실리콘 기판의 화학기계적 미세가공 기술에 관한 연구 : A Study on the Chemical Mechanical Micromachining of silicon Substrate

국문 초록 (Abstract)

1960년대경 반도체 산업기술이 미세 가공기술에의 도입이래, 미세 구조물의 구현을 위해 개발된 리소그라피기술과 에칭기술에 기반을 둔 실리콘 프로세스, 집적이온빔 (FIB: Focused Ion Beams), 또는 LIGA 프로세스와 같은 가공방법이 개발되어 왔으며, 이러한 프로세스는 소형화된 구조물의 구현이라는 장점을 지니고 있으나, 비용과 장비산업의 측변에서 단점을 지니고 있다. 이러한 이유로, 비용의 감소와 시스템의 단순화를 위한 노력의 일환으로 미세 기계가공에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는, 미세구조물 제작을 위해 미세 기계가공과 반도체 프로세스의 결합된 형태인 화학 기계적 미세가공 기술을 제안하였다.
제안된 프로세스의 적용을 위해 현재 반도체 프로세스 및 각종 미세구조물의 제작에 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼와 다결정실리콘, SiO_(2)의 박막을 선택하였다. 각 재료에 대한 물리적, 기계적 특성과 재료의 파단에 이르기까지의 하중인 임계하중을 측정하기 위해, 스크래칭실험과 인덴텐이션 실험을 수행하였다. 실험결과로부터, 증착된 박막을 기계적으로 제거하고, 에칭프로세스를 수행함으로써, 실리콘 웨이퍼 기판위에 홈모양의 미세구조물과 외팔보형태의 다결정 실리콘 beam을 제작할 수 있었다. 이 프로세스의 적용에 있어서 가장 중요한 요소는 대상 구조물과 구조물 형성을 위한 저항층의 화학적 선택비 선정이 중요하다.
제안된 화학 기계적 미세가공 기술의 다른 한가지 방법은 재료 표면에 화학반응층을 형성한 후, 이를 기계적으로 제거하는 방법이다. 실리콘 웨이퍼와 같은 경도가 높은 경취성 재료에서는 연성재료와 달리 가공력에 따라 탄성, 소성영역으로 가공이 이루어지는 것이 아니라, 탄, 소송영역없이 파괴가 일어나는 특성이 뚜렷이 나타나게 되어, 미세 기계가공을 수행하기 어렵게 된다. 따라서, 본 실험에서는 미세 기계가공에 화학에너지를 부가하여, 가공재료 표면에서의 화학반응층을 형성한 후, 가공을 수행함으로써, 가공면의 품위(표면거칠기, 형상정밀도)를 향상시킬 수 있었다. 화학액의 농도에 따른 형성된 화학반응층 분석을 위해 MTS사의 Nano inedner XP^(TM)를 이용하여 인덴데이션실험 스크래치실험 및 표면에서의 마찰계수에 대한 실험을 수행하였으며, 표면에서의 화학적 에너지 변화를 관찰하기 위해 XPS분석기를 사용하였다. 본 프로세스의 적용을 위한 화학액의 농도는 KOH 10wt% 영역대로 분석되었으며, 기계가공 조건 10㎛/sec로 판단되었다. 얻어진 조건을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 미세 기계가공을 수행할 수 있었다. 또한, 비교적 큰 형상의 미세구조물 제작을 위해 infeed grooving의 방식을 도입하여 선폭 100㎛, 깊이 50㎛의 미세 채널을 제작할 수 있었다.
제안된 화학 기계적 미세가공 기술은 실리콘 웨이퍼와 같은 경취성 재료를 미세한 크랙이나 파괴현상없이 직접적으로 기계가공을 수행함으로써, 기존의 미세 구조물의 제작에 있어서 필수요건이었던 마스크(photlithography mask)응 사용하지 않고 미세 구조물을 제작할 수 있다는 장점과 기계공구를 이용함으로써, 2차원의 자유로운 형상을 직접 제작할 수 있다는 장점을 가진다.
향후, 본 프로세스를 이용하여 미세 채널(microchannel), 미세 홀(microhole) 등의 제작에 직접 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• List of Tables
• List of Figures
• Chapter 1. Introduction = 1
• 1.1 Overview = 1
• 1.2 Historical perspective = 8
• 1.3 Scope of dissertation = 17
• Chapter 2. Review of Si Machining in Precision Manufacturing = 21
• 2.1 Background = 21
• 2.2 Ductile regime machining of brittle materials = 24
• 2.3 Relation: chip thickness and resisting shear stress = 27
• 2.4 Summary = 30
• Chapter 3. Mechanically assisted chemical etching = 32
• 3.1 Introduction = 32
• 3.2 Mechanism of too-workpiece interaction = 37
• 3.3 Experimental procedure = 39
• 3.3.1 Bulk and thin film samples = 39
• 3.3.2 Mechanical and tribological characterization = 39
• 3.3.3 Machine setup and experimental conditions = 40
• 3.4 Results and discussion = 42
• 3.4.1 Scratch test: Si, SiO₂, poly Si = 42
• 3.4.2 Hardness and elastic modulus = 48
• 3.5 Applications = 50
• 3.5.1 Si trench structure = 50
• 3.5.2 Poly silicon beam = 53
• 3.6 Summary = 56
• Chapter 4. Chemically assisted mechnical micromachining = 58
• 4.1 Introduction = 58
• 4.2 Background: Chemical Mechanical Polishing = 61
• 4.3 Model of chemical solution etching = 65
• 4.4 Experiment = 70
• 4.4.1 Generation of chemically reacted layer = 70
• 4.4.2 Analysis method of chemically reacted layer = 72
• 4.4.3 Procedure of mechanical machining = 74
• 4.5 Results and discussion = 76
• 4.5.1 Analysis of chemically reacted layer = 76
• 4.5.2 Evaluation of machining speed = 85
• 4.6 Applications = 87
• 4.6.1 Fabrication of nanogroove = 87
• 4.6.2 Fabrication of microchannel = 89
• 4.6.3 Microdrilling = 93
• 4.6.4 Fabrication of micropattern = 95
• 4.7 Summary = 97
• Chapter 5 = 99
• 5.1 Summaries and conclusions = 99
• 5.2 Future work = 103
• References = 105
• Internet references = 114
• Abstract = 116