KR100324465B1 - 2-축 가속도 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측면 전계 방출을 이용한 2-축 가속도 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 기존의 전계 방출을 이용한 가속도 센서는 수직형 전계 방출을 이용하기 때문에 1-축에 대한 가속도 밖에 측정 할 수 없었다. 그렇지만 본 발명에서는 측면 전계 방출을 이용하기 때문에 2-축에 대한 가속도를 동시에 측정할 수 있다. 화학 기계적 연마방식을 이용하여 탐침 간격이 매우 좁은 탐침 전극을 제조하기 때문에 낮은 전압에서 동작을 하게 되고 또한 기존의 높은 전압에 의한 정전기력을 이용하여 탐침을 가까이 가져오는 단계가 필요하지 않게 된다. 전계 방출을 이용하면 다른 방식의 가속의 감지 방법에 비해서 높은 감지도와 민감도를 가진다.

Description

2-축 가속도 센서 및 그 제조방법 {2-axis accelerometer and fabricating method thereof}

본 발명은 가속도 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 측면 전계 방출을 이용한 2-축 가속도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현재 많은 연구가 진행 중인 미소기전집적시스템(MicroElectroMechanicalSystem: MEMS) 형태의 마이크로머시닝(Micromachining) 기술을 이용하는 센서에는 압력 센서, 가속도계, 자이로스코프, 그리고 유량계 등 많은 것들이 있다. 이 중에서 가속도 센서는 압력 센서와 더불어 최근 들어 가장 큰 관심이 집중되고 있는 센서로서 에어백, 엔진제어 시스템 등 거의 대부분의 주요 전장 기능 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 이러한 마이크로머시닝 기술을 이용한 가속도 센서는 질량체, 기계적인 스프링, 그리고 감지부로 구성된다. 가속도가 발생하면 기계적인 스프링에 연결되어 있는 질량체가 힘을 받아서 변위가 발생한다. 이렇게 발생한 변위를 감지하는 방식이 커패시턴스(Capacitance) 변화를 이용하는 커패시터(Capacitive)방식, 저항값의 변화를 감지하는 압저항(Piezoresistor) 방식, 공진 주파수의 변화를 감지하는 공진(Resonant) 방식 등이 있다. 현재, 상용화되어 많이 사용되는 것은 아날로그 디바이스(Analog Device; 회사명)에서 나오는 커패시터 방식이다. 또, 다른 방식으로 터널링(Tunneling) 전류의 변화를 이용하는 방식이 있다. 터널링 효과는 위의 방식들에 비해 변위에 대한 감지도(Sensitivity)와 해상도(Resolution)면에서 가장 뛰어나다. 게다가 터널링 효과는 온도에 덜 민감하기 때문에 기존의 다른 센서들이 동작하기 어려운 환경에서도 동작 가능한 장점을 가진다. 그렇지만 터널링 전류가 흐르기 위해서는 5×10⁷V/㎝ 이상의 전계가 필요하다. 따라서 구동 전압을 낮추기 위해서는 질량체로부터 수 백 나노미터(nanometer) 가량 이격된 전극들을 만들어야 하는데, 이러한 전극을 만들기는 매우 힘든 기술이다. 그래서 기존의 터널링을 이용하는 가속도 센서는 수직방향으로 전계 방출이 발생하는 탐침을 기판에 만든다. 그리고 탐침 위에 전계 방출을 위한 전극을 가지는 캔틸레버(cantilever)를 탐침으로부터 수 마이크로미터(micrometer)의 간격을 가지게 만든다. 이 때, 캔틸레버에는 전계 방출을 위한 전극 뿐만 아니라 전압을 인가할 수 있는 전극도 가지게 만든다. 그래서 전압을 인가하여 발생하는 정전기력(Electrostatic force)에 의해서 기판으로부터 수 마이크로미터의 간격을 가지는 캔틸레버가 수십 나노미터(nanometer)의 간격을 가지도록 당긴다. 이와 같은 상태에서, 가속도에 의해 질량체를 가지는 캔틸레버에 변위가 생기면 전계 방출을 위한 전극 간의 거리가 바뀌어서 터널링 전류의 변화가 일어난다. 이러한 전류의 변화를 가지고 가속도를 측정하게 된다.

그런데, 기존의 보고된 전계 방출을 이용하는 가속도 센서의 경우 수직 방향의 전계 방출을 이용하기 때문에 1-축에 대한 가속도 밖에 측정 할 수 없다. 또한, 전압을 인가하여 발생하는 정전기력으로 전계 방출을 위한 탐침 간격을 줄이기 되므로 별도의 전극이 필요하다는 불편함이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2-축에 대한 가속도를 동시에 측정할 수 있는 2-축 가속도 센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 전계 방출을 위한 탐침 간격을 줄이기 위한 별도의 전극 없이 터널링이 일어 날 수 있는 충분히 가까운 거리를 가지는 전극을 가지는 2-축 가속도 센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2-축 가속도 센서의 개략적인 구성도;

도 2는 제1 마스크의 레이아웃;

도 3a 내지 3d는 도 2의 제1 마스크를 이용한 제조단계를 나타낸 공정단면도;

도 4는 제2 마스크의 레이아웃; 및

도 5는 및 도 6은 제2 마스크를 적용한 이후의 제조단계를 나타낸 공정단면도이다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 2-축 가속도 센서는: 탄성에 의한 변위가 가능한 적어도 하나 이상의 탄성부재와; 상기 탄성부재에 연결된 질량체와; 상기 질량체의 측면에 자신의 전계방출 탐침을 근접 위치시킨 적어도 하나 이상의 측면 전계방출 소자와; 상기 질량체와 측면 전계방출 소자 사이에 전압을 인가하는 수단과; 가속도에 의한 상기 질량체의 변위에 따른 상기 질량체와 상기 전계방출 탐침간의 간격(이하, '탐침간격'이라 한다) 변화에 기인하는 터널링 전류의 변화량을 측정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 2-축 가속도 센서는: 기판과; 상기 기판 상에 형성된 적어도 하나 이상의 지지대층과; 상기 지지대층의 각각에 연결되어 현수된 스프링체와; 상기 스프링체의 전부에 연결되어 현수된 질량체와; 상기 질량체의 측면에 자신의 전계방출 탐침을 근접 위치시키도록 상기 기판 상에 형성된 적어도 하나 이상의 측면 전계방출 소자들과; 상기 질량체와 측면 전계방출 소자 사이에 전압을 인가하는 수단과; 가속도에 의한 상기 질량체의 변위에 따른 상기 질량체와 상기 전계방출 탐침간의 간격 변화에 기인하는 터널링 전류의 변화량을 측정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 질량체, 스프링체 및 전계방출 탐침은 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 전계방출 탐침이 다결정 실리콘일 경우, 그 단부에 금속막을 더 증착하여도 좋다.

상기 전계방출 탐침이 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘인 경우, 그 단부를 금속 실리사이드(metal silicide)로 형성하여도 좋다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 2-축 가속도 센서 제조방법은: 실리콘 기판 상에 제1 PSG층을 형성하는 단계와; 상기 제1 PSG층이 형성된 결과물 상에 상기 제1 PSG층에 대해 식각 선택비가 높은 제1 물질층을 형성하는 단계와; 질량체 및 그에 연결되는 스프링체, 지지대가 형성될 부분만을 남기는 제1 마스크를 이용하여 상기 제1 물질층을 부분적으로 식각 제거하는 단계와; 상기 제1 물질층이 부분적으로 식각 제거된 결과물 상에, 상기 제1 물질층에 대해 선택적인 화학 기계적 연마성질을 가짐으로써 탐침 간극의 형성을 위해 제거될 수 있는 제2 물질층을 형성하는 단계와; 상기 제2 물질층 상에 상기 제1 물질층과 동일한 재질의 제3 물질층을 형성하는 단계와; 상기 제1 물질층의 상단높이까지 상기 제3 물질층을 제거하는 화학기계적 연마를 행하여, 상기 제1 및 제3 물질층을 노출시키는 단계와; 상기 제1 및 제3 물질층의 도전성을 갖도록 도핑하는 단계와; 질량체 및 그에 연결되는 스프링체, 상기 질량체의 측면에 근접 위치하는 전계방출 탐침 및 이에 연결되는 전계방출소자를 형성하기 위한 제2 마스크를 사용하여 상기 제1 및 제3 물질층을 이방성 식각하는 단계와; 상기 질량체 및 스프링체 하부의 제1 PSG층 및 상기 제 2 물질층을 등방성 화학식각에 의해 제거하여 상기 질량체 및 스프링체를 공중에 현수시키는 단계와; 상기 전계방출소자 및 질량체에 전압을 인가하기 위한 금속배선을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제1 및 제3 물질층은 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘막이며,상기 제2 물질층은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 및 제3 물질층의 도전성을 갖도록 도핑하는 단계는: 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘막으로 이루어진 상기 제1 및 제3 물질층 상에 제2 PSG층을 형성하는 단계와; 상기 제2 PSG층이 형성된 결과물을 열처리하여 상기 제1 및 제3 물질층 내에 인을 도핑하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2-축 가속도 센서의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 가속도에 의해 힘을 받는 질량체(130)가 표면 마이크로머시닝(Surface micromachining) 기술을 이용하여 실리콘 기판(110) 위에 형성되어 있다. 질량체(130)는 기판(110)에 붙어 있는 지지대(anchor; 180)에 연결된 기계적인 스프링(120)을 통해 연결되어 있다. 질량체(130)와 스프링(120)의 하부는 빈 공간으로서 이들은 지지대(180)에 의해 현수(suspension)되어 있다. 그리고 측면 전계 방출소자(142)의 탐침(140)이 질량체(130)의 네 측변에 미소 간격(170)을 두고 이격되어 있다. 지지대(180)들 중의 하나와 모든 측면 전계 방출소자(142)의 상면에는 전압인가를 위한 금속배선용 패드들(160a, 160b)이 형성되어 있다.

전계 방출은 탐침(140)과 질량체(130) 간에 전압을 인가하여 발생하게 한다. 이러한 상태에서, 가속도의 힘을 받으면 스프링(120)에 연결된 질량체(130)에는 가속도에 해당하는 만큼 변위가 발생한다. 이 때 발생한 변위에 의해 터널링 전류가흐르는 탐침(140)과 질량체(130) 사이의 간격(170)이 바뀌게 된다. 그런데, 전계 방출이 발생하는 탐침(140)과 질량체(130) 사이의 간격(170)이 바뀌면 전계의 세기가 바뀌어서 터널링 전류도 바뀌게 된다. 이 때 발생하는 터널링 전류의 변화량으로 가속도를 감지하게 된다. 이 때, 하나의 축에 대해 2 곳에 탐침이 있기 때문에 하나의 탐침 간격이 가까워지고 다른 하나의 탐침 간격은 멀어진다. 그래서, 한쪽의 탐침에 흐르는 터널링 전류가 커지면 다른 쪽 탐침에 흐르는 전류는 감소한다. 그래서 두 터널링 전류의 차이(differential)를 이용해서 전류를 감지 할 수도 있다.

이 때 터널링 전류의 거리(d)에 따른 전류 밀도(J)는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, φ는 장벽 높이(barrier height), d는 탐침간격, V는 인가전압, q는 전자의 전하량, m은 전자 질량, h는 플랑크 상수를 각각 나타낸다.

이어서, 본 발명의 실시예에 따른 2-축 가속도 센서의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 제1 마스크의 레이아웃이다. 도 2를 참조하면, 질량체, 스프링(120) 및 지지대가 형성될 부분의 제1 다결정 실리콘막(220)은 제1 마스크에 의해 식각되지 않고 잔류함을 알 수 있다.

도 3a 내지 3d는 도 2의 제1 마스크를 이용한 제조단계를 나타낸 공정단면도이다. 도시된 부분은 2-축 가속도 센서의 2개의 전계방출 탐침과 그 사이에 위치한 질량체의 단면이다.

도 3a에 도시된 공정단계에서는, 실리콘 기판(110)에 제1 PSG층(Phospho- Silicate-Glass layer; 210)과, 질량체, 스프링, 지지대 등의 구조체를 위한 제1 다결정 실리콘막(220)을 순차 형성한다. 제1 PSG층(210)은 후속 공정에서 식각 제거되어 질량체와 스프링을 현수시키기 위한 희생층(Sacrificial layer) 역할을 하는 동시에 다결정 실리콘막에 도펀트(dopant)인 인(Phosphorus)을 아래로부터 확산시키는 역할을 하게 된다. 도펀트 확산에 고체 소스를 사용하지 않는 이유는 구조체의 기계적인 스트레스를 균일하게 하기 위함이다.

도 3b에 도시된 공정단계에서는, 도 2의 마스크를 이용하여 제1 다결정 실리콘막(220)을 수직 식각하여 제1 다결정 실리콘막 패턴(220a)을 형성한다. 이 때, 식각방법으로서 이방성 식각인 건식 식각(dry etching)을 이용한다. 이어서, 전계방출을 위한 탐침간격을 형성하기 위한 실리콘 산화막(211)을 제1 다결정 실리콘막 패턴(220a)이 형성된 결과물 상에 형성한다.

도 3c에 도시된 공정단계에서는, 전계방출 소자 및 전계방출 탐침을 위한 제2 다결정 실리콘막(221)을 형성한다. 도 3c를 참조하면, 제1 다결정 실리콘막 패턴(220a)의 상부와 그 이외의 부분은 단차가 발생함을 알 수 있다.

도 3d에 도시된 공정단계에서는, 제2 다결정 실리콘막(221)을 실리콘 산화막(211)의 상단높이까지 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing;CMP)방법에 의해 제거하여 제2 다결정 실리콘막 패턴(221a)을 형성한다. 이 CMP방법에 사용되는 슬러리(slurry)로서 실리콘과는 화학적 반응을 일으키지만 실리콘 산화막과는 화학적 반응을 일으키지 않는 것을 사용한다. 따라서, 화학적 반응을 일으킨 실리콘만을 기계적으로 제거하고, 실리콘 산화막은 제거하지 않는다. CMP공정 중에, 제2 다결정 실리콘막(221)은 실리콘 산화막(211)의 상단높이까지만 제거되어야 한다. 이를 위해, 불균일한 연마에 의해 표면이 패이는 현상, 즉 디싱효과(dishing effect)를 방지하는 적절한 CMP 공정조건을 선택해야 한다. 이어서, 제1 및 제2 다결정 실리콘막 패턴(220a, 220b)에 인을 도핑하기 위해 제2 PSG층(212)을 형성하고, 열처리한다.

도 4는 제2 마스크의 레이아웃이다. 도 4를 참조하면, 제2 마스크에 의해 질량체(130)와, 질량체 하부의 제1 PSG층을 용이하게 제거하기 위한 식각구멍(150), 질량체를 공중에 현수시키기 위한 기계적인 스프링(120), 전계방출 탐침(140)이 형성될 수 있음을 알 수 있다. 도 4에서의 참조부호는 제2 마스크에 의해 식각으로부터 보호되는 부분을 나타낸다.

도 5에 도시된 공정단계에서는, 도 4의 제2 마스크를 이용하여 제1 및 제2 다결정 실리콘막 패턴(220a, 220b)을 수직식각한다. 그리고, 등방성 화학식각을 이용하여 질량체와 스프링의 하부에 있는 제1 PSG층을 제거하여 이들을 공중에 현수하게 한다. 도면에 나타내지는 않았지만, 전자를 방출하는 탐침의 안정된 전자 방출을 위해 금속, 예컨대 Ti, Cr, Mo 등을 증착하고 패터닝(patterning)을 한 후 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing; RTA) 등의 방법으로 실리사이드(silicide)를형성하여 안정화된 전계 방출을 꾀할 수도 있다. 또는 금속을 얇게 증착하여 금속에서 전계 방출이 일어나도록 할 수도 있다.

도 6은 탐침과 질량체 간에 전압을 인가하기 위한 금속배선(160)을 형성하는 단계를 나타낸 도면이다.

기존에는 수직 전계 방출의 1-축에 대한 측정 밖에 할 수 없는 것에 반하여, 상술한 바와 같은 본 발명의 2-축 가속도 센서 및 그 제조방법에 따르면, 측면 전계 방출을 이용하기 때문에 동시에 2-축에 대한 가속도를 감지를 할 수 있다. 게다가 화학적-기계적-연마 방식을 이용하여 좁은 탐침간격을 가지는 탐침을 제조하기 때문에 낮은 전압에서 동작을 하게 된고 또한 기존의 높은 전압을 이용한 정전기력을 이용하여 탐침을 가까이 가져오는 단계가 필요하지 않게 된다. 결론적으로 본 발명은 저전압 동작이면서 2-축에 대한 가속도를 매우 정확하게 감지할 수 있다. 또한, 터널링 전류의 요동 (fluctuation)을 줄이기 위해 전계 방출용 탐침의 개수를 여러 개를 하여 그 효과가 평균화되어 요동의 영향을 줄일 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (10)

1. 탄성에 의한 변위가 가능한 적어도 하나 이상의 탄성부재와;

   상기 탄성부재에 연결된 질량체와;

   상기 질량체의 측면에 자신의 전계방출 탐침을 근접 위치시킨 적어도 하나 이상의 측면 전계방출 소자와;

   상기 질량체와 측면 전계방출 소자 사이에 전압을 인가하는 수단과;

   가속도에 의한 상기 질량체의 변위에 따른 상기 질량체와 상기 전계방출 탐침간의 간격 변화에 기인하는 터널링 전류의 변화량을 측정하는 수단을 구비하는 2-축 가속도 센서.
2. 기판과;

   상기 기판 상에 형성된 적어도 하나 이상의 지지대층과;

   상기 지지대층의 각각에 연결되어 현수된 스프링체와;

   상기 스프링체의 전부에 연결되어 현수된 질량체와;

   상기 질량체의 측면에 자신의 전계방출 탐침을 근접 위치시키도록 상기 기판 상에 형성된 적어도 하나 이상의 측면 전계방출 소자들과;

   상기 질량체와 측면 전계방출 소자 사이에 전압을 인가하는 수단과;

   가속도에 의한 상기 질량체의 변위에 따른 상기 질량체와 상기 전계방출 탐침간의 간격 변화에 기인하는 터널링 전류의 변화량을 측정하는 수단을 구비하는2-축 가속도 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 질량체, 스프링체 및 전계방출 탐침이 비정질 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서.
4. 제2항에 있어서, 상기 질량체, 스프링체 및 전계방출 탐침이 다결정 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 다결정 실리콘 전계방출 탐침의 단부에 증착된 금속막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 실리콘 전계방출 탐침의 단부가 금속 실리사이드로 형성된 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서.
7. 실리콘 기판 상에 제1 PSG층을 형성하는 단계와;

   상기 제1 PSG층이 형성된 결과물 상에 상기 제1 PSG층에 대해 식각 선택비가 높은 제1 물질층을 형성하는 단계와;

   질량체 및 그에 연결되는 스프링체, 지지대가 형성될 부분만을 남기는 제1 마스크를 이용하여 상기 제1 물질층을 부분적으로 식각 제거하는 단계와;

   상기 제1 물질층이 부분적으로 식각 제거된 결과물 상에, 상기 제1 물질층에대해 선택적인 화학 기계적 연마성질을 가짐으로써 탐침 간극의 형성을 위해 제거될 수 있는 제2 물질층을 형성하는 단계와;

   상기 제2 물질층 상에 상기 제1 물질층과 동일한 재질의 제3 물질층을 형성하는 단계와;

   상기 제1 물질층의 상단높이까지 상기 제3 물질층을 제거하는 화학기계적 연마를 행하여, 상기 제1 및 제3 물질층을 노출시키는 단계와;

   상기 제1 및 제3 물질층의 도전성을 갖도록 도핑하는 단계와;

   질량체 및 그에 연결되는 스프링체, 상기 질량체의 측면에 근접 위치하는 전계방출 탐침 및 이에 연결되는 전계방출소자를 형성하기 위한 제2 마스크를 사용하여 상기 제1 및 제3 물질층을 이방성 식각하는 단계와;

   상기 질량체 및 스프링체 하부의 제1 PSG층 및 상기 제 2 물질층을 등방성 화학식각에 의해 제거하여 상기 질량체 및 스프링체를 공중에 현수시키는 단계와;

   상기 전계방출소자 및 질량체에 전압을 인가하기 위한 금속배선을 형성하는 단계를 구비하는 2-축 가속도 센서 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제3 물질층이 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘막이며, 상기 제2 물질층이 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제3 물질층의 도전성을 갖도록 도핑하는 단계는:

   다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘막으로 이루어진 상기 제1 및 제3 물질층 상에 제2 PSG층을 형성하는 단계와;

   상기 제2 PSG층이 형성된 결과물을 열처리하여 상기 제1 및 제3 물질층 내에 인을 도핑하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서 제조방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 제2 마스크의 질량체 해당 부위에 다수의 개구를 마련하여 상기 질량체가 다수의 식각구멍을 가지게 함으로써 상기 질량체 하부의 제1 PSG층 제거를 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 2-축 가속도 센서 제조방법.