KR20000050852A - 마이크로 관성 센서의 제작 방법 - Google Patents

마이크로 관성 센서의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리와 접합된 두꺼운 실리콘을 고단면비로 가공하는 마이크로 관성센서의 제작 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서 제작 방법은 유리 기판 위에 실리콘을 본딩해서 본딩된 실리콘을 원하는 두께로 연마한 다음, 연마된 실리콘을 RIE로 식각해서 구조체를 형성하고, 그리고 식각된 실리콘의 홈을 통해서 실리콘 구조체의 바닥 부분의 유리를 선택적으로 식각해서 실리콘 구조물을 바닥과 분리시키는 방법으로, 유리와 접합된 두꺼운 실리콘을 고단면비로 가공하므로서 측정면적과 두께가 커지고, 마스크를 하나만 사용하는 간단한 공정이다.

Description

마이크로 관성 센서의 제작 방법{Method for fabricating a micro inertia sensor}
본 발명은 유리와 접합된 두꺼운 실리콘을 고단면비로 가공하는 마이크로 관성센서의 제작 방법에 관한 것이다.
현재 정전용량형 마이크로 관성센서는 활발하게 연구개발이 진행되고 있다. 가속도 센서는 이미 제품화되어 판매되고 있으며, 자이로스코프는 연구개발이 완료되어 상품화 초기단계에 이르렀다. 따라서 현재의 관성센서에 대한 연구개발 방향은 신뢰성 및 성능을 높이고 가격을 낮추는데 있다. 이를 실현하기 위해서는 측정면적이 크고 및 미세구조물의 강성이 커서 견고해야 하며, 공정이 단순해야 한다.
이러한 추세에 부응하여 현재까지 이용되어 오고 있는 방법들 중의 하나가 도 1에 도시된 바와 같은 유리와 접합된 실리콘을 이용하여 관성센서를 제작하는 방법이다. 이러한 방법은 미국 특허 US 5,492,596호에 제시되어 있으며, 그 제작방법은 다음과 같다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(100)와 유리가 접합되었을 때 공간(102)을 형성하기 위해 실리콘(100)을 약 2μm정도 식각을 한다. 다음에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 실리콘(100) 표면에 보론(Boron)을 강력 도핑(Heavy Dopping)하고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 리액티브 이온 에칭(RIE)법으로 보론이 도핑된 실리콘면(104)을 식각한다. 이 때 식각 깊이는 보론이 도핑된 면 보다 약간 깊게 한다.
다른 한편으로, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 유리 위에 금속으로 전극(212,220)을 형성해 둔다.
다음에, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전극이 형성된 유리와 보론이 도핑된 실리콘을 접합한다. 접합후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘의 보론 도핑되지 않은면(100)을 EDP같은 보론 농도에 따라 식각속도가 틀린 에쳔트(Etchant)로 식각해서 보론이 도핑된 면만 남게한다.
이러한 제작방법은 복잡하고, 보론 강력 도핑의 깊이에 한계가 있어서(약 10μm) 두꺼운 구조체를 만들기 어려우며, 보론 도핑의 농도의 차이에 의한 스트레스등이 발생한다. 또한 좁은 공간을 두고 유리와 실리콘을 접합하므로서 접합시 가해주는 전압에 의해 공간층(102)에서도 실리콘과 유리가 붙는 현상이 발생한다.
상기와 같은 방법과는 달리, 도 4a 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, 단결정 실리콘 만을 사용해서 비교적 간단하게 센서를 제작하는 방법이 있다. 일반적으로 SCREAM(Single Crystal Reactive Etching And Metalization)이라 불리우는 이 방법은 미국특허 US 5,198,390호에 개시되어 있다. 이 방법은 다음과 같다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 단결정 실리콘(12)에 열산화막(14)을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 형성한 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 리액티브 이온 에칭(RIE)법으로 식각한다.
다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 식각된 면(측면(24), 밑면(26))에 실리콘 산화막(32)을 형성한 다음, 도 4d에 도시된 바와 같이, 금속막(34)을 증착하고, 그 위에 다시 포토레지스트(PR)(38)로 패터닝해서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 금속막(34)과 산화막(32)을 부분적으로 제거한다. 이 때, 첫 번째 리액티브 이온 에칭(RIE)법으로 파여져 있는 홈 밑면의 산화막과 금속막은 모두 제거된다.
그 후 일반적인 실리콘 이방성 에챈트를 사용해서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 구조물(54) 밑부분의 실리콘을 식각해서 바닥과 떠있는 구조체를 형성한다.
이 방법은 단결정 웨이퍼만을 사용하는 비교적 간단한 방법이나 역시 마스크가 두 개 소요되며, 좁은 넓이로 깊게 파져있는 홈의 측벽과 밑면에 금속막과 산화막을 형성해야 하며, 이를 다시 패터닝해야 하므로 식각된 홈의 단면비에 제한이 있다. 따라서, 좁은폭으로 깊은 홈을 가진 구조는 만들기가 어렵다. 또한 단결정 웨이퍼를 사용하므로 측정시 기생용량이 많아지며, 리액티브 이온 에칭(RIE)시 식각정지층(Etch Stop Layer)이 없으므로 정확한 두께로 식각하기가 어렵다. 따라서 전체적으로 구조물의 두께가 균일하지 않게 된다. 또한 실리콘 이방성 식각에 의해서 빔 부분의 밑바닥(54)도 식각됨으로 빔 두께가 균일하게 유지되기가 어렵고 윗부분의 구조체 측벽(24)에 산화막이 증착되지 않을 경우 바닥부분의 실리콘을 실리콘 이방성 에쳔트로 장시간 식각할때 윗부분의 실리콘도 식각될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 유리와 접합된 두꺼운 실리콘을 고단면비로 가공하여 측정면적과 두께가 커지도록 하여 신뢰성과 성능을 높일 수 있으며, 기판으로 실리콘 대신 절연체인 유리를 사용하여 일반적으로 실리콘 기판을 통해 유기되는 기생용량을 제거할 수 있으며, 마스크를 하나만 사용하는 간단한 공정으로 제작단가를 낮출 수 있는 마이크로 관성센서의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c, 도 2a 내지 도 2c 및 도 3a와 3b는 각각 종래의 마이크로 관성 센서 제작 방법을 공정 단계별로 보여주는 단면도들이고,
도 4a 내지 도 4f는 종래의 또 다른 마이크로 관성 센서 제작 방법을 공정 단계별로 보여주는 단면도들이며,
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서의 제작 방법을 공정 단계별로 보여주는 단면도들이며,
도 6은 도 5a 내지 도 5f의 마이크로 관성 센서 제작 방법에 의해 제작된 마이크로 자이로스코프의 구체적인 사시도이며,
도 7은 도 6의 마이크로 자이로스코프의 평면도,
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서 제작방법에 의해서 제작된 가속도센서의 단면 사진이며,
도 9는 본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제작 방법에 의해 제작된 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 마이크로자이로스코프의 부분 평면 사진이며,
그리고 도 10은 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서의 제작 방법에 의해 제작된 가속도 센서의 평면 사진이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
12. 단결정 실리콘 14. 열산화막
24. 측면 26. 밑면
32. 실리콘 산화막 34. 금속막
38. 포토레지스트(PR) 54. 구조물
100. 실리콘 웨이퍼 102. 공간
104. 실리콘면 212, 220. 전극
111. 실리콘 112. 유리
113. 홈 114. 바닥 부분
115. 측면 116. 넓은 면적을 가지는 부분
117. 구조체와 유리가 만나는 부분 118. 전극용 금속
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 관성센서의 제작 방법은, (가) 유리 기판 위에 벌크 실리콘을 본딩하는 단계; (나) 상기 본딩된 벌크 실리콘을 원하는 두께로 연마하는 단계; (다) 상기 연마된 벌크 실리콘을 이방성 식각법으로 식각해서 관성 센서 구조체를 형성하는 단계; (라) 상기 실리콘 관성센서 구조체의 바닥 부분의 유리를 에칭하여 진공 공간을 형성하는 단계; 및 (마) 상기 식각된 칩들의 전면에 전극용 금속을 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서, 상기 유리기판으로는 파이렉스 유리를 사용하고, 상기 벌크 실리콘은 n+형 또는 p+형으로 도핑된 벌크 실리콘을 사용하며, 상기 유리기판과 벌크 실리콘은 양극 접합법을 이용해서 본딩하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계는 상기 벌크 실리콘 상에 형성된 포토레지스트 패턴을 이용하여 리액티브 이온 에칭법으로 행하여지고, 이 리액티브 이온 에칭법은 상기 유리기판과 벌크 실리콘에 대한 에칭 선택성이 1:100 ~ 1:300 정도로 큰 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 (라) 단계는 HF용액에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 마이크로관성센서의 제작 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 마이크로 관성센서의 제작 방법이 도 5a 내지 도 5f에 공정 단계 별로 제시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서의 제작 방법에서는 유리기판 위에 실리콘을 본딩하는 본딩 공정, 본딩된 실리콘을 원하는 두께로 연마하는 연마 공정, 연마된 실리콘을 RIE로 식각해서 구조체를 형성하는 구조체 형성 공정, 식각된 실리콘의 홈을 통해서 실리콘 구조체의 바닥 부분의 유리를 선택적으로 식각해서 실리콘 구조물을 바닥과 분리시키는 분리 공정 및 전극용 금속 증착 공정으로 이루어진다. 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 유리기판(112) 위에 벌크 실리콘(111)을 본딩한다.즉, 저항이 작은 도핑된(n+또는 p+) 실리콘 기판(111)을 파이렉스(Pyrex, Corning #7740) 유리(112)와 양극 접합(Anodic Bonding)을 이용해서 접합시킨다.
다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 본딩된 실리콘(111)을 원하는 두께로 연마한다. 이 때, 접합된 실리콘면을 기계적인 연마법이나 혹은 화학적 연마법으로 연마하여 약 40μm의 두께로 만든다.
다음에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 연마된 실리콘(111)을 이방성 식각법 특히 리액티브 이온 에칭(RIE)법으로 식각해서 관성센서 구조체를 형성한다. 이 공정은 연마된 실리콘(111) 위에 포토레지스트(PR)로 패턴을 형성하여 실시한다. 일반적으로 리액티브 이온 에칭(RIE) 공정은 유리(112)와 실리콘(111)에 대한 선택성이 보통 1:100 ~ 1:300 정도로 크므로 유리면은 거의 식각되지 않는다. 그리고 구조물의 건식식각 장비로는 최근에 개발된 ICP RIE을 이용하면 홈(113)의 폭이 2μm, 깊이가 40~60μm인 고단면비의 식각을 할 수 있다.
다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 개별으로의 다이싱(Dicing)을 하고, 실리콘 관성센서 구조체의 바닥 부분의 유리를 에칭하여 관성센서 구조체의 진동 공간을 형성한다. 즉, 식각된 웨이퍼는 다이싱 머신(Dicing Machine)을 이용해서 개별 칩(Chip)으로 절단된다. 절단된 개별 칩들을 HF용액에 담가서 HF용액이 측면(115)과 홈(113)을 통해서 실리콘 관성센서 구조체 바닥 부분(114)의 유리(112)와 칩 측면의 유리(115)을 식각하게 된다. 이를 통해서 좁은 홈(113)으로 형성된 중앙의 움직이는 구조체는 유리 바닥과 분리되며, 양 옆의 넓은 면적을 가지는 부분(116)은 유리와 여전히 접촉해서 중앙 실리콘 구조체를 지탱해주는 역할을 하게 된다.
다음에, 이렇게 식각된 칩들의 전면에 스퍼터(Sputter)를 사용해서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 전극용 금속(118)을 증착한다. 칩 전면에 금속을 증착하더라도 실리콘 구조체와 유리(112)가 만나는 부분(117)이 실리콘 관성센서 구조체 안쪽으로 들어가 있어 이부분에 금속막이 증착되지 않으므로 전기적으로 서로 절연되게 된다.
다음에, 도 5f에 도시된 바와 같이, 개별 칩들은 외부 팩키지(Package)와 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 연결되어 마이크로 관성 센서가 완성된다.
이러한 마이크로 관성 센서 제작 공정은 실질적인 센서 제작 공정이라 할 수 없는 패키징 및 와이어 본딩 공정을 제외하면, 한장의 마스크와 5단계의 단위공정만으로 이루어져 있어 매우 간단하다. 또한, 바닥면이 유리로 형성되어 있으므로 실리콘 구조체를 RIE 공정으로 형성할 때 확실한 식각 정지층의 역할을 하므로 전체 구조물의 두께를 균일하게 유지할 수 있다. 그리고 실리콘 구조물이 절연체인 유리 위에 형성되어 있으므로 구조체의 각 기능부가 전기적으로 절연되어 있어 절연막을 구조체의 윗면과 측면에 올릴 필요가 없고, 기판을 통한 기생용량의 유기가 없다. 또한 선택적인 유리 에챈트인 HF는 일반적으로 실리콘과 반응하지 않으므로 장시간 유리를 식각하는 동안 실리콘이 식각될 염려가 없다.
도 6 및 도 7은 상기와 같은 마이크로 관성 센서 제작 방법에 의해 제작된 마이크로 자이로스코프의 구체적인 사시도 및 평면도이다. 그 동작원리는 다음과 같다.
지지빔((12)에 의해 지지되어 있는 관성질량(8)을 전극(7)을 통해 접지하고 관성질량(8)과 빗살모양(Comb)구조(14)를 이루고 있는 고정전극(15)에 교류와 직류전압을 더해서 인가해주면 정전력에 의해서 관성질량(8)은 x방향으로 교류전압의 주파수로 진동한다. x방향의 가진진동의 변위를 최대로 하기 위해서 교류전압의 주파수는 구조물의 x방향 고유진동모드의 공진주파수와 일치시켜 공진시킨다. 이러한 가진변위는 또 다른 빗살모양 구조(16)의 캐패시턴스 변화를 통해 모니터링된다.
가진진동을 하고 있는 관성질량(8)에 외부에서 z방향의 각속도가 인가되면 관성질량(8)은 다음 수학식과 같이 y방향으로 코리올리스 힘(FC)을 받게 된다.
FC= 2mΩ·Vx
여기서, m은 관성질량(8)의 질량이고, Ω는 외부 인가 각속도, Vx는 가진방향(x방향)의 진동속도이다. 코리올스 힘은 가진운동과 같은 주파수를 가지는 정현파로 표현된다. 코리올스 힘은 관성질량(8)을 감지방향(y방향)으로 진동시킨다. 이때의 진동 주파수는 코리올리스 힘의 진동 주파수이다. 따라서 y방향으로 진동변위가 최대로 되는 것은 y방향의 고유 진동모드의 공진주파수와 코리올스 힘 즉 x방향의 진동모드 공진주파수와 같을 때이다. 이러한 이유로 자이로에서는 가진운동의 공진주파수와 감지운동의 공진주파수가 일치해야 한다.
감지방향(y방향)의 진동은 관성질량(8)과 고정전극(3,4)으로 이루어져 있는 빗살모양의 구조체(20)의 간격을 변화시킨다. 이 변화로 발생하는 두 전극 사이의 캐패시턴스의 변화를 측정하여 코리올리스 힘을 감지하고 여기서 각속도를 검출한다. 이 때 캐패시턴스는 전극(3)과 전극(4)에서 얻어지는 캐패시턴스 변화의 차분을 통해 구해진다. 또한 전극(21)을 통해 자이로스코프를 Force Balencing할 수 있다.
이러한 구동원리를 가지는 본 발명의 주안점은 관성질량(8)의 지지빔(10)의 형태를 가진 방향과 감지방향에 대칭(x축에 대해서 45°)적으로 만듦으로서 빔에서 발생하는 제작오차에 의한 유효강성의 변화가 가진과 감지쪽에 똑같이 작용해서 그 변화는 같게 된다. 따라서 두 방향의 주파수는 유효 질량의 차만큼 향상 일정하게 된다. 이러한 마이크로자이로스코프는 본 발명에 따른 관성센서 제작 방법에 의해 제작될 수 있는 소자의 일례에 불과하다. 본 발명에 따른 제작 방법을 적용하여 제작된 소자의 실시예를 소개하면 다음과 같은 것들이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서 제작방법에 의해서 제작된 가속도센서의 단면 사진이다. 유리가 부분적으로 식각되서 중앙의 움직이지 않는 실리콘(11)은 유리면(12)과 접합되어 있고 움직이는 실리콘 구조체(13)는 유리면과 일정한 간격으로 떠 있음을 볼 수 있다.
도 9은 본 발명에 따른 마이크로 관성센서 제작 방법에 의해 제작된 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 마이크로자이로스코프의 부분 평면 사진이다.
그리고, 도 10은 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서의 제작 방법에 의해 제작된 가속도 센서의 평면 사진이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 관성 센서 제작 방법은 유리 기판 위에 실리콘을 본딩해서 본딩된 실리콘을 원하는 두께로 연마한 다음, 연마된 실리콘을 RIE로 식각해서 구조체를 형성하고, 그리고 식각된 실리콘의 홈을 통해서 실리콘 구조체의 바닥 부분의 유리를 선택적으로 식각해서 실리콘 구조물을 바닥과 분리시키는 방법으로, 유리와 접합된 두꺼운 실리콘을 고단면비로 가공하므로서 측정면적과 두께가 커져 신뢰성과 성능을 높일 수 있으며, 마스크를 하나만 사용하는 간단한 공정으로 관성센서의 제작단가를 낮출 수 있다. 또한, 유리로 형성된 바닥면이 RIE시 확실한 식각 정지층의 역할을 하므로 전체 구조물의 두께를 균일하게 유지할 수 있다. 그리고, 실리콘 구조물의 두께가 두껍고 안정적인 단결정 실리콘이 사용되므로 센서의 신뢰성을 높일 수 있고, 실리콘 구조물이 절연체인 유리위에 형성되어 있으므로 구조체의 각 기능부가 전기적으로 절연되어 있어 절연막을 구조체의 윗면과 측면에 형성할 필요가 없으며, 기판을 통한 기생 용량의 유기가 없다. 또한 선택적인 유리 에쳔트인 HF는 일반적으로 실리콘과 반응하지 않으므로 장시간 유리를 식각하는 동안 실리콘이 식각될 염려가 없다.

Claims (11)

  1. (가) 유리 기판 위에 벌크 실리콘을 본딩하는 단계;
    (나) 상기 본딩된 벌크 실리콘을 원하는 두께로 연마하는 단계;
    (다) 상기 연마된 벌크 실리콘을 이방성 식각법으로 식각해서 관성 센서 구조체를 형성하는 단계;
    (라) 상기 실리콘 관성센서 구조체의 바닥 부분의 유리를 에칭하여 진공 공간을 형성하는 단계; 및
    (마) 상기 식각된 칩들의 전면에 전극용 금속을 증착하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서, 상기 유리기판으로는 파이렉스 유리를 사용하고, 상기 벌크 실리콘은 n+형 또는 p+형으로 도핑된 벌크 실리콘을 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서, 상기 유리기판과 벌크 실리콘은 양극 접합법을 이용해서 본딩하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서는 상기 접합된 실리콘면을 기계적인 연마법이나 혹은 화학적 연마법으로 연마하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서 상기 이방성 식각법은 리액티브 이온 에칭법인 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서 상기 리액티브 이온 에칭법은 상기 연마된 벌크 실리콘 위에 포토레지스트 패턴을 형성하여 실시하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서 상기 리액티브 이온 에칭법은 상기 유리기판과 벌크 실리콘에 대한 에칭 선택성이 1:100 ~ 1:300 정도로 큰 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (라) 단계에 앞서, 상기 관성센서 구조체가 형성된 유리 기판을 개별으로의 다이싱하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (라) 단계는 상기 절단된 개별 칩들을 HF용액에 담가서 상기 관성센서 구조체의 홈을 통해서 주입된 HF용액이 상기 관성센서 구조체 하부의 유리를 식각하도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (마) 단계는 스퍼터링법으로 행하여지는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (마) 단계 다음에 상기 개별 칩들을 팩키징한 다음 와이어 본딩을 행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 관성센서의 제작 방법.
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