KR20230143717A - 리튬나이오베이트의 식각방법 및 이를 이용한 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법 - Google Patents
리튬나이오베이트의 식각방법 및 이를 이용한 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 Ar 가스를 통해 챔버 내부에 생성된 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식으로, 마스크 패턴을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 포함하되, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 20mtorr으로 유지되는, 리튬나이오베이트의 식각방법 및 이를 이용한 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 리튬나이오베이트(LiNbO3) 식각방법 및 이를 이용한 리튬나이오베이트의 패턴 형성방법에 관한 것으로, 상세하게는 대면적 리튬나이오베이트를 물리적으로 건식식각을 통하여 낮은 바이어스 전압으로 리튬나이오베이트를 식각하는 방법 및 이를 이용하여 고품질의 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
리튬나이오베이트(LiNbO3) 물질은 실환경에서 물리적 또는 화학적으로 안정적인 특성을 보이고, 넓은 대역에서 낮은 광 손실 특성을 갖는다. 또한, 리튬나이오베이트 물질은 전기 광학 효과, 압전효과, 음향 광학 효과 등으로 인한 다양한 기능 소자로의 응용 가능성을 지니고 있다.
이러한 장점으로 인해 리튬나이오베이트에 대한 관심이 높아지고 있으며, 최근에는 리튬나이오베이트의 박막 제조기술의 발전에 힘입어 패터닝과 식각기술을 통해 높은 집적도를 갖는 다양한 광 기능소자를 제작할 수 있는 기회가 마련되고 있다.
리튬나이오베이트를 식각하기 위한 식각기술로 다양한 화학적 또는 물리적 식각기술들이 시도되고 있다. 특히, 대면적 적용이 가능하고, 공정조건제어가 용이하며, 비등방성 식각이 가능하여 고 집적 소자의 제작에 사용되는 RIE(Reactive Ion Ethching) 방식의 식각기술은 생산성, 정밀도 및 재현성 등에서 많은 장점을 지니고 있기 때문에 리튬나이오베이트 박막 식각기술에 적용하려는 노력들이 있어 왔다.
종래 RIE 방식의 식각기술을 이용한 리튬나이오베이트 식각방법은 할로겐(17족) 원소를 포함하는 반응성 화합물 가스(SF6, CF4, CHF3, Cl2, BCl3 등)와 비활성 가스(Ar, He)를 혼합하여 화학적 식각과 물리적 식각을 적절히 혼합하여 진행하였다.
그러나, 종래 RIE 방식의 식각기술을 리튬나이오베이트 박막 식각공정에 적용하기 위해서는 매우 높은 바이러스 전압이 요구되고, 또한 식각속도가 매우 느리린 문제가 있으며, 나아가 식각면의 표면 거칠기가 증가하고 식각면이 오염되는 문제가 있었다. 이러한 문제의 주요 원인은 RIE 식각기술의 주요 매커니즘인 화학적 식각반응에서 LiF나 LiCl과 같은 비휘발성 부산물이 다량 생성되어 식각면에 보호층을 형성하기 때문인 것으로 알려져 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 양성자 치환(Proton-exchange) 방법을 이용한 반응성 가스 식각기술이 제안되었다(비특허문헌 1 참조). 제안된 식각기술은 양성자 치환방법을 통해 기판 내에 Li 원자를 H 원자로 치환하는 선행공정을 통해 Lix-1HxNbO3를 형성하여 식각함으로써 Li의 비율을 낮추어 화학적 식각에 의한 비휘발성 부산물을 감소시킨다. 이를 통해 충분한 식각속도를 확보하고 식각면의 오염도를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 선행기술은 LiNbO3의 우수한 물질적 특성(높은 광 비선형성, 넓은 투과율, 전기-광 변조 특성 등)을 약화시키고 불안정한 물질 특성을 야기한다.
또 다른 선행기술로 반응성 가스에 비해 비활성 기체인 Ar의 비중을 크게 늘려 물리적 식각반응의 비중을 높이는 식각기술이 제안되었다(특허문헌1 및 2 참조). 제안된 선행기술에서는 가속화된 Ar 이온을 이용하여 화학적 반응에 의해 생성된 부산물(LiF, LiCl)을 제거하여 식각속도와 물질의 특성을 적절하게 유지할 수 있다. 그러나 Ar을 이용한 물리적 식각방식을 주요 매커니즘으로 진행할 경우 더 높은 가속화 에너지를 필요로 하기 때문에 높은 RIE 바이어스 전압이 필요한 단점이 있다.
또한, Ar의 비중을 늘리는 것을 주로 매커니즘으로 하는 종래의 식각기술에서는 물질의 선택적 식각반응을 이용한 식각공정이 아니기 때문에 더 단단하거나 더 두꺼운 마스크 물질을 필요로 한다. 이때, 마스크 물질로는 금속 계열(Cr, Al, Ni)의 금속 마스크를 사용하거나 이산화실리콘(SiO2)으로 이루어진 마스크 물질을 사용한다. 금속 마스크는 높은 선택비를 갖지만 금속 패터닝을 위한 추가 공정을 필요로 하고, 패턴과 식각면의 거칠기가 좋지 못하다. 그리고 이산화실리콘으로 이루어진 마스크는 금속 마스크에 비해 식각면이나 물질 경계면을 더 매끄럽게 형성하여 더 낮은 광 손실을 제공하지만 두꺼운 증착과 패터닝을 위한 추가 공정이 증가하는 문제가 있다.
Ren, Z., et al. "Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma." Journal of applied physics 103.3 (2008)
따라서, 본 발명의 목적은 비휘발성 불순물을 생성하는 할로겐 원소를 포함하는 반응성 화합물 가스(SF6, CF4, CHF3, Cl2, BCl3 등)에 기인한 화학적 반응을 완전히 배제할 수 있는 리튬나이오베이트의 식각방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 금속 마스크를 사용하여 거친 식각면을 구현하는 종래 방법의 문제점을 해결하고, 이산화실리콘에 준하는 매끄러운 패턴과 식각면을 확보하면서 공정을 간소화시킬 수 있는 리튬나이오베이트의 식각방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 리튬나이오베이트의 식각공정시 부산물에 의해 형성되는 재증착층을 선택적으로 제거하여, 고품질의 리튬나이오베이트 패턴을 구현하고자 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 리튬나이오베이트의 식각공정시 데미지(damage)로 인한 물성 변화(색상 변화 등)를 복원하여 고품질의 리튬나이오베이트 패턴을 제공하는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법을 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 단순화된 공정으로 전술한 재증착층을 선택적 제거 및 리튬나이오베이트의 물성 변화의 복원을 동시에 구현할 수 있는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, Ar 가스를 통해 챔버 내부에 생성된 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식으로, 마스크 패턴을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 포함하되, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 20mtorr으로 유지되는, 리튬나이오베이트의 식각방법을 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, Ar 가스와 02 가스를 1:0.5 내지 1:2의 부피비로 혼합한 혼합가스를 통해 챔버 내부에 생성된 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식으로, 마스크 패턴을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 포함하되, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 20mtorr 미만으로 유지되는 리튬나이오베이트의 식각방법을 제공한다.
또한, 상기 리튬나이오베이트의 식각방법은 상기 리튬나이오베이트 상에 마스크 패턴을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다
또한, 상기 마스크 패턴은 HSQ 레지스트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 마스크 패턴은 상기 리튬나이오베이트의 상부에 코팅된 HSQ 레지스트와, 상기 HSQ 레지스트 상부에 형성된 전도층 박막을 포함할 수 있다.
또한, 상기 마스크 패턴을 형성하는 공정은, 상기 리튬나이오베이트 상에 접착막을 형성하는 공정; 상기 접착막 상에 HSQ 레지스트를 스핀 코팅하는 공정; 상기 HSQ 레지스트 상에 전도층 용액을 스핀 코팅하여 전도층 박막을 형성하는 공정; 상기 전도층 박막과 상기 HSQ 레지스트를 패터닝하는 공정; 및 상기 전도층 박막과 상기 HSQ 레지스트를 현상하는 공정;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 마스크 패턴을 형성하는 공정은, 상기 접착막을 형성하는 공정 후 상기 접착막의 표면에 O2 플라즈마 처리하는 공정; 및 상기 HSQ 레지스트를 스핀 코팅하는 공정 후 핫 플레이트를 이용하여 가열하는 공정;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착막은 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용하여 이산화실리콘막(SiO2)으로 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정은 ICP-식각장비를 사용하여 실시하고, 이 때 ICP 전력은 300W 내지 1000W이고, 바이어스 전력은 50W 내지 300W일 수 있다.
또한, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정은 마그네트론 플라즈마 식각장비를 사용하여 실시하고, 이 때 전자석 세기는 10Gauss 내지 70Gauss이고, 바이어스 전력은 50W 내지 300W일 수 있다.
또한, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정 이전에, 다중 Ar 퍼지공정을 실시하여 상기 챔버를 안정화시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다중 Ar 퍼지공정은, 대기압 조건 하에서 진공 펌프를 가동한 후, 상기 챔버 내부 압력이 100torr가 될 때까지 Ar 가스를 주입하고 나서, 다시 상기 진공 펌프를 가동하는 Ar 퍼지공정을 적어도 3회 반복 수행하는 공정; 및 Ar 가스를 상기 공정 압력까지 주입하는 공정;을 포함할 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 본 발명은, 전술한 리튬나이오베이트의 식각방법을 이용하여, 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 공정; 및 상기 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 공정에서 발생된 부산물이 상기 리튬나이오베이트 패턴에 재증착된 재증착층을 제거하는 클리닝 공정;을 포함하는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법을 제공한다.
또한, 상기 클리닝 공정은 KOH 수용액을 이용하여 실시하는 것일 수 있다.
또한, 상기 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 공정 후, 열처리 공정을 실시하여 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 발생되는 데미지로 인해 변화되는 상기 리튬나이오베이트의 투명도를 복원하는 공정을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리 공정은 02 플로우 가스 환경 하에서 500℃ 내지 900℃에서 실시하는 것일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 비휘발성 불순물을 생성하는 할로겐 원소를 포함하는 반응성 화합물 가스(SF6, CF4, CHF3, Cl2, BCl3 등)에 기인한 화학적 반응을 완전히 배제하여 식각 부산물의 양을 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 식각 측벽의 각도가 균일하게 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, Ar 플라즈마의 밀도 증가 및 공정 압력 감소를 통하여 낮은 바이어스 전압으로 대면적 리튬나이오베이트의 균일한 물리적 식각을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 물리적 식각을 이용하므로, 식각 부산물에 따른 식각 차단이 발생하는 화학적 식각의 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리튬나이오베이트를 식각하기 위한 식각 마스크로 종래에 널리 사용된 금속계열 마스크와 이산화실리콘 마스크를 대체하여 HSQ(Hydrogen SilsesQuioxane) 레지스트를 사용함으로써, 금속계열 마스크에 비해 매끄러운 패턴과 식각면을 확보하면서도 이산화실리콘 마스크에 비해 공정을 간소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리튬나이오베이트의 식각공정 후 클리닝 공정을 실시함으로써 리튬나이오베이트의 식각공정 시 발생하는 부산물에 의해 형성되는 재증착층을 제거하여 고품질의 리튬나이오베이트 패턴을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리튬나이오베이트의 식각공정 후 열처리 공정(어닐링 공정)을 실시함으로써 리튬나이오베이트의 식각공정 시 박막에 가해지는 데미지(damage)로 인한 리튬나이오베이트의 물성 변화(투명도)를 원래 상태로 복원(투명도 복원)하여 고품질의 리튬나이오베이트의 패턴을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, Ar 가스와 O2 가스의 혼합가스를 이용한 물리적 건식식각방식을 통하여, 리튬나이오베이트의 식각과 동시에 식각 부산물에 따른 재증착층을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법에서의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크 패턴 형성공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크 패턴 형성공정을 통해 형성된 HSQ 마스크 패턴의 SEM(Scanning Electron Microscopes) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 공정 압력에 따른 리튬나이오베이트의 식각율 및 공정 압력에 따른 식각율의 추정값을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 공정 압력별 리튬나이오베이트의 식각 결과의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 플라즈마의 농도 변화 및 바이어스 전압 변화에 따른 리튬나이오베이트의 식각율을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 식각 후 재증착층의 성분을 분석하기 위해 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통해 분석한 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 클리닝 공정의 전과 후의 리튬나이오베이트 패턴의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 식각공정 후의 리튬나이오베이트의 투명도를 관찰한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 리튬나이오베이트의 투명도 변화를 관찰한 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 리튬나이오베이트 표면에서의 원자의 조성비 변화를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 퍼지공정 시 Ar 주입에 따른 챔버의 내부 압력 변화를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 Ar 퍼지공정 후의 공정 재현성을 비교한 SEM 이미지이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴 형성방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ar 가스와 02 가스의 혼합가스를 이용한 리튬나이오베이트 패턴 형성방법을 통해 제조된 디스크 공진기의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크 패턴 형성공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크 패턴 형성공정을 통해 형성된 HSQ 마스크 패턴의 SEM(Scanning Electron Microscopes) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 공정 압력에 따른 리튬나이오베이트의 식각율 및 공정 압력에 따른 식각율의 추정값을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 공정 압력별 리튬나이오베이트의 식각 결과의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 플라즈마의 농도 변화 및 바이어스 전압 변화에 따른 리튬나이오베이트의 식각율을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 식각 후 재증착층의 성분을 분석하기 위해 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통해 분석한 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 클리닝 공정의 전과 후의 리튬나이오베이트 패턴의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 식각공정 후의 리튬나이오베이트의 투명도를 관찰한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 리튬나이오베이트의 투명도 변화를 관찰한 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 리튬나이오베이트 표면에서의 원자의 조성비 변화를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 퍼지공정 시 Ar 주입에 따른 챔버의 내부 압력 변화를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 Ar 퍼지공정 후의 공정 재현성을 비교한 SEM 이미지이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴 형성방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ar 가스와 02 가스의 혼합가스를 이용한 리튬나이오베이트 패턴 형성방법을 통해 제조된 디스크 공진기의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현되고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.
또한, 본 명세서에서, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 가령, 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소(층이나 막 등)의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 층과 막(박막)은 혼용되어 기재되어 있으나, 동일한 개념으로 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법에서의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법은 마스크 패턴을 형성하는 공정(S1)과, 리튬나이오베이트를 식각하는 공정(S2)과, 식각공정시 박막 패턴에 재증착되는 재증착층을 선택적으로 제거하는 공정(S3)과, 리튬나이오베이트의 물성을 복원하는 복원공정(S4)을 포함한다.
마스크 패턴을 형성하는 공정(S1)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크 패턴 형성공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)와 같이, 기판(1), 이산화실리콘막(SiO2, 2) 및 리튬나이오베이트(LiNbO3, 3)가 적층된 리튬나이오베이트 웨이퍼를 준비한다. 이 때, 기판(1)은 실리콘 기판, 리튬나이오베이트 기판 또는 사파이어 기판일 수 있다. 또한, 도 2의 경우, 리튬나이오베이트(3)의 하부에 형성된 구조물로 이산화실리콘막(2)이 형성되어 있으나, 이산화실리콘막(2)으로만 제한되지 않고, 기판(1)과 리튬나이오베이트(3) 사이에 형성되는 리튬나이오베이트(3)의 하부 구조물은 이산화실리콘막(2) 이외에 다양한 물질의 절연막 및/또는 금속막 등을 포함할 수 있다.
이어서, 도 2의 (b)와 같이, 후속 공정을 통해 형성되는 마스크(5)와 리튬나이오베이트(3) 사이의 접착력을 위해 접착막(4)을 형성할 수 있다. 이 때, 접착막(4)은 예를 들어, 이산화실리콘막으로서 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 약 5nm 내지 약 15nm, 바람직하게는 약 10nm 두께로 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 패턴 형성방법에서 적용하는 Ar 플라즈마를 이용한 식각방식은 이온의 충돌을 통해 식각 대상체를 식각하는 물리적 건식식각방식으로서, 비교적 딱딱하고 두꺼운 마스크 패턴을 요구한다. 이에 본 발명의 일 실시예에서는 마스크(5)로 HSQ(Hydrogen SilsesQuioxane)를 사용한다.
HSQ는 H8Si8O12로 구성된 화합물로 MIBK(Methyl Isobutyl Ketone) 용매 내에서 액체 상태로 존재하여 스핀 코팅방식으로 약 1㎛의 두께로 형성이 가능하다. 또한, HSQ는 전자 빔(E-beam)이나 온도에 의해 높은 에너지를 받으면, Si-H, O-H 간의 결합이 끊어져 단단한 이산화실리콘으로 변성되므로 전자 빔 레지스트 물질로 사용할 수 있다.
Ar 플라즈마를 이용한 물리적 식각공정에 일반적인 폴리머 계열의 물질을 마스크로 사용하는 경우에는 리튬나이오베이트의 식각속도 대비 마스크의 식각속도 사이의 선택비가 매우 좋지 않는 문제가 있다. 따라서, Ar 플라즈마를 이용한 물리적 식각방식에서는 금속계열 마스크나 두꺼운 이산화실리콘막으로 이루어진 마스크가 필요하다.
그러나, 일반적인 금속(Cr, Al, Ni) 계열 마스크는 높은 선택비를 갖지만 금속 패터닝을 위한 추가 공정이 많고, 패턴과 식각면의 거칠기가 좋지 못하다. 그리고, 이산화실리콘막으로 이루어진 마스크는 금속계열 마스크에 비해 패턴을 매끄럽게 형성할 수는 있으나, 리튬나이오베이트 간의 선택비가 0.5 정도로서, 식각하고자 하는 리튬나이오베이트에 비해 이산화실리콘막을 최소 2배 이상으로 형성해야 하기 때문에 두꺼운 이산화실리콘막을 패터닝하기 위한 공정이 추가되는 문제가 있다.
한편, 리튬나이오베이트(3)는 HSQ 용액과의 접착력이 좋지 못한 것으로 알려져 있다. 이 때문에 리튬나이오베이트(3)의 표면에 직접 HSQ 용액을 투입시켜 스핀 코팅 방식으로 HSQ 레지스트를 코팅하는 경우 HSQ 용액이 균일하게 코팅되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 도 2의 (b)와 같이 리튬나이오베이트(3)의 표면에 PECVD 방식을 이용하여 이산화실리콘으로 이루어진 접착막(4)을 일정 두께로 형성하여 HSQ 레지스트에 대한 접착력을 향상시킨다.
이어서, 도 2의 (c)와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 후속 공정을 통해 형성될 마스크(5)의 접착력을 증대시키기 위해 O2 플라즈마를 이용하여 접착막(4)의 표면을 표면 처리할 수도 있다.
이어서, 도 2의 (d) 및 (e)와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 접착막(4) 상에 마스크(5)를 형성한다. 이 때, 마스크(5)는 HSQ 레지스트막(51)과 전도층막(52) 적층 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 마스크(5)는 HSQ 레지스트막(51) 단독 층으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마스크(5)의 형성과정은 다음과 같을 수 있다. 예를 들어, HSQ 용액(예컨대, fox 25 Dow Corning)을 접착막(4) 상에 투입한 후 대략 1500rpm 내지 2500rpm, 바람직하게는 약 2000rpm으로 스핀 코팅하고, 핫 플레이트(hot plate)에 대략 80℃ 내지 200℃에서 60초 내지 150초, 바람직하게는 약 100℃에서 약 90초 동안 가열하여 HSQ 레지스트막(51)을 형성한다. 그리고, HSQ 레지스트막(51)의 표면에 전도층 용액(예컨대, E-spacer z300)을 대략 1500rpm 내지 2500rpm, 바람직하게는 약 2000rpm으로 스핀 코팅하여 HSQ 레지스트막(51)의 표면에 전도층 박막(52)을 형성한다.
일반적으로, 리튬나이오베이트 웨이퍼와 HSQ 코팅면 사이에는 물질적인 특성으로 인해 전기 전도성이 좋지 못하다. 이 때문에 전자 빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정시 전자의 충전(charging) 현상에 의해 패턴이 왜곡되게 나타날 수 있는데, 이를 방지하기 위해 도 2의 (e)와 같이, HSQ 레지스트막(51) 상에 전도층 박막(52)을 형성한다.
이어서, 도 2의 (f)와 같이, 마스크(5) 상부에 전자 빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정으로 마스크 패턴(5a)을 형성한다. 이때, HSQ 레지스트막 패턴(51a)과 전도층 박막 패턴(52a)이 형성된다. 이 때, 전자 빔 리소그래피 공정에 의하여, 전도층 박막 패턴(52a)은 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자 빔 리소그래피 과정은 다음과 같을 수 있다. 예를 들어, 약 100kV 가속전압과 약 100pA, 또는 약 0.1 nA 내지 10 nA의 빔 전류를 갖는 JBX-9300 JEOL 장비를 사용하여 대략 1,000uC/cm2 내지 2,000uC/cm2, 바람직하게는 약 1400uC/cm2 도즈량으로 패터닝을 수행한다. 그리고, 현상(developer) 용액으로 예를 들어, AZ 300MIF를 사용하여 대략 2분 내지 5분, 바람직하게는 약 3분 동안 현상하고, IPA(Isporopyl alcohol)와 DI 워터(Deionized water) 혼합액을 이용하여 현상액을 세정하여 마스크 패턴(5a)을 형성한다.
마스크 패턴(5a)을 형성하기 위한 HSQ 레지스트 형성공정과 전자 빔 리소그래피 공정의 조건은 형성할 마스크 패턴(5a)의 두께와 면적에 따라 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크 패턴 형성공정을 통해 형성된 HSQ 마스크 패턴의 SEM(Scanning Electron Microscopes) 이미지를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 3은 도 2에 도시된 마스크 패턴 형성공정을 통해 형성된 HSQ 마스크 패턴을 SEM(Scanning Electron Microsopce)으로 촬영한 도면들로서, 도 3과 같이, HSQ 마스크 패턴(5a)은 패턴과 식각면이 보다 매끄럽게 형성된 것을 확인할 수 있다.
리튬나이오베이트를 식각하는 공정(S2)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 도시한 것이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 도 2의 (f)에서 형성된 마스크 패턴(5a)을 식각 마스크로 이용한 물리적 건식식각을 리튬나이오베이트 웨이퍼 전면에 수행하여 마스크 패턴(5a)에 의해 덮혀지지 않고 노출되는 리튬나이오베이트(3)을 식각한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트(3)의 식각공정은 Ar 가스를 챔버에 주입하여 증대된 고농도 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식으로 실시한다. 즉, 챔버 내에 전기장 또는 자기장을 통해 전자의 이동 루프를 형성하여 Ar 이온화율이 증대된 고농도 Ar 플라즈마 상태를 형성하고, 이렇게 증대된 고농도 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식을 실시하여 리튬나이오베이트를 식각한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트(3)의 식각공정에서는 식각공정 시 낮은 바이어스 전압에서도 높은 운동 에너지를 얻을 수 있도록 하여, 고진공 상태에서 증대된 고농도 Ar 플라즈마를 형성한다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 챔버의 공정 압력을 낮추어 챔버 내의 기체의 밀도를 낮게 유지할 수 있다. 이는 가속화된 이온이 챔버 내의 원자와 충돌하는 횟수를 줄이기 위함이다. 즉, 자유롭게 가속되는 평균 거리(Mean free path)가 증가하여 낮은 바이어스 전압에서도 높은 운동 에너지를 얻을 수 있다. 여기서, Ar 이온화율이란 공정 챔버로 투입된 Ar 가스 대비 이온화 Ar의 비율을 말한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 공정 압력에 따른 리튬나이오베이트의 식각율 및 공정 압력에 따른 식각율의 추정값을 나타낸 것이다. 나아가, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 공정 압력별(1.2/2.8/25/50mtorr) 리튬나이오베이트의 식각 결과의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 5 및 도 6에 따른 실시예는, Ar 플라즈마의 ICP(Inductively Coupled Plasma) 파워 300W, 바이어스 파워 200W 조건 하에서 챔버의 공정 압력을 1.2mtorr 내지 50mtorr으로 변경하면서 리튬나이오베이트의 식각율을 테스트한 결과이다. 테스트 결과, 약 5 mtorr에서 최적의 식각속도를 보였으며, 25mtorr 이상에서는 거의 식각이 진행되지 않은 양상을 확인하였다. 이의 결과 값을 기초로, 도 5와 같이 식각율의 추정값을 산출하였으며, 구체적으로 동일한 바이어스를 갖는 환경 하에 압력에 따른 식각률의 추정값은 공정 가스 량과 사하 이온화 공식을 기반으로 A*Pe -B*P (P: pressure, A,B: constant)로 단순화하여 모델링하고 이를 측정결과와 비교 분석하여 얻을 수 있다.
챔버의 공정 압력이 25mtorr 이상에서는 챔버 내의 기체 밀도가 높고 이온화율이 낮아 리튬나이오베이트를 식각할 수 있을 만큼 충분히 에너지로 가속하지 못해 식각이 거의 이루어지지 않고 HSQ 마스크만 손상되는 것을 확인할 수 있었다(도 6의 (c) 및 (d) 참조). 공정 압력이 25mtorr 미만으로 낮아질 때 챔버 내의 밀도가 감소하고, 이로 인해 Ar 이온들은 점점 더 높은 에너지로 가속하여 표면을 충격하므로 식각속도가 증가한다. 그리고, 공정 압력이 약 2mtorr 내지 3mtorr로 감소할 경우, Ar 이온의 가속 에너지 증가량 보다 Ar 이온 자체의 감소량이 더 커지기 때문에 식각속도가 다시 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 그러므로, 본 발명에 따른 리튬나이오베이트의 식각방법의 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 20mtorr로 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 15mtorr, 2mtorr 내지 10mtorr, 2.5mtorr 내지 10mtorr, 또는 2.5mtorr 내지 7.5mtorr일 수 있다. 상기 챔버의 공정 압력이 1mtorr 내지 20mtorr인 경우, 도 5에 따른 피팅을 통한 추정치를 통해 10nm/min 이상의 식각율을 가지며, 리튬나이오베이트를 효과적으로 식각할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 플라즈마의 농도 변화 및 바이어스 전압 변화에 따른 리튬나이오베이트의 식각율을 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 7에 있어서, (a)는 ICP-식각(etcher)장비에서의 식각율, (b)는 ME-식각장비에서의 식각율을 나타낸다.
도 7의 (a)에서는 ICP-식각장비를 기반으로 Ar 플라즈마의 농도 변화에 따른 식각변화를 확인하기 위하여 유도성 커플링 코일(induced coupling coil)에 가해지는 ICP 전력(ICP power)과 바이어스 전력(bias power)의 변화를 통해 얻어진 리튬나이오베이트의 식각율을 토대로 리튬나이오베이트의 식각속도 변화를 비교하였다. ICP-식각장비를 이용하는 경우, 챔버 상부 둘레에 위치한 유도성 커플링 코일로 인가되는 AC 전력, 즉 ICP 전력은 공진하는 전자를 발생한다. 이 때문에 ICP 전력이 증가할수록 Ar 플라즈마의 이온화율이 증가하고, Ar 플라즈마의 이온화율 증가는 Ar 플라즈마의 농도를 증가시킨다.
도 7의 (a)와 같이, Ar 플라즈마의 Ar 유량 40sccm, 공정 압력 7mtorr에서 ICP 전력을 300W 내지 700W, 바이어스 전력을 50W 내지 300W로 변화시켜가면서 리튬나이오베이트의 식각속도 변화율을 확인하였다. ICP 전력이 700W에서는 100W 정도의 바이어스 전력에도 25nm/min 정도의 적절한 식각속도가 확인되었다. 반면 ICP 전력이 300W 수준에서는 ICP 전력이 700W 수준에서 얻어지는 식각속도와 유사한 수준 대략 31nm/min의 정도의 식각속도를 얻기 위해서는 300W 바이어스 전력이 필요함을 확인하였다.
도 7의 (b)에서는 마그네트론 플라즈마 식각장비, 구체적으로 ME-식각장비를 기반으로 Ar 플라즈마의 농도 변화에 따른 식각변화를 확인하기 위하여 챔버 내의 전자석 세기(Magnetic force)와 바이어스 전력(bias power)의 변화를 통해 리튬나이오베이트의 식각속도 변화를 비교하였다. 마그네트론 플라즈마 식각장비를 이용하는 경우, 챔버 주위에 적절히 배치된 전자석은 회전하는 전자의 루프를 만들 수 있기 때문에 전자석 세기의 변화로 Ar 플라즈마의 이온화율(플라즈마의 농도)를 변화시킨다.
도 7의 (b)와 같이, Ar 플라즈마의 Ar 유량 10sccm 조건에서 진행된 공정 압력 5mtorr에서 전자석 세기 0Gauss 내지 70Gauss와 바이어스 전력 100W 내지 200W에서 식각속도를 확인하였다. 동일한 바이어스 전력 200W에서 전자석 세기가 0G에서 70G으로 변경하고, 식각속도를 확인하였을 때에는 전자석 세기의 증가로 Ar 플라즈마의 농도가 증가 하였을 때 더 높은 식각속도를 보였다. 또한, 동일한 전자석 세기 30Gauss 조건에서는 더 높은 바이어스 전력이 가해질 수록 더 높은 식각속도를 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 7에 따른 결과에 기초하여, 리튬나이오베이트(3)의 식각공정 시, 본 발명의 일 실시예에서 사용된 식각장비의 경우에는 Ar 유량과 스로틀 밸브의 각도를 조절하여 공정 압력을 1mtorr 내지 20mtorr으로 제어할 수 있다. 나아가, 선택된 공정 압력에서 플라즈마 농도와 바이어스 파워는 Ar 플라즈마 이온의 충격에너지를 증가시키기 위하여 상호 보완적으로 적용될 수 있다. 그러나, 과도한 에너지는 리튬나이오베이트에 데미지를 축적시키고 또한, 너무 적은 에너지는 식각이 진행되지 않거나 마스크의 선택비를 악화시키므로 적절한 균형이 필요하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 사용된 ICP-식각장비 공정조건의 경우, ICP 전력을 300W 내지 1000W, 구체적으로, 300W 내지 700W에서 조절할 때 그에 맞는 바이어스 파워를 50W 내지 300W에서 선택하여 최적의 식각 조건을 설정할 수 있다. 또한, 마그네트론 플라즈마 식각장비 공정조건의 경우, 전자석의 세기를 10Gauss 내지 70Gauss에서 선택할 때 그에 맞는 바이어스 파워를 50W 내지 300W, 구체적으로 100W 내지 250W, 또는 100W 내지 200W 에서 선택하여 최적의 식각 조건을 설정할 수 있다.
재증착층을 제거하는 공정(S3)
도 1과 같이, 리튬나이오베이트(3)을 식각하여 리튬나이오베이트 패턴(3a)을 형성한 후 리튬나이오베이트(3)의 식각공정 시 발생된 부산물이 리튬나이오베이트의 패턴(3a)에 재증착된 재증착층을 클리닝 공정을 통해 선택적으로 제거할 수 있다(S3).
리튬나이오베이트(3)를 식각하기 위한 물리적 식각공정은 식각 후 발생하는 부산물들의 재증착이 일어날 수 있다. 식각 후 존재하는 재증착층은, 가령 광 도파로 응용 소자에서 광 손실에 큰 영향을 미치기 때문에 클리닝 공정을 통해 제거해야 한다.
기존 클리닝 공정은 SPM(Sulfuric acid peroxide mixture), APM(Ammonia and hydrogen peroxide mixture) 클리닝과 같은 CMOS 공정의 정규 클리닝 공정법을 통해 표면을 클리닝하는 방법이 활용되었다. APM 클리닝공정의 일례가 "Optical Materials, 53, 1-5., https://doi.org/10.1016/j.optmat.2015.12.040, APM cleaning"에 제안되었다. APM 클리닝공정은 암모니아수, 과산화수소, 증류수를 2:2:1의 비율로 혼합하여 85℃에서 1시간씩 3회 수행한다. 그러나, 암모니아수와 과산화수소수 반응이 완료시 용액 교체 필요하고, 3시간 이상의 장시간 소요되며, 혼합액의 화학반응에 의해 발생한 기포가 측벽의 재증착물 근처에 생성되었다 떨어지면서 증착물을 제거하는 방식으로 클리닝 시간이 불규칙적이고 오래 걸리는 단점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 식각 후 재증착층의 성분을 분석하기 위해 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통해 분석한 이미지를 나타낸 것이다.
도 8과 같이, 리튬나이오베이트(3) 식각공정 후 재증착층의 주요 성분은 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 통해 분석한 결과로부터 Nb 파우더로 추정할 수 있다. Nb 파우더 성분은 알카리 계열(Na, K) 수용액에 쉽게 용해되고 리튬나이오베이트(3)은 융해도가 매우 낮기 때문에 재증착층을 선택적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 클리닝 공정에서는 KOH 수용액을 이용할 수 있다. 예를 들어, KOH 45% 수용액 200ml를 불소수지 비이커에 준비한 후 핫 플레이트에서 KOH 수용액의 온도를 80℃까지 가열한다. 이후, 리튬나이오베이트를 클리닝 트레이에 담아 용액 안 끝까지 담근 후 20분 동안 유지하고, 클리닝이 완료되면 DI 워터로 5분간 세척한다. 또한, 상기 클리닝 공정을 통하여, HSQ 마스크 패턴(5a)이 함께 제거될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 클리닝 공정은 HSQ 마스크 패턴(5a)을 제거한 후 실시하거나, 또는 HSQ 마스크 패턴(5a)을 제거하지 않은 채로 실시할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 클리닝 공정의 전과 후의 리튬나이오베이트 패턴의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 9의 (a)와 같이, 클리닝 전에는 리튬나이오베이트 패턴과 HSQ 마스크 패턴의 측벽에 재증착층이 존재하는 것을 확인할 수 있으나, 도 9의 (b)에서와 같이, 클리닝 공정 후에는 재증착층이 깨끗하게 제거된 상태를 확인할 수 있다.
리튬나이오베이트의 투명도를 복원하는 공정(S4)
리튬나이오베이트 물질은 식각 중에 과잉 에너지가 여기되거나 혹은 챔버 내에 반응성 불순물이 유입될 경우, 도 10과 같이, 투명한 리튬나이오베이트 물질이 검게 변할 수 있다. 이는 리튬나이오베이트 물질에 높은 에너지가 여기될 때 가벼운 Li 원자가 쉽게 확산되어 빠져 나가게 될 경우 Li 원자의 빈자리로 인해 가시광 영역의 빛을 흡수하기 때문이다(LiNbO3에 강한 X-선 조사을 장시간 조사한 경우, Nb4+, Li vacancies에서 electron and hole trapped이 야기되어 가시광(1.58~3.26eV) 파장의 빛을 흡수함, "Journal of Physics C: Solid State Physics, Volume 17, Number 3 (1984) 참조). 이와 같이, 리튬나이오베이트 물질의 색상 변화는 광 소자 응용을 제한하는 요소로 반드시 해결해야 하는 문제 중 하나이다.
본 발명에 따른 리튬나이오베이트의 식각방법 또는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법에 따른 실험을 수행한 결과, 식각조건에 따라 샘플의 투명도가 변화하는 것을 확인하였다. 특히, 리튬나이오베이트를 높은 에너지로 식각한 샘플일 수록 검게 변화하였다. X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 통해 분석한 결과 샘플의 표면에 집중된 데미지로 인해 표면에 Li 원자의 부재를 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 투명도를 복원 공정에서는 적절한 온도의 열처리(어닐링 공정)를 통해 표면에 집중된 데미지를 Li 원자의 빈자리를 분산시키고 원자 배열과 비율을 복원시킬 수 있다. 열처리의 효과를 확인하기 위해 과잉 에너지로 식각하여 검게 변화한 샘플은 준비하였다.
각각의 열처리 온도 조건은 500℃, 700℃, 900℃ 온도로 각각 열처리(어닐링 공정)를 진행한다. 이때, 가스 환경은 O2 플로우 환경이며, 온도의 상승률은 5℃/min, 냉각은 상온 자연 냉각으로 수행하였다. 도 11과 같이, 열처리 이후 샘플을 육안으로 관측하였을 때 열처리 이후 검게 변한 샘플이 다시 투명해짐을 확인하였다.
또한, X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 샘플 표면의 원자 조성비를 조사하였다. 아래 [표 1] 및 도 12와 같이, 리튬나이오베이트를 식각한 후 리튬나이오베이트의 표면에 Li 원자의 부재가 열처리 이후 일정 수준으로 복원되었음을 확인하였다.
[표 1]
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 (또는 리튬나이오베이트 패턴)의 투명도를 복원하는 공정(S4)에서는 리튬나이오베이트 식각 후 O2 플로우 가스 환경 하에서 500℃ 내지 900℃의 온도로 열처리 공정을 실시하여 리튬나이오베이트의 패턴 물성(색상)을 복원할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 식각공정에서 적용하는 Ar 식각기술은 초기 챔버 내의 컨디션이 매우 중요하다. 챔버 내에 존재하는 불순물에서 나오는 가스 성분과 대기 중에서 혼입된 잔류 가스의 존재는 높은 에너지의 충돌 반응을 야기하는 물리적 건식식각방식에서 가속되는 이온의 에너지와 방향을 변화시켜 식각속도와 패턴의 형태에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 이 때문에 리튬나이오베이트를 식각하기 전에 초기 챔버의 컨디셔닝(conditioning)과 고진공(<10-6 Torr) 펌핑을 통해 챔버 내부에 존재하는 불순물을 우선적으로 제거해야 한다. 따라서, 공정 재현성을 유지하기 위해서는 충분한 챔버 클리닝은 물론 순수 Ar 가스 조성을 위해 초기 펌프가 10-6 Torr 이하가 되도록 충분한 진공도 유지가 중요하다.
공정 장비의 구조적 결함이나 진공 펌프의 성능 부족으로 인해 진공 펌프의 성능이 제한적인 경우 챔버 내의 초기 순수 Ar 조성 유지가 어려워 공정의 재현성을 확보하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 어려움을 해결하기 위해 다중 Ar 퍼지(purge) 공정 기술을 적용하여 제한적인 진공 펌프 환경 내에서 공정의 재현성을 확보하였다. 예를 들어, ICP-RIE(AFS-IR6T, All for system) 장비의 경우에는 고진공(<10-6 Torr)의 펌핑을 위해서는 6시간 이상의 연속적인 가동이 필요하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 안정화를 위한 다중 Ar 퍼지공정은 다음과 같다. 예를 들어, 샘플을 넣고 대기압 조건에서 가능한 수준까지 진공 펌프를 20분 가동한다. 이후, 진공 펌프의 가동을 중지하고, Ar 가스를 챔버의 내부 압력이 100torr가 될 때까지 주입한다. 이후, Ar 가스의 주입을 중지한 후 다시 진공 펌프를 10분 동안 가동한다. 이후, Ar 가스 주입과 진공 펌프의 펌핑을 3회 이상 반복적으로 실시한다. 이후, Ar 가스를 공정 압력까지 주입한 후 동일한 방법으로 식각공정을 수행한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ar 퍼지공정 시 Ar 주입에 따른 챔버의 내부 압력 변화를 나타낸 것이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 Ar 퍼지공정 후의 공정 재현성을 비교한 SEM 이미지이다.
도 13과 같이, 다중 Ar 주입을 진행할 경우 챔버 내에서 잔존 가스 비율을 고려하는 때에, Ar 가스의 비율이 다른 가스의 비율보다 상당히 높아진다. 초기 순수 Ar 가스 조성을 위해 단순 펌핑방법을 통해 진행할 경우 진공으로 유지하기 위해서 장시간(대략 6시간 이상) 펌핑을 해야하지만 다중 Ar 퍼지를 통해 1시간 이내로 줄일 수 있다. 또한, 도 14와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 Ar 퍼지공정을 수행하고 식각한 결과(a)는 다중 Ar 퍼지공정을 수행하지 않고 식각한 결과(b)에 비하여 현저하게 향상된 식각 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 Ar 퍼지공정을 통해 챔버 내 잔존 Ar 가스 비율을 높임으로서, 고진공 펌핑(>10-6 Torr)이 제한된 장비에서는 달성하기 힘들었던 재현성을 확보할 수 있다
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴 형성방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 패턴 형성방법은 도 1에 도시된 실시예와 다르게 O2 가스가 혼합된 고진공 하에서 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 식각공정을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서, Ar 가스와 산소 가스의 혼합 가스의 이용은 재증착층 제거와 식각 중 불완전한 물질에 의한 층을 식각과정에서 제거하여, 식각 후 물성 유지에 도움이 될 수 있다. 그러나, 산소의 비율이 과다한 경우 비등방성 식각률이 높아질 수 있고, 또한 산소 가스의 비율이 지나치게 낮은 경우 전술한 효과가 미미할 수 있는 점에서 혼합비의 조절이 필요하다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서, 혼합 가스에서의 Ar 가스와 02 가스의 부피비는 1:0.5 내지 1:2, 구체적으로 1:0.75 내지 1:1.5, 보다 구체적으로 약 1:1일 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서는 Ar 플라즈마 식각기술을 이용한 식각공정 후 재증착층을 제거하기 위한 클리닝 공정(S3)과 데미지로 인한 물성 복원을 위한 열처리 공정(S4)을 추가로 실시해야 하기 때문에 공정이 다소 증가하여 복잡할 수 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는 리튬나이오베이트를 식각하기 위한 식각공정시 Ar 가스를 단독으로 사용하는 대신에 Ar과 O2 가스를 상기와 같은 부피비로 혼합한 혼합가스를 이용하여 건식 플라즈마 처리방식으로 재증착층 제거공정과 물성 유지공정을 동시에 수행할 수 있다. O2 가스의 혼합은 재증착되는 Nb 파우더가 운동성이 높은 산소 이온과 결합하여 표면에서 제거될 가능성을 높힐 수 있다. 또한, Li 원자의 빈자리 역시 산소 이온의 환원반응으로 제거됨으로써 후처리 공정없이 안정적인 식각이 가능하다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ar 가스와 02 가스의 혼합가스를 이용한 리튬나이오베이트 패턴 형성방법을 통해 제조된 디스크 공진기의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 16은 Ar 가스와 02 가스를 1:1의 부피비로 혼합한 혼합 가스를 이용하여, 전술한 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법을 통해 제조된 고품위 계수를 갖는 디스크 공진기를 SEM으로 촬영한 도면들로서, (b)는 (a)의 일부를 확대하여 도시한 것이다. 도 16에 따르면, Ar과 O2 가스가 혼합된 혼합가스를 이용한 물리적 건식식각을 통하여 우수한 정밀도와 매끈한 패턴을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 도 16과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 패턴 형성방법을 통해 제조된 디스크 공진기에서 재증착층은 존재하지 않았고, 또한 물성 복원이 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
도 15와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬나이오베이트의 패턴 형성방법은 마스크 패턴 형성공정(S11)과, 리듐나이오베이트 박막 식각공정(S12)을 포함한다.
마스크 패턴을 형성하는 공정(S11)은 전술한 바와 같은 방법으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이, 도 1 및 도 2에 도시된 마스크 패턴 형성공정(S1)과 동일한 공정으로 진행할 수 있다. 또한, 리튬나이오베이트 박막을 식각하는 공정(S12)은 전술한 바와 같은 공정 압력 범위에서 수행될 수 있다. 또한, 리튬나이오베이트 박막을 식각하는 공정(S12)은 전술한 ICP-식각장비 및 이의 조건, 또는 마그네트론 플라즈마 식각장비 및 이의 조건을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬나이오베이트 박막을 식각하는 공정(S12)은 소스 전력(ICP 전력) 300W, 바이어스 전력 500W, Ar 유량 5sccm, O2 유량 5sccm, 챔버 공정 압력 1.9mtorr으로 하여 55분 동안 실시할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만, 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이다. 그리고, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
1: 기판
2: 이산화실리콘막
3: 리튬나이오베이트
3a: 리튬나이오베이트의 패턴
4: 접착막
5: 마스크
5a: 마스크 패턴
51: HSQ 레지스트
52: 전도층 박막
51a: HSQ 레지스트 패턴
52a: 전도층 박막 패턴
2: 이산화실리콘막
3: 리튬나이오베이트
3a: 리튬나이오베이트의 패턴
4: 접착막
5: 마스크
5a: 마스크 패턴
51: HSQ 레지스트
52: 전도층 박막
51a: HSQ 레지스트 패턴
52a: 전도층 박막 패턴
Claims (15)
- Ar 가스를 통해 챔버 내부에 생성된 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식으로, 마스크 패턴을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 포함하되,
상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 20mtorr으로 유지되는, 리튬나이오베이트의 식각방법. - Ar 가스와 02 가스를 1:0.5 내지 1:2의 부피비로 혼합한 혼합가스를 통해 챔버 내부에 생성된 Ar 플라즈마를 이용한 물리적 건식식각방식으로, 마스크 패턴을 이용하여 리튬나이오베이트를 식각하는 공정을 포함하되,
상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 상기 챔버의 공정 압력은 1mtorr 내지 20mtorr 미만으로 유지되는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트 상에 마스크 패턴을 형성하는 공정을 더 포함하되, 상기 마스크 패턴은 HSQ 레지스트를 포함하는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 마스크 패턴은 상기 리튬나이오베이트의 상부에 코팅된 HSQ 레지스트와, 상기 HSQ 레지스트 상부에 형성된 전도층 박막을 포함하는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트 상에 마스크 패턴을 형성하는 공정을 더 포함하고, 상기 마스크 패턴을 형성하는 공정은,
상기 리튬나이오베이트 상에 접착막을 형성하는 공정;
상기 접착막 상에 HSQ 레지스트를 스핀 코팅하는 공정;
상기 HSQ 레지스트 상에 전도층 용액을 스핀 코팅하여 전도층 박막을 형성하는 공정;
상기 전도층 박막과 상기 HSQ 레지스트를 패터닝하는 공정; 및
상기 전도층 박막과 상기 HSQ 레지스트를 현상하는 공정;
을 포함하는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 마스크 패턴을 형성하는 공정은,
상기 접착막을 형성하는 공정 후 상기 접착막의 표면에 O2 플라즈마 처리하는 공정; 및
상기 HSQ 레지스트를 스핀 코팅하는 공정 후 핫 플레이트를 이용하여 가열하는 공정;
을 더 포함하는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 접착막은 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용하여 이산화실리콘막(SiO2)으로 형성되는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정은 ICP-식각장비를 사용하여 실시하고, 이 때 ICP 전력은 300W 내지 1000W이고, 바이어스 전력은 50W 내지 300W인 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정은 마그네트론 플라즈마 식각장비를 사용하여 실시하고, 이 때 전자석 세기는 10Gauss 내지 70Gauss이고, 바이어스 전력은 50W 내지 300W인 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정 이전에, 다중 Ar 퍼지공정을 실시하여 상기 챔버를 안정화시키는 공정을 더 포함하는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 다중 Ar 퍼지공정은,
대기압 조건 하에서 진공 펌프를 가동한 후, 상기 챔버 내부 압력이 100torr가 될 때까지 Ar 가스를 주입하고 나서, 다시 상기 진공 펌프를 가동하는 Ar 퍼지공정을 적어도 3회 반복 수행하는 공정; 및
Ar 가스를 상기 공정 압력까지 주입하는 공정;을 포함하는 리튬나이오베이트의 식각방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 리튬나이오베이트의 식각방법을 이용하여, 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 공정; 및
상기 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 공정에서 발생된 부산물이 상기 리튬나이오베이트 패턴에 재증착된 재증착층을 제거하는 클리닝 공정;
을 포함하는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 클리닝 공정은 KOH 수용액을 이용하여 실시하는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트 패턴을 형성하는 공정 후, 열처리 공정을 실시하여 상기 리튬나이오베이트를 식각하는 공정에서 발생되는 데미지로 인해 변화되는 상기 리튬나이오베이트의 투명도를 복원하는 공정을 더 포함하는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 열처리 공정은 02 플로우 가스 환경 하에서 500℃ 내지 900℃에서 실시하는 리튬나이오베이트 패턴의 형성방법.
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Non-Patent Citations (3)
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|---|
| CN 111505767 A, 2020. 08. 07., "Preparation method of lithium niobate photon chip based on silicon oxide mask" |
| Ren, Z., et al. "Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma." Journal of applied physics 103.3 (2008) |
| US 2004/0013386 A1, 2004. 01. 22., "Optical device and method of manufacture thereof" |
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