KR100506073B1 - A vacuum packaged microgyroscope and a fabricating method thereof - Google Patents

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KR100506073B1 KR10-1998-0044802A KR19980044802A KR100506073B1 KR 100506073 B1 KR100506073 B1 KR 100506073B1 KR 19980044802 A KR19980044802 A KR 19980044802A KR 100506073 B1 KR100506073 B1 KR 100506073B1
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Abstract

본 발명은 물체의 관성 각속도를 검출하기 위한 고진공 패키징 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 고진공 패키징 마이크로자이로스코프는 신호 처리용 에이직 회로가 형성된 기판과 마이크로자이로스코프의 현수 구조물이 형성된 기판을 플립형으로 접착하되, 신호 처리용 에이직 회로를 마이크로자이로스코프 현수 구조물의 상층부에 입체적으로 집적되게 함으로써 소자의 최소 면적화에 따른 비용절감효과가 매우 크며, 마이크로자이로스코프 현수 구조물과 에이직 회로 간의 배선이 짧게되어, 배선이 길어짐으로써 발생하는 잡음을 근원적으로 제거할 수 있어 신호 감지 감도를 극대화하는 효과가 있다. 더욱이, 고진공에서 금속과 Si(예; Au/Si)의 공융 반응을 이용하여 저온(예; 363℃~400℃)에서 밀봉함으로써 진공도 또한 크게 향상된다. The present invention describes a high vacuum packaging microgyroscope for detecting an inertial angular velocity of an object and a method of manufacturing the same. The high-vacuum packaging microgyroscope according to the present invention is a flip-type adhesive bonding of the substrate on which the azig circuit for signal processing and the suspension structure of the microgyroscope are formed, and the azig circuit for signal processing to the upper layer of the microgyroscope suspension structure The cost reduction effect due to the smallest area of the device is greatly increased by the three-dimensional integration, and the wiring between the micro gyroscope suspension structure and the AC circuit is shortened, so that the noise generated by the long wiring can be fundamentally eliminated to detect the signal. It is effective to maximize sensitivity. Moreover, the vacuum is also greatly improved by sealing at low temperatures (eg, 363 ° C. to 400 ° C.) using a eutectic reaction of metal and Si (eg Au / Si) at high vacuum.

Description

고진공 패키징 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법{A vacuum packaged microgyroscope and a fabricating method thereof}A vacuum packaged microgyroscope and a fabricating method
본 발명은 물체의 관성 각속도를 검출하기 위한 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼 단위(wafer level)로 현수 구조물(마이크로자이로스코프)을 고진공으로 밀봉하는 동시에 신호처리 회로를 집적하면서 소자 그 자체로 외부회로에 플립칩형태로 부착이 가능한 고진공 패키지(package) 마이크로 자이로스코프 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 of manufacturing the same. Specifically, the suspension structure (microgyroscope) is sealed at a wafer level in a high vacuum, and the signal processing circuit is integrated. The present invention relates to a high vacuum package micro gyroscope and a method of manufacturing the same, which can be attached to an external circuit in the form of a flip chip.
도 1은 종래의 양극 접합법을 이용한 집적형 마이크로 압력 센서의 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 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 보장받을수 있다. 이는 마이크로 자이로스코프에서도 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 이용하는 경우, 나트륨 이온에 의한 IC회로의 오염이 불가피하고, 또한 접합시 가해지는 고전압에 대해 IC를 보호하기 위한 전기장 차폐(shielding) 방법이 추가로 요구되기 때문에, 실제 IC와의 집적시에 치명적인 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제점 외에도 접합 과정에서 접합부로부터 많은 O2 기체가 발생하기 때문에 진공도 제어를 위해서는 특별하고, 추가적인 개선 노력이 요구된다.The micro pressure sensor operating in this way can be guaranteed precise operation in high vacuum conditions. The same is true for micro gyroscopes. 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 case of using an anode junction, contamination of the IC circuit by sodium ions is inevitable, and an electric field shielding method for protecting the IC against the high voltage applied at the junction is required. Can cause fatal problems. In addition to these problems, since a lot of O 2 gas is generated from the joint during the bonding process, special control for the degree of vacuum is required, and further improvement efforts are required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안한 것으로, 신호 처리용 에이직 회로가 형성된 기판과 마이크로자이로스코프의 현수 구조물이 형성된 기판을 플립형으로 접착하되, 신호처리용 에이직 회로가 마이크로자이로스코프의 현수 구조물과 3차원적으로 집적되게 함으로써, 소자의 면적을 최소화하고 회로 간의 배선을 짧게하며, 고진공에서 금속과 Si(예; Au/Si)의 공융 반응을 이용하여 저온(예; 363℃~400℃)에서 밀봉함으로써 진공도 또한 크게 향상시킨 웨이퍼 단위로 패키징된 고진공 패키징 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to improve the above problems, while the substrate on which the signal processing AIC circuit is formed and the substrate on which the suspending structure of the microgyroscope is formed are bonded in a flip shape, but the AIC circuit for signal processing is a microgyroscope. By three-dimensional integration with the suspension structure of the device, the area of the device is minimized, the wiring between the circuits is shortened, and the low temperature (e.g., 363 ℃ ~) is achieved by using the eutectic reaction of the metal and Si (e.g. Au / Si) at high vacuum. It is an object of the present invention to provide a high-vacuum packaging microgyroscope packaged in units of wafers, which is also greatly improved in vacuum by sealing at 400 占 폚 and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고진공 패키징 마이크로자이로스코프는, 일측면 상의 중앙부에 오목부를 마련하여 진동 공간을 갖도록 형성된 마이크로자이로스코프 현수 구조물 및 상기 마이크로자이로스코프 현수 구조물용 전극 증착층을 가진 제1기판; 및 일측면 상에 상기 마이크로자이로스코프 구조물의 운동을 감지하기 위한 신호처리용 회로, 이 신호 처리용 회로와 상기 마이크로자이로스코프 현수 구조물 사이의 배선과 진공 패키징을 위한 관통 배선기둥 및 밀봉용의 금속/반도체 다중층을 가진 제2기판;을 구비하고, 상기 현수 구조물이 수용되는 상기 진동 공간이 진공 공간이 되도록 상기 현수 구조물과 상기 신호 처리용 회로가 서로 마주보도록 상기 제1기판과 상기 제2기판이 밀봉되게 접착하되, 상기 두 기판의 전기적인 접지가 가능하도록 상기 금속/반도체 다중층을 이용하여 공융 접합하고, 상기 현수 구조물과 상기 신호처리용 회로의 전극이 상기 제2기판 상부로 추출되어 플립칩 본딩이 용이하도록 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a high-vacuum packaging microgyroscope according to the present invention includes a microgyroscope suspension structure and an electrode deposition layer for the microgyroscope suspension structure formed to have a vibration space by providing a concave portion at a central portion on one side. A first substrate having; And a signal processing circuit for sensing motion of the microgyroscope structure on one side, a through wiring column for sealing and vacuum packaging between the signal processing circuit and the microgyroscope suspension structure, and metal for sealing / And a second substrate having a semiconductor multilayer, wherein the first substrate and the second substrate face each other such that the suspension structure and the signal processing circuit face each other such that the vibration space in which the suspension structure is accommodated is a vacuum space. Sealingly bonded, eutectic bonding using the metal / semiconductor multilayer to enable electrical grounding of the two substrates, and the suspension structure and the electrode of the signal processing circuit are extracted onto the second substrate and flip-chip It is characterized in that it is formed to facilitate bonding.
본 발명에 있어서, 상기 현수 구조물은 폴리 실리콘으로 형성되고, 상기 현수 구조물용 전극 증착층은 폴리실리콘, 폴리실리콘/Au, 폴리실리콘/Al 중 어느 하나로 형성되며, 상기 제1기판과 상기 제2기판이 각각 실리콘으로 형성되며, 상기 제1기판과 제2기판 상에는 각각 실리콘 산화물 또는 질화막으로 형성된 실리콘 보호층이 더 구비되며, 상기 진공 공간은 10-6 torr 까지의 진공도를 가지며, 상기 접합부의 금속/반도체 다중층은 Au/Si 혹은 Al/Si 의 박막 다중층 구조로 형성되어, 상기 공융 접합시 박막 다중층이 완전히 합금 반응을 일으켜 접합부에 허공이 없도록 진공 밀봉을 구현하며, 상기 현수 구조물과 상기 신호처리용 회로의 전극이 상기 제2기판 상부로 추출되는 구조는 상기 제1기판 상의 상기 제2기판 외곽에 상기 제2기판과 동일한 높이로 그 표면에 금속막을 도포한 외부 배선 기둥으로 이루어진 것이 바람직하다.In the present invention, the suspension structure is formed of polysilicon, the electrode deposition layer for the suspension structure is formed of any one of polysilicon, polysilicon / Au, polysilicon / Al, the first substrate and the second substrate Each of which is formed of silicon, and further provided with a silicon protective layer formed of silicon oxide or nitride film on the first substrate and the second substrate, respectively, the vacuum space has a degree of vacuum up to 10 -6 torr, the metal / The semiconductor multilayer is formed of a thin film multilayer structure of Au / Si or Al / Si, so that the thin film multilayer completely alloys during the eutectic bonding to realize vacuum sealing so that there is no air gap at the junction, and the suspension structure and the signal The structure in which the electrode of the processing circuit is extracted above the second substrate is the same height as the second substrate on the outside of the second substrate on the first substrate. A is preferably made of a columnar external wire coated metal film.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고진공 패키징 마이크로자이로스코프의 제조 방법은, (가) 제1기판을 식각하여 마이크로자이로스코프 현수 구조물의 형성 공간을 확보하는 단계; (나) 상기 제1기판의 식각면 상에 폴리실리콘 및 PSG등을 증착하는 단계; (다) 상기 폴리실리콘층을 건식 및 습식식각법으로 식각하여 상기 현수 구조물을 완성하는 단계; (라) 제2기판상에 상기 마이이크로자이로스코프 현수 구조물의 운동 상태를 감지하기 위한 신호처리용 회로를 형성하는 단계; (마) 상기 제2기판상에 배선과 진공 패키징을 위한 이방성 식각 및 금속/Si 다중층을 형성하는 단계; (바) 상기 제1기판과 제2기판을 금속/Si 다중층의 공융접합법을 이용하여 진공 밀봉하는 단계; 및 (사) 상기 제2기판 상측면에 배선을 위한 절연막 및 금속막 패턴층 형성하고 상기 제2기판의 가장자리 부분을 선택적으로 관통 식각하여 외부 배선 기둥을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing a high vacuum packaging microgyroscope according to the present invention comprises the steps of: (a) securing a space for forming a microgyroscopic suspension structure by etching a first substrate; (B) depositing polysilicon and PSG on an etching surface of the first substrate; (C) etching the polysilicon layer by dry and wet etching to complete the suspension structure; (D) forming a signal processing circuit for detecting the motion state of the microgyroscopic suspension structure on a second substrate; (E) forming anisotropic etching and metal / Si multilayers for wiring and vacuum packaging on the second substrate; (F) vacuum sealing the first substrate and the second substrate using a metal / Si multilayer eutectic bonding method; And (g) forming an insulating film and a metal film pattern layer for wiring on the upper surface of the second substrate and selectively through-etching an edge portion of the second substrate to form an external wiring pillar. .
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고진공 패키징 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다. Hereinafter, a high vacuum packaging 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 고진공 패키징 마이크로자이로스코프는, 마이크로자이로스코프 현수 구조물(14)이 형성된 제1기판(Structure wafer)(11)과 그 상부에 신호처리회로부 및 외부 배선이 형성되어 진공 공간(cavity)의 뚜껑(cap) 역할을 하는 제2기판(Cap wafer)(12)으로 이루어진다. 제1기판(11) 상의 제2기판(12) 외곽에는 제1기판(11)의 현수 구조물과 제2기판(12)의 신호처리회로가 외부와 전기적으로 접속될 수 있도록 하는 외부 배선 기둥(20)이 형성되어 외부와 전기적으로 연결된다. 또한, 현수 구조물(14)은 제1기판(11)의 중앙부에 오목부를 형성하고 그 내부에 진동 가능하도록 형성되어 있으며, 제2기판(12) 하측면에 금속/반도체(Si) 다중층(17)이 형성되어 있어 상기 진동 공간이 진공 상태를 유지하도록 제1기판(11)과 제2기판(12) 사이를 밀봉한다. 여기서, 부재번호 13은 절연막이고, 부재번호 14는 전극용 폴리실리콘층이며, 부재번호 15는 전극용 외부 배선이며, 부재번호 16은 전극용 내부 배선이며, 부재번호 30은 진공공간이며, 부재번호 40은 현수구조물이다. In the high vacuum packaging microgyroscope according to the present invention, the first substrate (Structure wafer) 11 in which the microgyroscopic suspending structure 14 is formed and the signal processing circuit part and the external wiring are formed on the upper portion of the vacuum cavity. It consists of a second substrate (Cap wafer) 12 that serves as a cap (cap). Outside wiring pillars 20 that allow the suspension structure of the first substrate 11 and the signal processing circuit of the second substrate 12 to be electrically connected to the outside of the second substrate 12 on the first substrate 11. ) Is formed and electrically connected to the outside. In addition, the suspending structure 14 is formed to form a recess in the center of the first substrate 11 and vibrating therein, and a metal / semiconductor (Si) multilayer 17 on the lower side of the second substrate 12. Is formed to seal between the first substrate 11 and the second substrate 12 to maintain the vacuum space. Here, member number 13 is an insulating film, member number 14 is a polysilicon layer for electrodes, member number 15 is an external wiring for electrodes, member number 16 is an internal wiring for electrodes, member number 30 is a vacuum space, member number 40 is a suspension structure.
또한, 제1기판(11) 및 제2기판(12)은 각각 벌크 실리콘으로 형성하고, 두 기판 상에는 실리콘 산화물 또는 질화막 등으로 실리콘 보호층을 형성한다. 마이크로 자이로스코프 현수 구조물(40)은 제1기판(11) 위에 표면 미세가공기술을 이용하여 형성하며, 진공 공간(30)은 10-6 torr 까지의 원하는 진공도를 가진다. 진공공간(30) 밀봉을 위한 금속/Si 다중층(17)은 Au/Si 다중층으로 형성한다.The first substrate 11 and the second substrate 12 are each formed of bulk silicon, and a silicon protective layer is formed of silicon oxide or a nitride film on the two substrates. The micro gyroscope suspension structure 40 is formed on the first substrate 11 by using a surface micromachining technique, and the vacuum space 30 has a desired degree of vacuum up to 10 −6 torr. The metal / Si multilayer 17 for sealing the vacuum space 30 is formed of an Au / Si multilayer.
이상과 같은 구조를 갖는 고진공 패키징 마이크로자이로스코프의 제조 방법은 다음과 같다.The manufacturing method of the high vacuum packaging microgyroscope which has the above structure is as follows.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1기판(11)의 일측면 중앙부를 식각하여 마이크로자이로스코프의 현수 구조물을 형성할 공간(오목부)을 확보한다((가) 단계).First, as shown in FIG. 3A, a central portion of one side surface of the first substrate 11 is etched to secure a space (concave portion) to form a suspension structure of the microgyroscope (step (a)).
다음에, 도 3b에 도시된 바와 같이, 산화막이나 질화막 등의 절연막(13)을 형성하고, 전극용 폴리실리콘층(14)을 형성한 다음 패터닝한다.Next, as shown in Fig. 3B, an insulating film 13 such as an oxide film or a nitride film is formed, and then the polysilicon layer 14 for electrodes is formed and then patterned.
다음에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 실리콘 질화막(50) 및 희생층(PSG)(60)을 증착한 다음 실리콘 질화막(50) 까지만 1차로 패터닝하고, 실링부(17') 및 배선부(17")에 희생층(16) 까지 2차로 패터닝한 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘(70)을 증착하여 패터닝한다((나) 단계)Next, as shown in FIG. 3C, the silicon nitride film 50 and the sacrificial layer (PSG) 60 are deposited, and then patterned only up to the silicon nitride film 50, and the sealing portion 17 ′ and the wiring portion ( 17 ") to the sacrificial layer 16 secondly, and then polysilicon 70 is deposited and patterned as shown in FIG. 3D (step (B)).
다음에, 도 3e에 도시된 바와 같이, 건식 및 습식 식각법으로 상기 희생층(PSG)(60)을 식각하여 제거함으로써 현수 구조물(40)을 완성한다((다) 단계).Next, as shown in FIG. 3E, the sacrificial layer (PSG) 60 is etched and removed by dry and wet etching to complete the suspension structure 40 ((C) step).
다음에, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2기판(12) 상에 상기 마이이크로자이로스코프 현수 구조물(도 3의 40)의 운동 상태를 감지하기 위한 신호처리용 회로(110)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 4A, a signal processing circuit 110 for detecting a motion state of the microgyroscopic suspension structure 40 in FIG. 3 is formed on the second substrate 12.
다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2기판(12)의 일측면 상의 가장자리에 배선 기둥이 될 부분(120)을 이방성 식각법으로 절반 정도의 깊이 까지 식각한다.Next, as shown in FIG. 4B, the portion 120 to be the wiring pillar at the edge on one side of the second substrate 12 is etched to about half the depth by the anisotropic etching method.
다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2기판(12) 상에 산화막 혹은 질화막의 절연막(130)을 형성하고 패터닝한 다음, 그 위에 배선과 진공 패키징을 위한 금속/반도체(Si) 다중층(17)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4C, an insulating film 130 of an oxide film or a nitride film is formed and patterned on the second substrate 12, and then metal / semiconductor (Si) multilayer for wiring and vacuum packaging thereon. (17) is formed.
다음에, 도 4d에 도시된 바와 같이, 금속/반도체(Si) 다중층(17)의 공융 접합을 이용하여 진공으로 상기 제1기판(11)과 제2기판(12)을 밀봉한다.Next, as shown in FIG. 4D, the first substrate 11 and the second substrate 12 are sealed in a vacuum using a eutectic bonding of the metal / semiconductor (Si) multilayer 17.
다음에, 도 4e에 도시된 바와 같이, 제2기판(12) 상측면에 배선을 위한 절연막 및 금속막 패턴층 형성하고, 제2기판(12) 가장자리의 배선 기둥이 될 부분을 이방성 식각법으로 나머지 절반의 깊이를 관통시키는 식각을 행하여 배선 기둥을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4E, an insulating film and a metal film pattern layer for wiring are formed on the upper surface of the second substrate 12, and a portion to be a wiring pillar at the edge of the second substrate 12 is anisotropically etched. Etching is made to penetrate the other half of the depth to form a wiring pillar.
이와 같은 구조의 마이크로자이로스코프의 진공 패키징의 원리는 다음과 같다.The principle of vacuum packaging of such a gyroscope is as follows.
진공(진공 chamber) 중에서의 제2기판과 제1기판을 금속(Au)/Si 간의 공융성질을 이용하여 두 막을 완전히 용융 냉각하여, 진공 공간(cavity) 내부를 밀봉함과 동시에 배선 기둥을 통해 제2기판 상부로 전극을 추출해 내는 것이 그 기본 원리인데, 여기서 공융 접합이라고 하는 것은 용융점이 높은 서로 다른 물질을 접촉시켜, 물질 각각의 용융점 보다 낮은 온도에서 용융시켜 접합시키는 방법이다. 예를들어, Au의 용융점은 1063℃이고, 실리콘은 1410℃인데, 이 두물질을 접촉하면, 최소 363℃에서 용융된다. 그래서 제1기판과 제2기판을 진공중에서 접합하기전, 박막 표면에 흡착된 기체, 즉, 산소, 질소, 이산화탄소 등과 각종 유기물들이 충분히 탈착될 수 있는 온도인 350℃ 정도에서 유지시켜, 이들을 완전히 가스빼기(degassing)한 다음, 363℃~400℃ 정도에서 두 기판을 공융접합을 시키면, 접합시는 물론 접합 후의 장시간에 걸친 불순물의 탈개스(degassing)를 배제할 수 있어 진공 공간(cavity)의 진공도는 진공 챔버의 진공도에 근접하게된다. 이 때, 배선 기둥을 통해 소자의 전극도 제2기판 상부로 추출할 수 있다. The two substrates in the vacuum (vacuum chamber) and the first substrate are completely melt-cooled using the eutectic properties between the metal (Au) / Si to seal the inside of the vacuum cavity and at the same time through the wiring pillar. The basic principle is to extract the electrode on the upper part of the substrate, and eutectic bonding is a method of contacting different materials having high melting points by melting them at a temperature lower than the melting point of each material. For example, Au has a melting point of 1063 ° C and silicon of 1410 ° C. When the two materials come into contact, they melt at a minimum of 363 ° C. Therefore, before bonding the first substrate and the second substrate in a vacuum, the gas adsorbed on the surface of the thin film, that is, oxygen, nitrogen, carbon dioxide and the like, is maintained at about 350 ° C. at which the organic matters can be sufficiently desorbed, and they are completely gasified. After degassing, when the two substrates are eutectic bonded at about 363 ° C to 400 ° C, the degassing of impurities over a long time after bonding can be eliminated, so that the vacuum degree of the vacuum cavity is reduced. Is close to the degree of vacuum in the vacuum chamber. At this time, the electrode of the device can also be extracted to the upper portion of the second substrate through the wiring pillar.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고진공 패키징 마이크로자이로스코프는 신호 처리용 에이직 회로가 형성된 기판과 마이크로자이로스코프의 현수 구조물이 형성된 기판을 플립형으로 접착하되, 신호 처리용 에이직 회로를 마이크로자이로스코프 현수 구조물의 상층부에 입체적으로 집적되게 함으로써 소자의 최소 면적화에 따른 비용절감효과가 매우 크며, 마이크로자이로스코프 현수 구조물과 에이직 회로 간의 배선이 짧게되어, 배선이 길어짐으로써 발생하는 잡음을 근원적으로 제거할 수 있어 신호 감지 감도를 극대화하는 효과가 있다.As described above, the high-vacuum packaging microgyroscope according to the present invention is a flip-bonded substrate to which a signal processing azig circuit is formed and a substrate on which a suspension structure of a microgyroscope is formed. The three-dimensional integration on the upper part of the suspension structure greatly reduces the cost due to the smallest area of the device, and the wiring between the microgyroscope suspension structure and AIZC circuit is shortened, thereby eliminating the noise generated by the longer wiring. This can maximize the signal detection sensitivity.
고진공에서 금속과 Si(예; Au/Si)의 공융 반응을 이용하여 저온(예; 363℃~400℃)에서 밀봉함으로써 진공도 또한 크게 향상된다. 또한 와이어 본딩(wire bonding), 다이 본딩(die bonding) 등의 추가적인 패키징(packaging) 공정이 필요없기 때문에, 제품 제작 비용이 크게 절감되고, 제품의 크기가 수mm2 정도 면적으로 극소화될 수 있어, 마이크로 시스템이 적용되는 모든 응용 분야의 경박 단소화에 크게 기여할 수 있다. 또한, 제1기판과 제2기판을 전기적으로 연결하여 접지시킬 경우, 외부로부터 혹은 외부로의 전기장을 차단할 수 있고, 배선이 길어짐으로써 발생하는 잡음을 근원적으로 제거할 수 있어 신호 감지 감도를 극대화하는 효과가 있다.The vacuum is also greatly improved by sealing at low temperatures (eg 363 ° C. to 400 ° C.) using a eutectic reaction of metal and Si (eg Au / Si) at high vacuum. In addition, since there is no need for additional packaging processes such as wire bonding and die bonding, product manufacturing costs can be greatly reduced, and the size of the product can be minimized to a few mm 2 area. It can make a significant contribution to the light weight and shortening of all applications where microsystems are applied. In addition, when the first substrate and the second substrate are electrically connected and grounded, the electric field can be cut off from the outside or the outside, and the noise generated by the long wiring can be fundamentally eliminated, thereby maximizing signal detection sensitivity. It works.
도 1은 종래의 양극 접합법을 이용한 집적형 마이크로 압력 센서의 수직 단면도이고, 1 is a vertical cross-sectional view of an integrated micro pressure sensor using a conventional anode bonding method,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 발췌 투시 평면도 및 수직 단면도이며, 2 is an exploded perspective plan view and a vertical cross-sectional view of a micro gyroscope according to the present invention,
도 3a 내지 3e는 제 1기판상에서의 마이크로 자이로스코프 구조물 제조 공정 순서를 나타낸 것으로서, 3A to 3E show a procedure of manufacturing a micro gyroscope structure on a first substrate,
도 3a는 구조체 형성 공간을 확보하기위한 기판 식각 후의 수직단면도, 3A is a vertical cross-sectional view after substrate etching to secure a space for forming a structure;
도 3b는 기판에 절연막과 제 1 poly Si막을 형성하고 poly Si을 패터닝 한 후의 수직단면도,3B is a vertical cross-sectional view after forming an insulating film and a first poly Si film on a substrate and patterning poly Si;
도 3c는 절연층 및 희생층을 증착하고 패터닝한 후의 수직 단면도, 도 4d는 제 2 poly Si 막을 증착 및 패터닝 한 후의 수직단면도이며, 3C is a vertical cross-sectional view after depositing and patterning an insulating layer and a sacrificial layer, FIG. 4D is a vertical cross-sectional view after depositing and patterning a second poly Si film;
도 3e는 흐생층을 식각하여 구조체를 완성한 후의 수직단면도이다.Figure 3e is a vertical cross-sectional view after completing the structure by etching the mist layer.
그리고 도 4a 내지 도 4e는 도 2의 제작 단계별 공정후의 수직단면도로서, And 4a to 4e is a vertical cross-sectional view after the manufacturing step process of Figure 2,
도 4a는 제 2기판상에 신호 처리용 에이직 웨이퍼 제작후, 기판 상하면에 실리콘 식각시 보호막 역할을 하는 절연막을 형성한 후의 수직 단면도, 4A is a vertical cross-sectional view after fabricating an AIS wafer for signal processing on a second substrate and forming an insulating film that acts as a protective film during silicon etching on the upper and lower surfaces of the substrate;
도 4b는 제 2기판 하측면의 절연막을 패터닝하고 제 2기판을 식각한 후의 수직단면도,4B is a vertical cross-sectional view after patterning the insulating film on the lower side of the second substrate and etching the second substrate;
도 4c는 제2기판 하측면에 금속 패턴을 형성한 후의 단면도이고,4C is a cross-sectional view after forming a metal pattern on the lower side of the second substrate,
도 4d는 표면미세가공 기술을 이용해 마이크로 자이로스코프를 제작한 제 1기판 상측면을 제2기판으로 진공밀봉하고 제 2기판 상측면에 절연막 패턴을 형성한 후의 수직단면도이며, 4D is a vertical cross-sectional view after vacuum sealing the upper surface of the first substrate on which the micro gyroscope is manufactured using a surface microfabrication technique with a second substrate and forming an insulating film pattern on the upper surface of the second substrate;
도 4e는제 2기판을 관통식각한 후, 금속층을 증착한 후의 수직단면도이다. <도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>4E is a vertical cross-sectional view after the metal substrate is deposited after the second substrate is etched through. <Description of the symbols for the 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 ... 2nd glass (for 1st positive junction vacuum package)
11...제 1기판(실리콘)11. 1st board (silicon)
12...제 2기판(실리콘)12.Second substrate (silicon)
13, 18...절연막(산화막, 질화막)13, 18 ... Insulation (Oxide, Nitride)
14...제 1 폴리실리콘14 ... First Polysilicon
15...희생층(PSG)15 ... Sacrifice (PSG)
16...제 1 폴리실리콘16.First Polysilicon
17...밀봉금속층(Au/Si 다중층, Au등)17.Sealed metal layer (Au / Si multilayer, Au, etc.)
19...금속층(Cr/Au)19.Metal layer (Cr / Au)
20,21...외부 배선기둥20, 21.External wiring pillar

Claims (5)

  1. 일측면 상의 중앙부에 오목부를 마련하여 진동 공간을 갖도록 형성된 마이크로자이로스코프 현수 구조물 및 상기 마이크로자이로스코프 현수 구조물용 전극 증착층을 가진 제1기판; 및A first substrate having a micro gyroscope suspension structure formed to have a concave portion at a central portion on one side thereof to have a vibration space, and an electrode deposition layer for the micro gyroscope suspension structure; And
    일측면 상에 상기 마이크로자이로스코프 구조물의 운동을 감지하기 위한 신호처리용 회로, 이 신호 처리용 회로와 상기 마이크로자이로스코프 현수 구조물 사이의 배선과 진공 패키징을 위한 관통 배선기둥 및 밀봉용의 금속/반도체 다중층을 가진 제2기판;을 구비하고,Signal processing circuit for sensing the movement of the microgyroscope structure on one side, through-wire pillars for wiring and vacuum packaging between the signal processing circuit and the microgyroscope suspension structure and metal / semiconductor for sealing A second substrate having multiple layers;
    상기 현수 구조물과 상기 신호처리용 회로의 전극이 상기 제2기판 상부로 추출되는 구조는 상기 제1기판 상의 상기 제2기판 외곽에 상기 제2기판과 동일한 높이로 그 표면에 금속막을 도포한 외부 배선 기둥으로 이루어지며, The structure in which the suspension structure and the electrode of the signal processing circuit are extracted to the upper portion of the second substrate is an outer wiring in which a metal film is coated on the surface of the second substrate on the first substrate at the same height as the second substrate. Made of pillars,
    상기 제1기판과 상기 제2기판이 각각 실리콘으로 형성되며, The first substrate and the second substrate are each formed of silicon,
    상기 현수 구조물이 수용되는 상기 진동 공간이 진공 공간이 되도록 상기 현수 구조물과 상기 신호 처리용 회로가 서로 마주보도록 상기 제1기판과 상기 제2기판이 밀봉되게 접착하되, 상기 두 기판의 전기적인 접지가 가능하도록 상기 금속/반도체 다중층을 이용하여 공융 접합하고, 상기 현수 구조물과 상기 신호처리용 회로의 전극이 상기 제2기판 상부로 추출되어 플립칩 본딩이 용이하도록 형성된 것을 특징으로 하는 고진공 패키징 집적형 마이크로자이로스코프.The first substrate and the second substrate are hermetically bonded so that the suspension structure and the signal processing circuit face each other such that the vibration space in which the suspension structure is accommodated is a vacuum space, and electrical grounding of the two substrates is performed. Eutectic bonding using the metal / semiconductor multilayer, and the suspension structure and the electrode of the signal processing circuit are extracted to the upper side of the second substrate to facilitate flip chip bonding. Micro gyroscope.
  2. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 현수 구조물은 폴리 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 고진공 패키징 집적형 마이크로 자이로스코프.The suspension structure is a high vacuum packaging integrated micro gyroscope, characterized in that formed of polysilicon.
  3. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 현수 구조물용 전극 증착층은 폴리실리콘, 폴리실리콘/Au, 폴리실리콘/Al 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로하는 고진공 패키징 집적형 마이크로 자이로스코프.The electrode deposition layer for the suspension structure is a high-vacuum packaging integrated micro gyroscope, characterized in that formed of any one of polysilicon, polysilicon / Au, polysilicon / Al.
  4. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1기판과 제2기판 상에는 각각 실리콘 산화물 또는 질화막으로 형성된 실리콘 보호층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 고진공 패키징 집적형 마이크로 자이로스코프.A high vacuum packaging integrated micro gyroscope further comprising a silicon protective layer formed on each of the first substrate and the second substrate by a silicon oxide or a nitride film.
  5. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 접합부의 금속/반도체 다중층은 Au/Si 혹은 Al/Si 의 박막 다중층 구조로 형성되어, 상기 공융 접합시 박막 다중층이 완전히 합금 반응을 일으켜 접합부에 허공이 없도록 진공 밀봉을 구현한 것을 특징으로 하는 고진공 패키징 마이크로 자이로스코프.The metal / semiconductor multilayer of the junction part is formed of a thin film multilayer structure of Au / Si or Al / Si, and the vacuum membrane is implemented so that the membrane multilayer completely alloys during the eutectic bonding so that there is no air gap in the junction part. High vacuum packaging micro gyroscopes.
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