KR100892066B1 - 초소형 미러 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 미러 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 초소형 미러 및 그 제조방법은 45°의 경사면을 형성하기 위하여 이방성 식각을 식각시간을 제어하는 타임에치 방식으로 제어하여, 환경변수에 따라 정확한 구조물을 형성할 수 없으며, 이에 따라 그 공정의 신뢰성 및 수율이 저하되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판을 준비하는 단계와; 상기 SOI 기판의 상하부에 식각방지층을 형성하는 단계와; 상기 SOI 기판의 상부에 위치하는 식각방지층의 일부를 식각하여, 그 하부의 실리콘층을 노출시키는 단계와; 상기 노출된 실리콘층을 경사지게 이방성 식각하여 실리콘 구조물을 형성하는 단계와; 상기 식각방지층을 제거하고, 실리콘 구조물의 경사면을 경면처리하여 미러를 형성하는 단계로 구성되는 제조방법을 통해, 실리콘 기판의 상부에 위치하는 절연막과; 상기 절연막의 상부에 위치하는 적어도 하나의 경사면을 가지는 실리콘 구조물과; 상기 실리콘 구조물의 경사면에 위치하는 미러로 구성되는 초소형 미러를 구현하여, SOI기판 내에 매립된 절연막을 경사면을 가지는 구조물의 형성시 식각이 종료되는 식각종료막을 사용하여 정확하게 지정함으로써, 환경변수에 무관하게 균일한 구조물을 형성할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

초소형 미러 및 그 제조방법{MICRO MIRROR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도1은 본 발명 초소형 미러의 사시도.

도2는 도1의 평면도.

도3은 도2에 있어서, A-B방향의 단면도.

도4는 본 발명에 적용되는 SOI기판의 제조공정 흐름도.

도5a 내지 도5h는 본 발명 초소형 미러의 제조공정 수순단면도.

도6은 본 발명 초소형 미러에 광원이 장착된 경우의 사시도.

도7은 도6의 평면도.

도8은 도7에 있어서, A-B방향의 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:실리콘 기판 2:절연막

3:9.74°off-axis 실리콘 4:미러

5:전극 11:SOI기판

12:하드마스크층

본 발명은 초소형 미러 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 SOI(SILICON ON INSULATOR) 기판을 사용하여 미세 구조물의 균일도를 향상시키고, 공정을 단순화하여 양산성을 향상시킬 수 있는 초소형 미러 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 초소형 미러는 광섬유등을 이용한 광통신용 소자에 이용하거나, 광기록장치의 픽업 광학계 등에서 광의 경로를 변경하는 목적으로 사용한다.

초소형 미러는 그 사용목적에 따라 일정한 경사각을 가지며, 광의 경로를 90°로 변경하기 위해, 45°의 경면 경사각을 가지는 미러가 사용되고 있다.

이와 같이 45°의 경면 경사각을 가지는 종래 초소형 미러는 기계적 화학적 연마 기술을 사용하여 45°의 경사면을 가지는 구조물을 형성하고, 그 구조물의 경사면을 경면처리하여 초소형 미러를 제작하거나, 그 구조물의 경사면에 경면처리된 박판을 부착하여 제작하였다.

그러나, 이와 같은 방법은 양산성이 저하되고, 부가적인 조립공정이 필요하게 되어 제조비용의 증가 및 수율을 저하시키는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 경사면을 가지는 구조물을 형성하기 위하여, (100) 결정방향에 대하여 9.74°기울어진 표면을 가지는 9.74°off-axis 실리콘 기판을 사용한다.

상기 9.74°off-axis 실리콘 기판을 이방성 식각(anisotropic etching)하여 그 9.74°off-axis 실리콘 기판의 표면에 대하여 45°기울어진 경사면을 형성한다.

그러나, 상기의 기술은 경사면의 높이, 즉 식각의 깊이를 제어하는 방법으로 식각 시간을 제어하는 타임에치(timed etch)를 사용한다.

상기 타임에치는 식각이 진행될 때의 환경변수인 온도, 농도, 식각되는 기판의 투입량(loading)에 따라 변화되는 식각률을 무시하고, 정해신 시간동안 식각을 수행함으로써, 공정과 공정간의 재현성(repeatabillity)이 저하되며, 동일한 웨이퍼 내에서도 위치에 따라 국부적인 온도차, 농도차, 기판 내부의 결함 및 불순물 분포의 불균일성(non-uniformity)에 따라 식각의 깊이에 편차가 발생하게 되며, 이에 따라 개별 미러 간의 형상 및 치수 균일성에 대한 신뢰성이 저하되며, 수율이 저하되는 원인이 된다.

특히, 9.74°off-axis 실리콘 기판을 표면으로부터 식각을 진행하면 식각 깊이 방향의 표면은 식각이 진행될수록 기판 표면에 대하여 평행하지 않고 기울어지게 된다.

즉, 식각된 9.74°off-axis 실리콘 기판의 표면은 식각되지 않은 9.74°off-axis 실리콘 기판의 표면과 평행하지 않게 된다.

이는 이방성 실리콘 식각용액에서 가장 빠르게 식각이 진행되는 결정방향이 off-axis 방향과 상이하기 때문에 발생하는 현상이며, 기판의 표면에 대하여 45°의 각도를 이루는 (111) 결정방향의 식각잔류면과 식각된 기판의 표면이 이루는 각도가 45°를 벗어나게 된다.

이는 식각 깊이에 따른 가공정밀도의 신뢰성을 저하시키며, 그 식각된 기판영역에 발광소자 또는 수광소자를 형성하는 경우, 광경로를 수직방향으로 변경시킬 수 없게 되어, 사용할 수 없게 된다.

또한, 통상적인 (100) 결정방향의 기판을 식각하여 얻을 수 있는 식각면에 비하여 식각면이 더 거칠어지는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같이 종래 초소형 미러 및 그 제조방법은 45°의 경사면을 형성하기 위하여 이방성 식각을 식각시간을 제어하는 타임에치 방식으로 제어하여, 환경변수에 따라 정확한 구조물을 형성할 수 없으며, 이에 따라 그 공정의 신뢰성 및 수율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 9.74°off-axis 실리콘 기판을 이방성 식각하여 식각된 실리콘 기판의 표면과 식각되지 않은 실리콘 기판의 표면이 서로 평행하지 않게 되어, 가공정밀도가 저하되고, 초소형 미러의 응용에서 정상동작을 수행할 수 없는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 45°의 경사면을 가지는 구조물을 형성할 때 환경변수의 변화에 영향을 받지 않으며, 가공정밀도를 향상시킬 수 있는 초소형 미러 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지지부분인 실리콘 기판과, 경사면을 가지는 구조물의 사이에 매립 절연막이 위치하는 실리콘 온 인슐레이터 기판을 사용하여, 그 매립 절연막을 식각 종료막으로 이용하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 식각 종료막의 사용으로 환경변수에 무관한 식각공정이 가능하도록 하여, 그 경사면을 가지는 구조물을 제작하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 초소형 미러 및 그 제조방법의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명 초소형 미러의 사시도이고, 도2는 도1의 평면도, 도3은 도2에 있어서, A-B방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(1)과; 상기 실리콘 기판(1)의 상부일부에 위치하는 절연막(2)과; 상기 절연막(2)의 상부에 위치하며, 일면이 45°경사면인 9.74°off-axis 실리콘(3)과; 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)의 경면에 위치하는 미러(4)와; 상기 실리콘 기판(1)의 노출면 상에 위치하는 전극(5)으로 구성된다.

상기 도면들에서 D1은 9.74°off-axis 실리콘(3)의 두께, D2는 실리콘 기판(1)의 두께이며, L은 노출된 실리콘 기판(1)의 절연막(2)으로부터 종단까지의 길이이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 초소형 미러는 경면을 가지는 구조물의 하부에 절연막(2)이 위치하는 것에 그 특징이 있다.

이는 절연막(2)을 사용하여 식각이 진행되는 것을 방지하여, 경사면의 높이를 정확하게 제어하는 것이 가능하게 된다.

도4는 상기 실리콘 기판(1)과 절연막(2), 9.74°off-axis 실리콘(3)의 구조를 형성하는 과정의 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 균일화된 두께를 가지는 9.74°off-axis 실리콘(3) 기판과, 상부에 절연막(2)이 소정 두께로 증착된 실리콘 기판(1)을 준비한다.

이때 실리콘 기판(1)은 구조물을 지지하는 역할을 하는 것이므로, 그 결정방 향성은 어떠한 것이라도 관계없다.

이와 같이 준비된 실리콘 기판(1)과 9.74°off-axis 실리콘(3) 기판을 절연막(2)이 중앙에 위치하도록 접합(BONDING)하여, SOI구조의 기판을 제작한다.

그 다음, 9.74°off-axis 실리콘(3)을 랩핑 및 폴리슁하여 균일화된 SOI기판을 준비한다.

이처럼 SOI기판을 준비한 후에는 아래의 도5에서 설명하는 제조공정에 따라 초소형 미러를 형성한다.

도5a 내지 도5h는 본 발명 초소형 미러 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(1), 절연막(2), 9.74°off-axis 실리콘(3)이 적층된 SOI기판(11)의 상부와 하부에 하드마스크층(12)을 형성하고, 그 9.74°off-axis 실리콘(3)의 상부에 형성된 하드마스크층(12)의 중앙상부를 노출시키는 포토레지스트(PR)패턴을 형성하는 단계(도5a)와; 화학적 기계적 연마공정을 통해 상기 노출된 하드마스크층(12)을 제거하고, 노출되는 9.74°off-axis 실리콘(3)을 45°의 각도로 경사지도록 연마하여, 절연막(2)이 노출되면 연마를 중지하고, 상기 포토레지스트(PR) 패턴을 제거하는 단계(도5b)와; 상기 노출된 절연막(2)을 제거하는 단계(도5c)와; 상기 하드마스크(12)를 제거하는 단계(도5d)와; 상기 하드마스크(12)가 제거된 구조의 상부에 포토레지스트(PR1)를 도포하고, 노광 및 현상하여 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)의 일측 경사면의 일부를 노출시킴과 아울러 상기 노출된 실리콘 기판(1)의 중앙상부를 노출시키는 패턴을 형성하는 단계(도5e)와; 상기 노출된 9.74°off-axis 실리콘(3)의 경사면과 실리콘 기판(1)의 상부에 금속을 증착하여, 미러(4)와 전극(5)을 형성하는 단계(도5f)와; 상기 포토레지스트(PR1) 패턴을 제거하는 단계(도5g)와; 상기 미러(4)가 형성되지 않은 SOI기판(11) 영역을 분리시키는 단계(도5h)로 이루어진다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 초소형 미러 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 도4의 흐름도에 나타낸 바와 같이 9.74°off-axis 실리콘(3)을 절연막(2)이 형성된 실리콘 기판(1)과 본딩하여 SOI기판(11)을 형성한다.

이때 두 기판을 접합하는 방법으로는 실리콘 마이크로 머시닝 기술의 일종인 실리콘 직접접합법(SILICON DIRECT BONDING)을 사용할 수 있고, 일정 농도의 나트륨 불순물을 포함하는 산화막을 매입 산화막으로 실리콘 기판(1) 상에 증착한 후, 고전압을 인가하여 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)과 접합하는 양극 접합(anodic bonding) 기술을 사용할 수 있다.

그 다음, 도5a에 도시한 바와 같이 상기 SOI기판(11)의 상부와 하부에 각각 하드마스크층(12)을 형성한다.

상기 하드마스크층(12)은 산화 또는 증착의 방법으로 형성할 수 있으며, 하드마스크층(12)은 실리콘 이방성 식각공정에서 식각용액에서 식각률이 현저히 낮은 물질이면 된다.

그 예로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 이들의 혼합박막을 사용할 수 있다.

그 다음, 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)의 상부에 형성된 하드마스크층(12) 의 상부에 포토레지스트(PR)를 도포하고, 노광 및 현상하여 그 하드마스크층(12)의 상부중앙을 노출시키는 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한다.

그 다음, 상기 포토레지스트(PR) 패턴에 의해 선택적으로 노출되는 하드마스크층(12)을 반응성 이온 식각법 또는 그 하드마스크층(12)만을 선택적으로 식각할 수 있는 식각용액을 사용하여 제거한다.

그 다음, 도5b에 도시한 바와 같이 상기 하드마스크층(12)을 식각한 후, 노출되는 9.74°off-axis 실리콘(3)을 이방성 실리콘 식각용액(AQUEOS ANISOTROPIC SILICON ETCHANT)을 사용하여 식각한다.

상기 이방성 실리콘 식각용액의 예로는 KOH 수용액, EDP(ETHYLENEDIAMINE PYROCATECHOL) 수용액, TMAH(TETRA-METHYL AMMONIUM HYDROXIDE) 수용액을 사용하며, 이외에 하이드로 옥사이드(HYDROXIDE) 계열의 수용액을 사용할 수 있다. 이와 같은 식각용액으로 식각을 진행하면, 식각률이 현저하게 낮은 (111) 결정 평면이 드러나고, 이 평면중에서 9.74°off-axis 실리콘(3)의 표면과 45°의 경사를 이루는 경사면이 식각깊이에 따라 드러나게 된다.

이 45°경사면과 마주보고 드러나는 식각 <111> 결정면은 9.74°off-axis 실리콘(3)과 64.48°의 각도로 형성된다.

이와 같이 식각이 진행되어 상기 절연막(2)이 노출되면, 식각을 중지한다.

이때 식각으로 형성되는 45°경사면의 높이는 최초 9.74°off-axis 실리콘(3)의 두께와 동일하게 되므로, 그 경사면의 높이를 정확하게 제어할 수 있다.

또한, 상기 경사면은 (111) 결정면이므로 식각이 일어나지 않게 된다.

이처럼 종래와는 다르게 타임에치방식이 아닌 식각정지층을 사용하여, 식각공정을 제어함으로써, 보다 정확한 미세 구조물을 형성할 수 있다.

이는 공정의 환경변수에 영향을 받지 않는 공정이며, 이에 따라 공정간의 재현성이 향상된다. 또한, 정확한 치수의 제어에 의해 수율도 향상된다.

그 다음, 도5c에 도시한 바와 같이 상기 노출된 절연막(2)을 제거한다.

이때, 절연막(2)은 불산용액 또는 기타 실리콘을 식각하지 않고, 절연막(2)을 선택적으로 제거하는 용액을 사용한다.

상기 절연막(2)은 식각되지 않은 상태로 사용할 수도 있는데, 절연막을 식각하면, 보다 균일한 식각면을 얻을 수 있고, 절연막(2)의 잔존에 따른 방열문제를 해결할 수 있다. 그러나 적용하는 분야에 따라 절연막(2)을 식각하지 않고 사용할 수도 있다.

그 다음, 도5d에 도시한 바와 같이 SOI기판(11)의 상부와 하부에 위치하는 하드마스크층(12)을 선택적으로 제거한다.

이때, 상기 하드마스크층(12)을 선택적으로 제거할 수 있는 용액을 조절하여 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)의 경사면을 경면처리하여 그대로 미러를 제작할 수도 있다.

그 다음, 도5e에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부에 포토레지스트(PR1)를 도포하고, 노광 및 현상하여 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)의 일측 경사면의 일부를 노출시킴과 아울러 상기 노출된 실리콘 기판(1)의 중앙상부를 노출시키는 패턴 을 형성한다.

그 다음, 도5f에 도시한 바와 같이 상기 노출된 9.74°off-axis 실리콘(3)의 경사면과 실리콘 기판(1)의 상부에 금속을 증착하여, 상기 9.74°off-axis 실리콘(3)의 상부에 미러(4)를 형성하고, 실리콘 기판(1)의 상부에 전극(5)을 형성한다.

이때 증착하는 금속의 종류 및 두께는 미러가 적용되는 광학계에서 쓰는 광의 파장범위 내에서 결정할 수 있다. 또한 금속을 증착하는 방법은 승화(EVAPORATION) 또는 스퍼터링법을 사용하여 증착한다.

그 다음, 도5g에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트(PR1) 패턴을 선택적으로 제거한다. 이는 포토레지스트(PR1)를 선택적으로 용해시키는 아세톤 또는 솔벤트 계열의 화학약품을 이용하며, 상기 포토레지스트(PR1) 패턴의 상부에 증착된 금속은 함께 제거된다.

그 다음, 도5h에 도시한 바와 같이 상기 제조된 초소형 미러를 각각의 개별소자 단위로 다이싱하여 분리한다.

상기와 같이 본 발명은 SOI기판을 사용하여 그 SOI기판 내에 매립된 절연막을 경사면을 가지는 구조물의 형성시 식각이 종료되는 지점을 절연막(2)을 사용하여 정확하게 지정함으로써, 환경변수에 무관하게 균일한 구조물을 형성할 수 있게 된다.

이는 식각률의 변화, 식각 바닥면의 표면 거칠기, 식각 바닥면과 경사면이 이루는 각도 등, 종래에 비하여 넓은 공정 관용도(process latitude)를 제공하여, 이발성 실리콘 식각 공정 등의 마이크로머시닝 기술로 제작되는 구조물의 공정간, 동일 공정내의 투입 웨이퍼 간, 동일 웨이퍼에서 소자간의 균일도를 향상시키며, 수율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 기존의 식각공정의 엄격한 공정환경제어에 대한 필요를 완화시켜, 공정 설비의 가격을 낮추고, 공정 비용을 절감할 수 있게 된다. 그리고, 대량의 웨이퍼를 동시에 공정하는 경우에도 환경변수에 의해 영향을 받지 않음으로써 대량 생산이 가능한 효과가 있다.

도6은 상기 도1에 도시한 본 발명 초소형 미러에 광원을 장착한 사시도이고, 도7은 도6의 평면도, 도8은 도7의 A-B방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 전극(5)의 상부에 광원인 레이저 다이오드(13)를 배치시켰으며, 그 레이저 다이오드(13)의 광은 평면과 45°각도로 기울어진 미러(4)에 의해 90°로 경로가 변경되어 출사된다.

즉, 표면 수직 방사 레이저 광원을 제작할 수 있게 된다. 이와 같은 표면 수직 방사 레이저 광원은 광 기록장치에 사용되는 픽업 광학계의 광원으로 사용할 수 있으며, 광통신의 송수신기로의 활용도가 높다.

상기한 바와 같이 본 발명 초소형 미러 및 그 제조방법은 SOI기판 내에 매립된 절연막을 경사면을 가지는 구조물의 형성시 식각이 종료되는 식각종료막을 사용하여 정확하게 지정함으로써, 환경변수에 무관하게 균일한 구조물을 형성할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 식각시에 발생하는 각종 변수를 배제함으로써, 종래에 비하여 넓은 공정 관용도를 제공하여, 균일도의 향상, 재현성의 향상 및 수율을 향상시키는 효과가 있다.

그리고, 기존의 식각공정의 엄격한 공정환경제어에 대한 필요를 완화시켜, 공정 설비의 가격을 낮추고, 공정 비용을 절감할 수 있게 된다. 그리고, 대량의 웨이퍼를 동시에 공정하는 경우에도 환경변수에 의해 영향을 받지 않음으로써 대량 생산이 가능한 효과가 있다.

Claims (12)

1. 실리콘 기판의 상부에 위치하는 절연막과;

   상기 절연막의 상부에 위치하는 적어도 하나의 경사면을 가지는 실리콘 구조물과;

   상기 실리콘 구조물의 경사면에 위치하는 미러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 미러.
2. 제 1항에 있어서, 상기 경사면은 45°의 경사각으로 경사진 것을 특징으로 하는 초소형 미러.
3. 제 1항에 있어서, 실리콘 구조물은 9.74°off-axis 실리콘인 것을 특징으로 하는 초소형 미러.
4. 제 1항에 있어서, 상기 경사면이 위치하는 방향으로 연장된 방향에 노출된 실리콘 기판의 상부에 위치하는 금속전극과; 그 금속전극의 상부에 위치하는 수광 또는 발광소자를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 미러.
5. 제 4항에 있어서, 상기 금속전극은 실리콘 기판상에 직접 위치하거나, 연장된 상기 절연막 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 초소형 미러.
6. 제 1항에 있어서, 상기 미러는 실리콘 구조물의 경사면이거나, 그 경사면상에 위치하는 금속인 것을 특징으로 하는 초소형 미러.
7. 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판을 준비하는 단계와;

   상기 SOI 기판의 상하부에 식각방지층을 형성하는 단계와;

   상기 SOI 기판의 상부에 위치하는 식각방지층의 일부를 식각하여, 그 하부의 실리콘층을 노출시키는 단계와;

   상기 노출된 실리콘층을 경사지게 이방성 식각하여 실리콘 구조물을 형성하는 단계와;

   상기 식각방지층을 제거하고, 실리콘 구조물의 경사면을 경면처리하여 미러를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 미러 제조방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 SOI 기판을 준비하는 단계는 9.74°off-axis 실리콘 기판과, 상부면에 절연층이 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계와;

   상기 실리콘 기판과 9.74°off-axis 실리콘 기판을 절연층이 중앙에 위치하도록 본딩하는 단계와;

   상기 9.74°off-axis 실리콘 기판을 소정두께로 연마하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 미러 제조방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 결정방향에 무관하게 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 미러 제조방법.
10. 제 7항에 있어서, 상기 미러를 형성하는 단계는 식각방지층을 제거하고, 그 경사면에 금속을 증착하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 미러 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 미러의 형성을 위해 경사면에 금속을 증착하는 공정은 그 미러를 형성함과 아울러 실리콘 기판 또는 절연막의 상부에 금속을 증착하여 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 초소형 미러 제조방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 전극의 상부에 수광 또는 발광소자를 부착하는 공정을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 미러 제조방법.

Images