KR100574575B1 - 마이크로메카니컬 컴포넌트 및 컴포넌트 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 기판 위에 패터닝된 하나 이상의 마이크로메카니컬 표면 구조와 하나 이상의 상기 표면 구조를 커버하는 캡 웨이퍼를 갖는 컴포넌트에 관한 것이다. 본 발명에 따라 상기 캡 웨이퍼(14)는 유리 웨이퍼(24)에 의해 형성된다.

Description

마이크로메카니컬 컴포넌트 및 컴포넌트 제조 방법{Micromechanical component}

본 발명은 실리콘 기판 상에 패터닝된 하나 이상의 마이크로메카니컬 표면 구조와 하나 이상의 상기 표면 구조를 커버하는 보호 캡을 갖는 컴포넌트 및 이 컴포넌트의 제조 방법에 관한 것이다.

상술한 종류의 컴포넌트들은 공지되어 있다. 이들은 실리콘 기판으로 이루어지고, 그 표면에 종래의 방법을 이용해 다결정 실리콘층이 에피택셜 성장된다. 이러한 실리콘층에서 마이크로메카니컬 구조, 예를 들어 센서 소자의 진동 질량(seismic mass), 마이크로모터의 액추에이터 또는 다른 가동 구조들(movable structures)이 형성된다. 이와 같은 패터닝은 예를 들어 다결정 실리콘의 상측의 규정된 에칭에 의해 얻어지고, 이 경우 영역별 언더컷을 통해 가동적으로 매달려있는 구조물들이 얻어질 수 있다.

상기 컴포넌트의 적정한 사용시에 마이크로메카니컬 구조를 외부 영향으로부터 보호하기 위해, 그것에 커버 기능의 보호 캡을 제공하는 것이 공지되어 있다. 커버될 컴포넌트에 따라 패터닝된 실리콘 웨이퍼로서 보호 캡을 만드는 것이 공지되어 있으며, 이 경우 상기 실리콘 웨이퍼는 상기 표면 구조를 갖는 웨이퍼와 접합된다. 이런 접합 연결을 얻기 위해, 상기 캡 웨이퍼의 접합 지점에는 스크린 프린팅을 이용해 용융 유리(melting glass)가 제공된다. 그 다음에, 상기 베이스 웨이퍼에 대한 캡 웨이퍼의 조정이 이루어지고 약 400 ℃의 온도와 압력 하에서 접합이 이루어진다.

이 경우 단점으로는, 상기 컴포넌트들이 스크린 프린트되는 용융 유리를 사용해서 상대적으로 비용이 많이드는 제조 공정에 의해서만 제조된다는 것이다. 특히 용융 유리의 스크린 프린팅 다음에 오는 접합 공정에서 불가피하게 캡 웨이퍼와 베이스 웨이퍼 사이의 접합 지점(들)으로부터 일정량의 용융 유리가 압출되는 것이 단점이다. 마이크로메카니컬 구조가 상기 압출된 유리에 의해 영향을 받는 것을 피하기 위해, 상기 캡 웨이퍼와 베이스 웨이퍼 사이에 상대적으로 큰 접촉면 또는 연결면이 필요하게 된다. 예를 들어 상기 연결 영역이 약 500 ㎛의 폭을 갖는 유리층으로 프린트되면, 그 다음 접합 공정에서, 상기 유리가 측면으로 확장되기 때문에, 실제로 약 700㎛가 필요하게 된다. 추가적으로 더 필요한 표면이 상기 컴포넌트의 기능성 구조의 배열에 이용되지 않으므로, 종래의 컴포넌트들은 그에 상응하는 크기로 구성되어야 한다.

또한 종래의 컴포넌트에서의 단점은 상기 컴포넌트들의 기밀한 폐쇄가 매우 복잡하게만 달성될 수 있다는 것인데, 왜냐하면 실크 스크린 프린팅에서 제공되는 용융 유리의 접합에 의한 캡 웨이퍼의 연결은 기술적으로 부분 진공(technically limited vaccum)만을 허용하기 때문이다.

또한 단점으로는 캡 웨이퍼와 베이스 웨이퍼의 접합 후에 캡슐화된 마이크로메카니컬 표면 구조들에 대한 검사는 측정을 통해서만 가능하다는 것이다. 광학 검사는 불가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 컴포넌트의 단면을 도시한 개략 단면도.

청구범위 제 1 항에 언급한 특징들을 갖는 본 발명에 따른 컴포넌트의 장점은 상기 컴포넌트가 확실하게 제어될 수 있는 간단한 공정 단계들을 이용해 제조될 수 있다는 것이다. 상기 캡(cap)이 유리 웨이퍼로 형성될 수 있기 때문에, 커버 기능의 유리 웨이퍼와 컴포넌트의 베이스 웨이퍼의 접합은 대량 생산에 적합한, 확고한 방법에 의해 이루어질 수 있다. 특히, 베이스 웨이퍼의 유리 웨이퍼를 향한 표면이 일정한 잔류 거칠기, 특히 거칠기 < 40 nm로 형성될 때, 접착 기능의 중간층을 배치하지 않고도 상기 베이스 웨이퍼에 유리 웨이퍼를 직접 제공할 수 있다.

놀랍게도 잔류 거칠기 < 40 nm 다결정 실리콘층의 소위 CMP(Chemical mechanical polishing)-방법에 의해 재현 가능하게 달성될 수 있으며, 그 실리콘층들 안에 마이크로메카니컬 표면 구조가 형성된다. 상기 유리 웨이퍼를 향한 상측의, 상기 방식의 고도의 평탄화 때문에 접합 기술이 이용될 수 있는데, 상기 접합 기술은 상기 단점들과 관련된, 부가의 접착제, 특히 스크린 프린팅 기술로 제공되는 용융 유리를 중간 삽입하는 것을 불필요하게 만든다.

상기 유리 웨이퍼와 베이스 웨이퍼의 접합이 양극 본딩에 의해 이루어지면 특히 바람직하다. 이를 통해 상대적으로 작은 결합면이 얻어지고, 이 결합면은 상기 컴포넌트에서 설치 공간을 적게 필요로 한다. 그러므로 상기 연결면은 컴포넌트의 기능 구조 근처에 배치되므로, 그의 전체적 표면 필요가 감소된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 유리 웨이퍼는 광학적으로 투명하다. 그 때문에 상기 유리 웨이퍼에 의해 캡슐화되는 마이크로메카니컬 표면 구조들이 상기 컴포넌트의 완성 후에 시각적 검사를 받을 수 있다. 또한 마이크로메카니컬 구조들의 운동이 광학적으로 다음 방식으로 평가되는 것이 바람직하다. 즉, 이들이 예를 들어 능동 및/또는 수동 광학 엘리먼트를 가짐으로써, 이들을 이용해 광학 신호들이 투명한 유리 웨이퍼를 통해 평가될 수 있다.

또한 바람직한 것은 본 발명에 따른 컴포넌트가 특히 1 mbar까지의 진공을 포함할 수 있다는 것이다. 그러므로 마이크로메카니컬 구조는 충분한 진동 품질을 얻기 위해 높은 품질의 진공(high value vaccum)을 필요로 하는 회전율 센서의 진동 질량으로서 사용되는 것이 유리하다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따라 상기 유리 웨이퍼의 마이크로메카니컬 구조를 향한 측면에 하나 이상의 전극이 배열된다. 따라서, 상기 유리 웨이퍼는 마이크로메카니컬 구조의 커버 외에도 동시에 마이크로메카니컬 구조의 가능한 편향을 검출하기 위해 사용되며, 이 경우, 상기 전극은 예를 들어 용량성 평가 수단의 구성요소이며, 상기 평가 수단은 상기 유리 웨이퍼의 전극과 하나 이상의 마이크로메카니컬 구조 사이의 간격 변경을 검출한다.

본 발명의 다른 유리한 실시예들은 종속항들에 언급한 다른 특징들로부터 도출된다.

도 1에는 10으로 전체가 표시된 컴포넌트가 도시되어 있으며, 이 컴포넌트는 베이스 웨이퍼(12)와 그 위에 배열된 캡 웨이퍼(14)를 포함한다. 이 베이스 웨이퍼(12)는 실리콘 기판(16), 그 위에 배열된 SiO₂-층(18), 및 다결정 실리콘층(polysilicon layer)(20)으로 이루어진다. 여기서는 단지 개략적으로 표시된 마이크로메카니컬 표면 구조(22)가 상기 실리콘층(20)에 패터닝되어 있으며, 이 표면 구조는 예를 들어 탄성적으로 매달려 있는 진동 질량을 포함한다.

상기 캡 웨이퍼(14)는 예를 들면 투명한 Pyrex^R로 이루어진 유리 웨이퍼(24)를 포함한다.

상기 표면 구조(22)는 실리콘층(20)의 리세스(26) 안에 패터닝되어 있으며, 상기 실리콘층(20)의 연결 영역(28)에 의해 에워싸여 있다. 상기 실리콘층(20)의 표면(30)은 적어도 그의 연결 영역(28)에서 고도로 평탄화(planarization)되고 최대 거칠기 < 40nm(P-valley)를 갖는다.

상기 유리 웨이퍼(24)의, 표면 구조(22)를 향한 부분이 트로프 형상의 홈(32)을 형성하며, 상기 홈(32)은 연결 영역(34)에 의해 에워싸여 있다. 이 유리 웨이퍼(24)의 연결 영역(34)은 상기 실리콘층(20)의 연결 영역(28) 위에 놓인다. 이 경우 어떤 접착제를 삽입하지 않고도 상기 연결 영역들(28과 34) 사이의 직접적인 접합이 이루어진다. 이런 접합 연결의 형성은 후술된다.

상기 홈(32)의 내측은 하나 이상의 전극(36)을 지지하며, 이 전극은 여기에 상세히 도시되지 않은 접속 라인을 통해 전자 제어- 또는 평가 회로와 연결되어 있다.

상기 유리 웨이퍼(24)는 투명하다. 그 때문에 상기 마이크로메카니컬 표면 구조(22)는 상기 유리 웨이퍼(24)를 통해 볼 수 있으므로, 한편으로는 상기 표면 구조(22)에 대한 시각적 검사(visual check)가 이루어질 수 있으며, 다른 한편으로는 상기 표면 구조(22)는 광학 소자에 연결될 수 있다.

상기 투명한 유리 웨이퍼(24)를 통해 특히 상기 표면 구조(22)의 운동성과 접착 효과에 대한 검사가 이루어지고, 일반적인 오류 분석, 예를 들어 유리 웨이퍼(24)와 실리콘층(20) 사이의 접합 연결에 대한 검사가 이루어진다.

상기 컴포넌트(10)는 예를 들어 회전율 센서(rotating rate sensor) 또는 가속도 센서일 수 있다. 마이크로메카니컬 표면 구조(22)의 시각적 검사가 영향을 받지 않거나 단지 미미하게 영향을 받도록, 전극(36)이 배열됨으로써, 상기 전극은 상기 표면 구조(22)의 가속도 또는 회전율에 의해 야기되는 편향에 대한 검출부와 연결될 수 있고, 이 경우 전극(36)과 표면 구조(22) 사이의 간격은 커패시턴스 변화에 의해 평가될 수 있다.

상기 유리 웨이퍼(24)와 실리콘층(20) 사이의 직접적인 접촉 영역은 예를 들어 200㎛의 최소 폭으로 제한된다. 거칠기 < 40nm를 갖는 표면(30)의 평탄화 때문에 유리 웨이퍼(24)와 실리콘층(20) 사이의 고정적 접합 연결은 그러한 매우 작은 표면 접촉 영역에서 이루어진다. 실제 접합 지점에 대한 표면이 상대적으로 적게 필요하기 때문에 마이크로메카니컬 표면 구조(22)가 접합 지점 근처에까지 패터닝될 수 있다. 그러므로 컴포넌트(10)의 요소들의 고밀도가 얻어질 수 있다.

이 컴포넌트(10)의 제조는 예를 들어 다음과 같이 이루어진다:

먼저, 상기 센서 장치를 갖는 베이스 웨이퍼(12)는 종래와 같이 제조된다. 이를 위해 상기 실리콘 기판(16) 상에 SiO₂-층(18)이 증착되고, 그 위에 다시 다결정 실리콘층(20)이 예를 들어 1000℃ 이상의 온도에서 에피택셜 성장을 하게 된다. 상기 다결정 실리콘층(20)의 성장 후에 마이크로메카니컬 표면 구조(22)가 SiO₂-중간층(18)의 삽입 하에서 상대적으로 두꺼운 다결정층(20)에서 패터닝된다.

상기 다결정층(20)의 에피택셜 성장이라 함은 단결정 실리콘층을 단결정 실리콘 기판(single crystal silicon substrate)에 형성하기 위한 반도체 제조로부터 공지된 공정이 성장을 위해 사용되는 것을 말한다. 그와 같은 공정은 다결정 실리콘층(20)에 대해 예컨대 몇 10 ㎛의 상대적으로 두꺼운 층 두께를 제공할 수 있다. 다결정 실리콘층(20)을 얻기 위한 상기 공정의 사용시 상기 표면(30)에 상대적으로 큰 거칠기가 형성된다.

상기 표면 구조(22)의 패터닝은 플라즈마 에칭 기술의 종래 방법을 이용해 이루어지고, 자유롭게 매달린(freely suspended) 표면 구조(22)를 얻기 위해 상기 다결정 실리콘층(20)의 부분적인 언더컷(subetching)이 이루어지므로, SiO₂-층(18)이 부분적으로 제거된다.

이 SiO₂-층(18)은 예를 들어 CVD-공정으로 증착될 수 있으며, 이 경우 상기 중간층(18)은 예를 들어 다수의 중간층들로 이루어질 수 있고, 그의 최상부 중간층에 다결정 실리콘층(20)이 에피택셜 성장하게 된다.

그 다음에, 상기 베이스 웨이퍼(12)의 표면(30)은 평탄화된다. 이를 위해 예를 들어 CMP-공정에 의해 매우 고도의 평탄화가 이루어지며 이는 잔류 거칠기(rest roughness) < 40 nm를 가져온다.

상기 유리 웨이퍼(24)는, 홈(32)과 연결 영역(34)이 형성되도록, 적절한 방법을 이용해 예를 들어 에칭 공정 또는 초음파 제거 방법을 이용해 처리된다.

다른 실시예에서, 상기 표면 구조(22)의 압력 밀봉 방식 배열(pressure sealed arrangement)이 필요하지 않으면, 상기 유리 웨이퍼(24)는 관통구들을 가질 수 있다. 상황에 따라서는 하나 이상의 상기 전극(36)이 예를 들어 도전성 재료들의 증착을 통해 홈(32) 내에 제공될 수 있다.

끝으로, 상기 연결 영역들(28과 34)이 서로 조정됨으로써, 상기 베이스 웨이퍼(12)와 캡 웨이퍼(14)의 접합이 이루어진다. 이런 접합은 양극 본딩(anodic bonding)을 이용해 이루어지고, 이 경우 상기 웨이퍼(12와 14)는 예를 들어 100 내지 1000V의 전압원에 접속되어 있으며 동시에 약 400℃의 온도에 노출된다.

Claims (16)

1. 실리콘 기판 상에 패터닝된 하나 이상의 마이크로메카니컬 표면 구조(22)와 하나 이상의 상기 표면 구조(22)를 커버하는 캡 웨이퍼(14)를 가지며, 상기 캡 웨이퍼(14)가 유리 웨이퍼(24)에 의해 형성되는 마이크로메카니컬 컴포넌트에 있어서,

   상기 실리콘 기판(16)의 캡 웨이퍼(14)를 향한 측면에 평탄화된 연결 영역(28)이 제공되고, 상기 연결 영역(28)은 상기 표면 구조(22)를 에워싸며, 상기 연결 영역(28)과 상기 표면 구조(22)는 다결정 실리콘층(20)으로부터 형성되고, 상기 실리콘층은 적어도 상기 연결 영역에서 고도로 평탄화되고, 상기 캡 웨이퍼(14)는 상기 다결정 실리콘층(20)과 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 웨이퍼(24)는 광학적으로 투명한 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유리 웨이퍼(24)는 상기 컴포넌트(10)의 베이스 웨이퍼(12)와 연결하기 위한 연결 영역(34)을 그대로 유지한 채로 관통구 또는 홈(32)들을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 연결 영역(34)은 200㎛ 이하의 측방향 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 베이스 웨이퍼(12)를 향한 상기 유리 웨이퍼(24) 측면의 홈(32) 안에 하나 이상의 전극(36)이 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 마이크로메카니컬 표면 구조(22)는 다결정 실리콘층(20) 안에 형성되고, 상기 실리콘층(20)의 표면(30)이 상기 유리 웨이퍼(24)를 향하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 표면(30)은 40nm 미만의 거칠기로 평탄화되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 다결정 실리콘층(20)은 하나 이상의 중간층(18)상에 에피택셜 성장되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 컴포넌트(10)는 회전율 센서 및 가속도 센서 중 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트.
10. 실리콘 기판상에 마이크로메카니컬 표면 구조(22)가 형성되고 상기 표면 구조는 캡 웨이퍼(14)에 의해 커버되는 마이크로메카니컬 컴포넌트를 제조하기 위한 방법에 있어서,

    상기 실리콘 기판(16)상에 다결정 실리콘층(20)이 성장되고,

    상기 다결정 실리콘층(20)의 패터닝에 의해 상기 표면 구조(22)와, 상기 표면 구조(22)를 에워싸는 연결 영역(28)이 형성되고,

    상기 다결정 실리콘층(20)의 표면(30)은 적어도 상기 연결 영역(28)에서 평탄화되고,

    상기 연결 영역(28)에 상기 캡 웨이퍼(14)가 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 다결정 실리콘층(20)의 표면(30)은 상기 캡 웨이퍼(14)와의 접합 전에 평탄화되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 평탄화는 CMP-공정을 통해 40nm 미만의 거칠기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.
13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡 웨이퍼(14)는 양극 본딩에 의해 베이스 웨이퍼(12)와 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 양극 본딩은 약 400 ℃의 온도 및 100 내지 1000V의 전압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.
15. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡 웨이퍼(14) 안에는 관통구 또는 홈(32)들이 에칭을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 관통구 또는 홈(32)들은 초음파 제거 방법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 컴포넌트 제조 방법.