KR0151935B1 - 기계적 가공과 화학적 에칭가공을 조합한 실리콘 웨이퍼의 패턴가공 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초정밀 미세 가공기술의 하나로서 기존의 여러 가공기술과는 달리 마스킹을 하지 않고 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 폭과 깊이 각각 수 ㎛의 치수를 갖는 3차원적 입체 패턴을 가공할 수 있는 기술에 대한 것이다. 마스킹을 사용하지 않음으로써 초기 투자비용이 적게 소요되며 다품종 소량생산에 유리하다는 등의 장점을 가지고 있다.
이는 단결정 재질의 전위이론 (dislocation theory) 에 대한 연구결과를 기반으로 한 것이다 즉, 단결정 재질에 존재하는 격자결함을 찾아 내기 위한 방법으로서 에칭을 행할 경우, 결함이 있는 위치에 힐록 (hillock)이나 피팅 (pitting)이 생기는 것을 알 수 있는데, 이러한 격자결함을 원하는 위치에 인위적으로 유발시킴으로써 원하는 패턴을 가공한다. 1차적으로 미세한 날끝반경을 지니는 기계적 공구 (다이아몬드와 같이 단결정 실리콘 보다 경도가 더 큰 재질) 로써 원하는 형상의 패턴을 단결정 재료에 가공하고 이때 패턴을 따라 발생되는 전위결함을 이용하여 재료를 선택적으로 에칭하여 3차원적 입체 구조를 가공하는 것이다.
가공된 3차원적 입체 패턴은 마이크로 기계요소에서 사용되는 유체채널 또는 광케이블의 가이드, 마이크로 커넥터 등, 미세기전시스템 (MEMS) 의 제작분야에 폭넓게 이용될 수 있으리라 생각된다.
Description
제1도는 기계적 가공중에 공구와 단결정 실리콘 웨이퍼의 접촉상태를 나타내는 개략도.
제2도는 단결정 다이아몬드 공구로 기계적 패턴가공을 하고, 저어주기 (stirring)를 하지 않은 상태에서 수산화칼륨 (KOH) 수용액으로 에칭한 경우에 가공된 (100) 결정면의 단결정 실리콘 웨이퍼의 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 단결정 실리콘 웨이퍼
2 : 날끝이 반경 R의 구형인 단결정 다이아몬드 공구
본 발명은 단결정 실리콘 웨이퍼를 재료로하여 3차원적 입체형상을 지니는 미세팬턴을 가공하는 것으로서 이는 단결정 재질의 전위이론 (dislocation theory) 에 대한 연구결과를 기반으로 한 것이다. 전위이론이란 단결정 재질에 국부적인 힘이 가해질 때, 그 힘이 가해진 부분의 결정격자 배열이 흐트러지는 것을 일컫는 말로서 일종의 결정격자 결함이라고 할 수 있다. 전위가 발생한 부분의 표면은 다른 부분보다 더 높은 표면에너지를 지니게 되며 단결정 재질에 존재하는 격자결함을 찾아 내기 위한 방법으로서 에칭을 행할 경우, 결함이 있는 위치에 힐록 (hillock, 에칭의 진행과 더불어 표면에 나타나는 돌출부) 이나 피팅 (pitting, 에칭의 진행과 더불어 표면에 나타나는 함몰부) 이 생기는 것을 알 수 있는데, 이러한 격자결함을 원하는 위치에 인위적으로 유발시킴으로써 원하는 패턴을 가공하려 한다. 1차적으로 미세한 날끝반경을 지니며 다이아몬드와 같이 단결정 실리콘 보다 경도가 더 큰 재질의 기계적 공구로써 원하는 형상의 패턴을 단결정 재료에 가공하고 이때 패턴을 따라 발생되는 전위결함을 이용하여 재료를 선택적으로 에칭하여 3차원적 입체 구조를 가공하는 것이다. 여기서 선택적 에칭이라 함은 기계적으로 가공된 패턴부분만을 에칭하여 함몰된 형태의 패턴을 얻는다거나 또는 패턴이 아닌 부분만을 에칭하여 돌출된 패턴을 얻는다는 것을 의미하는 것이다. 또한 이 가공법의 가장 큰 특징은 3차원적 입체 패턴이 1차적인 기계가공에 의해서 나타나는 것이 아니라 2차적인 에칭가공에 의한 것이라는 점이며 실제로 기계가공만 한 상태에서는 실리콘 웨이퍼 표면에 현저한 가공흔적을 찾을 수 없다.
1차적인 기계가공시의 공구와 공작물의 개략적인 상황이 제1도에 도시되어 있다. 날끝반경이 수 ㎛인 구형의 다이아몬드 공구 (2)를 사용하여 수직방향으로 0.3g ~ 10g정도의 하중을 가하여 실리콘 웨이퍼 (1)위에 원하는 패턴을 가공하는데, 이때 공구와 공작물의 접촉부의 크기에 의해 기계적 및 화학적 조합가공에 의한 실제 가공폭이 결정된다. 이에 대한 대략적인 예측을 위해 접촉부를 정적인 압입의 경우와 비슷하다고 가정하여 기존의 경도시험 결과로부터 그 가공폭을 계산하였는데 거의 실험치와 일치하는 것을 알 수 있었다. 즉 제1도에서 공구에 가해지는 하중을 N (gf)이라 하고 단결정 실리콘의 비커스 경도를 HV라 하면 가공폭 w는 다음과 같은 식으로 계산된다.
예를들면 단결정 실리콘의 비커스 경도를 약 800이라 하고 공구에 가하는 하중을 10 gf로 하면 계산 되는 가공폭 w는 약 4㎛가 된다.
미세가공기 (정밀이송 X-Y 테이블을 이용하여 제작)를 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 일정한 패턴을 기계적으로 가공한 후에 화학적인 에칭가공을 한다. 실리콘의 습식에칭에 사용되는 에칭액은 여러 가지가 있으나 여기서는 이방성 에칭특성이 현저한 수산화칼륨 (KOH)용액과 실리콘의 등방성에칭이 가능한 불산 혼합용액 (HF, HNO3, CH3COOH 의 혼합용액)을 사용하였다. 위에서 말하는 이방성 에칭특성이란 단결정 재질의 에칭시에 나타나는 현상으로서 결정면 방향에 따라서 에칭 진행속도가 다른 것을 일컫는 말이다. 즉 수산화칼륨 용액을 사용하여 단결정 실리콘 웨이퍼를 에칭할 경우 (110) 결정면의 에칭속도가 가장 빠르며, (111) 결정면이 에칭속도가 가장 느린 것을 알 수 있는데, 그 결과 에칭에 의한 패턴의 단면은 특정한 형상을 지니게 된다. 또한 불산 혼합용액과 같이 등방성 에칭특성을 나타내는 에칭액은 단결정 실리콘 웨이퍼의 여러 결정면에 대해 동일한 에칭속도를 나타내므로 에칭에 의한 패턴의 단면은 원호의 형상을 나타낸다.
(100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 에칭액으로 수산화칼륨 용액을 사용하고 저어주기(stirring) 를 하지 않은 경우에는 기계적인 가공부에 존재하는 전위 (dislocation)에 의해 힐록 (hillock)이 발생하여 돌출된 패턴을 얻었으며, 초음파 진동을 이용하여 저어주기 (ultrasonic stirring)를 한 경우에는 기계적 가공부에 피팅 (pitting)이 발생하여 홈이진 패턴이 가공되었다. 또한 에칭액으로 불산 혼합용액을 사용한 경우에는 홈이진 패턴이 가공되었다.
※ 실제의 가공예
① (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 날끝반경 10㎛인 단결정 다이아몬드 공구에 하중 5gf를 가하여 패턴을 가공하고, 중량비 10% 수산화칼륨 수용액을 사용하여 50℃의 온도에서 1분 30초간 에칭한 경우
- 저어주기 (stirring)를 하지 않음
: 제2도와 같이 단면형상이 사다리꼴인 돌출된 패턴이 가공되었다. 제2도에서 패턴의 윗 폭에 해당하는 w는 약 2㎛이고 패턴의 높이 d는 약 0.17㎛였다.
② (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 날끝반경 10㎛인 단결정 다이아몬드 공구에 하중 5gf를 가하여 패턴을 가공하고, 중량비 10% 수산화칼륨 수용액을 사용하여 50℃의 온도에서 12분간 에칭한 경우
- 저어주기 (stirring)를 하지 않음
: 제2도와 같이 단면형상이 사다리꼴인 돌출된 패턴이 가공되었다. 제2도에서 패턴의 윗 폭에 해당하는 w는 약 2㎛이고 패턴의 높이 d는 약 1.5㎛였다.
③ (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 날끝반경 10㎛인 단결정 다이아몬드 공구에 하중 5gf를 가하여 패턴을 가공하고, 중량비 10% 수산화칼륨 수용액을 사용하여 50℃의 온도에서 10분간 에칭한 경우
- 초음파 진동을 이용하여 저어주기 (stirring)를 함
: 피팅에 의해 홈이진 패턴이 가공되었다.
④ (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 날끝반경 10㎛인 단결정 다이아몬드 공구에 하중 5gf를 가하여 패턴을 가공하고, 불산 (HF) 10 ml, 질산 (HNO3) 30ml , 초산 (CH3COOH) 80ml를 혼합한 용액으로 28℃의 온도에서 20초간 에칭한 경우
- 저어주기 (stirring)를 하지 않음
: 폭이 약 3㎛, 깊이가 약 0.1㎛인 홈이진 패턴이 가공되었다.
결론적으로 가공에 의한 패턴의 폭은 제1도에 나타난 바와 같이 1차적인 기계적 가공시에 다이아몬드공구와 실리콘 웨이퍼 사이의 접촉부의 크기에 관련됨을 알 수 있었으며, 특히 (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 2차적인 화학적 에칭가공시에 중량비 10%, 50℃의 수산화칼륨 수용액을 사용하고 저어주기 (stirring)를 하지 않은 경우에는 제2도와 같이 단면이 사다리꼴 형태인 돌출 패턴이 가공되었고 에칭시간과 가공된 패턴의 높이 d가 거의 비례하는 것을 알 수 있었다. 그리고 제2도의 돌출패턴의 측면이 수평방향과 54.7°의 각도를 이루고 있는 것은 수산화칼륨 용액에 의한 실리콘 웨이퍼의 이방성 에칭에 의한 것이다. 또한 수산화칼륨 용액을 사용한 경우라 하더라도 초음파 진동을 이용하여 저어주기를 한 경우, 또는 불산 (HF) 10 ml, 질산 (HNO3) 30 ml, 초산 (CH3COOH) 80ml를 혼합한 용액으로 28℃의 온도에서 에칭한 경우에는 홈이 진 패턴이 가공되는 것을 알 수 있었다.
본 발명은 1차적인 기계가공과 2차적인 화학적 에칭가공을 통해 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 폭과 깊이 각각 수 ㎛의 3차원적 입체 패턴을 가공할 수 있는 새로운 가공기술에 대한 것으로서, 반도체 제조기술 (photolithography 기술)을 응용해 왔던 기존의 여러 실리콘 관련 가공기술과는 큰 차이점을 가지고 있다. 즉 마스킹 공정을 사용하지 않는다는 점에서 초기 투자비용이 저렴하며, 기계가공시에 공구를 CAD, CAM시스템을 이용하여 이송하므로써 임의의 패턴의 가공이 가능하기 때문에 다품종 소량생산에 유리하다고 할 수 있다.
가공된 2차원적 입체 패턴은 마이크로 기계요소에서 사용되는 유체채널 또는 광케이블의 가이드, 마이크로 커넥터 등, 미세기전시스템 (MEMS) 의 제작분야에 폭넓게 이용될 수 있으리라 생각된다.
최근 기계공학, 광학, 항공공학, 반도체 제조기술 및, 전기전자 분야를 중심으로 정밀가공의 발전이 가속화되면서 새로운 초정밀 가공관련 기술의 개발에 대한 관심이 고조되고 있다. 초정밀 가공에 관련된 기술은 나노미터 이하의 표면조도, 치수정도를 목표로하는 거시적 개념의 가공을 위한 기술과 (선삭, 연삭, 폴리싱, 래핑과 같은), 가공된 제품 자체의 치수가 마이크로미터의 오더를 갖는 3차원 또는 2차원 구조의 가공을 위한 기술로 나누어 볼수 있다. 특히 후자의 경우는 반도체 제조기술을 근간으로하여 많은 진척이 있는 것으로 알려지고 있으며, 현재 반도체디바이스 생산에 이용되고 있는 실리콘 웨이퍼에 대한 가공은 수십-수백 나노미터 폭의 패턴 가공이 가능한 상황에 이르고 있다. 또한 근래에 독일에서 새로이 개발된 가공기술로서 X-선 lithography, electroplating, molding, casting 등의 공정을 차례로 적용하는 LIGA technique을 이용하여 복잡한 3차원적 형상을 지닌 마이크로 기계요소의 생산이 가능하게 되었다. 그러나 이와같은 방법들은 공통적으로 마스킹공정 (주로 사진기술을 이용한 것으로서 피공작물의 표면에 가공하려는 형상의 마스칸트를 입히는 공정)을 필요로하여 초기 투자비용이 많이 필요하고 다품종 소량생산에 불리하다는 등의 단점을 가지고 있으며 새로운 마이크로 가공기술에 대한 연구개발이 계속적으로 요구되어지고 있는 상황이다. 본 발명은 초정밀 미세 가공기술의 하나로서 기존의 여러 가공기술과는 달리 마스킹을 하지 않고 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 3차원적 입체 패턴을 가공할수 있는 기술에 대한 것이다.
Claims (3)
- 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 미세한 3차원적 입체 패턴을 가공함에 있어서 1차적으로 날끝반경이 수 ㎛인 구형 다이아몬드 공구를 사용하여 수 gf의 하중으로 패턴을 가공한 뒤, 선택적인 에칭가공을 함으로써, 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 임의의 패턴을 가공할 수 있는 마이크로 가공기술.
- 제1항에 있어서 (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 에칭액으로 10%, 50℃의 수산화 칼륨 수용액을 사용하고 저어주기 (stirring)를 하지 않은 경우에 가공된, 단면이 사다리꼴 형태인 돌출패턴(제2도).
- 제1항에 있어서 (100) 결정면의 실리콘 웨이퍼에 대해 에칭액으로 10%, 50℃의 수산화 칼륨 수용액을 사용하고 저어주기 (stirring)를 한 경우, 그리고 에칭액으로 불산 혼합용액을 사용한 경우에 가공된 홈이진 패턴.
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