KR100501723B1 - Ｓｍｓ 웨이퍼를 이용한 자이로스코프 제조방법 및 이방법에 의해 제조된 자이로스코프 - Google Patents

Ｓｍｓ 웨이퍼를 이용한 자이로스코프 제조방법 및 이방법에 의해 제조된 자이로스코프 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명에 의한 자이로스코프 제조방법은, 제1웨이퍼, 금속막, 제2웨이퍼의 순서로 적층된 SMS 웨이퍼를 제조하는 단계; 제1웨이퍼의 해당부분에 포토리소그라피 공정을 통하여 캔티레버 또는 브릿지 형태의 구조체를 형성하는 단계; 구조체를 진공으로 밀봉하기 위한 소정 공간을 가지는 유리재질의 제1캡을 제1웨이퍼의 표면에 부착하는 단계; 제1웨이퍼로부터 금속막 및 제2웨이퍼를 분리하여 제거하는 단계; 및 제1캡과 구조적 및 재질적 대칭인 제2캡을 제1웨이퍼의 이면에 부착하는 단계;를 포함한다. SMS 웨이퍼는 제2웨이퍼에 금속막을 증착하여 형성하고, 이 금속막에 금속페이스트 또는 폴리머(Poiymer)계열의 물질을 이용하여 제1웨이퍼를 본딩하는 과정으로 제조된다. 이에 의하면, 비교적 저가인 일반적인 실리콘 웨이퍼를 이용하므로 재료비를 절감시킬 수 있으며, 구조체의 노치, 언더컷 및 점착 현상이 발생되지 않으므로 성능 및 특성 향상을 도모할 수 있다.

Description

ＳＭＳ 웨이퍼를 이용한 자이로스코프 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 자이로스코프{METHOD FOR FABRICATING GYROSCOPE USING Si-METAL-Si WAFER AND GYROSCOPE FABRICATED BY THE METHOD}
본 발명은 자이로스코프 제조방법에 관한 것으로, 특히 SMS(Si-METAL-Si) 웨이퍼를 이용한 자이로스코프 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 자이로스코프에 관한 것이다.
자이로스코프는 움직이는 물체의 각속도를 측정하는 센서로서, 선박, 항공기 및 미사일 등의 이동체의 자세와 위치를 측정하는 관성항법장치에서 매우 중요한 위치를 차지하는 센서이다.
최근, 자이로스코프에 대한 소형화, 고감도화 및 저가격화를 이룰 수 있는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 마이크로 자이로스코프가 개발됨으로써 자동차, 가전제품, 정보통신 등에 폭넓게 이용되고 있다.
상기한 마이크로 자이로스코프는 x,y의 2자유도 운동이 가능한 구조체를 좌우방향의 정전력(electrostatic force)으로 구동한 상태에서 수직 방향(z방향)을 축으로 한 회전이 가해지면 위아래 방향(y방향)의 코리올리 힘(Coriolis force)이 구조체에 작용함으로써 구조체를 위아래 방향으로 진동시키며, 센서회로는 정전용량으로 변화된 진동의 크기를 검출한다. 여기서, 낮은 전압으로 구조체를 구동시키고 감도를 좋게 하기 위해서 구조체가 진동하는 환경을 진공(vacuum)으로 만들어 주고 있다.
한편, 상기한 마이크로 자이로스코프의 주요 구성 요소인 구조체는 한쪽 부분이 기판으로부터 띄어져 있는 캔티레버와 양단을 제외한 가운데 부분을 기판으로부터 띄워서 공간을 형성한 브릿지 등으로 구성될 수 있으며, 구조체의 형성은 희생층(sacrificial layer) 식각 방법이 사용되고 있다. 희생층으로는 실리콘과의 식각 선택비가 큰 산화막이 사용된다.
첨부된 도 1a 내지 1d는 일반적인 마이크로 자이로스코프의 구조 및 제조방법을 설명하기 위하여 나타낸 단면도로서, 도면에서 참조부호 10은 반도체 웨이퍼, 20은 구조체, 그리고, 30은 캡이다.
반도체 웨이퍼(10)으로는 도 1a에 도시한 바와 같은 SOI(Si On Insulator) 웨이퍼, 즉 제1 및 제2웨이퍼(11)(12) 사이에 소정 두께의 산화막(13)이 개재된 구조의 SOI 웨이퍼가 사용되는데, 이는 상당히 고가이다.
마이크로 자이로스코프 제조의 1단계는 상기와 같은 구조의 반도체 웨이퍼(10)를 준비 또는 제조하는 것이며, 2단계는 상기 반도체 웨이퍼(10)의 해당부분에 구조체(20)를 형성하는 것이다.
상기 구조체(20)는 반도체 웨이퍼(10)의 제1웨이퍼(11)의 해당부분을 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝하고 건식 식각하여 형성하는 바, 이와 같은 공정에 의해 형성된 구조체(20)의 한 예가 도 1b에 도시되어 있다.
구조체(20)를 형성한 다음에는 이 구조체(20)를 반도체 웨이퍼(10)로부터 부양시키기 위하여 산화막(13)의 해당하는 부분을 습식 에칭하는 공정을 진행하며, 이에 의해 도 1c에 나타낸 바와 같은 반도체 웨이퍼(10)로부터 부양된 구조체(20)가 구현된다.
마지막으로, 도 1d에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼(10)의 상부에 캡(30)을 양극(Anodic) 본딩하여 구조체(20)를 밀봉함으로써 구조체(20)가 위치하는 부분을 진공 상태로 만든다. 여기서, 상기 캡(30)은 유리 재질로 이루어진다.
그러나, 상기한 바와 같은 일반적인 마이크로 자이로스코프 제조방법은 다음과 같은 문제가 있어 개선이 요구되고 있다.
첫째, 고가의 SOI 웨이퍼를 사용하기 때문에 제조비용이 높아진다.
둘째, 희생층으로 산화막(13)을 사용하기 때문에, 구조체(20) 형성을 위한 제1웨이퍼(11)의 건식 에칭시 구조체(20)의 단부에 의도하지 않은 불필요한 노치(41:도1b 참조)가 발생되고, 구조체(20) 부양을 위한 산화막(13)의 습식 에칭시 의도하지 않은 언더컷(42:도 1c 참조)이 발생되며, 더욱이 습식 에칭 과정에서 구조체(20)가 제2웨이퍼(12)에 붙어 버리는 점착 현상이 발생된다. 이 점착 현상은 밀봉캡(30)을 양극 본딩하는 과정에서도 발생될 수 있는데, 이러한 노치, 언더컷 및 점착 현상은 자이로스코프의 특성 및 성능 저하를 야기시킬 뿐만 아니라 수율 저하를 초래한다.
셋째, 반도체 웨이퍼(10)와 캡(30)의 재질이 다름으로써 열팽창 계수 차이에 따른 스트레스 발생으로 구조가 불안정하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 안출한 것으로, 가격이 저렴한 일반적인 실리콘 웨이퍼를 사용함으로써 제조비용을 절감시킬 수 있는 자이로스코프 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 금속막을 식각의 장벽으로 사용함으로써 종래 산화막을 사용함으로써 발생되는 노치, 언더컷 및 점착 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 자이로스코프 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 자이로스코프를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자이로스코프 제조방법은, 금속막, 이 금속막의 양측에 부착된 제1 및 제2웨이퍼를 가지는 SMS 웨이퍼를 제조하는 단계; 상기 제1웨이퍼에 움직임 가능한 구조체를 형성하는 단계; 소정 공간을 가지며, 상기 구조체를 밀봉하기 위한 제1캡을 상기 제1웨이퍼의 표면에 부착하는 단계; 상기 제1웨이퍼로부터 금속막 및 제2웨이퍼를 분리하여 제거하는 단계; 및 상기 제1캡과 대칭되는 구조의 제2캡을 상기 제1웨이퍼의 이면에 부착하는 단계;를 포함한다.
SMS 웨이퍼를 제조하는 단계는, 소정 두께의 제2웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 제2웨이퍼에 금속막을 형성하는 단계; 상기 제2웨이퍼의 금속막에 금속페이스트를 이용하여 제1웨이퍼를 본딩하는 단계; 및 상기 제1웨이퍼를 CMP공정을 통하여 형성하고자 하는 구조체 두께로 갈아내는 단계;를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2웨이퍼는 모두 일반적인 저가의 실리콘 웨이퍼이다. 따라서, 종래 SOI 웨이퍼를 이용하는 것에 비하여 재료비를 절감시킬 수 있다.
또한, 구조체를 형성하는 단계는, 제1웨이퍼의 해당부분을 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝하는 단계; 및 상기 패터닝된 부분을 건식 에칭하는 단계;를 포함한다. 이 때, SMS 웨이퍼의 금속막이 식각의 장벽으로 이용되므로 그 경계부에서 어떠한 노치나 언더컷도 발생되지 않는다.
그리고, 제1캡 및 제2캡은 각각 양극 본딩되며 유리 재질로 이루어진다. 따라서, 재질적인 대칭관계를 이루기 때문에, 구조적으로 안정된 자이로스코프를 얻을 수 있다.
또한, 금속막 및 제2웨이퍼를 분리하는 단계는 황산 클리닝 공정을 포함한다.
한편, 상기 금속막은 버퍼층과 메탈층을 포함하며, 버퍼층으로는 TiN 이나 Ti이, 메탈층으로는 Al이나 Au가 사용될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 자이로스코프는, 움직임 가능한 실리콘 재질의 구조체를 사이에 두고 그 양측에 상기 구조체를 진공으로 밀봉하기 위한 공간을 갖는 유리재질의 제1 및 제2캡이 배치되는 것을 특징으로 한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.
첨부한 도 2a 내지 2g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자이로스코프 제조방법 및 이에 의해 제조된 자이로스코프를 설명하기 위하여 나타낸 도면들이다.
도면에서 참조부호 100은 본 발명의 특징부 중의 하나인 SMS(Si-Metal-Si) 반도체 웨이퍼이다. 상기 SMS 반도체 웨이퍼(100)는 종래의 SOI(Si-On-Insulator) 반도체 웨이퍼와는 달리 비교적 저가인 두 장의 실리콘 웨이퍼 사이에 희생층으로 사용될 금속막이 존재하는 웨이퍼를 말하는 것이다.
본 발명에 의한 자이로스코프 제조방법의 첫 단계는 상기와 같은 SMS 반도체 웨이퍼(100)를 준비하거나 또는 제조하는 것이다. 상기 SMS 반도체 웨이퍼(100)의 제조는 도 2a 내지 2c에서 보는 바와 같이, 먼저, 대략 500㎛ 정도의 두께를 가지는 제2웨이퍼(120) 위에 대략 1㎛ 정도의 두께를 가지는 금속막(130)을 형성한다. 그런 다음, 상기 금속막(130) 위에 금속페이스트 또는 폴리머(Polymer) 계열의 물질을 이용하여 상기 제2웨이퍼(120)와 같은 두께를 가지는 제1웨이퍼(110)를 부착한다. 이 후, 상기 제1웨이퍼(110)의 두께를 후술되는 형성하고자 하는 구조체의 두께와 같은 두께를 가지도록 가공한다.
여기서, 상기 제1 및 제2웨이퍼(110)(120)는 반도체 공정에 일반적으로 사용되는 저가의 실리콘 웨이퍼이다. 상기 금속막(130)은 메탈층과 버퍼층을 포함하나 도면에서는 구체적인 도시를 생략하고 있다. 상기 금속막(130)은 버퍼층과 메탈층을 상기 제2웨이퍼(120)의 표면에 순차적으로 증착하는 것에 의해 형성된다. 메탈층으로는 Al이나 Au 등이 사용될 수 있으며, 버퍼층으로는 TiN이나 Ti 등이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 버퍼층은 메탈층과 제2웨이퍼(120)와의 접착을 좋게 하기 위한 것이다. 한편, 상기 제1웨이퍼(110)의 가공은 랩핑(Lapping) 공정과 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 포함한다.
상기와 같이, SMS 반도체 웨이퍼(100)를 제조한 다음에는 도 2d에서 보는 바와 같은 구조체(200)를 형성한다. 상기 구조체(200)는 상기 반도체 웨이퍼(100)의 제1웨이퍼(110)의 해당부분을 포토리소그라피 공정을 통하여, 예컨대 도면에서와 같은 다수의 전극 형태로 패터닝한다. 그런 다음 패터닝된 포토레지스터를 마스크로, 그리고, 반도체 웨이퍼(100)의 금속막(130)을 식각의 장벽으로 하여 건식 에칭을 실시한다. 이러한 과정은 종래 SOI 웨이퍼를 이용하는 경우와 크게 다르지 않다. 그러나, 종래의 경우는 희생층으로 산화막을 사용함으로써 에칭시 이온이 산화막으로부터 반사되면서 에칭에 의해 구현되는 구조체의 단부에 불필요한 노치(41:도 1b 참조)를 발생시켰으나, 본 발명은 금속막(130)을 식각의 장벽으로 이용하므로 상기와 같은 이온의 반사가 일어나지 않아 노치 발생을 방지할 수 있다.
구조체(200)를 형성한 후, 도 2e에서 보는 바와 같이, 상기 구조체(200)를 갖는 제1웨이퍼(110)의 상면에 상기 구조체(200)를 밀봉하기 위한 소정의 공간(310)을 갖는 유리재질의 제1캡(300)을 부착한다. 상기 제1캡(300)은 후술될 제2캡과 함께 상기 구조체(200)가 위치되는 부분을 고진공으로 만들기 위하여 밀봉하는 것으로, 양극 본딩하는 것에 의해 제1웨이퍼(110)에 부착된다.
그런 다음 상기 구조체(200)를 지지하고 있는 금속막(130)과 제2웨이퍼(120) 부분을 분리, 제거함으로써 상기 구조체(200)가 움직임 가능하게 부양되도록 한다. 이러한 공정은 황산을 이용한 클리닝 등으로 쉽게 이루어질 수 있다. 도 2f는 금속막(130)과 제2웨이퍼(120)가 제거된 상태를 나타낸 것이다.
다음, 상기한 제1캡(300)과 구조적 및 재질적으로 대칭 관계에 있는 제2캡(400)을 상기 제1웨이퍼(110)의 이면에 역시 양극 본딩하여 부착한다. 그러면, 도 2g에서 보는 바와 같이, 제1캡(300) 및 제2캡(400)의 공간(310)(410)에 의해 형성되는 공간부에 구조체(200)가 움직임 가능하게 위치되는 구조의 자이로스코프가 제조된다. 여기서, 상기 구조체(200)가 위치되는 공간부는 진공 상태로 유지되며, 이에 의해 작은 전압으로도 상기 구조체(200)를 구동시킬 수 있고, 또 감도가 매우 좋게 된다.
이상에서와 같이, 금속막(130)을 식각의 장벽으로 하여 건식 에칭하여 구조체(200)를 형성하므로, 구조체(200)의 노치 발생을 방지할 수 있다. 또, 종래 산화막을 습식 에칭하여 구조체를 부양시키는 방법을 이용하지 않고, 금속막(130)과 제2웨이퍼(120)를 제거하여 구조체(200)를 부양시키는 방법을 이용하므로, 종래와 같은 언더컷 문제라든가 구조체가 그의 위 또는 아래 부재에 달라붙는 점착 현상이 일어나지 않는다. 또한, 실리콘 재질의 구조체(200)를 사이에 두고 그 양측에 제1캡 및 제2캡(300)(400)이 재질적인 대칭관계로 배치되기 때문에, 종래와 같은 열팽창 계수 차이로 인한 스트레스 발생 문제를 해소할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 구조체의 노치, 언더컷 및 점착 현상이 발생되지 않기 때문에, 자이로스코프의 성능 및 특성 향상을 꾀할 수 있으며, 또한, 불량 발생을 현저하게 줄일 수 있으므로 수율을 높일 수 있다.
또한, 구조체를 진공으로 밀봉하는 제1 및 제2캡이 재질적인 대칭 구조를 이루기 때문에, 보다 안정된 구조의 자이로스코프의 구현이 가능하다.
또한, 고가의 SOI 웨이퍼를 사용하지 않고 일반적인 실리콘 웨이퍼를 사용하기 때문에, 재료비를 절감시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그와 같은 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1a 내지 1d는 종래 자이로스코프의 제조 공정도, 그리고,
도 2a 내지 2g는 본 발명에 의한 자이로스코프의 제조 공정도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100;SMS 반도체 웨이퍼 110,120;제1 및 제2웨이퍼
130;금속막 200;구조체
300,400;제1 및 제2캡 310,410;공간

Claims (8)

  1. a) 금속막, 이 금속막의 양측에 부착된 제1 및 제2웨이퍼를 가지는 SMS 웨이퍼를 제조하는 단계;
    b) 상기 제1웨이퍼에 움직임 가능한 구조체를 형성하는 단계;
    c) 상기 구조체를 밀봉하기 위한 소정공간을 가지는 제1캡을 상기 제1웨이퍼의 표면에 부착하는 단계;
    d) 상기 제1웨이퍼로부터 금속막 및 제2웨이퍼를 분리하여 제거하는 단계; 및
    e) 상기 제1캡과 대칭되는 구조의 제2캡을 상기 제1웨이퍼의 이면에 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 a)단계는,
    a1) 소정 두께의 제2웨이퍼를 준비하는 단계;
    a2) 상기 제2웨이퍼에 금속막을 형성하는 단계;
    a3) 상기 제2웨이퍼의 금속막에 금속페이스트를 이용하여 제1웨이퍼를 본딩하는 단계; 및
    a4) 상기 제1웨이퍼를 형성하고자 하는 구조체 두께로 갈아내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 b)단계는,
    b1) 제1웨이퍼의 해당부분을 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝하는 단계; 및
    b2) 상기 금속막을 식각의 장벽으로 하여 상기 패터닝된 부분을 건식 에칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1캡 및 제2캡은 각각 양극 본딩하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 d)단계는, 황산 클리닝 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 a4)단계는, 랩핑 공정과 CMP 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속막은 버퍼층과 메탈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프 제조방법.
  8. 움직임 가능한 실리콘 재질의 구조체를 사이에 두고 그 양측에 상기 구조체를 진공으로 밀봉하기 위한 공간을 갖는 유리재질의 제1 및 제2캡이 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
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