Isolation Technologies for Single-crystalline Silicon MEMS Structures Using Trench Oxide

트렌치 산화막을 이용한 단결정실리콘 MEMS 구조물의 절연기술에 관한 연구

To improve the performance of MEMS devices, fabricating single-crystalline silicon HARS (high aspect ratio structure) with thicknesses of up to several tens of micrometers has been an active research topic in recent years. However, achieving electrical isolation, which is required for actuating a structure or sensing an electrical signal, has been one of the main problems in single-crystalline silicon HARS fabrication technologies. In this paper, new isolation technologies using high aspect ratio oxide beams and sidewalls are developed to achieve electrical isolation between electrodes of single-crystalline silicon HARS. The developed isolation technologies use insulating oxide structural supports from either the structural sides or from the bottom. In this case because the trench oxide supports have a depth of several tens of ${\mu}m$, the effects of residual stress must be considered. In this paper, insulating supports are fabricated using PECVD TEOS films, the residual stress of the insulating supports is measured, and the effect of the residual stress on the structure is analyzed. It is shown using microresonators, that the developed isolation technologies can be effectively used for HARS using single-crystalline silicon.

최근 MEMS 소자의 성능향상을 위하여 수십 ${\mu}m$의 두께를 가지는 고형상비 단결정실리콘 구조물 제작에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 고형상비 단결정실리콘 구조물 제작 기술에서는 구조물의 구동 또는 전기신호의 검지를 위한 전극 사이의 전기적인 절연 방법이 주된 문제로서 대두되고 있다. 본 논문에서는 고형상비를 가지는 단결정실리콘 구조물 전극 간의 전기적 절연을 위하여 고형상비 산화막으로 구성된 빔 및 측벽을 이용한 새로운 절연 기술을 개발하였다. 개발된 절연 기술은 실리콘 구조물을 측면 또는 하부에서 산화막으로 지지하는 절연 구조를 가진다. 이러한 트렌치 산화막은 그 깊이가 수십 ${\mu}m$이므로 산화막의 잔류응력이 구조물에 미치는 영향을 반드시 고려하여야 한다. 본 논문에서는 PECVD 방법으로 증착한 TEOS 산화막으로 절연 구조들을 제작하였으며, 제작된 절연구조들의 잔류응력을 측정하고, 그 잔류응력이 구조물에 미치는 영향을 해석하였다. 또한 공진자를 이용하여 개발된 절연 기술이 고형상비 단결정실리콘 구조물에 효과적으로 쓰일 수 있음을 보였다.