KR20100028541A - 박층 캡을 구비한 마이크로메카닉 부품 - Google Patents

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KR20100028541A
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 기판(3)과, 기판(3) 위에 놓이는 마이크로메카닉 기능성 층(1)과, 기능성 층(1) 위에 놓이는 캡층(50)을 포함하는 마이크로메카닉 부품 및 마이크로메카닉 부품의 제조 방법에 관한 것이며, 캡층(50)은 적어도 하나의 홈(52)을 포함하고, 홈(52)은 적어도 하나의 전기적으로 절연된 연결 브릿지(54)를 통해 가교 연결된다.
기판, 마이크로메카닉 부품, 기능성 층, 캡층, 연결 브릿지.

Description

박층 캡을 구비한 마이크로메카닉 부품 및 마이크로메카닉 부품의 제조 방법 {MICROMECHANICAL COMPONENT AND METHOD FOR PRODUCING A MICROMECHANICAL COMPONENT HAVING A THIN LAYER CAP}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 마이크로메카닉 부품에 관한 것이다.
이러한 마이크로메카닉 부품은 일반적으로 공지되어 있다. 예를 들어 EP1274648B1 문헌에는 마이크로메카닉 부품 및 마이크로메카닉 부품의 제조방법이 공지되어 있으며, 이 마이크로메카닉 부품은 가동성 구조부와 연결된 구조부를 갖는 기능성 평면은 포함하고, 상기 연결된 구조부는 홈과 상기 홈을 채우는 산화물 플러그(Oxide plug)에 의해 서로 분리되어 있다. 본 방법은 기능성 층의 형성 단계로 시작되어, 홈을 관통하는 희생층(sacrificial layer)의 에칭 단계로 이어지고, 산화물 플러그를 통해 홈을 폐쇄하는 단계로 종결된다. 기능성 표면의 가동성 및 결합성 구조부의 접촉을 위한 도체 트랙 평면은 기능성 평면 아래에 형성되며, 이로 인해 복잡하고 비용이 집중되는 여러 프로세스 단계를 필요로 한다.
본 발명의 마이크로메카닉 부품 및 종속항에 정리된 본 발명의 마이크로메카닉 부품의 제조 방법은, 종래기술에 비하여 현저하게 작은 수의 프로세스 단계로 마이크로메카닉 부품, 특히 센서 및 액추에이터를 제조할 수 있는 이점을 갖는다. 마이크로메카닉 부품에 대한 캡 형성을 통해 필요한 프로세스 단계를 감소시키는 것은 캡층을 통해 달성되며, 특히 전기적으로 절연되는 캡층 요소를 형성하도록 캡층이 적어도 하나의 홈을 포함하는 박층 캡을 통해 달성된다. 캡층 요소는 필요한 경우 기능성 층 및 상측 금속층에 접촉된다. 이로써, 캡층 요소 그 자체가 도체 트랙으로 이용되며, 상측 금속층에 도체 트랙 평면을 가능하게 한다. 기능성 층 아래의 도체 트랙 및 도체 트랙 평면을 제조하기 위한 복잡하고 비용이 집중되는 프로세스 단계들은 생략된다. 바람직하게 캡층 요소는 적어도 하나의 홈에 의해 완전히 둘러싸이게 된다. 캡층 요소의 기계적인 연결을 위해서는 적어도 하나의 전기적으로 절연된 연결 브릿지가 제공되며, 바람직하게 연결 브릿지 및 캡층은 캡층의 도포 시형성 시로 연결되어 있다. 캡층 요소의 안정적인 기계적 고정에 의해, 특히 캡층 요소와, 기능성 층에 고정부를 포함하지 않는 기능성 층의 구조부 사이에 연결이 가능해지는데, 이는 위 경우에 캡층 요소가 상기 구조부의 고정부로 기능함과 동시에 상기 구조부의 전기적인 접촉을 위한 도체 트랙으로 기능하기 때문에 가능하다.
바람직한 개선예에 따르면, 홈의 홈벽의 표면 법선은, 기판의 주연장평면의 수직 방향에 대하여 적어도 두 개의 상이한 각을 포함한다. 이러한 프로파일에 의해 연결 브릿지는 연결 브릿지의 확장이 주연장평면의 수직 방향에 대해 변화할 수 있고 요구되는 절연 정도 및 기계적 부하 수용 능력에 대응하여 적합하게 매칭될 수 있게 된다. 특히, 감소된 연장부를 갖는 연결 브릿지가 캡층 두께부로서 제공된다.
본 발명의 또 다른 대상은 마이크로메카닉 부품의 제조 방법이며, 이 제조 방법의 제1 단계에서는 제1 절연층과 기능성 층을 갖는 기판이 제공되고, 바람직하게는 SOI-웨이퍼(SOI-Wafer)가 제공되며, 본 방법의 제2 단계에서는 기능성 층이 바람직하게는 공지된 홈-프로세스(Trench-Process), 특히 바람직하게는 보쉬(Bosch) 또는 드리(DRIE) 프로세스를 통해 구조화되며, 본 방법의 제3 단계에서는 제2 절연층이 도포되고, 본 방법의 제4 단계에서는 제2 절연층이 구조화되고, 본 방법의 제5 단계에서는 캡층, 특히 실리콘 박층이 도포되고, 본 방법의 제6 단계에서는 캡층에 적어도 하나의 홈이 제공되고, 홈 형성 시에는 캡층의 적어도 하나의 연결 브릿지가 홈의 연결을 위해 남겨지게 된다. 이를 통해, 도체 트랙으로 기능함과 동시에 기계적으로 고정되는 캡층 요소가 형성된다. 더 나아가, 홈을 통해서는 마이크로메카닉 부품의 기능성 층으로의 접근경로가 형성되어, 이후의 단계에서 캡층 및/또는 기능성 층의 에칭 공정 및/또는 산화 공정이 가능하게 된다. 특히, 캡층의 도핑 및/또는 템퍼링(tempering)이 제공된다. 절연층은 바람직하게는 인접하는 층을 전기적 및 공간적으로 분리시키도록 작용하며, 또한 특히 바람직하게는 보호층 및 희생층으로 작용한다.
바람직한 개선예에 따르면, 본 방법의 제6 단계에 이어지는 본 방법의 제7 단계에서 제1 절연층 및/또는 제2 절연층이 에칭 재료에 의해 홈을 통과하여 에칭된다. 에칭에 의해 기능성 평면에는 특히 가동성 구조부가 형성된다. 연결 브릿지에 의해 캡층 요소를 기계적으로 고정시킴으로써, 기능성 층에 고정되지 않고 단지 캡층 요소로의 연결부만 포함하고 캡층 요소에 의해 접촉되는 기능성 층의 요소들의 언더커팅이 가능해진다. 이러한 구조부들은 특히 전극으로 기능한다.
또 다른 바람직한 개선예에 따르면, 본 방법의 제7 단계에 이어지는 본 방법의 제8 단계에서는 산화 공정, 바람직하게는 열적 산화 공정이 수행되며, 이 단계에서는 특히 캡층을 폐쇄하는 제3 절연층의 형성 및/또는 연결 브릿지의 전기 전도성을 감소시키기 위한 산화가 수행된다. 바람직하게는 캡층의 폐쇄가 두 개의 연속적인 부분 공정 단계로 나뉘며, 첫 번째 단계에서는 적어도 하나의 연결 브릿지의 열적 산화가 이루어져서 특히 홈의 일부가 폐쇄되며, 두 번째 단계에서는 홈 및/또는 홈의 부분 영역이 완전하게 폐쇄되도록 산화가 이루어진다. 마이크로메카닉 부품의 가압 영역이 산화 공정에서 조절 가능하다는 장점이 있다.
또 다른 바람직한 개선예에 따르면, 본 방법의 제8 단계에 이어지는 본 방법의 제9 단계에서는 제3 절연층의 구조화가 진행되고, 이어지는 본 방법의 제10 단계에서는 도체 트랙, 바람직하게는 금속제의 도체 트랙이 제3 절연층에 도포되며, 이를 통해 캡층 요소가 도체 트랙에 의해 접촉된다. 캡층 요소의 접촉에 의해 캡층 요소는 도체 트랙으로 작용하며, 캡층 상의 도체 트랙 평면을 가능하게 한다. 절연된 캡층 요소의 가능한 접촉에 의해, 특히 금속평면에서 전기적으로 분리된 두 개의 금속 도체 트랙을 교차시킬 수 있다.
또 다른 바람직한 개선예에 따르면, 본 방법의 제10 단계에 이어지는 본 방법의 제11 단계에서는 보호평면이 도포되고 구조화되며, 보호평면은 바람직하게 폴리이미드로 이루어진다. 보호평면은 마이크로메카닉 부품의 응력 민감도를 최소화시키며, 특히 이어지는 패킹 공정에서 응력 민감도를 최소화시킨다.
또 다른 바람직한 개선예에 따르면, 본 방법의 제6 단계에서, 홈의 홈벽의 표면 법선은, 기판의 주연장평면의 수직 방향에 대하여 적어도 두 개의 상이한 각을 갖도록 제공된다. 바람직하게는, 홈은 처음에는 큰 에지손실 그리고 이후에는 작은 에지손실을 수반하면서 수행되는 홈-프로세스에 의해 형성되어 연결 브릿지가 언더커팅되도록 한다. 이러한 프로파일에 의해 연결 브릿지는 연결 브릿지의 확장이 주연장평면의 수직 방향에 대해 변화할 수 있고 요구되는 절연 정도 및 기계적 부하 수용 능력에 대응하여 적합하게 매칭될 수 있게 된다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되며, 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
도1a 내지 도1k는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로메카닉 부품의 제조를 위한 제조 단계의 개략도를 도시한다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로메카닉 부품의 개략도를 도시한다.
도3a 및 도3c는 제1 또는 제2 실시예에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품의 일부 요소의 개략적인 평면도를 각각 도시한다. 도3b 및 도3d는 각각의 평면도에 개략적으로 표시되어 있는 단면에서 동일한 일부 요소의 개략적인 측면도를 도시한다.
도4a 내지 도4c는 제1 또는 제2 실시예에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품의 일부 영역의 상이한 변형례를 도시한다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로메카닉 부품의 평면도를 도시한다.
상이한 도면에서 동일한 부분은 동일한 도면부호로 지정되며, 따라서 일반적으로 각각 한 번만 표시된다.
제1 실시예에 따른 마이크로메카닉 부품의 제조를 위한 본 발명의 방법을 도시하기 위해, 도1a 내지 도1k에는 마이크로메카닉 부품의 복수의 예비 구조부를 이용하여 마이크로메카닉 부품의 제조 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 도1a에는 기판(3)을 갖는 제1 예비 구조부가 도시되며, 특히 실리콘 기판인 상기 기판(3)에는, 하나의 제1 절연층(2)과, 제1 절연층(2) 위에 놓이는 바람직하게는 하나의 에피-Si-폴리(Epi-Si-Poly)층 또는 Si-폴리(Si-Poly)층인 기능성 층(1)이 제공되며, 특히 상기 기능성 층(1)의 평탄화를 위한 공정이 제공된다. 도1b에는 본 방법의 제2 단계를 도시하기 위해 제2 예비 구조부가 도시되며, 이 단계에서는 기능성 층(1)에서 가동성부(32) 및 공동부(30)를 형성하도록 기능성 층(1)이 구조화된다. 도1c에는 본 방법의 제3 단계가 제3 예비 구조부를 이용하여 도시되며, 이 단계에서는 특히 산화층인 제2 절연층(40)이 도포되고, 바람직하게 상기 제2 절연층(40)의 평탄화가 진행된다. 도1d에는 제4 단계를 도시하기 위한 예비 구조부가 도시되며, 이 단계에서는 시간적으로 이후에 진행되는 에칭 과정에 대해 바람직하게 제2 절연층(40)의 일부가 저항성을 갖도록 제2 절연층(40)이 구조화된다. 도1e에는 제5 예비 구조부에 의해 본 발명의 제5 단계가 도시되며, 이 단계에서는 바람직하게 에피택시 방법을 이용하여 특히 실리콘 박층 캡인 캡층(50)이 도포된다. 도1f에는 제6 예비 구조부를 이용하여 이어지는 제6 단계가 도시되며, 이 단계에서는 캡층이 바람직하게는 홈-프로세스에 의해 구조화되어, 적어도 하나의 홈(52)이 생성되고, 캡층(50)의 적어도 하나의 연결 브릿지(54)가 홈(52)을 연결하기 위해 구조화 프로세스에서 남겨지게 된다. 연결 브릿지(54)의 형성은 특히 홈(52)를 위한 홈-프로세스에 의해 진행되며, 처음에는 작은 에지손실로 시작되고 이어서 보다 큰 에지손실이 제공되어, 연결 브릿지가 언더커팅되고 캡층의 일부에 대해서만 형성된다. 특히 캡층 요소(50')는 적어도 하나의 홈(52)에 의해 전체적으로 둘러싸이도록 제공된다. 도1g에는 제7 예비 구조부에 의해 본 방법의 제7 단계가 도시되며, 이 단계에서는 제1 절연층(2) 및/또는 제2 절연층(40)에 대한 희생층 에칭이 수행되고, 바람직하게는 에칭 재료가 홈(52)을 관통하여 절연층(2, 40)들에 안내되어, 특히 바람직하게는 기능성 평면(1)에 가동성 구조부(32)가 형성된다. 도1h에는 제8 예비 구조부에 의해 본 방법의 제8 단계가 도시되며, 이 단계에서는 산화 공정, 바람직하게는 열적 산화 공정이 수행되어, 상기 공정은 연결 브릿지(54)의 전기 전도성을 감소시키고 특히 제3 절연층(60)에 의해 캡층(50)의 연결부를 형성한다. 이를 통해, 캡층(50) 상부면의 산화율은, 산화 공정시에 가스 흐름이 보다 적은 캡층(50)의 내부 및/또는 기능성 층(1)의 내부에 비해 더 높게 형성된다. 도1i에는 제9 예비 구조부에 의해 본 방법의 제9 단계가 도시되며, 이 단계에서는 제3 절연층(60)이 구조화된다. 도1j에는 제10 예비 구조부에 의해, 특히 금속으로 되어 있는 도체 트랙(76)을 제3 절연층(60) 위에 형성하는 제10 단계가 도시되며, 이 단계 에서는 특히 캡층 요소(50')가 도체 트랙(76)에 의해 접촉되어, 도체 트랙(76)과 함께 전기 전도성 연결부를 형성한다. 도1k에는 제1 실시예에 따른 본 발명의 부품의 예시적인 구조부에 의해 본 방법의 제11 단계가 도시되며, 이 단계에서는 마이크로메카닉 부품의 상부면에 보호 평면(80)이 바람직하게는 폴리이미드로 형성되어, 마이크로메카닉 부품의 응력 민감도를 감소시킨다.
도2에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로메카닉 부품의 예시적인 구조가 도시되어 있으나, 이는 기본적으로는 제1 실시예에 따른 마이크로메카닉 부품의 구조(도1k)에 기초한다. 따라서, 이하에서는 제1 실시예에 비하여 본 발명의 제2 실시예가 갖는 특징들에 대해서만 상세하게 기술한다. 제2 실시예에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품은 도1k에 도시된 제1 실시예에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품이 갖는 캡층 요소(50')를 캡층(50) 내에 가지나, 제2 실시예에 따른 캡층 요소(50')는 구조부(90)에 의해 기능성 층에 기계적으로 안정적으로 연결되어 있으며, 이러한 구조부(90)는 기계적인 고정부를 포함하지 않는 제1 실시예(도1k)에 따른 마이크로메카닉 부품과 차이가 있다. 캡층 요소는 도체 트랙(76)과 전기 전도성 접촉을 이루며, 캡층 요소(50')는 연결 브릿지(54)를 통해 기계적으로 고정된다. 위와 같은 구조는 본 발명에 따른 홈(52)과 연결 브릿지(54)를 통해 실현되며, 연결 브릿지(54)는 한편으로는 캡층 요소(50')의 기계적 고정을 가능하게 하며, 다른 한편으로는 에칭 허용부로서 홈 개구를 형성한다. 또한, 연결 브릿지(54)의 적어도 일부의 산화를 통해, 캡층 요소(50')를 캡층(50)으로부터 전기적으로 절연시키게 된다.
도3a 및 도3c는 제1 실시예(도1k) 또는 제2 실시예(도2)에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품의 일부 요소의 개략적인 평면도를 각각 예시적으로 도시하며, 도3b 및 도3d는 각각 해당하는 평면도에 개략적으로 표시되어 있는 단면(120, 120')에 따른 동일한 일부 요소의 개략적인 측면도를 도시한다. 도3a에는 캡층(50)으로부터 홈(52)에 의해 이격되고 연결 브릿지(54)에 의해 기계적으로 고정되어 있는 캡층 요소(50')를 포함하는 캡층(50)의 평면도가 도시된다. 단면선(120)은, 홈(52)에 의해 캡층(50)으로부터 이격되어 있는 캡층 요소(50')를 갖는 캡층(50)을 도시하는 도3b에 도시된 구조의 단면을 나타낸다. 도3a의 평면도에서 단면선(120)이 연결 브릿지(54)를 절단하기 때문에, 도3b의 단면도에도 연결 브릿지(54)가 도시된다. 도3c에는 동일한 마이크로메카닉 부품의 부분 영역의 평면도가 동일하게 도시되며, 이 도면은 연결 브릿지(54)를 절단하지 않는 단면선(120')을 포함한다. 도3d는, 도3c에 도시된 동일한 구조의 단면선(120')에 따른 단면도를 도시하며, 여기에는 연결 브릿지(54)가 도시되지 않고, 홈(52)이 캡층 두께 전체에 걸쳐 연장된다.
도4a 내지 도4c는 제1 실시예 또는 제2 실시예(도1k, 도2)에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품의 일부 영역의 다양한 변형례를 도시한다. 도4a 내지 도4c에는 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품의 캡층(50)의 예시적인 홈의 홈벽(160 내지 168)들이 도시되며, 홈 벽들은 언더커팅되어, 홈 벽들의 표면 법선은 홈-프로세스 이후에 주연장평면(3')의 수직 방향에 대하여 각각 도4a에 도시된 개략도에서는 정확하게 하나의 각, 도4b에 도시된 개략도에서는 복수의 각, 또는 도4c에 도시된 개략도에서는 두 개의 각을 포함한다. 이를 통해, 각각 요구에 따른 전기적 절연 정도 및/또는 기계적 연결강도에 따라 상이한 프로파일이 연결 브릿지(54)들에 제공될 수 있다.
도5에는 다른 실시예에 따른 본 발명의 마이크로메카닉 부품이 개략적으로 도시되며, 캡층(50), 그리고 전기적으로 절연되고 연결 브릿지(54)를 통해 기계적으로 고정되는 캡층 요소(50')가 도시된다. 캡층 요소(50')는 기능성 평면(1)에 배치된, 바람직하게는 전극으로 기능하는 구조로 이어지는 도체 트랙 및/또는 기계적 고정 요소를 형성한다.

Claims (11)

  1. 기판(3)과, 기판(3) 위에 놓이는 마이크로메카닉 기능성 층(1)과, 기능성 층(1) 위에 놓이는 캡층(50)을 포함하는 마이크로메카닉 부품이며,
    캡층(50)은 적어도 하나의 홈(52)을 포함하는, 마이크로메카닉 부품에 있어서,
    홈(52)의 가교 연결은 적어도 하나의 전기적으로 절연된 연결 브릿지(54)를 통해 제공되는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품.
  2. 제1항에 있어서, 홈(52)에 인접한 캡층 요소(50')들은 연결 브릿지(54)에 의한 견고한 기계적 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 캡층 요소(50)는 적어도 하나의 홈(52)에 의해 완전히 둘러싸이는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 홈(52)의 홈벽(166, 168)의 표면 법선은 기판(3)의 주연장평면(3')의 수직 방향에 대하여 적어도 두 개의 상이한 각을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 마이크로메카닉 부품을 제조하는 방 법에 있어서,
    기판(3)에 제1 절연층(2)과 기능성 층(1)이 제공되는 제1 단계와, 기능성 층(1)이 구조화되는 제2 단계와, 제2 절연층(40)이 도포되는 제3 단계와, 제2 절연층(40)이 구조화되는 제4 단계와, 캡층(50)이 도포되는 제5 단계와, 캡층(50)에 적어도 하나의 홈(52)이 제공되고 홈(52)의 가교 연결을 위해 캡층(50)의 적어도 하나의 연결 브릿지(54)가 남겨지는 제6 단계를 포함하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 이어지는 단계로 제1 절연층(2) 및/또는 제2 절연층(40)이 에칭 재료에 의해 홈(52)을 통과하여 에칭되는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 이어지는 단계로 특히 제3 절연층(60)이 형성되고 그리고/또는 연결 브릿지(54)가 산화되는 산화 공정이 수행되는 제8 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 이어지는 단계로 제3 절연층(60)이 구조화되는 제9 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 이어지는 단계로 제3 절연층(60) 에 도체 트랙(76)이 도포되고, 특히 캡층 요소(50')가 도체 트랙(76)에 의해 접촉(62)되는 제10 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 폴리이미드로 이루어지는 보호 평면(80)이 도포되고 구조화되는 제11 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제6 단계에서는 홈(52)의 홈 벽(166, 168)의 표면 법선이, 기판(3)의 주연장평면(3')의 수직 방향에 대하여 적어도 두 개의 상이한 각을 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로메카닉 부품의 제조 방법.
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