KR100517496B1

KR100517496B1 - 스텝-업 구조를 갖는 외팔보 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100517496B1
Application number: KR10-2002-0000434A
Authority: KR
Inventors: 이희중
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2002-01-04
Publication date: 2005-09-28
Also published as: KR20030059695A; JP3910532B2; CN1429762A; US20030127698A1; JP2003245898A; CN1282597C; US6815866B2

Abstract

스텝-업 구조의 외팔보 및 그 제조 방법에 관해 개시되어 있다. 여기서 본 발명은 기판, 상기 기판에 접착 고정된 지지부 및 상기 지지부와 연결된 상태로 상기 기판과 소정의 갭을 유지하는 운동판을 구비하되, 상기 지지부는 소정 형태의 지지부와 상기 소정 형태의 지지부의 테두리에 수직하고 상기 운동판의 길이 방향으로 형성된 제1 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 및 그 제조 방법을 개시한다. 이러한 외팔보는 그 제조 과정의 고온 고압에 의한 변형, 곧 외팔보의 운동판의 초기 굽힘 변형량을 종래에 비해 크게 줄인 것으로써, 불량률이 극히 낮기 때문에, 이것이 적용되는 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

스텝-업 구조를 갖는 외팔보 및 그 제조방법{Cantilever having step-up structure and method for manufacturing the same}

본 발명은 마이크로 전자 기계 시스템 구동소자(이하, MEMS 구동 소자라 한다)에 관한 것으로서, 자세하게는 제조 공정에서 발생되는 운동판의 초기 굽힘 변형을 줄인 스텝-업(step-up) 구조의 외팔보(cantilever) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구동소자, 예를 들면 스위치는 마이크로파나 밀리미터파를 이용하는 무선통신 시스템에서 신호의 선별 전송(signal routing)이나 임피던스 정합 네트워크(impedance matching networks) 등에 널리 사용되는 응용 소자이다.

MEMS 기술은 크게 두 기술로 나눌 수 있는데, 그 첫 번째가 실리콘 기판 등과 같은 기판에 다층막을 형성한 다음, 기판의 일부분을 녹여내어 에어 갭(air gap)을 형성함으로써 기계적 구동을 가능하게 하는 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micro-machining) 기술이다. 그 두 번째가 기판 상에 다결정 실리콘, 실리콘 산화막, 산화막 및 금속막 등을 증착하여 설계된 형상에 따라 소정의 구조물을 제작하는 표면미세가공(Surface Micro-machining) 기술이다. 표면미세가공 기술은 AFM(Atomic Force Microscope) 팁(tip), 바로미터(barometer), RF 공진기(resonator) 등과 같은 다양한 미세기계를 가공하여 제작하는데 응용되고 있다.

상기 표면미세가공 기술이 사용된 대표적인 MEMS 구동 소자가 스텝-업 구조를 갖는 초소형 다층 박막 외팔보(이하 '외팔보'라 한다)이다.

도 1은 종래 기술에 의한 외팔보의 사시도이고, 도 2는 도 1을 2-2'방향으로 절개한 단면의 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 외팔보(12)는 기판(10) 상에 구비되어 있고, 기판(10)에 고착된 정방형의 지지부(12a)와 지지부(12a)에 의해 지지되는 운동판(12b)으로 구성되어 있다. 운동판(12b)과 기판(10)사이에 에어 갭(14)이 존재한다. 운동판(12b)은 지지부(12a)로부터 스텝-업된 형태이다. 곧, 운동판(12b)과 지지부(12a)사이에 에어 갭(14)의 두께에 해당되는 만큼의 단차가 존재한다.

이러한 외팔보는 고온 고압의 제조 공정을 거쳐서 만들어지기 때문에, 그 제조 공정에서 지지구조에 잔류 굽힘 응력이 발생하게 된다. 상기 잔류 굽힘 응력의 구배(기울기)에 의해 외팔보에 초기 굽힘 변형이 발생하게 된다. 이렇게 되면, 외팔보 성능의 정확성이 저하되기 때문에, 극소형, 초정밀 제품에 외팔보를 적용하는 것이 어려워 질 수 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 제조 과정에서 발생되는 초기 굽힘 변형을 최소화한 스텝-업 구조를 갖는 MEMS 구동 소자를 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 MEMS 구동 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판과, 상기 기판에 접착 고정된 지지부와, 상기 지지부와 연결된 상태로 상기 기판과 소정의 갭을 유지하는 운동판을 구비하되, 상기 지지부는 소정 형태의 제1 지지부와 상기 제1 지지부의 테두리에 수직하고 상기 운동판의 길이 방향으로 형성된 제2 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보를 제공한다.

상기 지지부는 상기 제1 지지부의 테두리에 수직하고 상기 운동판의 길이 방향으로 상기 제2 지지부와 평행한 제3 지지부를 더 포함한다.

상기 제2 및 제3 지지부는 소정의 길이와 폭을 갖되, 상기 폭대 길이의 비(폭/길이)는 0보다 크고 1보다 작다.

또한, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 지지부가 소정 형태의 제1 지지부와 상기 제1 지지부에 인접하게 형성된 제2 지지부로 구성된 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보를 제공한다. 이때의 상기 제2 지지부는 상기 운동판의 길이 방향에 수직하게 슬릿 형태로 형성된 것이다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 소정의 반도체 소자가 형성된 기판 상에 상기 소정의 반도체 소자를 덮는 희생층을 형성하는 제1 단계와, 상기 희생층 상에 식각저지막을 형성하는 제2 단계와, 상기 식각저지막을 패터닝하여 상기 희생층을 소정 형상으로 노출시키는 제3 단계와, 상기 희생층의 노출된 부분을 식각하여 상기 소정의 반도체 소자와 연결된 소정 영역을 노출시키는 제4 단계와, 상기 식각저지막 상으로 상기 노출된 소정 영역을 덮는, 스텝-업 구조를 갖는 외팔보를 구성하기 위한 소정의 물질층을 순차적으로 형성하는 제5 단계와, 상기 노출된 소정 영역 상에 형성된 상기 소정의 물질층 중 일부와 상기 기판을 연결하는 제6 단계 및 상기 희생층을 제거하는 제7 단계를 포함하되, 상기 제3 단계에서 소정 형상의 제1 영역과 이에 수직하게 연결되면서 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 형성되는 제2 영역이 포함되도록 상기 식각저지막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법을 제공한다.

상기 제5 단계는 상기 희생층 상에 상기 노출된 영역을 덮는 하부 전극을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극 상에 압전 박막을 형성하는 단계 및 상기 압전 박막 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 제2 영역이 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 소정의 길이를 갖고 이에 수직한 방향으로 소정의 폭을 갖도록 상기 식각저지막을 패터닝하되, 상기 폭과 길이의 비(폭/길이)가 0보다 크고 1보다 작게 되도록 패터닝한다.

상기 제1 및 제2 영역과 상기 제1 영역에 수직하게 연결되면서 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 상기 제2 영역과 평행한 제3 영역이 포함되도록 상기 식각저지막을 패터닝한다.

또, 상기 제3 영역이 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 소정의 길이를 갖고 이에 수직한 방향으로 소정의 폭을 갖도록 상기 식각저지막을 패터닝하되, 상기 폭과 길이의 비(폭/길이)가 0보다 크고 1보다 작게 되도록 패터닝한다.

본 발명은 또한 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 소정의 반도체 소자가 형성된 기판 상에 상기 소정의 반도체 소자를 덮는 희생층을 형성하는 제1 단계와, 상기 희생층 상에 식각저지막을 형성하는 제2 단계와, 상기 식각저지막을 패터닝하여 상기 희생층을 소정 형상으로 노출시키는 제3 단계와, 상기 희생층의 노출된 부분을 식각하여 상기 소정의 반도체 소자와 연결된 소정 영역을 노출시키는 제4 단계와, 상기 식각저지막 상으로 상기 노출된 소정 영역을 덮는, 스텝-업 구조를 갖는 외팔보를 구성하기 위한 소정의 물질층을 순차적으로 형성하는 제5 단계와, 상기 노출된 소정 영역 상에 형성된 상기 소정의 물질층 중 일부와 상기 기판을 연결하는 제6 단계 및 상기 희생층을 제거하는 제7 단계를 포함하되, 상기 제3 단계에서 소정 형상의 제1 영역과 이에 평행하면서 상기 소정의 물질층의 길이 방향에 수직한 방향으로 상기 제1 영역에 인접하게 형성되는 제2 영역이 포함되도록 상기 식각저지막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법을 제공한다.

이 과정에서 상기 제1 영역은 사각형으로, 상기 제2 영역은 슬릿 형태가 되도록 상기 식각저지막을 패터닝한다.

이러한 본 발명에 의한 스텝-업 구조의 멤스 구동 소자, 곧 외팔보 및 그 제조 방법을 이용하면, 제조 공정에서의 외팔보의 운동판의 초기 굽힘 변형을 최소화할 수 있다. 이에 따라 외팔보의 불량률을 줄일 수 있고, 이러한 외팔보를 극소형, 초정밀 제품에 적용함으로써, 해당 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 외팔보 및 그 제조 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

본 발명자는 외팔보 제조 과정에서 그 지지부에 발생되는 초기 굽힘 변형을 최소화시키기 위해, ①외팔보 지지부에 대한 새로운 형상을 모델링 하고, 이를 유한요소법(FEM)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 그리고 ② 상기 모델링한 형상으로 외팔보 지지부를 실제 제작한 다음, 실험을 통해서 그 수치를 비교 분석하여 초기 굽힘 변형이 가장 작은 지지부 형태가 어떤 것인지 알아보았다. 또, ③초기 굽힘 변형을 최소화시킬 수 있는 지배인자를 도출한 후, 이를 바탕으로 해서 상기 초기 굽힘 변형을 최소화할 수 있는 지지부의 최적 형태를 최종적으로 선정하였다.

<모델링>

본 발명자는 외팔보의 지지부와 운동판을 연결하는 부분, 곧 스텝-업 부에 발생하는 초기 굽힘 변형을 최소화시키는 지지부를 찾기 위해 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이 서로 다른 형태의 지지부를 갖는 외팔보를 디자인하였다.

각 도면에서 위쪽에 도시된 것은 해당 외팔보를 디자인하는 과정에서 지지부를 패터닝하는데 사용한 마스크 패턴의 평면도를, 아래쪽에 도시된 것은 해당 외팔보의 지지부를 운동판의 길이 방향에 평행하게 그 중심을 따라 절개한 단면을 보여주는 단면도이다.

도 3은 종래의 외팔보(이하, 제1 외팔보(12)라 한다)를, 도 4 내지 도 6은 본 발명자가 제안한 외팔보들(이하, 각각을 제2 내지 제4 외팔보(42, 54, 64)라 한다)을 보여준다.

도 3과 도 4 내지 도 6을 서로 비교하면, 제2 내지 제4 외팔보들(42, 54, 64)의 지지부들(42a, 54a, 64a)과 제1 외팔보의 지지부(12a)는 형태가 서로 다르다는 것을 알 수 있다. 이러한 사실은 각 도 (a)에 도시된 평면도를 참조함으로써 보다 명확해진다.

구체적으로, 제1 외팔보(12)의 지지부(12a)는 그 평면 형태가 단순히 정방형에 지나지 않지만, 도 4의 (b)도를 참조하면, 제2 외팔보(42)의 지지부(42a)는 정방형 지지부(42b)에 운동판(42d)의 길이 방향으로 소정의 길이와 폭을 가지면서 정방형 지지부(40a)의 한 변에 수직한 제1 지지부(42c)가 추가된 형태이다. 그리고 제3 외팔보(54)의 지지부(54a)는 도 5의 (a)도를 참조하면, 정방형 지지부(54b)에 도 4에 도시한 제2 외팔보(42)의 제1 지지부(42c)와 동등한 제2 및 제3 지지부(54c, 54d)가 추가된 형태이다. 참조부호 54d는 운동판을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 제4 외팔보(64)의 지지부(64a)는 정방형 지지부(64b)와 정방형 지지부(64b)에 인접하고 운동판(64d)의 길이 방향에 수직한 제4 지지부(64c)를 포함한다.

계속해서, 본 발명자는 유한 요소법을 이용한 구조 해석용 소프트웨어를 사용하여 도 3 내지 도 6에 도시된 제1 내지 제4 외팔보(12, 42, 54, 64)에 대한 해석을 실시하였다. 표 1과 도 7은 이러한 해석 결과를 나타낸다.

외팔보 구분	δ_MAX(㎛)
제1 외팔보	9.911
제2 외팔보	3.285
제3 외팔보	5.919
제4 외팔보	8.971

도 7에서 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 제1 내지 제4 외팔보(12, 42, 54, 64)의 지지부(anchor) 형태를 나타낸다. 그리고 표 1에서 δ_max(㎛)는 상기 각 외팔보 끝단에서의 초기 굽힘 변형량을 나타낸다.

표 1 및 도 7을 참조하면, 제1 외팔보의 경우, 외팔보 끝단에서의 초기 굽힘 변형량은 9.911㎛ 정도인 반면, 제2 내지 제4 외팔보들의 경우, 초기 굽힘 변형량이 모두 제1 외팔보에 비해 작고, 그 중에서도 제2 외팔보가 가장 작다는 것을 알 수 있다.

이러한 모델링 해석 결과를 통해서, 외팔보의 지지부가 본 발명자가 제안한 형태인 경우, 곧 제2 내지 제4 외팔보의 경우에 그 초기 굽힘 변형량은 제1 외팔보에 비해 최대 70% 정도 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

<실험예>

본 발명자는 상기한 모델링 해석 결과를 검증하기 위해, 상기 제1 내지 제4 외팔보를 제작하여 각 외팔보 끝단에서의 초기 굽힘 변형량을 측정하였다. 이를 위한 각 외팔보의 제작 과정을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 제2 외팔보에 대한 제작 과정을 설명한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 기판(70)의 소정 영역 상에 필드 산화막(72)을 형성하여 액티브 영역(74)을 정의하였다. 액티브 영역(74) 상에 게이트 전극(G)을 형성한 다음, 그 양측에 소오스(S) 및 드레인(D)을 형성하여 트랜지스터를 형성하였다. 상기 트랜지스터가 형성된 기판(70) 상에 희생층(78)을 형성하였다. 이때, 희생층(78)은 PSG(Phosphosilicate Glass)층으로 형성하였다. 희생층(78)은 후속 공정에서 소정의 MEMES 구동소자를 형성한 후에 기판(70)과 상기 MEMS 구동소자사이에 에어 갭을 형성하기 위해 제거하였다. 이어서 희생층(78) 상에 식각 저지막(80)(etch stop layer)을 형성하였고, 식각 저지막(80) 상에 감광막(82)을 형성하였다. 감광막(82)은 도 4에 도시한 바와 같은 외팔보의 지지부(40)와 동일한 형상의 패턴을 포함하는 마스크를 사용하여 패터닝하였다.

도 9는 상기 마스크의 사시도를, 도 10은 상기 마스크를 사용한 패터닝 결과 형성된 감광막 패턴(82a)의 사시도이다. 도 9에서 M1은 제1 마스크를, E는 감광막(82)에 도 4에 도시한 외팔보의 지지부(40)와 동일한 패턴을 형성하기 위해 지지부(40)와 동일한 형상으로 형성된 노광창을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 감광막 패턴(82a)에 도 4에 도시한 외팔보의 지지부(40)와 동일한 형상의 패턴(82b)이 형성되어 있다. 패턴(82b)을 통해서 식각저지막(80)이 노출된다. 패턴(82b)은 사각형의 제1 패턴(82c)과 제1 패턴(82c)의 한 변에 수직한 방향으로 소정의 길이(L) 만큼 돌출된 제2 패턴(82d)으로 이루어져 있다. 제2 패턴(82d)의 폭(W)은 길이(L)에 비해 좁다.

편의 상, 도 10에서 식각저지막(80) 아래에 형성된 부재에 대해서는 그 도시를 생략하였다.

도 11은 감광막(82)을 도 10에 도시한 바와 같은 형태로 패터닝한 후의 결과물의 단면으로써, 감광막 패턴(82a)의 지지부 패턴(82b)을 11-11'방향으로 절개한 단면을 보여준다. 도면에서 감광막 패턴(82a)의 제2 패턴(82d)의 단면은 제1 패턴(82c)의 단면과 구별하기 위해 편의 상 빗금으로 표시하였다.

계속해서, 감광막 패턴(82a)을 식각 마스크로 사용하여 식각저지막(80)의 제1 및 제2 패턴(82c, 82d)을 통해서 노출되는 부분(80a)을 제거하였다. 그리고 감광막 패턴(82a)을 제거하였다. 도 12의 (a)도 및 (b)도는 각각 감광막 패턴(82a)을 제거한 결과물의 단면과 사시도를 보여준다. (b)도의 경우 희생층(78) 아래에 형성된 부재는 도시를 생략하였다. 그리고 (b)도에서 참조부호 78a는 식각저지막(80)의 제거된 부분을 통해서 노출되는 희생층을 나타낸다. 이러한 결과물을 식각저지막(80)을 식각 마스크로 하여 습식식각으로 제거하였다. 상기 습식 식각은 드레인 패드층(76)이 노출될 때까지 실시하였으며, 식각액으로 불산(HF)을 사용하였다.

도 13의 (a) 및 (b) 도는 각각 상기 습식 식각후의 결과물의 단면도 및 사시도를 보여준다.

도 13에서 상기 습식 식각에 의해, 희생층(78)에 드레인 패드층(76)이 노출되는, 지지부 패턴(82b)과 동일한 형상의 제1 비어홀(78a)이 형성된 것을 볼 수 있다.

상기 습식 식각 후, 도 14에 도시한 바와 같이 식각 저지막(80) 상에 드레인 패드층(76)과 연결되는 스텝-업 구동 소자를 구성하는 물질막들을 순차적으로 형성하였다.

구체적으로, 식각 저지막(80)상으로 제1 비어홀(78a)을 통해서 노출된 드레인 패드층(76)을 덮는 지지막으로서 질화막(SiN_x)(84)을 형성하였다. 이어서, 질화막(84) 상에 하부전극(86), 유전막(88) 및 상부전극(90)을 순차적으로 형성하였다. 하부전극(84)은 백금(Pt)막으로 형성하였다. 유전막(88)은 압전 박막인 PZT막으로 형성하였다. PZT막은 솔-젤(sol-gel) 방법으로 형성하였다. 상부전극(90)은 유전막(88)에 하부전극(86)과 더불어 전계를 형성하기 위한 것으로 하부전극(86)과 동일하게 백금막으로 형성하였다.

이와 같이 스텝-업 구동 소자를 구성하는 박막들을 형성한 후에 도 15에 도시한 바와 같이, 제1 비어홀(78a)에 적층된 박막들 중에서 상부전극(90) 및 유전막(88)의 일부를 제거하여 하부전극(86)을 노출시켰다.

도 16에 도시한 바와 같이, 하부전극(86)의 노출된 영역에 질화막(84)을 관통해서 그 아래의 드레인 패드층(76)이 노출되는 제2 비어홀(92)을 형성하였다. 그리고 제2 비어홀(92)에 하부전극(86)과 드레인 패드층(76)을 연결하는 도전성 플러그(94)를 채웠다. 도전성 플러그(94)는 식각저지막(80) 상으로 형성된 구동 소자를 구성하는 박막들에 신호 전압을 인가하기 위한 통로가 되고, 하기한 바와 같이 희생층(78)이 제거된 후에 스텝-업 구조를 갖는 멤스 구동 소자를 지지하는 역할을 한다.

이후, 도 17에 도시한 바와 같이, 기판(70)과 식각 저지막(80)사이에 형성한 희생층(sacrificial layer)을 습식식각 방식으로 제거하였다. 이에 따라, 기판(70)과 외팔보(96)사이에 에어 갭(98)이 형성된다. 이렇게 해서, 도 4에 도시한 바와 같은 스텝-업 구조를 가지면서 정방형 지지부(42b) 및 제1 지지부(42c)를 포함하는 지지부(42a)를 구비하는 멤스 구동 소자가 형성된다.

상기 제1 외팔보, 제3 및 제4 외팔보에 대한 제작 과정은 감광막(82)을 패터닝하는데 사용한 마스크가 다른 것을 제외하고는 상술한 제2 외팔보의 제작 과정과 크게 다르지 않다.

곧, 상기 제1 외팔보를 제작하는데 도 18에 도시한 제2 마스크(M2)를 사용하였고, 상기 제3 외팔보를 제작하는데 도 19에 도시한 제3 마스크(M3)를 사용하였으며, 상기 제4 외팔보를 제작하는데 도 20에 도시한 제4 마스크(M4)를 사용하였다.

본 발명자는 이렇게 제작한, 지지부가 서로 다른 네 개의 외팔보들에 대한 초기 굽힘 변형량을 외팔보들의 운동판 끝단에서 측정하였다. 상기 운동판 끝단의 초기 굽힘 변형량은 마이크로 포커스 측정 시스템을 사용하여 측정하였다. 이러한 측정 결과는 아래의 표 2와 도 21에 요약하였다.

외팔보 구분	δ_MAX(㎛)
제1 외팔보	9.3
제2 외팔보	5.0
제3 외팔보	6.4
제4 외팔보	8.5

도 21에서 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 제1 내지 제4 외팔보에 대한 경우를 나타낸다.

<해석 결과와 실험 결과의 비교>

아래의 표 3은 상기 해석 결과와 상기 실험 결과에서 얻어진 상기 제1 내지 제4 외팔보의 운동판의 초기 굽힘 변형량에 대한 데이터를 함께 보여주고, 도 22는 이를 그래프 형태로 보여준다. 도 22에서 참조부호 G1 및 G2는 각각 상기 해석 결과 및 실험 결과를 나타내는 제1 및 제2 막대 그래프를 나타낸다.

외팔보 구분	δ_MAX(㎛)
외팔보 구분	해석 결과	실험 결과
제1 외팔보	9.911	9.3
제2 외팔보	3.285	5.0
제3 외팔보	5.919	6.4
제4 외팔보	8.971	8.5

표 3 및 도 22를 참조하면, 해석 결과와 실험 결과가 일치된 경향을 보인다는 것을 알 수 있다. 이것은 해석 결과가 신뢰할 수 있는 것임을 의미한다.

이로부터 어떠한 외팔보의 지지부 형태가 제2 내지 제4 외팔보 중 선택된 어느 하나의 형태인 경우, 그 외팔보의 운동판에 대한 초기 굽힘 변형량은 적어도 종래의 외팔보의 운동판에 대한 초기 굽힘 변형량보다 작다는 것이 입증된다.

다음에, 본 발명자는 어떠한 외팔보의 앵커의 형태, 곧 지지부의 형태가 상기 제2 내지 제4 외팔보 중 선택된 어느 하나와 같은 형태인 경우라 하더라도, 상기 제1 외팔보의 지지부와 다른 부분의 사이즈에 따라 상기 어떠한 외팔보의 운동판의 초기 변형 굽힘량이 달라질 수 있다고 판단하여, 상기 제1 외팔보의 지지부와 다른 부분의 사이즈를 변화시키면서 상기 어떠한 외팔보의 운동판의 초기 변형 굽힘량이 어떻게 달라지는지를 고찰하였다.

이때, 상기 어떠한 외팔보로는 상기 해석 및 실험 결과를 통해서 운동판의 초기 굽힘 변형량이 가장 작은 것으로 판명된 상기 제2 외팔보를 사용하였다.

본 발명자는 도 4에 도시한 상기 제2 외팔보의 운동판(42)의 초기 굽힘 변형량이 정방형 지지부(42b)의 한 변에 수직한 방향으로 형성된 제1 지지부(42c)의 사이즈에 따라 어떻게 달라지는지를 고찰하기 위해, 제1 지지부(42c)의 길이는 일정한 값(예컨대 10㎛)으로 고정시키고 그 폭의 값은 소정의 값으로부터 상기 길이와 동일한 값이 될 때까지 변화시키면서 상기 제2 외팔보의 운동판(42)의 끝단에서의 초기 굽힘 변형량의 변화를 유한 요소 해석을 통해 분석하였다.

아래의 표 4 및 도 23은 이러한 분석 결과를 보여준다.

a(㎛)	b(㎛)	a/b	변형량 (㎛)
2	10	0.2	3.285
3	10	0.3	3.792
5	10	0.5	4.649
6	10	0.6	5.028
8	10	0.8	5.756
10	10	1.0	6.510

표 4 및 도 23에서 참조 부호 a 및 b는 각각 제1 지지부(42c)의 폭 및 길이를 나타낸다.

표 4 및 도 23을 참조하면, 제1 지지부(42c)의 폭이 커질수록 운동판(42)의 초기 굽힘 변형량 또한 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 지지부(42c)의 폭과 길이가 동일한 경우에도 운동판(42)의 초기 굽힘 변형량은 6.510정도로써, 종래의 9.911에 비해 훨씬 적다는 것을 알 수 있다. 그러나 제1 지지부(42c)의 폭과 길이가 동일한 경우, 운동판(42)의 구동 특성이 저하될 수 있기 때문에 제1 지지부(42c)의 폭과 길이의 비(a/b)가 1보다 작은 범위에서 운동판(42)의 초기 굽힘 변형량을 최소화할 수 있도록 제1 지지부(42c)의 사이즈를 결정하는 것이 바람직하다. 이때, 폭을 고정시킨 상황에서 길이를 과도하게 길게 하는 경우, 운동판(42)에서 실제 구동될 수 있는 부분의 길이가 짧아져서 운동판(42)의 구동 특성이 저하될 수 있다는 사실도 함께 고려하는 것이 바람직하다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 외팔보의 지지부에서 사각형 부분을 원형으로 대체할 수도 있을 것이고, 유전막을 다층 유전막으로 대체할 수 있을 것이다. 또한, 제2 및 제4 외팔보를 결합한 형태의 외팔보를 구현할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 스텝-업 구조를 갖는 멤스 구동 소자, 곧 다층 박막의 외팔보는 사각형의 제1 지지부와 운동판에 평행하면서 제1 지지부의 한변에 수직한 방향의 제2 지지부로 구성되는 지지부(anchor)를 구비한다. 상기 제2 지지부가 구비됨으로써, 상기 외팔보를 제조하는 과정의 고온 고압에서 비롯되는 외팔보의 변형, 곧 외팔보의 운동판의 초기 굽힘 변형을 종래에 비해 크게 줄일 수 있다. 때문에 외팔보에 대한 불량 발생률을 줄일 수 있고, 이러한 외팔보가 적용되는 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 스텝-업 구조를 갖는 외팔보의 사시도이고,

도 2는 도 1을 2-2'방향으로 절개한 단면의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 구조를 갖는 외팔보의 모델링에 사용된 제1 외팔보의 도면으로써, (a)도는 평면도를, (b)도는 (a)도를 3-3'방향으로 절개한 단면 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 구조를 갖는 외팔보의 모델링에 사용된 제2 외팔보의 도면으로써, (a)도는 평면도를, (b)도는 (a)도를 4-4'방향으로 절개한 단면 사시도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 구조를 갖는 외팔보의 모델링에 사용된 제3 외팔보의 도면으로써, (a)도는 평면도를, (b)도는 (a)도를 5-5'방향으로 절개한 단면 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 구조를 갖는 외팔보의 모델링에 사용된 제4 외팔보의 도면으로써, (a)도는 평면도를, (b)도는 (a)도를 6-6'방향으로 절개한 단면 사시도이다.

도 7은 도 3 내지 도 6에 도시한 외팔보들에 대한 유한 요소 해석 결과를 보여주는 막대 그래프이다.

도 8 내지 도 17은 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 구조를 갖는 외팔보의 초기 굽힘 변형량을 실측하기 위해, 도 4에 도시한 외팔보에 상응하는 외팔보를 제작하는 과정을 단계별로 보여주는 사시도 또는 단면도들이다.

도 18 내지 도 20은 각각 제1, 제3 및 제4 외팔보를 제작하는 과정에서 사용되는 마스크들의 사시도이다.

도 21은 본 발명의 실험예에 따라 제작한 제1 내지 제4 외팔보들에 대한 초기 굽힘 변형량을 보여주는 막대 그래프이다.

도 22는 도 7에 도시한 해석 결과와 도 21에 도시한 실험 결과를 상호 비교해서 보여주는 막대 그래프이다.

도 23은 본 발명의 실시예에 의한 외팔보에 대한 제2 지지부의 폭과 길이의 비(폭/길이)에 따른 초기 굽힘 변형량을 보여주는 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

10, 42, 54, 64:제1 내지 제4 외팔보

12a, 42a, 54a, 64a:지지부 12b, 42d, 54d, 64d:운동판

42b, 54b, 64b:정방형 지지부

42c, 54c, 54d, 64c:제1 내지 제4 지지부

70:기판 72:필드 산화막

74:액티브 영역 76:드레인 패드층

78:희생층 78a, 92:제1 및 제2 비어홀

80:식각저지막 82:감광막

82a:감광막 패턴 82b:패턴

82c, 82d:제1 및 제2 패턴 84:질화막

86:하부전극 88:유전막

90:상부전극 94:도전성 플러그

96:외팔보 98:에어 갭(air gap)

D:드레인 G:게이트

G1, G2:제1 및 제2 막대 그래프

E:노광창 M1, M2, M3, M4:제1 내지 제4 마스크

a/b:제1 지지부의 폭과 길이의 비(폭/길이)

S:소오스

Claims

기판;

상기 기판에 접착 고정된 지지부; 및

상기 지지부와 연결된 상태로 상기 기판과 소정의 갭을 유지하는 운동판을 구비하되,

상기 지지부는 사각형의 지지부와 상기 사각형 지지부의 테두리에 수직하고 상기 운동판의 길이 방향으로 형성된 제1 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보.
제 1 항에 있어서, 상기 지지부는 상기 사각형 지지부의 테두리에 수직하고 상기 운동판의 길이 방향으로 상기 제1 지지부와 평행한 제3 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보.
제 2 항에 있어서, 상기 제1 및 제3 지지부는 소정의 길이와 폭을 갖되, 상기 폭대 길이의 비(폭/길이)는 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보.
기판;

상기 기판에 접착 고정된 지지부; 및

상기 지지부와 연결된 상태로 상기 기판과 소정의 갭을 유지하는 운동판을 구비하되,

상기 지지부는 사각형의 지지부와 상기 사각형 지지부에 인접하게 형성된 제1 지지부로 구성된 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보.
제 4 항에 있어서, 상기 제1 지지부는 상기 운동판의 길이 방향에 수직하게 슬릿 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 외팔보.
소정의 반도체 소자가 형성된 기판 상에 상기 소정의 반도체 소자를 덮는 희생층을 형성하는 제1 단계;

상기 희생층 상에 식각저지막을 형성하는 제2 단계;

상기 식각저지막을 패터닝하여 상기 희생층을 소정 형상으로 노출시키는 제3 단계;

상기 희생층의 노출된 부분을 식각하여 상기 소정의 반도체 소자와 연결된 소정 영역을 노출시키는 제4 단계;

상기 식각저지막 상으로 상기 노출된 소정 영역을 덮는, 스텝-업 구조를 갖는 외팔보를 구성하기 위한 소정의 물질층을 순차적으로 형성하는 제5 단계;

상기 노출된 소정 영역에서 상기 순차적으로 형성된 소정의 물질층 중 일부만을 남기는 제6 단계;

상기 노출된 소정 영역에 남은 일부의 물질층에 상기 반도체 소자와 연결된 소정 영역이 노출되는 비어홀을 형성하는 제7 단계;

상기 비어홀에 도전성 플러그를 채우는 제8 단계; 및

상기 희생층을 제거하는 제9 단계를 포함하되,

상기 제3 단계에서 소정 형상의 제1 영역과 이에 수직하게 연결되면서 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 형성되는 제2 영역이 포함되도록 상기 식각저지막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 제5 단계는,

상기 희생층 상에 지지막을 형성하는 단계;

상기 희생층 상에 상기 노출된 영역을 덮는 하부 전극을 형성하는 단계;

상기 하부 전극 상에 압전 박막을 형성하는 단계; 및

상기 압전 박막 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 제2 영역이 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 소정의 길이를 갖고 이에 수직한 방향으로 소정의 폭을 갖도록 상기 식각저지막을 패터닝하되,

상기 폭과 길이의 비(폭/길이)가 0보다 크고 1보다 작게 되도록 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역과 상기 제1 영역에 수직하게 연결되면서 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 상기 제2 영역과 평행한 제3 영역이 포함되도록 상기 식각저지막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 제3 영역이 상기 소정의 물질층의 길이 방향으로 소정의 길이를 갖고 이에 수직한 방향으로 소정의 폭을 갖도록 상기 식각저지막을 패터닝하되,

상기 폭과 길이의 비(폭/길이)가 0보다 크고 1보다 작게 되도록 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 희생층의 노출된 부분은 불산(HF)을 이용하여 습식식각하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
소정의 반도체 소자가 형성된 기판 상에 상기 소정의 반도체 소자를 덮는 희생층을 형성하는 제1 단계;

상기 희생층 상에 식각저지막을 형성하는 제2 단계;

상기 식각저지막을 패터닝하여 상기 희생층을 소정 형상으로 노출시키는 제3 단계;

상기 희생층의 노출된 부분을 식각하여 상기 소정의 반도체 소자와 연결된 소정 영역을 노출시키는 제4 단계;

상기 식각저지막 상으로 상기 노출된 소정 영역을 덮는, 스텝-업 구조를 갖는 외팔보를 구성하기 위한 소정의 물질층을 순차적으로 형성하는 제5 단계;

상기 노출된 소정 영역에서 상기 순차적으로 형성된 소정의 물질층 중 일부만을 남기는 제6 단계;

상기 노출된 소정 영역에 남은 일부의 물질층에 상기 반도체 소자와 연결된 소정 영역이 노출되는 비어홀을 형성하는 제7 단계;

상기 비어홀에 도전성 플러그를 채우는 제8 단계; 및

상기 희생층을 제거하는 제9 단계를 포함하되,

상기 제3 단계에서 소정 형상의 제1 영역과 이에 평행하면서 상기 소정의 물질층의 길이 방향에 수직한 방향으로 상기 제1 영역에 인접하게 형성되는 제2 영역이 포함되도록 상기 식각저지막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 제1 영역은 사각형으로, 상기 제2 영역은 슬릿 형태가 되도록 상기 식각저지막을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 제5 단계는,

상기 희생층 상에 지지막을 형성하는 단계;

상기 희생층 상에 상기 노출된 영역을 덮는 하부 전극을 형성하는 단계;

상기 하부 전극 상에 압전 박막을 형성하는 단계; 및

상기 압전 박막 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 희생층의 노출된 부분은 불산(HF)을 이용하여 습식식각하는 것을 특징으로 하는 스텝-업 구조의 외팔보 제조 방법.