KR0160913B1 - 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 100면 또는 110면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판에 절연을 위한 산화막 및 질화막을 순차적으로 올린 후, 수은 주입구 부분의 산화막과 질화막을 건식식각으로 제거하는 제1단계와; 상기 제1단계의 질화막 상부에 수 ㎛ 이상의 후막 산화막을 올린 후, 히터와 신호전극 등을 갖는 릴레이 구조체 형태로 후막 산화막을 건식식각하고 후막의 전해 및 무전해 도금으로 신호의 배선을 제작하는 제2단계와; 상기 제2단계의 수행 후, 산화막 희생층과 습식식각 선택비가 큰 폴리 실리콘을 증착하고, 그 위에 수은주입구 식각시 웨이퍼 전면의 보호 및 완벽한 구조체 밀폐를 위해 수 ㎛ 후막의 산화막을 형성하는 제3단계와; 상기 제3단계의 수행 후, 수은 주입 구멍을 만들기 위해 웨이퍼 뒷면의 질화막, 산화막을 건식식각한 후 비등방성 용액으로 수백 ㎛ 이상을 습식식각하고, 희생층을 습식 용액으로 제거하여 수은 주입구를 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 형성된 수은 주입구를 이용하여 액체 접점인 수은을 주입하고 글라스를 이용하여 자외선 접착제로 본딩하여 웨이퍼 뒷면을 밀봉하는 제5단계를 포함하여 이루어지며, 고온의 아노딕 본딩을 사용하지 않아 배선 금속의 산화를 막을 수 있으므로 접점의 저 저항을 이룰 수 있고, 대량생산이 가능하여 저렴하고, 릴레이 어레이의 구성을 용이하다는 장점이 있다.
Description
제1도는 본 발명에 의한 마이크로 릴레이 구조체.
제2a도는 본 발명에 의한 마이크로 릴레이 후막 산화막 희생층 단면도.
제2b도는 본 발명에 의한 마이크로 릴레이 히터 및 배선 단면도.
제2c도는 본 발명에 의한 마이크로 릴레이 밀봉 단면도.
제2d도는 본 발명에 의한 마이크로 릴레이 수은주입구 및 본딩 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 능동 저장고 2 : 수은
3 : 수동 저장고 4,6 : 히터
5A,5B,7A,7B : 신호전극 8 : 마이크로 채널
9,10 : 구멍 11 : 실리콘 웨이퍼 기판
12,18 : 산화막 13,17 : 질화막
14,16 : 후막 산화막 15 : 폴리 실리콘
19 : 수은 주입구 20 : 글라스
본 발명에 의한 표면 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체 공정기술을 사용하여 기존의 전자기 릴레이에 비해 크기가 ㎜ 이하로 소형이고 타 전자 부품과의 집적화가 가능하며, 마이크로 채널 및 후막의 전기도금을 채용하여 액체 금속을 사용할 수 있어 전극접점의 접촉저항을 작게 할 수 있는 고온의 아노딕 본딩을 사용하지 않고 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 릴레이는 전자교환기의 스위칭 부품 및 교통신호 제어 시스템등 많은 응용 분야에서 전류의 개·폐를 담당하는 스위칭 소자로서 사용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 기능을 수행하는 종래의 릴레이는 크기가 크고 고가이며, 릴레이 어레이 구성이 불가능할 뿐만 아니라 타 전자소자와의 집적화가 불가능하기 때문에 이용하기가 불편한 단점이 있다.
특히, 선행 기술 자료로서, 특허번호 EP-573267에 서술되는 릴레이는 마그네틱 구동방식을 사용하고, 신호전극 부분을 금속으로 사용함에 따라 접촉저항을 1Ω 이하로 낮출 수 없고, 릴레이 어레이의 구성이 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 최근 Transducers에 발표된 J. Drake의 정전력 구동 마이크로 릴레이는 구동전압이 500볼트 이상이고, 접촉저항이 2Ω으로 구동전압 및 접점저항 면에서 실용화하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 액체금속 접점으로 접점저항을 최소화하여 전력소모를 작게 하고, 전류의 개·폐시 rebouncing이 없도록 하며, 반도체 공정기술과 실리콘 웨이퍼 표면 및 벌크 마이크로 머시닝을 이용한 습식식각 방법에 의해 소형이고도 대량생산과 집적화가 가능한 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 릴레이 구조체 제작에 있어서, 반도체 공정에서 사용하는 박막 및 습식식각 기술을 대부분 사용하고, 액체금속 주입을 위해 습식식각을 이용한 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여, 신호 전극의 접촉저항을 작게 하기 위한 후막의 배선으로는 전해 및 무전해 도금 기술, 액체금속이 마이크로 채널 사이에서 움직일 수 있도록 구동력을 발생시키는 히터 기술, 실리콘 웨이퍼와 글라스를 접착시키기 위한 실온 자외선 접착제(glue) 본딩 기술 등을 사용한다는 것을 그 특징으로 한다.
즉, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 실리콘 웨이퍼 표면 및 벌크 마이크로 머시닝을 이용하고, 상기 기판의 소정부분에 상하로 연결 배선되는 전해 및 무전해 도금인 히터가 형성되고, 상기 히터가 형성된 저장고 내의 압력에 따라 움직이는 액체금속인 수은이 주입될 수 있도록 상기 기판의 뒷면의 소정부분에 수은 주입구가 형성되며, 상기 주입구를 밀봉형태로 만들어지는 데에 있다.
본 발명의 부가적인 특징은, 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이의 제조방법이, 100면 또는 110면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판에 절연을 위한 산화막 및 질화막을 순차적으로 올린 후, 수은 주입구 부분의 산화막과 질화막을 건식식각으로 제거하는 제1단계와; 상기 제1단계의 질화막 상부에 수 ㎛ 이상의 후막 산화막을 올린 후, 히터와 신호전극 등을 갖는 릴레이 구조체 형태로 후막 산화막을 건식 식각하고 후막의 전해 및 무전해 도금으로 신호의 배선을 제작하는 제2단계와; 상기 제2단계의 수행 후, 산화막 희생층과 습식식각 선택비가 큰 폴리 실리콘을 증착하고, 그 위에 수은주입구 식각시 웨이퍼 전면의 보호 및 완벽한 구조체 밀폐를 위해 수 ㎛ 후막의 산화막을 형성하는 제3단계와; 상기 제3단계의 수행 후, 수은 주입 구멍을 만들기 위해 웨이퍼 뒷면의 질화막, 산화막을 건식식각한 후 비등방성 용액으로 수백 ㎛ 이상을 습식식각하고, 희생층을 습식 용액으로 제거하여 수은 주입구를 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 형성된 수은 주입구를 이용하여 액체 접점인 수은을 주입하고 글라스를 이용하여 자외선 접착제로 본딩하여 웨이퍼 뒷면을 밀봉하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 데에 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 반도체 공정과 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용한 열 구동 마이크로 릴레이 구조체를 나타내는 도면이다.
제1도에 도시된 바와 같이, 릴레이 구조체는 릴레이 구조체의 능동 저장고(1)의 히터(4)를 사용하여 가열하면 상기 저장고(1)의 압력이 상승하고 이의 압력이 릴레이의 접점으로 사용하고자 하는 액체금속인 수은(2)의 표면장력(surface tension)의 힘보다 큰 경우에는 상기 액체금속인 수은(2)이 움직여 전도(ON) 상태가 되고, 수은 저장고(3)의 히터(6)에 전원을 인가하여 상기 히터(6)를 가열하면 상기 수은(2)이 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하여 차단(OFF) 상태가 되는 동작특성을 갖는 릴레이 소자이다.
상기 히터(4)에 펄스 전원을 인가하면 히터 저항에 의해 열이 발생하고, 이 열에 의해 저장고 부분의 압력이 상승한다.
이 상승된 압력이 액체금속을 움직여 신호전극으로 사용한 전극 (5A)와 (5B) 사이에 도달하고, 이에 의해 전극 사이의 저항값이 무한대 값에서 영에 가깝게 떨어져 전기를 통할 수 있는 상태가 된다.
상기 신호전극 (5A)와 (5B) 사이가 저항값 무한대를 갖게 하기 위해서는 또 다른 히터(6)에 펄스 전원을 인가하면 이전의 설명에서와 마찬가지로 액체금속이 또 다른 전극 (7A)와 (7B) 사이로 이동하게 되어 신호전극 (5A)와 (5B) 사이의 저항은 무한대가 되어 전류가 흐를 수 없는 상태가 된다.
이때, 릴레이의 랫칭(latching)은 마이크로 채널(8)에 액체 금속이 주입되었을 때, 상기 마이크로 채널(8)과 수은(2)과의 접촉면 사이에 수온의 표면장력에 의해 미소 틈이 생기므로 이 부분을 통해 능동 저장고와 수동 저장고 사이의 압력 평형과 저장고와 마이크로 채널의 체적비에 의해 이루어진다.
또한, 상기 마이크로 채널(8)은 릴레이 저장고의 온도 변동 폭이 크더라도 릴레이 스위칭 동작에 안정성을 갖게 하기 위함이다.
구멍(9)은 압력에 의해 액체금속을 릴레이 구조체에 주입하기 위한 것이고, 구멍(10)은 액체금속 주입시 역방향의 압력 발생으로 인한 액체금속 주입 압력의 상승을 막고, 히터 부분의 체적비와 마이크로 채널 부분의 체적비를 크게 하기 위한 공간이다.
제2도는 상기 제1도의 표면 마이크로 머시닝을 이용한 열구동 마이크로 릴레이 구조체의 A-A' 단면을 보인 것으로서, 그 제작 방법은 다음과 같다.
제2a,2b도에 도시된 바와 같이, 100면 또는 110면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판(11)에 절연을 위해 산화막(12), 질화막(13)을 순차적으로 올린 후, 수은 주입구 부분의 산화막과 질화막을 건식식각으로 제거한다.
그 다음 수 ㎛ 이상의 후막 산화막(14)을 올린 후, 릴레이 구조체 형태로 건식식각하여 구조체를 만든다.
이때, 히터(4,6) 및 신호전극(5,7)은 두 가지 방법으로 제작할 수 있는데, 첫째로는 형상반전(image reversal) 포토레지스트를 사용하여 패턴을 형성한 후 seed layer를 전자빔(E-beam) 증착하고, 이를 사용하여 구리 무전해 도금을 하여 후막을 제작하는 방법과, 둘째로는 희생층 산화막 전면에 seed layer를 증착한 후, 후막의 포토레지스트로 패턴을 형성하고 후막의 전해도금을 하는 방법이 있다.
그 후, 레지스트를 제거하고 건식식각으로 seed layer를 제거한다.
다음에는 제2c도에 도시된 바와 같이, 산화막 희생층과 습식식각 선택비가 큰 폴리 실리콘(15)을 사용하며, 그 위에 수은주입구 식각시 웨이퍼 전면의 보호 및 완벽한 구조체 밀폐를 위해 수 ㎛ 후막의 산화막(16)으로 덮는다.
이어서, 제2d도에 도시된 바와 같이, 수은 주입구멍을 만들기 위해 웨이퍼 뒷면의 질화막(17), 산화막(18)을 건식식각한 후 비등방성 용액으로 수백 ㎛ 이상을 습식식각하고, 희생층(14)을 습식용액으로 제거한다.
그 후, 수은 주입구멍(19)을 이용하여 액체 접점인 수은을 주입하고 웨이퍼 뒷면을 글라스(20)를 이용하여 자외선 접착제로 본딩하여 마이크로 릴레이 구조체를 완성한다.
이상과 같이, 본 발명은 실리콘 웨이퍼의 표면 및 벌크 마이크로 머시닝 기술, 전기도금 기술 및 반도체 공정기술을 이용하여 기존의 릴레이보다 소형이고, 집적회로 공정과 호환성이 있는 액체접점 마이크로 릴레이 구조체를 제조함으로써, 고온의 아노딕 본딩을 사용하지 않아 배선 금속의 산화를 막을 수 있으므로 접점의 저 저항을 이룰 수 있고, 대량생산이 가능하여 저렴하고, 릴레이 어레이(array) 구성이 용이하다는 장점이 있다.
Claims (2)
- 실리콘 웨이퍼 표면 및 벌크 마이크로 머시닝을 이용하고, 상기 기판의 소정부분에 상하로 연결 배선되는 전해 및 무전해 도금인 히터가 형성되고, 상기 히터가 형성된 저장고 내의 압력에 따라 움직이는 액체금속인 수은이 주입될 수 있도록 상기 기판의 뒷면의 소정부분에 수은 주입구가 형성되며, 상기 주입구를 밀봉형태로 만들어진 형태를 특징으로 하는 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이.
- 100면 또는 110면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판에 절연을 위한 산화막 및 질화막을 순차적으로 올린 후, 수은 주입구 부분의 산화막과 질화막을 건식식각으로 제거하는 제1단계와; 상기 제1단계의 질화막 상부에 수 ㎛ 이상의 후막 산화막을 올린 후, 히터와 신호전극 등을 갖는 릴레이 구조체 형태로 건식식각하고 후막의 전해 및 무전해 도금으로 신호의 배선을 제작하는 제2단계와; 상기 제2단계의 수행 후, 산화막 희생층과 습식식각 선택비가 큰 폴리 실리콘을 증착하고, 그 위에 수은주입구 식각시 웨이퍼 전면의 보호 및 완벽한 구조체 밀폐를 위해 수 ㎛ 후막의 산화막을 형성하는 제3단계와; 상기 제3단계의 수행 후, 수은 주입 구멍을 만들기 위해 웨이퍼 뒷면의 질화막, 산화막을 건식식각한 후 비등방성 용액으로 수백 ㎛ 이상을 습식식각하고, 희생층을 습식 용액으로 제거하여 수은 주입구를 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 형성된 수은 주입구를 이용하여 액체 접점인 수은을 주입하고 글라스를 이용하여 자외선 접착제로 본딩하여 웨이퍼 뒷면을 밀봉하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 릴레이의 제조방법.
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