KR20090105933A - 모바일 어플리케이션에 사용되는 마이크로 메카니칼 및 마이크로 광학 부품용 하우징 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나 또는 복수의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품용 하우징에 관한 것으로서, 하우징은 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품을 구비한 캐리어 기판 그리고 캐리어 기판과 연결된 적어도 하나의 커버 기판을 포함한다. 캐리어 기판 및 적어도 하나의 커버 기판은 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품을 적어도 부분적으로 감싸는 적어도 하나의 공동을 형성하며, 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품에 대향하는, 적어도 하나의 커버 기판의 면은 적어도 하나의 광학창 및 적어도 하나의 메카니칼 스톱을 포함한다. 또한 본 발명은 이러한 하우징의 제조 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 특히 웨이퍼 면 인캡슐레이션에 사용될 수 있다.
MEMS, MOEMS, 마이크로 메카니칼, 마이크로 광학, 마이크로 광학 부품, 광학창, 메카니칼 스톱, 인캡슐레이션
Description
예를 들어 가속도 센서, 회전속도 센서, 마이크로 미러와 같은 공정이 완료된 마이크로 메카니칼 시스템(MEMS) 및 마이크로 광학 시스템(MOEMS) 또는 부품은 일반적으로 매우 민감하고 부분적으로 자유롭게 가동되는(movable) 미세 구조물[예를 들어 바(bar), 그리드, 플레이트]을 포함한다.
일반적으로 제조에 필요한 제조 단계(예를 들어 필름 데포지션, 포토리소그래피, 식각법)에서는 가동형 미세 구조물도 기판(캐리어 기판), 즉 일반적으로 웨이퍼(캐리어 웨이퍼)와 아직 고정적으로 그리고 그로 인해 움직일 수 없게 결합되어 있다. 소위 "릴리즈" 공정을 통해 비로소 이 미세 구조물이 자유롭게 움직일 수 있게 된다. 이 시점부터 가동형 미세 구조물은 매우 민감하며, 따라서 오염물 또는 기계적 과부하는 이 미세 구조물의 파괴 또는 기능 장애 및 그로 인해 부품의 오작동을 발생시킬 수 있다. 예를 들어 웨이퍼의 분리 시, 즉 각각의 칩으로의 웨이퍼 소잉(sawing) 시, 웨이퍼 표면 및 이로써 MEMS/MOEMS의 미세 구조물이 파티클 및 물과 접촉한다. 이외에도 미세 구조물은 소잉 공정 중에 비교적 강한 기계적 부하 에 노출될 수 있다. (여기서 MEMS는 Micro-electromechanical Device, MOEMS는 Micro-Optic-electromechanicalDevices를 의미한다)
그럼에도 불구하고 높은 수율 및 저비용으로 MEMS/MOEMS의 제조가 가능하도록 하기 위하여, "릴리즈" 공정 뿐 아니라 기판이 분리 또는 분할되기 전에 특히 가동형 미세 구조물의 보호를 위한 조치도 수행하는 경향이 있다.
본 발명은 특히 모바일 장치에 사용되는 마이크로 메카니칼 및 마이크로 광학 부품의 인캡슐레이션을 위한 하우징 및 그러한 하우징의 제조 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 기판 레벨, 특히 웨이퍼 레벨에서, 즉 분리 공정 전 그리고 이로써 기판의 분할 전에 MEMS/MOEMS를 인캡슐레이션하는데 적합하다.
MEMS/MOEMS의 인캡슐레이션을 위한 하우징 및 특히 웨이퍼 레벨에서 이러한 하우징을 제조하기 위한 방법, 소위 웨이퍼 레벨 패키징(wafer level packaging) 방법은 반도체 산업에서 이미 잘 알려져 있다.
예를 들어 미국 특허 US 6,743,656에 설명된 바와 같이, MEMS/MOEMS를 구비한 웨이퍼(캐리어 웨이퍼,기판 웨이퍼)가 특정한 치수의 리세스를 구비한 다른 웨이퍼(커버 웨이퍼, 또는 캡 웨이퍼)와 결합된다. 일반적으로 이 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이므로, 커버 웨이퍼의 리세스는 검증된 실리콘 기술 공정으로 간단하고 정밀하게 제조가 가능하다. 일반적으로 소잉 공정에 해당하는 이어지는 분리 공정에서는 MEMS/MOEMS에 대한 오염 위험 없이 개별 봉지된(encapsulated) 칩이 제조된다.
MEMS/MOEMS가 광학 기능을 갖는 경우 또는 MEMS/MOEMS의 특정한 물리적 변수 또는 특정한 파라미터가 광학적으로 측정되거나 또는 비디오 시퀀스의 평가를 통하여 또는 간섭계를 이용하여 편향이 측정되는 경우에는, 일반적으로 투명한 광학 커버 기판이 필요하다.
WO 2004/1068665에는 유리 재질의 커버 기판에 적용되는 MOEMS를 위한 웨이퍼 레벨 패키징 방법이 설명되어 있다. 하지만 인캡슐레이션 공정 전에 웨이퍼는 MOEMS와 분리된다. 그 결과로 인캡슐레이션되지 않은 개별 칩(DIE)은 새로운 기판에 위치되고, 부착되며 접촉되고 그 이후에 비로소 인캡슐레이션된다.
미국 특허 US6146917에는 MEMS/MOEMS를 위한 웨이퍼 레벨 패키징 방법이 설명되어 있는데, 이 방법에서는 리세스가 형성된 실리콘 또는 유리 재질의 커버 웨이퍼가 용융접합(fusion bonding) 또는 양극 접합을 통해 캐리어 웨이퍼와 결합되고 이로써 기밀 봉지된 하우징이 형성된다. 실리콘 재질의 커버 웨이퍼에서 요구되는 50 내지 150 ㎛ 깊이의 리세스의 제조는 KOH 용액이 사용되는 습식 화학 식각을 통해 이루어질 수 있고 유리 웨이퍼로 전달될 수 있다.
미국 특허 US2005/0184304에는 표면 마이크로 메카니칼 방식으로 제작된 마이크로 미러 어레이의 인캡슐레이션을 위한 웨이퍼 레벨 패키징 방법이 공개되어 있다. 유리 재질의 커버 웨이퍼는 광학창으로서 기능하며 반사방지층을 가지는 리세스를 포함한다. 커버 웨이퍼의 리세스는 100 ㎛를 초과하는 깊이를 가질 수 있다.
미국 특허 US 5,591,679에는 표면 마이크로 메카니칼 방식 및 체적 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된 MEMS/MOEMS용 기밀 봉지 하우징의 제조 방법이 공개되어 있다. 이 방법에서는 표면 메카니칼 방식의 MEMS/MOEMS의 경우 리세스를 구비한 유리 재질의 커버 웨이퍼가 실리콘 재질의 캐리어 웨이퍼와 양극 접합된다. 체적 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된 MEMS/MOEMS의 경우, 캐리어 웨이퍼의 제1 면에서 제1 커버 웨이퍼 옆에는, 캐리어 웨이퍼와 제2 커버 웨이퍼 사이에서 특정 간격을 설정함으로써, 제2 커버 웨이퍼가 기계적 과부하에 대한 메카니칼 스톱으로서 기능할 수 있다.
본 발명의 목적은 최신 기술의 단점을 극복하고, 특히 광학 어플리케이션에 적합하고 기계적 과부하 방지 기능을 가지며 기판 레벨 또는 웨이퍼 레벨에서 제조가 가능한 하우징을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이 목적은 청구항 1항에 따른 하우징을 통해 달성된다. 청구항 24항은 본 발명에 따른 하우징의 제조 방법을 명시한다.
종속항은 바람직한 개선된 형태를 설명하며 청구항 32항 및 33항은 바람직한 사용을 명시한다.
본 발명에 따른 하우징은 하나 또는 복수의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품의 인캡슐레이션에 사용되며 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품을 구비한 캐리어 기판 및 적어도 하나의 커버 기판을 포함한다. 캐리어 기판 및 커버 기판은 바람직하게 용융 결합을 통해 서로 결합되어 있고 하나 또는 복수의 공동을 형성하며, 이 공동은 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품을 적어도 부분적으로 감싼다. 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품의 커버 기판 대향측은 적어도 하나의 광학창 및 적어도 하나의 메카니칼 스톱을 포함한다.
MEMS/MOEMS, 특히 가동형 MEMS/MOEMS의 인캡슐레이션을 위한 하우징은 일반적으로 오염에 대한 적어도 하나의 보호 기능을 제공해야 하며 이와 동시에 MEMS/MOEMS의 메카니칼 및/또는 광학 기능을 침해하지 않아야 한다. 예를 들어 캐리어 기판과 결합된 커버 기판이 하우징으로서 기능할 수 있다. MEMS/MOEMS의 기능이 캐리어 기판면에 대한 평행 동작에만 한정되는 것이 아니라 캐리어 기판면에 대한 수직 동작으로도 확장되는 경우에는 하우징이 MEMS/MOEMS의 상응하는 동작 자유도를 보장해야 한다.
이에 예를 들어 커버 기판이 캐리어 기판과 함께 MEMS/MOEMS 둘레에서 공동을 형성하는 리세스를 포함할 수 있으며, 따라서 MEMS/MOEMS의 기능은 한정되지 않는다.
진동 및 충격에 매우 민감한 MEMS/MOEMS도 소프트 서스펜션(독어: weichen Aufhngungen) 및 낮은 공진주파수로 고수율 제조가 가능하도록 하기 위하여, 모바일 어플리케이션(예를 들어 모바일폰)에서 발생할 수 있는 기계적 과부하(예를 들어 충격, 진동 등)로부터 MEMS/MOEMS를 보호하는 스톱이 필요하다.
MEMS/MOEMS 디자인에서 기판면에 작용하는 측방향 힘이 측방향 스톱에 의해 제공되고 상응하게 구현될 수 있는 경우에는, 기판면에서 수직으로 작용하는 힘에 대하여 추가적인 수직 스톱이 필요하다.
본 발명에 따른 하우징은 하나 또는 복수의 통합된 메카니칼 스톱을 포함하며 이 스톱은 바람직하게도 임의의 위치에서 커버 기판에서부터 MEMS/MOEMS의 방향으로 돌출된다.
특히 MEMS/MOEMS 에 대향(면)하는 광학창 면에서 돌출된 스톱으로 인하여, 최대 편향 진폭을 가지며 그리고 이에 따라 예를 들어 회전 동작 시 최고 속도를 갖는 MEMS/MOEMS의 영역이 커버 기판에 충돌하는 것이 방지된다. 스톱의 자유로운 선택과 함께, 스톱과의 접촉을 위한 가장 적합한 MEMS/MOEMS의 영역을 선택하는 가능하다. 그 이유는 예를 들어 그 최대 수직 속도가 다른 영역에 비해 낮고, 그가 활성 기능을 나타내지 않거나 또는 활성 영역이 아니고, 그리고/또는 이 영역이 기계적으로 매우 안정적으로 설계되어 있기 때문이다.
이로써 기계적 과부하 시 미세 구조물 및 MEMS/MOEMS의 손상 위험이 감소된다.
원칙적으로 메카니칼 스톱은 MEMS/MOEMS의 요구된 작동 영역 및 기능성이 한정되지 않아야 하며, 스톱과의 접촉에 제공되는 MEMS/MOEMS 영역에 대한 메카니칼 스톱의 간격이 바람직하게도 가능한 한 좁아야 한다.
몇몇 어플리케이션에서는 하우징이 광학 기능도 충족해야 한다. 본 발명에 따른 하우징은 그 돌출된 스톱으로 인하여, 기계적 과부하 시 스톱과 MEMS/MOEMS의 접촉만 발생하는 이점을 제공한다. 커버 기판의 다른 영역은 MEMS/MOEMS와 접촉되지 않는다. 이로써 예를 들어 광학창으로서 기능하는 커버 기판의 다른 영역은 손상되지 않거나 또는 그 기능성이 저하되지 않는다.
본 발명에서 광학창이란 하우징의 영역으로 이해되는데, 이 영역은 특히 인캡슐레이션할 MEMS/MOEMS을 통해 처리될 방사(radiation) 및 이로써 어플리케이션에 사용된 방사에 해당하는 전자기 방사의 임의의 파장 및/또는 파장 범위에 대해 적외선, 가시 (광) 및 자외선 주파수대에서 투과성, 특히 투명성이고 또한 특히 표면조도, 평탄성 및 면 평행도에서 대개 엄격한 품질 요건을 충족시킨다. 이외에도 이 영역은 바람직하게도 균질한 재료 구조를 가져야 한다.
전형적인 마이크로 광학 부품은 입사되는 레이저 빔을 편향시키기 위하여 예를 들어 비디오 레이저 프로젝션 시스템에서 스캔 미러로서 사용 가능한 마이크로 미러이다. 레이저 빔은 가능한 한 하우징에 의해 산란되거나 변형되지 않아야 한다.
캐리어 기판과 커버 기판 사이에서 공동의 형성을 위하여 예를 들어 커버 기판은 리세스를 가지므로 캐리어 기판 및 커버 기판이 그 결합 후에 일반적으로 MEMS/MOEMS 전체를 감싼다. 대개의 어플리케이션에서 리세스에 대한 충분한 깊이는 약 50 ㎛에서 900 ㎛ 사이이다. 더 큰 MEMS/MOEMS에 대해서도 충분한 편향 자유도가 보장되도록 하기 위하여 커버 기판에서 리세스가 900 ㎛보다 낮은 것이 바람직하다.
이러한 리세스는 예를 들어 상대적으로 큰 가동성(movability)으로 현수된 마이크로 미러가 바람직한데, 이 미러는 10 mm의 직경을 가질 수 있다. 이러한 치수의 마이크로 미러를 그 중심축을 중심으로 10° 틸팅할 경우 기판면을 기준으로 거의 870 ㎛의 최대 편향이 나타난다.
하우징이 MEMS/MOEMS를 주변으로부터 기밀 봉지하고 따라서 하우징에서 특정한 분위기가 형성 가능한 것이 특히 바람직하다. 이를 통하여 오염으로부터의 매우 우수한 보호가 달성되며, 따라서 인캡슐레이션된 인캡슐레이션의 오작동 위험이 최소화된다. 이외에도 공동에서 주변 환경에 대해 독립적인 분위기로 조절할 수 있다.
표면 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된 MEMS/MOEMS에서는 기밀 봉지 인캡슐레이션이 이미 캐리어 기판과 커버 기판의 결합을 통해 달성될 수 있는 반면, 부분적으로 캐리어 기판을 완전히 관통하여 식각된 미세 구조물을 구비한 체적 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된 MEMS/MOEMS에서는 적어도 하나의 제2 커버 기판이 필요한데, 이 기판은 제1 커버 기판과 결합된 캐리어 기판의 제1 면에 대향하는 캐리어 기판의 제2 면과 결합되므로, 캐리어 기판은 양면에서 커버 기판을 갖는다.
다수의 어플리케이션에서 분위기 공기압 미만인 하우징 내부압이 바람직하다. 특히 MEMS/MOEMS에 대해서는 약 10-3 mbar 내지 약 1 mbar의 하우징 내부압이 바람직하다. 이를 통해 예를 들어 특히 공진(resonance)에서 가동되는 시스템에서 감쇠가 감소되며 이로써 더욱 우수한 품질 요소(quality factor) 및 더 큰 편향 진폭이 달성된다.
다른 어플리케이션에서는, MEMS/MOEMS의 특정한 특성이 달성되도록 영향을 미치기 위하여 공동이 기체(gas)로 충진되는 것이 바람직하다. 기체로는, 건조되고 전기 전도성이 아니며, 하우징 및 MEMS/MOEMS에 사용된 재료와 화학적으로 반응하지 않고 그리고 요구되는 투명성을 갖는 기체가 고려되는데, 예로서 SF6, 질소 또는 영족 기체와 같은 비활성 기체를 들 수 있다.
예를 들어 열이 가능한 한 신속하게 하우징 및 주변으로 방출되어야 하는 어플리케이션에서는 하우징 분위기 기체로서 아르곤이 사용되는데, 그 이유는 아르곤이 전기 전도성을 갖지 않음에도 불구하고 비교적 높은 열전도성을 갖기 때문이다. 또한 아르곤의 확산 경향이 낮아 하우징에서 장기간 안정적인 압력비가 가능하다.
바람직하게도 실리콘 웨이퍼가 캐리어 기판으로서 사용되는데, 그 이유는 실리콘 기술 공정이 이미 성숙되어 있고 양호한 컨트롤이 가능하기 때문이다.
특히 광학 어플리케이션에 사용되는 가동 MEMS/MOEMS에서는, 적어도 부분 영역에서 광학창에 대한 전술된 요건을 만족시키며 인캡슐레이션된 MEMS/MOEMS의 메카니칼 기능 뿐 아니라 광학 기능도 가능한 한 전혀 침해하지 않거나 또는 적게 침해하는 하우징이 요구된다.
따라서 캐리어 기판 및 커버 기판의 열팽창계수가 가능한 한 적은 차이를 갖거나 또는 서로 다른 팽창계수를 보상할 수 있는 층이 양측 기판 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
이를 통해 캐리어 기판과 커버 기판 사이에서 열에 의한 기계적 응력이 최소화되며 하우징 및 인캡슐레이션된 MEMS/MOEMS의 손상 위험이 감소된다.
바람직하게도 커버 기판은 유리 및/또는 유리와 유사한 재료를 포함하거나 또는 그로 이루어진다. 유리와 유사한 재료는 본 발명에 따른 소재로 이해되는데, 이 소재는 그 화학적 조성에서 규산염 유리와 구별되지만 그 열역학적 특성(비정질 구조, 유리 전이온도)으로 인해 유리와 유사하다. 예로서 화학 분야에서 잘 알려진 아크릴 유리 또는 폴리메틸메타크리레이트(PMMA), 폴리카보네이트 및 폴리스티롤과 같은 유기 비트로이드(vitroid)를 들 수 있다.
적합한 유리는 규산염 유리, 특히 붕규산염 유리인데, 그 이유는 붕규산염 유리가 내화학성 및 내온성이 우수하기 때문이다. 급격한 온도 변동에 대한 붕규산염 유리의 불감성 및 내온성은 그 낮은 열팽창계수에 기인한다. 또한 특히 가시 범위에서 투과율은 90% 이상으로 매우 높다.
광학적 품질 요건을 충족시키기 위하여, 하우징의 광학창은 어플리케이션에 사용된 전자기 방사의 파장의 4분의 1보다 작은 평탄성 오차 및/또는 면 평행도 오차를 가져야 하며 일반적으로 자외선 파장대에서부터 적외선 파장대까지의 파장이 사용된다(예를 들어 약 200 nm에서 약 15 ㎛ 사이). 그 결과로 파장이 720 nm 미만인 장파 광에서는 평탄성 오차 및/또는 면 평행도 오차의 값이 180 nm 미만인 것이 바람직하다. 파장이 440 nm 미만인 단파 광이 사용되는 경우에는 광학창에 대해 엄격한 요건이 적용되므로, 평탄성 오차 및/또는 면 평행도 오차의 값이 110 nm 미만인 것이 바람직하다.
이 요건을 충족하는 광학창은 광학 빔 경로의 더 낮은 빔 확대 및 더 낮은 오차를 발생시키며, 이로 인해 광학 신호의 왜곡이 감소된다.
이외에도 광학창의 표면조도(root-mean-square roughness)는 가능한 한 낮아야 하고, 바람직하게는 15 nm 미만, 더욱 바람직하게는 5 nm 미만이어야 한다. 이를 통해 특히 커버 기판에 의해 야기된 산란이 감소된다.
평탄성 오차 및 면 평행도 오차 그리고 표면조도에 대한 값은 간섭계 측정법을 통해 측정되었다. 측정에는 Atos 사의 백색광 위상간섭게 MicroMap 512가 사용되었다.
광학창의 특성을 추가적으로 최적화하기 위하여, 이 영역이 적어도 부분적으로나마 빈번하게 사용되는 개질층에 대한 예로서 광학창에서 반사 및 이로써 방사손실을 감소시키는 반사방지 코팅을 들 수 있다. 이러한 반사방지 코팅은 예를 들어 플루오르화 마그네슘 및 산화티타늄 또는 이산화규소 및 이산화티타늄을 포함하는 코팅 시스템을 통해 구현된다.
이외에도 커버 기판의 전기 하전을 최소화하는 정전기방지 코팅이 빈번하게 사용된다. 광학 어플리케이션에서 정전기방지 코팅용으로 매우 적합한 재료는 ITO(산화인듐주석)인데, 그 이유는 이 재료가 도핑된 상태에서 높은 전기 전도도를 가지며 넓은 주파수대에 걸쳐 높은 투명성을 갖기 때문이다.
또한 예를 들어 금속 코팅과 같은 반사 코팅이 도포될 수 있으며, 이러한 코팅은 예를 들어 입사되는 라이트 빔(light beam)을 공간적으로 한정하거나(조리개 기능) 또는 광학창 인접부에서 정적(static) 틸팅 미러를 형성하기 위하여 구조화 후에 로컬 반사 영역을 형성한다. 또한 바람직하게도 사용된 개질층은 특정한 파장 또는 전체 파장대의 전자기 방사를 흡수하는 흡수 코팅이다.
마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품의 인캡슐레이션을 위한 하우징의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
- 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품을 구비한 캐리어 기판의 준비
- 적어도 하나의 광학창 및 적어도 하나의 메카니칼 스톱을 구비한 적어도 하나의 커버 기판의 준비
- 캐리어 기판 및 적어도 하나의 커버 기판이 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품을 적어도 부분적으로나마 감싸는 적어도 하나의 공동을 형성하도록, 적어도 하나의 커버 기판과 캐리어 기판의 결합.
본 발명에 따른 방법은 일반적으로 캐리어 기판에 부착 또는 배치된 MEMS/MOEMS의 인캡슐레이션을 위한 것이다. 일반적으로 캐리어 기판으로서 실리콘 웨이퍼가 사용되며, 그 위에서 인캡슐레이션할 MEMS/MOEMS가 표면 메카니칼 공정 또는 체적 마이크로 메카니칼 공정을 통해 형성된다.
인캡슐레이션을 위하여 다른 커버 기판이 필요한데, 이 기판은 대개 광학창 및 메카니칼 스톱의 형성 전에 적어도 부분 영역에서, 일반적으로는 그 전체 영역에서 어플리케이션에 사용된 전자기 방사에 대해 투과성을 갖는다. 하지만 대부분의 광학 어플리케이션에서는 예를 들어 레이저 빔이 가능한 한 어떤 영향을 받지 않으면서 MEMS/MOEMS에 도달할 수 있도록 하기 위하여 어플리케이션에서 사용된 전자기 방사에 대한 이 투과 영역의 높은 투과성이 요구된다.
이러한 요건도 충족될 수 있도록 커버 기판은 대개 구조화된다. 이 과정에서 공동, 광학창 및 메카니칼 스톱을 위한 리세스가 형성된다.
전술된 바와 같이 커버 기판으로는 다양한 유리 및 유리와 유사한 특정한 플라스틱이 적합하다. 실리콘 기술에 사용되는 다양한 구조화 방법은 유리 기판에도 활용될 수 있다. 예를 들어 리세스는 HF 용액으로 식각될 수 있다. 하지만 습식 화학법으로 구조화된 유리 기판의 식각은 일반적으로 식각된 면 내에서 식각 깊이와 관련하여 뚜렷한 불균질성(면의 불충분한 면 평행도) 및 이외에도 식각 깊이에 비례적인 과도한 거칠기의 표면을 발생시킨다. 일반적으로 이러한 방식으로 구조화된 커버 기판은 광학 용도에 적합하지 않다.
더욱 우수한 품질의 광학 표면을 얻기 위해서는, 커버 기판의 구조화 방법(paterning)으로서 예를 들어 글라스 플로우 방법이 적합한데, 이 방법에서는 폼 기판(form substrate)의 패턴이 유리 기판으로 전사된다. 유리 기판의 표면 품질은 주로 폼 기판의 표면 품질에 의해 결정된다.
어느 한 바람직한 형태에서는 커버 기판의 구조화 후에 특히 광학창이 적어도 부분적으로 반사방지 코팅 및/또는 정전기방지 코팅 및/또는 반사 코팅 및/또는 흡수 코팅을 가질 수 있고, 이로써 하우징의 광학 기능성이 개선된다.
이후 공정 단계에서는 캐리어 기판 및 적어도 하나의 커버 기판이 서로 결합되어 캐리어 기판 및 적어도 하나의 커버 기판이 MEMS/MOEMS를 적어도 부분적으로 감싸는 적어도 하나의 공동을 형성한다.
이를 위하여 예를 들어 접착, 납땜 또는 본딩과 같은 일반적인 모든 적합한 접합 기술이 사용될 수 있다.
어느 한 바람직한 형태에서는 캐리어 기판 및 적어도 하나의 커버 기판이 양극 접합 및/또는 공융 접합 및/또는 글라스 프릿 접합(glass frit bonding)을 통해 서로 결합된다. 반도체 산업에서 이 접합 방법은 특히 부품의 기밀 봉지 인캡슐레이션을 위해 일반적으로 사용되는 결합 기술이다.
MEMS/MOEMS에 의해 흡수된 에너지, 예를 들어 방사 에너지가 커버 기판으로 방출되어야 하는 경우에 특히 이 공융 접합이 바람직하다.
어떠한 환경에서 커버 기판의 접합공정이 수행되는지에 따라서 특정한 분위기, 예를 들어 대기 공기압 미만, 매우 바람직하게는 약 10-3 mbar 내지 약 1 mbar 사이의 압력 및/또는 예를 들어 아르곤과 같은 비활성 기체 충진이 기밀 봉지 하우징에서 형성될 수 있다. 따라서 하우징 내에서 안정적 분위기를 보장할 수 있는 결합 기술의 선택이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 매우 바람직하게도 웨이퍼 레벨에서 웨이퍼 레벨 패키징 방법으로서 사용 가능하며, 이로써 복수의 MEMS/MOEMS의 동시 인캡슐레이션이 가능하고 시간 절약적 및 효율적인 인캡슐레이션 방법에 해당한다.
바람직하게도 이 방법은 가동 마이크로 미러 및/또는 마이크로 미러 어레이의 인캡슐레이션에 사용된다.
도 1은 두 개의 투명 커버 웨이퍼(2, 3)로 인캡슐레이션되고 체적 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된, 토션 스프링(11)에 현수된 마이크로 미러(12)를 나타낸다.
도 2는 투명한 커버 웨이퍼(2) 및 평평한 불투명 커버 웨이퍼(3)로 인캡슐레 이션되고 체적 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된, 토션 스프링(11)에 현수된 마이크로 미러(12)를 나타낸다.
도 3은 투명한 커버 웨이퍼(2) 및 리세스를 구비한 불투명 커버 웨이퍼(3)로 인캡슐레이션되고 체적 마이크로 메카니칼 방식으로 제조된, 토션 스프링(11)에 현수된 마이크로 미러(12)를 나타낸다.
도 4는 글라스 플로우 방법을 통한 커버 웨이퍼(2)의 제조를 위한 절차를 나타낸다.
하기에서 본 발명은 일반성에 대한 한정 없이 개략적 도면 및 실시예를 통해 상세히 설명된다.
도 1에는 붕규산염(Borosilicate) 유리 재질의 두 개의 투명한 커버 웨이퍼[캐리어 웨이퍼 전면의 정상 커버 웨이퍼(2) 및 캐리어 웨이퍼 후면의 바닥 커버 웨이퍼(3)]로 봉지되고(캡슐화되고), 체적 마이크로 메카니칼(독일어: volumenmikromechanisch) 방식으로 제조되며 토션 스프링(11)에 현수된 실리콘 마이크로 미러(12)의 단면도가 도시되어 있으며, 관통부는 실리콘 재질의 캐리어 웨이퍼(1)를 통과하여 안내된다. 기밀봉지(hermetic seal) 하우징이 보장될 수 있도록, 캐리어 웨이퍼(1)는 양면에서 양극 접합공정(anodic bonding process)을 통해 커버 웨이퍼(2, 3)와 접합촉된다. 또한 캐리어 웨이퍼(1)는 커버 웨이퍼(2, 3)와의 접촉을 위하여 마이크로 미러(12) 둘레에서 프레임 형태로 평평한 접촉부(7)를 포함한다. 프레임 형태로 상응하는 치수를 갖는 평평한 접촉부(7)는 커버 웨이퍼에서 카운터 접점면으로서 제공된다.
정상 커버 웨이퍼(2)는 캐리어 웨이퍼(1)와 함께 마이크로 미러의 동작에 필요한 공동(5)을 형성하는 리세스(4)를 포함한다. 토션 스프링(11)에 현수된 마이크로 미러(12)는 예를 들어 10 mm의 직경을 가질 수 있다. 이러한 유형의 마이크로 미러(12)를 최대로 10°만큼 틸팅할 경우 정상 커버 웨이퍼(2)에서 870 ㎛를 초과하는 리세스(4)가 필요하므로, 접촉부(7)에서부터 이 리세스(4)의 바닥에까지 측정한 가장 깊은 리세스(4)는 약 900 ㎛에 달한다. 가장 깊은 리세스(4)의 바닥은 동시에 광학창(13)으로서 기능하는 영역을 형성한다.
메카니칼 스톱(8)을 위하여 리세스(4) 깊이의 치수는, 스톱이 편향되지 않은 토션 스프링(11)에 대하여 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이의 수직 간격을 갖도록 결정된다. 스톱(8)은 광학적 기능을 갖지 않는다. 스톱은 정상 커버 웨이퍼(2)의 기계적 보호 기능만을 보장한다. 이로써 도 1에 따른 실시 형태에서 정상 커버 웨이퍼(2)는 광학창(13), 스톱(8) 및 접촉부(7)의 형성을 위하여 3가지 서로 다른 구조 높이를 갖는다.
광학창(13) 및 정상 커버 웨이퍼(2)의 마이크로 미러(12) 대응측 평면은 플루오르화 마그네슘 및 이산화티타늄 소재의 코팅 시스템으로 이루어진 반사방지 코팅(10)을 포함한다.
바닥 커버 웨이퍼(3)는 구조화(패턴화)되지 않은 상태로 마이크로 미러(12) 둘레의 공동(5)을 기밀봉지한다. 이 면의 광학적 기능이 가능하도록 하기 위하여 바닥 커버 웨이퍼(3)의 양면에도 반사방지 코팅(10)이 형성되어 있다. 이는 예를 들어 마이크로 미러(12)의 후면도 조사하고 반사된 빔을 미러 위치의 측정에 사용하는 가능성을 제공한다.
메카니칼 스톱(8)은 바닥 커버 웨이퍼(3)에 존재하지 않지만, 양방향에서 캐리어 웨이퍼 면에 대해 수직으로 과부하 방지를 보장하기 위하여 다른 형태에서는 존재할 수 있다.
바닥 커버 웨이퍼(3)가 광학적 기능을 수행할 필요가 없는 경우에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 일반 시판형 실리콘 웨이퍼의 사용이 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다른 형태에서는 마이크로 미러(12) 둘레의 공동(5)을 확대하기 위하여 바닥 커버 웨이퍼(3)가 리세스(16)를 포함한다. 이는, 도 3에 도시된 형태에서 마이크로 미러(12)가 정적 및 동적 변형의 감소를 위한 보강 구조물 및/또는 예를 들어 수직 드라이브용 및/또는 웨이퍼 두께에서 드라이브 구조물(15)을 가질 경우에 요구된다. 추가적으로 바닥 커버 웨이퍼(3)에서 리세스(16)는, 공동(5)에서 진공을 장기간 유지시키는 기능을 하는 게터 물질(14)(예를 들어 지르코늄 합금, 티타늄)을 여기에 데포지션하는데 사용된다.
다른 본 발명에 따른 형태에서는 도 1, 도 2 및 도 3에 따라서 마이크로 미러(12)를 감싸는 공동(5) 밖에서 정상 커버 웨이퍼(2)에 다른 리세스(6)가 제공된다. 이 리세스(6)는 캐리어 웨이퍼(1)와 정상 커버 웨이퍼(2)의 연결 후에 각 칩의 연결 영역(pad)(9)을 감싼다. 캐리어 웨이퍼(1)의 적합한 층상 구조를 통하여, 캐리어 웨이퍼(1)와 정상 커버 웨이퍼(2) 사이의 접촉부(7) 아래에 있는 매몰된 스트립 도체가 마이크로 미러(12)를 감싸는 공동(5)에서부터 측방향의 연결 영역(9)으 로 안내될 수 있다. 캐리어 웨이퍼(1)와 커버 웨이퍼(2, 3)로 구성되는 완전한 결합 웨이퍼가 아니라 연결 영역(9)에서 정상 커버 웨이퍼(2)만 커팅하는 소우 컷(saw cut)을 통하여, 마이크로 미러(12)를 감싸는 공동(5)의 분위기를 침해하지 않으면서 연결 영역(9)에 접근이 가능하도록 할 수 있다. 이는, 분리 단계 전에 예를 들어 인캡슐레이션이 완료된 마이크로 미러(12)에서 기능 테스트 또는 측정을 수행할 수 있다는 이점을 갖는다.
인캡슐레이션할 마이크로 미러(12)를 구비한 실리콘 캐리어 웨이퍼(1)의 준비 후에 정상 커버 웨이퍼(2) 및 바닥 커버 웨이퍼(3)로서 기능하는 예를 들어 붕규산염 유리 재질의 두 개의 유리 웨이퍼가 준비된다. 붕규산염 유리 재질의 유리 웨이퍼는 요구되는 강직성에 따라서 예를 들어 0.5 mm 내지 3 mm 두께를 갖는다.
도 4는 글라스 플로우(glass flow) 방법을 통한 정상 커버 웨이퍼(2)의 구조화를 위한 절차를 나타낸다. 이 과정에서 패턴화된 폼 웨이퍼(21)의 구조가 정상 커버 웨이퍼(2)에 몰딩 또는 전사된다.
폼 웨이퍼(21)를 위한 베이스는 일면이 연마된 실리콘 웨이퍼이다. 이 폼 웨이퍼(21)는 광학창(13)이 성형되는 영역에서 변함 없이 유지되므로 연마된 실리콘 웨이퍼(21)의 본래의 표면 품질은 그대로 유지된다. 정상 커버 웨이퍼(2)의 접촉부(7)가 제조되는 영역에서는 균일한 깊이의 트렌치(trench)(23)가 폼 웨이퍼(21)에 식각된다. 이 트렌치(23)의 식각 깊이는 개략적으로 공동(5)의 깊이를 결정한다.
이를 위해 다양한 식각법이 사용될 수 있다. 이것은 폼 웨이퍼(21) 전체에 걸쳐 매우 균일하게 예를 들어 시간 제어 조건으로 수산화칼륨(KOH) 또는 TMAH(테트라메톡시암모늄히드록사이드)를 통한 습식 화학 식각법으로 달성되어야 한다. 하지만 플라즈마가 이용되는 건식 식각법을 통해서도 이러한 고정밀 트렌치(23)가 형성될 수 있지만, 이는 트렌치(23)의 폭이 전체적으로 통일적이어야 한다는 전제 하에서 적용된다.
트렌치 깊이의 최대의 균질성 및 이와 동시에 트렌치 바닥(27)의 최소의 조도를 달성하기 위하여 표준 실리콘 웨이퍼 대신 폼 웨이퍼(21)에 대하여 상응하는 두께의 SOI 웨이퍼(Silicon on insulator Wafer)를 사용할 수 있으며, 이런 경우에는 매몰된 산화 피막에까지 트렌치(23)가 식각된다.
광학창(13) 내에서 메카니칼 스톱(8)을 생성하기 위하여 더 낮은 식각 깊이의 다른 식각 트렌치(24)가 필요하다. 도 4a는 패턴 형성이 완료된 폼 웨이퍼(21)를 나타낸다.
그 다음 단계에서는 도 4b에 도시된 바와 같이 정상 커버 웨이퍼(2)가 폼 웨이퍼(21)에 양극 접합된다. 폼 웨이퍼(21)의 구조가 완전하게 성형될 수 있도록 하기 위해, 일반적으로 진공에서 이 접합공정을 수행하는 것이 요구된다.
이어서 폼 웨이퍼(21)와 정상 커버 웨이퍼(2)의 결합체가 오븐에서 600-800℃로 가열된다. 이 조건에서 정상 커버 웨이퍼(2)가 용융되기 시작하며, 폼 웨이퍼(21)의 트렌치(23, 24)가 정상 커버 웨이퍼(2)의 붕규산염 유리로 완전히 충진될 때까지, 오븐에서 더 높은 압력과 폼 웨이퍼(21)의 트렌치(23, 24)의 진공 사이의 차압으로 인해, 정상 커버 웨이퍼(2)의 유리가 폼 웨이퍼(21)의 트렌치(23, 24)로 밀려 들러 가게 된다. 이러한 방식으로 폼 웨이퍼(21)의 구조가 완전히 정상 커버 웨이퍼(2)로 몰딩된다.
냉각 후에, 글라스 플로우로 인해 폼 웨이퍼(21)의 패턴에 대응하는 정상 커버 웨이퍼(2)의 표면이 더 이상 평탄하지 않게 되며(도 4c), 따라서 다시 광학적 품질에 도달될 때까지 정밀 연삭 및 연마 공정으로 평탄화 및 평활화 한다. 이 단계의 결과는 도 4d에 도시되어 있다.
그 다음 단계에서는 폼 웨이퍼(21)가 화학적으로 습식 식각으로 제거됨에 따라 폼 웨이퍼(21)로부터 연마된 정상 커버 웨이퍼(2)가 분리된다.
바닥 커버 웨이퍼(3)는 양면이 평탄하게 하거나 또는 캐리어 웨이퍼 대향측에서 리세스(16)를 갖도록 한다
이 방법의 바람직한 형태에서는 접합공정 후에 캐리어 웨이퍼 면에 대해 평행하며 광학 기능을 갖는 커버 웨이퍼(2, 3)의 면에 플루오르화 마그네슘 및 산화티타늄 소재의 코팅 시스템으로 이루어진 반사방지 코팅(10)이 진공 증착된다. 이어서 이 반사방지 코팅(10)은 접촉부(7)에서 다시 제거되어야 하는데(도 4e), 그 이유는 반사방지 코팅(10)이 접합공정을 방해할 수 있기 때문이다.
제거는, 접촉부(7)만 부식시키고 리세스(4, 16)의 반사방지 코팅(10)은 부식시키지 않는 연마를 통해 이루어진다.
최종적으로 커버 웨이퍼(2, 3)는 캐리어 웨이퍼(1)에 접합된다.
***도면부호의설명
1 캐리어 웨이퍼
2 정상 커버 웨이퍼
3 바닥 커버 웨이퍼
4 정상 커버 웨이퍼의 리세스
5 공동
6 연결 영역(pad)를 위한 리세스
7 캐리어 웨이퍼와 정상 커버 웨이퍼 사이의 접촉부
8 메카니칼 스톱
9 연결 영역(pad)
10 반사방지 코팅
11 토션 스프링
12 마이크로 미러
13 광학창
14 게터 물질
15 보강 구조물 및/또는 드라이브 구조물
16 바닥 커버 웨이퍼의 리세스
21 폼 웨이퍼
22 광학창을 위한 연마 표면
23 접촉부를 위한 트렌치
24 스톱을 위한 트렌치
25 정상 커버 웨이퍼의 후면
26 정상 커버 웨이퍼의 접촉부
27 캐리어 웨이퍼와 정상 커버 웨이퍼 사이의 접촉부를 위한 트렌치 바닥
Claims (33)
- 하나 또는 복수의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)용 하우징으로서,적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)을 가고 있는 캐리어 기판(1)과, 이 캐리어 기판(1)과 연결된 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)을 구비하고,캐리어 기판(1)과 적어도 하나의 커버 기판(2)이 적어도 하나의 공동(5)을 형성하며, 이 공동은 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)을 적어도 부분적으로 감싸는 것이며,적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)에 대면하는 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)은 적어도 하나의 광학창(13) 및 적어도 하나의 메카니칼 스톱(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제1항에 있어서,적어도 하나의 메카니칼 스톱(8)이 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)과 대면하는 광학창의 대향면에서부터 돌출되는 것을 특 징으로 하는 하우징.
- 선행하는 청구항 중 어느 하나의 항에 있어서,적어도 하나의 커버 기판(2, 3)이 적어도 하나의 리세스(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제3항에 있어서,적어도 하나의 리세스(4)가 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)에서 900 ㎛보다 깊은 것을 특징으로 하는 하우징.
- 선행하는 청구항 중 어느 하나의 항에 있어서,적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)이 가동 마이크로 미러인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 선행하는 청구항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 공동(5)이 주변으로부터 기밀 봉지 밀폐되는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제6항에 있어서, 적어도 하나의 공동(5) 내의 압력이 대기 공기압 미만인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제7항에 있어서, 적어도 하나의 공동(5) 내의 압력이 약 10-3 mbar 내지 약 1 mbar 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 공동(5)이 비활성 기체로 충진되는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제9항에 있어서, 적어도 하나의 공동(5)이 아르곤으로 충진되는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 기판(1)이 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)이 적어도 부분 영역에서 유리 및/또는 다른 비트로이드를 포함하거나 그로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제12항에 있어서, 상기 유리가 규산염 유리인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제13항에 있어서, 상기 규산염 유리가 붕규산염 유리인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 광학창(13)이 어플리케이션에 사용된 전자기 방사 파장의 4분의 1 미만인 평탄성 오차 및/또는 면 평행도 오차를 갖는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제15항에 있어서, 적어도 하나의 광학창(13)이 180 nm 이하, 바람직하게는 110 nm 이하의 평탄성 오차 및/또는 면 평행도 오차를 갖는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 광학창(13)이 15 nm 이하의 표면조도를 갖는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제17항에 있어서, 적어도 하나의 광학창(13)이 5 nm 이하의 표면조도를 갖는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)이 적어도 부분적으로 적어도 하나의 개질층(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제19항에 있어서, 적어도 하나의 개질층(10)이 반사방지 코팅인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제19항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 개질층(10)이 정전기방지 코팅인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제21항에 있어서, 정전기방지 코팅이 ITO를 포함하거나 그로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하우징.
- 제19항 또는 제21 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 개질층(10)이 반사 코팅 및/또는 흡수 코팅인 것을 특징으로 하는 하우징.
- 다음과 같은 단계를 포함하는 제1항 내지 제23항에 따른 하우징의 제조 방법:- 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)을 구비한 캐리어 기판(1)의 준비하는 단계- 적어도 하나의 광학창(13) 및 적어도 하나의 메카니칼 스톱(8)을 구비한 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)의 준비하는 단계- 캐리어 기판(1) 및 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)이 적어도 하나의 마이크로 메카니칼 및/또는 마이크로 광학 부품(12)을 적어도 부분적으로나마 감싸는 적어도 하나의 공동(5)을 형성하도록, 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)과 캐리어 기판(1)의 결합하는 단계.
- 제24항에 있어서, 커버 기판(2, 3)이 글라스 플로우 방법에 의하여 구조화(패턴화)되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제24항 또는 제25항에 있어서, 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)의 구조화 후에 적어도 광학창(13)이 적어도 부분적으로 반사방지 코팅 및/또는 정전기방지 코팅 및/또는 반사 코팅 및/또는 흡수 코팅(10)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 기판(1)과 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)의 결합이 양극 접합 및/또는 공융 접합 및/또는 글라스 프릿 접합을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 기판(1)과 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)의 결합이 대기 공기압 미만의 압력에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제28항에 있어서, 캐리어 기판(1)과 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)의 결합 이 약 10-3 mbar 내지 약 1 mbar 사이의 압력에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제24항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 기판(1)과 적어도 하나의 커버 기판(2, 3)의 결합이 비활성 기체 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제30항에 있어서, 비활성 기체 분위기가 아르곤을 포함하거나 또는 그로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 웨이퍼 레벨에서의 제24항 내지 제31항에 따른 방법의 사용.
- 가동 마이크로 미러 및/또는 마이크로 미러 어레이의 인캡슐레이션을 위한, 제1항 내지 제23항에 따른 본 발명에 따른 하우징의 사용.
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| PA0105 | International application |
Patent event date: 20090717 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |