KR20010077628A - 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성시켜, 이 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 건식 식각하여 식각 마스크를 형성한 다음, 상기 식각 마스크를 이용하여 결정면에 의존하는 식각용액인 KOH 용액과 같은 알카리성 용액을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 습식 식각한 후, 결정방향 111면 위에 성장된 산화막을 식각 마스크로 한 건식 식각을 통하여 결정방향 100면의 산화막과 실리콘을 식각하여 서브-파장 구멍을 형성한 다음, 하측의 실리콘 웨이퍼를 KOH용액과 같은 알카리성 용액으로 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하며, 이와 같이 구성되어 있으므로, 근접장 광 센서에서 가장 핵심부인 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)을 간단하고 재현성이 우수하게 형성할 수 있다.

Description

근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법{fabrication of sub-wavelength aperture for near field optical sensor}

본 발명은 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)의 형성방법에 관한 것이다.

실리콘 반도체 기술의 발달은 나노 스케일(nanoscale)의 기억 장치 개발을 가능하게 하였다. 이러한 기술의 발달은 최근 보고된 IBM-zurich 연구소 P. Vettiger 연구단이 개발한 500 gigabyte/inch²기억 소자를 통해 접할 수 있다. 빠르게 변해 가는 정보화사회에 발 맞추어 기억(memory)용량도 테라(tera)바이트 시대로 접어들고 있다. 이러한 기억소자들은 '읽고 쓰기(read and write)'기술의 향상을 요구하고 있다. P. Vettiger 연구단이 개발한 500 gigabyte/inch²의 용량을 쓰고 읽는 방법은 '캔티레버 배열(cantilever array)'를 이용한 '열 확산에 의한 읽기 쓰기(thermal writing and reading)' 기술이다. 그러나 이런 열 확산방법에 의한 '읽기(reading)' 기술은 열 확산속도의 한계로 그 기술개발에 한계가 있다.

최근에는 이러한 기술의 한계를 극복하고자 근접장 광 센서를 이용한 '읽기(reading)' 방식이 개발되고 있다. 이러한 근접장 광을 이용한 읽기 방식은 기존의 열 확산 방식에 의한 기술보다 속도 및 정밀도의 면에서 월등한 것으로 알려지고 있다.

상기 근접장 광 센서는 기존의 광학적 분해능의 한계, 즉 '아베 한계(Abbe Limit) - λ/2'를 초과하는 현미경을 개발할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 살아있는 생물학적 세포(living cell), 즉 단백질 또는 DNA 등의 분자 상호간의 작용(interaction)을 연구할 수 있는 21 세기의 최첨단 기술(state of art technology)이라 할 수 있다.

즉, 기존의 광학계에서는 반 파장 이하의 물체를 다룰 수 없는 한계를 지니고 있다. 빛의 회절로 인한 이러한 현상은 미세한 물체를 관찰하기에 어려운 분해능의 한계로 나타난다. 따라서 기존의 광학 현미경으로 볼 수 없는 물체의 관측에는 전자나 X선과 같은 에너지가 큰 입자 파동을 사용하여 관측할 수 있다. 그러나 상기 근접장 광 센서를 이용한 근접장 주사 현미경(near-field scanning optical microscopy ; NSOM)에 의하면 표면측정과 동시에 광신호 측정을 파장보다 매우 작은 수준에서 할 수 있는 것이다.

이 근접장 광 센서의 기본 원리는 근접장 현상을 이용한 것이다. 근접장 현상이란 파장보다 작은 구멍을 통과한 빛이 구멍의 크기와 비슷한 거리 내에서는 회절이 일어나지 않는 현상을 말하는 데, 종래의 원격장(far-field) 대신 이 근접장(near-field)을 사용하여 빛의 회절 한계 이상의 고분해능과 함께 다양한 광학적인 정보를 얻을 수 있고 응용할 수 있는 것이다.

상기 근접장 광 센서의 핵심부는 빛이 통과하는 구멍 즉, 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)이다. 종래 서브-파장 구멍으로서 반도체 공정을 이용하여 기존의 AFM (Atomic Force Microscopy) 팁(tip) 끝 주위에 금속 구멍(Metallic aperture)를 만들어 주는 방법 등이 개시되어 있으나, 복잡하고 재현성이 낮으며 식각률을 조절하기가 어려워 정밀도가 낮다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 근접장 광 센서에서 가장 핵심부인 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)을 간단하고 재현성이 우수하게 형성하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 개략적인 공정도,

도2는 증착된 박막위에 사진 묘화 공정을 이용하여 도트 형태로 노광시킨 마스크의 형태,

도3은 산화막과 질화막을 식각한 후의 사진,

도4는 KOH 용액에 의해 식각된 실리콘 샘플 A, B의 SEM(scanning electron microscopy)사진으로서, (a)는 샘플 A의 사진, (b)는 샘플 B의 사진, (c)는 (b)의 확대사진,

도5는 건식 산화 공정 후의 SEM 사진으로서, (a)는 샘플 A의 사진, (b)는 (a)의 확대 사진, (c)는 샘플 B의 사진,

도6은 조건 1에 의해 건식 식각된 모양의 SEM 사진으로서, (a)는 샘플 A를 산화하고 ICP RIE 후의 사진, (b)는 (a)의 확대 사진,

도7은 조건 2에 의해 건식 식각된 모양의 SEM 사진으로서, (a)는 샘플 B를 산화하고 ICP RIE 후의 사진, (b)는 (a)의 확대 사진,

도8은 조건 2의 식각시간에서 30초간 더 식각한 샘플 B의 SEM 사진,

도9는 식각 조건을 바꾸어서 식각한 후의 SEM 사진으로서, (a)는 샘플 A를산화하고 조건 2로 식각한 사진, (b)는 (a)의 확대 사진,

도10은 조건 1로 4분간 건식 식각한 후 KOH 용액으로 습식 식각한 SEM 사진으로서, (a)는 전체적인 사다리꼴 모양 샘플의 단면, (b)는 (a)의 확대 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

12 : 실리콘 웨이퍼 14 : 실리콘 산화막

16 : 실리콘 질화막 18 : V형 홈

20 : 서브-파장 구멍

본 발명은, 알칼리성 용액의 특징인 Si 결정방향에 따른 비등방성 식각(anisotropic etching)과 건식산화 방법을 이용하여, SiO₂막으로 이루어진 서브-파장 구멍을 형성하는 것이다.

본 발명을 더욱 구체화하면, 본 발명의 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법은, 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성시켜, 이 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 건식 식각하여 식각 마스크를 형성한 다음, 상기식각 마스크를 이용하여 결정면에 의존하는 식각용액인 알카리성 용액을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 습식 식각한 후, 결정방향 111면 위에 성장된 산화막을 식각 마스크로 한 건식 식각을 통하여 결정방향 100면의 산화막과 실리콘을 식각하여 서브-파장 구멍을 형성한 다음, 하측면의 실리콘 웨이퍼를 식각용액인 알카리성 용액으로 식각하여 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 서브-파장구멍이 형성된 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막에는 용도에 따라 다양한 금속을 증착할 수 있다.

상기 실리콘 산화막의 형성은 열산화 방법(Thermal Oxidation)으로 행하고, 상기 실리콘 질화막의 형성은 저온화학 기상 증착방법(LPCVD)으로 행하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 알카리성 용액의 온도는 40℃ ~ 8○℃ 이고, 알카리성 용액의 농도는 20 wt % ~ 60 wt %에서 식각하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 개략적인 공정도를 나타낸다. 도1의 (a)에 도시한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(12)의 상측에는 실리콘 산화막(SiO₂)(14)과 실리콘 질화막(Si₃N₄)(16)을 형성한 다음, 도1의 (b)에 도시한 바와 같이 실리콘 질화막과 실리콘 산화막을 건식 식각하여 식각 마스크를 형성하여 이 식각 마스크를 이용하여 실리콘 웨이퍼(12)에 V형 홈(18)으로 습식 식각한다. 다음에 도1의 (c)에 도시한 바와 같이 결정방향의 표면반응 계수 차이에 의한 산화율의 차이가 두드러진 건식 산화공정을 행한 후, 도1의 (d)에 도시한 바와 같이 ICP RIE(Inductively coupled Plasma reactive ion etching)에 의해 상기 V형 홈(18)의 꼭지점에 서브 파장 구멍(20)을 형성한 다음, 하측면의 실리콘 웨이퍼(12)를 KOH용액으로 식각하여 제거한다.

다음에는 본 발명의 서브 파장 구멍을 형성하는 방법을 샘플 제작예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.

상기 실리콘 웨이퍼는 비저항이 5 - 15 Ω·cm인 p-type의 Si(결정방향;100) 4 인치 웨이퍼를 사용하였다. 웨이퍼는 세척하여 사용하는데, 웨이퍼 세척은 H₂SO₄와 H₂O₂를 4:1 의 비율로 섞은 후 120℃에서 10분간 하였다. 10분간 세척 한 후 증류수(Distilled Water)로 6분간 다시 세척하였고, 상온에서 생성되는 자연 산화막을 제거하기 위해 10 : 1 HF 용액에 약 10초간 담근 후 다시 증류수로 세척하고 원심 건조기(Spin Dryer)로 건조 시켰다.

계속해서 식각 마스크로 사용될 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성시켰다. 산화막은 열산화(Thermal 0xidation)방법으로 2400 Å형성하였다. 산화막 성장은 H₂를 6.755 slpm(standard liter per minute), H₂O를 4.5 slpm으로 하여 1000℃에서 34 min간 진행하였다. 질화막은 저온화학 기상 증착(LPCVD ; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 3100 Å을 형성시켰다. 증착조건은 SiH₂Cl₂를 30 sccm(standard cubic centi-meter per minute), NH₃를 100sccm 으로 300mtorr 증착 압력, 기판온도 785 ℃에서 진행하였으며 이 때의 증착률(deposition rate)은 35 - 40 Å/min 이다.

증착된 박막 위에 사진 묘화 공정을 통하여 2 ㎛ 크기의 점(dot) 형태를 노광(exposure) 시켰다. 노광 시킨 마스크의 모양은 도2에 도시한 바와 같은 반복된 배열(array)형태이다.

사진 묘화 공정에 의해 포토 레지스트(PR)로 형성된 형(pattern)들은 식각 마스크로 활용하기 위하여, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)장비인 P-5000을 사용하여 식각 하였다. 식각은 600 W의 RF(Radio Frequency) power로, 사용된 가스는 CHF₃, CF₄, Ar을 각각 10 sccm, O₂를 20 sccm으로 하여 100 mTorr에서 건식 식각하였다. 도 3은 산화막과 질화막을 식각한 후의 사진이다.

이렇게 제작한 식각 마스크를 이용하여 KOH 용액과 같은 알카리성 용액으로 실리콘을 습식 식각 하였다. 알카리성 용액은 방향에 의존하는 식각(orientation - dependant etching)의 특성을 가진다. 이런 특성을 결정짓는 중요한 요소는 결정면에서의 원자 격자밀도(atomic lattice packing density)이다. 이러한 특성은 결정방향 100 방향의 실리콘 웨이퍼에서 결정방향 111면은 100면과 54.7。의 각도를 이루며 식각되는 것으로 나타난다. 그 결과 피라미드 모양으로 식각되는데 이는 곧 실리콘의 특정한 방향에 대한 다른 비율의 식각의 대표적인 예이다.

식각 홀의 크기를 W_O, 식각 되는 깊이를 Z , 식각된 바닥 면을 W_si라고 하면

W_O= W_si+ √2 Z

의 식으로 나타난다. 본 제작예의 경우에는 식각 마스크가 작아서 단 시간에 실리콘의 111 면이 서로 교차하여 V-홈 형태로 나타났다. 식각은 KOH의 농도 40 wt%, 80℃에서 진행하였는데 이 조건의 식각률은 약 1.1 ㎛/min이다. KOH 용액을 사용함에 있어 일반적으로 가장 중요한 변수로 작용하는 것은 온도와 농도이다. 온도가 높고 농도가 낮으면 식각 속도는 빨라지지만, 표면이 거칠어지고 녹지 않는 침전물들이 생겨서, 일반적으로 농도는 20 wt% 이하로 낮추지 않고 온도는 80℃이상으로 올리지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 KOH 용액의 온도는 40℃ ~ 80℃ 이고, KOH 용액의 KOH 농도는 20 wt % ~ 60 wt %에서 식각하는 것이 바람직하다.

본 제작에서는 위의 사실을 근거로 KOH 용액으로 실리콘 웨이퍼를 습식식각 하여 결정방향 100 면이 약간 남아 있는 사다리꼴 모양의 샘플(이하, "샘플 A"라 한다.)과 완전히 V-홈을 형성한 샘플(이하, "샘플 B"라 한다.) 두 가지를 제작하였다.

도4는 KOH 용액에 의해 식각된 실리콘 샘플 A, B의 SEM(scanning electron microscopy)사진을 나타낸다. 도4의 (a)는 샘플 A를 나타내고, 도4의 (b)는 샘플 B를 나타내며, 도4의 (c)는 도4의 (b)의 확대 사진이다.

KOH 용액으로 제작한 실리콘 샘플들을 다시 한번 건식 산화 시켰다. 일반적으로 습식 산화에서는 900℃보다 낮은 온도에서는 결정방향 100 이 결정방향 111방향보다 느리게 산화되나, 900℃보다 높은 온도에서는 100 방향과 111 방향이 비슷한 속도로 산화된다. 그러나 건식 산화의 경우에는 실제로 행해지는 산화시간 동안 111 방향이 모든 온도에서 100 방향보다 빠른 산화율을 나타낸다. 결정방향의 표면 반응 계수 차이에 의한 산화율의 차이가 두드러진 건식 산화는 다른 방법들 보다 가장 손쉬운 방법으로 그 두께의 차이를 명확하게 얻어 낼 수 있는 공정이다. 본 제작예의 건식 산화 공정에 사용된 장비는 "MINI-FURNACE" (Model:SMF-800)이다. 먼저 로(furnace) 내의 튜브(tube)를 청소하기 위해 3.5 slpm(standard liter per minute)의 N₂를 30분 가량 송풍(blowing)하였다. 그 후 샘플들을 적재(loading)하였고 계속해서 약 1시간 30분 가량 가열(Heating)하여 1000 ℃까지 올리고, 성장되어질 산화막의 두께를 약 3500 Å로 하여 600분 동안 진행하였다.

그 결과가 도5에 도시되어 있다. 도5의 (a) 및 (b)는 샘플 A의 SEM사진을 나타내고, 도5의 (c)는 샘플 B의 SEM사진이다. 도5에서 볼 수 있듯이 샘플 B는 100 면이 거의 남아 있지 않아서 111면과 산화막의 두께 차이가 확연해 진다. Sample A의 두면의 산화막 두께는 약 3500Å : 1000Å로 서로 차이를 보이고 있다. 도시한 바와 같이 111 면은 볼록하게 산화되어 가고, 각이 진 부분에서는 산화막 형성시에 스트레스에 야기되어 산소의 공급이 원활하지 못해 산화가 원활히 이루어지지 않음을 알 수 있다.

상기 결정 방향의 산화률의 차이에 의해 생긴 두께의 차이를 이용하여 결정방향 111 면을 식각 마스크로 결정방향 100 면에 남아있는 산화막과 그 밑의 실리콘을 식각하여 작은 폭의 깊은 hole을 만들었다. 식각은 ICP RIE (inductively coupled plasma reactive ion etching)의 방식을 이용하였는데, 일반적으로 습식 식각 보다는 건식 식각이 언더컷이 적고 2 ㎛ 의 이하의 패턴을 식각하는데 필수적이어서 본 실시예에서는 건식 식각으로 진행했다.

식각 조건은 다음 [표 1]과 같은 데, 두 가지 샘플(sample)로 제작하였으므로 식각 조건도 역시 두 가지로 하였다.

[표 1]

조건 1은 샘플 A의 식각 조건이다. 이 조건으로 식각하게 되면 산화막은 약 240 Å/min정도, 실리콘은 3400 Å/min의 식각률을 가지게 된다. 결정방향 100 면의 산화막만을 식각하는 시간으로 계산하여 5분간 식각하였다.

조건 2는 샘플 B의 식각 조건이다.. 이 조건 역시 산화막은 약 600 Å/min정도, 실리콘은 4200 Å/min의 식각률을 가지게 된다. 이 조건에서는 샘플 A보다 얇게 성장된 산화막을 고려하여 결정방향 111 면이 식각될 시간으로 계산하여 3분간 식각하였다. 이는 앞선 공정보다 RF(Radio Frequency) power는 높았지만 식각시간이 짧았고, 더 깊은 hole을 만들기 위한 조건이다.

이와같은 각각의 조건들로 식각을 진행한 결과는 다음 [표 2]와 같다.

[표 2]

기판에는 200 W의 RF power를 인가하였는데 약 - 450 eV 과 - 500 eV 의 부 바이어스 전압(negative bias voltage)이 측정되었다. 이 부 바이어스 전압(negative bias voltage)은 기판 위에 이온들의 샤워 현상을 만들어 내고 이로 인한 표면의 이온 충돌이 증가되어 식각하는 동안 표면의 탈착을 증가시킨다. 실험 가스는 Cl₂를 사용하였는데 Ar과 더불어 비등방적인 구조를 요구하는 공정에서 매우 효과적으로 사용되고 있다.

도 6과 도 7은 식각한 후 서브 파장 구멍이 형성된 사진이고, 도8은 조건 2의 식각 시간에서 30초 더 식각한 사진이다. 산화막이 점점 더 식각되어 다른 모양으로 나타남을 알 수 있다.

그리고, 도9는 식각 마스크가 두꺼운 사다리꼴 모양의 샘플 A를 RF power가 높은 [조건 2]로 식각하였다. RF power는 높았지만 식각시간이 짧아 산화막의 두께는 얇아지고 서브 파장 구멍의 크기는 도 6 내지 도8의 샘플과는 다르게 나타남을 알 수 있다.

이러한 실시예에서 보는 바와 같이 RF power와 식각 시간은 가장 중요한 변수인데, 이 두 가지 변수에 의해 다양한 서브 파장 구멍의 제작이 가능하다. 이는RIE의 일반적인 요소이면서 동시에 구멍의 크기를 조절 할 수 있는 중요한 요소로도 작용한다.

도10은 식각시간을 조절한 다른 실시예의 사진이다. 본 실시예서는 조건1로 최소한의 식각을 위하여 시간은 4분으로 줄였는데 이는 산화막의 두께와 약간의 과잉 식각을 고려한 시간이다. 이렇게 식각한 후 산화막 미세구조를 만들기 위하여 KOH 용액으로 다시 식각하였다. KOH 용액은 산화 막을 약 74Å/min 정도 식각하나 전체적인 산화막 두께가 약 1000Å∼2000Å 사이여서 미세구조에는 큰 변화가 없다. 그리고, 80℃, 40 wt% 물 중탕 방법으로 약 7시간 가량 습식 식각하였고 그 결과 폭이 약 100nm의 산화막 서브 파장 구멍의 미세구조가 생성된다.

그리고, 근접장 센서로의 응용을 위하여서는 산화막 미세구조물 위에 Al 또는 Cr 같은 금속을 약 100nm 정도 증착시켜 주면 이 직경이 100nm 보다 작은 금속 구멍을 이루게 된다. 또한, 액화 금속 이온 소스(Liquid metal ion source)로서의 용도로 사용할 시에는 액화 금속 이온(liquid metal ion)을 추출(extract) 할 수 있는 추출 전극(extractor electrode)의 추가 공정이 필요하다.

본 발명에 의하면, 근접장 광 센서에서 가장 핵심부인 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)을 간단하고 재현성이 우수하게 형성할 수 있다.

Claims (3)

1. 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성시켜, 이 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 건식 식각하여 식각 마스크를 형성한 다음,

   상기 식각마스크를 이용하여 결정면에 의존하는 식각용액인 알카리성 용액을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 습식 식각한 후,

   결정방향 111면 위에 성장된 산화막을 식각 마스크로 한 건식 식각을 통하여 결정방향 100면의 산화막과 실리콘을 식각하여 서브-파장 구멍을 형성한 다음,

   하측의 실리콘 웨이퍼를 식각용액인 알칼리성 용액으로 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실리콘 산화막의 형성은 열산화 방법(Thermal Oxidation)으로 행하고,

   상기 실리콘 질화막의 형성은 저온 화학 기상 증착방법(LPCVD)으로 행하는 것을 특징으로 하는 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 알카리성 용액의 온도는 40℃ ~ 80℃ 이고, 알카리성 용액의 농도는 20 wt % ~ 60 wt %에서 식각하는 것을 특징으로 하는 근접장 광 센서용 서브-파장 구멍의 형성방법.