KR20000028948A - 각속도 센서 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 하나 이상의 매스(mass)와 지지빔 및 매립된 도체를 포함하는 각속도 센서의 구성요소를 실리콘 기판상에서 제작함으로써, 각속도 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다. 감지수단이 제공되고, 양극 접합에 의해 구성요소가 제1유리판과 제2유리판 사이의 공동에 밀봉된다. 이것은 낮은 비용의 실리콘 웨이퍼를 사용하는 각속도 센서가 제작될 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 각속도 센서에 관한 것으로, 특히 각속도 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 전자 측정 시스템을 위한 각속도 센서의 필요가 중요해지고 있다. 시스템, 예컨대 전복이나 미끄럼동안 부상을 방지하기 위한 자동차의 안전시스템은 운송수단의 액슬 정렬의 변화율을 결정하기 위한 장치를 필요로 한다. 이와 같은 시스템에 알맞은 신호를 제공하는 현재의 센서는 그 복잡한 설계 및 이에 따른 값비싼 생산기술이 요구되므로, 제조에 고가의 비용이 든다.
몇몇 종래 기술의 장치는 엘리먼트의 정전 여기(electrostatic exitation) 및 코리올리 효과(Coriolis effect)에 의해 유도된 엘리먼트의 용량 변화운동의 감지를 채용하고 있다. 일반적으로, 이러한 장치는 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on insulator) 웨이퍼나 폴리-실리콘을 사용하여 제조된다. 이러한 장치의 한계는 실리콘 웨이퍼가 매우 비싸고, 특히 소정의 스프링 엘리먼트에서 의도되지 않은 특성이 발생되도록 야기시키는 균일하지 못한 특성 및 잔류응력(built in stress)를 갖는 빈약한 품질로 폴리-실리콘 장치가 제조된다는 것이다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 종래 기술에 있어서의 비용 및 제조의 간편성과 관련된 몇몇 문제점을 극복할 수 있는 각속도 센서 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 처리에 따라 제작된 장치의 개략적인 평면도,
도 2는 본 발명의 처리에 있어서 제1단계 후 실리콘 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 3은 제2처리단계 후, 도 2의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 4는 제3처리단계 후, 도 3의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 5는 제4처리단계 후, 도 4에 따른 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 6은 제5처리단계 후, 도 5의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 7은 제6처리단계 후, 도 6의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 8은 제7처리단계 후, 도 7의 실리콘 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 9는 제8처리단계 후, 도 8의 실리콘 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 10은 제9처리단계 후, 도 9의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 11은 제10처리단계 후, 도 10의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 12는 제11처리단계 후, 도 11의 웨이퍼의 개략적인 단면도,
도 13은 제12처리단계동안 형성된 상부 유리 웨이퍼(top glass wafer)의 개략적인 단면도,
도 14는 제13처리단계 후, 도 12의 웨이퍼 및 도 13의 시트의 개략적인 단면도,
도 15는 제15처리단계 후, 도 14의 장치의 개략적인 단면도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 하나 이상의 매스와 지지빔 및 매립된 도체를 포함하는 각속도 센서의 구성요소를 실리콘 기판상에서 제작하는 단계와, 감지수단을 제공하는 단계 및, 양극 접합에 의해 제1유리판과 제2유리판 사이의 공동내에 구성요소를 밀봉하는 단계를 구비하여 이루어진 각속도 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다.
따라서, 본 발명에 의하면 낮은 비용의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 각속도 센서를 제작할 수 있다.
바람직하게는, 감지수단은 제1유리판상에 금속 증착에 의해 형성된 전극이다.
바람직하게는, 상기 매스와 빔 및 기판이 실질적으로 평행한 평면에 있고, 평행한 평면에 모두 평행 및 수직한 구성요소를 갖는 방향으로 휘는 경향을 갖도록 빔을 비대칭 에칭하는 단계를 더 구비한다.
양극 접합으로부터 도체를 보호하기 위해, 매립된 도체에 걸쳐 n-형 에피택셜층을 형성하는 단계를 더 구비하여 이루어진다.
바람직하게는, 기판은 n-형 단결정 실리콘 기판이다.
바람직하게는, 상기 매립된 도체가, 기판의 표면에 포토레지스트 마스크를 적용하는 단계와, 포토레지스트 마스크의 갭에서 기판내로 이온을 주입하는 단계 및, 기판내로 이온을 확산시키는 단계에 의해 제작된다.
매립된 도체에 대한 p-형 콘택트가, 기판의 표면에 포토레지스트 마스크를 적용하는 단계와, 포토레지스트 마스크의 갭에서 기판내로 이온을 주입하는 단계 및, 기판내로 이온을 확산시키는 단계에 의해 제공된다.
바람직하게는, 양극 접합단계가, 기판상에 패시베이션층을 제공하는 단계를 더 구비하여 구성된다.
더욱이, 제1 및 제2전극이 하나 이상의 캐패시터를 형성하도록 기판 및 제1유리판을 정렬하는 단계를 더 구비하여 구성된다.
(실시예)
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
각속도 센서(1)는 벌크 실리콘 미세가공을 사용하여 제작된다. 센서(1)는 본 실시예에서는 실질적으로 기판의 평면내에서 지지빔에 의해 결합되는 2개의 실리콘 매스(20)를 구비하여 구성된다. 매스(20) 및 빔 모두는 기판(3)의 평면에 수직하지도 평행하지도 않은 방향으로 휘는 경향을 갖도록 배치된다.
따라서, 정전 여기가 기판(3)의 평면에 대해 수직한 방향으로 매스(20)에 인가될 때, 매스(20)는 기판(3)의 평면에 실질적으로 평행하게 진동한다. 이는, 센서가 기판(3)의 평면에서 회전될 때, 매스(20)가 비교적 큰 자이로운동을 경험하는 것으로 귀결된다. 그러므로, 자이로운동에 의해 유도되는 회전은 다른 형상을 갖는 종래 기술의 장치에 비해 상대적으로 크고, 회전에 의해 야기되는 용량 변화가 보다 쉽게 감지될 수 있다.
일반적으로, 전형적으로 4 내지 10KHz 범위인 의도된 동작을 위한 동조주파수에서 여기가 일어난다. 실리콘 매스(20) 및 이들의 지지구조는 2개의, 상부 및 하부 유리판(18,19) 사이에 밀봉된다. 진동을 감지하기 위한 캐패시터 전극을 정의하는 금속 패턴이 상부 유리판(18)에 구비된다. 감지 진동은, 도 13에 나타낸 상부 유리판(18)상의 전극(21)과 매스(20) 사이에서 용량적으로 감지되는 평면 각진동을 벗어난 것이다.
각속도 센서는 다양한 형상 및 설계를 가질 수 있는 바, 도 1에 언급된 각속도 센서(1)의 일례는 개략적으로 나타내진 형상 및 설계를 갖는다.
제작 처리의 제1단계(처리단계1)는 다수의 검출 캐패시터를 위한 공기 갭(air gap) 및, 압착 콘택트 및 와이어 접합 패드영역내의 요구되는 공간으로서 활용되는 실리콘 웨이퍼(3)의 전방 표면(4)상에 홈(2)을 정의한다. 제1포토레지스트 마스크층이 실리콘 웨이퍼(3)에 적용되고, 그 다음 반응성이온에칭(RIE)에 의해 처리되어 수 ㎛ 깊이를 갖는 홈을 형성한다. 도 2는 처리단계1 후, 도 1의 AB선에 따른 실리콘 웨이퍼(3)의 개략적인 단면을 나타낸 것이다.
1㎛ 두께를 갖는 캐패시터 전극과 조합되는, 예컨대 2㎛ 홈 깊이는 1㎛의 공칭 캐패시터 갭으로 귀결된다. 물론, 다른 크기의 갭이 요구될 수도 있다.
처리단계2는 매스(20)와, 스프링, 얇은 지지 페디스털(pedestal) 및, 나중에 형성된 p-형 매립 도체를 차폐하는 n-웰(well)을 정의하는 것이다. 매스(20)는 정확한 두께를 얻기 위해 깊이 확산되는 인(phosphorous)의 주입에 의해 정의된다. 전형적인 두께는 10 내지 20㎛가 될 수 있다. 이와 같은 인확산에 의해 p-n 접합이 형성되고, 이어지는 웨트 에칭 처리동안 p-형 기판이 역으로 바이어스되므로, 전기 화학적으로 매스(20)의 두께가 형성된다.
표준 포토리소그래피 및 제2마스크층을 사용함으로써, 산화실리콘이 열적으로 성장하고 패턴된다. 산화실리콘은 HF계 용액에서의 에칭에 의해 패턴되고, 주입처리를 위한 마스크로서 사용된다. 인이 전방 표면(4)상에 주입되고, 후방 표면(5)에 붕소가 주입되어 웨이퍼(3)의 직렬 저항을 감소시킨다. 인은 특정 두께로 확산되고, 산화물이 재산화되어 실리콘 웨이퍼(3)상에 패턴인식을 위한 얇은 홈을 생성시킨다.
이 시퀀스의 최종단계는 웨이퍼(3)의 전방 표면(4)상의 산화실리콘을 에칭 제거하는 것이다. 웨이퍼(3)의 후방 측(5)상의 산화물은 후속 처리동안 기계적인 보호물로서 사용되므로 에칭되지 않는다. 이 처리단계 후의 단순화된 개략적인 단면이 도 3에 나타난다.
처리단계3은 나중의 양극 접합 단계 후 얻어진 압착 콘택트를 매개로 p-형 도체(7)를 그들의 대응하는 전극을 갖는 연결 와이어 접합 패드에 제공하는 것이다. p-형 확산 패턴이 제3포토레지스트 마스크층에 의해 정의되고, 이어서 열확산이 수반되는 붕소 주입에 의해 도체(7)가 제공된다. 주입이 수행되고, 포토레지스트가 벗겨진다. 그 다음, 붕소는 특정 두께로 확산된다. 최종적으로, 웨이퍼의 전방 측상의 산화물이 HF완충용액내에서 에칭된다. 처리단계3 후, 실리콘 웨이퍼의 개략적인 단면이 도 4에 나타난다.
처리단계4는, 도체(7)를 매립하기 위해서, 실리콘 웨이퍼(3)의 전방 표면(4)상에서 n-형 에피택셜층(8)을 성장시킨다. 단결정 n-형 실리콘층(8)이 웨이퍼(3)의 전체 전방 표면(4)상에서 에피택셜 성장된다. 처리단계4 후, 웨이퍼의 개략적인 단면이 도 5에 나타난다.
이 에피택셜층이 매스 및 스프링 엘리먼트의 두께에 더해지는 것을 주지하자. 스프링뿐 아니라 매스의 두께가 처리단계2에서의 확산 및 에피택셜층의 두께에 의해 정의된다.
처리단계5는 비대칭 스프링 단면을 얻기 위해서 스프링의 부분을 에칭한다. 웨트 에칭이나 드라이 에칭에 의해 비대칭 스프링의 상부 표면내의 오목부(10)가 제공된다 (도면에 도시된 바와 같이). 이것은 스프링의 강성을 바꿔 스프링의 주요 평면에 대한 소정 각도에서 약함을 제공한다. 전형적으로, 이 각도는 4°이다.
우선, 마스크 산화층(9)이 열적으로 성장한다. 제4마스크층을 사용함으로써, 이 산화물이 전방 표면(4)상에 패턴된다. 그 다음, 이방성 에칭처리를 사용하는 웨트 에칭이나 드라이 에칭이 수행되어 오목부(10)가 제공된다. 처리단계5 후, 웨이퍼(2)의 개략적인 단면이 도 6에 도시된다.
처리단계6은 에피택셜층(8)을 통해 매립된 도체(7)에 전기적인 연결을 제공한다. 제5마스크층을 사용하는 패턴된 마스킹 재료로서의 포토레지스트와 함께, 붕소 주입에 의해 콘택트(13)가 제작된다. 전형적으로, 얇은 산화실리콘층(11)을 통해 주입이 수행된다. 주입 후, 포토레지스트가 벗겨진다. 그 다음, 매립된 p-형 도체를 접촉시키기 위해서, 붕소가 특정 두께로 확산된다. 처리단계6 후, 웨이퍼(3)의 개략적인 단면이 도 7에 도시된다.
처리단계7은 n-형 에피택셜층(8)에 대한 접촉저항을 감소시키고, n-형 영역에 대한 전기 금속접촉을 향상시키며, 전기 화학적인 에칭 스톱 처리를 향상시킨다.
제6포토레지스트 마스크를 사용하여, 얇은 인 주입(14)이 제공된다. 주입후, 포토레지스트가 벗겨지고, n+주입된 층(14)이 어닐(anneal)된다. 이 처리단계 후, 웨이퍼(3)의 개략적인 단면이 도 8에 나타난다.
처리단계8은 금속 콘택트(13)를 위한 콘택트 홀(15;contact hole)을 만드는 것이다. 제7포토레지스트 및 HF계 용액내에서 에칭된 산화실리콘 마스크층을 사용하여 콘택트 홀(15)이 정의된다. 처리단계8 후, 웨이퍼(3)의 개략적인 단면이 도 9에 나타난다.
처리단계9는 연결을 위한 금속을 증착 및 패턴하고, p-형 및 n-형 확산층 모두에 오믹 콘택트(ohmic contact)를 보장한다. 고순도 알루미늄층(16)이 콘택트 홀(15)에 진공 증착된다. 제8마스크층을 사용하는 포토레지스터가 알루미늄을 패턴하기 위해 사용된다. 웨트 에칭처리에 의해 알루미늄이 에칭된다. 이 처리단계9 후, 웨이퍼(3)의 개략적인 단면이 도 10에 나타난다.
처리단계10은 실리콘의 웨트 에칭을 위한 마스크로서 사용되는 산화실리콘으로 후방 표면(5)을 패턴하고, (매스 확산의 두께내에서) 멤브래인 및 얇은 페디스털을 얻기 위해 에칭을 수행한다.
실리콘은 이방성 에칭에 의해 후방 표면(5)으로부터 에칭된다. 매스 및 스프링의 두께가 전기 화학 패시베이션 기술에 의해 제어된다. p-형 기판과 n-형 에피택셜층이나 n-형 웰사이의 p-n접합상에 역바이어스를 인가함으로써, 에칭 스톱이 달성된다.
제9마스크층에 의해 후방 표면 산화물 정의가 제공된다. 산화물을 위한 패턴 정의로서 포토레지스트가 사용되는 바, 실질적으로는 RIE에 의해서나 HF계 용액에서의 웨트 에칭에 의해 에칭된다. 벌크 실리콘의 웨트 에칭에 앞서 포토레지스트가 제거된다.
스프링 엘리먼트와 매스 및 얇은 페디스털의 두께는, 에피택셜층 두께를 포함하여, 전형적으로 12 내지 30㎛가 된다. 이 처리단계10 후, 웨이퍼(3)의 개략적인 단면이 도 11에 도시된다.
양극 접합 영역내 및, 프리 매스(free mass)와 스프링 구조상에서 산화물을 제거함으로써, 처리단계 11이 시작된다.
처리단계13에서의 나중의 3중-적층 양극 접합이 실리콘이나 실리콘 웨이퍼(3)의 양 측상의 얇은 산화물을 드러내기 위해 접합 유리로 구성된다. 그러므로, 패시베이션 산화실리콘층이 유리 부착영역으로부터 제거된다. 이 영역의 패턴은 제10포토레지스트 마스크층에 의해 정의된다. 산화물이 HF계 용액내에서 에칭된다.
센서의 매스 및 스프링 엘리먼트를 해방시키고, 멤브래인을 천공함에 의해 와이어 접합 패드영역을 노출시킴으로써, 처리단계11이 진행된다. RIE로 멤브래인을 천공함으로써, 매스 및 스프링이 해방된다. 에칭영역이 제11포토레지스트 마스크에 의해 정의된다. 에칭 후, 레지스트가 벗겨진다.
매스 및 스프링 모두가 매스 확산 및 에피택셜층(8)의 합에 의해 정의된 동일한 두께를 갖는다. 이 처리단계11 후, 웨이퍼(3)의 개략적인 단면이 도 12에 나타난다.
처리단계12는 와이어 접합 패드와, 연결, 감지 캐패시터의 전극(21) 및, 여기 엘리먼트를 위한 금속을 위해서 상부 유리판(18)상에 패턴을 증착한다.
우선, 적당한 재질의 얇은 접착층이 증착된다. 그 후, 고순도 알루미늄이 상부 유리판(18)상에 진공 증착된다. 제12마스크층을 사용하는 포토레지스트가 알루미늄을 패턴하기 위해 사용된다. 알루미늄이 에칭된다. 이 처리단계12 후, 상부 유리판(18)의 개략적인 단면이 도 13에 나타난다.
처리단계13은 센서 갭과 압착 콘택트를 제공하고, 기계적인 구조의 공동을 밀봉한다.
기계적으로 강한 구조 및 센서를 위한 저압력(진공) 대기를 얻기 위해, 3중 적층 양극 접합이 상부 유리판(18)과 바닥 유리판(19) 사이에 실리콘 웨이퍼를 밀봉하는데 사용된다. 와이어 접합 패드영역을 자유롭게 하기 위해 요구되는 절개단계가 양극 접합 후 수행된다. 실리콘 웨이퍼(3)가 2개의 유리판(18,19) 사이에 위치되고, 정렬 접합 장비를 사용하여 패턴된 상부 유리판(18)이 실리콘 웨이퍼에 정렬 및 접합된다. 2개의 유리 실리콘 접합이 동시에 양극 접합된다. 이 처리단계13 후, 장치의 개략적인 단면이 도 14에 나타난다.
처리단계 14는 와이어 접합 패드를 해방 및 노출시킨다. 바닥 유리 선침선을 따라 절개됨으로써, 와이어 접합 패드가 해방 및 노출된다. 끝으로, 처리단계15는 센서 다이(sensor die)를 해방시킨다. 바닥 유리 선침선을 따라 절개됨으로써 센서 다이가 해방된다. 이 처리단계15 후, 장치의 개략적인 단면이 도 15에 나타난다.
다른 실시예에 있어서, 상기된 처리의 제1단계에서 실리콘 기판(3)에 형성된 홈이 유리판(18)에 형성된다. 또한, 매스 및 스프링 엘리먼트를 위한 다양한 두께가 선택된다.
자이로운동에 의해 야기된 회전이 압전(piezo-electric)수단에 의해 교대로 감지될 수 있다. 캐패시터 전극이 요구되지 않음에도 불구하고, 필요하다면 상기 다수의 단계가 동일하게 남는다. 특히, 양극 접합 및 접합전의 예비 단계가 사용된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 상기 제조방법은 종래 기술의 처리보다 적은 단계를 요구하고, 제조품이 보다 간단하고 값싸게 제조될 수 있게 한다. 또한, 낮은 용량의 연결이 공동내측으로부터 매립된 도체를 통해 외측으로 제공된다. 이것은 부도체 기판상에 좀더 비싼 실리콘을 필요로 하는 것을 회피하고, 기생 캐패시턴스를 작게 할 수 있다.
Claims (11)
- 하나 이상의 매스와 지지빔 및 매립된 도체를 포함하는 각속도 센서의 구성요소를 실리콘 기판상에서 제작하는 단계와,감지수단을 제공하는 단계 및,양극 접합에 의해 제1유리판과 제2유리판 사이의 공동내에 구성요소를 밀봉하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 감지수단이 제1유리판상에 금속 증착에 의해 형성된 전극인 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매스와 빔 및 기판이 실질적으로 평행한 평면에 있고, 평행한 평면에 모두 평행 및 수직한 구성요소를 갖는 방향으로 휘는 경향을 갖도록 빔을 비대칭 에칭하는 단계를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 접합으로부터 도체를 보호하기 위해, 매립된 도체에 걸쳐 n-형 에피택셜층을 형성하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 n-형 단결정 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 매립된 도체가,기판의 표면에 포토레지스트 마스크를 적용하는 단계와,포토레지스트 마스크의 갭에서 기판내로 이온을 주입하는 단계 및,기판내로 이온을 확산시키는 단계에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 매립된 도체에 대한 p-형 콘택트가,기판의 표면에 포토레지스트 마스크를 적용하는 단계와,포토레지스트 마스크의 갭에서 기판내로 이온을 주입하는 단계 및,기판내로 이온을 확산시키는 단계에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 접합단계가 기판상에 패시베이션층을 제공하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상부 유리판과 기판의 접촉영역내의 패시베이션층을 제거하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2전극이 하나 이상의 캐패시터를 형성하도록 기판 및 제1유리판을 정렬하는 단계를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 절연체 기판상의 실리콘인 것을 특징으로 하는 각속도 센서의 제조방법.
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