MEMS Probe Unit용 Si Deep Etching 공정 기술 지원 - …MEMS Probe Unit용 Si Deep Etching...

MEMS Probe Unit용 Si Deep Etching 공정

기술 지원

2007. 9. 30

지원기관： 한국광기술원

지원기업： (주)제이엠엘

산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “MEMS Probe Unit용 Si Deep Etching 공정 기술 지원”(지원기간 :

2006. 10. 01 〜 2007. 09. 30)과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다.

2007. 9. 30.

지원기관 : 한국광기술원

(대표자) 유 은 영

지원기업 : (주)제이엠엘

(대표자) 심 용 진

지원책임자: 한 명 수 책임연구원

참여연구원: 박 영 식 책임연구원

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기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2006. 10. 01 ～ 2007. 09. 30 (12개월)

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 MEMS Probe Unit용 Si Deep Etching 공정 기술 지원

지원책임자 한 명 수 지원연구원수

총 : 2 명

내부 : 2 명

외부 : 0 명

총

사업비

정부: 50,000 천원

기업: 50,000 천원

계: 100,000 천원

지원기관명 한국광기술원 소속부서명 광응용연구사업부

지원기업 기업명: (주)제이엠엘 기술책임자 : 김 장 현

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내)보고서

면수

- MEMS 프로브 유닛용 Si 웨이퍼의 깊은 식각 공정 기술을 실험계획법을 적용

하고 지원기관의 장비 및 기술정보 제공, 교육훈련을 통해 성공적으로 지원하였

음.

- Si 웨이퍼의 양면식각을 위한 마스크공정의 양면 정렬정확도를 기존의 ±2㎛

이상에서 photo 공정 개선 및 식각조건 개선을 통해 ±1㎛ 수준으로 향상시켰

음.

- 기존의 20㎛ 이상의 선폭에 대한 식각공정조건을 개선하여 15㎛ 선폭에 대해

Si 웨이퍼 두께 만큼 식각하는 공정조건을 확보하여 50:1의 aspect ratio를 구현

함.

- Si 깊은 식각 시 발생하는 grass(black)를 제거하는 공정 조건을 획득한 후

생산제품에 적용하고, 장비의 안정적인 유지 관리를 통한 재현성있는 식각공정

조건을 지원함.

- Si 식각공정 시 웨이퍼 표면에 존재하는 파티클 관측을 위해 표면검사장치를

도입하여 공정 중간에 확인한 후 공정을 진행하여, 재작업하는 시간을 단축하고,

공정수율을 증가시키는 지원을 함

색 인 어

(각 5개 이상)

한 글멤스 프로브 유닛, 실리콘 깊은식각, 정렬정확도, 파티클

제어

영 어MEMS Probe unit, Si deep etching, alignment

accuracy, particle control

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기술지원성과 요약문

1. 사업목표

○ 고수율 MEMS 프로브 유닛용 Si die 개발이 가능한 Deep Si etching 공정

개선 지원

- High aspect ratio(50:1)를 갖는 deep Si etching 공정 기술 지원

- 양면 마스크 패턴 공정에서의 misalignment 개선 지원, 정렬정확도 ±1 um

- Particle 발생을 최소화 할 수 있는 반도체 공정기술 지원

2. 기술지원내용 및 범위

- MEMS 공정의 미세 선폭 구현에 따른 High aspect ratio(50:1)을 갖는 Si 깊

은식각공정 기술 지원

◦ 공정 설계 및 실험계획법에 의한 에칭 조건 최적화 지원

◦ Grass 발생 방지 조건 확보 및 양면식각 공정지원

- 양면 마스크 패턴 공정에서의 정렬 정확도 ±1㎛ 구현기술 지원

- 각 단위 공정 관리를 통한 particle 발생저지 및 수율향상 지원

○ 각 단위공정 점검 및 통계적 공정관리에 의한 먼지 다발생 공정 제거, 장비

의 효율적 관리를 통한 수율 확보 지원

3. 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

High aspect ratio

증대 구현20:1~30:1의 AR 30:1~50:1의 AR

장비효율적 운영 및

유지 관리로 최적조

건 확보

fine pitch 테스트

마스크 설계 지원

선폭 20㎛ 이상의

크기에 적용15㎛ 선폭 패턴 가능

450㎛ 두께의 Si 웨

이퍼 사용, 제품 확

장성이 증가함

양면 얼라인먼트 정

확도 향상

±2㎛ 이상의 정확

도±1㎛의 정확도 확보 수율증가(원가절감)

웨이퍼 파티클 저감

에 의한 수율 증대

공정수율이 기존에

30%~50% 수준이

었음

표면검사장치를 도입

하여 수율 70% 이상

증가

제품납품실적 증가함

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4. 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 : MEMS Probe Unit

o 모 델 명 : JML-PU

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질

경쟁제품 대비 가격

※ 객관화 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가절감 효과

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 15 백만원/년( 1 %)

인건비 절감 6 백만원/년( 2 %)

계 21 백만원/년( 1 %)

※ 공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 2,400백만원/년 3,000백만원/년 25 %

수 출 0천달러/년 0천달러/년 0 %

계 2,400백만원/년 3,000백만원/년 25 %

참고) 1. 적용제품 주요수출국 :

2. 작성당시 환율기준 ：

- 6 -

5) 수입대체효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러/년 천달러/년 천달러/년

천달러/년 천달러/년 천달러/년

계 천달러/년 천달러/년 천달러/년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

- 지원실적에 의한 Si 깊은 식각 공정 기술 지원에 의한 일부공정을 개발함으로

써, 기존의 애로사항이었던 aspect ratio를 향상시키고, 미세패턴에 대한 양면 Si

깊은 식각(450㎛ 두께) 공정을 확보하였으며, 지원기업에서 본 지원공정을 통한

Probe Card 제작에 응용이 가능하고 다양한 Si 다이를 제작 할 수 있게 됨

7) 기술적 파급효과

- LCD 검사용 probe unit 및 반도체 테스트용 MEMS 프로브 카드용 Si 다이 제

작 공정 기술 확보

- MEMS 신공정 라인 구축의 발판 마련, Water 레벨 패키지 관련 기술 습득 효

과

- 다양한 형태의 MEMS 프로브 유닛 및 MEMS 프로브 카드용 Si 다이 반도체

상용화 개발

- 7 -

5. 적용기술 인증, 지적재산권 획득여부

1) 규격, 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종 류 명칭 번호발명자

(고안자)권리자 실시권자

비고

(등록, 출원)

특허

산화확산 및

제거에 의한

실리콘 식각면

개질 방법

2007-006

7647

한명수

박영식

김장현

KOPTI

(주)

제이엠엘

(주)

제이엠엘출원

특허

마이크로 팁 및

니들의

제조방법과 이에

따라 얻어진

프로브 카드용

버티칼형 프로브

2007-005

6664

(주)

제이엠엘

(주)

제이엠엘

(주)

제이엠엘출원

- 8 -

6. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 8건 별첨자료

시제품제작 건

양산화개발 건

공정개선 3건 보고서 본문

품질향상 건

시험분석 15건 부록 2 참조

수출 및 해외바이어 발굴 건

교육훈련 3건

기술마케팅/경영자문 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수12건 세부증빙내용 참조

참여기업 방문회수 34건 부록 1 참조

기 타 건

7. 종합의견

- MEMS Probe Unit용 Si Die를 제작하는 공정 기술을 지원하는 사업으로 Si 깊

은식각 공정 조건 확보, 양면 정렬 정확도 개선, Si 웨이퍼 표면 파티클 저감공

정, High aspect ratio 공정 등의 기술을 지원하였음.

- 시험분석 및 실험계획법을 적용하여 안정적이고 재현성 있는 Si 깊은 식각조

건을 확보하였으며, 지원기업 방문, 교육훈련, 기술자료제공 등 종합적인 기술지

원이 되었음

- 이러한 공정기술 지원을 통해 MEMS 공정 수율이 증가와 납품실적이 증대되

는 효과가 기대됨.

- 9 -

□ 연구과제(세부과제) 성과

1. 과학기술 연구개발 성과

□ 논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

(11) 저자(12)

학술자명

(13)

Vol.

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SGI

구분주저자 교신 저자 공동 저자

주 1) 부처: 사업 주관 부처 기재

2) 사업명: 사업명 기재

3) 관리번호: 관리번호는 기관에서 관리하는 과제관리번호임

4) 세부과제명: 세부과제명을 기재

5) 연구책임자: 연구책임자를 기재

6) 연구기관명: 연구기관명을 기재

7) 과제시작년도: 해당 세부과제의 시작년도 기재 (예, 2001)

8) 과제종료년도: 해당 세부과제의 종료(예정)년도 기재 (예, 2002)

9) 게재년도: 해당 논문의 학술지 게재 연도 기재

10) 논문명: 해당 논문의 제목 기재

11) 저자: 해당 논문의 저자를 기재하되, 주저자(first author), 교신저자

(corresponding author), 공동저자(co-author) 등 해당란에 기재

12) 학술지명: 해당 논문이 게재된 학술지명 기재 (예, Cell)

13) Vol.(No.): 해당 논문이 게재된 학술지의 Volume(Number) 기재 (예,

114(4))

14) 국내외 구분 : 학술지의 국내외 구분 (예: 국외)

15) SCI구분: SCI 등재 학술지이면 ‘SCI’, 그렇지 않으면 ‘비SCI’기재

- 10 -

2. 사업화 성과

□ 특허 성과

O 출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2007

산화확산 및 제거에

의한 실리콘 식각면

개질 방법

한국광기술원/

(주)제이엠엘대한민국 2007-0067647

2007

마이크로 팁 및 니들의

제조방법과 이에 따라

얻어진 프로브 카드용

버티칼형 프로브

(주)제이엠엘 대한민국 2007-0056664

O 등록된 특허의 경우

특허세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

- 11 -

□ 사업화 현황

사업화 세부사항

(9)사

업화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요(12)

기매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액 합계

(백만원)업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Si

MEMS

MEMS Si

웨이퍼

(주)

제이엠엘심용진 11명 4 1,500 2,400 3,900

주11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1. 연구책임자 창업, 2. 기술이전에

의한 창업, 3. 창업지원, 4. 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호

기입

□ 고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

(명)

(10)

사업체 확장

(명)

(11)

합계

(명)

0 2 2

주9)

10)

창업의 경우는 “2. 사업화 성과”에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입

사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이

나 부서의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입

- 12 -

□ 세부지원실적 증빙 내용

1. 참여기업 현장방문 : 34 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006.10.20-과제 kick-off 미팅

-D-RIE 공정 애로사항점검무

22006.11.08

-11.10

-PR 규격 (PMER-LA900) 협의

-D-RIE 에칭 가스 구매 및 광기술원 장비 사용

지원 협의(D-RIE)

유

(기술지원일지)

32006.11.30

-12.01

-광기술원 D-RIE 장비 이용한 공정 지원

-Probe Unit용 Si-die 제작 수율 협의

-협피치 공정 조건 협의

유


42006.12.04

-12.05-Si Deep Etching 공정 및 공정 결과 검토

유


52006.12.06

-12.14-Surface roughness 측정 및 개선 방안 제시

유


62006.12.19

-12.20-PR 및 Undercut 측정 및 결과 확인

유


72006.12.21

-12.22

-미세선폭에 대한 Si Deep Etching 공정조건

협의

유


82007.01.08

-01.10-Pattern grass(black) 현상 개선 협의

유


92007.01.23

-01.24-Si Deep Etching 공정 조건 및 장비 협의

유


102007.02.07

-02.08-Pattern grass(black) 현상 개선

유


112007.03.22

-03.23-50㎛ Pattern Etch 검사 및 개선 방안

유


122007.03.29

-3.31

-SEM 사진 분석 및

-30~40㎛ Pattern Etch 검사 및 개선

유


132007.04.06

-04.09-Low frequency 조건 검사 및 개선

유


142007.04.23

-04.24

-Water temperature 조건 개선

-전공정 검토, Photo 공정, 식각조건 협의

유


152007.04.24

-04.25

-Si Deep Etching을 위한 단위공정 및 파티클

제어 문제 협의

유


162007.04.26

-04.27-Water Pressure 조건 개선 검사 및 결과 확인

유


172007.05.14

-05.15

-Pattern 및 Etch depth 변화에 의한

Grass(Black) 확인 및 개선 협의

유


182007.05.17

-05.18-Deep Si Etcher 장비 리크 문제 협의

유


- 13 -


192007.05.23

-05.25-Grass(Black)의 개선 검사 및 개선 확인

유


202007.05.28

-05.29-Profile의 개선 검사 및 개선 확인

유


212007.06.05

-06.08-Chamber condition에 의한 Grass 현상

유


222007.06.11

-06.12-Mask Aligner Spin coater 유지 관리 협의

유


232007.06.14

-06.15-Chiller Cooling에 의한 Profile의 변화 확인

유


242007.06.22

-06.26-Water 양면 공정 시 문제점 및 개선 협의

유


252007.07.03

-07.04-water의 열전도에 의한 온도 변화 확인

유


262007.07.18

-07.23-표면 온도 확인 및 water attach 공정 개선

유


272007.07.25

-07.26

-Si Wafer의 파티클 제어 및 표면검사장치 제작

협의

유


282007.07.30

-08.03

-Grass 및 Top & Bottom Align 개선 확인

-Grass 개선 방안 점검

유


292007.08.07

-08.08-Mask aligner system 확인 및 Test align

유


302007.08.13

-08.14-water Top & Bottom align 개선

유


312007.08.22

-08.30

-Mask 자체 점점 후 공정 검사

-Mask align 문제에 대한 개선

유


322007.8.31

-09.03-가변 Pattern Mask align 재현성 개선 검사

유


332007.09.05

-09.06

-최종 Top & Bottom 재현성 개선

-Water 표면 파티클 제어

유


342007.09.19

-09.21

-Si 후면 식각공정 및 웨이퍼 표면 파티클 제어 협

의

유


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2. 기술정보제공 : 8 건


1 2006.11.30Microsensors MEMS and Smart Devices

책자 외 자료 제공유

2 2007.02.07 Si Deep Etching 기술 논문 3편 유

3 2007.04.25 PMER 관련 기술 자료 2건 유

4 2007.05.17 Si 식각 관련 기술자료 2건 유

5 2007.06.05 Si 식각 관련 기술자료 1건 유

6 2007.07.18 Si Deep Etching 관련 논문 2건 유

7 2007.08.22 Si Deep Etching 관련 논문 1건 유

8 2007.08.30 기술동향 자료 2건 유

3. 시제품제작 : 건


- 15 -

4. 시험분석 : 15 건


1 2006.11.14- D-RIE 식각 샘플 SEM 측정분석 지원

- 식각깊이 특성 확인유

2 2006.11.23 - D-RIE 식각 단면 SEM 측정분석 지원 유

3 2006.12.06 - Deep etching 공정 샘플 SEM 측정분석 유

4 2006.12.08 - Deep etching 공정 샘플 SEM 측정분석 유












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5. 기술지원실적 업로드 : 12 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙 유무

1 2006.11.30Si 깊은 식각 기존 단위공정 SEM

분석 자료유

2 2006.12.14실험계획법에 의한 인자배치도 및

주요인자 도출 지원유

3 2007.01.08 PMER 애로기술 공정 데이터 유

4 2007.02.07 PMER 마스크 공정의 실험계획법 적용 유

5 2007.03.22 PMER 공정의 실험계획법 적용 유

6 2007.04.07실험계획법에 의한 PMER 포토공정

최적화 데이터유

7 2007.04.24 Si 식각 공정조건 데이터 유

8 2007.05.23 Si D-RIE 공정조건 데이터 유

9 2007.06.14 실험계획법에 의한 Si 식각 공정 데이터 유

10 2007.07.18 실험계획법에 의한 4인자 2수준 실험결과 유

11 2007.08.22 에칭 조건별 SEM 측정 지원 유

12 2007.09.05웨이퍼 표면 검사장치 및 에칭 조건 변화

데이터유

- 17 -

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내외 기술현황

제 1 절 시장현황

제 2 절 국내·외 기술현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

제 2 절 기술지원 성과

제 4 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도

제 1 절 목표달성도

제 2 절 관련 분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

제 6 장 참고문헌

부 록

부 록 1. 현장 기술지원 일지

부 록 2. 시험분석지원 일지

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제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

1. LCD 검사 장비 개요

LCD 검사장비는 LCD 패널 제조업체의 생산 공정상에서 검사기능을 수행함으로써

생산과정에서 발생할 수 있는 불량을 미연에 방지하여 기회손실 비용을 최소한으로

줄이고 출하후에 발생할 수 있는 리콜, 클레임 등 품질문제를 최소화하기 위한 중

요역할을 하는 제품이다. 디스플레이 제조는 여러단계의 공정으로 매우 세밀한 작

업을 거치며 이러한 장비 중 후공정 장비에 해당하는 검사장비도 매우 중요한 분야

로, 오엘케이, 넥스트인스트루먼트, 파이컴, 에스엔유프리시젼 등의 업체가 있다.

이러한 LCD 검사장비 중에 probe station은 TFT-LCD 생산 라인의 마지막 단계에

서 점등검사를 통하여 TFT-LCD 패널의 불량여부를 판정하는 장비이다. 즉, LCD

패널을 자동으로 이송시켜 장비내부에 설치된 카메라와 Probe Unit을 통해 표면결

함 여부 및 불량유무를 자동으로 판별해 내기 위한 테스트 장비이다. Probe

station은 수동방식과 무인자동화 방식이 있는데, 기존 probe station이 사람의 육

안으로 불량을 찾아내는 반면, 무인 자동화 probe station은 카메라를 이용하여 불

량을 찾아내고 있으며, 일반 probe station 보다 검사 효율이 높고, 대형 패널 검사

에 유리하다.

Probe Unit은 TFT-LCD 패널 검사장비인 probe station에 부착되는 소모성 부품으

로 TFT-LCD 패널과 직접 접촉하면서 불량여부를 판독하는 핵심부품으로 일회성

매출의 특성을 갖는 Probe station과 달리 probe unit은 20~25만회이 접촉이 진행

되거나, 신제품 출시 등에 따른 TFT-LCD 패널의 설계 변경이 있으면 교체되어야

한다. 따라서 probe unit의 수요는 TFT-LCD 패널의 생산량과 신제품 출시 증가에

비례하여 매출이 반복적으로 발생하는 특징이 있다.

Probe unit의 동작방법은 TFT-LCD 제조공정에 있어서 LCD 패널의 소스 및 게이

트 전극에 probe 탐침을 접촉시키고 전기신호를 흘려보냄으로써 LCD 패널의 적·

녹·청색 표출 여부와 해상도 및 휘도 등을 검사한다. 이러한 probe unit과 유사한

probe card 및 MEMS card 등이 있다.

Probe 유닛은 제조방식에 따라 Needle 타입과 MEMS 타입으로 구분되며, Needle

타입은 검사용 Pin을 수작업으로 붙여 제작하며, MEMS 타입은 반도체 제조공정 중

etching 방식으로 성형한 wafer guide 안에 pin을 삽입하여 생산하며 제조공정의

차이로 MEMS 타입이 Needle 타입 대비 상대적으로 이익률이 높은 것으로 알려져

있다.

- 19 -

Probe 유닛과 유사한 반도체 검사장비인 Probe card, MEMS card가 있으며,

Probe card는 반도체 제조공정 중 웨이퍼상에 형성되어 있는 각각의 IC칩 의 회로

들에 대해 설계 당시의 의도대로 제작되었는가의 전기적 특성을 검사하는 부품으로

PCB 기판상에 pin(needle)을 조립·결합하여 IC 칩 내의 회로 및 출력단자의 pad와

접촉시켜 칩의 특성을 외부계측기로 전송시켜, 칩의 양·불량을 검사, 판단케 하는

부품이다.

MEMS 카드는 MEMS 기술로 개발한 새로운 개념의 Probe card를 말함. 기존

Probe card가 1회에 최대 32칩을 검사할 수 있었으나, MEMS card는 1회에 128개

의 칩까지 검사할 수 있어 시간단축 및 생산능력 향상으로 다양한 소자를 검사할

수 있는 장점이 있다.[1]

2. 지원기업의 현황 및 애로기술

지원기업인 제이엠엘은 국내 대표적인 반도체 공정 및 칩 제작업체로 MEMS

foundry 업체로 잘 알려져 있으며, TFT-LCD 패널의 불량 여부를 판정하는 probe

unit 및 fad-out된 반도체의 양품 또는 불량품을 test하는 probe card용 Silicon

die를 제작하여 매출을 발생시키고 있다. MEMS 프로브 카드 및 LCD 프로브 유닛

제작업체가 요구하는 Si die를 공급하고 양산함에 있어 적기에 납품을 대응할 수

있는 수율증대가 가장 절실한 상황이다.

또한 지원기업의 연구 조직 규모와 장비 등의 기술인프라 및 최고경영자의 의지가

매우 뛰어나지만 생산과 연구를 동시에 수행하다 보니 수율개선 및 신공정 연구개

발에 시간적·재정적 투자가 매우 어려운 상황이다. 그러므로 Si 깊은식각 공정 개선

을 위한 다각적인 방안 및 아이디어가 부재하여 이를 해결할 수 있는 기술지원이

절실히 요구되어 본 과제를 수행하였다. 또 한가지는 Si die를 제작하기 위해 양면

마스크 공정을 수행할 때 미세패턴일 경우 mask alignment 정확도가 낮아 불량이

발생하여 공정지원이 필요한 상황이다.

- 20 -

제 2 절 기술지원 목표

o 지원목표

고수율 MEMS 프로브 유닛용 Si die 개발이 가능한 Deep Si etching 공정 개선 지

원

◦ 상세예상 목표

- High aspect ratio를 갖는 deep Si etching 공정 기술 개발, 기존의 aspect

ratio 약 20:1에서 목표치 50:1을 갖는 Si 다이 제작 공정 기술 지원

- 양면 마스크 패턴 공정에서의 misalignment 개선, 반도체 공정의 미세 선폭 구현

에 따른 pitch 간격의 축소로 인해 fine pitch의 소자 제작 가능하도록 공정 개선하

여 조건 전수. 기존의 정렬 정확도 약 2um에서 절반 수준인 약 1㎛ 수준의 포토

공정 기술 지원

- Particle 발생을 최소화 할 수 있는 반도체 공정기술 지원, 각 단위 공정에서의

공정관리를 통한 particle 발생저지, MEMS 프로브 유닛용 Si 다이 수율향상 기술

지원

◦ 정량적 목표

- 21 -

제 3 절 기술지원 내용

1. 목표에 따른 기술지원 내용

2. 지원연구원이 보유중인 본과제와 관련된 세부기술지원내용

◦ 미세패턴 공정이 가능한 D-RIE용 마스크 제작 공정 기술 지원

◦ 양면 alignment 공정을 포함한 포토공정 지원

◦ High aspect ratio을 구현할 수 있는 Si D-RIE 공정 기술 지원, 6인치 Si의 고

식각율에서의 etch depth 균일성 및 fine pitch에 대응 가능한 식각깊이 구현 기술

지원

◦ D-RIE 장비의 특성을 고려한 식각 trend 조사, Si 깊은 식각 공정인자별 실험계

획법에 의한 최적 조건 개발

◦ 광기술원 D-RIE 장비를 활용하여 High aspect ratio 구현 조건 확립으로 제이엠

엘의 장비를 효율적으로 사용 가능하게 하며, PR 마스크 작업 조건 또한 광기술원

에서 동시에 개발함으로써 단기간에 문제해결 가능하도록 지원

- 22 -

제 2 장 국내외 기술현황

제 1 절 시장현황

현재 전세계 프로브 관련 시장 규모는 7억불 규모로 2008년에는 10억불을 상회할

것으로 예측된다[1,5]. 이중 MEMS 카드 등 차세대 프로브카드가 차지하는 비중이

전체시장의 40%를 차지하고 있으며, 향후 연간 20~30%의 고도성장이 예상된다.

MEMS 프로브 카드 관련 특허는 1998년에 처음으로 3건이 출원되기 시작하여

2003년까지 총 34건이 출원되었다. 초기에는 외국인 출원이 주류였으나, 2003년에

는 60%이상을 내국인이 출원하고 있으며, 향후에도 MEMS 관련 시장규모가 커지

면서 국내업체의 출원이 증가할 것으로 전망된다.

차세대 반도체 테스트장비인 국산 MEMS 프로브 카드가 기존 제품에 대한 교체수

요, 반도체 생산량의 증가 및 LCD 생산업체의 투자확대로 2004년 상반기 200%

이상의 매출 성장률을 기록하면서, 외국업체와 대등한 경쟁을 펼치고 있다.(외국선

진국100:국내95)

Probe 유닛은 LCD 패널의 화상검사를 실행하는 부품으로 마모에 따른 소모품적인

특성이 있으며, 이를 부착한 Probe station은 로봇형태의 화상점등 자동검사 장비

로 주로 LG필립스 LCD에 납품되고 있으며, 2005년 기준으로 파이컴과 코스닥상장

업체인 유비프리시젼이 각각 40%의 점유율을 차지하고 있다. 국내 Probe station

시장은 TFT-LCD 패널 제조 공정에 사용되는 다른 장비들과는 달리 국내 3개 업체

들이 시장을 장악하고 있고, 일본 업체들은 가격, 기술 및 단납기 대응능력에 있어

국내시장에서는 경쟁력을 상실한 것으로 보여 국내 Probe station 시장은 안정적인

과점 상황인 것으로 알려져 있다[1-3].

제 2 절 국내ㆍ외 기술현황

국내·외적으로 probe unit 생산은 LCD 패널을 생산에 비례하므로, 국내 LCD 제조

회사가 삼성, LG전자 등 대기업이 포진해 있으므로, LCD 패널의 검사장비 또한 국

내 업체의 기술이 앞서있다. LCD 패널 검사용 Probe unit은 반도체 probe card의

개발이 앞서있으므로 probe card 기술 개발 동향에 대해 알아보는 것이 probe 국

내외 기술 동향을 바로 보는 것일 것이다. 지원기업에서 제작하고 있는 Si 다이는

probe unit용과 probe card의 두 type으로 나뉘어지는데, 기본적인 Si deep

etching 공정은 동일하다. 두 다이가 다른점은 패턴과 pitch 등이 다를 뿐이다.

- 23 -

Probe card 제작회사에서 대부분 probe unit 제작 공정을 특화하여 제조·납품하고

있는 실정이다.

미국의 Formfactor 사는 본딩와이어를 이용한 부분적인 MEMS 공정 기술을 적용하

여 제품화한 바 있으며, 한국에서는 (주)파이컴이 마이크로 프로브 전체를 MEMS

공정기술을 적용하여 개발 성공해 현재 전세계 반도체 업계에 제공하고 있다. 그

외 세계적으로 최근 이 분야 기술적 중요성에 대한 인식이 확산되면서MEMS 학회

또는 반도체 테스트 관련 학회에서 MEMS 기술을 접목한 프로브 카드 관련 연구논

문들이 꾸준히 발표되고 있으며, 각 연구 기관과 기업들의 연구개발 및 특허등록

활동이 활발히 이루어지고 있다.

다음표는 국내외 주요업체들의 MEMS probe card, unit에 관한 연구개발 내용을

정리하였다[2-4].

본 기술지원을 통하여 probe station을 제작하는 국내 기업에 Si 다이를 납품하는

물량이 2배 이상 증가하였으며, 국내에서 MEMS 기술을 인정받음으로써 주문이 꾸

준히 증가하고 있는 추세이다. 주문 물량이 늘어나면서 지원기업에 제작하여 납품

하는 물량을 타 업체에서 소화하고 있으며, 지원기관인 광기술원 장비를 활용함으

로써 매출에 일익을 담당하고 있다. 따라서, 지원기업의 capa를 소화할 수 있고,

현지 종업원을 고용하여 생산에 매진하고 있다.

- 24 -

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

본 지원과제의 목표는 Si deep etching 공정 기술 지원으로 지원기업의 공정수율

확보 및 fine pitch의 깊은 식각공정을 구현함으로써 다양한 형태의 probe unit용

Si die를 공급할 수 있도록 지원하였다. (주)제이엠엘이 소유하고 있는 Si deep

etching 장비는 모두 세 개의 시스템으로 Probe card 또는 Probe unit을 위한 Si

die의 공급물량에 따라 장비를 효율적으로 운용하기 위한 계획을 세웠으며, 각 장

비의 공정에 대한 애로사항을 점검하여 etching 공정이 원활히 이루어질 수 있도록

지원하였다.

제이엠엘의 장비가 모두 동작되어 주문 물량에 대응하지 못할 때도 있어 광기술원

장비를 이용하기 위한 시도가 이루어졌다. 따라서 광기술원 D-RIE 장비를 교육시

키고, 마스크 공정을 위한 photo-lithography 공정을 확립하여 교육을 통해 전수하

였으며, 부분적인 절연막 공정을 지원함으로써 광기술원에서 probe unit용 Si 깊은

식각에 대한 일괄 공정을 지원하였다.

광기술원의 D-RIE 장비는 지원초기에 공정조건이 완전히 확립되지 않아, 본 지원

책임자가 실험계획법(design of experiment)을 사용하여 식각 조건을 찾아 재현성

있게 공정을 수행하였다. 그림 1은 광기술원이 보유하고 있는 D-RIE 장비 사진이

다.

그림 1. 광기술원 보유 Si Deep Etching 시스템(D-RIE)

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그림 1의 왼쪽에 control 판넬이 있으며, 오른편에 반응챔버 및 로드락 시스템이 있

다. 본 장비를 사용하여 먼저 장비상태를 점검하였으며, 특히 진공도의 변화가 발생

할 때 오링 교체등으로 진공도를 체크하였으며, 공정중에 안정적인 진공도를 유지

하기 위해 항시 장비를 관리하는 일을 먼저 수행하였다.

지원 순서는 1차로 제이엠엘에서 수행중인 생산공정의 capa를 해결하기 위한 장비

운용을 지원하였으며, 제이엠엘의 장비지원은 양산 중에 있으므로 큰 파라미터는

수정하지 않았으며, 단지 capa 해결을 위한 다른 장비 사용에 초점을 맞추었다. 2

차로 광기술원 장비를 이용하여 제이엠엘의 생산 capa를 확보하도록 장비 및 인력

을 지원하였다. 제이엠엘(수원)과 광기술원(광주)를 오가며 지원책임자와 기업 책임

자가 서로 정보를 교환하고, 공정에 대해 토의를 하는 방식으로 지원이 이루어졌다.

본 보고서에서는 먼저 광기술원에서 이루어진 D-RIE 장비 및 Photo 장비 교육을

실시하였고, 이 과정에서 도출된 특허에 대해 기술하였으며, Si 깊은 식각 공정기술

지원내용에 대해 상세히 서술하였다.

한국광기술이 보유하고 있는 D-RIE 장비의 제원을 다음에 나타내었다.

◦ 실리콘 깊이 홈 식각특성 :

- 식각율 : ~6.0㎛min @50㎛너비, 400㎛깊이 홈

- 측면 수직식각 : < 90±0.5

- 표면 거칠기 : < 40nm

- 균일도 : 3%

◦ 적용가능기판 : 4“ / 6”

◦ 전극적용온도 : -10 ˜ 45℃

◦ RF 파워 : ≥0.6㎾

◦ 사용가스종류 : O ArCFSF◦ 정전형 기판 클램핑

◦ Laser End Point Detector

◦ Carousel Loadlock Upgrade

이러한 장비의 특성을 먼저 제이엠엘 직원에게 교육을 시켰으며, 사용상 주의 사항,

장비 유틸리티, chiller, 가스 공급 체계, 가스교환 주기, 타 장비와 가스공용 사용

등 전반에 관한 장비를 소개 지원하였다.

- 26 -

그림 2. Si wafer의 식각 공정 recipe 화면, 샘플 load/unload 등의 조절

그림 2에서와 같이 지원기업에서 원하는 공정조건대로 식각공정을 수행하기 위한

recipe 화면을 직접 보면서 파라미터를 조절해 가면서 조건을 찾았다.

Si die를 제작하기 위한 전체 공정도를 설계하였으며, 지원기업에서 수행하고 있는

순서를 참고하여 광기술원 D-RIE에 적용하였다. 동일한 장비에서, 조건을 같게 공

정을 수행하더라도 다른 결과가 나올 수가 있으므로 우선 지원기업의 공정조건을

기준으로 광기술원 식각조건을 적용해 나가는 방법으로 수행하였다.

이와 함께 수행되어야 할 부분이 바로 Photolithography에 의한 마스크 공정이 필

요하다. 따라서 마스크 공정과 D-RIE 공정 장비 교육을 제이엠엘 직원에게 수행하

였다.

그림 3. MEMS Probe unit을 위한 Si die 제작 공정 개략도

그림 3은 MEMS probe unit용 Si deep etching 공정 개략도이다.

- 27 -

양면 연마된 약 400 ~ 500 ㎛ 두께의 Si wafer를 준비하여, PMER을 이용한 PR

마스크 공정을 수행한 후 D-RIE 공정을 이용하여 약 300㎛를 식각한 후 이면 마스

크공정을 실시한 후 이면을 건식식각하여 약 20~50 ㎛의 홀을 형성한다. 마이크로

팁이 삽입되어 pin과 pin이 절연될 수 있도록 산화막으로 SiO 를 증착함으로써 공

정이 완료된다.

먼저 Photo 공정에 의한 PMER 마스크 공정 기술을 지원한 결과를 살펴보고 Si

deep etching 공정조건 확립에 의한 목표달성에 대해서 차례로 살펴본다.

1. PMER 포토레지스터에 의한 마스크 공정

PMER은 photoresister로써 두꺼운 PR이며, Si wafer를 깊게 식각할 때 high

power 플라즈마에 노출되어도 마스크 역할을 잘 할 수 있는 마스크이며, 크게

positive와 negative로 나눌 수 있다.

제이엠엘에서 공정하는 PMER의 두께조절 및 현상 후에 수직 경사를 갖는 모양을

얻고, 정확한 크기의 패턴을 형성하여 재현성있는 마스크 공정을 지원하였다. 기존

의 광기술원에서의 PMER 공정은 스핀코팅 속도가 증가할 수록 두께가 얇아지는

경향을 보였다. 그림 4는 공정 재현성이 떨어지는 PMER 마스크 공정을 보여주고

있다. 목표두께는 15 ㎛ 이며, 수직으로 현상이 되어야만 하는데 크고 작은 값을

보여주고 있다.

그림 4. 동일 코팅 조건에서의 PMER 마스크 패턴의 SEM사진

그림 4에서 볼 수 있듯이 마스크의 선폭과 두께가 각각 다르게 나타나 정확한 면적

에 대해 식각을 정의하기 어려운 실정이었다. 이러한 재현성있는 PMER 마스크 공

정을 위해 PMER 공정에서 주요 인자를 찾아 실험계획법을 통해 안정적이고 재현

성 있는 공정이 되도록 지원하였다.

우선 공정 목표를 MA6 mask aligner에 맞춰 스핀코팅 속도 및 노광세기, 시간,

pre-baking 시간, 온도, holding 시간, develop 시간 등의 인자를 조사하여 가장

영향력 있는 인자를 브레인스토밍을 통해 도출하였다.

그림 5는 해당마스크를 제작하여 PMER 두께(15 ㎛)와 15 ㎛의 선폭을 목표로 공

정을 진행하였다.

- 28 -

그림 5. PMER 마스크공정의 선폭과 두께 규격

PMER-NC3000의 두께와 선폭을 기준으로 두께를 먼저 선택하기 위해 다음 조건으

로 예비실험을 실시하였다.

스핀코팅 속도를 1000, 2000, 3000 rpm으로 하였을 때 두께를 그림 6에 나타내었

다.

그림 6. PMER-NC3000의 스핀속도에 따른 두께 변화

그림 6에서 볼 수 있듯이 스핀속도가 증가할 수록 두께는 얇아짐을 알 수 있다. 스

핀속도는 3000rpm에 고정하고 다른 영향력 있는 인자들을 선택하여 변화시키는 실

험을 수행하였다.

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그림 7. 스핀속도에 따른 PMER의 두께 및 선폭 변화 SEM 사진

그림 7은 스핀속도에 따른 PMER 마스크 공정 후 SEM 사진으로 스핀속도가 증가

할 수록 두께가 얇아짐을 알 수 있다. 1000 rpm에서 49㎛, 2000 rpm일때 25㎛,

3000rpm 일 경우 14.3㎛로 나타났다. 이 때 1000 rpm일 경우 상부 PMER보다 하

루 Si wafer 쪽의 폭이 더 큼을 알 수 있으며, 2000 rpm에서는 선폭과 두께가 목

표치에 가깝게 나타났으며, 3000 rpm의 경우 선폭이 작아지는 경향을 볼 수 있다.

이러한 현상을 분석하여 Photo 공정에서의 선폭을 결정하는 주요인자를 변화시켜

실험하고자 하였다. 6인치 크기의 Si(100) 웨이퍼를 사용하였다.

PMER의 두께와 선폭을 제어하기 위한 실험계획을 위해 주요인자를 선정하여 다음

에 나타내었다.

o Spin coating speed, time : 3000 rpm

o Pre-exposure bake : 10 min (@110℃)

노광시간(Exposure time) : 50 sec, 90 sec

노광세기(exposure power intensity) : 11 ㎽, 15 ㎽/㎠

Post-Exposure Bake(PEB) time & temp : 4, 8 min, (@100℃)

o Develop time : 10 min

스핀속도는 두께를 결정하는 주요인자이자만 15㎛의 두께에 가까운 3000 rpm에

고정하였으며, Pre-exposure baking 온도와 시간도 기본 recipe 대로 수행하였다.

PMER의 두께에 따라 UV exposure 시간과 세기는 주요인자로 선정하였으며, 노광

후 post-exposure baking(PEB) 시간을 인자로 선정하였다. 현상시간은 10 분으로

고정하였다.

미니탭 프로그램을 이용하여 실험계획법을 작성하였다. PMER의 두께와 선폭을 반

응변수로 하여, 3가지 인자를 배열하였으며, 3인자 2수준으로 full factorial 배열로

하였다. 표 1은 PMER 3인자 2수준의 실험계획법을 나타낸 것이다.

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표 1. PMER 두께 및 선폭 최적화를 위한 실험계획(3인자 2수준)

총 8회에 걸쳐 실험을 수행하였으며, 반응변수는 PMER의 두께와 선폭으로 하였다.

그림 8. 8회의 DOE 실험에서 나타난 PMER의 표면형상(광학현미경 사진)

그림 8은 DOE 실험에서 나타난 PMER 마스크 공정 후의 광학현미경 사진이다. 전

반적으로 공정은 표면으로 볼 때 깨끗하게 나왔지만 미세한 부분은 볼 수 없어

SEM 사진 분석을 수행하였다.

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그림 9. 3인자 2수준 실험계획법으로 수행한 PMER 공정후 SEM 사진

그림 9는 PMER 공정 8회 실험을 수행한 후 SEM 사진을 나타낸 것이다. 여러 패

턴으로 균일하지 않은 단면사진을 보여주고 있다. 이의 개선을 위해 분석을 실시하

였다. 각 웨이퍼의 선폭과 두께를 각각 5회씩 동일한 패턴과 포인트를 측정하여 평

균값을 구하였다. 표 2는 PMER 두께와 선폭의 결과치를 나타낸 것이다.

표 2. PMER DOE 실험계획법 결과

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그림 10. PMER 두께 와 선폭에 대한 통계요약

그림 10은 실험계획법에 의한 PMER 두께와 선폭에 대한 요약을 나타내었다. 두께

는 평균 15.013 ㎛, 표준편차 0.429로 나타났으며, 15㎛ 기준으로볼때 평균은 목표

치에 근접한 것을 알 수 있다. 선폭은 평균 16.288㎛, 표준편차 1.353, 분산이

1.830 으로 두께에 비해서 목표치보다 크게 나타났다.

인자별 두께와 선폭에 대한 주효과를 알아보기 위해 Cube plot을 해 보았다.

그림 11. PMER 두께에 대한 입방체도(cube plot)

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그림 11에서 보듯이 노광세기(I_intensity)가 15 ㎽/㎠ 일 때 목표치인 15㎛에서 많

이 벗어난 것을 볼 수 있으며, PEB 시간이 8분일 때도 값이 작거나 큰 것을 볼 수

있다. 이 데이터를 바탕으로 주효과 및 상호효과를 알아보았다.

그림 12는 PMER 두께에 대한 주효과 및 상호효과도를 나타낸 것이다.

그림 12. PMER 두께에 대한 주효과 및 상호효과도

주 효과도에서 볼 수 있듯이 노광세기가 주요인자로 나타났으며, 상호효과도에서

볼 수 있듯이 인자별로는 노광세기와 노광시간, 노광시간과 PEB 시간에 대해 상호

효과가 있음을 알 수 있으며, 노광세기와 PEB 시간은 상호효과가 매우 적음을 알

수 있다. 따라서 PMER 두께는 노광세기에 대해 최적화 실험을 예상할 수 있다.

그림 13은 PMER의 선폭의 마스크 공정 결과에 대한 cube plot을 나타내었다. 각

인자마다 결과치가 크고 작고 하여 쉽게 알아볼 수 없어 주효과와 상호효과도를 살

펴 보았으며, 그림 14에 주효과 상호효과도를 나타내었다. 반응변수인 선폭에 대한

주 효과는 노광세기와 PEB 시간이 가장 크게 나타났다.

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그림 13. PMER 선폭에 대한 입방체도(cube plot)

그림 14. PMER 선폭에 대한 주효과도 및 상호효과도

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인자에 대한 상호효과는 그림 14에서 보듯이 노광시간과 PEB 시간이 서로 상호작

용이 큰 것으로 나타났다. X자로 형태로 인자끼리 겹치는 것이 상호효과가 큰 것이

다.

이러한 결과를 토대로 PMER 두께와 선폭에 대해 목표반응변수에 대해 최적화 인

자의 파라미터를 미니탭을 이용하여 구하였다.

그림 15. PMER 두께 및 선폭에 대한 반응최적화

그림 15는 PMER 두께와 선폭에 대한 반응최적화 결과이다. 두께와 선폭이 각각

15 ㎛를 목표하였을 때 동시에 만족시키는 인자 파라미터는 노광세기 11, 노광시간

50초, PEB 시간 4분으로 나타났다. 따라서 본 인자를 기준으로 다른 모든 변수는

이전 실험계획법을 기준으로 하여 재현성 실험을 할 필요가 있었다.

재현성 실험을 위한 조건은 다음 표와 같으며, Si 웨이퍼 6인치 8매를 사용하여 8

회 실험을 수행하여 (주)제이엠엘에 생산에 필요한 recipe로 제공하였다.

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표 3. 반응최적화 실험을 통해 얻어진 PMER 최적 공정조건

표 3과 같은 조건으로 6인치 8장에 대해 재현성 실험을 실시하였다. PMER 두께와

선폭을 각각 5포인트씩 3회 반복 측정하여 평균을 구하여 결과를 나타낸 것이 그림

16이다.

그림 16. 8장의 Si wafer에 대한 PMER 두께 분포

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3, 4번 측정포인트에서 PMER 두께가 약간 증가한 것으로 나타났으며, 5번 포인트

에서의 측정값 분산이 큰 결과를 보였다. 이는 공정 중에 5번 포인트가 핀셋으로

잡는 부분으로 각각의 웨이퍼마다 편차가 있는 것으로 판명되었다.

전체 PMER 두께 평균 값은 14.90 ㎛로써 0.429 ㎛ 표준편차, 0.184의 분산을 발

생시켜, 이전 실험과 비슷한 수준이었다. 따라서 PMER 두께는 스핀속도에만 크게

의존하고 타조건의 변화에는 둔감한 것으로 나타났다. 그림 17은 PMER 두께에 대

한 통계를 요약한 것이다.

그림 17. PMER 두께에 대한 재현성 실험 결과의 통계요약

그림 18. PMER 두께값에 대한 box plot

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그림 18은 PMER 두께의 분포를 알아보기 위한 box plot 그림을 나타낸 것이다. 8

장의 웨이퍼에서 두께가 대부분 균일하지만 7번 웨이퍼의 4번 포인트에서 이상점이

발견되었다. 이는 PMER 두께가 스핀코팅 할 때 불균일하게 코팅된 것으로 사료된

다.

그림 19. PMER 선폭의 측정포인트에 대한 결과

그림 20. PMER 선폭 측정치에 대한 통계적 요약

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그림 19와 20은 PMER 재현성 실험 결과 선폭에 대한 측정값을 plot한 것과 통계

적 요약을 나타내었다. 평균치는 14.93㎛로 목표치에 아주 근접한 값을 나타내었으

며, 분산이 0.175로 이전 실험계획법에 의한 값보다 감소한 것을 알 수 있다. 따라

서 PMER 선폭에 대한 공정조건은 최적화 된 것으로 판단된다.

그림 21. PMER 선폭에 대한 box plot 결과

그림 21은 PMER 선폭에 대한 측정치의 box plot 결과이다. 모든 웨이퍼에서 균일

하게 선폭이 나타났으며, 8번 웨이퍼에서 분산이 약간 크게 보임을 알 수 있다. Si

6인치 웨이퍼에 대한 PMER 공정에 있어서 최적조건은 다음과 같이 요약할 수 있

다.

PMER NC3000 Photolitho. 최적조건

PMER spin coating : 1000-3000 rpm, 25 sec

Pre-exposure bake : 110℃, 10 min

UV-exposure time : 50 sec

UV exposure intensity : 11 ㎽/㎠

Post-Exposure Bake(PEB) : 100℃, 4 min

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2. D-RIE를 이용한 Si 깊은 식각 공정 기술 지원 결과

제이엠엘의 애로기술인 식각패턴에 따른 grass 발생현상 제거, high aspect ratio를

갖는(20:1→50:1) Si 깊은 식각공정 개선, 파티클 저감에 의한 수율향상을 개선 목

표로 설정하였다. 이를 해결하기 위한 공정조건 확립으로 먼저 식각면에

black(grass) 발생 억제 공정 기술을 지원하고, high aspect ratio 공정 조건, 그리

고 파티클 저감을 위한 공정 개선순으로 기술하였다.

Si 깊은 식각 공정을 이해하기 위해 식각 원리를 알아보고, 공정개선 방법을 개발

하였다. 그림 22는 Si을 D-RIE에 식각하는 기본 원리 및 식각된 Si 웨이퍼의 단면

SEM 사진을 나타낸 것이다.

그림 22. D-RIE에 의한 Si 식각 원리 개념도 및 식각단면 SEM 사진

Si 깊은 식각 공정은 Si 웨이퍼에 식각 가스와 passivation 가스를 동시에 적용하여

순차적으로 식각된 벽을 보호하고 깊이방향을 계속 식각해가는 반복 공정에 의해

Si을 깊게 식각할 수 있는 Bosch 공정이 그 기초이다[4-5].

기존의 광기술원 D-RIE 장비를 이용한 Si 깊은 식각에 있어서 애로기술인 grass

발생제거를 위한 공정조건을 찾고자 실험계획법을 적용하여 최적 식각조건을 확보

하였다. 먼저 grass 발생 문제점을 파악하고자 기존공정 조건대로 식각하였을 경우

의 Si 웨이퍼의 문제점을 파악하였다.

그림 23은 기존 실험 조건을 나타낸 것이다. 식각부분과 passivation부분으로 나누

어 표현하였으며, 식각 시간(cycle time)과 passivation 시간을 약간 씩 변화시켰다.

SF6 식각가스 유량은 330 sccm, C4F8 가스는 200 sccm으로 하였으며, 산소가스

는 흘려주지 않았다. 식각 시 코일 부의 RF power는 2200W, platen 50W로 하였

으며, passivation 시는 코일부 1300W, platen 20W로 설정하였다. 식각시 압력은

30mTorr, passivation 시의 압력은 18 mTorr로 설정하여 실험하였다.

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그림 23. Si 깊은 식각 예비실험 조건표

그림 24. Si 깊은식각의 예비실험 결과. (a)8.5s, (b) 10.5s (c) 12.5s, (d) 5.6s

위의 조건대로 예비실험한 결과 그림 24와 같은 SEM 단면사진을 얻을 수 있었다.

그림 24(a)는 etch cycle 8.5 초인 경우로 패턴 내에 grass가 많이 발생함을 볼 수

있다. (b)는 10.5s의 경우로, (a)보다는 적으나 여전히 grass가 발생됨을 알 수 있

다.

- 42 -

(c)는 12.5s의 식각 주기로써 grass가 거의 발생되지 않음을 알 수 있다. (d)의 경

우는 5.6s의 식각주기로 (a), (b)의 조건과 마찬가지로 grass가 많이 발생되었음을

알 수 있다. 따라서 식각 주기는 12.5초로써 길게 가져가는 것이 grass 발생 억제

조건임을 알 수 있다.

이러한 실험을 바탕으로 실험계획법을 적용하였다. 주요인자를 브레인스토밍을 통

해 제이엠엘 연구원과 공동으로 탐색하여, 각 공정 인자별 중요도를 체크하였

다.[8-11]. 그림 25는 공정실험 수행시 주요인자를 나타낸 것이다. D-RIE 장비의

동작원리를 이해하고, 가스종류별, 식각 및 passivation 주기, 산소가스 주입 등 다

양한 방법으로 인자를 색출하였다. 여기에서 인자를 반응변수인 식각율과 profile

angle 로 정하였으며, 이의 목표치는 각각 식각율 ≥ 5㎛, profile angle 90±1° 로

결정하였다[12-14].

그림 25. Si 깊은식각 공정 요인 배치도, D-RIE 장비동작 기본 원리.

그림 24의 결과를 토대로 grass 발생 원인과, etch rate에 영향을 주는 원인, 그리

고 profile angle에 영향을 주는 주요 원인을 분석하였다. 4가지 실험조건에서 볼

수 있듯이 그림 24의 (a), (b) 및 (d)의 결과는 식각율은 모두 5㎛이상으로 나타났

으며, profile angle 또한 (a), (b), (d)의 결과가 89° 이상 91° 이하로 나타남을 알

수 있었다. 그러나 (c)의 경우는 grass가 발생되지 않았지만 식각율이 3.7㎛/min으

로 목표치에 비해 낮게 나타났으며, profile angle 또한 88.67° 로 역시 목표치에

미달함을 알 수 있다. 따라서 이러한 3가지 목표값을 동시에 만족하는 조건을 찾기

위해 그림 25의 요인배치도를 중심으로 인자를 도출하여 실험계획법을 수행하였다.

- 43 -

그림 26. 요인배치도로부터 도출한 D-RIE 공정의 주요인자별 수준.

예비실험의 (a), (b), (d)의 결과를 바탕으로 grass 발생은 식각 압력과 passiv. 압

력 및 산소가스와 관계된 것으로 판단되었으며, 식각률은 etch cycle 시간, profile

angle 역시 etch cycle 시간과 관계한 것으로 나타났다. 따라서 그림 26의 주요인

자는 산소가스 량, 식각 cycle 시간, 식각 및 passiv. 압력, 그리고 passivation 시

platen power로 압축되었다. 인자 수는 4개이며 수준은 2수준으로 설정하였으며,

resolution IV으로 1/2 fraction으로 총 8회 실험계획법으로 작성하였다.

표 4. D-RIE 공정의 4인자 2수준 실험 계획법

표 4는 4인자 2수준의 8회 실험계획을 나타낸 것이다. 산소가스 유량은 30 sccm

과 0 sccm, etch cycle은 8.5 sec 와 12 sec, 압력은 30 mTorr와 88.5 mTorr,

Platen power는 0W와 20W로 각각 선정하여 계획법을 작성하였다.

Si 6인치 웨이퍼를 적용하여 실험계획법 run 순서대로 수행한 결과 그림 4와 같은

SEM 단면 사진을 얻을 수 있었다.

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그림 26. 4인자 2수준 실험계획법에 의한 Si 깊은 식각 공정 run 순서별 단면 SEM

결과.

그림 26에서 볼 수 있듯이 식각조건 마다 서로 다른 양상을 보이고 있다. run 순서

로 1번과 8번 조건은 식각이 전혀 이루어지지 않았으며, 2차로 동일한 조건에서 반

복하여 실험 하였을 경우에도 마찬가지로 식각이 이루어지지 않았다. 3번의 경우

grass가 발생하는 조건임을 알 수 있으며, 2번은 식각 도중 조건이 변화되었을 가

능성이 높다. 4번과 5번은 profile angle은 정상적이지만 식각율이 낮음을 알 수 있

으며, 6번 조건은 식각 깊이방향으로 선폭이 증가함을 알 수 있다. 따라서 profile

angle의 목표치에서 멀어지는 경향이 있다.

표 5에서 볼 수 있듯이 이러한 경향과 관련하여 분석하면, run 순서로 1번과 8번은

fail이며, 인자는 Pressure가 30 mTorr로 낮을 경우가 공통으로 작용한다. 또한 4번

과 5번의 식각률이 2 ㎛/min 이하로 나타나 이러한 인자가 작용하는 것은 역시 압

력이 30 mTorr의 경우와 platen power가 0W일 경우이다. 3번 조건은 grass 발생

조건이라고 보면 인자의 변수가 많으므로, cube plot을 통해 해석함이 좋을 것으로

판단되어 그림 27에 인자별, 반응변수별 cube plot을 나타내었다.

- 45 -

표 5. 4인자 수준 Deep Si 공정의 실험계획법 결과

그림 27. Si 깊은 식각의 Profile angle및 etch rate에 대한 Cube plot

그림 27에서 볼 수 있듯이 profile angle은 Platen power가 0W 일 경우 목표도달

치가 높으며 etch cycle 시간은 정확히 알 수가 없다. 동일한 platen power에서도

압력이 높은 쪽에서 식각 profile 과 식각율이 더 높음을 알 수 있다. 식각율 및

profile 각도로 보았을 때는 산소가스를 30 sccm 흘려줄 때가 없을 때 보다 성립횟

수가 많음을 알 수 있다.

따라서 이러한 해석을 토대로 압력은 높은쪽, 산소가스는 30 sccm 투입, platen

power는 0W로 하여 반복 실험을 통한 재현성 실험을 실시하였다.

- 46 -

etch cycle 시간은 중간값인 10.5 sec로 하여 3회 반복하였다.

그림 28은 3회 반복 실험 후 Si 웨이퍼 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다.

그림 28. 반복실험 3회 수행 후의 단면 SEM 사진

3회 모두 grass 발생은 전혀 없었으며, profile angle은 89.2° ~ 89.4° 로 목표치를

달성하였으며, etch rate는 R1이 4.6 ㎛/min, R2가 5.3㎛/min, R3는 5.6㎛/min 으

로 평균 5㎛/min 이상의 식각율을 얻었다.

결론적으로 grass 발생 현상을 본 실험계획법을 통하여 해결하였으며, 식각율과

profile angle의 목표치를 달성하여 제이엠엘의 일괄공정을 위한 광기술원 장비를

이용한 Si 깊은 식각 공정을 확립함으로써 공정기술이 원활히 지원되었다.

3. 양면 정렬정확도 기술지원 및 파티클 저감에 의한 수율향상 지원

제이엠엘의 Si 깊은 식각 공정기술 중에 웨이퍼 두께만큼 through hole을 형성하는

양면 식각을 위한 Photo 공정 시 정렬 정확도가 약 2㎛ 정도로 매우 커서 Si 다이

의 수율이 저하되는 공정이 빈번히 발생하여 이의 해결을 위해 직접 제이엠엘 직원

에게 교육을 시키고 전수 시켜 주는 역할을 하였다.

기존의 실험에서 양면 정렬정확도가 2 ㎛인 경우를 그림 29에 나타내었다. 전면에

대해 약 300㎛ 식각을 수행한 후 후면에 대해 마스크공정을 한 후 식각을 수행했

을 때 그림29와 같이 2㎛의 오차가 발생하게 되면 엇갈리게 되어 through hole을

실패하게 된다. 따라서 Mask 정렬 및 노광 시 정확한 정렬기술과 alignment 키

(key)에 대한 숙련이 요구된다.

- 47 -

그림 29. 이면 정렬 부정합에 의한 식각홀의 불량 단면 SEM 사진

그림 29에서 볼 수 있듯이 이러한 양면 정렬정확도가 ±2 ㎛가 발생하여 그림의 1

번 top 부분과 3번 bottom 부의 불일치 정도가 4 ㎛ 정도 발생하고 있음을 알 수

있다. 이러한 것은 공정 단가를 상승시키고 수율을 감소시키는 원인이 되므로 이를

개선하여 수율을 향상시켜 매출 증대 지원이 절실히 요구되고 있다.

정렬정확도 개선을 위해 양면 aligner 장비의 수리 및 정확한 alignment 공정을 수

행하였다. PMER 공정에서 develop 공정까지 일괄적인 공정관리가 이루어졌고, 특

히 양면 alignment 공정 시 정렬 후 노광할 때 현미경이 이동하고 UV 램프가 마스

크 위로 이동하여 광을 exposure 시키는 순간 정렬이 흔들리는 현상을 발견하였다.

이의 개선을 위해 이면 정렬시 진동을 최소화하는 장비의 수리를 수행하였으며, 장

비 maker의 엔지니어의 출장의뢰를 통해 양면 정렬부분을 장시간에 걸처 수정하는

작업을 지원하였다.

테스트 마스크 설계 및 제작은 기존 제이엠엘이 보유한 테스트 마스크를 이용하였

으며, 양면 식각을 위한 마스크로 그림 30에 나타낸 것처럼 전면패턴과 후면 패턴

이 다른 마스크로 설계되었으며, 전면 패턴이 후면패턴보다 더 미세하다. 선폭은 모

두 15㎛이며, pitch 가 전면이 30 ㎛, 후면이 45 ㎛이다.

- 48 -

그림 30. Si 깊은 식각 양면 마스크 패턴 사진

이로 인한 공정관리와 장비의 수리를 통해 공정을 한 결과 그림 31에 나타난 것처

럼 정렬정확도가 약 ±1 ㎛로 개선됨을 확인하였으며, 제이엠엘 직원에게 교육 및

공정 관리법을 지원하였다.

- 49 -

그림 31. 포토공정 및 단면 에칭 및 세정공정 개선에 의한 정렬정확도 개선

그림 32. High aspect ratio 구현에 의한 Si 식각 깊은 단면 사진

Mask aligner에 대한 교육과 fine pitch 마스크 적용을 통한 Si 깊은 식각 공정을

통해 그림 32와 같이 웨이퍼 450 ㎛ 두께로 관통하였다. 선폭은 15 ㎛ 마스크를

사용하였으며, aspect ratio는 약 30:1 이지만, Si 웨이퍼 두께에 따라 aspect ratio

가 달라지므로 500 ㎛ 이상 두께의 웨이퍼를 사용한다면 충분한 50:1의 AR을 구현

할 수 있다. 또한 선폭이 15㎛이하의 제품은 실제 사용되지 않으므로 최소선폭 식

각으로 15 ㎛ 선폭을 선택하였다.

- 50 -

그림 33. Si 깊은 식각의 양면 식각법에 의한 미세선폭패턴 실험결과

그림 33은 그림 32의 결과 recipe를 바탕으로 photo 공정 개선과 전면 식각 공정

후 마스크 제거 및 세정 공정을 거친후 이면 photo 공정을 수행한 후 재현성 검증

과 미세패턴에 대한 양면정렬정확도 구현을 위해 수행한 Si 깊은 식각 공정 결과이

다. 전면 미세패턴은 그림에서 볼 수 있듯이 15 ㎛ 패턴 선폭으로 정확하게 식각되

었음을 알 수 있다. 후면 식각 공정패턴 또한 전면과 정확히 일치하는 결과를 얻을

수 있었다.

제이엠엘의 애로기술 중 하나로써 공정중의 파티클 발생에 의한 공정수율 감소문제

를 해결하기 위한 방법으로 다음과 같은 공정기술을 지원하였다. 기존에는 공정순

서를 포토공정 및 Si 깊은 식각 공정 순으로 연속적으로 수행하였다. 또한 중간에

파티클이 발생할 경우 어떠한 검사도 수행하지 않고 육안 또는 현미경으로 관측하

고 다음공정으로 이어졌지만, 본 기술지원에서는 파티클의 분포 또는 면적이 얼마

인지를 알기위해 간단히 표면 검사 장치를 설계 제작하였다. 우선 웨이퍼 표면의

파티클 또는 먼지 등을 알아 볼 수 있는 램프로 100W 수온램프를 선정하여 약 45

㎝의 거리에서 웨이퍼를 관찰할 수 있도록 블랙박스를 설계 제작하였다. 램프는 옐

로우 필터를 사용하여 황록색 칼라로 빛이 발생하여 웨이퍼 표면을 비추게 되면 웨

이퍼 표면의 파티클이 얼마나 발생했는지 쉽게 알 수 있다.

- 51 -

그림 34. Si 웨이퍼의 공정진행용 파티클 검사장치

그림 34는 Si 웨이퍼 표면 검사장치 사진을 나타낸 것이다. 웨이퍼 사이즈가 6인치

및 8인치일 경우 전면적을 모두 scan하여 정량적인 데이터를 얻기 어렵기 때문에

공정 중에 fail에 의한 시간 및 재료의 절약을 위한 방법으로 그림 34와 같이 표면

검사램프장치를 사용하여 수율증가에 기여할 수 있도록 지원하였다. 기존의 Si 웨

이퍼 식각공정 수율이 30%~50%로 매우 불안정한 수율을 나타내었으나 본 장치를

사용하여 공정을 수행한 결과 70% 이상의 수율을 확보하였으며, 재공정 횟수가 현

저히 감소함을 알 수 있다. 또한 절연막 증착 공정 지원으로 광기술원에서 식각한

후 수원으로 웨이퍼를 보내 다음 공정을 수행하는 번거로움을 덜어, 산화막 증착

공정을 바로 수행하여 납품시간을 축소하여 매출실적에 기여하였다.

- 52 -

제 2 절 기술지원 성과

1. 기술지원 추진일정

- 53 -

2. 수행 주체들의 담당업무 수행정도 및 수행 방법

수행 주체인 한국광기술원은 지원책임자를 중심으로 참여연구원과 함께 지원총괄,

실험(공정), 측정, 분석, 자료조사 등으로 업무를 분장하여 기술지원을 수행하였다.

기술지원 전반에 대해 지원 초기부터 수원을 방문하여 단위공정의 문제점을 파악하

였으며, 기술지원 교육은 수원의 제이엠엘 직원을 대상으로 수행하였으며, 지원기업

의 공정담당자가 역할분담을 하여 지원에 대해 응하는 방식으로 진행하였다. 제이

엠엘 직원의 업무 담당은 Photo 공정, 식각공정, 증착 및 후공정 등으로 분리되어

체계적으로 Si die를 제작하는 순서로 역할이 분명하게 분리되어 있으며, 측정/분석

은 지원기업 책임자를 비롯하여 각 팀장이 공동으로 수행하였다.

또한 광기술원의 D-RIE 장비를 이용하여 부족한 생산 capa를 보충하였으며,

Photo 장비를 비롯한 부대장비를 활용하였다. 분석은 광기술원 SEM 장비를 주로

이용하였으며, 시간이 많이 소요될 경우 수원 제이엠엘로 택배로 송부하여 측정분

석하였다.

광기술원 내 창업보육센터에 이주하여 제이엠엘 직원이 상주하여 공정을 수행하였

으며, 수원의 직원이 필요할 때마다 광기술원 출장을 통해 제품생산에 필요한 장비

및 공정에 대해 토의 및 협의하였다.

광기술원 지원책임자가 애로공정에 대한 해결책으로 실험계획법(DOE) 수행을 통해

기술을 지원하였으며, Si 깊은 식각 공정에 대해 안정적이고 과학적인 실험방법으

로 접근하였으며, 실험계획법에 의한 공정 데이터를 제품에 적용하여 수율을 향상

시켰으며, 광기술원 장비를 활용한 안정적이고, 재현성 있는 공정기술을 지원하였

다.

또한 지원과제를 통해 파급된 산화막 증착에 의한 식각공정의 산출물인 scallop을

제거하는 특허를 출원하였다. Si 깊은 식각 공정이 일반적으로 식각과 passivation

을 반복적으로 하는 Bosch 공정에 의해 이루어지는데 이는 식각면(측면)이 거칠어

지는 현상이 수반된다. 따라서 식각 후 별도의 처리를 해주거나, 식각조건을 세밀히

조절하여 부드러운 측면을 확보해야 하는데, 이의 개선을 위해서 산화막을 형성하

여 불산으로 제거를 하게되면 거울면과 같은 깨끗한 측면을 얻을 수 있는 특허기술

이다. 본 특허는 제이엠엘과 공동으로 출원하였다.

결과적으로 전문 식각장비와 기술분야별 분업화된 공정기술 지원을 통해 Si 깊은

식각 공정을 통한 MEMS probe unit용 Si 다이(die)를 제작하여 수율향상 및 공정

안정화의 지원목표에 성공적으로 도달하였으며, 지원기업에 대한 기술지원이 효율

적으로 이루어졌다.

3. 기자재 활용

공정기술 지원기간 동안 한국광기술원이 보유하고 있는 공정 및 측정 장비를 지원

기업이 무상으로 사용할 수 있게 하였으며, 클린룸 장비는 해당 연구원이 작동하여

필요한 공정을 지원하였다.

- 54 -

물성분석실의 SEM 분석장비 또한 항상 사용할 수 있도록 하였으며, 본 기술지원

기간 동안에 사용된 장비의 목록을 표 6에 나타내었다.

표 6. 본 기술지원과제를 사용한 공정 및 측정 장비 목록

- 55 -

제 4 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도

제 1 절 목표달성도

MEMS Probe unit용 Si deep etching 공정 기술 지원 사업을 통해 계획하였던 목

표는 제 1 장 2절에서 기술하였듯이 크게 3가지 공정 기술이다. 과제의 지원목표는

“고수율 MEMS 프로브 유닛용 Si die 개발이 가능한 Deep Si etching 공정 개선

지원” 이며, 상세 목표는 다음의 3가지로 나타낼 수 있다.

- High aspect ratio(50:1)를 갖는 deep Si etching 공정 기술 지원

- 양면 마스크 패턴 공정에서의 misalignment 개선 지원 : ±1 ㎛ 수준

- Particle 발생을 최소화 할 수 있는 반도체 공정기술 지원, MEMS 프로브 유닛용

Si 다이 수율향상 기술 지원(≥70%)

다음표에서 보듯이 기술지원 목표대비 100% 실적을 달성하였다.

제 2 절 관련 분야에의 기여도

(주)제이엠엘은 MEMS probe card 및 probe unit에 적용되는 Si die를 개발/제작하

여 납품하는 Fab foundry 전문업체이다. 따라서 본 기술지원을 통하여 현재 제작

중인 Si 다이제품에 대해 매출실적이 증가하고 있는 상태이다.

- 56 -

지원전과 비교하여 매출이 약 50% 이상 증가한 결과를 가져왔으며, 상품 주문량도

2배 이상 증가한 것으로 나타났다. 제이엠엘의 기존 장비와 인력으로 매출성과를

거둔 것에 비해 막대한 성과라 할 수 있으며, 인력 또한 보강되었으며, 광기술원 장

비와 기술지원을 통해 capa가 증가하였고, 관련 업체의 인지도 또한 증가하였다.

이는 본 종합기술지원 사업을 기초로 광주사업장이 확장되었으며, 광주시 첨단산업

단지에 공장부지를 확보해 놓은 상태까지 발전하였다. 특히 광기술원의 Si deep

etching 장비를 사용한 매출증대 및 포토마스크용 direct laser writer를 지원받게

되었으며, 제반 광기술원 Fab를 이용한 다양한 기술개발을 이룰 수 있는 기반을 다

지게 되었다. 호남 지역의 MEMS fab이 유일하게 광기술원에 자리잡고 있어 제이

엠엘 기업이 공장을 설립하여 관련 제품을 생산할 기틀을 마련하는 데 지대한 영향

을 미친 것으로 판단된다.

- 57 -

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

본 종합기술지원 사업으로 인한 Si 깊은 식각 공정 기술은 광기술원과 제이엠엘의

공동 개발에 힘입은 성과로 판단되는 바, 향후 제이엠엘이 추진하는 MEMS

packaging 사업에 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 광기술원 공정 장비 및 분석

장비를 활용하여 최근 LED BLU의 부품으로 마이크로렌즈 공정 기술 또는 wafer

level packaging의 기술로 응용할 수 있을 것이다.

따라서 Wafer Level Packageing(WLP) 기술은 Si 6인치 또는 8인치 크기 웨이퍼를

이용하여 Si 깊은 식각 뿐만 아니라 bulk 마이크로머시닝을 통한 submount 기술을

접목하여 대량의 패키지를 생산할 수 있는 중요한 기술로, 최근 각광을 받고 있는

고출력 LED 패키지에 응용할 수 있는 기술이다.

패키지 실장기술은 오래전부터 다이(die) 수준에서 조립하는 기술에서 최근에 채택

이 된 WLP 방법의 공정 기술로 발전되었다. 이는 LED 칩만을 웨이퍼 수준으로 조

립하는 방법과 렌즈까지 웨이퍼 수준으로 조립하는 완전 WLP 방식이 있다. 이러한

WLP 방법은 정밀한 실장이 가능하고, 조립공정을 단순화시키며, 조립비용을 절감

할 수 있는 장점이 있으며, 양산시 초기투자 비용이 크다는 것과 웨이퍼수준에서

이종물질을 접합한다는 관점에서 양산시 풀어야 할 기술적 난제가 있다는 단점이

있다.

광통신 소자 및 발광소자에 응용하는 것 이외에 자동차용 MEMS 센서 제작과 의료

용 진단 칩 개발에 필요한 MEMS 공정 기초 기술로써 활용가치가 매우 높다고 할

수 있다.

- 58 -

제 6 장 참고문헌

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