This thesis with the stress characteristics of thin films in chapter 1 and the fabrication of flexural plate wave device in chapter 2. In chapter 1, polysilicon is most frequently used as structural layers in the field of MEMS based on surface micromachining technology and it should have the low stress for the fabrication of free standing microstructures. We suggested a symmetrical stacking method for the preparation of a thick film. In order to minimize the stress and the stress gradient of multi-stacked polysilicon films for the microactuator applications, we investigated the stress behavior in terms of phosphorus distribution and the polysilicon/polysilicon interface at which phosphorus and oxygen atoms were piled up. The phosphorus dopant enhanced the stress relaxation during annealing and also introduced the compressive stress in polysilicon films. The thin oxidized layer formed at the interfaces had the major contribution to formation of the stress gradient of multi-stacked films. The influence of the interface on the stress could be minimized by using the symmetrical stacking of polysilicon films, so that it resulted in the low stress gradient of $-0.15 MPa ㎛^{-1}$/ for 6.5 ㎛ thick film with the stress of -7.6 MPa. The micromachined resonator showed quality factor of 270 and maximum vibrating amplitude of 5 mm under 15 V DC bias and 0.05 V input AC signal in a vacuum chamber at 1 torr. Using the symmetrical stacking process, the thick structural layer with a low stress could be fabricated in the conventional LPCVD equipment which is being used in semiconductor IC technology without any modification. Therefore, this proposed method could be useful in the fabrication of surface micromachined structures.
We examined the stress in single crystalline silicon theoretically and experimentally with phosphorus doping level and heat treatment. The dopant atom plays an important role in the formation of stress profile, since dopants located in substitutional sites deflect the silicon lattice and produce changes in stress of the doped silicon. Phosphorus dopant gave rise to a lattice contraction resulting in the tensile stress in P-doped Si single crystal while the compressive stress in polysilicon. The lattice dilation coefficient for phosphorus ($β_p=-4.5×10^{-24} ㎤$) in silicon was measured by utilizing high-resolution x-ray rocking curve. A formula was derived on the basis of the lattice dilation theory to calculate the stress profile caused by dopants in silicon film and the model was verified experimentally by using the micromachined test structures on SOI wafer. The formula enabled us to estimate the stress and the stress gradient only from dopant profile. The proposed model can provide the improved method of estimating the dopant-induced stress in silicon and it is expected to be applied to the other impurities in silicon crystal if one have the value of lattice dilation coefficient β.
In chapter 2, we investigated the fabrication process of flexural plate wave (FPW) actuator based on the piezoelectric PZT thin films and new application of the wave. We calculated the velocities of the lowest antisymmetric mode ($A_0$) Lamb wave (flexural plate wave) in multilayer plates and determined the thickness of each layers in order to design a device with low velocities. The multilayer plate including a piezoelectric PZT film has the PZT/Pt/Ti/$Si_3N_4$/_SiO_2$/$Si_3N_4$ structure. The structural layers of $Si_3N_4$/_SiO_2$/$Si_3N_4$ could control the stress of the membrane that leads to a low phase velocity of the FPWs. We also designed the ultrasonic delay line to apply it to mask layout, and fabricated the flexural plate wave actuators by using the silicon bulk micromachining technique with the piezoelectric PZT films. The device was designed to have the operating frequency of 2-3 MHz, acoustic wavelength of 100 ㎛, the thickness of the membrane of 1.8 ㎛ phase velocity of 300 m/sec, and membrane area of 8.5mm×2.1mm. The angular rate sensor employing the flexural plate wave was proposed first and the working principles of the angular rate sensor utilizing the flexural plate wave were discussed. The fabrication of FPW device consisted of three-mask process including lift-off patterning, bulk micromachining and formation of PZT thin films and the fabrication problems related with silicon micromachining process were investigated.
We investigated the process related with PZT films to apply it to the fabrication of flexural plate wave device. The hillock of Pt films on Ti adhesion layer was studied in terms of Pt deposition conditions and adhesion layers. The formation of hillock was deeply related to the oxidation of Ti layer during annealing and it could be reduced by using the high temperature Ti layer and thick Pt films deposited t 400℃. The properties of PZT films were directly influenced by the crystalline quality of Pt films. The electrical properties of PZT films were optimized by controlling the hillock formation and the crystalline quality of Pt films. The adhesion between PZT/Pt and silicon nitride was enhanced by using the uniform Pt films deposited by two step sputtering method. The PZT coating process was successfully applied to large-area silicon wafer (5").
MEMS(MicroElectroMechanical Systems)의 제조기술은 반도체 집적회로 제조기술을 근간으로 지난 십 년간 비약적인 발전을 거듭해 왔으며 센서 및 액츄에이터의 소형화에 큰 기여를 하였다. 폴리실리콘(polycrystalline silicon)은 우수한 전기적, 기계적특성 및 이미 확립된 가공기술로 인하여 박막미세가공분야에서 가장 널리 사용되는 구조용 재료 중의 하나이다. 박막미세가공기술을 이용하여 초소형 구조체를 제작하는데 있어 제한 요소 중의 하나는 박막의 잔류응력이다. 박막의 응력은 희생층이 제거된 구조체에서 변형을 일으키므로 이러한 기술분야에서 응력을 제어하는 기술은 점점 중요시되고 있다. 초소형 구조체를 제조하기 위해서는 수 마이크론 이상의 두께를 가지며 응력이 작은 폴리실리콘 박막의 제조기술이 필수적이다. 본 연구에서는 두꺼운 폴리실리콘 박막을 제조하기 위하여 적층법을 사용하였다. 적층형 박막에는 폴리실리콘층간의 계면이 존재하며 이곳에 불순물이 쌓이게 되는데, 이ㅏ로 인하여 박막의 응력을 제어하기가 어려워진다. 이러한 문제에도 불구하고 적층법은 기존의 장비를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며 저가 공정에 유리해진다. 본 연구에서는 초소형 구동소자의 제조에 응용하기 위하여 적층형 폴리시리콘 박막과 단결정 실리콘에서 응력제어 기술을 연구하였다. 첨가된 불순물 인과 폴리실리콘/폴리실리콘 계면의 관점에서 적층형 폴리실리콘 박막의 응력과 응력구배를 조사하였다. 적층계면에서 인의 편석과 산화는 적층형 박막의 응력에 큰 영향을 미치며, 대칭적인 적층법을 이용하여 계면의 영향을 최소화시켜 -0.15 MPa/㎛의 낮은 응력구배를 가지는 박막을 제조할 수 있었다. 인 원자는 폴리실리콘에서는 압축응력을 발생시키나 단결정 실리콘에서는 인장 응력을 발생시키는 것으로 관찰되었다. 이러한 적층된 박막을 이용하여 초소형 진동소자를 성공적으로 제조할 수 있었으며 1 torr의 압력하에서 최대 진동폭은 5 ㎛ 품질계수는 270으로 측정되었다. 초소형 구동기를 제조하기 위해 필요한 두꺼운 폴리실리콘막을 제조함에 있어 적층공정을 사용하여, 별도의 장비개선 없이도 상용화된 저압화학증착 장비를 이용하여 저응력의 폴리실리콘 박막을 제조할 수 있었다. 실리콘 격자의 치환형 위치를 차지하는 불순물 원자는 실리콘의 응력분포를 변화시키는 중요한 원인중의 하나이다. 인에 대한 실리콘의 격자팽창계수를 고분해능 X-ray를 이용하여 측정하였다($β_p=-4.5×10^{-24} ㎤$). 단결정 실리콘에서 격자팽창이론을 근거로 하여 불순물 원자에 의해서 발생되는 응력분포를 이론적으로 예측하기 위한 모델을 제시하였으며, 이를 SOI 웨이퍼에 제작된 초소형 구조체를 이용하여 실험적으로 검증하였다. 이 모델은 불순물 원자에 의해 기인되는 응력분포를 예측하는 개선된 방법을 제공하며 실리콘 초소형 구조체의 제작에 응용될 것으로 사료된다.
압전체를 이용하여 구동되는 초음파 소자에 관한 연구는 현재까지 지속적으로 진행되어 왔으며, 광범위한 분야에 걸쳐 응용되고 있다. 최근 들어 MEMS 제조기술을 이용하여 초소형 초음파소자를 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 탄성파의 일종인 flexural plate wave(FPW)는 표면탄성파(SAW)와는 달리 박판을 매질로 사용하여 진행되며, 비교적 낮은 주파수(~MHz)에서 구동된다. 이러한 낮은 주파수에서 구동되는 FPW 소자는 다른 초음파 소자에 비해 고감도 센서의 실현을 가능하게 하며, 유체점의 밀도, 밀도센서, 기체센서, 단백질센서, 마이크로펌프 등에 응용되고 있다. 압전박막 위에 형성된 IDT(interdigital transducer) 전극을 이용하여 FPW는 발생시켰으며, 파의 검출에도 사용되었다. 파의 매질로 사용되는 박판은 PZT 박막과 백금전극, 구조층인 $Si_3N_4/SiO_2/Si_3N_4$으로 구성되며, 사각의 박판은 미세가공된 실리콘으로 지지된다. 구조층은 각각의 박막 두께를 조절하여 저응력의 박판을 제조할 수 있으며, 위상속도가 작은 FPW를 가능하게 하였다. 본 연구에서는 박판의 두께와 응력을 고려한 파의 속도를 이론적으로 계산하였고 이를 바탕으로 소자를 설계하였으며, 기판미세가공기술을 이용하여 FPW 소자의 제조기술에 대하여 연구하였다. 또한 FPW를 이용하는 각속도 센서를 최초로 제안하였으며 각속도 검출 원리에 대하여 이론적으로 고찰하였다. 이러한 형태의 각속도 센서는 감도가 뛰어나며 진공 밀봉이 필요하지 않다는 장점을 가진다. FPW 소자는 구동 주파수 2-3MHz, 파장 100㎛, 위상속도 250m/sec, 박판의 크기 8.5×2.1㎟ 등의 사양을 가지도록 설계되었다. 구동원으로 사용되는 압전 PZT 박막과 백금전극의 제조기술을 연구하였다. PZT 박막의 전기적 단락을 일으키는 원인 중 하나인 Pt/Ti 박막의 hillock 형성은 Ti의 산화를 억제함으로써 효과적으로 방지될 수 있었다. 대면적 웨이퍼에 박막을 형성하기 위해서 필수적인 부착(adhesion) 특성을 연구하였다. 소자를 제조하기 위한 여러 단계의 공정을 수행하는 과정에서, 그리고 제조된 소자를 제조하기 위한 여러 단계의 공정을 수행하는 과정에서, 그리고 제조된 소자를 구동하는 동안에 박막은 기판으로부터 분리되지 않아야 하기 때문에 박막과 기판과의 부착력은 필수적이라고 할 수 있다. 부착층의 종류에 따른 PZT/Pt 층의 부착특성을 조사하였으며, 이에 따른 PZT 박막의 전기적 특성의 변화를 고찰하였다. 이러한 연구를 통하여 PZT 박막을 사용하는 초소형 구동소자의 제조기술을 확립하였다.
