KR20230169106A - Mems 셀에 기준 가스를 포집하는 방법 - Google Patents
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Abstract
제1면에서, 본 발명은 밀폐 밀봉된 가스로 채워진 기준 챔버를 생산하는 방법에 관한 것이다. 이로써, 상기 기준 챔버를 채우는 가스는 상기 기준 챔버를 형성하는 웨이퍼의 결합 후에만 별도의 코팅 챔버의 개구부를 통해 도입된다. 상기 기준 챔버는 MEMS 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 본 발명은 MEMS 센서가 존재하는 기준 챔버를 포함하는 광음향 가스 센서에 관한 것이다.
다른 측면에서, 본 발명은 MEMS 센서가 존재하는 기준 챔버를 포함하는 광음향 가스 센서에 관한 것이다.
Description
제1측면에서, 본 발명은 가스로 채워진 밀봉된 기준 챔버(gas-filled reference chamber)를 생산하는 방법에 관한 것이다. 이에 따라, 기준 챔버를 형성하는 웨이퍼가 접착된 후, 기준 챔버를 채우는 가스는 별도의 코팅 챔버의 개구부를 통해 유입된다. MEMS 장치는 상기 기준 챔버에 설치하는 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 본 발명은 MEMS 센서가 존재하는 기준 챔버를 포함하는 광음향 가스 센서(photoacoustic gas sensor)에 관한 것이다.
광음향 분광학(PAS)은 광음향 효과를 기반으로 하는 물리적 테스트 절차이며 광범위한 응용 분야를 가지고 있다.
PAS의 응용 분야 중 하나는 매우 미세한 농도의 가스를 감지하는 것이다. 여기서는 강도 변조된 적외선이 가스에서 감지되는 분자의 흡수 스펙트럼의 주파수와 함께 사용된다. 이 분자가 빔 경로에 존재하면 변조된 흡수가 발생하여 시간 규모가 방사선의 변조 주파수를 반영하는 가열 및 냉각 과정으로 이어진다. 가열 및 냉각 과정은 가스의 팽창과 수축으로 이어져 변조 주파수에서 음파를 발생시킨다. 그런 다음 마이크나 유량 센서와 같은 소리 감지기로 측정할 수 있다.
한 가지 예는 연구 및 공조 기술에서 중요한 역할을 하는 CO2 감지이다. 그러나 독성 가스뿐만 아니라 암모니아 NH3와 같은 폭발성 또는 부식성 가스도 감지해야 하는 경우에도 응용 분야가 적합하다.
특히 암모니아(NH3)의 경우 산업과 자연 분야에서 이미 수많은 응용 분야가 있다.
예를 들어, 암모니아는 냉장 창고, 양조장, 도살장에서 냉매로 사용된다. 대형 냉동공장에도 사용할 수 있다. 20세기 중반에 암모니아는 종종 염화불화탄소(CFC)로 대체되었으며, 이는 오늘날 사용이 금지되었다. 그럼에도 불구하고 암모니아는 우수한 열역학적 특성으로 인해 산업용 냉동에서 중요한 역할을 항상 유지할 수 있었다.
암모니아는 종종 냉동 공정에 사용하기 위해 합성으로 생산된다는 사실에도 불구하고 이를 천연 냉매라고 한다. NH3는 주로 유기질소 물질이 분해되는 동안 생성된다. 요즘에는 냉장 창고용 대형 냉동 시스템과 공항, 사무실 건물, 생산 홀 또는 스포츠 시설의 에어컨에 냉매로 사용된다.
그러나 암모니아는 특히 구리 재료에 부식성이 있다. 따라서 암모니아를 냉매로 사용하는 시스템의 배관은 강철로 제작되어야 한다. 암모니아도 어느 정도 독성이 있고 가연성이 있기 때문에 이러한 시스템의 구축, 운영 및 유지 관리에는 특별한 안전 규정이 필요하다.
농축된 형태의 암모니아 증기는 눈과 호흡기 자극을 유발할 수 있다. 농도가 높아지면 점막과 폐가 손상될 수 있으며 최악의 경우 사망에 이를 수 있다. 또한 암모니아는 물에 유해한 것으로 분류된다. 이는 물에 쉽게 용해되므로 토양에 침투하여 지하수에 대한 피해를 어떻게 해서든 피해야 한다.
또한 암모니아는 폭발성이 있다(점화 온도 약 630℃).
위와 같은 이유로 암모니아 누출 가능성을 조기에 감지하는 것이 중요하다. 높은 감도로 인해 PAS는 암모니아 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있는 탁월한 가능성을 제공한다. 이러한 목적을 위한 여러 장치가 선행 기술에 알려져 있다.
Peng et al. 2016에서 고온 환경에서 암모니아를 감지할 수 있는 센서가 공개되었다. 길이 약 1.8m의 원통형 측정 챔버에 조사하는 양자 캐스케이드 레이저가 사용된다. 또한, 측정 챔버 자체가 가열되고 주변 환경으로부터 공기를 공급하여 내부에 흐름이 생성된다. 또한 챔버 내의 흐름을 제어하기 위해 CH4(메탄) 및 1% NH3/Ar(암모니아/아르곤)과 같은 다른 화합물이 도입된다. 공진기 끝에는 양자 캐스케이드 레이저의 신호 강도를 측정하는 검출기가 있다. 측정 챔버로 유입되는 공기 중 암모니아 비율이 높을 경우 양자 캐스케이드 레이저의 빔이 흡수된다. 따라서 더 약한 신호도 감지기에 등록된다. 약 1.8m 길이의 측정 챔버를 갖춘 이 장치는 산업용으로 설계되었으므로 유연하게 사용할 수 없다. 또한 온도 분포를 측정하는 열전대, 공진기 끝 부분에 BaF2(불화바륨) 코팅된 창, 공진기용 열 재킷 등 다른 구성 요소가 추가된다. 이는 장치의 구성을 비용이 많이 들게 하고 설계를 복잡하게 만든다.
Schilt et al. 2004에서, CO2 레이저(이산화탄소 레이저)가 광음향 측정 셀에 조사된다. 이는 원통형 공진기와 두 개의 버퍼 볼륨으로 구성되며, 두 개의 버퍼 볼륨은 음향 필터 역할을 한다. 마이크는 공진기 끝에 위치해 있다. 또한 레이저 빔의 강도를 측정하는 반도체 감지기가 있다. 측정 원리는 Peng et al. 2016과 동일하다. CO2 레이저의 빔 경로에 암모니아의 일부나 분자가 있으면 레이저 방사선의 일부가 흡수된다. 공진기에 암모니아가 없으면 측정된 압력 신호는 최대이다. 단점은 두 개의 버퍼 볼륨에 위치한 개구부로 인해 발생한다. 이러한 개구부를 통해 원칙적으로 다른 가스가 공진기로 확산되어 측정 신호가 왜곡될 수 있다.
Bonilla-Manrique et al. 2019에는 두 개의 버퍼와 원통형 공진기를 포함하는 공진 가스 셀이 설명되어 있으며, 원통형 공진기는 두 개의 버퍼를 연결한다. 공진기의 길이는 88mm이고, 두 개의 버퍼는 각각 44mm의 길이를 가지므로 전체 장치의 크기는 176mm이다. 마이크와 얇은 다이어프램이 공진기 위에 배치되어 음향 탐지기 역할을 한다. 마이크는 공진기를 통해 들어오고 다이어프램은 외부 반대쪽에 부착되어 공진기 중앙에 배치된다. 또한 광음향 효과로 인해 진동판이 진동하게 된다. 실험 설정에서는 두 개의 버퍼 중 하나에 의해 외부화되는 가스 유입구와 다이어프램에 레이저 빔이 조사된다. 이 과정에서 측정 셀은 이미 5000ppm NH3로 채워져 있다. 결과적으로 Bonilla-Manrique et al. 2019의 장치도 거시적인 차원을 가지고 있다. 또한 CO2(이산화탄소), H2O(물) 등 레이저 광선을 흡수할 수 있는 다른 분자의 유입으로 인해 측정 신호가 왜곡되지 않은 상태로 유지된다는 보장은 없다.
선행 기술에 비추어 볼 때, 따라서, 소형화로 인해 더 광범위한 용도를 갖는 챔버 또는 측정 셀에 잠재적으로 독성, 부식성 및/또는 폭발성 가스를 확실하게 밀봉하는 대체 장치 및/또는 방법에 대한 관심이 있다.
US 6,124,145에는 가스, 특히 CO2가 2개 이상의 웨이퍼 내에 채워질 수 있는 방법이 개시되어 있다. 이 공정에서, 캐비티가 도입된 첫 번째 웨이퍼는 웨이퍼 내에 위치할 가스로 채워지는 결합 챔버에 배치된다. 그런 다음 두 번째 웨이퍼는 결합 챔버 내에서 첫 번째 웨이퍼에 결합되어 가스를 포함하는 두 개의 웨이퍼로 구성된 챔버 또는 셀을 생성한다. 그러나 이 방법은 암모니아와 같은 부식성 또는 폭발성 가스를 밀봉하는 데에는 적합하지 않는다.
한편, 접착에는 고온이 필요하다. 이는 암모니아와 같이 해당 결합 온도에서 가연성 또는 폭발성 가스가 챔버에 포함될 수 없음을 의미한다. 그렇지 않으면 웨이퍼나 본딩 챔버 자체가 손상되거나 최악의 경우 파손될 수 있다. 또한, 이 방법으로는 전자 회로나 센서와 같은 MEMS 장치가 있는 웨이퍼에서 챔버를 형성하고 암모니아와 같은 부식성 가스로 채우는 것이 쉽게 불가능하다. 이는 암모니아의 부식성으로 인해 해당 전자 회로나 MEMS 장치가 손상될 수 있기 때문이다. 또한, 접착 과정 자체에도 일정 시간이 소요되며, 부식성 가스의 반응성이 좋은 조건(온도 등)도 있다.
선행 기술에서는 가스를 소형 시스템으로 전달하는 목적을 추구하는 추가 방법 및 장치가 알려져 있다.
예를 들어, US 2018/0339900 A1은 적어도 두 개의 센서가 위치하는 MEMS 장치를 생산하는 방법을 개시한다. 제1 센서는 회전율 센서인 것이 바람직하고, 제2 센서는 가속도 센서인 것이 바람직하다. 두 개의 센서는 웨이퍼 스택에 형성되지만 별도의 영역에 있다. US 2018/0339900 A1은 발생 온도에서 H2(수소)와 같은 가스 또는 헬륨 및 네온과 같은 가벼운 비활성 가스가 산화물 층 및 기타 층을 통해 확산되는 것을 방지하는 것을 목표로 한다. 예를 들어, H2는 가속도계에서 회전율 센서로 확산될 수 있다. 문제를 해결하기 위해 생산 공정에서는 먼저 MEMS 웨이퍼와 캡 웨이퍼를 제공하고 두 센서에 대해 MEMS 웨이퍼에 MEMS 구조를 형성한 다음 MEMS 웨이퍼를 캡 웨이퍼로 밀봉한다. 두 개의 웨이퍼를 밀봉한 후 첫 번째 접근 구멍이 형성된 다음 첫 번째 압력이 첫 번째 센서의 캐비티에 전달되고 마지막으로 접근 구멍이 밀봉된다. 두 번째 센서에도 유사한 방법이 사용된다. 이는 두 가지 서로 다른 내부 압력이 공동에 존재할 수 있도록 하기 위한 것이다. 특히, 결합 후, 예를 들어 산소, 오존 및/또는 정의된 플라즈마를 도입하기 위해 H2가 제2 센서(가속도계)의 공동으로부터 제거되는 것도 고려된다. 접근 구멍의 형성은 레이저에 의해 수행된다. 접근 구멍의 밀봉도 레이저를 사용하여 수행된다.
US 2014/0038364 A1은 마이크로 전자 장치를 캡슐화하는 방법을 개시한다. 마이크로 전자 장치는 제1 기판 위에 위치하며 결합 챔버에서 제2 기판에 결합된다. 제2 기판은 결합 후에 마이크로전자 장치가 웨이퍼 스택 내에 위치하도록 공동을 갖는다. 캐비티에 주입되는 가스는 희가스이다. 제2 기판은 희가스에 대해 투과성인 영역을 갖는다. 여기서, 제2기판에는 캐비티 내부로 유입되는 희가스에 대해 불투과층을 코팅한 후 개구부를 형성한다. 비활성 가스를 밀봉하기 위해 주입된 헬륨이 투과되지 않는 또 다른 층이 적용된다. 설명된 희가스보다 반응성이 더 큰 가스를 도입하는 방법은 개시되어 있지 않는다.
US 2020/0057031 A1은 광음향 가스 센서용 검출기 모듈을 개시한다. 검출기 모듈은 제1 기판과 제2 기판이 서로 접착될 수 있도록 구성되며, 오목부에는 기준 가스가 기밀하게 채워질 수 있다. 기준 가스는 결합 중에 또는 결합 후에 제1 기판 또는 제2 기판에 관통 구멍을 형성하고 이어서 밀봉함으로써 기준 가스 분위기에서 리세스 내로 도입될 수 있다. 기준 가스는 CO2, NOx, H2O, O2 , N2 , CH4 또는 알코올로 구성된 그룹에서 선택된다. 코팅 챔버 내에서 리세스를 가스로 채우는 것은 설명되지 않는다.
US 2021/0055207 A1에는 광음향 가스 센서용 검출기 셀도 개시되어 있다. 여기서 봉입할 가스의 가스분위기가 생성되어 결합시 캐비티 내에 봉입될 수 있다.
US 2019/0353157 A1은 유체 제어로서 및/또는 가압을 수행하기 위해 사용될 수 있는 소형 운송 장치를 개시한다. 소형 이송 장치와 소형 밸브 장치를 조립할 수 있으며, 입구를 통해 가스가 유입될 수 있다. 압전 액츄에이터를 통해 가스는 복수의 압력 챔버를 통해 흐르고 이송 방향으로 연속적으로 흐를 수 있다. 가스는 사용자가 가스의 양을 결정하거나 주변 압력이 증가할 때 방출될 수 있다.
US 2007/0295456 A1은 웨이퍼 결합용 재료를 기술하고 있다. 결합재는 절연성 접착 능력에 더해 전기 전도성 입자를 함유하고 있다는 특징이 있다. 특히 MEMS 장치의 작동을 위해 결합 챔버에 캡슐화될 가스와 공기가 교환될 수 있다는 것이 추가로 개시된다. 여기에 공개된 가스는 폭발성이 없지만 불활성이다.
US 2003/0183916 A1은 MEMS 장치를 패키징하는 방법을 개시한다. 일 실시예에서, 공동이 원하는 압력에서 원하는 주변 가스를 포함하도록 제어된 환경에서 밀봉 프로세스가 수행될 수 있다. 이를 위해 개구부는 MEMS 소자가 손상되지 않도록 충분히 멀리 위치하도록 설명한다. 개구부를 밀봉하기 위한 커버 또는 밀봉 구성요소(패치)도 개시되어 있다.
US 2020/0198964 A1은 웨이퍼 스택 내에 MEMS 장치를 장착하기 위한 캡슐화 프로세스를 다루고 있다. 여기서, 개구부는 홀 밀봉층에 의해 밀봉될 수 있으며, 이는 코팅 자체에 의해 가능해진다.
MEMS 셀 내의 MEMS 장치나 전자 회로를 손상시키지 않고 부식성 및/또는 폭발성 가스를 MEMS 셀에 도입하고 밀봉하는 안전하고 신뢰할 수 있는 생산 방법은 알려져 있지 않는다. 특히, 광음향 가스 센서의 생산 중에 부식성 및/또는 폭발성 가스의 확실하고 안전한 도입은 선행 기술에서는 명백하지 않는다. 따라서, 사용자를 위해 MEMS 셀에 가스를 보다 효율적이고 안전하게 도입할 필요가 있다.
<발명의 목적>
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하는 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적 중 하나는 부식성 및/또는 폭발성 가스의 밀폐형 설계와 컴팩트한 디자인이 특징인 안정적이고 안전하게 생산될 수 있는 장치를 사용하여 부식성 및/또는 폭발성 가스의 PAS(photoacoustic spectroscopy)를 가능하게 하는 것이다. 또한 생산방법이 간단하고 저렴해야 하며, 대량생산에 적합해 다양한 분야에 응용이 가능하다.
<발명의 요약>
본 발명의 목적은 독립항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에 기술되어 있다.
제1양태에서, 본 발명은 내부에 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 존재하는 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하는 방법(method for producing a gas-filled reference chamber within which a MEMS device and/or electronic circuit is present)에 관한 것으로, 상기 방법은
a) 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 제공하는 단계, 여기서 제1웨이퍼와 제2웨이퍼 중 적어도 하나는 캐비티를 포함하고, 여기서 MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 제1 및/또는 제2웨이퍼 상에 존재함;
b) 기준 가스(reference gas)로 채워질 수 있는 볼륨을 형성하기 위해 결합 챔버(bonding chamber) 내에서 상기 제1웨이퍼를 제2웨이퍼에 결합하는 단계, 여기서 결합 후에는 상기 두 개의 웨이퍼가 접촉하는 영역에 개구부가 남거나, 결합 전 또는 후에 제1 및/또는 제2웨이퍼에 개구부가 형성됨;
c) 코팅 시스템 내의 상기 개구부를 통해 상기 기준 가스를 기준 챔버에 가득 채우는(flooding) 단계,
d) 상기 코팅 시스템 내의 상기 기준 챔버의 개구부를 밀봉하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 기준 챔버 내로 도입될 가스가 상기 결합 프로세스 동안 상기 결합 챔버 내에 존재하지 않는다는 점에서 미국 특허 제6,124,145호와 상이하다. 이러한 종래 기술 방법은 기준 챔버에 포함될 가스의 선택을 크게 제한한다. 결합 과정에서 고온이 발생하기 때문이다. 어떤 결합 방법을 사용하느냐에 따라 250℃에서 최대 1000℃의 온도 범위가 가능하다. 미국 특허 번호 제6,124,145호의 방법을 사용하면 이러한 온도 및 해당 압력 조건에서 가연성 또는 폭발성 가스를 도입할 수 없다. 이러한 일이 이루어지면 전체 실험 장치, 특히 결합 챔버가 손상되거나 심지어 파괴될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 방법은 점화 온도가 630℃인 기준 챔버에 암모니아를 도입할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 또한 부식 효과가 있는 가스가 기준 챔버에 유입되어 밀봉되게(enclosed) 한다. 이는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 기준 챔버에 존재하는 경우 특히 중요하다. 미국 특허 제6,124,145호에 공지된 방법으로, 존재할 수 있는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로를 손상시키지 않고 기준 챔버에 부식 효과가 있는 가스를 밀봉하는 것은 불가능하다. 미국특허 제6,124,145호에 공지된 방법을 이용하는 경우, MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 부식성 가스(corrosive gas)가 전체 결합 챔버 내에 넘치기(flood) 때문에 다량의 부식성 가스로 둘러싸이게 된다.
특히, 미국 특허 제6,124,145호에서, 결합 프로세스는 결합 챔버가 밀폐될 가스로 채워진 후에 발생한다. 상기 결합 과정은 일정시간이 걸리기 때문에, 상기 MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 결합에 필요한 시간 동안 부식성 가스로 둘러싸여 있을 수 있으며, 동시에 결합 챔버에 있는 산소도 반응을 촉진할 수 있다. 따라서, MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 다량의 부식성 가스에 의해, 그리고 부식성 가스에 노출되어 결합에 필요한 체류 시간에 의해 손상될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히 상기 기준 가스가 코팅 챔버 내부에 도입된다는 점에서 US 2014/0038364 A1과도 다르다. 대조적으로, US 2014/0028264 A1에서는 가스가 결합 챔버의 공동으로 주입된다. 그러나 이는 결합 중에 폭발성 및/또는 반응성 가스가 폭발과 같은 바람직하지 않은 반응을 수행할 수 있는 온도가 있기 때문에 주입할 가스의 선택을 상당히 제한한다. US 2014/0028264 A1에서는 이러한 이유로 비활성인 희가스(noble gas)만이 MEMS 셀의 공동에 주입하기 위한 가스로 사용된다. 그러나 본 발명에 따르면, 상기 기준 가스의 주입은 코팅 챔버에서 수행된다. 유리하게는, 이는 또한 예를 들어 헬륨과 달리 암모니아와 같이 해당 결합 온도에서 결합 챔버에 가연성 또는 심지어 폭발성인 가스가 유입될 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 선행 기술에 비해 상당한 개선을 달성하며, 폭발성 및/또는 부식성 가스를 기준 챔버에 안전하게 유입하고 밀봉하는 것이 가능하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 방법에서, 상기 기준 가스는 바람직하게는 기준 챔버의 볼륨에 직접 채워질 수 있다. 이로써 상기 기준 가스는 코팅 챔버에 가득 채워지고 기준 가스는 즉시 밀봉된다. 따라서, 기준 가스는 바람직하게는 브라운 분자 운동(Brownian molecular motion)으로 인해 자연적으로 발생하는 물리적 과정인 확산에 의해 기준 챔버의 볼륨으로 들어갈 수 있다. 대조적으로, US 2018/0339900 A1에서는 거기에 설명된 두 개의 센서 중 하나가 위치하는 볼륨을 채우기 위해 교환 프로세스(exchange process)가 발생한다. US 2018/033990 A1은 예를 들어 H2가 제2 센서의 공동(cavity)으로부터 제거되고 이어서 산소, 오존 및/또는 정의된 플라즈마로 채워져 가스 교환이 발생함을 개시한다. 특히, US 2018/033990 A1에 언급된 가스는 MEMS 요소의 표면을 적어도 부분적으로 침투하여 수소와 반응할 수 있거나, 표면에 흡착된 경우 고체에 용해된 수소의 방전 에너지를 감소시킬 수 있다. 이러한 결합 반응 또는 교환은 본 발명에 따른 방법에서는 방지된다.
또한, US 2018/033990 A1에서는 코팅 시스템 내에서 센서 공동의 충전이 발생하지 않으므로 상기 코팅 시스템을 사용하여 기준 챔버의 개구부를 밀봉할 수 있다. 대신 레이저를 사용해 개구부를 밀봉한다.
선행 기술의 단점은 본 발명에 따른 방법에 의해 회피되거나 제거된다. 본 발명에 따른 방법에서, 개구부를 포함하는 MEMS 셀이 제공되고, 이어서 밀봉될 가스로 채워진다. 이 방법에서는 먼저 두 개의 웨이퍼를 사용하여 기준 챔버를 형성한다. 이는 결합 챔버 내에서 결합 프로세스를 통해 수행된다. 겹합 후에도 기준 챔버의 볼륨에 대한 개구부가 남아 있을 수 있다. 그러나 결합 전이나 후에 두 개의 웨이퍼 중 하나에 개구부를 만들 수도 있다. MEMS 셀이 형성되는 결합 공정 후에는 코팅 시스템으로 옮겨진다.
그런 다음 상기 코팅 시스템에는 상기 MEMS 셀에 포함될 가스가 가득 채워지고,상기 개구부를 통해 MEMS 셀의 볼륨으로 확산된다. 다음 단계에서는 개구부를 밀봉한다. 특히, 폭발성 및 부식성 효과를 갖는 암모니아는 본 발명에 따른 방법에 의해 MEMS 셀에 봉입될 수 있다. 그러나 이러한 악화(aggravating) 특성을 갖는 다른 가스도 이 방법을 통해 MEMS 셀에 포함될 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 방법은 특히 그 안에 존재하는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로를 손상시키거나 파괴하지 않고 상기 MEMS 셀에 부식성 및/또는 폭발성 가스를 가두는 데 사용될 수 있다. 이는 MEMS 셀로의 가스 도입이 더 잘 제어된다는 사실에 기인한다. 한편으로는 코팅 시스템의 결합 공정 하류에서 플러딩(flooding)이 발생하고 다른 한편으로는 상기 개구부를 더 작은 크기로 설계하거나 추가 밀봉 메커니즘을 제공할 수 있다. 따라서 가스는 타이밍, 농도 및 기간 측면에서 극도로 제어된 방식으로 MEMS 셀에 도입될 수 있다.
또한, 반응성이 낮은 조건, 특히 더 낮은 온도가 결합 챔버 내부보다 밀봉할 가스로 가득 찬 코팅 시스템 내부에 존재한다.
본 발명의 목적을 위해, MEMS 셀은 바람직하게는 2개 이상의 웨이퍼를 포함하고 그 내부에 MEMS 장치가 존재하는 장치를 의미한다. 이러한 맥락에서, MEMS 셀이라는 용어는 일반적인 용어로 해석될 수 있다. MEMS 셀은 밀봉될 수 있는 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있다. MEMS 셀도 기준 챔버로 사용될 수 있다. MEMS 셀이라는 용어는 MEMS 기반 기술과 관련하여 자주 나타나며 당업자에게 친숙하다.
본 발명의 목적을 위해, 상기 기준 챔버는 2개 이상의 웨이퍼에 의해 형성되고 2개 이상의 웨이퍼에 의해 형성된 볼륨을 포함하는 공동을 지칭한다. 즉, 2개 이상의 웨이퍼가 하나의 볼륨을 형성하고 웨이퍼 전체와 결과 볼륨(resulting volume)이 기준 챔버에 포함되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 기준 챔버는 가스로 채워질 수 있다. 바람직하게는, 이는 기준 챔버가 기준 챔버의 볼륨을 채우기 위해 존재하는 하나 이상의 개구부를 포함한다는 것을 의미할 수 있다. 기준 챔버 내의 가스를 바람직하게 유지하거나 둘러싸기 위해, 개구부는 재밀봉 가능하도록 배치된다. 이로 인해 환경과의 가스 교환이 불가능하다는 이점이 있다. 기준 챔버에 주입되거나 이미 주입된 가스를 기준 가스라고도 한다.
바람직하게는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 기준 챔버 내에 위치한다. 본 발명의 목적을 위해, MEMS 장치는 MEMS 기술을 기반으로 하는 부품 또는 구성요소이다. MEMS는 영어 용어인 microelectromechanical system, 즉 마이크로 시스템을 의미하며, 이를 통해 점점 더 낮은 생산 비용으로 우수한 기능성을 동시에 달성하면서 소형(마이크로미터 범위) 설계를 달성한다. MEMS 장치는 예를 들어 MEMS 센서 또는 MEMS 액추에이터일 수 있다. 많은 MEMS 장치가 종래 기술에 알려져 있다. 유리하게도, 본 발명에 따른 방법은 다양한 MEMS 장치가 기준 챔버에 배치되고 손상 없이 부식성 및/또는 폭발성 가스로 채워지는 것을 허용한다.
본 발명의 의미 내에서, 전자 회로는 기능적 배열을 형성하기 위한 개별 전기 또는 전기 기계 요소의 조합을 의미한다. 바람직하게는, 전자 회로는 데이터 또는 전기 신호가 전송, 수신 및/또는 처리되도록 허용한다.
MEMS 장치는 종종 제어 및/또는 평가를 위한 전자 회로와 함께 기판에 배열되고 예를 들어 상기 기판에 배치된 와이어 본드 및/또는 도체 트랙에 의해 제공되는 전기 연결을 통해 후자와 접촉한다. 상기 기판은 특히 캐리어 역할을 하며 개별 구성 요소에 전기 연결을 제공하는 등의 전기 기능을 실현할 수도 있다.
바람직한 전자 회로는 비제한적으로 집적 회로(IC), 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그래밍 가능 논리 장치(PLD), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 마이크로프로세서, 마이크로컴퓨터, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러 및/또는 기타 전자 장치, 바람직하게는 프로그래밍 가능 회로를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 2개의 웨이퍼가 초기에 제공되며, 적어도 제1웨이퍼 및/또는 제2웨이퍼는 공동을 포함하고, MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 제1 및/또는 제2웨이퍼 상에 존재한다.
본 발명의 목적을 위해, 공동(cavity)은 바람직하게는 웨이퍼의 만입부 또는 함몰부(indentation or depression)를 지칭한다. 유리하게는, 제1 및/또는 제2웨이퍼 상의 하나 이상의 공동의 존재는 2개의 웨이퍼를 결합함으로써 기준 챔버 내에 적절한 볼륨을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 제1 및/또는 제2웨이퍼의 공동은 두 웨이퍼의 결합 후에 기준 챔버를 형성한다.
예를 들어, 웨이퍼는 밀리미터 또는 서브밀리미터 범위의 두께를 갖는 원형 또는 사각형 디스크를 나타낼 수 있다. 웨이퍼는 일반적으로 잉곳(ingot)으로 알려진 단결정 또는 다결정(반도체) 블랭크로 만들어지며 일반적으로 코팅이나 부품, 특히 MEMS 장치 및/또는 전자 회로의 기판 역할을 한다. 웨이퍼에 대한 기판이라는 용어의 사용은 또한 선행 기술에 공지되어 있으며, 여기서 기판은 바람직하게는 처리될 물질을 지칭한다. 본 발명의 목적을 위해, 웨이퍼 및 기판이라는 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 2개의 웨이퍼는 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 이산화규소, 탄화규소, 실리콘 게르마늄, 질화규소, 질화물, 게르마늄, 탄소, 갈륨 비소, 질화 갈륨, 인듐 인화물 및/또는 유리(monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbons, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, and/or glass)로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다.
이러한 재료는 반도체 및/또는 마이크로시스템 기술에서 가공하기가 특히 쉽고 저렴하며 대량 생산에도 매우 적합하다. 마찬가지로, 이러한 물질은 특정 분야에서 원하는 전기적, 열적 및/또는 광학적 특성을 달성하기 위해 도핑 및/또는 코팅에 특히 적합하다. 앞서 언급한 재료는 표준화된 제조 기술의 유용성으로 인해 다양한 이점을 제공하며, 이는 전자 회로와 같은 추가 구성 요소의 통합에도 특히 적합하다.
바람직하게는, MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 두 개의 웨이퍼 중 하나의 공동 내에서 발견된다.
바람직한 실시예에서, 상기 2개의 웨이퍼는 결합(bonding)에 의해 기준 챔버로 형성된다. 바람직하게는, 상기 결합은 결합 챔버 내에서 일어난다. 본 발명의 맥락에서, 결합 챔버는 웨이퍼가 함께 결합되도록 배치되는 장치를 의미한다.
상기 웨이퍼의 결합은 바람직하게는 예를 들어 실리콘, 석영, 유리 및/또는 앞서 언급한 바람직한 기판 재료로 만들어진 두 개의 웨이퍼 또는 슬라이스가 함께 결합되는 반도체 및 마이크로시스템 기술의 공정 단계를 설명한다.
바람직하게는 다양한 공정을 결합에 사용할 수 있다. 바람직하게는, 이들은 본 발명의 의미 내에서 결합 공정 또는 결합 방법으로도 지칭된다. 바람직한 결합 공정에는 직접 결합, 양극 결합, 중간층과의 결합, 유리 프릿 결합, 접착 결합 및/또는 선택적 결합(direct bonding, anodic bonding, bonding with intermediate layers, glass frit bonding, adhesive bonding and/or selective bonding)이 포함된다.
특히 실리콘 웨이퍼의 직접 결합에서는 웨이퍼의 친수성 표면과 소수성 표면이 고온에서 접촉되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 하나의 웨이퍼가 다른 웨이퍼에 대해 중앙에서 가압되어 제1 접촉 지점(first contact point)을 생성한다. 상기 접촉 영역에서의 이러한 기계적 연결은 바람직하게는 수소 결합 및/또는 반 데르 발스 상호작용에 기초한다. 이렇게 연결된 접촉 영역은 바람직하게는 초기에 이들 표면 사이에 존재했던 스페이서를 연속적으로 제거함으로써 나머지 웨이퍼 표면(들)까지 확장된다. 이에 따라, 프로세스 온도는 바람직하게는 1000℃ 내지 1200℃이고, 예를 들어 10메가파스칼(MPa) 내지 25MPa 정도의 압력이 웨이퍼에 가해진다. 2개의 실리콘 웨이퍼 및/또는 이산화규소 웨이퍼를 결합하기 위해 직접 결합이 바람직하게 사용될 수 있다.
양극 결합(anodic bonding)에서는 Na+ 이온 농도(바람직하게는 양으로 하전된 나트륨 이온)가 증가된 유리가 사용되며, 이는 바람직하게는 실리콘 웨이퍼와 접촉하게 된다. 이 공정에서는 특히 유리에 음극성(negative polarity)을 생성하도록 구성된 전압이 적용된다. 따라서, 바람직하게는 특히 상승된 공정 온도의 도움으로, 나트륨 이온(Na+)이 전극으로 확산되어 공간 전하 구역이 경계면에 형성되는 것이 바람직하며, 이는 전기장의 증가를 유발하고 Si-O-Si 결합을 생성한다. 이러한 결합은 바람직하게는 유리와 실리콘 사이의 전체 상호 연결 표면까지 연속적으로 확장된다. 이러한 방식으로 특히 유리와 실리콘 웨이퍼를 함께 접착할 수 있다. 공정을 적절하게 적용하면 두 개의 실리콘 층 및/또는 실리콘 금속 층을 유리에 접착하는 것도 가능하다. 양극 결합은 바람직하게는 약 400℃의 온도에서 일어날 수 있고, 마찬가지로 바람직하게는 약 180℃의 "낮은 온도"에서 일어날 수 있으며, 바람직하게는 결합될 재료를 보존한다. 바람직하게는, 전술한 다양한 재료가 또한 결합될 수 있다.
바람직하게는, 소위 공융 결합(eutectic bonding)과 같은, 결합될 웨이퍼 사이의 소위 중간층을 이용한 결합 프로세스도 사용될 수 있으며, 이는 바람직하게는 Si-Au(실리콘 금) 또는 Ge-Al(게르마늄 알루미늄)과 같은 중간층으로서 공융 합금(eutectic alloy)을 통한 결합을 기반으로 한다. 공융 합금은 특정 온도에서 전체 합금이 액체 또는 고체가 되는 비율로 구성 성분이 혼합되는 합금인 것이 바람직하다. 예를 들어, 공융 결합은 두 개의 실리콘 웨이퍼를 결합하는 데 사용될 수 있다. 그러나 바람직하게는, 앞서 언급된 다른 재료들도 결합될 수 있다.
유리 프릿 결합(Glass frit bonding)은 또한 바람직하게는 결합될 웨이퍼 사이의 중간층의 사용을 기반으로 하며, 결합 형성은 특히 유리 솔더/유리 프릿(lass solders/glass frits)을 용융시켜 수행된다. 유리 솔더는 바람직하게는 낮은 연화 온도, 예를 들어 약 400℃를 갖는 유리를 포함한다. 유리 프릿은 바람직하게는 표면적으로 용융된 유리 분말을 포함하고, 유리 입자는 바람직하게는 적어도 부분적으로 함께 굽거나 소결된다. 이러한 유형의 결합은 바람직하게는 규소 및/또는 이산화규소 웨이퍼를 함께 결합할 수 있지만, 바람직하게는 앞서 언급한 다른 재료도 결합할 수 있다.
접착 결합(Adhesive bonding)은 바람직하게는 접착제를 포함하는 중간층에 의한 결합 형성을 기술한다. 접착 결합은 바람직하게는 앞서 언급된 다양한 재료가 함께 결합되도록 한다.
바람직하게는, 선택적 결합은 포토리소그래피, 에칭 및/또는 리프트 오프(lift-off) 공정에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게는 공동을 갖도록 사전 처리된 두 개의 웨이퍼를 결합함으로써 기준 챔버를 쉽게 생성할 수 있다.
사전 처리된 웨이퍼의 구조를 결합하면 단일 웨이퍼에서 많은 비용을 들여 생산할 수 있는 복잡한 구조를 간단하게 생산할 수 있다. 이를 통해 기준 챔버 내에 볼륨을 생성하기 위해 웨이퍼의 원료를 힘들게 깎아낼 필요 없이 기준 챔버를 생산할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 웨이퍼는 2개의 웨이퍼를 결합하는데 사용되는 접촉 표면을 포함한다. 접촉 표면은 바람직하게는 결합에 필요한 재료가 제공되거나 코팅된 웨이퍼의 영역을 포함한다. 기준 챔버를 생성하기 위해 두 웨이퍼의 접촉면에 있는 물질을 결합하거나 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 재료는 본 발명의 맥락에서 결합 재료로도 지칭될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 결합 후에 두 웨이퍼의 접촉 표면에 개구부가 남도록 두 웨이퍼가 결합된다. 상기 개구부는 바람직하게는 상응하는 접촉 표면에서 결합이 발생하지 않는다는 사실로부터 발생한다. 바람직하게는, 개구부는 기준 챔버의 측면 영역에 위치한다. 유리하게도, 기준 가스는 기준 챔버의 측면 영역에 있는 바람직한 개구를 통해 기준 챔버 내로 효율적으로 도입될 수 있다.
본 발명의 의미 내에서, 개구부는 기준 챔버의 볼륨으로의 입구를 의미한다. 유리하게는, 기준 가스는 개구부를 통해 또는 개구부를 지나서 기준 챔버의 볼륨 내로 주입될 수 있고 바람직하게는 그 안에 밀봉 밀봉될 수 있다. 특히, 주입될 기준 가스는 개구부를 통해 기준 챔버의 공간으로 직접 확산될 수 있다. 확산은 농도 구배를 따라 도입되는 기준 가스 입자의 수동적 이동으로 알려져 있으며, 이 경우 코팅 챔버와 기준 챔버의 볼륨 사이에서 코팅 챔버로 기준 가스가 채워지는(flooding) 시작 부분에 존재한다. 확산은 브라운 분자 운동을 기반으로 농도의 균등화로 이어진다. 확산은 수동적 전달 과정이므로 추가 에너지가 필요하지 않다는 장점이 있다. 특히 US 2018/0339900 A1과 달리 기준 챔버에 가스를 도입하기 위해 화학 반응이나 교환이 필요하지 않는다. 결과적으로, 코팅 시스템 내의 기준 챔버로 기준 가스를 특히 공정 효율적으로 도입하는 것이 가능해진다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 개구부는 접착 이전에 이미 존재한다. 바람직하게는, 이는 제1 또는 제2웨이퍼의 외측면부터 시작하는 에칭 공정에 의해 달성된다. 유리하게는, 이는 모든 접촉 표면이 결합을 위해 사용될 수 있도록 하여, 결합 프로세스 이전에 배치된 것과 같은 개구부가 제1 또는 제2웨이퍼에 남아 기준 챔버의 볼륨으로 연결되도록 한다.
다른 바람직한 실시예에서, 개구부는 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 외부로부터 시작하여 두 개의 웨이퍼를 결합한 후에 형성된다. 이 실시예에서도 모든 접촉 표면이 결합에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 개구부는 에칭 공정을 통해 결합한 후에 발생한다.
바람직한 실시예에서, 결합 프로세스 이후 생성된 기준 챔버는 결합 챔버로부터 제거되고 코팅 시스템 내에 배치된다.
본 발명의 의미 내에서, 코팅 시스템은 바람직하게는 다양한 재료의 얇은 층의 생산 및 처리를 수행하는 장치를 의미한다. 본 발명의 의미 내에서, 얇은 층 또는 얇은 필름은 바람직하게는 마이크로미터 또는 나노미터 범위의 고체 물질의 층을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 코팅 시스템은 기준 가스로 기준 챔버를 채우는 데 사용된다. 본 발명의 목적을 위해, 기준 가스는 바람직하게는 기준 챔버의 체적 내로 도입되고 바람직하게는 그 안에 밀봉되거나 밀봉되는 가스를 지칭한다.
바람직하게는, 코팅 시스템은 먼저 기준 가스로 가득 차게 된다. 기준 가스는 개구부를 통해 기준 챔버의 볼륨으로 들어간다. 유리하게는, 코팅 시스템은 결합을 목적으로 결합 챔버 내부에 절대적으로 필요한 온도 범위를 갖지 않는다. 따라서, 기준 가스는 결합 챔버 내에 존재하는 고온에서 인화성 또는 폭발성이 있고 기준 챔버의 공간으로 도입되는 가스일 수 있다. 이는 기준 챔버에 유입될 수 있는 가스의 가능성을 확장한다.
특히, 기준 챔버가 부식성 가스로 가득 찰 수 있다는 장점이 있다. 기준 챔버 내의 MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 개구부를 통해 제어된 방식으로 부식성 가스와 접촉하게 된다. 밀봉(hermetic sealing)의 후속 단계가 코팅 시스템에서 즉시 이루어질 수 있으므로 부식성 가스에 의한 MEMS 장치 및/또는 전자 회로의 손상이 방지된다.
바람직한 실시예에서, 기준 챔버 내로 가스를 도입하는 공정 단계 후에, 기준 챔버는 코팅 시스템 내에 밀봉된다. 유리하게는 밀봉 공정 후에 기준 챔버의 환경과 더 이상 교환되지 않는다. 따라서 유입된 기준 가스는 챔버 내에 존재하며 더 이상 챔버를 떠나거나 환경으로 들어갈 수 없다.
본 발명의 목적을 위해, 상기 환경은 바람직하게는 기준 챔버 외부에 있는 것의 전체를 의미한다. 바람직하게는, 여기에는 코팅 시스템과 이전 공정 단계에서 여기에 유입된 기준 가스가 포함된다.
유리하게는, 기준 챔버가 밀봉된 후에는 기준 가스가 더 이상 기준 챔버에서 빠져나올 수 없으며 환경의 기준 가스가 기준 챔버로 들어갈 수도 없다. 따라서 이 방법은 기준 챔버의 부피 내에 정확한 양의 기준 가스가 존재하는지 확인하는 데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 기준 챔버는 코팅 챔버 내에서 코팅 공정을 통해 밀봉되고, 특히 개구부는 코팅 공정을 통해 밀봉된다. 바람직하게는, 적어도 개구부는 이러한 목적을 위해 얇은 필름으로 코팅될 수 있다. 적어도 개구부를 따라, 바람직하게는 실질적으로 개구부를 따라 연장되는 코팅은 특히 정밀한 밀봉이 적용된다는 점에서 유리한 것으로 입증되었다. 또한, 개구부를 밀봉하기 위한 코팅재료가 절약되므로 재료의 효율적인 사용으로 높은 경제성을 확보할 수 있다.
그러나 밀폐된 밀봉(hermetic seal)을 보장하기 위해 실질적으로 전체 기준 챔버를 얇은 필름으로 코팅하는 것이 바람직할 수 있다. 유리하게는, 본질적으로 전체 기준 챔버를 따라 또는 주위로 연장되는 코팅은 특히 신뢰할 수 있는 밀폐된 밀봉을 제공한다. 따라서 전체 기준 챔버 주위의 코팅은 특히 밀폐된 밀봉을 보장하고, 다른 한편으로는 외부로부터 발생할 수 있는 손상으로부터 특히 강력한 보호를 제공한다. 이는 가스가 폭발성 및/또는 부식성이므로 가장 높은 안전 요구 사항을 충족해야 하는 응용 분야와 특히 관련이 있다. 또한 유입된 가스가 빠져나갈 수 있는 위험을 최소화함으로써 예를 들어 광음향 분광학(photoacoustic spectroscopy)의 맥락에서 특히 정확하고 신뢰할 수 있는 측정이 가능해진다.
본 발명의 목적을 위해, 밀폐형 밀봉은 바람직하게는 기준 챔버의 환경과 물질의 교환을 방지하는 견고한 밀봉을 의미한다. 기준 챔버의 부피가 조금이라도 오염되는 것을 방지하기 위해 밀봉이 선호된다. 기준 챔버와 같은 장치는 밀봉을 통해 물질 또는 물질 교환에 대해 완전히 밀봉되는 것이 바람직하다.
본 발명의 의미 내에서, 오염은 기준 챔버의 부피에 들어갈 수 있는 바람직하지 않은 양의 물질 또는 혼합물을 의미한다. 바람직하게는 기준 챔버를 밀봉하여 오염을 방지한다.
바람직한 실시예에서, 기준 가스는 부식성 및/또는 폭발성 가스, 바람직하게는 메탄, 프로판, 프로필렌, 실란, 클로로실란, 알루미늄 트리이소프로판올레이트, 수소 및/또는 산소, 특히 바람직하게는 암모니아를 포함한다.
유리하게는, 독성 가스뿐만 아니라 폭발성 및/또는 부식성 가스도 본 발명에 따른 방법에 의해 기준 챔버의 볼륨으로 유입될 수 있다. 따라서 기준 가스의 가능성이 확장된다는 장점이 있다. 이로써, 가스의 선택이 불활성 가스에 제한되거나 고정되지 않기 때문에 선행 기술에 비해 상당한 개선이 달성된다(예를 들어 US 2014/0038364 A1의 비활성 가스).
미국특허 No. 6,124,145에서, 상기 가스는 MEMS 셀 내부에 둘러싸이게 될 본딩 챔버 내부로 유입된다. 그러나 다양한 접착 과정에서 고온이 발생한다. 따라서 해당 온도에서 가연성 또는 폭발성 가스를 알려진 방법을 사용하여 기준 챔버 내에 가둘 수 없다. 그렇지 않으면 본딩 챔버가 폭발하는 등의 위험이 발생할 수 있다. 이는 폭발 시 피해를 입을 수 있어 사용자에게도 불리할 수 있다. 유리하게는, 본 발명에 따른 방법에 의해, 가연성 및/또는 폭발성 가스도 기준 챔버에 포함될 수 있다. 또한 US 2014/0038364 A1에서는 가스(희가스)가 결합 챔버 내의 공동으로 도입된다. 그러나, 선행 기술에서 벗어나, 가스는 바람직하게는 본 발명에 따른 코팅 챔버 내의 MEMS 셀 내로 도입되며, 특히 예를 들어 수동 확산에 의해 코팅 챔버를 기준 가스로 가득 채움으로써 도입된다.
또한, 다양한 적용을 위해 기준 챔버 내에 MEMS 장치 및/또는 전자 회로를 포함하고 이를 기준 가스(예: PAS(광음향 분광학))로 채우는 것이 바람직하다. 그러나 미국특허 No. 6,124,145에 공지된 방법을 사용하면 이 경우 기준 챔버에 부식성 가스가 포함될 수 없다. 이는 결합 챔버가 밀폐될 가스로 가득 차 있기 때문이다. 따라서 MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 초기에 다량의 부식성 가스에 노출되어 손상을 초래할 수 있다. MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 부식성 가스에 노출되는 시간도 이와 관련하여 중요한 역할을 한다. 웨이퍼를 결합하는 과정 자체에도 시간이 걸린다. 결합 프로세스가 완료될 때쯤에는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 부식성 가스에 노출된다. 따라서 결합 공정 중에 부식성 가스가 MEMS 장치 및/또는 전자 회로를 손상시키거나 심지어 파괴할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법을 사용하면, 선행 기술의 단점이 회피되거나 제거된다. 따라서, 폭발성 및/또는 부식성 가스가 본 발명에 따른 방법에 의해 기준 챔버로 도입되고 밀폐되게 밀봉되어 유리하게 밀봉될 수 있다.
본 발명의 목적상, 인화성 또는 발화성이란 바람직하게는 인화점이 낮은 물질 또는 혼합물의 특성을 의미한다. 바람직하게는, 물질의 인화점은 발화성 혼합물이 물질 위에 형성될 수 있는 최저 온도를 나타낸다. 바람직하게는, 가스 또는 그 혼합물은 20℃ 및 101.3kPa(킬로파스칼)의 표준 압력에서 공기 중에서 폭발 범위를 갖는 경우 가연성이 있는 것으로 간주된다.
본 발명의 목적에 있어서, 폭발성 가스는 예를 들어 고온에 의해 충분히 에너지가 공급될 때 높은 비율의 열 에너지가 발생될 수 있는 특정 화학 반응을 겪는 가스 또는 혼합물을 의미한다. 이로 인해 상당한 파괴를 초래할 수 있는 폭력적인 팽창 효과가 발생한다. 폭발성 물질이나 가스를 부적절하게 취급하면 생명에 위험이 있다.
본 발명의 목적을 위해, 부식성 가스는 바람직하게는 기준 챔버 및/또는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로와 같은 그 구성 요소와 화학 반응을 겪고 결과적으로 측정 가능한 변화를 일으키는 가스를 의미한다. 이 과정은 바람직하게는 본 발명의 목적상 부식으로 지칭된다. 부식으로 인해 기준 챔버의 기능이나 기준 챔버의 구성 요소가 저하될 수 있다.
유리하게는, 폭발성 및/또는 부식성 기준 가스가 본 발명에 따른 방법에 의해 기준 챔버 내로 바람직하게 도입될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 방법에 의해 임의의 다른 기준 가스가 도입될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 불활성 가스, 바람직하게는 질소가 개구부를 통해 기준 챔버 내로 추가로 도입되어 기준 챔버 내의 기준 가스의 부분압(partial pressure)을 설정한다.
본 발명의 목적에 있어서, 부분압은 가스 혼합물의 단일 성분의 부분압이다. 상기 부분압은 개별 가스 성분이 해당 부피에 단독으로 존재할 경우 발휘하는 압력에 해당한다. 전체 압력(total pressure)은 부분압으로 구성된다. 즉, 모든 부분압력의 합은 전체 압력과 같다.
특히, 기준 가스의 부분압을 조절함으로써 기준 챔버 내의 기준 가스의 양 또는 농도를 정확하게 특정할 수 있다는 이점이 있다. 이는 기준 챔버의 특정 응용 분야(예를 들어 PAS용 센서)에 유리한다. 응용 분야에서 원하는 기준 농도 또는 감도는 기준 가스의 농도 또는 양을 조정하여 미리 결정될 수 있다. 결과적으로, 도입된 가스의 양은 목표적이고 정확한 방식으로 최적화될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 불활성 기체는 바람직하게는 반응에 불활성인 기체이다. 상기 가스는 화학 반응에 참여하지 않거나 약간만 참여한다. PAS 적용과 관련하여 불활성 가스는 관련 여기 영역에서 다른 흡수 특성을 가져야 한다. 불활성 가스의 예로는 질소와 같은 가스 또는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논과 같은 희가스(noble gas) 또는 육불화황(sulfur hexafluoride)과 같은 가스 분자 화합물이 포함된다.
전술한 본 발명의 이점은 결합(bonding) 후에 두 웨이퍼의 접촉면에 개구부가 남아 있거나, 결합 전 또는 후에 제1 및/또는 제2웨이퍼에 개구부가 만들어진다는 사실에 기초한다.
바람직한 실시예에서, 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 제1웨이퍼를 제2웨이퍼에 결합하기 위한 접촉 영역(contact area)을 포함하고, 상기 접촉 영역의 영역은 개구부를 형성하기 위해 결합되지 않는다.
바람직하게는 이는 기준 챔버의 측면 영역에 개구를 형성한다. 이는 코팅 시스템 내의 기준 챔버 내로 기준 가스의 양호한 침투를 유리하게 허용한다.
유리하게도, 이 실시예에서는 기준 챔버에 개구부를 형성하기 위해 추가 공정 단계가 필요하지 않다. 상기 개구는 결합 공정 중에 이미 생성되는 것이 바람직하다. 추가 공정 단계가 필요하지 않기 때문에 추가 재료 및 구조화가 필요하지 않다. 제조 비용과 시간이 단축된다. 이는 유리하게도 더 높은 공정 효율을 가져온다.
바람직한 실시예에서, 결합 후 두 웨이퍼의 접촉 표면에 개구부가 남아 있고, 상기 개구부는 1μm2~1000μm², 바람직하게는 1μm2~100μm²의 단면적과 1μm~1000μm, 바람직하게는 10μm 내지 500μm의 길이를 갖는다.
유리하게도, 이 바람직한 실시예에서 개구부의 크기는 확산 억제 효과를 가져온다. 이러한 맥락에서, 본 발명의 의미 내에서의 확산은 외부 영향 없이 농도 차이의 균등화가 일어나는 현상을 의미한다. 처음에 코팅 시스템이 기준 가스로 가득 차면 기준 챔버의 부피 내에 가스가 거의 또는 전혀 없다. 시간이 지남에 따라 기준 가스는 개구부를 통해 기준 챔버의 부피로 확산된다. 이는 브라운 분자 운동으로 인한 수동적 물리적 과정이다. 플러딩(flooding) 과정은 기준 가스를 높은 압력 및/또는 농도로 코팅 시스템에 도입함으로써 향상될 수 있다.
본질적으로 긴 개구부로서의 바람직한 치수화는 개구부를 통해 체적 내로 확산되는 본질적으로 1차원 확산 역학을 초래한다. 상기 기준 가스는 그 곳을 떠나지 않거나 더 긴 시간 상수에 걸쳐서만 그 곳을 떠난다.
확산 억제 효과(diffusion-inhibiting effect)는 예를 들어 처리 중 중간 시간을 연결하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 먼저 기준 챔버를 코팅 시스템의 기준 가스로 가득 채운 다음 기준 가스를 챔버 내부의 프로세스 가스로 교환하고 코팅 프로세스를 통해 개구부를 밀봉하는 것이 바람직할 수 있다. 확산 억제 효과로 인해, 가스 교환이나 코팅 공정 실행 중에 기준 가스가 빠져나가지 않는다.
개구부의 치수를 적절하게 조정하여, 기준 가스가 기준 챔버로 확산될 수 있는 시간 범위와 확산이 확실하게 방지되는 시간 범위를 설정하는 것이 유리하게 가능하다. 위에서 언급한 바람직한 치수는 이러한 측면에서 좋은 절충안을 나타낸다.
바람직한 실시예에서, 제1웨이퍼를 제2웨이퍼에 결합하기 전 또는 후에, 상기 개구부는 바람직하게는 에칭 공정을 통해 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 외측에서 시작하여 내측으로 형성된다.
유리하게는, 상기 개구부의 위치 및/또는 치수는 개구부를 전후에 삽입함으로써 정확하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 위치는 간섭을 피하기 위해 MEMS 장치 및/또는 기준 챔버의 전기 회로에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 기준 챔버의 외측에서 내측으로 갈수록 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 외측 중앙에 개구부가 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에칭 공정은 바람직하게는 건식 에칭, 습식 화학적 에칭 및/또는 플라즈마 에칭, 특히 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching), 반응성 이온 딥 에칭(보쉬 공정)( Reactive Ion Deep Etching (Bosch process))을 포함한다.
에칭 공정은 바람직하게는 표면으로부터 물질을 제거하는 것을 의미한다. 상기 제거는 웨이퍼에 공동을 남기는 함몰 형태를 취할 수 있다.
반도체 기술 및 마이크로시스템 공학에서 건식 에칭(dry etching)은 습식 화학 반응(예를 들어 습식 화학 에칭, 화학-기계적 연마)을 기반으로 하지 않는 침식성 미세 구조 프로세스 그룹이다. 상기 물질은 가속된 입자나 플라즈마 활성화 가스의 도움으로 제거된다. 공정에 따라 화학적, 물리적 효과가 활용된다.
건식 에칭 공정은 세 그룹으로 분류될 수 있다. 첫째, 물리적 건식 에칭 공정은 입자 충격에 의한 물질 제거를 기반으로 하며, 둘째, 화학적 건식 에칭 공정은 대부분 플라즈마 활성 가스의 화학 반응을 기반으로 한다. 세 번째 그룹인 물리화학적 건식 에칭 공정은 두 작용 메커니즘을 모두 사용하는 공정을 결합하여 처음 두 그룹의 단점을 최소화할 수 있다.
습식 화학적 에칭에서는 에칭-방지 마스크(etch-resistant mask)가 화학적 제거 공정을 통해 웨이퍼로 전사된다.
플라즈마 에칭은 물질을 제거하는 플라즈마 보조 건식 에칭 공정(plasma-assisted dry etching process)이다. 플라즈마 에칭에서는 화학 반응으로 인한 에칭 제거와 이온 충격으로 인한 표면의 물리적 제거가 구분된다.
화학적 플라즈마 에칭에서는 화학 반응을 통해 재료 제거가 발생한다. 따라서 일반적으로 등방성이며 화학적 특성으로 인해 재료 선택성이 매우 높다. 플라즈마 보조 이온 에칭(plasma-assisted ion etching)이라고도 불리는 물리적 플라즈마 에칭은 물리적 프로세스이다. 이 프로세스에서는 에칭 공격의 특정 우선 방향이 발생할 수 있으므로 프로세스는 재료 제거에서 이방성을 나타낼 수 있다. 물리적 플라즈마 에칭에서는 플라즈마 내에 비반응성 이온이 생성된다. 적용된 전기장은 이러한 이온을 표면으로 가속시켜 표면의 일부를 제거한다. 이 공정은 일반적으로 실리콘 웨이퍼의 자연 산화물을 제거하는 데 사용된다.
반응성 이온 에칭(RIE, Reactive ion etching)은 이온을 이용한 반응성 에칭 공정이다. 에칭 동작의 우수한 제어 가능성으로 인해 RIE는 마이크로시스템 및 나노시스템 기술을 위한 지형 구조를 제작하는 프로세스이다. 이 공정에서는 화학적-물리적 제거를 통해 등방성(방향 독립적) 및 이방성 식각이 모두 가능하다. 에칭은 가스 플라즈마에서 생성된 하전 입자(이온)에 의해 수행된다. 표면을 적절하게 마스킹(예: 포토리소그래피로 제작)하면 구조의 모양이 결정된다.
DRIE(Deep Reactive Ion Etching)는 반응성 이온 에칭(RIE)을 더욱 발전시킨 것이며, 종횡비(깊이 대 폭의 비율)가 최대 50:1인 웨이퍼의 미세 구조를 제조하기 위한 고도의 이방성 건식 에칭 공정이다. 이를 통해 수백 마이크로미터의 구조 깊이를 얻을 수 있다. DRIE 공정은 에칭과 패시베이션 단계가 교대로 이루어지는 2단계 교대 건식 에칭 공정이다. 목표는 가능한 한 이방성으로, 즉 웨이퍼 표면에 수직인 방향으로 에칭하는 것이다. 예를 들어 이러한 방식으로 매우 좁은 트렌치를 에칭할 수 있다.
전술한 에칭 공정은 당업자에게 공지되어 있다. 원하는 개구부 및/또는 제공된 웨이퍼에 따라 효율적인 성능을 보장하기 위해 유리한 프로세스를 선택할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 밸브는 제1 또는 제2웨이퍼의 개구부 말단에 존재하며, 밸브는 바람직하게는 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 외부로부터 시작하는 개구부의 끝단에서 제1웨이퍼를 제2웨이퍼에 결합한 후 기준 챔버의 체적에 위치된다. 상기 개구부의 끝은 바람직하게는 제1 또는 제2웨이퍼의 개구로부터 기준 챔버의 (기준) 체적까지의 전이(transition)를 지정한다(designate).
이 위치의 밸브는 코팅 챔버에 가득 찬 기준 가스가 기준 챔버의 부피로 확산되는 것을 제어하는 데 사용할 수 있다.
밸브를 부착하면 기준 가스를 자동으로 밀봉할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 이미 볼륨으로 확산된 기준 가스의 누출은 플러딩의 역학(dynamics of the flooding)을 제한하지 않고 방지될 수 있다.
예를 들어 기본적으로 1차원 확산 역학을 갖는 긴 개구부를 통한 확산 억제 효과와는 대조적으로, 밸브를 사용하면 보다 목표화된 방식으로 기준 챔버로부터의 확산을 차단할 수 있으며, 기준 챔버로의 확산은 방해 없이 빠르게 이루어질 수 있다.
따라서 밸브를 사용하면 효율적인 플러딩이 발생할 수 있으며, 이는 예를 들어 챔버 내에서 기준 가스가 프로세스 가스로 교환되고 개구부가 코팅 프로세스에 의해 밀봉되는 것을 허용한다. 밸브 제공으로 인해 이 시간 동안에도 기준 가스가 빠져나올 수 없다.
또한, 밸브를 제공하면 기준 챔버 내로 도입되는 기준 가스의 양 및/또는 농도를 보다 정확하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
바람직하게는, 밸브는 유체의 흐름을 방향 제어하거나 차단하는 데 사용되는 부품을 의미한다. 바람직하게는, 밸브는 예를 들어 플렉서블 셔터(예: 박막 구조 기반)에 의해 형성될 수 있으며, 이는 플러딩 중에 기준 가스가 반응 챔버로 단방향으로 확산되는 것을 허용하면서 플러딩 후에 확산 챔버 밖으로 확산되는 것을 방지한다.
바람직하게는, 결합 전 및 제1 또는 제2웨이퍼의 개구부를 형성하기 전에, 바람직하게는 유연한 밀봉을 형성하기 위한 재료 층이 개구부가 도입되는(예를 들어 에칭되는) 웨이퍼의 반대측에 도포될 수 있다. 바람직하게는, 상기 재료 층은 추가 공정에서 밸브로서 구조화될 수 있다. 이 경우, 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 개구부를 먼저 형성한 후, 물질층을 밸브 형태로 구성할 수 있다. 반대 순서도 가능하다.
바람직한 실시예에서, 상기 밸브를 형성하는 재료층은 결합 전에 구조화된다. 이 프로세스에서 형성된 구조에는 접촉 패드, 전도성 경로, 정렬, 모서리, 가장자리, 함몰부, 싱크 및/또는 구멍이 포함될 수 있다.
바람직하게는, 상기 재료층은 먼저 웨이퍼의 일면 전체 표면에 도포될 수 있다. 특히, 구조화는 재료 층의 기존 영역이 개구부 끝에서 밸브 역할을 할 수 있도록 재료 층을 개구부 주변 영역으로 제한할 수 있다.
바람직하게는, 웨이퍼의 개구부는 에칭 공정을 통해 밸브로 구성된 물질층의 반대편에 형성된다. 당업자는 공정에서 밸브가 손상되지 않도록 보장하기 위해 이러한 목적에 적합한 에칭 공정을 선택할 수 있다.
바람직하게는, 밸브를 포함하는 개구부와 제2웨이퍼를 포함하는 제1웨이퍼가 결합된다. 설명된 기능이 달성되도록 밸브가 개구부 끝과 기준 챔버의 볼륨 내에 위치하는 방식으로 결합이 이루어진다.
바람직한 실시예에서, 제1웨이퍼가 제2웨이퍼에 접한된 후, 코팅 시스템의 기준 챔버는 기준 가스로 가득 차고, 가스는 개구부와 밸브를 통해 기준 챔버의 체적으로 들어간다.
바람직한 실시예에서, 밸브(또는 구조화될 재료 층)는 연질 금속(soft metal)을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 목적을 위해 연질 금속은 철보다 경도가 낮은 금속으로 정의된다(예: DIN EN ISO 6506-1 ~ 4에 따른 브리넬 경도 테스트에서). 바람직한 연질 금속은 납, 금, 인듐, 구리, 백금, 은, 아연, 주석 또는 이들의 화합물, 특히 바람직하게는 알루미늄 또는 이들의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 비철 금속(non-ferrous metal)이다.
유리하게는, 한편으로는 연질 금속이 간단한 수단에 의해 정밀하게 구조화될 수 있어 공정이 시간을 절약하고 비용 효과적인 방식으로 구성될 수 있다. 한편, 연질 금속은 그 유연성으로 인해 본 발명에 따른 밸브로서 적합하다.
재료 선택 외에도 재료 레이어의 치수도 이와 관련하여 중요한 역할을 한다.
바람직하게는, 밸브로 구성되는 물질층 또는 밸브는 박막 구조(thin-film structure)로 설계된다. 박막 구조는 바람직하게는 100 μm 미만, 바람직하게는 10 μm 미만의 층 두께를 의미한다.
특히, 바람직하게는 연질 금속을 포함하는 얇은 필름 구조를 사용함으로써, 상기 밸브의 우수한 유연성이 보장되어 이에 따라 확산 과정을 조절할 수 있다.
상기 기준 가스는 제1 또는 제2웨이퍼의 개구부를 통해 밸브로 들어가고 밸브에 압력을 가한다. 밸브의 유연성에 따라 특정 지점에서 가해지는 압력은 기준 챔버의 부피 방향으로 밸브를 열고 가스가 통과할 수 있을 만큼 충분히 높다.
바람직한 실시예에서, 기준 가스를 기준 챔버에 채워준 후, 납땜을 녹여 개구부를 밀폐 밀봉한다.
납땜은 바람직하게는 이러한 목적을 위해 기준 챔버의 개구부 근처에, 바람직하게는 결합 전에 배치된다.
마이크로시스템 기술에서 솔(solder)더를 적용하는 것은 잘 알려진 절차이며 당업자에게는 어떠한 어려움도 수반하지 않는다.
바람직하게는, 기준 가스가 코팅 시스템에 넘치고 기준 가스가 개구를 통해 기준 챔버의 체적 내로 확산되기 전에 기준 챔버의 개구 근처에 납땜을 배치한다.
유리하게도, 이 실시예에서, 기준 가스는 솔더가 녹기 전에 기준 챔버의 공간으로 특히 효율적으로 확산될 수 있다. 이 실시예에서는 연장된 개구부의 확산 제한 효과나 밸브가 제공될 필요가 없으며, 이는 확산에 대한 잔류(작지만) 저항을 가질 수 있다.
바람직하게는, 솔더의 용융은 기준 챔버의 개구부를 밀봉한다. 솔더의 용융은 당업자에게 공지된 공정 단계이며, 이에 따라 용융 온도는 용융될 재료에 따라 선택된다.
바람직하게는, 납땜이 녹으면서 납땜을 구성하는 재료의 일부가 개구부로 들어가 그 단면을 밀봉한다. 납땜이나 녹은 재료는 단면이 단단히 밀봉되어 있는 한 개구부 전체를 채울 수도 있고 일부만 채울 수도 있다. 납땜의 크기는 밀봉할 개구부에 맞게 조정된다. 용융된 재료 전체를 사용하여 개구부를 밀봉하거나 그 일부만을 밀봉하는 것이 바람직할 수 있다.
개구부 부근에 납땜을 배치하는 것은 바람직하게는 용융된 납땜이 또한 개구부 내로 흐를 수 있도록 보장하는 공간적으로 근접하게 위치시키는 것을 의미한다. 근접성은 예를 들어 100μm 미만, 바람직하게는 10μm 미만의 거리를 의미할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 솔더는 납, 주석, 아연, 은, 구리, 이들의 합금 및/또는 이들의 화합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 가용성 재료를 포함한다.
바람직하게는, 납땜은 용융 중에 용융 온도에 도달한다. 용융 온도는 납땜이 고체 상태에서 액체 상태로 전환되는 온도이다. 바람직하게는, 솔더는 기준 가스가 가연성 및/또는 폭발적으로 반응하지 않는 용융 온도를 가져서 발생할 수 있는 스파크가 위험을 초래하지 않도록 한다.
유리하게는, 솔더를 위한 상기 바람직한 재료는 바람직한 기준 가스가 가연성 및/또는 폭발적으로 반응하는 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는다.
바람직한 실시예에서, 개구는 코팅 시스템 내의 코팅 공정, 바람직하게는 스프레이 코팅, 미스트 코팅 및/또는 스팀 코팅에 의해 밀봉된다.
코팅 공정은 기준 챔버를 잘 밀봉하는 것이 바람직하다. 이는 기준 가스가 더 이상 기준 챔버를 떠날 수 없으며 영구적인 밀봉이 보장된다는 이점을 의미한다.
밸브가 개구부 끝에 있는 경우, 납땜이 녹으면 이미 개구부가 1차 밀봉된다. 커버 레이어(cover layer)를 추가로 적용하면 장기간에 걸쳐 밀봉이 안정화되고 기준 챔버의 수명 동안 기준 챔버의 밀폐 밀봉이 보장된다.
커버 코팅을 적용하기 위해 다양한 코팅 공정을 사용할 수 있다.
스프레이 코팅은 특히 커버층의 2차원 적용을 말하며, 이에 따라 커버층은 바람직하게는 분무 전에 가압되어(예를 들어 우세한 주변 압력보다 높음) 커버층의 미세 입자/에어로졸 및/또는 폼이 형성되도록 한다. 이러한 방식으로, 예를 들어 표면이 스프레이 방향에 대해 불리한 각도에 있는 경우에도 모든 스프레이 영역을 덮는 특히 미세한 코팅이 달성될 수 있다. 따라서 서로 비스듬한 표면/영역도 직접 덮는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 액체 커버층은 분무되어 주변 압력보다 높은 압력 하에서 표면에 적용된다.
스프레이 코팅은 바람직하게는 스프레이 래커이다.스프레이 코팅은 기상 증착일 수도 있다.
미스트 코팅(mist coating)은 바람직하게는 대기(바람직하게는 가스)에 미세하게 분산된 마스킹층(masking layer)의 미세한 액적에 의한 코팅을 포함한다. 증기 코팅(vapor coating)은 바람직하게는 증기 형태 또는 기체 형태로 적용되는 피복층에 의한 코팅을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 코팅 시스템은 물리적 코팅 시스템 또는 화학적 코팅 시스템, 바람직하게는 플라즈마 강화 화학적 코팅 시스템, 저압 화학적 및/또는 에피택셜 코팅 시스템(physical coating system or chemical coating system, preferably plasma-enhanced chemical coating system, low-pressure chemical and/or epitaxial coating system)을 포함한다.
물리적 코팅 시스템은 바람직하게는 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 코팅을 수행하는 코팅 시스템을 의미한다. 물리적 기상 증착(물리적 증기 증착)은 진공 기반 코팅 공정 또는 박막 기술 그룹을 의미한다. 화학적 기상 증착 공정과 달리 물리적 기상 증착은 출발 물질을 기체상으로 변환하는 데 사용된다. 그런 다음 기체 물질을 코팅할 웨이퍼에 적용하고, 여기서 응축되어 대상 층을 형성한다.
아크 증발 또는 아크 PVD는 물리적 기상 증착 그룹의 코팅 공정이다. 이 공정에서는 공정이 진행되는 챔버와 음전위인 타겟 사이에서 아크가 연소된다. 이 아크는 타겟 물질을 녹이고 증발시키며, 이는 나중에 작업물(웨이퍼)에 증착된다. 타겟은 음극, 진공 챔버의 챔버 벽 또는 양극으로 정의된 전극의 역할을 한다. 이 과정에서 증발된 물질의 상당 부분(최대 90%)이 이온화된다. 재료 증기(표적 재료)는 열 증발과 유사하게 표적에서 방사형으로 퍼진다. 웨이퍼에도 음전위가 적용되기 때문에 이온화된 물질 증기는 기판을 향해 추가로 가속된다. 재료 증기가 웨이퍼 표면에 응축된다.
에피택셜 코팅 시스템(epitaxial coating system)은 바람직하게는 에피택셜 공정, 바람직하게는 분자빔 에피택시가 사용되는 시스템이다. MBE(Molecular beam epitaxy)는 결정질 박막(또는 필름 시스템)을 생산하는 물리적 기상 증착(PVD) 공정이다. 에피택시는 두 물질의 물리적 특성이 크게 다르지 않는 한 성장층의 결정 구조가 기판의 결정 구조에 적응하는 것을 의미한다.
MBE는 잔류 가스 원자에 의한 오염을 피하기 위해 초고진공이 필요하다. 그러나 성장 과정에서 삼출로 인해 압력이 고진공 범위로 상승한다. 층을 구성할 재료는 증발 도가니에서 가열되고 방향성 분자 빔으로 웨이퍼에 도달한다(배경 가스와 충돌하지 않음). 이것은 또한 가열되어 층이 질서정연하게 성장하도록 한다.
캐소드 스퍼터링이라고도 알려진 스퍼터링은 고에너지 이온(주로 비활성 기체 이온)의 충격으로 원자가 고체(표적)에서 방출되어 기체상으로 이동하는 물리적 과정이다.
화학적 코팅 시스템은 바람직하게는 화학 기상 증착(CVD)을 통해 코팅을 수행하는 코팅 시스템을 의미한다. 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)에서는 기체 상태의 화학 반응으로 인해 고체 성분이 웨이퍼의 가열된 표면에 증착된다.이에 대한 전제조건은 특정 반응 온도에서 고체 층을 증착하는 층 구성 요소의 휘발성 화합물이 존재한다는 것이다. 화학 기상 증착 공정은 코팅될 작업물의 표면에서 적어도 하나의 반응을 특징으로 한다. 이 반응에는 적어도 하나의 기체 출발 화합물(반응물)과 적어도 두 개의 반응 생성물이 포함되어야 하며, 그 중 적어도 하나는 고체상이어야 한다. 경쟁하는 기상 반응보다 표면에서 이러한 반응을 촉진하여 고체 입자의 형성을 방지하기 위해 화학 기상 증착 공정은 일반적으로 감소된 압력(일반적으로 1-1000Pa)에서 작동된다. 이 공정의 특별한 특징은 컨포멀 코팅 증착으로, 예를 들어 웨이퍼의 가장 미세한 홈도 균일하게 코팅된다.
화학 기상 증착에는 원자층 증착(ALD)도 포함된다. 원자층 증착은 2개 이상의 주기적으로 수행되는 자기 제한적 표면 반응을 포함하는 고도로 변형된 화학 기상 증착(CVD) 공정이다. 증착할 물질은 전구체라고 불리는 하나 이상의 운반 가스에 화학적으로 결합된다. 이러한 전구체는 반응 챔버에 교대로 공급되어 웨이퍼와 반응하게 되며, 그 결과 가스에 결합된 물질이 기판 물질에 증착된다. 생성된 층은 일반적으로 다결정 또는 비정질 구조를 갖는다.
플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)은 바람직하게는 플라즈마 강화 또는 플라즈마 보조 화학 기상 증착 프로세스를 사용하는 시스템을 의미한다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착은 화학 증착이 플라즈마에 의해 지원되는 특수한 형태의 화학 기상 증착(CVD)이다. 플라즈마는 코팅할 웨이퍼에서 직접 연소하거나(직접 플라즈마 방식) 별도의 챔버에서 연소할 수 있다(원격 플라즈마 방식).
CVD에서는 가스 분자의 해리가 외부 열 공급과 후속 화학 반응의 에너지 방출로 인해 발생하지만, PECVD에서는 이 작업이 플라즈마의 가속된 전자에 의해 수행된다. 이러한 방식으로 형성된 라디칼 외에도 이온도 플라즈마에서 생성되며, 이는 라디칼과 함께 웨이퍼에 층 증착을 유발한다. 플라즈마의 가스 온도는 일반적으로 섭씨 수백도 정도만 증가한다. 이는 CVD와 달리 온도에 더 민감한 재료도 코팅할 수 있음을 의미한다. 직접 플라즈마 방식(direct plasma method)은 코팅할 웨이퍼와 상대전극 사이에 강한 전기장을 가해 플라즈마를 점화시키는 방식이다. 원격 플라즈마 방식에서는 플라즈마가 기판과 직접 접촉하지 않도록 배열된다. 이는 공정 가스 혼합물의 개별 구성 요소를 선택적으로 여기한다는 점에서 이점을 제공하고 이온에 의한 웨이퍼 표면의 플라즈마 손상 가능성을 줄이다.
저압 화학 기상 증착(LPCVD)은 금속뿐만 아니라 산화규소, 질화규소, 폴리실리콘(silicon oxide, silicon nitride and polysilicon)을 증착하기 위해 반도체 기술에 일반적으로 사용되는 공정이다.
바람직한 실시예에서, 커버층은 적어도 개구부 영역 위에, 바람직하게는 전체 기준 챔버 주위에 코팅 시스템 내에서 도포되며, 여기서 커버층용 재료는 바람직하게는 질화물, 바람직하게는 질화규소, 탄질화규소, 산질화규소, 질화티타늄 및/또는 질화탄탈륨, 산화물, 바람직하게는 산화규소, 산화알루미늄, 이산화규소, 이산화티타늄 또는 산화탄탈륨 또는 금속, 바람직하게는 알루미늄 및/또는 귀금속, 바람직하게는 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은, 로듐 및/또는 루테늄이다(nitride, preferably a silicon nitride, silicon carbonitride, silicon oxynitride, titanium nitride and/or tantalum nitride, an oxide, preferably a silicon oxide, aluminum oxide, silicon dioxide, titanium dioxide or tantalum oxide, or a metal, preferably an aluminum and/or a noble metal, preferably gold, platinum, iridium, palladium, osmium, silver, rhodium and/or rutheniu).
전체 기준 챔버 위의 커버층은 기준 챔버의 특히 우수한 밀봉 밀봉을 유리하게 제공한다. 이는 기준 가스가 기준 챔버의 부피에 특히 잘 밀봉된 상태로 유지된다는 것을 의미한다. 이는 특히 커버층이 실질적으로 기준 챔버를 따라 또는 주위에 코팅된 경우, 밀봉 후에 기준 챔버의 부피로부터의 가스가 기준 챔버를 떠날 수 없다는 높은 수준의 신뢰성을 보장한다.
유리하게도, 기준 챔버는 또한 외부, 즉 그 환경으로부터, 특히 생산 방법에 따라 추가로 커버층에 의해 보호된다. 이는 또한 유체 오염이나 기계적 효과 등으로 인한 외부 손상 위험을 최소화한다.
한편, 위에서 언급한 재료는 가공이 용이하여 커버층을 적용하는 데 사용할 수 있다. 또한, 차단 특성으로 인해 해당 재료는 기준 가스의 누출 및/또는 외부 가스의 유입에 대한 신뢰성 있고 장기적으로 안정적인 장벽을 나타낸다.
바람직한 실시예에서, 공정 가스가 상기 코팅 시스템에 도입되어 개구부를 밀봉하고 커버층을 형성한다.상기 공정 가스는 기준 가스를 플러딩(flooding) 후에 기준 챔버 내로 도입되거나, 또는 커버층을 형성하기 위한 재료는 기준 가스가 동시에 프로세스 가스의 역할을 할 수 있도록 선택된다.
본 발명의 의미 내에서, 공정 가스는 바람직하게는 후속 공정 단계에서 코팅이 커버층에 의해 수행되는 것을 보장하기 위해 사용되는 가스를 의미한다. 기준 챔버에 대한 커버층의 적용 또는 접착은 물리적 및/또는 화학적 반응을 통해 발생한다. 바람직하게는, 이러한 물리적 및/또는 화학적 반응에서, 프로세스 가스는 커버층이 기준 챔버에 코팅되는 것을 돕거나 가능하게 한다.
특히, 추가 공정 가스를 기준 가스로 플러딩 하는 경우 확산 제한 또는 확산 차단 개구부가 바람직하다. 유리하게는, 이는 해당 치수를 갖는 결합 프로세스 동안 기준 챔버의 측면 영역에 확산 차단 솔더 또는 밸브 또는 확산 제한 개구부를 부착하는 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다. 유리하게는, 기준 가스는 먼저 이러한 개구부를 통해 기준 챔버의 부피로 들어갈 수 있는 것이 바람직하다. 그 후, 코팅 시스템 내에서 가스 교환이 뒤따를 수 있으며, 이에 따라 공정 가스 도입 후 코팅 공정이 발생한다. 기준 가스에서 공정 가스로의 (적어도 부분적인) 가스 교환 동안, 확산 제한 또는 확산 차단 개구부는 기준 가스가 빠져나가지 않도록 보장한다. 특정 용도의 경우 추가 공정 가스가 코팅 시스템에 넘치지 않고 기준 가스가 공정 가스에 해당하는 것이 바람직할 수도 있다. 바람직하게는, 이는 특히 질화물 화합물을 포함하는 커버층을 위한 공정 가스로서 역할을 할 수 있는 기준 가스로서 암모니아의 경우이다.
유리하게는 이 경우 코팅 시스템에서 가스 교환이 필요하지 않다. 오히려, 기준 챔버가 기준 가스로 가득 찬 후에 코팅 단계가 원활하게 이어질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 암모니아는 기준 가스, 즉 기준 챔버를 채우기 위한 가스로도 기능하는 공정 가스이다. 유리하게는, 프로세스 가스로서 암모니아를 사용함으로써, 질화물 화합물을 포함하는 커버층은 기준 가스의 밀폐 밀봉에 특히 효율적으로 작용할 수 있다. 왜냐하면 커버층과 기준 챔버 사이의 결합을 위한 프로세스 가스로서 코팅 챔버에 다른 가스를 도입할 필요가 없기 때문이다. 코팅 시스템 내 기준 가스의 보유와 관련하여, 챔버 내 기준 가스의 원하는 농도는 특히 정확하게 설정될 수 있다. 기준 가스와 다른 프로세스 가스가 챔버로 바람직하지 않게 확산되는 것은 프로세스 매개변수의 목표 선택에 의해 본질적으로 방지된다.
다른 실시예에서, MEMS 장치는 MEMS 센서 및/또는 MEMS 액추에이터이고/또는 전자 회로는 프로세서, 스위치, 트랜지스터 및/또는 변환기를 포함한다.
MEMS 센서 또는 MEMS 액츄에이터는 특히 마이크로시스템(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS로 약칭) 형태의 센서 또는 액츄에이터를 의미한다. 마이크로시스템은 특히 소형화된 장치, 어셈블리 및/또는 구성 요소로, 구성 요소의 크기는 마이크로미터 범위(1 μm ~ 1000 μm) 이하이고 시스템으로 상호 작용한다. MEMS 센서는 예를 들어 소리 감지기이다.
다른 실시예에서, MEMS 장치는 음압 검출기(sound pressure detector)를 포함하며, 여기서 음압 검출기는 바람직하게는 용량성 또는 광학적으로 판독 가능한 압전, 압전 저항 및/또는 자기 바 및/또는 용량, 압전, 압전 저항 및/또는 광학 마이크로폰을 포함한다.
실시예는 PAS에서 기준 챔버의 사용에 특히 적합하며, 음압 파동은 음압 검출기에 의해 기준 챔버에서 직접 검출될 수 있다.
압전 빔(piezoelectric bea)은 바람직하게는 진동 가능한 구조, 특히 벤딩 빔 형태이고, 예를 들어 액츄에이터 형태의 압전 재료를 포함한다.
벤딩 빔(bending beam)은 수동형(passive)인 것이 바람직할 수 있으며, 이는 바람직하게는 음압파에 의해 진동하게 된다는 것을 의미한다. 이는 압전 효과에 기초한 압전 재료의 변형을 통해 차례로 전압을 생성한다.(직접) 압전 효과는 바람직하게는 해당 재료로 만들어진 고체가 탄성 변형될 때 전압의 발생 및/또는 임피던스의 변화를 설명한다. 예를 들어, 적절한 접촉을 통해 전압을 측정하고 해당 전자 회로를 통해 판독할 수 있다.
또한 벤딩 빔(bending beam)이 활성인 것이 바람직할 수 있으며, 이는 특히 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)로 인해 진동이 발생함을 의미한다. 압전 효과는 바람직하게는 전압 및/또는 전기장이 인가될 때 재료의 변형을 나타내며, 이에 따라 특히 재료에 의해 힘이 가해질 수 있다. 음압파는 바람직하게는 예를 들어 진동 빔(vibrating beam)의 공진 주파수의 변화에 의해 측정될 수 있는 진동 빔의 감쇠의 변화를 유발할 수 있다.
음압파(sound pressure wave)로 인해 수동적으로 진동하는 바도 바람직하게는 예를 들어 용량성, 자기적 및/또는 압저항 방식(capacitive, magnetic and/or piezoresistive method)으로 판독할 수 있다. 상기 아이디어는 바람직하게는 전기적으로 판독 가능한 변화가 진동 전극과 고정 전극 사이의 정전 용량 변화 및/또는 압저항 물질의 전기 저항 변화로 인해 예를 들어 공진 자석(resonating magnet)을 통한 변화하는 자속을 기반으로 진동에 의해 생성된다는 것이다.
마이크로폰은 바람직하게는 위에서 설명된 빔과 유사하게 음압파에 의해 진동하도록 여기되고 전기적으로 판독될 수 있는 진동 장착 다이어프램(vibrationally mounted diaphragm)을 포함한다. 진동 설계의 용량성, 압전성 및/또는 압저항성 측정 방법도 사용할 수 있다.
바람직하게는, 광학 마이크로폰도 사용될 수 있으며, 이에 의해 이들 진동은 바람직하게는 예를 들어 간섭계 배열(interferometric arrangement)로 판독되는 멤브레인 상의 레이저 빔의 반사에 의해 광학 신호로 변환될 수 있다.
추가 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 생산될 수 있는 기준 챔버에 관한 것이다.
따라서 본 발명은 바람직하게는 다음을 포함하는 방법에 의해 생산될 수 있는 기준 챔버에 관한 것이다;
a) 제1웨이퍼 및 제2웨이퍼를 제공하는 단계, 상기 제1웨이퍼와 상기 제2웨이퍼 중 적어도 하나는 캐비티를 포함하고, MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 제1웨이퍼와 제2웨이퍼 중 적어도 하나에 존재함,
b) 기준 가스로 채워질 수 있는 볼륨을 형성하기 위해 결합 챔버(bonding chamber) 내에서 제1웨이퍼를 제2웨이퍼에 결합하는 단계, 상기 결합 후 두 웨이퍼의 접촉면에 개구부가 남아 있거나, 결합 전 또는 후에 제1 및/또는 제2웨이퍼에 개구부가 생성됨
c) 코팅 시스템 내의 상기 개구부를 통해 상기 기준 가스를 기준 챔버에 가득 채우는(flooding) 단계,
d) 상기 코팅 시스템 내의 상기 기준 챔버의 개구부를 밀봉하는 단계.
당업자는 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법에 적용되는 바람직한 실시예의 기술적 특징, 정의 및 장점이 생성 가능한 기준 챔버에 동일하게 적용되고 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 기준 챔버는 10μm 내지 2mm, 바람직하게는 50μm 내지 1mm, 더욱 바람직하게는 100μm 내지 500μm의 높이를 갖는다.
이러한 방식으로, 편평하고 컴팩트한 디자인, 특히 기준 챔버의 낮은 전체 높이가 유리하게 달성될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 기준 챔버는 100μm 내지 5mm, 바람직하게는 200μm 내지 3mm, 더욱 바람직하게는 500μm 내지 2mm의 길이 및/또는 폭을 갖는다.
이러한 수치를 사용하면 기준 챔버의 부피에 충분한 양의 기준 가스를 도입하는 것이 유리하게 가능하다. 동시에, 이들 치수는 또한 바람직하게는 MEMS 장치, 바람직하게는 MEMS 센서, 특히 바람직하게는 음압 검출기가 바람직하게는 PAS에 사용되도록 설치되도록 허용한다.
또 다른 측면에서,
본 발명은 다음 단계를 포함하는 광음향 가스 센서(photoacoustic gas sensor)의 제조 방법에 관한 것이다:
- 본 발명에 따른 생산 방법 또는 그 바람직한 실시예에 의해 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생산하는 단계, 여기서 MEMS 센서는 MEMS 장치로서 기준 챔버 내에 존재함,
- 조절 가능한 이미터(modulable emitter)를 제공하고,
- 상기 기준 가스로 채워진 기준 챔버와 모듈형 이미터를 배열(arrangement)하는 단계,
여기서 상기 기준 챔버는 상기 이미터의 빔 경로에 존재하고, 따라서 상기 이미터는 상기 MEMS 센서에 의하여 감지할 수 있는 음압파(sound pressure wave)를 형성하기 위해 조절 가능한 방출 방사선(modulable emittable radiation)을 통해 기준 챔버 내에서 기준 가스를 자극할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 다음을 포함하는 광음향 가스 센서에 관한 것이다.
- 조절 가능한 이미터(modulable emitter)
- 기준 가스로 채워진 기준 챔버, 여기서 MEMS 센서는 기준 챔버 내에 존재함,
여기서 기준 챔버는 이미터의 빔 경로에 존재하고, 따라서 상기 이미터는 상기 MEMS 센서에 의하여 감지할 수 있는 음압파(sound pressure wave)를 형성하기 위해 조절 가능한 방출 방사선(modulable emittable radiation)을 통해 기준 챔버 내에서 기준 가스를 자극할 수 있고, 여기서 상기 기준 가스로 채워진 기준 챔버는 전술한 방법에 따라 생성될 수 있다.
기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법 또는 이에 의해 생성될 수 있는 기준 챔버에 대해 개시된 바람직한 실시예의 기술적 특징, 정의 및 장점은 이러한 기준 챔버를 포함하는 광음향 가스 센서 또는 가스 센서 제조 방법에 동일하게 적용되고, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 인식할 것이다.
특히, 본 발명은 부식성 또는 폭발성 가스(암모니아 등)를 기준 가스로 안전하고 밀봉하여 주변 공기에서 이러한 유해 가스의 발생을 모니터링할 수 있는 소형 광음향 가스 센서의 제공을 가능하게 한다. 이로써 본 발명에 따른 방법은 광음향 가스 센서(MEMS 센서와 같은)의 민감한 구성요소가 기준 가스를 봉입하는 동안 공격을 받지 않도록 보장한다. 또한, 밀폐형 밀봉(hermetic sealing)을 통해 기준 챔버에서 잠재적으로 위험한 가스가 누출되는 것을 방지하며, 컴팩트한 배열로 인해 잠재적인 손상으로부터 높은 수준의 안전성을 보장한다.
바람직한 실시예에서, 광음향 가스 센서의 기준 챔버는 기준 가스로 채워지는 밀봉 시스템을 형성하고 분석될 가스, 바람직하게는 주변 공기가 이미터와 기준 챔버 사이의 광학 경로에 존재하여 분석 대상 가스 중 기준 가스의 비율은 기준 챔버에서 음압파가 형성되는 것을 기반으로 측정할 수 있다.
광음향 가스 센서의 기본 특징과 필수 구성요소는 당업자에게 알려져 있다. 모듈식 이미터(modulable emitter)는 전자기 방사선을 생성하고 바람직하게는 적외선 이미터에 의해 방출된 방사선이 기준 챔버 내의 가스에 실질적으로 또는 적어도 부분적으로 충돌하도록 배열 및 구성된다.
변조된 조사(modulated irradiation)가 가스 혼합물에 존재하는 가스 성분 분자의 흡수 스펙트럼에 해당하는 파장에서 발생하면 변조된 흡수(modulated absorption)가 발생하여 이는 시간 규모가 방사선의 변조 주파수를 반영하는 가열 및 냉각 프로세스로 이어진다. 광음향 효과(photoacoustic effect)에 따르면, 상기 가열 및 냉각 과정은 가스 성분의 팽창 및 수축으로 이어져 실질적으로 변조 주파수(modulation frequency)를 갖는 음압파를 형성하게 된다. 음압파는 PAS 신호라고도 하며 소리 감지기와 같은 센서를 통해 측정할 수 있다. 음파의 파워는 바람직하게는 흡수 가스 성분의 농도에 정비례한다.
가스 성분이라는 용어는 바람직하게는 가스 혼합물에서 화학적으로(및 분광학적으로) 동일한 가스 분자(예: 암모니아)의 비율을 의미하는 것으로 이해되는 반면, 가스 혼합물은 복수의(바람직하게는 다른) 가스 성분(예를 들어 공기)의 전체 또는 혼합물을 의미한다.
다양한 이미터가 바람직하게는 상기 적용을 위한 방사선 소스로 간주된다. 예를 들어, 협대역 레이저 소스(narrowband laser source)사용할 수 있다. 이는 유리하게는 높은 방사 강도의 사용을 허용하고 광음향 분광법을 위한 표준 구성 요소를 사용하여 바람직하게는 높은 주파수에서 변조될 수 있다.
바람직하게는 광대역 이미터(broadband emitters)도 사용될 수 있다. 유리하게도, 이는 예를 들어 (조정 가능한) 필터를 사용하여 추가로 선택될 수 있는 넓은 스펙트럼을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 모듈식 이미터(modulable emitter)는 열 이미터이며 가열 요소를 포함하며, 상기 가열 요소는 전류 및/또는 전압원에 대한 접점이 존재하는 전도성 재료의 가열 가능 층이 적어도 부분적으로 증착되는 기판을 포함한다.
이러한 맥락에서, 상기 가열 요소는 전류가 흐를 때 줄 가열을 생성하는 전도성 재료로 만들어진 가열 가능 층(heatable layer)을 포함한다. 특히, 가열 요소는 가열 가능 층이 존재하는 기판(substrate)을 포함한다. 상기 기판은 바람직하게는 가열 요소의 베이스를 형성한다. 이러한 맥락에서, 상기 기판은 베이스 요소 및/또는 하우징 요소와 같은 IR 이미터의 다른 요소를 적어도 부분적으로 포함할 수도 있다. 유리하게는, 상기 기판은 특히 반도체 및/또는 마이크로시스템 제조로부터 확립된 공정 단계에 의해 적합하게 형성될 수 있다. 앞서 언급한 재료는 특히 반도체 및/또는 마이크로시스템 생산에서 가공이 쉽고 저렴하며 대량 생산에도 매우 적합하다. 마찬가지로, 이들 물질은 특정 분야에서 원하는 전기적, 열적 및/또는 방사선 특성을 달성하기 위해 도핑 및/또는 코팅에 특히 적합하다.
상기 기판은 바람직하게는 실리콘, 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 이산화규소, 탄화규소, 게르마늄규소, 질화규소, 질화물, 게르마늄, 탄소, 갈륨 비소, 질화갈륨 및/또는 인듐 인화물(silicon, monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, and/or indium phosphide)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 가열 가능 층을 형성하기 위해 사용되는 전도성 재료는 바람직하게는 백금, 텅스텐, (도핑된) 산화주석, 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 티타늄-텅스텐 합금, 금속 규화물, 알루미늄, 흑연 및/또는 구리(platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon, molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and/or copper)를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 한편으로, 이들 재료는 원하는 열적, 전기적, 기계적 및/또는 복사 특성을 나타내며, 다른 한편으로는 가공이 특히 쉽고 저렴하다.
(마이크로-)가열 요소는 바람직하게는 적어도 부분적으로 독립되어 있고, 예를 들어 IR 이미터 내에서 병진 이동뿐만 아니라 강한 온도 변화의 결과로서 열 팽창을 허용한다. 부분적으로 독립한다(free-standing)는 것은 인터페이스에서 이미터의 다른 요소에 적어도 부분적으로 확실하게 및/또는 마찰적으로 연결되지 않고 따라서 인터페이스에 실질적으로 수직인 방향으로 이동의 자유도를 갖는다는 것을 의미한다.
이미터는 조절 가능(modulable)하며, 이는 방출된 방사선의 강도, 바람직하게는 빔의 강도가 시간에 따라 제어 가능한 방식으로 변경될 수 있음을 의미한다. 변조(modulation)는 바람직하게는 측정 가능한 변수로서 세기의 시간적 변화를 야기해야 한다. 예를 들어, 이는 측정 기간 내에 측정된 가장 약한 강도와 동일한 기간 내에 측정된 가장 강한 강도 사이에 시간이 지남에 따라 강도의 차이가 있다는 것을 의미한다. 이는 일반적으로 방사선 스펙트럼 및 응용 분야의 강도를 측정하거나 결정하는 데 사용되는 기기의 감도보다 크다. 바람직하게는, 가장 강한 조절 강도와 가장 약한 조절 강도 사이의 차이는 2배, 더욱 바람직하게는 4, 6 또는 8배보다 훨씬 더 크다. 특히 바람직하게는, 변조된 빔(modulated beam)의 강도는 하나 이상의 미리 결정된 공진 파장(resonant wavelength)에 대해 변조된다.
바람직하게는, 전류 공급을 변경함으로써 직접 변조가 수행될 수 있다. 열 이미터의 경우 이러한 변조는 일반적으로 열 시간 상수(thermal time constant)로 인해 변조 스펙트럼의 특정 범위(예를 들어 최대 100Hz 범위)로 제한된다. 예를 들어, 레이저 또는 LED의 경우, 예를 들어 kHz 범위 이상에서 훨씬 더 높은 변조 속도가 가능한 것이 바람직아다.
적외선 이미터의 변조는 바람직하게는 마찬가지로 외부 변조, 예를 들어 회전 초퍼(rotating chopper) 휠 및/또는 전기광학 변조기(electro-optic modulator)를 사용하여 달성될 수 있다.
변조 가능한 이미터는 바람직하게는 특정 스펙트럼 내의 파장 범위에서 전자기 방사선을 방출하는 장치를 의미한다. 특히, 스펙트럼은 이미터의 선호되는 적용 분야, 즉 광음향 분광학에 대응하도록 선택된다. 특히, 분광 및/또는 검출될 가스 분자의 진동 여기가 바람직하며, 이는 가스 분자에 따라 바람직한 스펙트럼 범위에 해당한다.
IR 이미터의 방출은 바람직하게는 바람직한 방향으로 선형으로 지향되는 빔 형태이다. 빔이라는 용어는 이미터에 의해 방출되는 이미터의 바람직한 빔 방향을 따라 방사선의 바람직하게 포커싱된 부분, 특히 빔을 정의하는 이 방향을 따른 가장 큰 강도의 영역을 설명하기 위한 것이다. 강도는 바람직하게는 면적 전력 밀도로 정의되고 바람직하게는 W/m2로 약칭되는 평방 미터당 와트 단위를 갖는다.
렌즈와 같은 추가 구성요소는 이미터에 통합되거나 외부에 부착되어 빔 포커싱 또는 시준을 제공할 수 있다. 당업자는 원하는 빔 프로파일뿐만 아니라 원하는 빔 방향도 생성되는 방식으로 이미터를 설계하고 추가 구성요소를 사용함으로써 방사선 소스의 방출 프로파일을 형성하는 방법을 알고 있다. 바람직하게는, 변조 가능한 이미터는 추가 렌즈 없이 수행될 수 있거나 방사선 소스 및 빔을 시준하기 위한 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 시스템일 수 있다.
바람직하게는 기준 챔버는 이미터의 빔 경로에 위치한다. 바람직하게는, 이는 빔의 강도가 이미터를 향하는 기준 챔버의 측면에 실질적으로 또는 적어도 부분적으로 입사된다는 것을 의미한다. 부분적으로 바람직하게는 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 50%, 60% 이상을 의미한다. 특히, 이는 빔의 최대 강도 영역이 감지 챔버에 충돌함을 의미한다. 바람직하게는, 이는 강도의 상당 부분이 이미터를 향하는 측면에 영향을 미치도록 빔이 집중되고/되거나 시준되는 것을 의미한다. 바람직한 예는 특히 가우스 곡선에 따른 횡단 프로파일을 갖는 가우스 빔이다. 빔을 따라 z축은 최대 강도를 갖는 거리로 정의되는 것이 바람직하다. 따라서 빔의 "높이" z에서의 빔 반경 w는 바람직하게는 강도가 1/e²(바람직하게는 약 13.5%)로 떨어진 z축까지의 거리로 정의된다. 이러한 정의에 따르면, "기준 챔버가 이미터의 경로에 있다"는 것은 실질적으로 모든 빔 반경이 이미터를 향하는 기준 챔버의 측면에 입사된다는 것을 의미하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 이미터를 향한 기준 챔버의 측면은 방출된 방사선에 대해 투명하므로 방사선은 가스로 채워질 수 있는 챔버 내부에 실질적으로 도달한다.
바람직하게는, 특히 이미터를 향하는 기준 챔버의 측면을 조사 표면이라고도 한다.
기준 챔버가 적외선 방출기의 빔 경로에 존재한다는 사실은 특히 방출기가 음압파를 형성하기 위해 변조 가능한 방출 방사선을 통해 감지 챔버의 가스를 여기시킬 수 있다는 것을 의미하며, 이는 적어도 부분적으로(바람직하게는 적어도 40%, 더 바람직하게는 적어도 50%, 특히 적어도 60%) 조사되고 특히 방사선의 상당 부분이 탐지 챔버 내부의 가스로 채워질 수 있는 부피에 도달하기 때문이다. 실질적인 부분은 특히 적어도 80%, 보다 바람직하게는 90%, 특히 95%를 의미한다.
실질적으로, 대략적으로, 대략 등과 같은 용어는 바람직하게는 ± 20% 미만, 바람직하게는 ± 10% 미만, 훨씬 더 바람직하게는 ± 5% 미만, 특히 ± 1% 미만의 공차 범위를 설명한다. 실질적으로, 대략적으로, 약 등의 표시는 항상 언급된 정확한 값을 공개하고 포함한다. 기준 챔버에는 기준 챔버를 관통하는 변조된 IR 방사선이 기준 가스의 가스 분자의 도움으로 PAS를 가능하게 하는 방식으로 IR 방출기와 일치하는 기준 가스가 포함되어 있다. 적외선 방출기와 기준 챔버 사이의 측정 경로에 분석할 공기(특히 주변 공기)에 IR 방사선을 흡수하는 기준 가스의 비율이 포함되어 있는 경우 PAS가 발생한다. 이는 기준 챔버의 흡수 강도를 감소시킨다.
감소 정도를 통해 측정 경로의 기준 가스 농도에 대한 결론을 도출할 수 있다. 바람직하게는, 기준 챔버에서 음압파의 형성은 검출 챔버 외부의 빔 경로에 더 많은 기준 가스가 존재할수록 작아지며, 그 이유는 흡수 및 여기가 그곳에서 이미 발생하기 때문이다. 가능하다면 기준 가스만 여기될 수 있도록 여기에서는 협대역 IR 방출기를 사용하는 것이 바람직하다.
이 측정 원리를 사용하면 주변 공기 내에서 기준 가스의 가장 작은 농도의 분자를 감지할 수 있다. 따라서 암모니아와 같은 독성, 부식성 또는 폭발성 가스를 모니터링하는 것이 특히 안전하고 신뢰할 수 있다.
측정 원리는 본질적으로 오류 제어 또는 오류 경보를 보장한다는 장점이 있다. 가스 센서가 올바르게 작동하는 경우에만 주변 공기에 눈에 띄는 암모니아 농도가 없을 때 예상되는 최대 진폭을 보여주는 PAS 신호가 안정적으로 감지된다. 모니터링 범위에 대해 허용되는 암모니아 농도에 해당하는 한계값을 정의할 수 있다.
소리 감지기, 방출기 또는 기타 구성 요소에 결함이 있는 경우 이는 예상 PAS 신호의 변화로 감지된다. 경고가 자동으로 발행될 수 있다. PAS 신호의 편차에 따라 경고 메시지는 가스 센서의 기능 결함 및/또는 허용되지 않는 한계값을 나타낼 수 있다.
경고는 WatchDog 기능이나 유사한 기능에 의해 발행될 필요는 없지만 측정 원리에 내재되어 있다. 경고가 없고 잠재적으로 위험한 농도가 감지되지 않고 증가하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
바람직하게는, 가스 센서는 변조 가능한 이미터 및/또는 MEMS 센서를 제어하고, 변조 가능한 이미터 및/또는 MEMS 센서로부터 데이터를 수신하고, 필요한 경우 데이터를 평가하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다.
상기 제어 유닛은 바람직하게는 기준 챔버 내부에 위치하고 MEMS 센서에 연결되는 설명된 전자 회로를 포함할 수 있다. 또한, 제어 유닛은 기준 챔버 외부에 위치하고 기준 챔버 내부의 전자 회로에 연결되는 적어도 하나의 (외부) 데이터 처리 유닛(예를 들어, 집적 회로(IC), 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그래밍 가능 논리 장치(PLD), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 마이크로프로세서, 마이크로컴퓨터, 프로그래밍 가능한 논리 컨트롤러 및/또는 기타 전자식, 바람직하게는 프로그래밍 가능한 회로)을 포함하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제어 유닛은 한편으로는 변조 가능한 이미터와 MEMS 센서를 제어하는 외부 데이터 처리 유닛을 통해 전기 제어 신호를 출력하는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 바람직하게는 외부 데이터 처리 장치를 사용하여 MEMS 센서에 의해 기록된 측정 데이터(특히 PAS 신호에 대한 측정 데이터)에 대한 평가가 이루어질 수 있다. 내부 전자 회로는 이미 MEMS 센서의 측정 데이터에 대한 (사전) 평가를 수행할 수도 있다. 그러나 내부 전자 회로는 본질적으로 추가 처리 및/또는 평가를 위해 처리되지 않은 측정 데이터를 외부 데이터 처리 장치로 전달하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 1A-B 결합 후 웨이퍼의 접촉 표면에 개구부가 남아 있는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 첫 번째 바람직한 실시예의 개략도.
도 2A-K 결합 후 웨이퍼의 접촉 표면에 개구부가 남아 있는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 방법의 첫 번째 바람직한 실시예의 바람직한 공정 단계의 개략도.
도 3A-B 밸브를 포함하는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 두 번째 바람직한 실시예의 개략도.
도 4A-B 밸브를 포함하는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 두 번째 바람직한 실시예의 바람직한 공정 단계의 개략도.
도 5A-B 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 세 번째 바람직한 실시예에 대한 개략도, 그 개구부는 열 납땜으로 밀봉됨.
도 6A-H 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 세 번째 바람직한 실시예의 바람직한 공정 단계의 개략도, 개구부는 열 납땜으로 밀봉됨.
도 2A-K 결합 후 웨이퍼의 접촉 표면에 개구부가 남아 있는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 방법의 첫 번째 바람직한 실시예의 바람직한 공정 단계의 개략도.
도 3A-B 밸브를 포함하는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 두 번째 바람직한 실시예의 개략도.
도 4A-B 밸브를 포함하는 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 두 번째 바람직한 실시예의 바람직한 공정 단계의 개략도.
도 5A-B 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 세 번째 바람직한 실시예에 대한 개략도, 그 개구부는 열 납땜으로 밀봉됨.
도 6A-H 기준 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 세 번째 바람직한 실시예의 바람직한 공정 단계의 개략도, 개구부는 열 납땜으로 밀봉됨.
도 1A-B는 본 발명에 따른 생산 방법의 첫 번째 변형의 요약 예시를 보여준다.
제1웨이퍼(1)와 제2웨이퍼(2)가 제공되며, 이에 따라 제1(상부) 웨이퍼(1)와 제2(하부) 웨이퍼(2)는 각각 캐비티(6)를 포함한다. MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 제1웨이퍼(1) 및/또는 제2웨이퍼(2) 상에 존재한다(예를 들어 캐비티 내부이지만 표시되지는 않음)
제1웨이퍼(1)와 제2웨이퍼(2)의 결합(bonding)은 기준 가스(11)로 채워질 수 있는 볼륨(7)을 형성하기 위한 결합 챔버 내에서 발생하며, 여기서 개구부(9)는 결합 후에 두 웨이퍼의 접촉 표면(3)에 남아 있다. 제1웨이퍼(1)와 제2웨이퍼(2)는 또한 바람직하게는 이러한 목적을 위해, 개구부(9)를 형성하기 위해 접촉 표면(3)이 결합되지 않는 영역과 함께, 제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)에 결합하는데 사용되는 접촉 표면(3)을 포함한다.
도 1A는 개구부(9)가 제공될 수 있도록 하는 기준 챔버의 결합합되지 않은 측면 영역을 오른쪽에 도시한다. 개구부(9)를 통해 기준 가스(11)를 기준 챔버 내로 주입하는 것은 코팅 시스템 내에서 설명된 바와 같이 수행될 수 있다. 도 1A에서는 채우는 단계(flooding step)가 화살표로 도시되어 있다.
바람직한 실시예에서, 코팅 시스템 내에서 기준 챔버의 개구부(9)의 밀봉은 적어도 도 1B에 도시된 바와 같이 개구부 영역 위에, 바람직하게는 전체 기준 챔버 주위에 커버층(12)을 적용하는 코팅 공정에 의해 수행된다. 상기 커버층(12)은 바람직하게는 전체 기준 챔버를 확실하게 밀봉하는 질화물일 수 있다.
도 2A-K는 기준 가스(11)로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 첫 번째 변형의 바람직한 공정 단계를 도시하며, 여기서 결합 후 웨이퍼의 접촉 표면(3)에 개구부가 남아 있다.
도 2A에 도시된 바와 같이, 제1 공정 단계에서, 제1웨이퍼(1)는 제1 결합 재료(4)를 사용하여 후면에서 스퍼터링될 수 있다. 제1 결합재료(4)는 바람직하게는 금일 수 있다. 여기서, 결합 재료란 결합에 바람직하게 적합한 재료를 의미한다.
도 2B는 제1 결합재료(4)의 바람직한 구조를 예시한다. 왼쪽은 형성될 기준 챔버의 중앙 단면을 보여준다. 오른쪽에는 추가적으로 평면도가 표시된다. 구조화된 제1 결합 재료(4)는 거의 폐쇄된 경계를 형성하지만, 왼쪽에는 리세스가 있다. 상기 리세스는 접착되지 않지만 기준 챔버로의 개구부를 형성하는 역할을 한다.
제1웨이퍼(1)의 구조화는 도 2C 내지 도 2F에 도시된 바와 같이 포토레지스트(8) 및 에칭 공정을 통해 수행된다.
도 2C에서, 포토레지스트(8)가 제1웨이퍼(1)의 전면에 도포되어 추가 처리를 위한 공간이 남는다. 제1웨이퍼(1)의 상기 영역은 도 2D에 도시된 바와 같이 에칭 공정, 바람직하게는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 통해 에칭된다. 그 후, 에칭 공정에서 제1웨이퍼(1)의 영역이 에칭된다. 그러나, 제1웨이퍼는 전체적으로 에칭되지 않는 것이 바람직하다. 도 2E에서는, 포토레지스트(8)가 제1웨이퍼(1)의 후면에 도포된다. 이전 단계에서와 동일한 포토레지스트(8)일 수도 있고 다른 것일 수도 있다. 후면부터 시작하여, 에칭 공정(바람직하게는 DRIE)이 해당 위치(도 2F 참조)에서 다시 수행되어 전면에서 이전에 에칭된 영역에서 제1웨이퍼(1)를 절단한다. 또한, 후면 에칭 공정은 제1웨이퍼(1)에 캐비티(6)를 생성하며, 이는 반응 챔버에 볼륨(7)을 형성하는 데 사용될 수 있다.
도 2G에서, 제1웨이퍼(1)는 제2 결합 재료(5)가 위치하는 제2웨이퍼(2)에 결합된다. 제2웨이퍼(2)는 또한 제1웨이퍼(1)의 캐비티(6)에 상보적인 캐비티(6)를 포함한다. 제2웨이퍼(2)는 유사한 에칭 공정에 의해 제공될 수 있다. 제2 결합 재료(5)는 바람직하게는 알루미늄, 구리 및/또는 금일 수 있다. 제2 결합 재료(5)는 구조화된 형태로 존재할 수 있으나 반드시 그럴 필요는 없다. 형성될 개구부(9)에서의 결합을 피하기 위해, 제1웨이퍼(1)의 제1 결합 재료(4)는 좌측에 리세스를 갖는 것으로 충분하다. 바람직하게는, 제1웨이퍼(1)와 제2웨이퍼(2)는 열압착 결합(TC - 줄여서 결합)을 통해 함께 결합된다. 그러나 왼쪽 영역은 접촉면(3)에서 접착되지 않는다.
공정의 이러한 바람직한 실시예에서, 비결합 접촉 표면의 영역은 기준 가스(11), 예를 들어 암모니아로 기준 챔버를 채우기 위한 개구부(9)로서 사용된다. 따라서, 볼륨(7)을 포함하고 개구부(9)를 갖는 기준 챔버가 생성된다. 이에 따라, 개구부(9)는 기준 챔버의 측면 영역에 위치하고 이 영역에서는 결합 프로세스가 발생하지 않는다는 사실에 의해 제공된다. 도 2G에서 상기 개구부(9)는 왼쪽 기준 챔버의 측면 영역에서 볼 수 있다. 기준 챔버 그림의 오른쪽에는 바람직하게는 금인 제1 결합 재료(4)의 평면도가 표시되어 있다. 결합 공정은 도시되지 않은 결합 챔버에서 발생한다.
도 2H에서, 상기 기준 챔버는 더 이상 결합 챔버에 위치하지 않고 코팅 시스템, 바람직하게는 PECVD 시스템 (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 위치한다. 이 경우, 실내 압력을 갖는 모든 가스는 초기에 기준 챔버의 볼륨(7)에 위치할 수 있으며, 도 2 I에서는 코팅 시스템 내에서 펌핑되어 진공이 기준 챔버의 볼륨(7)에 위치하게 된다. 당업자는 실제로 진공이 절대적인 것은 아니지만, 정상적인 조건에서 대기압에 비해 상당히 낮은 압력을 특징으로 한다는 것을 알고 있다.
도 2J에서, 상기 코팅 시스템은 기준 가스(11)로 채워지고 따라서 상기 기준 가스(11), 예를 들어 암모니아가 개구부(9)를 통해 기준 챔버의 볼륨(7)으로 주입된다. 도 2K에서, 상기 기준 챔버는 특히 질화물(nitride)을 증착하여 커버층(12)을 통해 코팅 시스템 내에서 기밀하게 밀봉되며, 그 개구부(9)도 확실하게 밀봉되어 기준 가스(11)가 더 이상 기준 챔버에서 빠져나올 수 없다.
도 3A-B는 기준 가스(11)로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 두 번째 변형의 요약 예시를 보여준다. 제1웨이퍼(1)와 제2웨이퍼(2)가 제공되며, 두 웨이퍼(1 및 2) 모두 다시 캐비티(6)을 나타낸다. 제1웨이퍼(1) 및/또는 제2웨이퍼(2), 예를 들어 캐비티(6) 내에 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 있다. 그러나 이러한 내용은 표시되지 않는다.
두 개의 웨이퍼(1, 2)를 결합한 후, 개구부(9)가 제1웨이퍼(1) 또는 제2웨이퍼(2)에 에칭된다. 밸브(14)는 개구부(9)의 끝에 위치한다. 두 개의 웨이퍼(1 및 2)는 밸브(14)가 개구부(9)의 끝에서 기준 챔버의 볼륨(7) 내에 위치되도록 함께 결합된다. 바람직하게는, 밸브(14)는 결합 공정 전에 제1웨이퍼(1) 또는 제2웨이퍼(2)에 부착된다. 대조적으로, 결합 공정 자체 동안, 접촉 표면(3)은 제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)에 결합하기 위해 전체적으로 사용된다. 제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)와 결합한 후, 기준 챔버는 결합 챔버에서 코팅 시스템으로 이동하며, 여기서 기준 가스(11)가 주입(flood)되고, 상기 기준 가스(11)는 개구(9)와 밸브(14)를 통해 기준 챔버의 체적(7)으로 들어간다.
마지막으로, 바람직하게는 질화물 증착을 포함하는 커버층(12)은 바람직하게는 기준 챔버의 전체 영역에 걸쳐 기준 챔버를 기밀하게 밀봉하는 데 사용된다.
이 제조 공정은 기준 가스(11)와 다른 공정 가스가 커버층(12)을 적용하는 데 사용되는 경우 특히 바람직하다. 유리하게는, 밸브(14)는 커버층(12)으로 코팅하기 전에 기준 챔버 내부에 기준 가스(11)를 이미 밀봉하여, 임의의 가스 교환(기준 가스에서 공정 가스로)이 오염을 초래할 수 없도록 한다.
도 4A-I는 기준 가스(11)로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 두 번째 변형의 바람직한 공정 단계를 도시한다.
도 4A에서, 제1웨이퍼(1)의 후면은 제1 결합재(4)로 코팅된다. 바람직하게는, 제1 결합재(4)는 금이고 스퍼터링 공정을 통해 제1웨이퍼(1)의 후면에 코팅된다.
도 4B에서는, 제1웨이퍼(1)의 이면에 제1 결합재료(4)가 패터닝되어 있다. 제1 결합재료 (4)의 평면도가 오른쪽에 예시되어 있다. 도 4C에서는, 제1웨이퍼(1)의 전면에 포토레지스트(8)가 도포된다. 도 4D에서, 재료층(13)은 제1웨이퍼(1)의 후면에 도포된다. 바람직하게는, 연질 금속(soft metal), 특히 바람직하게는 알루미늄이 스퍼터링 공정을 통해 제1웨이퍼(1)의 후면에 박막으로서 재료층(13)으로 도포된다. 도 4E에서, 제1웨이퍼(1)의 전면으로부터 시작하여, 개구부(9)가 에칭 프로세스를 통해, 바람직하게는 건식 에칭 프로세스를 통해 형성된다. 이 과정에서 개구부(9)는 재료층(13)까지 식각된다. 이어서, 도 4F에서, 재료층(13)은 가요성 밸브(14)를 형성하도록 구성된다.
도 4G에서, 제1웨이퍼(1)는 바람직하게는 TC 본딩(위 참조)을 통해 제2웨이퍼(2)에 결합된다. 제2웨이퍼(2)의 접촉 표면(3) 상의 제2 결합 재료(5)는 바람직하게는 금, 구리 및/또는 알루미늄일 수 있다. 도 4H에서, 코팅 시스템, 바람직하게는 PECVD 시스템 내의 기준 챔버는 개구부(9)를 통해 기준 가스(11)로 채워지고, 여기서 가스가 주입될 때 밸브(14)가 열린다. 도 4I에서, 기준 챔버는 커버층(12), 바람직하게는 질화물을 통해 밀봉된다.
도 5A-B는 본 발명에 따른 생산 방법의 세 번째 변형의 요약을 보여준다. 또한 이 세 번째 변형에서, 두 개의 웨이퍼(1, 2)에는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 삽입될 수 있는 캐비티(6)를 포함한다. MEMS 장치 및/또는 전자 회로는 표시되지 않다. 2개의 웨이퍼(1, 2)는 바람직하게는 결합 챔버 내의 모든 접촉 표면(3)에서 서로 결합된다.
바람직하게는, 개구부(9)는 에칭 공정, 바람직하게는 건식 에칭을 통해 결합하기 전에 형성된다. 웨이퍼(1)과 웨이퍼(2)를 모두 접착한 후, 납땜(solder)(15)가 개구부(9) 근처에 배치된다. 기준 가스(11), 예를 들어 암모니아를 코팅 시스템 내 기준 챔버의 볼륨(7)에 도입한 후, 남땜(15)이 용융되어 개구부(9)로 흘러간다. 상기 개구부(9)는 용융 및 그 안으로 유입되는 납땜의 결과로 밀봉된다. 기준 챔버는 커버층(12), 바람직하게는 질화물을 통해 밀봉되어 있다.
6A-H는 가스로 채워진 기준 챔버를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 세 번째 변형의 바람직한 공정 단계를 도시한다. 도 6A에서, 제1웨이퍼(1)는 그 배면에 제1 결합재(4)가 제공되고 코팅된다. 바람직하게는, 제1 결합재료(4)는 금이고, 스퍼터링 공정을 통해 제1웨이퍼(1)의 후면에 도포된다. 도 6B에서, 제1 결합재료(4)는 제1웨이퍼(1)의 후면에 구성(structured)된다.
제1 결합 재료(4)의 구조의 평면도가 오른쪽에 예시되어 있다. 도 6C에서, 포토레지스트(8)가 제1웨이퍼(1)의 전면에 도포된다. 도 6D에서, 전면으로부터 시작하여, 개구부(9)는 에칭 공정, 바람직하게는 건식 에칭 공정, 특히 바람직하게는 반응성 이온 딥 에칭(reactive ion deep etching)을 통해 제1웨이퍼(1)에 형성된다. 도 6E에서, 제2웨이퍼(2)는 접촉 영역(3)에서 제1웨이퍼(1)에 결합된다. 제2웨이퍼는 접촉 표면(3)에 바람직하게는 금, 구리 및/또는 알루미늄인 제2 결합 재료(5)를 포함한다. 바람직하게는, 두 개의 웨이퍼(1, 2)는 TC 결합을 통해 함께 결합된다. 결합 공정 후, 도 6F에서, 열 납땜(thermal solder)(15)이 개구부(9) 근처에 도포된다. 그 다음, 도 6G에서, 코팅 시스템 내의 기준 챔버는 기준 가스(11), 예를 들어 암모니아로 넘치게 된다. 마지막으로, 도 6H에서, 열납(15)이 용융되어 개구부(9)로 유입되어 밀봉된다.
또한, 기준 챔버는 커버층(12), 바람직하게는 질화물로 코팅되어 기준 챔버가 특히 밀폐되게 잘 밀봉된다.
1
제1웨이퍼(First wafer)
2 제2웨이퍼 (Second wafer)
3 접촉면(Contact surface)
4 제1결합 재료(First bonding material)
5 제2결합 재료(Second bonding material)
6 캐비티(Cavity)
7 볼륨(Volume)
8 포토레지스트(Photoresist)
9 개구부(Opening)
11 기준 가스(Reference gas)
12 커버층(Cover layer)
13 밸브로 구성하기 위한 재료층(Material layer for structuring as a valve)
14 밸브(Valve)
15 납땜(Solder)
Bibliography
Bonilla-Manrique, Oscar E., et al. "Sub-ppm-Level Ammonia Detection Using Photoacoustic Spectroscopy with an Optical Microphone Based on a Phase Interferometer." Sensors 19.13 (2019): 2890.
Peng, W. Y., et al. "High-sensitivity in situ QCLAS-based ammonia concentration sensor for high-temperature applications." Applied Physics B 122.7 (2016): 188.
Schilt, Stephane, et al. "Ammonia monitoring at trace level using photoacoustic spectroscopy in industrial and environmental applications. "Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 60.14 (2004): 3259-3268.
Stemme, Goran, and Edvard Kalvesten. "Micromachined gas-filled chambers and method of microfabrication." U.S. Patent No. 6,124,145. 26 Sep. 2000.
2 제2웨이퍼 (Second wafer)
3 접촉면(Contact surface)
4 제1결합 재료(First bonding material)
5 제2결합 재료(Second bonding material)
6 캐비티(Cavity)
7 볼륨(Volume)
8 포토레지스트(Photoresist)
9 개구부(Opening)
11 기준 가스(Reference gas)
12 커버층(Cover layer)
13 밸브로 구성하기 위한 재료층(Material layer for structuring as a valve)
14 밸브(Valve)
15 납땜(Solder)
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Claims (16)
- a) 제1웨이퍼(1) 및 제2웨이퍼(2)를 제공하는 단계, 여기서 적어도 제1웨이퍼(1) 및/또는 제2웨이퍼(2)는 캐비티(6)를 포함하고, 여기서 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 제1웨이퍼(1) 및/또는 제2웨이퍼(2)에 존재함,
b) 기준 가스(11)로 채워질 수 있는 볼륨(7)을 형성하기 위해 결합 챔버 내에서 제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)에 결합하는 단계, 여기서 결합 후 두 웨이퍼의 접촉면(3)에 개구부(9)가 남아 있거나, 결합 전 또는 후에 제1웨이퍼(1) 및/또는 제2웨이퍼(2)에 개구부(9)가 형성됨,
c) 코팅 시스템 내의 개구부(9)를 통해 기준 가스(11)를 기준 챔버 내로 채우는 단계,
d) 상기 코팅 시스템 내 기준 챔버의 개구부(9)를 밀봉하는 단계;를 포함하는 MEMS 장치 및/또는 전자 회로가 존재하는, 가스로 채워진 기준 챔버 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 기준 가스(11)는 부식성 및/또는 폭발성 가스, 바람직하게는 메탄, 프로판, 프로필렌, 실란, 클로로실란, 수소 및/또는 산소, 특히 바람직하게는 암모니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 기준 챔버 내에서 기준 가스(11)의 부분 압력을 설정하기 위해, 불활성 가스, 바람직하게는 질소가 개구부(9)를 통해 기준 챔버 내로 추가로 도입되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
제1웨이퍼(1)와 제2웨이퍼(2)는 제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)에 겹합하는데 사용되는 접촉 표면(3)을 포함하고, 여기서, 개구부(9)를 형성하기 위해, 상기 접촉면(3) 상의 영역은 접착되지 않고 및/또는
여기서 결합 후에 상기 개구부(9)가 두 웨이퍼의 접촉 표면(3)에 남아 있고,
여기서 상기 개구부(9)는 1μm2~1000μm², 바람직하게는 1μm2~100μm²의 단면적과 1μm~1000μm, 바람직하게는 10μm~500μm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)에 결합하기 전 또는 후에, 상기 개구부(9)는 바람직하게는 에칭 공정을 통해 제1웨이퍼(1) 또는 제2웨이퍼(2)의 외측에서 시작하여 내측으로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
밸브(14)는 제1웨이퍼(1) 또는 제2웨이퍼(2)의 개구부(9) 말단에 존재하며,
여기서 제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)와 결합한 후, 상기 밸브(14)는 바람직하게는 제1웨이퍼(1) 또는 제2웨이퍼(2)의 외부로부터 시작하여 기준 챔버의 볼륨(7) 내에 있는 개구부(9)의 단부에 위치하고, 및/또는
여기서 상기 밸브(14)는 바람직하게는 연질 금속, 바람직하게는 납, 금, 인듐, 구리, 백금, 은, 아연, 주석 및/또는 이들의 화합물, 특히 바람직하게는 알루미늄 및/또는 이들의 화합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 비철 금속인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
제1웨이퍼(1)를 제2웨이퍼(2)에 결합한 후, 상기 코팅 시스템의 기준 챔버는 기준 가스(11)로 채워지고, 상기 가스는 개구부(9)와 밸브(14)를 통해 기준 챔버의 볼륨(7)으로 주입되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 개구부(9)를 밀봉하기 위해 기준가스(11)로 기준챔버를 채운 후, 납땜(15)을 녹이고,
여기서 상기 납땜(15)은 바람직하게는 납, 주석, 아연, 은, 구리, 합금 및/또는 이들의 화합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 가용성 재료(fusible material)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 개구부(9)는 상기 코팅 시스템 내의 코팅 공정, 바람직하게는 스프레이 코팅, 미스트 코팅 및/또는 증기 코팅에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 코팅 시스템은 물리적 코팅 시스템, 바람직하게는 플라즈마-보조 물리적 코팅 시스템, 또는 화학적 코팅 시스템, 바람직하게는 플라즈마-보조 화학 코팅 시스템, 저압 화학적 코팅 시스템 및/또는 에피택셜 코팅 시스템인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 코팅 시스템 내에서 개구부(9)를 밀봉하기 위해, 커버 층(12)은 적어도 개구부(9)의 영역 위에, 바람직하게는 전체 기준 챔버 주위에 적용되고, 여기서 질화물, 바람직하게는 질화규소, 탄질화규소, 산질화규소, 질화티타늄 및/또는 질화탄탈륨, 산화물, 바람직하게는 산화규소, 산화알루미늄, 이산화규소, 이산화티타늄 또는 산화탄탈륨, 또는 금속, 바람직하게는 알루미늄 및/또는 귀금속, 바람직하게는 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은, 로듐 및/또는 루테늄이 바람직하게는 피복층(12)용 재료로서 사용되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 개구부(9)를 밀봉하고 커버층(12)을 형성하기 위해, 공정 가스가 코팅 시스템에 도입되고,
여기서 상기 공정 가스는 기준 가스로 가득 찬 후에 기준 챔버 내로 도입되거나, 또는
여기서 상기 커버층(12)을 형성하기 위한 재료는 기준 가스가 동시에 공정 가스의 역할을 할 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 선행하는 청구항 중 하나 이상에 있어서,
상기 MEMS 장치는 MEMS 센서 또는 MEMS 액추에이터를 포함하고 및/또는 상기 전자 회로는 프로세서, 스위치, 트랜지스터 및/또는 변환기를 포함하고, 및/또는 MEMS 장치는 음압 검출기(sound pressure detector)이며,
여기서 바람직하게 음압 검출기는 용량성 또는 광학적으로 판독 가능한 압전성, 압전저항성 및/또는 자기 바 및/또는 용량성, 압전성, 압저항성 및/또는 광학 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 생산 방법에 의해 생산 가능한 기준 챔버.
- - 모듈식 이미터(modulable emitter),
- 기준 가스(11)로 채워진 기준 챔버를 포함하고,
여기서 MEMS 센서가 상기 기준 챔버 내에 존재하고,
여기서 상기 이미터가 변조 가능하게 방출 가능한 방사선에 의해 기준 챔버 내의 기준 가스(11)를 여기시켜 MEMS 센서에 의해 검출 가능한 음압파를 형성할 수 있도록 상기 기준 챔버는 상기 이미터의 빔 경로에 존재하고,
상기 기준 가스(11)로 채워진 기준 챔버는 제1항 내지 제13항에 따른 방법에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스센서.
- 선행하는 청구항에 따라서,
상기 기준 챔버는 상기 기준 가스(11)와 분석할 가스, 바람직하게는 주변 공기로 채워지는 밀봉 시스템을 형성하고, 상기 이미터와 기준 챔버 사이의 빔 경로에 존재하고, 분석 대상 가스 중 상기 기준 가스(11)의 비율은 상기 기준 챔버 내에서 음압파의 형성을 통해 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 광음향 가스센서.
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| EP21160684 | 2021-03-04 | ||
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