KR100238999B1 - 반도체의 마이크로머시닝방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘(110)웨이퍼를 KOH 용액에 의한 이방성 웨트에칭에 있어서 좁은 갭부가 비교적 넓은 갭부와 지장없이 동시에 관통 에칭할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
실리콘(110)웨이퍼에 (111)면에서 대향하는 갭부가 폭10㎛이하의 좁은 갭부와 그것 보다 넓은 갭부를 이방성에칭에 의해 형성하는데 있어서,
에칭용액으로서 KOH 농도 35% 이하의 에칭용액을 사용하고, 상기 (111)면에서 대향하는 갭부가 폭 10㎛ 이하의 좁은 갭부와 그것 보다 넓은 갭부를 동시에 관통에칭하는 것을 특징으로 하는 반도체의 마이크로머시닝방법이다.

Description

반도체의 마이크로머시닝방법
본 발명은 반도체의 마이크로머시닝방법, 특히 가속도센서와같이 내부 전극부가 좁은 갭부와 비교적 넓은 갭부를 가지며, 그 갭을 관통에칭으로 소자구조의 열화없이 실시할 수 있는 실리콘(110)웨이퍼의 이방성 에칭방법에 관한 것이다.
최근, 반도체의 벌크 마이크로머시닝과 표면 마이크로머시닝을 이용한 가속도 센서의 기술 개발이 활발화되고 있다.
자동차의 인텔리전트화에 따라, 자세제어, 브레이크제어와 에어백시스템에 알맞는 가속 센서의 대폭적인 수요증가가 예상 되어, 반도체 베이스의 마이크로 머시닝 기술에 의해, 소형의 저비용인 센서를 대량으로 생산 가능하게 되어가고 있기 때문이다.
그 중에서도, 용량 검출형의 가속도센서는 센서 구조가 비교적 단순하고 온도 의존성이 적고, 센서의 자기진단이 정전력에 의해서 간단히 행할 수 있다고 하는 이점도 있고 수많은 연구개발이 행하여지고 있는, 특히 최근의 경향으로서는, 서피스마이크로머시닝에 의한 센서의 구조체와 검출회로 IC를 일체로 형성한 모놀리식형 가속도센서의 연구가 활발화하고 있다.
그래서, 본 발명자는 비교적 요소기술이 갖추워진 벌크 마이크로머시닝 기술을 이용하고, 실리콘(110)웨이퍼의 이방성 에칭 특성에 의해, 도 1에 표시하는 글라스층10- 실리콘 웨이퍼층20-글라스층30의 3층구조로 내부전극이 완전밀봉된 용량형 가속도센서 1를 시험제작 하려고 했다.
즉, 실리콘 웨이퍼층20에는 가동전극21과, 그 양측에 위치하는 고정전극22,23과, 가동전극21를 지지하는 들보24와, 앵커부25,25와, 엘리먼트를 밀봉구조로 하기 위한 보조지지부26으로 구성되며 가동 전극21의 화살표 방향의 변위를 도시하지않은 신호검출회로를 통해서 검출하여, 가동전극의 변위에 비례한 전압출력를 얻을 수 있게 되어 있다.
이 센서의 시작제작 에서는 내부 전극부를 형성하는 (110)면 실리콘 웨이퍼를 KOH 용액에 의해 이방성웨트에칭을 행하나, (110)면에 수직한 에칭홈의 벽면이 되는 (111)면의 에칭레이트가(110)면의 그것에 비교해서 약1/100이하로 작기 때문에, 이 특성을 이용하면 (111)면에서 대향하는 하이 애스펙트한 좁은갭 전극을 비교적 용이하게 형성하는 것이 가능하다.
이런 종류의 방법으로서 일본 특개소 53-3081호 및 특개평7-201806호에 표시하는 이방성에칭이 제안되어 있다.
그렇지만, 가속도센서 1에 있어서는 도 2에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 표면인 (110)면에 이방성 에칭에 의해 좁은 갭부Gs와 그것 보다 넓은 개구부GL를 작성하는 경우, 통상(111)면 방위의 에칭레이트가 다른 면방위에 비교하여 낮기 때문에, 좁은 갭부 Gs의 저면의 (110)면과, 그것에 직각인 (111)벽면과, (110)면에 대하여 35.3도의 각도를 갖은 사면이 나타나지만, KOH 에칭액의 농도에 의해서는 (311)면이 되는 하이인덱스인 면이 나타나, 이 에칭레이트가 웨이퍼의 관통에칭을 행하는 경우 및 좁은 갭부Gs의 홈부 형성에 있어서 지장이 되는 일을 발견 하였다.
그래서, 본 발명은 실리콘(110)웨이퍼를 KOH 용액에 의한 이방성 웨트에칭에 있어서, 좁은 좁은 갭부Gs와 비교적 넓은 갭부인 개구부 GL가 지장 없이 관통 에칭할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 실리콘(110)웨이퍼에 (111)면에서 대향하는 갭부가 폭 10㎛ 이하의 좁은 갭부와 그것보다 넓은 갭부를 이방성에칭에 의해 형성하는데 있어서, 에칭용액으로서 KOH 농도 35 중량 % 이하의 에칭용액을 사용하여, 상기 실리콘(110)웨이퍼에 관한 R(311)를 R(110)에 대하여,
R(311) ≤ R(110)Cosθ(1)
(단, R(110)은 (110)면의 에칭레이트, R(311)은 (311)면의 에칭레이트, θ는 (110)면과(311)면으로 구성하는 각도)로 설정하는 공정과, 상기 (111)면에서 대향하는 갭부가 폭 10㎛ 이하의 좁은 갭부와 그것 보다 넓은 갭부를 동시에 관통에칭하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체의 마이크로머시닝 방법 이다.
또, 본 발명에 의하면 상기 에칭용액의 KOH 농도가 약 25∼35 중량 %인 것을 특징으로하는 반도체의 마이크로머시닝 방법이다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 실리콘(110)웨이퍼가 글라스층-실리콘 웨이퍼층-글라스층의 3층 스택구조를 이루는 용량검출형 가속도센서의 내부전극부이고 전극간이 폭5㎛이하, 애스펙트비 20 이상의 좁은 갭부에서 구분되는 영역을 가지는 가속도 센서의 제조에 알맞는 것이다.
도 1은 본 발명을 사용하여 제작한 용량검출형 가속도센서의 구조를 표시하며,
(a)는 그 평면도,
(b)는 그 A-A선 단면도.
도 2는 본 발명의 좁은 갭부와 개구부의 실리콘(110)웨이퍼의 KOH 농도(30∼45 중량 %)에 대한 에칭특성을 표시하는 단면도.
도 3은 KOH 농도와 각(110)면 및 (311)면의 에칭레이트와의 관계를 표시하는 그래프.
도 4는 본 발명 방법을 사용한 용량검출형 가속도센서의 제조공정도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명
1 : 가속도 센서10,30 : 글라스층
20 : 내부 전극부Gs : 좁은 갭부
GL:개구부
＜발명의실시의형태＞
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 설명한다.
실리콘(110)웨이퍼를 KOH 용액에 의한 이방성웨트에칭에 하는데 있어서, 각종 KOH 농도에서의 에칭상태를 관찰했다.
즉, 실리콘(110)웨이퍼를 마이크로머시닝하는데 있어서, KOH의 농도를 30 중량 %∼ 45 중량 %까지 변화시켰을 때에, 각각의 농도에서의 (110)면 웨이퍼의 에칭 상태를 좁은 갭부(10㎛폭)과 갭이 대단히 큰 경우(개구부)에 대해서, 웨이퍼 단면측에서 관찰한 결과, 도 2에 표시하는 결과를 얻을 수 있었다.
도 2(a)∼(e)는 KOH 농도: 30 중량 %, 35 중량 %, 37.5 중량 %, 40 중량 %, 45 중량 % 에 있어서의 실리콘 웨이퍼의 좁은 갭부Gs와 개구부GL의 에칭형태를 표시하는 단면도이다. 즉,
(1) KOH 농도가 30 중량 %으로서는 좁은 갭부Gs와 개구부GL(넓은 갭부)와 거의 동일한 속도로(110)면의 에칭이 진행하고 있는 것을 알 수 있다 (도 2(a)참조).
(2) 그러나, 35 중량 % 에서는 (311)면이 발생하기 시작한다 (도 2(b)참조)
(3) KOH 농도가 35 중량 %을 넘는 경우, 즉 37.5 중량 % 및 40 중량 %, 45 중량%에서는 좁은 갭인 영역은 (311)면의 에칭레이트에서 홈의 깊이가 규정된다(도 2(c)∼(e)참조).
(4) 개구부에서는 (311)면이 생기나, 홈의 깊이는(110)면의 에칭레이트로 규정되는 것을 알수 있다 (도 2(c)∼(e)참조).
에칭시간과 깊이 치수의 측정에 의해, (110)면 및 (311)면의 에칭레이트를 산출하고, KOH 농도에 대하여 정리하여, 도시하면, 도 3에 표시하는 바와같다.
(110)면에서의 에칭레이트R(110)은 어느 KOH 농도에 있어서도 (311)면에서의 에칭레이트R(311)를 상회하고 있지만, 농도가 낮게 됨에 따라서 에칭레이트는 가까워 지게되는 것이다.
따라서, (311)면이 생기는 한계는 다음과 같다.
R(311) ≤ R(110) Cosθ(1)
단, θ:(110)면과 (311)면으로 구성하는 각도(26.6°)에서 등식이 성립하는 KOH 농도는, KOH 30 중량 %과 35 중량 %의 사이에 위치한다.
이상의 사실에서 도 1에서의 좁은 갭부 및 보조 지지부와 고정전극간의 비교적 넓은 갭부(개구부)의 관통에칭에 있어서, (311)면과 (110)면의 에칭레이트의 차에 기인한 관통시간의 대폭적인 차이는 KOH 약 35 중량 % 이하를 사용함으로써 방지하는 것이 가능해진다.
그 결과, 관통시간의 차이에 기인한 사이드 에칭에 의해 소자구조의 열화를 최저한도로 억제하는 것이 가능해진다.
또한, KOH 농도 35 중량 % 이하의 에칭용액을 사용하는 것에 의해, 관통시간의 차이에 기인한 사이드 에칭에 의해 소자 구조의 열화를 최저한도로 억제할 수 있지만, 25 중량 % 미만으로서는 에칭레이트에 변동이 생겨 정도 좋은 에칭이 불가능하게 된다.
따라서, 상기 에칭용액의 KOH 농도가 25∼35 중량 %로 하는 것이 좋으며 60℃의 에칭용액 온도에서는 30 중량 % 전후가 가장 바람직하다.
다음에, 도 1에 표시하는 용량검출형 가속도센서를 도 4에 표시하는 공정으로 제조한다.
이 가속도 센서1은 글라스층10-실리콘 웨이퍼층20-글라스층30의 3층스택구조로, 도 1(a)에 표시하는 바와같이, 중간에 위치하는 실리콘 웨이퍼층20은 내부 전극부로서 형성되고, 가동전극(질량체)21과, 그 양사이드에 위치하는 고정전극22,23, 상기 질량체를 지시하는 들보 24,24와 그것에 연속하는 앵커부25, 이들의 엘리먼트를 밀봉구조로 하기 위한 보조지시부26으로 구성되어 가속도 검출은 도면중 화살표로 표시하는 웨이퍼면내 방향의 일축(一軸)으로 되어 있다.
또한, 27은 전극패드이다.
우선, 여기서는 디바이스웨이퍼층20로해서 p형(110)디바이스웨이퍼를 사용하여 면내의(111)방향을 KOH에 의한 에칭을 실시하고 0.1도의 각도 정도로 측정해 둔다.
다음에, 열산화를 실시하여(도 4a), 표면에 SiO2막 20a를 형성한다.
이면산화막20a를 패터닝후, KOH 에칭용액으로써 이방성에칭을 하여 중앙이 넓은 홈20b와 그 양측의 좁은 홈20c를 형성하고 재차 열산화을 한다(도 4b 참조).
그리고, 디바이스웨이퍼20과 글라스층(파이렉스글라스제)10을 양극 접합한다.
그 후, 스패터링과 리프트오프법으로써 전극패드27를 형성하여 센서 구조체 형성을 위한 산화막패터닝을 RIE(Reactive Ion etching)으로써 행한다(도 4c 참조).
다음에, 30 중량 % KOH 에칭용액으로써 이방성 에칭을 한다 (도 4d 참조).
이 때, 최소의 초기전극갭은 2㎛이기 때문에 좁은갭 영역의 에칭레이트개선에 표면장력저감을 목적으로하여 계면활성제를 첨가하여, 초음파 인가에 의한 에칭을 한다.
얻어지는 좁은 갭 Gs는 폭 5㎛이하, 애스펙트비20 이상으로 거의 25이었다.
이 단계에서 가속도 센서의 구조가 완성한다.
그 후, 산화막을 BHF(Buffered Hydro F1uoride)로써 제거하여 질량체가 릴리스된다.
한편, 센서 엘리먼트의 검출부 밀폐용에, 상부 파이렉스글라스30을 준비하여 가동전극21에 대응하는 영역에 凹부31를, 전극패드27에 대응하는 영역에 관통구멍32을 초음파가공에 의해 설치한다.
그 후, 이 상부파이렉스글라스30과 디바이스웨이퍼20은 얼라인먼트되어 양극(陽極)접합된다 (도 4e 참조).
이상의 설명으로 분명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 실리콘(110)웨이퍼에 대한 이방성에칭에 의해, 좁은 갭부와 넓은 갭부(개구부)를 동시에 관통에칭할 수 있기 때문에, (311)면과(110)면의 에칭레이트의 차에 기인한 관통시간의 대폭적인 차이에 기인한 사이드 에칭을 방지하고 소자구조의 열화를 최저한도로 억제하여 반도체의 마이크로머시닝이 가능해진다.
특히, 바람직한 구체예에 의하면, 폭10㎛이하, 바람직하게는 5㎛ 이하로, 하이애스펙트비, 바람직하게는 애스펙트비20 이상의 좁은 갭과 그것보다 넓은 갭의 개구부를 동시에 관통에칭할 수 있기 때문에, 좁은 갭과 넓은 갭의 개구부를 가지는 용량검출형 가속도센서가 마이크로머시닝기술에 의한 제조가 가능해진다.
또, 에칭용액의 KOH 농도가 25∼35 중량 % 로 하므로 에칭레이트에 격차가 생기지 않고 정도 좋은 관통에칭이 가능해진다.

Claims (3)

  1. 실리콘(110)웨이퍼에 (111)면에서 대향하는 갭부가 폭10㎛이하의 좁은 갭부와 그것보다 넓은 갭부를 이방성에칭에 의해 형성하는 방법에 있어서,
    에칭용액으로서 KOH 농도 35% 이하의 에칭용액을 사용하여 상기 실리콘(110)웨이퍼에 대하여 R(311)를 R(110)에 대하여,
    R(311) ≤ R(110) Cos θ(1)
    (단, R(110)은 (110)면의 에칭레이트, R(311)은 (311)면의 에칭레이트, θ는(110)면과(311)면으로 구성하는 각도)로 설정하는 공정과,
    상기 (111)면에서 대향하는 갭부가 폭10㎛이하의 좁은 갭부와 그것보다 넓은 갭부를 동시에 관통 에칭하는 공정으로 되는 것을 특징으로 하는 반도체의 마이크로머시닝방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭용액의 KOH 농도가 약25∼35 중량 % 인 것을 특징으로 하는 반도체의 마이크로머시닝방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘(110)웨이퍼가 글라스-실리콘-글라스의 3층 스택 구조를 이룬 용량 검출형 가속도 센서의 내부전극부이고, 전극간이 폭 5㎛ 이하, 애스펙트비 20 이상의 좁은 갭부로 구분되는 영역을 가지는 것을 특징으로하는 뱐도체의 마이크로머시닝 방법.
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