KR20140002677A - 형상기억합금 와이어의 웨이퍼 레벨 인테그레이션하는 방법 - Google Patents

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KR20140002677A
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스테판 브라운
프란크 닉라우스
안드레아스 피스체르
헨릭 그라딘
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센스에어 아베
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Abstract

본 발명은 형상 기억 합금 와이어를 기판에 접합하는 방법에 관한 것으로서, 와이어를 기판 위에 기계적으로 3차원 구조로 접합하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기판에 접합된 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 장치에 관한 것으로 와이어는 기계적으로 3차원 구조로 접합한다.

Description

형상기억합금 와이어의 웨이퍼 레벨 인테그레이션하는 방법{METHOD FOR THE WAFER INTEGRATION OF SHAPE MEMORY ALLOY WIRES}
본 발명은 형상기억합금 와이어를 기판에 접합시키는 방법과 형상기억합금 와이어가 부착된 기판을 포함하는 장치에 관한 것이다.
2 내지 5 페이지의 설명은 방법의 배경과 핵심 개념을 설명한다.
다음 페이지에서는, 형상기억합금 와이어의 전기적인 연결을 위한 것뿐만 아니라. 기계적인 고정까지 보여준다.
이 논문은 현재 종래의 와이어 본딩 장치를 이용하여 실리콘 기판에 NiTi SMA 와이어의 웨이퍼-레벨 집적 개념 제시한다.
와이어 본더를 이용한 SMA 와이어의 웨이퍼-레벨 집적은 와이어의 빠른 배치와 고정을 할 수 있도록 한다. 추가적인 정렬 단계가 필요하지 않다. NiTi 와이어의 경도 때문에, 표준 금 또는 알루미늄 패드에 이러한 와이어의 직접 본딩은 불가능하다. 이 논문에서, 실리콘(Si) 클램핑 및 앵커(anchor) 구조에 의해 웨이퍼 위에 와이어가 기계적으로 대신 고정되는 것을 제시한다. 이런 기계적 고정 구조는 표준 및 수정되지 않은 와이어 본더를 사용하여 NiTi 와이어의 집적을 가능하게 한다. SMA 와이어는 하나의 앵커와 하나의 클램프 구조의 도움으로 기계적으로 고정되며, 각 고정 쌍(pair)은 웨이퍼 모서리의 반대편에 배치된다.
이 문서는 표준 와이어 본더를 사용한 실리콘 기반의 MEMS 안에 SMA 와이어의 제 1 집적에 관한 보고이다. 이 방법은 실리콘 기반의 MEMS에 NiTi 기반의 SMA 와이어의 빠르고 효과적인 배치, 정렬 및 기계적인 접합을 가능하게 한다. 와이어는 웨이퍼에 깊게 식각된 실리콘 구조안에 기계적으로 고정되고 걸린다 배치의 정확성은 평균 4㎛의 편차를 갖고 기계적 클램핑은 강하고 SMA 와이어의 성공적인 작동을 하게 한다.
도 1은 기판에 훅-인 구조를 준비하고 SMA 와이어의 훅-인에 대한 개념의 개략도이다.
도 2는 SMA 와이어 말단의 스퀴즈-핏(squeeze fit)의 개략도 및 단순화된 도면이다.
도 3은 이방성 식각에 의해 제조된 기판 안의 V자 홈 안으로 SMA 와이어 말단의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 4은 탄성적으로 변형가능한 구조 안에 SMA 와이어 말단의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 5는 기계적 전기적으로 상호연결되기 위해 기판 위에 금속 라이너를 이용한 SMA 와이어 말단의 스퀴즈-핏(squeeze fit)의 개략도 및 단순화된 도면이다.
도 6은 기계적 전기적으로 상호 연결되기 위해 기판 위에 금속 라이너를 갖는 V-자 홈에 SMA 와이어 말단의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 7는 기계적 전기적으로 상호 연결되기 위해 기판 위에 금속 라이너를 갖는 탄성적으로 변형 가능한 구조 안에 SMA 와이어 말단의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 8는 프리 에어 볼의 접착제 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 9은 V자 홈 안에 프리 에어 볼의 접착제 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 10은 프리 에어 볼의 스냅 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 11은 스프링 하중을 갖는 프리 에어 볼의 스냅 고정의 개략적이고 단순화된 도면이다.
도 12는 SMA 와이어의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 13은 이방성 식각에 의해 제조된 실리콘 기판위의 V자형 홈에 SMA 와이어의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 14은 탄성 변형 가능한 구조에 SMA 와이어의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 15는 기계적, 전기적으로 상호 연결된 기판에서 금속라이너를 갖는 V자형 홈 안에 SMA 와이어의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 16은 기계적, 전기적으로 상호 연결된 기판에서 금속라이너를 갖는 V자 홈 안에 SMA 와이어의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 17는 기계적, 전기적으로 상호 연결된 기판에서 금속라이너에 탄성 변형 가능한 구조안에 SMA 와이어의 스퀴즈-핏(squeeze fit)을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 18는 금속에 놓여진 스퀴즈 핏 구조와 SMA 와이어에 볼-결합된 추가적인 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 19은 직선형 트렌치 안에 SMA 와이어의 접착제 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 20은 V자형 홈안에 SMA 와이어의 접착제 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 21은 클램프 지원으로 제 2기판에 직선형(a)과 V자형(b) 트렌치안에 SMA 와이어의 접착제 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 22는 클램프 지원으로 제 2기판의 접합에 기반을 둔 금속을 갖는 스퀴즈-핏 구조를 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 23은 와이어의 스냅 고정을 개략적이고 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 24은 스프링 하중을 갖는 와이어의 스냅 고정을 개략적이고 단순하게 도시한 도면이다.
도 25는 와이어 본더를 사용한 SMA 와이어의 집적의 프로세스 개략도이다.
도 26은 와이어 본더와 피스톤을 이용한 와이어의 압착을 이용한 SMA 와이어의 집적의 프로세스 개략도이다.
프리 에어 볼의 고정
와이어는 와이어 본더의 결합 모세관을 통해 공급된다. 와이어의 당김을 허용하기 위해 와이어의 말단은 기판에 고정되어야 한다. 이러한 개념에서, 남겨진 와이어와 결합 모세관의 직경보다 와이어의 말단의 직경이 더 크기 위해서, 와이어의 말단이 변형된다. 이것은 와이어 말단을 hook-in 하거나, 기판의 squeeze-fit 구조 안으로 와이어를 압착시키는 것을 허용한다.
오류! 참고문헌이 발견될 수 없다. 배경 단락에서와 같이, 하나의 개념을 보여 준다. 훅-인 구조는 기판에 형성된다(오류! 참고문헌이 발견될 수 없다.a). 그 다음 프리 에어 볼이 형성되고 (오류! 참고문헌이 발견될 수 없다.b) 기판에 그 구조안으로 걸리고, (오류! 참고문헌이 발견될 수 없다.c) SMA 와이어를 결합 모세관을 통해 당겨지게 한다, (오류! 참고문헌이 발견될 수 없다.d).
개략적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 또 다른 개념은 기판의 스퀴즈-핏(squeeze-fit)구조안으로 프리 에어 볼의 스퀴즈- 핏을 이용하여 고정하는 것이다. SMA 와이어(201)이 결합 모세관(202)를 통해 공급되고 프리 에어 볼(203)이 형성된다. 기판(204)에서, 트렌치(205)는 프리 에어 볼의 직경보다 작은 직경을 갖도록 형성된다 (도2a). 프리 에어 볼의 직경은 결합모세관의 직경보다 크며, 이는 기판의 트렌치 안으로 프리 에어 볼을 압착하는데 적합하다(도2b). SMA 와이어의 말단은 기판의 트렌치 안으로 스퀴즈- 핏(squeeze fit)된 프리 에어 볼에 의해 고정된다(도2c).
개략적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 이 같은 개념은 특별한 공정으로 실리콘 기판에 식각할 때 얻어지는 V자로 형성된 트렌치에 프리 에어 볼의 스퀴즈-핏에 적합하다. SMA 와이어(301)은 결합 모세관(302)를 통하여 공급되고 프리 에어 볼(303)이 형성된다. 기판(304)에, V자형 트렌치(305)가 형성된다(도 3a). 프리 에어 볼의 직경은 결합 모세관의 직경보다 크고 이는 기판의 트렌치 안으로 프리 에어 볼을 압착하도록 한다(도 3b). SMA 와이어의 말단은 기판의 트렌치안에 프리 에어 볼의 스퀴즈-핏에 의해 고정된다(도 3c).
도 4는 개략적으로 스퀴즈-핏 개념의 다른 변형을 도시하고 있으며, 변형 가능한 클램핑 구조는 SMA 와이어 직경에 변화를 허용하는 기판에 형성된다. SMA 와이어(401)은 결합 모세관(402)를 통하여 공급되고 프리 에어 볼(403)이 형성된다. 기판(404)에, 변형 가능한 클램프 구조(405)가 형성된다(도 4a). 프리 에어 볼의 직경은 결합 모세관의 직경보다 크고 이는 기판의 변형가능한 구조 안에 프리 에어 볼을 압착하도록 한다(도 4b). 클램프 구조는 프리 에어 볼의 압착 동안에 탄성적으로 변형되며(도 4b), 따라서, SMA 와이어의 직경 변화에 적응하며, 제 자리에 고정한다 (도 4c).
도 2 내지 도4에 개략적으로 도시된 위에서 언급한 모든 개념들은 기계적으로 고정함과 동시에 SMA 와이어를 전기적으로 접속 가능하게 한다. 이것은 변환 온도 위에 SMA 와이어의 간단한 접촉과 저항열을 감안한 것이다. 도 5 내지 도 7은 개념을 개략적으로 도시한 것이다. SMA 와이어(501,601,701)은 결합 모세관(502, 602, 702)을 통해 공급되고, 프리 에어 볼(503, 603, 703)이 형성된다. 기판(504, 604, 704)에서 트렌치(505, 605) 또는 변형 가능한 클램프 구조(705)가 형성된다. 마지막으로 금속 필름(506, 606, 706)이 기판위에 증착된다(도 5b, 6b, 7b). 압착하는 동안에, SMA위에 자연 산화막이 깨지며 SMA는 기판위에 금속과 바로 접촉한다. 따라서, SMA는 전기적으로 금속 필름을 통하여 접촉한다(507, 607, 707, 도 5C, 6C 7C).
도 2 내지 도 7에 도시된 것과 같이, 금속 라이너와 같이 또는 금속라이너 없이 스퀴즈-핏을 사용하는 대신에, 기판위에 트렌치는 프리 에어 볼과 트렌치 안에 와이어를 끈끈하게 고정할 수 있는 접착제로 채워져 있을 수 있다. 도 8과 도 9는 개략적으로 도 8는 도2와 유사한 직선형 트렌치, 도9은 도 3과 유사한 V자형 트렌치를 위한 개념을 도시한다. SMA 와이어 (801, 901)은 결합 모세관(802, 902)을 통해 공급되고, 프리 에어 볼(803, 903)이 형성된다. 기판(804, 904)에서, 직선(805) 또는 V자형 트렌치(905)가 형성되고, 이는 부분적으로 접착제(806, 906)으로 채워진다(도 8a, 9a). 프리 에어 볼의 직경은 결합 모세관의 직경보다 크며 이는 기판의 트렌치안에 접착제 안으로 프리 에어 볼을 압착할 수 있다(도 8b, 9b). 프리 에어 볼은 접착제 안에 박히고, 이는 경화되며(807, 807), 그렇게 함으로서, 프리 에어 볼을 고정한다(도 8c, 9c).
게다가 스퀴즈 핏과 접착 앵커, 스냅-인(snap-in) 구조는 자유 대기 볼을 스냅하도록 조작할 수 있다. 도 10은 이러한 개념을 개략적으로 도시한다. SMA 와이어(1001)는 결합 모세관(1002)를 통해 공급되며, 프리 에어 볼(1003)이 형성된다. 기판(1004)에서, 트렌치(1005)는 형성되고 트렌치(1005)를 부분적으로 덮고 트렌치의 중앙은 열어두도록 기판의 위에 얇은 막(1006)이 형성되어 스냅-인 구조(1007)를 만들어낸다(도 10a). 프리 에어 볼의 직경은 결합 모세관의 직경보다 크며, 이는 기판에서 트렌치 안으로 상부 층(1005)의 개부를 통하여 프리 에어 볼이 밀리도록 한다. 층의 상부는 뒤(1007)에 스냅하고 그 자리에 프리 에어 볼을 고정한다(도 10c).
도 10에 도시된 개략적인 개념의 변화는 층의 상부에 스냅 구조에 대하여 프리 에어 볼을 누르는 트렌치안에 스프링을 제공하는 것이다. 이러한 개념은 도 11에 개략적으로 도시되어있다. SMA 와이어(1001)는 결합 모세관(1002)를 통해 공급되고 프리 에어 볼(1003)이 형성된다. 기판(1004)에서, 트렌치(1005)가 형성되고 트렌치(1005)를 부분적으로 덮고 트렌치의 중앙은 열어두도록 기판의 위에 얇은 막(1006)이 형성되어 스냅-인 구조(1007)를 만들어낸다(도 11a). 트렌치의 바닥(1005)에 층(1108)이 탄성적으로 변형가능하도록 형성된다. 스냅-인 구조를 통해 프리 에어 볼을 압착한 후에, 프리 에어 볼은 변형 가능한 층(1108)을 압축한다(도 11b). 결합 모세관이 제거될 때, 탄성적으로 변형된 층은 프리 에어 볼을 스냅- 인 구조안으로 누르며, 이는 탄성적으로 형성된 층에 의해 발생되는 힘을 극복하기에 충분한 힘이다(도 11c).
와이어의 고정
프리 에어 볼로 와이어의 말단을 고정시킨 후에, 와이어는 결합 모세관을 통해 당겨지고 다음 클램프 구조에 기판을 가로질러 회전된다. 이 클램프 구조에서, 와이어는 고정되므로, 도 2 내지 도 11에서 보여지는 모든 개념에 적용될 수 있다.
도 12 내지 도 14은 개략적으로 SMA 와이어의 스퀴즈 피팅에 적용되는 스퀴즈-핏 방식을 도시한다. 와이어 본더를 이용하여, SMA 와이어(1201, 1301, 1401)이 기판(1203, 1303, 1403)위에 형성되고 SMA 와이어의 직경보다 작은 직경을 갖는 트렌치(1202, 1302, 1402)위에 배치된다(도 12a, 13a, 14a). 도 12와 13은 각각, 직선형과 V자형 트렌치를 갖는 스퀴지 피팅을 도시한다. 도 14은 도 4에서 도시한 개념에 기초하고 SMA 와이어 직경의 변화를 허용하는 기판 위에 변형 가능한 클램핑 구조(1405)를 나타낸다. 와이어는, 예를 들어, 와이어 위에 눌려지는 제 2 기판과 웨이퍼 본더안의 제 2기판이 될 수 있는 피스톤(1204, 1304, 1404)를 이용하여, 트렌치 또는 변형 가능한 클램핑 구조 안으로 압착된다(도 12b, 13b, 14b). 그 다음 피스톤은 제거되고, 도 2, 3 및 4에 나타난 개념과 같은 원칙에 따라, 와이어는 트렌치 안에 남겨진다(도 12c, 13c, 14c).
도 12 내지 도 14에 개략적으로 도시된 이 개념은 기계적 고정이 수행되는 동시에 SMA 와이어의 전기적 접촉이 가능하도록 적용할 수 있다. 이것은 변환 온도 위에 SMA 와이어의 간단한 접촉과 저항열을 감안한 것이다. 도 15 내지 도 17dms 이 개념을 개략적으로 도시한 도면이다. SMA 와이어(1501, 1601, 1701)는 기판(1503, 1603, 1702)위에 형성되고 금속 라이너(1504, 1604, 1704)로 덮은 트렌치(1502, 1602, 1702)위에 배치된다. 트렌치의 직경은 SMA 와이어의 직경보다 작다(도 15a, 16a, 17a). 도 15 와 도 16은 각각 직선형과 V자형 트렌치를 갖는 스퀴즈 피팅을 도시한다. 도 17은 도 4과 도 14에 도시된 개념을 기초하고, SMA 와이어 직경의 변화를 허용하는 기판위에 변형 가능한 클램핑 구조(1707)를 나타낸다. 와이어는, 예를 들어, 와이어위에 눌려지는 제 2 기판과 웨이퍼 본더안의 제 2기판이 될 수 있는 피스톤(1505, 1605, 1705)를 이용하여, 트렌치 또는 변형 가능한 클램핑 구조안으로 압착된다(도 15b, 16b, 17b). 압착되는 동안, SMA위에 자연 산화막이 깨지며 SMA는 기판위에 금속과 바로 접촉한다. 따라서, SMA는 전기적으로 금속필름을 통하여 접촉한다(1506, 1606, 1706 도 15c, 16c, 17c).
도 15 내지 도 17에 도시된 클램프 구조 위에 금속 라이너의 개념은 도 18에 도시된 바와 같이 볼 결합을 강화시킬 수 있다. 도 15 내지 도 17에서 마지막 구조위에 금속에, 여러 프리 에어 볼은 클램프 구조 안에서 와이어의 클램핑을 지지하기 위해 기계적으로 결합된다. SMA 와이어(1801)은 결합 모세관(1802)을 통해 공급되고 프리 에어 볼(1803)이 형성된다(도 18 a, b, c 좌측). 프리 에어 볼은 기판(1806)위의 고정된 와이어(1804)와 인접한 금속 라이너(1805) 안에 접착된다(도 18b). 그 다음 높은 결합 에너지(1807)를 이용하여 와이어를 절단한다(도 18c).
도 8 내지 도 9에 도시된 개념과 유사하게, 기판위에 트렌치는 트렌치안에 와이어를 끈끈하게 고정하기 위해 접착제를 채울 수 있다. 도 19과 도 20은 직선형 트렌치를 위한 도 19와 V자형 트렌치를 위한 도 20의 개념을 개략적으로 도시하고 있다. SMA 와이어(1901, 2001)는 기판(1903, 2003)위에 형성되고 접착제(1904, 2004)가 부분적으로 채워진 트렌치/홈(1902, 2002)위에 배치된다(도 19a, 20a). 와이어는, 예를 들어, 와이어 위에 눌려지는 제 2 기판과 웨이퍼 본더안의 제 2기판이 될 수 있는 피스톤(1905, 2005)를 이용하여, 트렌치안의 접착제 안으로 압착된다(도 19b, 20b). 그 다음 와이어는 접착제안에 박히고 경화되며(1906, 2006), 그렇게 함으로서, 와이어를 고정한다(도 19c, 20c).
도 19 및 도 20에 도시된 접착제 고정 개념은 와이어의 클램핑을 지지하기 위한 접착 웨이퍼 본딩과 결합할 수 있다. 도 21은 직선형과 V자형 트렌치 모두 유사한 개념을 도시한다. SMA 와이어(2101)는 기판(2104)위에 형성되고 접착제(2104)가 부분적으로 채워진 트렌치/홈(2102, 2103)위에 배치된다. 와이어는 접착제(2106)로 덮이고 와이어와 제 1기판(2103)으로 눌려지는 제2 기판을 이용하여 트렌치안의 접착제에 압착된다. 그 다음, 모든 접착제는 경화되고 와이어는 접착제와 상단에 제2기판에 의해 고정된다. 이러한 방법은 또한 금속 줄이 쳐진 클램프 구조를 갖는 스퀴즈-핏하는 것이 가능하게 한다. 도 22는 이러한 개념을 도시한다. 와이어(2201)은 제1 기판(2204)에서 금속 줄이 쳐진(2202) 트렌치(2203)위에 배치된다. 와이어는 금속(2206)으로 덮이고 와이어와 제 1기판(2204)안에 압착되는 제2 기판(2205)를 이용하여, 금속 줄이 쳐진 트랜치안으로 압착된다. 그 다음 제 2기판은 제 1기판위에 금속에 그것의 금속과 접착된다. 따라서, SMA는 금속 필름을 통하여 전기적으로 접촉할 수 있고, 클램핑은 결합된 제 2 기판에 의해 지지된다.
도 10 및 도 11에 도시된 개념과 유사하게 스냅-인(snap-in)구조는 와이어를 스냅 조작할 수 있다. 도 23은 이 개념을 개략적으로 도시한다. 기판(2301)에서 트렌치(2302)가 형성되고, 트랜치를 부분적으로 덮고, 트랜치의 중앙은 열어두도록 기판 위을 개방하는 얇은 막이 형성되어(2303), 스냅-인 구조(2304)를 만들어낸다. SMA 와이어(2305)는 스냅-인 구조위에 배치된다(도 23a). 와이어는, 예를 들어, 와이어 위에 눌려지는 제 2 기판과 웨이퍼 본더 안의 제 2기판이 될 수 있는 피스톤(2306)를 이용하여, 기판에 트렌치 안으로 상위 층의 열린 부분을 통해 압착된다(도 23b). 층의 상부는 뒤(2307)에 스냅하고 그 자리에 와이어를 고정한다(도 23c).
도 23에 도시된 개략적인 개념의 변화는 층의 상부에 스냅 구조에 대하여 와이어를 누르는 트렌치 안에 스프링을 제공하는 것이다. 이러한 개념은 도 31에 개략적으로 도시되어있다. 기판(2401)에서, 트렌치(2402)가 형성되고 트렌치를 부분적으로 덮고 트렌치의 중앙은 열어두도록 기판의 위에 얇은 막(2403)이 형성되어 스냅-인 구조(2404)를 만들어낸다. 트렌치의 바닥에 층(2405)은 탄성적으로 변형가능하도록 형성된다(도 24 a). 스냅-인 구조를 통해 피스톤(2407)로 와이어(2406)를 압착한 후에, 와이어는 변형 가능한 층(2408)을 압축한다(도 24b). 피스톤이 제거될 때, 탄성적으로 변형된 층은 와이어를 스냅- 인 구조안으로 누르며, 이는 탄성적으로 변형된 층에 의해 발생되는 힘을 극복하기에 충분한 힘이다(도 24c).
공정 흐름도
도 25 및 도 26은 와이어 본더를 이용한 SMA 와이어의 집적을 위한 공정 흐름도를 도시한다. 도 25의 흐름은 제1 고정이 프리 에어 볼을 고정함으로써 제공되는 프로세스를 보여준다. 그 다음 필요한 다음의 고정은 클램핑 구조 안에 와이어-본더를 이용한 와이어 클램핑에 의해 수행 되어진다. 한 줄의 마지막 클램핑 구조 후에 와이어는 기판의 표면위에 고 에너지의 웨지/ 스티칭 본딩에 의해 절단된다. 필요하다면, 이 단계는 더 많은 와이어를 통합하기 위해 반복될 수 있다. 그렇지 않다면, 와이어는 집적되고 추가로 처리될 수 있다.
도 26의 흐름은 제1 고정이 프리 에어 볼의 고정에 의해 제공되는 프로세스를 도시한다. 그 다음 와이어는 줄에서 클램핑 구조 전체에서 회전되고 마지막으로 와이어는 기판의 표면위에 고 에너지의 웨지/ 스티칭 본딩에 의해 절단된다. 필요하다면, 이 단계는 더 많은 와이어를 배치하기 위해 반복된다. 모든 와이어가 제자리에 있다면, 그들은 피스톤을 이용하여 내부의 클램핑 구조안으로 압착된다. 클램핑이 충분히 강하면, 기판은 추가로 처리될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 추가적인 볼 결합은 클램프 구조안에 와이어에 배치될 수 있거나, 압착되는 동안, 제2기판이 와이어와 제 1 기판위에 결합될 수 있다.
표준 와이어 본딩 기술을 이용한 마이크로액추에이터의 제조를 위한 NiTi 형상기억합금의 웨이퍼 레벨 집접
A. C. Fischer, H. Gradin, S. Braun, S. Schroder, G. Stemme and F. Niklaus KTH-Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden
소개
형상기억합금(SHAPE MEMORY ALLOY: 이하, "SMA"이라 한다.) 은 강한 힘과 작동이 필요할 때, 미세 전자·기계 시스템(micro electro-mechanical system: 이하, "MEMS"라 한다.)에서 사용되기에 매력적인 작동기(actuator) 물질이다. 형상기억합금이 제공하는 높은 작업 밀도 때문에 형상기억합금은 마이크로 스케일에서 다른 대부분의 작동원리들을 수십 배 이상 능가한다. 전통적으로 형상기억합금 물질들을 마이크로 시스템으로 집적하는 두 가지 방법이 있다. 그 첫 번째 방법은 집기-놓기(PICK AND PLACE)방법으로 형상기억합금 물질과 기판이 분리되어 제조되고, 다음 단계에서 결합된다. 이 방법은 벌크(bulk) 형상기억합금 물질의 집적이 가능하도록 하는 이점이 있으며, 비교적 낮은 재료 비용에 넓은 두께 범위에서 상업적으로 제공될 수 있다. 그러나, 형상기억합금 집적은 높은 조립 비용을 초래하는 장치 단계에서 수행된다. 두 번째 방법은, 미세구조에 직접 얇은 NiTi 필름의 스퍼터(sputter) 증착에 기초한다. 이 방법은 웨이퍼 레벨 프로세싱을 허용하는 장점이 있다. 그러나, 어려운 증착 조절 가능성 때문에, 이 공정은 온도와 압력 변형의 재현성에 제한이 있으며, NiTi 스퍼터 증착은 대부분 10㎛보다 얇은 두께로 가능하다.
웨이퍼-레벨 집적과 벌크 형상기억합금 물질 양쪽의 장점을 모두 갖는, 실리콘 마이크로 기판에 SMA 와이어의 웨이퍼-레벨 집적은 뛰어난 성능을 갖는 마이크로 작동자로 알려져왔다. 그러나, 표준화된 제조 공정은 아직 확립되거나 제안되지 않았다. 와이어의 배치는 와이어를 핸들링, 조절 및 집적하는 특별히 고안된 장치를 요구한다. 반면, 와이어 본딩은 극도로 성숙되었으며, 비용 효율적이고, 전기적 상호연결을 위한 광범위하게 이용가능한 최종 공정이다. 그것의 아주 좋은 유용성과 초당 22본드의 처리속도와 2㎛ 범위의 배치 정확도를 갖는 신뢰도, 처리량 및 배치 정확도 측면에서 높은 성과 때문에, 이 표준 기술을 활용하는 것이 매우 매력적이다. 그러나, NiTi SMA 와이어의 정확한 와이어본딩은 NiTi 물질의 비커스 경도(Vickers hardness) 때문에 실현 가능하지 않다. NiTi 물질은 금과 알루미늄과 같이 일반적인 본딩 재료와 비교할 때, 강도가 높은 물질이다.
[참고도 1]
Figure pct00001

참고도 1: 웨이퍼-레벨 집적 개념의 도면: SMA 와이어가 하나의 앵커와 클램프 구조의 도움으로 기계적으로 고정된다. 각각의 고정 쌍은 웨이퍼 모서리의 반대편에 배치된다.
기본적인 집적 개념은 참고도 1에 도시되어 있다. SMA 와이어의 집적은 웨이퍼-레벨 집적과 칩-레벨 집적으로 분리된다. 웨이퍼-레벨 집적은 실리콘 웨이퍼에 SMA 와이어의 조정과 고정을 결합한다. 최종 기계적, 전기적 집적은 엑추에이터 자체를 형성하기 위해 칩-레벨에서 수행할 수 있다.
웨이퍼-레벨에서, SMA 와이어는 웨이퍼 전체에 걸쳐 높은 배치 정확도로 정의된 위치에 두 개의 서로 다른 기계적인 구조를 사용하여 접합된다. 볼웨지(ballwedge) 와이어 본딩 공정에 따라, 프리 에어 볼이 발생되고 차후에 제 1 집적 구조에 고정된다(참고도 1). SMA 와이어는 고정되고 클램핑 구조를 향해 웨이퍼를 통해 유도될 수 있으며, 여기서 SMA 와이어는 기계적으로 접합된다. 웨이퍼-레벨 집적은 예를 들어, 제2단계에서 할 수 있으며, 칩-레벨에서 더 접합할 수 있도록 한다. 그러나 본 본문의 초점은 웨이퍼-레벨 집적의 설계 및 개발이다.
이러한 집적 개념을 사용함으로서, 전체 웨이퍼는 높은 배치 정확도에서 SMA 와이어로 채울 수 있다. 또한, 와이어 본더의 사용은 높은 처리량 및 집적 공정의 높은 재현성을 제공한다. SMA 와이어의 완벽한 집적은 상온에서 이루어지며, 따라서, 일반적으로 90℃의 높은 온도에서 발생하는 SMA 변형의 트리거링(triggering)을 피하게 한다. 이러한 이유로 초기 변형된 SMA 와이어의 집적을 가능하게 한다. 또한, 이러한 집적 개념은 마이크로엑츄에이터(microactuator)를 구비한 마이크로 전자 장치와의 집적의 가능성을 제공하는 CMOS와 호환될 수 있다.
[참고도 2]
Figure pct00002
참고도 2: 집적 흐름의 단면도, 프리 에어 볼이 전기 방전에 의해 발생된다(a). 그 다음 이 볼은 엥커 구조안에 고정된다. SMA 와이어(직경 37.5 ㎛)는 두 번째 고정 구조로 전체 웨이퍼 영역에 걸쳐 공급되고 유도된다(b). SMA 와이어는 실리콘 캔틸레버(silicon cantilevers) 사이에 고정되어 있으며, 최종적으로 결합 모세관 및 높은 결합으로 와이어의 길이를 줄임으로써 마지막으로 절단한다(c).
제조
와이어의 후킹(hooking) 및 클램핑 구조가 100㎚ 실리콘 기판 위에 제조될 수 있다. 구조의 두 가지 유형이 이방성 및 등방성 DRIE 단계의 순서에 의해 실현될 수 있음을 보여준다. 모든 집적 구조의 식각은 STS ICP 에칭 반응기에서 수행된다.
두 고정 구조의 제조는 하나의 리소그래피(lithography)와 DRIE 공정이 각각 요구된다. 처음 리소그래피는 표준 포토레지스트로 수행되며, 스핀-코팅에 의해 적용된다. 두 번째 포토레지스트 적용은 깊은 에칭된 구조의 전체적인 보호를 보장하기 위해서 희석된 레지스트의 스프레이 코팅에 의해 수행되며, 이는 처음 DRIE 공정에 의해 만들어진다. 마지막 단계로 모든 포토레지스트 잔여물은 플라즈마 에싱(ashing)에 의해 제거된다.
도 1a와 도 3에 도시된 것과 같이 앵커 구조는 와이어의 시작 부분을 고정한다. 그것은 랜딩 영역(landing zone)과 앵커 부분(anchor part)의 두가지 기능적인 부분으로 구성된다. 랜딩 영역(landing zone)은 앵커 구조 안으로 SMA 볼의 저하를 가능하게 하고 그 다음 인접한 앵커 부분에 고정할 수 있게 한다. 식각의 기하학적 구조는 SMA 볼의 적절한 고정을 위해 중요하다. SMA 볼의 고정은 앵커 구조체 자체의 특정 언더컷(undercut) 식각 프로파일에 의해 이루어진다. 첫 번째 이방성 트렌치(trench)는 수직 측벽의 보호막(passivation) 뒤에 새겨진다. 이후에 등방성 식각은 이방성 식각 프로파일의 밑에 언더컷을 만든다.
와이어의 끝의 이 실리콘 구조는 두 개의 기능적인 부분, 즉, 클램핑 구조와 컷오프 영역(CUT-OFF ZONE)이 결합하는 것이다. 도 1b와 도 4는 한 쌍의 직면하는 수직의 캔틸레버를 갖는 클램핑 구조를 나타낸 것이다. 두 쌍의 직면하는 수직의 캔틸레버는 그들 사이에 SMA 와이어를 고정시킨다. 첫 번째 쌍은 SMA 와이어를 고정하고 조절한다. 두 번째 쌍은 절단(truncation)을 위해 SMA 와이어를 안정화시킨다. 클램핑 구조의 이방성 식각 프로파일은 캔딜레버의 상단에 있는 작은 챔퍼(chamfer)를 포함하고, 이는 짧은 등방성 식각에 의해 실현된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 챔퍼는 클램프에서 SMA 와이어의 일정한 높이를 보장한다.
그것은 와이어를 집적하는 등 Delvotec 5410와 같은 반자동 와이어 본더를 사용하는 것이 가능하다. 이것은 90℃의 변형온도를 갖는 직경 37.5㎛의 Flexinol®와 같은 초기 변형된 NiTi SMA 와이어를 상업적으로 사용할 수 있게 한다. 와이어가 이미 초기 변형되었기 때문에, 와이어를 초기 변형하기 위한 특별한 장치가 필요하지 않다. 도 2에 도시된 와이어 집적은 전기 방전에 의해 발생되는 프리 에어 볼을 형성하기 시작하며, 이는 국부적으로 결합 모세관의 첨단에서 와이어를 녹인다. SMA 와이어의 끝에 액체 금속은 롤-업(roll up)하고 자유 대기 볼을 형성한다. TiNi 합금은 글로 방전에 의해 신속하게 녹는 동안 공기중에서 산화되는 경향이 있기 때문에 전기 불꽃 오프(EFO: Electrical Flame Off)는 헬륨 대기에서 수행된다. 그 다음, 프리 에어 볼은 랜딩 영역안으로 하향조정하고, 이 후 인접한 앵커 부분에 걸려진다. 와이어 본더를 이용함으로서, SMA 와이어는 직면하는 캔틸레버 쌍 사이에 밀어 넣어지는 클램핑 구조에서 웨이퍼 위에 배치된다. 마지막으로 SMA 와이어는 결합 모세관과 높은 결합력을 와이어의 길이를 줄임(truncate)으로써 절단(cut-off)시킨다. SMA 와이어를 위한 집적 방법은 칩레벨에서 다른 집적 방법의 넓은 범위를 열고, 이것은 예를 들어, 폴리머 고정(polymer fixation)을 갖는 높은 성능의 액추에이터의 제조에 사용될 수 있거나, 개별 칩에서 역시 SMA 와이어를 고정하기 위한 클램프 구조를 사용하여 이용될 수 있다.
실험 결과
도 3은 세 단계로 결합 이방성 및 등방성 깊은 반응성 이온 식각에 의해 제작된 앵커 구조를 보여준다. underetch된 측벽 구조와 테이퍼드(tapered)(in-plane) 모두 그것의 앵커와 SMA 와이어를 안전하게 고정하는 설계이다. 이 설계는 불균일한 고정되거나 불균일한 사이즈의 프리 에어볼에도 매우 너그러우며, 따라서 SMA 와이어 고정 신뢰성을 보장한다.
[참고도 3]
Figure pct00003
참고도 3: 세 단계로 결합 이방성 및 등방성 깊은 반응성 이온 식각에 의해 제조된 앵커 구조의 SEM 이미지.
[참고도 4]
Figure pct00004
참고도 4: 하나의 클램프 형상에서 확대된 사진을 갖는 클램프 고정(clamp fixation)의 SEM 이미지. 와이어가 와이어 본더의 도움으로 직면하는 쌍의 캔틸레버 사이로 밀린다. 네 개의 유사한 클램프는 각 와이어의 고정에 사용할 수 있다.
참고도 4 에 나타난 바와 같이, 50×500×220㎛ 크기의 캔틸레버를 갖는 클램핑 구조는 SMA 와이어가 고정되기에 충분히 강한 클램핑 힘을 발생한다. 와이어 본더에 적용되는 1.2N에서 1.3N의 힘이 클램핑 구조안으로 와이어를 스냅(snap)하기에 필요하다.
와이어 집적의 마지막 단계는 와이어 절단이며 ,이는 스티치 본드에서 아날로그 수행되어지도록 할 수 있다. 그러나, 참고도 5에 나타난 바와 같이, 1.2N에서 1.3N의 매우 높은 결합력과 초음파의 사용은 와이어의 직선컷이 되도록하며, 종래의 와이어 본딩과 달리, 변형과 표면의 미세 용접이 없다. 이것은 기존의 와이어 본딩의 방법으로는 SMA 와이어를 고정하는 것이 실현 가능하지 않다는 것을 의미한다.
[참고도 5]
Figure pct00005

참고도 5: 절단된 SMA 와이어의 SEM 이미지. 높은 결합력과 초음파의 사용은 와이어의 직선컷이 되도록하며, 종래의 와이어 본딩과 달리, 변형과 표면의 미세 용접이 없다.
제시된 웨이퍼-레벨 집적 방법은 또한 칩-레벨에서 SMA 와이어의 정렬(alignment)을 포함한다. 이러한 집적 방법의 배치 정확도는 광학 조면계(optical profilometer), Wyko NT9300를 사용하여 분석된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이상적인 기하학적 앵커-투-클램프 센터라인(anchor-to-clamp center line)으로부터 평면 와이어 배치 편차(in-plane wire placement deviation)와 기판에서 와이어까지의 거리, 즉, 칩-레벨 모두 결정된다. 37.5㎛의 직경을 갖는 75㎜ 길이의 SMA 와이어 샘플은 100㎜ 실리콘 기판에 집적된다. 내면(in-plane) 평균 편차는 최대값 13.9㎛를 갖는 4.19±4.22(σ)㎛ 이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 기판에서 와이어의 외면(out-of-plane) 거리는 평균적으로 15.6±4.5(σ)㎛이고 최대값은 23.2㎛이다. 이것은 SMA 와이어의 칩-레벨 고정의 설계에서 중요한 측정이며, 다음 단계에서 예를 들어, 니켈 전기도금으로 수행될 수 있다. 또한, 앵커와 클램프 구조의 기계적인 견고함의 기본 평가는 단순한 액추에이터를 구현함으로서 수행된다. 이 액추에이터는 100㎜길이와 2㎜ 폭을 갖는 300㎛ 두께의 실리콘 캔틸레버에 기초하며, 차가운 상태에서 재설정되고 두 개의 병렬로 75㎜길이의 SMA 와이어가 집적하게 된다. 에너지 입력은 열 접촉을 향상시키기 위해 한 쪽에 엑추에이터가 고정되어 있는 열판에 의해 제공된다.
도 7a는 구동 및 유휴 위치에서 두 엑추에이터의 단면을 보여준다. 도 7b는 반 작동상태의 엑추에이터를 도 7c는 완전히 작동되는 상태에서의 엑추에이터를 도시한다. 이것은 SMA 와이어 고정 요소는 와이어 데이터 시트에 따라 200mN의 SMA 와이어에 의해 발생되는 힘을 견뎌낼 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 작동은 실패없이 몇 백번을 반복하여 수행되었다.
[참고도 6]
Figure pct00006
참고도 6: 75㎜의 길이와 37.5㎛의 직경을 갖는 SMA 와이어의 정렬 정확도를 위해 백광 간섭 측정 데이터를 보여준다. 도면에 나타난 바와 같이, 외면(out-of-plane) 측정(파란색 직선 그래프)은 와이어와 기판사이의 거리를 결정하고 내면(in-plane) 측정(빨간색 점선 그래프)은 이상적인 기하학적 앵커 투 클램프 센터 라인으로부터, 측면 와이어 배치 편차를 결정할 수 있다.
[참고도 7]
Figure pct00007
참고도 7: 제시된 와이어 고정 방법의 기계적 안정성을 확인하기 위해서, 75㎜길이의 두 개의 SMA 와이어는 3×100㎚의 크기의 실리콘 칩에 병렬로 직접되었다. 도 7a는 단면도이고, 적색의 점선은 칩의 뜨거운 상태를 나타낸다. 도 7b는 70℃ 온도의 열판에서 약간 작동되는 장치의 이미지를 보여주며, 도 7c는 90℃로 증가한 온도에서의 작동을 나타낸다.
논의 및 결론
표준 와이어 본더 장치를 사용하는 형상기억합금 와이어의 웨이퍼-레벨 집적은 성공적으로 입증되었다. SMA 와이어 집적은 반자동 와이어 본더로 수행되더라도, 이 작업에서 우수한 위치 정확도는 수행될 수 있다. 광 패턴 인식 및 정렬 시스템을 갖는 전자동의 와이어 본딩 장치의 사용은 이러한 결과를 증진시키며, 대량 생산을 위한 기술의 실행이 가능하도록 한다. SMA 와이어의 앵커 및 클램핑은 우수한 강도를 나타낸다.
감사의 글
저자는 SMA 와이어의 공급과 그들의 지원에 대해 Johnson Matthey Plc에 감사드린다.
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11) DYNALLOY, Inc.,"Technical characteristics of flexinol actuator wires", Datasheet, F1140Rev H, pp. 6

Claims (2)

  1. 기판에 와이어를 접합하는 방법으로,
    상기 와이어가 상기 기판에 3D 구조안에 기계적으로 접합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 와이어가 접합된 기판을 포함하는 장치로서,
    상기 와이어가 상기 기판에 3D 구조안에 기계적으로 접합하는 것을 특징으로 하는 장치.
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