서지주요정보
Self-assembly and non-destructive inspection of the silicon-on-nothing and germanium-on-nothing structures = 실리콘과 저매니움 서브서페이스 공동 구조 제작 및 비파괴 검사기술 개발
서명 / 저자 Self-assembly and non-destructive inspection of the silicon-on-nothing and germanium-on-nothing structures = 실리콘과 저매니움 서브서페이스 공동 구조 제작 및 비파괴 검사기술 개발 / Mun Goung Jeong.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2022].
Online Access 원문보기 원문인쇄

소장정보

등록번호

8039262

소장위치/청구기호

학술문화관(문화관) 보존서고

DME 22029

휴대폰 전송

도서상태

이용가능(대출불가)

사유안내

반납예정일

리뷰정보

초록정보

In this dissertation, the fabrication and non-destructive inspection of double-stacked membrane-cavity structure are reported. During high-temperature annealing of semiconductor materials, the surface of the material transforms to the shape with minimum surface energy due to surface diffusion. Using the surface diffusion of hole patterned substrate, self-assembled membrane-cavity structure can be obtained. Until recently, the research related to self-assembly has been mainly focused on silicon to fabricate silicon-on-nothing (SON) structures for various applications. However, in the previous SON research, only single SON structure consisting of a membrane-cavity-substrate in the vertical direction was employed. The theoretically reported multi-stacked SON structures can maximize the advantage of self-assembly in that facile method to fabricate membrane-cavity structures. For example, in case of the conventional bonding or selective etching methods multiple fabrication process should be applied in series to fabricate multi-stacked SON structures while one fabrication can result in multi-stacked SON structures from self-assembly. To fabricate double-stacked SON structures, a high-temperature vacuum furnace is employed with the novel cover method for preventing chemical desorption and surface defects during high-temperature vacuum annealing. Using the proposed annealing method single and double-stacked SON structures with a width of ~ 30 µm are successfully fabricated. It is also observed that the taper of initial hole patterns much affect the cavity height than membrane thickness. On the other hand, only reported GON structure has thin membrane (~ 0.3 µm) for easy detachment of membrane from substrate. However, the nanometer scale hole pattern for thin membrane has limitation in the obtainable membrane thickness (~ 0.1 µm), although it is more advantageous for annealing condition than micrometer scale hole patterns. To fabricate GON structures with the micrometer scale membrane, the annealing duration near melting temperature is thoroughly investigated for the micrometer scale hole patterns, and the model for annealing duration according to annealing temperature is proposed. Moreover, effect of the sidewall profile of the initial hole pattern on the post-annealing shape that can be single or double layer is analyzed. Non-destructive inspection method for fabricated membrane-cavity structures is also investigated. In previous studies, the destructive method in sequence of cleaving and imaging was used to examine the fabricated SON structure. However, it is practically difficult to have the high reliability or reproducibility for destructive inspection due to small width of SON structures. Moreover, The destructive inspection has a fatal disadvantage that the cleaved samples cannot be used for post fabrication processes and thus restricts device applications of self-assembled structures. To overcome the limitation of current destructive inspection, NIR interferometry setup is established. The each component of the setup is precisely employed considering the thickness (~ 2 µm) of the fabricated SON structure as well as coherence length of interferogram. To capture the interferogram that becomes comparable with noise due to multiple reflection and transmission at each interface, the noise is minimized as 1% of signal by multiple scanning. The second membrane of double-stacked SON structure is also measured with deviation of 0.01 µm from SEM image while the measured membrane thickness and cavity height show deviation less than 0.13 µm from SEM images for single SON structures. The membrane thickness of GON structures is also measured with the established NIR interferometry setup. It is observed that the surface structure that is originated from initial hole patterns much attenuates the subsurface interferogram signal and the membrane thickness can not be measured, especially for germanium that absorbs incident light. On the other hand, the interferogram signal from bottom side of smooth membrane is captured and the membrane thickness is obtained with deviation less than 0.05 µm from SEM image. As a result, through the measurements of SON and GON structures, it is found that when the ratio of optical depth difference of two adjacent interfaces are higher than 0.9, the membrane thickness and cavity height could be measured with a difference of 6% compared to SEM. It is expected that extension of the number of stacked layers and the thickness of membrane-cavity structures as well as non-destructive inspection method will serve as basic technology for various applications such as complementary metal–oxide–semiconductor(CMOS) compatible single and double-stacked cavity wafers, perfect reflecting substrates, and multi-usable epitaxial growth templates. In addition, a photo detector with optimum sensitivity and a CMOS substrate with wireless communication can also be supplied based on the current results. Furthermore, the established NIR interferometry microscope will facilitate post-annealing shape analysis according to the initial hole pattern by time-effective dense-parametric-study.

본 학위 논문에서는 자가조립 현상을 이용한 복층 박막-공동 구조 제작과 표면 아래의 복층 구조를 측정하기 위한 비파괴검사 장치에 관해 연구를 수행한다. 반도체 물질은 고온 어닐링 중 표면 확산 현상으로 인해 최소 표면 에너지를 갖는 형상으로 변형되며 마이크로 스케일의 원통형으로 식각 된 반도체 기판을 어닐링 할 경우 박막-공동으로 구성된 구조를 제작할 수 있다. 최근까지 자가조립은 실리콘(silicon)에 대해 주로 연구가 되었으며 silicon-on-nothing(SON) 구조는 태양광, 유연 박막, 압력 센서 등 다양한 응용 분야에 대해 연구가 활발히 진행되었다. 하지만 기존 SON 연구에서는 수직 방향으로 박막-공동-기판으로 이뤄진 단층 SON 구조에 대해서만 실증되었다. 반면 이론적으로만 보고된 복층 SON 구조는 자가조립 현상의 쉬운 공정 방법이라는 이점을 극대화할 수 있다. 예로 기존의 본딩 또는선택적 식각 방법은 다층 구조를 제작하기 위해 각 층을 순차적으로 제작하지만, 자가조립 방법은 한번의 공정으로 다층 구조를 제작할 수 있다. 본 연구에서는 복층 SON 구조를 제작하기 위해 고진공/고온 퍼니스를 이용하였으며, 고진공 열처리 시 발생하는 화학적 탈착과 이로 인한 표면 결함을 방지할 수 있는 공정 방법을 제시한다. 제안한 공정 방법을 이용하여 ~ 30 µm 너비의 단층 및 복층 박막 구조를 성공적으로 제작하였으며 초기 패턴의 taper 형상이 박막 보다 공동 크기에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 더 나아가 실리콘에 대해 개발한 열처리 기술을 저매니움(germanium)에 적용하여 마이크로미터 스케일 GON(germanium-on-nothing) 구조를 제작한다. 유일하게 보고된 GON 연구는 제작된 박막을 기판에서 분리하기에 유리한 마이크로미터 이하 두께를 갖는 박막을 제작하였다. 이를 위해 사용된 0.2 µm 이하의 홀 패턴은 마이크로미터 스케일의 홀 패턴보다 열처리에 유리하지만 10⁻¹ µm 스케일 두께 박막만 제작할 수 있다. 본 연구에서는 마이크로미터 스케일의 GON 구조를 제작하기 위해 마이크로미터 스케일 홀 패턴의 열처리 조건을 탐색하였으며 기존 연구에서는 고려되지 않은 초기 홀 패턴의 측벽 프로파일에 따라 같은 종횡비의 홀 패턴으로 복층 또는 두꺼운 단층 GON 구조를 제작할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 반면 기존 연구에서는 제작된 SON 구조 검사를 위해 절단-촬영 방법이 사용되었다. 하지만, 30 µm 너비를 갖는 미세 구조의 절단면을 반복적으로 획득하는 데 현실적인 어려움이 있으며 파괴검사 방법은 측정된 샘플을 후속 공정에 사용하지 못한다는 치명적인 단점이 있기 때문에 자가조립 기반 박막-공동 구조의 디바이스 응용을 제한한다. 본 연구에서는 실리콘이 투명한 근적외선 영역의 빛을 이용하는 간섭현미경을 개발하여 SON 복층 구조에 비파괴검사 방법을 적용한다. 제작된 SON 구조의 두께(~ 2 µm)와 coherence length를 고려하여 광학계를 구성하였으며, 복층 SON 구조를 측정하기 위해 다중 스캔 방법을 적용하여 신호 대비 노이즈의 비율을 1% 정도로 감소시켰다. 두께 측정 결과, SEM 이미지와 비교하여 단층 SON 구조에서 0.13 µm 이하의 오차를 확인하였으며, 복층 SON 구조의 두 번째 박막 두께를 측정할 수 있었다. 근적외선 간섭현미경을 저매니움에 적용하여 빛을 흡수하는 매질의 경우 열처리 시 생성되는 표면 구조로 인한 회절 현상이 간섭 신호 크기를 감소시키며 이에 따라 측정 가능 여부가 정해지는 것을 알 수 있었다. 또한 SON 및 GON 구조 측정 결과를 통해 coherence length 대비 경계면의 optical depth difference가 측정에 미치는 영향에 대해 조사하였으며 그 값이 0.9 이상일 경우 SEM 대비 6%의 차이로 멤브레인의 두께와 캐비티 높이를 측정할 수 있었다. 본 학위 논문에서 제시하는 적층수 및 제작 가능한 두께 확장 기법 그리고 비파괴 검사 기법은 complementary metal–oxide–semiconductor(CMOS) 공정에 적용 가능한 단층/복층 캐비티 웨이퍼, 광학적 반사 기판, 다회 사용 가능한 엑피택시얼 성장 기판의 기반 기술로 사용될 것으로 기대한다. 이를 기반으로 필요에 따라 최적 민감도를 갖는 광검출기, 무선 통신이 가능한 CMOS 기판으로의 응용도 가능할 것으로 기대한다. 더 나아가 제작한 근적외선 간섭현미경은 조밀한 변수학습을 가능케 하여 초기 패턴에 따른 어닐링 후 형상 분석에 도움을 줄 것으로 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 22029
형태사항 v, 71 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정문경
지도교수의 영문표기 : Bong Jae Lee
지도교수의 한글표기 : 이봉재
공동지도교수의 영문표기 : Jungchul Lee
공동지도교수의 한글표기 : 이정철
수록잡지명 : "Formation, evolution, and prevention of thermally induced defects on germanium and silicon upon high-temperature vacuum annealing". Journal of Vacuum Science & Technology A, v.39, p.060403(2021)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 References : p. 62-70
주제 Self-assembly
High-temperature vacuum annealing
Shape evolution
Membrane-cavity structures
Non-destructive inspection
자가조립
고온-고진공 어닐링
형상변화
박막-공동 구조
비파괴검사
QR CODE

책소개

전체보기

목차

전체보기

이 주제의 인기대출도서