KR20020085211A - 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장를 이용한 정전형 수직구동기의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 두 단계의 실리콘 식각마스크 패터닝과 식각 깊이를 조정할 수 있는 4차례의 실리콘 식각 공정을 이용한 실리콘 표면/몸체 가공 기술을 통하여, 수직적으로 단차가 있는 구조물을 제조하여, 결과적으로 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기를 제조하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 방법에 의하면, 여러 장의 실리콘 웨이퍼를 결합하여 사용하거나, 단일 SOI 및 이중 SOI 웨이퍼들을 사용하여야만 했던 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.

Description

단결정 실리콘 웨이퍼 한 장를 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법 {Method for Fabrication of Electrostatic Vertical Actuators Using One Single-crystalline Silicon Wafer}
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기법을 이용하여, 정전형 수직 구동기를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 여러 장의 실리콘 웨이퍼를 결합하여 사용하거나 단일 또는 이중 SOI 웨이퍼를 이용하였던 종래 기술을 개선하여 균질의 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 사용하여 정전형 수직 구동기를 제조하는 방법을 제시하고자 한다.
MEMS 기법은 실리콘 공정을 이용하여 시스템을 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판 상에 집적, 형성하는 것으로서, 이는 반도체 소자 제조 기술을 기초로 한다. MEMS 기법으로 제조되는 대표적인 시스템은, 이동 물체의 가속도를 감지하는 가속도계, 회전 물체의 회전 속도를 감지하는 각속도계 및 광로 제어가 가능한 광스위치 등이 있다.
최근 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자의 향상을 위하여 단결정실리콘으로 고형상비 미세 구조물을 제작하기 위한 기술이 활발하게 연구되고 있다. 고형상비의 미세 구조물은 큰 정전 용량을 가지므로 높은 정밀도를 요구하는 센서나 큰 힘을 발생시키는 구동기의 제작을 가능하게 한다. 특히, 단결정실리콘 구조물은 다결정실리콘 등 박막 상태로 증착된 물질을 구조물로 이용하는 경우에 흔히 발생하는 잔류 응력의 문제점 및 응력 구배의 문제점이 없다.
고형상비의 실리콘 미세구조물을 제작하기 위한 종래 기술로는, 표면/몸체 가공법에 관한 기술(Surface/Bulk Micromachining, SBM)이 알려져있다(본 출원인의 미국특허 제6,150,275호). SBM 기술에 의하면, 단 한 장의 단결정실리콘으로 구조물을 구현하므로 잔류 응력이나 응력 구배의 문제가 전혀 없으며, SOI(Silicon-on-insulator)나 SOG(Silicon-on-glass) 등의 공정과 같이 웨이퍼 간의 접합을 필요로 하지 않는다.
본 발명은 이러한 표면/몸체 가공법에 관한 기술을 이용하여, 균질 실리콘 웨이퍼 한 장을 사용하여, 정전형 수직 구동기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
MEMS 기법을 이용한 수직 구동기에 관한 종래 기술로는, 첫째로, Selvakumar et al.[A. Selvakumar, K. Najafi, W. H. Juan and S. Pang, "Vertical comb array microactuators," IEEE Proc. MEMS '95, 43-48, 1995]가 있다. 이 종래 기술에서는, 실리콘 몸체에 트렌치를 형성하고, 형성된 트렌치를 폴리실리콘으로 충진하여 수직 콤 어레이 구조의 미세 구동기들을 만드는 방법을 제시한다.
다른 종래 기술로는 둘째로, Yeh et al.[J. A. Yeh, H. Jiang, and N. C. Tien, "Integrated polysilicon and DRIE bulk silicon micromachining for an electrostatic torsional actuator," IEEE/ASME J. Microelectromech. Sys., 8(4), 456-465, Dec. 1999]가 있다. 이 종래 기술에서는, 폴리실리콘 표면 미세 가공 및 DRIE 몸체 실리콘 미세 가공을 사용하여 SOI로 정전형 토션널 구동기를 만드는 방법을 제시한다.
위의 두 가지 종래 기술들에서는, 폴리실리콘이 이동 구조물을 형성한다.
또 다른 종래 기술로는 셋째로, Jeong et al.[H. Jeong, J. Choi, K. Y. Kim, K. B. Lee, J. U. Jeon and Y. E. Pak, "Milli-scale mirror actuator with bulk micromachined vertical combs," IEEE Proc. Transducers '99, 1006-1010, 1999]가 있다. 이 방식에서는, 여러장의 실리콘 웨이퍼들을 결합하여 몸체 미세 가공된 수직 콤 구조를 가지는 밀리-스케일 미러 구동기를 제시한다.
일반적으로, 단결정 실리콘에서 수직 운동의 구동기를 미세 가공하는 것은 매우 어렵고, 따라서, 위에서 설명한 종래 기술들에서와 같이, 여러 장의 실리콘 웨이퍼를 결합하여 사용하거나, 단일 SOI 및 이중 SOI 웨이퍼들을 사용하여야만 하였다. 또한, 구동기의 구동 전극과 고정 전극에 대하여 일반적으로 별도의 광마스크들이 사용된다. 따라서, 별도의 마스크를 사용할 때에 발생하는 정렬 오차 때문에 고정 전극과 구동전극의 간격이 조절하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 표면/몸체 가공법에 관한 기술을 이용하여, 균질 실리콘 웨이퍼 한 장을 사용하여, 정전형 수직 구동기를 제조하는 방법을 제시하는 것이다.
도1은 본 발명에 의한 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법의 제조 공정도,
도2는 도1에 도시된 공정에 의하여 제조된 수직 구동기 및 수직축 가속도계의 SEM 사진들.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 두 단계의 실리콘 식각마스크 패터닝과 식각 깊이를 조정할 수 있는 4차례의 실리콘 식각 공정을 이용한 실리콘 표면/몸체 가공 기술을 통하여, 수직적으로 단차가 있는 구조물을 제조하여, 결과적으로 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 방법을 보다 구체적으로 설명하면, 균질 실리콘 웨이퍼에 실리콘 식각마스크1을 증착하고 1차 사진묘화작업으로 패터닝하여 수직 구동기의 평면적 치수를 결정하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 형성된 실리콘 식각마스크1의 패턴 위에 실리콘 식각마스크2를 증착하고 2차 사진묘화작업으로 패터닝하되, 수직 구동기의 상부전극 부분이 실리콘 식각마스크2에 의하여 완전히 덮이도록 하는 단계(b); 상기 단계(a) 및 상기 단계(b)에 의하여 실리콘 식각마스크1 및 실리콘 식각마스크2가 각각 형성된 상태에서, t1 만큼 제1차 실리콘 식각을 수행하며, 이 때 동반적으로 실리콘 식각마스크2에 의하여 덮이지 않은 부분의 실리콘 식각마스크1이 식각되어 실리콘 식각마스크1의 두께에 차이가 발생하도록 하는 단계(c); 실리콘 식각마스크2를 제거하는 단계(d); 상기 단계(d)에서 실리콘 식각마스크2가 제거된 상태에서 t2 만큼 제2차 실리콘 식각을 수행하여 상부전극의 두께를 결정하는 단계(e); 상기 단계(e)를 거쳐 형성된 구조물에 벽면보호막을 입히는 단계(f); 상기 단계(f) 이후에 t3 만큼 제3차 실리콘 식각을 수행하여 기판과 하부전극간의 수직 간격을 결정하는 단계(g); 상기 단계(g) 이후에 알칼리 수용액을 이용하여 희생층을 식각하는 단계(h); 상기 단계(h)를 거쳐서 형성된 구조물에서, 상기 단계(c)에 의한 제1차 실리콘 식각에 의한 동반적인 효과로서, 실리콘 식각마스크2에 의하여 덮이지 않은 부분의 실리콘 식각마스크1이 식각되어, 실리콘 식각마스크1의 두께에 차이가 발생한 구조물에서 더 얇은 쪽의 실리콘 식각마스크1의 두께만큼 실리콘 식각마스크1을 건식 식각하고, t4 만큼 제4차 실리콘 식각을 수행하여 상부전극과 하부전극의 수직 간격을 결정하는 단계(i); 및 상기 단계(f)에서 형성된 벽면보호막을 제거하는 단계(j)를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명에 의한 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법의 제조 공정도로서, 구체적으로는 (111) 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하는 것을 설명한다.
먼저, (111) 단결정 실리콘 웨이퍼에 실리콘 식각마스크1을 증착한다. 실리콘 식각마스크1로는 실리콘산화물 또는 실리콘질화물 등이 사용될 수 있다. 이때 실리콘 식각마스크1의 두께는 향후 공정에서 수행될 4회의 실리콘 건식식각과 2회의 식각마스크 건식식각을 견딜 수 있을 정도로 두꺼워야 한다. 또한 잔류응력의영향이 최소화 될 수 있도록 하기 위해선 되도록 얇아야 한다. 1차 사진묘화작업을 수행하여 실리콘 식각마스크1 위에 감광막 패턴을 형성시킨다. 이 감광막패턴을 식각마스크로 이용하여 실리콘산화막 혹은 실리콘질화막의 실리콘 식각마스크1을 건식식각한 후 감광막을 제거한다(도1a). 1차 사진묘화작업을 통하여, 최종적으로 제작될 수직구동체의 상부전극, 하부전극 및 전극간 간격 등과 같은 평면간의 모든 치수들이 결정된다.
다음으로 실리콘 식각마스크2가 패터닝된다(도1b). 실리콘 식각마스크2 물질로는 감광막이나 실리콘산화막 혹은 실리콘질화막 등이 사용될 수 있다. 실리콘 식각마스크2 패턴에 의해 완전히 덮이는 실리콘 식각마스크1 패턴이 상부전극 혹은 수직스프링이 되는 부분이다. 이러한 부분에서 실리콘 식각마스크2는 실리콘 식각마스크1보다 wo만큼 패턴 크기가 커야한다. wo는 2차 사진묘화 작업시의 정렬오차와 세 번째 실리콘 건식식각을 수행하기 위해 필요한 최소한의 면적을 고려하여 결정된다. 그러나 이러한 2차 사진묘화 단계에서의 작은 정렬오차들은 최종 구조 치수에 영향을 미치지 않는다.
다음은, 제1차 실리콘 식각단계이다(도1c). 이 단계에서 실리콘 식각마스크1의 일부는 실리콘 식각마스크2에 의해 보호되지만, 나머지 부분은 단결정실리콘이 깊이 t1만큼 식각되는 동안 마모된다. 따라서 실리콘 식각마스크1 간에 두께의 차이가 발생한다. 구체적으로는, 상부전극 패턴을 이루는 부분의 실리콘 식각마스크1의 두께는 하부전극 패턴을 이루는 부분의 실리콘 식각마스크1의 두께보다 두껍게된다. 이 두께의 차이는 단결정 실리콘과 실리콘 식각마스크1의 식각 선택도와 식각 시간에 의하여 결정된다.
이와 같이, 실리콘 식각마스크2에 의하여 덮이지 않은 부분의 실리콘 식각마스크1이 마모되어, 실리콘 식각마스크1의 두께에 차이가 발생한 상태에서, 실리콘 식각마스크2를 제거하고(도1d), 2차 실리콘 식각을 수행한다(도1e). 2차 실리콘 식각 깊이 t2가 상부전극의 두께를 결정한다.
그런 다음 벽면보호막을 입히고(도1f), 제3차 실리콘 식각을 t3만큼 수행한다(도1g). 벽면보호막 물질로는 열실리콘산화막, 저기압 화학기상증착 실리콘산화막, 저기압 화학기상증착 실리콘질화막 및 플라즈마 화학기상증착 실리콘산화막이 사용될 수 있다. 이 단계에 의하여 기판과 하부전극간의 수직 간격이 결정된다. 이러한 3차 실리콘 식각의 식각 깊이 t3는 1차 실리콘 식각의 식각 깊이 t1보다 커야한다. 이 조건이 만족되지 않으면 상부전극 아래 부분에 그림자 구조들이 발생하게된다. 그림자 구조물의 밑면은 하부 전극의 밑면과 같은 곳에 위치하며 그림자 구조물의 윗면은 t2+ t1- t3에 위치한다. 또한, 폭은 실리콘 식각마스크2의 폭과 같게된다. 상부전극의 그림자 구조물들은 구동력을 감소시키며, 수직스프링의 그림자 구조물은 또 하나의 스프링을 만들어 수직 강성을 증가시킨다.
그런 다음, 알칼리 수용액을 이용하여 희생층을 식각한다(도1h).
이후 실리콘 식각마스크1을 얇은 쪽이 없어질 때까지 비등방성 건식식각을 수행한다. 한편, 앞에서 설명한 바와 같이 상부전극의 마스크두께가 하부전극의 두께보다 두껍기 때문에 상부전극위의 실리콘 식각마스크1은 남아있게 된다. 이어 4차 실리콘식각을 수행하면 도1i의 형상이 된다. 이때 식각 깊이 t4에 의해 상부전극과 하부전극의 수직 간격이 결정된다. 최종적으로 실리콘 식각마스크1 및 벽면보호막 제거를 통하여 수직적으로 단차가 있는 구조물을 완성한다(도1j). 도1j에서 최종적으로 제작될 수직구동체의 상부전극와 하부전극을 확인할 수 있다.
이와 같이 제작된 정전형 수직 구동기의 주요 치수는 다음과 같다: 상부전극 또는 수직스프링의 두께(h1)는 t2, 하부전극의 두께 (h2) 는 t1+ t2- t4, 두 전극들 간의 수직 간격은 t4-t2, 기판과 하부전극간의 수직 간격은 t3이다.
정전형 구동을 위하여 전기적인 절연이 필요한데, 이를 실현시키는 방법으로는 실리콘 산화막/다결정 실리콘/금속의 삼중막을 이용한 절연 방법 [대한민국 출원번호 2000-37659] 이나 선택적 에스오아이 구조를 이용한 절연 방법 [대한민국 출원번호 2000-19656] 을 이용할 수 있다. 삼중막 절연방법을 이용할 경우, 먼저 모든 실리콘 표면들을 1200Å 두께의 열 실리콘 산화막을 증착하고, 1800Å두께로 도핑된 다결정 실리콘을 증착한다(도1k). 그런 다음, 상단의 금속을 식각마스크로 이용하여 바닥의 다결정 실리콘을 비등방 식각한다(도1l).
도2는 도1에 도시된 공정에 의하여 제조된 수직 구동기 및 수직축 가속도계의 SEM 사진들이다. 도2에 제시된 수직 구조물들의 주요 치수는 다음과 같다. t1=20㎛, t2=5㎛, t3=30㎛, t4=6㎛. 두 전극간의 측면 간격은 6㎛이다. 상세하게는, 도2a는 수직구동기1의 전체사진, 도2b는 수직구동기1의 우하부 부분 확대사진, 도2c는 수직구동기2의 전체사진, 도2d는 수직구동기1의 좌상부 부분 확대사진, 도2e는 수직축 가속도계의 전체사진, 도2e는 수직축 가속도계의 우상부 부분 확대사진이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 표면/몸체 가공법에 관한 기술을 이용하여, 균질 실리콘 웨이퍼 한 장을 사용하여, 정전형 수직 구동기를 제조할 수 있다. 본 발명에 의한 방법에 의하면, 여러 장의 실리콘 웨이퍼를 결합하여 사용하거나, 단일 SOI 및 이중 SOI 웨이퍼들을 사용하여야만 했던 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에 의한 방법은, 수직축 가속도계의 수직 방향 검지부, 수평축 자이로스코프의 검지를 위한 수직 검지부 혹은 수직 구동부 및 광스위칭 소자를 포함하는 비틀림 검지부 혹은 비틀림 구동기에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. MEMS 기법을 이용한 정전형 수직 구동기를 제조 방법에 있어서,
    균질 실리콘 웨이퍼에 실리콘 식각마스크1을 증착하고 1차 사진묘화작업으로 패터닝하여 수직 구동기의 평면적 치수를 결정하는 단계(a);
    상기 단계(a)에서 형성된 실리콘 식각마스크1의 패턴 위에 실리콘 식각마스크2를 증착하고 2차 사진묘화작업으로 패터닝하되, 수직 구동기의 상부전극 부분이 실리콘 식각마스크2에 의하여 완전히 덮이도록 하는 단계(b);
    상기 단계(a) 및 상기 단계(b)에 의하여 실리콘 식각마스크1 및 실리콘 식각마스크2가 각각 형성된 상태에서, t1 만큼 제1차 실리콘 식각을 수행하며, 이 때 동반적으로 실리콘 식각마스크2에 의하여 덮이지 않은 부분의 실리콘 식각마스크1이 식각되어 실리콘 식각마스크1의 두께에 차이가 발생하도록 하는 단계(c);
    실리콘 식각마스크2를 제거하는 단계(d);
    상기 단계(d)에서 실리콘 식각마스크2가 제거된 상태에서 t2 만큼 제2차 실리콘 식각을 수행하여 상부전극의 두께를 결정하는 단계(e);
    상기 단계(e)를 거쳐 형성된 구조물에 벽면보호막을 입히는 단계(f);
    상기 단계(f) 이후에 t3 만큼 제3차 실리콘 식각을 수행하여 기판과 하부전극간의 수직 간격을 결정하는 단계(g);
    상기 단계(g) 이후에 알칼리 수용액을 이용하여 희생층을 식각하는 단계(h);
    상기 단계(h)를 거쳐서 형성된 구조물에서, 상기 단계(c)에 의한 제1차 실리콘 식각에 의한 동반적인 효과로서, 실리콘 식각마스크2에 의하여 덮이지 않은 부분의 실리콘 식각마스크1이 식각되어, 실리콘 식각마스크1의 두께에 차이가 발생한 구조물에서 더 얇은 쪽의 실리콘 식각마스크1의 두께만큼 실리콘 식각마스크1을 건식 식각하고, t4 만큼 제4차 실리콘 식각을 수행하여 상부전극과 하부전극의 수직 간격을 결정하는 단계(i); 및
    상기 단계(f)에서 형성된 벽면보호막을 제거하는 단계(j)를 포함하는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 균질 실리콘 웨이퍼는, (111) 단결정 실리콘 웨이퍼인 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(c), 단계(e), 단계(g) 및 단계(i)는 실리콘 딥 반응성 이온 식각 공정으로 수행되는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(b)에서 형성되는 실리콘 식각마스크2의 패턴 크기는, 실리콘 식각마스크2에 의하여 덮이는 실리콘 식각마스크1의 패턴 크기보다 w0만큼 큰 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 w0는, 2차 사진묘화 작업시의 정렬오차와 단계(g)의 세 번째 실리콘 건식식각을 수행하기 위해 필요한 최소한의 면적을 고려하여 결정되는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계(g)에서 수행되는 제3차 실리콘 식각 깊이 t3는 상기 단계(c)에서 수행되는 제1차 실리콘 식각 깊이 t1보다 큰 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계(j)를 거쳐서 형성된 구조물을 전기적으로 절연하는 단계(k)를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단계(k)는, 실리콘 산화막/다결정 실리콘/금속의 삼중막을 이용하여 절연하는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단계(k)는, 선택적 에스오아이 구조를 이용하여 절연하는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의하여,
    상기 방법은, 수직축 가속도계의 수직 방향 검지부에 적용되는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의하여,
    상기 방법은, 수평축 자이로스코프의 검지를 위한 수직 검지부 혹은 수직 구동부에 적용되는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의하여,
    상기 방법은, 광스위칭 소자를 포함하는 비틀림 검지부 혹은 비틀림 구동기에 적용되는 것임을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장을 이용한 정전형 수직 구동기의 제조 방법.
KR10-2001-0024607A 2001-05-07 2001-05-07 단결정 실리콘 웨이퍼 한 장를 이용한 정전형 수직구동기의 제조 방법 KR100373739B1 (ko)

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