KR20010013402A - 표면상에 실리콘 층을 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판(10)의 표면상에 실리콘 층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 실리콘 소스(4)를 사용하여 전자 빔 증발과 같은 물리적인 증착공정에 의해 상기 표면상에 실리콘을 증착시키는 단계, 및 상기 증착단계 동안 이온총(20)에 의해 형성된 필름에 이온충격을 주는 단계를 포함한다. 최종 실리콘 필름은 통상적인 물리적 증착공정에 의해 형성된 필름과 비교하여 매우 감소된 응력을 갖는다. 이러한 방법은 특히 실리카층(층더미) 상에 비교적 두꺼운 실리콘층(≥1㎛)을 형성하는데 적용하여 반응성 이온 에칭에 의해 상기 실리카의 후속 딥 에칭공정에서 에칭 마스크로서 제공될 수 있다.

Description

표면상에 실리콘 층을 형성하는 방법{Method of forming a silicon layer on a surface}

본 발명은 광학소자의 제조분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 반응성 이온 에칭(reactive ion etching) 처리되는 하나 또는 여러개의 실리카 층상에 실리콘 마스크(silicon mask)를 제공하기 위한 새로운, 표면상에 비교적 두꺼운 실리콘층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

평판 집적 광학렌즈의 분야에서, 평판형 광학소자의 제조시, 광학소자들을 제한하기 위해 실리카(순수 실리카 또는 도핑된 실리카 중 하나)의 층들을 에칭하는 것이 종종 필요하다. 상기 광학소자에 포함되는, 도파관, 격자, 렌즈 등과 같은 광학 디바이스의 트레이싱(tracing)을 달성하기 위해 매우 정밀한 패턴화가 요구된다. 더욱 다른 층의 상부에 연속적인 실리카 층을 증착시키고 패턴화할 필요가 종종 요구된다(통상적으로 코어층 및 하나 또는 그 이상의 오버클래드층).

상기 실리카-기초 광학 소자의 제조에 있어서, 상기 실리카 층의 패턴화는, 형성된 디바이스의 바람직한 정도의 정밀도(해상도(resolution))를 얻기 위해 반응성 이온 에칭을 사용함으로써 바람직하게 달성된다. 상기 에칭의 품질은 에칭 마스크를 형성하는데 사용되는 물질에 의해 크게 영향받는다.

여러 종류의 마스크 물질이 이러한 에칭 공정에 사용되어 왔다: 예를 들어, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 니켈, 감광제(photoresist), 또는 실리콘.

금속성 마스크는 일반적으로 하기 두 가지 이유에서 만족스러운 결과를 얻지 못한다. 첫째, 상기 마스크 층의 증착시에, 에칭된 공동(cavity)의 측벽의 조도(roughness)(통상적으로 상기 측벽의 바람직한 평면으로부터의 ＞0.1㎛의 이탈)를 일으키는 금속 결정들이 계속되는 에칭 단계동안 성장된다. 상기 광학 디바이스가 사용될 때 상기 조도는 광학 손실을 유발한다. 이러한 문제는 특히 알루미늄 마스크의 경우에 뚜렷이 나타난다. 둘째, 상기 실리카의 반응성 이온 에칭시에, 상기 금속성 마스크 물질의 분산(sputtering)이 발생한다. 상기 금속 원자들은 휘발성 물질이 아니기 때문에, 이들은 에칭된 부분 주위에 재증착되고 다시 조도의 문제를 발생시킨다. 감광제, 및 일반적으로 고분자 마스크는 실리카의 딥 에칭(deep etching)이 요구되는 경우에 3가지의 주 단점을 갖는다. 첫째, 실리카를 딥 에칭하는 것이 요구된다면 두꺼운 마스크 층을 제공할 필요가 있기 때문에, 상기 실리카 및 고분자 마스크 사이의 에칭 선택성 비율이 낮다(약 2:1). 약 7㎛이상으로 두꺼운 고분자 층의 사용은 에칭 해상도(etching resolution)에서 손실을 유발한다. 둘째, 상기 에칭 공정시에, 고분자 물질이 유동함에 따라 에칭된 패턴이 비틀어지게 된다. 셋째, 고분자 마스크를 사용하는 경우에, 에칭 공정시에 사용할 수 있는 출력밀도(power density)가 제한되어 상기 에칭을 수행하는데 있어 필요한 시간을 장기화시킨다.

상기 언급된 문제들을 해결하기 위해, 이미 플라즈마(plasma)로 휘발되면서 에칭 조건들에 좋은 내성을 갖는 대조적인 특성들을 결합시키는 마스크 물질을 제공할 필요가 있다. 실리콘은 이러한 요구사항을 만족시킨다. 실리콘은 이미 마스크 물질로서 사용되어 왔며 전자 소자의 제조시에 실리카의 반응성 이온 에칭을 가능하게 하였다. 약 10:1의 선택성을 얻는다.

지금까지는, 광학 소자의 제조를 위해 실리카의 에칭을 위한 마스크 물질로서 실리콘이 사용되었을 때, 1㎛보다 큰 실리콘 마스크 층이 요구되기 때문에 실리카 층(또는 층들)의 딥 에칭을 수행할 필요가 종종 있다. 그러나, 진공하에서 증발의 통상적인 물리적 증기 증착기술을 사용하여 실리카 상에서 상기 두께의 실리콘 층을 형성할 때, 상기 최종 실리콘 층은 높은 응력을 갖게 된다. 상기 실리콘 층이 전자 빔 증발을 사용하여 증착될 때, 400MPa의 인장 응력이 발생된다. 상기 실리콘 층이 분산에 의해 증착될 때, 약 400MPa의 압축 응력이 측정되며 더 높은 결정 크기(에칭된 측벽의 조도를 유발)가 생성된다. 이러한 높은 응력은 리소그래피 단계(lithography step)시에 비정밀함을 일으키는 웨이퍼(wafer)의 휨(warping)을 일으킨다. 2㎛ 두께의 실리콘 층의 경우에, 상기 응력은 소자의 파손을 일으키는 균열(crack)이 광학층상에 생성될 만큼 크다.

본 발명의 바람직한 구체예는, 형성된 실리콘 층에서의 응력이 수용가능한 정도로 조정될 수 있도록, 특히 ＞1㎛의 두께를 갖는 실리콘 층을 형성하는 방법을 제공한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 물리적 증착공정에 의해 표면상에 실리콘을 증착시키는 단계를 포함하며, 상기 증착 공정동안, 형성된 실리콘 필름에 이온충격을 주는 단계를 포함하는 표면상에 실리콘 층을 형성하는 방법을 제공한다.

실리콘 층이 물리적 증착공정을 이용하여 표면상에 형성될 때, 그리고 형성된 층이 이온 빔에 의한 충격하에 놓일 때, 실리카 층(또는 몇 개의 층들)상에 비교적 두꺼운 실리콘층을 형성하는 경우에도 상기 최종 실리콘 층에서의 응력이 확실하게 감소될 수 있음이 발견되었다.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 기본적인 물리적 증착 공정(physical deposition process)은 전자 빔 증발(electron beam evaporation)이다. 이러한 기술은 상기 증착 공정의 정밀한 조정을 가능하게 하고, 형성된 필름에 이온충격을 가하는 것과 관련하여, 실리콘 층의 특성들을 정밀하게 마무리할 수 있게 한다.

실리카 층상에 실리콘 마스크를 형성하는 본 발명의 방법은, 측벽의 조도 문제를 피할 수 있으면서 높은 에칭 해상도를 얻기 위해 상기 실리카를 딥 에칭하는데 반응성 이온 에칭을 적용할 수 있게 한다. 또한, 또 다른 층상에 다중 패턴화된 실리카 층을 형성하기 위한 이러한 기술의 사용시에, 웨이퍼의 휨이 감소된다. 또한, 에칭공정이 심하게 장기화되지 않도록 반응성 이온 에칭시에 일반적인 출력밀도가 사용될 수 있다.

본 발명의 그 이상의 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조하는 하기 바람직한 구체예의 설명을 통해 명백해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 방법을 실질적으로 적용하기에 적합한 장치의 개략도를 나타내며;

도 2는 패턴화된 실리카 층의 제조공정을 나타내는데, 여기서 실리콘 마스크가 본 발명의 방법에 의해 제조되고, 도 2a 내지 도 2h는 제조공정의 다른 단계들을 나타낸다.

본 발명의 바람직한 구체예는 도 1을 참조하면서 설명될 것이다. 본 발명의 구체예에서, 전자 빔 증발 공정이 사용되어 실리카 층(또는 층더미)상에 증착을 위한 소스로부터 실리콘 원자를 유리시키며, 상기 실리콘 원자는 기판상에 형성되며 통상적으로 실리카로 제조된다. 동시에, 아르곤 이온은 공정에서 형성되는 실리콘 필름에 충격을 주기 위해 상기 기판을 향해 투사된다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은, 진공 챔버(1)에서 수행되며, 상기 진공은 오리피스(orifice, 2)를 통해 펌프(도시되지 않음)에 의해 유지된다. 실리콘(4)은 양극의 전자총(6)이 제공되는 도가니(5)에 제공된다. 상기 전자총에 의해 생성된 전류는 전자총 조정유니트(7)에 의해 조정된다. 전자총으로부터 전자는 실리콘을 향해 가속되고 실리콘 원자의 증발을 일으키기 위해 실리콘을 가열한다. 상기 증발된 실리콘 원자는 진공 챔버의 벽에서 응축되고, 기판 홀더(11)가 진공 챔버의 상부를 향하면 예를 들어 실리카로 제조된 기판(10)의 표면상에 존재하는 실리카 층상에서 응축된다(상향 증발은 오염물질에 의해 표면이 오염되는 것을 피하기 위해 바람직하다). 심지어, 본 발명의 공정에 따라, 상기 기판을 가열하는 것이 필수적이지 않을지라도, 히터(2)는 실리카 층에 상기 증착된 실리콘 원자의 결합을 촉진시키기 위해, 예를 들어 100℃로 기판의 온도를 유지하기 위해서는 제공되어야 한다. 가동성 셔터(15, movable shutter)는 실리카 층상에 실리콘 원자의 증착이 바람직하게 방해받지 않도록 하기 위해 진공 챔버내에 제공된다.

지금까지, 장치의 구조는 실리콘의 전자 빔 증발용으로 사용되는 통상의 장치와 동일하다. 그러나, 도 1의 장치는, 전술한 소자들 뿐만 아니라, 기판(10)을 향해 이온 빔을 투사하기 위해 놓이는 이온총(20)을 포함한다. 이러한 예에서, 상기 이온총은 "플라스미온(Plasmion)"이라는 브랜드를 갖는 것이지만, 다른 이온총들도 사용될 수 있다. 상기 이온총은 입구(22)를 통해 아르곤 가스를 제공받고, 도달하는 실리콘 원자의 충격방향으로 대략 30°로 기판에 충돌하는 아르곤 이온(Ar⁺)을 생산한다. 상기 이온 빔 전류 및 에너지는 이온총 조정유니트(23)에 의해 조정된다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따른 방법이 설명될 것이다. 상기 실리콘 소스(4)는 진공 챔버(1)내에 배치되는 도가니(5)에 놓이고, 하나 또는 그 이상의 기판(10)은 홀더(11) 내에 놓인다. 그 후, 상기 진공 챔버는 오리피스(2)를 통해 진공화된다. 그리고나서, 상기 이온총(20)은 활성화되고, 적당한 작동상태에 도달되었을 때(통상적으로 몇 분 후), 전자총(6)은 실리콘의 증발을 시작하기 위해 활성화된다. 상기 증발이 적정한 조건에서 실시될 때, 상기 셔터(15)는 실리콘 소스 및 기판(10) 사이의 자유 경로를 남기기 위해 배치된다. 이러한 방법으로, 실리콘 원자는 기판(10)의 표면에 존재하는 실리카 층에 충돌되고 유착되며, 형성된 실리콘 필름은 아르곤 이온에 의해 충격을 받는다.

필름-형성 공정의 진보는 예를 들어 기판 홀더(11)에 부착되는 피에조-전자 디바이스(piezo-electric device)를 제공하는 등에 의해 조절될 수 있다. 상기 피에조-전자 디바이스의 진동 빈도는 증착된 실리콘의 양이 증가될 때 변화된다. 바람직한 양의 실리콘이 증착될 때, 셔터(15)는 기판에서 실리콘 원자의 도달을 막는 위치로 이동하고, 이온총(22)은 불활성된다.

본 발명의 공정에 의해 생산된 실리콘 층에서 측정되는 응력은, 상기 실리콘의 증착시에 기판상에 존재하는 외부 층에 각각 도달하는, 다수의 실리콘 원자 및 다수의 아르곤 원자 사이의 비에 의존한다. 하나 미만의 이온이 각 10개의 실리콘 원자에 있어서 기판에 도달하는 경우(또는, 더욱 상세하게는 외부 표면은 기판상에 존재)에, 통상적인 공정에서 얻어진 최종물에 비해 얻어진 응력의 감소는 최소 (20% 미만)이다. 이러한 감소는, 기판에 도달하고 상향하는 10개의 실리콘 원자당 하나의 이온의 비로 인해 더욱 중요하게 된다. 바람직하게, 작동 조건은 10개의 원자당 1개의 이온의 비로 측정되도록, 더욱 바람직하게는 기판상에 도달하는 10개의 실리콘 원자당 2개의 이온의 정도가 바람직하다. 이러한 조건하에서, 실리콘 층에서 측정된 응력은 두께가 1 마이크론인 층에 대해 200MPa이하로 내릴 수 있고, 2 마이크론의 층에 대해서는 400MPa이다.

기판상에 제공되는 외부 표면에 도달하는 다수의 이온 및 원자들은 이온총(20)의 전류 및 전자총(6)의 전류에 각각 의존하며, 따라서 용이하게 조절가능하다. 또한, 기판상에 존재하는 외부 표면에 도달하는 다수의 이온 및 원자들은 이온 충격에서 사용되는 이온들의 특성을 변화시킨다.

실험에서 사용된 이온총의 모델은 최대 전류 12mA를 생성한다. 통상적으로 이온총에서 아르곤의 유속은 1.5 내지 3 sccm이었고, 상기 이온 에너지는 50eV 내지 100eV의 범위이었으며, 이온 전류의 밀도는 총 이온전류가 10 내지 12mA일 때 이온총의 출구에서 ㎠당 1 내지 2mA이었다. 상기 조건하에서, 실리콘 증착의 고속 유지가 가능하며, 통상적으로는 약 10 내지 20Å/초의 속도이다. 그러나, 더 높은 전류를 견디는 이온총은 더 높은 실리콘 증착 속도가 더 큰 표면적을 갖는 웨이퍼상에서 유지되도록, 동일한 실리콘 증착 속도 및/또는 달성된 실리콘 증착 속도일 수 있다.

실험에서 사용된 이온총의 모델은 매우 효과적인데, 가스의 매우 약한 흐름이 진공 챔버에서 낮은 작동 압력(통상적으로 약 1 내지 2 x 10^-4Torr)을 유지할 수 있다.

형성된 실리콘 필름에 충격을 주는데 사용되는 이온은 50eV 내지 100eV의 에너지를 갖는다. 너무 높은 이온 에너지들은 얻고자 하는 본 발명의 효과를 얻을 수 없으며, 반대로 너무 낮은 이온 에너지들은 생성되는 층으로부터 실리콘 원자들의 분(ejecting)출을 일으킨다.

본 발명에 따른 방법은 1mm 두께, 4인치 직경의 실리카 웨이퍼 상에서 형성되는 실리카 층상에서 1㎛ 두께 필름의 실리콘을 형성하기 위해 전술한 바와 같이 실시된다. 실리콘을 증착시키는 이러한 공정시에, 2개의 아르곤 이온들이 10개의 실리콘 원자마다 기판상에 도달된다. 실리콘 필름에서 측정된 응력은 100MPa이었다. 이것은 통상적인 전자 빔 증발에 의해 형성된 대조 실리콘 필름에서 나타난 400MPa의 응력과 비교하면 상당히 감소된 응력을 나타낸다. 이러한 응력의 감소로 인해, 본 발명의 방법은 여태껏 가능하였던 실리콘 필름보다 두꺼운 실리콘 필름을 실리카 층상에 형성할 수 있다. 예를 들어, 균열의 생성없이 실리카 층상에 2㎛ 두께의 실리콘 층을 형성하는 것이 용이하게 된다. 이것은 반응성 이온 에칭에 의해 실리카의 차후 패턴화 공정에서 실리카 상에 두꺼운 실리콘 마스크(≥1㎛)을 형성할 수 있게 한다.

도 2를 참조하면서, 본 발명에 따른 방법에 의해 실리콘 마스크를 형성하는 단계를 포함하는 반응성 이온 에칭에 의해 실리카 층을 패턴화하는 통상적인 공정을 설명할 것이다.

도 2a는 통상적인 기술에 의해 생산된 실리카 층으로 코팅된 실리카 웨이퍼(10)를 도시한다. 에칭 마스크를 증착하고자 하는 표면을 통상적으로 준비한다. 다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 실리콘 층(40)은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 실리카 층상에 증착된다. 여기서, 상기 실리카의 딥 에칭이 요구되는데, 이러한 실리콘 층(40)은 ≥1㎛의 두께를 갖는다. 도 2c 및 도 2d에서 각각 도시된 바와 같이, 감광제(50)는 실리콘 층(40)상에 코팅되고, 또한 감광제는 하부의 실리콘 층의 면적을 선택적으로 노출시키기 위해 노출되었고 개발되었다. 상기 실리콘 층의 노출된 부분은 SF₆(도 2e)를 사용하여 예를 들어, 반응성 이온 에칭에 의해 에칭처리되고, 이후 감광제의 나머지 부분은 산소 플라즈마 에싱(oxygen plasma ashing)(도 2f)에 의해 제거된다. 실리콘 마스크가 완전히 형성되었다.

기판(10)의 표면상에 존재하는 실리카 층은 반응성 이온 에칭(도 2g)에 의해 실리콘 마스크를 통해 에칭된다. 상기 에칭 공정의 선택성은 불소-부족 플라즈마(수소-풍부 또는 탄소 풍부 플라즈마를 이용하여 불소원자를 막아서 얻음)를 이용하여 증가된다. 이러한 목적을 위한 통상적인 에칭 가스들은 CHF₃, C₂F₆또는 C₃F₈와 같은 가스들이다. 일반 실리카 층이 에칭되면, 나머지 실리콘 마스크는 예를 들어 SF₆(도 2h)를 이용하여 반응성 이온 에칭에 의해 제거된다.

전술한 실리카 패턴화 공정에서 마스크 형성을 위해 사용되는 실리콘 층(40)이 본 발명의 방법에 따라 형성될 때, 실리카 에칭 단계의 선택성은 약 10%까지 증가된다. 이것은 실리카의 딥 에칭을 촉진하는 또 다른 인자이다. 또한, 선택성의 향상 뿐만 아니라 층의 향상된 부드러움(평판성)으로 인해 상기 에칭의 품질이 향상된다. 또한, 딥 에칭을 요구하는 광학소자의 제조시에, 예를 들어 웨이퍼 상에 형성된 실리카 층더미를 에칭하는 경우에, 실리콘 마스크를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 사용은 현저하게 웨이퍼의 휨을 감소시킨다. 이것은 리소그래피의 해상도가 얻고자 하는 향상된 평판성으로 향상될 수 있게 한다.

본 발명은 특히 마이크로렌즈 및 격자와 같은 광학 디바이스를 포함하는 실리카-기초 광학 소자의 제조에 사용하기 위한 비교적 두꺼운 실리콘 마스크의 생성시에 적용하는데 적합하다.

본 발명은 하나의 특정한 바람직한 구체예를 참고하여 설명되었지만, 첨부된 청구범위에서 정의하는 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 적용이 가능하다. 특히, 바람직한 구체예에서 (형성된 필름의 이온 충격과 관련하여) 사용된 상기 물리적 증착 공정은 전자 빔 증발이었지만, 예를 들어 분산과 같은 다른 물리적 증착 공정이 대신 사용될 수도 있다.

마찬가지로, 본 발명의 바람직한 구체예에서 이온충격에 사용된 이온이 아르곤 이온이었지만, 다른 이온들도 가능하다. 예를 들어, 다른 불활성 가스 이온들은 아르곤을 대신하여, 각각 독립적으로 또는 다른 불활성 가스(더 큰 원자량의 이온들이 바람직)와 혼합하여 사용될 수 있으며, 다른 물질(예를 들어, 수소)의 이온들은 불활성 가스의 이온과 혼합될 수 있고, 또는 경우에 따라, 상기 불활성 이온들은 또 다른 물질의 이온에 의해 대체될 수 있다.

또한, 상기에서 본 발명의 방법이 실리카 기판의 표면상에 존재하는 실리카 층 상에 실리콘 층을 형성하는데 사용되는 구체예들이 설명되었지만, 이러한 실리카 층은 실리콘과 같은 또 다른 물질상에 잘 형성될 수 있다.

Claims (10)

1. 물리적 증착공정에 의해 표면상에 실리콘을 증착시키는 단계를 포함하는 표면상에 실리콘 층을 형성시키는 방법에 있어서, 형성된 실리콘 필름에 이온충격을 주는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 표면상에 실리콘 층을 형성하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 방법이, 기초표면에 있어서 예상되는 패턴을 한정하는 마스크를 형성하기 위해 실리콘 층을 패턴화시키는 단계, 상기 실리콘 마스크를 통해 상기 표면을 반응성 이온 에칭하는 단계, 및 상기 실리콘 마스크의 잔류물을 제거하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 에칭 단계에서 사용된 에칭 가스가 플루오르화 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 표면이 실리카 또는 도핑된 실리카의 층으로 이루어지며, 상기 실리콘 층이 ≥1㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 물리적 증착공정은 전자-빔 보조 증발인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 충격 단계가 아르곤 이온을 이용한 충격을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 실리콘 증착 단계시에, 상기 표면에서 이온 및 실리콘 원자의 도달 속도 사이의 비율이 1:10을 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 실리콘 증착 단계시에, 상기 표면에서 이온 및 실리콘 원자의 도달속도 사이의 비율이 2:10 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 충격의 단계에서 사용되는 이온들의 에너지가 50-100eV의 범위임을 특징으로 하는 방법.
10. 표면상에 제1항 내지 제9항의 어느 한 항의 방법에 의해 증착된 실리콘 층으로 이루어지고, 상기 실리콘 층에서의 응력이 층의 마이크론 두께에 대해 200MPa이하인 것을 특징으로 하는 제품.