KR19980083157A

KR19980083157A - 마이크로구조물 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR19980083157A
Application number: KR1019970018325A
Authority: KR
Inventors: 안승도; 송기무
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1997-05-12
Publication date: 1998-12-05
Also published as: KR100442824B1

Abstract

본 발명은 실리콘 기판과 유리 기판과의 양극 접합(anodic bonding) 기술, Deep RIE etching 기술, Bulk etching 기술 등의 초미세 가공 기술을 이용하여 두꺼운 실리콘 마이크로구조물을 형성한 마이크로구조물 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 웨이퍼 벌크 에칭을 이용한 마이크로구조물 소자는, 소정의 도전성 물질이 도핑되어 도전성을 가지며 그 중앙부에 함몰된 소정 두께의 마이크로구조물이 형성된 실리콘 기판; 서로 이격된 제1전극 및 제2전극을 그 표면에 구비하되 상기 제1전극은 상기 실리콘 기판과 직접 접촉되고 상기 제2전극은 상기 실리콘 기판의 함몰된 마이크로구조물과 대응하도록 상기 실리콘 기판과 직접 접착된 제1유리 기판; 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1유리 기판과의 접착면의 상대쪽 면에 상기 마이크로구조물이 밀봉되도록 접착된 제2유리 기판;을 구비한다. 여기서, 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 소자 및 그 제조 방법

본 발명은 초미세가공기술을 이용한 마이크로구조물(MEMS; Micro Electro Mechanical System)에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘 기판과 유리 기판과의 양극 접합(anodic bonding) 기술, Deep RIE etching 기술, Bulk etching 기술의 결합으로 두꺼운 실리콘 마이크로구조물이 형성된 마이크로구조물 소자 및 그 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) 벌크 에칭 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 마이크로구조물 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

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

도 2는 종래의 웨이퍼 벌크 에칭(wafer dissolved bulk)법에 의한 마이크로구조물 형성후의 수직 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자의 수직 단면도,

그리고 도 4a 내지 도 4g는 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자의 미세 가공 단계별 공정후의 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. 제1함몰면 20. 제2함몰면

100. n⁺도핑 실리콘 기판 100a. 예비 마이크로구조물 100b. 마이크로구조물 200. 제1유리 기판

300. 제2유리 기판

301. 제1전극(마이크로구조물용 신호 인가 전극)

302. 제2전극(감지 전극) 303. 제1외부 연결 전극

304. 제2외부 연결 전극 305., 306. 와이어

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자는, 소정의 도전성 물질이 도핑되어 도전성을 가지며 그 중앙부에 함몰된 소정 두께의 마이크로구조물이 형성된 실리콘 기판; 서로 이격된 제1전극 및 제2전극을 그 표면에 구비하되 상기 제1전극은 상기 실리콘 기판과 직접 접촉되고 상기 제2전극은 상기 실리콘 기판의 함몰된 마이크로구조물과 대응하도록 상기 실리콘 기판과 직접 접착된 제1유리 기판; 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1유리 기판과의 접착면의 상대쪽 면에 상기 마이크로구조물이 밀봉되도록 접착된 제2유리 기판;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자의 제조 방법은, (가) 도전성 물질이 도핑된 실리콘 기판의 중앙부 양면을 선택적으로 식각하여 감지 전극과 대향하도록 소정의 깊이로 함몰된 제1함몰면 및 상기 제1함몰면으로부터 소정 두께를 보장하기 위한 제2함몰면에 의해 형성되는 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계; (나) 상기 마이크로구조물의 제2함몰면에 대향하도록 상기 실리콘 기판에 제1유리 기판을 접착하는 단계; (다) 상기 제1유리 기판에 접착된 상기 예비 마이크로구조물을 식각하여 마이크로구조물을 형성하는 단계; (라) 외부와의 결선을 위한 홀들을 구비하고 서로 이격되어 상기 홀들을 각각 덮도록 형성된 상기 감지 전극 및 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극을 그 표면에 구비한 제2유리 기판을 상기 감지 전극이 상기 마이크로구조물의 제1함몰면과 대향하도록 상기 실리콘 기판에 접착하는 단계; 및 (마) 상기 감지 전극 및 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극이 각각 외부와 연결될 수 있도록 하는 외부 접촉 전극들을 상기 홀들의 경사면에 각각 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 제1함몰면 및 제2함몰면은 각각 습식 에칭법으로 식각하고, 상기 (나) 단계는 양극 본딩법으로 이루어지며, 상기 (다) 단계는 리액티브 이온 에칭법으로 이루어지며, 상기 (라) 단계에서는 양극 본딩법이 사용되며, 상기 전극이 구비된 제2유리 기판을 제조 하는 방법은, 상기 제2유리 기판 상에 전극 물질을 증착하는 단계; 상기 증착된 전극 물질을 패터닝하여 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극 및 감지 전극들을 형성하는 단계; 및 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극 및 감지 전극들이 노출되도록 홀들을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자 및 그 제조 방법을 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 벌크 에칭을 이용한 마이크로구조물 소자는 개략적으로 두 개의 유리 기판(200, 300) 사이에 마이크로구조물(101)이 형성된 실리콘 기판(100)이 삽입되어 양극 본딩된 형태로 만들어진다. 여기서, 실리콘 기판(100)은 5가 원소로 n⁺도핑되어 도전성을 가지며, 중앙부에 양면으로부터 함몰된 두꺼운 마이크로구조물(101)이 형성된다. 제1유리 기판(300)은 서로 이격된 제1전극(301) 및 제2전극(302)을 그 표면에 구비한다. 제1전극(301)은 마이크로구조물에 전압 신호를 인가하기 위한 신호 인가 전극으로 실리콘 기판(100)과 직접 접촉되고, 제2전극(302)은 마이크로구조물의 운동을 감지하는 감지 전극으로 실리콘 기판(100)의 함몰된 마이크로구조물(101)과 대응하도록 배치된다. 제2유리 기판(200)은 실리콘 기판(100)을 사이에 두고 제1유리 기판(300)의 상대쪽 면에 마이크로구조물(101)이 밀봉되도록 실리콘 기판(100)과 밀착된다. 이러한 밀차 공정이 진공 챔버 내에서 이루어지면 마이크로구조물이 있는 공간은 진공 상태를 형성하게 된다.

도 4a 내지 도 4g는 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자의 미세 가공 단계별 공정후의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로구조물 소자의 제조 방법은 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining)을 이용한다. 이와 같은 마이크로구조물의 제조 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, n⁺로 도핑된 실리콘 기판(100)에 습식 산화법(wet oxidation)으로 표면에 산화막(SiO₂)을 형성한 다음, 이를 포토레지스트 패턴을 이용하여 SiO₂산화막을 BHF용액으로 식각하여 마스크(미도시)를 형성한다. 다음에 이 마스크(미도시)를 이용한 TMAH 습식 에칭으로 전면을 식각하여, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(100)의 중앙부 전면에 제1함몰면(10)을 형성한다. 이 제1함몰면(10)의 함몰 깊이 d는 마이크로구조물과 감지전극 간의 간격을 결정하므로 정밀하게 식각한다. 다음에, 상기와 같은 방법으로 실리콘 기판(100)의 중앙부 후면에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2함몰면(20)을 형성하여 예비 마이크로구조물을 완성한다. 이 제2함몰면(20)은 마이크로구조물의 두께 t를 결정한다.

다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)에 형성된 예비 마이크로구조물의 제2함몰면(20)에 대향하도록 실리콘 기판(100)에 제1유리 기판을 양극 본딩(anodic bonding)법으로 접착한다.

다음에, 제1유리 기판(100)에 접착된 예비 마이크로구조물(100a) 상에 에칭 마스크(미도시)를 형성한 다음, 리액티브 이온 에칭(RIE)법으로 상기 예비 마이크로구조물(100a)을 식각하여, 도 4d에 도시된 바와 같은 마이크로구조물(100b)을 형성한다.

다음에, 외부와의 결선을 위한 홀(300a)들을 구비하고 서로 이격되어 상기 홀(300a)들을 각각 덮도록 형성된 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극(301; 제1전극) 및 감지 전극(302; 제2전극)을 표면에 구비한 제2유리 기판(300)을, 도 4e에 도시된 바와 같이, 감지 전극(302)이 마이크로구조물(100b)의 제1함몰면(10)에 대향하도록 실리콘 기판(100)에 접착한다. 이 때의 접착 공정은 양극 본딩법을 이용한다. 여기서, 제2유리 기판에 전극을 형성하는 방법은 먼저 제2유리 기판(100)에 전극(301, 302)을 패터닝한 다음, 상기 전극(301, 302)이 노출되도록 유리 기판에 홀들(300a)을 형성하는 순서로 진행한다.

다음에, 도 4f에 도시된 바와 같이, 마이크로구조물용 신호 인가 전극(301) 및 감지 전극(302)이 각각 외부와 연결될 수 있도록 하는 외부 접촉 전극들(303, 304)을 스퍼터링법으로 홀들(300a)의 경사면에 각각 증착한다.

다음에, 도 4g에 도시된 바와 같이, 와이어(305, 306) 본딩을 행하여 마이크로 구조물 소자를 완성한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 웨이퍼 벌크 에칭을 이용한 마이크로구조물 소자 및 그 제조 방법은, 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 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

소정의 도전성 물질이 도핑되어 도전성을 가지며 그 중앙부에 함몰된 소정 두께의 마이크로구조물이 형성된 실리콘 기판;

서로 이격된 제1전극 및 제2전극을 그 표면에 구비하되 상기 제1전극은 상기 실리콘 기판과 직접 접촉되고 상기 제2전극은 상기 실리콘 기판의 함몰된 마이크로구조물과 대응하도록 상기 실리콘 기판과 직접 접착된 제1유리 기판; 및

상기 실리콘 기판의 상기 제1유리 기판과의 접착면의 상대쪽 면에 상기 마이크로구조물이 밀봉되도록 접착된 제2유리 기판;을

구비하여 된 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자.
(가) 도전성 물질이 도핑된 실리콘 기판의 중앙부 양면을 선택적으로 식각하여 감지 전극과 대향하도록 소정의 깊이로 함몰된 제1함몰면 및 상기 제1함몰면으로부터 소정 두께를 보장하기 위한 제2함몰면에 의해 형성되는 예비 마이크로구조물을 형성하는 단계;

(나) 상기 마이크로구조물의 제2함몰면에 대향하도록 상기 실리콘 기판에 제1유리 기판을 접착하는 단계;

(다) 상기 제1유리 기판에 접착된 상기 예비 마이크로구조물을 식각하여 마이크로구조물을 형성하는 단계;

(라) 외부와의 결선을 위한 홀들을 구비하고 서로 이격되어 상기 홀들을 각각 덮도록 형성된 상기 감지 전극 및 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극을 그 표면에 구비한 제2유리 기판을 상기 감지 전극이 상기 마이크로구조물의 제1함몰면과 대향하도록 상기 실리콘 기판에 접착하는 단계; 및

(마) 상기 감지 전극 및 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극이 각각 외부와 연결될 수 있도록 하는 외부 접촉 전극들을 상기 홀들의 경사면에 각각 형성하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 (가) 단계에서 상기 제1함몰면 및 제2함몰면은 각각 습식 에칭법으로 식각하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 (나) 단계는 양극 본딩법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 (다) 단계는 리액티브 이온 에칭법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 (라) 단계는 양극 본딩법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 (라) 단계에서 상기 전극이 구비된 제2유리 기판을 제조 하는 방법은, 상기 제2유리 기판 상에 전극 물질을 증착하는 단계;

상기 증착된 전극 물질을 패터닝하여 상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극 및 감지 전극들을 형성하는 단계; 및

상기 마이크로구조물용 신호 인가 전극 및 감지 전극들이 노출되도록 홀들을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로구조물 소자의 제조 방법.