KR100925483B1 - 멤스 구조체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리이미드 박막을 희생층으로 사용하는 멤스 구조체의 제작과정에 있어 엥커 공정시에 격자형태의 더미 패턴을 형성하여 균열을 방지하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 멤스 구조체 제조 방법은, (a) 기판을 형성하는 단계; 및 (b) 다수개의 비워진 영역이 구비된 형태의 희생층을 상기 기판 상에 형성하고, 상기 비워진 영역에 소자를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 희생층의 상기 각 비워진 영역들 사이에 적어도 일방향의 격자 홈들이 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 제안된 방법을 이용함으로써 멤스 구조체의 균열 현상을 줄일 수 있으며 이를 이용하여 더욱 얇은 두께를 가지는 멤스 구조체를 제조하는 것이 현저히 용이해진다.

멤스, 폴리이미드, 희생층, 균열

Description

멤스 구조체 제조 방법{Fabrication Method of MEMS Structure}

본 발명은 멤스 구조체 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 폴리이미드를 희생층으로 이용하는 멤스(MEMS : Micro Electro Mechanical Systems)형 구조체의 제작에 있어 균열 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 멤스 구조체 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-02, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS기반 MEMS 복합센서 기술개발].

멤스(MEMS : Micro electro mechanical system)는 전기/기계적 반응을 하는 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술이다.

MEMS기술을 이용하여 제작된 소자가 기계적인 동작을 하기 위해서, MEMS소자는 통상적으로 기판상에서 요동가능 하도록 부상된 부분을 가질 수 있다.

멤스 구조체 내에서 상기 부상된 부분을 형성하거나, IC 회로와의 일체화가 가능한 표면 미세 가공 공정(bulk micromachining)을 위해, 제조 공정 중 일시적으로 형성되었다가 제거되는 희생층을 이용하는 것이 일반적이다. 여러 가지 희생층을 이용한 공정들이 개발되었으나, 현재까지는 저온 공정 및 실리콘 정합 공정 측면에서 폴리이미드가 가장 많이 실시되고 있다.

도 1은 기판(10)에 희생층(11)이 덮여진 상태의 멤스 구조체에 대한 제조 공정 중의 웨이퍼 기판을 도시하고 있다. 도면에서 식별부호 12의 영역에, 요망하는 기능을 수행하는 구성요소가 추후 공정에 의해 형성된다. 그러나, 제조하고자 하는 소자의 종류에 따라, 상기 기판(10)의 일부 영역에는 이미 공정이 완료된 집적회로들(integrated circuits ; IC)이 포함되어 있을 수 있다.

그런데, 폴리이미드는 기존 멤스 공정용 소재들에 비해 열 팽창 계수가 크기 때문에, 폴리이미드 희생층 상부의 멤브레인 재료들이 열 응력을 받기 쉽다는 단점이 있다. 승온과정에서는 상부 멤브레인 재료들이 인장 응력을 받게되고, 냉각 과정에서는 압축응력을 받게 된다. 특히, 승온 과정에 발생하는 인장 응력은 웨이퍼 내에 취약한 부분이 있을 경우에 멤브레인에 균열을 유발할 수 있다.

멤스 구조체의 제작 공정 중 어느 시점에 일단 균열이 발생하고 나면, 이 균열은 후속 공정을 거치면서 지속적으로 성장하게 되며, 심한 경우에는 웨이퍼 전체를 불량으로 만들게 된다. 이러한 균열은 웨이퍼 내의 특정 취약한 부분에 응력이 집중되기 때문에 발생하며, 희생층으로서 폴리이미드가 덮힌 영역의 면적이 클수록 특정부분에 큰 응력이 집중될 가능성이 커진다.

한편, 멤스 공법으로 제작되는 대부분의 센서들에 있어서, 구조체 멤브레인 의 두께는 센서의 성능과 관계 있으며, 특히 적외선 센서의 경우에는 구조체 멤브레인의 두께가 얇을수록 고성능을 얻을 수 있다.

그러나, 상기 폴리이미드 희생층에 의한 균열 발생 현상은 상부 구조체 멤브레인 박막의 두께가 얇을수록 더 쉽게 일어나는 특징이 있어 구조체 멤브레인 박막을 얇게 만드는 것을 어렵게 만든다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 희생층의 응력에 의한 구조체의 균열을 방지할 수 있는 멤스 구조체의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 대량 생산 중의 멤스 구조체들 중 일부에 발생된 균열의 확산을 차단할 수 있는 멤스 구조체의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멤스 구조체 제조 방법은, (a) 기판을 형성하는 단계; 및 (b) 다수개의 비워진 영역이 구비된 형태의 희생층을 상기 기판 상에 형성하고, 상기 비워진 영역에 소자를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 희생층의 상기 각 비워진 영역들 사이에 적어도 일방향의 격자 홈들이 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 격자 홈들은, 제1방향의 격자 홈들과, 상기 제1방향과 수직인 제2방향의 격자홈들로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 격자 홈들이 제조된 소자들간 절단을 위한 공간이거나 인접한 경우, 상기 (b) 단계 이후, (c) 상기 소자가 형성된 기판을 상기 격자 홈들을 따라 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서는 희생층으로 인한 구조체의 균열을 방지하기 위하여, 상기 희생층이 격자 패턴으로 슬롯을 가지는 것을 제안한다. 구체적으로는, 멤스형 구조체 제작시 엥커 패터닝시에 더미 패턴을 격자 형태로 배치하여 폴리이미드를 구획화 시킴으로써 큰 응력이 한곳에 집중되지 못하게 억제하여 균열의 발생을 방지한다.

상기 구성의 본 발명에 따른 멤스형 구조체 제조 방법을 실시하면, 희생층으로 인한 구조체의 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 희생층의 보다 심화된 개선 구조를 제시한 본 발명에 따르면, 다수개의 멤스형 구조체를 형성하는 웨이퍼 일부에서 발생된 응력 또는 균열이 다른 부분으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 효과도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

( 실시예 )

도 2는 멤스 구조체의 제작 공정 중 본 발명의 사상이 적용되는 과정만을 도시한 것이다. 멤스 구조체에 대한 전반적인 제작 공정은, 대한민국 특허공개 2003-49992호 등과 같은 다수개의 선행기술문헌에, 다양한 제작 방법들로서 공개되어 있다. 본 발명은 상기 다양한 멤스 구조체의 제작 공정 중 희생층을 생성하는 과정에 대한 개선이다.

희생층(11)은 기판(10) 위에 구성요소가 구현되지 않는 영역을 차단하는데 사용될 수도 있으며, 부양된 입체 구조체를 생성할 때 받침대 주변의 빈 공간에 대한 임시 충진물로서 사용될 수 있는 등, 멤스 구조제의 제작 공정 중 다양한 과정에서 적용될 수 있다.

도시한 바와 같이 실리콘 등으로 구현되는 웨이퍼 기판(10) 위에 희생층(11)으로 사용되는 폴리이미드 막을 형성한다. 폴리이미드 막은 통상적인 원형 웨이퍼의 경우 스핀 코팅의 방법으로 형성될 수 있으며, 그 두께는 제작되는 소자의 종류 및 목적에 따라 다양한 두께로 형성될 수 있다.

도 2에서 식별부호 12는 구성요소가 제작되는 영역을 표시하며, 30은 구성요소가 없는 빈 영역을 표시한다. 여기서 구성요소란, 센서 칩의 경우 각종 센서를 의미하며, 발진용 칩의 경우 액츄에이터를 의미하는 등, 해당 멤스 구조체 칩의 주 용도를 구현하는 구성요소를 뜻한다. 통상적으로 구성요소가 없는 빈 영역에도 공 정 확인용 패턴이나 얼라인먼트용 패턴 등은 위치할 수 있다.

공정 중 멤브레인의 균열은 소자 영역에서 발생할 수도 있으며, 소자가 없는 빈 영역에서 발생할 수도 있다. 균열의 발생위치는 일반적으로 엥커 패턴에서 컨캐이브(concave) 패턴이 있는 곳에서 잘 발생한다. 엥커가 컨캐이브(concave) 형태로 패터닝 되는 곳에서는 쉽게 열 응력이 집중될 수 있어 상부 멤브레인의 기계적 강도가 충분치 않을 경우에는 열 공정 중 쉽게 균열이 발생할 수 있다.

이러한 현상은 하부 폴리이미드의 면적이 넓을수록 큰 응력이 국부적으로 취약한 부분에 집중되기 쉬우므로 더 쉽게 발생한다.

본 실시예에서는 후속 공정에서 폴리이미드 희생층(11)에 응력이 발생하였을 때, 이를 감쇄시킬 수 있도록, 상기 폴리이미드 희생층(11)에 격자 홈들로 이루어진 격자 홈(20)들을 형성한다. 즉, 상기 격자 홈(20)들이 폴리이미드 희생층(11)의 수축 또는 팽창시 이를 흡수할 수 있는 여유 공간으로서 기능한다.

상기 폴리이미드 희생층(11)에 격자 패턴을 형성하는 방법의 하나로서, 멤브레인을 구성하는 박막들을 증착하기 전에 엥커 패터닝 시에 격자 형태의 더미 패턴을 형성할 수 있다.

이때, 상기 더미 패턴을 이루는 격자 홈(20)의 폭은 희생층(11)의 두께와 연관하여 결정하여야 한다. 상기 격자 홈의 폭이 희생층의 두께에 비해 지나치게 클 경우에는 후속 공정에서 단차 때문에 공정이 어려워질 수 있다. 예컨대 포토 공정을 위한 포토레지스터 도포 공정 등에 있어 불량을 유발할 수 있다. 반면에 상기 격자 홈(20)의 폭이 희생층(11)의 두께에 비해 지나치게 좁을 경우에는 후속공정에서 멤브레인을 구성하는 박막이 상기 격자 패턴을 균일하게 덮지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이런 현상이 발생할 경우, 후속 공정 중 포토레지스터 등을 제거하기 위한 산소 플라즈마 식각 공정에서 폴리이미드 희생층(11)의 손상이 발생할 수 있다. 따라서 적절한 격자 홈(20)의 선폭이 존재하며 그 범위는 대체로 희생층(11) 두께의 0.5배 이상, 2배 이하의 범위이다.

상기 격자 홈(20)들의 위치는 구성요소 사이의 빈 공간에 위치함이 바람직하며, 하나의 웨이퍼 기판에서 다수개의 멤스형 구조체 소자들을 제작하는 경우에는, 소자 제조후 소자간의 절단의 위한 공간(scribe lane) 또는 그 공간에 인접하여 위치하는 것이 바람직하다.

상기 격자 홈(20)을 포함하는 더미 패턴 형성 후의 공정은 제조하는 소자에 따라 달라진다. 예를 들어 적외선 센서 공정의 경우라면 멤브레인 막과 컨텍홀 형성, 전극형성, 센서 재료 증착, 상부 멤브레인 증착 멤브레인 패터닝, 희생층 식각 등의 공정이 진행될 수 있다.

상기 실시예는 본 특허의 사상의 이해를 위한 것이며 본 특허가 상기 실시예에 의해 제한되지는 않는다.

예컨대, 상기의 격자 홈이 구비된 격자 패턴 형성은 구성요소에 속하는 멤브레인의 일부가 증착된 이후에 형성될 수도 있다. 구체적인 일례로서 폴리이미드 희생막 증착 후 멤브레인을 형성하는 막들의 일부를 증착한 이후 엥커 공정이 진행되 는 경우에 해당한다.

또한, 상기 격자 패턴은 지지대 역할을 하는 엥커 제작을 위한 폴리이미드 희생층에 대하여 형성할 수 있으며, 멤스형 구조체 소자를 제작하는 전체 공정에 엥커 공정이 다수 회 포함되어 있을 경우에는 엥커 제작 공정들 중 전부 또는 일부에 적용될 수도 있다. 또한, 전체 공정들 중 희생층(제조 공정 중 임시적으로 형성되었다가 제거되는 층을 뜻한다)을 이용하는 공정들의 전부 또는 일부에 적용될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 Polyimide 희생층을 사용한 종래의 MEM 구조체 제조 중의 구조를 도시한 상부 평면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 구조체 제조 중의 구조를 도시한 상부 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 실리콘 기판

11 : 폴리이미드 희생층

12 : 소자가 제조될 영역

20 : 격자형 더미 패턴

Claims (5)

1. (a) 기판을 형성하는 단계

   (b) 다수개의 비워진 영역이 구비된 형태의 희생층을 상기 기판 상에 형성하고, 상기 비워진 영역에 소자를 형성하는 단계, 그리고

   (c) 상기 희생층 위에 멤브레인막을 형성하고 상기 희생층을 제거하는 단계

   를 포함하되,

   상기 희생층의 상기 각 비워진 영역들 사이에 적어도 일방향의 격자 홈들이 위치하는 것을 특징으로 하는 멤스 구조체 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 격자 홈들의 폭은 희생층 두께의 0.5배 이상 2배 이하인 것을 특징으로 하는 멤스 구조체 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 격자 홈들은,

   제1방향의 격자 홈들과, 상기 제1방향과 수직인 제2방향의 격자홈들로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스 구조체 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   (d) 상기 소자가 형성된 기판을 상기 격자 홈들을 따라 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 구조체 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 희생층은 폴리이미드 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 구조체 제조 방법.

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