플라즈마를 이용한 실리콘 MEMS 소자 제작 시 발생하는 열고립 현상에 대한 연구

Abstract

단결정 실리콘은 재료의 우수성과 제작의 용이성 때문에 MEMS 소자의 구조재로 많이 사용되고 있으며, 이를 제작하기 위한 실리콘 식각 기술은 지속적으로 발전해왔다. Bosch process를 사용하는 DRIE(Deep reactive ion etching) 방법은 옆면에 폴리머를 증착하여 높은 종횡비를 얻는 실리콘 식각 기술로써 대부분의 실리콘 MEMS 소자를 제작하기 위해서 사용되고 있다. 하지만 DRIE 방법을 이용하여 실리콘 소자를 릴리즈 하는 과정에서 발생하는footing 현상이나 열고립 현상은 소자의 성능 저하나 수율 감소에 큰 영향을 준다. Footing 현상의 경우, 발생 원인에 대한 규명이 많은 연구를 통해서 증명이 되었고 또한 이에 대한 해결책 또한 다양한 방법으로 제시가 되었다. 이와는 다르게 릴리즈 과정에서 발생하는 열고립 현상에 대한 정량적인 분석이나 이에 대한 해결방안은 아직 미진한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 대표적인 MEMS 소자인 평판형 구동기와 콤 구동기에서 열고립 현상이 발생하는 원인을 정량적으로 분석하고, 열고립 현상을 해결하기 위한 방법을 제시하였으며 이를 실험적으로 입증하였다. DRIE 과정에서의 효과적인 열 배출을 위하여 구동하는 부분과 주변의 열 싱크 구조물을 금속 박막으로 연결하여, 전도를 통하여 배출되는 열에너지를 효과적으로 향상시켰다. 이를 통하여 소자의 온도 상승을 낮추어 열고립에 의한 소자의 손상을 크게 줄일 수 있었으며, DRIE 이후 구동 부분과 열 싱크 구조물을 연결하는 금속 박막은 제거하여 소자의 구동에 영향을 주지 않게 하였다. SF6 계열의 플라즈마를 이용하여 실리콘 MEMS 소자의 식각 시 소자의 열고립 현상은 플라즈마의 특성과 MEMS 소자의 구조에 따라 결정되며, 온도변화를 이용하여 크기를 정량화 할 수 있으며, 온도 변화는 입사되는 에너지와 배출되는 에너지에 의해서 결정된다. 플라즈마에서 실리콘 소자로 전달되는 에너지 밀도는 이온에 의한 충돌 (Ji), 전자에 의한 충돌(Je), 라디칼의 반응열 (Jchem)로 이루어져 있으며 이온 충돌에 의한 에너지 밀도(Ji= 1.92×103 W/m2)가 다른 전자에 의한 충돌(Je= 7.45×10-35 W/m2)이나 라디칼과의 반응열(Jchem= 1.13 ×10-1 W/m2)에 비하여 큰 값을 나타내었다. 또한 실리콘 MEMS 소자로 입력되는 에너지는 주로 전도와 복사의 과정으로 배출됨을 확인하였다. 열 등가회로 모델링 결과, 평판형 구동기의 경우 기존의 방법으로 설계하였을 때, 소자의 온도는 373-504 K 까지 상승하였으나 열 싱크가 삽입된 구조에서는 274-275 K으로 열고립이 완화되는 것을 확인하였다. 또한 콤 구동기의 경우 기존의 방법으로 설계하였을 때는 498 K까지 온도가 상승하였으나 열 싱크가 새롭게 도입된 구조에서는 273 K으로 열고립이 완화되었다. 제안된 설계 방법의 유용성을 검증하기 위하여 평판형 구동기와 콤 구동기를 각각 기존의 방법과 제안된 방법을 이용하여 동일 웨이퍼에서 제작하고 열고립에 의한 손상 정도를 비교하였다. 제작 결과 기존의 방법으로 제작한 평판형 구동기의 스프링의 선폭 손실은 20.5 μm - 3.4 μm를 보인 반면 제안된 방법으로 제작하였을 때는 3.6 μm - 2.3 μm 로 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다 (설계값: 40 μm). 평판형 구동기의 공진 주파수 측정결과, 기존의 방법으로 제작한 경우 68 ± 8.6 %로 정규화된 공진주파수의 평균값이 크게 감소하고 웨이퍼 내의 편차 역시 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이에 반하여 열 싱크를 삽입한 구조에서는 90 ± 1.5 %로 공진주파수의 평균값을 향상시킬수 있었으며 또한 웨이퍼 내의 편차도 크게 줄일 수 있었다. 콤 구동기의 경우, 기존의 방법 제작 결과 수율이 0 % 이었던 것이 열 싱크 구조물이 삽입된 구조에서는 수율이 100 %로 향상되는 것을 확인하였따. DC 구동 테스트 측정 결과, 제안한 방법을 사용하여 제작하였을 때 인가된 전압에 따른 변위는 설계 값(23 μm @ 60 V)과 유사한 이동 거리(20 μm @ 60 V)를 나타내었다. 기초 실험을 통하여 검증한 제안한 설계, 공정 방법을 이용하여 가변 RF MEMS 공진기와 높은 신호 격리도를 갖는RF MEMS 스위치를 제작하였다. 두 소자 모두 기존의 방법을 사용할 경우, 소자의 온도가 353 -490 K까지 상승하여 열고립에 손상을 받는 구조이지만, 제안한 방법을 사용하여 열고립에 의한 손상이 거의 없는 상태로 제작을 할 수 있었으며, 이를 통해 소자의 성능을 확보할 수 있었다. 본 논문에서는 플라즈마를 이용하여 실리콘 MEMS 소자를 제작할 때 발생하는 열고립 현상을 정량적으로 분석하고, 이를 해결하기 위한 제안된 방법을 실험적으로 증명하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 실리콘 MEMS 소자의 안정적인 제작과 성능 향상을 위하여 여러 응용 분야에서 사용할 수 있을 거라 기대한다.