KR20060087847A - 엑스선을 이용한 실리콘의 습식 에칭 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엑스선을 이용한 실리콘의 습식 에칭 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛이 없는 조건에서 불산 용액에 담긴 실리콘의 표면에 엑스선을 조사함으로써 선택적인 습식에칭을 할 수 있는 방법으로 엑스선이 조사된 부분의 실리콘 내부 및 표면에서 발생된 홀들은 용액내의 불산이온과 반응하여 실리콘이 용액 내로 용해될 수 있게 한다.
본 발명은 기존의 광원으로 사용된 레이저 및 자외선과 함께 이용 가능한 광원의 영역을 엑스선까지 확장시켰으며 기존광원에 비해 짧은 파장을 갖는 엑스선을 이용한 습식에칭은 나노 크기의 영역까지 선택적 에칭에 활용될 수 있고, 공간상의 고분해능을 갖는 장점을 제공한다.
실리콘, 엑스선, 싱크로트론, 에칭, 광화학
Description
도 1은 본 발명의 엑스선에 의한 광화학적 습식 에칭을 위한 전기화학 셀을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 엑스선에 의한 광화학적 습식 에칭에 따른 실리콘 표면의 광학 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 엑스선에 의한 광화학적 습식 에칭에 따른 실리콘 표면의 AFM(Atomic Force Microscope) 사진이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1: 전기화학 셀 몸체 2: O-ring
3: 엑스선 창(window) 4: 마스크
5: 실리콘 기판 6: 고정대 또는 작업 전극 연결대
7: 테프론 덮개 8: 상대 전극
본 발명은 엑스선을 이용한 실리콘의 습식 에칭 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 크기의 패턴 형성을 구현하고자 하는 반도체 산업과 광학 장치 산업 등에서 빛이 없는 조건하에 불산 용액에 담긴 실리콘의 표면에 엑스선을 조사함으로써 선택적인 습식에칭을 할 수 있는 방법으로 엑스선이 조사된 부분의 실리콘 내부 및 표면에서 발생된 홀들은 용액내의 불산이온과 반응하여 실리콘이 용액 내로 용해될 수 있게 한다.
실리콘은 불산용액에 녹아들기는 하지만 그 정도가 매우 작아 빛이 없는 상태에서 오랜 시간 담가두어도 표면이 거칠어지는 정도로 에칭이 되지 않는데, 이러한 실리콘을 불산내에서 에칭하려면 두가지 조건이 만족되어야 한다. 첫째, 불산과 반응할 수 있는 양공(hole)이 실리콘 내에 충분해야하며, 둘째, 이러한 홀이 실리콘 표면으로 올 수 있도록 실리콘 표면에 밴드밴딩이 형성되어야 한다.
일반적으로 양공이 충분한 p-type 실리콘의 경우 외부에서 전압을 걸어주어 표면에 필요한 밴드밴딩을 형성시켜 에칭하지만, 양공이 부족한 n-type 실리콘의 경우 빛의 조사 등으로 양공을 생성시키는 과정이 필요하다. 즉, n-type 실리콘은 상대전극이 없이 에칭할 경우 자연적으로 밴드밴딩이 원하는 방향으로 형성되므로 빛을 조사하여야 하는 반면에, p-type 실리콘은 반드시 상대전극을 통한 전압 또는 전류 조절이 필요하다.
반도체 산업의 고집적화와 더불어 크기가 작은 패턴을 만들기 위해 점점 짧은 파장의 광원의 사용이 요구되고 있다. 엑스선은 그 파장이 0.1∼300Å(10-10m)인 전자기파로, 연 엑스선(soft x-ray)은 그 파장이 300∼2Å인 경우를 말하고, 경 엑스선(hard x-ray)은 그 파장이 2∼0.1Å인 경우를 말한다.
이에 따라 X-선은 나노 패턴을 만들 수 있는 궁극적인 광원으로 인식되고 있고, 싱크로트론 기술의 발달로 1900년대 후반 들어 물질을 가공하는 범위로까지 확대되고 있다. 그렇지만 X-선 영역의 광원을 사용할 때 사용될 수 있는 렌즈 혹은 마스크의 제한으로 인하여 연 X-선의 활용은 제한되어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 경 X-선을 이용한 직접 습식 에칭 방법을 구현하고자 한다.
오늘날까지 반도체 장치, 차세대 에너지 산업, 그리고 광학 장치 개발에 있어서 레이저와 자외선에 의한 광화학적 습식 에칭방법이 사용되어 왔다. 그러나 최근 반도체 장치의 고집적화, 미세화 등과 더불어 요구되어지는 나노기술 구현의 요구는 새로운 에칭방법 개발을 더욱 필요로 하고 있다. 이 때문에 광화학적 습식 에칭방법을 이용하는 분야에서는 종래에 사용되어 오던 긴 파장 영역대인 레이저와 자외선보다는 더욱 광학상의 해상도를 향상시킬 수 있는 방법에 대한 요구가 점점 강해지고 있다.
본 발명과 관련된 선행기술은 미국특허 6,694,503호(Processing device and method of processing material with ultraviolet light or light of shorter wavelength than ultraviolet light)는 마스크에 빛을 노출시킨 후, 화학반응을 통 해 마스크를 에칭하는 방법으로 간접적인 공정이 적용되고 있다. 또한 빛으로써 이용되는 자외선 영역은 파장대가 본 발명에서 사용되는 경 X-선 영역보다 길어서 공간적 해상도가 떨어지는 단점이 있다.
큉마(Qing Ma, et. al, Appl. Phys. Lett vol.81, p1741, 2002)등은 방사광 엑스선을 이용하여 Ge 웨이퍼에 광화학적 습식 에칭을 구현한 방법으로 엑스선과 습식에칭이란 면에서는 본 발명과 유사하지만, 사용한 재료와 그에 따른 화학용액 및 전기화학셀이 다르다. 또한 본 발명은 광원으로 공간적 해상도가 높은 경 X-선을 이용하여 직접적인 에칭으로 패터닝을 형성하는 방법과는 기술적 구성이 다른 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로써, 파장이 짧은 엑스선을 사용하여 광학 해상도를 향상시키고, 미세한 영역의 에칭을 가능하게 하는 습식 에칭방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 빛이 없는 상태에서 불산 용액에 담긴 실리콘의 표면에 엑스선을 조사시켜 선택적으로 습식에칭을 할 수 있는 방법이다. 즉, 엑스선이 조사된 부분의 실리콘 내부 및 표면에서 발생된 홀들은 용액내의 불산이온과 반응하여 실리콘이 용액 내로 용해될 수 있게 한다. 본 발명을 통해 종래의 광원으로 사용된 레이 저 및 자외선과 함께 이용 가능한 광원의 영역을 엑스선까지 확대시킬 수 있으며 기존의 레이저, 자외선 광원에 비해 짧은 파장을 갖는 엑스선은 에칭단면의 거칠기가 작은 정도를 갖는 장점을 제공한다.
본 발명에 따른 엑스선(X-ray)에 의한 실리콘의 광전기화학적 습식 에칭방법은 n형 또는 p형 실리콘(5)과 에칭용액은 기본적으로 불산이 사용된다.
엑스선 외에 다른 빛을 차단하여 오직 엑스선에 의해 전자-홀 쌍이 발생하는 환경을 형성시키고 엑스선의 파장은 0.01∼1nm의 영역에서 사용한다. 마스크(4)로 사용되는 물질은 원자번호가 크고 엑스선 흡수가 큰 Cu, Au 등의 물질을 사용하여 엑스선에 의해 노출되지 않은 영역을 구분한다. 그리고 n-type silicon을 사용하여 전기화학적 셀 몸체(1)내에 상대 전극(8)을 넣지 않고 실리콘만을 불산 용액 내에 고립시킴으로써 엑스선에 의해 노출된 영역은 양극으로 하고, 노출되지 않은 영역은 음극으로 작용시켜 에칭을 형성한다.
상대전극을 넣은 경우 전압을 인가하여 실리콘을 양극으로 작용시켜 에칭한다. 그러나 상대전극 없이 실리콘(n-type)만 용액에 넣은 경우 빛에 조사된 부분으로부터 생성된 전자가 빛에 노출되지 않은 영역으로 흘러 들어가게 된다. 따라서 빛에 노출된 영역이 양극으로 작용하여 에칭이 발생한다. 또한 백금과 같은 상대전극을 사용함으로써, 전류 또는 전압(V > ~-0.51V/Pt), 그리고 불산 농도(0.1∼49wt％)를 조절하여 에칭을 형성한다. 에칭속도를 조절하기 위하여 불산에 소량의 질산 또는 염산을 혼합한 용액을 사용할 수도 있다. 에칭속도는 n-type 실리콘(4∼6Ω㎝)의 경우 1.0∼1.7 nm/min이다. 그리고 상대전극을 통하여 전류, 전압을 조절하 거나, 조사되는 엑스선의 세기가 작을 경우 실리콘이 폴리싱 되지 않고 실리콘 내부에 포어를 형성하며 에칭된다. 이 과정에서 적정한 임계전류, 전압, 농도 등을 통하여 수 나노 사이즈 포어가 형성되어 그에 의한 PL이 관측되었다.
본 발명에서 파장에 따른 에칭효과는 단색엑스레이(단일파장엑스레이)와 백색엑스레이(여러파장 엑스레이)의 두가지로 실험한 바에 의하면 파장과 엑스레이 세기와 같은 두가지 변수가 동시에 작용하여 전자의 경우 포러스 실리콘이 형성되었고 후자의 경우 electropolishing 이 되었다. 엑스레이 파장에 따라 실리콘에 흡수되는 정도가 달라 에칭에 영향을 미칠 것이나 엑스레이의 총세기가 더 중요한 인자라고 생각된다.
이하 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로써 본 발명의 설명을 보다 용이하게 설명하기 위할 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명의 엑스선에 의한 실리콘의 광전기화학적 습식 에칭방법은 n형 실리콘과 에칭용액은 셀 몸체 내에 수용된 불산 용액을 사용하였다. 엑스선 외에 다른 빛을 차단하기 위하여 빛이 새는 부분은 모두 알루미늄 포일로 막아 암실(Dark Room)로 하여 엑스선에 의해 전자-홀 쌍이 발생하는 환경을 형성시키고 엑스선의 파장은 0.01∼1nm의 영역에서 사용하였다.
전기화학적 셀 몸체(1)내에 상대 전극(8)을 넣지 않고 실리콘(5)만을 불산 용액 내에 고립시키고, 마스크(4)를 사용하여 엑스선에 의해 노출된 영역은 양극으로 하고, 노출되지 않은 영역은 음극으로 작용시키고, 상대전극은 백금을 사용하여 에칭을 형성시켰다.
<실시예 2>
p형 실리콘에 불산내에서 상대전극(Pt)을 연결하고 전압을 인가하여 실시예 1 과 같이 엑스선을 이용하여 에칭하였다.
이하 첨부된 도면은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘의 습식 에칭 결과를 나타낸 것이다. 도 1은 본 발명의 엑스선에 의한 광화학적 습식 에칭을 위한 전기화학 셀을 나타내는 개략도이다. 엑스선이 입사되면서 마스크에 의해 흡수되는 영역과 흡수되지 않는 영역으로 구분되어, 흡수되지 않는 영역이 그대로 실리콘에 노출됨으로써 전자-홀 쌍을 발생시킴으로써 불산 용액에 의해 에칭된다.
도 2는 본 발명의 엑스선에 의한 광화학적 습식 에칭에 따른 실리콘 표면의 광학 현미경 사진이다. 마스크로써 금을 사용하여 얻은 실리콘 에칭 패턴 사진이다.
도 3은 본 발명의 엑스선에 의한 광화학적 습식 에칭에 따른 실리콘 표면의 AFM(Atomic Force Microscope) 사진이다. 도 2의 샘플을 AFM을 통해서 얻은 에칭 패턴 사진이다.
본 발명은 엑스선에 의한 실리콘의 광화학적 습식 에칭방법은 엑스선의 고분해능의 장점을 이용하여 기존의 광원으로 사용된 레이저 및 자외선의 긴 파장에 비해, 짧은 파장을 갖는 엑스선을 이용한 습식에칭을 통하여 나노 크기의 영역까지 선택적인 에칭에 활용될 수 있다. 이러한 실리콘의 에칭 방법은 관련 반도체 기술과 바이오분야에 까지 그 응용범위는 매우 넓을 것으로 기대된다.
Claims (8)
- n형 또는 p형 실리콘의 에칭에 있어서, 습식으로 에칭하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 1항에 있어서, 상대 전극을 넣지 않고 실리콘을 불산 용액 내에 고립시킴으로써, 엑스선에 의해 노출된 양극 영역과 노출되지 않은 음극 영역으로 작용시켜 에칭하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 1항에 있어서, 상대전극을 넣고 전압인가 또는 전류를 흘려주며 실리콘을 에칭하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 3항에 있어서, 상대전극은 불산 용액 내에서 안정한 백금 또는 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 1항에 있어서, 불산용액의 농도를 조절시켜 에칭하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 1항에 있어서, 엑스선의 파장은 0.01 ??1nm 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 5항에 있어서, 불산용액의 농도는 0.1 ~ 49wt％인 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
- 제 5항에 있어서, 불산용액은 불산에 질산 또는 염산이 혼합된 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선을 이용한 광화학적 습식 에칭방법
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