KR100952027B1 - 마이크로기계 구성요소 및 이를 제작하는 방법 - Google Patents

마이크로기계 구성요소 및 이를 제작하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로전기기계적 또는 마이크로광학적전기기계적 구성요소을 조립하는 방법에 관한 것으로, 그 방법은 다음과 같다.
제1기판(2)과, 제1기판(2)의 적어도 표면(1)의 일부분을 덮는 제1절연층(3)을 포함하는 제1복합재층을 생성하는 단계와,
제2기판(12)과, 제2기판(12)의 적어도 표면(13)의 일부분을 덮는 제2절연층(14)을 포함하는 제2복합재층을 생성하는 단계와,
제1복합재층의 제1절연층(3)에 구조물의 일부가 전도성을 지니는 구조물층(7)을 접촉시키는 단계와,
제2복합재층을 제2절연층(14)이 상기 구조물층(7)에 인접하도록 구조물층(7)에 접촉시키는 단계와, 여기서 제1복합재층, 제2복합재층 및 구조물층(7)은 구성요소의 동적인 부분(8)을 포함하는 구조물층(7)의 적어도 하나의 일부분이 제1복합재층 및 제2복합재층에 의해 단단히 밀폐되어 밀봉되어 있으며,
제1기판(2) 및/또는 제2기판(12)의 범위 내에서 형성되었으며 구조물층(7)의 전도성 영역에 한도 내에서 접촉하는 구조물층(7)의 전도성 영역(9)과 접촉하기 위한 컨택트 홀(4)들을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

마이크로기계 구성요소 및 이를 제작하는 방법{MICROMECHANICAL COMPONENT AND METHOD FOR FABRICATING A MICROMECHANICAL COMPONENT}
본 발명은 구성요소, 특히 마이크로기계(공학)적, 마이크로전기기계적 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소 및 이러한 종류의 구성요소를 제작하는 방법에 관한 것이다.
마이크로 전기기계적 구성요소(MEMS) 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소(MOEMS)에 습기나 오염 물질(예를 들어, 먼지) 같은 주위 환경으로 인한 영향을 최소화하기 위해서, 이러한 구성요소의 동적인 구조(여기서, "동적인 구조"는 특히 움직일 수 있는 구조, 광학적 구조, 움직임이 가능하며 광학적 구성요소(예를 들어 움직이는 거울)를 가지는 구조를 의미한다. "동적인 부분"는 동적인 구조가 놓이거나 움직이는 곳의 부분을 의미한다.)는 자주 밀봉되어 캡슐화된다(encapsulate). 밀봉되어 캡슐화되는 것은 게다가 동적인 구조가 있는 지역의 내부 기압을 일정하게 설정하는 것에 이용될 수도 있다. 이것은 특히 구성요소의 기능이 정의된 내부 기압에 의존하는 경우에 특히 유리하며, 예를 들어 가 속 센서, 자이로스코프(회전 속도 센서) 등에서 유리하다.
생산을 가능한 한 가격대비성능이 좋게 하기 위해서, MEMS나 MOEMS 구성요소(component)는 웨이퍼 수준에서 보통 생산된다. 자주 수행되어야 하는 결합(joining)과정은 이 경우 예를 들어 직접적으로 결합하는 과정과 음극적(anodic) 결합 과정을 기초로 하여, 수행될 수 있다.
구성요소의 특정 부분과의 접촉의 목적으로(예를 들어 "동적인 구조"와의 접촉을 만들기 위해) 구성 요소의 단단히 봉인된 지역의 바깥에서 전기적 접촉이 이루어지도록 하는 것은 생산 기술 상에서 구현하기 어렵다. 다양한 가능성들이 고려된다: 전기적 접촉은 예를 들어, 이식이나 확산 방법에 의해 생산되고 낮은 쉬트(sheet) 저항값을 지닌 반도체 레이어들을 측면으로 연장하는 것을 통해 구현될 수 있다(참고자료 1). 평탄화된(planarized) 보호막 층이 덮힌 구조화된(patterned) 전도층에 의한 구현도 또한 가능하다.
한 대안으로, 복수의 도금 도통 홀(plated-through hole)들을 수직으로 연장시키는 형태로 구성요소로부터 전기적 접촉을 이끌어낼 수 있다. 수직으로 연장된 도금된 부분을 관통하는 홀(plated-through hole)들을 생산하기 위해서, 우선 접촉을 위한 홀(컨택트 홀)이 구성요소 안에 생성되고, 그 다음 전도성 물질이 상기 접촉을 위한 홀에 끼워진다(introduced). 상기 접촉을 위한 홀에 끼워지는 전도성 물질은 금속일 수 있으며, 예를 들어 증기 증착 과정, 스퍼터링 과정, 전기증착 과정 또는 CVD(화학증착법) 등을 통해 증착되는 금속일 수 있다. 전도성 물질은 또한 다 른 물질들의 조합일 수 있으며, 예를 들어 불순물을 첨가한 반도체 물질(폴리실리콘)일 수 있다. 도전성 물질이 컨택트 홀에 끼워지기 전에, 컨택트 홀의 내벽들은 보통 예를 들어 SiO2, Si3N4, 폴리이미드 또는 그러한 종류의 절연(부도성) 물질을 구비한다. 이는 구성요소의 다른 도전성 영역과 상기 도전성 물질의 전기적 단락(short circuit)을 막기 위해서이다.
컨택트 홀들은 다양한 방법으로 생성될 수 있다: 즉, 보통 초음파를 기반으로 하거나(참고자료 2,3), 모래를 뿜는 것(sandblasting)을 기반으로 하거나(참고자료 3), 또는 물분사(water-jet)를 기반으로 한 천공(drilling) 방법을 통해 만들어진다. 상기 천공 방법으로 제작된 컨택트 홀들은 지름이 수백 ㎛를 가지고 따라서 작은 크기 또는 부피를 가지는 MEMS 또는 MOEMS 구성요소을 만드는 제한된 영역에만 적합하다. 이것이 상기 천공 방법에 대한 단점이며, 게다가 상기 천공 방법들의 단점은 상기 천공방법들이 클린 룸의 기준을 일부분 만족해야 한다는 것이다. 이러한 단점들을 피하기 위해서, 컨택트 홀을 레이저 빔 천공방법을 통해 생성하는 것이 알려져 있다. 이 천공 방법이 상기 서술된 단점들을 피할 수 있더라도, 이 천공 방법은 천공 시에 발생하는 높은 온도로 인하여 물질의 스트레스나 융해(melting)의 일례로 이어진다. 이러한 물질의 스트레스나 융해는 구성요소의 이후 진행 과정에 문제가 된다. 이러한 이유로, 화학적 또는 플라즈마를 이용한 화학적 패터닝(patterning)의 수단에 의해 컨택트 홀들을 구현하는 변화가 이루어졌 다.
본 발명에서 목적은 구성요소, 특히 마이크로 전기기계적 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제작하는 방법을 구체화하기 위한 것에 기반하고 있으며, 이것은 생산 기술의 측면에서 보면 간단하고, 대응하는 동적인 구조들의 신뢰성이 높은 밀폐된 견고한 캡슐화(encapsulation)를 가능하게 하며 견고히 밀봉된 구성요소로부터 이끌어지는 동적인 구조들과의 접촉을 만들기 위한 전기적 접촉을 가능하게 한다.
이러한 목표를 이루기 위하여, 본 발명은 청구범위 제1항과 제16항에 따른 제작 방법(fabricating method)을 제공한다. 또한, 본 발명은 청구범위 20항과 21항에 따른 구성 요소를 제공한다. 유리한 형상과 컨셉의 발전은 종속청구항에서 발견된다.
본 발명에 따른 구성요소, 특히 마이크로기계공학적, 마이크로전기기계적 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제작하는 방법은:
제1기판과, 적어도 제1기판의 표면 중 적어도 일부를 덮는 제1절연층을 가지는 제1복합재층(first layer composite)을 생성하는 단계, 제2기판과, 제2기판의 표면 중 적어도 일부를 덮는 제2절연층을 가지는 제2복합재층을 생성하는 단계, 제1복합재층의 제1절연층에 구조물의 일부가 전도성을 지니는 구조물층(structure layer)을 접촉시키는 단계, 제2복합재층을 제2절연층이 상기 구조물층에 인접하도록 구조물층에 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 제1복합재층, 제2복합재층 및 구조물층은 구성요소의 동적인 부분을 포함하는 구조물층의 적어도 하나의 일부분이 제1복합재층 및 제2복합재층에 의해 단단히 밀폐되어 밀봉되어 있으며,
제1기판 및/또는 제2기판의 범위 내에서 형성되었으며 구조물층의 전도성 영역에 한도 내에서 접촉하는 구조물층의 전도성 영역과 접촉하기 위한 컨택트 홀들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 필수적인 측면은 제작되는 구성 요소의 동적인 부분, 즉 동적인 구조가 컨택트 홀들이 생성되기 전에 구성요소의 주위환경으로부터 고립된다(오염물질들과 습기가 고려되는 한도에서)는 점이다. 이것은 제1복합재층과 제2복합재층 그리고 구조물층이 결합하여 전체 복합재층을 형성하는 때(결합 과정(joining process))에 장점을 가지고 있다. 이미 생성된 합급에서의 부주의한 용해(고체 용해도) 또는 접촉 연결(금속을 입힘)의 융해의 위험이 제외될 수 있기 때문에 고온(400oC 이상)이 가능하다.
구성요소의 동작을 위해 동적인 구조에서 요구하는 전류, 또는 동적인 구종신호에 의해 발생하는 신호들은 동적인 구조로 공급되거나, 또는 후자(동적인 구조)에서 나온다. 이러한 것들은 컨택트 홀들을 통해 그리고 후자(컨택트 홀에 인접한 전도성 구조물층을 통해 가능하다.
바람직한 실시예로, 본 발명에 따라 제작된 구성요소의 동적인 구조는 구조물층을 패터닝(patterning)하는 것에 의해 생성되고, 여기서 패터닝은 구조물층이 제1복합재층에 접촉되기 전 또는 후에 이루어질 수 있다. 패터닝은 예를 들어 구조물층의 표면에 마스크(mask)를 적용하고 그 후 구조물층을 에칭(etching)하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 만약 구조물층이 제1복합재층에 이용된 후까지 패터닝되지 않는다면, 구조물층을 제1복합재층에 접촉시키는 과정에서 결합과정의 관용(고온을 써도 되는 것)을 참작할 수 없다.
아래의 명세서에서는 컨택트 홀들이 제1기판의 범위 내에서 생성되는 몇가지 예를 가정할 것이다.
가급적이면, 제1함몰부(first depressions)는 구조물을 대면하는 제1기판의 일면에 생성되며 구조물층이 제1복합재층에 접촉하기 전에 생성된다. 또한, 상기 제1함몰부의 측면 위치는 최근에 제1기판에 생성된 컨택트 홀들의 측면 위치에 적어도 일부분이 대응한다. 제1함몰부는 본 발명에 따른 제작 방법의 이후 단계에서 컨택트 홀들(또는 적어도 컨택트 홀들의 일부)처럼 쓰일 수 있다.
좀 더 유리한 방법으로, 제1함몰부와 직접적으로 인접한 제1기판의 표면의 영역은 제1절연층에 의해 덮이지 않는다. 바꾸어 말하면, 제1절연층은 제1함몰부의 "가장자리"까지 직접적으로 닿지 않는다는 것이다. 이러한 방식으로 구조물층의 전도성 영역과 제1기판의 표면 영역에 개별적으로 접촉하기 위한 추후의 과정에서 유용하게 쓰일 수 있는 브레이크 에지(break edge)들을 생성하는 것이 가능하다.
좀 더 유리한 방법으로, 제2함몰부(second depression)가 제1기판 또는 제2기판의 구조물층을 대면하는 측면에, 구조물층이 제1복합재층에 접촉하기 전에 생성된다. 상기 제2함몰부의 측면 위치는 동적인 구조의 측면 위치 또는 구조물층의 동적인 구조에 적어도 일부분이 대응한다. 제2함몰부는 별도의 공정에서 또는 제1함몰부와 함께 보통의 공정에서 생성될 수 있다. 제2함몰부는 동적인 부분 내에 놓여지는 구조물층의 영역의 기계적 움직임(예를 들어 진동)을 가능하게 한다. 더욱이, 제2함몰부는 구성요소의 특정한 매개변수를 세팅하는 데에 쓰일 수 있다. 특정조건 하에서의 기계적 진동의 질은 동적인(움직일 수 있는) 구조물과 이를 둘러싸는 직접적 환경의 조합으로 인한 압력에 우선적으로 의존하므로, 예를 들어 진동하는 동적인 구조의 질을 제2함몰부의 치수의 선택에 의해 영향을 미치는 것이 가능하다. 즉, 진동의 질은 제2함몰부가 깊어질수록(구성요소가 같은 압력으로 주어지는 범위 내에서) 진동의 질이 더 좋아진다.
구조물층 함몰부는 구조물층에 형성될 수 있다. 상기 구조물층 함몰부의 측면 위치는 동적인 부분의 측면 위치 또는 구조물층의 동적인 구조에 적어도 일부가 대응한다. 이러한 경우, 이론적으로는 주어진 대응하는 배열에서의 동적인 구조의 움직임은 오직 구조물층 함몰부에 의해서만 이루어지기 때문에, 제1기판과 제2기판에 있는 제2함몰부는 역시 생략될 수 있다.
더욱이, 절연층 함몰부는 제1절연층 및/또는 제2절연층에서 형성될 수 있다. 상기 절연층 함몰부의 측면 위치는 동적인 부분의 측면 위치 또는 구조물층의 동적인 구조에 적어도 일부가 대응한다. 이러한 경우, 제1기판과 제2기판의 제2함몰부 및 구조물층 함몰부는 역시 생략이 가능하다. 그 이유는 이론적으로는 대응하는 구성에 의해 주어진 동적인 구조의 동작은 오로지 절연층 함몰부에 의해 이루어지기 때문이다. 상기 절연층 함몰부는 동적인 구조의 동작 동안, 동적인 구조의 일부에 대해 멈추는 역할을 수행할 수 있다. 다시 말해 절연층 함몰부의 위치/구조는 동적인(움직일 수 있는) 구조의 부분(상대적으로 작은 부분)이 특정한 편차를 초과하는 경우, 절연층 함몰부의 바닥을 쳐서(strike), 제2함몰부 내에서 움직이므로 상당히 큰 편차를 겪을 수 있는 동적인 구조의 일부분(상대적으로 큰 부분)이 상당히 큰 운동 에너지(동적인 구조의 기계적 질의 제한을 제외하고 동적인 구조의 "보호를 깨는것")를 가지면서 제2함몰부의 바닥을 치는 것을 막도록 선택될 수 있다. 멈추는 역할을 수행하는 동적인 구조의 부분의 비율은 이 경우 동적 구조의 남은 부분의 비율에 비해 상대적으로 작다.
본 발명에 따른 상기 제작 방법에서는 모든 형태의 함몰부에 동시에 의지하는 것이 물론 가능하다. 다시 말하면 본 발명에 따른 제작 방법에 의해 생성되는 구성요소는 모든 형태의 함몰부를 가지는 것이 가능하다.
보통, 제1함몰부와 제2함몰부는 각 경우 웨이퍼의 일부 또는 후에 분리될(singulated) 웨이퍼 어셈블리로 구성된다. 분리 과정을 용이하게 하기 위해, 제3함몰부가 생성될 수 있다. 제3함몰부는 제1함몰부 및/또는 제2함몰부의 구조물층으로부터 먼 쪽의 표면에 생성될 수 있으며, 상기 제3함몰부는 요구되는 한계점(breaking point)의 역할을 수행한다.
더욱이, 구조물 층의 패터닝 과정 중에 트렌치(trench)들을 생성하는 것이 유리할 수도 있다. 상기 트렌치들은 동적인 구조들을 제작되는 구성요소의 구조물층의 바깥 영역(칩의 테두리)으로부터 전기적 절연의 역할을 수행한다. 이것은 구조물층의 바깥쪽 끝이 그 주위로부터 전기적으로 절연되어있지 않다 하더라도, 구성요소의 전기적 기능이 원하지 않는 방식으로 방해되지 않는다는 것을 보장한다.
만약 제1함몰부가 제1기판의 범위 내에 형성된다면, 그 후 컨택트 홀들을 형성하기 위해, 구조물층으로부터 멀리 떨어진 제1기판의 표면으로부터 진행(proceed)하는데, 적어도 제1기판의 일부는 제1함몰부의 바닥의 수직 위치에 대응하는 수직 위치에 있는 한 제거될 수 있다. 그 결과로, 제1함몰부는 제1함몰부의 바닥으로부터 오는 방법으로 "개방되며(opened)", 또한 컨택트 홀들로 이용가능하다.
컨택트 홀들의 형성 이후, 일반적으로 금속층 또는 다른 전도성 물질의 층이 구조물층으로부터 떨어진 제1기판의 표면에 증착된다(deposited). 브레이크 에지들이 제1기판의 범위 내에서 이전에 생성되었다면, 그 다음에 하나의 증착 공정을 통해, 원하지 않는 방사(radiation)로부터 구성요소를 보호하기 위해 상기 제1기판의 표면 상에 쉴딩 전극(shielding electrode)과, 쉴딩 표면(shielding surface)으로부터 전기적으로 절연되어 있고 구조물층의 전도성 영역과 전기적 역할을 수행하는 컨택트 레이어(contact layer)(상기 컨택트 홀들의 바닥 상의) 모두를 한 공정에 생성할 수 있다. 브레이크 에지의 사용은 하나의 공정 단계에서 서로 서로 전기적으로 절연되어야 하는 영역과 동시에 접촉하도록 할 수 있도록 한다.
컨택트 홀들, 제1함몰부 내지 제3함몰부 및/또는 구조물층은 에칭 방법에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 이를 청구범위로 제한하지 않는다.
다른 실시예에서, 제1기판과 제2기판 및 구조물층은 실리콘으로 구성되는 것이다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다; 다른 재료들/재료들의 합성도 역시 이해할 수 있다. 실리콘은 보통 좋은 기계적 특성, 높은 이용성 및 잘 발전된 공정방법이라는 장점을 가지고 있다. 만약 모든 구성요소들이 실리콘으로 구성된다면, 그러면 다음과 같은 장점을 가진다: 열에 대한 스트레스(thermal stress)가 낮고 기체가 없어지는 정도가 낮다,("호야"나 "코닝 글라스"의 제품이고 유리재질인 파이렉스나 SD2와 비교하였을 때) 따라서 구성요소 내의 기압을 0.01mbar 보다 낮게 구현하는 것이 가능하다.
본 발명은 더욱이 구성요소, 특히 마이크로기계적 구성요소, 마이크로 전기기계적 구성요소(MEMS) 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소(MOEMS)를 제작하는 방법을 제공하며, 하기의 과정을 포함한다:
적어도 구조물의 일부가 전도성을 지니는 구조물층을 제1기판(절연(부도성) 기판)에 접촉하는 단계,
제2기판(절연성 기판)을 구조물층에 접촉하는 단계,
(여기서 제1기판, 제2기판 및 구조물층은 구성요소의 동적인 부분을 포함하는 구조물층의 적어도 한 부분이 제1기판 및 제2기판에 의해 밀봉되어 단단히 봉인된다.)
구조물층의 전도성 영역과 접촉하기 위한 컨택트 홀을 제1기판 및/또는 제2기판의 범위 내에서 형성하는 단계.
이러한 방법에서, 이전 방법에서 사용되었던 절연 층들의 기능은 제1기판 및 제2기판의 절연성에 의해 대체된다. 여기서 제1기판 및 제2기판은 바람직하게는 석영(수정), 파이렉스, 또는 SD2(유리질)에 의해 구성된다. 이전의 방법과 관련된 모든 구현들은 적용되는데에 있어서는 유사하게 유지한다.
다른 실시예에서, 컨택트 홀들은 제1기판에 형성되고, 제1함몰부는 구조물층이 제1기판에 접촉하기 전에, 제1기판에서 구조물층을 대면하는 측면에 생성된다. 상기 제1함몰부의 측면 위치는 제1기판에서 이후에 형성되는 컨택트 홀들의 측면 위치에 적어도 일부가 대응한다. 제1함몰부는 제1함몰부의 위쪽 영역의 측면 치수가 이에 대응하는 낮은 영역의 측면 치수보다 큰 형식으로 계단 형태를 가진다. 계단 형태는 전도성 층(쉴딩 전극)의 이후 증착 중에 브레이크 에지로서 역할을 한다. 제1함몰부의 스텝 형태를 만드는 과정(스텝 공정)은 예를 들어 2-스테이지 패터닝 과정을 통해 생성될 수 있다. 이전에 설명되었던 제작 방법에서 제1함몰부의 가장자리와 제1절연층 사이의 트랜지션(transitions)에 의해 형성되는 브레이크 에지들은 따라서 제1함몰부의 스텝 형태를 생성하는 스텝 공정에 의해 대체된다.
본 발명에 의한 제작 방법의 선호되는 구현은 아래의 명세서에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 전기적 접촉이 구성요소의 개별 전극들과 만들어지며, 수직의, 전기적으로 절연된 컨택트 홀을 구비하는 구성요소를 제작하는 방법이 이 경우 설명될 것이다.
우선, 결합이 가능한 인터레이어(interlayer)(예를 들어 열산화실리콘(thermal silicon oxide))가 적절한 제1기판(예를 들어 실리콘)에 접촉된다. 상기 인터레이어는 적절한 패터닝 방법(예를 들어 RIE(reactive ion etching))에 의해 특정한 지역에서 제거된다. 상기 인터레이어는 예를 들어 가속 센서나 자이로스코프와 같이, 한 방향(z방향)으로 댐핑을 줄이기 위해 사용되는, 자립 엘리먼트가 나중에 놓여지는 지역 내에 또는 그 아래의 영역에서 특히 제거된다. 더욱이, 상기 인터레이어는 전도성 영역 바로 위쪽에 놓인 영역이 구조물층과 접촉을 하기 위하여 제거된다. 상기 영역에서, 인터레이어의 측면 길이는 이후 패터닝 공정에서 제1기판에 삽입되는 핏(pit, 제1함몰부 및 제2함몰부)보다 크다.
다음의 결합 과정에서(예를 들어 실리콘 퓨전 결합(silicon fusion bonding)), 원하는 레이어 두께로 얇게 만드는 과정이 이후에 추가될 수 있다. 구조물층은 제1기판에 접촉하고(이에 접촉되는 인터레이어에 좀 더 정확히 놓기 위해서), 여기서 구조물층은 이후 진행될 공정 후에 구성요소의 동적인 구성요소를 포함하게 된다. 적당한 패터닝 방법(예를 들어 DRIE(deep reactive ion etching))에 의하여, 핏들은 구조물층에 생성되며, 인터레이어로 하강하여 도달하거나 핏의 범위에서 하강하여 도달한다. 이러한 경우 측면 방향에 트렌치(trench)들에 의해 전기적으로 절연되는 영역을 만드는 것이 가능하다. 최소한의 트렌치의 폭은 기술적 매개변수에 의해 결정된다. 이를테면 구조물층의 두께, DRIE를 수행하기 위한 장치의 최대 애스펙트 비율(aspect ratio)에 의해 결정된다.
더욱이, 핏(제2함몰부)들은 적당한 패터닝 방법에 의해 제2기판에 삽입된다. 예를 들어 액체를 이용한 화학 에칭법(wet-chemical etching) 또는 DRIE 수단을 통해서 가능하다. 결합 과정의 수단에 의해, 제1기판, 인터레이어 및 구조물층을 포함하는 합성물은 정렬된 방법으로 제2기판에 연결된다. 제2기판의 핏들은 제1기판의 움직임이 가능한 또는 동적 구조물의 영역에 놓여진다. 이러한 방식으로 구조물층의 특정한 엘리먼트의 기계적 보호의 달성 및, 필요하다면 정의된 내부 압력으로 설정하는 것이 모두 가능하다. 만약 제2기판이 전도성 또는 반도전성 물질로 구성된다면, 제2기판의 표면은 결합이 가능한 제2절연층(예를 들어 thermal SiO2)이 이전에 구비되어야 한다. 이것은 개별적인 전도성 영역 사이의 단락을 방지하기 위해서이다.
두번째 결합 과정에 뒤이어 제1복합재층과 제2복합재층을 포함하는 전체 복합물의 적당한 패터닝이 수행된다. 패터닝은 제1기판의 후면부터 이루어지며, 예를 들어 DRIE 방법에 의해 이루어진다. 패터닝 과정의 깊이는 제1기판의 컨택트 홀들의 영역에서 핏까지 연장된다. 이 결과로, 컨택트 홀의 영역은 이후의 접촉 금속화(contact metallization) 공정을 위해 제1기판의 후면으로부터 인식 가능하게 된다. 구성요소 내부의 밀봉됨은 동시에 보장된다.
마지막으로, 전체 구성요소는 적당한 금속화(metalization) 방법, 예를 들어 스퍼터링 또는 증기증착에 의해 제1기판의 후면의 전 부분에 대해 금속화된다. 이러한 경우, 제1기판과 구조물층 사이를 절연하는 인터레이어의 세트 백 에지(set-back edge)로 인하여 금속화한 레이어의 절단이 발생한다. 이것은 개별적 전극들(컨택트 홀들)과 표면의 전 부분의 금속화 사이의 전기적 절연을 야기한다.
제2기판의 표면 역시 전체 복합물의 형성 이후 도전성 코팅이 가능하다. 이러한 경우, 두 기판 모두 쉴딩 전극으로 이용된다. 개별적인 전기적 고립 영역은 와이어 결합을 통해 연결될 수 있다.
본 발명은 게다가 마이크로기계공학적, 마이크로전기기계적 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제공하며, 상기 구성요소는 하기를 포함한다:
제1기판과, 제1기판의 적어도 일부를 덮는 제1절연층을 포함하는 제1복합재층,
제2기판과, 제2기판의 적어도 일부를 덮는 제2절연층을 포함하는 제2복합재층,
제1절연층과 제2절연층 사이에 정렬되며 적어도 구조물의 일부가 전도성을 가지는 구조물층, 여기서 제1복합재층, 제2복합재층 및 구조물층은 구성요소의 동적인 부분을 포함하는 구조물층의 적어도 일부가 제1복합재층 및 제2복합재층에 의해 밀봉되고 단단히 봉인되는 방식으로 구성된다.
구조물층의 전도성 영역과 접촉하기 위한 제1기판 및/또는 제2기판 범위 내의 컨택트 홀들.
본 발명은 더욱이 마이크로기계공학마이크로기계공학전기기계적 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제공하며, 상기 구성요소는 다음을 포함한다:
부도성(절연성)인 제1기판,
부도성(절연성)인 제2기판,
제1기판 및 제2기판 사이에 정렬되고 일부가 전도성을 가지는 구조물층, 여기서 제1기판, 제2기판 및 구조물층은 구성요소의 동적인 부분을 포함하는 구조물층의 적어도 일부가 제1기판 및 제2기판에 의해 밀봉되도록 단단히 밀봉된다.
구조물층의 전도성 영역과 접촉하기 위하여 제1기판 및/또는 제2기판 범위 내에 컨택트 홀들.
도 1 내지 도 10은 본 발명에 따른 제작 방법의 바람직한 실시예의 첫번째부터 열번째 공정을 보여주는 도면이다.
본 발명에 따른 구성요소들은 본 발명에 따른 구성요소 제작 방법에 의해 제작된 구성요소 각각에 따라 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 도면을 참조하여 더욱 자세히 설명될 것이다.
이러한 도면에서, 일치하거나 서로 대응하는 지역, 구성요소, 구성요소의 그룹들은 같은 참조번호에 의해 식별되어진다.
본 발명에 따른 제작 방법의 바람직한 실시예는 도 1 내지 도 10을 참조하여 아래에서 더욱 자세히 설명된다.
도 1은 첫번째 공정을 나타내는 것으로, 첫번째 공정(100)에서, 패터닝이 된 제1절연층(3)이 제1기판(2)의 표면(1) 위에 생성된다. 도 2는 두번째 공정을 나타내는 것으로, 두번째 공정(101)에서, 제1함몰부(4)와 제2함몰부(5)는 제1기판(2)의 표면(1)에 생성된다. 이러한 경우, 제1함몰부(4)의 너비(B1)는 제1함몰부(4) 위에 있는 제1절연층(3)의 컷아웃(cutout)의 너비(B2)보다 작도록 생산된다. 이러한 방식으로, 브레이크 에지(6)가 제1함몰부(4)와 닿는 영역에서 발생한다. 반대로, 제2함몰부(5)의 너비는 상기 함몰부(5) 위에 놓이는 제1절연층(3)의 컷아웃의 너비에와 대응한다.
도 3은 세번째 공정을 나타내는 것으로, 앞서 언급된 방식으로 얻어지는 제1기판(2)과 제1절연층(3)을 포함하는 제1복합재층은 세번째 공정(102)에서 부착되는 구조물층(7)을 가진다. 구조물층(7)은 제1절연층(3)의 개별적인 영역 위에 놓여 있다.
도 4는 네번째 공정을 나타내는 것으로, 네번째 공정(103)에서, 구조물층(7)은 동적 구조물(8)이 발생하는 방식으로 패터닝된다. 동적 구조물(8)은 측면으로 인접한 구조물층(7)의 전도성 영역(9)과 전기적으로 연결되고, 구조물층(7)의 외측 영역(10)(칩의 가장자리, 다시 말하면 제작되는 구성요소의 가장자리)은 구성요소 내의 전도성 영역(9)로부터 트렌치들(11)에 의해 전기적으로 절연된다.
도 5는 다섯번째 공정을 나타내는 것으로, 다섯번째 공정(104)에서, 제2혼합층은 제2기판(12)과 제2기판(12)의 표면(13)에 접촉한 제2절연층(14)로부터 생성된다. 제2함몰부(5')는 제2기판(12)의 표면(13)에 제공되며, 상기 제2함몰부의 너비는 동적 구조물(8)의 너비와 대응한다.
도 6은 여섯번째 공정을 나타내는 것으로, 여섯번째 공정(105)에서, 제1합성층과 제2합성층은 제2절연층(14)이 구조물층(7)에 인접하고 제1함몰부(5)와 제2함몰부(5')는 동적 구조물(8)의 각각 위와 아래에 놓이는 방식으로 결합된다.
도 7은 일곱번째 공정을 나타내는 것으로, 일곱번째 공정(106)에서, 제1기판(2)의 바깥쪽 부분은 그 수직 위치가 제1함몰부(4)의 바닥의 수직 위치에 대응하 여, 제1함몰부(4)가 노출되도록 에칭된다.
도 8은 여덟번째 공정을 나타내는 것으로, 여덟번째 공정(107)에서, 금속화된 층(15)이 제1기판(2)에 증착되고, 이 경우, 실재하는 브레이크 에지(6)들을 고려하여, 그 부분의 제1함몰부(4) 범위 내 증착된 금속화된 층(15)은 제1함몰부(4) 범위에서 금속접촉을 위한 부분(metal contact-making area, 16)이 발생하도록 다른 부분의 금속층과 전기적으로 절연된다. 이하 접촉 부분(16)으로 부른다.
도 9는 아홉번째 공정을 나타내는 것으로, 아홉번째 공정(108)에서, 금속화된 층(17)은 구조물층(7)로부터 멀리 떨어진 제2기판(12)의 표면 위에 증착된다. 금속화된 층(15, 17)은 바람직하지 않은 전자기장을 막는 쉴딩 전극으로서의 역할을 수행한다. 금속화된 층(15, 17)은 연결될 수 있으며, 같은 포텐셜 또는 다른 포텐셜로 한정되어 연결될 수 있다.
개별화 공정이 그 후 일어난다, 여기서 결과적인 제1기판(2), 제2기판(12), 구조물층(7), 절연층(3, 14)을 포함하는 복합재층은 절단(sawing) 가장자리 S에서 개별적인 구성요소로 개별화된다(하나의 구성요소와 복합재층으로부터 오직 하나만 발췌된 것이 도 9에서 보인다)
도 10은 열번째 공정을 나타내는 것으로, 열번째 공정(109)에서, 접촉 부분(16)은 본딩 와이어(18)에 의해 접촉되고 연결된다.
만약 제1기판(2) 및 제2기판(12)들이 부도성 물질로 구성된다면, 절연층(3,14)는 생략될 수 있다.
본 발명에 따라서, 명세서는 대응하여 마이크로 전기기계적 구성요소 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제작하는 방법이 제공되었다. 특히 구성요소가 밀봉되고 캡슐화되는(encapsulated) 동적인 구조 및 상기 동적 구조와 전기적 접촉을 만드는 부분을 포함하는 구성요소를 제작하는 방법이 제공되었다. 본 발명에 따른 상기 제작 방법은 가상적으로 임의의 값으로 설정될 수 있는 내부 압력을 가지면서 웨이퍼 레벨에서 구조물층의 특정 영역의 밀봉되고 캡슐화되는(encapsulated) 것을 가능하게 한다. 또한 본 발명에 따른 상기 제작 방법은 외부 전자장으로 인한 영향으로부터 보호하기 위해 다른 전기적 접촉으로부터 전기적으로 절연된 쉴딩(쉴딩 전극)의 생성 가능성이 있다.
본 발명에 따른 제작 방법은 핏이 적당한 방법으로 끼워지고 결합가능한 전기적으로 절연된 인터레이어가 핏 주위에 놓이는 제1기판을 사용한다. 적당한 결합방법에 의해, 패터닝되거나 패터닝이 가능한 구조물층이 제1기판에 접촉한다. 상기 구조물층은 제1기판의 핏에 범위 또는 인터레이어의 범위 내에 닿는 핏을 가진다. 더욱이, 제2기판이 마찬가지로 핏과 함께 패터닝된 표면을 가지면서 생성된다. 그 리고 이번에는 제2기판이 제1기판의 구조물층에 결합한다. 제1기판의 인터레이어로부터 먼 쪽의 표면은 제1기판의 반대편의 핏에 도달하는 핏이 발생하는 방식으로 패터닝된다. 적당한 방법에 의해, 전기적으로 전도성을 가지는 전도층은 인터레이어부터 먼 제1기판의 표면에 접촉된다. 여기서 전기적으로 절연가능한 세트 백 에지에서, 제1기판에 결합가능한 인터레이어는 브레이크 에지의 역할을 수행할 수있다. 이는 구조물층에서 전기적으로 절연된 영역을 위한 연결이 제1기판의 구조물층의 핏과 함께 발생한다. 제1기판의 인터레이어로부터 먼 표면의 패터닝 방법은 개별화 공정에서 요구되는 브레이킹 포인트 역할을 수행할 수 있는 핏을 동시에 생성한다.
제1기판의 전도성 물질을 절연하기 위해, 유리하게는 컨택트 홀의 바닥으로부터 전도성인 컨택트 홀의 측면의 전기적 고립을 야기하는 브레이크 에지들이 만들어질 수 있다. 브레이크 에지는 (자주 직접적으로) 구성요소의 전극에 직접 연결될 수 있다.
참고문헌
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위의 명세서로부터 명확해지는, 본 발명에 따른 제작 방법은 다음과 같은 장점이 있다:
컨택트홀들은 제1기판의 후면으로부터 개방되어 있고, 여기서 구조물층은 결합과정에 의해 접촉된다. 구조물층의 "정렬(alignment)"이 결합과정의 수단에 의해 영향받지 않는다면 상기 결합과정은 결합 내성을 고려하면 결정적이지 않다.(결합과정의 방식에 큰 제약이 없다) 다만 양면 리쏘그래피(lithography)의 수단에 의해서는 내성이 결합과정에서의 내성에 비해 심각하게 낮아진다. 만약 구조물층이 기판에 적용되기 전에 패터닝된다면, 그러면 이러한 장점은 생략된다.
컨택트되는 영역의 금속화는 모든 결합과정의 끝난 후가 아니면 수행되지 않는다. 그 결과로, 400℃ 이상의 온도가 필요한 실리콘 직접 결합(silicon direct bonding, 이하 SFB) 등의 방법 등을 사용할 수 있다. 이것은 구조물층의 도핑 프로필은 상대적으로 고온에서 손상이 가능한데 구조물층 내에서 도핑된 동적 부분이 없기 때문이다.
컨택트 홀들은 밀봉되고 단단히 닫히는 결합 과정 후가 아니면 열리지 않는다. 이 결과로, 결합되는 부분은 크게될 수 잇고 결합과정은 간단해질 수 있다. "결합하는 부분"은 결합과정 동안 다른 부분과 접촉이 야기되는 부분을 뜻하는 것으로 이해되어야 한다. 결합하는 부분이 클 수록, 결합하는 파트너(기판, 웨이퍼, 기타 등등)을 고정하는 힘이 커진다.
본 발명은 어떤 (소형화된) 구성요소를 제작하는 과정에서도 적용될 수 있다, 특히 마이크로기계공학적, 마이크로 전기기계적 구성요소(MEMS) 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소, 이를테면 가속 센서, 회전비를 구하는 센서, 압력 센 서, 옵티컬 커플링(optical coupling) 등등을 제작하는 과정에 특히 적용될 수 있다.

Claims (21)

  1. 마이크로 기계공학적, 마이크로 전기기계적 구성요소 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제작하는 방법에 있어서,
    제1기판(2)과, 제1기판(2)의 표면(1)의 적어도 일부분을 덮는 제1절연층(3)을 포함하는 제1복합재층을 생성하고, 제1함몰부(4)가 제1기판(2)의 표면(1)에 생성되는 단계,
    제2기판(12)과, 제2기판(12)의 표면(13)의 적어도 일부분을 덮는 제2절연층(14)을 포함하는 제2복합재층을 생성하는 단계,
    구조물의 일부가 전도성을 지니는 구조물층(7)을 제1복합재층에 접촉시켜서, 구조물층(7)이 제1함몰부(4)가 형성된 제1기판(2)의 부분들 위와, 제1절연층(3)에 형성되는 단계,
    제2복합재층을 제2절연층(14)이 상기 구조물층(7)에 닿도록 구조물층(7)에 접촉시키는 단계, 여기서 제1복합재층, 제2복합재층 및 구조물층(7)은 구성요소의 동적인 부분(8)을 포함하는 구조물층(7)의 적어도 하나의 일부분이 제1복합재층 및 제2복합재층에 의해 단단히 밀폐되어 밀봉되어 있으며,
    제2복합재층을 구조물층(7)에 접촉시킨 후, 제1기판(2) 내에, 구조물층(7)의 전도성 영역(9)과 접촉하기 위한 컨택트 홀들을 형성하고, 컨택트 홀들의 측면 위치들이 제1함몰부(4)의 측면 위치에 적어도 일부분 대응하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동적인 부분(8)은 구조물층(7)을 패터닝하는 것에 의 해 생성되고, 여기서 패터닝은 구조물층(7)이 제1복합재층에 접촉하기 이전 또는 이후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1함몰부(4)에 직접적으로 인접한, 제1기판(2)의 표면(1) 영역은 제1절연층(3)에 의해 덮이지 않은 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항 또는 제5항 중 어느 한 청구항에 있어서, 제2함몰부(5, 5')는 구조물층(7)을 대면하는 상기 제1기판(2) 또는 제2기판(12) 중의 적어도 하나의 측면에서 구조물층(7)이 제1복합재층에 접촉하기 전에 생성되고, 상기 제2함몰부의 측면 위치는 구조물층(7)의 동적인 구조(8)의 측면 위치에 적어도 일부가 대응되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제3함몰부는 구조물층(7)으로부터 멀리 떨어진 제1기판의 측면에서 생성되고, 상기 제3함몰부는 요구되는 한계점으로서의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  8. 제2항에 있어서, 트렌치(11)들은 구조물층(7)의 패터닝 중에 생성되고, 상기 트렌치들은 동적인 구조(8)를 구조물층(7)의 외측 영역(10)으로부터 전기적으로 절연하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 컨택트 홀들을 형성하기 위해, 제1기판(2)의 구조물층(7)으로부터 멀리 떨어진 표면으로부터 진행하면서, 적어도 제1기판의 일부는 제1함몰부(4)의 바닥의 수직 위치에 대응하는 수직 위치만큼 제거되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 컨택트 홀들이 형성된 후에, 금속층(15)이 구조물층(7)으로부터 멀리 떨어진 제1기판(2)의 표면에 증착되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 컨택트 홀들, 제1 내지 3함몰부(5,5'), 또는 구조물층(7)의 동적인 영역(8) 중의 적어도 하나는 에칭 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 제1기판, 제2기판 및 구조물층(7)은 같은 반도체 물질로, 또는 실리콘으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 구조물층 함몰부는 구조물층에 형성되고, 상기 구조물층 함몰부의 측면 위치는 구조물층(7)의 동적인 구조(8)의 측면 위치에 적어도 일부가 대응하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 절연층 함몰부는 제1절연층 또는 제2절연층(3, 14) 중의 적어도 하나에 형성되고, 상기 절연층 함몰부는 구조물층(7)의 동적인 구조(8)의 측면 위치에 적어도 일부가 대응하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 절연층 함몰부는 동적인 구조의 운동 동안 동적인 구조의 일부를 멈추는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  16. 마이크로 기계공학적, 마이크로 전기기계적 구성요소 또는 마이크로광학전기기계적 구성요소를 제작하는 방법에 있어서,
    부도성인 제1기판(2)의 표면(1)에 제1함몰부(4)를 생성하되, 제1함몰부(4)는 제1기판(2)의 표면(1)에 근접하여 배열된 제1함몰부(4)의 상부 영역들의 측면 치수가 제1기판(2)의 표면(1)으로부터 상부 영역들보다 더 멀리 배열된 대응하는 하부 영역들의 치수보다 크게 되도록 계단 형태를 지니는 단계,
    제1기판(2)의 표면(1)에 적어도 일부분이 전도성인 구조물층(7)에 접촉시키고, 구조물층(7)이 제1함몰부(4)가 생성된 제1기판(1)의 부분들 위에 형성되는 단계,
    부도성인 제2기판(12)을 구조물층(7)에 접촉시키는 단계,
    여기서 제1기판(2), 제2기판(12) 및 구조물층(7)은 동적인 부분(8)을 포함하는 구조물층(7)의 적어도 일부분은 제1기판 및 제2기판에 의해 밀봉되고 단단히 봉인된다.
    제2기판(12)을 구조물층(7)에 접촉시킨 후에, 제1기판(2) 내에서 구조물층(7)의 전도성 영역(9)과 접촉하기 위한 컨택트 홀을 형성하고, 컨택트 홀의 측면 위치들이 제1함몰부(4)의 측면 위치들에 적어도 부분적으로 대응하는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1기판 및 제2기판은 석영, 파이렉스, 또는 SD2(유리질) 또는 이러한 물질들을 포함하는 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서, 제1함몰부(4)에 계단 형태를 만드는 과정은 2단계의 패터닝 공정을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 제작하는 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
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