KR101549280B1 - 경사 구조를 갖는 미소 기계 구성 소자 및 상응하는 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경사 구조를 갖는 미소 기계 구성 소자 및 상응하는 제조 방법에 관한 것이다. 상기 구성 소자는 표면(O)을 갖는 기판(1)과, 기판(1)의 표면(O)에 제공되어 기판(1)으로부터 멀리 연장된 제1 앵커(3e; 3e')와, 앵커(3e; 3e')의 측면(S1, S2; S1'; S1")에 제공되고 앵커(3e; 3e')로부터 경사지게 멀어지는 하나 이상의 암(3c, 3d; 3c; 3c')을 포함한다.

Description

경사 구조를 갖는 미소 기계 구성 소자 및 상응하는 제조 방법{MICROMECHANICAL COMPONENT HAVING A SLANTED STRUCTURE AND CORRESPONDING PRODUCTION METHOD}

본 발명은 경사 구조를 갖는 미소 기계 구성 소자에 관한 것이다. 마찬가지로 본 발명은 상응하는 제조 방법에 관한 것이다.

최근의 반도체 기술의 상당 부분은 층의 도포 및 구조화에 기초하고 있다. 적절한 프로세스 실행에 의해 매우 복잡한 구조들이 가능해진다.

예컨대 센서 및 액추에이터와 같은 미소 기계 구성 소자들의 복잡도는 최근 몇 년간 뚜렷이 증가하고 있다. 이와 관련하여, 경사 구조 또는 원형 구조를 갖는 구성 소자를 비용 면에서 유리하고 안전하게 제조하기 위한 문제가 계속해서 제기된다.

그러나 경사진 평면 또는 원형 구조("볼록형" 또는 "오목형")를 미소 기계 층 상에 또는 미소 기계 층 내에 삽입하는 것은 대량 생산 방법이 아니다. 그레이 스케일 리소그래피를 이용하여 상기와 같은 구조들이 제조될 수 있으나, 이러한 프로세스는 프로세스 매개 변수에 매우 민감하게 의존하며 대량 생산에 적합하지 않다. 이방성 에칭(예컨대 KOH, TMAH 내 Si)은 구조의 자유도를 허용하지 않는데, 그 이유는 전적으로 특정의 각도만이 가능하기 때문이다.

청구범위 제1항의 특징을 갖는 경사 구조를 구비한 본 발명에 따른 미소 기계 구성 소자 또는 제14항에 따른 상응하는 제조 방법은 경사 구조를 구비한 미소 기계 구성 소자가 간단하게 제조될 수 있다는 장점을 갖는다. 본 발명의 관점에서 볼 때 경사 구조는 완전한 직선형의 경사에 국한되는 것이 아니라, 부분적으로 직선형의 경사 및 곡선형의 경사도 함께 포함해야 한다. 다시 말해, 경사라 함은 암이, 제1 앵커의 측면에 대해 직각을 형성하지 않는 접선을 상기 암의 표면의 하나 이상의 점에 갖는 것을 의미해야 한다.

본 발명에 기초가 되는 개념은 하나 이상의 암이 위치해 있는 앵커 구조로부터 시작해서, 앵커로부터 암이 경사지게 멀어지도록 상기 암의 굽힘 변형이 유도되는 데 있다. 경사 위치에서의 고정은 예컨대 본딩 또는 접착과 같은 연결 과정에 의해 구현되거나, 예컨대 퀀칭(quenching)과 같이 암에서 비가역적으로 내부 응력이 동결됨으로써 구현된다.

본 발명은 경사진 바아 또는 평면이 지속적으로 제조될 수 있게 하는 일련의 방법을 제공한다. 예컨대 미소 유체 공학, 액추에이터 또는 센서 부품에서 이에 대한 적용예를 찾을 수 있다. 제조는 표준 프로세스를 이용하여 실행되므로 대량 생산 방식으로도 재현될 수 있다. 본 발명은 하나의 층 내에 제조된 구조, 예컨대 바아가 적절한 단계(예컨대 또 다른 층을 통해 유도된 응력 또는 고유의 응력, 압력 또는 정전기 인력 또는 다양한 방법들의 조합)를 통해 목표한 대로 구부러진 다음 후속해서 또는, 바람직하게는 상기의 굽힘 프로세스 단계에서 직접 또는 앵커에 의해 적합한 기판에 연결되도록 한다. 상기 구조는 평면으로부터 고정되며, 또 다른 미소 기계 장치의 기능 방식을 보충할 수 있다.

본 발명은 다양한 평면에서의 작용에 의해 하나의 평면의 구조화를 가능하게 한다. 본 발명은 공지된 기술보다 낮은 구조화 비용을 필요로 하므로 경비가 절감되고 효율이 높아지며 적은 조정 오프셋에 의해 기능성이 향상될 수 있다. 따라서 구조들의 배치의 개선, 기능성 향상 및 더 유연한 구성 변수들에 의해 더 큰 신호들 및/또는 힘이 구현될 수 있다. 이에 대한 일례는 다양한 평면들 사이의 더 매끄러운 전환에 의한 유체 공학적 기능성의 개선이다.

종속항에는 본 발명의 각각의 대상의 바람직한 변형예 및 개선예가 제시된다.

바람직한 변형예에 따라 암은 기판의 표면을 향해 아래쪽으로 경사지게 멀어진다.

암은 기판의 표면에 직접 연결될 수 있거나 예컨대 제2 앵커 또는 그 외의 연결 구조에 의해 간접적으로 연결될 수 있다.

바람직하게 앵커와 암은 예컨대 미소 기계 실리콘 구조로부터 일부재로 형성된다.

또 다른 바람직한 변형예의 경우 각각의 암에 의해 기판의 표면에 연결된 제1 앵커와 제2 앵커는 사이 공간으로 인해 기판의 표면에서 서로 이격되어 제공되며, 이때 사이 공간에서 앵커에는 회전 바아의 회전축을 위한 서스펜션이 장착된다.

암은 다양한 형태를 취할 수 있으며, 특히 바아 형태 또는 판 형태(예컨대 우산 형태, 원호 형태, 삼각형 등)일 수 있다.

본 발명의 실시예는 도면에 도시되며 이하의 상세한 설명에서 더 자세히 설명된다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.

도면에서 동일한 도면 부호들은 동일하거나 동일한 기능을 하는 부품들을 표시한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.

도 1a 내지 도 1c에서 도면 부호 1은 보로플로트(Borofloat) 기판을 표시한다. 기판(1)의 표면(O)에는 기판(1)으로부터 기둥 형태로 멀리 연장된 제1 앵커(3e)가 제공된다. 앵커(3e)의 측벽들(S1, S2)에는 상기 앵커와 일부재로 2개의 얇은 암(3c)이 제공되며 암의 단부들에는 각각 하나의 제2 앵커(3a 또는 3b)가 제공된다. 암(3c)에는 예컨대 알루미늄으로 구성된 각각 하나의 금속층 영역(3d)이 추가로 제공된다. 본 실시예에서 제1 앵커(3e)와, 암(3c)과, 제2 앵커(3a 또는 3b)는 상응하는 희생층을 사용하여, 예컨대 상응하는 에칭 프로세스에 의해 실리콘으로 일부재로 제조된다. 금속층 영역(3d)은 예컨대 증착 및 에치 백(etch back)에 의해 암(3c)에 제공될 수 있다. 이로써 상기 실시예에서 제1 앵커(3e)와, 금속층 영역(3d)을 갖는 암(3c)과, 제2 앵커(3a 또는 3b)는 T자 구조를 형성한다.

암(3c)과 금속층 영역(3d)의 해당 열 팽창 계수가 적절하게 선택되는 경우, 반도체 특성/금속 바이모르프(bimorph) 특성이 암에 제공될 수 있는데 즉, 온도 상승으로 인한 굽힘 변형 가능성이 제공된다.

도 1a를 참조로 설명된 구조로부터 시작해서, 도 1b에 따라 가열 장치(HE)에 의해 T자 구조로 열이 방출되며, 이때 암(3c) 상의 금속층 영역(3d)은 열 팽창 계수가 상응하게 선택됨으로써 암(3c)보다 더 심하게 팽창된다.

마지막으로 도 1c를 참조로, 제2 앵커(3a, 3b)는 기판(1)의 표면(O)에 접촉하는데, 다시 말해 제2 앵커(3a, 3b)의 기하 구조와 암(3c) 또는 금속층 영역(3d)의 구성에 의해 사전 설정된 유형으로 접촉한다. 이와 같은 구조화의 경우, 출발 위치로부터 이동이 통제되는 방식으로 실행되며 원하지 않는 방향으로의 굽힘 변형은 가능하지 않은 것에 주목해야 한다.

도 1c에 따라 제2 앵커(3a, 3b)가 형태 결합식으로 기판(1)에 지지된 후, 상기 앵커들은 적절한 조치에 의해 기판(1)에 고정될 수 있다. 도 1c에는 전압원(SP)을 이용하여 양극 본딩(anodic bonding)에 의해 상기의 고정이 실행되는 것이 예시적으로 도시되며, 전압원은 전압(U)을 한편으로 지점(U1)에서 기판(1)에 인가하고 다른 한편으로 지점(U2)에서 제1 앵커(3e)에 인가한다. 이를 위해 적절한 재료 조합은 언급한 재료 조합인 실리콘 앵커/보로플로트 기판이다. 이 경우 가열 장치(HE)의 온도 작용 뿐만 아니라 인가된 전압(U)으로 인한 정전기 인력도 암(3c)의 굽힘 변형을 지원한다는 것이 또한 바람직하게 이용될 수 있다.

예컨대 시일 글래스 본딩, 접착 등과 같은 다른 방법의 고정 조치들이 예컨대 제2 앵커(3a, 3b) 상의 전기 가열 소자에 의한 국부적 활성화와 마찬가지로 고려될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.

도 2에 따른 제2 실시예의 경우 도 1의 금속층 영역(3d)은 생략된다. 상기 제2 실시예에서 가열 장치(HE)에 의해 제공된 암(3c)의 가열에 의해 재료 연화만이 발생되고, 중력의 영향 하에 그리고 기판(1)과, 인가된 전압(U)에 의해 야기된 제2 앵커(3a, 3b) 사이의 정전기 인력의 영향 하에 굽힘 변형이 발생한다.

도 3a, 도3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.

도 3a, 도 3b에 따른 제3 실시예의 경우, 앞서 설명한 제1 및 제2 실시예와 달리 T자형 기본 구조로부터 시작되는 것이 아니라 사이 공간(Z)으로 인해 기판(1)에서 서로 이격되어 제공되는 2개의 교수대형의 기본 구조로부터 시작된다. 특히 도면 부호 3e'는 2개의 제1 앵커를 표시하며, 상기 앵커의 측벽들(S1' 또는 S1")에는 각각 하나의 암(3c')이 제공된다. 각각의 암(3c')의 단부에는 해당하는 제2 앵커(3a' 또는 3b')가 위치한다.

도 1 또는 도 2와 관련해서 이미 설명했던 방법에 의해 제2 앵커(3a' 또는 3b')는 기판(1)의 표면(O)에 접촉해서 상기 기판에 고정 연결된다.

이에 후속해서, 사이 공간(Z)에는 회전 바아(10)의 회전축(A)을 위한 서스펜션(5)이 구현된다. 서스펜션은 회전축(A)과 경사 구조들(3e', 3c', 3a' 또는 3e', 3c', 3b')에 예컨대 상이한 전위를 인가하기 위해 앵커(3e')로부터 분리될 수 있으나, 앵커(3e')에 장착될 수도 있다. 따라서 경사 구조(3e', 3c', 3a' 또는 3e', 3c', 3b')는 풍차 블레이드의 유형으로 회전 방향(D)을 따라 회전할 수 있는 회전 바아(10)를 위한 서스펜션(5)을 단단히 지지하기 위해 사용된다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미소 기계 구성 소자가 개략적으로 도시된 횡단면도이다.

도 4에 따른 제4 실시예의 경우 도 1에 따른 실시예와 달리 제2 앵커(3a, 3b)가 생략된다. 상기 실시예에서 암(3c)의 외부 단부들은 전압원(SP)을 사용한 양극 본딩에 의해 기판의 표면(O)에 직접 연결된다.

전술한 바람직한 실시예들을 기초로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이에 국한되지 않으며 다양한 방식으로 변형될 수 있다.

전술한 실시예들에서 특정의 T자형 또는 교수대형 미소 기계 구성 소자가 굽힘 변형을 위한 출발 구조로서 제조되었을지라도, 원칙적으로는 상이한 방향들로 연장되는 임의의 출발 구조들이 고려될 수 있으므로, 경사 구조를 갖는 임의의 구성 소자들이 본 발명에 의해 간단한 방식으로 제조될 수 있다. 특히 핑거 또는 절연된 구조들이 제조된 다음 적절한 조치들에 의해 편향될 수 있다. 특히 암이 예컨대 바아 형태가 아니라 판 형태일 때, 판 형태의 막도 편향되어 고정될 수 있으며, 이때 경우에 따라서는 편향 및 고정 이후 구조화가 실행될 수 있다. 또한, 구부러진 구조의 부분이 후속해서 구조화에 의해 기판으로부터 다시 분리될 수도 있으며 그 후 출발 평면 상태로 복원될 수 있다.

상기 실시예에서 암이 열적 또는 전기적으로 편향되었을지라도, 암은 예컨대 과압 또는 저압, 유동 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다른 조치들에 의해서도 추가로 또는 대안적으로 편향될 수 있다.

본 발명에 따른 구성 소자에 대해 가능한 사용 분야는 언급한 센서 또는 액추에이터 등 외에 자동차 분야의 헤드 업 디스플레이 또는 사용자 장치 분야의 미니 프로젝터이다. 센서의 경우 특히 관성 센서 분야에서의 적용 분야가 주목되고 있다. 생명 과학 및 의료 기술과 같은 새로운 시장을 위한 프로젝트가 검토되고 있는 미소 유체 공학에서 마찬가지로 적절한 구조들이 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있다.

Claims (21)

1. 미소 기계 구성 소자이며,
   표면 및 전압원에 대한 제1 연결부를 갖는 기판과,
   기판의 표면상에 제공된 제1 앵커로서, 상기 제1 앵커는 상기 전압원에 대한 제2 연결부를 갖고, 상기 제1 앵커가 제1 측벽 및 제2 측벽을 갖도록 기판으로부터 멀리 연장하고, 상기 제1 측벽 및 제2 측벽은 서로 평행하고 그리고 기판의 표면에 수직인, 제1 앵커와,
   상기 제1 앵커의 제1 측벽 및 제2 측벽에 제공되어 서로 멀어지게 연장하며 상기 제1 앵커로부터 경사지게 멀어지는 2개의 암을 포함하며,
   상기 전압원으로부터 제1 연결부 및 제2 연결부로 전압이 인가되면 암이 굽힘 변형되어 기판과 접촉하며, 기판과 접촉하는 암의 일부가 기판에 양극 본딩되는,
   미소 기계 구성 소자.
2. 제1항에 있어서, 암은 기판의 표면을 향해 아래쪽으로 경사지게 멀어지는 미소 기계 구성 소자.
3. 제1항에 있어서, 암은 기판의 표면에 직접 연결되는 미소 기계 구성 소자.
4. 제1항에 있어서, 암은 제2 앵커에 의해 기판의 표면에 간접적으로 연결되는 미소 기계 구성 소자.
5. 제1항에 있어서, 제1 앵커와 암은 일부재로 형성되는 미소 기계 구성 소자.
6. 제5항에 있어서, 제1 앵커와 암은 실리콘으로 형성되는 미소 기계 구성 소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 앵커와 하나의 제2 앵커가 기판의 표면 상에 사이 공간에 의해 서로 이격되어 제공되며, 상기 앵커들은 암에 의해 기판의 표면에 각각 연결되며, 회전 바아의 회전축을 위한 서스펜션이 상기 사이 공간에 장착되는 미소 기계 구성 소자.
8. 제7항에 있어서, 회전 바아의 회전축을 위한 서스펜션이 상기 앵커들에 장착되는 미소 기계 구성 소자.
9. 제1항에 있어서, 암은 다층 구조를 포함하는 미소 기계 구성 소자.
10. 제1항에 있어서, 암이 구부러진 미소 기계 구성 소자.
11. 제1항에 있어서, 암은 바아 형태 또는 판 형태인 미소 기계 구성 소자.
12. 미소 기계 구성 소자 앵커 지지체를 제조하기 위한 방법이며,
    표면을 갖는 기판과, 기판의 표면에 제공되어 기판으로부터 멀리 연장된 제1 앵커를 제공하는 단계와,
    상기 제1 앵커의 측면에 하나 이상의 암을 제공하는 단계로서, 상기 제1 앵커의 측면으로부터 측방향으로 멀리 향하게 하나 이상의 암을 제공하는 단계와,
    상기 기판의 표면 및 상기 제1 앵커에 전압을 인가하는 단계를 포함하며,
    인가된 전압에 의해, 상기 암이 굽힘 변형되어 상기 암이 상기 제1 앵커로부터 경사지게 멀어져 상기 기판과 접촉하게 되며, 상기 기판과 접촉된 암의 일부가 상기 기판에 양극 본딩되는,
    미소 기계 구성 소자 앵커 지지체를 제조하기 위한 방법.
13. 제12항에 있어서, 암은 다층 구조를 포함하며, 굽힘 변형은 다층 구조에서 내부 응력이 야기되는 것을 포함하는 미소 기계 구성 소자 앵커 지지체를 제조하기 위한 방법.
14. 제12항에 있어서, 암은 기판의 표면을 향해 아래쪽으로 경사지게 굽힘 변형되는 미소 기계 구성 소자 앵커 지지체를 제조하기 위한 방법.
15. 제12항에 있어서, 암은 제2 앵커를 포함하며, 제2 앵커가 기판의 표면에 접촉한 다음 기판의 표면에 연결되도록 굽힘 변형되는 미소 기계 구성 소자 앵커 지지체를 제조하기 위한 방법.
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