[논문]비접촉 SPL기법을 이용한 단결정 실리콘 웨이퍼 표면의 극초단파 펄스 전기화학 초정밀 나노가공

이정민; 김선호; 김택현; 박정우

문제 정의

본 실험은 AFM을 기반으로 나노 단위의 미세 패턴 가공을 하는 일반적인 비접촉 SPL가공방법에서 AFM 외부의 초단파 펄스 공급을 통하여 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 전기화학적 반응으로 나노단위의 산화물 패턴을 가공하기 위한 실험으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.
5N/m, 75kHz)와 단결정 실리콘 웨이퍼인 (100) p-type(Silicon technology corporation, l-10Q-cm) 사이에 HP사의 8116A(50MHz, 16V p-p) 펄스 전원 공급기를 이용하여 미세 펄스를 이용해 전기화학적 반응을 일으켜 실리콘 웨이퍼 표면에 나노 단위의 산화물을 가공하는 것이다. 이때 발생하는 전기화학적 반응으로 생성 된 산화물의 성장 변화를 통해 극초단파 펄스의 인가시간과 산화물생성 사이의 관계를 이용해 나노 단위의 구조물 가공 방법을 찾아보고자 한다. 실험 전 웨이퍼 표면의 오염물질 및 유기물 제거를 위하여 다음과 같이 세척을 실시하였다.
이를 통해 펄스의 인가시간의 변화가 산화물 성장에도 변화를 줄 수 있는지 알아보고자 한다.

제안 방법

실험 전 웨이퍼 표면의 오염물질 및 유기물 제거를 위하여 다음과 같이 세척을 실시하였다. 1차적으로 산화물의 성장에 영향을 줄 수 있는 자연 산화물의 제거를 위해 Piranha cleaningffESCU : H₂O₂ = 1 : 0.9)을 1시간동안 실시하였다. 그 후 표면에 잔류하고 있는 용액을 제거하기 위해 Human RO 180초 순수 제조기 (Human corporation, 5MQ, cm)를 이용해 만든 초 순수에 웨이퍼를 침지 시킨 후, 200W 급 초음파 세척 장치(KODO NXPC - 2010, 40kHz)를 이용해 3분 동안 세척한 후 웨이퍼 표면의 수분을 제거시키기 위해 데시게이터 안에서 건조 시켰다.
건조된 실리콘 웨이퍼는 표면에 전류가 흐를 수 있도록 실버 페이스트를 이용하여 샘플 디스크에 접착 후 AFM 샘플 스테 이지에 장착 하였다. AFM외부의 펄스 전원 공급기를 통해 공 급되는 전류를 탐침과 샘플 사이에 흐르게 하기 위하여 Fig. 4와 같이 PSIA사의 외부 연결 단자(External connection toolkit)를 장착하였다. 외부에서 공급된 극초단파 펄스는 고전 압 리소그래피 프레임 모듈(HV lithography frame module)을 통해 AFM의 Head에 설치되어 있는 헤드모듈(Head module) 로 공급되어 탐침에 전류를 흐르게 한다.
그 후 표면에 잔류하고 있는 용액을 제거하기 위해 Human RO 180초 순수 제조기 (Human corporation, 5MQ, cm)를 이용해 만든 초 순수에 웨이퍼를 침지 시킨 후, 200W 급 초음파 세척 장치(KODO NXPC - 2010, 40kHz)를 이용해 3분 동안 세척한 후 웨이퍼 표면의 수분을 제거시키기 위해 데시게이터 안에서 건조 시켰다. 건조시킨 웨이퍼 표면에 실험 후 결과물 확인을 위해 Fig. 3과 같이 자체 개발한 PCD(Poly crystal line diamond) 미세 공구⁽⁷⁾를 이용해 물리적 힘으로 가공하여 웨이퍼 표면에 사각형(30㎛ × 30㎛) 형상을 표시 하였다. 실험 부분이 표시된 웨이퍼를 가공 후에 남아있는 부산물들을 제거하기 위해 초 순수에 침지 시킨 후 초음파 세척을 3분 동안 실시하였다.
실험 부분이 표시된 웨이퍼를 가공 후에 남아있는 부산물들을 제거하기 위해 초 순수에 침지 시킨 후 초음파 세척을 3분 동안 실시하였다. 그 후 아세톤에 침지 시킨 상태로 3분 동안의 초음파 세척을 통해 웨이퍼 표면의 유 기용매를 제거한 후 웨이퍼 표면의 잔류 아세톤 제거를 위해 초음파를 이용한 초 순수 세척을 3분 동안 실시하였다. 다음으 로 웨이퍼 표면의 유기화합물 제거를 위해 5%의 DH표(Diluted hydro fluoric)용액에 1분 동안 침지 시킨 후 잔류하는 DHF용 액을 없애기 위해 초순수를 표면에 흐르게 하였다.
9)을 1시간동안 실시하였다. 그 후 표면에 잔류하고 있는 용액을 제거하기 위해 Human RO 180초 순수 제조기 (Human corporation, 5MQ, cm)를 이용해 만든 초 순수에 웨이퍼를 침지 시킨 후, 200W 급 초음파 세척 장치(KODO NXPC - 2010, 40kHz)를 이용해 3분 동안 세척한 후 웨이퍼 표면의 수분을 제거시키기 위해 데시게이터 안에서 건조 시켰다. 건조시킨 웨이퍼 표면에 실험 후 결과물 확인을 위해 Fig.
일반적으로 SPL실험의 산화물 생장률은 실험 시 환경 유지 및 기존의 공급되는 전류의 전압과 주파수의 변화에 따라 생성되는 산화물의 성장률 또한 변하는데 이와 마찬가지로 본 실험 결과 또한 외부에서 펄스공급기를 통해 공급되는 극초단파 펄스의 인가시간이 증가 될수록 생성되는 산화물의 폭과 높이도 증가됨을 확인 할 수가 있었다. 비접촉 SPL기법을 이용한 본 실험은 외부의 전원 공급기를 통해 극초단파 펄스를 실리콘 웨이퍼 표면에 공급한다. 이때 사용된 전류는 실리콘 표면에만 산화물을 생성하기 위해 한 쪽 방향으로만 흐르는 직류를 이용하였다.
3과 같이 자체 개발한 PCD(Poly crystal line diamond) 미세 공구⁽⁷⁾를 이용해 물리적 힘으로 가공하여 웨이퍼 표면에 사각형(30㎛ × 30㎛) 형상을 표시 하였다. 실험 부분이 표시된 웨이퍼를 가공 후에 남아있는 부산물들을 제거하기 위해 초 순수에 침지 시킨 후 초음파 세척을 3분 동안 실시하였다. 그 후 아세톤에 침지 시킨 상태로 3분 동안의 초음파 세척을 통해 웨이퍼 표면의 유 기용매를 제거한 후 웨이퍼 표면의 잔류 아세톤 제거를 위해 초음파를 이용한 초 순수 세척을 3분 동안 실시하였다.
실험 시 4개의 고정 된 가공 위치에서 1kHz, 8V의 동일 한전 기적 조건을 기준으로 실험을 실시하였다. AFM 내부 환경은 반응이 잘 일어날 수 있도록 습도 72 ~ 76%, 온도 30.
전기 화학적 반응이 작용하기 위해서는 펄스 인가 시 비접촉 상태에서 탐침과 비전도성인 단결정 실리콘 웨이퍼 표면 사이에 전류가 흐를 수 있도록 중간 매개물이 필요하므로 실험 시 일정 온도 및 습도를 유지하였다. 실험 시 NSC18 Ti-Pt 코팅 켄틸레버(Mikromasch, 3.5N/m, 75kHz)를 이용하여 PCD 공구로 표시했던 실험부분을 측정하여 실험 부분 표면을 확인후, 산화 반응이 일어날 수 있도록 AFM 내부에 적정 습도를 유지하였다. 적정 습도를 유지한 상태에서 탐침을 실리콘 웨이 퍼 샘플 표면으로 근접시키고 산화반응을 일으킬 위치에 이동 시킨 후 실리콘 웨이퍼 샘플의 표면에서 0.
이와 동시에 탐침은 일정 시간 동안 외부에서 공 급되는 극초단파 펄스에 의해 가공 부분에서 전기화학적 반응 이 발생되어 국부적인 산화 구조물을 생성시킨다. 실험 후 웨이퍼 표면의 결과물 확인을 위해 MMomasch사의 측정용 NSC36C 켄틸레버(0.95N/m, 105kHz)를 이용하여 실험 부분 측정을 실시하였다.
있다. 이 같은 결과와 마찬가지로 극초단파 펄스를 이용한단 결정 실리콘 웨이퍼 표면의 국부 산화가공 또한 비슷한 양상을 보이는지 확인하기 위해 일정 전압과 주파수 상에서 동일한 습도를 유지한 상태로 공급되는 펄스 인가시간을 조정함에 따라 변화되는 산화물을 측정해 보았다.
탐침에 인가 된 펄스는 단결정 실리콘 웨이퍼 표면을 흐르게 되고 실버페이스트와 샘플 디스크를 통해 스테이지에 있는 비전도성 샘플 홀더(Insulated sample holder)로 흐른 후 다시 고전압 리소그래피 프레 임 모듈과 만나게 된다. 이와 같이 공급되는 펄스의 흐름을 확 인하기 위하여 AFM 외부에 DSO1024A 오실로스코프(Agilent technologies, 200MHz, 2GSa/s)를 설치하였고, 전압 및 전류 의 측정을 위해 N2863 전압 프로브(Agilent technologies, 300V)와 CT - 2 전류 프로브(Tektronix, 1mV/mA, 50Q)를 사용하였다. 전기 화학적 반응이 작용하기 위해서는 펄스 인가 시 비접촉 상태에서 탐침과 비전도성인 단결정 실리콘 웨이퍼 표면 사이에 전류가 흐를 수 있도록 중간 매개물이 필요하므로 실험 시 일정 온도 및 습도를 유지하였다.
5N/m, 75kHz)를 이용하여 PCD 공구로 표시했던 실험부분을 측정하여 실험 부분 표면을 확인후, 산화 반응이 일어날 수 있도록 AFM 내부에 적정 습도를 유지하였다. 적정 습도를 유지한 상태에서 탐침을 실리콘 웨이 퍼 샘플 표면으로 근접시키고 산화반응을 일으킬 위치에 이동 시킨 후 실리콘 웨이퍼 샘플의 표면에서 0.1㎛의 일정한 간격 을 유지한 상태로 펄스 전원 공급기를 이용하여 극초단파 펄스 를 공급했다. 이와 동시에 탐침은 일정 시간 동안 외부에서 공 급되는 극초단파 펄스에 의해 가공 부분에서 전기화학적 반응 이 발생되어 국부적인 산화 구조물을 생성시킨다.

대상 데이터

본 실험은 SPM의 하나인 PSIA 사의 AFM(XE - 100)을 기반으로 하는 SPL실험이다. 기본적 원리로는 Fig.

성능/효과

(1) 펄스를 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 국부적 가공을 실시한 결과 비접촉 상태인 팁과 웨이퍼 사이에서 펄스 공급으로 인한 웨이퍼 표면 메니스커스의 전기분해를 통해가공 부분에 전기화학적 반응으로 나노단위의 산화 구조물 (SiO₂)이 생성됨을 확인 하였다.
(2) 본 실험의 주된 변수로는 인가되는 펄스의 인가시간 변화에 의한 실험으로써 최소 0.5㎲에서 최대 500㎲의 인가시간의 변동에 따른 실험결과 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 산화물의 높이 및 폭이 변화됨을 확인 할 수 있었다.
(3) 이를 통해 비접촉 SPL기법을 일정한 전압 및 주파수에서인가 시간 변경이 산화물의 성장률에 영향을 준다는 것을 알 수 있었고, SPM을 기반으로 초 정밀한 나노 단위의 가공 파라메터 확립 가능성을 확인 할 수 있었다.
6(a)의 경우 1kHz 동안 500㎲를 인가함으로 인해 펄스 점유율이 전체의 50% 를 차지하게 되어 입·출력 시간이 1:1의 비율로 오랜 시간 동안 펄스가 공급되지만 50㎲를 인가했을 경우 Fig. 6(b)과 같이 전체입 - 출력 시간에서 입력시간이 5% 점유율을 가지게 되어 500 ㎲비해 공급 시간이 상당히 짧다는 것을 알 수 있다. 5㎲와 0.
5㎲로 변화됨에 따라 생성 된 산화물의 폭 과 높이 또한 점차 변화되는 것을 확인 할 수 있었다. 1kHz 전체시간에서 펄스 공급시간이 50%의 펄스 점유율을 가지는 500㎲의 실험결과, 생성된 산화물은 높이 35.7nm에 폭이 300nm로 측정 되었고 5%의 펄스 점유율을 가지는 50㎲의 경우 높이 21.9nm에 폭이 210nm인 산화물이 생성되었지만 5㎲와 0.5㎲의 경우 1% 미만의 매우 미소한 펄스 점유율을 가지게 되고 폭이 115nm, 104nm에 높이가 6.5nm, 3.1nm인 산화물이 생성되었다. 이와 같이 500㎲와 50㎲의 경우 수십 나노미터의 높이를 가지는 산화물이 생성된 반면에 5 ㎲와 0.
5와 같이 4개의 가공 위치에서 나노단위의 미세한 산화물을 발견 할 수 있었다. 각 산화물들은 펄스의 인가시간이 500㎲에서 0.5㎲로 변화됨에 따라 생성 된 산화물의 폭 과 높이 또한 점차 변화되는 것을 확인 할 수 있었다. 1kHz 전체시간에서 펄스 공급시간이 50%의 펄스 점유율을 가지는 500㎲의 실험결과, 생성된 산화물은 높이 35.
5㎲ 경우 미세한 높이의 산화물을 확인 할 수 있었다. 일반적으로 SPL실험의 산화물 생장률은 실험 시 환경 유지 및 기존의 공급되는 전류의 전압과 주파수의 변화에 따라 생성되는 산화물의 성장률 또한 변하는데 이와 마찬가지로 본 실험 결과 또한 외부에서 펄스공급기를 통해 공급되는 극초단파 펄스의 인가시간이 증가 될수록 생성되는 산화물의 폭과 높이도 증가됨을 확인 할 수가 있었다. 비접촉 SPL기법을 이용한 본 실험은 외부의 전원 공급기를 통해 극초단파 펄스를 실리콘 웨이퍼 표면에 공급한다.

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