KR20010002913A - 미세가공소자의 희생층 제거방법 - Google Patents

Abstract

미세가공소자의 희생층 제거방법에 관한 것으로, 기판 위에 소정 패턴으로 Al 희생층을 형성하고, Al 희생층의 상부나 하부에 Cr 박막층을 형성한 다음, 그 위에 제작하고자 하는 구조물의 물질을 입힌다. 이어, Al 희생층이 형성된 기판을 묽은 염산용액에 담그고, 이 용액 속에서 Al 호일을 Cr 박막층에 접촉시키면, 빠른 시간 안에 Cr 박막층과 Al 희생층이 제거되어 희생층 상부에 형성된 구조물만이 남게된다. 이와같이, 빠른 시간에 희생층을 제거할 수 있으므로 공정시간 및 공정단가를 줄일 수 있어 대량 생산에 적합하다.

Description

미세가공소자의 희생층 제거방법{method for removing sacrificial layer of MEMS}

본 발명은 미세가공기술{MEMS(Micro Electro Mechanical System) technology}에 관한 것으로, 특히 미세가공소자의 희생층 제거방법에 관한 것이다.

현재, 새 기술로 각광을 받고 있는 미세가공기술(MEMS technology)은 앞으로 다가오는 21세기의 산업에 큰 변화를 가지고 올 것이다.

초소형의 로봇(robots)이 인체뿐만 아니라 산업전반에서 사용될 것이고, 각종 소형 및 고성능의 센서(sensors)이나 콘수머 일렉트로닉 시스템(consumer electronic systems)이 개발될 것이다.

이러한 소자들(devices)이나 시스템(systems)의 개발을 위해서 꼭 사용되는 미세가공기술 중의 하나가 희생층을 제거하는 기술이다.

움직이는 마이크로머쉬인드 구조물(micromachined structures){예를 들면, 모터(motors), 릴레이(relays), 스위치(switches), 튜너블 커패시터(tunable capacitors), 그리고 다른 많은 종류의 액튜에이터(actuators)}이나 집적된 RF 시스템(integrated RF systems)을 만들 때에 많이 사용되는 에어 브릿지(air bridges), 그리고 RF 소자을 실리콘 기판(lossy substrates) 위에 만들 때에 기판으로 오는 기생(parasitics)을 줄이기 위하여 구조물을 기판 위에(공중에) 만들어야 하는 경우에 반드시 사용해야 할 공정 중의 하나가 희생층(sacrificial layer) 제거 기술이다.

희생층 제거 기술은 공중에 띄우고자 하는 구조물 아래에 희생층을 두고, 그 희생층을 제거하면 희생층 상부의 구조물은 공중에 떠 있게 되는 기술이다.

따라서, 희생층 제거 기술은 어떠한 재료(material)를 희생층으로 사용하고 어떠한 방법으로 그 희생층을 제거할 것인가를 선택하는 것이 매우 중요하다.

그러나, 이러한 희생층 제거 기술은 드라이 에칭(dry etching)이나 ?? 에칭(wet etching) 그 어떤 방법을 사용하던지 희생층을 제거하는데 걸리는 시간은 매우 길다.

또한, 드라이 에칭은 진공 장비를 사용하기 때문에 소자들을 낮은 가격에 대량생산을 고려할 때에 적절하지 못하다.

그리고, ??(wet) 에칭을 사용하여 희생층을 제거하는 경우, 지금까지 희생층(sacrificial layer)의 재료로 알루미늄을 주로 사용하였다.

알루미늄 희생층을 제거하는 ?? 에칭들은 잘 개발되어 전 세계적으로 많이 사용되고 있지만 몇 가지 문제점이 있었다.

예를 들면, 박막들에 선택비(selectivity)가 좋아 가장 많이 사용되고 있는 에천트(etchant)로 Al12(인산, 질산, 초산들과 물의 혼합물)가 있는데, 이 에천트는 알루미늄을 에칭하는 속도가 너무 늦어서 대량 생산에는 적합하지 못하다.

도 1a, 도 1b와 도 2a, 도 2b는 종래 일실시예에 따른 희생층 제거 방법을 보여주는 도면으로서, 에어 브릿지 형태의 구조물을 제작할 때, 사용되는 기술이다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 소정 형태의 알루미늄 희생층 패턴을 형성한 후, 그 위에 에어 브릿지를 형성하기 위해 맴브레인(membrane)을 증착한다.

이어, 도 1b에 도시된 바와 같이 에천트에 장시간 담구면 알루미늄 희생층은 제거되어 에어 브릿지 형태의 맴브레인만이 남는다.

그러나, 이때 희생층을 제거하는 시간이 너무 길어 대량 생산에는 적합하지 못한 단점이 있었다.

그러므로, 이러한 단점을 보완하기 위하여 도 2a에 도시된 바와 같이 희생층 위의 맴브레인에 에칭 홀(hole)들을 만든 후에 도 2b에 도시된 바와 같이 에천트에 담구면 희생층의 에칭 면적이 넓어 종전보다 희생층이 빨리 제거된다.

하지만, 이 방식도 약간의 시간은 단축했지만, 여전히 많은 시간이 소요되고 공정이 한 두 과정 더 늘어나게 되는 단점이 있었다.

종래 기술에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

희생층의 제거 시간이 많이 소요되어 대량 생산에 적합하지 못하므로 생산가가 증가한다.

본 발명은 이러한 문제들을 해결하기 위한 것으로, 빠른 시간에 희생층을 제거하여 대량 생산에 적합한 미세가공소자의 희생층 제거방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a, 도 1b와 도 2a, 도 2b는 종래 일실시예에 따른 희생층 제거 방법을 보여주는 도면

도 3a 내지 도 3e는 본 발명 제 1 실시예에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법을 보여주는 사시도 및 단면도

도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c는 본 발명 제 2 실시예에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법을 보여주는 평면도 및 단면도

본 발명에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법은 기판상에 희생층으로 사용되는 소정 패턴의 제 1 금속과 제 2 금속을 전기적으로 접속되도록 형성하는 단계와, 희생층이 형성된 기판을 산성 용액에 담그는 단계와, 제 1, 제 2 금속 중 어느 한 금속에 제 3 금속을 접촉하여 제 1, 제 2 금속을 제거하는 단계로 이루어진다.

여기서, 제 1 금속이 Al, 제 2 금속이 Cr이거나 또는 제 1 금속이 Cr, 제 2 금속이 Al이며, 제 3 금속은 Al, Zn, Ti 중 어느 하나이다.

또한, Al이 희생층인 경우, 이 희생층은 Cr층의 상부면, 측면, 하부면 중 적어도 어느 한 곳에 전기적으로 연결되어야 한다.

이 Al 희생층에 전기적으로 연결된 Cr층은 묽은 염산 용액 안에서 Al 호일(foil)에 접촉되면서 Al 희생층 및 Cr층은 수 초 내에 제거되므로, 액튜에이터, 에어 브릿지, 기판으로부터 떨어져 공중에 뜬 구조물을 만들 때, 매우 유용하다.

또한, 본 발명은 기판상에 소정 패턴의 하부전극, 희생층, 맴브레인, 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계와, 소정 영역의 상부전극 및 맴브레인을 제거하여 희생층의 일부를 노출시키는 단계와, 노출된 희생층에 전기적으로 접속되도록 제 1 금속을 형성하는 단계와, 희생층이 형성된 기판을 산성 용액에 담그는 단계와, 제 1 금속에 제 2 금속을 접촉하여 희생층 및 제 1 금속을 제거하는 단계로 이루어진다.

여기서, 희생층은 Al이고, 제 1 금속은 Cr이며, 제 2 금속은 Al, Zn, Ti 중 어느 하나이다.

또한, 희생층은 희생층의 상부면, 측면, 하부면 중 적어도 어느 한 곳이 노출되어 그 노출된 면을 통해 에칭된다.

그리고, 맴브레인은 Al 지지체에 의해 지지되는데, 이 지지체는 Al 희생층과 제 1 금속인 Cr에 전기적으로 접속되지 않도록 형성한다.

맴브레인은 실리콘 나이트라이드, 실리콘 디옥사이드, 폴리머 중 어느 하나로 이루어지고, 상/하부 전극은 전기도금 또는 스퍼터링된 금, 구리, 니켈 중 어느 하나로 이루어진다.

이 방법은 투너블 커패시터(tunable capacitor)와 기계적으로 움직이는 마이크로 스위치(micro switches)을 만들 때, 유리하게 적용된다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 본 발명 제 1 실시예에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법을 보여주는 사시도이고, 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 단면도이다.

도 3b는 패터닝된 Al 희생층 위에 Cr 박막층을 형성한 경우이고, 도 3c는 Cr 박막층 위에 패터닝된 Al 희생층을 형성한 경우이다.

본 발명은 도 3a, 도 3b, 도 3c에 도시된 바와 같이, 패터닝된 Al 희생층을 Cr 박막층에 연결시킨 다음, 묽은 염산용액 안에 넣고 Al 호일(foil)을 Cr 박막층에 접촉시킴으로써, 빠른 시간 내에 Cr 박막층과 Al 희생층을 동시에 제거하는 방법이다.

즉, 기존의 방법으로는 몇 시간이 걸려야 제거할 수 있는 희생층을 약 5초 내에 제거할 수 있는 방법이다.

또한, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이 패턴된 Al/Cr층 혹은 Cr/Al층은 Al호일을 접촉시킬 필요 없이 묽은 염산용액 안에 넣어두면 Cr과 Al이 자체 반응을 일으켜 약 30 ∼ 40초 내에 제거된다.

이 방법은 액튜에이터, 에어 브릿지과 같이 기판으로부터 떨어져 공중에 뜬 구조물을 만들 때, 매우 유용한 방법이다.

이 방법에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이 기판 위에 소정 패턴으로 Al 희생층을 형성하고, Al 희생층의 상부나 하부에 Cr 박막층을 형성한다.

그리고, 도시되지는 않았지만 그 위에 제작하고자 하는 구조물의 물질을 입힌다.

이때, 중요한 것은 Cr 박막층과 Al 희생층은 반드시 연결되어야 한다는 것이다.

그 이유에 대해서는 후에 설명하기로 한다.

이어, Al 희생층이 형성된 기판을 묽은 염산용액에 담근다.

묽은 염산용액은 물과 약 30∼60%의 염산이 섞인 것으로, 일반적인 Al 에천트(etchant)와는 달리 나이트라이드(nitride)나 옥사이드(oxide)막을 식각하지 않는다.

그리고, 이 용액 속에서 Al 호일을 Cr 박막층에 접촉시키면, 빠른 시간 안에 Cr 박막층과 Al 희생층이 제거되어 희생층 상부에 형성된 구조물만이 남게된다.

여기서, Al 호일 대신에 벌크 형태의 Al 조각을 사용할 수 있으며, Al 이외에 Zn, Ti 등의 베이직(basic)쪽의 금속도 가능하다.

이와 같이, 빠른 시간 내에 희생층이 제거되는 이유는 다음과 같다.

즉, Cr과 Al의 두 물질이 전기적으로 접촉하게 되면, 두 물질은 갈바닉 커플(galvanic couple)을 이루어 묽은 염산용액 내에서 오픈 서킷 포텐셜(open circuit potential), 즉 평형 포텐셜(equilibrium potential)이 변하게 된다.

다시 말해, Cr은 Cr의 페시베이션층(passivation layer)에 의해 산화 반응이 억제되고 있는 상태인 데, 여기에 Al 호일을 접촉하게 되면 전체적인 포텐셜이 변하게 된다.

이것을 전류-전압 곡선(I-V curve)를 통해 설명하면, Cr의 아노딕 극성 곡선(anodic polarization curve)은 전압 V의 증가에 따라 전류 I가 네른스트(Nernst) 방정식을 대체로 만족하면서 급격하게 증가하다가 어느 포텐셜 이상이 되면 급격하게 전류 I의 감소가 나타난다.

그 이유는 Cr의 표면에 부동태 막이 형성되어 거의 산화 반응이 일어나지 않다가 Al의 접촉에 의해 평형 상태가 깨지면서, 갑자기 Al을 제거하게 되면 Cr은 거의 산화 피막을 형성할 시간적 여유를 갖지 못하고 제거된다.

한편, Cr이 제거되어가면서, Al 희생층도 염산용액에 노출되고, 식각이 되어가는 Cr과 반응하여 급격하게 제거된다.

이러한 방법을 이용하여 원형(circular type)의 튜너블 커패시터(tunable capacitor)도 쉽게 제작할 수 있다.

도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c는 본 발명 제 2 실시예에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법을 보여주는 평면도 및 단면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 맴브레인(membrane) 중앙에 홀(hole)을 갖는 원형 튜너블 커패시터의 제조공정을 보여주기 위한 도면이고, 도 5a 내지 도 5c는 맴브레인 중앙에 홀을 갖지 않는 원형 튜너블 커패시터의 제조공정을 보여주기 위한 도면이다.

여기서, 도 4a 및 도 5a는 원형 튜너블 커패시터의 평면도이고, 도 4b 및 도 5b는 원형 튜너블 커패시터의 하부전극을 보여주는 평면도이며, 도 4c 및 도 5c는 원형 튜너블 커패시터의 단면도이다.

이 원형 튜너블 커패시터는 고주파 회로와 무선, 유선 통신 시스템에서 주파수 튜닝(tuning)을 위해 널리 쓰이는 소자이다.

원형 튜너블 커패시터는 실리콘 기판 위에 얇은 절연층, 하부전극, 공중에 떠있는 절연체인 맴브레인, 그리고 이 절연체 맴브레인 위에 상부전극이 형성된 구조로 이루어진다.

이때, 절연체 맴브레인은 Al 지지체로 지지되어 있다.

도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 맴브레인 중앙에 홀을 갖는 원형 튜너블 커패시터의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기판 위에 소정 패턴으로 하부전극, Al 희생층, Al 지지체, 맴브레인, 상부전극을 순차적으로 형성하고, 상부전극 및 맴브레인의 중앙 영역에 에치 홀을 뚫어 Al 희생층의 일부를 노출시킨다.

이어, 스퍼터(sputter)를 이용하여 Cr층을 도포하여 에치 홀을 통해 Cr층과 Al 희생층이 전기적으로 연결되도록 한다.

그리고, Cr층이 형성된 기판을 묽은 염산용액에 담그고, Cr층에 Al 호일을 접촉시켜 Al 희생층 및 Cr층을 제거한다.

Al 희생층이 제거되면, 절연체 맴브레인은 공중에 떠있게 되는데, 맴브레인 위에 있는 상부전극과 기판 위에 있는 하부전극에 AC 전압을 인가함으로써, 맴브레인이 움직이게 되고 움직이는 맴브레인에 의해 커패시턴스(capacitance)가 변화하게 된다.

여기서, 맴브레인을 지지하는 Al 지지체는 Al 희생층을 식각할 때에 식각되지 않도록 하기 위해 Cr층과 Al 희생층과는 전기적으로 연결되지 말아야 한다.

또한, 공중에 떠있는 맴브레인은 절연체로 형성되는데, 이 절연체는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride), 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide), 폴리머들(polymers) 등이 사용된다.

그리고, 상/하부 전극은 전기도금 또는 스퍼터링된 금, 구리, 니켈, 다른 금속 박막 등으로 형성된다.

한편, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 중앙에 에치 홀을 갖지 않는 원형 튜너블 커패시터의 제조공정은 다음과 같다.

여기서는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 커패시터와는 달리 맴브레인을 지지하는 Al 지지체의 측면에 에치 홀들이 형성된 구조로 이루어진다.

그러므로, Cr층은 Al 지지체의 측면에 형성된 에치 홀들을 통해 Al 희생층에 전기적으로 연결되도록 형성된다.

그리고, 상기와 동일한 방법으로 Cr층이 형성된 기판을 묽은 염산용액에 담그고, Cr층에 Al 호일을 접촉시켜 Al 희생층 및 Cr층을 제거한다.

이때, 맴브레인을 지지하는 Al 지지체는 Al 희생층과 Cr층에 전기적으로 접속되지 않도록 반드시 격리되어야 한다.

이와 같이 제작되는 원형 튜너블 커패시터의 구조와 공정은 매케니컬 마이크로 스위치(mechanical microswitch)를 제작할 때에도 동일하게 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 미세가공소자의 희생층 제거방법은 다음과 같은 효과가 있다.

빠른 시간에 희생층을 제거할 수 있으므로 공정시간 및 공정단가를 줄일 수 있어 대량 생산에 적합하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (8)

1. 기판상에 희생층으로 사용되는 소정 패턴의 제 1 금속과 제 2 금속을 전기적으로 접속되도록 형성하는 제 1 단계;

   상기 희생층이 형성된 기판을 산성 용액에 담그는 제 2 단계; 그리고,

   상기 제 1, 제 2 금속 중 어느 한 금속에 제 3 금속을 접촉하여 상기 제 1, 제 2 금속을 제거하는 제 3 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 금속은 Al, Cr 중 어느 하나이며, 상기 제 1, 제 2 금속은 각기 다른 물질인 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 금속은 Al, Zn, Ti 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 산성 용액은 묽은 염산 용액인 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
5. 기판상에 소정 패턴의 하부전극, 희생층, 맴브레인, 상부전극을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;

   상기 소정 영역의 상부전극 및 맴브레인을 제거하여 희생층의 일부를 노출시키는 제 2 단계;

   상기 노출된 희생층에 전기적으로 접속되도록 제 1 금속을 형성하는 제 3 단계;

   상기 희생층이 형성된 기판을 산성 용액에 담그는 제 4 단계; 그리고,

   상기 제 1 금속에 제 2 금속을 접촉하여 상기 희생층 및 제 1 금속을 제거하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 희생층은 Al이고, 상기 제 1 금속은 Cr인 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 금속은 Al, Zn, Ti 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서,

   상기 희생층과 제 1 금속에 전기적으로 접속되지 않도록 상기 맴브레인을 지지하는 지지체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공소자의 희생층 제거방법.