KR20020072725A - 전기분해법에 의한 미세 투입관 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기판의 국부 습식 에칭이 가능하도록 하는 미세 투입관 제조 방법에 관한 것으로서, 전기 분해에 의하여 한쪽 끝부분이 1 nm 내지 100 ㎛ 미만인 금속팁을 제작하는 금속팁 제작 단계; 금속팁의 외주면에 다이아몬드, 큐빅 보론 나이트 라이드 및 사파이어 중의 적어도 하나의 물질 또는 테플론 (Teflon), 폴리에틸렌 (Polyethelene), 폴리프로필렌 (Polypropylene) 및 아세탈 (Acetal) 등의 고분자 (polymer) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 코팅하는 물질 코팅 단계; 금속팁의 일부분에 코팅된 물질을 절단하는 코팅 물질 절단 단계; 및 금속팁을 식각하여 제거하는 금속팁 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기분해법에 의한 미세 투입관 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR MINUTE TUBE BY ELECTROLYSIS}

본 발명은 전기분해법에 의한 미세 투입관 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면 반도체 회로 분석 및 검사시에 사용되는 탐침(probe station)의 제조 및 국부 습식 식각 기기에 사용되는 미세 투입관 제조 방법에 관한 것이다.

종래에는 반도체 기판상에 형성된 일부 패턴을 부분 에칭하기 위해서 리소그래피 법을 사용하였다. 예를 들어 반도체 기판 상의 적층 공정 중에 키 패턴지역에 불투명한 막이 적층된 경우 이를 제거하여 하부의 얼라인 키 패턴을 보이게 하는 키 오픈 식각을 하기 위해서는 1) 포토 레지스트 코팅공정 2) 키 오픈 마스크 노출공정 3) 현상 (development) 공정 4) 키 오픈 에칭공정 5) 포토 레지스트 스트립 공정 6) 포스트 에칭 클리닝 공정의 일련의 6 가지 공정을 진행하여야 했다.

그러나 반도체 기판 상의 일부 영역을 노출시키기 위해 리소그래피법을 사용할 경우에는 TAT (Turn Around Time) 를 증가시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제시된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 회로 분석 및 검사시에 사용되는 탐침(probe station)의 제조 및 국부 습식 식각 기기에 사용되는 미세 투입관을 제조함에 있어서, 수십 ㎛ 이상의 두께를 갖는 금속선 또는 금속판의 끝부분을 수 nm 의 곡률 반경을 갖도록 전기분해법으로 미세 가공을 하여, 금속선 팁 끝의 각도(angle), 테이퍼 (taper) 길이를 임의로 조절할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 미세 투입관 제조 공정도.

도 2 는 미세 금속팁 제조 장치의 구성도.

도 3 은 전기분해에 의한 금속팁 형성 메카니즘을 나타낸 도.

도 4 는 전기분해에 의한 금속팁 형성 후의 SEM 단면도.

도 5 는 다이아몬드가 코팅된 금속팁.

도 6 은 확산에 의한 미세 투입관 개구 제조 공정도.

도 7 은 확산에 의한 미세 투입관 개구 제조법 확대도.

도 8 은 레이저 에브레이션에 의한 미세 투입관 개구 제조도.

도 9 는 레이저 가공에 의한 다이아몬드 코팅된 금속팁의 끝을 절단한 후의 SEM 단면도.

도 10 은 금속팁 제거로 완성된 미세 투입관의 SEM 단면도.

도 11 은 미세 금속팁으로 반도체 제조 공정 중 금속 배선 검사의 실시 예시도.

도 12 는 미세 투입관으로 반도체 회로내 패턴 검사가 진행되는 과정의 흐름도.

본 발명의 상기 목적은, 전기 분해에 의하여 한쪽 끝부분이 1 nm ~ 100 ㎛ 미만인 금속팁을 제작하는 금속팁 제작 단계; 금속팁의 외주면에 다이아몬드, 큐빅 보론 나이트라이드 및 사파이어 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질 또는 테플론(Teflon), 폴리에틸렌 (Polyethelene), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 아세탈 (Acetal) 등의 고분자(polymer) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 코팅하는 물질 코팅 단계; 금속팁의 일부분에 코팅된 물질을 절단하는 코팅 물질 절단 단계; 및 금속팁을 식각하여 제거하는 금속팁 제거 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법에 의하여 달성 가능하다.

반도체 공정에 사용되는 액상의 화학 물질을 저장하기 위한 장치들은 대부분 화학적으로 안정하면서도 가격이 낮은 고분자 물질(예 : Teflon, PTFE 등)을 사용해 왔으며, 강산이나 강염기에 강한 내성을 갖는 금이나 백금 등의 귀금속 등도 화학적 안정성이 요구되는 응용 분야에 적용되고 있다. 그러나 실리콘 기판을 가공하는 종래의 반도체 공정 중에는 내경 50 ㎛ 미만의 미세 투입관의 응용 사례를 찾아볼 수 없으며, 또한 다이아몬드 탐침을 사용하여 표면 굴곡을 측정하는 장비(AFM 등) 는 있으나 공정 관련 부품 중 관(tube)을 이루고 있는 재료가 다이아몬드인 경우는 아직까지 알려진 바 없다. 기존의 내산성, 내염기성 재료인 고분자 물질이나 백금 등의 재료는 다이아몬드에 비하여 현저히 경도가 떨어지기 때문에 수 ㎛미만의 크기일 때 경미한 접촉에 의하여서도 쉽게 마모 변형되어 버린다. 그러나 다이아몬드의 경우 매우 경도가 높고 크기가 수 ㎛ 미만일 때의 변형 회복력도 우수한 특징이 있으며, 상온에서 모든 종류의 산성 화합물과 염기성 화합물에 의한 손상을 받지 않는 화학적으로 매우 안정된 물질이다.

본 발명은 수십 ㎛ 이상의 두께를 갖는 금속선 또는 금속판의 끝부분을 수 nm 의 곡률 반경을 갖도록 미세 가공한 후, 이를 반도체 소자 제조 공정 중에 특히 폴리 배선막, 금속 배선막 형성시 숏트 등 전기적 특성 체크시, 그리고 공정 완료후 반도체 회로 검사시 탐침(probe test)으로 활용하며, 또한 여기에 다이아몬드 등의 물질을 코팅하고 이러한 물질이 코팅된 양끝 부분을 제거하여 다시 기판 물질인 금속팁을 제거하므로써 반도체 웨이퍼 상에 형성된 적층막을 국부적으로 습식 식각할 수 있는 식각 기기에 사용되는 관 끝부분의 직경 또는 폭이 수 nm ~ 수백 ㎛ 인 미세 투입관의 제조 및 형성 방법에 관한 것이다.

본원의 발명자는 미세 투입관 금속팁 형성 방법으로, 식각엑에 금속선을 담그므로써 금속선의 끝부분을 날카로운 형태로 가공하는 방법을 출원(대한민국 특허 출원 번호 제 2000-0011620 호)하였으나, 상기 출원의 경우, 불산(HF), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 염산(HCl) 등 ph 1~2 인 인체에 매우 유해한 강산을 사용하므로써, 작업 공간의 제약을 많이 받고, 금속선이 상기 강산 용액에 불침투성 식각 보호층으로 둘러싸인 상태로 공정을 진행하게 되어 준비 과정의 시간이 많이 소요되어, 액체의 대류 현상에 의해 시간이 경과할수록 금속선의 가운데 부분과 식각 방지층의 계면의 식각 속도 차이에 의해 날카로운 금속 부위를 형성하기 위해서는 최소 2 시간 이상이 소요되어 양산에 제한을 줄 우려가 있었고, 이로 인하여 본원 발명을 착안하게 되었다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1 은 미세 투입관이 제작되는 제조 공정도이다.

우선 전기분해법에 의한 금속팁을 제조한다.(S11 단계) 이 공정에서 형성되는 금속팁의 형상은 원통형의 몸체와 상기 몸체부로부터 끝단으로 갈수록 끝부분이 첨예한 형상(taper)을 가지게 된다. 이러한 방식으로 형성된 금속팁에 다이아몬드 등의 물질을 코팅한다.(S12 단계) 금속팁의 끝부분에 코팅된 물질을 절단한 후(S13 단계), 금속팁을 식각, 제거하여 미세 투입관(tube)을 제작한다.(S14 단계)

본 발명에서 제시되는 미세 투입관 제조 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1. 전기분해법에 의한 금속팁 제조

도 2 는 미세 금속팁 제조 장치의 구성도이다.

매우 날카로운 금속팁 부위를 만들기 위해서 본 발명은 전기분해에 의한 가공 방법을 사용한다.

직경 수십 ㎛ 이상의 임의의 금속선(재질 : Cu, Au, Ag, W, Cr, Si, Mo, Ta 및 Ti 등 중에서 선택된 하나의 재료)을 필요한 길이인 수 mm ~ 수십 cm 가 되도록 준비하여 5 개, 10 개, 20 개 등 배치(batch)로 장착한다.

수몰(molar)의 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 암모니아(NH4OH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 등 반응에는 전혀 관여하지 않고, 수산화이온(OH-) 전해질로 작용할 수 있는 모든 염기를 준비한 후 교반기로 60 ℃ 이하로 데운 수백 ml의 초순수(De-ionized water)에 충분히 녹인 후, 상기 수용액을 브리지드 비이커 (bridged beaker) 를 이용하여 스테이지 (stage) 에 장착한다.

양극(Anode)에는 텅스텐 등 상기 준비된 금속선을 장착하고, 음극(Cathode)에는 주기율표 상의 sus-steel(Fe), Ru, Co, Ni, Pt의 8B 족, Cu, Ag, Au의 1B 족, Zn, Cd, Hg의 2B 족, Al, Ga, In, Ti의 3A 족, Ge, Sn, Pb의 4A 족, Sb, Bi의 5A 족 및 Po의 6A 족 중에서 선택된 적어도 하나의 금속류를 장착한 후, 금속선과 음극의 스틸 (steel) 이 상기 수용액에 잠긴 후 직류 최소 2.0 볼트 이상의 전압을 인가하여 식각을 실시한다. 또한 금속선이 장착되는 양극의 배선판은 전도도가 좋은 구리판에 금속선 직경 크기 만큼의 홈을 파서 고정하는 것이 바람직하다.

환원 전극(Cathode)에서는 물이 환원되어 수소가 발생하며, 철은 환원되지 않으므로 반응에 참여하지 않는다.

산화 전극(Anode)에서는 텅스텐 등 상기 금속선과 물이 산화되어 텅스텐 전극에는 산소가 발생하면서 식각이 일어난다.

전체 반응식은 다음과 같다.

처음 식각 반응은 담겨진 금속선 면을 따라 표면 장력이 발생하고, 이 표면 장력을 따라 도 3 에서처럼 식각 작용이 계속해서 금속선 끝으로 파고든다. (a) 는 금속선(60) 면을 따라 표면 장력(61)이 발생하는 모습을 나타낸다. 따라서 평평한 액체의 표면보다 위쪽에서도 식각이 이루어지게 되는데, 이는 표면 장력(61)에 의해 액체가 금속선(60) 표면을 따라 올라가기 때문이다. 이때 표면 장력에 의해 발생하는 비선 형성 (b) 은, 일정 온도에서 식각 시간을 좀더 늘려주어 (식각율을 낮춤) 금속팁의 끝단을 제거하면 해결할 수 있다.

약 수분 후 수용액 속의 금속선(60)이 급격히 뾰족해지면서 절단된다.(c) 시간이 흐르면서 금속선(60)이 일정한 수직 이동 속도로 내려오면 처음 오랫동안 수용액에 담겨진 금속선(60) 끝부분은 오랫동안 식각되어지고 상위 몸통 부분은 식각이 덜 되어 전체적으로 금속선 끝이 테이퍼(taper) 지면서 가늘어진다.(d)

테이퍼하게 형성하기 위한 조건으로 수용액 농도와 온도, 그리고 z 축-스테이지(stage) 의 일정 상승 속도에 따라 크게 변하므로 금속선 팁 끝의 각도 (angle), 테이퍼 길이를 임의로 조절할 수 있다. 금속팁 끝 직경을 10 nm ~ 100 ㎛ 로 형성하기 위해서는 수용액은 2 ~ 4 몰 농도, 적정 온도는 40 ~ 70 ℃ 유지, z 축-스테이지 상승 속도는 0.10 ~ 1000 mm/min 로 일정하게 유지 및 제어하여야 한다. 바람직하게는 적정 온도를 50 ~ 60 ℃ 로 유지하여야 한다. 또한 금속 팁 끝 직경을 100 nm 이하로 형성하기 위해서는 수용액은 2 몰 농도, 적정 온도는 55 ℃ 유지, z 축 스테이지 상승 속도는 0.35 mm/min 로 일정하게 유지 및 제어하여야 한다. 또한 상기의 수용액 온도가 식각 도중 계속해서 내려가므로, 이를 방지하기 위해 열전쌍을 설치하여 일정 온도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 테이퍼 길이를 조절하기 위하여 수용액 온도를 조절할 수 있는데, 상승 속도를 일정하게 유지할 경우 40 ℃ 이하에서는 반응이 느려져서 테이퍼 길이가 길어지고, 70 ℃ 이상에서는 식각율이 높아져서 테이퍼 길이가 짧아지므로 테이퍼 길이를 임의로 조절할 수 있다.

제작 완료 후 작업을 중단하고 금속팁을 회수하여 증류수를 이용하여 세정한다.

도 4 는 전기분해에 의한 미세 금속팁 형성 후 SEM 단면도이다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 금속팁 끝부분의 직경은 제조 공정의 환경에 따라 전기 분해에 의해 다른 사이즈로 테이퍼지게 되는데, 도 4 의 (a), (b) 보다 금속팁 최끝단 부분의 직경은 1 ㎛ 이하로 식각됨을 보여주고 있다.

2. 다이아몬드 등의 물질 코팅

도 2의 공정으로 만들어진 날카로운 끝부분이 100 ㎛ 미만을 갖는 수개 ~ 수십 개의 금속팁을 알코올 용액에 1/4 ㎛ 의 폴리싱 (polishing) 용 다이아몬드 페이스트 (diamond paste) 를 희석시킨다. 이는 후속 다이아몬드 코팅시 금속팁 표면과의 접착력을 강화하기 위한 작업으로서 상기 과정으로 준비된 금속팁을 지지대를 이용하여 용액에 부유시킨다. 10 분의 초음파 처리 후 약 10 분간 정지하고 다시 5 분 처리한 후 금속팁을 증류수에 담근다. 다이아몬드 코팅 전처리 완료 후 코팅을 실시한다.

다이아몬드 코팅시에는 상기 금속팁에 CH4 gas 를 2 ~ 5 % 양으로 하여 다이아몬드 코팅 두께 및 표면 재질(surface morohology)를 임의로 조절 가능하도록 한다.

다결정 상의 다이아몬드 코팅 방법으로는 화학 기상 증착법 (CVD, Chemical Vapor Deposition), 핫 필라멘트 CVD (Hot filament Chemical Vapor Deposition) 방식 또는 마이크로 웨이브 CVD (Micro-wave CVD) 방식 등이 있다. 이 모든 방법은 상용화되었으므로 상세한 설명은 생략한다.

핫 필라멘트 CVD 방식은 흑연(Graphite) 기판에 수개의 금속팁을 장착하고, 챔버 상단에 있는 텅스텐 필라멘트를 1800 ~ 2300 ℃ 의 고온으로 올린 후, 60 토르 (Torr) 정도의 압력 (pressure) 분위기에서 100 ~ 200 sccm 아르곤(Ar) gas, 5 sccm 이하의 CH4 gas 를 플로우 (flow) 하면서 모든 금속팁들이 흑연 기판에서 8 mm 떨어진 부분부터 다이아몬드를 증착되도록 하는 방식이다.

그러나 상기 방식은 온도가 너무 높아 일정 온도로 유지하기가 힘들며, 증착하는데 시간이 많이 소요되며, 필라멘트와 금속팁과의 적정 거리를 맞추어야 하는 단점이 있다. 반면 막질(surface morphology)은 양호하게 형성된다.

마이크로 웨이브 CVD 방식은 DC 플라즈마 (plasma) 를 형성할 수 있는 챔버 내에서 Si 또는 상기 준비된 금속팁을 기판으로 하여 75 ~ 85 토르 의 압력, 3000 ~ 3500 와트 (W) 의 파워 (Power), 800 ~ 1000 ℃ 의 분위기 온도를 유지하고, 250 ~ 300 slm 의 H2 gas, 25 ~ 35 sccm 의 메탄 (CH4) gas 를 플로우 (flow) 시켜 다이아몬드막을 증착한다.

상기의 방법을 이용하여 금속팁(80)에 다결정 상의 다이아몬드 등의 물질로 코팅(85)을 한 후의 단면도는 도 5 와 같다.

코팅되는 물질은 다이아몬드 외에도 큐빅 보론 나이트 라이드 및 사파이어 중의 적어도 하나의 물질 또는 테플론 (Teflon), 폴리에틸렌 (Polyethelene), 폴리프로필렌 (Polypropylene) 및 아세탈 (Acetal) 등의 고분자 (polymer) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질이 사용될 수 있으며, 코팅막의 두께는 0.5 ㎛ ~ 1 mm 로 성장하도록 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 코팅막의 두께를 수십 ㎛ 로 성장하도록 한다. 그러나 에칭액 미세 투입관이 사용되는 용도에 따라 코팅믹의 두께는 달라질 수 있다.

3. 미세 투입관 개구 작업(코팅된 물질 끝단 절단)

미세 투입관의 개구를 위해서는 도 5 의 맨 아래 부분에 코팅된 물질을 제거해 주어야 하는데, 코팅된 물질이 다이아몬드일 경우에는 다이아몬드 입자를 포함하지 않은 기계석 연마 방법으로는 효과적인 가공이 불가능하다.

본 발명에서는 탄소의 확산 계수가 큰 금속 (Fe, Co, Ni, Mo, Mn, V, W, Ti) 에 코팅 물질의 한쪽 끝 부분을 접촉 시킨 후 300 ℃ 이상으로 온도를 올려 줌으로써 다이아몬드 결합을 이루고 있는 탄소가 금속 내부로 확산되어 소모되는 방법을 사용한다. 일반적인 연마 방법으로는 취성이 큰 다이아몬드 관 끝에 나노 미터 단위의 개구 (Nano Opening) 를 만들기 어렵다. 따라서 탄소 원자의 확산에 의한 연마 방법은 매우 효과적인 미세 연마 방법이다.

도 6 은 확산 계수가 큰 금속 블록(90)에 금속팁에 코팅된 다이아몬드의 한쪽 끝 부분을 접촉시킨 상태를 표시한 상태 도면이고, 도 7 는 도 6 의 네모 블록 부분을 상세히 설명하기 위해 확대한 도면이다.

도 7(a) 는 확산이 시작되기 전 상태를 도시하고, 도 7(b) 는 확산이 진행되는 상태를 도시한다. 도 7(b) 에서 도시한 바와 같이 확산에 의한 다이아몬드 미세 연마가 진행되다가 다이아몬드(85)가 증착된 금속팁(80)과 탄소에 대한 피확산재인 금속블록(90)이 만나면, 두 금속 사이에서는 가시적 확산이 일어나지 않으므로 탄소의 확산 경로가 차단되면서 미세 연마가 정지하게 된다.

다이아몬드를 연마할 때 피확산재인 금속블록의 재질로는 Co, Ni, Mo, Mn, V, W 및 Ti 중 어느 한 가지 이상의 원소를 포함하는 금속을 사용하는 것이 바람직하다.

도 6 에서 금속 블록(90)과 다이아몬드가 증착된 금속팁(80)에 각각 전기 도선을 연결하고 각각에 연결된 도선을 다시 전기적으로 접촉시켜 이 도선의 저항이 기가 오옴 이하이거나, 외부에서 전류를 인가했을 때 이 도선에 전류가 흐르거나 또는 외부에서 이 도선에 전압을 인가한 상태에서 이 도선에 일정 전압의 전류가 흐를 때 이 사실을 근거로 금속 블록(90)과 다이아몬드가 증착된 금속(80)이 전기적 접촉을 했다는 사실 즉, 미세 투입관의 한쪽 부분이 열렸다는 사실의 판단 근거로 사용할 수 있다.

대량 생산을 위하여 도 8 에 도시된 레이저(95)에 의한 탄소 원자의 증발로 미세 투입관의 한쪽 끝부분을 열어줄 수 있고, 산소를 포함한 플라즈마에 끝부분을노출시키거나 산소를 포함한 400 ℃ 이상의 고온 분위기에서 탄소를 이산화탄소로 연소시키는 방법을 사용할 수 있다. 다이아몬드를 증착한 금속팁의 중심선과 레이저 광의 중심선 간의 사이각 (θ) 이 2도 내지 170도를 이루게 하여 미세 투입관의 한쪽 끝부분을 레이저로 연마하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 사이각이 직각을 아루도록 하는 것이다.

레이저광은 하나의 주파수만을 가진 단색광이다. 직진성이 매우 좋아서 렌즈를 통하면 매우 미소한 점에 레이저광이 모여, 고에너지 밀도를 얻을 수 있다. 이 집중된 빛을 재료에 쬐면 레이저광의 에너지를 재료가 흡수하게 되어 부분적으로 온도가 올라가므로 재료가 녹거나 증발한다.

표 1 의 여러가지 레이저 소스를 사용하여 다이아몬드 미세 투입관을 절단한다.

분류	레이저	동작 영역	기타
기체	헬륨네온(He-Ne)아르곤(Ar+)이산화탄소(CO2)엑시머(excimer)	가시광선(적)가시광선(청)적외선자외선	재료가공연구개발용재료가공연구개발용
액체	색소(dye)	가시광 ~ 적외선	연구개발용
고체	야그(Nd: YAG)유리(Nd: Glass)루비(ruby)	적외선적외선가시광선(적)	재료가공재료가공재료가공
반도체	갈륨비소(GaAs)인듐갈륨비소(InGaAs)	적외선적외선	재료가공재료가공

상기의 재료 가공에 쓰이는 여러가지 레이저 소스 중에서 기계적으로 견고하고 다루기 쉽고, 비교적 소형으로 고출력을 얻을 수 있는 레이저 중, 기체 엑시머 (excimer)는 짧은 파장(0.19 ~ 0.35 ㎛)으로 150 W 이하의 세기로 특성에 따라 F2, ArF, KrF 또는 XeCl 의 가스를 사용하고, 이산화탄소(CO2, 9.6 ~ 10.6 ㎛)는 0.3 ~ 10 KW, 헬륨-네온(He-Ne, 0.6 ~ 1.06 ㎛), 및 고체 야그(Nd: YAG, 1.06 ㎛)는 0.1 ~ 1 KW 의 세기로 다이아몬드 코팅된 미세팁을 손상 없이 절단할 수 있는 조건으로 재료와 사이각을 90 도를 유지한 채 쬐는 것이 바람직하다.

이와 같은 공정을 거쳐 만들어진 다이아몬드 미세 투입관 끝을 절단한 후의 SEM 단면도는 도 9 와 같다. (a) 는 다이아몬드 등의 물질이 코팅된 금속팁의 끝부분으로, 끝 부분의 다이아몬드가 절단된 모습이다. (b) 와 (c) 는 다이아몬드 등의 물질이 코팅된 금속팁의 몸체의 원통부로서, 내부의 금속팁(80)에 다이아몬드 등의 물질(85)이 코팅되어 있는 것을 알 수 있다. (b), (c) 는 각각의 공정 조건에 따라 다이아몬드 등의 물질(85)이 코팅되는 두께를 달리할 수 있음을 도시하고 있다.

4. 금속팁 제거 후 미세 투입관 제작

상기 과정을 거친 후, 다이아몬드 등의 물질이 코팅된 관 내의 금속팁을 염산, 질산, 황산, 플르오르산(불산), 초산, 과산화수소수 및 암모니아수 중 적어도 하나 이상이 포함된 수용액으로 식각하여 제거한다.

예를 들어 불산(HF)과 질산(HNO3)을 4:1 조성비로 준비하고, 다이아몬드 코팅 후 양끝이 절단된 팁을 용액에 담가둔다. 물론 용액 종류별, 조성비, 용액 온도에 따라 크게 좌우되는데, 초음파 세정기(ultra-sonic)를 사용하여 조성비 용액 온도를 45 ~ 55 ℃ 로 유지하고, 일정 진동 후 휴식 등을 계속해서 반복 실시하면 다이아몬드 코팅된 미세 투입관 내의 금속팁 부분을 효과적으로 제거하여 시기를 단축할 수 있다.

미세 투입관 제작 후 공기 중에 노출시 파티클 (particle) 등 오염 물질로 인해 미세 개구부가 막힐 수 있으므로 클래스 (Class) 10 이하의 청정도 환경에 보관하거나 공정 전후 증류수에 담구어 보관한다.

이와 같은 공정을 거쳐 만들어진 미세 투입관의 개략도는 도 10 과 같다.

도 10 은 본 발명으로 완성된 미세 투입관의 SEM 단면도를 도시한다. (a)는 미세 투입관의 끝 부분이 점점 좁아지는 형상을 보여주는 미세 투입관의 길이 방향의 종단면도이고, (b)는 미세 투입관의 몸체 원통부의 횡단면을 도시하며, (c)는 에칭액이 투입되는 미세 투입관의 끝 부분 단면 형상을 도시하였다. (a) 및 (c)에 도시된 바와 같이 미세 투입관의 끝 부분은 10 nm 내지 1mm 의 직경을 구비한다.

본 발명에 따른 미세 투입관은 습식 에칭액에 식각되지 않아야 하며 기판 상에 형성된 광학적 불투명막에 자주 접촉되어도 미세 투입관이 마모되지 않아야 하므로 다이아몬드, 큐빅 보론 나이트라이드(c-BN; Cubic Boron Nitride) 및 사파이어 (Sapphire, 산화 Al) 등의 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질 또는 테플론 (Teflon), 폴리에틸렌 (Polyethelene), 폴리프로필렌 (Polypropylene) 및 아세탈(Acetal) 등의 고분자 (polymer) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 형성하는 것이 바람직하다.

도 11 은 본 발명에 의한 금속팁의 적용례의 하나인 반도체 소자 제조 공정 중 폴리 배선막이나, 금속 배선막의 전기적 특성을 검사하는 예를 보여주고 있다. M1 ~ M6 은 메탈 레이어 (Metal Layer) 를 나타내고, 각 메탈 레이어 사이를 절연시키는 절연막을 에칭을 통해 부식시켜 각 메탈 레이어 간 금속 배선 상태를 검사하는 예이다.

도 12 는 다이아몬드 미세 투입관으로 회로내 패턴 검사가 진행되는 과정의 흐름도이다. 분석하고자 하는 패턴이 형성된 반도체 기판을 장비에 로딩(loading)한다. (S1 단계) 분석 위치를 지정하고, 다이아몬드 미세 투입관을 분석 위치로 이동한다. (S2 단계) 물론 이 경우에 다이아몬드 미세 투입관을 이동시키는 대신 반도체 기판 또는 반도체 기판과 함께 다이아몬드 미세 투입관을 이동시킬 수도 있다. 다음으로 습식 식각을 하기 위하여 식각액을 분석하고자 하는 부분에 노출시킨다.(S3 단계) 다음 단계에서 증류수를 주입한다.(S4 단계) 증류수를 주입하는 이유는 식각액이 웨이퍼 표면에 존재하게 되면 계속해서 패턴을 식각하게 되므로 이를 증류수로 희석시켜 식각을 방지한다. 다음으로 주입된 증류수를 다시 흡입(section)하는 단계(S5 단계)가 필요하다. 이는 패턴 상에 존재하는 화학 찌꺼기(chemical residue)를 제거하기 위한 것이며, 이때 작용되는 원리는 압력 차이를 이용하는 것이다. 최종적으로 부분 습식 식각된 기판을 상기 장비로부터 제거한다.(S6 단계) 상기와 같은 방법을 이용하여 기판 상에 형성된 패턴의 부분 식각을 실시하므로써 형성된 패턴 형상을 검사할 수 있게 한다.

이상 설명한 바대로 본 발명에 의하여 제조된 금속팁은 반도체, LCD, PDP 등 제조 공정 중 웨이퍼(chip)가 완성된 후, 각각의 칩 (chip) 으로 절단되기 전에 반도체 기능과 성능을 검사하기 위한 핵심 장치로 칩과 테스터 (tester) 의 중간 매개체로 활용되어 해당 chip 의 양, 불량을 검사하는 프로브 카드 (probe card) 라는 장치에 장착되어 미세한 끝으로 회로와 회로 사이를 접점하여 사용될 수 있다.

또한 제시된 다이아몬드 미세 투입관에 의하여 미량의 산성 또는 염기성 액체를 공급하므로써, 모든 공정을 완료한 후 전기적 특성에 문제가 있을 때 상부 증착막을 제거하여 패턴(디자인) 구조, 공정에 의한 구조 분석을 보는 Decapsulation & De-processing 과정에 사용되며, 금속팁 끝부분을 레이저에 의한 오목 모양으로 변형하여 시약을 보관 또는 공급할 수 있다. 다이아몬드 미세 투입관은 화학적으로 매우 안정해서 DNA 검사 시약과 전혀 반응을 일으키지 않으므로 DNA 칩, Bio 칩, Gene 칩을 양산할 때 시약을 공급하는 부분의 핵심 부품으로 사용되어질 수 있다. 또한, 화학 물질의 미량 공급이 가능해지면서 미세한 산도(ph 값)의 조절이 가능해진다.

본 발명은 도면에 도시된 실시례를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시례가 가능하다는 점을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (25)

1. 반도체 기판의 국부 습식 에칭이 가능하도록 하는 미세 투입관 제조 방법에 있어서,

   전기 분해에 의하여 한쪽 끝부분이 1nm 내지 100 ㎛ 미만인 금속팁을 제작하는 금속팁 제작 단계;

   상기 금속팁의 외주면에 상기 금속팁 형성 물질보다 경도가 높은 코팅 물질을 코팅하는 물질 코팅 단계;

   상기 금속팁의 일부분에 코팅된 코팅 물질을 절단하는 코팅 물질 절단 단계; 및

   상기 금속팁을 식각하여 제거하는 금속팁 제거 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서 상기 금속팁 제작 단계에서,

   상기 금속팁 형성 물질로 Cu, Au, Ag, W, Cr, Si, Mo, Ta 및 Ti 중에서 선택된 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서 상기 금속팁 제작 단계가,

   브리지드 비이커에 전해질 수용액을 넣고, 양극(Anode)에 금속선을 연결하고, 음극(Cathode)에 소정의 금속류를 연결하는 설치 단계;

   상기 금속선과 상기 금속류에 소정의 직류 전압을 가하는 전압 인가 단계; 및

   상기 금속선을 상기 전해질 수용액 속에서 소정의 속도로 하강 및 상승 시키는 식각 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서 상기 설치 단계에서, 상기 전해질로 수산화이온(OH-) 기를 가지는 염기를 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
5. 제 3 항에 있어서 상기 설치 단계에서, 상기 금속류가 주기율표 상의 Fe, Ru, Co, Ni, Pt 의 8B 족, Cu, Ag, Au 의 1B 족, Zn, Cd, Hg 의 2B 족, Al, Ga, In, Ti 의 3A 족, Ge, Sn, Pb 의 4A 족, Sb, Bi 의 5A 족 및 Po 의 6A 족 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
6. 제 3 항에 있어서 상기 전압 인가 단계에서, 상기 직류 전압으로 2.0 볼트 이상을 가하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 수용액의 농도를 2 내지 4 몰 농도로 하고, 상기 수용액의 온도를 40 내지 70 ℃ 로 유지하고, 하강 및 상승시 속도를 0.10 내지 1000 mm/min 로 유지하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 열전쌍을 이용하여 상기 온도를 제어하고, 유지하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서 상기 물질 코팅 단계에서, 상기 코팅 물질이 다이아몬드, 큐빅 보론 나이트 라이드 및 사파이어 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서 상기 물질 코팅 단계에서, 상기 코팅 물질이 테플론 (Teflon), 폴리에틸렌(Polyethelene), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 아세탈 (Acetal)의 고분자(polymer) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서 상기 물질 코팅 단계가, 화학 기상 증착법, 핫 필라멘트 화학 기상 증착법 또는 마이크로 웨이브 화학 기상 증착법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서 상기 핫 필라멘트 화학 기상 증착법을 사용할 경우, 흑연 기판에 상기 금속팁을 수개 장착하고, 챔버 상단의 필라멘트를 1800 내지 2300 ℃ 의 고온으로 올리고, 소정의 압력을 가하고, 100 내지 200 sccm 의 Ar 가스와 5 sccm 이하의 CH4 가스를 플로우시키는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
13. 제 11 항에 있어서 상기 마이크로 웨이브 화학 기상 증착법을 사용할 경우, DC 플라즈마를 형성할 수 있는 챔버 내에서 Si 또는 상기 금속팁을 기판으로 하여 900 내지 1000 ℃ 의 온도, 75 내지 85 Torr 의 압력, 3000 내지 3500 W 의 파워를 가하고, 250 내지 300 slm 의 H2 가스와 25 내지 35 sccm 의 CH4 가스를 플로우시키는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 물질 코팅 단계에서 코팅되는 물질의 두께가 0.5 ㎛ 내지 1 mm 인 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
15. 제 1 항에 있어서 상기 코팅 물질 절단 단계가,

    확산 계수가 상기 코팅 물질보다 큰 금속 피확산재에 상기 코팅 물질을 접촉하여 상기 코팅 물질을 확산시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
16. 제 15 항의 상기 확산 단계가 300℃ 이상의 고온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 금속 피확산재로서 Co, Ni, Mo, Mn, V, W 및 Ti 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조방법.
18. 제 1 항에 있어서 상기 코팅 물질 절단 단계가,

    레이저광을 이용하고, 상기 코팅 물질이 코팅된 금속팁의 중심선과 상기 레이저광의 중심선 간의 각도가 수직 또는 2 도 내지 170 도를 이루는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
19. 제 18 항에 있어서 상기 레이저의 소스로, 0.19 내지 0.35 ㎛ 의 파장과 150 W 이하의 세기를 갖는 F2, ArF, KrF 및 XeCl, 9.6 내지 10.6 ㎛ 의 파장과 0.3 내지 10 KW 의 세기를 갖는 CO2, 0.6 내지 1.06 ㎛ 의 파장과 0.1 내지 1 KW 의 세기를 갖는 He-Ne 및 1.06 ㎛ 의 파장과 0.1 내지 1 KW 의 세기를 갖는 고체 야그(Nd: YAG) 중 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
20. 제 1 항에 있어서 상기 코팅 물질 절단 단계가,

    산소를 포함한 플라즈마에 끝부분을 노출시키는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
21. 제 1 항에 있어서 상기 코팅 물질 절단 단계가,

    산소를 포함한 400 ℃ 이상의 고온분위기에서 탄소를 이산화탄소로 연소시키는 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
22. 제 1 항에 있어서 상기 금속팁 제거 단계가,

    상기 금속팁에 코팅 물질이 코팅된 미세 투입관을 소정의 식갹액에 담그는 단계; 및

    초음파 세정기를 사용하여 상기 식각액의 온도를 소정의 온도로 유지하고, 소정의 진동과 휴식을 반복해서 가하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
23. 제 22 항에 있어서 상기 식각액이, 염산, 질산, 황산, 플르오르산(불산), 초산, 과산화수소수 및 암모니아수 중에서 선택된 적어도 하나 이상으로 구성된 식각액에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
24. 제 22 항에 있어서, 상기 식각액으로 불산과 질산이 4:1로 조성된 용액을 사용하고, 상기 식각액의 온도를 45 내지 55 ℃ 로 유지하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.
25. 제 1 항에 있어서 상기 금속팁 제거 단계 이후에, 상기 미세 투입관을 클래스 (Class) 10 이하의 환경에 보관하거나 증류수에 담그는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 투입관 제조 방법.