KR20060085426A

KR20060085426A - Ｍｅｍｓ 구조체, 외팔보 형태의 ｍｅｍｓ 구조체 및밀봉된 유체채널의 제조 방법.

Info

Publication number: KR20060085426A
Application number: KR1020050006283A
Authority: KR
Inventors: 하병주; 이창승
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-07-27
Also published as: KR100692593B1; US20060166393A1; US7456041B2; EP1683757A1; JP2006205352A

Abstract

개시된 MEMS 구조체 제조방법은 캐비티가 형성될 영역을 취하여 기판의 상부를 다공층으로 형성하고, 이후, 다공층의 하부에 위치하는 기판을 소정 두께로 식각하여 캐비티를 형성하고, 캐비티를 실링하도록 기판의 상면에 멤브레인층을 형성하고, 멤브레인층의 상부에 구조체를 형성하는 것을 포함한다. 상술한 구성을 기초로 하여 멤브레인층상에 외팔보구조체를 형성한 후 멤브레인층을 식각하면, 외팔보구조체가 캐비티상에 부유 하는 형태로 제조 가능하다. 이때, 멤브레인층을 증착하지 않고 다공층상에 직접 외팔보구조체를 형성할 수 있다. 또한, 상술한 구성을 통해 다공층 및 멤브레인층상에 적어도 하나의 인렛홀과 적어도 하나의 아웃렛홀을 형성하여 밀봉된 유체채널을 형성할 수도 있다.

Description

ＭＥＭＳ 구조체, 외팔보 형태의 ＭＥＭＳ 구조체 및 밀봉된 유체채널의 제조 방법.{MANUFACTURING METHOD OF MEMS STRUCTURE}

도 1은 종래의 미소 공진기의 구성을 도시한 도면으로서, 미국특허번호 6,762,471호에 개시된 박막공진기(thin film resonator)의 구성을 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2g 는 도 1의 박막공진기가 기판상에 소정의 갭을 두고 형성되는 과정을 도시한 도면으로서, 제 1전극, 절연막, 제 2전극이 기판상으로부터 소정의 갭을 두고 부유 구조를 이루도록 제조되는 과정을 도시한 도면,

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시 예에 의한 미소구조체가 기판상으로부터 부유되는 상태로 제조되는 과정을 도시한 도면으로서, 공진기가 형성되는 과정을 예로 들어 도시한 도면,

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 MEMS 구조체가 기판상으로부터 부유되는 상태로 제조되는 과정을 도시한 도면으로서, 공진기가 형성되는 과정을 예로 들어 도시한 도면,

도 5a 내지 도 5c는 상기 도 3a 내지 도 3f의 과정을 기초로 하여 외팔보구조체가 멤브레인층상에 형성되는 과정을 도시한 도면들,

도 6a 내지 도 6c는 상기 도 3a 내지 도 3d의 과정을 기초로 하여 외팔보구조체가 다공층상에 형성되는 과정을 도시한 도면들,

도 7a 내지 도 7c는 상기 도 4a 내지 도 4d의 과정을 기초로 하여 외팔보구조체가 멤브레인상에 형성되는 과정을 도시한 도면들,

도 8a 내지 도 8c는 상기 도 4a 내지 도 4c의 과정을 기초로 하여 외팔보구조체가 다공층상에 형성되는 과정을 도시한 도면들,

도 9a 는 상기 도 3a 내지 도 3f를 기초로 하여 밀봉된 유체채널이 형성된 예 를 도시한 도면, 그리고,

도 9b는 상기 도 4a 내지 도 4d를 기초로 하여 밀봉된 유체채널이 형성된 예를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1 : P형실리콘기판 1a : 트렌치

4,33 : 캐비티 5 : 배리어

7 : 실리콘질화막 7a : 개구

9,38 : 실리콘다공층 11,39 : 멤브레인층

11a,39a : 인렛홀 11b,39b : 아웃렛홀

12 : 구조체(공진기) 31 : N형실리콘기판

35 : 마스크층 37 : P형실리콘층

50 : 외팔보구조체 61 : 마스크(포토레지스트층)

본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구조체, 외팔보 형태의 MEMS 구조체 및 밀봉된 유체채널의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판상으로부터 소정의 간격을 두고 설치하기 위하여 희생층을 사용하는 것을 해소시키는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구조체, 외팔보 형태의 MEMS 구조체 및 밀봉된 유체채널의 제조 방법에 관한 것이다.

실리콘 기판위의 박막소재를 가공하는 반도체 집적회로 제작 공정을 기반으로 한 표면 마이크로 머시닝 기술은 실리콘 기판위에 미소구조체를 제작하고, 이를 반도체 회로와 접합시킴으로써 마이크로센서 등의 MEMS 소자를 만들 수 있다. 이때 미소구조체는 한쪽, 또는 양단을 제외한 나머지 부분은 기판으로부터 띄워서 공간을 형성하여야 한다. 따라서, 미세구조체를 형성하기 위해서는 희생층을 사용하는 방법을 사용하고 있으며, 희생층은 구조체 물질과의 식각선택비가 우수한 물질을 사용하고 있다.

상술한 바와 같이 희생층을 사용하여 미세 구조체를 형성하는 일 예로서, 미국특허번호 6,762, 471호(발명의 명칭 : 박막공진기 및 그것을 제조하기 위한 방법(THIN FILM RESONATOR AND METHOD MANUFACTURING THE SAME), 출원일 : 2004, 7, 13)가 개시된 바 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 미소 박막공진기의 구성을 도시한 도면으로서, 상술한 미국특허번호 6,762,471호에 개시된 박막공진기(thin film resonator)의 구성을 도시한 도면이다.

그 구성을 살펴보면, 박막공진기(100)는 지지부재(지지층(155), 포스트 (140,141))와, 제 1전극(165), 절연막(175), 제 2전극(185)을 구비한다. 박막공진기는 기판(110)상에 소정의 갭(에어갭)을 두고 형성된다. 기판(110)상에는 회로(105)가 형성되고, 연결부재(220)를 통해 제 2전극(185) 및 회로(105)가 연결된다.

도 2a 내지 도 2g 는 도 1의 박막공진기가 기판상에 소정의 갭을 두고 형성되는 과정을 도시한 도면으로서, 제 1전극(165), 절연막(175), 제 2전극(185))이 기판(110)상으로부터 소정의 갭(D)을 두고 부유 구조를 이루는 과정에 대해서만 설명한다.

도 2a를 참조하면, 기판(110)상에 희생층(120)이 증착되고 홀(130,131)이 형성된다. 이어, 도 2b를 참조하면, BPSG층(135)이 증착된다. 이때, BPSG층(135)은 홀(130,131)을 통해 매립되어 다음 공정에서 형성될 박막공진기(100)를 지지하는 포스트(140,141))를 형성한다. 도 2c를 참조하면, 희생층(120)상에 증착된 BPSG층(135)은 연마되어 제거된다. 계속하여, 도 2d를 참조하면, 포스트(140,141)가 홀(130,131)을 통해 매립된 희생층(120)의 상측에는 지지층(155)을 이루기 위한, 예컨대, 실리콘나이트라드층(150)이 증착된다. 이어서, 제 1전극(165)을 이룰 제 1메탈층(160)이 증착되고, 절연막(175)을 이룰 절연층(170)이 증착되고, 제 2전극(185)을 이룰 제 2메탈층(180)이 증착된다. 도 2e를 참조하면, 제 2메탈층(180), 절연층(170), 제 1메탈층(160)이 차례로 박막공진기(100) 형태로 패터닝된다. 도 2f를 참조하면, 실리콘질화막(150)이 지지층(155)형태로 패터닝된다. 여기서, 개구(195,196)가 형성된다. 도 2g를 참조하면, HF(HYDROFLUORIC)산용액을 포함하는 에칭액(etching solution)이 개구(195,196)을 통과하여 희생층(120)이 제거된다. 이 후, 세정(washing) 및 드라이공정(drying process)을 실시하여 박막공진기(100)가 형성된다.

상기에서 설명한 바와 같이 종래에는 희생층을 제거하는 방법이 주로 습식식각 방법, 즉 HF 용액을 포함하는 케미컬 용액에서 웨이퍼를 담그어 식각하고 세정한 후 건조하는 방법을 사용하였는데, 이때, 세정한 후에 건조하는 동안 표면장력에 의한 모세관힘(capillary force)으로 인하여 미세구조체(박막공진기:100)가 희생층이 제거된 공간(C)에 침몰되는 고착(stiction) 현상이 발생하게 된다.

이러한 고착 현상은 미소구조체의 성능을 저하시키는 원인이되고, 고착 현상이 심할 경우는 소자 제조의 실패를 가져와 수율 저하의 중요한 요소가 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소시키기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 희생층을 사용하지 않고 미소 구조체를 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 미소 구조체 형성 과정을 기초로 하여 외팔보 형태의 MEMS구조체 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 미소구조체를 형성하는 방법을 기초로 하여 밀봉된 유체채널 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 제안된 본 발명의 제 1실시예를 따르면, P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하고; 상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하고; 상기 트렌치에 매립된 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하고; 상기 산화막이 제거된 기판상에 마스크층을 형성함과 아울러서 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하고; 상기 배리어의 내부에 해당하는 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하고; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 기판을 제거하여 캐비티를 형성하고; 상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하고, 상기 캐비티의 상부를 멤브레인층으로 밀봉한 후 상기 멤브레인층의 상측에 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법이 제공된다.

상기 트렌치 형성은 딥 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching)에 의하는 것이 바람직하다.

상기 산화막 형성은 상기 실리콘기판을 고온 산화(thermal oxidation)하거나, 박막증착(deposition)에 의하는 것이 바람직하다.

상기 트렌치에 매립된 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계에서, 상기 산화막제거는 화학적기계적연마(CMP : Chemical Mechenical Polishing)에 의하는 것이 바람직하다.

상기 마스크층은 실리콘질화막으로 형성되고, 상기 실리콘질화막은 화학기상증착(CVD)에 의해 증착되고, 식각은 반응성 이온 에칭(RIE)에 의하는 것이 바람직하다.

상기 다공층 형성은 상기 실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기 화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값(critical current value)보다 낮은 전류를 인가하는 것이 바람직하다.

상기 캐비티 형성은 상기 P형실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값보다 큰 전류를 인가하는 것이 바람직하다.

상기 멤브레인층을 형성하는 단계에서, 상기 멤브레인층은 절연성 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 절연성재질은 산화막(SiO₂) 실리콘질화막(Si₃N ₄), 폴리실리콘(poly-silicon)막으로 형성할 수 있다.

여기서, 상기 산화막은 열처리에 의해 형성되거나, 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 화학적기상증착 (CVD : Chemical Vapor Deposition)에 의하며, 상기 실리콘질화막은 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 CVD에 의할 수 있다.

폴리실리콘막은 화학기상증착및 물리기상증착등에 의해 증착될 수 있다.

본 발명의 제 2실시 예를 따르면, 실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착한 후 캐비티가 형성될 영역을 제거하고; 상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하고; 상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하고; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하고; 상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하고; 상기 캐비티의 상부를 멤브레인층으로 밀봉하고; 및 상기 멤브레인층의 상측에 구조체를 형성하는 것;을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법이 제공된다.

상기 마스크층은 실리콘질화물로 형성되고, 그 증착은 CVD에 의하고, 그 식각은 반응성 이온 에칭(RIE)에 의하는 것이 바람직하다.

상기 다공층은 상기 실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값(critical current value)보다 낮은 전류를 인가하는 것이 바람직하다.

상기 캐비티 형성은 상기 실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기 화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값보다 큰 전류를 인가하는 것이 바람직하다.

상기 멤브레인층을 형성하는 단계에서, 상기 멤브레인층은 절연성 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 절연성재질은 산화막(SiO₂), 실리콘질화막(Si₃N ₄), 폴리실리콘막(Poly-Si)중 어느 하나로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 산화막은 열처리에 의해 형성되거나, 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 화학기상증착 (CVD : Chemical Vapor Deposition)에 의할 수 있다.

상기 실리콘질화막은 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 CVD로 함이 바람직하다.

폴리실리콘막은 박막증착 예컨대, 화학기상증착 또는 물리기상증착등에 의해 형성될 수 있다.

상기 P형물질 도핑은 이온주입(ion implantation) 또는 열확산(thermal diffusion)에 의할 수 있다.

본 발명의 제 3실시 예를 따르면, P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계; 상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계; 상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계; 상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계; 상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층의 상측에 외팔보구조체층을 형성하고 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및 상기 다공층을 포함하는 멤브레인층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제 4실시 예를 따르면, P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계; 상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계; 상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계; 상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계; 상기 다공층 하 부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계; 상기 기판 및 상기 다공층상에 외팔보구조체층을 형성하고 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및 상기 다공층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제 5실시 예를 따르면, N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계; 상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계; 상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계; 상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계; 상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층의 상측에 외팔보구조체층을 형성한 후 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및 상기 다공층을 포함하는 멤브레인층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제 6실시 예를 따르면, N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계; 상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계; 상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계; 상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계; 상기 기판 및 상기 다공층상에 외팔보구조체층을 형성하고, 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및 상기 다공층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제 7실시 예를 따르면, P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계; 상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계; 상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계; 상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계; 상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계; 및 상기 다공층 및 상기 멤브레인층에 유체가 유입되는 적어도 하나의 인렛홀 및 유체가 토출되는 적어도 하나의 아웃렛홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉된 유체 채널을 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 8실시 예를 따르면, N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계; 상기 마스크층이 제거 된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계; 상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계; 상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계; 상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계; 상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계; 및 상기 다공층 및 멤브레인층에 유체가 유입되는 적어도 하나의 인렛홀 및 유체가 토출되는 적어도 하나의 아웃렛홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉된 유체채널을 형성하는 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시 예에 의한 미소구조체가 기판상으로부터 부유되는 상태로 제조되는 과정을 도시한 도면으로서, 공진기가 형성되는 과정을 예로 들어 도시한 것이다.

도 3a를 참조하면, P형실리콘기판(1 : P type silicon substrate)에 트렌치(1a)를 형성하고, 산화막(SiO₂:3)을 형성한다. 여기서, 트렌치(1a)는 딥 반응성 이온 에칭(DRIE : Deep Reactive Ion Etching)에 의해 식각된다. 또한, 산화막(3)은 P형실리콘기판(1)을 고온 산화처리(thermal oxidation)하여 형성하거나, 박막증착(thin film deposition)에 의해 형성할 수 있다. 박막증착은 일 예로 화학기상증착(CVP :Chemical Vapor Deposition) 또는 물리기상증착(PVD : Physical Vapor Deposition)등이 사용될 수 있다. 이때, 트렌치(1a)의 내부에 산화막(3)이 매립되 어 후술될 캐비티(4 : cavity)를 형성하기 위한 배리어(barrier : 5)가 형성된다.

도 3b를 참조하면, P형실리콘기판(1)상에 형성된 산화막(3)을 제거하고, 트렌치(1a)에 매립된 배리어(5)만 남긴다. 이때, 산화막제거는 평탄화장치(Planarization)로 예컨대, 화학적기계적연마(CMP :Chemical Mechanical Polishing )에 의할 수 있다.

도 3c를 참조하면, 산화막(3)이 제거된 P형실리콘기판(1)의 상면에 실리콘질화막(7 : silicon nitride layer)을 증착한다. 여기서, 실리콘질화막(7)은 캐비티(4)를 형성하기 위한 마스크로서, 배리어(5)에 의해 한정된 내부 영역을 노출시키도록 그 중앙부에 개구(7a)가 식각된다. 실리콘질화막(7)은 예컨대, 화학기상증착으로 특히, 저압화학기상증착(LPCVD)에 의해 형성되고, 반응성 이온 에칭에 의해 식각된다.

도 3d를 참조하면, 실리콘질화막(7)의 개구(7a)를 통해 노출된 P형실리콘기판(1)의 상부를 전기 화학적으로 처리하여 소정 두께(t)로 실리콘다공층(9 : silicon porous layer )을 형성한다. 여기서, 실리콘다공층(9)은 P형실리콘기판(1)을 화학 용액, 예컨대, 산(HF)용액에 담근 후 전기 화학적으로 처리한다. 이때, 가해지는 전류는 임계전류값(critical current value)보다 낮게 인가된다. 그리고, 두께(t)조절은 전류가 가해지는 시간 조절에 의해 가능하다.

도 3e를 참조하면, 실리콘다공층(9)의 하부영역에 해당하는 부분을 제거하여 캐비티(4 : cavity)를 형성한다. 여기서 캐비티(4) 형성은 실리콘다공층(9)을 형성하는 것과 유사하게 화학 용액, 예컨대, 산(HF)용액에 담근 후 전기 화학적으로 처 리하는 것에 의한다. 이때, 가해지는 전류는 임계전류값보다 높게 인가된다. 따라서, 그 상부에 형성된 실리콘다공층(9)은 식각되지 않고 남아 있게 된다.

도 3f를 참조하면, 캐비티(4)를 밀봉하는 멤브레인층(11 : membrane layer)이 형성된다. 여기서, 멤브레인층(11)은 절연성 재질로 형성함이 바람직하며, 예컨대, 산화막(SiO₂), 실리콘질화막(Si₃N₄), 폴리실리콘(Poly-Si)막으로 형성할 수 있다. 여기서, 산화막은 고온 산화(thermal oxidation)에 의해 형성된다. 이때, 산화공정은 다공성 실리콘을 소모하면서 산화막을 형성하므로 실리콘다공층(9)은 모두 산화막으로 변하게 된다. 또한, 산화막 및 질화막은 박막증착(thin film deposition)에 의한다. 박막증착은 예컨대, 화학기상증착(CVD)등이 사용될 수 있다. 폴리실리콘은 화학기상증착 밀 물리기상증착등이 사용될 수 있다. 도 3f는 고온 산화 공정에 의해 멤브레인층(11)이 형성된 예를 도시하였다, 만일 증착 방법에 의하면, 주로 실리콘다공층(9)상에 박막(실리콘질화막, 또는 폴리실리콘막)이 증착되어 박막/다실리콘다공층(9)의 이중막으로 구성된 멤브레인층이 형성된다.(미도시)

도 3g를 참조하면, 멤브레인층(11)의 상측에 구조체(12)를 형성한다, 구조체(12)는 공진기(resonator)를 이루는 것으로서, 제 1전극층(12a), 압전층(12b : piezoelectrical layer), 제 2전극층(12c)으로 구성된다.

(실시예 2)

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 MEMS 구조체가 기판상으 로부터 부유되는 상태로 제조되는 과정을 도시한 도면으로서, 공진기가 형성되는 과정을 예로 들어 도시한 것이다.

도 4a를 참조하면, N형실리콘기판(31)이 제공되고, 후술될 캐비티(33) 형성을 위한 마스크층(35)이 증착된다. 여기서, 마스크층(35)은 N형실리콘기판(31)의 중앙부를 노출시키는 개구(35a)가 형성된다. 마스크층(35)은 절연성 재질 예컨대, 실리콘질화막(Si₃N₄)로 이루어지고, 그 증착은 화학기상증착(CVD)에 의하며, 식각은 반응성 이온 에칭(RIE)에 의한다.

이어, 개구(35)를 통해 노출된 N형실리콘기판(31)의 중앙부에 P형물질(P type dopant)을 투입하여 P형실리콘층(37)을 형성한다.

도 4b를 참조하면, P형실리콘층(37)의 상부를 소정 두께로 다공층(38)을 형성한다. 여기서, 다공층(38)은 (실시 예 1)의 도 3d와 동일한 원리로 형성되며, 그에 대한 설명은 앞서의 설명으로 대신한다.

도 4c를 참조하면, 다공층(38)이 형성된 P형실리콘층(37)의 하부영역을 전기 화학적으로 폴리싱하여 캐비티(33)를 형성한다, 여기서, 캐비티(33)는 도 3e와 동일한 원리로 형성되므로 이 또한, 앞서의 설명으로 대신한다.

도 4d를 참조하면, 마스크층(35)을 제거한 후 멤브레인층(39)을 형성하고, 이 과정에서 캐비티(34)가 밀봉된다. 멤브레인층(39)은 실시예 1과 마찬가지로 절연성 재질로 형성함이 바람직하며, 예컨대, 산화막, 실리콘질화막, 폴리실리콘(Poly-Si)막으로 형성할 수 있다. 여기서, 산화막 형성 과정은 도 3f의 설명으로 대신한다.

도 4e를 참조하면, 멤브레인층(39)의 상측에 구조체(12)를 형성한다.

상술한 실시 예 2에 의하면, 실시 예 1에서 실리콘다공층(9) 및 캐비티(4)가 형성될 영역을 제한하기 위한 배리어(5)를 형성시키는 공정(트렌치(1a) 형성 공정, 산화막(3)을 증착하고 제거하는 공정)을 제거할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 제조 공정 단계를 줄일 수 있다.

상술한 설명들에 있어서, 구조체(12)를 공진기를 예로 들어 설명하였으나, 그에 한정된 것은 아니며, 각종 미소 소자 예컨대, 압력센서(pressure sensor), 액튜에이터(actuator)등으로 적용될 수 있으며, 한쪽 단만 지지되는 외팔보(cantilever) 형태 또는 유체채널(fluidic channel)등에 역시 적용될 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 상술한 실시 예1을 기초로 하여 외팔보구조체가 멤브레인층상에 형성되는 과정을 도시한 도면들이다, 여기서, 외팔보구조체는 상술한 실시예 1의 제조 과정을 기초로 하여 형성되는 것이므로, 실시 예1과 중복되는 부분에 대해서는 동일부호를 명기하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

기판(1)상에 캐비티(4)를 형성하고, 멤브레인층(11)을 밀봉하기 까지의 공정은 도 3a 내지 도 3f의 공정 순서에 따라 동일하게 형성한다.

이후, 도 5a에 도시된 바와 같이 멤브레인층(11)의 상면에 외팔보구조체층을 형성한 후 외팔보구조체(50)형상으로 패터닝한다. 도면에서, 부호(61)는 외팔보구조체(50)를 형성하기 위한 마스크층(61)으로서, 예컨대, 포토레지스트(photoresist)로 형성된다.

다음, 도 5b에 도시된 바와 같이 멤브레인층(11)을 제거하여 외팔보구조체(50)의 일단이 캐비티(4)상에 부유하게 된다. 여기서, 멤브레인층(11)이 산화막일 경우 건식 식각의 일종인 기상 불산 식각(vapor phase HF etching)으로 제거 가능하다.

이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이 마스크층(61)인 포토레지트층을 제거하여 외팔보구조체(50)를 완성한다.

도 6a 내지 도 6c는 상술한 실시 예1을 기초로 하여 외팔보구조체가 다공층상에 형성되는 과정을 도시한 도면들이다,

도 6a 내지 도 6c는 다공층(9)상에 직접 외팔보구조체(53)를 형성한 것으로서, 그 외팔보구조체(50)를 형성하는 과정은 멤브레인층(11)을 형성하는 과정만 빠지고, 상술한 도 5a 내지 도 5c의 과정과 유사하다. 한편, 도 5a 내지 도 5와의 차이점은 다공층(9)을 제거하기 위해서 등방성 식각을 행하는 것이 다르다.

도 7a 및 도 7c는 상술한 실시 예2를 기초로 하여 외팔보구조체(50)가 형성되는 과정을 도시한 도면들로서, 멤브레인층(39)상에 외팔보구조체(50)가 형성되는 예를 도시한 도면이다. 여기서, 외팔보구조체(50)는 상술한 실시예 2의 제조 과정을 기초로 하여 형성되는 것이므로, 실시 예2와 중복되는 부분에 대해서는 동일부호를 명기하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

멤브레인층(39)이 형성되기까지의 과정은 도 4a 내지 도 4d의 과정을 따른다. 이후, 도 7a 내지 도 7c의 외팔보구조체(50) 형성 과정은 상술한 도 5a 내지 도 5c를 통해 설명된 부분과 동일하므로, 앞서의 설명으로 대신한다.

다음, 도 8a 내지 도 8c는 상술한 실시 예2를 기초로 하여 외팔보구조체(50)가 형성되는 과정을 도시한 도면들로서, 다공층(38)상에 외팔보구조체(50)가 형성되는 예를 도시한 도면이다.

기판(31)상에 다공층(38)을 형성하고, 캐비티(33)를 형성하기까지의 공정은 도 4a 내지 도 4c의 공정을 따른다. 이후, 기판(31)상에 형성된 마스크층(35)을 제거한 후 다공층(38)상에 외팔보구조체(50)를 형성한다. 외팔보구조체(50)는 상술한 도 6a 내지 도 6c의 공정을 따른다.

상술한 바와 같이 제조된 외팔보구조체(50)는 STM Probe, AFM Probe등의 저장 장치에 응용될 수 있다.

도 9a 는 실시 예1을 기초로 밀봉된 유체채널이 형성된 예 를 도시한 도면이고, 도 9b는 실시 예 2를 기초로 하여 밀봉된 유체채널이 형성된 예를 도시한 도면이다. 유체채널 역시 상술한 실시예 1과, 실시 예 2의 제조 과정을 기초로 하여 형성되는 것이므로, 실시 예1과 실시 예2와 중복되는 부분에 대해서는 동일부호를 명기하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 먼저, 도 3a 내지 도 3f의 과정 또는 도 4a 내지 도 4d에 따라 기판(1,31)상에 캐비티(4,33)를 형성하고, 캐비티(4,33)를 멤브레인층(11,39)층으로 밀봉된 상태로 제공한다. 이후, 다공층(9,38)을 포함하는 멤브레인층(11,39)에 적어도 하나의 인렛홀(11a,39a) 및 적어도 하나의 아웃렛홀(11b,39b)을 형성한다.

BIO MEMS등에 사용되는 밀봉된 유체채널의 일반적인 제조공정은 기판에 유체 의 통로인 트렌치를 형성하고, 채널을 밀봉하기 위하여 다른 기판을 위쪽에 접합시키는 과정을 포함한다, 또는 채널을 습식식각을 통한 언더 컷(undrcut) 현상을 이용하여 형성하는 경우에는 박막 증착을 통하여 채널을 밀봉한다. 이와 같이 종래에는 유체 채널을 제조하기 위한 공정이 번거로운 문제점이 있었다.

본 발명에 의한 유체채널은 상술한 종래의 기술과 비교하면 보다 간단하게 형성될 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 MEMS 구조체, 외팔보형태의 MEMS 구조체, 유체채널 제조 방법에 의하면, 구조체 제작전에 미리 캐비티를 형성하고, 캐비티를 실링하는 멤브레인층을 형성함으로써, 희생층을 형성하고 제거하는 불필요한 공정을 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한, 희생층 제거 공정이 삭제되므로 희생층제거 시 필요했던 구조체 보호 장치가 필요하지 않으며, 희생층 제거 동작시 발생될 수 있는 구조체 파손 문제를 해소시킬 수 있다.

또한, 새로운 개념의 MEMS 소자 설계가 가능하게 된다.

이와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계;

상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계;

상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계;

상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계;

상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계;

상기 캐비티의 상부를 멤브레인층으로 실링하는 단계; 및

상기 멤브레인층의 상측에 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 트렌치 형성은 딥 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 산화막 형성은 상기 실리콘기판을 고온 산화 처리 (thermal oxidation)하거나, 박막증착(deposition)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 트렌치에 매립된 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계에서, 상기 산화막제거는 화학기계적연마(CMP : Chemical Mechenical Polishing)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 마스크층은 실리콘질화막(SiN)막으로 형성되고, 상기 실리콘질화막은 화학기상증착(CVP)에 의해 증착되고, 식각은 반응성 이온 에칭(RIE)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 다공층 형성은 상기 P형실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기 화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값(critical current value)보다 낮은 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 캐비티 형성은 상기 P형실리콘기판을 화학용액에 담 근 후 전기 화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값보다 큰 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 멤브레인층은 절연성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 멤브레인층은 산화막(SiO₂),실리콘질화막(Si₃N₄), 폴리실리콘막(poly silicon)중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 산화막은 열처리에 의해 형성되거나, 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 화학적기상증착 (CVD : Chemical Vapor Deposition)으로 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 실리콘질화막은 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 CVD로 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 폴리실리콘막은 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 CVD 또는 PVD로 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계;

상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계;

상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계;

상기 캐비티의 상부를 멤브레인층으로 밀봉하는 단계; 및

상기 멤브레인층의 상측에 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 마스크층은 실리콘질화물로 형성되고, 그 증착은 CVD에 의하고, 그 식각은 반응성 이온 에칭(RIE)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 다공층은 상기 실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기 화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값(critical current value)보다 낮은 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 캐비티 형성은 상기 실리콘기판을 화학용액에 담근 후 전기 화학적으로 처리하는 것으로, 임계전류값보다 큰 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 멤브레인층은 절연성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 멤브레인층은 산화막(SiO₂), 실리콘질화막(Si₃N₄), 폴리실리콘막중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 18항에 있어서, 상기 폴리실리콘막은 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 CVD 또는 PVD로 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 산화막은 고온산화처리에 의해 형성되거나, 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박막증착은 화학적기상증착 (CVD : Chemical Vapor Deposition)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 실리콘질화막은 박막증착에 의해 형성되고, 상기 박 막증착은 CVD로 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 P형물질 도핑은 이온주입(ion implantation) 또는 서멀디퓨전(thermal diffusion)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조체 제조방법.
P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계;

상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계;

상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계;

상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계;

상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계;

상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계;

상기 멤브레인층의 상측에 외팔보구조체층을 형성하고 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및

상기 다공층을 포함하는 멤브레인층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법.
P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계;

상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계;

상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계;

상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계;

상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계;

상기 기판 및 상기 다공층상에 외팔보구조체층을 형성하고 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및

상기 다공층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법.
N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계;

상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계;

상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계;

상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계;

상기 멤브레인층의 상측에 외팔보구조체층을 형성한 후 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및

상기 다공층을 포함하는 멤브레인층을 식각하여 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법.
N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계;

상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계;

상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계;

상기 기판 및 상기 다공층상측에 외팔보구조체층을 형성하는 외팔보구조체 형상으로 패터닝하는 단계; 및

상기 다공층을 식각하여 상기 외팔보구조체를 상기 외팔보구조체의 일단이 상기 캐비티상에 부유하도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외팔보 형태의 MEMS 구조체 제조 방법.
P형실리콘기판상에 트렌치를 형성하는 단계;

상기 트렌치를 매립하여 배리어를 형성하도록 상기 기판상에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계;

상기 트렌치에 매립된 상기 배리어를 제외한 상기 기판상에 형성된 산화막을 제거하는 단계;

상기 산화막이 제거된 상기 기판상에 마스크층을 형성하고, 상기 배리어의 내부에 해당하는 부분을 제거하는 단계;

상기 배리어의 내부에 해당하는 상기 기판 상부에 소정 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 상기 기판을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 배리어의 외부에 형성된 상기 마스크층을 제거하는 단계;

상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계;

상기 다공층 및 상기 멤브레인층에 유체가 유입되는 적어도 하나의 인렛홀 및 유체가 토출되는 적어도 하나의 아웃렛홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉된 유체채널 제조 방법.
N형실리콘기판상에 캐비티 형성을 위한 마스크층을 증착하고, 캐비티가 형성될 영역을 제거하는 단계;

상기 마스크층이 제거된 상기 기판상에 P형 물질을 도핑하여 P형실리콘층을 형성하는 단계;

상기 P형실리콘층의 상부에 소정의 두께로 다공층을 형성하는 단계;

상기 다공층 하부 영역에 해당하는 P형실리콘층을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계;

상기 기판상에 형성된 마스크층을 제거하는 단계;

상기 기판 및 상기 다공층상에 멤브레인층을 형성하는 단계;

상기 다공층 및 멤브레인층에 유체가 유입되는 적어도 하나의 인렛홀 및 유체가 토출되는 적어도 하나의 아웃렛홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉된 유체채널 제조 방법.