KR20120131788A - 관성센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20120131788A
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membrane
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김종운
정원규
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 관성센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서(100)는 판상의 멤브레인(110), 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 배치되되, 중심부에 구비된 접합부(123) 및 접합부(123)의 외측에 구비되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 패터닝부(125)를 포함하는 질량체(120) 및 멤브레인(110)과 접합부(123)에 사이에 형성되되, 패터닝부(125)의 내측에 구비된 제1 접합층(130)을 포함하는 구성이며, 패터닝부(125)를 마스크로 등방성 식각을 통해서 제1 접합층(130)의 면적을 좁힘으로써, 멤브레인(110)의 스프링상수를 감소시켜 관성센서(100)의 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

관성센서 및 그 제조방법{Inertial Sensor And Method of Manufacturing The Same}
본 발명은 관성센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 관성센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙박스(Black Box) 등 차량용, 캠코더의 손떨림 방지용, 핸드폰이나 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
이러한 관성센서는 가속도와 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 관성센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출할 수 있는 것이다.
구체적으로, 관성센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴톤의 운동법칙 "F=ma" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서, "F"는 질량체에 작용하는 관성력, "m"은 질량체의 질량, "a"는 측정하고자 하는 가속도이다. 이중, 질량체에 작용하는 힘(F)을 감지하여 일정값인 질량체의 질량(m)으로 나누면, 가속도(a)를 구할 수 있다. 또한, 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force) "F=2mΩ?v" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체의 질량, "Ω"는 측정하고자 하는 각속도, "v"는 질량체의 운동속도이다. 이중, 질량체의 운동속도(v)와 질량체의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 질량체에 작용하는 코리올리힘(F)을 감지하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.
상술한 바와 같이, 관성센서가 가속도(a)를 측정할 때, 상기 질량체에는 관성력(F)에 의하여 변위가 발생하게 된다. 또한, 관성센서가 각속도(Ω)를 측정할 때, 상기 질량체를 운동속도(v)로 진동시켜야 한다. 이와 같이, 가속도(a)나 각속도(Ω)를 측정하기 위해서는 멤브레인의 탄성에 따라 질량체의 이동이 필수적이고, 관성센서의 감도를 향상시키기 위해서 질량체의 질량은 큰 것이 바람직하고 멤브레인의 스프링상수가 작은 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3은 종래기술에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 공정단면도이고, 이를 참조하여 종래기술의 문제점을 살펴본다.
우선, 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, SOI(Silicon On Insulator) 기판을 준비한 후, SOI 기판의 지지기판(1)을 선택적으로 제거하여 질량체(2)와 포스트(3)를 형성한다.
그후, 도 3에 도시된 바와 같이, 질량체(2)와 포스트(3) 사이에 에칭액을 공급하여 절연층(6; 산화실리콘)을 선택적으로 제거하여 접합층(4)을 형성한다. 이때, 접합층(4)의 면적은 멤브레인(5)의 스프링상수를 결정한다. 구체적으로, 접합층(4)의 면적이 좁아지면 실질적으로 탄성을 갖는 멤브레인(5)의 면적이 넓어져 스프링상수가 감소하고 그에 따라 관성센서(10)의 감도를 높일 수 있다. 따라서, 접합층(4)의 면적은 좁아질수록 바람직하지만, 질량체(2)와 포스트(3) 사이로 에칭액을 공급하여 접합층(4)을 제거하므로, 언더컷(Undercut) 현상을 고려한다고 하더라도 접합층(4)의 면적은 질량체(2)의 단면적의 영향을 받는다. 따라서, 접합층(4)의 면적을 좁히기 위해서는 질량체(2)의 단면적 역시 좁혀야 하지만, 이 경우 질량체(2)의 질량이 감소해 관성센서(10)의 감도가 떨어진다.
결국, 종래기술에 따른 관성센서(10)은 제조공정 상 질량체(2)의 질량을 증가시키면서 멤브레인(5)의 스프링상수를 감소시킬 수 없어 관성센서(10)의 감도를 향상시키는데 한계가 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 질량체에 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 패터닝부를 채용하여 접합층의 면적을 좁힘으로써, 멤브레인의 스프링상수를 감소시켜 감도를 향상시킬 수 있는 관성센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서는 판상의 멤브레인, 상기 멤브레인의 중앙부분 하부에 배치되되, 중심부에 구비된 접합부 및 상기 접합부의 외측에 구비되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 패터닝부를 포함하는 질량체 및 상기 멤브레인과 상기 접합부에 사이에 형성되되, 상기 패터닝부의 내측에 구비된 제1 접합층을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제1 접합층은 상기 패터닝부를 마스크로 등방성 식각을 통해서 선택적으로 제거되어, 상기 제1 접합층은 상기 패터닝부의 내측에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패터닝부는 다수의 홀이 형성되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패터닝부는 상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부가 형성되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 것를 특징으로 한다.
또한, 상기 패터닝부는 상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부 및 상기 제1 리브부의 측면으로부터 소정간격 마다 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제2 리브부가 형성되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체를 둘러싸도록 상기 멤브레인의 테두리 하부에 배치된 포스트 및 상기 멤브레인과 상기 포스트의 사이에 형성된 제2 접합층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포스트로부터 상기 질량체 방향으로 연장되되 상기 멤브레인의 하면과 소정간격 이격되어 형성된 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 제조방법은 (A) 제1 기판, 제2 기판 및 멤브레인 순으로 적층된 베이스 부재를 준비하는 단계, (B) 상기 제1 기판의 중앙부분에 질량체가 형성되도록 상기 제1 기판을 패터닝하는 동시에, 중심부에 구비된 접합부 및 상기 접합부의 외측에 구비된 패터닝부를 포함하는 상기 질량체 중 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 단계 및 (C) 상기 패터닝부를 마스크로 등방성 식각을 통해서 상기 멤브레인과 상기 패터닝부 사이의 상기 제2 기판을 선택적으로 제거하여 상기 패터닝부의 내측에 잔존하는 상기 제2 기판으로 제1 접합층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 (B) 단계에서, 다수의 홀을 형성하여 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 단계에서, 상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부를 형성하여 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 단계에서, 상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부 및 상기 제1 리브부의 측면으로부터 소정간격 마다 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제2 리브부를 형성하여 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 단계에서, 상기 제1 기판의 테두리에 상기 질량체를 둘러싸는 포스트가 형성되도록 상기 제1 기판을 패터닝하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (C) 단계에서, 상기 질량체와 상기 포스트를 마스크로 등방성 식각을 통해서 상기 제2 기판을 선택적으로 제거하여 상기 멤브레인과 상기 포스트 사이에 잔존하는 상기 제2 기판으로 제2 접합층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 단계에서, 비등방성 식각을 통해서 상기 제1 기판을 패터닝하는 동시에, 상기 패터닝부를 패터닝하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 단계에서, 상기 포스트로부터 상기 질량체 방향으로 연장된 지지부가 형성되도록 상기 제1 기판을 패터닝하고, 상기 (C) 단계에서, 등방성 식각을 통해서 상기 멤브레인과 상기 지지부 사이의 상기 제2 기판을 제거하여 상기 멤브레인의 하면과 상기 지지부를 이격시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 질량체에 상하방향으로 관통하도록 패터닝된 패터닝부를 채용하고, 상기 패터닝부를 마스크로 등방성 식각을 통해서 접합층의 면적을 좁힘으로써, 멤브레인의 스프링상수를 감소시켜 관성센서의 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 패터닝부를 이용하여 제1 접합층의 면적을 자유롭게 제어할 수 있으므로, 질량체의 단면적을 넓게 설계할 수 있어 질량체의 질량을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 관성센서의 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 질량체에 상하방향으로 관통하도록 패터닝된 패터닝부를 형성하여 진동시 공기의 점성으로 인한 감쇠력을 저감시킴으로써, 질량체의 변위가 증가되어 관성센서의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래기술에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 공정단면도;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 단면도;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 질량체 및 포스트의 평면도;
도 6 내지 도 7은 도 5에 도시된 질량체 및 포스트의 변형예를 도시한 평면도;
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 변형예를 도시한 단면도;
도 9는 도 8에 도시된 관성센서의 하방 변위를 제한하는 과정을 도시한 단면도;
도 10은 도 8에 도시된 관성센서의 질량체, 포스트 및 지지부의 평면도; 및
도 11 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 공정단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 질량체 및 포스트의 평면도이며, 도 6 내지 도 7은 도 5에 도시된 질량체 및 포스트의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 판상의 멤브레인(110), 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 배치되되, 중심부에 구비된 접합부(123) 및 접합부(123)의 외측에 구비되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 패터닝부(125)를 포함하는 질량체(120) 및 멤브레인(110)과 접합부(123)에 사이에 형성되되, 패터닝부(125)의 내측에 구비된 제1 접합층(130)을 포함하는 구성이다.
상기 멤브레인(110)은 판상으로 형성되어 질량체(120)가 진동할 수 있도록 탄성을 갖는다. 여기서, 멤브레인(110)의 경계는 정확히 구획되는 것은 아니지만, 멤브레인(110)의 중앙에 구비된 중앙부분(113)과 멤브레인(110)의 외곽을 따라 구비된 테두리(115)로 구획될 수 있다. 이때, 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에는 질량체(120)가 배치되므로, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)은 질량체(120)의 움직임에 대응하는 변위가 발생한다. 또한, 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에는 포스트(140)가 배치되어, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)을 지지하는 역할을 수행한다. 한편, 멤브레인(110)에는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 등의 압전체와 전극이 형성되어 압전효과를 이용하여 질량체(120)의 변위를 감지하거나 역압전효과를 이용하여 질량체(120)를 진동시킬 수 있다. 다만, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 반드시 압전체를 이용하는 압전방식이어야 하는 것은 아니고, 압저항방식이나 정전용량방식 등 당업계에 공지된 모든 구동방식 또는 감지방식일 수 있다.
상기 질량체(120)는 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 배치된다. 구체적으로, 질량체(120)는 중심부에 구비된 접합부(123)와 접합부(123)의 외측에 구비된 패터닝부(125)로 구획된다. 여기서, 접합부(123)는 제1 접합층(130)으로 멤브레인(110)의 하면에 부착되는 부분이다. 또한, 패터닝부(125)는 상하방향(판상의 멤브레인(110)에 대해 수직방향)으로 관통되도록 패터닝된 부분으로, 패터닝부(125)와 멤브레인(110)의 하면 사이에는 제1 접합층(130)이 존재하지 않는다. 패터닝부(125)와 멤브레인(110) 사이에 제1 접합층(130)이 존재하지 않는 이유는 제조공정 중 패터닝부(125)를 마스크로 등방성 식각을 통해서 제1 접합층(130)을 선택적으로 제거하기 때문이다. 전술한 바와 같이, 질량체(120) 중 접합부(123)만이 제1 접합층(130)에 의해서 멤브레인(110)의 하면에 부착되고, 패터닝부(125)는 멤브레인(110)의 하면에 부착되지 않는다. 따라서, 종래기술에 따른 관성센서와 비교할 때, 제1 접합층(130)의 면적을 좁힐 수 있어 상대적으로 멤브레인(110)의 스프링상수를 감소시킬 수 있다. 또한, 패터닝부(125)를 이용하여 제1 접합층(130)의 면적을 자유롭게 제어할 수 있으므로, 질량체(120)의 단면적을 넓게 설계할 수 있어 질량체(120)의 질량을 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 멤브레인(110)의 스프링상수를 감소시킬 수 있고, 질량체(120)의 질량을 증가시킬 수 있으므로, 최종적으로는 동일한 가속도 또는 각속도에 대하여 질량체(120)의 변위를 증가시킬 수 있어 감도를 향상시킬 수 있다.
한편, 질량체(120)의 패터닝부(125)의 형상은 마스크로 이용할 수 있도록 상하방향을 관통하는 구성이면 특별히 한정되지 않는다. 다만, 패터닝부(125)를 마스크로 등방성 식각을 통해서 제1 접합층(130)을 균등하게 제거하기 위해서, 패터닝부(125)는 다수의 홀(126)을 형성하여 패터닝하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 다수의 홀(126)을 일정간격(△P)으로 형성한다(도 5 참조). 이외에도, 패터닝부(125)는 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 리브(rib)부(127, 128)가 형성되도록 패터닝할 수 있다. 구체적으로, 패터닝부(125)는 접합부(123)로부터 접합부(123)의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부(127)가 형성되도록 패터닝할 수 있다(도 6 참조). 또는, 상기 제1 리브부(127)와 제1 리브부(127)의 측면으로부터 소정간격 마다 접합부(123)의 외측으로 연장된 다수의 제2 리브부(128)가 형성되도록 패터닝할 수 있다(도 7 참조). 즉, 패터닝부(125)에 접합부(123)의 외측 방향으로 다수의 슬릿(129)을 가공함으로써, 상기 제1 리브부(127) 또는 제2 리브부(128)가 형성되도록 패터닝할 수 있는 것이다. 한편, 패터닝부(125)에 다수의 슬릿(129)을 가공하고, 상기 슬릿(129) 사이로 지지부(160)를 배치할 수 있는데(도 10 참조), 이에 관한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
전술한 바와 같이, 질량체(120)의 패터닝부(125)는 상하방향으로 관통되어 공기의 소통이 자유로우므로, 진동시 공기의 점성으로 인한 감쇠력이 저감되고, 그에 따라 질량체(120)의 변위가 증가되어 관성센서(100)의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 접합층(130)은 멤브레인(110)과 접합부(123) 사이에 형성되어 질량체(120)를 멤브레인(110)에 접합시키는 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 제1 접합층(130)은 제조공정 중 패터닝부(125)를 마스크로 이용한 등방성 식각을 통해서 제거되므로, 패터닝부(125)의 내측에만 구비된다.
한편, 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에는 멤브레인(110)의 지지하는 포스트(140)가 배치된다. 여기서, 포스트(140)는 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보하도록 질량체(120)를 둘러싸는 중공(中空)형으로 형성된다. 예를 들어, 포스트(140)는 중심에 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상으로 형성될 수 있다(도 5 참조). 한편, 멤브레인(110)과 포스트(140) 사이에는 제2 접합층(150)이 형성되어, 포스트(140)는 제2 접합층(150)에 의해서 멤브레인(110)의 하면에 접합된다(도 4 참조).
또한, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 변형예를 도시한 단면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 관성센서의 하방 변위를 제한하는 과정을 도시한 단면도이며, 도 10은 도 8에 도시된 관성센서의 질량체, 포스트 및 지지부의 평면도이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 질량체(120)의 하방 변위를 제한하는 역할을 수행하는 지지부(160)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 지지부(160)는 포스트(140)의 내측면을 따라 소정간격으로 4개가 핀 형상으로 형성되어 질량체(120) 방향으로 연장될 수 있다(도 10 참조). 다만, 지지부(160)는 반드시 4개가 구비되어야 하는 것은 아니고, 포스트(140)의 내측면을 따라 등간격으로 2개 이상 형성될 수도 있다. 즉, 지지부(160)는 포스트(140)의 내측면을 따라 180도 간격으로 2개가 형성되거나, 120도 간격으로 3개가 형성될 수 있는 것이다. 한편, 패터닝부(125)에 다수의 슬릿(129)을 가공한 경우, 핀 형상의 지지부(160)는 상기 슬릿(129) 사이를 따라 질량체(120)의 접합부(123) 직전까지 연장될 수 있다. 따라서, 질량체(120)의 크기를 유지하면서도 지지부(160)의 길이를 자유롭게 조절할 수 있어 질량체(120)의 하방 변위를 제한하기 용이하고 관성센서(100)의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 또한, 지지부(160)는 멤브레인(110)의 하면과 소정간격(D) 이격되도록 배치된다(도 8 참조). 상기 소정간격(D)은 질량체(120)의 하방변위를 제한하는 기준으로, 허용치를 초과하는 과도한 힘이 질량체(120)에 작용하더라도 질량체(120)의 하측 방향 변위는 지지부(160)와 멤브레인(110) 사이의 소정간격(D)으로 제한된다(도 9 참조).
도 11 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 공정단면도이다.
도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 (A) 제1 기판(180), 제2 기판(190) 및 멤브레인(110) 순으로 적층된 베이스 부재(170)를 준비하는 단계, (B) 제1 기판(180)의 중앙부분(183)에 질량체(120)가 형성되도록 제1 기판(180)을 패터닝하는 동시에, 중심부에 구비된 접합부(123) 및 접합부(123)의 외측에 구비된 패터닝부(125)를 포함하는 질량체(120) 중 패터닝부(125)를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 단계 및 (C) 패터닝부(125)를 마스크로 등방성 식각을 통해서 멤브레인(110)과 패터닝부(125) 사이의 제2 기판(190)을 선택적으로 제거하여 패터닝부(125)의 내측에 잔존하는 제2 기판(190)으로 제1 접합층(130)을 형성하는 단계를 포함하는 구성이다.
우선, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 기판(180), 제2 기판(190) 및 멤브레인(110) 순으로 적층된 베이스 부재(170)를 준비하는 단계이다. 여기서, 베이스 부재(170)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정이 용이한 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 기판(180)이 SOI기판의 지지기판이 되고, 제2 기판(190)이 SOI기판의 절연층(산화실리콘)이 되며, 멤브레인(110)이 SOI기판의 상부실리콘층이 된다.
다음, 도 12 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 기판(180)을 패터닝하여 질량체(120)를 형성하는 동시에, 질량체(120)의 패터닝부(125)를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 단계이다. 구체적으로, 제1 기판(180) 중 중앙부분(183)에 질량체(120)가 형성되어야 한다. 또한, 질량체(120)는 중심부에 구비된 접합부(123)와 접합부(123)의 외측에 구비된 패터닝부(125)로 구획되는데, 상기 패터닝부(125)는 상하방향으로 관통되어야 한다. 따라서, 질량체(120)와 패터닝부(125)의 형상에 대응하는 마스크(187)를 제1 기판(180)에 배치한 후(도 12 참조), 식각 공정을 통해서 제1 기판(180)을 선택적으로 제거한다(도 13 참조). 이때, 식각 공정은 멤브레인(110)의 수직방향으로 제1 기판(180)이 제거되도록 비등방성 식각을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 비등방성 식각은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 건식 식각인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용할 수 있다. DRIE는 플라즈마에 의해 형성된 이온의 물리적 충돌과 화학적 반응을 동시에 진행시켜 식각을 수행하는 공정이다. 특히, DRIE는 정밀하게 제1 기판(180)을 제거할 수 있을 뿐 만 아니라, 물질에 따른 선택적 에칭이 가능하므로 제1 기판(180)과 마스크(187) 중 정확히 제1 기판(180)만 식각할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 패터닝부(125)에는 다수의 홀(126)을 형성하거나(도 5 참조), 접합부(123)로부터 접합부(123)의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부(127)를 형성하거나(도 6 참조), 제1 리브부(127)에 추가적으로 제1 리브부(127)의 측면으로부터 소정간격 마다 접합부(123)의 외측으로 연장된 다수의 제2 리브부(128)를 형성할 수 있다(도 7 참조).
한편, 제1 기판(180)을 패터닝하여 제1 기판(180)의 중앙부분(183)에 질량체(120)를 형성하는 동시에, 제1 기판(180)의 테두리(185)에 질량체(120)를 둘러싸는 포스트(140)를 형성할 수 있다. 또한, 질량체(120) 및 포스트(140)와 동시에, 제1 기판(180)을 패터닝하여 포스트(140)로부터 질량체(120) 방향으로 연장된 지지부(160)가 형성할 수 있다(도 8 참조). 구체적으로, 하나의 마스크(187)에 질량체(120), 포스트(140) 및 지지부(160)의 형상에 대응하는 마스크(187)를 제1 기판(180)에 배치한 후, 식각 공정을 통해서 제1 기판(180)을 선택적으로 제거하면, 질량체(120), 포스트(140) 및 지지부(160)를 동시에 형성할 수 있다.
다음, 도 14에 도시된 바와 같이, 패터닝부(125)를 마스크로 등방성 식각을 통해서 멤브레인(110)과 패터닝부(125) 사이의 제2 기판(190)을 선택적으로 제거하여 패터닝부(125)의 내측에 잔존하는 제2 기판(190)으로 제1 접합층(130)을 형성하는 단계이다. 이전 단계에서 패터닝부(125)를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하였으므로, 본 단계에서 패터닝부(125)를 마스크로 등방성 식각을 수행할 수 있다. 등방성 식각을 통해서 제2 기판(190)을 제거하므로, 제2 기판(190)은 두께 방향뿐만 아니라 평면 방향으로도 제거되는 언더컷(Undercut) 현상이 발생한다. 따라서, 패터닝부(125)와 멤브레인(110) 사이의 제2 기판(190)을 모두 제거할 수 있고, 최종적으로 패터닝부(125)의 내측에만 잔존하는 제2 기판(190)으로 제1 접합층(130)을 형성할 수 있다. 다만, 패터닝부(125)와 멤브레인(110) 사이의 제2 기판(190)을 완전히 제거하기 위해서는, 제2 기판(190) 중 홀(126) 사이에 대응하는 소정부분(R; 도 14의 확대도 참조)이 제거되어야 한다. 그런데, 상기 소정부분(R)은 인접한 두 홀(126)로부터 언더컷 현상이 발생하여 평면 방향으로 일정한 깊이(△E)가 제거된다. 따라서, 등방성 식각이 제2 기판(190)을 평면 방향으로 제거하는 깊이(△E)가 패터닝부(125)의 홀(126) 간격(△P)의 1/2보다 커야 패터닝부(125)와 멤브레인(110) 사이의 제2 기판(190)을 완전히 제거할 수 있다(△E＞△P/2). 다만, 도 5의 확대도에 도시된 바와 같이, 상술한 내용은 최단 간격(△P)으로 인접한 두 홀(126)을 기준으로 설명한 것이고, 대각선상으로 인접한 두 홀(126)을 기준으로 설명한다면, 등방성 식각이 제2 기판(190)을 제거하는 깊이(△E)는 패터닝부(125)의 홀(126) 간격(△P)의 √2×1/2보다 커야 한다.
또한, 패터닝부(125)에 홀(126)을 형성한 것을 기준으로 설명하였지만, 제1 리브부(127) 또는 제2 리브부(128)를 형성한 경우에도 등방성 식각이 제2 기판(190)을 평면 방향으로 제거하는 깊이(△E)가 패터닝부(125)의 슬릿(129) 간격(△P; 도 6 내지 도 7 참조)의 1/2보다 큰 것이 바람직하다. 한편, 상기 등방성 식각은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 에칭액을 이용하는 습식 식각을 이용하는 것이 바람직하고, 에칭액으로는 HF수용액을 이용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 멤브레인(110)과 패터닝부(125) 사이의 제2 기판(190)을 제거하여 제1 접합층(130)을 형성하므로, 제1 접합층(130)의 면적을 좁힐 수 있어 상대적으로 멤브레인(110)의 스프링상수를 감소시킴으로써 관성센서(100)의 감도를 향상시킬 수 있다.
한편, 이전 단계에서 제1 기판(180)을 패터닝하여 포스트(140)를 형성한 경우, 본 단계에서 질량체(120)와 포스트(140)를 마스크로 등방성 식각을 통해서 제2 기판(190)을 선택적으로 제거하여 멤브레인(110)과 포스트(140) 사이에 잔존하는 제2 기판(190)으로 제2 접합층(150)을 형성할 수 있다.
그리고, 이전 단계에서 제1 기판(180)을 패터닝하여 지지부(160)를 형성한 경우, 본 단계에서 등방성 식각을 통해서 멤브레인(110)과 지지부(160) 사이의 제2 기판(190)을 제거하여 멤브레인(110)의 하면과 지지부(160)를 이격시킬 수 있다(도 8 참조).
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 관성센서 110: 멤브레인
113: 멤브레인의 중앙부분 115: 멤브레인의 테두리
120: 질량체 123: 접합부
125: 패터닝부 126: 홀
127: 제1 리브부 128: 제2 리브부
129: 슬릿 130: 제1 접합층
140: 포스트 150: 제2 접합층
160: 지지부 170: 베이스 부재
180: 제1 기판 183: 제1 기판의 중앙부분
185: 제1 기판의 테두리 187: 마스크
190: 제2 기판 D: 소정간격
R: 소정부분 △E: 평면 방향으로 제거되는 깊이
△P: 홀/슬릿 간격

Claims (15)

  1. 판상의 멤브레인;
    상기 멤브레인의 중앙부분 하부에 배치되되, 중심부에 구비된 접합부 및 상기 접합부의 외측에 구비되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 패터닝부를 포함하는 질량체; 및
    상기 멤브레인과 상기 접합부에 사이에 형성되되, 상기 패터닝부의 내측에 구비된 제1 접합층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 접합층은 상기 패터닝부를 마스크로 등방성 식각을 통해서 선택적으로 제거되어, 상기 제1 접합층은 상기 패터닝부의 내측에 구비된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 패터닝부는 다수의 홀이 형성되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 패터닝부는 상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부가 형성되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 것를 특징으로 하는 관성센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 패터닝부는 상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부 및 상기 제1 리브부의 측면으로부터 소정간격 마다 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제2 리브부가 형성되어 상하방향으로 관통되도록 패터닝된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체를 둘러싸도록 상기 멤브레인의 테두리 하부에 배치된 포스트; 및
    상기 멤브레인과 상기 포스트의 사이에 형성된 제2 접합층;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 포스트로부터 상기 질량체 방향으로 연장되되 상기 멤브레인의 하면과 소정간격 이격되어 형성된 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  8. (A) 제1 기판, 제2 기판 및 멤브레인 순으로 적층된 베이스 부재를 준비하는 단계;
    (B) 상기 제1 기판의 중앙부분에 질량체가 형성되도록 상기 제1 기판을 패터닝하는 동시에, 중심부에 구비된 접합부 및 상기 접합부의 외측에 구비된 패터닝부를 포함하는 상기 질량체 중 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 단계; 및
    (C) 상기 패터닝부를 마스크로 등방성 식각을 통해서 상기 멤브레인과 상기 패터닝부 사이의 상기 제2 기판을 선택적으로 제거하여 상기 패터닝부의 내측에 잔존하는 상기 제2 기판으로 제1 접합층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    다수의 홀을 형성하여 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부를 형성하여 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    상기 접합부로부터 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제1 리브부 및 상기 제1 리브부의 측면으로부터 소정간격 마다 상기 접합부의 외측으로 연장된 다수의 제2 리브부를 형성하여 상기 패터닝부를 상하방향으로 관통되도록 패터닝하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    상기 제1 기판의 테두리에 상기 질량체를 둘러싸는 포스트가 형성되도록 상기 제1 기판을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 (C) 단계에서,
    상기 질량체와 상기 포스트를 마스크로 등방성 식각을 통해서 상기 제2 기판을 선택적으로 제거하여 상기 멤브레인과 상기 포스트 사이에 잔존하는 상기 제2 기판으로 제2 접합층을 형성하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    비등방성 식각을 통해서 상기 제1 기판을 패터닝하는 동시에, 상기 패터닝부를 패터닝하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    상기 포스트로부터 상기 질량체 방향으로 연장된 지지부가 형성되도록 상기 제1 기판을 패터닝하고,
    상기 (C) 단계에서,
    등방성 식각을 통해서 상기 멤브레인과 상기 지지부 사이의 상기 제2 기판을 제거하여 상기 멤브레인의 하면과 상기 지지부를 이격시키는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
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