실리콘의 식각, 깎아내기
MEMS용 미세 가공(micro-machinig)의 기본은 식각입니다. 그것도 습식 식각, 여기에서도 결정 의존성 식각이죠. 1960년대에 강한 알칼리 용액들이 단결정 실리콘의 식각에 사용되었는데, 결정 방향에 따라 식각률이 달랐습니다. 즉, 실리콘의 세 개의 주요 결정 방향에서 <100>, <110>, 그리고 <111> 순서대로 식각률이 감소하였죠. 이는 각각의 방향으로 식각액이 진행할 때 만나게 되는 실리콘 원자의 수가 증가하는 순서입니다. 이에 더하여 실리콘의 식각률이 뚝 떨어질 만큼 급격히 감소하는 경우도 있었는데, 예를 들어 붕소(boron, B)를 강하게 도핑한 영역에서도 이런 일이 발생하였죠. 그리고, 선택적인 식각을 위해 실리콘 식각에서 식각 마스크로 사용될 수 있는 박막에는 실리콘 산화막이나 질화막 등이 있었습니다.
특히, 결정 의존성 식각 기술은 실리콘 결정 방향에 따라 달라지는 식각률, 높은 도핑 농도에서 식각률의 급격한 저하, 그리고 비교적 쉽게 만들어지는 식각 마스킹 박막 등으로 MEMS의 미세 가공에 활발히 적용되었습니다. 여기에는 EDP 수용액(EthyleneDiamine Pyrocatechol + water), KOH 용액(potassium hydroxide + water 혹은 isopropyl), 하이드라진 수용액(hydrazine + water), 그리고 수산화나트륨 수용액(sodium hydroxide + water) 등이 있죠. EDP 수용액의 경우, <100> 방향 혹은 (100)면으로의 식각률이 분당 1마이크론이 정도인데, <111> 방향으로는 1/30 이하로 뚝 떨어집니다. 그리고 붕소가 높은 농도로 도핑되어 있는 층을 만나면 식각률의 1/50이 되죠. 그리고, 실리콘의 선택적 영역의 식각을 위해 사용되는 식각 마스크로는 실리콘 산화막, 질화막을 비롯하여 크롬이나 구리 등과 같은 다양한 금속 박막들이 패터닝되어 적용될 수 있죠. KOH 용액의 경우, EDP 수용액에 비하여 <100> 방향으로의 식각률은 다소 크고, <111> 방향 대비 식각률 저하는 거의 1/400에 이르러 식각 선택도가 아주 높죠. 물론 고농도 붕소 도핑 영역에서 식각률 저하, 거의 식각 정지 기능도 있으며, 식각 마스크 선택도 비교적 무난하여 실리콘의 습식 가공에 EDP 수용액과 함께 종종 사용되는 편입니다. 하이드라진과 수산화나트륨 수용액들도 역시 단결정 실리콘의 결정 의존성 식각, 혹은 비등방성 식각 용액으로 적지 아니 사용되는 편입니다. 이와 같이 단결정 실리콘의 밀러 지수에 따라 서로 다른 식각률의 가지므로, 실리콘 웨이퍼의 결정성과 도핑 영역, 그리고 결정 의존성 식각 용액을 고려하여 식각 마스크 패턴과 식각 용액들을 적절히 선택, 사용한다면, 특히 몸체 미세 가공에서 다양한 구조물들의 정교한 제작이 가능합니다.
습식 식각을 위한 용기는 기본적으로 온도 조절이 가능하고 용액 전체가 균일한 온도를 유지할 수 있도록 가열판(hot plate)이나 맨틀 모양의 가열기(heating mantle)을 마련하고, 용액의 조성물들이 잘 섞이도록 하는 자석 교반기(magnetic stirrer), 그리고 증발 등으로 조성의 변화가 일어나지 않도록 환류 냉각기(reflux condenser) 등이 설치되어 있습니다. 실리콘이 식각된 모양은 식각 용액의 종류, 즉 식각률이 모든 방향으로 같은 등방성인지 혹은 결정 의존성 식각인지의 여부, 교반의 유무와 정도, 그리고 사용된 단결정 실리콘 기판의 결정성, 식각 정지층의 존재와 모양, 그리고 식각 마스크 패턴 등에 따라 결정이 되며, 이를 최적적으로 선택, 조절하여 매우 다양한 구조와 모양을 갖는 실리콘 미세 구조물들이 만들어지죠.
이와 같이 실리콘의 습식 식각만으로도 MEMS용 구조물들을 비교적 다양하게 만들 수 있는데, 예를 들어보면 유체의 저장을 위한 미세 공동(micro-cavity), 유체 분사용 노즐(nozzle), 힘이나 압력에 탄성 변형될 수 있는 얇은 막(diaphragm, membrane), 고유 진동수로 진동이 가능한 외팔보(cantilever), 열적인 절연이나 가열을 위한 미세 가교(micro-bridge) 등이 있죠.
또한 적절한 깊이나 크기의 구조물을 제작하는데 있어서, 어느 시점에서 식각이 자동적으로 멈추어야 하는데, 이를 위해 필요한 기술이 자동 식각 정지(automatic etch-stop)입니다. 단순한 화학적 방법으로는 붕소를 높은 농도로 도핑하여, 실리콘 내부에 스트레스를 강하게 발생시켜서 이로 인해 식각률을 낮추는 급격히 방법이 있죠. 다만, 이 방법은 고농도 도핑층으로 인하여 캐리어의 확산이나 재분포가 발생하여 전기적인 오작동의 우려도 있고, 또한 소자 제작을 위해 고농도 도핑 영역에 또 다른 도핑을 행할 경우에 공정이 어려우며, 도핑 영역에서의 스트레스가 기계적인 성능을 저하시킬 수 있다는 단점도 함께 가지고 있습니다.
자동 식각 정지를 위한 전기화학적 방법도 있는데, 기본적으로 반도체 p형 기판과 n형 에피텍셜 층으로 이루어진 p-n 접합을 필요로 하죠. 이러한 다이오드 구조에 역방향 전압을 인가한 상태에서 식각 용액 내에 담그면, 역방향 바이어스로 인해 전류가 흐르지 않는 상태에서는 p형 기판에 대해 정상적인 식각이 진행되다가 n형 에피층만 남게 되면 전류가 용액 내를 흐르면서 에피층의 표면에 양극 산화 반응을 유도, 산화막이 형성되면서 식각 마스크로 작용을 합니다. 따라서 n형 에피층의 두께로 조절되는 다이아프램 등의 구조가 가능해지죠. 이러한 결정 의존성 식각과 함께 자동 식각 정지 기법을 함께 적절히 이용하면 미세 공동이나 얇은 막, 혹은 노즐 구조 등을 설계에 따라 정확한 규격으로 얻을 수 있습니다.
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