KR100408761B1 - Fabrication Method for (100) directional GaAs beam with rectangular cross-section - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔 제조 방법에 관한 것으로서, (001) GaAs 기판을 이용하여, <100> 방향 경계선을 가지는 식각 마스크를 패터닝하는 단계(a); 습식 식각 또는 건식 식각을 수행하여 구조물의 벽면에 수직하게 단차진 구조를 생성하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 제작된 구조물의 벽면 보호막을 생성하는 단계(c); 및 상기 단계(c)에서 벽면 보호막이 생성된 구조물을 습식 식각을 통하여 <100> 방향 빔을 부유시키는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 방법에 의하면, 초기 식각마스크 패턴의 폭, 식각 공정에서의 식각 깊이 등을 조정하여, 제조되는 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔의 수치를 조절할 수 있으므로, 몸체미세가공 기술을 이용하여 제작할 수 있는 GaAs의 구조물의 적용 범위를 넓힐 수 있는 효과가 있다. 특별히, 본 발명에 의한 방법에 의하면, GaAs 미세 구조물의 기본이 되는 외팔보 및 양단지지보를 구성할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a <100> directional GaAs beam having a rectangular cross section, comprising: patterning an etch mask having a <100> directional boundary using a (001) GaAs substrate; Performing wet or dry etching to generate a stepped structure perpendicular to the wall surface of the structure (b); (C) generating a wall protective film of the structure fabricated in the step (b); And (d) floating the <100> direction beam by wet etching the structure in which the wall protective film is generated in the step (c). According to the method according to the present invention, by adjusting the width of the initial etching mask pattern, the etching depth in the etching process, and the like, the numerical value of the <100> direction GaAs beam having a rectangular cross section to be manufactured can be adjusted. There is an effect that can extend the application range of the structure of GaAs that can be manufactured using. In particular, according to the method according to the present invention, there is an advantage that can be configured cantilever beam and both ends supporting the base of the GaAs microstructure.
Description
본 발명은, 반도체 공정에 관한 것으로서, 구체적으로는 GaAs 기판의 습식 식각 특성을 이용하여, 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor process, and more particularly, to a method for manufacturing a <100> directional GaAs beam having a rectangular cross section using wet etching characteristics of a GaAs substrate.
GaAs는 빠른 전자 이동 속도, 준부도체 상태의 높은 저항도, 넓은 직접 천이, 우수한 열적 안정성 등 실리콘에 비하여 독특한 장점을 가진다. GaAs 반도체는 빠른 전자 이동 속도의 특성으로 인하여 수십 GHz 영역의 고주파 대역에서 동작하는 고속 집적회로의 제작에 이용되고 있다. 또한, GaAs는 넓은 직접 천이 특성이있어서 가시 광선 영역에서의 발광원 및 수광원으로 쓰이는 레이저다이오드, 포토다이오드 및 LED 등의 광소자로 쓰이고 있다.GaAs has unique advantages over silicon, including high electron transfer rates, high resistivity in quasi-conductor states, wide direct transitions, and excellent thermal stability. GaAs semiconductors are used for the fabrication of high-speed integrated circuits operating in the high frequency band of several tens of GHz because of their high electron transfer speed. In addition, GaAs has a wide direct transition property, and thus is used as an optical device such as a laser diode, a photodiode, and an LED, which are used as a light emitting source and a light receiving source in the visible light region.
최근 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit, 단일칩 고주파 집적회로)의 성능을 향상시키기 위하여 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 적용하려는 시도가 진행되고 있으며, RF MEMS 라는 분야로 발전되고 있다. 그러나, 아직은 그 범위가 실리콘에 한정되어 있어서, MMIC의 기판이 되는 GaAs와 집적화 시킬 수 없는 단점이 있다. 일반적인 GaAs IC 공정과 호환이 가능한 몸체미세가공기술로 GaAs 구조물 제작이 가능하면 MMIC의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.Recently, attempts have been made to apply MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology to improve the performance of MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits). However, the range is still limited to silicon, so there is a disadvantage that it cannot be integrated with GaAs, which is a substrate of MMIC. Body microfabrication technology compatible with general GaAs IC process is expected to significantly improve the performance of MMIC if GaAs structures can be manufactured.
본 발명은, 몸체미세가공 기술을 이용하여 GaAs 구조물을 제작하는 것에 관한 것으로서, 특히, GaAs의 식각액으로서 널리 알려져있는, 수산화암모늄계열의 식각액을 사용하여 GaAs 기판을 습식 식각하는 경우 식각 특성을 이용하여, 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to the fabrication of GaAs structures using body microfabrication techniques, and in particular, when wet etching GaAs substrates using an ammonium hydroxide-based etchant, which is widely known as an etchant for GaAs, To provide a method for manufacturing a <100> direction GaAs beam having a rectangular cross section.
도1은 GaAs의 습식 식각시, 방향에 따른 GaAs의 언더컷 특성을 보여주는 SEM 사진들이다. 구체적으로는 (001) GaAs 기판상에서 수산화암모늄 계열의 식각액을 이용하여 습식 식각하는 경우이다.1 is a SEM photograph showing the undercut characteristics of GaAs according to the direction during wet etching of GaAs. Specifically, wet etching is performed using an ammonium hydroxide-based etching solution on a (001) GaAs substrate.
도1a는방향의 빔 단면의 사진으로서, [110] 방향 언더컷면이 기판면과 137°를 이루는 것을 보여준다. 도1b는 [100] 방향의 빔 단면의 사진으로서, [010] 방향 언더컷면이 기판면과 90°를 이루는 것을 보여준다. 도1c는 [110] 방향의 빔 단면의 사진으로서,방향 언더컷면이 기판면과 74°를 이루는 것을 보여준다. 즉, 빔의 방향이에서 [100]으로 갈수록 식각 경사면과 기판면이 이루는 각이 137°에서 점차 감소하여 90°가 되며, 다시 [110] 방향으로 갈수록 74°가 되는 경향을 보인다.Figure 1a Photograph of the beam cross section in the direction, showing that the [110] direction undercut surface forms 137 ° with the substrate surface. FIG. 1B is a photograph of the beam cross section in the [100] direction, showing that the undercut surface in the [010] direction is 90 ° with the substrate surface. Figure 1c is a photograph of the cross section of the beam in the [110] direction, It is shown that the directional undercut surface makes 74 ° with the substrate surface. That is, the direction of the beam The angle between the etched slope and the substrate surface gradually decreases from 137 ° to 90 ° as it goes from [100] to 74 °.
종래 기술로서,방향 언더컷 특성을 이용하여 습식 식각한 후 부유된 GaAs 빔이 알려져 있는데, 이는 단면이 역삼각형 모양을 가지며 두께와 폭의 비가 고정된다. 이와 같이 이등변각이 74°이상인 역삼각형 단면의 빔은 기판면에 수직한 기계적 거동에 적합하지 않으므로 그 응용이 제한된다.As the prior art, A floating GaAs beam is known after wet etching using a directional undercut feature, which has an inverted triangular cross section and a fixed ratio of thickness and width. As such, the beam of an inverted triangular cross section having an isosceles angle of 74 ° or more is not suitable for the mechanical behavior perpendicular to the substrate surface, thereby limiting its application.
본 발명의 목적은, 구조물 재료로서 (001) GaAs 기판을 이용하며, 기판 습식 식각 수행시 식각 마스크 패턴의 <100> 방향 경계선상에서 언더컷 면으로서 {100} 면이 생성되는 특성을 이용하여, 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to use a (001) GaAs substrate as a structure material, and use a characteristic that a {100} plane is generated as an undercut plane on the <100> direction boundary line of the etch mask pattern when performing wet etching of the substrate. It is to provide a method for manufacturing a <100> direction GaAs beam having a.
도1은 GaAs의 습식 식각시, 방향에 따른 GaAs의 언더컷 특성을 보여주는 SEM 사진들,1 is a SEM photograph showing the undercut characteristics of GaAs according to the direction during wet etching of GaAs,
도2는 본 발명에 의한 방법의 제조 공정도,2 is a manufacturing process diagram of the method according to the present invention;
도3는 본 발명에 의한 방법에 의하여 제조된 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔의 SEM 사진들.Figure 3 is a SEM image of the <100> direction GaAs beam having a rectangular cross section produced by the method according to the present invention.
상기한 본 발명에 의한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 제조 방법에서는, (001) GaAs 기판을 이용하여, <100> 방향 경계선을 가지는 식각 마스크를 패터닝하는 단계(a); 습식 식각 또는 건식 식각을 수행하여 구조물의 벽면에 수직하게 단차진 구조를 생성하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 제작된 구조물의 벽면 보호막을 생성하는 단계(c); 및 상기 단계(c)에서 벽면 보호막이 생성된 구조물을 습식 식각을 통하여 <100> 방향 빔을 부유시키는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object according to the present invention, in the manufacturing method according to the present invention, using a (001) GaAs substrate, patterning an etching mask having a <100> direction boundary line (a); Performing wet or dry etching to generate a stepped structure perpendicular to the wall surface of the structure (b); (C) generating a wall protective film of the structure fabricated in the step (b); And (d) floating the <100> direction beam by wet etching the structure in which the wall protective film is generated in the step (c).
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔 제조 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a <100> direction GaAs beam having a square cross section according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2는 본 발명에 의한 방법의 제조 공정도이다.2 is a manufacturing process diagram of the method according to the present invention.
본 발명에서는 구조물 재료로서 (001) GaAs 기판을 사용한다. 기판 위에 식각마스크1을 증착한 후, 사진묘화작업을 수행한다. 사진묘화작업을 통하여 패터닝된 감광막을 식각마스크 삼아 식각마스크1을 패터닝한 후 감광막을 제거하면 도2a와 같은 단면 상태에 도달한다. 사각 단면의 빔을 제작하기 위하여는 빔의 방향이 도2a에서 보이는 바와 같이, <100> 방향이어야 한다. 이는 추후 수행될 GaAs의 습식 식각 특성을 감안한 것이다.In the present invention, a (001) GaAs substrate is used as the structure material. After the etching mask 1 is deposited on the substrate, a photo drawing operation is performed. The patterned photoresist film is etched using the photo drawing operation, and the etching mask 1 is patterned, and then the photoresist film is removed to reach a cross-sectional state as shown in FIG. 2A. In order to produce a square cross-section beam, the direction of the beam must be in the <100> direction as shown in FIG. 2A. This takes into account the wet etching characteristics of GaAs to be performed later.
다음으로 도2b에서 보이는 바와 같이, GaAs 기판을 깊이 방향으로 h1깊이만큼 건식 식각 또는 습식 식각을 수행하여 단차진 구조를 제작한다. 이때, 습식 식각을 수행하는 경우, 깊이 방향의 식각량 h1과 비슷한 언더컷량 u1이 발생하며, 건식 식각을 수행하는 경우, 깊이 방향의 식각량 h1에 비해 작은 언더컷량 u1이 발생한다.Next, as shown in FIG. 2B, the GaAs substrate is dry-etched or wet-etched by h 1 depth in the depth direction to produce a stepped structure. At this time, when the wet etching is performed, an undercut amount u 1 similar to the etching amount h 1 in the depth direction is generated, and when the dry etching is performed, an undercut amount u 1 is smaller than the etching amount h 1 in the depth direction. .
그런 다음, 추후 희생층 식각 공정에서 GaAs 빔의 벽면을 보호하기 위하여 식각 마스크 막을 GaAs 기판 전체에 증착시키고, 증착된 막을 비등방성 건식 식각하여 도2c와 같은 벽면 보호막을 형성한다.Subsequently, in order to protect the wall surface of the GaAs beam in a subsequent sacrificial layer etching process, an etch mask film is deposited on the entire GaAs substrate, and the deposited film is anisotropic dry etched to form a wall protective film as shown in FIG. 2C.
마지막으로, GaAs 습식 식각하여 도2d와 같이 깊이 h2만큼 식각하면 사각 단면을 지닌 <100> 방향 GaAs 빔을 얻을 수 있다. 이 때, 첫 번째 식각 깊이 h1이 건식 식각에 의하여 수행되어 언더컷량 u1이 깊이 방향 식각량 h1에 비하여 작다면, w/2+u1은 거의 w/2와 동일하므로, 희생층 식각시 식각 깊이 h2가 w/2만큼 도달하였을 때에 빔이 부유되기 시작한다. 또한, 첫 번째 식각 깊이 h1이 습식 식각에 의하여 수행되어 언터컷량 u1이 깊이 방향 식각량 h1과 비슷하다면, 희생층 식각시 식각 깊이 h2가 w/2+h1만큼 도달하였을 때에 빔이 부유하기 시작한다.Finally, when the GaAs are wet etched and etched by a depth h 2 as shown in FIG. 2D, a GaAs beam having a square cross section may be obtained. At this time, if the first etching depth h 1 is performed by dry etching and the undercut amount u 1 is smaller than the depth direction etching amount h 1 , since w / 2 + u 1 is almost equal to w / 2, the sacrificial layer etching is performed. When the etching depth h 2 reaches w / 2, the beam starts to float. Also, if the first etching depth h 1 is performed by wet etching so that the amount of undercut u 1 is similar to the depth direction etching amount h 1 , when the etching depth h 2 reaches w / 2 + h 1 during the sacrificial layer etching, This starts to get rich.
도2d에서 부유된 빔의 폭 w는 초기 식각마스크1의 폭 D에서 첫 번째 깊이 방향 식각시 발생하는 언더컷량 u1만큼 양쪽으로 감소하여, D-2u1이 된다. 부유된 빔의 두께 t는, 첫 번째 깊이 방향 식각량 h1에서 희생층 식각시 빔의 밑면에서 식각되는 양 u2을 빼면 된다(h1-u2). 따라서 희생층 식각시 깊이 방향 식각량 h2은 u1+u2이상의 값을 가져야 한다.In FIG. 2D, the width w of the floating beam decreases to both sides by the amount of undercut u 1 generated in the first depth direction etching in the width D of the initial etching mask 1, resulting in D-2u 1 . The thickness t of the suspended beam is obtained by subtracting the amount u 2 etched from the bottom surface of the beam during the sacrificial layer etching from the first depth etch amount h 1 (h 1 -u 2 ). Therefore, when etching the sacrificial layer, the depth direction etching amount h 2 should have a value of u 1 + u 2 or more.
아래에서는 본 발명에 의한 방법을 적용한 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, specific embodiments to which the method according to the present invention is applied will be described in detail.
지름 3인치 크기의 (001) GaAs 기판을, 끓는 점 이하의 온도에서 데운 아세톤, 메탄올 및 TCE(Trichloroethylene) 용액에 10분씩 차례로 담금으로써 세척한다. PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용한 저응력 질화막(Si3N4) 5000Å을 기판 앞면과 뒷면에 증착한다. 증착된 저응력 질화막 위에 1.2㎛ 두께의 감광막을 사진묘화작업을 통하여 패터닝하고, 감광막을 식각마스크로 하여 저응력 질화막을 건식 식각한 후 아세톤을 이용하여 감광막을 제거하면 도2a와 같은 단면 상태에 도달한다. 이때 빔의 방향은 <100> 방향이어야 한다.The (001) GaAs substrate, 3 inches in diameter, is washed by immersion in acetone, methanol and Trichloroethylene (TCE) solutions, which are heated at a temperature below the boiling point, in turn for 10 minutes. 5000 Å of low stress nitride film (Si 3 N 4 ) using PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method is deposited on the front and back side of the substrate. The photoresist was patterned on the deposited low stress nitride film through photo-drawing, and the low stress nitride film was dry etched using the photoresist as an etch mask, and then the photoresist film was removed using acetone. do. At this time, the direction of the beam should be in the <100> direction.
다음으로, 온도 18℃의 NH4OH: H2O2: H20=25㎖:25㎖:450㎖ 조성의 식각액을 이용하여 식각 깊이 h1=60㎛만큼 GaAs 기판을 습식 식각하여 도2b와 같은 단차진 구조를 제작한다. 이때 (001) GaAs 기판의 습식 식각 특성상 식각 마스크 패턴의 <100> 방향 경계선상에서 언더컷면으로서 {100} 면이 생성된다. 습식 식각으로 인한 언더컷양 u1은 깊이 방향보다 적은 50㎛ 정도 발생한다. 따라서 최종 부유되는 빔에서 폭 w은, 포기 마스크 폭 D=120㎛에서 언더컷양을 고려하여 20㎛(=D-2u1)가 된다. 이와 같이 벽면이 수직한 단차진 구조를 제작하기 위하여, 습식 식각 방법 이외에 건식 식각 방법도 사용할 수 있다. 습식 식각시 언더컷양이 깊이 방향 식각량 정도임과 비교할 때에, 건식 식각을 이용하는 경우 언더컷이 거의 발생하지 않는다.Next, the GaAs substrate was wet-etched by the etching depth h 1 = 60 μm using an etchant having a composition of NH 4 OH: H 2 O 2 : H 2 0 = 25 mL: 25 mL: 450 mL at a temperature of 18 ° C. Produce a stepped structure such as At this time, due to the wet etching characteristic of the (001) GaAs substrate, the {100} plane is generated as an undercut surface on the <100> direction boundary line of the etch mask pattern. The amount of undercut u 1 due to wet etching occurs about 50 μm less than the depth direction. Therefore, the width w of the final floating beam becomes 20 µm (= D-2u 1 ) in consideration of the amount of undercut at the aeration mask width D = 120 µm. Thus, in order to fabricate the stepped structure having the vertical wall, a dry etching method may be used in addition to the wet etching method. In comparison with wet etching, the amount of undercut is about the amount of the depth direction, so undercut is hardly generated when dry etching is used.
본 발명에 의한 단계(c)는, 본 발명에 의한 단계(d)에서의 희생층 습식 식각시 GaAs 빔의 벽면 보호막을 생성하는 단계이다. 이를 위하여, PECVD 저응력 질화막을 3000Å의 두께로 GaAs 웨이퍼 전체에 증착시키고, 증착된 저응력 질화막 3000Å을 비등방성 건식 식각하게 되면 도2c와 같은 벽면 보호막이 생성된다. 이때에 건식 식각 장비의 식각 균일도와 습식 식각될 바닥면의 저응력 질화막을 완전히 제거하기 위하여, 식각 목표 두께보다 10% 정도 추가하여 건식 식각을 수행하는 것이 바람직하다. 이 경우 식각마스크1의 저응력 질화막의 두께는, 이러한 추가 건식 식각 과정 후 희생층 습식 식각을 견뎌낼 수 있는 충분한 두께를 가지도록 고려하여야 한다.Step (c) according to the present invention is a step of generating a wall protective film of the GaAs beam during the sacrificial layer wet etching in step (d) of the present invention. To this end, a PECVD low stress nitride film is deposited on the entire GaAs wafer with a thickness of 3000 Å and anisotropic dry etching of the deposited low stress nitride 3,000 Å yields a wall protective film as shown in FIG. 2C. In this case, in order to completely remove the etching uniformity of the dry etching equipment and the low stress nitride film of the bottom surface to be wet etched, it is preferable to perform dry etching by adding about 10% of the target thickness. In this case, the thickness of the low stress nitride film of the etching mask 1 should be considered to have a sufficient thickness to withstand the sacrificial layer wet etching after the additional dry etching process.
마지막으로, 온도 18℃의 NH4OH: H2O2: H20=25㎖:25㎖:450㎖ 조성의 식각액을 이용하여 식각 깊이 h2=115㎛만큼 GaAs 기판을 습식 식각하여 도2d와 같은 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔을 완성한다. 도2d와 같은 상태에서 HF를 이용하여 식각마스크를 제거하면, 도3a의 사진에서 보이는 바와 같은 부유된 <100> 방향의 GaAs 빔을 얻을 수 있다. 이때 빔의 주요 치수는, 폭이 20㎛, 두께는 약 5㎛이다. 도3b는 도3a의 부유된 빔의 뒷면 사진인데, 밑면이 평탄한 것을 볼 수 있다.Finally, the GaAs substrate was wet-etched by the etching depth h 2 = 115 μm using an etchant having a composition of NH 4 OH: H 2 O 2 : H 2 0 = 25 mL: 25 mL: 450 mL at a temperature of 18 ° C. A <100> direction GaAs beam having a square cross section as shown in FIG. If the etching mask is removed using HF in the same state as in FIG. 2D, a floating GaAs beam in the <100> direction as shown in the photo of FIG. 3A may be obtained. At this time, the main dimension of the beam is 20 mu m in width and 5 mu m in thickness. 3B is a photograph of the back side of the suspended beam of FIG. 3A, where the bottom surface is flat.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 구조물 재료로서 (001) GaAs 기판을 이용하며, 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 의한 방법에 의하면, 초기 식각마스크 패턴의 폭, 식각 공정에서의 식각 깊이 등을 조정하여, 제조되는 사각 단면을 가지는 <100> 방향 GaAs 빔의 수치를 조절할 수 있으므로, 몸체미세가공 기술을 이용하여 제작할 수 있는 GaAs의 구조물의 적용 범위를 넓힐 수 있는 효과가 있다. 특별히, 본 발명에 의한 방법에 의하면,GaAs 미세 구조물의 기본이 되는 외팔보 및 양단지지보를 구성할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention provides a method for producing a <100> -direction GaAs beam having a square cross section using a (001) GaAs substrate as a structure material. According to the method according to the present invention, by adjusting the width of the initial etching mask pattern, the etching depth in the etching process, and the like, the numerical value of the <100> direction GaAs beam having a rectangular cross section to be manufactured can be adjusted. There is an effect that can extend the application range of the structure of GaAs that can be manufactured using. In particular, according to the method according to the present invention, there is an advantage that can be configured cantilever beam and both ends support that is the basis of the GaAs microstructure.
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Citations (6)
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2001
- 2001-08-23 KR KR10-2001-0051103A patent/KR100408761B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
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Also Published As
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