hydrofluoric acid) 용액과 99.99% 에탄올(ethanol)을 로 혼합하여 사용하였다. 그림에서처럼 두 개의 백금판으로 양극과 음극을 형성하고 그 사이에 Si 기판을 설치하여 양쪽의 용액 및 전류의 흐름을 차단함으로써 Si 기판을 통해서만 전류가 흐르게 하여야 하는 것이 비접촉식 양극산화공정의 핵심이다.
반응기 중간부분에 샘플을 설치하는데 이 샘플홀더를 경계로 양쪽 용액(불산: 에탄올=1:1)의 흐름은 완전히 차단해야 한다. 샘플홀더에서 음극을 향해 용액에 노출되는 Si 기판의 면적은 10mm² 이며 절단 (dicing)한 Si 기판을 샘플홀더에 붙여 사용하였다.
실험에서 사용한 실리콘 기판은 붕소(Boron)가 높게 도핑된 P+형 4인치 (100)웨이퍼로 비저항은 0.02Q/cm 이다. 비접촉식으로 양극 산화할 때는 기판의 후면 (back side)에서 전면으로 전류가 잘 흘러야 기공의 형성이 수월하기 때문에 높게 도핑된 기판을 이용하였다.

성능/효과

003° 증가한다. (004) 회절 피크의 위치이동은 격자상수의 변화를 의미하여 Bragg law를 이용하여 계산하면 PS의 격자상수는 5.4312A로 평형 격자상수 5.4308 A에 비교해 0.7% 증가하였다. 기공의 도입으로 Si의 격자상수가 증가하고 그 결과로 PS는 음의 내부응력이 작용함을 알 수 있다.
40mA/cnf의 일정한 전류밀도에서 양극산화 시간을 증가시키며 관찰한 기공의 깊이는 (각 사진에서 화살표 모양) 지속적으로 증가하였다. 10분까지 2분 간격으로 반응시간을 증가시킨 기공의 깊이를 SEM 으로 측정하여 그래프로 나타낸 것이 그림 6이다.
P+형 (100) 실리콘을 간접전극 양극산화하여 형성된 다공성Si의 크기와 깊이를 조사한 결과, 기공의 크기는 일정한 시간 동안 전류 밀도 증가에 따라 100 inA/cnf 까지는 지속적으로 커지나 그 이상의 전류밀도 조건에서는 더 이상 증가하지 않았다. 기공의 깊이는 반응 시간에 따라 증가하지만 40mA/cm², 10분 후에는 오히려 기공의 깊이가 감소하였는데 이것은 기공크기 확대에 따른 Si뼈대구조 감소로 국부적으로 전류-전압이 증가하여 전해 연마 과정이 일어나는 것으로 판단되며 이것을 방지하고 수백 마이크론 깊이까지 안정한 기공을 형성하기 위해서는 양극산 화동안 세심한 전류-전압제어가 요구된다.
본 연구를 통해 확인된 최적임계전류 조건은 40mA/cm! 이며 양극산화 중 전압이 일정하게 유지되면 수백 마이크론 깊이의 다 공질을 안정적으로 얻을 수 있다. 기공이 형성되면 Si의 격자상수가 0.7% 증가하나 적절한 열처리를 통해 변형량을 감소시킬 수 있으며 결국 간접전극 양극산화로 형성된 다공성 Si구조는 Si VLSI공정에 적합함을 확인 하였다.
20mA/cm! 조건에서 평균 12nm 이던 기공의 크기는 전류밀도를 증가시킴에 따라 대략 직선적으로 증가하여 lOOmA/crf 에서 약 24nm까지 두배 가량 증가하나 120mA/cnf 전류밀도에서는 기공의 크기 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다. 100 mA/cirf까지기공크기가 전류밀도에 따라 증가하는 것은 전류밀도가 증가함에 따라 P+형 실리콘 기판에서 정공의 공급이 원할하여 표면에서 불소 이온이 정공을 취하기가 쉽고 따라서 Si-Si 실리콘 결합이 쉽게 깨져 기공의 형성이 용이하기 때문이다.
첫째 , PS는 붉은색의 가시 광을 발광하는 매 우 흥미 있는 특성을 가지며 [1] 둘째, 비저항이 1(产 Q cm으로 증가하는 반면 기공의 도입으로 유전율은 감소하여 절연재 및 cross-talk 차단재로 우수한 특성을 갖는다. ⑵ 셋째, PS는 표면적이 커 식각속도가 매우 빠르므로 MEMS (micro-electronic machining system) 공정에서 이상적인 희생층 (sacrificial layer)으로 사용되고 있다.

후속연구

[14] Kim등은 초기 -10 MPa의 내부 응력을 효과적인 반복 열처리를 통해 1 MPa 이하로 감소하였으며 이 정도크기의 내부 응력은 Stoney 방정식에 의해 4인치 웨이퍼 기준으로 전체 기판의 곡률반경 변화가 약 558 m이 내의 미미한 변형을 초래하므로 Si VLSI공정을 수행하는 데 아무 문제가 없다. [14] 그러므로 비접촉식 양극산화로 PS를 형성하는 방법은 향후 Si 기반 RFIC소자에 효과적인 차단재로서 적용 가능할 것으로 여겨진다.

참고문헌 (14)

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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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