KR20080031282A - 초소형 기계식 운동 센서 제조 방법 및 초소형 기계식 운동센서 - Google Patents

초소형 기계식 운동 센서 제조 방법 및 초소형 기계식 운동센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가속도, 각가속도, 또는 각속도와 같은 물리적인 양을 측정하는데 사용되는 측정 디바이스에 관한 것이고, 특히 초소형 기계식 운동 센서에 관한 것이다. 웨이퍼 평면에서, 본 발명에 따른 운동 센서 부품의 영역은, 다이싱되고 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 영역보다 작다. 대응하여, 접합의 방향에서, 본 발명에 따른 운동 센서 부품, 90°만큼 회전된 부품의 높이는 접합된 웨이퍼에 의해 형성된 웨이퍼 스택의 두께보다 작다. 본 발명의 목적은 초소형 기계식 운동 센서의 제조를 위한 개선된 방법을 제공하고, 특히 작은 초소형 기계식 운동 센서 해결 수단에 사용하는데 적절한 초소형 기계식 운동 센서를 제공하는데 있다.
Figure P1020087001143
초소형 기계식 운동 센서, 웨이퍼, 측정

Description

초소형 기계식 운동 센서 제조 방법 및 초소형 기계식 운동 센서{Method for manufacturing a micromechanical motion sensor, and a micromechanical motion sensor}
본 발명은 가속도, 각가속도, 또는 각속도와 같은 물리적인 양의 측정에 사용되는 측정 장치, 특히 초소형 기계식 센서에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 초소형 기계식 운동 센서의 제조를 위한 개선된 방법과 특히 작은 초소형 기계식 운동 센서 해결 수단에 사용하는데 적용할 수 있는 초소형 기계식 운동 센서를 제공하는데 있다.
초소형 기계식 운동 센서에 기초한 측정은 가속도, 각속도, 또는 압력과 같은 물리적인 양을 측정하는데 있어서 간단하고 기본적이며 확실한 방법인 것으로 입증되었다. 초소형 기계식 운동 센서에 있어서, 측정은 예를 들어 용량성 원리(capacitive principle)에 기초하고, 센서의 운동 상태에서의 변화는 스프링 현수된 진동 질량체(seismic mass)의 변위를 유발한다. 진동 질량체의 위치는 한 쌍의 전극들 사이에서의 전기 용량(capacitance)에 의하여 검출될 수 있으며, 표면들 사이의 전기 용량은 그 영역의 함수 및 표면들 사이의 거리이다. 초소형 기계식 운동 센서에 기초한 측정은 다양한 물리적인 양들의 아주 작은 계량 범위에서도 사용 될 수 있다.
일반적으로, 작은 초소형 기계식 운동 센서는 실리콘 상에 제조된 초소형 기계식 구조에 기초한다. 용어 "벌크(bulk) 초소형 기계식"은 웨이퍼 재료를 에칭하는 것에 의하여 형성되는 전형적으로 100㎛보다 두꺼운 초소형 기계식 구조물을 지칭한다. 벌크 초소형 기계식 센서의 이점은 표면 영역에 관계하는 구조의 큰 질량체이며, 우수한 성능의 관성 센서의 제조를 가능하게 한다.
현재 전문가 및 소비자 전자 기기의 제조, 및 소비자 전자 기기의 최소화에서 사용하는 종래 기술의 연결 및 캡슐화(encapsulation) 방법은 초소형 기계식 운동 센서와 같은 부품의 크기, 특히 높이에 관한 엄격한 요구를 초래하였다. 불행하게, 벌크 초소형 기계식에 있어서, 특히 웨이퍼의 평면에 직각인 방향으로의 센서 부품의 높이는 대체로 높으며, 기계적인 구조가 종종 양측부에서 밀봉되어야만 하기 때문에, 웨이퍼 평면을 기밀하게 밀봉하는 것에서 제어하는 것이 어렵다. 그러므로, 웨이퍼를 밀봉하는 것은 센서 부품의 높이를 상당히 증가시킨다.
아래에, 종래의 기술이 첨부된 도면을 참조하여 예시하는 것으로 기술되며,
도 1은 종래의 기술에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조를 도시하고,
도 2는 종래의 기술에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조의 다이싱된 부품을 도시한다.
도 1은 종래의 기술에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조를 도시한다. 종래의 기술에 따른 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 있어서, 중앙 웨이퍼(1) 상에 형성된 초소형 시스템은 예를 들어 양극 접합(anodic bonding)에 의하여 웨이퍼의 상부 및 저면측에서 2개의 웨이퍼(2, 3)를 기밀하게 부착하는 것에 의하여 밀봉된다.
도 2는 종래의 기술에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조의 다이싱된(diced) 부품을 도시한다. 종래의 기술에 따라서 웨이퍼 구조의 전형적으로 다이싱된 부품은 중앙 실리콘 웨이퍼(4) 상에 형성된 초소형 기계식 운동 센서의 가동 전극 구조를 포함하고, 웨이퍼 구조의 양측부는 초소형 기계식 운동 센서의 정지 전극 구조를 구성하는 2개의 글래스/실리콘 소자(5, 6)에 의해 밀봉된다. 다이싱 후에 부품의 높이는 웨이퍼 스택(1 내지 3)의 두께가 전형적으로 1.5 내지 2.5㎜이기 때문에 불가피하게 크다.
종래의 기술에 따른 운동 센서의 문제점은 센서 부품의 과잉 높이이다. 센서 부품의 높이는 밀봉 웨이퍼를 보다 얇게 만드는 것에 의하여 감소될 수 있다. 그러나, 얇게 하는 것에 대한 제한이 있으며, 열응력, 비틀림 또는 환경 혼란에 대한 증가된 민감도와 같은 새로운 문제가 수반된다.
전문가 및 소비자 전자 기기의 제조에 있어서, 종래의 해결 수단보다 낮으며, 가속도, 각가속도, 또는 압력과 같은 다양한 물리적인 양의 신뢰 가능한 측정에 사용하기 위하여 적용할 수 있는 초소형 기계식 운동 센서에 대한 증가하는 수요가 있다.
본 발명의 목적은 초소형 기계식 운동 센서의 개선된 제조 방법 및 개선된 초소형 기계식 운동 센서이다. 본 발명에 의하여, 회로기판 부품의 높이에서의 감축이 달성되고, 특히 작은 초소형 기계식 운동 센서 해결 수단에서 사용하는데 적용 가능하다.
본 발명의 첫 번째 특징에 따라서, 웨이퍼 소자로부터 초소형 기계식 센서를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법에서, 적어도 2개의 웨이퍼들을 접합하는 것에 의하여 얻어지는 웨이퍼 스택으로부터 초소형 기계식 운동 센서 부품이 다이싱되어서,
- 웨이퍼 표면의 평면에, 운동 센서 부품의 영역은, 다이싱되고 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 영역보다 작으며,
- 접합의 방향에서, 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 높이는 접합된 웨이퍼들에 의해 형성된 웨이퍼 스택의 두께보다 작다.
바람직하게, 상기 방법에서, 초소형 기계식 운동 센서의 전기 접속 영역은 면적이 가장 큰 다이스 절단면 상에 침착된다(deposited).
바람직하게, 상기 방법에서,
- 초소형 기계식 운동 센서 구조는 웨이퍼 상에서 에칭되고,
- 적어도 2개의 웨이퍼가 서로 접합되어 웨이퍼 스택을 형성하고,
- 웨이퍼 스택은 웨이퍼 평면에서 좁고 긴 운동 센서 부품을 절단하는 것에 의하여 다이싱되고,
- 운동 센서 부품은 90°만큼 그 측부들중 하나로 회전되며,
- 접속 영역이 운동 센서 부품의 다이스 절단측 상에 금속이 입혀진다.
바람직하게, 웨이퍼를 접합하기 전에, 웨이퍼들중 적어도 하나는 글래스 또는 산화물로 피복된다. 바람직하게, 접합되는 웨이퍼의 수는 3개이며, 웨이퍼의 각 측부에 있는 하나의 밀봉 웨이퍼는 센서 구조를 포함한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따라서, 적어도 2개의 웨이퍼를 접합하는 것에 의해 얻어진 웨이퍼 스택으로부터 다이싱된 초소형 기계식 운동 센서가 제공되어서,
- 웨이퍼 표면의 평면에서, 운동 센서 부품의 영역은, 다이싱되고 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 영역보다 작으며,
- 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 높이는 접합의 방향에서 접합된 웨이퍼에 의해 형성된 웨이퍼 스택의 두께보다 작다.
바람직하게, 초소형 기계식 운동 센서의 전기 접속 영역은 면적이 가장 큰 다이스 절단면상에 침착된다.
바람직하게, 운동 센서의 진동 질량체는 양측부 상의 하나의 가장자리에서 지지되는 긴 빔형 구조이다. 대안적으로, 운동 센서의 질량체는 양측부 상의 중심에서 지지되는 긴 빔형 구조이다. 또한, 대안적으로, 운동 센서의 진동 질량체는 하나의 평면에서 다양한 측방향으로 위치되는 구조이며, 상기 구조는 양측부 가장자리에서 하나의 단부에서 지지된다. 또한, 대안적으로, 운동 센서의 진동 질량체는 하나의 평면에서 다양한 경사 방향으로 위치된 삼각형 구조이며, 상기 구조는 양쪽 가장자리(edge)에서 하나의 코너(corner)에서 지지된다.
아래에, 본 발명과 그 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 종래의 기술에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조를 도시한 도면.
도 2는 종래의 기술에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조로부터 다이싱된 부품을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조의 다이싱된 부품을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따라서 웨이퍼 구조의 다이싱된 초소형 기계식 운동 센서 부품의 단면도.
도 5는 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서 부품의 진동 질량체의 대안적인 구조적 해결 수단을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서 부품의 진동 질량체의 두 번째 대안적인 구조적 해결 수단을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서 부품의 진동 질량체의 세 번째 구조적 해결 수단을 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서를 제조하는 방법을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서를 제조하는 대안적인 방법을 도시한 도면.
도 1 및 도 2는 상기에서 설명되었다. 아래에는 본 발명 및 바람직한 실시예 들이 도 3 내지 도 9를 참조하여 기술된다.
본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서 해결 수단은 운동 센서 부품이 웨이퍼 구조로부터 다이싱되어서, 웨이퍼의 평면에서, 다이싱되고 90°만큼 회전된 부품의 영역보다 다이싱된 부품의 영역이 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서의 전기 접속 영역은 면적이 가장 큰 다이스 절단면상에 침착된다. 특히, 접합의 방향에서, 본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서 부품의 높이, 90°만큼 회전된 부품은 접합된 웨이퍼에 의해 형성된 웨이퍼 스택의 두께보다 작다.
도 3은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 사용되는 웨이퍼 구조의 다이싱된 부품을 도시한다. 도면은 몇 개의 다이싱된 초소형 기계식 운동 센서 부품(7 내지 9)을 도시하고, 그중 하나의 초소형 기계식 운동 센서 부품(8)은 그 측부들중 하나 위로 90°만큼 회전된다. 부품의 접속 영역(11, 12)은 다이싱된 초소형 기계식 운동 센서 부품(8)의 다이싱된 측벽(10) 상에 침착된다.
본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서의 구조는 웨이퍼 표면의 방향으로 웨이퍼 스택의 두께보다 명백히 작은, 심지어 1㎜ 미만의 치수가 얻어지도록 설계된다. 본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 있어서, 극히 좁고 긴 부품(7 내지 9)은 통상의 기술과 대조적으로 웨이퍼 구조로부터 절단된다.
본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 있어서, 웨이퍼의 접합 및 절단 후에, 부품의 접속 영역은 면적이 가장 큰 다이스 절단 측부 상에 침착된다. 다이싱 후에, 부품(7 내지 9)들은 일측 위로 회전되고, 부품의 접속 영역(11, 12)들은 부품(7 내지 9)의 다른 다이싱 절단 측벽(10) 상으로 침착된다. 본 발명에 따른 해결 수단에 의하여, 부품들은 기판 또는 캡슐에 접합될 때 극히 낮게 된다.
도 4는 본 발명에 따라서 웨이퍼 구조로부터 다이싱된 초소형 기계식 운동 센서 부품의 단면도를 도시한다. 본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서의 제조에 있어서, 진동 질량체(13)는 얇은 굽힘 스프링에 의하여 질량체의 하나의 가장자리와 양측부에서 지지되는 긴 빔형 구조(13)이다. 이러한 구조는 예를 들어 전기 용량성 가속도 센서로서 작용할 수 있다.
본 발명에 따른 초소형 기계식 운동 센서에서, 구조의 치수비는 전형적인 초소형 기계식의 치수비와 다르다. 일반적으로, 초소형 기계식 구조는 웨이퍼의 두께와 비교하여 웨이퍼 평면에서 넓다. 본 발명에 따른 해결 수단에 있어서, 좁은 슬라이스(slice)는 웨이퍼로부터 절단되고, 슬라이스는 90°만큼 회전될 때 접합의 방향에서 얇고 넓다.
도 5는 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서 부품의 진동 질량체의 대안적인 구조적 해결 수단을 도시한다. 본 발명에 따른 대안적인 초소형 기계식 운동 센서에서, 진동 질량체(14)는 얇거나 좁은 비틀림 스프링에 의하여 양측부 상의 그 중심에서 지지도는 긴 빔형 구조(14)이다. 이러한 구조는 예를 들어 각가속도의 전기 용량성 센서로서 작용할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서 부품의 진동 질량체의 두 번째 대안적인 구조적 해결 수단을 도시한다. 본 발명에 따른 두 번째 대안적인 초소형 기계식 운동 센서에서, 진동 질량체(15 내지 18)는 양측부 가장자리 상의 한 쪽 단부에서 얇거나 좁은 비틀림 스프링에 의하여 지지되는 평면에서 다양한 측방향(0°, 90°, 180°, 270°)으로 설치되는 구조(15 내지 18)이다. 이러한 구조는 예를 들어 몇 개의 축을 가지는 가속도 센서로서 작용할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서 부품의 진동 질량체의 세 번째 대안적인 구조적 해결 수단을 도시한다. 본 발명에 따른 세 번째 대안적인 초소형 기계식 운동 센서에서, 진동 질량체(19 내지 22)는 하나의 평면에서 다양한 경사 방향(45°, 135°, 225°, 315°)으로 설치되는 삼각형 구조(19 내지 22)이며, 상기 구조는 양 가장자리 상의 하나의 코너에서 얇거나 좁은 비틀림 스프링에 의하여 지지된다. 이러한 구조는 예를 들어 몇 개의 축을 구비한 가속도 센서로서 작용할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서를 제조하는 방법을 도시한다. 본 발명에 따른 방법에서, 처음에, 센서 구조는 적어도 하나의 웨이퍼 상에서 에칭된다(23). 다음에, 적어도 2개의 웨이퍼가 예를 들어 양극 또는 융해 접합에 의하여 서로 접합된다(24). 전형적으로, 3개의 웨이퍼가 접합될 수 있으며, 웨이퍼의 각각의 측부 상의 하나의 밀봉 웨이퍼는 센서 구조를 포함한다. 접합된 웨이퍼는 웨이퍼 스택을 구성한다. 접합 후에, 웨이퍼 스택은 웨이퍼 평면에서 좁고 긴 운동 센서 부품으로 다이싱된다(25). 다음에, 운동 센서 부품은 한 측부 상으로 90°만큼 회전된다(26). 그런 후에, 접속 영역들은 운동 센서 부품의 다이스 절단 측부 상으로 금속이 입혀진다(27).
도 9는 본 발명에 따라서 초소형 기계식 운동 센서의 대안적인 제조 방법을 도시한다. 본 발명에 따른 대안적인 방법에서, 적어도 하나의 밀봉 웨이퍼가 예를 들어 글레이징(glazing) 또는 산화에 의해 예비 처리된다(28). 부가하여, 센서 구조는 적어도 하나의 웨이퍼 상에서 에칭된다(23). 다음에, 적어도 2개의 웨이퍼들이 서로 접합된다(24). 전형적으로, 3개의 웨이퍼들이 접합될 수 있고, 웨이퍼의 각각의 측부 상에 있는 하나의 밀봉 웨이퍼는 센서 구조를 포함한다. 접합된 웨이퍼는 웨이퍼 스택을 구성한다. 접합 후에, 웨이퍼 스택은 웨이퍼 평면에서 좁고 긴 운동 센서 부품으로 다이싱된다(25). 다음에, 운동 센서 부품은 일측부 상으로 90°만큼 회전된다(26). 그런 다음, 접속 영역들은 운동 센서 부품의 다이스 절단 측부 상으로 금속이 입혀진다(27).
본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 초소형 기계식 운동 센서에서, 웨이퍼의 두께는 접촉 영역을 구비한 캡슐화된 부품의 높이를 제한하지 않게 된다. 높이는 노출 마스크의 설계에 의해 단독으로 결정되며, 부품 패키징의 및 부착의 요구에 따라서 그 치수화가 훨씬 용이하다.
그러므로, 본 발명에 따흔 초소형 기계식 운동 센서 해결 수단은 부품을 밀봉하는 웨이퍼가 그 높이를 증가시키지 않기 때문에 극히 낮은 초소형 기계식 센서의 성능을 최대화하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 해결 수단에 의하여, 부품의 거의 모든 웨이퍼 평면이 운동 센서 질량체로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 운동 센서의 가장자리 상에서, 웨이퍼의 접합 및 기밀 밀봉에 필요한 다지 하나의 프레임 영역이 요구되며, 그 폭은 전형적으로 약 100 내지 200㎛이다.

Claims (11)

  1. 초소형 기계식 운동 센서 부품이 적어도 2개의 웨이퍼를 서로 접합하는 것에 의하여 얻어지는 웨이퍼 스택으로부터 다이싱되는, 웨이퍼 소자로부터 초소형 기계식 운동 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 초소형 기계식 운동 센서 부품은 다이싱되어서,
    - 웨이퍼 표면 평면에서, 상기 운동 센서 부품의 영역이 다이싱되고 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 영역보다 작고,
    - 접합의 방향에서, 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 높이가 접합된 웨이퍼에 의해 형성된 스택의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초소형 기계식 운동 센서의 전기 접속 영역은 면적이 가장 큰 다이스 절단면상에 침착되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 방법에서,
    - 상기 초소형 기계식 운동 센서 구조는 하나의 웨이퍼 상에 에칭되고(23),
    - 적어도 2개의 웨이퍼가 서로 접합되어 웨이퍼 스택을 형성하며(24),
    - 상기 웨이퍼 스택은 웨이퍼 평면에서 좁고 긴 운동 센서 부품으로 다이싱 되며(25),
    - 상기 운동 센서 부품은 상기 부품의 측부들중 하나의 측부에서 90°만큼 회전되며(26),
    - 접속 영역은 상기 운동 센서 부품의 다이스 절단 측부 상에 금속이 입혀지는(27) 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 웨이퍼의 접합에 앞서, 상기 웨이퍼중 적어도 하나는 글레이징 또는 산화되는(28) 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서 제조 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 3개의 웨이퍼가 접합되며, 상기 웨이퍼의 양측부 상의 하나의 밀봉 웨이퍼는 센서 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서 제조 방법.
  6. 적어도 2개의 웨이퍼의 접합에 의해 얻어지는 웨이퍼 스택으로부터 다이싱되는 초소형 기계식 운동 센서에 있어서,
    - 웨이퍼 표면 평면에서, 운동 센서 부품의 영역은, 다이싱되고 90°만큼 회전된 운동 센서 부품의 영역보다 작으며,
    - 접합의 방향에서, 90°만큼 회전된 상기 운동 센서 부품의 높이는 접합된 웨이퍼에 의해 형성된 웨이퍼 스택의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 초소형 기 계식 운동 센서.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 초소형 기계식 운동 센서의 전기 접속 영역은 면적이 가장 큰 다이스 절단면상에 침착되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 운동 센서의 진동 질량체(13)는 양 측부상의 하나의 측벽에 지지되는 긴 빔형 구조(13)인 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 운동 센서의 진동 질량체(14)는 양 측벽에 있는 그 중심에서 지지되는 긴 빔형 구조(14)인 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 운동 센서의 진동 질량체(15 내지 18)는 양측 가장자리에 있는 하나의 단부에서 지지되는 다양한 측방향으로 하나의 평면에 설치되는 구조(15 내지 18)인 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서.
  11. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 운동 센서의 진동 질량체(19 내지 22)는 양측 가장자리에 있는 하나의 코너에서 지지되는 다양한 경사 방향으로 하나의 평면에 설치되는 삼각형 구조(19 내지 22)인 것을 특징으로 하는 초소형 기계식 운동 센서.
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