KR20040048208A - 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의점착 방지 방법 - Google Patents

실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의점착 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법은, 표면 또는 몸체 미세가공 기술에서 미세구조물을 부양시키는 과정 중에 발생하는 점착 및 사용 중 발생하는 점착을 방지하기 위한 방법으로서, 불화수소하에서 희생층을 식각시키는 단계(a); 탈이온수로 세정하는 단계(b); 과산화수소를 이용하여 표면을 산화시키는 단계(c); 알코올로 세정하는 단계(d); 하기 화학식 1로 표시되는 실란계 화합물을 증착시키는 단계(e); 및 건조시키는 단계(f)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
R2SiX2
(상기 화학식 1에서,
R은 탄소수가 1 내지 4인 알킬 또는 할라이드가 치환된 탄소수가 1 내지 4인 알킬이고,
X는 할라이드 또는 n이 0 내지 4인 CH3(CH2)nO 이다)

Description

실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법{Anti-stiction method for surface or bulk micromachining using silane derivatives}
본 발명은 표면 또는 몸체 미세가공 기술을 위한 점착 방지 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하기 화학식 1로 표시되는 실란계 화합물을 코팅함으로써, 코팅막의 소수성기가 주위의 습도나 환경변화에 의한 물분자와의 결합을 막아 초미세 구조물의 희생층 제거시 및 사용중 필연적으로 발생하는 부착 현상을 최소화시키는, 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법에 관한 것이다.
R2SiX2
(상기 화학식 1에서,
R은 탄소수가 1 내지 4인 알킬 또는 할라이드가 치환된 탄소수가 1 내지 4인알킬이고,
X는 할라이드 또는 n이 0 내지 4인 CH3(CH2)nO 이다)
최근의 마이크로머시닝 발전에도 불구하고 마이크로 구조물의 부착현상은 여전히 중요한 문제로 남아있다. 부착현상(stiction)이란 마이크로 구조물의 표면에 의도하지 않는 접착이 일어나서 회복하려는 힘이 모세관힘, 반데르발스힘(van der Waals), 정전력과 같은 표면에 작용하는 힘을 극복하지 못하여 영구적으로 붙어 있는 현상을 말한다. 이러한 부착현상은 크게 희생층 제거시 부착현상(release-related stiction)과 사용중 부착현상(in-use stiction)으로 분류된다.
우선, 희생층 제거시 부착현상은 구조물의 부양(release) 공정 중에서 구조물이 바닥에 붙어서 떨어지지 않는 접착으로 액체 모세관힘에 의해서 일어난다. 현재 이 현상은 승화 건조법, 초임계 건조법, 불산 기상 건조법 등의 방법들로 액체 기상 계면을 피하는 기술로 해결 할 수 있다. 그 외에도 마이크로 구조물 주변에 작은 돌출물을 만들어서 액체 형상(메니스커스; meniscus)을 변화시켜 모세관힘을 줄이는 방법도 있다.
그러나, 이러한 방법들도 미세 구조물이 동작중 습도나 과도한 충격 등으로 복원되지 않는 부착이 발생하는 것을 해결할 수는 없다. 그 이유는 근접한 마이크로 구조물 표면이 서로 접촉할 때 모세관, 정전, 반데르 발스 등의 힘이 발생하고, 이 힘에 의해 표면부착이 일어나며, 그 결과 소자 손상을 초래하게 되어 결국 구조물의 부착현상이 발생하기 때문이다. 이러한 사용중 부착현상을 방지하기 위하여 마이크로 딤플(dimple)을 형성하여 표면 접촉면적을 줄이는 방법과 마이크로미터 수준으로 다결정 실리콘 표면을 거칠게 하는 방법이 연구되었다.
최근에는 구조물 표면을 화학적으로 개질시키는 방법이 발표되었는데, 예를 들어 수소 부동태(passivation), 수소 결합 불화 모노레이어, 플라즈마 증착 탄화불소 박막, 공유 결합(covalently-bound) 탄화수소 자기 집합 단층막(self-assembled monolayer; SAM) 등이 있다. 이 중 대표적인 방식이 SAM 방식이다. 그러나, 이 SAM 방식도 처리방법이 복잡하고, 공정비용이 많이 들며 온도에 대한 의존성이 강한 단점이 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 방식인 승화건조법, 초임계 건조법, 불산 기상 건조법 등은 단지 구조물의 희생층 제거 후 건조시 액체 상태의 표면 형상을 피하는 기술로서, 사용중(구동중)에 습도나 주위환경에 상당한 영향을 받아 구조물의 바닥에 붙어 버리는 문제점이 있다. 또한, 최근에 개발된 자기 단층막 방식도 공정시간이 길고, 공정비용이 비싼 단점이 있다. 따라서, 온도의 의존성이 적은 동시에 비용이 저렴하고, 공정방법이 간단한 새로운 점착 방지 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 실란계 화합물을 코팅함으로써, 코팅막의 소수성기가 주위의 습도나 환경변화에 의한 물분자와의 결합을 막아 초미세 구조물의 희생층 제거시 및 사용중 필연적으로 발생하는 부착 현상을 최소화시키는, 실란계 화합물을 이용한표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 처리의 개념도이다.
도 2(a)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법의 일실시예에 사용되는 실험구조물이다.
도 2(b)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 적용하는 경우, 탈이온수만으로 세정하는 경우와 비교하여, 점착이 발생하지 않음을 보여주는 도면이다.
도 2(c)는 본 발명에 의한 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법의 일실시예를 도시한 것이다.
도 3(a)는 종래 방법 및 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 10㎛∼1㎜까지의 10㎛ 간격으로 증가하는 켄틸레버 빔 어레이의 SEM 사진을 비교한 것이다.
도 3(b)는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 10㎛∼3㎜까지의 10㎛ 간격으로 증가하는 켄틸레버 빔 어레이의 SEM 사진이다.
도 4 는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 켄틸레버의 수율을 도시한 것이다.
도 5(a)는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 켄틸레버의 열적 안정성을 측정한 결과이다.
도 5(b)는 본 발명에 따라 단결정 실리콘 위에 점착 방지 처리된 켄틸레버의 열적 안정성을 측정한 결과이다.
FDTS: 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리클로로실란
(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosilane, C10H4F17SiCl3)
ODTS: 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, C18H37SiCl3)
DDMS: 디클로로디메틸실란(dichlorodimethylsilane, (CH3)2SiCl2)
DDES: 디클로로디에틸실란(dichlorodiethylsilane, (C2H5)2SiCl2)
DDPS: 디클로로디프로필실란(dichlorodiprophylsilane, (C3H7)2SiCl2)
도 5(c)는 본 발명에 따라 다결정 실리콘 위에 점착 방지 처리된 켄틸레버의 열적 안정성을 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 상기 도 5(a) 내지 도 5(c)의 구조물에 대한 수명을 측정한 결과이다.
도 7(a)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 실제로 적용하여 제조된 자리로스코프 어레이(700㎛ X 900㎛)를 보여주는 사진이다.
도 7(b)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 실제로 적용하여 제조된 하드디스크용 마이크로 액추에이터(300㎛ X 1000㎛)를 보여주는 사진이다.
도 7(c)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 실제로 적용하여 제조된 가속도계(700㎛ X 700㎛)를 보여주는 사진이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법은, 표면 또는 몸체 미세가공 기술에서 미세구조물을 부양시키는 과정 중에 발생하는 점착 및 사용 중 발생하는 점착을 방지하기 위한 방법으로서, 불화수소하에서 희생층을 식각시키는 단계(a); 탈이온수로 세정하는 단계(b); 과산화수소를 이용하여 표면을 산화시키는 단계(c); 알코올로 세정하는 단계(d); 하기 화학식 1로 표시되는 실란계 화합물을 증착시키는 단계(e); 및 건조시키는 단계(f)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
R2SiX2
(상기 화학식 1에서,
R은 탄소수가 1 내지 4인 알킬 또는 할라이드가 치환된 탄소수가 1 내지 4인 알킬이고,
X는 할라이드 또는 n이 0 내지 4인 CH3(CH2)nO 이다)
본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법에 있어서, 상기 실란계 화합물은 디클로로디메틸실란, 디클로로디에틸실란, 또는 디클로로디프로필실란인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법에 있어서, 상기 단계(e)의 증착 후, 상기 단계(f)의 건조 전에 이소옥탄 용매를 사용하여 잉여 전구체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법에 있어서, 상기 단계(e)의 실란계 화합물의 증착 후 전도성 있는 박막재료를 코팅시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법에 있어서, 상기 단계(e)의 실란계 화합물의 증착시 전도성 있는 박막재료를 함께 혼합시켜 동시에 증착시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법에 있어서, 상기 단계(d)의 알코올은 메탄올, 이소프로판올, 또는 에탄올로부터 선택되어 사용되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2(a)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법의 일실시예에 사용되는 실험구조물이다.
도 2(b)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 적용하는 경우, 탈이온수만으로 세정하는 경우와 비교하여, 점착이 발생하지 않음을 보여주는 도면이다. 즉, 종래의 방법대로 탈이온수로 세정한 경우에는 켄틸레버가 붙게 되나, 본 발명의 방법에 의할 경우, 점착이 방지되는것을 알 수 있다.
도 2(c)는 본 발명에 의한 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법의 일실시예를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예로서 도시된 도 2(c)에서 보는 바와 같이, 먼저 49% 불화수소하에 10분간 디핑(dipping)시켜 희생층을 식각시키고, 탈이온수에 10분간 디핑시켜 세정한다. 그 후 30% 과산화수소하에 10분간 디핑시켜 표면을 산화시키고, 이소프로판올을 이용하여 30초간 흐름 세정을 하고, 1분간 디핑시키며, 다시 이소옥탄을 사용하여 30초간 흐름 세정을 하고, 1분간 디핑시킨다. 디클로로디메틸 실란을 증착시키고, 이소옥탄을 사용하여 30초간 흐름 세정을 하고, 1분간 디핑시켜 잉여 전구체를 제거한다. 그 후, 대기압하에서 핫 플레이트를 이용하여 5초 내지 30초 동안, 1-2회 가열하여 건조시킨다. 핫 플레이트를 사용하지 않고 단순히 10 torr 이하의 저압에서 건조시키는 것도 가능한데, 예컨대 0.1torr에서 1분 정도 건조시키면 되고, 이 때 압력이 낮을수록 소요되는 시간은 짧아진다. 위의 용액중 이소프로판올과 이소옥탄에 흐름세정을 하지 않고 5분간 두 번씩 디핑할수도 있다.
실란계 화합물에 대한 용매 또는 공용매로서, 이소옥탄, n-헵탄, n-데칸을 포함하는 탄소수 7-12 사이의 포화 탄화수소 계열 용매, 및 사염화탄소, 클로로포름, 디클로로메탄, 테트라클로로에탄 등 할로겐 치환 메탄-에탄-프로판 계열 용매를 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 희생층 산화막으로는 LTO(Low Temperature Oxide), HTO(High Temperature Oxide), TEOS(tetraethylorthosilicate) 산화막,PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 산화막, PSG(phosphosilicate glass), BPSG(Boron/phosphosilicate glass) 및 열산화막 모두 가능하며, 기판은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 구조일 수 있다. 몸체 미세가공일때는 단결정 또는 다결정 실리콘을 희생층으로 사용할 수 있다.
도 3(a)는 종래 방법 및 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 10㎛∼1㎜까지의 10㎛ 간격으로 증가하는 켄틸레버 빔 어레이의 SEM 사진을 비교한 것으로, 단지 물로만 처리한 켄틸레버 빔은 110㎛ 전후에서 모두 점착현상이 생기지만, 본 발명에 따라 점착처리된 켄틸레버 빔은 1㎜ 까지 고착 현상과 잔류물질 없이 부양된 것을 알 수 있다.
도 3(b)는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 10㎛∼3㎜까지의 10㎛ 간격으로 증가하는 켄틸레버 빔 어레이의 SEM 사진으로, 3 ㎜까지 고착 현상과 잔류물질 없이 부양된 것을 알 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 켄틸레버의 수율을 도시한 것이다.
도 5(a)는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 켄틸레버의 열적 안정성을 측정한 결과로, 고온에서도 접촉각이 90。 이상 유지됨을 알 수 있다.
도 5(b)는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 단결정 실리콘에서의 켄틸레버의 열적 안정성을 측정한 결과로, 본 발명에 의한 DDMS의 경우, FDTS 또는 ODTS와 같은 모노알킬트리클로로실란 시스템(Monoalkyltrichlorosilane system; MTS,RSiCl3) 등과 비교하였을 때, 유일하게 400 ℃ 이상의 고온에서도 접촉각이 90。 이상 유지됨을 알 수 있다.
도 5(c)는 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 다결정 실리콘에서의 켄틸레버의 열적 안정성을 측정한 결과를 도시한 것으로, 본 발명에 의한 DDMS의 경우, FDTS 및 ODTS 등과 비교하였을 때 유일하게 400 ℃ 이상의 고온에서도 접촉각이 90。 이상 유지됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따라 점착 방지 처리된 켄틸레버의 수명을 측정한 결과로, 24개월 동안 접촉각이 90。 이상 유지됨을 알 수 있다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 본 발명의 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법을 실제로 적용하여 제조된 디바이스를 보여주는 사진으로서, 각각 자리로스코프 어레이(700㎛ X 900㎛), 하드디스크용 마이크로 액추에이터(300㎛ X 1000㎛), 가속도계(700㎛ X 700㎛)이다.
본 발명은, 실란계 화합물의 코팅막에 있어서 기존의 부착 방지용 화학물질 보다 상대적으로 짧은 체인들로 구성된 두 개의 알킬기가, 예컨대 메틸기가 충분한 소수성을 보여 표면을 개질시키는 것이다. 다시 말해서, 90°이상의 물 접촉각(water contact angle)을 가지는 소수성기가 주위의 습도나 환경변화에 의한 물분자와의 결합을 막음으로써 부착 현상을 방지할 수 있다.
비록 상기에서 본 발명은 도시된 도면을 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법은, 실란계 화합물을 코팅함으로써, 코팅막의 소수성기가 주위의 습도나 환경변화에 의한 물분자와의 결합을 막아 초미세 구조물의 희생층 제거시 및 사용중 필연적으로 발생하는 부착 현상을 최소화시키고, 그 결과 제품의 수명을 연장시킨다.
본 발명을 멤즈(Micro Electro Mechanical System; MEMS) 기술에 적용하면 구조물의 부양이 용이하여 상당한 원가 절감을 가져올 수 있다.

Claims (6)

  1. 표면 또는 몸체 미세가공 기술에서 미세구조물을 부양시키는 과정 중에 발생하는 점착 및 사용 중 발생하는 점착을 방지하기 위한 방법으로서,
    불화수소하에서 희생층을 식각시키는 단계(a); 탈이온수로 세정하는 단계(b); 과산화수소를 이용하여 표면을 산화시키는 단계(c); 알코올로 세정하는 단계(d); 하기 화학식 1로 표시되는 실란계 화합물을 증착시키는 단계(e); 및 건조시키는 단계(f)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법.
    [화학식 1]
    R2SiX2
    (상기 화학식 1에서,
    R은 탄소수가 1 내지 4인 알킬 또는 할라이드가 치환된 탄소수가 1 내지 4인 알킬이고,
    X는 할라이드 또는 n이 0 내지 4인 CH3(CH2)nO 이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실란계 화합물은 디클로로디메틸실란, 디클로로디에틸실란, 또는 디클로로디프로필실란인 것을 특징으로 하는 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체미세가공 기술의 점착 방지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(e)의 증착 후, 상기 단계(f)의 건조 전에 이소옥탄 용매를 사용하여 잉여 전구체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(e)의 실란계 화합물의 증착 후 전도성 있는 박막재료를 코팅시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 단계(e)의 실란계 화합물의 증착시 전도성 있는 박막재료를 함께 혼합시켜 동시에 증착시키는 것을 특징으로 하는 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공 기술의 점착 방지 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)의 알코올은 메탄올, 이소프로판올, 또는 에탄올로부터 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 실란계 화합물을 이용한 표면 또는 몸체 미세가공기술의 점착 방지 방법.
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