KR20120039559A - Ｍｅｍｓ 전기적 접점을 위한 기계적 격리 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서, MEMS 기판은 MEMS 장치를 지지하도록 구성된 중앙 평면형 부분과, 중앙 평면형 부분과 공면을 이루는 제1 전기적 패드를 포함하고, 제1 패드는 제1 굴곡부를 통해 중앙 평면형 부분에 연결되며, 제1 굴곡부는 중앙 평면형 부분으로부터 제1 전기적 패드를 실질적으로 기계적으로 격리시키도록 구성된다.

Description

ＭＥＭＳ 전기적 접점을 위한 기계적 격리{MECHANICAL ISOLATION FOR MEMS ELECTRICAL CONTACTS}

본 특허 출원은 2009년 5월 29일자에 출원된 미국 가특허 출원 제61/182,292호를 우선권 주장한다. 이 가특허 출원의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

본 출원은 일반적으로 마이크로전자기계 시스템(MEMS)에 관한 것이다. 본 출원은 더 구체적으로 MEMS 전기적 접점의 기계적 고립을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

MEMS는 대응하는 소형 기계를 제작하기 위해 소형화된 기계적 및 전기적 장치를 조합한다. MEMS 제작은 집적 회로 기술에 관한 반도체 제조 공정에서 수행되는 매시브 디벨롭먼트(massive development)를 기준으로 하고 이를 이용한다. 따라서, 정밀 허용오차에 따라 이러한 소형 기계를 제조함으로써 존재하는 곤란함에도 불구하고, MEMS 장치는 대량으로 상대적으로 경제적으로 제조될 수 있다.

MEMS 기술의 성장하는 응용예는 셀 폰(cell phone)과 같은 응용에 대한 소형 카메라이다. 초기에, 셀 폰 카메라는 전형적으로 이러한 고정 초점 플라스틱 렌즈 조립체와 같이 꽤 허술한 물건이었다. 더 우수한 광학적 충실도(optical fidelity)는 연계된 이미지 센서의 해상도가 상대적으로 빈약하기 때문에 불필요하다. 그러나, 셀 폰 카메라가 고-해당도(다중-메가픽셀) 이미징 센서를 갖는 것은 현재에는 통상적이다. 이러한 픽셀 해상도에 따라 구현될 수 있는 이미지 충실도를 이용하기 위하여, 자동초점 모듈과 오토-셔터 능력을 제공하는 MEMS 카메라 모듈이 개발되었다. 고-충실도 광학장치는 이의 내용이 본원에 참고로 인용된 공동-양도된 미국 특허 7,477,842호에 개시된 바와 같이 MEMS 디벨롭먼트에 의해 용이하게 구현되는 광로(light path) 내에서 렌즈와 그 외의 다른 요소의 정렬에 대해 상당한 정밀도를 요한다.

카메라 모듈과 같은 MEMS 장치는 전형적으로 일부 종류의 기판 또는 기저에 장착된다. 그러나 전술된 바와 같이, 광학 모듈은 이의 구조에 있어서 상당한 정밀도를 요한다. 이 정밀 정렬은 MEMS 마운트로부터의 스트레인이 MEMS 장치 자체에 전달되는 경우에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 통상적인 기저 기판은 MEMS 장치를 형성하기 위해 사용된 실리콘과 같이 반도체에 비해 상이한 열팽창 계수를 갖는 플라스틱이다. 따라서, 온도 변화는 MEMS 장치와 이의 마운팅 기판 사이에 스트레인을 유발할 수 있다.

MEMS 장치에 대한 스트레인의 또 다른 소스는 전원 공급원을 MEMS 장치에 결합하기 위해 사용된 전기적 접촉 기술로부터 기인된다. 예를 들어, MEMS 카메라 모듈은 전원 공급원을 요하는 포커싱 렌즈 또는 그 외의 다른 부품을 구동시키기 위한 정전기 액추에이터를 포함할 수 있다. 이에 관해, MEMS 전기적 접점을 결합하기 위하여 와이어 본딩 또는 그 외의 다른 기술을 사용하는 것이 통상적이다. 와이어는 그 뒤 MEMS 장치에 기계적으로 응력을 가할 수 있다.

따라서, 종래 기술에서는 기계적 응력으로부터 MEMS 장치를 격리시키는 전기적 접점을 갖는 MEMS 장치가 필요하다.

본 발명의 제1 양태에 따라서, 장치는 반도체 기판 및 전기적 접촉에 의해 야기되는 기계적 응력으로부터 기판을 실질적으로 격리시키도록 구성된 굴곡부를 포함한다.

본 발명의 제2 양태에 따라서, MEMS 기판은 MEMS 장치를 지지하도록 구성된 중앙 평면형 부분과, 중앙 평면형 부분과 공면을 이루는 제1 전기적 패드를 포함하고, 제1 패드는 제1 굴곡부를 통해 중앙 평면형 부분에 연결되며, 제1 굴곡부는 중앙 평면형 부분으로부터 제1 전기적 패드를 실질적으로 기계적으로 격리시키도록 구성된다.

본 발명의 제3 양태에 따라서, MEMS 장치는 평면형 표면으로부터 돌출되는 복수의 기저 마운트를 포함하고 평면형 표면을 갖는 마운팅 기판을 포함하며, 복수의 마운트와 중앙 부분을 포함한 평면형 MEMS 기판을 포함하고, 각각의 마운트는 복수의 대응하는 마운트 굴곡부를 통해 중앙 부분으로부터 격리되며, 각각의 마운트는 기저 마운트들 중 대응하는 하나의 기저 마운트와 맞물리도록 구성되며, 평면형 MEMS 기판은 복수의 전기적 패드를 추가로 포함하고, 각각의 패드는 대응하는 패드 굴곡부를 통해 중심 부분으로부터 격리된다.

본 발명은 하기 도면에 따른 상세한 설명으로부터 더 명확히 이해될 것이다.

도 1A는 본 발명에 따르는 키네메틱 지지 형의 예시적인 실시예의 사시도.
도 1B는 또 다른 예시적인 키네메틱 지지 형상의 사시도.
도 2A는 도 1A의 키네메틱 지지 형상의 모노포드 연결 요소의 입면도.
도 2B는 도 1B의 키네메틱 지지 형상의 바이포드 연결 요소의 입면도.
도 3은 본 발명에 따르는 강성 제어 굴곡 시스템 및 부착 부분의 예시적인 실시에의 부분적인 사시도.
도 4는 MEMS 기판 내에 형성되고 이와 공면을 이루는 유사-키네메틱 마운트의 사시도.
도 5는 도 4의 마운트와 맞물리도록 구성된 유사-키네메틱 기저 마운트의 사시도.
도 6은 도 4의 마운트와 맞물린 도 5의 기저 마운트의 사시도.
도 7은 MEMS 기판에 대한 연성-굴곡 전기적 패드의 평면도.
도 8은 도 7의 패드의 사시도.
도 9는 유사-키네메틱 마운트 및 연성-굴곡 전기적 패드를 갖도록 구성된 MEMS 기판의 평면도.
본 발명의 실시예와 이의 장점은 하기 상세한 설명에 따라 가장 잘 이해될 것이다. 동일한 도면부호는 하나 이상의 도면에 예시된 동일한 요소를 나타내는데 사용된다.

상대적으로 강성의 플라스틱 상에 MEMS 장치를 마운팅하는 것은 제조 비용을 낮춰줌과 동시에 견고한 마운팅 기판을 제공한다. 그러나, 그 뒤에 마운팅 기판 및 MEMS 장치에 대한 열 팽창 계수는 상이할 수 있다. 따라서, 온도 변화로 인해 마운팅 기판은 마운팅된 MEMS 장치에 비해 상이한 속도로 팽창 또는 수축될 것이다. 2개의 구조물 간의 팽창 및 수축의 차이는 그 뒤 MEMS 장치에 응력이 가해질 수 있다. 이러한 응력은 MEMS 장치의 전기적 접점에 대한 와이어 본드(wire bond)에 의해 증대될 수 있다. MEMS 장치는 응력의 양 공급원을 경감시키는 것으로 본 명세서에 개시된다. 개시된 MEMS 장치는 마운팅 기판 내에서 임의의 기계적 스트레인을 제거하기 위하여 온도 보상 굴곡 조립체를 통해 마운팅 기판에 연결된다. 추가로 본 명세서에 설명된 바와 같이, 연성-굴곡 전기적 접점은 기계적 응력으로부터 MEMS 장치를 더 격리시킨다.

그 내용이 참조로 인용된, 공동-양도된 미국 특허 제6,674,585호에는 적합한 온도 보상 굴곡 조립체가 개시된다. 굴곡 조립체에 따라 사용자는 마운팅 기판에 대해 MEMS 장치를 배치시킬 수 있다. 이에 대해, 대상물 상에서 임의의 지점의 위치는 통상적인 x, y 및 z 데카르트 좌표계와 같은 적합한 기준 좌표계에 의해 정해진다.

대상물의 자세(attitude)는 그 뒤 기준 좌표계에 대한 3가지의 직교 회전에 대응되고, 예를 들어, 대상물의 자세는 요우(yaw), 피치(pitch) 및 롤 각도(roll angle)를 사용하여 정해질 수 있다. 본 명세서에 개시된 온도 보상 굴곡에 따라 사용자는 마운팅 기판에 대해 MEMS 장치의 위치와 자세를 정밀하게 정할 수 있다.

대상물의 위치 및 자세는 6의 자유도를 형성한다. 예를 들어, 대상물은 1의 자유도(DOF)에 해당되는 x-방향으로 병진운동할 수 있다. y-방향과 z-방향으로의 병진운동은 그 외의 다른 2의 자유도(DOF)에 해당된다. 롤, 피치 및 요우 움직임은 3가지의 나머지 DOFs를 형성할 수 있다.

따라서, 마운팅 기판에 대한 MEMS 장치의 6-DOF-형성 마운팅은 마운팅 기판에 대한 MEMS 장치의 위치 및 자세를 형성한다. MEMS 장치가 위치와 자세가 고정된다면, 마운팅은 6의 DOF의 각각의 하나에서 강성이거나 또는 확고해야 한다. 그러나, 추가 자유도가 또한 대상물에 대해 형성될 수 있다. 예를 들어, 로봇 암은 통상적으로 이의 움직임에 있어서 20 초과의 자유도를 가질 것이다. 따라서, MEMS 마운팅은 6 초과의 자유도에 있어서 강성일 수 있다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, "유사-키네메틱(pseudo-kinematic)" 마운팅은 단지 6의 자유도에 따라 강성이지만 달리 더 연성이고 상대적으로 덜 강성의 자유도를 갖는 것이다. 예를 들어, 유사-키네메틱 마운팅(pseudo kinematic mounting)에 대한 연성 자유도는 더 강성의 6의 DOF보다 2 내지 3 자릿수 정도 덜 강성일 수 있다.

유사-키네메틱 마운팅은 저하 지지(degenerate support)를 제공하도록 6의 DOF보다 덜 강성이도록 개질될 수 있다. 예를 들어, MEMS 구동 스테이지(포커싱 렌즈를 이동시키는 것과 같이)는 단지 5의 자유도로 강성인 마운팅을 통해 기저에 장착될 수 있다. 이 방식으로, 구동 스테이지는 예를 들어, 포커싱의 목적으로 x-방향으로 자유롭게 움직인다. 그러나, 전형적으로 이러한 마운팅은 MEMS 장치 자체가 일반적으로 이의 마운팅 기판에 대해 6의 DOF로 고정되게 장착되는 MEMS 장치에 대해 내재적일 수 있다. 따라서, 하기 기술 내용은 일반성을 잃지 않고 6-DOF 유사-키네메틱을 주안점으로 할 것이다.

유사-키네메틱 마운팅은 키네메틱 마운팅을 참조로 더 잘 이해될 것이다.

키네메틱 마운팅 ( Kinematic Mounting )

키네메틱 마운팅은 단지 6의 DOF를 구속한다. 이제 도면을 참조하면, 도 1A는 키네메틱 지지 형상(10A)의 3-차원도이다. 도 1A의 키네메틱 지지 형상(kinematic support configuration, 10A)은 기저 조립체(12), 페이로드 조립체(14) 및 6개의 모노포드 연결 요소(monopod connecting element, 16A-16F)(본 명세서에서 각각 또는 집합적으로 "모노포드 연결 요소(16)"로 지칭됨)를 포함한다. 일 형상에서, 기저 조립체(12)는 기저 지지 구조물을 포함하고, 페이로드 조립체(14)는 광 섬유, 렌즈 또는 거울과 같은 광학 요소를 보유 또는 정렬시킨다. 기저 조립체(12)는 6개의 모도포드 연결 요소(16A-16F)에 의해 페이로드 조립체(14)에 연결된다.

도 1A의 각각의 모노포드 연결 요소(16)는 도 1A의 키네메틱 지지 형상(10A) 위의 화살표로 도시된 바와 같이 기저 조립체(12)와 페이로드 조립체(14) 간의 1의 자유도를 구속한다. 구속된 DOF는 '강성(stiff) DOF' 또는 구속된 DOF로 지칭될 수 있다. 병진 강성(translational stiffness) 또는 병진 DOF에 대한 연관된 기준 파라미터는 힘이며, 반면 회전 강성 또는 회전 DOF에 대한 연관된 기준 파라미터는 토크이다.

도 1B는 또 다른 키네메틱 지지 형상(10B)의 3-차원도이다. 도 1B의 키네메틱 지지 형상(10B)은 기저 조립체(12), 페이로드 조립체(14) 및 6개의 바이포드 연결 요소(18A-18C)(본 명세서에서 각각 또는 집합적으로 "바이포드 연결 요소(18)"로 지칭됨)를 포함한다. 기저 조립체(12)는 3개의 모도포드 연결 요소(18A-18C)에 의해 페이로드 조립체(14)에 연결된다. 각각의 바이포드 연결 요소(18)는 도 1B의 키네메틱 지지 형상(10B)에 근접한 화살표로 도시된 바와 같이 기저 조립체(12)와 페이로드 조립체(14) 간의 2의 자유도를 구속한다. 일 실시예에서, 키네메틱 지지 형상(1OA, 1OB) 각각은 도 1A, 1B의 화살표로 도시된 바와 같이 6의 독립적인 DOF 내에 기저 조립체(12)와 페이로드 조립체(14) 간의 구조적 경로를 갖는다. 6의 구속 DOF는 일부 광학 정렬 응용에 선호될 수 있다.

도 1A 및 도 1B의 각각의 키네메틱 지지 부 형상(1OA, 1OB)은 각각의 연결 요소(16A-16F, 18A-18C) 정도의 강성을 갖는 장점을 갖지만 기저 조립체(12) 내의 임의의 스트레인 또는 비틀림이 페이로드 조립체(14)에 전달되지 않을 것이다(위치 또는 자세 변화가 발생될 수 있을지라도). 따라서, 페이로드 조립체(14) 내에 정렬된 임의의 감광성 광학 소자는 인가된 로드 또는 벌크 온도 변화가 기저 조립체(12)를 변형시킨다면 영향을 받지 않을 것이다.

유사하게, 페이로드(14)가 성장하거나 또는 수축된다면, 연결 요소(16A-16F, 18A-18C)로 인해 기저 조립체(12)에 전달되는 힘이 없을 것이다. 그러나, 기저(12)와 페이로드(14) 간의 위치 또는 자세 변화는 있을 수 있다. 도 1A 및 도 1B에 도시된 대칭 지지 형상의 경우, 두 몸체(12, 14)들 사이에는 수직 방향만이 변화가 있다. 페이로드(14)는 고정되게 지지될 수 있고, 관성 부하와 같은 환경적 조건의 존재하에서 위치를 유지시킬 수 있다.

기저(12)와 페이로드(14) 사이에 구속된 6 초과의 DOF가 있다면, 기저(12)는 뒤틀리거나 구부려지며, 또한 페이로드(14)를 구부리지 않는 페이로드 위치 및 자세의 해결방법이 없을 것이다. 이 유형의 지지는 "리던던트(redundant)"로 불릴 수 있다.

저하 및 리던던트 지지에 대한 일부 경우에, 2 이상의 연결 요소가 동일한 DOF를 구속할 수 있다. 이는 이들 연결 요소들 중 하나가 제거됨에 따라 기저(12)에 대해 페이로드(14)의 정적 위치에 실질적으로 영향을 미치지 않도록 특정 연결 요소(16, 18)가 동일한 방식으로 페이로드(14)를 구속할 때 발생될 수 있다. 이 경우, 지지는 "리던던트 DOF"를 갖는 것으로 불린다.

도 2A는 도 1A에 도시된 모노포드 연결 요소(16)의 부분적인 입면도이다. 도 2A의 모노포드 연결 요소(16)는 두 단부에서 점 접점(20, 22)으로 기저와 페이로드 조립체(12, 14)를 구속한다.

도 2B는 도 1B의 바이포드 연결 요소(18)의 부분적인 입면도이다. 도 2B의 바이포드 연결 요소(18)는 일 단부에서 하나 이상의(이상적인) 마찰이 없는 점 접점(24A, 24B)과 그 외의 다른 단부에서 2개의 점 접점(26A, 26B)으로 기저와 페이로드 조립체(12, 14)를 구속한다.

각각의 모도포드 및 바이포드 연결 요소(16, 18)에 의해 구속된 DOF는 도 2A 및 도 2B에서 화살표로 지시된다. 6개의 모노포드 연결 요소(16A-16F)는 도 1A에서 화살표로 도시된 바와 같이 기저와 페이로드 조립체(12, 14) 사이에 6의 DOF를 구속할 수 있다. 또한, 3개의 바이포드 연결 요소(18A-18C)는 도 1B에서 화살표로 도시된 바와 같이 기저와 페이로드 조립체(12, 14) 간의 6의 상이한 DOF를 구속할 수 있다.

양 유형의 조인트(즉, 도 2A의 포인트-인-그루브 조인트(point-in-groove joint) 및 도 2B의 서클-인-그루브 조인트(circle-in-groove joint))는 상호호환적으로 사용될 수 있다. 프리로드(preload)는 기저(12), 연결 요소(16 또는 18), 및 도 2A 및 도 2B의 페이로드(14) 간의 접촉을 유지시키는데 사용될 수 있다. 키네메틱 마운팅에 대해 언급하면, 유사-키네메틱 마운팅 내로의 이러한 마운팅의 적합성이 이제 설명될 것이다.

유사- 키네메틱 연결 요소, 굴곡 시스템, 볼 조인트, 부착 지점

도 3은 유사-키네메틱 연결 요소 굴곡 시스템 및 부착 지점(300)의 일 실시예의 부분적인 사시도이다. 일부 응용에서, 낮은 강성을 갖는 적어도 하나의 DOF가 높은 강성을 갖는 DOF보다 2 내지 3 자릿수 낮은 것이 선호될 수 있다. 상이한 수준의 강성을 갖는 DOF가 원치 않은 DOF에서의 강성을 완화시키기 위해 도 3의 굴곡 시스템(300)과 같은 굴곡 시스템을 사용하여 수행될 수 있다.

도 3에서, 유사-키네메틱 연결 요소 굴곡 시스템 및 부착 지점(300)은 몸체(302), 굴곡 시스템(304), 및 부착 부분(306)을 포함한다. 굴곡 시스템(304)은 몸체(302)를 부착 부분(306)에 결합시킨다. 부착 지점(306)과 굴곡 시스템(304)은 평면형 구조의 "볼 조인트", "볼 조인트 굴곡부" 또는 "굽은 볼 조인트"로서 본 명세서에서 집합적으로 지칭될 수 있다. 볼 조인트는 실질적으로 모든 회전에서 상대적으로 연성이고 실질적으로 모든 병진 운동에서 상대적으로 강성인 유용한 유사-키네메틱 구조물이다.

도 3의 부착 부분(306)의 일 실시예는 정합 요소에 고정밀 치수 제어를 제공할 수 있는 정합 표면(접촉 표면)(310A, 310B, 310D, 310E)을 갖는 마운팅 탭(308)을 포함한다. 굴곡 시스템(304)은 바이포드-형 구조물을 형성하는 2개의 굴곡 요소(312, 314)를 포함한다. 각각의 굴곡 요소(312, 314)는 적어도 축방향으로 매우 강성이다. 따라서, 각각의 굴곡 요소(312, 314)는 도 3에 도시된 바와 같이 DOF(316, 318)에서 부착 부분(306)과 몸체(302) 사이에 매우 강성의 연결을 제공한다.

굴곡 시스템의 단면 특성에 따라서, 연결 요소는 강성이 되는 컴플라이언트(또는 "연성") 회전과 연성이 되는 강성 병진운동을 가질 수 있다. 굴곡 요소(312, 314)의 단면 특성은 블레이드 깊이(320), 블레이드 길이(322), 및 블레이드 두께(332)를 포함한다. 굴곡 요소(312, 314)의 블레이드 깊이(320)가 블레이드 길이(322)보다 상당히 얕다면(예를 들어, 1/10 미만), 굴곡 요소(312, 314)에 의한 부착 부분(306)에 대한 몸체(302)의 부착부는 2의 강성 DOF(316, 318)(즉, 바이포드를 형성함) 및 그 외의 다른 상대적으로 연성의 DOF(324, 326, 328, 330)를 가질 수 있다. 따라서, 이러한 6개의 바이포드는 유사-키네메틱 마운팅을 포함한다.

그 외의 다른 응용에서, 굴곡 요소(312, 314)가 상당한 블레이드 깊이(320)를 갖는다면(예를 들어, 블레이드 길이(322)의 대략 1/10보다 큰), 그 뒤 DOF(324)는 상당한 강성을 가지며, 부착부는 볼 조인트의 특성을 갖는다. 회전 DOF(326, 328)는 주요하게 굴곡 블레이드 폭(332)에 의해 제어되는 DOF(330)에 비해 더 강성일 수 있다. 일 실시예에서, DOF(326, 328)는 연성이고 DOF(330)은 DOF(316, 318)에 비해 매우 연성이다.

DOF의 강성(stiffness)은 굴곡 요소(312, 314)의 정확한 단면 특성(블레이드 깊이(320), 길이(322), 및 두께(332))에 상당히 의존된다. "연성" 회전 DOF(326, 328)는 용이하게 더 강성일 수 있으며, "강성" 병진운동(324)은 단면 특성을 변화시킴으로서 더 연성일 수 있다. 블레이드 길이(322)가 블레이드 깊이(320)와 블레이드 두께(332)보다 상당히 크다면(예를 들어, 10 대 1의 비율(그 외의 다른 비율이 사용될 수 있음)), "매우 강성"의 병진운동(316, 318)과 "매우 연성"의 회전(330)이 이 형상의 경우 변화되지 않도록 유지될 것이다.

일 형상에서, 모노포드 연결 요소(도시되지 않음)를 형성하기 위하여 몸체(302)의 양 단부에 볼 조인트를 갖는 것이 선호될 수 있다. 이 형상은 모노포드 연결 요소가 두 몸체 사이에서 단일의 DOF 구속과 같이 작용하도록 하는 적절한 세트의 강성 DOF를 생성할 수 있다. 따라서, 6개의 이러한 모노포드가 유사-키네메틱 마운팅을 포함한다.

유사- 키네메틱 연결 요소에 대한 설계/제조 고려사항

전술된 연결 요소(300)의 정렬 특징부가 모두 공면 선이기 때문에, 원하는 패턴을 갖는 마스크는 패터닝 공정(예를 들어, 리소그래피) 동안 형성될 수 있다. 패터닝 공정은 마스크에 바로 인접한 기판 웨이퍼 면 내에 높은 정밀도에 따라 정렬 특징부를 위치시킬 수 있다.

일부 응용에서, 도 3의 연결 요소(300)에 대해 두 가지의 설계 및 제조 관점을 고려하는 것이 중요할 수 있다. 우선, 정합 특징부를 형성하기 위한 기판 웨이퍼의 마스크 측면 또는 구역은 가장 높은 정밀도를 위해 그 외의 다른 요소의 마스크 측면과 실질적으로 접촉하여야 한다. 예를 들어, 가장 높은 정밀도를 위해, 특징부의 마스크 측면들은 기저 조립체의 상측 표면(예를 들어, 도 1A 및 도 1B의 12)과 페이로드 조립체의 하측 표면(예를 들어, 도 1A 및 도 1B의 14)이여야 한다.

둘째로, 마이크로머시닝 공정(micromachining proces)은 드래프트(draft)(예를 들어, 내측을 향하는 드래프트)로 또는 완벽히 수직한 방식으로 기판 웨이퍼를 통해 에칭(절삭)될 수 있다. 완벽히 수직한 방식으로 기판을 에칭하는 것은 이상적인 경우이다. 드래프팅(drafting)이 발생된다면, 내측을 향하는 드래프트는 마스크 평면으로부터 기판 웨이퍼의 에칭된 측면까지 측정된 예각을 갖도록 하는 것이 요구된다. 기판 웨이퍼의 마스크된 측면에서 접촉을 보장하는 것이 중요할 수 있다. 일 실시예에서, 드래프트의 크기는 마이크로머시닝 공정의 오차 내에서 수직 컷(외측을 향하는 드래프트; 둔각)을 초과하지 않도록 보장하기 위한 충분한 드래프트와 같이 실제적으로 작아야 한다. 예를 들어, 일 형태에서, 드래프트는 각의 절반이다.

내측을 향하는 드래프트의 결과, 일부 이상적인 선 접점이 상당히 얕은 각도(shallow angle)를 갖는 점 접점으로 감소될 수 있다. 기저 조립체, 페이로드 조립체 및 연결 요소(300)에 대한 정합 표면은 드래프드를 모두 경험할 수 있다. 따라서, 특징부(횡방향 위치 기준선 세그먼트를 형성함)의 각각의 정합 표면은 실질적으로 페이로드 조립체와 기저 조립체의 마스크 측면 상의 접점일 수 있다. 내측을 향하는 드래프팅은 점 접점에서 일치되는 두 정합 표면의 두 평면이 상당한 예각을 형성하기 때문에 허용될 수 있다. 따라서, 부하가 인가된다면, 실질적인 접촉 경로가 형성될 수 있으며, 게다가 적합한 접촉 응력이 야기된다. 일반적으로, 유사-키네메틱 마운팅에 관해 언급하면, 특히 선호되는 유사-키네메틱 마운팅 실시예가 설명될 것이다.

공면 유사- 키네메틱 마운트

예시적인 유사-키네메틱 마운트(400)는 MEMS 기판(405)을 형성하기 위해 사용된 동일한 반도체 웨이퍼로부터 형성되고 공면을 이루는 것으로 도 4에 도시된다. 예를 들어, 일체형 웨이퍼는 MEMS 기판(405)과 마운트(400) 모두를 형성하기 위해 마이크로-머시닝될 수 있다. 마운트(400) 내에서, 중앙 섬(central island, 410)은 신장된 슬롯(420)을 형성하기 위해 섬(410)으로부터 접선방향으로 연장되는 환형 간격(415)에 의해 기판(405)으로부터 분리된다. 섬(410)은 접선방향으로 연장된 굴곡부(425)를 통해 기판(405)에 연결된다. 섬(410)은 기판(405)을 향하여 반경방향으로 배향될 수 있는 탭 개구(tab opening, 430)를 포함한다. 굴곡부(425)는 도 3의 블레이드(312, 314)에 대해 전술된 단면 특성을 가질 수 있다. 따라서, 마운팅 기판에 대한 기저 마운트 탭(하기에서 추가로 언급됨)이 탭 개구(430)와 맞물린다면, 이러한 MEMS 기판/마운트 기판 연결부에 대한 결과적인 접선방향 자유도(435)는 상대적으로 엄격하게 구속된다. 마운팅 기판의 열 팽창 또는 수축으로부터의 스트레인은 전형적으로 반경방향으로 향할 것이다. 이러한 스트레인은 굴곡부(425)의 움직임에 의해 구현되는 마운트(400)에 대한 상대적으로 연성의 반경방향 DOF(440)에 의해 용이하게 수용된다. 즉, 반경방향으로 변형된 마운팅 기판은 상대적으로 연성의 반경방향 DOF(440)으로 인해 MEMS 기판(405)에 결합되지 않는 섬(410) 내에 반경방향 스트레인을 유발할 수 있다. 하기에서 추가로 설명된 바와 같이, 마운트(400)는 상대적으로 강성의 2의 DOF: 접선방향 DOF(430)뿐만 아니라 마운팅 기판과 기판(405) 모두의 평면에 대해 수직한 z-방향 DOF를 제공한다. 따라서, MEMS 기판(405)은 3개의 마운트(400)를 포함한다면, 이는 마운팅 기판 내에서 임의의 기계적 스트레인으로부터 격리되는 6의 DOF로 확고히 고정될 것이다.

도 5는 마운팅 기판(505) 상의 마운트 기저(500)를 나타낸다. 기판(505)은 적합한 특징부를 형성하기 위해 용이하게 정밀 성형되는 강성 플라스틱을 포함할 수 있다. 마운트 기저(500)는 도 4의 중앙 섬(410)에 대한 횡방향 치수와 실질적으로 유사하게 일치되는 횡방향 치수를 갖는 상승된 메사(raised mesa, 510)를 포함한다. 반경방향으로 배향된 탭(515)은 메사(mesa, 510)로부터 돌출된다. 2개의 웨지(wedge, 520)는 또한 탭(515)의 측면 상에서 메사(510)로부터 돌출된다. 일 실시예에서, 웨지(520)는 각각의 웨지에 대한 외측 변부(530)가 마운팅 기판(505)의 평면형 표면으로부터 가장 큰 변위를 형성하도록 탭(515)을 향하여 접선방향으로 기울어진다. 도 4를 재차 참조하면, 탭(515)은 탭 개구(430)와 맞물릴 때 상대적으로 타이트한 끼워맞춤을 형성할 것이다. 따라서, 마운팅 기판(505) 상에서 탭(515)의 위치는 이러한 탭 위치에 대한 MEMS 기판(405)의 결과적인 위치를 형성한다. 유사하게, 웨지(530)는 기판(505)의 평면형 표면으로부터 MEMS 기판(405)의 결과적인 z-방향(높이) 변위를 형성한다. 일 실시예에서, 마운팅 기판(505)으로부터 MEMS 기판(405)의 z-방향 변위는 50 μm이다. 일반적으로, 변위의 크기는 특정 설계 세부사항에 의존될 것이다. MEMS 마운트(400)와 마운트 기저(505)에 따라 그 외의 다른 DOF에서 이 연결을 상대적으로 연성으로 유지시키는 상대적으로 강성의 2의 DOF를 갖는 MEMS/마운팅 기판 연결부가 야기된다.

도 6은 탭 개구(430) 내에 맞물린 탭(515)을 도시한다. 섬(410)의 하측표면은 도 5를 참조로 기술된 바와 같이 웨지(520)에 의해 지지된다. 유사-키네메틱 연결부는 2의 DOF(z-방향 DOF(600) 및 또한 접선방향 DOF(435))에서 상대적으로 강성이지만 반경방향 DOF(440)와 같은 상대적으로 연성의 DOF를 통해 스트레인을 수용할 수 있다. 마운트 기저와 마운트가 맞물리기 전에, 하나 이상의 이들 부품들은 적합한 접착제로 코팅될 수 있어서 마찰-끼워맞춤된 부분들이 서로 고정된다. MEMS 기판 및 MEMS 기판상에 형성된 임의의 연계된 모듈은 로봇 배치를 통해 마운팅 기판 상에서 기저 마운트 상으로 용이하게 맞물릴 수 있다.

전기적 접촉 굴곡부

전술된 바와 같이, MEMS 장치의 기판은 바람직하게는 마운팅 기판에 대해 6 DOF 내에 고정될 수 있지만 적합한 일체형 굴곡부를 키네메틱 마운트에 적용시킴으로써 유사-키네메틱 마운팅을 통해 기계적 응력으로부터 격리될 수 있다. 그러나, MEMS 장치가 그 뒤 이의 전기적 접점에 와이어 본딩된다면, 이러한 선호되는 응력 릴리프는 최소화되거나 또는 심지어 본딩된 MEMS 접점에서 기계적 응력에 의해 파괴될 수 있다. 전력 공급원을 MEMS 장치의 전기적 접점에 결합하는 그 외의 다른 종래의 방법은 또한 MEMS 장치상에 기계적 응력을 유발할 수 있으며, 이에 따라 광학적 정렬 또는 장치에 의해 제공된 그 외의 다른 정밀 오차가 잠재적으로 파괴된다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 전기적 접촉 패드(electrical contact pad, 700)는 이러한 기계적 응력을 완화시킨다. 패드(700)는 상대적으로 연성의 굴곡부(705)에 의해 MEMS 기판으로부터 격리된다. 예를 들어, 굴곡부는 기판 재료의 주름지고 상대적으로 매우 얇은 시트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판이 H의 높이(도 8)를 갖는다면, 폭은 H/10 미만 또는 심지어 이 미만일 수 있다. 이 방식으로, 굴곡부(705)를 형성하기 위해 사용된 기판 재료의 결과적인 주름진 시트는 모든 DOF에서 상당히 연성이다. 패드(700)는 그 뒤 금속화되고 와이어 본딩과 같은 종래의 기술을 사용하여 적합한 커넥터에 전기적으로 결합될 수 있다. 이는 꽤 선호적인데, 결과적인 전기적 접촉이 패드(700)로의 와이어 본딩, MEMS 기판(405)에 대한 커플링으로부터의 임의의 기계적 응력을 실제적으로 제거하도록 상당히 경제적으로 제조되기 때문이다. 게다가, 패드 형성부는 기판(405)과 공면을 이루고 이와 일체로 형성되며, 이에 따라 추가 제조 단계가 필요치 않다. 게다가, 유사-키네메틱 마운트(400)는 또한 기판(405)과 공면을 이루고 일체형이며, MEMS 기판은 패드(700)와 마운트(400) 모두를 사용하여 용이하게 제조된다. 추가로, 연계된 굴곡부(705, 425)의 깊이를 얕게 하기 위한 파트-웨이 에칭(part-way etching)은 이들 굴곡부에 대한 깊이를 MEMS 기판에 대한 높이(H)와 일치시킬 필요가 없다. 그러나, 파트-웨이 에칭은 원하는 경우 이러한 굴곡부 상에서 이용될 수 있다. 2개의 패드(700)와 3개의 마운트(400)를 포함하는 결과적인 MEMS 기판(900)이 도 9에 도시된다.

재차 도 7 및 도 8을 참조하면, 에칭된 기판 자체가 굴곡부(705)를 통해 전류를 MEMS에 전도하기 위해 사용된다면, 그 뒤 단지 하나의 패드(700)만이 이러한 방식으로 사용될 수 있다. 양 패드는 각각의 굴곡부를 형성하는 기판 재료를 통해 전도되도록 구성된다면, 그 뒤 이 패드는 서로 간단히 쇼트 아웃될 것이다. 따라서, 하나 또는 양 패드와 각각의 굴곡부는 산화물로 코팅될 수 있다. 이 방식으로, 폴리실리콘 또는 금속 층이 산화물 상에 증착되어 결과적인 MEMS 장치 내에서 회로와 MEMS 액추에이터를 전도시킬 수 있다. 대안적으로, 양 굴곡부는 원하는 전류를 전도하기 위하여 금속 또는 폴리실리콘 층을 포함하도록 구성될 수 있다. MEMS 기판이 마운팅 기판에 유사-키테메틱하게 장착되는지를 고려하지 않고, 전술된 바와 같이 연성 굴곡부는 MEMS 기판으로부터 와이어-본딩된 패드를 기계적으로 격리시키는데 사용될 수 있다. 마운트(400)와 패드(700)를 형성하기 위한 마이크로-머시닝 기술이 이제 더 상세히 설명될 것이다.

마이크로머시닝

일반적으로, 전술된 MEMS 기판은 패드(700)와 마운트(400)와 같은 원하는 특징부의 제조시에 야기될 기판 웨이퍼 상에 원하는 패턴을 형성하기 위하여 리소그래피 또는 포토리소그래피와 같은 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 기판 웨이퍼는 실리콘 또는 갈륨 비소 또는 게르마늄과 같은 또 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 리소그래피 공정은 기판 웨이퍼의 표면에 레지스트를 도포하고, 기판 웨이퍼 위에서 원하는 패턴과 마스크를 정렬시키며, 레지스트를 방사(radiation)에 노출시키고, 레지스트를 현상시키며, 레지스트를 하드베이킹(hardbaking)하는 단계를 포함할 수 있다.

기판 웨이퍼를 패터닝하기 위해 사용된 방사는 예시로서 자외선 광, X-선 빔, 또는 전자 빔을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 마스크는 낮은 열팽창 계수를 갖는 기계적으로 강성인 재료로 제조된다. 예를 들어, 마스크는 석영, 붕규산염, 금속성 크롬, 또는 철 옥사이드로 제조될 수 있다. 패터닝은 네거티브 또는 포지티브 레지스트를 사용하여 수행될 수 있다. 일부 응용에서, 하나 초과의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 포지티브 레지스트를 사용하는 것이 선호될 수 있다. 일부 응용에서, 포토리소그래피 공정은 기판 웨이퍼 상에 원하는 패턴을 형성하는데 사용된다. 포토리소그래피 공정에서, 포토-감광성 필름과 같은 포토레지스트가 패터닝 공정에서 사용된다.

레지스트 상에 패턴을 현상한 후, 심도 반응성 이온 에칭(Deep Reactive Ion Etching)(DRIE), 와이어 방전가공(Wire Electric Discharge Machining)(와이어 EDM 또는 WEDM), LIGA 또는 SCREAM(단결정 반응성 에칭 및 금속화)와 같은 하나 이상의 마이크로머시닝 제조 공정이 마스크된 패턴에 따라 기판 웨이퍼를 에칭하기 위해 사용될 수 있다. 일부 응용에서, 기판 웨이퍼 내에서 깊고 직선형의 측면벽을 에칭하는 것이 선호될 수 있다. 그 외의 다른 응용에서, 패터닝된 웨이퍼로부터 3-차원 구조물을 형성하는 것이 선호될 수 있다.

에칭 이후, 패터닝된 웨이퍼는 세척된다. 포토레지스트 및/또는 레지스트는 아세톤과 같은 용매를 사용하여 제거될 수 있다. 웨이퍼 상에 그 외의 다른 깨진 MEMS 구조물이 있다면, 플라스마 에칭이 기판 웨이퍼를 세척하기 위해 사용될 수도 있다.

대안의 제조 방법이 종래 기술에 존재하며, 본 명세서에 기술된 임의의 구조물이 주입 몰딩, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 머시닝, 금속 스탬핑, 핫 엠보싱, 및 방전-머시닝(EDM)을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 제조될 수 있다.

마운팅 기판이 또한 반도체라면, 전술된 바와 같이 MEMS 기판에 대해 마이크로-머시닝될 수 있다. 대안적으로, 마운팅 기판이 플라스틱이어야 한다면, 단순히 원하는 특징부를 형성하기 위해 몰딩될 수 있다.

전술된 실시예는 본 발명을 예시하며, 제한하기 위함은 아니다. 예를 들어, 마운트(400)와 마운팅 기저(500)는 미국 특허 제6,674,585호에 기술된 바와 같이 프리-텐셔닝을 위해 내부 굴곡부를 갖도록 용이하게 개질될 수 있다. 이에 대해, 다수의 변형과 개조가 본 발명의 사상에 따라 가능하다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 단지 청구항에 의해 정해진다.

Claims (20)

1. -반도체 기판 및
   -전기적 접촉에 의해 야기되는 기계적 응력으로부터 기판을 실질적으로 격리시키도록 구성된 굴곡부를 포함하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 장치는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 장치이며, 굴곡부는 주름진 굴곡부인 장치.
3. 제2항에 있어서, 굴곡부는 2개의 굴곡부를 포함하고, 각각의 굴곡부는 대응하는 전기적 패드를 MEMS 장치에 결합시키는 MEMS 장치.
4. MEMS 기판으로서,
   -MEMS 장치를 지지하도록 구성된 중앙 평면형 부분과, 중앙 평면형 부분과 공면을 이루는 제1 전기적 패드를 포함하고, 제1 패드는 제1 굴곡부를 통해 중앙 평면형 부분에 연결되며, 제1 굴곡부는 중앙 평면형 부분으로부터 제1 전기적 패드를 실질적으로 기계적으로 격리시키도록 구성되는 MEMS 기판.
5. 제4항에 있어서, 중앙 평면형 부분, 제1 패드, 및 제1 굴곡부는 마이크로-머시닝된 반도체 웨이퍼를 포함하는 MEMS 기판.
6. 제5항에 있어서, 반도체 웨이퍼는 일체형 반도체 웨이퍼인 MEMS 기판.
7. 제4항에 있어서, 중앙 평면형 부분과 공면을 이루는 제2 전기적 패드를 추가로 포함하고, 제2 패드는 중앙 평면형 부분으로부터 제2 패드를 실질적으로 기계적으로 격리시키도록 구성된 제2 굴곡부를 통하여 중앙 평면형 부분에 연결되는 MEMS 기판.
8. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 굴곡부는 주름진 굴곡부인 MEMS 기판.
9. 제8항에 있어서, 제1 및 제2 굴곡부에 대한 깊이는 제1 및 제2 굴곡부의 폭에 대해 적어도 10배인 MEMS 기판.
10. 제9항에 있어서, 제1 굴곡부는 전류를 전도시키도록 구성되고, 제2 굴곡부는 인접한 금속 또는 폴리실리콘 층을 통해 전류를 전도시키도록 구성되는 MEMS 기판.
11. MEMS 장치로서,
    -평면형 표면으로부터 돌출되는 복수의 기저 마운트를 포함하고 평면형 표면을 갖는 마운팅 기판을 포함하며,
    -복수의 마운트와 중앙 부분을 포함한 평면형 MEMS 기판을 포함하고, 각각의 마운트는 복수의 대응하는 마운트 굴곡부를 통해 중앙 부분으로부터 격리되며, 각각의 마운트는 기저 마운트들 중 대응하는 하나의 기저 마운트와 맞물리도록 구성되며, 평면형 MEMS 기판은 복수의 전기적 패드를 추가로 포함하고, 각각의 패드는 연성 굴곡부를 통해 중심 부분으로부터 격리되는 MEMS 장치.
12. 제11항에 있어서, 복수의 기저 마운트는 3개의 기저 마운트를 포함하고, 복수의 마운트는 3개의 마운트를 포함하고, 복수의 패드는 2개의 패드를 포함하는 MEMS 장치.
13. 제12항에 있어서, 각각의 마운트 굴곡부는 2의 자유도(DOF)에 있어서 상대적으로 강성이지만 추가 DOF에서 상대적으로 덜 강성이고, 각각의 연성 굴곡부는 2의 DOF와 추가 DOF 모두에서 상대적으로 연성인 MEMS 장치.
14. 제11항에 있어서, 각각의 마운트는 MEMS 기판의 주변부에 배치되고, 각각의 패드는 또한 MEMS 기판의 주연부에 배치되는 MEMS 장치.
15. 제14항에 있어서, 각각의 연성 굴곡부는 MEMS 기판에 대해 반경방향으로 향하는 주름진 굴곡부인 MEMS 장치.
16. 제11항에 있어서, MEMS 기판 내에 일체구성된 카메라 모듈을 추가로 포함하는 MEMS 장치.
17. 제16항에 있어서, 카메라 모듈은 셀 폰 내로 일체구성되는 MEMS 장치.
18. 제11항에 있어서, 각각의 마운트에 대응되는 복수의 마운트 굴곡부는 2개의 접선방향으로 향하는 선형 굴곡부를 포함하는 MEMS 장치.
19. 제11항에 있어서, 전기적 패드에 접합된 와이어를 추가로 포함하는 MEMS 장치.
20. 제11항에 있어서, 각각의 마운트는 탭 개구를 포함하는 MEMS 장치.

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