KR19980050175A - How to make a micro gyroscope - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 표면 미세 가공 (surface micromachining) 기술을 이용한 마이크로 자이로스코프 (micro gyroscope) 센서의 재료 및 제작방법에 관한 것임.The present invention relates to a material and a manufacturing method of a micro gyroscope sensor using surface micromachining technology.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제2. Technical problem to be solved by the invention
기존의 구조체 재료인 다결정 실리콘 (polysilicon) 에서 나타나는 응력을 해소하여 구조체가 변형되는 것을 방지하고, 또한 센서의 구동 및 감지를 위한 반도체 IC 회로의 제작 과정에서 발생할 수 있는 열공정 (thermal process)의 호환성 문제, 금속배선의 어려움 및 진공 밀봉 (vacuum seal)의 복잡함을 해결하고자 함.The stress of the polysilicon, which is a conventional structure material, is solved to prevent the structure from being deformed, and also the compatibility of thermal processes that can occur during the fabrication of semiconductor IC circuits for driving and sensing sensors. To solve problems, metal wiring difficulties and the complexity of vacuum seals.
3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention
응력이 없는 구조체로서 기존의 다결정 실리콘 대신 SOI (Silicon On Insulator) 상부의 단결정 실리콘을 이용하고, 구동 및 감지를 위한 반도체 IC 회로는 별도의 웨이퍼에 제작한 후 이를 구조체 위에 접착 (bonding) 함으로써 열공정(thermal process)의 호환성, 금속 배선 및 진공 밀봉 문제를 해결함.As a stress-free structure, instead of conventional polycrystalline silicon, single crystal silicon on top of SOI (Silicon On Insulator) is used, and a semiconductor IC circuit for driving and sensing is manufactured on a separate wafer and then bonded onto the structure. solves thermal process compatibility, metal wiring and vacuum sealing issues.
4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention
MEMS (micro eletro mechanical system)의 제작Fabrication of MEMS (micro eletro mechanical system)
Description
본 발명은 표면 미세 가공 기술을 이용한 마이크로 자이로스코프 센서의 재료 및 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a material and a manufacturing method of a micro gyroscope sensor using surface microfabrication technology.
자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차 등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정 장치로 잘 알려져 있다. 그러나 기존의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 높은 정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며 충격과 진동에 쉽게 손상된다는 문제점을 가지고 있다. 광섬유, 레이저등을 이용한 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 제작공정이 복잡하고 가격이 비싸다는 단점을 현재까지 극복하지 못하고 있다.Gyroscopes are well known for angular velocity measuring devices used in navigation and inertial guidance devices such as aircraft, ships and automobiles. However, conventional rotary gyroscopes have a problem that they are bulky, expensive to maintain high precision, and are easily damaged by shock and vibration. Gyroscopes using fiber optics, lasers, etc. have excellent sensitivity, but they have not overcome the disadvantages of complicated manufacturing process and high price.
최근, 자이로스코프에 대한 소형화 요구조건을 만족하기 위하여 다른 형태의 구동 원리를 갖는 센서가 개발되고 있다. 미국의 Systeron 사에서는 압전 특성을 갖는 석영 (quArtz)을 음차형(tuning fork type) 보의 형태로 가공하고 코리을리 힘 (Coriolis force)에 의한 변형량을 검출하는 제품을 생산하고 있다.Recently, in order to satisfy the miniaturization requirement for a gyroscope, a sensor having another type of driving principle has been developed. Systeron, USA, manufactures a product that processes piezoelectric quartz (quArtz) in the form of a tuning fork type beam and detects deformation due to Coriolis force.
또한 실리콘 표면 미세 가공 기술을 이용하여 소형화와 함께 고감도화 및, 저가격화를 이를 수 있는 마이크로 자이로스코프에 대한 연구 결과가 1995년 IEEE MEMS(micro electro mechanical system)학회에 발표되었다.(K.Tanaka etal, IEEE/ASME MEMS Workshop, 1995, pp.278-282). 이 자이로스코프 (각속도 센서)에서는, 도 1에 보인 바와 같이 x, y의 2자유도 운동이 가능한 기계 구조체를 좌우방향 (x 방향)의 정전력 (electrostatic force)으로 구동한 상태에서, 위아래 방향 (y 방향)을 축으로 한 회전이 가해지면 수직 방향 (z 방향)의 코리을리 힘 (Coriolis force)이 구조체에 작용한다. 이 힘은 구조체를 수직 방향 (z 방향) 으로 진동시키며, 센서회로는 정전용량으로 변화된 진동의 크기를 검출한다. 여기서 낮은 전압으로 구조체를 구동하기 위해서는 구조체가 진동하는 환경을 진공 (vacuum)상태로 만들어야 하며, 이를 위하여 센서가 들어갈 수 있는 별도의 조그만 진공 챔버를 제작해야 한다.In addition, the research results of the micro gyroscope that can achieve miniaturization, high sensitivity, and low cost using silicon surface micromachining technology were published in the IEEE micro electro mechanical system (MEMS) conference in 1995 (K.Tanaka etal). , IEEE / ASME MEMS Workshop, 1995, pp. 278-282). In this gyroscope (angular velocity sensor), as shown in Fig. 1, a mechanical structure capable of two degrees of freedom of x and y motion is driven in an electrostatic force in the left and right directions (x directions) and up and down directions ( When a rotation around the y axis is applied, a Coriolis force in the vertical direction (z direction) acts on the structure. This force vibrates the structure in the vertical direction (z direction), and the sensor circuit detects the magnitude of the vibration changed by the capacitance. In order to drive the structure at a low voltage, the environment in which the structure vibrates must be made in a vacuum state. For this purpose, a small vacuum chamber into which a sensor can be inserted must be manufactured.
위의 표면 미세 가공 기술은 실리콘 기판위의 박막소재를 가공하는 반도체 집적회로 제작 공정을 기반으로 하고 있으며, 이 기술을 이용하여 실리콘기판 위에 미소구조체를 제작하고 이를 반도체 회로와 접합시킴으로써 마이크로 센서 등의 고기능 MEMS 소자를 만들 수 있다. MEMS의 주요 구성요소인 미소구조체는 일반적으로 한쪽 부분이 기판으로부터 띄어져 있는 캔티레버(canti-lever)와 양단을 제외한 가운데 부분을 기판으로 부터 띄워서 공간을 형성한 브릿지 (bridge) 등으로 구성되어 있다. 미세구조체의 형성에는 희생충 (sacrificial layer) 식각 방법을 사용하고 있으며, 희생충으로는 실리콘과의 식각 선택비가 큰 산화막이 사용된다.The above surface microfabrication technology is based on a semiconductor integrated circuit fabrication process that processes thin film material on a silicon substrate. By using this technology, a microstructure is fabricated on a silicon substrate and bonded to a semiconductor circuit, such as a micro sensor. High-performance MEMS devices can be made. The microstructure, which is the main component of MEMS, is generally composed of a cantilever in which one part stands out from the substrate, and a bridge in which a center part is lifted from the substrate to form a space. A sacrificial layer etching method is used to form the microstructure, and an oxide film having a large etching selectivity with silicon is used as the sacrificial layer etching method.
여기서 표면 미세 가공 (surface micromachining) 기술로 제작되는 자이로스코프의 재료 및 제작방법의 문제점은 다음과 같다.Here, the problems of the material and manufacturing method of the gyroscope manufactured by the surface micromachining technology are as follows.
표면 미세 가공 (surface micromachining) 기술로 미소 구조체를 제작하는데 있어 심각한 제한 요소중의 하나는 1-10 um 두께를 가진 박막의 잔류응력 (residual strees)이다. 박막의 잔류 응력은 희생층을 제거하여 구조체를 기판으로 부터 띄울 때, 구조체의 주요 형태인 브릿지와 캔티레버에서 큰 변형을 일으키므로 설계된 특성의 소자를 얻을 수 있다. 즉, 박막의 두께에 대하여 평균 내부 응력이 존재하면 브릿지에서 버클링(buckling) 현상이 유발되며, 불균일한 응력으로 인한 응력 구배 (stress gradient)는 캔티레버의 휨 (bending)을 발생시켜 상하방향으로 심각한 변형을 일으킨다. 이와같은 잔류 응력은 다결정 실리콘이 성장할 때 결정 구조내에서 형성된 내부응력 (internal stress)과, 전도성 (conductive) 구조체를 제작하기 위하여 다결정 실리콘에 불순물을 첨가할 때 야기되는 불균일한 농도 분포로 부터 발생한다.One serious limiting factor in the fabrication of microstructures by surface micromachining is the residual strees of thin films with thicknesses of 1-10 um. The residual stress of the thin film causes a large deformation in the bridge and cantilever, which is the main form of the structure, when the structure is removed from the substrate by removing the sacrificial layer, thereby obtaining a device having a designed characteristic. In other words, the presence of an average internal stress with respect to the thickness of the thin film causes buckling in the bridge, and the stress gradient due to uneven stress causes bending of the cantilever and results in severe up and down direction. Cause deformation. This residual stress arises from the internal stresses formed in the crystal structure as the polycrystalline silicon grows and from the uneven concentration distribution caused by the addition of impurities to the polycrystalline silicon to fabricate the conductive structure. .
다음은 마이크로 자이로스코프에 대한 제작 공정의 호환성 (caompatibility)문제를 살펴 본다. 다결정 실리콘 미세 구조체와 주변 회로를 같은 웨이퍼위에 제작하는 기존의 방법에는 다음과 같은 문제점들을 예상할 수 있다. 회로를 먼저 제작하고 다결정 실리콘 구조체를 나중에 제작하는 경우에는, 저온 공정성 및 재료의 안정성으로 최근 많이 사용되고 있는 알루미늄 배선이 나중에 600℃의 온도에서 증착되는 다결정 실리콘 공정과 900℃ 이상의 어닐링 (annealing) 공정중에 용융되어 소자의 특성이 나빠지게 된다. 다결정 실리콘 구조체를 먼저 제작하고 회로를 나중에 제작하는 경우에는 배선금속의 문제가 심각하지 않다. 그러나, 도 2에 보인 바와 같이, 다결정실리콘 구조체의 높이에 의하여 보통의 경우 5um 이상의 표면 거칠기를 갖게 되므로 다음 공정인 주변 회로의 제작에서 불균일한 감광막 (Photo Resist) 도포 등의 문제가 발생되어 회로 패턴의 제작이 어려워진다.Next, we look at the compatibility issue of the fabrication process for micro gyroscopes. The following problems can be expected in the conventional method of fabricating a polycrystalline silicon microstructure and a peripheral circuit on the same wafer. In the case of fabricating a circuit first and then fabricating a polycrystalline silicon structure later, during the polycrystalline silicon process and the annealing process of 900 ° C. or more, aluminum wiring, which is widely used in recent years due to low temperature processability and material stability, is later deposited at a temperature of 600 ° C. Melting results in poor device characteristics. If the polycrystalline silicon structure is fabricated first and the circuit is fabricated later, the wiring metal problem is not serious. However, as shown in FIG. 2, since the surface roughness is usually 5 μm or more due to the height of the polysilicon structure, a problem such as uneven photo resist coating is generated in the fabrication of the peripheral circuit, which is the next process, resulting in a circuit pattern. Becomes difficult to make.
구조체가 진동하는 환경을 진공 (vacuum) 상태로 만들어 주기 위한 방법에서는 별도의 조그만 진공 챔버를 제작해야 하는 번거로움이 있으며, 이것으로 인해 센서의 소형화를 실현하기가 어렵다는 문제가 있다. 현재 반도체 제작 공정 중의 증착 방법을 이용하여 센서의 진공 밀봉을 시도하고 있으나 아직 초기 연구단계에 머물러 있다.In the method for making the structure in which the structure vibrates in a vacuum state, it is cumbersome to manufacture a separate small vacuum chamber, which makes it difficult to realize miniaturization of the sensor. At present, the vacuum sealing method of the sensor is attempted using the deposition method during the semiconductor manufacturing process, but it is still in the early research stage.
이와 같이 기존의 마이크로 자이로스코프에서는 다결정 실리콘 구조체에서 나타나는 응력에 의하여 구조체가 변형되고, 또한 센서의 구동 및 감지를 위한 반도체 IC 회로의 제작에서 열공정 (thermal process)의 호환성, 금속 배선 및 진공 밀봉의 문제가 있다.As described above, in the conventional micro gyroscope, the structure is deformed by the stresses appearing in the polycrystalline silicon structure, and the compatibility of the thermal process, the metal wiring, and the vacuum sealing in the fabrication of the semiconductor IC circuit for driving and sensing the sensor are described. there is a problem.
기존의 구조체 재료인 다결정 실리콘에서 나타나는 응력을 해소하여 구조체가 변형되는 것을 방지하고, 또한 센서의 구동 및 감지를 위한 반도체 IC회로 제작 과정에서 발생할 수 있는 열공정 (thermal process)의 호환성 문제, 금속 배선 및 진공 밀봉의 어려움을 해결하고자 한다.It prevents the structure from deforming by relieving the stresses in the polycrystalline silicon, which is the existing structure material, and also the compatibility problem of thermal process that can occur in the process of manufacturing semiconductor IC circuits for driving and sensing the sensor, metal wiring And to solve the difficulty of vacuum sealing.
도 1는 기존의 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도1 is a plan view of a conventional micro gyroscope
도 2는 기존의 마이크로 자이로스코프의 단면 구조도2 is a cross-sectional structural view of a conventional micro gyroscope
도 3는 본 발명의 마이크로 자이로스코프의 단면 구조도3 is a cross-sectional structural view of a micro gyroscope of the present invention
도 4는 본 발명의 마이크로 자이로스코프의 제작 공정도4 is a manufacturing process chart of the micro gyroscope of the present invention
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 다결정 실리콘 구조체 12 : 다결정 실리콘 스프링11 polycrystalline silicon structure 12 polycrystalline silicon spring
14 : 다결정 실리콘 전극 15 : 앵커(anchor)14 polycrystalline silicon electrode 15 anchor
16 : 진공 밀봉 부위 21 : 다결정 실리콘 구조체16: vacuum sealing part 21: polycrystalline silicon structure
22 : 다결정 실리콘 스프링 24 : 다결정 실리콘 전극22 polycrystalline silicon spring 24 polycrystalline silicon electrode
25 : 앵커(anchor) 26 : 하부전극25: anchor 26: lower electrode
27 : 주변회로 28 : 금속배선27: peripheral circuit 28: metal wiring
30 : 실리콘 웨이퍼 31 : 단결정 실리콘 구조체30 silicon wafer 31 single crystal silicon structure
32 : 단결정 실리콘 스프링 33 : 열산화막32: single crystal silicon spring 33: thermal oxide film
34 : 질화막 35 : 희생층 산화막34: nitride film 35: sacrificial layer oxide film
36 : 하부 전극 37 : 주변회로36: lower electrode 37: peripheral circuit
38 : 회로연결용 배선 39 : 진공 밀봉용 배선38: wiring for circuit connection 39: wiring for vacuum sealing
40 : 실리콘 웨이퍼 41 : SOI 기판40 silicon wafer 41 SOI substrate
본 발명에서의 마이크로 자이로스코프 (micro gyroscope) 센서는, 도 3에 보인 바와 같이, 구조체 재료로서 SOI (Silicon On Insulator) 상부의 실리콘 결정을 이용한다. 실리콘 단결정은 잔류 응력이 작으므로 응력에 의한 변형을 줄일 수 있다. 구조체의 수명에 있어서도 단결정 실리콘은 진동에 대한 피로 파괴 (fatigue fracture) 강도가 높으므로 보다 수명이 긴 마이크로 자이로스코프의 제작이 가능해진다.The micro gyroscope sensor in the present invention uses a silicon crystal on top of a silicon on insulator (SOI) as a structure material, as shown in FIG. Since the silicon single crystal has a small residual stress, the strain due to the stress can be reduced. Even in the life of the structure, single crystal silicon has a high fatigue fracture strength against vibration, thus making it possible to manufacture a longer life micro gyroscope.
마이크로 자이로스코프의 구동 및 검출을 위한 주변 회로는 구조체가 제작된 웨이퍼가 아닌 별도의 웨이퍼위에 제작한 후 이를 본딩 (bonding)하여 구조체와 연결한다. 이와 같은 방법은 함으로써 공정 (thermal process)에 대한 호환성 문제, 단차에 의한 금속배선의 어려움 및 진공 밀봉 공정의 복잡성을 동시에 해결할 수 있다.A peripheral circuit for driving and detecting a micro gyroscope is manufactured on a separate wafer, not a wafer on which the structure is manufactured, and then bonded to the structure. Such a method can solve the compatibility problem of the thermal process, the difficulty of the metal wiring due to the step, and the complexity of the vacuum sealing process at the same time.
이상의 설명을 바탕으로 하여 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면 도 4를 참조하여 상세히 살펴본다.Based on the above description, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4.
먼저, 도 4의 A1과 같이 SOI 웨이퍼 (41)의 단결정 실리콘을 구조체 (31)로 제작하기 위하여 식각 마스크 역할을 하는 산화막을 증착하고, 도 4의 B1과 같이 리소그래피 공정으로 구조체 패턴을 형성한 다음, 리소그레피 공정에 의해 형성된 포토레지스트 (도면에 도시되지 않음)를 제거한다. 이어 도 4의 3C와 같이, 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etch) 공정을 이용하여 실리콘 결정에 구조체를 형성한 후 SOI 하부의 산화막 (35)까지 식각한다. 도 4의 D1에서는 무수 (anhydrous) 불산 (HF)과 메탄올이 포함된 기상 식각 (Gas Phase Etch) 방법으로 SOI 의 노출된 산화막을 제거하여 하부에 공간을 형성한다. 이와 같은 HF 기상 식각에 의한 희생층 산화막의 제거에서는 고착 현상과 식각 잔류물이 발생하지 않기 때문에 원하는 형상의 미소구조체를 양호하게 형성할 수 있다.First, an oxide film serving as an etching mask is deposited to fabricate single crystal silicon of the SOI wafer 41 into the structure 31 as shown in A1 of FIG. 4, and then a structure pattern is formed by a lithography process as shown in B1 of FIG. 4. Remove the photoresist (not shown) formed by the lithographic process. Subsequently, as shown in 3C of FIG. 4, a structure is formed on the silicon crystal by using a reactive ion etching process, and then etched to the oxide layer 35 under the SOI. In D1 of FIG. 4, an exposed oxide layer of SOI is removed by a gas phase etching method including anhydrous hydrofluoric acid (HF) and methanol to form a space at the bottom. In the removal of the sacrificial layer oxide film by HF vapor phase etching, no sticking phenomenon and no etching residue occur, and thus a fine structure having a desired shape can be formed well.
다음에는, 도 4의 A2와 같이, 별도의 실리콘 기판 (40)에 전기적 절연을 위해 산화막 (33)과 질화막 (34)을 증착한 후, 도 4의 B2와 같이, 마이크로 자이로스코프의 하부 전극 (36)으로서 다결정 실리콘막을 증착한다. 계속해서 도 4의 C2와 같이, 구조체의 구동 및 신호처리를 위한 주변 회로(37)를 동일 웨이퍼 (40) 위에 제작한다. 도 4의 D2에서는 구조체와 주변회로 (37)의 전기적 접속에 필요한 배선 (38)과, 진공 밀봉을 위하여 센서를 둘러싼 닫혀진 (closed) 형태 (16)의 배선 (39) 공정을 수행한다.Next, as shown in A2 of FIG. 4, the oxide film 33 and the nitride film 34 are deposited on a separate silicon substrate 40 for electrical insulation, and then, as shown in B2 of FIG. 4, the lower electrode of the micro gyroscope ( 36), a polycrystalline silicon film is deposited. Subsequently, as in C2 of FIG. 4, a peripheral circuit 37 for driving the structure and processing the signal is fabricated on the same wafer 40. In step D2 of FIG. 4, the wiring 38 necessary for the electrical connection between the structure and the peripheral circuit 37 and the wiring 39 in the closed form 16 surrounding the sensor for vacuum sealing are performed.
이와 같이 SOI 기판에서 제작된 실리콘 구조체와 별도의 일반 웨이퍼에서 제작된 주변 회로는 도 4의 E와 같이 전극 패턴을 정렬한 후, 도 4의 F와 같이 회로 연결 및 밀봉을 위하여 배선된 전극끼리 서로 접착한다.As described above, the silicon structure fabricated from the SOI substrate and the peripheral circuit fabricated from a separate general wafer are aligned with electrode patterns as shown in E of FIG. 4, and then the electrodes wired to connect and seal the circuits as shown in FIG. Glue.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
표면 미세 가공 (surface micromachining) 기술을 이용한 마이크로 자이로스코프 센서에 있어서, SOI (Silicon On Insulator) 상부의 실리콘 결정을 이용하여 구조체를 제작함으로써 변형이 없고, 긴 수명의 소자를 제작할 수있다.In a micro gyroscope sensor using surface micromachining technology, a structure is fabricated using silicon crystals on top of a silicon on insulator (SOI), and thus a device having no deformation and a long lifetime can be manufactured.
또한, 구동 및 감지를 위한 반도체 IC 회로는 별도의 웨이퍼 위에 각각 제작한 후 회로를 구조체 위에 접착(bonding)함으로써, 구조체와 회로 제작에 있어서의 열공정 (thermal process) 에 대한 호환성 문제를 해결하고, 단차에 의한 전기적 배선의 어려움 및 진공 밀봉의 어려움을 동시에 해결할수 있다.In addition, semiconductor IC circuits for driving and sensing are fabricated on separate wafers, and then bonded to the structures to solve the compatibility problem of thermal processes in the fabrication of the structures and circuits. Difficulty in electrical wiring and vacuum sealing due to the step can be solved at the same time.
본 발명은 표면 미세 가공 (surface micromachining)기술을 이용한 마이크로 자이로스코프 (micro gyroscope) 센서에서, 기존의 구조체 재료인 다결정 실리콘에서 나타나는 내부 응력 (internal stress)을 해소하여 구조체가 변경되는 것을 방지하고자 한다. 또한 센서의 구동 및 감지를 위한 반도체 IC 회로 제작에서 발생하는 열공정 (thermal process)의 호환성 문제, 공정(process)중의 웨이퍼 단차 (step)로 인하여 금속배선 공정이 어럽다는 문제 및 진공 밀봉 (vacuum seal) 공정의 복잡성을 해결하고자 한다.The present invention aims to prevent the structure from being changed by eliminating the internal stress present in the polycrystalline silicon, which is a conventional structure material, in a micro gyroscope sensor using surface micromachining technology. In addition, thermal process compatibility problems in manufacturing semiconductor IC circuits for driving and sensing sensors, metal wiring processes are difficult due to wafer steps during the process, and vacuum sealing seal) to solve the complexity of the process.
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