KR100817813B1 - 실리콘 기판 상에 상이한 수직 단차를 갖는 미세구조물의제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 수직 단차를 형성한 후에 습식 식각을 수행하여, 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 바닥면으로부터 부유시켜 형성한다.

Description

실리콘 기판 상에 상이한 수직 단차를 갖는 미세구조물의 제조 방법 {A method for fabricating a micro structures with multi differential gap on silicon substrate}

도 1은 수직 단차를 갖는 MEMS 가속도계의 사시도.

도 2a 내지 도 2k는 본 발명의 미세구조물 제조방법에 따른 일실시예의 공정 단면도.

본 발명은 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 수직 단차를 형성한 후에 습식 식각을 수행하여 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 바닥면으로부터 부유시켜 형성한다.

일반적으로, 실리콘 기판 상에 미세 구조물을 형성하는 MEMS (Micro-electro-mechanical System) 기술은 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판 상에 집적 및 형성하는 기술이다. 이러한 MEMS 기술은 박막 증착, 식각 기술, 사진 묘화 기술, 불순물 확산 및 주입 기술 등의 반도체 소자 제조 기술을 기초로 한다.

단결정 실리콘 기판, 예를 들어, <111> 실리콘 기판에 고형상비(high aspect ratio)의 수직 단차를 갖는 MEMS 구동기를 제조하는 ESBM(Extended Sacrificial Bulk Micromachining) 기술이 알려져 있다. 그러나, 상기 ESBM 기술은 습식 식각을 수행한 후에, 수직 단차를 형성하기 때문에, 수행 공정 개수가 많고 복잡하여 수율이 떨어지며, 구조물이 부유된 후 건식 식각을 수행하기 때문에 간혹 구조물의 손상(sticktion) 또는 비틀림 등이 발생하는 문제가 있다.

ESBM을 제외한 기존의 수직 단차를 형성하는 방법으로는 SOI(silicon on insulator), 이중 SOI, SOG(silicon on glass) 등 여러 층의 웨이퍼를 접합하여 수직 단차를 가지는 구조물을 제작하는 방법이 있다. 그렇기 때문에, 잔류 응력 문제, 응력 구배 문제, 및 상부와 하부 구조물 간의 정렬 오차 발생 등이 발생하여 미세 구조물의 성능이 저하된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서는 수직 단차를 형성한 후에 습식 식각을 수행하여, 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 바닥면으로부터 부유시켜 형성한다. 따라서, 기존의 ESBM 공정의 복잡성과 난해함을 해결할 수 있고, 웨이퍼 접합을 이용한 수직 단차 형성 방법이 가지는 잔류 응력 문제, 응력 구배 문제, 및 상부와 하부 구조물 간의 정렬 오차 발생 문제 등을 해결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단차를 갖는 미 세 구조물을 형성하는 방법을 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상이한 단차를 갖는 미세 구조물이 형성된 MEMS 소자에 관한 것이다.

본 발명은 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단차의 미세 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로 본 발명은,

단결정 실리콘 기판 상에 제1마스크층을 형성한 후에 패터닝하는 단계(a);

상기 기판 상에 제2마스크층을 형성한 후에 패터닝하는 단계(b);

상기 제1마스크층 또는 상기 제2마스크층을 사용하여 상기 기판을 식각하는 단계(c);

상기 제2마스크층을 제거하는 단계(d);

상기 제1마스크층을 사용하여 상기 기판을 식각하는 단계(e);

식각에 의하여 형성된 트렌치의 측벽에 보호막을 형성하는 단계(f);

상기 제1마스크층 및 보호막을 식각 마스크로 사용하여 상기 기판을 소정 깊이로 추가로 식각하는 단계(g);

상기 기판을 습식식각하여 상기 추가로 식각된 트렌치의 바닥면에 캐비티(cavity)를 형성시킴으로써, 상이한 단차를 갖는 미세구조물을 상기 바닥면으로부터 부유시키는 단계(h); 및

상기 측벽 보호막 및 제1식각마스크를 제거하는 단계(i)를 포함한다.

또한, 본 발명은 상기한 방법에 의하여 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단 차의 미세 구조물이 형성된 MEMS 소자에 관한 것이다.

단결정 실리콘기판으로는, 기계적으로 매우 안정한 <111> 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 미세구조물 제작방법을 사용하여 제조된 MEMS 미세구조물의 예(미세가속도계)의 사시도이다. 상기 가속도계는 구동전극, 검지전극(240), 및 내부질량체 등을 포함하며, 상기 내부질량체는 스프링(210)에 의하여 기준전극과 연결된다. 상기 검지전극(240)과 내부질량체는 콤 구조에 의하여 서로 맞물려 있다. 즉, 검지전극의 콤구조(220)와 내부질량체의 콤구조(230)가 서로 맞물려 있는 구조이다. 가속도계가 운동하는 경우, 상기 콤구조(220, 230) 사이의 용량성 성분의 변화를 검지하여 가속도를 측정할 수 있다.

상기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 콤 구조(220, 230)는 상이한 단차층을 갖는 것이 바람직하다. 상기 스프링(210)은 얇은 단차를 가지게 할 수도 있고, 얇은 단차를 가지지 않게 할 수도 있다.

단결정 실리콘기판으로는, 기계적으로 매우 안정한 <111> 실리콘 기판을 사용한다.

도 2a 내지 도 2k는 본 발명에 따라 상기 도 1에 도시된 미세구조물을 제조하기 위한 공정을 A-A'라인을 절취한 단면을 통하여 도시한 공정 단면도이다.

먼저, <111> 단결정 실리콘 기판(110) 상에 제1마스크층(예를 들어, TEOS 산화막층)(120)을 형성한 후에, 포토레지스트 등을 사용하여 패터닝한다(도 2a).

이후, 상기 기판 상에 제2마스크층(예를 들어, TEOS 산화막층)(130)을 형성한다(도 2b).

이후, 포토레지스트 등을 사용하여 상기 제2마스크층을 패터닝한다(도 2c). 이때, 상기 제1마스크층(120)은 상기 제2마스크층(130)에 의하여 덮여지는 부분(121)과, 제2마스크층(130)에 의하여 덮여지지 않고 그대로 노출되는 부분도 있다(122).

이후 상기 제2마스크층(130)으로 제1마스크층(122)를 소정의 두께로 식각한다.

이후, 상기 제1마스크층(122) 또는 상기 제2마스크층(130)을 식각 마스크로 사용하여, 상기 기판을 소정 깊이로 식각한다(도 2d). 이 때, 상기 제2마스크층(130)에 의하여 덮여지지 않은 채 그대로 노출된 제1마스크층(122)은 그 두께가 다른 제1마스크층(121)에 비하여 얇아진다.

이후, 상기 제2마스크층(130)을 제거한다(도 2e).

이후, 상기 제1마스크층(120)을 식각 마스크로 사용하여 소정 깊이로 식각한다(도 2f). 상기 식각 깊이에 의하여 상기 콤구조(220) 및 콤구조(230) 사이의 단차의 높이 차가 결정된다.

이후, 상기 식각에 의하여 형성되는 트렌치의 측벽에 보호막(140)을 형성한다(도 2g).

이후, 상기 트렌치의 바닥면에 형성된 보호막(140)을 제거한다(도 2h). 이 때, 다른 제1마스크층보다 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제1마스크층(122)도 함께 제거된다.

이후, 상기 제1마스크층(120) 및 상기 보호막(140)을 식각 마스크로 사용하여, 상기 기판(110)을 소정 깊이로 추가로 식각한다(도 2i).

이후, 상기 기판(110)을 예를 들어, 알칼리 수용액으로 습식식각하여, 상기 기판의 바닥면 상에 캐비티를 형성시킴으로써, 다양한 단차를 갖는 미세구조물을 상기 바닥면으로부터 부유시킨다(도 2j).

이후, 상기 측벽 보호막(140) 및 제1마스크층(120)을 제거한다(도 2k).

이러한 공정을 통하여, 상이한 단차의 콤 구조(220, 230)를 동시에 형성할 수 있다.

본 발명은 <111> 실리콘 기판과 같은 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 수직 단차를 형성한 후에 습식 식각을 수행하여 상이한 단차를 갖는 미세 구조물을 바닥면으로부터 부유시켜 형성한다. 따라서, 기존 ESBM 공정의 습식 식각 후 수직 단차를 형성할 시 공정의 복잡성과 난해함을 해결할 수 있고, 또한, ESBM 공정을 제외한 웨이퍼 접합을 이용한 수직 단차 형성하는 방법이 가지는 잔류 응력 문제, 응력 구배 문제, 상부와 하부 구조물 간의 정렬 오차 발생 등을 방지할 수 있다.

Claims (9)

1. 단결정 실리콘 기판 상에 상이한 단차의 미세 구조물을 형성하는 방법으로서,

   단결정 실리콘 기판 상에 제1마스크층을 형성한 후에 패터닝하는 단계(a);

   상기 단계(a)를 수행한 후에, 상기 기판 상에 제2마스크층을 형성하고, 패터닝하되, 상기 제1마스크층의 일부분이 상기 제2마스크층에 의하여 덮여지지 않고 노출되도록 상기 제2마스크층을 패터닝하는 단계(b);

   상기 단계(b)를 수행한 후에, 상기 제1마스크층 또는 상기 제2마스크층을 사용하여 상기 기판을 식각하되, 상기 제2마스크층에 의하여 덮여지지 않고 노출된 상기 제1마스크층의 일부분이 함께 식각되어, 그 두께가 얇아지도록 식각하는 단계(c);

   상기 단계(c)를 수행한 후에, 상기 제2마스크층을 상기 기판으로부터 제거하는 단계(d);

   상기 단계(d)를 수행한 후에, 상기 제1마스크층을 사용하여 상기 기판을 식각하는 단계(e);

   상기 단계(e)의 식각에 의하여 형성된 트렌치의 측벽에 보호막을 형성하는 단계(f);

   상기 단계(f)를 수행한 후에, 상기 기판 상의 바닥면에 형성된 보호막을 제거하되, 두께가 얇아진 상기 제1마스크층의 일부분도 함께 제거하는 단계(j);

   상기 단계(j)를 수행한 후에, 상기 제1마스크층 및 보호막을 식각 마스크로 사용하여 상기 기판을 소정 깊이로 추가로 식각하는 단계(g);

   상기 단계(g)를 수행한 후에, 상기 기판을 습식식각하여 상기 추가로 식각된 트렌치의 바닥면에 캐비티(cavity)를 형성시킴으로써, 상이한 단차를 갖는 미세구조물을 상기 바닥면으로부터 부유시키는 단계(h); 및

   상기 단계(h)를 수행한 후에, 상기 측벽 보호막 및 제1마스크층을 제거하는 단계(i)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단결정 실리콘 기판은 <111> 실리콘 기판인 것을 특 징으로 하는 미세 구조물 형성 방법.
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8. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(h)에서 알칼리 수용액을 사용하여 습식식각하는 것을 특징으로 하는 방법.
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