KR20030002070A - 원심력을 이용한 비점착 웨이퍼 건조방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 및 MEMS(Micro Electron-Mechanical System) 기술을 이용한 소자 제조시 이용되는 원심력을 이용한 웨이퍼(Wafer)의 비점착(Anti-Stiction) 건조방법 및 그 장치에 관하여 개시한다. 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조방법은, 마이크로 구조물이 형성된 웨이퍼의 건조방법에 있어서, (가) 상기 웨이퍼와 상기 마이크로 구조물 사이에 적층된 희생층을 에칭용액으로 제거한 후, 상기 웨이퍼를 일정시간 동안 세척액에서 세척하여 상기 에칭용액이 상기 세척액으로 대체되게 하는 단계; 및 (나) 세척된 상기 웨이퍼를 회전장치에 장착하고, 상기 회전장치의 원심력에 의해 상기 웨이퍼와 상기 마이크로 구조물 사이에 남아있는 상기 세척액을 건조시키는 단계;를 구비하며, 상기 마이크로 구조물을 상기 웨이퍼로부터 부유된 상태로 건조시키는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 건조과정에서 발생되는 마이크로 구조물과 기판 사이의 표면장력과 반대방향으로 소정의 원심력을 가함으로써 대부분의 세척액은 증발이 아닌 액상 상태로 제거되며, 마이크로 구조물의 변형을 탄성한계 이내로 유지하여 MEMS 공정으로 제작되는 마이크로 구조물과 기판 사이의 점착현상을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자 및 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 이용한 소자 제조시 이용되는 웨이퍼(Wafer)의 건조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착(Anti-Stiction) 건조방법 및 장치에 관한 것이다.
MEMS 기술을 이용한 RF(radio Frequency) 소자 중 현재 가장 널리 사용되고 있는 것은 RF 스위치이며, RF 스위치는 마이크로파나 밀리미터파를 이용하는 무선통신 시스템 특히, 전송(signal routing)이나 임피던스 정합 회로(impedance matching networks) 등에서 신호의 선별에 많이 이용되는 소자이다.
이러한 RF 소자에는 스위칭(Switcing) 역할을 가능하게 하는 마이크로 구조물(Micro Structure)이 스위치 내에 위치하게 되며, 이러한 마이크로 구조물을 제작할 때에는 희생층(Sacrificial Layer)을 제거하여 희생층 위에 적층되어 있던 마이크로 구조물을 웨이퍼 위에 떠 있게 하는 릴리스(Release) 공정이 필연적으로 수반된다.
도 1a 내지 도 1c는 릴리스 공정에 의해 희생층을 제거한 후의 마이크로 구조물의 여러 형태를 보여준다. 도 1a는 점착(stiction)현상이 발생하지 않은 MEMS 구조물을 보여주며, 도 1b는 부분적으로 점착현상이 발생한 MEMS 구조물을 나타낸 것이며, 도 1c는 전체적으로 점착현상이 발생한 MEMS 구조물을 나타낸 것이다.
이러한 릴리스 공정은 건식에칭(Dry Etching) 공정과 습식에칭(Wet Etching) 공정으로 나뉜다.
건식에칭(Dry Etching) 공정은 플라즈마를 이용하여 희생층을 고체상태에서
기체상태로 직접 변환하여 제거함으로써 후술하는 습식에칭공정에서의 표면장력에 의한 구조물의 점착을 근본적으로 막는 장점이 있으나, 공정 중에 많은 열이 발생하기 때문에 마이크로구조물의 열적 변형을 발생시킬 우려가 있다.
한편, 습식에칭(Wet Etching) 공정은 열을 발생시키지 않으므로 열에 의한 마이크로 구조물의 변형을 최소화할 수 있는 장점이 있으나, 희생층이 제거된 후 웨이퍼 건조과정에서 생기는 표면장력에 의한 점착이 발생하기 때문에 미세한 RF 스위치의 제작을 불가능하게 하거나, RF 스위치의 오동작을 유발하게 한다.
도 2a 내지 도 2c는 습식에칭(Wet Etching)의 릴리스 공정시 점착(Stiction)현상이 발생되는 것을 보여주는 도면으로서, 웨이퍼 건조과정에서 세척액(Rinse solution)의 증발에 따라 구조물이 점착되어 가는 과정을 나타낸 것이다.
습식에칭과정에서 희생층이 제거된 후, 기판과 반도체 및 MEMS 공정에 의해 제작된 마이크로 구조물 사이의 희생층(Sacrificial Layer)이 제거된 공간을 식각용액이 채운다(도 2a 참조). 다음에 식각 용액으로 채워진 구조물을 세척액으로 세척하면, 식각 용액이 세척액에 의해 밀려나면서 대체된다(도 2b 참조). 다음에 세척액(Rinse solution)이 채워진 구조물을 건조시키면, 세척액(rinse solution)의 양이 줄어들면서 세척액의 표면장력에 의하여 구조물 자체가 기판(Substrate) 쪽으로 이동하게 되며 이러한 과정이 계속되어 결국 마이크로 구조물은 기판에 점착되므로 마이크로 구조물이 기판위에 떠 있지 못하는 결과가 초래된다(도 2c 참조).
상기의 점착(Stiction) 현상을 방지하기 위해 마이크로 구조물의 강성(stiffness)을 크게 하면 건조과정에서 세척액(rinse solution)이 증발함에 따라 세척액의 양이 줄어들어도 마이크로 구조물과 기판과의 간격을 유지시킬 수도 있으나, 이는 반도체 소자 및 MEMS 공정에 의한 RF 스위치를 구동시 매우 큰 구동전압을 필요로 하는 등의 문제가 있어 채택하기가 어렵다.
상기 문제를 해결하기 위해 습식에칭(Wet Etching) 공정을 일부 변형한 여러 방법이 제안되기도 하였다. 즉, 냉동건조방법(Freeze-Drying Methods)은 세척액(rinse solution)을 얼린 후 이를 승화시켜 제거하는 방법이나, 세척액을 얼리는 과정에서 발생되는 부피의 변화가 미세한 마이크로 구조물의 변형을 일으키므로 앵커로부터 스프링을 미세한 구조로 연결하는 RF MEMS 스위치와 같은 구조물 제작에 사용하는 데 많은 어려움이 따른다.
또한, 미국 등록특허 제6,067,728호에는 임계건조방법(Supercritical Drying Method)이 개시되어 있다. 고압의 챔버에서 세척액을 액상의 CO2로 대치시킨 후 CO2의 임계점(critical point)에서 액상의 CO2를 제거하는 방법으로서, 점착현상이 없는 마이크로 구조물을 제작할 수 있는 방법이지만, 약 72 기압의 고압을 사용하므로 안전성에 문제가 있고, 장비가 고가이므로 실용적인 RF 스위치의 제작에 이용하기에는 문제가 있다.
다른 또 하나의 방법으로서 IPA(Iso-Propyl Alcohol) Boiling 방법은 끓고있는 IPA에 웨이퍼를 넣고 가열하다가 꺼낸 후 대기 중 또는 100~300 ℃의 오븐에 넣어 상당히 빠른 시간 내에 IPA를 증발시킴으로써 구조물의 점착을 방지하는 방법이다. 그러나 IPA에서 웨이퍼를 꺼낼 때 웨이퍼에 묻어나오는 IPA의 양이 매번 다르며 또한 IPA의 분포도 웨이퍼의 위치에 따라 다르기 때문에 웨이퍼의 위치별로 불균일한 수율을 얻을 수 밖에 없다. 따라서 릴리스 공정시마다 일률적인 수율을 기대하기 어려워 역시 실용적인 RF 스위치의 제작으로는 문제가 있다.
따라서 본발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 습식 에칭(Wet Etching) 공정시 희생층 제거후 웨이퍼 건조과정에서 생기는 점착 문제를 방지하기 위해 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 릴리스(release) 공정에 의해 희생층을 제거한 후의 마이크로 구조물의 여러 형태의 점착(stiction) 상태를 보여주는 도면,
도 2a 내지 도 2c는 습식에칭(Wet Etching) 공정시 점착(Stiction)현상이 발생되는 공정을 개략적으로 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치의 개략적인 단면도,
도 4는 도 3의 일부 평면도로서, 하나의 장착부에 마이크로 구조물이 장착되는 상태를 보여주는 도면,
도 5a는 본 발명의 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치에 사용되는 지그(jig)의 일 예를 보여주는 사진,
도 5b는 도 5a의 지그를 장착하는 척(chuck)의 일 예를 보여주는 사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 건조장치 11: 회전축
12: 연결부 13: 장착부
14: 용기 15: 가열 코일
16: 세척액 입구 17: 세척액 출구
20: MEMS 구조물 22: 기판
24: 앵커 26: 스프링
28: 멤브레인
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조방법은, 마이크로 구조물이 형성된 웨이퍼의 건조방법에 있어서, (가) 상기 웨이퍼와 상기 마이크로 구조물 사이에 적층된 희생층을 에칭용액으로 제거한 후, 상기 웨이퍼를 일정시간 동안 세척액에서 세척하여 상기 에칭용액이 상기 세척액으로대체되게 하는 단계; 및 (나) 세척된 상기 웨이퍼를 회전장치에 장착하고, 상기 회전장치의 원심력에 의해 상기 웨이퍼와 상기 마이크로 구조물 사이에 남아있는 상기 세척액을 건조시키는 단계;를 구비하며,
상기 마이크로 구조물을 상기 웨이퍼로부터 부유된 상태로 건조시키는 것을 특징으로 한다.
상기 (가) 단계의 상기 세척액은 DI 물(deionized water) 또는 IPA(Iso-Propyl Alcohol)를 사용하고, 상기 (가) 단계의 상기 웨이퍼는 상기 회전장치의 회전축을 향하도록 하고, 상기 마이크로 구조물은 회전방향의 바깥쪽을 향하도록 장착되는 것이 바람직하다.
상기 (나) 단계에서, 상기 회전장치의 회전에 의한 원심력을 상기 마이크로 구조물과 상기 웨이퍼 사이에 작용하는 표면장력과 적어도 같거나 또는 크게 하는 것이 바람직하다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치는, 마이크로 구조물이 형성된 웨이퍼의 건조장치에 있어서, 세척액을 담을 수 있는 공간이 내부에 형성된 용기; 상기 용기의 중앙부에 수직으로 마련되는 회전축; 상기 회전축으로부터 바깥쪽을 향해 연장되어 상기 회전축에 실질적으로 평행하게 상기 웨이퍼를 고정지지하는 다수의 장착부들; 및 상기 회전축을 구동시키는 모터;를 구비한다.
상기 용기에는 상기 용기에 세척액을 채우는 세척액입구와, 상기 용기로부터 상기 세척액을 배출하는 세척액출구가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 용기에는 내부에 채워지는 세척액을 가열할 수 있는 히터가 더 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전축은 상하로 이동될 수 있도록 형성되거나, 또는 상기 장착부들이 상기 회전축을 중심으로 상하로 이동될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치의 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 건조장치(10)는 그 내부에 세척액을 담을 수 있는 용기(14)를 구비한다. 용기(14) 내부의 중앙부에는 수직으로 위치하는 회전축(11)이 마련되어 있다. 회전축(11)의 주위에는 회전축(11)으로부터 연장된 연결부(12)에 의해 지지되는 장착부들(13)이 마련되어 있다. 용기(14) 측면에는 외부로부터 용기(14)내에 세척액을 주입시키기 위한 세척액 입구(16)와, 용기(14)로부터 세척액을 배출시키는 세척액 출구(17)가 마련되어 있다. 또한, 세척액을 가열시키기 위한 가열 코일(15)이 용기(14)에 마련되어 있다.
상기 회전축(11)은 연결된 모터(미도시)에 의해 회전되며, 세척액에 장착부(13) 및 장착부(13)에 장착된 마이크로 구조물(도 4의 도면번호 20 참조)을 담그고 꺼낼 수 있도록 회전축(11)이 상하로 움직이거나 또는 회전축(11)에 연결된 연결부(12) 및 장착부들(13)이 상하로 이동될 수 있는 수단이 마련되는 것이 바람직하다.
도 4는 도 3의 일부 평면도로서, 하나의 장착부(13)와 그에 장착되는 마이크로 구조물(20)을 보여주는 도면이다. 마이크로 구조물(20)은 기판(22) 상에서 앵커(24)로 지지되는 스프링(26)과, 스프링(26)에 의해 지지되는 멤브레인(28)으로 구성되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 에칭용액으로 희생층이 제거된 마이크로 구조물(20)을 장착부(13)에 장착한다. 이 때 기판(22)은 회전축(11)을 향하게 하고 마이크로 구조물(20)은 바깥쪽을 향하도록 장착한다. 용기(14)내에는 세척액 입구(16)를 통해서 세척액이 소정 높이까지 유입되며, 세척액은 DI 물(deionized water) 또는 IPA를 사용한다. 필요에 따라 가열 코일(15)을 사용하여 세척액 온도를 상승시킨다. 회전축(11) 또는 연결부(12)에 연결된 장착부(13)를 하방으로 이동하여 장착부(13)에 장착된 마이크로 구조물(20)을 세척액에 잠기게 한 후 일정시간 대기한다. 소정 시간이 지난 후 세척액을 세척액 출구(17)를 통하여 용기(14)로부터 배출시키거나 또는 회전축(11) 또는 연결부(12)에 연결된 장착부(13)를 상방으로 이동한다. 만일 구조물(20)의 형태가 회전에 의한 공기와의 마찰이나 압력에 의하여 변형될 가능성이 있다면 용기(14)내를 진공으로 만들 수도 있다.
상기 회전축(11)을 회전시키면 마이크로 구조물(20)은 장착부(13)에 의하여 고정된 상태에서 원심력을 받게 되며 대부분의 세척액은 원심력에 의하여 마이크로 구조물(20)로부터 분리되어 제거된다. 남아있는 용액의 증발이 시작되면 마이크로 구조물(20)에는 마이크로 구조물(20)과 기판(22) 사이의 표면장력이 회전축(11)을 향한 제1방향으로 작용하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 원심력이 동시에 작용하게 되므로, 제작된 구조물의 강성 및 질량에 따라서 적당한 원심력이 가해져야 한다. 회전축이 ω의 각속도로 회전하고 있을 때 회전축의 중심에서 거리r만큼 떨어져 있는 질량m, 강성k의 구조물은 수학식 1과 같은 원심력F c 을 받게된다.
기판과 MEMS 구조물 사이에 표면장력F s 가 작용하고 있다면 중력을 무시하는 경우 구조물의 변위d는 수학식 2와 같다.
그러므로 구조물의 질량 및 강성에 따라 적절한 각속도를 계산하여 회전축을 회전시키면 구조물과 기판사이의 거리가 가까워지는 것을 방지하면서 세척액을 모두 증발시킬 수 있다. 이때 원심력이 작용하는 방향은 구조물이 점착되는 방향과 반대가 되어야 하며 표면장력과 원심력의 합력크기는 구조물의 탄성한계를 벗어나지 않는 한도이어야 한다. 원심력이 표면장력보다 큰 경우에는 구조물이 점착되려고 하는 방향과 반대방향으로 변형하게 되어 기판(또는 점착되고자 하는 부위)과의 거리가 더욱 멀어지게 되므로 점착을 방지할 수 있으며, 원심력과 표면장력이 평형을 이루는 경우에는 마이크로 구조물은 기판(또는 점착되고자 하는 부위)과 일정한 거리를 유지하게 되므로 점착이 방지된다. 원심력이 표면장력보다 작은 경우에는 구조물은 점착되고자 하는 방향으로 당겨지게 되나, 마이크로 구조물은 변형량과비례하는 복원력(구조물의 강성에 의한 힘)을 가지게 되므로 표면장력이 마이크로 구조물의 복원력과 원심력의 합력보다 크지 않다면 점착은 방지된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치에 사용되는 장착부의 일 예인 MEMS 구조물을 장착하는 지그(jig)와 지그를 장착하는 척(chuck)의 일 예를 보여주는 사진이며, 연결부는 평판으로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 장착부와 연결부의 형태는 도 5a 및 도 5b에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형 형태로 구성될 수 있다.
실험예
RF MEMS 스위치 제작시 희생층을 제거한 상태에서 상온의 DI Water로 10분간 세척을 한 후, 상온의 IPA에 5분간 담근 후 회전축에서 10cm 떨어진 부분에 위치한 장착부에 웨이퍼를 장착하고 2000 RPM으로 6분간 회전시켜 건조를 실시하였다. 이 구조물의 경우 RPM은 수학식 3과 같은 값들을 이용하여 계산되었다.
Stiffness K = 1.18
= 11.8e-6(10 ㎛의 구조물 변형을 얻기 위한 원심력) N/m,
r = 0.1 m,
RPM = 1930 ≒ 2000
그 결과 점착현상이 발생하지 않았으며 모든 구조물이 성공적으로 바닥에서떠있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 건조과정에서 발생되는 마이크로 구조물과 기판 사이의 표면장력과 반대방향으로 소정의 원심력을 가함으로써 대부분의 세척액은 증발이 아닌 액상 상태로 제거되며, 마이크로 구조물의 변형을 탄성한계 이내로 유지하여 MEMS 공정으로 제작되는 마이크로 구조물과 기판 사이의 점착현상을 방지할 수 있다. 또한, 별도의 특수한 설비 없이 저가로 시스템을 구성할 수 있고, 특히 웨이퍼 레벨로 작업이 가능하므로 양산이 가능해진다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.
Claims (9)
- 마이크로 구조물이 형성된 웨이퍼의 건조방법에 있어서,(가) 상기 웨이퍼와 상기 마이크로 구조물 사이에 적층된 희생층을 에칭용액으로 제거한 후, 상기 웨이퍼를 일정시간 동안 세척액에서 세척하여 상기 에칭용액이 상기 세척액으로 대체되게 하는 단계; 및(나) 세척된 상기 웨이퍼를 회전장치에 장착하고, 상기 회전장치의 원심력에 의해 상기 웨이퍼와 상기 마이크로 구조물 사이에 남아있는 상기 세척액을 건조시키는 단계;를 구비하며,상기 마이크로 구조물을 상기 웨이퍼로부터 부유된 상태로 건조시키는 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 비점착 웨이퍼 건조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (가) 단계의 상기 세척액은 DI 물(deionized water) 또는 IPA(Iso-Propyl Alcohol) 인 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 비점착 웨이퍼 건조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (가) 단계의 상기 웨이퍼는 상기 회전장치의 회전축을 향하도록 하고, 상기 마이크로 구조물은 회전방향의 바깥쪽을 향하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 비점착 웨이퍼 건조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (나) 단계에서, 상기 회전장치의 회전에 의한 원심력을 상기 마이크로 구조물과 상기 웨이퍼 사이에 작용하는 표면장력과 적어도 같거나 또는 크게 하는 것을 특징을 하는 원심력을 이용한 비점착 웨이퍼 건조방법.
- 마이크로 구조물이 형성된 웨이퍼의 건조장치에 있어서,세척액을 담을 수 있는 공간이 내부에 형성된 용기;상기 용기의 중앙부에 수직으로 마련되는 회전축;상기 회전축으로부터 바깥쪽을 향해 연장되어 상기 회전축에 실질적으로 평행하게 상기 웨이퍼를 고정지지하는 다수의 장착부들; 및상기 회전축을 구동시키는 모터;를 구비하는 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 용기에는 상기 용기에 세척액을 채우는 세척액입구와, 상기 용기로부터 상기 세척액을 배출하는 세척액출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 용기에는 내부에 채워지는 세척액을 가열할 수 있는 히터가 더 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 회전축은 상하로 이동될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 장착부들은 상기 회전축을 중심으로 상하로 이동될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 웨이퍼의 비점착 건조장치.
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