KR19980086900A - High Vacuum Packaging 2-axis Micro Gyroscope and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2방향의 물체의 관성 각속도를 검출하고, 웨이퍼 상태에서 구조체를 고진공으로 패키징하는 것과 동시에 신호 처리 회로의 집적을 실현한 집적형 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는, 신호 처리용 에이직 회로가 형성된 기판과 마이크로자이로스코프용 현수 구조물이 형성된 기판을 플립형으로 접착하되, 신호 처리용 에이직 회로가 마이크로자이로스코프용 현수 구조물의 바로 상층부에 집적되게 함으로써, 소자의 면적을 최소화되고, 회로간의 배선이 짧게되어 잡음이 크게 줄며, 또한 Au/Si 다중층의 공융성질과 실리콘 관통공을 이용하여 363℃~400℃의 온도에서 완벽한 진공 밀봉이 구현된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integrated high vacuum packaging biaxial microgyroscope that detects the inertial angular velocity of an object in two directions, packages the structure in a high vacuum in a wafer state, and realizes integration of a signal processing circuit, and a manufacturing method thereof. In the present invention, the substrate on which the signal processing AIZ circuit is formed and the substrate on which the microgyroscopic suspension structure is formed are bonded in a flip shape, but the signal processing AIZ circuit is integrated directly on the upper layer of the microgyroscopic suspension structure. The area of the device is minimized, the wiring between circuits is shortened, the noise is greatly reduced, and the vacuum sealing is achieved at a temperature of 363 ° C to 400 ° C by using the eutectic property of the Au / Si multilayer and the silicon through hole.
Description
본 발명은 물체의 관성 각속도를 검출하기 위한 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 웨이퍼 상태에서 구조체를 고진공으로 패키징하는 것과 동시에 신호 처리 회로의 집적을 실현한 집적형 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microgyroscope for detecting an inertial angular velocity of an object, and to a method for manufacturing the same. More specifically, an integrated high-vacuum packaging biaxial system for packaging a structure in a high vacuum in a wafer state and simultaneously integrating a signal processing circuit. A microgyroscope and a method of manufacturing the same.
도 1은 종래의 양극 접합법을 이용한 집적형 마이크로 압력 센서의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 양극 접합법을 이용한 집적형 마이크로 압력 센서는 양극접합 구조물 형성용의 제1유리판(1), 실리콘 기판(2), 압력 감지를 위한 진동판의 역할을 하는 제1의 p+층(3), 기준 정전 용량 측정용 전극인 제2의 p+층(4), 금속으로 증착되어 정전용량 변화 감지용으로 사용되는 제1금속 전극(5), 금속으로 증착되어 기준 정전용량 측정용으로 사용되는 제2금속 전극(6), 각종 신호 처리를 위한 에이직(ASIC) 회로 영역(7), 진공도 향상을 위한 기체 흡착 물질인 게터(GETTER; 8), 외부 배선용의 전도성 에폭시 수지(9), 양극접합 진공 패키지용의 제2유리판(10)을 구비하고 있다. 여기서, 제1유리판(1) 및 제2유리판(10)은 실리콘 기판(2)에 형성된 마이크로 압력 센서 구조물의 양면에 배치되어 그 사이의 공기를 10-6torr 정도로 빼냄으로써 마이크로 압력 센서가 고진공 속에서 정밀하게 동작할 수 있도록 하는 진공 용기로서의 역할을 한다. 압력 센서로서의 기능을 하는 구조물은, 실리콘 기판(2)으로 형성된 제1의 p+층(3)과 제2유리판(10) 상에 증착된 제1금속 전극(5)의 쌍으로 형성된 가변정전용량 변화 감지용 제1캐패시터 구조물 및 실리콘 기판(2)으로 형성된 제2의 p+층(4)과 제2유리판(10) 상에 증착된 제2금속 전극(6)의 쌍으로 형성된 기준정전용량 변화 감지용 제2캐패시터 구조물이다. 제1캐패시터 구조물의 제1의 p+층(3)은 압력에 따라 진동하는 진동판으로 진동에 따라 제1금속 전극(5)과의 간격이 가변되므로 정전용량이 압력에 따라 가변된다. 제2캐패시터 구조물의 제2의 p+층(4)은 항상 고정되어 있어 제2금속 전극(6)과의 간격이 항상 일정하므로 정전용량이 변함없이 일정하게 된다. 따라서, 제2캐패시터 구조물의 정전 용량을 기준 정전 용량으로 하여 압력에 따라 가변되는 제1캐패시터 구조물의 가변 정전 용량을 비교함으로써 정전 용량의 변화량을 측정할 수 있게된다. 이 정전용량의 변화를 감지함으로써 미세한 압력의 변화를 측정할 수 있는 것이다. 그리고 게터(8)은 제1유리판(1)과 제2유리판(10) 사이의 공간을 고진공 상태로 만들기 위하여 부착된 기체 흡착 물질이다.1 is a vertical cross-sectional view of an integrated micro pressure sensor using a conventional anode bonding method. As shown, the integrated micro pressure sensor using the conventional anodic bonding method is the first glass plate (1) for forming the anodic bonding structure, the silicon substrate (2), the first p + to act as a diaphragm for pressure sensing Layer 3, the second p + layer 4 as the reference capacitance measurement electrode, the first metal electrode 5 deposited with metal and used for sensing capacitance change, and the reference capacitance measured with metal Second metal electrode 6 for use, ASIC circuit area 7 for various signal processing, getter 8 as a gas adsorption material for improving vacuum degree, and conductive epoxy resin for external wiring ( 9) A second glass plate 10 for an anodic bonding vacuum package is provided. Here, the first glass plate 1 and the second glass plate 10 are disposed on both sides of the micro pressure sensor structure formed on the silicon substrate 2 to draw the air therebetween about 10 -6 torr, so that the micro pressure sensor has a high vacuum velocity. It acts as a vacuum container that can operate precisely in. The structure functioning as a pressure sensor is a variable capacitance formed by a pair of the first p + layer 3 formed of the silicon substrate 2 and the first metal electrode 5 deposited on the second glass plate 10. Change of reference capacitance formed by a pair of a second capacitor + and a second p + layer 4 formed of the silicon substrate 2 and the second metal electrode 6 deposited on the second glass plate 10 for detecting the change Sensing second capacitor structure. The first p + layer 3 of the first capacitor structure is a diaphragm that vibrates according to the pressure, and thus the capacitance with the first metal electrode 5 varies according to the vibration. The second p + layer 4 of the second capacitor structure is always fixed so that the spacing with the second metal electrode 6 is always constant so that the capacitance remains constant. Therefore, the amount of change in capacitance can be measured by comparing the variable capacitance of the first capacitor structure, which varies with pressure, by using the capacitance of the second capacitor structure as a reference capacitance. By detecting this change in capacitance, a minute change in pressure can be measured. And the getter 8 is a gas adsorption material attached to make the space between the first glass plate 1 and the second glass plate 10 high vacuum.
이와 같이 동작하는 마이크로 압력 센서는 고진공 상태에서 정밀한 동작을 보장받을 수 있다. 이는 마이크로자이로스코프에서도 마찬가지이다. 마이크로자이로스코프는 캠코더나 인터넷 TV용 3차원 마우스, 자동항법장치 등에 응용될 수 있는데, 이를 위해서는 신호처리를 포함한 전체시스템의 크기가 반드시 작아야 한다. 이 것은 마이크로자이로스코프 뿐 만 아니라 거의 모든 마이크로 센서의 경우에도 공통된 선결과제이다. 또한 소자의 작동에 있어서 소자 내의 현수 구조물의 진동을 요구하는 각종 정전용량형 센서의 경우, 소자의 구동 전압을 줄이고 감도를 높이기 위해서 소자의 주변을 진공으로 패키징하는 것이 필요불가결하다. 근래에 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있는데, 특히 일본 동북대의 에사시 연구실에서는 유리와 실리콘을 양극 접합하는 방법을 이용하여 많은 실험결과를 보고한 바 있다. 그런데 양극 접합을 이용하여 진공 패키징을 구현하는 과정에서 접The micro pressure sensor operating in this way can be guaranteed precise operation in a high vacuum state. The same is true for microgyroscopes. Micro gyroscopes can be applied to camcorders, 3D mice for Internet TVs, and automatic navigation systems. For this purpose, the size of the entire system including signal processing must be small. This is a common prerequisite for almost all micro sensors as well as micro gyroscopes. In addition, in the case of various capacitive sensors which require vibration of the suspension structure in the device in operation, it is essential to package the periphery of the device in a vacuum in order to reduce the driving voltage of the device and to increase the sensitivity. In recent years, many researches have been conducted to solve this problem. Especially, the Esashi laboratory in Northeastern Japan has reported many experiment results by using anodic bonding of glass and silicon. However, in the process of implementing vacuum packaging using anode bonding,
합부로부터 많은 기체가 발생하기 때문에 이 연구실에서는 이를 개선하기 위해 기체 흡착물질인 게터를 사용하고 있는데, 이 것은 소자 전체의 크기를 줄이는데 큰 제약 요인이 되고 있다.Since a lot of gas is generated from the junction, the laboratory uses getter, which is a gas adsorbent, to solve this problem, which is a big constraint in reducing the size of the entire device.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 신호 처리용 에이직 회로가 형성된 기판과 마이크로자이로스코프의 현수 구조물이 형성된 기판을 플립형으로 접착하되, 신호 처리용 에이직 회로를 마이크로자이로스코프의 현수 구조물에 최대한 근접되게 하고, 회로를 둘러싼 기판을 접지시킴으로써, 기능적으로는 외부로 부터의 잡음을 근원적으로 차단하고, 신호의 감도를 극대화하며, 외형적으로는 소자 전체의 크기를 현저하게 줄이는 효과가 있으며, 또한, Au/Si 다중층의 공융반응 및 관통공의 형상(경사면)을 이용하여 고진공 밀봉이 구현된 특징을 가지는 집적형 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, while the substrate on which the signal processing AIC circuit is formed and the substrate on which the suspension structure of the microgyroscope is formed are flip-bonded, but the AIC circuit for signal processing is a microgyroscope. By as close as possible to the suspension structure of the circuit board and grounding the circuit board surrounding the circuit, it can functionally block the noise from the outside, maximize the signal sensitivity, and externally significantly reduce the overall size of the device. In addition, the present invention provides an integrated high vacuum packaging biaxial microgyroscope and a method of manufacturing the same, which are characterized by high vacuum sealing by using a eutectic reaction of Au / Si multilayer and the shape of a through hole (inclined surface). There is a purpose.
도 1은 종래의 양극 접합법을 이용한 집적형 마이크로 압력 센서의 단면도,1 is a cross-sectional view of an integrated micro pressure sensor using a conventional anode bonding method,
도 2a는 본 발명에 따른 집적형 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프의 발췌 투시 평면도,Figure 2a is an excerpt perspective plan view of an integrated high vacuum packaging biaxial microgyroscope according to the present invention,
도 2b는 도 2a의 마이크로자이로스코프를 A-A'라인을 따라 절개한 수직 단면도,FIG. 2B is a vertical cross-sectional view of the microgyroscope of FIG. 2A taken along line AA ′, FIG.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 마이크로자이로스코프의 동작원리를 설명하기위한 발췌 사시도,3 is an exploded perspective view for explaining the principle of operation of the micro-gyro of Figures 2a and 2b,
도 4a 내지 도 4e는 도 2b의 제2기판의 제작 단계별 공정 후의 수직 단면도로서,4A to 4E are vertical cross-sectional views after a step-by-step process of manufacturing the second substrate of FIG. 2B;
도 4a는 신호 처리용 에이직 웨이퍼 제작후 실리콘 관통 식각후의 수직 단면도,Figure 4a is a vertical cross-sectional view after the silicon through etching after the fabrication of the wafer wafer for signal processing,
도 4b는 기판 상하 양면에 절연막을 증착하고 접지 전극 contact(ohmic contact) 패턴을 형성한 후의 수직 단면도,4B is a vertical sectional view after depositing an insulating film on both upper and lower substrates and forming a ground electrode contact (ohmic contact) pattern;
도 4c는 기판하측면에 양극접합을 위한 Pyrex 유리박막의 패턴을 형성한 후의 수직 단면도,Figure 4c is a vertical cross-sectional view after forming a pattern of Pyrex glass thin film for anodic bonding on the lower surface of the substrate,
도 4d는 기판 하측면에 구동 및 감지전극용 금속패턴을 형성한 후의 단면도,4D is a cross-sectional view after forming a metal pattern for driving and sensing electrodes on the lower surface of the substrate;
도 4e는 기판 상측면에 Au/Si 다중박막층 패턴 형성 후의 수직 단면도, 그리고 도 5a 내지 5e는 도 2b의 마이크로자이로스코프의 제작 단계별 공정 후의 수직 단면도로서,Figure 4e is a vertical cross-sectional view after forming the Au / Si multi-layer layer pattern on the upper surface, and Figures 5a to 5e is a vertical cross-sectional view after the step-by-step process of manufacturing the micro-gyro of Figure 2b,
5a는 구조체의 운동공간을 확보하기위한 제 1기판(실리콘)의 양면식각 후, 구조체 형성용 이방성 식각시, 마스크역할을 할 p+도핑영역을 형성한 후의 수직단면도이고,5a is a vertical cross-sectional view after the double-sided etching of the first substrate (silicon) to secure the movement space of the structure, and after forming the p + doped region to act as a mask during the anisotropic etching for forming the structure,
도 5b는 기판 상하측면에 절연막 패턴 형성 및 금속 패턴을 형성한 후, 실리콘 식각시 금속패턴 및 p+도핑층의 훼손을 방지하기 위한 추가적인 절연막 증착 및 패턴 형성후의 단면도,Figure 5b is a cross-sectional view after the formation of the insulating film pattern and the metal pattern formed on the upper and lower sides of the substrate, after the additional insulating film deposition and pattern formation to prevent damage of the metal pattern and p + doped layer during silicon etching;
도 5c는 식각될 부분의 표면 산화막 제거후, 실리콘 양면 1차 식각공정 및 제 1기판과 제 3기판의 양극접합 공정 후의 수직 단면도,Figure 5c is a vertical cross-sectional view after the removal of the surface oxide film of the portion to be etched, after the silicon double-sided primary etching process and the anodic bonding process of the first substrate and the third substrate,
도 5d는 구조체 식각완료후, 상부 절연막의 건식식각 및 제2기판과 제1기판 간의 양극접합 후의 수직단면도,Figure 5d is a vertical cross-sectional view after the completion of the structure etching, dry etching of the upper insulating film and the anodic bonding between the second substrate and the first substrate,
도 5e는 Au/Si 다중층을 공융시켜 관통공을 밀봉한 후, 완성된 집적형 마이크로자이로스코프의 최종 단면도이다.5E is a final cross-sectional view of the completed integrated microgyroscope after eutectic Au / Si multilayers to seal the through holes.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
1... 제1유리(제1양극접합 구조물 형성용)1 ... 1st glass (for forming 1st anode junction structure)
2... 실리콘 기판2 ... silicon substrate
3... 제1의 p+층(진동판; 압력 감지부)3 ... first p + layer (vibration plate; pressure sensing unit)
4... 제2의 p+층(제1기준 정전용량 측정용 전극)4 ... second p + layer (first reference capacitance measurement electrode)
5... 제1금속 전극(정전용량 변화 감지용)5 ... First metal electrode (for detecting capacitance change)
6... 제2금속 전극(제2기준 정전용량 측정용 전극)6. Second metal electrode (second reference capacitance measurement electrode)
7... 에이직(ASIC) 영역(신호처리 회로 구현)7 ... ASIC domain (signal processing circuit implementation)
8... 게터(GETTER; 기체 흡착물질; 진공도 향상용)8 ... GETTER; gas adsorbent; to improve vacuum
9... 전도성 에폭시 수지(외부 배선용)9. Conductive epoxy resin (for external wiring)
10... 제2유리(제1양극접합 진공 패키지용)10 ... Second glass (for first positive junction vacuum package)
11... 제3기판(유리)11 ... 3rd substrate (glass)
12...제1기판(실리콘)12.1st board (silicon)
13...제2기판(실리콘)13 second substrate (silicon)
14...p+도핑영역14 ... p + doping area
15...제 1기판 실리콘 보호층(예; 증착에 의한 실리콘 산화층 혹은 질화층)15. First substrate silicon protective layer (e.g. silicon oxide layer or nitride layer by vapor deposition)
16...구조체 가진 전극(금속층, 예; Cr/Au or Al)16 electrode with structure (metal layer, eg Cr / Au or Al)
17...X축 감지 전극(금속층, 예; Cr/Au or Al)17 ... X-axis sensing electrode (metal layer, eg Cr / Au or Al)
18...Y축 감지 전극(금속층, 예; Cr/Au or Al)18 ... Y-axis sensing electrode (metal layer, eg Cr / Au or Al)
19...제2기판 콘택(contact) 전극(Au/Si 다중층)19.2nd substrate contact electrode (Au / Si multilayer)
20...제2기판 실리콘 보호층(예; 증착에 의한 실리콘 산화층 혹은 질화층)20. Second substrate silicon protective layer (e.g. silicon oxide layer or nitride layer by deposition)
21... 관통공21 ... Through Hole
22...Au/Si 다중층(제 2기판 배선 기둥형성 및 밀봉용)22 ... Au / Si multilayer (for forming and sealing second substrate wiring pillars)
23...제 1기판 금속층(예; Cr/Au or Al)23.First substrate metal layer (eg Cr / Au or Al)
24...Cavity(구조체 운동 영역)24 ... Cavity
25...에이직 영역(신호처리용 IC 영역)25.AiZ area (IC area for signal processing)
26...구조물의 스프링26.Spring of the structure
27...구조물의 질량체27 Mass of the structure
28...Y축 각속도를 측정하기위한 홈28 ... Groove for measuring Y-axis angular velocity
29...X축 각속도를 측정하기위한 홈29 ... Grooving for measuring X-axis angular velocity
30...파이렉스(Pyrex) 유리 박막층30 ... Pyrex Glass Thin Film Layer
31...기체 흡착층(Getter: 예; Ti)31.Gas adsorption layer (Getter: eg Ti)
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 집적형 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프는, 마이크로자이로스코프용 현수 구조물 및 상기 현수 구조물용 및 진공밀봉용 금속 전극층을 구비한 제1기판; 상기 현수 구조물과 진공공간을 사이에 두고 대향하는 일측면 상에 상기 현수 구조물을 구동 및 감지하기 위해 신호 처리용 회로 및 그 전극을 구비하고, 외부 시스템과의 배선이 용이하도록 함과 동시에 진공 밀봉의 역할을 하는 관통공을 구비하며, 기판 하부에 양극접합용 파이렉스(PYREX) 유리 박막층 테를 구비한 제2기판; 상기 진공공간을 유지하도록 상기 제1기판의 타측면과 접착된 제3기판;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an integrated high-vacuum packaging biaxial microgyroscope according to the present invention includes a first substrate having a suspending structure for a micro gyroscope and a metal electrode layer for suspending structure and vacuum sealing; A signal processing circuit and an electrode are provided to drive and sense the suspension structure on the opposite side with the suspension structure and the vacuum space interposed therebetween. A second substrate having a through-hole serving to serve and having a PYREX glass thin film layer under the substrate; And a third substrate bonded to the other side of the first substrate to maintain the vacuum space.
본 발명에 있어서, 상기 제1기판과 제2기판은 각각 실리콘으로 형성되고, 상기 제3기판은 실리콘 및 유리로 형성되며, 상기 마이크로자이로스코프용 현수 구조물은 벌크 실리콘으로 형성되며, 상기 신호처리용 회로는 상기 구조체의 구동 및 감지용 전극층에 접하여 상기 제2기판에 매립되며, 상기 진공 공간은 10-6torr 이하의 진공도를 가지며, 상기 배선 기둥 형성용 복합 금속층은 Au/Si 다중층으로 형성하는 것이 바람직하다.In the present invention, the first substrate and the second substrate are each formed of silicon, the third substrate is formed of silicon and glass, the suspension structure for the micro gyroscope is formed of bulk silicon, the signal processing The circuit is buried in the second substrate in contact with the electrode layer for driving and sensing the structure, the vacuum space has a vacuum degree of 10 -6 torr or less, and the composite metal layer for forming the wiring pillar is formed of Au / Si multilayer. It is preferable.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 집적형 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프의 제조 방법은, (가) 제1기판의 양면을 식각하여 현수 구조물용 진동 공간을 형성한 후, p+도핑 공정 및 접지용 전극을 형성하는 단계; (나)제 1기판의 양측면상의 실리콘 노출부분을 이방성 식각하는 단계; (다) 제3기판에 기체 흡착용 박막층을 형성한 다음 상기 제1기판과 양극접합하는 단계; (라) 제 1기판의 상측면을 식각하여 현수 구조물을 완성한후, 상측면의 금속보호층(실리콘 산화물 혹은 질화물)을 건식 식각하는 단계; (마) 제2기판상에 상기 현수 구조물의 운동 상태를 구동 및 감지하기 위한 신호처리용 회로를 구성한 후 배선 및 진공 밀봉용 관통공을 형성하는 단계; (바) 상기 제2기판 하측면에 양극접합용 PYREX 유리 박막층으로 밀봉테를 형성하는 단계; (사) 상기 제2기판 하측면에 배선을 위한 금속 패턴(예;Cr/Au 혹은 Al)을 형성하고, 상측면에 진공패키징을 위한 Au/Si 다중층 패턴을 형성하는 단계; (아) 상기 제1기판과 제 2기판을 양극접합하는 단계; 및 (자) Au/Si 다중층을 용융하여 진공패키징을 실현하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing an integrated high-vacuum packaging biaxial microgyroscope according to the present invention, (a) after etching both sides of the first substrate to form a vibration space for the suspension structure, p + Forming a doping process and an electrode for ground; (B) anisotropically etching silicon exposed portions on both sides of the first substrate; (C) forming a thin film layer for gas adsorption on a third substrate and then anodic bonding the first substrate; (D) etching the upper side of the first substrate to complete the suspension structure, and then dry etching the metal protective layer (silicon oxide or nitride) on the upper side; (E) forming a through hole for wiring and vacuum sealing after constructing a signal processing circuit for driving and sensing the motion state of the suspension structure on the second substrate; (Bar) forming a sealing frame with a PYREX glass thin film layer for anodic bonding on the lower side of the second substrate; (G) forming a metal pattern (eg, Cr / Au or Al) for wiring on the lower side of the second substrate, and forming an Au / Si multilayer pattern for vacuum packaging on the upper side; (H) anodic bonding the first substrate and the second substrate; And (i) melting the Au / Si multilayer to realize vacuum packaging.
본 발명에 있어서, 상기 제1기판과 제2기판은 각각 실리콘으로 형성하며, 상기 신호처리용 회로는 상기 구조물 구동 및 감지전극에 접하여 제2기판에 매립하며, 상기 진공 공간은 10-6torr 이하의 진공도를 가지며, 상기 배선 기둥용 다중층은 Au/Si 다중층으로 형성하는 것이 바람직하다.In the present invention, the first substrate and the second substrate are each formed of silicon, and the signal processing circuit is buried in a second substrate in contact with the structure driving and sensing electrodes, and the vacuum space is 10 -6 torr or less. It has a vacuum degree of, and it is preferable that the multilayer for the wiring pillar is formed of an Au / Si multilayer.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a high vacuum packaging biaxial microgyroscope and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 집적형 고진공 패캐징 2축 마이크로자이로스코프는 현수 구조물용 제1기판(12)(상측면 상에 접지 전극 및 진공밀봉용 금속패턴『제 2기판의 관통공에 대향』을 구비) 및 그 상부에 신호처리회로부, 구동 및 감지전극부, 외부 배선 및 현수 구조물의 진공 밀봉을 위한 제2기판(13)이 구비되어 있고, 그 하부에 제1기판의 지지와 밀봉을 위한 제3기판(11)이 구비되어 있다. 제1기판(12)과 제2기판(13)의 모든 전극이 웨이퍼 레벨(wafer level)에서 소자의 성능 실험이 용이하도록 제2기판(13)의 관통공을 통해 제2기판(13) 상측면으로 배선되어 있는 것이 특징이다. 이러한 구조적 특징을 도 2a 및 도 2b를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.The integrated high vacuum packaging biaxial microgyroscope according to the present invention has a first substrate 12 for suspension structure (having a ground electrode and a metal pattern for vacuum sealing " opposed to the through hole of the second substrate " on the upper side). And a second substrate 13 for vacuum sealing the signal processing circuit portion, the driving and sensing electrode portion, the external wiring and the suspension structure on the upper portion thereof, and a third substrate for supporting and sealing the first substrate on the lower portion thereof. (11) is provided. All electrodes of the first substrate 12 and the second substrate 13 have an upper side surface of the second substrate 13 through the through hole of the second substrate 13 to facilitate the performance test of the device at the wafer level. It is characterized by being wired. This structural feature will be described in detail with reference to FIGS. 2A and 2B.
먼저, 제1기판(12)으로는 벌크 실리콘을 사용하여 마이크로자이로스코프용 현수 구조물(26, 27)이 형성되고, 이 현수 구조물용 접지 및 진공밀봉용 금속층(23)이 구비된다. 제2기판(13)은 실리콘 기판이며, 제1기판(12)의 현수 구조물(27)과 진공공간을 사이에 두고 대향하는 일측면 상에 현수 구조물(27)의 구동 및 그 운동을 감지하기 위해 금속 패턴(가진 전극(16), 감지 전극(17, 18))(예; Cr/Au 혹은 Al) 및 신호 처리용 회로(25)를 구비한다. 여기서, 신호처리용 회로(25)는 금속 영역(16, 17, 18)에 인접하여 제2기판(13)에 매립된다. 또한, 금속 영역(16, 17, 18) 외측에 모든 전극의 외부 배선과 진공 패키징을 위한 관통공(21)을 구비하며, 관통공(21) 영역에 Au/Si 다중층(22) 패턴을 구비한다. 이 밖에 제2기판 하측면에는 제1기판(12)과 제2기판(13)을 양극접합하기 위해 파이렉스(PYREX) 유리 박막층(30)이 구비된다. 제3기판(11)은 실리콘 혹은 유리 기판으로서 진공 공간이 유지되도록 제1기판(12)의 타측면과 접착된다. 이와 같은 구조의 마이크로자이로스코프에 있어서, 진공 공간은 10-6torr 이하의 진공도를 갖는다.First, as the first substrate 12, microstructured suspension structures 26 and 27 are formed by using bulk silicon, and the grounding and vacuum sealing metal layers 23 for the suspension structure are provided. The second substrate 13 is a silicon substrate, and in order to sense driving and movement of the suspension structure 27 on one side surface facing the suspension structure 27 of the first substrate 12 with a vacuum space therebetween. A metal pattern (vibration electrode 16, sensing electrodes 17, 18) (e.g., Cr / Au or Al) and a signal processing circuit 25 are provided. Here, the signal processing circuit 25 is embedded in the second substrate 13 adjacent to the metal regions 16, 17, and 18. In addition, a through hole 21 for external wiring and vacuum packaging of all electrodes is provided outside the metal areas 16, 17, and 18, and an Au / Si multilayer 22 pattern is provided in the through hole 21 area. do. In addition, a lower PYREX glass thin film layer 30 is provided on the lower side of the second substrate for anodic bonding of the first substrate 12 and the second substrate 13. The third substrate 11 is bonded to the other side of the first substrate 12 to maintain the vacuum space as a silicon or glass substrate. In the microgyroscope of such a structure, the vacuum space has a vacuum degree of 10 -6 torr or less.
이와 같은 구조의 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프의 동작원리는 도 3에 도시된 바와 같이, 제2기판(13)의 가진 전극(16)과 제1기판(12)의 현수 구조물(27) 사이에 정전 인력으로 현수 구조물(27)를 Z축 방향으로 진동시키면 X방향으로 각속도 인가시 현수 구조물(27)은 Y축방향으로 변위를 일으켜 제1감지전극(18)에서 제1감지전극(18)와 현수 구조물(27) 사이의 정전용량이 감지되어, 제 2기판(13)의 신호처리회로(25)에서 각속도에 대응하는 전압으로 변환된다. 만약 Y방향으로 각속도가 인가된다면, 현수 구조물(27)은 X축방향으로 변위를 일으켜 제2감지전극(17)에서 제2감지전극(17)와 현수 구조물(27) 사이의 정전용량이 감지되어, 마찬가지로 기판의 신호처리회로에서 각속도에 대응하는 전압으로 변환된다. 도시된 바와 같이, 마이크로자이로스코프는 스프링(26)의 모양이 사방 대칭이므로 X, Y 두 축 방향의 각속도에 대해 현수 구조물(27)의 변위가 대칭이 되어 신호감도 또한 대칭이 된다. 이와 같은 원리로, 본 발명의 마이크로자이로스코프는 2축 마이크로 자이로스코프가 된다.As shown in FIG. 3, the operation principle of the high-vacuum packaging biaxial microgyroscope having such a structure is provided between the excitation electrode 16 of the second substrate 13 and the suspension structure 27 of the first substrate 12. When the suspension structure 27 vibrates in the Z-axis direction by electrostatic attraction, when the angular velocity is applied in the X direction, the suspension structure 27 causes displacement in the Y-axis direction so that the first sensing electrode 18 and the first sensing electrode 18 are separated from each other. The capacitance between the suspension structures 27 is sensed and converted into a voltage corresponding to the angular velocity in the signal processing circuit 25 of the second substrate 13. If the angular velocity is applied in the Y direction, the suspension structure 27 causes displacement in the X-axis direction so that the capacitance between the second sensing electrode 17 and the suspension structure 27 is sensed at the second sensing electrode 17. Similarly, the signal processing circuit of the substrate is converted into a voltage corresponding to the angular velocity. As shown in the figure, since the shape of the spring 26 is symmetrical in all directions, the displacement of the suspension structure 27 is symmetrical with respect to the angular velocities in the X and Y axial directions so that the signal sensitivity is also symmetrical. On this principle, the microgyroscope of the present invention becomes a two-axis microgyroscope.
또한, 본 발명의 마이크로자이로스코프의 진공 패키징의 원리는 다음과 같다. 대기중에서 제1기판(12)과 제3기판(11)및 제2기판(13)과 제1기판(12)간의 양극접합 후, 고진공 중에서 Au/Si 다중층 융착법으로 자이로스코프의 캐버티(cavity)를 진공으로 밀봉하는 것이 그 기본 원리인데, 양극접합된 제2기판(13)과 제1기판(12) 간의 유일한 틈새인 관통공 하측면의 진공 밀봉 원리는 다음과 같다. 관통공에 형성된 Au/Si 다중층의 용융시(363℃이상), 관통공 내측면이 경사면이기 때문에, Au/Si합금용액이 경사면을 따라 관통공 하측면과 제1기판 상측부 사이의 틈새 쪽으로 흘러내려 이 틈새를 메움으로써 이루어진다. Au/Si의 다중층을 이용한 것은 Au과 Si의 조성을 정확하게 제어하여, 이 두 물질이 제어 가능한 온도에서 공융(eutectic)반응을 하도록 하기 위함이다. IC 제작시 배선에 사용되는 Al의 annealing온도는 약 450℃정도 이기 때문에 IC제작이후의 공정인 진공 밀봉공정의 온도는 450℃이하 이어야 하고, 또한 소자 제작 완료후 PCB(Printed Circuit Board)에 소자를 솔더(solder)로 부착할 때의 온도는 약 250℃이기 때문에 이 온도에 영향을 받지 않을 정도의 높은 온도에서 용융되는 물질이 진공 밀봉에 사용하는 것이 바람직한데, 이러한 점에서 363℃~400℃에서 용융되는 Au/Si 다중층은 상기 조건을 만족하는 매우 적절한 물질이다. 이와 같이 동작하는 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프의 제조 방법은 다음과 같다.Further, the principle of vacuum packaging of the microgyroscope of the present invention is as follows. After the anodic bonding between the first substrate 12, the third substrate 11, and the second substrate 13 and the first substrate 12 in the air, the cavity of the gyroscope by Au / Si multilayer welding in high vacuum ( The basic principle is to seal the cavity with a vacuum, and the principle of vacuum sealing at the lower side of the through hole, which is the only gap between the anodic bonded second substrate 13 and the first substrate 12, is as follows. When the Au / Si multilayer formed in the through hole is melted (above 363 ° C), the inner surface of the through hole is an inclined surface, so that the Au / Si alloy solution is in the gap between the lower surface of the through hole and the upper side of the first substrate along the inclined surface. It flows down and fills this gap. The use of multiple layers of Au / Si is intended to precisely control the composition of Au and Si so that the two materials undergo eutectic reactions at controllable temperatures. Since the annealing temperature of Al used for wiring during IC manufacturing is about 450 ℃, the temperature of vacuum sealing process, which is a process after IC manufacturing, should be 450 ℃ or less, and after the device manufacturing is completed, place the device on the PCB (Printed Circuit Board). Since the temperature at the time of attaching with solder is about 250 ℃, it is preferable to use a material that is melted at a high temperature that is not affected by this temperature for vacuum sealing. Melted Au / Si multilayers are very suitable materials that meet the above conditions. The manufacturing method of the high vacuum packaging biaxial microgyroscope operating as described above is as follows.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2기판(13)에 신호 처리용 에이직 회로(25) 제작후 제2기판(13)을 이방성 식각법을 이용하여 관통시킨다. 이를 위하여, 제2기판(13)은 실리콘으로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 신호처리회로(25)는 나중에 형성될 금속 영역(16, 17, 18; 도 4d 참조)에 접하여 제2기판(13)에 매립되도록 먼저 형성한다. 다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2기판(13) 상하 양면에 절연막(20)을 증착하고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2기판 하부에 파이렉스(Pyrex) 유리 박막층(30)을 형성한다. 다음에, 도 4d에 도시된 바와 같이, 기판 하측면에 금속 콘택트(contact) 패턴을 형성한다. 다음으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 기판 상부에 Au/Si 다중층을 형성한다((사) 단계).First, as shown in FIG. 4A, the second substrate 13 is penetrated through the anisotropic etching method after fabrication of the signal circuit 25 for signal processing. For this purpose, the second substrate 13 is preferably made of silicon. As such, the signal processing circuit 25 is first formed so as to be buried in the second substrate 13 in contact with the metal regions 16, 17, 18 (see FIG. 4D) to be formed later. Next, as shown in FIG. 4B, an insulating film 20 is deposited on both upper and lower surfaces of the second substrate 13, and as shown in FIG. 4C, a Pyrex glass thin film layer 30 is disposed below the second substrate. To form. Next, as shown in FIG. 4D, a metal contact pattern is formed on the lower surface of the substrate. Next, as shown in FIG. 4E, an Au / Si multilayer is formed on the substrate (step (4)).
상기 공정과 병행하여, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1기판(12)의 양면을 식각하여 현수 구조물용 진동 공간(24)을 확보하고((가)단계), 기판(12)의 양면에 p+도핑 공정을 실시하여 현수 구조체 형성을 위한 이방성 식각시 마스크 역할을 할 p+도핑영역(14)을 형성한다. 이 때, 제1기판(12)은 실리콘으로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다. 다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1기판(12) 상측부에 절연막 패턴을 형성하고, 접지용 및 관통공 접촉용 금속패턴(23)을 형성한 후, 현수 구조물 형성을 위한 식각시 금속층(23)을 보호하는 동시에 식각 용액에의 과도한 노출로 인한 상부 p+도핑층(14)의 훼손을 방지하기 위하여 절연막을 증착하고 패터닝한다. 이 보호층은 증착법을 이용하여 실리콘 산화층 혹은 질화층으로 형성한다. 다음에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 현수 구조물 형성을 위한 제1차 식각 공정을 실시하고, 제3기판(11)에 기체 흡착용 박막층(31)을 형성한 다음, 제1기판(12)과 제3기판(11)을 양극 접합 공정으로 접합한다. 이 때, 제3기판(11)으로는 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제2기판(12)을 2차로 식각하여 현수 구조물(27)을 완성시킨다. 다음에, 도 5e에 도시된 바와 같이, 파이렉스(Pyrex) 유리 박막층을 이용하여 제1기판(12)과 제2기판(13)을 양극 접합한 후((아) 단계), 내부 공간을 진공 상태로 하면서, Au/Si 다중층을 공융하여 관통공을 밀봉한다. 이 때 내부 공간은 10-6torr 이하의 진공도를 갖는 진공 공간이 되도록 한다.In parallel with the above process, as shown in FIG. 5A, both surfaces of the first substrate 12 are etched to secure the vibration space 24 for the suspension structure ((a) step), and both surfaces of the substrate 12 are etched. The p + doping process is performed to form a p + doped region 14 to serve as a mask in anisotropic etching for forming a suspension structure. At this time, it is preferable that the first substrate 12 is made of silicon. Next, as illustrated in FIG. 5B, an insulating film pattern is formed on the upper side of the first substrate 12, and the metal pattern 23 for grounding and through hole contact is formed, and then, when etching to form a suspension structure. An insulating film is deposited and patterned to protect the metal layer 23 and prevent damage to the upper p + doped layer 14 due to excessive exposure to the etching solution. This protective layer is formed of a silicon oxide layer or a nitride layer by vapor deposition. Next, as shown in FIG. 5C, a first etching process for forming a suspension structure is performed, and a thin film layer 31 for gas adsorption is formed on the third substrate 11, followed by the first substrate 12. And the third substrate 11 are bonded by an anodic bonding process. At this time, it is preferable to use a glass substrate as the third substrate 11. Next, as shown in FIG. 5D, the second substrate 12 is secondarily etched to complete the suspension structure 27. Next, as shown in FIG. 5E, the first substrate 12 and the second substrate 13 are anodic bonded using a Pyrex glass thin film layer ((H) step), and then the internal space is vacuumed. While the Au / Si multilayer is eutectic, the through hole is sealed. At this time, the internal space is a vacuum space having a vacuum degree of 10 −6 torr or less.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법은 다음과 같은 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 고진공 패키징 2축 마이크로자이로스코프는, 신호 처리용 에이직 회로가 형성된 기판과 마이크로자이로스코프용 현수 구조물이 형성된 기판을 플립형으로 접착하되, 신호 처리용 에이직 회로가 마이크로자이로스코프용 현수 구조물의 바로 상층부에 집적되게 함으로써, 소자의 면적이 최소화되고 회로 간의 배선이 짧게되어 잡음이 크게 줄고, 고진공에서 Au/Si 다중층의 공융을 이용하여 밀봉함으로써 진공도 또한 크게 향상되었다. 이를 정리하면 다음과 같다.As described above, the high vacuum packaging biaxial microgyroscope and its manufacturing method according to the present invention have the following advantages. In the high vacuum packaging biaxial microgyroscope according to the present invention, the substrate on which the azimuth circuit for signal processing is formed and the substrate on which the suspending structure for the micro gyroscope is formed are flip-bonded, but the azig circuit for signal processing is a suspension for a microgyroscope. By being integrated directly on top of the structure, the area of the device is minimized, the wiring between circuits is shortened, noise is greatly reduced, and vacuum is also greatly improved by sealing with eutectic Au / Si multilayers at high vacuum. This is summarized as follows.
1) 신호 처리용 에이직 회로를 현수 구조물의 상층부에 입체적으로 집적함으로써 소자의 최소 면적화에 따른 비용절감효과가 매우 크다.1) By integrating the signal processing IC circuit in the upper part of the suspension structure in three dimensions, the cost reduction effect due to the smallest area of the device is very large.
2) 신호 처리용 에이직 회로를 입체적으로 현수 구조물 상층부에 집적함으로써 마이크로 자이로스코프 구조물과 에이직 회로 간의 배선이 짧아지므로, 배선이 길어짐으로써 발생하는 잡음을 근원적으로 제거하여 신호 감지감도를 극대화하고, 또한 신호처리회로가 매몰되어 있는 제2기판을 접지시킴으로써 신호처리회로를 전기적으로 차폐(Shielding)하여 소자 내부로의 잡음 유입이 근원적으로 차단되는 효과가 있다.2) By integrating signal processing circuit in three-dimensional upper part of suspension structure, wiring between micro gyroscope structure and AICS circuit is shortened, thus maximizing signal detection sensitivity by fundamentally eliminating noise generated by long wiring. In addition, by grounding the second substrate where the signal processing circuit is buried, the signal processing circuit is electrically shielded, thereby preventing the inflow of noise into the device.
3)신호 처리용 에이직 회로와 현수 구조물이 각각 다른 웨이퍼 상에서 제조되기 때문에, 서로 공정에 영향을 받지 않고 표준화된 공정을 활용할 수 있어, 집적비용이 절감된다.3) Since AICS circuit and suspension structure for signal processing are manufactured on different wafers, it is possible to utilize standardized processes without being influenced by each other, thereby reducing integration costs.
4) 웨이퍼 상에서 진공 패키징을 실현함으로써 별도의 패키지용 자재와 패키징 공정이 필요없어 비용을 크게 절감하는 효과가 있다.4) By realizing vacuum packaging on the wafer, there is no need for a separate packaging material and packaging process, which greatly reduces the cost.
5) 웨이퍼 레벨(Wafer level)에서 소자의 성능 테스트를 할 수 있기 때문에, 테스트의 자동화가 용이하여 대량 생산시, 생산성을 향상시키고 비용이 절감된다.5) Because the performance test of the device can be performed at the wafer level, it is easy to automate the test, thereby improving productivity and reducing costs in mass production.
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| KR100506073B1 (en) * | 1998-10-26 | 2005-09-26 | 삼성전자주식회사 | A vacuum packaged microgyroscope and a fabricating method thereof |
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1998
- 1998-05-09 KR KR1019980016628A patent/KR19980086900A/en not_active Application Discontinuation
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