KR100519819B1 - A method for manufacturing the micro inertia sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘기판을 제공하는 단계; 상기 실리콘기판의 하부면에 상부희생층을 식각하여 형성하는 단계; 상기 실리콘기판의 하부면에 금속박막을 일정두께로 증착하고, 상기 상부희생층에 해당하는 금속박막을 패터닝하여 전극부를 형성하는 단계; 상기 전극부가 형성된 실리콘기판의 하부면에 하부유리기판을 본딩하는 단계; 상기 하부유리기판이 본딩된 실리콘기판의 상부면에 사진인쇄된 마스크를 패터닝한 다음 식각하여 관성질량체, 고정전극, 이동, 고정코옴및 판스프링을 형성하는 단계; 상기 전극부를 외부로 노출시키는 전극연결용 비아홀을 형성하도록 상기 전극부와 대응하는 하부유리기판의 하부면을 식각하는 단계를 포함하여 디바이스웨이퍼를 제조하고; 상부유리기판을 제공하는 단계; 상기 상부유리기판의 하부면에 상부희생층을 식각하는 단계를 포함하여 캡웨이퍼를 제조하며; 상기 상부희생층과 상기 관성질량체가 상하대응되도록 상기 디바이스웨이퍼의 상부면에 상기 캡웨이퍼의 하부면을 본딩하는 단계;를 포함하여 디바이스웨이퍼에 관성질량체를 릴리즈(부유)시키기 위해서 형성되는 희생층의 바닥면으로 관성질량체가 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다. The present invention comprises the steps of providing a silicon substrate; Etching and forming an upper sacrificial layer on the lower surface of the silicon substrate; Depositing a metal thin film on a lower surface of the silicon substrate to a predetermined thickness and forming an electrode part by patterning a metal thin film corresponding to the upper sacrificial layer; Bonding a lower glass substrate to a lower surface of the silicon substrate on which the electrode part is formed; Patterning and then etching a photo-printed mask on the upper surface of the silicon substrate to which the lower glass substrate is bonded to form an inertial mass, a fixed electrode, a movement, a fixed coil, and a leaf spring; Manufacturing a device wafer including etching the lower surface of the lower glass substrate corresponding to the electrode portion to form an electrode connection via hole exposing the electrode portion to the outside; Providing an upper glass substrate; Manufacturing a cap wafer including etching an upper sacrificial layer on a lower surface of the upper glass substrate; Bonding the lower surface of the cap wafer to the upper surface of the device wafer such that the upper sacrificial layer and the inertial mass correspond to the upper and lower sides of the sacrificial layer formed to release (float) the inertial mass to the device wafer. It is possible to prevent the inertial mass from being deformed or damaged by the bottom surface.
Description
본 발명은 마이크로 관성센서를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 디바이스웨이퍼에 관성질량체를 릴리즈(부유)시키기 위해서 형성되는 희생층의 바닥면으로 관성질량체가 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있도록 개선한 마이크로 관성센서 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a micro inertial sensor, and more particularly, to improve the prevention of deformation or breakdown of an inertial mass to the bottom surface of a sacrificial layer formed to release (float) the inertial mass on the device wafer. It relates to a micro inertial sensor manufacturing method.
일반적으로 초소형전자정밀기계(Micro Electro Mechanical System : MEMS)는 전자적인 제어,측정되는 초소형 기계장치류를 의미하며, 기계적, 전기적부품들을 반도체공정으로서 구현하는 기술이며, 이러한 멤스(MEMS)기술을 이용한 소자중 하나로서 관성센서가 알려져 있다.In general, Micro Electro Mechanical System (MEMS) refers to micro-mechanical devices that are electronically controlled and measured, and implements mechanical and electrical components as a semiconductor process, and uses MEMS technology. Inertial sensors are known as one of the devices.
최근에 급속도로 발전된 반도체 제조 공정기술을 이용하여 1평방밀리미터 정도의 크기로 축소시킨 마이크로 관성센서는 성능은 떨어지지만 반도체 공정으로 대량 생산이 가능하고, 생산 단가를 크게 낮출 수 있으므로 군수용은 물론이고 자동차 항법, 캠코더, 로봇 등 광범위한 일반 산업 제품의 성능을 개선하는데도 이용될 수 있다. The micro inertial sensor, which has been reduced to about 1 square millimeter using the rapidly developed semiconductor manufacturing process technology, is inferior in performance but can be mass-produced in the semiconductor process, and the cost of production can be greatly reduced. It can also be used to improve the performance of a wide range of general industrial products such as navigation, camcorders and robots.
도 1(a)(b)(c)은 일반적인 마이크로 관성센서를 제조하는 공정도로서, 도시한 바와같이, 마이크로 관성센서(1)는 가동구조물인 관성질량체가 구비되는 디바이스웨이퍼(10)와 이를 보호하도록 덮어지는 캡웨이퍼(20)로 구성된다. 1 (a), (b) and (c) is a process diagram for manufacturing a general micro inertial sensor, as shown, the micro inertial sensor 1 is a device wafer 10 is provided with an inertial mass, which is a movable structure and protects it. It consists of a cap wafer 20 to be covered.
상기 디바이스웨이퍼(10)를 제조하는 공정은 도 1(a)에 도시한 바와같이, 하부유리기판(11)상에 하부실리콘기판(12)을 일체로 형성하고, 상기 하부실리콘기판(12)의 상부면에 포토레지스트를 형성하여 식각함으로써 콤타입(comb type)의 관성질량체(13)를 형성하고, 다수개의 관통홀(12a)을 관통식각한 다음, 상기 관통홀(12a)을 통해 에칭액을 투입하여 상기 관통홀(12a)과 대응하는 하부유리기판(11)의 표면을 식각하였다. 이에 따라, 관성질량체(13)가 릴리즈(release)되어 수직,수평방향으로 자유롭게 움직일 있는 하부희생층(14)을 형성함으로서, 상기 관성질량체(13)와 하부희생층(14)을 갖는 디바이스웨이퍼(10)를 제조완성하였다. In the process of manufacturing the device wafer 10, as shown in Figure 1 (a), the lower silicon substrate 12 is integrally formed on the lower glass substrate 11, the lower silicon substrate 12 A photoresist is formed on the upper surface to be etched to form a comb type inertial mass 13, through-etched through a plurality of through holes 12a, and then an etchant is introduced through the through holes 12a. The surface of the lower glass substrate 11 corresponding to the through hole 12a was etched. Accordingly, the inertial mass 13 is released to form a lower sacrificial layer 14 which is free to move in the vertical and horizontal directions, thereby providing a device wafer having the inertial mass 13 and the lower sacrificial layer 14. 10) was completed.
또한, 상기 캡웨이퍼(20)를 제조하는 공정은 도 1(b)에 도시한 바와같이, 상부유리기판(21)의 표면에 상기 관성질량체(13)가 수직방향으로 자유롭게 간섭없이 움직일 수 있도록 식각하여 상부희생층(22)을 형성하고, 상기 상부희생층(22)의 근방에 전극부를 형성할 수 있도록 다수개 비아홀(23)을 관통형성함으로서, 상기 상부희생층(22)과 비아홀(23)을 갖는 캡웨이퍼(20)를 제조완성하였다. In addition, the process of manufacturing the cap wafer 20, as shown in Fig. 1 (b), the inertial mass 13 on the surface of the upper glass substrate 21 is etched so as to move freely in the vertical direction without interference By forming the upper sacrificial layer 22, and through the plurality of via holes 23 to form the electrode portion in the vicinity of the upper sacrificial layer 22, the upper sacrificial layer 22 and the via hole 23 Cap wafer 20 having a completed.
이어서, 별도 제작된 디바이스웨이퍼(10)와 캡웨이퍼(20)를 상하합체하여 마이크로 관성센서(1)를 제조완성하는 공정은 도 1(c)에 도시한 바와같이, 상기 디바이스웨이퍼(10)를 하부구조물로 하고, 상기 캡웨이퍼(20)를 상부구조물로 하여 상하배치한 상태에서 상기 디바이스웨이퍼(10)의 관성질량체(13)를 중심으로 하여 상기 상,하부희생층(14)(22)이 각각 상하로 배치되도록 아노딕본딩(anodic bonding)방식으로 상기 디바이스웨이퍼(10)와 캡웨이퍼(20)를 일체로 결합한다. Subsequently, the process of manufacturing the micro inertial sensor 1 by vertically combining the separately manufactured device wafer 10 and the cap wafer 20 is performed by using the device wafer 10 as shown in FIG. The upper and lower sacrificial layers 14 and 22 are formed around the inertial mass 13 of the device wafer 10 while the cap wafer 20 is disposed up and down with the cap wafer 20 as the upper structure. The device wafer 10 and the cap wafer 20 are integrally coupled to each other by anodic bonding so as to be disposed up and down.
이어서, 상기 캡웨이퍼(20)의 상부유리기판(21)의 상부표면에는 상기 관성질량체(13)의 움직임시 발생되는 전기적인 신호를 측정하기 위해 전기적인 연결에 필요한 금속박막을 증착한 다음, 필요한 부위만을 식각하여 패턴닝하여 전극부(25)를 형성함으로서, 마이크로 관성센서(1)를 제조완성하였다. Subsequently, on the upper surface of the upper glass substrate 21 of the cap wafer 20, a metal thin film necessary for electrical connection is deposited to measure an electrical signal generated when the inertial mass 13 moves. By etching only the portion to form the electrode portion 25, the micro inertial sensor 1 was manufactured.
상기와 같이, 유리기판(11)(21)과 실리콘기판(12)을 사용하여 움직임이 가능한 관성질량체(13)를 갖는 마이크로 관성센서(1)를 제작하기 위해서는, 상기 하부실리콘기판(12)의 원하는 부위를 관통 식각하고 아래에 붙어 있는 하부유리기판(11)을 제거하여 관성질량체(13)및 이를 부유(릴리즈)시킬 수 있는 하부희생층(14)을 형성해야만 하는 것이다. As described above, in order to fabricate the micro inertial sensor 1 having the inertial mass 13 which can be moved using the glass substrates 11 and 21 and the silicon substrate 12, the lower silicon substrate 12 is formed. It is necessary to form the inertial mass 13 and the lower sacrificial layer 14 capable of floating (releasing) it by removing the lower glass substrate 11 attached to the bottom by etching through a desired portion.
그러나, 상기 관성질량체(13)및 하부희생층(14)을 형성하기 위해서 에칭액을 이용하여 실리콘, 유기기판을 습식식각법만으로 식각하는 경우, 상기 관성질량체(13)와 하부희생층(14)이 형성된 후에도 상기 하부실리콘기판(12)과 하부유리기판(11)사이로 스며든 에칭액이 완전히 제거되지 않고 존재하게 되는데, 상기 기판(11)(12)사이및 상기 하부희생층(14)의 바닥면에 잔류하는 액체를 건조시켜 제거하는 과정에서 모세관힘이 작용하여 상기 하부희생층(14)상에 릴리즈한 상태로 있는 관성질량체(13)가 하부희생층(14)의 바닥면으로 서서히 변형되어 이에 달라붙는 현상이 발생된다. However, when the silicon and organic substrates are etched only by the wet etching method using an etching solution to form the inertial mass 13 and the lower sacrificial layer 14, the inertial mass 13 and the lower sacrificial layer 14 Even after being formed, the etching liquid that penetrates between the lower silicon substrate 12 and the lower glass substrate 11 is not completely removed and is present between the substrates 11 and 12 and on the bottom surface of the lower sacrificial layer 14. In the process of drying and removing the remaining liquid, capillary forces act to release the inertial mass 13 released on the lower sacrificial layer 14 to the bottom surface of the lower sacrificial layer 14, and thus different. Sticking phenomenon occurs.
상기와 같이 관성질량체(13)가 달라붙게 되어 변형이 발생되면, 상기 관성질량체(13)가 수평한 원상태로 다시 복원되지 않기 때문에, 이를 사용할 수 없게 되어 불량처리해야 하며, 상기 하부희생층(14)을 형성하는 릴리즈단계에서 불량이 발생되게 되면, 이전에 실시한 모든 공정에 소요된 시간을 낭비하게 될 뿐만 아니라 웨이퍼의 수율에도 치명적인 영향을 미치게 된다. When the inertial mass 13 sticks as described above and deformation occurs, since the inertial mass 13 is not restored to a horizontal original state again, the inertial mass 13 cannot be used and must be treated poorly, and the lower sacrificial layer 14 If a defect occurs in the release step of forming a), not only is it a waste of time spent in all the previously performed processes, but also has a fatal effect on the yield of the wafer.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 그 목적은 디바이스웨이퍼에 형성되는 관성질량체의 형태변형에 의한 제품불량을 사전에 예방하고, 웨이퍼의 수율을 높일 수 있는 마이크로 관성센서 제조방법을 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to prevent the product defects caused by the deformation of the inertial mass formed on the device wafer in advance, and to manufacture a micro inertial sensor that can increase the yield of the wafer To provide a method.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로서, 본 발명은 As a technical means for achieving the above object, the present invention
마이크로 관성센서를 제조하는 방법에 있어서, In the method of manufacturing a micro inertial sensor,
실리콘기판을 제공하는 단계;Providing a silicon substrate;
상기 실리콘기판의 하부면에 상부희생층을 식각하여 형성하는 단계;Etching and forming an upper sacrificial layer on the lower surface of the silicon substrate;
상기 실리콘기판의 하부면에 금속박막을 일정두께로 증착하고, 상기 상부희생층에 해당하는 금속박막을 패터닝하여 전극부를 형성하는 단계;Depositing a metal thin film on a lower surface of the silicon substrate to a predetermined thickness and forming an electrode part by patterning a metal thin film corresponding to the upper sacrificial layer;
상기 전극부가 형성된 실리콘기판의 하부면에 하부유리기판을 본딩하는 단계;Bonding a lower glass substrate to a lower surface of the silicon substrate on which the electrode part is formed;
상기 하부유리기판이 본딩된 실리콘기판의 상부면에 사진인쇄된 마스크를 패터닝한 다음 식각하여 판스프링에 의해서 진동이 자유로운 관성질량체와, 상기 관성질량체의 좌우양측에 형성되는 고정전극과, 상기 관성질량체의 좌우양측으로 형성되는 이동코옴 및 상기 이동코옴에 대응되도록 상기 고정전극에 형성되는 고정코옴을 형성하는 단계;An inertial mass formed by patterning a mask printed on the upper surface of the silicon substrate to which the lower glass substrate is bonded and then etched to be free from vibration by a plate spring, fixed electrodes formed on both left and right sides of the inertial mass, and the inertial mass Forming a fixed coil formed on the fixed electrode so as to correspond to the moving coil and the moving coil formed on left and right sides thereof;
상기 전극부를 외부로 노출시키는 전극연결용 비아홀을 형성하도록 상기 전극부와 대응하는 하부유리기판의 하부면을 식각하는 단계를 포함하여 디바이스웨이퍼를 제조하고; Manufacturing a device wafer including etching the lower surface of the lower glass substrate corresponding to the electrode portion to form an electrode connection via hole exposing the electrode portion to the outside;
상부유리기판을 제공하는 단계;Providing an upper glass substrate;
상기 상부유리기판의 하부면에 상부희생층을 식각하는 단계를 포함하여 캡웨이퍼를 제조하며; Manufacturing a cap wafer including etching an upper sacrificial layer on a lower surface of the upper glass substrate;
상기 상부희생층과 상기 관성질량체가 상하대응되도록 상기 디바이스웨이퍼의 상부면에 상기 캡웨이퍼의 하부면을 본딩하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 관성센서 제조방법을 마련함에 의한다. And bonding the lower surface of the cap wafer to the upper surface of the device wafer such that the upper sacrificial layer and the inertial mass correspond to the upper and lower sides of the device wafer.
바람직하게는 상기 실리콘기판에 관성질량체를 형성하는 단계전에 상기 하부유리기판상에 본딩접합된 실리콘기판을 40㎛ 의 두께를 갖도록 연마하는 단계를 포함한다. Preferably, the step of polishing the silicon substrate bonded on the lower glass substrate to a thickness of 40㎛ before the step of forming an inertial mass on the silicon substrate.
바람직하게는 상기 금속박막이 형성된 실리콘기판과 하부유리기판은 유테틱본딩방식으로 접합연결된다. Preferably, the silicon substrate and the lower glass substrate on which the metal thin film is formed are joined by a bonding bond method.
바람직하게는 상기 상부희생층을 형성한 상부유리기판은 상기 디바이스웨이퍼의 실리콘기판의 상부면에 아노딕본딩방식으로 접합연결된다. Preferably, the upper glass substrate on which the upper sacrificial layer is formed is bonded to the upper surface of the silicon substrate of the device wafer by anodizing method.
바람직하게는 상기 실리콘기판의 상부면에 관성질량체를 형성하는 단계는 건식식각에 의해 이루어진다. Preferably, the step of forming an inertial mass on the upper surface of the silicon substrate is performed by dry etching.
보다 바람직하게는 상기 건식식각은 반응성 이온 에칭법이다. More preferably, the dry etching is a reactive ion etching method.
이하, 본 발명에 대해서 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
도 2(a)(b)(c)는 본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제조방법의 공정을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제조방법에 의해 제조되는 다바이스웨이퍼를 도시한 사시도이다. Figure 2 (a) (b) (c) is a flow chart showing a process of a micro inertial sensor manufacturing method according to the present invention, Figure 3 shows a device wafer manufactured by the micro inertial sensor manufacturing method according to the present invention. Perspective view.
본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제조방법은 도 2와 3에 도시한 바와같이, 디바이스웨이퍼(110)의 제작시 하부희생층을 먼저 형성한 다음, 움직임이 가능한 관성질량체를 건식식각법으로 형성하여 습식식각시 잔류하는 에칭액이 건조되면서 발생되는 관성질량체(115)의 형태변형을 사전에 예방하고, 웨이퍼의 수율을 높일 수 있는 것이다. In the method of manufacturing the micro inertial sensor according to the present invention, as shown in FIGS. 2 and 3, when the device wafer 110 is fabricated, a first sacrificial layer is first formed, and then a movable inertial mass is formed by dry etching. It is possible to prevent the deformation of the inertial mass 115 generated as the etchant remaining during the etching is dried in advance, and to increase the yield of the wafer.
본 발명의 방법에 의해 제조되는 마이크로 관성센서(100)는 관성질량체(115)를 갖는 디바이스웨이퍼(110)와, 상부희생층(122)을 형성하여 상기 디바이스웨이퍼(110)상에 양극접합되는 캡웨이퍼(120)로 구성된다. The micro inertial sensor 100 manufactured by the method of the present invention includes a device wafer 110 having an inertial mass 115 and an upper sacrificial layer 122 to be anodized on the device wafer 110. It consists of a wafer 120.
즉, 상기 디바이스웨이퍼(110)는 실리콘기판기판(111)과 절연층인 하부유리기판(116)으로 구성되는바, 상기 실리콘기판(111)은 하부면에 하부희생층(112)을 벌크식각하여 구비하며, 상기 하부희생층(112)과 대응하는 하부면을 제외하는 실리콘기판(111)의 하부면에는 다수개의 전극부(114)가 형성된다. That is, the device wafer 110 is composed of a silicon substrate 111 and the lower glass substrate 116 as an insulating layer, the silicon substrate 111 by bulk etching the lower sacrificial layer 112 on the lower surface A plurality of electrode portions 114 are formed on the lower surface of the silicon substrate 111 except for the lower surface corresponding to the lower sacrificial layer 112.
그리고, 상기 하부희생층(112)과 대응하는 실리콘기판(111)의 상부면에는 판스프링(118)에 의해서 x,y 방향으로의 진동이 자유로운 관성질량체(115)와, 상기 관성질량체(115)의 좌우양측에 형성되는 고정전극(117)과, 상기 관성질량체(115)의 좌우양측으로 빗살모양으로 형성되는 이동코옴(comb)(115a)및 상기 이동코옴(comb)(115a)에 대응되도록 상기 고정전극(117)에 빗살모양으로 형성되는 고정코옴(117a)등이 각각 형성되어 있다. The lower sacrificial layer 112 and the upper surface of the silicon substrate 111 corresponding to the inertial mass 115 are free of vibration in the x and y directions by the leaf spring 118 and the inertial mass 115. The fixed electrode 117 is formed on the left and right sides of the, and the comb (115a) and the comb (115a) moving comb (115a) formed in the shape of a comb to the left and right sides of the inertial mass (115) A fixed comb 117a or the like formed in the shape of a comb is formed on the fixed electrode 117, respectively.
여기서, 상기 실리콘기판(111)의 바닥면에 형성되는 전극부(114)는 상기 관성질량체(115)의 진동시 고정전극(117)의 고정코옴(117a)에 대한 이동코옴(115a)간의 간격변화에 의한 정전용량의 변화를 외부로 전송할 수 있도록 배선이 연결되는 것이다. Here, the electrode portion 114 formed on the bottom surface of the silicon substrate 111 is a change in the interval between the moving coil 115a with respect to the fixed coil 117a of the fixed electrode 117 when the inertial mass 115 vibrates. The wiring is connected to transmit the change of capacitance caused by the outside.
또한, 상기 하부유리기판(116)은 금소재로 이루어지는 금속재질의 전극부(114)가 하부면에 형성된 실리콘기판(111)과 본딩접합되는 절연기판부재이며, 상기 전극부(114)와 대응하는 하부유리기판(116)의 바닥면에는 사진식각방식에 의해 상기 전극부(114)가 외부로 노출되도록 전극노출용 비아홀(116a)이 각각 관통형성된다. In addition, the lower glass substrate 116 is an insulating substrate member bonded to the silicon substrate 111 formed on the lower surface of the metal electrode portion 114 made of a gold material, and corresponds to the electrode portion 114. Electrode exposure via holes 116a are formed through the bottom surface of the lower glass substrate 116 so that the electrode portion 114 is exposed to the outside by a photolithography method.
한편, 상기 캡웨이퍼(120)는 메인기판(M)상에 플립칩본딩 또는 와이어본딩방식으로 탑재되는 디바이스웨이퍼(110)의 관성질량체(115)를 보호하도록 상기 디바이스웨이퍼(110)의 상부면에 구비되는 보호부재로서, 상기 디바이스웨이퍼(110)의 관성질량체(115)와 대응하는 하부면에 일정깊이의 상부희생층(122)이 사진식각방식으로 형성되는 상부유리기판(121)으로 구성된다. Meanwhile, the cap wafer 120 is disposed on the upper surface of the device wafer 110 to protect the inertial mass 115 of the device wafer 110 mounted on the main board M by flip chip bonding or wire bonding. As a protection member provided, the upper sacrificial layer 122 having a predetermined depth is formed on the lower surface corresponding to the inertial mass 115 of the device wafer 110.
상기한 디바이스웨이퍼(110)와 캡웨이퍼(120)를 상하 본딩하여 마이크로 관성센서(100)를 제조하는 공정중 먼저, 상기 디바이스웨이퍼(110)를 제조하는 공정은 도 2(a)에 도시한 바와같이, 일정두께를 갖는 실리콘기판(111)을 구비하고, 그 상부면에 형성되는 관성질량체(115)의 위치를 고려하여 하부희생층(112)을 일정깊이로 벌크식각한다. During the process of manufacturing the micro inertial sensor 100 by vertically bonding the device wafer 110 and the cap wafer 120, the process of manufacturing the device wafer 110 is shown in Figure 2 (a). Likewise, the lower sacrificial layer 112 is bulk-etched to a predetermined depth in consideration of the position of the inertial mass 115 formed on the upper surface of the silicon substrate 111 having a predetermined thickness.
그리고, 상기 하부희생층(112)이 식각된 상기 실리콘기판(111)의 하부면전체에는 스퍼터링(sputtering)방식으로 금소재의 금속박막(113)을 일정두께 1㎛정도 증착한다. In addition, a metal thin film 113 of a gold material is deposited on the entire lower surface of the silicon substrate 111 on which the lower sacrificial layer 112 is etched by a predetermined thickness of 1 μm.
이러한 상태에서, 상기 금속박막(113)의 표면에 감광제를 패턴인쇄하고, 상기 감광제패턴을 식각마스크로 하여 하부희생층(112)과 대응하는 금속박막영역만을 건식식각법으로 식각하여 제거함으로써, 상기 하부희생층(112)을 제외하는 실리콘기판(111)의 하부면에 잔류하는 금속박막(113)으로서 전극부(114)를 형성할 수 있는 것이다. In this state, a photosensitive agent is pattern-printed on the surface of the metal thin film 113, and only the metal thin film region corresponding to the lower sacrificial layer 112 is removed by dry etching using the photosensitive agent pattern as an etch mask. The electrode part 114 may be formed as the metal thin film 113 remaining on the lower surface of the silicon substrate 111 except for the lower sacrificial layer 112.
이어서, 일정두께를 가지며, 파이렉스(Pyrex : 코닝(cornig) #7740) 유리소재의 하부유리기판(116)을 구비하고, 상기 하부유리기판(116)은 상기 하부희생층(112)및 전극부(114)를 하부면에 형성한 실리콘기판(111)의 직하부에 배치하고, 상기 실리콘기판(111)과 하부유리기판(116)이 상하 면접촉되는 경계부위인 전극부(114)에 고온의 열원을 제공하여 융착시키는 유테틱본딩(eutetic bonding)방식으로 상기 실리콘기판(111)과 하부유리기판(116)을 상하로 접합본딩한다. Subsequently, the lower glass substrate 116 has a predetermined thickness and includes a lower glass substrate 116 of Pyrex (cornig # 7740) glass material, and the lower glass substrate 116 has the lower sacrificial layer 112 and the electrode portion ( A heat source having a high temperature is disposed on an electrode portion 114 which is a boundary portion at which the silicon substrate 111 and the lower glass substrate 116 are in contact with each other. Bonding bonding of the silicon substrate 111 and the lower glass substrate 116 up and down by the eutectic bonding (eutetic bonding) method for fusion.
여기서, 상기 실리콘기판(111)은 그 상부면에 관성질량체(115)가 형성되기 전에 기계적인 연마법이나 화학적인 연마법에 의하여 40㎛ 의 두께를 갖도록 연마된다. Here, the silicon substrate 111 is polished to have a thickness of 40 μm by a mechanical polishing method or a chemical polishing method before the inertial mass 115 is formed on the upper surface thereof.
연속하여, 상기 연마공정에 의해 거울면을 갖는 실리콘기판(111)의 상부면에는 관성질량체(115), 고정전극(117), 이동, 고정코움(115a)(117a), 판스프링(118)을 형성할 수 있도록 감광제를 패턴인쇄하고, 상기 감광제패턴을 식각마스크로 하여 건식식각공정을 수행한다. Subsequently, an inertial mass 115, a fixed electrode 117, a movement, a fixed comb 115a, 117a, and a leaf spring 118 are formed on the upper surface of the silicon substrate 111 having a mirror surface by the polishing process. The photosensitive agent is pattern-printed to be formed, and the dry etching process is performed using the photosensitive agent pattern as an etching mask.
여기서, 상기 건식식각은 이방성 식각법 특히 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)이며, 이는 유리와 실리콘에 대한 선택성이 보통 1 : 100 내지 1 : 300 정도로 크므로 상기 하부유리기판(116)은 식각되지 않고, 상기 하부희생층(112)과 대응하는 실리콘기판(111)의 상부영역에 형성된 포토레지스트를 제외한 영역만 상기 하부희생층(112)과 연통되는 홈(115b)을 형성함으로서, 상기 하부희생층(112)상에 부유(릴리즈)되어 x,y방향으로 진동이 자유로운 관성질량체(115)및 고정전극(117), 이동, 고정코움(115a)(117a), 판스프링(118)을 형성한 디바이스웨이퍼(110)를 제조할 수 있는 것이다. Here, the dry etching is an anisotropic etching method, particularly reactive ion etching, which has a large selectivity to glass and silicon of about 1: 100 to 1: 300, so that the lower glass substrate 116 is not etched. In addition, only the region except the photoresist formed in the upper region of the lower sacrificial layer 112 and the silicon substrate 111 corresponding to the lower sacrificial layer 112 forms a groove 115b in communication with the lower sacrificial layer 112. A device wafer having floating (released) on 112 and freely oscillating in the x and y directions to form an inertial mass 115 and a fixed electrode 117, a moving, fixed comb 115a, 117a, and a leaf spring 118. (110) can be manufactured.
그리고, 상기 하부유리기판(116)의 하부면에는 감광제를 패턴인쇄하고, 상기 감광제패턴을 식각마스크로 하여 사진식각공정을 수행함으로써 상기 전극부(114)가 외부로 노출되는 비아홀(116a)을 형성하며, 이러한 비아홀(116a)은 상기 전극부(114)측으로 갈수록 점점 내경이 좁아지는 단면상으로 구비되는 것이 바람직하다. A via hole 116a is formed on the lower surface of the lower glass substrate 116 by pattern printing a photoresist and performing a photolithography process using the photoresist pattern as an etch mask. In addition, the via hole 116a may be provided in a cross-sectional shape in which an inner diameter gradually decreases toward the electrode portion 114.
한편, 상기 디바이스웨이퍼(110)와 합형조립되는 캡웨이퍼(120)는 도 2(b)에 도시한 바와같이, 일정두께를 갖는 상부유리기판(121)의 일측면에 감광제를 패턴인쇄하고, 상기 감광제패턴을 식각마스크로 하여 사진식각방식으로 상부희생층(122)을 형성함으로서, 상기 관성질량체(115)에 대향하는 하부면에 상부희생층(122)을 일정깊이로 함몰형성한 캡웨이퍼(120)를 제조할 수 있는 것이다.On the other hand, the cap wafer 120 is assembled with the device wafer 110, as shown in Figure 2 (b), the pattern printing the photosensitive agent on one side of the upper glass substrate 121 having a predetermined thickness, By forming the upper sacrificial layer 122 by photolithography using the photoresist pattern as an etching mask, the cap wafer 120 having the upper sacrificial layer 122 recessed and formed to a predetermined depth on the lower surface facing the inertial mass 115. ) Can be manufactured.
연속하여, 상기 하부유리기판(116)을 하부면에 유테틱본딩방식으로 접합하고, 관성질량체(115)가 건식식각법에 의해 형성된 실리콘기판(111)의 상부면에는 상기 상부희생층(122)을 형성한 상부유리기판(121)을 적재하여 면접하는 상태에서, 상기 실리콘기판(111)과 상부유리기판(121)에 800 내지 1000Ｖ 전압을 4 내지 5분동안 인가하여 면접촉부위에 400 내지 450℃ 이상의 열원을 제공하는 아노딕 본딩(anodic bonding)방식으로 이들을 양극접합한다. Subsequently, the lower glass substrate 116 is bonded to the lower surface by a eutectic bonding method, and the upper sacrificial layer 122 is formed on the upper surface of the silicon substrate 111 on which the inertial mass 115 is formed by dry etching. In the state of loading and interviewing the upper glass substrate 121 formed thereon, 800 to 1000 kV voltage is applied to the silicon substrate 111 and the upper glass substrate 121 for 4 to 5 minutes to 400 to 450 on the surface contacting portion. The anodes are bonded by anodic bonding, which provides a heat source of not lower than ℃.
이러한 경우, 상기 캡웨이퍼(120)는 도 2(c)에 도시한 바와같이, 상기 관성질량체(115)를 갖는 다바이스웨이퍼(110)의 직상부에서 하부면에 형성된 상부희생층(122)을 상기 관성질량체(115)와 서로 대응하도록 배치한 상태에서, 상기 디바이스웨이퍼(110)의 상부면에 하부면이 아노딕본딩방식으로 양극접합됨으로써 상기 관성질량체(115)가 x,y방향으로 자유롭게 진동될 수 있는 마이크로 관성센서(100)를 제조완성할 수 있는 것이다. In this case, the cap wafer 120, as shown in Figure 2 (c), the upper sacrificial layer 122 formed on the lower surface on the upper surface of the device wafer 110 having the inertial mass (115) In the state in which the inertial mass 115 is disposed to correspond to each other, the lower surface is anodically bonded to the upper surface of the device wafer 110 by an anodic bonding method so that the inertial mass 115 can be freely vibrated in the x and y directions. Will be able to manufacture the micro inertial sensor 100 can be completed.
도 2(a)(b)(c)에 도시한 제조방법으로 제작된 마이크로 관성센서(100)의 작동원리는 다음과 같다. The operating principle of the micro inertial sensor 100 manufactured by the manufacturing method shown in Fig. 2 (a) (b) (c) is as follows.
즉, 도 3에 도시한 바와같이, 판스프링(118)에 의해 지지되어 있는 관성질량체(115)의 이동코옴(115a)과 대응하는 고정코옴(117a)에 교류와 직류전압을 더해서 인가해주어 출력신호를 받을 수 있는 상태로 만들어 주며, 하기 수학식 1에 의해 가속도를 검출하게 된다. That is, as shown in FIG. 3, an alternating current and a direct current voltage are applied to the moving coil 115a of the inertial mass 115 supported by the leaf spring 118 and the fixed comb 117a corresponding to the output signal by applying the output signal. It is made to receive a state, and the acceleration is detected by the following equation (1).
여기서, k는 스프링 탄성계수, m은 관성질량체의 질량, a는 외부에서 인가되는 가속도, d1은 이동코옴과 고정전극의 고정코옴 사이의 가까운 쪽 거리, d2는 이동코옴과 고정전극의 감지용 고정코옴 사이의 먼 쪽 거리, c1은 d1에서 발생되는 캐패시턴스 값, c2는 d2에서 발생되는 캐패시턴스 값, ΔC는 총 캐패시턴스 변화량이다.Where k is the spring modulus of elasticity, m is the mass of the inertial mass, a is the acceleration applied from the outside, d 1 is the near distance between the moving and fixed electrodes of the fixed electrode, and d 2 is the sensing of the moving and fixed electrodes. The far distance between the fixed coils, c 1 is the capacitance value generated at d 1 , c 2 is the capacitance value generated at d 2 , and ΔC is the total capacitance change amount.
k, m, d1, d2, c1, c2는 일정한 상태에서 a의 변화에 따라 ΔC 즉, 캐패시턴스 변화가 발생됨에 다라, 감지방향(y방향)의 진동은 관성질량체(115)와 이동코옴(115a)과 고정전극(117)의 고정코옴(117a)사이의 간격을 변화시킨다. 이러한 간격 변화로 발생하는 두 전극 사이의 캐패시턴스의 변화를 측정하여 속도변화를 감지하고, 여기서 가속도를 검출한다. 이때 캐패시턴스는 상기 고정전극에서 얻어지는 캐패시턴스와 캐패시턴스 변화의 차분을 통해 구해진다.k, m, d 1 , d 2 , c 1 , c 2 is a constant state occurs in accordance with the change of a ΔC, that is, the capacitance changes, so the vibration in the sensing direction (y direction) moves with the inertial mass 115 The distance between the comb 115a and the fixed comb 117a of the fixed electrode 117 is changed. The change in capacitance between the two electrodes caused by the change in the gap is measured to detect the change in speed, and the acceleration is detected here. At this time, the capacitance is obtained through the difference between the capacitance obtained from the fixed electrode and the capacitance change.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 하부희생층이 형성된 하부절연층인 유리기판에 실리콘기판을 접합한 다음 에칭액을 사용하지 않는 건식식각법으로 실리콘기판에 관성질량체를 최종적으로 형성하고, 이에 상부희생층을 형성한 캡웨이퍼를 접합하여 디바이스웨이퍼에 움직임이 가능한 관성질량체를 제작함으로서, 종래와 같이 실리콘기판과 유리기판이 접합된 상태에서 습식식각시 사용되는 에칭액의 건조시 발생되는 모세관현상에 의한 관성질량체의 변형이나 파손현상을 방지할 수 있기 때문에, 관성센서 제작시 유발되는 불량원인을 사전에 예방하여 안정적으로 제작할 수 있고, 웨이퍼의 수율을 현저히 높일 수 있는 효과가 얻어진다. According to the present invention as described above, the silicon substrate is bonded to a glass substrate, which is a lower insulating layer on which a lower sacrificial layer is formed, and then an inertial mass is finally formed on the silicon substrate by dry etching without using an etching solution. By incorporating a layered cap wafer to produce an inertial mass that can be moved to the device wafer, the inertia due to capillary phenomenon generated during drying of the etchant used for wet etching in a state where the silicon substrate and the glass substrate are bonded as in the prior art. Since the deformation and breakage of the mass can be prevented, it is possible to prevent the defects caused when the inertial sensor is manufactured in advance and to stably produce the wafer, thereby achieving an effect of significantly increasing the yield of the wafer.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다. While the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit or scope of the invention as set forth in the claims below. I would like to clarify that knowledge is easy to know.
도 1(a)(b)(c)은 일반적인 마이크로 관성센서를 제조하는 공정도이다. 1 (a), (b) and (c) are process charts for manufacturing a general micro inertial sensor.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제조방법의 공정을 도시한 흐름도로서, 2 is a flowchart illustrating a process of a method of manufacturing a micro inertial sensor according to the present invention;
a)는 디바이스웨이퍼를 제조하는 흐름도이고,a) is a flowchart for manufacturing a device wafer,
b)는 캡웨이퍼를 제조하는 흐름도이며,b) is a flow chart for manufacturing a cap wafer;
c)는 디바이스웨이퍼와 캡웨이퍼를 접하는 흐름도이다.c) is a flowchart of contacting the device wafer and the cap wafer.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제조방법에 의해 제조되는 다바이스웨이퍼를 도시한 사시도.Figure 3 is a perspective view showing a device wafer manufactured by the method of manufacturing a micro inertial sensor according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on main parts of drawing
110 : 디바이스웨이퍼 111 : 실리콘기판110: device wafer 111: silicon substrate
112 : 하부희생층 113 : 금속박막112: lower sacrificial layer 113: metal thin film
114 : 전극부 115 : 관성질량체114: electrode portion 115: inertial mass
115a : 이동코옴 116 : 하부유리기판115a: Moving Coom 116: Lower Glass Substrate
116a : 비아홀 117 : 고정전극116a: via hole 117: fixed electrode
117a : 고정코옴 118 : 판스프링117a: fixed coil 118: leaf spring
120 : 캡웨이퍼 121 : 상부유리기판 120: cap wafer 121: upper glass substrate
122 : 상부희생층 100 : 관성센서122: upper sacrificial layer 100: inertial sensor
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