KR101847793B1 - 전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법 및 해당 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 기계 장치는 두 개의 고형 층(10, 30)의 사이에 절연 층(31)이 개재되어 있는 형태로 형성되는 적층체, 그리고 기설정된 깊이의 홈(4)의 위에 현수되어 있는 기설정된 두께의 마이크로 기계 구조체(60, 61)를 포함하며, 홈(4)과 마이크로 기계 구조체(60, 61)가 적층체의 상기 두 개의 고형 층(10, 30) 중 하나(10)를 형성하며, 절연 층(31)이 홈(4)의 바닥을 형성한다.

Description

전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법 및 해당 장치{METHOD FOR MANUFACTURING AN ELECTROMECHANICAL DEVICE AND CORRESPONDING DEVICE}
본 발명은 MEMS("마이크로 전기 기계 시스템(Micro-Electromechanical System)"의 약자)로도 불리우는 마이크로미터 범위 치수의 구성 요소 및/또는 NEMS("나노 전기 기계 시스템(Nano-Electromechanical System)"의 약자)로도 불리우는 나노미터 범위 치수의 구성 요소로 형성되는 전기 기계 시스템의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 시스템을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 양호한 측정 감도를 보장하면서 전기 기계 시스템의 크기를 감소시키기 위해서는, 마이크로 전기 기계 구성 요소와 나노 전기 기계 구성 요소를 조합하는 것이 유리하다. 이러한 전기 기계 구성은, 현재, "마이크로 및 나노 전기 기계 시스템(M&NEMS)"으로 알려져 있다.
이러한 M&NEMS는 가속도계, 자이로미터(gyrometer), 또는 자력계와 같은 힘 센서를 포함한다. 이러한 힘 센서는 보통, 스프링과 같은 변형 가능한 구성 요소에 의해 기계적으로 유지되는 이동식 질량부(mobile mass)를 포함하는 장치 형태로 제공된다. 이동식 질량부는 질량부의 변위를 측정하도록 사용되는 측정 빔(beam)과 같은 변형 가능한 구조체에 추가로 기계적으로 결합되어 있다. 측정 빔은, 예를 들어, 스트레인 게이지(strain gauge) 또는 공진기일 수도 있다. 질량부-빔 조립체는 홈의 위에 현수(suspension) 방식으로 유지되어 있다.
예를 들어, 가속계의 경우, 센서의 변위 동안, 관성력이 이동식 질량부에 인가되어 측정 빔의 변형(strain)을 유도한다. 통상적으로, 공진기 유형의 측정 빔의 경우, 질량부에 의해 인가되는 변형은 공진기 주파수의 변화를 유도하며, 가변 저항식 측정 빔의 경우, 질량부에 의해 인가되는 변형은 전기 저항의 변화를 유도한다. 이들 변화로부터 가속도가 추론될 수 있다.
따라서, 마이크로미터 범위 두께의 이동식 질량부와 나노미터 범위 두께의 측정 빔을 조합하는 것이 유리함을 이해하여야 한다. 특히, 이동식 구성 요소가 상당히 큰 질량을 가질 경우 관성력을 최대화할 수 있으며, 이에 따라 측정 빔의 충분한 변형을 유도할 수 있다. 또한, 두께가 작은 빔을 선택함으로써, 질량부에 의해 빔에 인가되는 변형이 최대화된다. 따라서, 이러한 배치는 또한, 힘 센서의 감도를 증가시키는 장점이 있다.
문헌 제 EP 1 840 582 호에는 이러한 힘 센서, 즉, 이동식 질량부의 두께가 빔의 두께보다 큰 센서가 개시되어 있으며, 또한, SIO("실리콘-온-인설레이터(Silicon On Insulator)") 기술을 기반으로 이러한 센서를 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다.
상기 문헌에서 설명되고 있는 제 1 제조 방법에 따르면, 스트레인 게이지가 우선 SOI 기판의 표면 층에 에칭 형성된 다음, 보호막으로 덮어진다. 이후, 상기 표면 층 상에서 실리콘 에피택시(silicon epitaxy) 공정이 수행되어 "프루프 바디(proof body)"의 형성을 위한 소망하는 두께의 층이 획득된다. 그러나, 에피텍시 성장 기술은 복잡할 뿐만 아니라 실시 비용이 많이 들며, 상당히 큰 실리콘 층 두께를 제공하지는 않는다. 이러한 한계로 인해, 프로프 바디의, 그리고 이에 따라 그 질량부의 크기를 최적화하기가 어려우며, 스트레인 게이지에 인가되는 변형을 최대화하기가 어렵다.
상기 문헌에서 설명되고 있는 제 2 제조 방법에 따르면, 우선 이동식 질량부가 SOI 기판에 에칭 형성된다. 이후 스트레인 게이지의 형성을 위해 나노미터 범위 두께의 폴리 실리콘 층이 증착된다. 그러나, 폴리 실리콘 층의 두께가 작기 때문에 여전히 제어가 어려우며, 기계적 및 전기적 특성이 단결정 실리콘 층에서만큼 양호하지 않다. 또한, 이와 같이 증착에 의해 형성된 얇은 층에는 게이지 성능에 영향을 미칠 수 있는 형태 변형과 같은 변형이 가해질 수도 있다. 따라서, 이러한 방법에 의해서는, 센서 감도를 최적화하는 기계적 특징 및 전기적 특징을 갖는 게이지를 획득하기가 어렵다.
다른 해결 방안으로서, 두 개의 서로 다른 SOI 기판을 사용하여 이동식 질량부와 게이지를 별개로 형성한 다음, 이들 두 개의 기판을 함께 밀봉 처리할 수도 있다. 그러나, 밀봉 처리 동안 상이한 구성 요소간의 오정렬, 특히, 이동식 질량부, 게이지 그리고 홈 사이의 오정렬이 발생하여, 센서의 일반적인 감도가 변경될 위험이 증가할 수도 있다.
이러한 문맥에서, 본 발명은 특히, 전술한 제약이 없는 전기 기계 장치의 제조 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은 기설정된 깊이의 홈의 위에 현수되어 있는 기설정된 두께의 적어도 하나의 마이크로 기계 구조체(또는 활성체)를 포함하는 전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 제조 방법은 제 1 기판의 제 1 표면을 제 2 기판에 밀봉 처리하는 단계를 포함한다. 제 1 기판은 고형 층으로만 형성되며, 제 2 기판은 적어도 하나의 고형 층과 절연 층으로 형성된다. 또한, 밀봉 처리는 제 2 기판의 절연 층이 제 2 기판의 고형 층과 제 1 기판의 사이에 개재되도록 수행된다.
이러한 두 개의 기판의 밀봉 처리 이후, 제 1 기판에 상기 기설정된 깊이를 갖는 홈을 형성한다. 이러한 홈의 형성은 특히, 제 1 기판의 제 1 표면의 반대쪽의, 제 1 기판의 제 2 표면을 에칭하여 이루어진다. 특히, 홈과 마주하는 제 1 기판의 나머지 부분의 두께가 상기 기설정된 두께와 실질적으로 동일하다. 다시 말해, 홈의 최종 깊이와 마이크로 기계 구조체의 최종 두께가 이러한 에칭에 의해 획정된다.
홈은 이후, 제 1 기판의 제 2 표면을 제 3 기판에 밀봉 처리하여 폐쇄된다. 제 3 기판은 고형 층 및 절연 층으로 형성되어 있다. 특히, 이러한 제 3 기판의 절연 층은 홈을 폐쇄하도록 제 1 기판의 제 2 표면과 직접 접촉하도록 배치되며, 이러한 배치는 다른 밀봉 처리에 의해 이루어질 수도 있다.
제 2 기판의 고형 층과 절연 층은 이후 제거된다. 마지막으로, 제 1 기판의 제 2 표면의 단일 에칭 공정에 의해 홈의 개방 및 마이크로 기계 구조체의 형성이 이루어진다.
마이크로 기계 구조체는 마이크로미터 범위 치수의 두께를 갖는 구조체를 의미한다. 또한, 홈의 기설정된 깊이 또한, 마이크로미터 범위 치수를 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 제조 방법은, 홈의 개방 및 마이크로미터 범위의 구조체의 형성이 단일 에칭 단계에 의해 동시에 이루어지기 때문에, 전술한 정렬 문제를 극복할 수 있는 간단하면서도 저비용의 해결 방안이다. 이러한 단일 에칭은, 특히, 보통 벌크로 불리우는 동일한 단층 기판에 미래의 홈과 미래의 마이크로 기계 구조체를 연속적으로 형성함으로써 가능해진다. 이것은, 홈의 바닥을 획정하기 위한 지지 기판으로서 사용되는 하나와 손잡이 기판 또는 캐리어로서 사용되는 다른 하나의, 두 개의 서로 다른 명확히 구별되는 기판의 사용에 의해 가능해진다.
이러한 제조 방법에 의해 제공되는 다른 장점은, 이렇게 해서 얻어지는 전기 기계 장치의 홈의 바닥이 절연 층, 일반적으로는, 산화물 층으로 덮여 있다는 점이다. 특히, 이러한 절연 층의 존재는, 특히, 홈을 개방하기 위해 사용되는 화학 공정으로부터 초래하는 불균일 발생을 방지하는 장점을 갖는다. 다시 말해, 이러한 절연 층으로 인해, 홈의 바닥이 홈을 개방하기 위해 실시되는 에칭 공정 동안 에칭되지 않는다. 따라서, 이렇게 해서 얻어지는 장치는 깨끗하며, 다시 말해, 측정 동안 간섭을 야기하거나 활성체의 폐색을 야기할 수 있는 먼지를 덜 내포한다. 또한, 홈의 내면의 가스 제거 위험이 감소하여, 장치의 봉지화(encapsulation)가 이루어지는 패키지 내부의 시간에 따른 안정된 압력을 보장할 수 있다.
유리하게는, 제조 방법은, 제 2 기판에 제 1 기판을 밀봉 처리하기 전에, 제 1 기판의 제 1 표면에 정렬 표식을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
통상적으로, 이러한 정렬 표식은 홈과 마이크로 기계 구조체를 형성하기 위해 실시되는 에칭 공정에 사용되는 표식의 정확한 위치 설정을 보장하기 위한 지시자로서 사용된다. 이러한 정렬 표식은, 특히, 사전 정의된 구조체(유표(vernier), 스퀘어(square), 바 코드(bar code) 등)의 형태로 제공될 수도 있으며, 통상적으로, 예를 들어, 에칭 기술에 의해 달성된다.
방법은 또한, 홈을 형성하기 전에, 제 1 기판의 제 2 표면에 정렬 표식을 노출시키는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
특히, 정렬 표식은 제 1 기판을 제 2 기판에 밀봉 처리하는 단계 동안에는 덮어져 있으며, 이후, 제 1 기판의 제 2 표면 측에서 보일 수 있도록, 홈의 에칭 단계 이전에 노출된다.
정렬 표식은 제 1 기판의 제 2 표면의 리소그래피 공정 및 에칭 공정에 의해 다시 덮어질 수도 있다.
실제로, 제조 방법은, 홈을 형성하기 전에, 제 1 기판을 박형화하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
사실, 사용되고 있는 제 1 기판의 고형 층은 보통, 예를 들어, 450 ㎛와 같은 수백 마이크로미터의 최초 두께를 가질 수도 있다. 또한, 홈과 마이크로 기계 구조체의 형성을 위한 고형 층의 유용한 두께는, 예를 들어, 약 100 마이크로미터 미만으로, 예를 들어, 50 ㎛이다. 이 경우, 너무 깊게 에칭이 이루어지는 것을 방지하기 위해 고형 층을 사전에 박형화하는 단계를 제공하는 것이 필요하다. 따라서, 박형화에 의해, 마이크로 기계 구조체의 기설정된 두께와 홈의 기설정된 깊이의 합과 실질적으로 동일한 제 1 기판의 잔류 두께를 획득할 수 있다. 이러한 잔류 두께가 보통, 상기 유용한 두께에 상응한다. 실제로, 박형화는 연마 또는 화학적 에칭, 화학 기계적 에칭 또는 건식 에칭에 의해 이루어질 수도 있다.
일 변형예에 따르면, 제조 방법은, 홈의 형성과 동시에, 제 1 기판으로부터 제 3 기판을 향해 연장되는 적어도 하나의 정지부를 홈의 내측에 형성하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
실제로, 홈과 정지부(또는 스토퍼(stopper))의 형성은,
- 제 1 기판에 홈을 부분적으로 에칭하며 정지부의 높이를 획정함에 따라, 이러한 제 1 에칭의 깊이가 홈의 바닥을 획정하는 제 3 기판의 절연 층과 정지부의 자유 단부 사이의 소망하는 거리(예를 들어, 1 ㎛)와 실질적으로 동일해지도록 하는, 제 1 에칭 공정을 동반한 제 1 리소그래피 공정, 그리고
- 홈 뿐만 아니라 정지부를 명확하게 형성하기 위한 제 2 리소그래피 공정 및 제 2 에칭 공정에 의해 이루어질 수도 있다.
따라서, 정지부는, 홈의 바닥에 형성되는 것이 아니라, 활성체 상에, 특히, MEMS 구조체 상에 형성된다.
전기 기계 장치가 또한 나노 기계 구조체를 포함하는 다른 실시예에 따르면, 제조 방법은, 제 2 기판에 제 1 기판을 밀봉 처리하기 전에, 제 1 기판의 제 1 표면에 사전 정의된 두께를 갖는 적어도 하나의 오목부(pit)를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 오목부의 바닥은, 특히, 유전체 층으로 덮여 있다. 또한, 이러한 다른 실시예에서, 홈을 형성하는 단계는 홈을 오목부에 연결하는 관통 홀을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
오목부는, 특히, 미래의 나노 기계 구조체의 위치를 표시하기 위해 사용된다. 나노 기계 구조체는 나노미터 범위 치수의 두께를 갖는 구조체를 의미한다. 실제로, 오목부는 중공부 형태로 나타날 수도 있으며, 정렬 표식을 형성하기 전에 형성된다. 표식의 형성은 제 1 기판의 제 1 표면을,
- 제 1 기판의 제 1 표면 상의 각각의 나노미터 범위 구조체용의, 미래의 나노기계 구조체가 형성되는 위치를 획정하기 위한 얕은 홀, 예를 들어, 깊이가 1 ㎛보다 얕은 홀을 획정하도록, 그리고
- 각각의 홀의 바닥을 유전체로 보호하도록,
이중으로 리소그래피 공정을 수행하여 이루어질 수도 있다.
유리하게는, 제 2 기판은 고형 층과, 고형 층에 비해 얇은 층의 사이에 절연 층이 개재되는 형태로 형성된다. 또한, 제 1 기판의 제 1 표면이 제 2 기판의 얇은 층과 직접 접촉하도록 배치되는 것이 바람직하다.
실제로, 따라서, 제 2 기판은 절연 층, 예를 들어, 산화물 층이, 형성되고 있는 장치의 취급을 위해 보통 사용되는 마이크로미터 범위 두께의 고형 층과 나노미터 범위 두께의 보통 실리콘으로 형성되는 활성 층으로 불리우는 얇은 층 사이에 개재되는 형태로 형성된다.
따라서, 제 2 기판에 제 1 기판을 밀봉 처리하는 단계는, 특히, 제 1 기판의 마이크로미터 범위의 고형 층에 제 2 기판의 나노미터 범위의 활성 층을 직접 밀봉 처리하는 결과를 초래한다.
일 변형예에 따르면, 홈을 개방하며 마이크로 기계 구조체를 형성하도록 단일 에칭을 수행하는 단계는 또한, 제 2 기판의 얇은 층에, 관통 홀과 마주하는 나노 기계 구조체를 형성하는 단계를 또한 포함한다. 다시 말해, 홈의 개방 및 마이크로 기계 구조체의 형성과 동시에, 나노 기계 구조체가 제 2 기판의 얇은 층에 형성된다.
실제로, 홈을 개방함과 동시에 마이크로 기계 구조체를 형성하기 위해 실시되는 에칭 단계는 또한, 나노 기계 구조체를 형성하도록 사용될 수도 있다. 다시 말해, 홈과 마이크로 기계 구조체 및 나노 기계 구조체가 한 번의 동일한 에칭 공정을 통해 얻어진다.
물론, 단일 에칭 단계 이전에, 활성 층만 남도록 제 2 기판의 절연 층과 고형 층을 제거하기 위한 단계를 제공할 수 있다.
일 변형예에 따르면, 제 2 기판의 얇은 층을 도핑 처리하는 단계를 또한 제공할 수 있다. 실제로, 얇은 층의 도핑 처리는, 예를 들어, 확산 또는 플라즈마 함침이나 이온-빔 이온 주입과 같은 상이한 도핑 기술에 의해 이루어질 수도 있다.
본 발명은 또한, 전기 기계 장치를 목적으로 하며, 이러한 전기 기계 장치는,
- 두 개의 고형 층의 사이에 절연 층이 개재되어 있는 형태로 형성되는 적층체, 그리고
- 기설정된 깊이의 홈의 위에 현수되어 있는 기설정된 두께의 마이크로 기계 구조체를 포함하며,
홈과 마이크로 기계 구조체가 적층체의 두 개의 고형 층 중 하나를 형성하며, 절연 층이 홈의 바닥을 형성한다.
일 변형예에 따르면, 전기 기계 장치는 홈의 내측에 마련되며, 마이크로 기계 구조체로부터 절연 층을 향해 연장되는 적어도 하나의 정지부를 추가로 포함할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 고형 층은 고형 층에 비해 얇은 층과 절연 층의 사이에 개재되어 있는 마이크로 기계 구조체를 포함한다. 또한, 이러한 실시예에 따르면, 장치는 얇은 층에 형성되는 나노 기계 구조체, 그리고 나노 기계 구조체를 홈에 연결하는 관통 홀을 추가로 포함할 수도 있다.
실제로,
- 나노 기계 구조체는 스트레인 게이지, 변형 가능한 막, 또는 나노 기계 공진기와 같은 변형 가능한 측정용 구성 요소일 수도 있다.
- 마이크로 기계 구조체는 스프링, 막, 또는 나노 기계 구조체와 같은 변형 가능한 구성 요소에 결합되는 이동식 질량부로 형성될 수도 있다.
- 나노 기계 구조체는 1 ㎛보다 작은 두께를 가질 수도 있다.
- 마이크로 기계 구조체는 100 ㎛보다 작으며 5 ㎛보다 큰 두께를 가질 수도 있다.
- 마이크로 기계 구조체와 나노 기계 구조체의 두께비는 100 정도이다.
- 고형 층과 얇은 층은 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하며, 절연 층은 산화물로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전술한 그리고 그외 다른 특징 및 장점이 첨부 도면과 연계하여 아래의 비제한적인 설명에서 상세히 논의된다:
도 1a 내지 도 1j는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로미터 범위 치수의 활성 구조체가 일체화되어 있는 전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법의 단계를 간략히 도시한 도면이며;
도 2a 내지 도 2k는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로미터 범위 치수의 활성 구조체 및 나노미터 범위 치수의 활성 구조체가 일체화되어 있는 전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법의 단계를 간략히 도시한 도면이다.
도 1a 내지 도 1j에는 일 실시예에 따른 전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법의 서로 다른 단계가 도시되어 있다. 특히, 획득하고자 하는 전기 기계 장치가 도 1j에 도시되어 있으며, 이러한 전기 기계 장치에는 특히, 예를 들어, 5 ㎛의 기설정된 깊이를 갖는 홈(4)의 위에 현수되어 있는, 예를 들어, 20 ㎛의 기설정된 두께를 갖는 마이크로 기계 구조체(60, 61)가 일체화되어 있다. 예를 들어, 마이크로 기계 구조체(60, 61)는, 예를 들어, 스프링(61)에 이동식 질량부(60)가 결합되어 있는 형태로 형성되는 활성체(active body)이다. 일 변형예에서, 전기 기계 장치는 마이크로기계 구조체(60, 61)로부터 홈(4)의 바닥을 향해 연장되는 정지부(5)를 추가로 포함할 수도 있다. 예를 들어, 정지부(5)의 자유 단부와 홈(4)의 바닥 사이의 간격은 실질적으로 1 ㎛이다.
보다 구체적으로, 홈과 마이크로 기계 구조체는 도 1a에 도시된 제 1 기판(1)에 해당하는 동일한 단층 기판에 에칭 공정에 의해 형성된다. 따라서, 보통 벌크(bulk)로 불리우는 제 1 기판(1)은, 예를 들어, 450 ㎛의 두께를 갖는 실리콘 층과 같은 고형 층으로만 형성되며, 두 개의 양면, 즉, 제 1 표면(11)과 제 2 표면(12)을 구비한다.
우선, 에칭 동안 사용되는 마스크의 정확한 위치 설정을 보장하기 위하여, 이러한 제 1 기판(1)의 제 1 표면(11) 상에 정렬 표식(13)이 형성된다(도 1b).
또한, 제 1 기판(1)의 취급을 용이하게 하기 위하여, 제 2 기판(2)이 제 1 기판(1)에 밀봉 처리된다(도 1c). 제 2 기판(2)은, 예를 들어, 450 ㎛의 두께를 갖는 실리콘 층과 같은 고형 층(20)과, 예를 들어, 1 ㎛의 두께를 갖는 산화물 층과 같은 절연 층(21)으로 형성된다. 특히, 제 2 기판의 절연 층(21)은 제 1 기판(1)의 제 1 표면(11)과 직접 접촉하는 상태로 배치된다. 따라서, 이 단계에서, 이전에 형성된 정렬 표식(13)이 제 2 기판(2)에 의해 덮어진다.
홈과 마이크로 기계 구조체가 제 1 기판(1)에 형성되어야 하므로, 제 1 기판(1)의 박형화가 우선 수행된다(도 1d). 보다 구체적으로, 박형화는 제 1 기판(1)의 잔류 두께가 홈(4)의 기설정된 깊이와 마이크로 기계 구조체(60, 61)의 기설정된 두께의 합에 실질적으로 상응하도록 이루어진다. 통상적으로, 박형화는, 예를 들어, 연마 또는 화학적 에칭에 의해 달성될 수도 있다.
이후, 정렬 마스크(13)는 제 1 기판(1)의 제 2 표면(12)에 리소그래피(lithography) 에칭 공정에 의해 노출된다(도 1e). 따라서, 제 1 기판(1)의 제 2 표면(12) 측에서 정렬 표식(13)을 볼 수 있다.
정지부(5)가 제공되는 경우, 부분 에칭을 동반한 리소그래피 공정(도 1f)이 수행되어 박형의 제 1 기판(1)에 홈(4)이 에칭되기 시작하며 정지부(5)의 높이가 획정된다. 다시 말해, 부분 에칭 깊이는 정지부(5)의 자유 단부와 홈(4)의 바닥 사이의 소망하는 간격과 실질적으로 동일하다.
물론, 정지부(5)가 필요하지 않은 경우에는 부분 에칭 단계가 생략될 수 있다.
이후, 간략한 리소그래피 공정(도 1g)이 수행되어 정지부(5)가 형성되며 박형의 제 1 기판(1)에서의 홈(4)의 깊이가 획정된다. 이 단계에서, 홈(4)과 정지부(5)의 치수는 이미 소망하는 최종 치수에 상응한다. 또한, 홈(4)의 반대쪽 제 1 기판의 나머지 부분의 두께는 마이크로 기계 구조체(60, 61)의 소망하는 최종 두께와 실질적으로 동일하다. 따라서, 홈(4), 정지부(5), 그리고 마이크로 기계 구조체(60, 61)의 두께가 이러한 단일 에칭 공정에 의해 획정된다.
다음 단계는 제 1 기판(1)에 제 3 기판(3)을 밀봉 처리함으로써 형성된 홈(4)을 폐쇄하는 단계(도 1h)를 포함한다. 제 3 기판 또한, 예를 들어, 300㎛ 를 초과하는 두께를 갖는 실리콘 층과 같은 고형 층(30)과, 예를 들어, 두께가 1㎛인 산화물 층과 같은 절연 층(31)으로 형성된다. 또한, 밀봉 처리는 제 3 기판(3)의 절연 층(31)이 제 1 기판(1)의 제 2 표면(12)과 직접 접촉하도록 배치되는 방식으로 이루어진다.
이후, 제 2 기판(2)이 제거되며(도 1i), 제 1 기판(1)의 단일 에칭 공정(도 1j)이 수행되어 홈(4)이 개방됨과 동시에 마이크로 기계 구조체(60, 61)가 형성된다.
따라서, 이렇게 해서 얻어진 전기 기계 장치는 두 개의 고형 층(10, 30)의 사이에 절연 층(31)이 개재되어 있는 형태로 형성되는 적층체(stack)를 포함한다. 홈(4)과 마이크로 기계 구조체(60, 61)는 적층체의 두 개의 고형 층 중 하나(10)에 형성되며, 절연 층(31)이 홈(4)의 바닥을 형성한다.
다른 실시예에서, 획득하고자 하는 도 2k에 도시된 전기 기계 장치에는, 전술한 마이크로 기계 구조체(60, 61), 홈(4), 그리고 정지부(5)에 추가하여, 홈(4)의 위에 또한 현수된, 예를 들어 250nm의 기설정된 두께를 갖는 나노미터 범위 구조체(7)가 일체화되어 있다. 나노 기계 구조체(7)는, 예를 들어, 스트레인 게이지이다. 이러한 장치를 제조하기 위한 방법이 도 2a 내지 도 2k에 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 홈(4), 정지부(5), 그리고 마이크로 기계 구조체(60, 61)는 이전에 사용된 바와 동일하게 동일한 벌크(2a)에 형성된다(도 2a).
우선, 추후 형성될 나노 기계 구조체의 위치를 표시하기 위하여, 예를 들어, 리소그래피 공정에 의해 제 1 기판(1)의 제 1 표면(11)에 오목부(pit)(14)가 형성된다(도 2b). 일반적으로 1㎛ 미만의 기설정된 깊이를 갖는 이러한 오목부는 바닥이, 예를 들어, 산화물 층과 같은 유전체 층(15)으로 덮여 있다.
이후, 전술한 바와 같이, 에칭 동안 사용되는 마스크의 정확한 위치 설정을 보장하기 위하여, 정렬 표식(13)이 또한 제 1 기판(1)의 제 1 표면(11)에 형성된다(도 2c).
또한, 제 1 기판의 취급을 용이하게 하며 나노 기계 구조체가 획정되는 박형 층을 밀봉하기 위하여, 제 2 기판(2)이 제 1 기판(1)에 밀봉 처리된다(도 2d). 제 2 기판(2)은, 예를 들어, 450㎛의 두께를 갖는 실리콘 층과 같은 고형 층(20)과, 상기 고체 층(20)에 비해 얇은 층(22)의 사이에, 예를 들어, 1㎛의 두께를 갖는 산화물 층과 같은 절연 층(21)이 개재되어 있는 형태로 형성된다. 얇은 층(22)은 특히, 이른바 "활성(active)" 층으로서, 보통, 예를 들어, 250 nm의 나노 미터 범위의 두께를 갖는 실리콘 층이다. 밀봉 처리 동안, 제 2 기판(2)의 얇은 층(22)이 제 1 기판(1)의 제 1 표면(11)과 직접 접촉하도록 배치된다. 이 단계에서, 정렬 표식(13)과 홈(14)이 제 2 기판(2)으로 덮어진다.
전술한 바와 같이, 제 1 기판(1)은 제 1 기판(1)의 잔류 두께가 또한 홈(4)의 기설정된 깊이와 마이크로 기계 구조체(60, 61)의 기설정된 두께의 합에 대체로 실질적으로 상응하도록 박형으로 형성된다(도 2e). 또한, 정렬 표식(13)이 또한, 제 1 기판(1)의 제 2 표면(12)에 리소그래피 에칭 공정에 의해 노출된다(도 2f).
유사하게, 이후, 부분 에칭을 동반한 리소그래피 공정(도 2g)이 수행되어 박형의 제 1 기판(1)에 홈(4)이 에칭 형성되기 시작하며 홈(4)의 바닥과 정지부(5)의 자유 단부의 사이의 간격이 획정된다. 물론, 정지부가 필요하지 않은 경우에는 부분 에칭 단계가 생략될 수 있다.
이후, 간략한 리소그래피 공정(도 2h)이 수행되어 정지부(5)가 형성되며, 박형의 제 1 기판(1)에서의 홈(4)의 깊이가 획정되고, 홈(4)과 오목부(14)를 연결하는 관통 홀(16)이 형성된다. 실제로, 오목부(14)의 바닥에 놓여 있는 유전체 층(15)이 이러한 리소그래피 공정 동안 제 2 기판의 얇은 층(22)을 보호하며, 이후 제거된다.
이후, 이전에 사용된 제 3 기판과 동일한 제 3 기판(3)이 제 1 기판에 밀봉 처리되어, 전술한 바와 같이 형성된 홈(4)이 폐쇄된다(도 2i). 이러한 밀봉처리는 제 3 기판(3)의 절연 층(31)이 제 1 기판(1)의 제 2 표면(12)과 직접 접촉하는 방식으로 배치되도록 이루어진다.
다음 단계는 얇은 층(22)만을 남기고 제 2 기판의 고형 층(20)과 절연 층(21)을 제거하는 단계(도 2j)와, 단일 에칭을 수행하여 홈(4)을 개방함과 동시에 마이크로 기계 구조체(60, 61)와 나노 기계 구조체(7)를 형성하는 단계(도 2k)를 포함한다. 특히, 나노 기계 구조체(7)는 관통 홀(16)에 대향하여 형성된다.
따라서, 이렇게 얻어진 전기 기계 장치(도 2k)는 동일 고형 층(10)에 형성된 홈(4), 마이크로 기계 구조체(60, 61) 그리고 정지부(5) 뿐만 아니라 고형 층(10) 상에 배치된 얇은 층(22)에 형성된 나노 기계 구조체(7)를 포함한다. 또한, 절연 층(31)이 홈(4)의 바닥을 형성한다.
개시된 제조 방법은 따라서, 간단할 뿐만 아니라, 세 개의 기판이 사용되고 있긴 하지만 대체로 비용이 저렴한 편이다. 이들 방법에 의하면, 특히, 부피가 더 작으면서도 성능이 더 뛰어나고, 적어도 홈과 마이크로 기계 구조체가 단일 벌크에 형성되어 있는 전기 기계 MEMS 또는 M&NEMS 유형의 장치를 획득할 수 있다. 또한, 홈 바닥의 절연 층으로 인해 이러한 장치의 수명이 증가되며, 절연 층은 또한 에칭 공정 동안 홈의 바닥이 울퉁불퉁해지는 것을 방지한다. 마지막으로, 제공되고 있는 해결 방안에 의하면, 또한, 에칭 장비의 간단한 조절에 의해 마이크로 미터 범위 구조체의 두께 조절이 가능하다.

Claims (12)

  1. 기설정된 깊이의 홈(4)의 위에 현수되어 있는 기설정된 두께의 적어도 하나의 마이크로 기계 구조체(60, 61)를 포함하는 전기 기계 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
    고형 층(10)으로만 형성되는 제 1 기판(1)의 제 1 표면(11)을, 적어도 하나의 고형 층(20)과 절연 층(21)으로 형성되는 제 2 기판(2)에, 상기 제 2 기판(2)의 상기 절연 층(21)이 상기 제 2 기판(2)의 상기 고형 층(20)과 상기 제 1 기판(1)의 사이에 개재되도록, 밀봉 처리하는 단계와;
    상기 제 1 기판(1)에 상기 기설정된 깊이를 갖는 홈(4)을, 상기 제 1 표면(11)의 반대쪽 제 2 표면(12)을 에칭하여, 상기 홈(4)과 마주하는 상기 제 1 기판(1)의 나머지 부분의 두께가 상기 기설정된 두께와 실질적으로 동일하도록 형성하는 단계와;
    상기 제 1 기판(1)의 상기 제 2 표면(12)을, 고형 층(30) 및 절연 층(31)으로 형성되는 제 3 기판(3)에, 상기 절연 층(31)이 상기 제 1 기판(1)의 상기 제 2 표면(12)과 직접 접촉하는 상태로, 밀봉 처리하여 상기 홈(4)을 폐쇄하는 단계와;
    상기 제 2 기판(2)의 상기 고형 층(20)과 상기 절연 층(21)을 제거하는 단계; 그리고
    상기 홈(4)을 개방하며 상기 마이크로 기계 구조체(60, 61)를 형성하도록 상기 제 1 기판(1)의 상기 제 2 표면(12)에 단일 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판(2)에 상기 제 1 기판(1)을 밀봉 처리하기 전에, 상기 제 1 기판(1)의 상기 제 1 표면(11)에 정렬 표식(13)을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 홈을 형성하기 전에, 상기 제 1 기판(1)의 상기 제 2 표면(11)에 정렬 표식(13)을 노출시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈(4)을 형성하기 전에, 상기 제 1 기판(1)을 박형화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈(4)의 형성과 동시에, 상기 제 1 기판(1)으로부터 상기 제 3 기판(3)을 향해 연장되는 적어도 하나의 정지부(5)를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 기판(2)과 상기 제 1 기판(1)을 밀봉 처리하기 전에, 상기 제 1 기판(1)의 상기 제 1 표면(11)에 사전 정의된 두께를 가지며 바닥이 유전체 층으로 덮여 있는 적어도 하나의 오목부(14)를 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 홈(4)을 형성하는 단계는 상기 홈(4)을 상기 오목부(14)에 연결하는 관통 홀(16)을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 기판은 고형 층(20)과, 상기 고형 층(20)에 비해 얇은 층(22)의 사이에 절연 층(21)이 개재되는 형태로 형성되며, 상기 제 1 기판(1)의 상기 제 1 표면(11)이 상기 제 2 기판(2)의 상기 얇은 층(22)과 직접 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 홈(4)을 개방하며 상기 마이크로 기계 구조체(60, 61)를 형성하도록 단일 에칭을 수행하는 단계는 또한, 상기 제 2 기판(2)의 상기 얇은 층(22)에, 상기 관통 홀(16)과 마주하는 나노 기계 구조체(7)를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 기판의 상기 얇은 층(22)을 도핑(doping) 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 장치 제조 방법.
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