1.실험목적
Photolithograpy 공정에서 중요한 부분을 차지하는 식각공정에 대해서 이해하고, Dry Etching과 Wet Etching을 각각 실습한다. 그리고 Wet etching 방법을 이해하고 V-groove 제작하고, Etching Time을 변수로 하여 각각의 Patterning정도를 분석한다.
2.실험순서
(1) 40wt% KOH용액 제조
일단 V-groove를 만들기 위해 식각에 사용할 40wt% KOH 수용액 400g을 제조한다. 제조방법은 KOH 160g과 H2O 240ml를 섞는다. 이때는 발열반응으로 열이 발생하므로 ice-base하에 서로 용액을 제조한다. 그리고 나서 섭씨 80도로 승온을 시킨다.
(2) wafer 세척과정
실제 V-groove를 가공하기 우해 Wafer을 세척한다.
세척방법으로는 아세톤, 메탄올, IPA용액 그리고 DI water를 순서대로 이용하여 Wafer를 빙글빙글 돌아가는 곳에 올려놓고 앞서 설명한 순서대로 3회 세척한다. 여기서 아세톤은 유기물을 제거하는 역할을 하고, 메탄올은 무기물을 제거, IPA용액은 잔류유기물을 제거, 마지막으로 DI water은 먼지를 제거한다. 3회 반복 후 섭씨 100도 오븐에 넣고 건조 시킨다.
(3) V-groove 식각과정
준비한 wafer을 미리 제조해 놓았던 40wt% KOH 수용액에 담금으로서 V-groove 형성하게 한다.
한편 결정면 중에서 일정 방향의 특수한 면이 다른 면보다 매우 빠른 식각 속도를 나타내는 경우가 있는데, 이러한 방향성을 갖는 식각을 이방성 식각이라고 한다. 실리콘과 같이 다이아몬드(diamond) 구조를 갖는 결정의 경우, (111)면은 (100)면보다 면간 거리가 좁기 때문에 (111)면의 식각 속도는 (100)면의 식각 속도보다 느리다. 예를 들어 80 ℃의 식각 온도에서 (100)면의 식각 속도는 (111)면에 비해 약 100배정도 빠르다. 실리콘의 이방성 식각에 일반적으로 사용되는 식각 용액은 KOH를 물과 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)에 섞어 만든다. 습식 식각 공정은 일반적으로 공정 제어가 어렵고, 식각할 수 있는 선폭이 제한적이며, 부가적으로 생성되는 식각 용액의 처리 문제가 발생하는 단점을 가지고 있다. 따라서 현재는 습식 식각 공정의 단점을 보완할 수 있는 건식 식각 공정이 더 많이 사용되고 있는 실정이다. 이런 식각속도의 차이때문에 V자 홈이 파이는 것이다. 식각시간 역시 중요한데 만약 적당한 식각시간을 이용하여 식각을 하였다면 정확히 V자 홈이 파이겠지만 그 시간에 미달할경우는 세수대야같은 모양이되고 그 시간을 초과할경우 밑의 기판까지 보이는 현상이 나타난다. 실험은 2시간 30분, 3시간 30분, 4시간 30분으로 나누어 진행하였다.
(4) 기판의 건조과정
완성된 기판은 아세톤과 물로 세척한 후 질소를 이용하여 처리하고 섭씨100도로 오븐에 말린다.
(5) 지라막 제거과정
Metal Mask에는 Sio2와 Si3N4 두가지가 주로 쓰이는데 우리가 사용한 wafer에는 지라막(Si3N4)가 쓰였다. 이 지라막을 제거하여야 완성된 V-groove를 얻을 수 있는데, Si3N4는 인산(H3PO4)로 제거한다. 기판을 인상에 넣어 두고 over night한다. 참고로 SiO2를 metal mask로 사용하였을 경우 제거시에는 BOE(H2O+HF+NH3OH)를 이용하여 제거한다.
PR과 Metal Mask를 제거하는 방법에는 두 가지 방법이있다. 첫번째로 먼저 PR을 제거하고 Metal Mask를 제거하는 방법이고, 두번째 방법은 Metal Mask를 제거 함으로 인해 PR까지 한꺼번에 제거 하는 방법이 있다. 첫번째 방법의 단점으로는 하나씩 녹여가는 방법이니 만큼 시간이 오래 걸리고, 두번재 방법은 단숨에 Metal Mask를 제거함으로써 PR까지 제거하는 방법으로 첫번째 방법보다는 시간이 적게 걸리지만 Metal Mask가 녹으면서 PR이 기판에 달라붙을 염려가 있다. 그리고 Metal Mask는 PR밑에 있으므로 녹일때 2면에서 침투하여 녹일 수 밖에 없으므로 3면에서 녹이는 방법보다 시간이 조금 걸릴 수 있다.
3.V-groove의 응용
실리콘 기판에 V자 홈을 만드는 이 공정의 이용방법은 광통신소자에 이용하는 방법이다. 예를들어 평판형 광소자 PLC를 만들때 사용된다. V자홈을 만들때 V자홈의 사이의 간격은 125um간격인데 광통신 섬유는 125um이상 이어야 하므로 홈 하나에 섬유를 넣고 다음 홈에는 넣지 않고 건너뛴 다음 홈에 하나의 섬유를 넣는 식으로하여 기판를 만든다. 그리고나서 이 기판을 두개씩 짝지어서 겹치는데 이때 장착한 섬유가 엇갈리도록 붙인다. 붙일때는 에폭시를 사용한다. 이렇게 하면 광통신회로를 만들 수 있다. 이런 기판들은 처음 하나의 신호를 2개, 4개, 8개 하는 식으로 신호를 여러개로 분리 할 수 있다. 즉, 하나의 신호를 광성질을 이용하여 감소시킴없이 여러개의 신호로 나누는데 요융하게 쓰인다.
4.Sputter조사
원리
sputtering법은 sputtering 가스를 진공분위기로 이루어진 camber내로 주입하여 성막하고자 하는 target물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시킨 후 이를 기판(substrate)에 coating시키는 방법이다. 일반적으로 사용되는 sputtering 가스는 불활성 가스(inert gas)인 Ar을 사용한다. sputter장치의 시스템은 target쪽을 음극(cathod)으로 하고 기판쪽을 양극(anode)로 한다. 전원을 인가하면 주입된 sputtering 가스(Ar)는 음극쪽에서 방출된 전자와 충돌하여 여기(exite)되어 Ar+로 되고 이 여기된 가스는 음극인 target쪽으로 끌려서 target과 충돌한다. 이때 여기된 가스 하나하나는 hυ만큼의 에너지를 지고 있으며 충돌시 에너지는 target쪽으로 전이 되며 이때 target을 이루고 있는 원소의 결합력과 전자의 일함수(work function)를 극복할 수 있을 때 플라즈마는 방출된다. 발생한 플라즈마는 전자의 자유행정거리만큼 부상하고 target과 기판과의 거리가 자유행정거리 이하일 때 플라즈마는 성막된다. 따라서 sputtering시 기판과 target과의 거리는 중요한 인자(factor)가 된다. 여기서 인가된 전원이 직류(direct current, DC)일 경우를 직류스퍼터링법(DC sputtering methode)라 하며 일반적으로 전도체의 sputtering에 사용된다. 절연체와 같은 부도체는 교류 전원을 사용하여 박막을 제조한다. 이때 교류전원은 13.56 ㎒의 주파수를 가지며 이를 RF(Radio Frequency)라 한다. 이러한 교류 전원을 인가전원으로 사용하는 스퍼터링 법을 교류스퍼터링(RF sputterig)법이라 한다. RF sputtering법은 다른 디지털 회로에 noise의 발생 원인이 될 수 있으므로 시스템적으로 noise filter나 절연체에 의한 차폐와 접지가 중요하다.
마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)이란 발생된 플라즈마를 영구자석에서 발생하는 자속(flux)에 의해 집진하여 기판에 성막시키는 방법이다. 이러한 집진이 이루어질 경우 전체가 발생한 플라즈마는 균일하게 되어 결과적으로 균일한 박막을 제조할 수 있다. 영구자석은 NbFeB계가 주로 사용되며 과거에는 링(ring)형태를 여러개 합쳐서 제조하였지만 현재는 평판(plannar)형태로 제작한다. magnetron은 target밑에 놓으며 인가된 전원에 따라 RF·DC magnetron sputtering이라 한다.
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용도
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조작방법
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