A New HF/$NH_4F$/Glycerine Aqueous Solution for Protection of Al Layers During Sacrificial Etching of PSG Films

PSG 희생층 식각시 Al층을 보호하기 위한 새로운 HF/$NH_4F$/Glycerine 혼합 식각액

The oxide sacrificial layer technology is one of the key technologies in surface micromachining. However, the commonly used aqueous HF solutions, including the $NH_4F$ buffered HF solutions (BHF), are known to attack the Al metal layers during the oxide sacrificial etch. A mixed $NH_4F$/HF/glycerine aqueous solution of 4:1:2 ratio is known to have the best etch selectivity between oxide and AI, but even this sacrificial etchant has a significant etch rate for AI. This paper reports an extensive experimental study on various concentration ratios for HF, $NH_4F$ and glycerine, and develops the optimal mixture ratio for sacrificial etching. At the $NH_4F$/HF/glycerine ratio of 2:1:4, the etch selectivity between PSG and Al improves by approximately 6 times over the previously known best selectivity, to a value of 7,700. At this condition, the measured etch rate of PSG film is approximately $2.1\;{\mu}m/min$, which is sufficiently fast. The developed sacrificial etchant allows the addition of a Al metal layer in surface micromachining, without the worry of Al layer erosion during sacrificial etch.

희생층을 제거하는 기술은 표면 마이크로머시닝 공정의 핵심기술중 하나이다. 그러나 희생층을 제거하는데 널리 쓰이는 BHF 용액을 포함한 HF 수용액은 희생층 제거시 금속층으로 쓰이는 알루미늄도 같이 식각하는 것으로 알려져 있다. 기존의 문헌에서 $NH_4F$:HF:glycerine=4:1:2의 비를 갖는 혼합 용액이 알루미늄과 PSG 간의 식각 선택비가 최적조건으로 제시되었지만 이 희생층 식각액 또한 상당한 알루미능 식각률을 가지고 있다. 본 논문에서는 HF, $NH_4F$, glycerine의 농도를 광범위하게 변화시켜 희생층 제거에 필요한 최적 혼합비를 개발하였으며 그 결과 $NH_4F$:HF:glycerine=2:1:4의 혼합비에서 약 7,700정도의 PSG와 Al의 식각 선택비를 가져 기존의 최적 식각 선택비보다 차수가 약 6배정도 향상된 희생층 식각액을 얻을 수 있었다. 이 조건에서 PSG의 식각률은 희생층 제거시 충분히 빠른 값인 약 $2.1\;{\mu}m/min$을 나타내었다. 이러한 개발된 희생층 식각액은 표면 마이크로머시닝 공정에서 알루미늄 금속 공정의 추가를 용이하게 한다.