KR20040008143A - 실리콘 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR20040008143A
KR20040008143A KR10-2003-7012232A KR20037012232A KR20040008143A KR 20040008143 A KR20040008143 A KR 20040008143A KR 20037012232 A KR20037012232 A KR 20037012232A KR 20040008143 A KR20040008143 A KR 20040008143A
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wafer
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하이키 쿠이스마
유하 라덴페라
리스토 뮤티카이넨
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브이티아이 테크놀로지스 오와이
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Abstract

본 발명은 실리콘 센서 구조물 및 실리콘 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따라, 단결정 실리콘 웨이퍼(10) 속에 적어도 하나의 스프링 엘리먼트 부분(7)과 상기 적어도 하나의 스프링 엘리먼트 부분(7)에 접속된 적어도 하나의 관성 질량체(8)가 개구부를 에칭함으로써 형성된다. 본 발명에 따라, 실리콘 웨이퍼의 깊이 방향으로 연장되는 개구부 및 트렌치(8)가 검식 에칭 방법에 의해 제조되며, 스프링 엘리먼트 부분(7)의 스프링 상수를 제어하기 위해 사용되는 에칭 프로세스는 습식 에칭 방법을 기초로한다.

Description

실리콘 센서 및 그의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A SILICON SENSOR AND A SILICON SENSOR}
이에 대한 기본 원리로서, 실리콘 미세가공은 소위 평면 기술, 즉, 박막 기술 분야 및 그에 따른 개선된 제조 방법에 활용된다. 미세가공 제조 기술은 상이한 형태의 기본 프로세스를 조합하고, 응용 분야에 적합하도록 파라미터를 조절하고 기판 상에 일반적으로 다수의 제조 단계인 레이아웃 패턴을 전사함으로써 수행되는 원하는 구조물을 설계함으로써 적용된다. 이들중에서, 기본 프로세스로는 상이한 형태의 박막 증착, 동일한 에칭 및 예를 들어 제어된 열처리에 의한 상기 박막들의 특성 변조를 포함한다.
박막 기술의 기본 프로세스로는 박막 패터닝, 및 보다 구체적으로 서로 통합되는 패터닝 및 에칭 프로세스 기술을 사용하여 구조물로 패턴의 전사단계를 포함한다. 가장 일반적으로 사용되는 패터닝 기술은 웨이퍼의 회전(스피닝) 또는 웨이퍼 상의 스프레이에 의해 웨이퍼의 표면 또는 다른 기판 상에 도포되는 감광성 레지스트의 사용을 기초로한다. 레지스트의 베이킹, 기판 상의 마스크로부터 자외선 광에 의한 패턴 노출 단계 및 포지티브 레지스트의 경우, 현상제를 사용한 헹굼으로써 레지스트의 노출 표면 제거 단계 이후, 증착된 마스크층 상에 형성된 패턴이 웨이퍼의 하부층으로 전사될 수 있다. 후자의 동작은 작업 메커니즘의 특성에 따라 습식 에칭 프로세스 또는 건식 에칭 프로세스라 불리는 공지된 기술의 에칭으로서 희생 프로세스를 사용하여 수행된다.
습식 에칭은 에칭 용액에서 이루어지며, 여기서 희생 재료는 액체 에칭 용액에 분해되어, 다수의 상이한 중간 조성물을 형성한다. 대부분의 에칭 프로세스는 등방성이며, 이는 이들의 에칭 속도가 상이한 배향에서 동일하다는 것을 의미한다. 그러나, 단결정성 실리콘이 이방성 에칭 용액을 사용하여 에칭될 수 있으며, 그로 인해 기판 재료의 상이한 결정 배향에서의 에칭 속도는 서로 상이하다. 이러한 특징은 결정 배향에 따라 배열된 정밀한 구조물을 형성하기 위해 종래의 실리콘 미세가공에 이용된다. 실리콘의 이방성 에칭은 에칭된 체적의 매우 균일한 깊이 및 에칭된 표면의 평탄한 표면 구조물에 의해 특징화된다. 전형적으로, 에칭된체적의 표면 조도(roughness)는 0.1% 차수이다.
건식 에칭 프로세스에서, 가스-상 분위기의 반응성 성분은 웨이퍼 표면과 반응하여 휘발성 성분을 형성하여, 고체 재료가 가스 형태로 전환된다. 전형적으로 반응 챔버는 부분 진공 하에서 동작하여, 기체 반응 생성물이 펌핑에 의해 제거된다.
습식 에칭 기술에서, 패턴 전사는 종래의 레지스트 마스크 이외의 무기 박막 하드 마스크를 사용하여 수행된다. 이러한 공정은 예를 들어, 농축된 알카리 용액에서 수행되는 실리콘의 이방성 에칭이다. 포토레지스트는 이러한 환경에서 그대로 보존될 수 없기 때문에, 통상적으로는 산화물 또는 질화물 하드 마스크가 실제 에칭 마스크로서 사용된다. 따라서, 무기 재료인 이들 마스크는 건식 또는 습식 에칭 프로세스의 조합으로 포토레지스트를 사용하여 먼저 패턴화된다.
3차원 미세가공 구조물은 기판의 전체 두께를 활용하거나(벌크 미세가공으로 공지된 기술), 또는 에칭에 의해 해체되는 구조물을 형성함으로써 선택적으로 기판의 표면층에 위치되거나 또는 기판의 표면 상에 증착된 박막 층상에 위치될 수 있도록 제조될 수 있다. 후자의 기술은 표면 미세가공으로 공지되어 있다. 벌크 미세가공 구조물은 웨이퍼 표면상에 에칭 마스크를 제조하기 위해 박막 패터닝 프로세스를 사용하고 상이한 에칭 프로세스에 의해 기판 자체에 패턴을 전사함으로써 제조된다.
건식 에칭은 액체 환경에서 수행되는 습식 에칭 프로세스와 구별하기 위해 기체-상 에칭 프로세스와 관련하여 공통적으로 사용되는 용어이다. 정상 건식 에칭 방법은 플라즈마 방전, 일반적으로는 부분 진공하의 가스 분위기에서 코로나 방전을 사용하는 것으로, 방전은 전기 AC 필드, 또는 종종 DC 필드에 의해 여기된다. 에칭 프로세스를 제어하는 기본 기술은 가스 분위기의 조성 및 압력, 플라즈마 방전의 여기 전력 및 플라즈마 에칭 챔버의 기하학구조를 조절하는 것이다. 에칭은플라즈마 방전의 임피던스를 측정함으로써 예정된 에칭 시간의 경과 또는 플라즈마 방전의 방출 모니터링에 기초한 광학적 에칭 엔드 포인트 시스템을 사용하여 종결된다. 또한 모니터된 표본으로부터 가시화되는 구조물의 광학적 검출은 충분한 에칭의 엔드 포인트를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
프로세스 가스는 가스형태의 반응 생성물을 형성하기 위해 에칭되는 재료와 반응할 수 있도록 사용된다. 이들은 예를 들어, 황 헥사플루오르화물(SF6), 테트라플로오르메탄(CF4) 및 염소(Cl2)을 포함한다. 플라즈마에서, 가스는 부분적으로 분해되어, 반응성 불소, 염소 또는 다른 라디칼이 에칭되는 기판과 반응할 수 있다. 플라즈마 프로세스는 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)과 같은 일부 불활성 기체 또는 기체들가 반응성 가스와 함께 반응 챔버속으로 주입됨으로써 변형될 수 있다. 이들 가스는 프로세스 분위기의 열전도성을 개선시키거나 또는 에칭 반응을 안정화시킨다. 플라즈마 방전의 특성은 반응 평형을 변경시킬 수 있는 산소(O2)와 같은 소정 가스를 첨가함으로써 추가로 제어될 수 있다. 따라서, 소정 반응에서 염소의 자유도를 상승시키는 것이 가능하여 제거되는 재료의 에칭 속도를 증가시키거나 또는 선택적으로 포토레지스트 마스크가 사용되는 경우 에칭되는 층의 측면 외형을 제어하는 것이 가능하다. 플라즈마 프로세스에 영향을 미치는 약품의 제 3 그룹은 포름알데히드(CHF3) 또는 옥타플루오로시클로부탄(C4F8)과 같은 패시베이팅 가스 또는 중합 가스이다.
실리콘에 깊은 트렌치를 에칭하기 위해, 펄스 또는 교번(alternating) 에칭주기를 기초로하는 특정 건식 에칭 방법이 사용된다. 여기서, 대부분의 등방성 에칭은 1㎛의 깊이의 실리콘 패턴으로의 신속한 가공을 위한 교번 단계에 적용된다. 순차적으로, 기판은 패시베이션 단계를 거치게 되어, 에칭된 것이 포함된 기판의 모든 표면은 플라즈마 가스로부터 증착된 폴리머층으로 커버된다. 급속 등방성 에칭 상태의 다음 단계는 패턴 트렌치의 하부에서 폴리머층을 구멍내어 1 증가분 만큼 패턴을 깊게하는 것이다. 동시적으로, 패턴의 측벽상에 증착된 폴리머층은 추가 에칭으로부터 보호된다. 에칭 가스는 전형적으로 황 헥사플루오르화물이고, 패시베이팅 가스는 옥타플루오로시클로부탄이다. 이러한 교번 에칭/패시베이션 단계의 연속은 에칭된 패턴의 원하는 깊이가 얻어질 때까지 계속된다. 이러한 기술에 의해, 어스펙트 비, 즉, 에칭된 트렌치의 깊이 대 폭 비율을 10 내지 40으로 값을 얻을 수 있도록 실리콘 웨이퍼의 전체 두께에 걸쳐 폭이 좁은 슬롯을 에칭할 수 있다. 이러한 건식 에칭 프로세스는 에칭되는 표면에 대해 특히 매우 이방성이다. 에칭 마스크의 특성으로 인해, 상기 방법은 기판의 에칭 속도 대 마스크 재료의 에칭 속도의 비로서 정의된 루틴한 형태의 뛰어난 선택비를 제공한다. 산화물 마스크를 사용하여, 200 내지 300의 높은 에칭 선택비를 얻어 수 있는 반면, 레지스트 마스크의 에칭 선택비는 50 내지 100 범위에 이른다. 전형적으로, 종래의 언펄스(unpulsed) 플라즈마 에칭 프로세스는 단지 이들 값의 1/10 정도인 에칭 선택비를 제공할 수 있다. 에칭 표면 조도 값은 일반적으로 수 퍼센트 차수이다.
에칭되는 기판의 표면 배향과 관련하여 이방성이며, 이방성 건식 에칭 프로세스로와 같은 프로세스를 포함하는 에칭 프로세스는(여기서, 기판 표면에 수직인배향에서 에칭 속도는 기판 표면과 평행한 배향에서의 에칭 속도보다 상당히 빠르다), 거의 수직인 측벽을 갖는 전체 실리콘 웨이퍼에 대해서도 거의 불확실한 형상의 깊이로 연장되는 개구부의 제조를 용이하게 한다. 그러나, 동시에 상기 방법 고유의 특성(ARDF, Aspect Ration Dependnent Etching)으로 인해 에칭 속도는 제조되는 개구부의 기하학 구조에 따라 좌우된다. 결과적으로, 원하는 깊이의 폭이좁은 어스펙트 슬롯, 또는 예를 들어, 웨이퍼의 중심 평면에 얇은 스프링 엘리먼트의 제조가 부정확해지거나 심지어 불가능해지게 된다.
웨이퍼의 중심 평면에 위치된 스프링 엘리먼트는 등방성 에칭 프로세스(모드 배향에 대해 동일한 에칭 속도를 갖는다)와 조합한 이방성 에칭 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 그러나 실리콘에 대한 양호한 등방성 에칭 프로세스는 아직 개시되지 않았다. 단지 이방성 에칭 가스로서 XeF2를 사용하는 경우만이 기술 분야에 보고되어 있다[Esashi 등].
결정 구조물의 {100} 평면에 거의 평행하게 배열된 표면을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼는 실리콘의 상이한 결정 배향을 따라 이방성 에칭되는 습식 에칭 프로세스(전형적으로 수산화 칼륨 용액)를 사용함으로써 웨이퍼의 중심 평면에 위치된 스프링 엘리먼트의 제조를 위해 사용될 수 있다. 이들 방법은 스프링 엘리먼트의 양호한 표면 품질 및 균일한 에칭 속도를 제공한다.
종래기술의 단점중 하나는 단일 프로세스로서의 건식 에칭은 실리콘 웨이퍼의 중심 평면에 있는 고차원 정밀도의 스프링 엘리먼트를 제조하는데 적합하지 않다는 것이다. 한편, 습식 에칭은 에칭에 의해 깊은 구조물의 제조시에 넓은 영역의 웨이퍼를 필요로 한다. 특히 가늘고 긴 스프링 엘리먼트의 제조시에 종래의 습식 에칭 기술의 사용은 스프링 엘리먼트가 {111} 결정 평면에 의해 형성된 에칭 표면에 있는 넓은 영역의 홀에 의해 둘러싸이게 한다. 이와 같은 이유로, 스프링 엘리먼트 두께의 한계값이 에칭 프로세스 동안 가까워지면 종래의 제조시에는 이들의 폭이 빠른 속도로 감소됨에 따라 특히 스프링 엘리먼트의 치수 정확도를 제어하기가 매우 어렵다. 제조 프로세스 또는 웨이퍼의 초기 두께에서의 작은 변화에도 스프링 엘리먼트의 단부 폭에서는 큰 편차를 야기시킬 수 있다. 따라서, 스프링 엘리먼트의 단면에서 이러한 형태의 기하학 구조를 사용하여 원하는 스프링 엘리먼트 품질을 얻는 것이 불가능해진다.
또한, 가속 센서는 중첩층 세트(두꺼운 실리콘 기판-유전층-얇은 실리콘층-유전층-두꺼운 실리콘층)를 포함하는 SOI 형의 다층 구조물을 기초로 제조될 수 있다. 이러한 기술의 단점은 복잡하고 값이 비싼 제조 프로세스를 수반한다는 것이다.
본 발명은 청구항 제 1 항의 서문에 따른 실리콘 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 청구항 제 7 항의 서문에 따른 실리콘 센서에 관한 것이다.
본 발명은 특히, 실리콘을 기초로한 가속 및 각속도 센서의 제조에 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 센서의 개략도;
도 2는 도 1과 거의 유사한 실리콘 센서의 상부도;
도 3a-3d는 도 2의 센서의 제조 단계를 나타내는 도면;
도 4는 실리콘 웨이퍼의 결정 배향을 나타내는 도면;
도 5는 본 발명에 따른 센서의 제조 단계를 센서 관성 질량 엘리먼트에서 취한 단면도;
도 6은 실리콘 센서의 제조 동안 본 발명에 따른 센서 구조물의 제 1 실시예로부터 얻은 사진;
도 7은 측벽 마스크 제거 이전에 센서의 폭이좁은 스프링 엘리먼트의 건식 에칭시에 얻은 사진;
도 8은 본 발명에 따른 가속 센서의 제 2 실시예의 사진;
도 9는 본 발명에 따른 가속 센서의 제 3 실시예의 사진;
도 10은 도 8의 센서의 상세도로부터 얻은 사진;
도 11은 본 발명에 따른 토션 스프링 엘리먼트의 사진.
도면 및 이하 설명에서, 괄호 표시는 다음과 같이 실리콘의 결정 구조를 나타내는데 사용된다.
<...> 등가 결정 배향,
{...} 등가 결정 평면,
[...] 개별 결정 배향, 및
(...) 개별 결정 평면.
본 발명은 이하 설명되는 제조 기술에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제를 해결하고 그에 기초하여 새로운 방법으로 실리콘 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 웨이퍼를 관통하는 에칭을 수행하고 습식 에칭 프로세스에 의해 웨이퍼의 중심 평면에 위치된 높은 정확도의 구조물을 완성하기 위해 건식 에칭 프로세스를 사용함으로써 달성된다. 바람직하게, 센서 구조물에서 스프링 엘리먼트의 수직 측벽, 뿐만 아니라 각진 스프링 레그의 수직부 또는 그의 만곡부의 접선은 실리콘 기판의 <110> 배향으로부터, 바람직하게 적어도 15°, 보다 바람직하게 <100> 배향에 등가인 45°, 또는 스프링 엘리먼트의 형상이 직사각 평행육면체로 상이한 경우, 스프링 엘리먼트의 측벽 또는 접선 평면은 <110> 배향으로부터 약 45°만큼 경사져있다. 상이한 절단 배향을 갖는 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우, 중심 사상은 스프링 엘리먼트에 의해 점유되는 체적 내에서 {111} 결정 평면에 배향된 경사진 표면의 영역을 최소화시키는 것이다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 청구항 제 1 항에 개시된 특징부에 의해 특징화된다.
또한, 본 발명에 따른 센서는 청구항 제 7 항에 개시된 특징부에 의해 특징화된다.
본 발명은 상당한 장점을 제공한다.
본 발명의 특징은 2가지 상이한 종류의 에칭 프로세스의 장점을 조합한 것이다.
공지된 것처럼, 알카리성 에칭 용액의 등방성 습식 에칭은 상이한 결정 배향에서 상이하게 작용하여, 전체 실리콘 표면에 대해 매우 균일한 에칭 속도, 뿐만 아니라 에칭되는 표면의 매우 평탄하고 완벽한 품질을 제공한다. 통상적으로, 이러한 에칭 방법의 가장큰 단점은 스프링 엘리먼트 기하학 구조의 설계시 설계 제한과 관련된다. 예를 들어, 직사각형상인 스프링 엘리먼트의 위치는 자유롭게 선택될 수 없으며, 그 이유는, 이들 엘리먼트 부근에서 요구되는 영역은 이들 자신의자국으로 인해 사본(manifold)을 만들기 때문이다.
실리콘에 대해 현재 사용되는 이방성 건식 에칭 프로세스는 설계 및 스프링 엘리먼트의 위치를 자유롭게 허용한다. 그러나, 이들 에칭 방법은 등방성 습식 에칭의 성과에비해 열악한 정도의 표면 조도 및 품질을 제공한다.
본 발명은이방성 건식 에칭 프로세스에 의해 제조되는 새로운 형태로 알카리성 에칭 프로세스에 의해 제공된 표면 평탄도 및 품질을 갖는 스프링 엘리먼트의 자유로운 위치 및 형상의 조합을 가능케한다.
웨이퍼 중심 평면에서 스프링 엘리먼트의 제조 이외에, 상기 방법은 웨이퍼의 다른 측면상에 스프링 엘리먼트의 제조를 위해 사용할 수 있다. 여기서, 이방성 습식 에칭은 웨이퍼의 한쪽 측면으로부터 웨이퍼의 전체 두께에 걸쳐 연장되는 깊이 방향으로 수행된다.
거의 웨이퍼의 중심 평면에 위치되고 웨이퍼의 평면으로부터 바깥방향으로 편향되는 스프링 엘리먼트의 제조에 적합한 것 이외에, 상기 방법은 이방성 에칭 프로세스에 의해 제어된 두께를 갖고 웨이퍼의 평면에 편향되는 스프링 엘리먼트의 제조에 적합하여, 이들의 폭에 의해 이들이 굽힘 강성(bending stiffness)을 결정할 수 있다.
또한, 상기 방법은 수직 및 수평 부분을 포함하는 고강성 토션 스프링 엘리먼트 또는 실리콘 웨이퍼의 평면에서만 자유롭게 움직일 수 있는 단지 수직부만을 포함하는 캔티레버/토션 스프링 엘리먼트 제조에 적합하다. 또한, 이들 엘리먼트는 웨이퍼의 중심 평면에 위치된 스프링 엘리먼트와 조합될 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면에 설명된 실시예를 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
센서 스프링 엘리먼트는 에칭 프로세스에 의해 한쪽 또는 양쪽 측면으로부터 웨이퍼를 씨닝(thinning)함으로써 제조된다. 실리콘 웨이퍼의 표면은 거의 이상적인 {100} 결정 평면이다. 스프링 엘리먼트는 거의 실리콘 웨이퍼의 중심 평면에 위치된다. 스프링 엘리먼트의 씨닝은 결정 배향에 대해 이방성으로 실리콘을 에칭하는 알카리성 수산화물 또는 유기 염기와 같은 화학제품을 사용하여 수행된다. 실리콘 웨이퍼의 평면에서 스프링 엘리먼트의 형상은 이방성으로 가격되는 에칭 프로세스에 의해 웨이퍼의 주어진 평면에 수직적으로 일정 차원으로 제어된다. 상기 기술된 형태로 제조된 스프링 엘리먼트는 수직부 및 수평부를 포함하는 토션 스프링 엘리먼트, 뿐만 아니라 웨이퍼 두께와 같은 높이를 갖는 단지 1개의 폭이좁은 부분을 포함하는 다른 편향 또는 토션 스프링 엘리먼트와 추가로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예의 신규한 특징은 이하 특징화되는 설명에 개시된다. 첫째, 스프링 엘리먼트의 수직 측벽, 각진 스프링 레그의 수직부 또는 만곡부의 접선은 실리콘 결정 구조의 <110> 방향으로부터 적어도 15°만큼, 예를 들어, <100> 방향에서 바람직하게는 45°만큼 경사져 있거나, 또는 스프링 엘리먼트의 형상이 직사각형이 아닌 경우, 엘리먼트의 측벽 또는 접선은 <110> 배향으로부터 45°만큼의 평균적으로 경사져있다. 둘째, 스프링 엘리먼트의 단부는 2개의 교차하는 {111} 결정 평면에 의해 적어도 부분적으로 설계된다.
본 발명의 예상치못한 발견이라는 것은 에칭이 알카리성 수산화물 또는 다른 이방성 기초 습식 에칭 프로세스를 사용하여 수행되는 경우, 기술분야에서 <110> 방향에 있는 패턴의 수직 측벽의 정렬시 최대 정확도가 달성된다는 것이다. 현재, 본 발명은 패턴 측벽의 일반적인 정렬로부터 상대적으로 작은 편향은 제조시에 에칭을 지연시키기 위해 실리콘의 {111} 결정 평면이 노출되지 않도록 이방성 에칭이 수행될 수 있다라는 신규한 개념을 이용한다. 발명에 있어서, 임계 방향에서의 에칭 속도는 수직 트렌치에 의해 제어되며, 상기 수직 트렌치는 통상적으로 사용되는 <110> 배향으로부터, 경사진 배향, 예를 들어 거의 <100> 방향에 실리콘 기판에 형성되며, 에칭시 이들 측벽이 보호된다.
도 1에 도시된 것처럼, 전형적인 가속 센서 구조물은 스프링(7)을 통해 관성 질량체(seismic mass)(6)에 접속된 프레임(10)을 포함한다. 관성 질량체(6)는 건식 에칭된 트렌치(8)의 도움으로 기판(10)으로부터 미세가공된다. 스프링(7)은 습식 에칭에 의해 제조되며, 스프링 엘리먼트의 단부는 {111} 결정 평면으로 경사진다.
트렌치(8)의 건식 에칭은 통상적으로 플라즈마 보조 프로세스에서 수행되며, 가스 상의 반응성 종은 휘발성 화합물을 형성하도록 웨이퍼 표면상에서 작용한다. 결과적으로, 트렌치(8)로부터 제거되는 고체 기판 재료는 가스 형태로 전환되어, 부분 진공에서 동작하는 반응 챔버로부터 펌프 처리된다. 반응은 반응성 프로세스가스의 연속적인 공급, 지속적인 진공 펌핑 및 그와 접속된 반응 챔버 압력 제어 시스템, 및 RF 필드에 의해 여기되는 플라즈마 시스템에 의해 유지된다. 에칭 깊이는 일반적으로 플라즈마의 광학적 방출의 모니터링에 기초한 에칭 엔드 포인트 검출기를 사용하거나 또는 에칭 시간을 조절함으로써 제어된다. 건식 에칭 프로세스에서, 에칭 선택비는 프로세스 파라미터의 적절한 선택 및 거의 이방성 에칭으로부터 강한 이방성 에칭에 사용되는 에칭 방법에 의해 변할 수 있다. 본 발명의 방법과 관련하여, 이방성 에칭이라는 용어는 기판 표면과 수직인 방향과 기판 표면에 대해 평행한 배향에 대한 에칭 속도가 기준치에 대해 불균일하게 이루어지는 경우 사용된다. 또한, 에칭된 에지의 형태는 에칭 화학제 및 프로세스 파라미터를 변조시킴으로써 제어될 수 있다. 그러나 건식 에칭시에, 에칭 속도는 일반적으로 결정 배향과 거의 무관하다.
도 2에 도시된 실시예에서, 스프링 엘리먼트(7)의 표면 전체 영역 대부분은 {100} 결정 평면으로 형성된다. 본 발명에 따른 에칭 배향의 선택은 {111} 결정 평면이 스프링 엘리먼트(7)의 단부에만 형성되게 한다. 센서 세기와 관련하여 이러한 조건의 추가적인 장점은 {111} 결정 평면이 스프링 엘리먼트(7)의 양쪽 지지 단부상에, 즉, 관성 질량(6)에 접속된 단부 및 기판(10)에 접속된 단부에 두꺼운 부분을 형성한다는 것이다. {111} 결정 평면은 스프링 엘리먼트(7)의 단부에 또는 그와 인접한 부분에 교차 라인(11)을 따라 서로 교차한다.
도 3a에서는 실리콘 웨이퍼의 전체 두께에 걸쳐 연장되며 이후 설명될 프로세스 도면(5c)에서 볼 수 있는 트렌치(8)를 형성하는 영역(1)을 볼 수 있다. 각각, 도 3b는 습식 에칭에 의해 스프링 엘리먼트 속에 형성되는 부분을 형성하는 영역(2)을 나타낸다. 상기 영역은 프로세스 도면(도 5a, 도 5e)에서 볼 수 있다. 도 3c는 영역(1, 2)과 관련한 배향 및 {110} 결정 배향에 따라 습식 에칭에 의해 처리되는 임의의 영역(3)을 나타낸다. 습식 에칭되는 임의의 영역(3)의 측벽은 도면에 도시된 형태의 {110} 결정 배향으로 정렬된다. 실제 프로세스에서, 임의의 영역(3)은 도 2에 형성된 영역과 작은 영역(4)만이 에칭되며, 상기 작은 영역(4)은 에칭 마스크 아래에서 언더컷되나, {111} 결정 평면의 제한된 에칭 속도에 의해 야기되는 방해로 인해 그 정도는 미약하다. 관성 질량체(6)는 처리된 영역의 중심에 형성되는 반면, 점선으로 도시된 영역은 {111} 평면에 의해 종결된 스프링 및 웨이퍼 표면의 (100) 결정 평면에 적절히 배열된 스프링의 양쪽 단부에 형성된 영역을 나타낸다.
도 3d에는 제조된 스프링 엘리먼트(76)의 단부에서 라인(11)을 따라 교차되도록 {111} 결정 평면에 의해 설계된 영역을 나타낸다. 도시된 경우에 있어, 등가 <110> 결정 스프링 배향을 나타내기 위해 도면에 도시된 [011] 결정 배향과 스프링 엘리먼트의 종축(15) 사이의 각도()는 45°이며, {111} 결정 평면의 교차 라인(11)의 표면 돌출부는 스프링 엘리먼트(7)의 종축에 평행하게 배향된다. 본 발명의 목적은 스프링 엘리먼트(7)의 평탄부를 최대화시키는 것이므로, 즉, 스프링 표면상의 자유도를 유지하기 위해 (100) 결정 평면의 최대 긴 영역을 얻는 것이므로, 각도()는 상기 목적을 위해 45°에 충분히 근접해야 한다.
또한, {111} 결정 평면의 방향으로 스프링 엘리먼트(7)의 종방향 치수(L1)와관련하여 스프링 엘리먼트(7)의 길이(L)를 고려하여 프로세스가 검사될 수 있다. 분명히, L1의 치수는 에칭 깊이 및 각도()에 직접 관련된다. 센서의 설계는 L1/L의 비가 작은 경우, 예를 들어 0.2 이하인 경우 생산 편차에 영향을 미치지 않게 할 수 있다. 이는 스프링 엘리먼트에 대해 제한된 기판 영역의 비교적 상당 부분이 적절한 스프링을 형성하다는 것을 의미하며, 스프링 엘리먼트의 다른 치수는 제조 톨러런스의 범위를 최소화시키지 않을 필요가 있다. 각도()가 45°와 상이한 경우, L1/L의 비율을 증가한다. 본 발명에 따라, L1/L 비율에 대한 적절한 값은 0.45보다 작아, 스프링 엘리먼트(7)의 적절히 큰 영역이 평면형으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따라, 스프링 엘리먼트(7)의 종축과 실리콘 웨이퍼의 평면에 있는 등가 <110> 결정 배향 사이의 각도()는 전형적으로 25°내지 65°, 바람직하게는 약 45°이다.
도 4에는 (100) 배향으로 이루어진 전형적인 단결정 실리콘 웨이퍼의 결정 배향이 도시된다. 여기서, <100> 배향은 전체 6개인 모든 결정 배향을 나타내며, [100] 결정 배향과 등가이다. 각각, {100} 평면은 (100) 평면과 등가인 모든 결정 평면을 나타낸다. {100} 평면에 대한 법선은 <100> 배향으로 도시된다. 웨이퍼가 웨이퍼 평면에 수직인 방향으로부터 도면처럼 검사될 때, 웨이퍼 표면은 웨이퍼 표면 법선이 [100] 방향에 있는 것을 의미하는 (100) 평면이다. 또한, 웨이퍼의 평탄부는 <110> 방향과 등가인 [011] 결정 배향과 평행하다. 웨이퍼 표면에서 그와 45°각도에서 2개의 결정 배향, 즉, 도 4에 도시된 [010] 및 [001] 방향은<100> 배향과 등가이다. 또한, 웨이퍼 평면에서 또다른 배향, 즉 평탄부와 수직인 [0-11] 배향은 <110> 배향과 등가이다. 웨이퍼 평면에서, <110> 배향과 등가인 [011] 및 [0-11] 결정 배향은, 2개의 다른 웨이퍼 평면 배향, 즉, <100> 배향과 등가인 [010] 및 [001] 평면과 45°의 각도를 형성하지만, 동시에 후자의 2개는 웨이퍼 평면에 수직인 배향에 있는 <100> 배향과 등가인 [100] 방향과 90°의 각도를 형성한다. 따라서, <110>과 등가인 전체 배향의 수는 12이며, 4개는 (100) 웨이퍼의 평면에 위치된다. 이들 배향중 2개, [011] 및 [0-11]의 개별 결정 배향은 도 4에 도시된다.
도 5에 도시된 것처럼, 전형적인 센서 제조 프로세스는 이하의 단계를 포함한다;
도 5a :
20. 산화물층(12) 증착.
21.스프링 엘리먼트 개구부(2) 형성.
22. 질화물층(13) 증착.
도 5b :
23. 포토레지스트(14)에 의해 쓰루-에칭을 위한 영역(1) 형성.
도 5c :
24. 영역(1)상의 질화물층(13)(및 산화물층(12)) 에칭.
25. 영역(1)에서 한쪽 또는 양쪽 측면상에서 웨이퍼 건식 에칭.
도 5d :
26. 포토레지스트(14) 스트립핑.
27. 트렌치(8)의 측벽 산화.
도 5e :
28. 질화물층(13) 제거 및 스프링 엘리먼트 개구부(2) 노출.
도 5f :
29. 습식 에칭에 의해 스프링 엘리먼트(7) 형성.
도 5g :
30. 마스크 제거.
도 6에는 가속 센서 스프링(7)의 구조가 보다 상세히 도시된다. 도면은 스프링 엘리먼트(7)와 등가 <110> 결정 배향 사이에 약 45°의 각도를 나타낸다.
도 7에는 결정 배향에 의해 영향을 받지 않는 정확한 에칭(through-etching)을 달성하고 매우 폭이 좁은 스프링 엘리먼트를 제조하기 위한 건식 에칭의 특성이 도시된다.
도 8에는 등가 <110> 결정 배향과 관련하여 45°각도에서 제조된 모두 4개의 센서 엘리먼트(7)를 갖는 보다 정교한 센서 구조를 나타낸다.
도 9는 관성 질량체(6)속으로 연장되는 스프링 엘리먼트(7)를 갖는 센서 구조물을 나타낸다. 스프링 엘리먼트(7)의 단부에서는 {111} 결정 평면을 볼 수 있고 웨이퍼 표면 상에서 교차 라인의 돌출부는 스프링 세그먼트(7)의 종축에 대해 거의 평행하다.
도 10은 도 8의 스프링 엘리먼트의 단부를 상세히 도시한다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 토션 스프링 엘리먼트를 나타낸다. {111} 결정 평면을 보다 쉽게 볼 수 있다.
본 발명은 예를 들어, 가속 센서 및 발진 각속도 센서에 적용될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 범주 및 정신을 이탈하지 않는 한, 단결정성(단결정) (100) 실리콘 웨이퍼와 다른 웨이퍼의 프로세싱에 적용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 실리콘 센서 구조물 제조 방법으로서, 상기 방법은,
    단결정 실리콘 웨이퍼(10) 속에 개구부를 에칭함으로써 적어도 하나의 스프링 엘리먼트 부분(7) 및 상기 스프링 엘리먼트 부분(7)에 접속된 적어도 하나의 관성 질량체(8)를 형성하는 단계를 포함하며,
    - 상기 실리콘 웨이퍼의 깊이방향 속으로 연장되는 상기 개구부 및 트렌치(8)는 건식 에칭 방법에 의해 형성되며,
    - 상기 스프링 엘리먼트 부분(7)의 스프링 상수를 제어하기 위해 사용되는 에칭 프로세스는 습식 에칭 방법을 기초로하는 실리콘 센서 구조물 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 엘리먼트(7)의 종축과 실리콘 웨이퍼의 평면에 등가 <110> 결정 배향 사이의 각도()는 제로가 아니게 선택되며, 바람직하게는 15° 이상, 일반적으로는 25°내지 65°, 보다 더 바람직하게는 약 45°로 선택되는 실리콘 센서 구조물 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스프링 엘리먼트(7)의 길이(L) 대 {111} 결정 평면의 방향으로 그의 종축 치수(L1) 사이의 비(L1/L)는 0.45 이하로 선택되는 실리콘 센서 구조물 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습식 에칭 단계는 상이한 결정 배향에 대해 이방성인 알카리성 에칭 프로세스를 사용하여 수행되는 실리콘 센서 구조물 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 평면에 수직인 것들과 다른 배향에 있는 구조물의 에칭은 실리콘 웨이퍼의 <110> 배향과 거의 상이한 배향으로 정렬되고 에칭 공격에 대해 이들 측벽을 보호하는 수직 트렌치(8)를 기판 속에 제조함으로써 제한되는 실리콘 센서 구조물 제조 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 습식 에칭 및 건식 에칭 프로세스는 이방성인 실리콘 센서 구조물 제조 방법.
  7. 단결정 실리콘 웨이퍼(10)로 제조된 실리콘 센서 구조물로서, 상기 구조물은
    -프레임(10),
    -상기 프레임(10)에 한쪽 단부가 접속된 적어도 하나의 가늘고 긴 스프링 엘리먼트(7), 및
    - 상기 스프링 엘리먼트(7)의 다른쪽 단부에 접속된 적어도 하나의 관성 질량체(6)를 포함하며,
    - 경사진 {111} 결정 평면의 교차 라인(11)은 상기 스프링 엘리먼트(7)의 단부에 또는 적어도 그 부근 근처에 형성되는 실리콘 센서 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서 구조물은 단결정 (100) 실리콘 웨이퍼로 제조되며, 모든 경사진 결정 평면은 {111} 결정 평면인 실리콘 센서 구조물.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 {111} 결정 평면의 교차 라인(11)은 스프링 엘리먼트(7)의 종축과 적어도 거의 평행하게 배향되는 실리콘 센서 구조물.
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