[논문]Silicon-on-glass 공정에서 접합력 균일도 향상을 위한 고정단 설계

박우성; 안준은; 윤성진

doi:10.3795/ksme-b.2017.41.6.423

초록
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본 논문은 silicon-on-glass(SOG) 공정에서 접합력 균일도 향상을 위한 고정단 설계에 대한 내용을 다룬다. SOG 공정은 전극이 형성된 유리 기판층과 실리콘 구조층의 양극접합을 기반으로 하며, 가속도 센서와 공진형 센서를 비롯한 고종횡비 구조를 갖는 다양한 실리콘 센서들의 제작에 널리 사용된다. 본 논문에서는 전극과 유리 기판층의 표면 사이에 발생하는 단차로 인한 불균일한 접합을 방지하기 위해, 실리콘 구조층에서 유리 기판층과 접합되는 부분과 전극과 겹쳐지는 부분을 트렌치(trench)를 이용해 분리하는 새로운 형상의 고정단을 제안한다. 본 고정단은 추가적인 공정 없이 기존의 SOG 공정으로 제작되는 디바이스들에 손쉽게 적용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an anchor design that improves bonding strength uniformity in the silicon-on-glass (SOG) process is presented. The SOG process is widely used in conjunction with electrode-patterned glass substrates as a standard fabrication process for forming high-aspect-ratio movable silicon micros...

In this paper, an anchor design that improves bonding strength uniformity in the silicon-on-glass (SOG) process is presented. The SOG process is widely used in conjunction with electrode-patterned glass substrates as a standard fabrication process for forming high-aspect-ratio movable silicon microstructures in various types of sensors, including inertial and resonant sensors. In the proposed anchor design, a trench separates the silicon-bonded area and the electrode contact area to prevent irregular bonding caused by the protrusion of the electrode layer beyond the glass surface. This technique can be conveniently adopted to almost all devices fabricated by the SOG process without the necessity of additional processes.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 이를 해결하기 위해, 유리 기판층과 접합되는 부분과 전극과 겹쳐지는 부분을 트렌치(trench)를 이용해 분리하는 새로운 형상의 고정단을 제안한다. 설계된 고정단이 적용된 실험용 시편을 제작하고, 광학식 현미경을 통한 접합부 확인과 전단 응력(shear stress) 실험을 통해 새로운 고정단의 효과를 확인하였다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 이를 해결하기 위해, 유리 기판층과 접합되는 부분과 전극과 겹쳐지는 부분을 트렌치(trench)를 이용해 분리하는 새로운 형상의 고정단을 제안한다. 설계된 고정단이 적용된 실험용 시편을 제작하고, 광학식 현미경을 통한 접합부 확인과 전단 응력(shear stress) 실험을 통해 새로운 고정단의 효과를 확인하였다. 실험 결과는 새로운 고정단이 접합력 균일도를 향상시킴을 잘 보여주었으며, 이러한 향상은 접합의 질이 악화되는 환경에서 더 드러났다.
제작된 시편에서 새로운 고정단의 효과를 확인하기 위해서 먼저 현미경을 이용해 접합면의 상태를 확인하였다. 기존의 고정단의 경우 Fig.
다음으로 접합면이 전기적으로 잘 연결되었는지 확인하기 위해 다리 구조물 양쪽의 접촉 패드 (contact pad)를 통해 구조물 전체의 전기 저항을 측정하였다. 기존의 고정단을 적용한 경우와 본 논문에서 제안하는 고정단을 적용한 경우 모두 40Ω 이하의 저항이 측정되었으며 이는 접합 과정 중 전극과 실리콘 구조층 사이에서 저항성 접합 (ohmic contact)이 이루어졌음을 나타낸다.
끝으로, 가장 중요한 접합력 확인을 위해서 구조물의 접합면에서 발생하는 파괴 응력(fracture stress)을 측정하는 실험이 수행되었다. 실험은 Fig.
추가적으로, 접합 상태가 악화되었을 때 접합력과 접합력 균일도를 확인하기 위해 희석된 HF 용액으로 식각 후 전단 응력 실험을 수행하였다. Fig.

성능/효과

설계된 고정단이 적용된 실험용 시편을 제작하고, 광학식 현미경을 통한 접합부 확인과 전단 응력(shear stress) 실험을 통해 새로운 고정단의 효과를 확인하였다. 실험 결과는 새로운 고정단이 접합력 균일도를 향상시킴을 잘 보여주었으며, 이러한 향상은 접합의 질이 악화되는 환경에서 더 드러났다.
다음으로 접합면이 전기적으로 잘 연결되었는지 확인하기 위해 다리 구조물 양쪽의 접촉 패드 (contact pad)를 통해 구조물 전체의 전기 저항을 측정하였다. 기존의 고정단을 적용한 경우와 본 논문에서 제안하는 고정단을 적용한 경우 모두 40Ω 이하의 저항이 측정되었으며 이는 접합 과정 중 전극과 실리콘 구조층 사이에서 저항성 접합 (ohmic contact)이 이루어졌음을 나타낸다.
Fig. 6과 같이 식각 시간이 증가할수록 파괴 응력은 점점 작아지는 걸 확인하였으며, 동일 시간 식각 시 트렌치 고정단을 적용한 시편과 기존 시편을 적용한 시편에서 전단 응력의 큰 차이는 보이지 않으나, 전체적으로 식각 시간이 증가하며 접합의 질이 악화됨에 따라 트렌치 고정단을 적용한 시편과 기존 시편을 적용한 시편에서 전단 응력의 분산 차이는 더욱 크게 확인되었다. 식각 후, 트렌치 고정단을 적용한 시편의 경우 50% 이상의 시편에서 측정된 파괴 응력 값이 전체 파괴 응력 평균값의 ±10% 이내에 포함되었다.
반면 기존 고정단을 적용한 시편의 경우 5% 이하의 시편만이 전체 파괴 응력 평균값의 ±10% 이내의 파괴 응력 값을 보였으며, 이러한 결과는 본 논문에서 제안하는 고정단이 접합의 질이 열악한 경우 접합력 균일도 향상에 더 큰 효과가 있음을 잘 보여준다.
본 논문에서 제안하는 트렌치를 이용한 분리형 고정단은 기존의 고정단과 비교 시 유사한 크기의 접합력을 보였으나, 시편 간 접합력의 균일도에서는 큰 향상을 보였다. 특히 접합의 질이 악화되었을 때 새로운 고정단과 기존의 고정단 간 접합력 균일도의 차이는 더욱 크게 나타났다.
본 논문에서 제안하는 트렌치를 이용한 분리형 고정단은 기존의 고정단과 비교 시 유사한 크기의 접합력을 보였으나, 시편 간 접합력의 균일도에서는 큰 향상을 보였다. 특히 접합의 질이 악화되었을 때 새로운 고정단과 기존의 고정단 간 접합력 균일도의 차이는 더욱 크게 나타났다. 지금까지의 실험 결과는 새로운 고정단을 통해 접합력 균일도를 향상시킬 수 있음을 성공적으로 보여주며, 이는 본 고정단의 적용이 관성 센서과 공진기에서 장기적인 신뢰성 향상에 기여할 수 있음을 나타낸다.
특히 접합의 질이 악화되었을 때 새로운 고정단과 기존의 고정단 간 접합력 균일도의 차이는 더욱 크게 나타났다. 지금까지의 실험 결과는 새로운 고정단을 통해 접합력 균일도를 향상시킬 수 있음을 성공적으로 보여주며, 이는 본 고정단의 적용이 관성 센서과 공진기에서 장기적인 신뢰성 향상에 기여할 수 있음을 나타낸다. 이어, 고정단의 형상에 기반한 트렌치의 상세 설계와 이를 적용한 관성 센서에서 성능 향상 분석이 수행될 계획이다.

후속연구

지금까지의 실험 결과는 새로운 고정단을 통해 접합력 균일도를 향상시킬 수 있음을 성공적으로 보여주며, 이는 본 고정단의 적용이 관성 센서과 공진기에서 장기적인 신뢰성 향상에 기여할 수 있음을 나타낸다. 이어, 고정단의 형상에 기반한 트렌치의 상세 설계와 이를 적용한 관성 센서에서 성능 향상 분석이 수행될 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고종횡비 실리콘 식각 기술의 발달과 함께 수십에서 수백 마이크로에 달하는 두께를 갖는 다양한 실리콘 구조물의 제작은 센서의 성능에 어떠한 영향을 미쳤는가?	DRIE(Deep reactive ion etch)로 대표되는 고종횡비 (high aspect ratio) 실리콘 식각 기술의 발달과 함께 수십에서 수백 마이크로에 달하는 두께를 갖는 다양한 실리콘 구조물의 제작이 가능해졌으며, 이는 관성센서(inertial sensors)를 비롯한 다양한 MEMS (micro electro-mechanical systems) 센서들에서 성능 향상을 가능하게 하였다. (1)
	도핑된 실리콘을 식각 한 계층으로 사용하는 dissolved wafer process 등의 한계를 극복한 다른 방법에는 무엇이 있는가?	이에 반해, 유리(glass) 기판층(substrate) 웨이퍼 (wafer)과 구조물이 형성될 실리콘 웨이퍼의 양극 접합(anodic bonding)을 기반으로 하는 silicon-onglass(SOG) 제작 공정은 더 균일하고 더 두꺼운 실리콘 층의 제작이 가능하며, 제작 시간과 비용에 관계없이 두께의 조절이 가능하다. 이외에도 낮은 기생용량(parasitic capacitance)과 내부 전극 형성의 경로 유연성 등 다양한 장점으로 인해, 특히 관성 센서나 공진형 센서(resonant sensor) 등 다양한 센서들에 널리 활용되고 있다. (5~11)
	SOG 공정의 특징은 무엇인가?	본 논문은 silicon-on-glass(SOG) 공정에서 접합력 균일도 향상을 위한 고정단 설계에 대한 내용을 다룬다. SOG 공정은 전극이 형성된 유리 기판층과 실리콘 구조층의 양극접합을 기반으로 하며, 가속도 센서와 공진형 센서를 비롯한 고종횡비 구조를 갖는 다양한 실리콘 센서들의 제작에 널리 사용된다. 본 논문에서는 전극과 유리 기판층의 표면 사이에 발생하는 단차로 인한 불균일한 접합을 방지하기 위해, 실리콘 구조층에서 유리 기판층과 접합되는 부분과 전극과 겹쳐지는 부분을 트렌치(trench)를 이용해 분리하는 새로운 형상의 고정단을 제안한다.

참고문헌 (11)

Yazid, N., Ayazi, F. and Najafi, K., 1998, "Micromachined Inertial Sensors," Proc. IEEE, Vol. 86, pp. 1640-1659.

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Tez, S. and Akin, T., 2012, "Comparison of Two Alternative Fabrication Processes for a Three-Axis Capacitive MEMS Accelerometer," Procedia Engineering, Vol. 47, pp. 342-345.

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Torunbalci, M. M., Tatar, E., Alper, S. E. and Akin, T., 2011, "Comparison of Two Alternative Silicon-onglass Microfabrication Processes for MEMS Inertial Sensors," Proc. Eurosensors XXV, pp. 900-903.
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