KR100665427B1 - 실리콘 디바이스 - Google Patents

실리콘 디바이스 Download PDF

Info

Publication number
KR100665427B1
KR100665427B1 KR1020037002068A KR20037002068A KR100665427B1 KR 100665427 B1 KR100665427 B1 KR 100665427B1 KR 1020037002068 A KR1020037002068 A KR 1020037002068A KR 20037002068 A KR20037002068 A KR 20037002068A KR 100665427 B1 KR100665427 B1 KR 100665427B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
insulating substrate
bonded
shaped structure
cantilever
Prior art date
Application number
KR1020037002068A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20030027950A (ko
Inventor
요시다유키히사
구마가이무네히토
츠츠미가즈히코
Original Assignee
미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 filed Critical 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Publication of KR20030027950A publication Critical patent/KR20030027950A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100665427B1 publication Critical patent/KR100665427B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/02—Housings
    • G01P1/023—Housings for acceleration measuring devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness
    • Y10T428/24612—Composite web or sheet

Abstract

절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되는 실리콘 디바이스에 관한 것이다. 빔 형상 구조체는, 절연성 기판에 접합된 지지부와, 그 지지부와 일체 형성되고 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버로 구성되는, 적어도 하나의 기능부를 갖는다. 또한, 적어도 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면에, 프레임체와 도통하는 도전성막을 갖고 있다. 그 도전성막은 건식 에칭시에 절연성 기판의 표면이 양전하로 대전되는 것을 방지한다. 따라서, 양전하를 갖는 에칭 가스는, 절연성 기판의 표면으로부터 전기적 척력을 받아 반발하지 않으므로, 빔 형상 구조체를 침식하는 일이 없다. 따라서, 본 발명의 실리콘 디바이스는, 형상 및 치수 정밀도가 높은 빔 형상 구조체를 갖기 때문에, 높은 신뢰성과 설계 자유도를 제공할 수 있다.

Description

실리콘 디바이스{SILICON DEVICE}
본 발명은 관성력 센서 등에 사용되는 실리콘 디바이스로서, 절연성 기판과 그 절연성 기판상에 형성된 실리콘 빔(beam) 형상 구조체로 구성되는 실리콘 디바이스에 관한 것이다.
최근, 유도 결합형 플라즈마(ICP; inductively coupled plasma)를 활성원으로 하는 반응성 이온 에칭(RIE; reaction ion etching) 기술(이하, ICP-RIE법이라 함)에 의해, 실리콘을 100㎛ 이상 심굴(深掘)하는 것이 가능해졌다. 본 방법은 미세 기계 가공(micromachining)에 의한 디바이스 개발 분야에서, 높은 종횡비의 실리콘 구조체를 충분히 빠른 에칭 속도로 제작하는 새로운 방법으로서 주목받고 있다. 종래, 실리콘 기판의 심굴 에칭 방법으로는, 알칼리 용액을 사용한 습식 에칭법이 주류였다. 그러나, 습식 에칭법에 있어서는, 에칭 방향이 실리콘의 결정 방향에 의존하기 때문에, 소망하는 구조체를 제작하기 어려웠다. 한편, ICP-RIE법은 건식 에칭법이기 때문에, 에칭 이방성이 없다. 그렇기 때문에, ICP-RIE법은 습식 에칭법에 비해, 구조체 형상의 설계 자유도를 특히 증가시킨다는 이점을 갖고 있다.
그러나, 실리콘 캔틸레버(cantilever)나 단순 빔(simple beam) 등의 실리콘 빔 형상 구조가 유리 등의 절연성 기판에 지지된 구조를 갖는 가속도 센서나 각속도 센서 등의 관성력 센서를 ICP-RIE법을 사용하여 제작하는 경우, 이하와 같은 문제가 있었다.
종래의 실리콘 디바이스의 기본적인 구조의 일례로서 관성력 센서(100)의 구조를 도 12에, 그리고 그 관성력 센서(100)의 종래의 제조 공정을 도 13a 내지 도 13f에 도시한다. 동일한 제작 방법은, 예컨대 이하의 문헌에 기재되어 있다.
Z.Xiao et al., Proc. of Transducers'99, pp.1518-1521, S.Kobayashi et al., Proc. of Transducers'99, pp.910-913.
여기서, 도 12는 모식적인 평면도이고, 도 13f는 도 12의 XIII-XIII'선에 있어서의 단면도이다. 관성력 센서(100)는, 표면에 오목부(102)를 갖는 절연체 기판(101)과, 절연체 기판(101)의 표면에 오목부를 삽입하도록 접합된 실리콘 빔 형상 구조체(104)와, 실리콘 빔 형상 구조체(104)를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판(101)에 접합된 프레임체(108)로 구성된다. 또한, 빔 형상 구조체(104)는 2개의 전극부(105, 105')로 구성된다. 그리고, 전극부(105, 105')는 각각 지지부(106) 및 복수의 캔틸레버(107)와, 지지부(106') 및 복수의 캔틸레버(107')로 구성된다. 캔틸레버(107, 107')는 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록 설치되어 있다.
도 13a는 실리콘 기판(103)을 준비하는 공정, 도 13b는 유리 기판(101)을 준 비하는 공정을 나타내고 있다. 도 13c는 사진 제판(photolithography)에 의해 마스크층을 유리 기판(101)의 표면에 형성하고, 계속해서 유리 기판(101)의 표면을 플루오르화 수소산의 희석액 등으로 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도 에칭하여 오목부(102)를 형성하는 공정을 나타내고 있다. 도 13d는 유리 기판(101)의 표면에 실리콘 기판(103)을 양극 접합법에 의해 접합하는 공정을 나타내고 있다. 도 13e는 실리콘 기판(103)의 표면에, 도 12의 빔 형상 구조체(104)의 평면도의 형상에 따른 마스크층(109)을 사진 제판에 의해 형성하는 공정을 나타내고 있다. 도 13f는 ICP-RIE법에 의해 실리콘 기판(103)을 관통할 때까지 에칭하여, 실리콘 구조의 빔 형상 구조체(104)와 프레임체(108)를 형성하는 공정을 나타내고 있다. 그 후, 실리콘 기판의 표면에 잔존하는 레지스트를 제거한다.
여기서, 도 13f에 나타내는 공정에는 이하에 설명하는 문제가 있다. 도 13e에 나타내는 마스크층(109)은, 일반적으로 개구폭이 넓은 개구부와 좁은 개구부를 갖고 있다. 따라서, 마스크층(109)을 갖는 실리콘 기판(103)을 ICP-RIE법 등의 건식 에칭에 의해 에칭하는 경우, 마이크로 로딩 효과에 의해 개구폭이 넓은 개구부의 실리콘 기판이 개구폭이 좁은 개구부의 실리콘 기판보다 빨리 에칭된다. 따라서, 실리콘 기판(103) 중에 개구폭이 넓은 개구부는, 개구폭이 좁은 개구부에 비해 빨리 관통된다. 이 때, 실리콘 기판(103)이 빨리 관통된 부분으로부터, 유리 기판(101)의 오목부(102)와 실리콘 기판(103)의 이면(裏面) 사이에 에칭 가스가 침입한다. 이렇게 침입한 에칭 가스는, 가장 좁은 개구폭의 개구부가 완전히 관통될 때까지 실리콘 기판(103)의 이면을 침식하기 때문에, 결과적으로 지지부(106)의 측벽이나 캔틸레버(107)의 바닥면이나 측벽이 침식된다. 그 때문에, 빔 형상 구조체(104)의 치수에 설계값으로부터 큰 편차가 생겨, 디바이스로서 목적하는 특성을 얻을 수 없게 되어 신뢰성이 저하한다는 문제가 있었다.
본 출원인은, 그 문제의 원인이, 양전하를 갖는 에칭 가스에 의해 절연성 기판의 오목부가 양전하로 대전되기 때문이라는 것을 발견하고, 지지부와 전기적으로 도통하는 도전성막을 오목부에 설치함으로써, 실리콘 빔 형상 구조체의 침식을 억제하는 방법을 제안하였다(M.Chabloz, J.Jiao, Y.Yoshida, T.Matsuura, K.Tsutsumi, A Method to Evade Microloading　Effect　in　Deep　Reactive　Ion　Etching　for　Anodically Bonded Glass-Silicon Structures, Proc.MEMS2000, pp.283-287, Miyazaki, Japan, 2000). 그러나, 신뢰성의 향상을 위해, 실리콘 빔 형상 구조체의 침식의 억제가 한층 더 필요하게 된다.
또한, 마이크로 로딩 효과를 방지하기 위해서, 개구 사이즈를 동일하게 하고자 하는 경우, 디바이스 구조의 설계 자유도가 현저히 저하한다는 문제도 있었다.
또한, 설계에 있어서, 개구폭을 동일하게 하여도, 실제 가공에서는, 지지부나 캔틸레버부의 침식을 완전히 억제하기에는 곤란한 문제가 있었다. 왜냐하면, 관통을 확실하게 하기 위해서 약간 오버에칭하는 것이 통상적이기 때문이다. 예컨대, 가속도 센서에는, 가동 전극부의 캔틸레버와, 고정 전극부의 캔틸레버가 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록, 또한 그 미소 간극이 교대로 넓은 폭과 좁은 폭을 반복하도록 형성되어 있다. 폭이 좁은 영역의 간극 거리에 대한 폭이 넓은 영역의 간극 거리의 비가 커질수록, 센서의 감도는 향상한다. 그러나, 이 비가 커지면, 마이크로 로딩 효과에 의해, 에칭 속도의 면내 분포가 보다 불균일해지고, 폭이 좁은 영역의 에칭 속도가 저하한다. 그 때문에, 폭이 좁은 간극 영역에는 오버에칭이 필요하게 되고, 에칭시의 실리콘 기판 이면의 손상이 커진다.
따라서, 본 발명의 목적은, 마이크로 로딩 효과에 기인하는 실리콘 빔 형상 구조체의 침식을 억제하여, 보다 높은 신뢰성을 갖는 동시에, 디바이스 구조의 설계 자유도를 갖는 실리콘 디바이스를 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 실리콘 디바이스는, 절연성 기판과, 상기 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 상기 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 상기 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 상기 빔 형상 구조체가 상기 절연성 기판에 접합된 지지부와, 상기 지지부와 일체 형성되어 상기 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버로 구성되는, 적어도 하나의 기능부를 갖는 실리콘 디바이스에 있어서, 상기 프레임체와 전기적으로 도통하고, 적어도 상기 캔틸레버의 바로 하측의 상기 절연성 기판의 표면에 형성된 도전성막을 갖는다.
건식 에칭에 의한 실리콘 기판의 에칭 기구는, 양전하를 갖는 활성화 이온이 실리콘 기판 바로 위에 형성된 부 바이어스(negative bias)로 가속되어, 충분한 에너지를 갖고 실리콘 기판에 충돌하는 것이다. ICP-RIE법의 경우, 활성화된 에칭 가스는, 통상 불화유황 이온(SFx+)이다. 이것은 실리콘과 반응함으로써 불화 실리콘(SiFx)으로 되어 외부로 방출된다. 또한 실리콘 기판 바로 위의 부 바이어스는, 실리콘 기판이 설치되는 음극을 겸하는 기판 홀더에 고주파를 인가함으로써 형성된다. 따라서, 실리콘 기판의 이면이 침식되는 원인은, 실리콘 기판의 이면과 절연성 기판의 오목부와의 간극에 침입한 SFx+가 절연성 기판면에서 반발(repulse)되어, 실리콘 기판의 이면에 충돌하기 때문인 것으로 생각된다. 여기서, 절연성 기판면에서 발생하는 SFx+의 반발에는 운동론적인 산란 이외에, 전기적 척력에 의한 것을 고려할 수 있다.
도 9a와 도 9b는 오목부를 갖는 절연성 기판(51)의 표면에, 오목부(52)를 삽입하도록 접합된 실리콘 기판(53)을 도시하는 모식적 단면도이며, 실리콘 기판(53)이 건식 에칭되어 있는 상태를 나타내고 있다. 실리콘 기판(53)의 표면에는 기능부 형성용 마스크층(59)이 형성되어 있다. 실리콘 기판(53)은 건식 에칭되고, 실리콘 빔 형상 구조체(56)와 프레임체(58)가 되며, 또한 실리콘 빔 형상 구조체(56)는 가동 전극부(57)와 고정 전극부(57')가 된다. 여기서, 가동 전극부(57)는 캔틸레버(572, 572)와 그 캔틸레버를 지지하는 지지부(571)로 구성되고, 고정 전극부(57')는 캔틸레버(572', 572')와 이 캔틸레버를 지지하는 지지부(571')로 구성된다.
건식 에칭시에는 수회 충돌하는 에칭 가스, 예컨대 SFx+(61)에 의해, 절연성 기판(51)의 오목부(52)의 표면이 양전하(62)로 대전된다. 양으로 대전된 오목부(52)의 표면은, 다음에 날아오는 SFx+(61)를 배척한다. 척력을 받은 SFx+(61)는 오목부(52)에 도달하기 전에 그 운동 방향을 변경할 수 있고 실리콘 기판(53)의 이면에 충돌하여 캔틸레버(572, 572')를 침식한다. 또한, 본래 절연성 기판(51)에 대하여 수직으로 입사하도록 되어 있는 SFx+(61)가, 표면이 양으로 대전된 오목부(52)에 의해 그 궤도를 휘게 할 수 있고, 지지부(571, 571')의 측벽에 충돌하여 침식하는 것도 고려할 수 있다. 따라서, 실리콘 기판(53)의 이면 또는 지지부(571, 571')의 침식을 억제하기 위해서는, 절연성 기판(51)의 오목부(52)의 표면이 양으로 대전되는 것을 방지하는 것이 효과적인 수단이다.
도 10a와 도 10b는 상기 M.Chabloz 등의 제안에 따른 실리콘 디바이스의 구조를 나타내는 모식적 단면도이며, 도통부(55a)를 거쳐 지지부(571)와 전기적으로 도통하는 도전성막(54)을 오목부의 표면에 설치한 이외에는, 도 9a와 동일한 구조를 갖고 있다. 에칭 가스(61)가 도전성막(54)에 충돌하면, 그 전하는 지지부(571)를 통해 누설되어 불활성화한다. 또한, 건식 에칭시에는, 실리콘 기판(51)은 기판 홀더(도시하지 않음)와 동일 전위이며, 음의 전위로 유지되어 있다. 그렇기 때문에, 에칭 가스가 도전성막(54)에 충돌하면, 그 전하가 중화되어 에칭 가스의 불활성화가 촉진된다. 이로써, 실리콘 기판(53) 이면의 침식을 대폭적으로 억제할 수 있다. 그러나, 도 10b에 도시하는 바와 같이, 캔틸레버(572')는 캔틸레버(572)에 비해 작게 되어 있었다. 이것은 도전성막(54)으로부터 지지부(571)를 통해 이동한 양전하(62)가 캔틸레버(572)를 양으로 대전시키기 때문에, 캔틸레버(572)의 근방을 통과하는 에칭 가스는 그 척력을 받아 캔틸레버(572')에 충돌하여 침식할 것으로 생각된다. 실리콘 캔틸레버의 대전이 주는 손상은, 절연성 기판의 대전이 주는 손상에 비해 작지만, 마스크 패턴에 따라서는, 캔틸레버의 조인트 부분에 손상을 주는 경우도 있어, 신뢰성에 저하를 가져올 가능성이 있다.
한편, 본 발명에 있어서는, 도 11a와 도 11b에 도시하는 바와 같이, 도통부(55b)를 거쳐 프레임체(58)와 전기적으로 도통하는 도전성막(54)을 오목부의 표면에 설치하고 있다. 프레임체(58)는 실리콘 빔 형상 구조체(54)와 이격하여 절연성 기판(51)에 접합되어 있기 때문에, 도전성막(54)으로부터의 양전하가 캔틸레버로 이동하는 일이 없다. 또한, 프레임체(58)의 근방에는 가공 정밀도가 요구되는 캔틸레버 등의 미세 구조물은 존재하지 않는다. 따라서, 프레임체(58)가 대전되어도, 이들 미세 구조물에 손상을 주는 일은 없다.
또한, 프레임체(58)는 웨이퍼 공정이 완료하여 다이싱(dicing)에 의해 소자별로 분할될 때까지, 인접하는 소자의 프레임체와 연결되어 있고, 웨이퍼내의 독립된 실리콘 구조체로서 가장 큰 체적을 갖고 있다. 따라서, 웨이퍼내의 다른 실리콘 구조체에 접속한 경우에 비해, 체적당 전하(체적 전하 밀도)를 가장 작게 할 수 있다. 이로써, 근방을 통과하는 에칭 가스에 대한 척력의 발생을 최소한으로 억제하는 것이 가능해지고, 에칭 가스에 의한 실리콘 빔 형상 구조체로의 침식을 한층 더 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 디바이스는, 빔 형상 구조체로서, 전기적으로 분리되어 대략 동일한 체적을 갖는 2 이상의 기능부로 구성되는 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 디바이스는, 절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 빔 형상 구조체가 가동 전극부와 고정 전극부로 구성되며, 그 가동 전극부 및 고정 전극부가, 각각 절연성 기판에 접합된 지지부와, 그 지지부와 일체 형성되어 공극부로 연장 돌출된 복수의 캔틸레버가 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록 설치되는 가속도 센서에 있어서, 프레임체와 전기적으로 도통하고, 적어도 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면에 형성된 도전성막을 갖는 가속도 센서이다.
또한, 상기 가속도 센서에 있어서, 가동 전극부와 고정 전극부의 체적이 대략 동일한 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 디바이스는 절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 빔 형상 구조체가 각각 공극부로 연장 돌출된 복수의 캔틸레버 전극으로 구성되는 빗살 형상 전극부를 갖는 가동 전극부와 고정 전극부를 가지며, 가동 전극부는 절연성 기판 표면의 수평 방향으로 진동 가능하게 프레임체에 지지되는 한편, 고정 전극부는 절연성 기판에 접합되고, 가동 전극부 및 고정 전극부의 캔틸레버가 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록 설치되는 각속도 센서에 있어서, 프레임체와 전기적으로 도통하고, 적어도 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면에 형성된 도전성막을 갖는 각속도 센서이다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 디바이스는, 절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 빔 형상 구조체가, 절연성 기판에 접합된 지지부와, 그 지지부와 일체 형성되어 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버로 구성되는, 적어도 하나의 기능부를 갖는 실리콘 디바이스에 있어서, 실리콘 빔 형상 구조체가 전기적으로 분리되어 체적이 다른 2 이상의 기능부로 구성되며, 가장 체적이 큰 기능부의 지지부와 전기적으로 도통하고, 적어도 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면에 형성된 도전성막을 갖는다. 가장 체적이 큰 기능부가 대전되었다고 해도, 체적 전하 밀도를 기능부중 가장 작게 할 수 있다. 이로써, 근방을 통과하는 에칭 가스에 대한 척력의 발생을 최소한으로 억제하는 것이 가능해지고, 에칭 가스에 의한 실리콘 빔 형상 구조체로의 침식을 한층 더 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 디바이스는, 절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 빔 형상 구조체가, 가동 전극부와 고정 전극부로 구성되며, 그 가동 전극부 및 고정 전극부가, 각각 절연성 기판에 접합된 지지부와, 그 지지부와 일체 형성되어 공극부로 연장 돌출된 복수의 캔틸레버 전극으로 구성되는 빗살 형상의 전극부를 갖고, 가동 전극부 및 고정 전극부의 캔틸레버가 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록 설치되는 가속도 센서에 있어서, 가동 전극부와 고정 전극부의 체적이 상이하게 형성되어 있고, 그 가동 전극부 및 고정 전극부 중 체적이 큰 쪽의 지지부와 전기적으로 도통하며, 적어도 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면에 형성된 도전성막을 갖는 가속도 센서이다.
또한, 본 발명의 실리콘 디바이스는, 실리콘 기판으로서 실리콘 웨이퍼를 사용하여, 형성한 다수의 실리콘 디바이스를 다이싱에 의해 별개의 실리콘 디바이스로 분리함으로써 제작할 수 있다. 예컨대, 절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 빔 형상 구조체가 절연성 기판에 접합된 지지부와, 그 지지부와 일체 형성되어 상기 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버로 구성되는, 적어도 하나의 기능부를 갖는 실리콘 디바이스의 제조 방법에 있어서, 적어도 캔틸레버의 바로 아래에 위치하는 공극부의 표면에 도전성막을 형성하는 동시에, 그 도전성막을 공극부 주위의 표면으로 연장 돌출시켜서 프레임체와의 도통부를 형성하는 공정과, 실리콘 기판의 표면에 지지부의 형상에 따라 제 1 마스크층을 형성하는 공정과, 제 1 마스크층을 형성한 실리콘 기판의 표면을 에칭하여 지지부를 형성하는 공정과, 지지부를 갖는 실리콘 기판과 도전성막을 갖는 절연성 기판을, 표면끼리 대향하도록 접합하는 공정과, 접합된 실리콘 기판의 이면에 캔틸레버 형상에 따라 제 2 마스크층을 형성하는 공정과, 제 2 마스크층을 형성한 실리콘 기판의 이면을 건식 에칭에 의해 실리콘 기판을 관통하도록 에칭하고, 공극부상으로 연장 돌출된 소망하는 패턴의 캔틸레버를 형성하는 공정을 포함하는 제조 방법을 사용하여 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가속도 센서의 전체 구조를 나타내는 모식적인 분해 사시도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가속도 센서의 구조를 나타내는 도면으로서, 빔 형상 구조체를 추출한 평면도,
도 3a 내지 도 3k는, 제 1 실시예에 따른 가속도 센서의 제조 공정을 나타내는 모식 단면도이며, 도 3k는 도 2의 III-III'선 단면도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가속도 센서의 구조를 나타내는 모식적인 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가속도 센서의 구조를 나타내는 모식적인 분해 사시도,
도 6a 내지 도 6i는 제 3 실시예에 따른 가속도 센서의 제조 공정을 나타내는 모식 단면도이며, 도 6i는 도 5의 VI-VI'선 단면도,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 각속도 센서의 구조를 나타내는 분해 사시도,
도 8은 제 4 실시예에 따른 각속도 센서의 구조를 나타내는 도면으로서, 도 7의 VIII-VIII'선 단면도임,
도 9a와 도 9b는 본 발명의 작용 원리를 나타내는 도면(부분 1)
도 10a와 도 10b는 본 발명의 작용 원리를 나타내는 도면(부분 2),
도 11a와 도 11b는 본 발명의 작용 원리를 나타내는 도면(부분 3),
도 12는 종래의 실리콘 디바이스의 구조를 나타내는 도면으로서, 기본적인 구조의 빔 형상 구조체를 추출한 평면도,
도 13a 내지 도 13f는 도 12의 실리콘 디바이스의 제조 공정을 나타내는 모식적 단면도이며, 도 13f는 도 12의 XIII-XIII'선 단면도.
제 1 실시예
본 발명의 실리콘 디바이스의 일례로서, 가속도 센서에의 응용예에 대하여 설명한다.
도 1의 분해 사시도에 도시하는 바와 같이, 가속도 센서(1)는 실리콘 빔 형상 구조체(21a)와, 표면에 공극부를 형성하는 오목부(3)를 갖는 하부 유리 기판(2)과, 표면에 오목부(7)를 갖는 상부 유리 기판(6)으로 구성된다. 그리고, 가속도 센서(1)는, 오목부(3)와 오목부(7)가 대향하도록, 빔 형상 구조체(21a)를 하부 유리 기판(2)과 상부 유리 기판(6)에 삽입하여 접합한 구조를 갖고, 가속도 센서(1)는 기밀하게 밀봉되어 있다. 여기서, 상부 유리 기판(6)은 기판을 관통하는 외부 회로 접속용의 전극 인출부(9, 10)를 갖고, 그 전극 인출부(9, 10)는 빔 형상 구조체(21a)의 금속 전극(13, 14)과 각각 접촉하여, 전기적으로 도통하고 있다. 빔 형상 구조체(21a)는 가동 전극부(22a)와 고정 전극부(23a, 23a)의 2개의 기능부로 구성된다. 도전성막(4)은 하부 유리 기판(2)의 오목부(3)의 전면에 형성되어 있고, 그 일부는 오목부(3) 주위의 표면으로 연장 돌출되며, 프레임체(24a)와의 도통을 확보하는 도통부(5a)를 구성하고 있다. 도통부(5a)는 프레임체(24a)의 바로 아래에 오도록 하부 유리 기판(2)에 접합되어 있다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 가동 전극부(22a)는 기부(基部)(27a)의 장방향 양측으로 등간격으로 설치되고, 기부(27a)로부터 오목부(3)상으로 연장 돌출된 복수의 캔틸레버(26a)로 구성되는 2개의 빗살 형상 전극부(25a)와, 기부(27a)의 양단부에 접속되어 빗살 형상 전극부(25a, 25a)의 상하 방향의 변위를 규제하는 내충격용 스토퍼(28a, 28a)와, 내충격용 스토퍼(28a, 28a)와 연결되어 빗살 형상 전극부(25a)와 내충격용 스토퍼(28a, 28a)를 지지하는 2개의 빔부(29a, 29a)와, 그리고 빔부(29a, 29a)를 지지하여 유리 기판(2)에 접합된 지지부(30a, 30a)로 구성되며, 이들이 일체 형성되어 있다. 여기서, 내충격용 스토퍼(28a)는 강한 충격에 대한 빔부(29a, 29a)나 빗살 형상 전극부(25a, 25a)의 파손을 방지하는 효과도 갖는다.
한편, 고정 전극부(23a, 23a')는 각각 오목부(3)상으로 연장 돌출되어 빗살 형상 전극부(25a)의 복수의 캔틸레버(26a)와 미소 간극을 거쳐 대향하도록 설치된 복수의 캔틸레버(31a)로 구성되는 빗살 형상 전극부(31)를 갖고 있다. 또한, 고정 전극부(23a)는 빗살 형상 전극부(31)를 지지하며 기부를 겸하는 지지부(32a)를 거쳐 하부 유리 기판(2)에 접합되고, 고정 전극부(23a')는 빗살 형상 전극부(31)를 지지하여 기부를 겸하는 지지부(34a)를 거쳐 하부 유리 기판(2)에 접합되어 있다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 상부 유리 기판(6)의 오목부(7)에는 금속막(8)이 형성되어 있다. 금속막(8)은 실리콘 빔 형상 구조체(21)와 상부 유리 기판(6)을 양극 접합할 때에, 이미 형성되어 있는 가동 전극부(22)가 상부 유리 기판(6)에 부착되는(sticking) 것을 방지한다.
여기서, 본 센서가 검지하는 가속도의 방향은, 실리콘 기판면내에 있는 화살표(A)의 방향이다. 복수의 캔틸레버로 구성된 빗살 형상 전극부(25a, 25a)와 빗살 형상 전극부(31, 31)는 한정된 센서 면적내에서 정전 용량 변화에 비례하는 전극의 대향 면적을 매우 크게 하는 데 기여한다. 가속도가 가해지면, 가동 전극부(22a)의 기부(27a)가 화살표(A) 방향(주축 방향)으로 변위하고, 빗살 형상 전극부(25a)의 캔틸레버(26a)와 빗살 형상 전극부(31)의 캔틸레버(31a)의 간격이 변화된다. 이 간격의 변화는 정전 용량의 변화를 가져온다. 이 정전 용량의 변화는 센서 외부의 C-V 변환기를 거쳐 가속도에 비례한 전압으로서 출력된다. 본 실시예에서는 2세트의 빗살 형상 전극부(25a, 31)의 조합을 사용하도록 하여 차동 방식 검출로 했기 때문에, 출력의 선형성을 높일 수 있다.
다음으로, 도 3a 내지 도 13k를 참조하여, 본 실시예에 따른 가속도 센서의 제조 방법의 일례를 설명한다. 도 3a 내지 도 3d에 나타내는 공정에서는, 실리콘 기판의 표면이 가공되어 빔 형상 구조체의 지지부가 형성되고, 도 3e 내지 도 3h에 나타내는 공정에서는, 하부 유리 기판에 도전성막이 형성된다. 그리고, 도 3i 내지 도 3k에 나타내는 공정으로 실리콘 기판과 하부 유리 기판이 접합되며, 또한 실 리콘 기판이 가공되어 빔 형상 구조체의 빗살 형상 전극부가 형성된다. 그리고, 가공된 상부 유리 기판이 빔 형상 구조체상에 접합되고, 상기 유리 기판에는 전극 인출부가 형성되며, 이어서 다이싱에 의해 별개의 가속도 센서로 분리되어, 도 1에 대응하는 구조를 갖는 가속도 센서가 제작된다. 여기서, 실리콘 기판의 표면이란 하부 유리 기판과 접합하는 측의 면을 말한다.
이하, 각 공정에 대하여, 상세히 설명한다.
도 3a에 나타내는 공정에서는, 표면에 1㎛의 열 산화막(33)을 갖는 실리콘 웨이퍼인 실리콘 기판(20)(두께 400㎛)을 준비한다. 도 3b에 나타내는 공정에서는, 실리콘 기판(20)의 한쪽면의 열 산화막(33)을 완충 플루오르화 수소산으로 제거한다. 도 3c에 나타낸 공정에서는, 실리콘 기판(20)의 열 산화막을 제거한 면에 사진 제판에 의해 지지부의 형상에 따른 레지스트로 구성되는 제 1 마스크층(35)을 형성한다. 도 3d에 나타내는 공정에서는, ICP-RIE법에 의한 건식 에칭에 의해 제 1 마스크층(35)을 갖는 실리콘 기판(20)이 깊이 250㎛까지 에칭된다. 그 후, 표면에 잔존하는 레지스트가 제거되고, 프레임체(24a), 지지부(32a), 그리고 내충격용 스토퍼(28a)를 형성한다.
이어서, 도 3e에 나타내는 공정에서는, 하부 유리 기판(2)(두께 400㎛)을 준비한다. 도 3f에 나타내는 공정에서는, 하부 유리 기판(2)의 표면을 사진 제판하여, 오목부 형성용의 레지스트로 구성되는 마스크층(12)을 형성한다. 도 3g에 나타내는 공정에서는, 플루오르화 수소산 10% 수용액에 의해 하부 유리 기판(2)의 표면을 20㎛ 에칭하여, 오목부(3)를 형성한다. 이 오목부(3)는 실리콘 기판(20)과 하부 유리 기판(2)을 접합시켰을 때의 공극부를 구성한다. 이어서, 도 3h에 나타내는 공정에서 사진 제판에 의해 Cr막을 성막하고, 오목부(3)의 전면, 및 오목부(3) 주위의 표면의 일부로 연장 돌출되는, Cr로 구성되는 도전성막(4)을 형성한다. 오목부(3) 주위의 일부로 연장 돌출된 도전성막(4)은 실리콘 기판(20)과 전기적으로 도통하는 도통부(5a)를 형성한다.
이어서, 도 3i에 나타내는 공정에서는, 하부 유리 기판(2)의 표면과 실리콘 기판(20)의 표면을 양극 접합법을 사용하여 접합한다. 여기서, 지지부(34a)의 도통부(5a)의 바로 위에 위치하는 부분은, 도 3d에 나타내는 공정에 있어서 미리 에칭되어 제거되어 있고, 도통부(5a)는 지지부(34a)와 접촉하지 않고 프레임체(24a)에 접합된다. 도 3j에 나타내는 공정에서는, 실리콘 기판(20)의 이면이 사진 제판되고, 레지스트로 구성되는 제 2 마스크층(35)이 형성된다. 그 후, 전자 사이클로트론 공명 반응성 이온 에칭 방법(이하, ECR-RIE법이라 약칭함)에 의해 열 산화막 마스크(33')가 형성된다. 그리고, 도 3k에 나타내는 공정에서는, 제 2 마스크층(35)과 열 산화막 마스크(33')를 마스크로 하고, ICP-RIE법에 의해 실리콘 기판(20)의 이면을 적어도 150㎛의 깊이로 에칭한다. 이로써, 실리콘 기판(20)을 관통시켜, 가동 전극부(22a), 고정 전극부(23a) 및 프레임체(24a)를 형성한다. 가동 전극부(22a)의 캔틸레버(26a)와, 고정 전극부(23a)의 캔틸레버(31a)는 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록, 또한 그 미소 간극을 교대로 넓은 폭과 좁은 폭을 반복하도록 형성한다. 그 후, 실리콘 기판(20)의 이면에 잔존하는 열 산화막(33)은 ECR-RIE법에 의해 제거된다. 또한, 에칭의 깊이 150㎛는 실리콘 기판(20)의 두께 400㎛에서, 도 3d에 나타내는 공정에 있어서의 에칭 깊이 250㎛을 뺀 값이다.
한편, 상부 유리 기판(6)의 표면에는, 도 3e 내지 도 3h에 도시하는 것과 동일한 방법에 의해, 깊이 20㎛의 오목부(7)를 형성한다. 이어서, 오목부(7)의 표면에 사진 제판에 의해 Cr막을 성막하고, Cr로 구성되는 스티킹 방지막(8)을 형성한다. 그리고, 상부 유리 기판(6)에 모래 블라스팅(sand blasting)에 의해 관통 구멍으로 구성되는 전극 인출부(10)를 설치한다.
이어서, 실리콘 기판(20)의 이면과 상부 유리 기판(6)의 표면을 양극 접합에 의해 접합하고, 전극 인출부(10)에 Pt로 구성된 전극막을 형성한다. 그리고, 웨이퍼를 다이싱하여 가속도 센서(1)를 분리한다.
본 실시예에 의하면, 프레임체(24a)와 도통한 도전성막(4)은, 가동 전극부(22a)나 고정 전극부(23a) 등을 ICP-RIE법을 사용하여 형성하는 경우에, 오목부(3)의 표면이 양으로 대전되는 것을 방지하는 대전 방지막으로서 작용한다. 즉, 양전하를 갖는 에칭 가스는, 건식 에칭시에 있어서, 도전성막(4)에 충돌한다. 그 때, 에칭 가스의 양전하는 도전성막(4)과 프레임체(24a)를 거쳐 누설하고, 또한 프레임체(24a)의 음전위에 의해 전하가 중화된다. 따라서, 양전하를 갖는 에칭 가스가 오목부(3)의 전기적 척력을 받아, 실리콘 기판의 표면에 충돌하는 일이 없기 때문에, 빗살 형상 전극부(25a, 31)나 내충격용 스토퍼(28a, 28a), 그리고 지지부(32a, 34a)의 측벽이 침식되는 경우가 없다.
또한, 프레임체(24a)와 빗살 형상 전극부(25a, 31)나 빔부(29a) 등의 높은 정밀도가 요구되는 미세 구조물 사이에는, 지지부(32a, 34a)가 설치되어 있다. 따 라서, 만약 프레임체(24a)에 양전하가 대전되었다고 해도, 정밀도가 그리 요구되지 않는 지지부(32a, 34a)가 손상을 받을 뿐이며, 상기 미세 구조물이 손상을 받을 일은 없다.
또한, 가동 전극부(22a)나 고정 전극부(23a) 등을 ICP-RIE법을 사용하여 형성할 때, 인접하는 센서의 프레임체는 연속하고 있다. 그 때문에, 웨이퍼내에서는 빔 형상 구조체나 프레임체를 포함하는 실리콘 구조체 중에 최대 체적을 갖고 있다. 따라서, 프레임체가 양전하로 대전되었다고 해도, 체적 전하 밀도는 웨이퍼내에 최소로 된다. 이로써, 프레임체의 근방을 에칭 가스가 통과하여도, 척력의 발생을 최소한으로 억제하는 것이 가능해진다.
따라서, 본 실시예의 가속도 센서는, 빗살 형상 전극부의 복수의 캔틸레버의 간극이 고정밀도로 형성되고, 또한 가동 전극부나 고정 전극부의 중량이 소망하는 값으로 제어 가능하기 때문에, 센서의 감도 저하나 센서별 특성의 편차가 적다는 특징을 갖는다.
본 실시예에 따른 가속도 센서에 사용하는 도전성막에 사용 가능한 도전성 재료로는, 크롬, 알루미늄, 니켈, 탄탈, 백금, 니켈, 금 등의 증착 가능한 금속을 들 수 있지만, 유리 기판에 대한 밀착성이 우수한 크롬이 바람직하다. 또한, 센서 내부의 가시광에 의한 투과성을 구한다면, 도전성을 가지며 또한 투명한 인듐·주석 산화물(ITO)도 적용 가능하다. 또한, 도전성막의 두께는 10㎚ 내지 1㎛, 바람직하게는 200㎚ 내지 500㎚이다. 1O㎚보다 얇으면 반응성 에칭시의 내구성이 충분하지 않고, 1㎛를 초과하면 막의 형성에 장시간이 필요하기 때문이다.
또한, 절연성 기판으로는, 소망하는 형상으로 가공 가능하면 어떤 절연체도 사용할 수 있지만, 유리 기판이 바람직하다.
또한, 본 실시예에서는, 하부 유리 기판에 오목부를 설치하고, 그 오목부를 실리콘 기판 사이의 공극부로 한 경우를 나타내었다. 그러나, 하부 유리 기판에 오목부를 설치하지 않고, 하부 유리 기판의 평탄면에 도전성막을 형성하며, 실리콘 기판의 내충격 스토퍼의 선단부를 에칭에 의해 제거하여, 하부 유리 기판 사이의 공극부를 형성한 경우에 있어서도, 본 실시예와 동일한 효과를 갖는다.
제 2 실시예
본 실시예에 따른 실리콘 디바이스는, 실리콘 빔 형상 구조체를 구성하는, 가동 전극부와 고정 전극부의 체적을 대략 동일하게 한 이외에는, 제 1 실시예와 동일한 구성을 갖는다.
도 4는 본 실시예에 따른 가속도 센서의 구조를 나타내는 분해 사시도이다. 가동 전극부(22c)와 고정 전극부(23c)의 체적을 동일하게 하기 위해서는, 가동 전극부(22c) 및 고정 전극부(23c)의 각 지지부의 치수 및 형상을 변경함으로써 실행한다. 지지부의 치수와 형상을 변경해도, 센서의 특성에는 영향을 주지 않기 때문이다.
배경기술에서 설명한 바와 같이, 가속도 센서에서는 폭이 좁은 영역의 간극 거리에 대한 폭이 넓은 영역의 간극 거리의 비가 커질수록, 센서의 감도는 향상한다. 그러나, 이 비가 커지면, 마이크로 로딩 효과에 의해, 에칭 속도의 면 내분비가 보다 불균일해진다. 그렇기 때문에, 폭이 좁은 간극의 영역에는 오버에칭이 필요하게 되지만, 오버에칭에 의해 실리콘 기판 이면의 손상이 커진다. 또한, 본 출원인은 오버에칭의 시간이 길어지면, 분리된 실리콘 빔 형상 구조체 자체도 양전하로 대전되는 것을 발견하였다. 그렇기 때문에, 오버에칭의 시간이 길어지면, 가동 전극부와 고정 전극부의 체적이 다른 경우, 체적이 작은 전극부의 체적 전하 밀도가 커져, 그 체적이 작은 전극부 근방을 통과하는 에칭 가스에 큰 척력을 부여하게 된다. 그러나, 본 실시예에서는, 가동 전극부와 고정 전극부의 체적을 동일하게 함으로써, 전극부의 체적 전하 밀도를 작게 할 수 있기 때문에, 전극부 근방을 통과하는 에칭 가스에 부여하는 척력을 보다 작게 하는 것이 가능해진다.
본 실시예에 의하면, 제 1 실시예에서 설명한 도전성막의 작용에 부가하여, 상기 전극부의 체적 전하 밀도를 작게 하는 작용을 갖기 때문에, 오버에칭이 필요한 경우라도, 실리콘 빔 형상 구조체의 침식을 억제할 수 있다.
제 3 실시예
본 실시예에 따른 실리콘 디바이스는, 실리콘 기판 이면의 에칭 공정(도 3d에 나타내는 공정에 대응함)을 실행하지 않고 제작되고, 제 1 실시예에 비해 얇으며, 예컨대 150㎛의 실리콘 기판을 사용하여, 프레임체가 아니라 지지부에 도전성막을 도통시키는 것 이외에는, 제 1 실시예와 동일한 구성을 갖는다.
도 5는 본 실시예에 따른 가속도 센서의 구조를 나타내는 분해 사시도이다. 실리콘 빔 형상 구조체(21b)와 프레임체(24b)의 두께를 제 1 실시예의 경우에 비해 얇게 하고, 가동 전극부(22b)의 지지부의 체적을 고정 전극부(23b)의 체적보다도 크게 한 구조로 되어 있다.
도 6a 내지 도 6i에 도 5의 가속도 센서의 제조 공정을 나타낸다. 도 6a에 나타내는 공정에서는, 표면에 1㎛의 열 산화막(33)을 갖는 실리콘 웨이퍼인 실리콘 기판(20)(두께 150㎛)을 준비한다. 도 6b에 나타내는 공정에서는, 실리콘 기판(20)의 한쪽면의 열 산화막(33)을 완충 플루오르화 수소산으로 제거한다. 실리콘 기판(20)의 열 산화막을 제거한 면의 에칭은 실행하지 않기 때문에, 제 1 실시예에 있어서의 도 3c 및 도 3d에 나타내는 공정은 불필요하다.
이어서, 도 6c에 나타내는 공정에서는, 하부 유리 기판(2)(두께 400㎛)을 준비한다. 도 6d에 나타낸 공정에서는, 하부 유리 기판(2)의 표면을 사진 제판하고, 오목부 형성용 레지스트로 구성되는 마스크층(12)을 형성한다. 도 6e에 나타내는 공정에서는, 플루오르화 수소산 10% 수용액에 의해 하부 유리 기판(2)의 표면을 20㎛ 에칭하여 오목부(3)를 형성한다. 이 오목부(3)는 실리콘 기판(20)과 하부 유리 기판(2)을 접합시켰을 때의 공극부를 구성한다. 이어서, 도 6f에 나타내는 공정으로 사진 제판에 의해 Cr막을 성막하고, 오목부(3)의 전면, 및 오목부(3) 주위의 표면의 일부로 연장 돌출되는, Cr로 구성되는 도전성막(4)을 형성한다. 오목부(3) 주위의 일부로 연장 돌출된 도전성막(4)은 실리콘 기판(20)과 전기적으로 도통하는 도통부(5b)를 형성한다.
이어서, 도 6g에 나타내는 공정에서는, 하부 유리 기판(2)의 표면과 실리콘 기판(20)의 표면을 양극 접합법을 사용하여 접합한다. 도 6h에 나타내는 공정에서는, 실리콘 기판(20)의 이면이 사진 제판되고, 레지스트로 구성되는 제 2 마스크층(35)이 형성된다. 그 후, ECR-RIE법에 의해 열 산화막 마스크(33')가 형 성된다. 그리고, 도 6i에 나타내는 공정에서는, 제 2 마스크층(35)과 열 산화막 마스크(33')를 마스크로 하여, ICP-RIE법에 의해 실리콘 기판(20)의 이면을 에칭한다. 이로써, 실리콘 기판(20)을 관통시켜, 빔 형상 구조체(21b)와 프레임체(24b)를 형성한다. 가동 전극부(22b)의 캔틸레버(26b)와 고정 전극부(31)의 캔틸레버(31b)를 서로 미소 간극을 거쳐 대향하도록, 또한 그 미소 간극이 교대로 넓은 폭과 좁은 폭을 반복하도록 형성한다. 가동 전극부(22b)의 지지부(34b)에는, 도통부(5b)가 직접 접합되어 있다. 그 후, 실리콘 기판(20)의 이면에 잔존하는 열 산화막(33)을 ECR-RIE법에 의해 제거한다.
한편, 상부 유리 기판(6)의 표면에는, 제 1 실시예의 도 3e 내지 도 3h에 나타내는 공정과 동일한 방법에 의해 오목부를 형성한다. 이어서, 오목부의 표면에 사진 제판에 의해 Cr막을 성막하고, Cr로 구성되는 스티킹 방지막을 형성한다. 그리고, 상부 유리 기판에 모래 분사에 의해 관통 구멍으로 구성되는 전극 인출부를 설치한다.
이어서, 실리콘 기판의 이면과 상부 유리 기판의 표면을 양극 접합에 의해 접합하고, 전극 인출부에 Pt로 구성되는 전극막을 형성한다. 그리고, 웨이퍼를 다이싱하여 가속도 센서를 분리한다.
본 실시예에 따른 가속도 센서는 도전성막(4)이 도통부(5b)를 거쳐 가동 전극부(22b)의 지지부(34b)에 접합되고, 또한 가동 전극부(22b)의 체적이 고정 전극부(23b)의 체적보다도 큰 구조를 갖고 있다. 따라서, 체적이 작은 고정 전극부(23b)에 도전성막(4)을 접합한 경우에 비해, 대전되는 양전하에 의한 체적 전하 밀도를 작게 하는 것이 가능해진다. 또한, 실리콘 기판 이면의 에칭 공정이 불필요하기 때문에, 양산성이 우수한 가속도 센서를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에서는, 가동 전극부의 체적을 고정 전극부의 체적보다도 크게 했지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 고정 전극부의 체적을 크게 하여 고정 전극부의 지지부에 도전성막을 접합할 수도 있고, 또한 고정 전극부나 가동 전극부 이외의 기능부의 체적을 크게 하여 그 기능부의 지지부에 도전성막을 접합할 수도 있다.
제 4 실시예
본 발명에 따른 실리콘 디바이스의 일례로서, 각속도 센서로의 응용예에 대하여 설명한다.
도 7은 각속도 센서의 구조를 나타내는 분해 사시도이고, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ'선 단면도이다.
각속도 센서(70)는 실리콘 빔 형상 구조체(71)와, 빔 형상 구조체(71)를 이격하여 둘러싸는 프레임체(74)와, 표면에 오목부(73)를 갖는 하부 유리 기판(72)과, 표면에 오목부를 갖는 상부 유리 기판(도시하지 않음)으로 구성된다.
또한, 빔 형상 구조체(71)는 하부 유리 기판(72)에 접합한 고정 전극부(86)와 그 주위에 설치한 가동 전극부(85)로 구성되는, 2세트의 측정부(90)를 갖고 있다. 그 2세트의 측정부(90)를 2개의 가동 전극부(85)를 연결하는 제 1 탄성 연결 부재(81)를 삽입하여 대칭으로 설치하고 있다.
고정 전극부(86)는 기부(87)와 그 기부(87)의 장방향의 양측면에 소정 간격 으로 설치한 복수의 캔틸레버(88)로 구성되는 양측 빗살 형상 전극부를 구성한다. 가동 전극부(85)는 기부(76)와 복수의 캔틸레버(77)로 구성되는, 2세트의 단측 빗살 형상 전극부(75)와, 그 2세트의 빗살 형상 전극부(75)를 빔부(79)를 거쳐 지지하는 진동 프레임(80)과, 그 진동 프레임(80)을 프레임체(74)에 진동 가능하게 연결하는 제 1 탄성 연결 부재(81) 및 제 2 탄성 연결 부재(78)로 구성되고, 이들은 모두 일체 형성되어 있다. 여기서, 2세트의 빗살 형상 전극부(75)는, 각각의 캔틸레버(77)가, 그 캔틸레버(77)의 선단이 대향하도록 설치되어 있다. 또한, 각 빗살 형상 전극부(75)에 있어서는, 캔틸레버(77)는 고정 전극부(86)의 캔틸레버(88)와 미소 간극을 거쳐 대향 가능하도록, 기부(76)의 장방향의 일측에 소정 간격으로 설치되어 있다.
또한, 하부 유리 기판(72)의 오목부(73)의 표면에 도전성막(84)을 성막하고, 오목부(73)의 주위로 연장 돌출된 도통부(65)를 프레임체(74)에 접합한다.
여기서, 도 7에 나타낸 좌표계를 사용하여 본 각속도 센서의 동작 원리를 설명한다. Z축 방향에 자계를 인가한 상태에서, 제 1 탄성 연결 부재(81)의 표면에 형성한 가진용 금속 배선(66)으로 소망의 전류를 흘린다. 이 때 X축 방향으로 로렌츠력(Lorentz force)이 발생하여, 가동 전극부(85)가 X축 방향으로 진동한다. 이 상태에서 Z축 주위로 각속도가 가해지면, 그 각속도의 크기에 비례한 코리올리력(Coriolis' force)이 Y축 방향으로 발생한다. 이 코리올리력을 가동 전극부(85)와 고정 전극부(86)의 각 캔틸레버 사이의 정전 용량의 변화로부터 검출한다. 제 2 탄성 연결 부재(78)의 표면에 형성한 금속 배선(67)은 가동 전극부(85)의 진동 상태를 상시 모니터하면서 금속 배선(66)에 흐르는 전류를 조정하기 위한 것이다. 제 1 탄성 연결부재(81)에 대하여 대칭으로 2세트의 가동 전극부(85, 85)가 설치되어 있고, 이들은 서로 반대 위상으로 진동한다. 2세트의 가동 전극부(85, 85)의 정전용량 변화를 차동 방식으로 검출하여, 출력의 선형성을 향상시키는 방법을 사용하고 있다. 또한, 프레임체(74)의 표면에 형성한 금속 전극(68)은, 접지용 전극이며, 부유 용량을 안정화시키기 위한 것이다.
본 실시예의 각속도 센서는, 절연성 기판의 오목부 표면에 프레임체와 전기적으로 도통하는 도전성막을 갖고 있고, 건식 에칭시의 절연체 기판의 대전을 방지할 수 있다. 이로써, 빗살 형상 전극부나 지지부가 침식되는 일이 없기 때문에, 형상 및 치수 정밀도가 높은 빔 형상 구조체를 형성할 수 있으며, 감도 저하나 센서마다의 특성의 편차가 적은 신뢰성이 높은 각속도 센서를 제공할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실리콘 디바이스는, 절연성 기판과, 그 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 그 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 그 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체로 구성되고, 상기 빔 형상 구조체가, 상기 절연성 기판에 접합된 지지부와, 그 지지부와 일체 형성되어 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버로 구성되는, 적어도 하나의 기능부를 갖는 실리콘 디바이스에 있어서, 프레임체와 전기적으로 도통하고, 적어도 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면에 형성된 도전성막을 갖고 있기 때문에, 절연성 기판의 대전을 방지하여, 건식 에칭시의 빔 형상 구조체의 손상을 대폭적으로 억제할 수 있다. 이로써, 보다 높은 신뢰성을 갖는 동시에, 디바이스 구조의 설계 자유도를 갖는 실리콘 디바이스, 예컨대 자동차의 자세 제어나 에어백 시스템의 충돌 검지 등에 사용되는 가속도 센서나 각속도 센서를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 실리콘 빔 형상 구조체를 구성하는 각 기능부의 체적을 대략 동일하게 함으로써, 오버에칭의 시간이 길어져도, 기능부의 체적 전하 밀도를 저하시킬 수 있다. 이로써, 건식 에칭시의 빔 형상 구조체의 손상을 한층 더 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실리콘 디바이스는, 실리콘 빔 형상 구조체를 구성하는 기능부 중에 가장 체적이 큰 기능부의 지지부에, 캔틸레버의 바로 아래의 절연성 기판의 표면(1)에 형성된 도전성막을 접합하고 있기 때문에, 그 기능부가 대전된 경우에 있어서도, 그 양전하의 대전에 의한 체적 전하 밀도를 작게 할 수 있다. 이로써, 보다 높은 신뢰성을 갖는 동시에 디바이스 구조의 설계 자유도를 갖는 실리콘 디바이스를 제공하는 것이 가능해진다.

Claims (7)

  1. 절연성 기판과, 상기 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 상기 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 상기 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체를 포함하는 실리콘 디바이스로서, 상기 빔 형상 구조체는, 상기 절연성 기판에 접합된 지지부 및 상기 지지부와 일체로 형성되어 상기 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버를 갖는 적어도 하나의 기능부를 구비하는, 실리콘 디바이스에 있어서,
    적어도 상기 캔틸레버 바로 아래의 상기 절연성 기판 표면에는 상기 프레임체와 전기적으로 도통하는 도전성막이 형성되어 있는
    실리콘 디바이스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 디바이스는 각속도 센서이며,
    상기 기능부는, 상기 공극부로 연장 돌출된 복수의 캔틸레버 전극으로 구성된 빗살 형상 전극부를 각각 갖는 가동 전극부와 고정 전극부를 구비하며,
    상기 가동 전극부는 절연성 기판의 표면의 수평 방향으로 진동 가능하게 프레임체에 지지되는 한편, 상기 고정 전극부는 절연성 기판에 접합되며, 가동 전극부 및 고정 전극부의 상기 캔틸레버가 서로 미소 간극을 두고 대향하도록 배치되어 구성되는
    실리콘 디바이스.
  6. 절연성 기판과, 상기 절연성 기판과의 사이에 공극부를 설치하여 접합된 실리콘 빔 형상 구조체와, 상기 빔 형상 구조체를 이격하여 둘러싸며 상기 절연성 기판에 접합된 실리콘 프레임체를 포함하는 실리콘 디바이스로서, 상기 빔 형상 구조체는, 상기 절연성 기판에 접합된 지지부 및 상기 지지부와 일체 형성되어 상기 공극부로 연장 돌출된 적어도 하나의 캔틸레버를 갖는 적어도 하나의 기능부를 구비하는, 실리콘 디바이스에 있어서,
    상기 빔 형상 구조체는 전기적으로 분리되고 체적이 다른 2 이상의 상기 기능부를 구비하고,
    적어도 상기 캔틸레버 바로 아래의 상기 절연성 기판 표면에는 가장 체적이 큰 기능부의 지지부와 전기적으로 도통하는 도전성막이 형성되어 있는
    실리콘 디바이스.
  7. 삭제
KR1020037002068A 2001-06-13 2001-06-13 실리콘 디바이스 KR100665427B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2001/004987 WO2002103368A1 (en) 2001-06-13 2001-06-13 Silicon device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030027950A KR20030027950A (ko) 2003-04-07
KR100665427B1 true KR100665427B1 (ko) 2007-01-04

Family

ID=11737426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020037002068A KR100665427B1 (ko) 2001-06-13 2001-06-13 실리콘 디바이스

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6759591B2 (ko)
EP (1) EP1396727A4 (ko)
JP (1) JPWO2002103368A1 (ko)
KR (1) KR100665427B1 (ko)
WO (1) WO2002103368A1 (ko)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4555612B2 (ja) * 2004-01-21 2010-10-06 セイコーインスツル株式会社 容量型力学量センサ
JP2006349563A (ja) * 2005-06-17 2006-12-28 Mitsubishi Electric Corp 慣性力センサ
US20070034007A1 (en) * 2005-08-12 2007-02-15 Cenk Acar Multi-axis micromachined accelerometer
JP4839747B2 (ja) * 2005-09-20 2011-12-21 三菱電機株式会社 静電容量型加速度センサ
US7525205B2 (en) * 2006-07-28 2009-04-28 Sanyo Electric Co., Ltd. Electric power generator
JP2008039593A (ja) * 2006-08-07 2008-02-21 Alps Electric Co Ltd 静電容量型加速度センサ
JP5105968B2 (ja) 2007-06-22 2012-12-26 株式会社日立製作所 角速度検出装置
JP4924238B2 (ja) * 2007-06-26 2012-04-25 大日本印刷株式会社 角速度センサの製造方法
JP2009216693A (ja) * 2008-02-13 2009-09-24 Denso Corp 物理量センサ
JP5318720B2 (ja) * 2009-09-30 2013-10-16 富士通テン株式会社 電子制御装置
JP5750867B2 (ja) * 2010-11-04 2015-07-22 セイコーエプソン株式会社 機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサーおよび電子機器
US9476711B2 (en) * 2013-06-24 2016-10-25 Freescale Semiconductor, Inc. Angular rate sensor with quadrature error compensation
WO2016103342A1 (ja) * 2014-12-24 2016-06-30 株式会社日立製作所 慣性センサおよびその製造方法
JP5949965B2 (ja) * 2015-01-07 2016-07-13 セイコーエプソン株式会社 機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサーおよび電子機器
JP6562878B2 (ja) * 2016-06-30 2019-08-21 株式会社東芝 角速度取得装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4241045C1 (de) 1992-12-05 1994-05-26 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium
DE4445553A1 (de) * 1993-12-21 1995-06-22 Nippon Denso Co Halbleiterbeschleunigungssensor
DE4432837B4 (de) * 1994-09-15 2004-05-13 Robert Bosch Gmbh Beschleunigungssensor und Meßverfahren
JPH08122359A (ja) * 1994-10-21 1996-05-17 Fuji Electric Co Ltd 半導体加速度センサとその製造方法および試験方法
JPH08321507A (ja) 1995-05-26 1996-12-03 Mitsubishi Electric Corp 配線層の形成方法
JPH1022270A (ja) 1996-07-05 1998-01-23 Sanyo Electric Co Ltd 半導体装置の製造方法
JPH11118826A (ja) 1997-10-08 1999-04-30 Aisin Seiki Co Ltd マイクロマシンセンサ
US6065341A (en) * 1998-02-18 2000-05-23 Denso Corporation Semiconductor physical quantity sensor with stopper portion
JPH11237402A (ja) * 1998-02-19 1999-08-31 Akebono Brake Ind Co Ltd 半導体加速度センサ及びその自己診断法
US6528724B1 (en) * 2000-01-19 2003-03-04 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Microdevice and its production method

Also Published As

Publication number Publication date
US20030180504A1 (en) 2003-09-25
US6759591B2 (en) 2004-07-06
WO2002103368A1 (en) 2002-12-27
EP1396727A1 (en) 2004-03-10
JPWO2002103368A1 (ja) 2004-10-07
EP1396727A4 (en) 2009-06-17
KR20030027950A (ko) 2003-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100450804B1 (ko) 마이크로디바이스와 그 제조 방법
KR100665427B1 (ko) 실리콘 디바이스
US6263735B1 (en) Acceleration sensor
EP1004882B1 (en) Inertia sensor and method of fabricating the same
JP4853530B2 (ja) 可動部を有するマイクロデバイス
US8240205B2 (en) Mechanical quantity sensor and method of manufacturing the same
JP6067026B2 (ja) マイクロ電気機械システム（ｍｅｍｓ）
KR100316774B1 (ko) 마이크로 관성 센서의 제작 방법
US8250918B2 (en) Mechanical quantity sensor and method of manufacturing the same
JP2001194153A (ja) 角速度センサ、加速度センサおよび製造方法
EP1677074A1 (en) Angular velocity detector, angular velocity detection method by angular velocity detector and production method of angular velocity detector
KR100928761B1 (ko) 커패시턴스형 동적량 센서 및 그 제조 방법
US8329491B2 (en) Mechanical quantity sensor and method of manufacturing the same
JP2001349732A (ja) マイクロマシンデバイスおよび角加速度センサおよび加速度センサ
KR19980083157A (ko) 마이크로구조물 소자 및 그 제조방법
JP4628018B2 (ja) 容量型力学量センサとその製造方法
JP2001349731A (ja) マイクロマシンデバイスおよび角加速度センサおよび加速度センサ
US6938487B2 (en) Inertia sensor
CN112424613B (zh) 三维结构部件的制造方法、加速度拾取部件的制造方法、加速度拾取部件以及加速度传感器
Choi et al. Application of deep reactive ion etching for silicon angular rate sensor
JP5292825B2 (ja) 力学量センサの製造方法
Khan et al. Fabrication technology of quartz glass resonator using sacrificial metal support structure
JP2005345245A (ja) 容量型力学量センサ及びその製造方法
JP2016176826A (ja) 物理量センサーおよびその製造方法
CN117486170A (zh) Mems传感器、薄膜力敏谐振元件及其制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20050516

Effective date: 20060928

S901 Examination by remand of revocation
GRNO Decision to grant (after opposition)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20091224

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee