KR19980083156A

KR19980083156A - 마이크로구조물 제조방법

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Publication number: KR19980083156A
Application number: KR1019970018323A
Authority: KR
Inventors: 이승섭; 안승도; 송기무
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1997-05-12
Publication date: 1998-12-05

Abstract

본 발명은 실리콘과 내열 유리(pyrex glass; 상품명)와의 양극 접합(anodic bonding) 기술, Deep RIE etching 기술, Bulk etching 기술 등 초미세 가공 기술을 이용하여 두꺼운 마이크로구조물(MEMS; Micro Electro Mechanical System)을 제조하는 마이크로구조물의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 마이크로구조물의 제조 방법은, 마이크로구조물용 실리콘 기판을 선택적으로 식각하여 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계; 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물의 도전막에 대응하는 전극을 형성하는 단계; 상기 전극이 형성된 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물을 접착하는 단계; 및 상기 예비 마이크로구조물의 홈이 노출되도록 불필요한 실리콘 기판부를 제거하여 상기 마이크로구조물을 완성하는 단계;를 포함한다. 따서, 마이크로구조물의 재료로 가공안된 실리콘 웨이퍼 자체를 이용하므로 잔류응력과 같은 문제가 존재하지 않으며, 다른 여러 가지 기계적 특성도 사용하는 웨이퍼를 한정하게 되면 항상 일정하게 된다. 따라서 마이크로구조물의 안정된 기계적 특성을 도모할 수 있다.

Description

마이크로구조물 제조 방법

본 발명은 초미세가공기술을 이용한 마이크로구조물(MEMS; Micro Electro Mechanical System)의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘과 내열 유리(pyrex glass; 상품명)와의 양극 접합(anodic bonding) 기술, Deep RIE etching 기술, Bulk etching 기술의 결합으로 두꺼운 실리콘 구조물을 제조하는 마이크로구조물의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 빗살형 구동기(comb drive)를 이용해 마이크로자이로스코프를 만드는 방법에 있어서, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 표면미세가공 (polysilicon surface micromachining process)법을 이용하여 다결정 실리콘으로 마이크로구조물(2) 및 감지전극(2')을 제조하거나, 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 용해법(wafer dissolved method)을 이용하여 붕소(Bron)가 도핑(doping)된 실리콘으로 마이크로구조물(6)을 제조하였다. 이러한 방법으로는 마이크로자이로스코프의 감도에 밀접한 영향을 미치는 진동 구조물의 두께를 두껍게 만드는 데에 한계가있으며, 따라서 마이크로자이로스코프의 성능 향상에 근본적인 한계가 있었다. 상기 두 마이크로구조물 제조 공정의 문제점을 요약하면 아래와 같다.

가) 다결정실리콘 표면 미세가공 공정(polysilicon surface micromachining process)

1. 저 스트레스 화학 기상 증착법(Low Stress Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방법으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1) 상에 마이크로구조물(2)을 쌓아올리는 다결정 실리콘은 자체의 잔류응력으로 인해 두껍게 쌓아올리는데에 약 10㎛ 정도 까지로 한계가 있다. 과다하게 쌓아올릴 경우 이로인해 마이크로구조물(2)이 휘어지게 된다. 이러한 휘어짐을 막기위해서는 어닐링(annealing)과 같은 부수적인 열처리 공정이 필요하게 된다. 또한, 이 다결정실리콘의 여러 가지 기계적 성질로 인해 마이크로자이로스코프의 성능이 사용되는 다결정실리콘 도가니(polysilicon furnace)의 종류에 따라 변화하는 경향도 있다.

2. 마이크로구조물(2)과 전극(2') 사이의 간극을 위한 희생층을 없애기 위해 습식 에칭(wet etching)을 하게 되므로, 마이크로구조물(2)과 바닥 실리콘(1) 사이가 습식에칭 도중에 붙어버리는 현상이 생기기 쉽다. 이로인하여 작동이 원활히 안되는 소자가 생겨 생산성이 떨어진다. 이 붙음 현상 방지하기 위해 새로운 공정의 개발과 추가 장비가 필요하게 된다.

3. 2에서 언급한 습식에칭 공정을 위해 마이크로구조물(2)에 많은 작은 구멍을 뚫는데, 이로인하여 실제 마이크로구조물(2)의 면적이 작아지고, 무게가 가벼워진다. 이로인해 약 25 % 정도의 감도 손실이 생긴다.

4. 실리콘 기판(1) 위에 진동 구조물(2)과 감지 전극(2')을 구성하는 구조상 문제로 인해 기생 용량(parasitic capacitance)이 생기므로, 노이즈(noise)가 커서 신호대잡음(siagnal-to-noise)비가 떨어진다. 도 1에서 부재번호 3은 Al 전극이고, 부재번호 4는 외부와 전기적으로 연결하기 위한 와이어이다.

나) 웨이퍼 용해법(wafer dissolved method)

1. 도 2에 도시된 바와 같은 붕소(Boron)가 도핑된 실리콘 구조물(6)의 잔류응력이 커서 두꺼운 마이크로구조물(6)을 만들기가 쉽지않다. 또한, 잔류응력을 없애기 위해 어닐링(annealing)과 같은 열처리 공정을 필요로 한다.

2. 하부의 금속 전극(7)이 벌크 에칭(bulk etching) 공정중 식각액(etchant)에 노출되므로 금속 전극 물질 선택에 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 증착되는 실리콘의 잔류응력으로 인한 휘어짐이나 손상 없이 두꺼운 실리콘 마이크로구조물을 형성할 수 있고, 구조물 형성시 식각된 용액에 의해 구조물과 실리콘 기판이 붙어버리는 현상을 방지할 수 있는 마이크로구조물의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 다결정실리콘(polysilicon) 마이크로구조물 형성후의 수직 단면도,

도 2는 종래의 웨이퍼 용융 구조물(wafer dissolved bulk)형성법에 의한 B(boron) 도핑 마이크로구조물 형성후의 수직 단면도,

도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 마이크로구조물의 미세 가공 단계별 공정후의 수직 단면도,

도 4a 내지 도 4d는, 도 3a 내지 도 3h에 도시된 바와 같이 미세 가공된 마이크로구조물의 진공 패키징을 위한 유리(glass) 가공 단계별 공정후의 수직 단면도,

그리고 도 5는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같은 유리 패키징이 완료된 마이크로구조물의 수직 단면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 실리콘 기판 2, 2'. 다결정 실리콘 (polysilicon)

3. 금속 전극 (알루미늄) 4. 와이어

5. pyrex 유리 기판 6. Boron doped 실리콘

7. 금속전극 (Pt/Ti)

10. 실리콘 기판 11. SiO₂산화물 마스크

11'. 보호막 12. 앵커부

13. SiO₂산화물 14. 금속 전극(Ni)

15. n⁺도핑 실리콘 16. 산화물 보호막

17. 홈 20. 실리콘 기판

21. 산화막 22. 전극

100. 유리 기판 100'. 접촉용 홀

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로구조물의 제조 방법은, 마이크로구조물용 실리콘 기판을 선택적으로 식각하여 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계; 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물의 도전막에 대응하는 전극을 형성하는 단계; 상기 전극이 형성된 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물을 접착하는 단계; 및 상기 예비 마이크로구조물의 홈이 노출되도록 불필요한 실리콘 기판부를 제거하여 상기 마이크로구조물을 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계는, (가) 상기 마이크로구조물용 실리콘 기판에 앵커부를 형성하는 단계; (나) 상기 앵커부가 형성된 실리콘 기판에 소망하는 모양의 마이크로구조물을 이루도록 하는 소정 깊이의 홈을 형성하여 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계; 및 (다) 상기 예비 마이크로구조물의 전표면에 걸쳐 도전막 형성용 물질을 도핑하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 마이크로구조물용 실리콘 기판은 결정 방향이 100 방향이고, 상기 (가) 단계는 (가-1) 상기 마이크로구조물 형성용 실리콘 기판 상에 제1열산화막을 형성하는 서브단계; (가-2) 상기 제1열산화막을 패터닝하여 상기 앵커부 형성용 제1마스크를 형성하는 서브단계; 및 (가-3) 상기 제1마스크를 이용한 TMAH 에칭으로 앵커부를 형성하는 서브단계;를 포함하며, 상기 (나) 단계는 (나-1) 상기 제1마스크를 제거하는 서브단계; (나-2) 상기 제1마스크가 제거된 마이크로구조물용 실리콘 기판 전면에 제2열산화막을 형성하는 서브단계; (나-3) 상기 제2열산화막 상에 Ni를 스퍼터링법으로 증착하여 Ni막을 형성하는 서브단계; (나-4) 상기 Ni막 및 상기 제2열산화막을 패터닝하여 상기 소망하는 모양의 마이크로구조물을 형성하기 위한 제2마스크를 형성하는 서브단계; (나-5) 상기 제2마스크를 이용한 리액티브 이온 에칭법으로 상기 마이크로구조물 형성용 실리콘 기판을 식각하여 상기 소정 깊이의 홈을 형성하는 서브단계; 및 (나-6) 상기 제2마스크를 식각하여 제거하는 서브단계;를 포함하며, 상기 (다) 단계 다음에 상기 도전막을 보호하기 위한 보호막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물의 도전막에 대응하는 전극을 형성하는 단계는, 상기 유리 기판에 접촉용 홀을 뚫는 서브단계; 실리콘 기판에 열산화막을 형성하는 서브단계; 상기 열산화막을 패터닝하여 전극이 형성될 영역을 노출시키는 서브단계; 상기 열산화막 패턴을 마스크로 하여 상기 노출된 영역에 B를 도핑하여 도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막이 돌출되도록 상기 열산화막 패턴을 제거하고 그 영역을 소정의 깊이 까지 식각하는 서브단계; 상기 접촉용 홀이 형성된 유리 기판에 상기 B 도핑 도전막이 형성된 실리콘 기판을 접촉시키고 양극 본딩에 의해 상기 B도핑 도전막이 상기 유리 기판에 접착되도록 상기 두 기판을 봉착시키는 서브단계; 및 상기 B도핑 도전막을 제외한 상기 실리콘 기판을 TMAH 에칭법으로 제거하는 서브단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 마이크로구조물을 완성하는 단계 다음에 상기 마이크로구조물을 진공 상태에서 구동하기 위하여 실리콘 패키지를 상기 유리 기판에 봉착하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 마이크로구조물의 제조 방법을 설명한다.

본 발명에 따른 마이크로구조물의 제조 방법은 개선된 웨이퍼 용해법(advanced wafer dissolved method)을 이용한 마이크로구조물 제작 방법으로, 크게 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼를 미세가공하여 예비 마이크로구조물을 만드는 공정 및 도 3e 내지 도 3h에 도시된 바와 같이 예비 마이크로구조물을 전극이 형성된 유리 기판에 본딩한 다음 예비 마이크로구조물의 상부를 식각하여 마이크로구조물을 완성하는 공정으로 이루어진다. 도 4a 내지 도 4d는 양극 본딩(anodic bonding)을 이용하여 상기 유리 기판에 전극을 형성하는 공정을 보여준다. 도 5는 패키징까지 마무리된 마이크로구조물을 보여준다. 이와 같은 마이크로구조물의 제조 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 예비 마이크로구조물은 다음과 같은 공정에 의해 형성된다.

100 방향인 실리콘 기판(10)에 열을 가하여 실리콘 기판(10)의 표면에 제1열산화막(SiO₂; 11)을 형성한 다음, 이 제1열산화막(11)을 패터닝하여 앵커부 형성용 제1마스크(11)를 형성한고, 이를 이용한 TMAH 에칭으로 도 3a에 도시된 바와 같이, 앵커부(12)를 형성한다.

다음에, SiO₂제1마스크(11)를 제거한 다음, 실리콘 기판(10) 전면에 걸쳐 제2열산화막(13)을 형성하고, 그 위에 Ni을 스퍼터링법으로 증착하여 Ni막(14)을 형성한다. 그 다음 Ni막(14) 및 제2열산화막(13)을 패터닝하여 도 3b에 도시된 바와 같이, 소망하는 모양의 마이크로구조물을 형성하기 위한 제2마스크를 형성한다. 이 제2마스크를 이용한 리액티브 이온 에칭(RIE)법으로 실리콘 기판(10)을 식각하여 소망하는 마이크로구조물의 두께 만큼의 깊이를 갖는 홈을 형성하고 나서, 제2마스크를 식각하여 도 3c에 도시된 바와 같은 모양의 예비 마이크로구조물을 형성한다. 그리고, 예비 마이크로구조물의 전표면에 걸쳐 n⁺도핑을 실시하여 도전막(15)을 형성하여, 도 3c에 도시된 바와 같은 예비 마이크로구조물을 형성한다.

다음은, 도 3c에 도시된 바와 같이, 도전막(15) 상에 산화물(16)을 형성한 다음 앵커부(12) 상면을 노출시키기 위한 제3마스크(미도시)를 형성하여, 앵커부 상면에 있는 산화믈(16)을 식각하여 도 3d에 도시된 바와 같은 예비 마이크로구조물을 완성한다.

다음에, 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물의 도전막(15)에 대응하는 전극을 형성하는 방법을 설명한다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 유리 기판(100)에 접촉용 홀(100')을 뚫는다.

다음에, 도전막 형성용 실리콘 기판(20)에 열산화막(21; SiO₂)을 형성한 다음 패터닝하여 도 4b에 도시된 바와 같은 전극이 형성될 영역을 노출시키는 열산화막 제4마스크(21)를 형성한다.

다음에, 제4마스크(21)를 이용하여 도 4c에 도시된 바와 같이 노출된 영역에 붕소(B; boron)를 도핑하여 도전막(22)을 형성한 다음, 도전막(22)이 돌출되도록 열산화막 패턴(21)을 제거하고 그 영역을 일정한 깊이 까지 식각한다.

다음에, 상기 접촉용 홀(100')이 형성된 유리 기판(100)에 B도핑 도전막(22)이 형성된 실리콘 기판(20)을 접촉시키고, 양극 본딩(anodic bonding)을 실시하여 B도핑 도전막(22)이 유리 기판(100)에 접착되도록 한 다음, B도핑 도전막(22)을 제외한 실리콘 기판(20)을 TMAH 에칭법으로 제거하여 도 4d에 도시된 바와 같이, 마이크로구조물에 대응하는 전극(22)을 형성한다.

다음에, 붕소 도핑 실리콘 도전막으로 형성된 전극을 갖는 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물을 접착하여 마이크로구조물을 완성하는 공정을 설명한다.

먼저, 도 3e에 도시된 바와 같은 붕소 도핑 실리콘 도전막으로 형성된 전극(22)을 갖는 유리 기판(100)에 상기 예비 마이크로구조물(10)을 양극 접착(anodic bonding)법으로 도 3f에 도시된 바와 같이 서로의 전극(15 및 22)들이 대응하도록 접착한다. 다음에, 도 3g에 예비 마이크로구조물의 두께를 결정하는 홈(17)이 노출되지 않도록 1차로 TMAH 벌크(bulk) 에칭을 한 다음, 2차로 상기 홈(17)이 노출되도록 세밀하게 에칭하여 불필요한 실리콘 기판부를 제거함으로써, 도 3h에 도시된 바와 같은 마이크로구조물을 완성한다.

이와 같이 완성된 마이크로구조물이 진공중에서 안정된 동작을 할 수 있도록 마이크로구조물을 진공 상태에서 도 5에 도시된 바와 같이 실리콘 패키지(200)를 유리 기판(100)에 봉착하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로구조물의 제조 방법은, 도 3a 내지 도 3h에 도시된 바와 같이, 마이크로구조물의 재료로 가공안된 실리콘 웨이퍼 자체를 이용하므로 잔류응력과 같은 문제가 존재하지 않으며, 다른 여러 가지 기계적 특성도 사용하는 웨이퍼를 한정하게 되면 항상 일정하게 된다. 따라서 마이크로구조물의 안정된 기계적 특성을 도모할 수 있다. 마이크로구조물의 두께는 deep RIE (reactive ion etching) 장치에 의해서 두께와 가공 선폭의 관계에서 결정되므로 종래 제조 방법으로는 제조가 불가능했던 50㎛ 이상의 두꺼운 마이크로구조물도 형성할 수 있다. 또한 양극 본딩(anodic bonding)을 이용해서 유리 기판위에 실리콘 구조물이 놓이는 형태이므로 기생 용량(parasitice capacitance)이 거의 생기지 않아 잡음(noise)을 한층 줄일 수 있다. 따라서, 마이크로구조물의 감도 감소를 최소화할 수 있다. 또한, 제조 공정에서 볼 수 있듯이 마스크가 4개만 사용하므로 공정이 단순하며, 공정 특성상 각 마스크의 리소그래피(lithography) 작업시 정렬(alignment)이 크게 중요하지 않아 상품화 경우 생산성 향상에 유리하다. 장비면에서는 Deep RIE 장비만을 제외하고는 특별히 고가의 장비를 필요로하지 않으며, 제조 공정에 필요한 장비의 수도 상대적으로 적은 장점이 있다.

Claims

마이크로구조물용 실리콘 기판을 선택적으로 식각하여 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계;

유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물의 도전막에 대응하는 전극을 형성하는 단계;

상기 전극이 형성된 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물을 접착하는 단계; 및

상기 예비 마이크로구조물의 홈이 노출되도록 불필요한 실리콘 기판부를 제거하여 상기 마이크로구조물을 완성하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 마이크로구조물용 실리콘 기판은 결정 방향이 100 방향인 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계는,

(가) 상기 마이크로구조물용 실리콘 기판에 앵커부를 형성하는 단계;

(나) 상기 앵커부가 형성된 실리콘 기판에 소망하는 모양의 마이크로구조물을 이루도록 하는 소정 깊이의 홈을 형성하여 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계; 및

(다) 상기 예비 마이크로구조물의 전표면에 걸쳐 도전막 형성용 물질을 도핑하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제3항에 있어서,

상기 (가) 단계는,

(가-1) 상기 마이크로구조물 형성용 실리콘 기판 상에 제1열산화막을 형성하는 서브단계;

(가-2) 상기 제1열산화막을 패터닝하여 상기 앵커부 형성용 제1마스크를 형성하는 서브단계; 및

(가-3) 상기 제1마스크를 이용한 TMAH 에칭으로 앵커부를 형성하는 서브단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제3항에 있어서,

상기 (나) 단계는,

(나-1) 상기 제1마스크를 제거하는 서브단계;

(나-2) 상기 제1마스크가 제거된 마이크로구조물용 실리콘 기판 전면에 제2열산화막을 형성하는 서브단계;

(나-3) 상기 제2열산화막 상에 Ni를 스퍼터링법으로 증착하여 Ni막을 형성하는 서브단계;

(나-4) 상기 Ni막 및 상기 제2열산화막을 패터닝하여 상기 소망하는 모양의 마이크로구조물을 형성하기 위한 제2마스크를 형성하는 서브단계;

(나-5) 상기 제2마스크를 이용한 리액티브 이온 에칭법으로 상기 마이크로구조물 형성용 실리콘 기판을 식각하여 상기 소정 깊이의 홈을 형성하는 서브단계; 및

(나-6) 상기 제2마스크를 식각하여 제거하는 서브단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제3항에 있어서,

상기 (다) 단계 다음에 상기 도전막을 보호하기 위한 보호막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 보호막을 형성하는 단계는,

상기 도전막 상에 산화물을 형성하는 서브단계;

상기 앵커부 상면을 노출시키기 위한 제3마스크를 형성하는 서브단계; 및

상기 제3마스크를 이용하여 상기 앵커부 상면이 노출되도록 식가하는 서브단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 유리 기판에 상기 예비 마이크로구조물의 도전막에 대응하는 전극을 형성하는 단계는,

상기 유리 기판에 접촉용 홀을 뚫는 서브단계;

실리콘 기판에 열산화막을 형성하는 서브단계;

상기 열산화막을 패터닝하여 전극이 형성될 영역을 노출시키는 서브단계;

상기 열산화막 패턴을 마스크로 하여 상기 노출된 영역에 B를 도핑하여 도전막을 형성하는 단계;

상기 도전막이 돌출되도록 상기 열산화막 패턴을 제거하고 그 영역을 소정의 깊이 까지 식각하는 서브단계;

상기 접촉용 홀이 형성된 유리 기판에 상기 B 도핑 도전막이 형성된 실리콘 기판을 접촉시키고 양극 본딩에 의해 상기 B도핑 도전막이 상기 유리 기판에 접착되도록 상기 두 기판을 봉착시키는 서브단계; 및

상기 B도핑 도전막을 제외한 상기 실리콘 기판을 TMAH 에칭법으로 제거하는 서브단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 마이크로구조물을 완성하는 단계 다음에 상기 마이크로구조물을 진공 상태에서 구동하기 위하여 실리콘 패키지를 상기 유리 기판에 봉착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물의 제조 방법.