[논문]실리콘 웨이퍼 습식 식각장치 설계 및 공정개발

김재환; 이용일; 홍상진

실리콘 웨이퍼 습식 식각장치 설계 및 공정개발
Design of Single-wafer Wet Etching Bath for Silicon Wafer Etching 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.19 no.2, 2020년, pp.77 - 81

김재환 (명지대학교 전자공학과) , 이용일 (명지대학교 전자공학과) , 홍상진 (명지대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon wafer etching in micro electro mechanical systems (MEMS) fabrication is challenging to form 3-D structures. Well known Si-wet etch of silicon employs potassium hydroxide (KOH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and sodium hydroxide (NaOH). However, the existing silicon wet etching process has a fatal disadvantage that etching of the back side of the wafer is hard to avoid. In this study, a wet etching bath for 150 mm wafers was designed to prevent back-side etching of silicon wafer, and we demonstrated the optimized process recipe to have anisotropic wet etching of silicon wafer without any damage on the backside. We also presented the design of wet bath for 300 mm wafer processing as a promising process development.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 이유로 실리콘 습식 식각의 재현성 확보와 실리콘의 경도를 유지하기 위한 장치가 필요하다.본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하고자 실리콘 웨이퍼 습식 식각을 제어하기 위한 장치를 설계했다. 이를 토대로 시작품을 제작하여 실리콘 식각 공정 조건을 수립했다.
MEMS 장치의 제조에는 웨이퍼 전체에 패턴 균일성과 실리콘의 경도가 확보되는 이방성 식각이 필수로 요구된다. 본 연구는 이를 위해 150 mm 웨이퍼 후면 식각 방지 장치를 개발했다. 실험 결과 실리콘을 최대 깊이인 610 μm까지 안정적으로 식각되는 것을 확인했다.

제안 방법

본 연구에서는 개발한 장치를 이용하여 150 mm실리콘 웨이퍼에서 습식 식각 공정을 진행하였다. 개발한 장치는 MEMS 센서 생산성 향상과 실제 양산에서의 활용성을 고려하여 Fig. 11과 Fig. 12처럼 300 mm 웨이퍼에도 적용 가능하도록 설계 및 제작하였다. 또한, 본 장치를 적층형으로 구현한다면 향후 MEMS 공정에서 수율 및 안정성 측면에서 우수한 공정 결과를 가져올 것으로 보인다.
그래서 본 연구에서는 실리콘을 장시간 동안 균일하게 식각하기 위해 150 mm 웨이퍼용 장치를 아래와 같은 조건으로 Fig. 8과 같이 설계 및 제작했다.
본 연구에서는 개발한 장치를 이용하여 150 mm실리콘 웨이퍼에서 습식 식각 공정을 진행하였다. 개발한 장치는 MEMS 센서 생산성 향상과 실제 양산에서의 활용성을 고려하여 Fig.
실험을 진행했을 때, Fig. 6처럼 실리콘이 KOH와 정상반응하는 것을 현미경으로 관찰했다. 실험은 별도의 장치없이 실리콘을 식각했고, 그 결과 Fig.
위 수식을 이용하여 Fig. 2와 같이 온도와 농도에 따른 실리콘과 산화막의 식각률을 예측했다. 실리콘은 23 wt %, 산화막은 37 wt %의 농도에서 식각률이 가장 높았다.
실리콘은 23 wt %, 산화막은 37 wt %의 농도에서 식각률이 가장 높았다. 이를 기반으로 가장 합리적인 조건을 형성하기 위해 실리콘과 산화막의 선택비를 고려하였다. Fig.
본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하고자 실리콘 웨이퍼 습식 식각을 제어하기 위한 장치를 설계했다. 이를 토대로 시작품을 제작하여 실리콘 식각 공정 조건을 수립했다.
그리고 웨이퍼가 받는 스트레스를 감소시키기 위해 별도의 O-ring을 추가했다. 이에 더해 미세 누설 용액을 방지할 수 있는 홈을 설계했다.
이로 인해 웨이퍼 전체 두께가 얇아졌고, 실리콘의 경도가 감소했다. 이와 같은 현상을 방지하고 안정적인 습식 식각 공정을 진행하고자 실리콘 후방 식각 방지용 장치를 설계하고 제작했다.

대상 데이터

공정에는 150 mm 웨이퍼를 사용했으며 식각 두께는 610 μm를 목표로 했다.
산화막의 경우 PECVD에서 증착된 산화막은 열처리 산화막보다 막질 내에 존재하는 수소 성분이 많기 때문에 식각률이 약 2배 높다[9]. 따라서 본 연구에서는 실리콘과의 선택비가 우수하며 제거가 용이한 열처리 산화막을 하드마스크로 채택하였다.
8과 같이 설계 및 제작했다. 재질은 KOH에 내성을 갖는 polyether ether ketone (PEEK)를 사용했다. 용액의 누설을 방지하고자 웨이퍼 외곽에 O-ring을 배치했다.

성능/효과

실험 결과 실리콘을 최대 깊이인 610 μm까지 안정적으로 식각되는 것을 확인했다.
6처럼 실리콘이 KOH와 정상반응하는 것을 현미경으로 관찰했다. 실험은 별도의 장치없이 실리콘을 식각했고, 그 결과 Fig. 7처럼 웨이퍼 후면이 식각되는 현상을 확인했다. 이로 인해 웨이퍼 전체 두께가 얇아졌고, 실리콘의 경도가 감소했다.
위 결과, 개발한 장치를 사용한 KOH 습식 식각 공정을 통해 한 웨이퍼에서 다양한 MEMS용 구조를 형성할 수 있음을 확인했다.
전체 공정 프로세스는 Fig. 4와 같으며, 실험에 사용된 열처리 산화막의 두께는 reflectometer 로 측정했고 Fig. 5에서 보이는 것과 같이 평균적으로 1.2 μm임을 확인했다.

후속연구

실험 결과 실리콘을 최대 깊이인 610 μm까지 안정적으로 식각되는 것을 확인했다. 또한 다양한 웨이퍼 크기에 맞는 장치를 설계 및 제작할 수 있고 본 연구와 같은 공정 방법을 적용한다면 안정성 및 수율 향상에 큰 기여를 할 것으로 보인다.
12처럼 300 mm 웨이퍼에도 적용 가능하도록 설계 및 제작하였다. 또한, 본 장치를 적층형으로 구현한다면 향후 MEMS 공정에서 수율 및 안정성 측면에서 우수한 공정 결과를 가져올 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 비등방성 습식 식각에 사용되는 용액은 무엇인가?	MEMS 제조에 필요한 3차원 구조를 형성하기 위해 실리콘의 비등방성 식각이 요구되며 이 때 사용되는 습식 식각 공정에 고려되는 사항은 식각률, 종횡비, 비용, 환경 오염 등이 있다[1]. 실리콘 비등방성 습식 식각에 사용되는 용액은 potassium hydroxide (KOH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), sodium hydroxide (NaOH) 등이 있으나, KOH 는 편평도가 TMAH에 비해 우수하고 실리콘의 표면에만 반응하기 때문에 Fig. 1과 같이54.
	KOH의 특징은 무엇인가?	MEMS 제조에 필요한 3차원 구조를 형성하기 위해 실리콘의 비등방성 식각이 요구되며 이 때 사용되는 습식 식각 공정에 고려되는 사항은 식각률, 종횡비, 비용, 환경 오염 등이 있다[1]. 실리콘 비등방성 습식 식각에 사용되는 용액은 potassium hydroxide (KOH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), sodium hydroxide (NaOH) 등이 있으나, KOH 는 편평도가 TMAH에 비해 우수하고 실리콘의 표면에만 반응하기 때문에 Fig. 1과 같이54.74° 의 비등방성 식각 특성을 갖고 있으며 독성이 적은 특징이 있다[2-3]. KOH를 사용한 실리콘 비등방성 습식 식각은 압력 센서, 가속계, 광학 센서 등 전반적인 MEMS 장치 구조 형성 등에 사용된다[4-7].
	KOH 습식 식각의 단점은 무엇인가?	그러나 이와 같은 KOH 습식 식각은 4인치 웨이퍼에 국한되어 있고 실리콘의 후면 또한 식각을 피할 수 없다. 이로 인해 다양한 구조 형성이 어렵고 재현성 확보가 힘들다는 단점이 있다. 이와 같은 이유로 실리콘 습식 식각의 재현성 확보와 실리콘의 경도를 유지하기 위한 장치가 필요하다.

참고문헌 (11)

S. Noh and S. You, "Optimum Process Conditions for Supercritical Fluid and Co-solvents Process for the Etching, Rinsing and Drying of MEMS-wafers", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, No. 3, pp.41-46, 2007.
M. Yun, “Investigation of KOH Anisotropic Etching for the Fabrication of Sharp Tips in Silicon-on-Insulator (SOI) Material,” Journal of the Koran Physical Society, Vol. 37, No. 5, pp. 605-610, 2000.
K. Biswas and S. Kal, "Etch Characteristics of KOH, TMAH and Dual Doper TMAH for Bulk Micromachining of Silicon," Journal of Microelectronics, Vol. 37, pp. 519-525, 2006
R. Bhandari, S. Negi, L. Rieth and F. Solzbacher, "A Wafer-scale Etching Technique for High Aspect Ratio Implantable MEMS Structures," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 162, No.1, pp. 130-136, 2010.

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S. Dutta, R. Pal, P. Kumar, O.P. Hooda, J. Singh, Shaveta, G. Saxena, P. Datta and R. Chatterjee, “Fabrication Challenges for Realization of Wet Etching Based Comb Type Capacitive Microaccelerometer Structure,” Sensors & Transducers, Vol. 111, No. 12, pp. 18-24, 2009.
D. Lee, K. Yu, U. Krishnamoorthy and O. Solgaard, "Vertical Mirror Fabrication Combining KOH Etch and DRIE of (110) Silicon", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 18, No. 1, pp.217-227, 2008.
H. Ni, H. Lee and A. G. Ramirez. "A Robust Two-step Etching Process for Large-scale Microfabricated $SiO_2$ and $Si_3N_4$ MEMS Membranes," Sensors and Actuators A: Physical 119.2 (2005): 553-558.

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C. Yang, P. Chen, C. Yang, Y, Chiou and R. Lee, “Effects of Various Ion-typed Surfactants on Silicon Anisotropic Etching Properties in KOH and TMAH Solutions,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 119, No. 1, pp. 271-281, 2005.

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K.R. Wiliams "Etch Rate for Micromachining Processing-Part II", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 6, pp. 761-778, 2003.
D.L. Kendall and R.A. Shoultz, "Wet Chemical Etching of Silicon and $SiO_2$ , and Ten Challenges for Micromachiners," Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication, Volume 2: Micromachining and Microfabrication, pp. 43-89, 1997.
Y. Ahn, H. Kim, K. Koo and J. Cho, "Etching Method of Thin Film on the Backside of Wafer Using Single Wafer Processing Tool", Journal of the Semiconductor & Display Equipment Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 47-49, 2006.

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