캐비티 실리콘 절연체(C-SOI)

C-SOI (캐비티 실리콘 절연체) 웨이퍼는 핸들 부분에 미리 에칭 가공된 캐비티를 포함한 최첨단 SOI 기술입니다. 패턴이라고도 불리는 캐비티는 웨이퍼 겉면에 박힌 패턴 모양으로써, 안쪽을 향해 접합되어 있습니다. 이것은 MEMS(미세전자 기계 시스템) 기술에 다양한 어플리케이션을 가지고 있으며, 전통적인 SOI 기술을 포함해 대량 실리콘 미세 기계보다 더 많은 장점을 제공합니다. 이 기술의 한가지 주요 장점은, SOI웨이퍼 핸들 레이어와 장치 사이의 기생용량이 줄어드는데 있습니다. 덕분에 장치는 더 휴율적으로 작동됩니다. 더 깊은 캐비티 사용과 더 작은 접합 영역은, 다른 변수들이 발생하지 않도록 주도되고 있는 상황에서, 기생용량을 더 줄일 수 있습니다.

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C-SOI 제작 프로세스:

캐비티 SOI 제작은 기존의 SOI 제작과는 조금 다릅니다. 캐비티 형성 자체가 새로운 장점과 잠재적 단점을 수반하기 때문이지요. 이 프로세스는 MEMS 업계에서 최우선 적으로 사용될 수 있도록 최적화 되어있으며, 그외 다양한 어플리케이션에서도 장치 기능을 개선할 수 있다는 잠재력이 있습니다.

예를 들어, 크래비에 기둥을 에칭하여 TTV(평탄도)와 장치기능을 개선하기도 합니다. 기둥이 포함되면 퀄리티 높은 실리콘 다이아프램(캐비티 위 실리콘 레이어)이 생성되어 캐비티의 균일성이 강해지고, 넓은 종회비로 인해 장치 성능이 향상되며, 리소그래피 작업 중 공정제어가 개선됩니다. 또한 캐비티의 크기에 차이에 따라 장치 레이어를 얇게 할 수 있는 정도가 바뀝니다. 따라서 기둥이 포함될 시 평탄도와 기판의 무결성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 만약 이 요소들이 명확하게 정의되지 않는다면, 기판의 영역들이 다양한 진폭에 의해 진동함에 따라 공명특성에 영향을 미칠 수 있고, 이는 매우 높은 평탄도와 장치 오작동, 파손으로 이어질 수 있습니다.

단계별 프로세스 흐름:

1. 가공전 실리콘 기판 준비

• 제작 중에 문제가 발생할 수 있는 표면 입자를 미리 세척하여 제거하는 것으로 제작이 시작됩니다..

2. 기판에 포토마스크를 부착하여, 웨이퍼에 에칭될 캐비티를 명확히 정의

• 패턴을 만들기 위해 플라즈마 폴리머 필름을 기판에 적용합니다. 이 단계에서 기둥을 사용할지 여부도 결정하게 됩니다. 많은 프로젝트에서 기둥을 사용하면, 노칭(구조물 아래쪽 부분이 비정상적으로 깍여 나가는 현상)의 위험과 에칭 또는 이차 처리 중에 발생할 수 있는 다양한 문제의 위험을 예방하며, 더 깊은 캐비티와 더 넓은 종횡비를 적용할 수 있습니다.

3. DRIE(건식 식각 공정)는 물질을 제거하여 캐비티를 만든 다음 포토레지스트 스트립을 만듭니다.

• DRIE는 포토마스크에 의해 정의된 캐비티를 만들기 위해, 매우 정밀한 양의 실리콘을 제거합니다. 포토마스크가 적용되지 않는 부분은 이온충격을 통해 에칭되어 예정된 캐비티를 만듭니다. 이 단계에서 지지 기둥은 캐비티 안으로 절단됩니다. DRIE는 통일적이고 높은 에칭 확률과 전반적인 간편함 덕분에 가장 일반적으로 사용되는 기술입니다. 이 기술은 액상 에칭제가 필요하기 때문에, 기술이 발전함에 따라 계속해서 최적화될 전망입니다.
• 에칭 속도는 캐비티의 폭과 종횡비에 따라 0.8μm/min에서 1.25μm/min까지 다양합니다. 캐비티를 에칭한 후, 포토마스크는 패턴 있는 웨이퍼를 남기고 벗겨지게 됩니다.

4. 기판 청소

• 웨이퍼를 에칭한 후에, 남아 있을 수 있는 실리콘과 포토레지스트를 제거하는 것이 중요합니다. 이는 접합 중에 발생하는 문제를 예방할 수 있습니다.

5. 절연 레이어 증착

• 열 산화물(대체 절연체)은 에칭 전후, 혹은 프로젝트의 요구사항에 따라 증착될 수 있습니다. 에칭에 앞서 산화물 증착이 이루어진다면, 에칭은 산화층을 통해 기판까지 진행되게 됩니다. 에칭은 기초 기판의 일부를 제거할 수도 있습니다. 이로 인해 어떤 절연체도 없는 캐비티 벽이 깊이에 따라 형성될 수 있습니다.
• 에칭 후에 산화층이 자라나면, 캐비티 모서리 부분에 작은 돌기가 생겨납니다. 이 돌기는 절연막의 두께에 따라 대략 5-20 μm의 높이를 가지게 됩니다. 또한 모든 모서리가 살짝 동그랗게 되는데, 이것은 자연스러운 이산화규소형성의 특성에 따른 현상입니다.

6. 캡 웨이퍼 접합하기 (SOI 웨이퍼의 장치 레이어)

• 최고의 결과를 위해, CSOI 웨이퍼는 진공 상태에서 직접적으로 접합하게 됩니다. 이 웨이퍼는 물이나 그와 유사한 중립성 물질들과 합쳐지게 되며, 최대 2시간 동안 1100도에서 어닐링 열처리를 통해 접착을 굳히게 됩니다. 어닐링 후에는 웨이퍼 간의 결합을 촉진하는 접착제는 사용되지 않습니다. 진공 상태에서 이 작업이 수행되면, 캐비티가 과도한 공기 및 기타 오염 물질을 보유하게 되는 것을 방지하게 됩니다. 또한 캐비티 내부의 압력이 기판 전체를 통일시켜주어, 캡 웨이퍼를 얇게 만들 때 일관성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

7. CMP/KOH(수산화칼륨) 에칭으로 상단(장치) 웨이퍼를 얇게 만들기

• 캡 웨이퍼는 적용될 장치 레이어의 두께에 맞춰 얇게 만들어져야 합니다. 접합의 품질과 캐비티의 물리적 특성에 따라서 작업의 속도와 품질이 달라지기 때문에, CSOI 제작 중 가장 변수가 많은 단계입니다. 일반적으로 실리콘 다이아프램은 이 단계에서 흔들림이 발생해서, 이 영역 위에 원치않는 변수 평탄도(TTV)가 생성됩니다. 따라서 앞선 제작 방식이 공기가 없는 진공 내부에서 실행될 때, 이런 문제들을 많이 예방해 줍니다.

8. 어플리케이션과 및 장치 사양에 따른 이차 처리

• 일반적인 SOI와 달리 CSOI 웨이퍼는 제작 후 이차 후면처리를 할 수 있습니다. 이는 매우 얇은 막과 섬세한 표면 구조, 금속 필름 스택을 통해, 일반적으로 기존의 SOI 웨이퍼보다 더 다양하고 자유로운 디자인을 제공합니다.

C-SOI 웨이퍼의 장점:

• 장치비용을 정밀도나 퀄리티의 저하 없이 절감해 줍니다.
• 장치 크기를 작게 만들어 줍니다. 캐비티의 도입은 핸들/BOX/장치 레이어를 아주 얇게 만들어 줍니다.
• 패턴이 있는 웨이퍼의 접합은 SOI 레이어의 양면 처리를 가능하게 하며, 미세 기계 분야에 많은 가능성을 열어줍니다.

어플리케이션:

사전 에칭된 SOI 웨이퍼는, 정전식 관성센서, 압력 센서, 마이크 및 미세 유체 장치처럼 수직,수평으로 움직이는 구조를 지닌 다양한 어플리케이션에 적합한 플랫폼입니다.

현재 대부분의 사용용도가 MEMS 및 센서 애플리케이션에 머물러 있는 한편, 사전 에칭된 웨이퍼는 모든 SOI 웨이퍼 애플리케이션을 개선해낼 수 있습니다.