미세가공

4겹의 평탄화된 구리 상호 연결을 통해 폴리실리콘(분홍색), 웰(회색) 및 기판(녹색)까지 미세 제작된 집적 회로의 합성 세부 정보

미세가공(microfabrication)은 마이크로미터 규모 이하의 미세 구조를 제조하는 공정이다. 역사적으로 가장 초기의 미세가공 공정은 "반도체 제조" 또는 "반도체 소자 제작"으로도 알려진 집적 회로 제작에 사용되었다. 지난 20년 동안 미세전자기계 시스템(MEMS), 마이크로시스템(유럽 용어), 마이크로 머신(일본 용어) 및 그 하위 분야는 미세가공 방법을 재사용, 채택 또는 확장해왔다. 이러한 하위 분야에는 마이크로유체역학/랩온어칩, 광 MEMS(MOEMS라고도 함), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS 및 나노 규모로의 확장(예: 나노전자기계 시스템의 NEMS)이 포함된다. 평판 디스플레이 및 태양 전지 생산에도 유사한 기술이 사용된다.

다양한 장치의 소형화는 물리학, 화학, 재료과학, 컴퓨터 과학, 초정밀 공학, 제조 공정 및 장비 설계와 같은 과학 및 공학의 여러 분야에서 어려움을 야기한다. 또한 다양한 종류의 학제간 연구를 야기하고 있다.^[1] 미세가공의 주요 개념 및 원리는 미세 석판 인쇄, 도핑, 박막, 식각, 본딩 및 연마이다.

파일:CMOS fabrication process.svg

반도체 미세가공에서 p형 기판 위에 CMOS 인버터가 제작되는 과정을 단순화한 그림. 각 식각 단계는 다음 이미지에 자세히 설명되어 있다. 다이어그램은 실제 장치에서 게이트, 소스 및 드레인 접촉이 일반적으로 동일 평면에 위치하지 않으므로 축척에 맞지 않는다.

파일:Photolithography etching process.svg

식각 단계의 세부 정보.

사용 분야

미세가공 장치에는 다음이 포함된다.

집적 회로("마이크로칩")( 반도체 제조 참조)
미세전자기계 시스템(MEMS) 및 미세광전자기계 시스템(MOEMS)
마이크로유체 장치(잉크젯 프린트 헤드)
태양 전지
평판 디스플레이(AMLCD 및 박막 트랜지스터 참조)
센서(마이크로센서)(바이오센서, 나노센서)
파워 MEMS, 연료 전지, 에너지 하베스터/스캐빈저

기원

미세가공 기술은 마이크로일렉트로닉스 산업에서 유래했으며, 유리, 플라스틱 및 기타 많은 기판이 사용되지만 장치는 일반적으로 실리콘 웨이퍼 위에 만들어진다. 마이크로머시닝, 반도체 공정, 마이크로일렉트로닉스 제작, 반도체 제조, MEMS 제작 및 집적 회로 기술은 미세가공 대신 사용되는 용어이지만, 미세가공은 광범위한 일반 용어이다.

전기 방전 가공, 스파크 침식 가공 및 레이저 드릴링과 같은 기존 가공 기술은 밀리미터 크기 범위에서 마이크로미터 범위로 축소되었지만, 마이크로일렉트로닉스에서 유래한 미세가공의 주요 아이디어인 수백 또는 수백만 개의 동일한 구조의 복제 및 병렬 제작을 공유하지 않는다. 이러한 병렬성은 미세 영역에 성공적으로 적용된 다양한 각인, 주조 및 용범 기술에 존재한다. 예를 들어, DVD의 사출성형은 디스크에 서브 마이크로미터 크기의 점을 제작하는 것을 포함한다.

공정

미세가공은 실제로 마이크로 장치를 만드는 데 활용되는 기술들의 집합이다. 그 중 일부는 제조업과는 관련이 없는 석판 인쇄나 식각처럼 매우 오래된 기원을 가지고 있다. 연마는 광학 제조에서 차용되었으며, 많은 진공 기술은 19세기 물리학 연구에서 비롯되었다. 전기도금 또한 19세기에 마이크로미터 규모의 구조를 생산하기 위해 적용된 기술이며, 다양한 스탬핑 및 엠보싱 기술도 마찬가지이다.

마이크로 장치를 제작하려면 많은 공정을 순차적으로 여러 번 반복해야 한다. 이러한 공정에는 일반적으로 박막 증착, 원하는 미세 특징으로 박막을 패터닝하는 것, 그리고 박막의 일부를 제거(또는 에칭)하는 것이 포함된다. 박막 측정은 일반적으로 이러한 각 개별 공정 단계에서 사용되어, 적절한 장치 동작을 위해 박막 구조가 두께(t), 굴절률(n) 및 소광 계수(k) 측면에서 원하는 특성을 갖도록 한다.^[2] 예를 들어, 메모리 칩 제작에는 약 30단계의 포토리소그래피 단계, 10단계의 산화 단계, 20단계의 식각 단계, 10단계의 도핑 단계 및 기타 여러 단계가 수행된다. 미세가공 공정의 복잡성은 마스크 수로 설명될 수 있다. 이는 최종 장치를 구성하는 패턴 레이어의 수이다. 최신 마이크로프로세서는 30개의 마스크로 만들어지지만, 마이크로유체 장치 또는 반도체 레이저에는 몇 개의 마스크면 충분하다. 미세가공은 많은 패턴이 서로 정렬되어 최종 구조를 만드는 다중 노출 사진과 유사하다.

기판

미세가공 장치는 일반적으로 독립형 장치가 아니며, 일반적으로 더 두꺼운 지지 웨이퍼 위 또는 내부에 형성된다. 전자 응용 분야의 경우 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 사용할 수 있다. 광학 장치 또는 평판 디스플레이의 경우 유리 또는 석영과 같은 투명 기판이 일반적이다. 기판은 많은 제조 단계를 거치면서 미세 장치를 쉽게 다룰 수 있게 한다. 종종 많은 개별 장치가 하나의 기판에서 함께 만들어진 다음, 제조 막바지에 분리된 장치로 개별화된다.

증착 또는 성장

미세가공 장치는 일반적으로 하나 이상의 박막을 사용하여 구성된다(박막 증착 참조). 이러한 박막의 목적은 장치 유형에 따라 달라진다. 전자 장치는 도체(금속), 절연체(유전체) 또는 반도체인 박막을 가질 수 있다. 광학 장치는 반사성, 투명성, 광 유도성 또는 산란성 필름을 가질 수 있다. 필름은 MEMS 응용 분야뿐만 아니라 화학적 또는 기계적 목적을 가질 수도 있다. 증착 기술의 예는 다음과 같다.

패터닝

종종 필름을 특정 특징으로 패터닝하거나 일부 층에 개구부(또는 비아)를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 특징은 마이크로미터 또는 나노미터 규모이며, 패터닝 기술이 미세가공을 정의한다. 이 패터닝 기술은 일반적으로 제거될 필름 부분을 정의하기 위해 '마스크'를 사용한다. 패터닝 기술의 예는 다음과 같다.

포토리소그래피
섀도 마스킹

식각

식각은 박막 또는 기판의 일부를 제거하는 것이다. 기판은 식각제(예: 산 또는 플라즈마)에 노출되어 필름이 제거될 때까지 화학적으로 또는 물리적으로 공격한다. 식각 기술에는 다음이 포함된다.

건식 식각(플라즈마 식각)(예: 반응성 이온 에칭(RIE) 또는 딥 반응성 이온 에칭(DRIE))
습식 식각 또는 화학 식각

미세 성형

미세 성형은 마이크로시스템 또는 미세전자기계 시스템(MEMS) "부품 또는 구조물 중 최소 두 개 이상의 치수가 서브밀리미터 범위에 있는 것"에 대한 미세가공 공정이다.^[3]^[4]^[5] 여기에는 미세 압출,^[4] 미세 스탬핑,^[6] 및 미세 절단과 같은 기술이 포함된다.^[7] 이러한 미세 성형 공정들은 적어도 1990년부터 구상되고 연구되었으며,^[3] 산업 및 실험 등급의 제조 도구 개발로 이어졌다. 그러나 푸와 찬이 2013년 최첨단 기술 리뷰에서 지적했듯이, 기술이 더 널리 구현되기 전에 변형 하중 및 결함, 성형 시스템 안정성, 기계적 특성, 그리고 결정립 구조 및 경계에 대한 다른 크기 관련 효과를 포함하여 몇 가지 문제가 여전히 해결되어야 한다:^[4]^[5]^[8]

미세 성형에서는 결정립계의 총 표면적 대 재료 부피의 비율이 시편 크기가 감소하고 결정립 크기가 증가함에 따라 감소한다. 이는 결정립계 강화 효과의 감소로 이어진다. 표면 결정립은 내부 결정립에 비해 구속이 적다. 부품 형상 크기에 따른 유동 응력의 변화는 표면 결정립의 부피 분율 변화에 부분적으로 기인한다. 또한, 각 결정립의 이방성 특성은 공작물 크기가 감소함에 따라 중요해져서 불균일한 변형, 불규칙하게 형성된 형상 및 변형 하중의 변화를 초래한다. 크기 효과를 고려하여 부품, 공정 및 툴링 설계를 지원하기 위한 미세 성형에 대한 체계적인 지식을 구축하는 것이 중요하다.^[8]

기타

미세가공 장치의 화학적 특성을 세척, 평탄화 또는 수정하기 위한 다양한 다른 공정들도 수행될 수 있다. 몇 가지 예는 다음과 같다.

도핑(분자 확산 또는 이온 주입을 통해)
화학-기계적 평탄화(CMP)
웨이퍼 세척(일명 "표면 준비")(아래 참조)
와이어 본딩

웨이퍼 제작의 청결도

미세가공은 청정실에서 수행되며, 이곳의 공기는 입자 오염이 걸러지고 온도, 습도, 진동 및 전기적 교란이 엄격하게 통제된다. 연기, 먼지, 세균 및 세포는 마이크로미터 크기이며, 이들의 존재는 미세가공 장치의 기능을 파괴할 것이다.

청정실은 수동적인 청결을 제공하지만, 웨이퍼는 모든 중요한 단계 전에 능동적으로 세척된다. RCA-1 세정은 암모니아-과산화물 용액에서 유기 오염 및 입자를 제거한다. 염화수소-과산화물 혼합물에서 RCA-2 세정은 금속 불순물을 제거한다. 황산-과산화물 혼합물(일명 피라냐 용액)은 유기물을 제거한다. 불화수소는 실리콘 표면에서 천연 산화물을 제거한다. 이들은 모두 용액에서의 습식 세정 단계이다. 건식 세정 방법에는 원치 않는 표면층을 제거하기 위한 산소 및 아르곤 플라즈마 처리, 또는 에피택시 전에 천연 산화물을 제거하기 위한 고온에서의 수소 베이킹이 포함된다. 프리 게이트 세정은 CMOS 제작에서 가장 중요한 세정 단계이다. 이는 약 2nm 두께의 MOS 트랜지스터 산화물이 질서 정연하게 성장할 수 있도록 보장한다. 산화 및 모든 고온 단계는 오염에 매우 민감하며, 고온 단계 전에 세정 단계가 선행되어야 한다.

표면 준비는 단지 다른 관점일 뿐이며, 모든 단계는 위에 설명된 것과 동일하다. 즉, 가공을 시작하기 전에 웨이퍼 표면을 제어되고 잘 알려진 상태로 두는 것이다. 웨이퍼는 이전 공정 단계(예: 이온 주입 중 고에너지 이온에 의해 챔버 벽에서 충돌한 금속)에 의해 오염되거나, 웨이퍼 상자에서 중합체를 수집했을 수 있으며, 이는 대기 시간에 따라 다를 수 있다.

웨이퍼 세척 및 표면 준비는 볼링장의 기계와 유사하게 작동한다. 먼저 모든 원치 않는 조각들을 제거한 다음, 게임을 계속할 수 있도록 원하는 패턴을 재구성한다.

같이 보기

각주

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외부 링크

저널

Journal of Microelectromechanical Systems (J.MEMS)
Sensors and Actuators A: Physical
Sensors and Actuators B: Chemical
Journal of Micromechanics and Microengineering
Lab on a Chip
IEEE Transactions of Electron Devices
Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, Films
Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures: Processing, Measurement, and Phenomena

도서

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