KR100438812B1

KR100438812B1 - 초미세소자제작을위한마이크로기계가공방법

Info

Publication number: KR100438812B1
Application number: KR1019970049742A
Authority: KR
Inventors: 백석순; 조한기; 임근배
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2004-12-23
Also published as: KR19990027307A

Abstract

본 발명은 고감도 센서 등의 초미세 소자 제작을 위한 마이크로기계가공 방법(micromachining method)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법은, 빔과 구조체(Mass)의 크기의 비를 조절하는것 만으로 얇은 p⁺층과 실리콘 전체 두께를 가진 구조체를 구별하여 제작한다.

Description

초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법{A micromachining method for fabricating a microdevice}

본 발명은 고감도 센서 등의 초미세 소자 제작을 위한 마이크로기계가공 방법(micromachining method)에 관한 것이다.

일반적으로 초소형 구조의 센서를 제작할 때 보편적으로 표면 마이크로기계가공(Surface micromaching)으로 제작하면 초소형화가 가능하지만 감도면에서 떨어지고, 용적 마이크로기계가공(Bulk micromaching)으로 제작하는 경우는 고감도 센서의 제작이 가능하지만 소형화에 불리한 면이 있다.

빔이 상하로 나오는것은 가속도센서의 경우 횡축감도를 떨어뜨릴 때에 필요하다. 그러나 현재까지의 마이크로 기계가공 방법은 상하로 빔을 만들 수 있는 구조가 한정적이었다. 또한 기타의 고감도 센서 제작시 크기, 형태 등이 제한적인 경우가 많아서 설계를 자유자재로 할 수 가 없었다.

그 대표적인 예로서, (100) 실리콘 웨이퍼를 이용한 습식 공정(Wet Process)으로 상하빔을 만들 때는, <110> 결정축 방향과 45도, 135도, -90도, -135도의 각도로 빔을 제작하는 제작 공정을 사용해야 하며, 습식 에칭(Wet etching) 공정 시간도 p⁺이외의 부분이 모두 에칭이 될 때 까지 하여야 하므로 시간이 많이 걸려 구조체(Mass)가 작아진다든지, 원하지 않는 부분이 에칭이 된다든지 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 초미세 소자의 크기와 형태 등의 설계가 자유롭고, 짧은 시간에 정확한 모양으로 제작할 수 있는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법을 공정 단계별로 설명하기 위한 도면으로서,

도 1은 단결정 실리콘 기판의 양면에 p⁺확산층을 형성한 후의 단면도,

도 2는 리액티브 이온 에칭법으로 상기 실리콘 기판을 소정의 패턴 마스크로 관통시킨후의 단면도,

도 3은 습식 이방성 식각법으로 상기 실리콘 기판의 관통부를 식각하는 과정을 보여주는 단면도,

그리고 도 4는 관통 에칭후에 남은 실리콘 구조물의 폭에 따른 식각 결과를 보여주는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 단결정 실리콘 2. p⁺확산층

3. p⁺확산층 4,5,6. 관통공

7. 폭이 좁은 구조물 8. 폭이 넓은 구조체

10. 돌출 코너부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법은, (가) 단결정 실리콘 기판의 양 표면에 p⁺확산층을 형성하는 단계; (나) 상기 일측 p⁺확산층 상에 마스크를 형성한 다음 이방성 식각법으로 에칭하여 상기 p⁺확산층 및 단결정 실리콘을 관통시키는 단계; (다) 상기 p⁺확산층에서 식각이 정지되는 에천트를 사용하여 상기 관통된 부분의 단결정 실리콘을 이방성 식각법으로 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계에서 상기 이방성 식각법으로 리액티브 이온 에칭법을 사용하고, 상기 (다) 단계에서 상기 이방성 식각법은 상기 (나) 단계의 관통 에칭후 남은 상기 단결정 실리콘의 폭이 소정값 미만일 경우 돌출 코너를 이용하여 상기 단결정 실리콘을 완전히 식각하고, 상기 소정값 이상일 경우 일정방향으로 식각한후 식각을 중지하는 것이 바람직하며, 상기 (다) 단계에서 상기 이방성 식각법은 상기 실리콘 기판이 (100) 실리콘 웨이퍼이고 <110>결정축 방향과 45도, 135도, -90도, -135도 각도 이외의 빔을 형성시키는 것이 바람직하며, 또한, 상기 (다) 단계에서 상기 이방성 식각법의 에챈트로 에틸렌디아민-파이로케이터콜-워터 혹은 하이드로진을 사용하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 양 표면에 p⁺를 소정의 두께로 확산(diffusion)하여 p⁺-확산층(2, 3)을 각각 형성한다.

다음에, 도 2에 도시된 바와 같이, 일측 p⁺-확산층(2) 상에 패터닝된 마스크를 만들어 리액티브 이온 에칭(RIE)으로 구조체(2)를 에칭하여 관통시킨다.

다음에, 에칭된 관통구(4, 5, 6)의 내측면은 얇은 p⁺-확산층(2, 3)과 순수 실리콘 부분(1)이 동시에 나타나는데, 여기에 p⁺-확산층(2,3)에서 에칭이 정지되는 에칭용액을 넣고 에칭하여, 도 3에 도시된 바와 같이, p⁺-확산층(2, 3)을 남기고 실리콘 부분(1)만 에칭한다. 이 때, 에칭 용액으로는 에틸렌디아민-파이로케이터콜-워터(EPW; Ethylenediamine- Pyrocatechol-Water)를 사용한다. EPW용액은 결정성장 방향이 다른 실리콘층에서 에칭이 차단되는 성질이 있는 본 발명에서는 P⁺층 실리콘에서 에칭이 차단된다. 이는 엄격히 말하면 P⁺층의 결정면을 식각하는 속도가 P⁺층이 아닌 면을 에칭하는 속도에 비하여 에칭 속도가 아주 느린 것을 의미한다. P⁺층에서 실리콘의 에칭속도가 급격히 느려지는 것(즉 차단)은 EPW용액 이외에 하이드로진(Hydrazine ) 같은 용액도 P⁺층에서 에칭 차단이 잘된다. 이와 같은 에칭 용액에 의해 관통 에칭되고 남은 부분의 폭이 좁은 패턴(7)의 경우에는 점선부(10)와 같이 양쪽에서 에칭되어 잘리게 되며, 돌출 코너(Convex corner)를 통해 에칭이 되어 도 4에 도시된 바와 같이, p⁺-확산층(3a, 3b) 이외의 실리콘이 모두 에칭된다. 폭이 넓은 패턴(8)의 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 양쪽에서 에칭이 되어도 (111)면만 남게 되고 돌출 코너(convex corner)가 생기지 않게되어 에칭이 더 이상 되지 않는다.

이상과 같은 마이크로 기계가공 방법은 구조체의 크기 차이를 이용하여 빔과 상대적으로 폭이 넓은 구조체(Mass)를 정확히 구별하여 제작할 수 있으며, 실리콘 전체 두께를 에칭하는 시간이 필요가 없다. 이유는 관통에칭된 빔부분의 순수 실리콘 부분이 모두 에칭되기 위해서는 빔폭을 에칭하는데 필요한 시간과 돌출 코너(convex corner)를 통해 에칭하는데 필요한 시간만 요구되기 때문이다. 여기서, 돌출코너를 통한 실리콘 에칭속도는 돌출코너가 없는 실리콘 에칭속도에 비하여 훨씬 빨리 에칭되는 것을 이용하였다.

실제로, 실험 결과 200 마이크로미터의 두께를 가진 실리콘에 40 마이크로미터의 폭을 가진 빔을 제작한 경우, P⁺빔만 남는데 약 15분~18분 정도의 시간이 소요되었다. 이 때의 에챈트(etchant)는 EPW이며 에챈트의 온도는 115도 이었다. 이 때 돌출코너가 없는 부분의 순수 실리콘의 에칭속도는 분당 1.5마이크로미터에서 1.8마이크로미터이었다.

이와 같이, 본 발명에서는 습식 에칭 시간을 최소한으로 하여 제작 시간을 단축함과 동시에 전체 구조물에 습식 에칭에 대한 영향을 최소한으로 줄이며, 빔은 가늘고 얇게하며, 상대적으로 폭이 넓은 구조체(Mass 등)는 두껍게 제작한다. 또한, 기존의 제작 방법에서 (100)실리콘 웨이퍼를 이용하여 습식 공정(Wet Process)으로 상하빔을 만들 때 <110> 결정축 방향과 45도, 135도, -90도, -135도 각도로 빔을 제작하는 제작 공정을 이용하더라도 본 공정을 이용하면 단시간에 제작이 가능해지며, 고감도 초소형 센서 소자의 제작이 가능하게 된다. 그리고, 기존의 제작방법에는 제작 할 수 없는 다양한 빔구조로 제작할 수 가 있어서 고성능, 내부 스트레스(Stress) 완화 등을 자유롭게 조절 가능하여, 성능 및 효율면에서 우수한 센서 구조를 설계,제작할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 빔과 구조체(Mass)의 크기의 비를 조절하는것 만으로 얇은 p⁺층과 실리콘 전체 두께를 가진 구조체를 구별하여 제작할 수 있다. 단, 이 때 (011)와 (111)면에 생기는 각도로 인하여 구조체의 폭이 잘리면 안된다.

둘째, 크기는 작게 두께는 두꺼운 구조체 제작이 가능하므로 소형 고감도의 구조체의 제작이 용이하게 된다.

세째, 빔의 구조를 어떠한 형태로도 구현할 수 있다. 빔의 형태를 자유로이조절할 수 가 있으므로 설계 단계에서 많은 자유도가 주어지며 기존의 문제점(예: 스트레스 문제)를 쉽게 해결할 수 있는 구조체제작이 가능하다.

넷째, 제작이 간단하며 제작 과정에서 민감한(Critical) 부분이 적으므로수율(Yield)이 높고 양산성이 좋다.

다섯째, 구조체와 빔의 크기및 체적등을 조절하여 제작하기 쉬우므로 고감도 및 넓은 다이내믹 레인지(Dynamic range)를 가진 구조체를 제작할 수 있다.

Claims

폭이 얇은 빔과, 상대적으로 폭이 넓은 단결정 실리콘을 구비한 구조체를 포함하는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법에 있어서,

(가) 단결정 실리콘 기판의 양 표면에 p+확산층을 형성하는 단계;

(나) 상기 일측 p+확산층 상에 상기 빔 및 상기 구조체의 폭에 해당하는 마스크를 형성한 다음 이방성 식각법으로 에칭하여 상기 p+확산층 및 단결정 실리콘을 관통시키는 단계;

(다) 상기 p+확산층에서 식각이 정지되는 에챈트를 사용하여 상기 빔 사이의 단결정 실리콘을 완전히 식각하여 상기 p+ 확산층으로 형성된 빔을 제작하면서,

상기 구조체의 단결정 실리콘을 일정 방향으로 식각한 후 식각을 중지하여 구조체를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법.
제1항에 있어서,

상기 (나) 단계에서 상기 이방성 식각법으로 리액티브 이온 에칭법을 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법.
제1항에 있어서,

상기 (다) 단계에서 상기 이방성 식각법은 상기 실리콘 기판이 (100) 실리콘웨이퍼이고 ＜110＞결정축 방향과 45도, 135도, -90도, -135도 각도 이외의 빔을 형성시키는 것을 특징으로 하는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법.
제1항에 있어서,

상기 (다) 단계에서 상기 이방성 식각법의 에챈트로 에틸렌디아민-파이로케이터콜-워터 혹은 하이드로진을 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법.
제3항에 있어서,

상기 에틸렌디아민-파이로케이터콜-워터 혹은 하이드로진은 100℃ 이상에서 사용하는 것을 특징으로 하는 초미세 소자 제작을 위한 마이크로 기계가공 방법.