1 [ 논문 ] - 공학기술논문집 Journal of Engineering & Technology Vol.17, (June 2008) MEMS 기술을이용한전해도금된구리마이크로빔구조물제작에관한연구 고용준 *, 조철호 *, 안유민 ** A Study on the Fabrication of Copper Electroplated Micro Beam Structure by Using MEMS Technology Yong-Jun Ko *, Chul-Ho Cho *, Yoo-Min Ahn ** *Department of Precision Mechanical Engineering, Hanyang University **Corresponding author: ahnym@hanyang.ac.kr, Department of Mechanical Engineering, Hanyang University (Received January 30, 2008) 요 약 MEMS 기술을이용하여릴리즈된전해도금된구리마이크로빔구조물을제작하기위한공정조건을수립하고실제제작하였다. LIGA-like 공정, 즉희생층을이용해 7μm높이의전해도금을위한몰드를제작하고구리전해도금을하여외팔보형태와브릿지형태의빔구조물을만든후희생층을제거하여빔구조물을릴리즈시킨다. 도금시발생하는도금의불균일문제를해결하기위해도금경로에따른도금의불균일성의영향을줄일수있도록마스크를설계하였다. 이상적이고완전한형상의마이크로빔구조물을제작할수있도록공정방법을구현하였다. 특히, 희생층을제거하기앞서상부기반층에남아있는금속층을제거할때가스나식각액과구리와의반응성을해결하기위한실험을실행하여대안을제시하였다. ABSTRACT Copper electroplated micro beam structure is fabricated by using MEMS technology. Especially, by making use of the UV-LIGA process and the sacrificial layer, the mold which is about 7μm high for electroplating is made. For solving the problem of nonuniformity about electroplated thickness on the entire wafer, the mask that was used to make copper electroplated beam structure was designed. By implementing the new design, the path effect of current was minimized and the deviations of beam thickness reduced. In order to make the ideally shaped beam structure, in each process the condition of process is required. So during making the beam structure the reaction between the electroplated copper and etchants and gases is found.
2 고용준, 조철호, 안유민공학기술논문집제 17 권 (2008. 6) 1. 서론다양한박막으로제작된마이크로빔구조물은보통다른목적에사용되지만최근에마이크로빔구조물이 RF 스위치의기본구조로사용되고있다. Allen 등은벌크마이크로머시닝기술을이용해 T자및 H자와같은형태로기판으로부터떠있는실리콘산화막위에올려진폴리마이드막빔구조물을제작하였다 [1]. Guckle 등은양단이구속되어있는빔의형태의구조물을제작하였고 [2], Fang 등은벌크마이크로머시닝기술을이용하여릴리즈된외팔보를제작하였다 [3]. 또한, Weihs 등은벌크마이크로머시닝기술을이용하여 gold cantilever beam을제작하였다 [4]. 그리고 Sharpe 등은기판가공기술과표면가공기술을이용해빔구조물을제작하였다 [5, 6]. Petersen은실리콘의이방성식각을이용하여외팔보구조물을제작하였다 [7]. 이처럼대부분의빔구조물이기판미세가공기술과표면미세가공기술로제작되었다. 하지만이기술로는높은고형상비를갖는공중에릴리즈된빔구조물을제작하는데에는한계가있다. 이러한한계를극복한기술이바로 LIGA기술이다. 이기술은반도체기술의단점인구조물높이의한계를극복한기술로서최근에고형상비를요구하는구조물제작에사용되어지고있다하지만너무고가의장비를사용하여전세계적으로몇개국에서만제작이가능하다. 그래서구조물높이의한계를극복하고 LIGA기술에의해구현되는높이보다는낮지만어느정도형상비를구현할수있는 UV-LIGA 기술을이용하고있다. 이 UV-LIGA방식과희생층을이용해서전해도금된빔구조물제 작은아직까지 Au와 Ni을이용해서전해도금된빔구조물은제작한적은있지만아직까지구리를 UV-LIGA방식과희생층을이용해전해도금된빔구조물제작은시도된바가없다. 본연구에서는 MEMS 기술을이용해구리전해도금된빔구조물의제작공정을확립하고실제구리마이크로빔구조물을제작하였다. 2. 마이크로빔구조물제작 MEMS에사용되는마이크로머시닝기술과구리전해도금으로제작하고자하는마이크로빔구조물은한쪽은고정단이고다른쪽은자유단인외팔보형태와양단고정지지보 (bridge type) 의두가지의형상을지닌다 (Fig. 1) 구조물의형상은높이 7μm, 빔폭은 40μm로일정하고길이가각각 100-300μm까지 10μm의길이변화를주어제작되었으며그제작공정순서는 Fig. 2와같으며각단계별공정을간략하게설명하면다음과같다. 먼저도금시전류의손실을막기위해 4인치의결정방위 (100) 실리콘기판의뒷면에 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 를이용한실리콘산화막을 1um 올린다. 그리고도금시각지지부로의전류경로길이차이에따른도금두께의불균일성을방지하기위해크롬 (200A )/ 금 (1000A ) 을열증착 (thermal evaporation) 방법으로전면에증착한다. 앞서증착한크롬층위에 PECVD를이용하여실리콘산화막을 300 의온도에서약 1000A 의두께로증착한다. 산화막위에구조물릴리즈를위한희생층재료로서후막감광제 (AZ P4620, Hoechst)
MEMS 기술을이용한전해도금된구리마이크로빔구조물제작에관한연구 3 를회전도포한후열처리하여안정화시킨다. 이렇게열처리된감광막은아세톤이나감광막제거제등에의해제거되지않는안 층위에상부기반층 (upper seed layer) 을증착한다. 증착후상부기반층이될부분만후막감광제 (PR) 가남을수있도록감광막 정적인희생층의역할을할수있다. 빔형상의구조물을재현하기위하여희생 Fig. 1 Schematic of copper electroplated microbeams: (a) cantilever type and (b) bridge type 1. PECVD oxide deposition 2. Cr/Au deposition 8. Oxide Dry Etch & PR Strip 3. PECVD oxide deposition 9. Sacrficial PR RIE & Oxide Wet Etch 4. Sacrificial PR Coating 5. Cr/Au deposition 10. PR(PMER-P LA900) Coating & Patterning 6. PR pattering & Develope 11. Cu electroplating 7. Oxide depo & PR pattering & Develope 12. Sacrificail PR wet etch & release Fig. 2 Fabrication process of electroplated microbeam.
4 고용준, 조철호, 안유민공학기술논문집제 17 권 (2008. 6) 1 21 22 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 23 24 20 Fig. 3 Sample distribution within the wafer 을패터닝하고난후습식식각방법으로금속막을식각한다. 금속막이빔부분만을남기고제대로식각되었으면 PR strip을한다. 이제지지부형성을위한구멍을뚫기위한 RIE 마스크로서다시 PECVD 실리콘산화막을 150 에서약 1000A 두께로증착한다. 사진식각공정으로지지부형상대로패터닝을한후감광막을마스크로이용하여건식식각장비 (Oxford Etcher) 로산화막을식각한다 (3min 30 sec). 그러면다음단계에서식각되지않은산화막을마스크로하여지지부의희생층을 RIE로깊게뚫을준비가끝난것이다. 건식식각후의산화막을다시식각마스크로이용하여이방성 O 2 RIE를통해후막희생층을식각하여지지부구멍을뚫는다. 이과정에서산화막마스크 패터닝에사용했던감광막도동시에같이제거된다. RIE 공정이끝나면식각마스크로쓰인산화막과도금기반층 ( 지지부 ) 을덮고있는부분의산화막을 BOE용액에서 30초간습식식각방법으로제거한다. 구조물도금을위한도금틀형성을위해후막감광제 (PMER P-LA900PM) 을회전도포한후열처리하여노광하여도금틀을형성한다. 이렇게형성된도금틀에전해도금을수행하여마이크로구리구조물을형성한다. 구조물도금이끝나게되면도금틀로쓰인후막감광제를아세톤에서제거하고열처리된후막 PR 습식제거공정을통해희생층을제거하여기판으로부터떠있는금속구조물을얻을수있게된다.
MEMS 기술을이용한전해도금된구리마이크로빔구조물제작에관한연구 5 3. 제작결과및토의 Fig. 3은웨이퍼전체빔의분포도이다. 그 림에서 1~20번까지는 cantilever beam과 bridge beam이각각 19개씩구성되어있으 며 21~24번까지는 cantilever beam과 bridge beam이 각각 21개씩 구성되어 있다. 1~6, 15~18번은빔의폭이 20μm이고 7~14, 19,20 번은빔의폭이 50μm이다. 길이는 1~20번까 지가 cantilever beam은 100~1000μm까지 50 μm씩증가하고 bridge beam은 1100~2000μm 까지 50μm씩총 38개의빔이 1개의 die를 구성한다. 그리고 나머지는 폭이 40μm이고 길이는 100~300μm까지 10μm씩총 42개의빔 이 1개의 die를구성한다. 이렇게구성된웨 이퍼를전체에도금공정을수행하여도금을 하였다. Table 1. 과같은도금용액조성에따라 도금을시행하였다. 도금은상온에서하였으 며교반장치를장착하여교반 (agitation) 을 행하였다. 교반을 해주는 이유는 도금액을 저어줌으로해서도금이온들이음극에원 활하게공급될수있도록하고음극효율을 높이는효과를줄수있기때문이다. 그리고 도금전웨이퍼가도금액에담겨졌을때표 Table 1. Composition of electro plating solution. Solution I Solution II Solution III CuSO 4 5H 2 O CuSO 4 5H 2 O CuSO 4 5H 2 O 200g/L 200g/L 200g/L H 2SO 4 40g/L H 2SO 4 40g/L H 2SO 4 40g/L - Gelatin Gelatin 0.05g/L 0.1g/L 면에붙어있는기포로인해도금막의형성 에악영향을미칠수있으므로이를제거하 기위해진공오븐에서진공을잡아기포를 뽑아내어기판의도금될앵커부분이도금액 위와같은도금과정을거친후도금몰드 를제거하여알파스텝으로측정한빔두께 는 Table 2. 와같다. Table 2. 에서보는바와 같이 die 내부에서의빔두께는평균적으로 거의큰편차가없이균일하게도금이되었 다. 하지만웨이퍼전면에균일한두께를획 득하지못했다. 대체적으로도금패드와가까 운곳은도금이두껍게되고멀수록두께가 줄어드는경향을보였다. Fig. 4는이번공 정을통해제작된빔구조물의모습이다. Fig. 4(a) 를보면빔보다상부도금기반층 이넓게제작되어빔이형성된이외의남아 Table 2. Average thickness of beam structure. Sample # Cantilever beam Bridge beam 1 5.13 μm 5.07 μm 7 4.41 μm 4.16 μm 8 4.00 μm 3.81 μm 9 3.55 μm 3.37 μm 11 3.19 μm 3.8 μm 12 3.81μm 3.63 μm 13 3.52 μm 3.28 μm 14 3.64 μm 3.37 μm 21 4.98 μm 22 4.63 μm 23 3.91 μm 24 4.08 μm
6 고용준, 조철호, 안유민공학기술논문집제 17 권 (2008. 6) (a) (b) Fig. 4 Microscope photograph of cupper electroplated microbeam: (a) cantilever type, (b) bridge type. (a) (b) Fig. 5 Microscope photograph of surface of fabricated microbeam (a) before and (b) after wet etching of seed layer. (a) (b) Fig. 6 Microscope photograph of fabricated microbeam (a) before and (b) after the removal of sacrificial layer.
MEMS 기술을이용한전해도금된구리마이크로빔구조물제작에관한연구 7 있는도금기반층을제거하기위해 Au/Cr wet etch를수행하는과정에서전해도금된구리가 gold etchant에반응을하였고접착층으로사용된크롬도크롬식각액으로습식식각을수행하여도제거가되지않는현상이발생되었다. 그래서 Oxford etcher 장비로건식식각 (O 2-20sccm, Cl 2-sccm, RF: 100W, Pressure: 200mTorr, process time: 1~3min) 을하여크롬을제거하였다. 하지만건식식각에서사용된가스와구리가반응하여검은색을띠었다. Fig. 5는구리도금후와상부도금기반층에남아있는크롬을제거한후앵커의현미경사진이다. Fig. 5(a), (b) 에서보는바와같이구리도금을한후의사진을보면구리의색을띠는반면크롬제거후의사진을보면구리의입자들이 etchant와크롬을제거할때사용된가스의영향으로그색깔과입자형상이완전히바뀐것을알수있다. 마지막으로 O 2 plasma ashing 장비를이용하여희생층을제거하였다. Fig. 6은희생층을제거한후의모습이다. Fig. 6(a) 는상부기반층을제거하기전의모습이며 Fig. 6(b) 는희생층을제거하기위해 O 2 plasma asher 장비로희생층을제거한모습이다. 그림에서보듯이빔이끊어진모습을볼수있다. 이는 gold etchant와크롬을제거하기위해사용된가스의영향뿐아니라구리의특성상상온에서도산소와반응하여산화피막을형성하며, 더욱이희생층을제거할때에사용한 O 2 가스로인해구리의산화현상이급진전된현상이라고볼수있다. 구리산화피막에는 CuO와 Cu 2O가있는데 CuO는조직이치밀하지않고진붉은색을띠는반면 Cu 2O는조직이매우치밀하고단단하며검은색을띤다. Fig. 6(b) 를보면구조물의색깔이산화가되어검게된것으로보아 Cu 2O가생성된것을알수있다. 그래서변성이된구리구조물이 ashing 중에구조물에열에의한응력이생겨그응력을빔이견디지못해끊어진것을알수있다. 이를방지하기위해건식식각공정의공정내용을조절하였다. O 2 plasma asher 방법으로만진행되던희생층식각공정을이방성 RIE(Reactive Ion Etching) 공정과병행하여사용을하였다. 우선 RIE공정을이용하여빔밑부분을제외한나머지부분을제거하기위해 Table 3. 과같은조건으로이방성식각을하며희생층 ashing 조건도 Table 4. 와같이변경하여행하였다. Fig. 7은이러한공정으로인해빔밑부분만을제외한나머지희생층이제거된빔의전자현미경 (SEM) 사진이다. 도금조성액은 Table 1. 의 solution II와같으며전류밀도는 10mA / cm2를적용하였다. Fig. 7을보면빔밑부분의희생층을제외하고는나머지부분은깨끗이제거됨을알수있다. 예전에 ashing 공정후빔이끊어지는문제점을발생하지않았지만 Fig. 7(b) 에서보듯이빔밑부분의희생층은여전히제거되지않음을알수있다. Table 3. Etching condition for sacrificial layer by anisotropic RIE. Sacrificial AZP4620 layer O 2 flow : 50sccm RIE RF Power : 200W condition Pressure : 50-60mTorr Operating time : 30min Etch rate about 3000 nm/min
8 고용준, 조철호, 안유민공학기술논문집제 17 권 (2008. 6) Table 4. Modification of O 2 Plasma ashing condition Condition Initial condition Modified condition Ashing equipment PLASMAFinish (GIEMENS) PLASMAFinish (GIEMENS) Ashing condition O 2 flow : 200 sccm Microwave power : 300 W Operating pressure : 200 Pa Operating time : 5 min 3 times O 2 flow : 50 sccm Microwave power : 100 W Operating pressure : 200 Pa Operating time : 5 min 3 times (a) (b) Fig. 7 SEM photograph of microbeam after removal of sacrificial layer by (a) anisotropic RIE and (b) modified ashing process. 이러한 ashing 공정의문제점으로인해 RIE 공정후의건식식각공정인 ashing 공정을습식식각공정으로대처하였다. 습식식각공정에사용된용액은 EKC Technology Inc. 의 Posistrip R 시리즈중의하나인 EKC 800 TM 이다. 이용액은일반적인열처리를거친포지티브포토레지스트 (positive photoresist) 의제거에사용할수있는제품
MEMS 기술을이용한전해도금된구리마이크로빔구조물제작에관한연구 9 (a) (b) Fig. 8 SEM photograph of microbeam after etching process of sacrificial layer : (a) cantilever beam, (b) bridge beam. 이다. RIE 공정을 Table 3. 과같은조건으로수행한후 EKC 800 TM 을통해 70 로가열한후 60분의시간을가지고습식식각공정을수행하였다. Fig. 8은이러한공정을수행한후의빔의모습이다. Fig. 8에서보듯이모든식각공정이끝난후빔밑부분의희생층도완전히제거가되었음을알수있다. 하지만도금공정시증착율을높이기위해평상시보다높은전류밀도 (20mA/ cm2이상 ) 를사용해서인지도금된구리표면이굉장히거침과동시에도금몰드를넘어선과도도금이된것을알수있다. 4. 결론 MEMS 기술을이용하여전해도금된구리마이크로빔구조물을제작하여보았다. 도금된빔의두께는비록전극부위에가까울수록두꺼운현상을볼수있지만평균적으로고르게도금된걸알수있다. 빔제작을위해설계된제작공정은기존의금도금을기준으로설계된공정을바탕으로이루어졌으며이를구리도금공정에적용시켜보았다. 그러나구리도금공정후희생층제거시예상치못했던문제가발생하여이를수정하였다. 건식식각공정으로만이루어졌던희생층제거공정을건식식각과더불어습
10 고용준, 조철호, 안유민공학기술논문집제 17 권 (2008. 6) 식식각공정을첨가하였으며이로인해기 존의 건식식각 공정 과정에서 문제점으로 나타났던빔이끊어지는현상을줄일수있 었다. 이로인해구리전해도금을이용한마 이크로빔을제작할수있었다. 하지만높은 전류밀도로인한과도도금으로인해형상 오차와거친표면상태를볼수있었고이 의개선을위해선낮은전류밀도를이용함 과동시에도금용액조성의변경및최적 도금조건을찾기위한더많은실험이필 요하다. 참고문헌 [1] M. G. Allen, M. Mehregany, R. T. Howe and S. D. Senturia, Microfabricated structures for the in-situ measurement of residual stress, Young s modulus and ultimate strain of thin films, Appl. Phys. Lett., Vol. 51, No. 4, pp. 241-243, (1987) [2] H. Guckle, D. Burns, C. Rutigliano, E. Lovell and B. Choi, Diagnostic Microstructures for the measurement of intrinsic strain in thin films, J. Micromech. Microeng., Vol. 2, pp. 86-95, (1992). [3] W. Fang. Determining mean and gradient residual stresses in thin films using micromachined cantilevers, J. Micromech. Microeng., Vol. 6, pp. 301-309, (1996). [4] T.P. Weihs, S. Hong, J. C. Bravman and W. D. Nix, "Mechanical deflection of cantilever microbeams : A new technique for testing the mechanical properties of thin films," J. Mater. Res. 3(5), pp. 931-942 (1988) [5] W. N. Sharpe Jr., B. Yuan`, R. Vaidyanathan and R. L. Edwards, "Measurement of Young s modulus, Poisson s ratio, and tensile strength of polysilicon," Proc. 10 th IEEE Int. Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, Nagoya, Japan, pp. 529-534 (1997) [6] W. N. Sharpe Jr., D. A. Lavan, and R. L. Edwards, "Mechanical properties of LIGA-deposited nickel for MEMS transducers," Int. Conf. On Solid-State Sensors and Actuators (Transducers 97 ), Chicago, USA, pp. 607-610, (1997) [7] K. E. Petersen, "Young s modulus measurements of thin films using micromechanics," J. Appl. Phys., Vol. 50, No. 11, pp. 6761-6766, (1979).