KR20150092877A - Mems 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 mems 소자 - Google Patents

Mems 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 mems 소자 Download PDF

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박병일
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Abstract

개시된 내용은 MEMS 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자에 관한 것으로서, 실리콘 기판 상부에 산화막 증착, 마스크 처리를 수행한 후, 식각 및 포토레지스트 제거를 수행하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와, 산화막 패턴이 형성된 실리콘 기판 상부에 희생층 물질을 증착하고, 희생층 물질 상부에 폴리실리콘을 증착하는 단계와, 폴리실리콘 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 마스크 처리 및 폴리실리콘의 식각을 수행하는 단계와, 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막을 캡핑하고, 플라즈마 식각을 수행하여 희생층 물질을 제거하는 단계, 그리고 하부 실리콘 언더컷 등방 식각 방식의 플라즈마 식각을 수행하여, 희생층 물질이 제거된 공간을 확장, 형성하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명은 자동차 동작 오류를 방지하고, 에어백 전개 불량 및 민감도를 개선할 수 있으며, MEMS 소자에 발생할 수 있는 고착 현상의 방지 및 양전하 정전기의 발생을 근본적으로 억제할 수 있다.

Description

MEMS 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자{Method of manufacturing MEMS device and MEMS device manufactured by using the same}
본 발명은 자동차 동작 오류(예를 들어, 급발진)를 방지하고, 에어백 전개 불량이나 민감도를 개선하기 위한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 ECU(Electronic Controller Unit)에서는 가속도센서에서 전달되는 충격량을 분석하고, 입력된 조건에 의해 에어백 전개를 결정한다.
이러한 에어백은 모든 충돌사고에서 터지는 것은 아니다. 왜냐하면 안전벨트만으로도 탑승자를 보호할 수 있고, 약한 충격에서 에어백이 작동할 경우 불필요한 수리비가 발생할 수 있으며, 에어백 팽창에 의한 손가락 골절, 안면 골절 등의 부가적인 사고 피해를 입을 수 있기 때문이다.
그러므로 대부분의 자동차에는 에어백 작동 조건이 설정되어 있으며, 일반적으로 정면 기준 좌우 30도 이내 각도, 유효충돌속도 20Km/h 이상일 때를 에어백 전개 조건으로 하고 있다.
이와 같이 에어백 전개 조건 확인을 위해 사용되는 가속도센서와 같은 MEMS 소자의 기계적인 구동부를 형성하는 제조방법은 크게 다음의 두 가지 방법이 사용된다.
첫 번째는 표면 미세가공(surface micromachining) 방법이고, 두 번째는 벌크 미세가공(bulk micromachining) 방법이다.
도 1은 일반적인 표면 미세가공 방법에 의한 MEMS 소자 제조를 설명하기 위한 도면으로서, 실리콘 기판(wafer silicon substrate) 표면에 부가적인 층(layer)을 만들고, 구조물을 형성하고, 희생층을 제거(release etch)하여 구동부를 만드는 방법이다.
도 1을 참조하여 상세하게 설명하면, 실리콘 기판(1) 상부에 실리콘 산화막(2, PSG(Phosphor Silicate Glass) oxide)을 적층하고(1-a), 리소그래피(lithography), 건조 식각(dry etching)을 수행하여 앵커용의 홈부(3) 바닥을 형성한다(1-b).
그리고 상부에 폴리실리콘(4)을 적층시킨 후(1-c), 리소그래피, 폴리실리콘(4)의 식각(DRIE, Deep Reactive-Ion Etching)을 수행하고(1-d), 실리콘 산화막(2)을 제거(oxide release etching, 불화수소(HF)를 사용한 습식 식각)하여 외팔보(5, cantilever)(즉 희생층이 제거된 공간인 케비티(cavity))를 형성한다(1-e). 이때 필요에 따라 외팔보를 구동하기 위해 대응되는 전극을 형성한다.
도 2는 일반적인 벌크 미세가공 방법에 의한 MEMS 소자 제조를 설명하기 위한 도면으로서, 실리콘 기판을 식각하여 원하는 구조물을 형성하는 방법이다.
도 2를 참조하여 상세하게 설명하면, 실리콘 기판(11) 상부에 실리콘 산화막(12, SOI(Silicon On Insulator) oxide)을 적층하고, 실리콘 산화막(12) 상부에 폴리실리콘(13)을 적층한다. 그리고 폴리실리콘(13) 상부에 포토레지스트(14, photoresist)를 도포한 후, 원하는 마스크 패턴을 올려놓고 포토리소그래피(photolithography)를 수행한다(2-a).
이후 폴리실리콘(13)의 식각(DRIE)을 수행하고(2-b), 포토레지스트(14)를 제거(stripping)함과 동시에 실리콘 산화막(12)을 제거(oxide release etching, 불화수소(HF)를 사용한 습식 식각)하여 고정된 앵커(15, fixed anchor)와 이동가능한 구조물(16, movable structure)을 형성한다(2-c). 이때 희생층이 제거된 공간(17)의 표면은 습식 식각의 등방성 식각(isotropic etch)으로 인해 고정된 앵커(15) 하부의 내측으로 실리콘 산화막(12)의 식각이 더 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
하지만, 도 1 및 도 2의 방법에 의한 가속도센서를 포함한 MEMS 소자의 제조공정에서 희생층의 습식 식각 중에 모세관력, 반데르발스력 등에 의하여 드라이 불량 형태로 결함이 발생할 수 있고, 이러한 현상은 희생층 공간(케비티)에 고착화 현상(stiction)이 발생하는 원인이 된다.
이러한 현상은 미세 오염(micro contamination)에 의해 양전하 정전기 형성이 원인이 될 수 있으므로, 이를 해결하기 위하여 불화수소(HF) 습식 식각 또는 기상 식각(dry release) 형태의 증기상 희생층 제거 식각(Vapor-phase sacrificial layer release etch)을 실시하거나, 또는 습식 제거 식각 이후 드라이 불량 해결을 위해 CO2 초임계 방식(super critical)의 드라이 공정방식 처리를 수행하거나, 또는 제거된 공간에 MEMS 소자의 사용환경에 의해 고착화되는 현상(in use stiction)을 방지하기 위한 SAM(Self Assembled Monolayer) 코팅을 실시하는 방법(이는 사용환경에 의해 고착화되는 현상 방지 및 표면 거칠기(roughness) 개선 효과 등으로 MEMS 소자의 사용 환경적인 2차 고착화 현상을 방지하는 것을 목적으로 함)을 사용하여 공정 개선을 이루고자 하였다.
그러나, 센싱 구조물로 사용하는 폴리실리콘과 희생층 산화막의 결합 에너지(bonding energy) 차이로 희생층 제거 식각에서 습식 식각을 실시하게 되는데, 습식 식각의 경우 드라이 불량(고착화 현상의 원인)을 완전하게 방지하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 습식 제거 식각 이후 수소성(hydrophobic) 표면으로 변경하는 화학적 처리방식, 즉 습식(wet), 증기(vapor) 드라이 공정방식으로 시행하는 경우에도 MEMS 소자의 구조적, 공정적인 문제점을 완전히 해결할 수 없었다.
또한, SAM 코팅방식은 장점이 있음에도 불구하고 사용되는 화학적 성분요소 중에서 -CH3, -CH2 등 작용기가 있어서 사용 환경적인 조건과 결부하여 카본(carbon)의 양전하 효과에 의한 정전기(electrostatic charge) 문제를 일으키는 원인이 된다.
즉 전술한 바와 같은 종래의 표면 미세가공 방법, 벌크 미세가공 방법 등을 사용하여 MEMS 소자를 제조하는 경우, 희생층 산화막의 습식 제거 식각에 의한 고착화 현상으로 인해 MEMS 소자의 기능 불량(malfunction) 원인이 됨은 물론, 에어백 전개의 불량 원인이 되는 문제점이 있었다. 그리고 MEMS 소자의 사용환경에 의해 고착화되는 현상이 발생하면 MEMS 소자의 내부, 외부 원인으로 인한 양전하 정전기가 형성되기 때문에 자동차의 ACU(Airbag Control Unit)의 기능 불량의 원인이 될 수 있으며, 이로 인해 에어백 전개의 불량이 발생되는 문제점이 있었다.
이에 따라 자동차사고 발생시 충돌조건을 충족함에도 불구하고 에어백이 전개되지 않는 경우에 해당하는 원인을 근본적으로 해결하고, 가속도센서를 포함한 MEMS 소자의 문제점으로 판단되고 있는 고착화 문제의 해결을 위해 센싱 공간으로 사용되는 케비티 부분의 구조를 개선해야 할 필요성이 대두되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0846569호 2008. 7. 9. 대한민국 등록특허공보 제10-0636823호 2006. 10. 13.
본 발명은, 자동차 엔진에 사용되는 가속도센서를 포함한 MEMS 소자로 인한 자동차 동작 오류를 방지하며, 에어백 전개 불량 및 민감도를 개선할 수 있는 MEMS 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자를 제공한다.
본 발명은, MEMS 소자의 고착 현상을 방지하고, 양전하 형성을 제조 단위공정(unit process)에서 근본적으로 억제할 수 있는 MEMS 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (1) 실리콘 기판 상부에 산화막 증착, 마스크 처리를 수행한 후, 식각 및 포토레지스트 제거를 수행하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와, (2) 산화막 패턴이 형성된 실리콘 기판 상부에 희생층 물질을 증착하고, 희생층 물질 상부에 폴리실리콘을 증착하는 단계와, (3) 폴리실리콘 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 마스크 처리 및 폴리실리콘의 식각을 수행하는 단계와, (4) 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막(sidewall passivation oxide)을 캡핑(capping)하고, 플라즈마 식각을 수행하여 희생층 물질을 제거하는 단계, 그리고 (5) 하부 실리콘 언더컷 등방 식각(bottom silicon undercut isotropic etch) 방식의 플라즈마 식각을 수행하여, 희생층 물질이 제거된 공간(cavity)을 확장, 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 소자 제조방법을 제공한다.
상술한 (1) 단계는, (1-1) 실리콘 기판의 상부에 산화막을 증착하는 단계와, (1-2) 산화막 상부에 마스크 패턴이 설계된 포토레지스트를 도포한 후, 포토리소그래피를 수행하는 단계, 그리고 (1-3) 산화막의 식각 및 포토레지스트 제거작업을 수행하여, 고정 구조물이 위치할 산화막 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 (2) 단계에서 희생층 물질은, 무정형 카본 레이어(Amorphous Carbon Layer) 필름을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 (2) 단계는, (2-1) 산화막 패턴이 형성된 실리콘 기판 상부에 희생층 물질과 스토퍼 나이트라이드(stopper nitride)를 순차적으로 증착하는 단계와, (2-2) 스토퍼 나이트라이드 상부에 마스크 패턴이 설계된 포토레지스트를 도포한 후, 포토리소그래피를 수행하는 단계와, (2-3) 식각 및 포토레지스트 제거작업을 수행하여, 고정 구조물 상부에 증착된 희생층 물질 및 스토퍼 나이트라이드와, 고정 구조물 내부 공간상에 도포된 포토레지스트를 제거하는 단계, 그리고 (2-4) 실리콘 기판 상부에 증착된 희생층 물질의 상부에 폴리실리콘을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 (3) 단계는, (3-1) 폴리실리콘 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 포토레지스트 도포 및 포토리소그래피를 수행하는 단계, 그리고 (3-2) 폴리실리콘을 심도 반응성 이온 식각(DRIE, Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 처리하여, 고정 구조물 및 이동가능한 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 (4) 단계는, (4-1) (3) 단계에서 형성된 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막을 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 방식으로 캡핑하는 단계, 그리고 (4-2) (4-1) 단계를 통해 측벽 패시베이션 산화막을 캡핑한 이후, 플라즈마 식각을 수행하여, 이동가능한 구조물의 하부 공간에 형성된 희생층 물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 (4) 단계에서의 플라즈마 식각은, 산소(O2), 산소(O2)와 삼불화질소(NF3), 산소(O2)와 디아진(N2H2) 중 어느 하나를 이용한 플라즈마 식각인 것이 바람직하다.
상술한 (5) 단계의 플라즈마 식각은, 육플루오린화황(SF6)과 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 디플루오로메탄(CH2F2)과 산소(O2) 중 어느 하나를 이용한 플라즈마 식각인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, MEMS 소자 제조방법에 의하여 제조된 MEMS 소자를 제공한다.
이상에서와 같이 본 발명의 MEMS 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자에 따르면, 자동차 엔진에 사용되는 가속도센서를 포함한 MEMS 소자가 오동작을 일으키지 않도록 구조를 개선하여 제조함으로써, 자동차 동작 오류를 방지할 수 있으며, 에어백이 전개되지 말아야 할 상황에서 민감하게 전개되어 피해를 입는 경우를 방지할 수 있는 효과가 있다. 즉 자동차용 가속도센서를 포함한 MEMS 소자의 신뢰성 문제를 개선함과 동시에 사고시 에어백 전개불량을 개선함으로써, MEMS 소자의 제조공정에서 발생할 수 있는 고착 현상을 방지하고, MEMS 소자 제조공정에서 이동가능한 구조물(movable structure)의 고착 현상에 대한 가속도센서의 오프셋 시프트를 방지하여 자동차 에어백의 비정상적인 전개를 방지하도록 한 것이다.
또한, MEMS 소자의 구조 개선을 통해 고착 현상을 방지할 수 있으며, 희생층 제거 공간에 잔류물(residue) 형태의 결함(defect)으로 인한 양전하 형성을 방지하여 드라이 플라즈마 제거 식각이 가능하기 때문에 자동차의 ACU와 같은 마이크로 장비의 기능 불량의 원인이 되는 양전하 정전기의 발생을 구조적으로 억제할 수 있는 효과가 있다. 즉 MEMS 소자의 드라이 플라즈마 제거 식각을 토대로 고착 현상을 예방하고, 이로 인한 MEMS 소자의 기능 불량을 방지하며, 양전하 정전기 형성의 억제를 통해 MEMS 소자의 신뢰성을 확보하도록 한 것이다.
또한, 부가적으로 2차적인 표면처리(Isotropic Undercut Lateral Etch) 방법을 수행함으로써, 고착 현상이 미약하더라도 케비티 공간에 결함 형태의 잔류물이 남을 경우 사용환경에 의해 고착화되는 현상에 의한 양전하 정전기 문제 발생에 대비할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 표면 미세가공 방법에 의한 MEMS 소자 제조를 설명하기 위한 도면,
도 2는 일반적인 벌크 미세가공 방법에 의한 MEMS 소자 제조를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 소자 제조방법을 이용하여 제조된 MEMS 소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 소자 제조방법의 공정과정을 상세하게 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 MEMS 소자 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 MEMS 소자를 상세하게 설명한다.
여기서, 본 발명의 상세한 구성 설명 이전에 본 발명의 배경에 대하여 설명하면 다음과 같다.
MEMS 소자의 신뢰성 판단문제에 있어서 가장 중요한 원인은 크게 MEMS 소자의 제조공정 중 발생하는 고착화 현상과, MEMS 소자의 사용환경에 의해 고착화되는 현상이 있다.
이러한 고착화 현상은 자동차의 에어백 전개의 조건을 측정하는 가속도센서를 살펴볼 때 양전하 정전기(electrostatic positive charge)의 형성 원인이 되고, 고착화가 심하게 발생하여 센싱 특성에 문제가 될 경우 오프셋 시프트(offset shift)의 원인이 되며, 에어백 전개에 신뢰성 문제가 발생하는 원인이 된다.
이러한 문제의 근본적인 원인은 MEMS 소자의 구조물 물질인 폴리실리콘, 희생층 물질인 산화막의 결합 에너지 특성에 기인한 희생층 제거 식각(release etch)에 문제가 있다. 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해서 습식 식각에 한계가 있으므로 후술되는 구성에서처럼 드라이 플라즈마 제거 식각(dry plasma release etch) 방법이 필수적이다. 그리고 본 발명은 반도체 산업에서 응용되는 희생층 물질을 변경하여, 드라이 플라즈마 제거 식각이 가능하도록 한다.
자동차 MEMS 소자의 경우 정전기 방지를 위하여 접지되어 있지만 양전하 효과는 접지에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 에어백의 비정상적인 전개의 원인이 되기 때문에 근본적인 원인의 제거가 필요하다.
본 발명에 따른 자동차용 MEMS 소자 제조방법의 일 실시예를 도 3과 도 4를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 소자 제조방법을 이용하여 제조된 MEMS 소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 소자 제조방법의 공정과정을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고착화 현상을 방지하고, 희생층 물질의 제거 공간에 잔류물 형태의 결함에 의한 양전하 형성을 방지할 수 있도록 한 본 발명의 MEMS 소자는, 희생층 물질로 무정형 카본 레이어 필름을 사용함으로써 종래의 산화막 사용시의 습식 식각으로 인한 고착화 현상을 해결하면서 건식 제거 식각(dry release etch)이 가능하도록 하였다. 그리고 사용환경에 의한 고착화 현상을 방지하기 위해 이동가능한 구조물에 2차적인 표면처리(즉 도 4j 및 도 4l에서와 같이 측벽 패시베이션 산화막 캡핑 및 언더컷 등방 식각)를 수행하도록 하였다.
후술되는 표는 상술한 바와 같은 종래의 방식과 본 발명의 방식에 따른 기술 차이를 비교한 것으로서, 무정형 카본 레이어 필름은 통상적으로 반도체의 하드 마스크(hard mask) 희생층 물질로 사용되는 것으로서, 산소(O2) 플라즈마를 이용한 건식 플라즈마 등방 스트립(dry plasma isotropic strip) 특성이 양호하며, 폴리(poly)에 대한 선택비가 우수하다. 그러므로 본 발명에서와 같이 희생층 물질로 무정형 카본 레이어 필름을 사용하면, MEMS 소자의 구조물 제거 식각을 건식의 산소(O2) 플라즈마로 처리하여 고착화 현상이나 양전하 정전기의 문제를 근본적으로 제거하면서 건식 플라즈마 제거 식각이 가능하다.
또한, 도 4i에서와 같이 구조물의 심도 반응성 이온 식각 공정(DRIE)을 수행한 이후, 고착화 현상을 방지하기 위한 2차적인 처리를 위하여, 도 4j에서와 같이 측벽 패시베이션 산화막 증착 후, 도 4k 및 도 4l에서와 같이 실리콘 기판에 육플루오린화황(SF6)과 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 산소(O2)에 의한 언더컷 등방 식각을 수행한다. 이때 언더컷 등방 식각 처리는 희생층 물질이 제거된 공간(즉 cavity)의 표면에 플라즈마 드라이 클린(plasma dry clean) 효과를 가져오기 때문에 2차적인 사용환경에 의해 고착화되는 현상(in use stiction)을 근본적으로 방지할 수 있다.
항목 종래 방식 본 발명 방식 특징점
희생층 물질 산화막 무정형 카본 레이어 필름 건식 플라즈마 제거가 가능하며, 고착화 현상(stiction) 방지
제거 식각
(RELEASE ETCH)		 HF WET VAPOR 건식 플라즈마 제거(DRY PLASMA RELEASE) O2, O2/NH3 플라즈마
폴리실리콘 언더컷 식각(POLY SILICON UNDERCUT ETCH) - SF6/NF3 GAS Chemistry를 이용한 등방 식각(ISOTROPIC ETCH) 적용 사용환경에 의한 2차적인 고착화 현상을 방지
이제, 도 4를 참조하여 본 발명의 MEMS 소자(100)를 제조하기 위한 공정을 상세하게 설명한다.
먼저, 실리콘 기판(110) 상부에 산화막(120) 증착, 마스크 처리를 수행한 후, 식각 및 포토레지스트 제거를 수행하여 산화막 패턴을 형성한다.(도 4a 내지 도 4c 참조)
즉 도 4a에서와 같이 실리콘 기판(110)의 상부에 산화막(120)을 증착한 후, 도 4b에서와 같이 산화막(120) 상부에 마스크 패턴이 설계된 포토레지스트(130)를 도포한 후, 포토리소그래피를 수행한다. 그리고 도 4c에서와 같이 산화막(120)의 식각 및 포토레지스트(130) 제거작업을 수행하여, 고정 구조물이 위치할 산화막 패턴을 형성한다.
산화막 패턴을 형성한 이후에는, 산화막 패턴이 형성된 실리콘 기판(110) 상부에 희생층 물질(140)을 증착하고, 희생층 물질(140) 상부에 폴리실리콘(170)을 증착한다.(도 4d 내지 도 4g 참조) 이때 본 발명에서는 희생층 물질(140)로 무정형 카본 레이어 필름을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
즉 도 4d에서와 같이 산화막 패턴이 형성된 실리콘 기판(110) 상부에 희생층 물질(140)인 무정형 카본 레이어 필름과 스토퍼 나이트라이드(150)를 순차적으로 증착한 후, 도 4e에서와 같이 스토퍼 나이트라이드(150) 상부에 마스크 패턴이 설계된 포토레지스트(160)를 도포하고 포토리소그래피를 수행한다. 그리고 도 4f에서와 같이 식각 및 포토레지스트 제거작업을 수행하여, 고정 구조물 상부에 증착된 희생층 물질(140)인 무정형 카본 레이어 필름 및 스토퍼 나이트라이드(150)와, 고정 구조물 내부 공간상에 도포된 포토레지스트(160)를 제거한다. 이후, 도 4g에서와 같이 실리콘 기판(110) 상부에 증착된 희생층 물질(140)인 무정형 카본 레이어 필름의 상부에 폴리실리콘(170)을 증착한다.
폴리실리콘(170)을 증착한 이후에는, 폴리실리콘(170) 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 마스크 처리 및 폴리실리콘(170)의 식각을 수행한다.(도 4h 및 도 4i 참조)
즉 도 4h에서와 같이 폴리실리콘(170) 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 포토레지스트(180)를 도포한 후, 포토리소그래피를 수행한다. 그리고 도 4i에서와 같이 폴리실리콘(170)을 심도 반응성 이온 식각(DRIE) 공정으로 처리하여, 고정 구조물 및 이동가능한 구조물을 형성한다.
고정 구조물 및 이동가능한 구조물을 형성한 이후에는, 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막(190)을 캡핑하고, 플라즈마 식각을 수행하여 희생층 물질(140)을 제거한다.(도 4j 및 도 4k 참조)
즉 도 4j에서와 같이 도 4i에서 형성된 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막(190)을 화학기상증착 방식으로 캡핑한 후, 도 4k에서와 같이 플라즈마 식각을 수행하여, 이동가능한 구조물의 하부 공간에 형성된 희생층 물질(140)을 제거한다.
이때 도 4k에서의 플라즈마 식각은, 산소(O2), 산소(O2)와 삼불화질소(NF3), 산소(O2)와 디아진(N2H2) 중 어느 하나를 이용한 플라즈마 식각인 것이 가장 바람직하다. 산소(O2) 플라즈마를 이용하는 이유는, 희생층 물질(140)이 제거된 공간(200)에 수소(H2) 효과에 의한 건식 클린 효과를 증대시켜 양전하 정전기의 원인이 되는 미세오염을 제거하기 위함이다.
마지막으로, 도 4l에서와 같이 하부 실리콘 언더컷 등방 식각 방식의 플라즈마 식각을 수행하여, 희생층 물질(140)이 제거된 공간을 확장, 형성한다.
이때 도 4l에서의 플라즈마 식각은, 육플루오린화황(SF6)과 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 디플루오로메탄(CH2F2)과 산소(O2) 중 어느 하나를 이용한 플라즈마 식각을 사용하는 것이 바람직하다. 이동가능한 구조물에 언더컷 등방 식각을 수행하는 이유는, 구조물에 발생할 수 있는 고착화 현상을 확실하게 제거하고 공간(200)에 잔류물에 의한 2차적인 사용환경에 의해 고착화되는 현상(in use stiction)을 방지하기 위함이다.
이처럼, 본 발명은 자동차용 가속도센서를 포함한 MEMS 소자의 신뢰성 문제를 개선함과 동시에 사고시 에어백 전개불량을 개선하여, MEMS 소자의 제조공정에서 발생할 수 있는 고착 현상을 방지하고, MEMS 소자 제조공정에서 이동가능한 구조물의 고착 현상에 대한 가속도센서의 오프셋 시프트를 방지하여 자동차 에어백의 비정상적인 전개를 방지할 수 있다.
또한, MEMS 소자의 드라이 플라즈마 제거 식각을 토대로 고착 현상을 예방하고, 이로 인한 MEMS 소자의 기능 불량을 방지하며, 양전하 정전기 형성의 억제를 통해 MEMS 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 2차적인 표면처리 방법을 통해 고착 현상이 미약하더라도 케비티 공간에 결함 형태의 잔류물이 남을 경우 사용환경에 의해 고착화되는 현상에 의한 양전하 정전기 문제 발생에 대비할 수 있다.
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : MEMS 소자
110 : 실리콘 기판
120 : 산화막
130, 160, 180 : 포토레지스트
140 : 무정형 카본 레이어(ACL) 필름
150 : 스토퍼 나이트라이드
170 : 폴리실리콘
172 : 고정 구조물
174 : 이동가능한 구조물
190 : 측벽 패시베이션 산화막
200 : 공간(cavity)

Claims (9)

  1. (1) 실리콘 기판 상부에 산화막 증착, 마스크 처리를 수행한 후, 식각 및 포토레지스트 제거를 수행하여 산화막 패턴을 형성하는 단계,
    (2) 산화막 패턴이 형성된 상기 실리콘 기판 상부에 희생층 물질을 증착하고, 상기 희생층 물질 상부에 폴리실리콘을 증착하는 단계,
    (3) 상기 폴리실리콘 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 마스크 처리 및 상기 폴리실리콘의 식각을 수행하는 단계,
    (4) 상기 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막(sidewall passivation oxide)을 캡핑(capping)하고, 플라즈마 식각을 수행하여 상기 희생층 물질을 제거하는 단계, 그리고
    (5) 하부 실리콘 언더컷 등방 식각(bottom silicon undercut isotropic etch) 방식의 플라즈마 식각을 수행하여, 상기 희생층 물질이 제거된 공간(cavity)을 확장, 형성하는 단계
    를 포함하는 MEMS 소자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (1) 단계는,
    (1-1) 상기 실리콘 기판의 상부에 산화막을 증착하는 단계,
    (1-2) 상기 산화막 상부에 마스크 패턴이 설계된 포토레지스트를 도포한 후, 포토리소그래피를 수행하는 단계, 그리고
    (1-3) 상기 산화막의 식각 및 포토레지스트 제거작업을 수행하여, 고정 구조물이 위치할 산화막 패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 MEMS 소자 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (2) 단계에서 희생층 물질은,
    무정형 카본 레이어(Amorphous Carbon Layer) 필름인 MEMS 소자 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (2) 단계는,
    (2-1) 산화막 패턴이 형성된 상기 실리콘 기판 상부에 희생층 물질과 스토퍼 나이트라이드(stopper nitride)를 순차적으로 증착하는 단계,
    (2-2) 상기 스토퍼 나이트라이드 상부에 마스크 패턴이 설계된 포토레지스트를 도포한 후, 포토리소그래피를 수행하는 단계,
    (2-3) 식각 및 포토레지스트 제거작업을 수행하여, 상기 고정 구조물 상부에 증착된 희생층 물질 및 스토퍼 나이트라이드와, 상기 고정 구조물 내부 공간상에 도포된 포토레지스트를 제거하는 단계, 그리고
    (2-4) 상기 실리콘 기판 상부에 증착된 희생층 물질의 상부에 폴리실리콘을 증착하는 단계
    를 포함하는 MEMS 소자 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (3) 단계는,
    (3-1) 상기 폴리실리콘 상부에 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 형성을 위한 포토레지스트 도포 및 포토리소그래피를 수행하는 단계, 그리고
    (3-2) 상기 폴리실리콘을 심도 반응성 이온 식각(DRIE, Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 처리하여, 고정 구조물 및 이동가능한 구조물을 형성하는 단계
    를 포함하는 MEMS 소자 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (4) 단계는,
    (4-1) 상기 (3) 단계에서 형성된 상기 고정 구조물 및 이동가능한 구조물 상부에 측벽 패시베이션 산화막을 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 방식으로 캡핑하는 단계, 그리고
    (4-2) 상기 (4-1) 단계를 통해 측벽 패시베이션 산화막을 캡핑한 이후, 플라즈마 식각을 수행하여, 상기 이동가능한 구조물의 하부 공간에 형성된 희생층 물질을 제거하는 단계
    를 포함하는 MEMS 소자 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 식각은,
    산소(O2), 산소(O2)와 삼불화질소(NF3), 산소(O2)와 디아진(N2H2) 중 어느 하나를 이용한 플라즈마 식각인 MEMS 소자 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (5) 단계의 플라즈마 식각은,
    육플루오린화황(SF6)과 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 산소(O2), 삼불화질소(NF3)와 디플루오로메탄(CH2F2)과 산소(O2) 중 어느 하나를 이용한 플라즈마 식각인 MEMS 소자 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 MEMS 소자 제조방법에 의하여 제조된 MEMS 소자.
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