KR20010012688A - 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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앤드류던컨 맥콰리
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바르드와야 자이
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Abstract

본 발명은 마이크로 기계 장치를 제조하는 방법에 관련된다. 이 방법은 (a) 기판(1)에 측벽(4)과 베이스(5)를 가지는 트렌치(6)를 형성하도록 마스크의 구멍을 통하여 마스크(2)를 가지는 기판(1)을 원하는 깊이로 에칭하고; (b) 기판과 마스크의 노출된 표면에 한 층의 보호 물질(7)을 용착하며; (c) 베이스(5)로부터 보호 물질(7)을 선택적으로 제거하고; (d) 플루오르-함유 에칭액을 사용해 베이스(5)를 에칭하는 과정으로 이루어진다. 또 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 장치와 전술한 방법에 의해 형성된 마이크로 기계 장치에 대해 설명된다.

Description

마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING A MICROMECHANICAL DEVICE}
현재 마이크로 기계 장치를 제조하는 방법은, 비등방성 에칭, 마스크 제거, 실리콘 산화물 용착, 선별적 산화물 에칭 및, SF6플라즈마와 산화 스트립으로 실리콘 등방성 에칭하는 과정을 이용한다. 그러나 이 방법은 많은 단계를 거쳐야 하므로 사이클 타임(cycle time)이 깊어지고 고비용이 든다. 다른 방법은 실리콘 이산화물의 매몰된 산화물층으로 에칭하고 인터페이스에서 비등방성 실리콘 에칭을 선택적으로 정지시킨다. 실리콘 산화물은 실리콘 구조물을 떼어놓기 위해서 HF에 의해 선택적으로 제거된다. 그러나, 이 방법은 매몰된 산화물 층을 가지는 웨이퍼를 사용해야 하므로 고비용이 들고 HF 에칭을 위한 추가 장비를 필요로 한다. 그리고 HF 에칭 자체는 부착될 수 있는 가능성이 높다.
본 발명은 플루오르 에칭액, 예를 들어 크세논 디플루오라이드(XeF2)를 사용한 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관계한다. 크세논 디플루오라이드는 건조 등방성 기체 상태 에칭액이고, 이것은 저온에서 실리콘을 점진적으로 에칭시킨다. 크세논 디플루오라이드는 일반적으로 분해없이 승화하는 무색 결정 형태로 공급된다. XeF2에 대한 승화 압력은 약 4 Torr이다.
도 1 은 패턴 포토레지스트를 포함하는 실리콘 기판의 횡단면도;
도 2 는 실리콘 에칭되는 도 1 에 대응하는 횡단면도;
도 3 은 보호층이 용착되는 도 1 과 2 에 대응하는 횡단면도;
도 4 는 보호층이 선택적으로 제거되는 대응하는 횡단면도;
도 5 는 기판의 부분 에칭을 보여주는 횡단면도;
도 6 은 에칭이 끝난 상태를 나타낸 횡단면도;
도 7 은 본 발명에 따른 방법에 의해 형성된 서로 맞물린 실리콘 핑거의 상측면도;
도 8 은 도 7 의 A-A선을 따라서 본 횡단면도;
도 9 는 본 발명에 따른 장치의 개략도.
* 부호설명
1 ... 실리콘 기판 2 ... 포토레지스트(photoresist)
3 ... 채널 4 ... 측벽
5 ... 베이스 6 ... 트렌치(trench)
7 ... 용착층 8 ... 상부면
첫째, 본 발명에 따르면 하기 단계로 이루어진 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 방법을 제공한다:
(a) 기판에 측벽과 베이스를 가지는 트렌치(trench)를 형성하도록 원하는 깊이로 마스크에서 구멍을 통하여, 마스크를 가지는 기판을 에칭하는 단계;
(b) 마스크와 기판의 노출된 표면 상에 보호 물질 층을 용착하는 단계;
(c) 베이스로부터 보호 물질을 선택적으로 제거하는 단계; 및
(d) 플루오르-함유 에칭액을 사용하여 베이스를 에칭하는 단계.
플루오르-함유 에칭액은 플라즈마가 없는 경우에 기판을 에칭하는데 사용되는 가스나 증기이다.
유리하게도, 플루오르-함유 에칭액은 XeF2이다. 그러나 공동 출원중인 영국 특허 출원 제 9904925.6 에 기술된 대로 (기체 상태로 실리콘의 에칭 속도를 높일 수 있는) F2또는 ClF2와 같은 다른 증기가 XeF2를 대신하여 똑같이 적용되거나 XeF2를 가지는 혼합물 형태로 적용될 수 있다. 따라서, XeF2를 사용하는 것이 아래에서 자세히 설명되었지만 다른 기체도 이용할 수 있다.
편리하게, 상기 마스크는 다수의 구멍을 포함한다.
이 방법은 마스크와 남아있는 보호 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 제거 과정은 플라즈마에 의해 이루어진다. 기판은 실리콘으로 형성되는 것이 유리하다.
선호되는 실시예에서, 마스크는 사진석판 공정에 의해 용착된다.
상기 기판은 비등방성 에칭에 의해 에칭된다. 비등방성 에칭은 EP-A-0822582 와 EP-A-0822584에 기술된 방법을 사용해 실시되는데 상기 출원의 내용은 본원에서 참고로 설명된다.
제품을 에칭하기 위한 장치 및 방법에서 XeF2를 사용하는 것은 영국 특허 출원 제 9709659.8에서 기술되는데, 이 내용은 본원에서 참고로 설명된다.
보호 물질은 X가 2인 CFx 중합체 체인과 같은 CyFx 형태로 이루어진다(여기서 x와 y는 모든 적절한 값이다). 그러므로, 보호 물질은 일반식 n(CF2)로 구성된다. 한 가지 예로는 가교결합된 PTFE가 있다. 예를 들어 C4F8과 같은 알맞은 공급 기체를 가지고, RF 플라즈마와 같은 플라즈마를 발생시키므로써 용착된다. 선호되는 실시예에서, 보호 물질의 일반적인 용착 두께는 약 10 내지 100nm 범위내에 있다. 또는, 보호물질은 CHx 중합체 체인처럼 CYHX형태로 이루어지는데 여기에서 X는 2이다. 그러므로, 이것은 일반식 n(CH2)로 이루어진다. 이 경우에 공급 기체는 예를 들면 CH4이다. X와 Y는 모든 적절한 값이다.
보호 물질은 측벽 이외의 다른 모든 표면으로부터 선별적으로 제거되고 플루오르-함유 에칭액으로 에칭하는 과정은 모든 비보호 영역에서 일어난다.
보호 물질은 아르곤, 헬륨 또는 질소를 가지는 혼합물이나 산소와 같은 플라즈마에 의해 선택적으로 제거될 수 있다. 선택적으로 제거하는 과정은 당해 기술 분야에 공지된 것처럼 적절한 플라즈마 과정에 의해 달성될 수 있다.
플루오르-함유 에칭액을 가지고 실시되는 에칭과정은 기판의 비보호 영역에 대한 등방성 에칭 과정이다.
둘째, 본 발명에 따르면 전술한 방법에 의해 형성된 장치를 제공한다.
이 장치는 트렌치에 의해 분리된 일련의 이웃한 핑거로 구성된다. XeF2와 같은 플루오르-함유 부식액은 언더컷(undercut)하는데 사용되어서 트렌치는 이어진다.
셋째, 본 발명에 따르면 다음 장치를 포함하는 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 장치를 제공한다:
(a) 마스크를 가지는 기판을 원하는 깊이로 에칭하기 위한 장치;
(b) 기판과 마스크의 노출면에 한 층의 보호 물질을 용착하기 위한 장치;
(c) 보호 물질을 선택적으로 제거하기 위한 장치; 및
(d) 비보호 영역을 에칭하기 위해 플루오르-함유 에칭액을 제공하기 위한 장치.
보호 물질을 용착하기 위한 장치는 플라즈마 발생 수단이다. 보호 물질을 선택적으로 제거하기 위한 장치는 적절한 플라즈마를 제공하기 위한 수단을 포함한다.
선호되는 실시예에서, 상기 장치는 마스크와 남아있는 보호 물질을 제거하기 위한 수단을 포함하고 이 수단은 플라즈마 공급원, 선호적으로 산소 플라즈마 공급원이다.
비록 본 발명은 위에서 설명되었지만, 하기 실시예 및 전술한 특징들을 결합하여 적용할 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 발명은 다양한 방법으로 실시되고 첨부도면을 참고로 특정 실시예가 설명된다.
도 1 은 실리콘 기판(1)과 그 위의 일정한 패턴을 가지는 포토레지스트(마스크)(2)를 나타낸다. 실리콘 기판(1)은 사진석판 과정을 이용함으로써 형태가 만들어진다. 포토레지스트(2) 부분 사이에 채널(3)이 놓인다.
도 2 에 나타난 것처럼, 실리콘은 아래쪽으로 비등방성 에칭에 의해 원하는 깊이로 에칭되어서 가능한 한 적게 구조물의 측벽을 에칭한다. 이 에칭 과정은 모든 적합한 공정에 의해 실시될 수 있다. 여기에서 EP-A-0822582 와 EP-A-0822584를 참고할 수 있다. 이 에칭은 측벽(4)과 베이스(5)를 형성한다. 일련의 측벽(4)과 베이스(5)는 함께 트렌치(6)를 형성한다.
도 3 에 나타난 것처럼, 보호 물질층은 약 100nm의 두께로 노출된 표면 상에 용착된다. 이 용착증은 7로 나타내었다. 이 층은 C4F8인 공급 기체를 가지고 RF 플라즈마를 발생시킴으로써 프로세스 챔버 내에 용착되고 전술한 바와 같은 CYFX층을 제공한다. 한 가지 예로 일층의 가교결합된 PTFE를 고려할 수 있다.
도 4에서, 아르곤/산소 혼합물은 상부면(8)과 베이스(5)에 의해 도시된 수평면으로부터 CYFX(예를 들어 가교-결합된 PTFE)를 선별적으로 제거한다. 이 요구조건은 예를 들어, 저압 반응성 이온 에칭이나 전술한 것처럼 유도 결합된 플라즈마 기술을 이용함으로써 달성될 수 있다.
그 후에 베이스(5)상의 비보호 실리콘 영역을 에칭할 수 있다. 도 5 는 부분적으로 에칭된 결과를 보여주는데 이 부분 에칭은 에치(9)를 형성한다. 본 발명에서, XeF2는 에치(9)를 형성하는 비보호 실리콘 영역을 비등방성으로 에칭하는데 사용된다.
도 6 은 포토레지스트(2)와 남아있는 용착층(7)을 제거하기 위해서 산소 플라즈마에 의해 수반되는 XeF2에 의해 에칭을 완성한 결과를 보여준다. 이 에칭은 10으로 나타낸 완성된 에치를 제공한다.
전술한 방법은, 비등방성 에칭에 의해 형성된 후에 실리콘 미세구조물을 풀어주는 간단한 접근법을 제공한다. 따라서, 전술한 대로 도 5 는, 분해 과정이 일어나는 구조를 보여주고 도 6 은 떼어놓았을 때 구조를 보여준다. 이 방법은 비등방성 에칭과 동일한 프로세스 챔버 내에서 연속적으로 실행될 수 있다. 그러므로, 모든 단계는 동일한 프로세스 챔버 내에서 실행될 수 있다.
도 1 내지 6 에 나타낸 과정에서, 서로 맞물린 실리콘 핑거 구조물이 생산된다. 이 방법은 대형 구조물 또는 폴리실리콘 구조물에 적용될 수 있다.
도 7 과 8 은, 서로 맞물린 실리콘 핑거(10)가 나타나 있는 실리콘 미세구조물의 최종 형태를 보여준다.
본 발명에 따른 미세구조물은 여러 가지 용도를 가지고, 이 구조물에 대한 일반적인 용도는 가속도계와 자이로스코프인데 이것은 한 세트의 실리콘 핑거(10)를 고정하고 힘이 적용될 때 다른 세트를 움직이도록 허용함으로써 실리콘 핑거 사이의 커패시턴스 감지를 근거로 하는데, 실리콘 세트의 운동은 커패시턴스에서 변화에 의해 감지된다.
도 9 는 본 발명에서 사용하기에 적합한 반응기 챔버(11)를 나타낸다. 일반적으로, 진공 챔버(12)는 기판(14)을 수용하기 위한 지지전극(13)과 이격된 전극(15)을 포함한다. 기판(14)은 클램프(16)에 의해 지지부(13)에 대해 압착될 수 있다. 상기 챔버(12)는 코일(17)에 의해 둘러싸여 있고 전극(13,15)사이의 챔버(12)에서 플라즈마를 유도하는데 사용되는 RF원에 의해 공급된다. 또 마이크로파 전원은 플라즈마를 발생하는데 사용될 수 있다. 전술한 두 경우에 플라즈마 바이어스를 생성할 필요가 있는데, 이것은 RF 또는 DC 이고 플라즈마로부터 기판(14)으로 이온을 통과시키도록 지지전극에 연결될 수 있다. 상기 조절가능한 바이어스 장치의 예는 19로 나타내었다. 이 챔버는 가스 유입구(20)와 배기구(21)를 구비한다.

Claims (14)

  1. (a) 기판에 측벽과 베이스를 가지는 트렌치를 형성하도록 마스크를 가지는 기판을 마스크의 구멍을 통하여 원하는 깊이로 에칭하는 과정;
    (b) 기판과 마스크의 노출된 표면에 한 층의 보호 물질을 용착하는 과정;
    (c) 베이스로부터 보호 물질을 선택적으로 제거하는 과정; 및
    (d) 플루오르-함유 에칭액을 사용해 베이스를 에칭하는 과정으로 이루어진 마이크로 기계 장치를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 플루오르-함유 에칭액은 플라즈마가 없는 경우에 기판을 에칭하는데 사용되는 가스 또는 증기인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 플루오르-함유 에칭액은 XeF2, F2, ClF3또는 그 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 플루오르-함유 에칭액은 XeF2인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 상기 청구항에 있어서,마스크와 남아있는 보호 물질을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 상기 청구항에 있어서, 보호 물질은 일반식 CYFX의 탄화플루오프 고분자인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 보호 물질은 일반식 n(CF2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 5 항중 한 항에 있어서, 보호물질은 CYHX로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 보호 물질은 일반식 n(CH2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 상기 청구항에 따른 방법에 의해 형성된 마이크로 기계 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 트렌치에 의해 분리된 일련의 이웃한 핑거를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기계 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 트렌치는 통하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 기계 장치.
  13. (a) 마스크를 가지는 기판을 원하는 깊이로 에칭하는 장치;
    (b) 기판과 마스크의 노출된 표면에 한 층의 보호 물질을 용착하는 장치;
    (c) 보호 물질을 선택적으로 제거하는 장치; 및
    (d) 비보호 영역을 에칭하기 위해 플루오르-함유 에칭액을 제공하는 장치로 구성된 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 마스크와 남아있는 보호 물질을 제거하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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