KR20140130033A

KR20140130033A - 미세 전자 기계 시스템 센서

Info

Publication number: KR20140130033A
Application number: KR20140049744A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 펠
Original assignee: 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-11-07
Also published as: KR102142728B1; CN104132658A; JP6325329B2; JP2014219401A; EP2799814A1; CN104132658B; US20140331769A1; GB201307773D0; EP2799814B1; US9709401B2

Abstract

MEMS 센서는 반도체 기판 층(50)으로부터 형성된 진동 감지 구조체를 포함한다. 반도체 기판 층(50)은 직사각형 센서 칩을 형성하도록 반도체 기판(50)에 접합된 전기 절연성 기판 층(52)을 포함하는 페데스탈 상에 장착된다. 페데스탈은 센서 칩을 하우징에 장착하기 위한 전기 절연성 스페이서 층(54)을 더 포함한다. 전기 절연성 스페이서 층(54)은 팔각형이다. 진동 감지 구조체가 cos2θ 공진 모드 쌍으로 여기될 때, 임의의 모드 주파수 분할로 인해 발생하는 직교 바이어스는 팔각형 스페이서 층(54)으로 인해 온도 변화에 의해 영향을 받지 않는다.

Description

미세 전자 기계 시스템 센서{MEMS SENSORS}

본 발명은 진동 구조 자이로스코프와 같은 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 센서 및 MEMS 센서를 제조하기 위한 관련 방법에 관한 것이다. MEMS 센서는 반도체, 예컨대, 실리콘 기판으로 형성된 감지 구조체를 포함할 수 있다.

진동 구조 자이로스코프들은 반도체, 예컨대 실리콘 기판으로 형성된 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 센서 디바이스의 일례이다. 진동 구조 자이로스코프들은 종래의 미세가공 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼로부터 일괄적으로 제조될 수 있다. MEMS 자이로스코프의 낮은 비용, 작은 크기 및 본질적으로 강력한 특성으로 인하여, 유도, 네비게이션 및 플랫폼 안정화 분야에서 MEMS 자이로스코프의 이용이 상당한 관심을 받고 있다. 그러나, MEMS 디바이스의 제한된 성능으로 인하여, 이 분야들에서 MEMS 디바이스의 광범위한 확산이 제한되고 있다. 성능을 제한하는 한 가지 특성은, 예컨대, 디바이스의 작동 중 온도 변화에 의한, 속도 바이어스 안정성(rate bias stability)이다.

GB 2322196, US 5932804 및 US 6282958에서 진동 구조 자이로스코프의 몇가지 예를 찾을 수 있다. 도 1은 환형 공진기(1)를 포함하는 종래 기술의 진동 구조 자이로스코프의 예를 도시하고 있으며, 상기 환형 공진기는 환형 공진기(1)의 내주로부터 반도체 기판에 의해 제공된 보스(11)까지 연장하는 가요성 지지 빔(10)에 의해 장착된다. 가요성 지지 빔(10)은, 환형 공진기의 평면에 대해 수직한 축을 중심으로 인가되는 각속도에 응답하여 환형 공진기가 진동할 수 있도록 하며, 환형 공진기(1)가 구동 트랜스듀서(12, 13)에 응답하여 실질적으로 비감쇠 진동 모드로 진동할 수 있도록 허용한다. 이러한 진동 구조 자이로스코프는 실리콘으로 제조된 환형 공진기를 가질 수 있으며, 미세가공 기술을 이용하여 제조하기에 특히 적합할 수 있다.

통상적인 진동 구조 자이로스코프에서, 환형 공진기는 통상적으로 cos2θ 공진 모드로 여기된다. 완전히 대칭적인 공진기의 경우, 이 모드가 45°의 상호각에서 1차 및 2차 진동 모드들의 퇴화된 쌍으로서 실제로 존재한다. 1차 모드는 캐리어 모드로서 여기된다. 환형 공진기가 그 평면에 대해 수직한 축을 중심으로 회전할 때, 코리올리 효과로 인해, 에너지를 2차 응답 모드로 커플링하는 2차 진동이 직교 방향으로 발생하게 된다. 2차 응답 모드의 운동 진폭은 인가된 각속도에 비례한다.

이러한 디바이스에서는, cos2θ 공진 모드에서 동일하게 설정되는 것이 이상적인 1차 및 2차 주파수들의 불완전한 매칭으로 인하여, 직교 바이어스가 발생할 수 있다. 직교 바이어스의 크기는 ΔF.sin4α에 비례하며, 여기서, ΔF는 모드 주파수 분할이고, α는 1차 구동축에 대한 모드 각도 정렬이다. 전형적으로, 직교 바이어스는 실온에서 ΔF를 0㎐와 거의 동일하게 설정하는 레이저 트리밍 공정을 이용하여 생성 중에 최소화된다. 그러나, 본 출원인은, 자이로스코프의 제조에 사용되는 다양한 재료들 간의 열팽창 계수의 불일치로 인해 유발되는 응력과 변형율 때문에, ΔF값과 그에 따른 직교 바이어스가 디바이스의 작동 온도 범위에 걸쳐 변할 수 있다는 것을 인식하였다.

도 2는 GB 2322196에서 개시된 유형의 일련의 센서의 초기 실내 온도 값으로부터의 직교 바이어스 변화에 대한 통상적인 데이터를 도시하고 있다. 평균 변화는 -40 내지 +85℃의 측정 범위에서 대략 150°/sec이다. 이 신호는 원하는 속도 바이어스 신호에 대해 직교하는 위상이며, 제어 전자 장치에 의해 대부분 제거된다. 그러나, 실제로는, 전자 장치의 부품 공차로 인해 위상 정확도를 제한하는 에러가 발생할 것이며, 이에 따라 직교 바이어스의 일부가 속도 바이어스 채널을 돌파할 수 있다. 직교 바이어스와 위상 에러는 모두 온도에 따라 변하며, 속도 바이어스의 변화를 유발한다. 이러한 종래의 진동 구조 자이로스코프에서 속도 바이어스의 불안정성은 많은 민감한 분야에서 불만족스러운 성능을 초래한다.

도 3은 GB 2322196에 개시된 진동 구조 자이로스코프의 센서 헤드 구조의 개략적인 단면도를 도시하고 있다. 환형 공진기(1)가 실리콘 기판(20)으로부터 이격되어 지지된 것으로 보이며, 실리콘 기판 층(20)은 MEMS 구조를 형성하도록 파이렉스 유리 페데스탈 층(22)과 파이렉스 유리 스페이서 층(24)에 장착되어 있다. MEMS 칩은, 예컨대, 실리콘 엘라스토머 접착제로 된 다이 본드 층(26)에 의해, 강성 캔 패키지 베이스(28)에 부착된다. GB 2332196에 따르면, 캔 패키지 하우징(28)은 코바르(Kovar) 물질, 즉, 니켈-철 합금으로 제조된다. MEMS 디바이스의 제조에 사용되는 다양한 재료들의 상이한 열팽창 계수는 디바이스의 주변 온도에 따라 달라질 응력과 변형율을 유발할 것이다. 예컨대, 실리콘의 열팽창 계수는 3.2ppm/℃이고 파이렉스의 열팽창 계수는 3.25ppm/℃인 반면, 니켈-철 합금(예컨대, NILO 45)의 열팽창 계수는 7ppm/℃이다. MEMS 칩은 사각형이기 때문에, 폭이 커서 더 강한 코너 영역 주변에서 응력 유도 변형에 대해 더 크게 저항하는 경향이 있다. 이는 사각형 칩의 코너들 및 변들과 각지게 정렬된 기복을 가진 비대칭적인 응력 및 변형율 분포를 초래할 수 있다. 이와 같이 가변적인 응력 및 변형율은 지지 레그(10)를 통해 환형 공진기(1)에 커플링될 수 있다. 이로 인해, 공진기(1)에 cos4θ 섭동이 효과적으로 부여됨으로써, 주변 온도에 따라 달라질 주파수 분할(ΔF)을 cos2θ 모드들 사이에 유도할 수 있다.

비대칭적인 응력과 변형율의 중요한 원인은 패키지 하우징(28)과 MEMS 디바이스 간의 큰 열팽창 불일치로 인해 발생한다. 다이 본드 층(26)은 패키지 하우징(28)의 응력과 변형율로부터 MEMS 디바이스를 분리하기 위한 것이다. 그러나, 그러한 실리콘 엘라스토머 접착 물질은 일반적으로 실리콘 층(190×10⁹Pa) 및 파이렉스 층(62.7×10⁹Pa)에 비해 비교적 낮은 영률(0.1×10⁹Pa)을 갖지만, 실리콘의 3.2ppm/℃와 파이렉스의 3.25ppm/℃에 비해 매우 높은 열팽창 계수(500ppm/℃)를 갖는다. 그 최종적인 결과로서, 엘라스토머 다이 본드 층(26)으로부터 MEMS 구조에 상당한 응력과 변형율이 부여될 수 있으며, 이에 따라, cos4θ의 주기성으로 상당한 비대칭성이 도입될 수 있다. 사각형 칩 구조는, 열 유도 응력과 변형률이 cos2θ 모드 쌍의 주파수를 분할하도록, 이러한 비대칭성을 포커싱하는 역할을 한다.

본 발명은 전술한 문제 중 적어도 일부를 해소하기 위한 것이다.

MEMS 센서가 본원에 개시되어 있으며, 상기 MEMS 센서는 반도체 기판 층으로부터 형성된 진동 감지 구조체를 포함하며, 상기 반도체 기판 층은 직사각형 센서 칩을 형성하도록 반도체 기판에 접합된 전기 절연성 기판 층을 포함하는 페데스탈 상에 장착되고, 상기 페데스탈은 센서 칩을 하우징에 장착하기 위한 적어도 하나의 전기 절연성 스페이서 층을 더 포함하며, 상기 전기 절연성 스페이서 층은 팔각형이다.

MEMS 센서는 cos2θ 진동 모드 쌍을 이용하여 작동될 수 있는 임의의 유형의 진동 감지 구조체를 포함할 수 있다. MEMS 센서는 진동 감지 구조체가 cos2θ 공진 모드인 1차 면내 공진 모드로 진동하게 하도록 배열된 구동 트랜스듀서를 더 포함할 수 있다. 한 세트의 예에서, MEMS 센서는 진동 링 감지 구조체를 포함한 진동 구조 자이로스코프일 수 있다. 다른 세트의 예에서, MEMS 센서는 원형 디스크 공진기를 포함한 공진 질량 센서 검출기일 수 있다. 이러한 질량 검출기는 열 유도 응력 또는 변형률의 변화로 인해 cos2θ 진동 모드에서 생성된 주파수 분할을 측정할 수 있다. 이는 의료 진단 및 신약 개발과 같은 분야에서 검출기의 감도에 영향을 미칠 수 있다.

일례에서, 팔각형 스페이서 층은, 전술한 바와 같이, x 및 y 절단선들의 적어도 일부의 교차점에 존재하는 공극의 결과로서, 모든 층들을 함께 다이싱함으로써 형성되었을 수 있다. 대안적으로, 팔각형 스페이서 층은 별도로 형성된 다음, 예컨대, 다이싱된 후에, 페데스탈을 형성하도록 직사각형 센서 칩에 장착되었을 수 있다.

이러한 MEMS 센서에서, 스페이서 층은 하우징에 고정된 모든 다이 본드가 팔각형이 되도록 보장한다. 이는 센서에 대한 모든 열 유도 응력 또는 변형율의 커플링 방식이 스페이서 층의 팔각형 형상에 의해 제어된다는 것을 의미한다. 스페이서 층은 반도체 기판에 접합된 전기 절연성 기판 층보다 두꺼울 수 있으며, 심지어 전체 직사각형 센서 칩보다 두꺼울 수 있다. 스페이서 층은 MEMS 센서의 가장 두꺼운 부분이 될 수 있다. 스페이서 층을 팔각형으로 제조함으로써, 대각선을 따라 유효 강성도를 현저하게 줄일 수 있으며, 유효 강성도를 x 및 y 주축을 따르는 유효 강성도와 더 유사하게 만들 수 있다. 직사각형 센서 칩으로 인해 강성도에 남은 cos4θ 비대칭성은, 예컨대, 주축과 대각선 축을 따라 동일한 면내 강성도가 생성되도록, 팔각형 스페이서 층의 형태를 조정함으로써 보상될 수 있다. 예컨대, 팔각형 스페이서 층은, 예컨대, 주요 변보다 대각선 변이 더 긴, 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.

일례에서, MEMS 센서는, 예컨대, 보다 상세하게 후술한 바와 같은, 진동 구조 자이로스코프이다. 이 예에서, 감지 구조체는 실질적으로 평탄한 환형 공진기와, 반도체 기판으로부터 이격하여 환형 공진기를 지지하도록 배열되며 환형 공진기가 하나 이상의 면내 공진 모드로 진동할 수 있도록 하는 복수의 가요성 지지 부재를 포함한다. 반도체 기판과 환형 공진기는 실리콘으로 제조될 수 있다. 환형 공진기가 cos2θ 공진 모드로 진동하게 하는 구동 트랜스듀서가 제공될 수 있다. 환형 공진기의 진동을 검출하기 위한 감지 트랜스듀서가 제공될 수 있다.

진동 구조 자이로스코프에 관한 어떤 예에서, 가요성 지지 부재는, 예컨대, 1차 및 2차 진동 모드를 허용하는, 2개의 직교 자유도를 탄성 서스펜션에 제공할 수 있다. 가요성 지지 부재는 그 내용이 인용에 의해 본원에 통합되어 있는 WO2010/007406에 개시된 바와 같은 방식으로 환형 공진기를 중심으로 등각으로 이격된 8쌍의 탄성 레그를 포함할 수 있다.

진동 구조 자이로스코프에 관한 어떤 예에서, 구동 트랜스듀서는 임의의 적당한 구동 수단, 예컨대, 전자기, 광학, 열팽창, 압전 또는 정전 효과들을 사용할 수 있다. 감지 트랜스듀서는 임의의 적당한 수단, 예컨대, 용량성 감지 또는 전자기 감지를 사용할 수 있다. 그러나, 한 세트의 예에서, 감지 트랜스듀서는, 예컨대, 환형 공진기 및 지지 부재 상의 전도성 트랙(들)으로 구성된, 적어도 하나의 유도성 픽-오프 트랜스듀서를 포함한다. 지지 부재들이 각각 전도성 트랙, 예컨대, 금속 트랙을 가질 때 보다 대칭적으로 제조될 수 있기 때문에, 용량성 트랜스듀서 쌍보다 유도성 픽-오프 트랜스듀서가 선호될 수 있다.

종래와 같이, 진동 구조 자이로스코프에 관한 어떤 예에서, 디바이스는 환형 공진기의 평면에 대해 실질적으로 수직한 자기장을 생성하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 특히, 영구 자석을 포함한 링 자극(ring pole) 자기 조립체가 공진기에 자기장을 집중시키기 위해 환형 공진기의 둘레 내부에 배치되며, 환형 공진기는 조립체의 상부 및 하부 자극들 사이의 갭 내에 배치된다.

진동 구조 자이로스코프가 본원에 더 개시되어 있으며, 상기 진동 구조 자이로스코프는 반도체 기판, 실질적으로 평탄한 환형 공진기, 반도체 기판으로부터 이격하여 환형 공진기를 지지하도록 배열되며 환형 공진기가 하나 이상의 면내 공진 모드로 진동할 수 있도록 하는 복수의 가요성 지지 부재, 환형 공진기가 cos2θ 공진 모드인 1차 면내 공진 모드로 진동하게 하는 구동 트랜스듀서, 및 환형 공진기의 평면에 대해 실질적으로 수직한 축을 중심으로 인가되는 각속도에 응답하여 발생된 직교 2차 면내 공진 모드로 인한 환형 공진기의 진동을 검출하기 위한 감지 트랜스듀서를 포함하며, 반도체 기판 층은 적어도 하나의 전기 절연성 기판 층에 장착되고, 기판 층들 중 하나 이상은 팔각형이다.

진동 구조 자이로스코프와 같은 MEMS 디바이스를 형성하기 위해 사용되는 기판 층은 일반적으로 직사각형 구조이며, 그 이유는 직사각형 구조가, 예컨대, 디바이스가 위에 제조되는 실리콘 및/또는 유리로 된, 웨이퍼로부터 센서 다이를 절단하기 위해 가장 자주 사용되는 다이싱 공정으로 생산되는 자연스러운 형상이기 때문이라는 것을 이해할 것이다. 따라서, 팔각형 기판 층은 표준으로부터 예기치 않은 편차를 나타낸다. 본 출원인은 cos2θ 공진 모드 쌍에 대해 최대의 차동적인 영향을 미치는 것이 가장 해로운 비대칭적 응력 효과라는 것을 인식하였다. 이는 최대 반경 방향 응력이 제 1 모드의 반경 방향 파복과 일치할 때, 최대값이 제 2 모드의 반경 방향 파복, 즉, 45°주기성과 일치할 때, 발생한다. 종래의 사각형 기판 구조는 이 45°의 응력 비대칭 주기성을 정확하게 부여하므로, 환형 공진기의 진동에 cos4θ 섭동을 증대시킨다. 다양한 방식으로, 사각형 기판 형태는 환형 공진기와 함께 사용되는 cos2θ 공진 모드와 가장 호환되지 않는다. 기판 층들 중 적어도 하나를 팔각형으로 형성함으로써, 모든 cos4θ 비대칭성이 감소되고 심지어 제거될 수 있다.

팔각형 기판 층을 제공함으로써, 1차 및 2차 cos2θ 공진 모드 주파수들이 동일하게 설정될 수 있거나, 적어도 모드 주파수 분할(ΔF)이 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 팔각형 구조의 경우, 지배적인 반경 방향 응력 비대칭성이 cos8θ 반경 방향 변화를 가지므로, 각각의 cos2θ 모드 쌍에 대해 동일한 개수의 최대값과 최소값을 가질 것이며, 이에 따라, 차동 응력 효과가 유도되지 않을 것이다. 따라서, 진동 구조 자이로스코프의 직교 바이어스는, 그렇지 않았더라면, 1차 및 2차 cos2θ 공진 모드들의 매칭을 방해하는 응력 및 변형율 비대칭성을 초래하였을 온도 변화로부터 분리될 수 있다. 실온에서 실시되는 직교 바이어스 트리밍의 정확도가 자이로스코프의 작동 범위에서 더 높은 정확도로 유지될 수 있도록 하기 때문에, 온도에 따른 직교 바이어스의 변화를 줄이는 것이 매우 바람직하다. 그리고, 이는 디바이스의 속도 바이어스 성능을 향상시킨다.

팔각형 기판 층은 (예컨대, 변의 길이가 동일하여) 대칭적 또는 (변의 길이가 동일하지 않아) 비대칭적일 수 있다. 기판 층들 중 일부 또는 전부는 동일한 팔각형 형상을 가질 수 있다. 따라서, MEMS 진동 구조 자이로스코프는 팔각형 센서 다이로 제조될 수 있다.

반도체 기판 층은 하나 이상의 전기 절연성 기판 층에 장착되어 MEMS 구조를 형성할 수 있으며, 그 다음, 상기 MEMS 구조는 적당하게 수납되거나 패키징될 수 있다. 예컨대, 금속 캔과 같은 패키지 베이스에 적어도 하나의 전기 절연성 기판 층이 장착될 수 있다. 하우징의 패키지 베이스는 예컨대, 니켈-철 합금 등의 자성 물질로 제조될 수 있다. 전술한 바와 같이, 팔각형인 기판 층들 중 하나 이상의 기판 층의 효과는 기판 층과 비교할 때 패키징 물질의 다른 열팽창 계수로 인해 발생하였을 비대칭적인 응력 및 변형율 분포를 회피하는 것이다.

전기 절연성 기판 층(들)은, 예컨대, 세라믹 층을 포함한, 임의의 적당한 전기 절연성 물질로 제조될 수 있다. 일례에서, 반도체 기판 층은 유리 층을 포함한 적어도 하나의 전기 절연성 기판 층에 장착된다. 반도체 기판 층은 유리 층(들)에 접합될 수 있다. 유리 층은, 환경적 영향으로부터 보호되도록, 반도체, 예컨대, 실리콘 기판 층의 기밀 밀봉을 제공할 수 있다.

종래의 미세가공 기술에서는, 일반적으로, 반도체, 예컨대, 실리콘 웨이퍼가 환형 공진기를 형성하도록 에칭된 다음, 상하 반전되며, 다른 웨이퍼에 의해 제공된 유리 기판 층에 (예컨대, 정전기 또는 양극 접합을 사용하여) 접합된다. 그 다음, 실리콘 및 유리 기판 층들은 개별 MEMS 센서 다이를 형성하도록 절단될 수 있다. 이상적으로, 유리 기판 층의 열팽창 계수는 반도체, 예컨대, 실리콘 층의 열팽창 계수와 유사하며, 예컨대, 파이렉스와 같은 붕규산 유리가 유리 층(들)을 위해 사용될 수 있다.

(x 및 y축을 따르는) 종래의 다이싱은 도 4에 도시된 바와 같이 직사각형 센서 다이를 생산한다. GB 2322196에 개시된 디바이스의 경우, 4인치(10㎝) 웨이퍼로 56개의 다이를 생산할 수 있다. 각각의 다이가 환형 공진기(1) 내부의 실리콘 기판(20) 상에 장착된 자기 조립체(30)(상부 및 하부 전극들 사이에 개재된 영구 자석)를 포함한다는 것을 도 3에서 볼 수 있다. 도 4에서, 검정색 원은 이 자기 조립체의 위치를 나타낸다. x 및 y축을 따라 지나가는 다이싱 블레이드는 자기 조립체를 형성하는 금속 구조와 접촉하지 않으므로, 실리콘 및 유리 층들을 손상시키지 않고 깨끗하게 절단할 수 있다.

일례에서, 적어도 반도체, 예컨대, 실리콘 기판 층이 팔각형으로 다이싱된다. 반도체, 예컨대, 실리콘 기판 층에 장착되는 모든 전기 절연성(예컨대, 유리) 기판 층이 동일한 팔각형 형태를 갖도록 다이싱될 수 있다. 기판 층들이 장착된 다음, 예컨대, 함께 접합된 다음, 개별 MEMS 센서 다이로 함께 다이싱되는 것이 편리하다.

하나의 다이싱 방법은 x 및 y축에 대해 소정 각도로 기판 층(들)을 추가적으로 절단하는 단계, 예컨대, 팔각형 다이를 제조하기 위해 추가적인 대각선 절단을 적용하는 단계를 포함한다. 그러나, x 및 y축으로부터 벗어난 각도로 절단하면, 다이싱 블레이드가 MEMS 디바이스의 자기 구조와 접촉하게 될 위험이 있다는 것을 이해할 것이다. 다이싱 블레이드가 아무런 제약을 받지 않고 접근하여 팔각형 센서 다이를 절단하도록, 기판 층들을 가로질러 센서 조립체들을 교대로 이격시킴으로써, 위험을 회피할 수 있다. 웨이퍼 상의 위치들 중 절반으로부터 센서 구조를 생략하면, 제조할 수 있는 MEMS 디바이스의 개수를, 예컨대, 56개가 아닌 28개만으로, 당연히 줄이게 된다.

대안적인 방법은 x 및 y 축을 따라 기판 층(들)을 절단하기 전에 x 및 y 축의 적어도 일부의 교차점들에서 기판 층(들)에 공극을 형성하는 단계를 포함한다. 공극은 팔각형 센서 다이가 만들어지도록 각 다이의 추가적인 변을 효과적으로 형성한다. 그 장점은 다이싱 블레이드를 방해하지 않고 웨이퍼 상의 모든 센서 위치에 자기 조립체를 채울 수 있다는 것이다. 공극은 전기 절연성 기판 층(들)에 대한 유리 가공 기술 또는 반도체 기판 층에 대한 심도 반응성 이온 에칭(DRIE) 공정과 같은 종래의 기술을 이용하여 각각의 기판 층에 형성될 수 있다. 그러나, 그 후, 반도체 기판 층이 전기 절연성 기판 층(들)에 장착될 때, 각 기판 층의 공극들이 동일한 위치에 형성되고 이 공극들이 정렬될 필요가 있다.

두 가지 경우들 모두에서, 팔각형 센서 다이를 형성할 때마다, 종래의 직사각형 센서 칩과 비교하면, 디바이스 특징부 중 일부를 재설계할 필요가 있다. 예컨대, GB 2322196에 개시된 디바이스에서, 패키지 핀에 대한 MEMS 센서의 전기 접속을 위해 직사각형 칩의 코너에 금속 본드 패드가 존재한다. 필요한 경우, 코너 영역을 피하도록 금속 트랙킹과 본드 패드 레이아웃이 조정될 수 있다. 그러나, 정렬 키 특징부가 종래와 같이 코너 영역에 배치될 수도 있으며, 다양한 기판 층들의 정렬 뿐만 아니라 각각의 직사각형 칩에 자기 조립체를 배치할 때 정렬을 돕기 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 정렬 키들이 재배치될 수는 있으나, 실시하는데 비용이 많이 소요되며 시간 소모적일 수 있는 표준 생산 공정의 상당한 변경을 필요로 한다.

특히 편리한 배열에서, 적어도 반도체(예컨대, 실리콘) 기판 층은 직사각형인 반면, 적어도 하나의 전기 절연성(예컨대, 유리) 기판 층은 팔각형 형태를 갖는다. 이는, 특히, 센서 디바이스 특징부를 포함한 반도체(예컨대, 실리콘) 기판 층에 대한 기존의 생산 공정을 대부분 유지하면서, MEMS 센서 다이에 팔각형 형상의 도입을 가능하게 한다. 반도체, 예컨대, 실리콘 기판 층에 직접 장착된 전기 절연성(예컨대, 유리) 기판 층도 동일한 직사각형 형태를 갖는 것이 편리할 수 있다. 따라서, 이 층들은 x 및 y 축을 따라 종래의 절단 기술을 사용하여 함께 다이싱될 수 있다. 이 예에서, 반도체 기판 층에 간접적으로 장착된 다른 전기 절연성(예컨대, 유리) 기판 층은 팔각형 형태를 갖는 것이 편리하다. 이와 같이 다른 전기 절연성 기판 층은 스페이서 층의 형태를 취할 수 있다.

반도체 기판으로부터 지지된 실질적으로 평탄한 환형 공진기를 갖고 cos2θ 공진 모드로 진동하도록 구동되는 유형의 진동 구조 자이로스코프용 페데스탈이 본원에 개시되어 있으며, 상기 페데스탈은 반도체 기판 층을 장착하기 위한 적어도 하나의 전기 절연성 기판 층을 포함하고, 상기 전기 절연성 기판 층은 팔각형이다. 전술한 바와 같이, 반도체 기판 층은 직사각형이며 종래의 다이싱을 이용하여 웨이퍼로부터 절단된다. 반도체 기판 층은 실리콘으로 형성될 수 있다. 전기 절연성 기판 층은 세라믹 또는 유리 층의 형태를 취할 수 있다.

일례에서, 팔각형 전기 절연성 기판 층은 반도체 기판 층에 직접 장착될 수 있다. 다른 예에서, 팔각형 전기 절연성 기판 층은 반도체 기판 층을 간접적으로 장착시키는 스페이서 층일 수 있다. 이는 스페이서 층이 반도체 기판 층에 장착된 MEMS 센서 구조를 방해하지 않고 팔각형 형상으로 절단될 수 있음을 의미한다. 반도체 기판 층에 직접 장착된 전기 절연성 기판 층에 스페이서 층이 장착되기 전에, 스페이서 층에 공극을 형성하는 것이 편리하다. 그 다음, 공극으로 인해 상부 층들에 직사각형 다이가 형성되고 스페이서 층에 팔각형 다이가 형성되도록, x 및 y 축을 따라 절단함으로써, 조립된 층들이 모두 함께 다이싱될 수 있다.

MEMS 센서 다이, 예컨대, 진동 구조 자이로스코프의 제조 방법이 본원에 개시되어 있으며, 상기 제조 방법은 반도체 기판 층 상에 진동 감지 구조체를 형성하는 단계; 직사각형 센서 다이가 기판 층의 평면 내에서 직교하는 x 및 y 절단선에 의해 형성될 수 있도록, 전기 절연성 기판 층에 반도체 기판 층을 장착하는 단계; x 및 y 절단선의 적어도 일부의 교차점들에 공극이 형성된 스페이서 층에 전기 절연성 기판 층을 장착하는 단계; 및 팔각형 스페이서 층 상에 장착된 직사각형 센서 칩을 포함하는 센서 다이를 형성하기 위해 층들을 다이싱하는 단계를 포함한다. 진동 감지 구조체는, 전술한 바와 같이, 진동 구조 자이로스코프를 위한 실질적으로 평탄한 환형 공진기일 수 있다.

개시된 방법은, 반도체 기판 층 상에 장착되는 정렬 키 또는 본드 패드 위치와 같은 센서 특징부를 반드시 변경할 필요 없이, 팔각형 형태의 많은 장점을 유지한다. 상부의 전기 절연성 기판(예컨대, 유리 페데스탈) 층과 반도체(예컨대, 실리콘) 기판 층을 그대로 유지하면서, 하부의 스페이서 층에만 공극을 형성함으로써, 종래의 조립 공정을 변경하지 않고 이용할 수 있다.

일례에서, 상기 방법은 x 및 y 절단선의 각 교차점에서 스페이서 층에 공극을 형성하는 단계; 및 팔각형 스페이서 층 상에 장착된 직사각형 센서 칩을 포함하는 센서 다이를 형성하기 위해 x 및 y 절단선을 따라 층들을 다이싱하는 단계를 포함한다.

상기 방법은 센서 다이들 중 하나를 선택하는 단계 및 패키징된 센서를 형성하기 위해 센서 패키지에 스페이서 층을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방법은 정전기 또는 양극 접합을 사용하여 전기 절연성 기판 층에 반도체 기판 층을 접합하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 접착제, 예컨대, 에폭시 접착제를 사용하여 스페이서 층에 전기 절연성 기판 층을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.

스페이서 층 내의 공극의 개수와 배열이 다이싱 후에 달성되는 팔각형 형태를 좌우할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 공극들은, 예컨대, 대칭적 또는 비대칭적인 형상을 만들도록, 모두 동일한 크기이거나 상이한 크기일 수 있다. 스페이서 층 내의 공극들은 임의의 적당한 기술, 예컨대, 초음파 가공, 습식 에칭 또는 분말 블라스팅과 같은 종래의 유리 가공 기술로 형성될 수 있다. 수직 측벽을 가진 정밀한 형태의 공극을 형성할 수 있기 때문에, 초음파 가공이 사용될 수 있다. 한편, 습식 에칭 또는 분말 블라스팅은 통상적으로 테이퍼진 측벽을 가진 공극을 형성한다.

MEMS 센서 다이를 제조하기 위해 이러한 방법을 사용하는 경우, 각각의 직사각형 센서 칩은 팔각형 스페이서 층 상에 장착되는 이점을 향유할 수 있다. 예컨대, 스페이서 층에서의 8중 대칭성에 의해, 직사각형 칩의 코너에 집중되는 열 유도 응력의 해로운 효과가 완화될 수 있다. 이러한 이점은 진동 감지 구조체를 포함한 MEMS 센서 디바이스로 확장되며, 여기서, 완전히 직사각형인, 예컨대, 사각형인 형태가 cos2θ 공진 모드에서 차동 응력 효과를 만들어 낼 수 있다.

이제, 첨부 도면을 참조하여, 진동 구조 자이로스코프 형태의 MEMS 센서의 예를 설명한다.

도 1은 환형 공진기를 포함하는 MEMS 센서의 종래 기술의 배열을 도시하고 있다.
도 2는 GB 2322196에 개시된 유형의 일련의 센서의 온도에 따른 직교 바이어스 변화를 도시하고 있다.
도 3은 GB 2322196에 개시된 바와 같은 종래 기술의 진동 구조 자이로스코프의 단면도를 제공하고 있다.
도 4는 종래의 웨이퍼 다이싱 방식을 도시하고 있다.
도 5는 팔각형 다이를 제조하기 위한 제 1 웨이퍼 다이싱 방식을 도시하고 있다.
도 6은 팔각형 다이를 제조하기 위한 제 2 웨이퍼 다이싱 방식을 도시하고 있다.
도 7은 예시적인 센서 다이의 개략도이다.
도 8은 다른 예시적인 센서 다이의 개략도이다.
도 9는 팔각형의 다이를 사용하여 제조된 MEMS 센서의 온도에 따른 직교 바이어스 변화를 도시하고 있다.

도 1은 반도체 기판(6) 내에 환형 공진기(1)를 유지하도록 배열되어 있는 8개의 가요성 지지체(4a 내지 4h)에 의해 장착된 환형 공진기(2)를 포함한 종래 기술의 진동 구조 자이로스코프의 예를 도시하고 있다. 각각의 가요성 지지체(4a 내지 4h)는 일단부가 환형 공진기(2)의 외주에 부착되고 타단부가 기판(6)에 의해 형성된 지지 프레임(10)의 내주에 부착된 한 쌍의 탄성 레그(8a, 8b)를 포함한다. 가요성 지지체(4a 내지 4h)는 지지체들 중 2개의 지지체들 상의 금속 트랙부에 의해 구성되는 전자기 구동 트랜스듀서(미도시)에 응답하여 환형 공진기(2)가 진동할 수 있도록 허용한다. 지지체들 중 다른 지지체들 상의 금속 트랙부에 의해 1차 및 2차 유도성 픽-오프 트랜스듀서(미도시) 쌍들이 구성된다.

도 2는 도 3의 단면도에 도시되고 GB 2322196에 개시된 유형의 일련의 센서의 (25℃로 정규화된) 온도의 함수로서 직교 바이어스 변화에 대한 통상적인 데이터를 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 평균 변화는 -40 내지 +85℃의 측정 범위에서 대략 150°/sec이다. 종래의 진동 구조 자이로스코프는 실리콘 기판(20)으로부터 이격되어 지지된 환형 공진기(1)의 내부에 장착된 자기 조립체(30)를 포함한다는 것을 도 3으로부터 알 수 있다. 실리콘 기판 층(20)은 파이렉스 유리 페데스탈 층(22)과 파이렉스 유리 스페이서 층(24)에 장착되어 있다. 실리콘 및 파이렉스 유리 기판 층(20, 22, 24)들은 실질적으로 유사한 열팽창 계수를 갖고 있지만, 파이렉스 유리 스페이서 층(24)은 실리콘 엘라스토머 접착제 층(26)에 의해 외부 캔 패키지 하우징(28)에 접합될 수 있으며, 다이 본드 층(26)과 패키지 하우징(28)의 재료는 매우 상이한 열팽창 계수를 갖는다. 상이한 열팽창 계수는 주변 온도에 따라 달라지는 열 유도 응력과 변형율을 센서 디바이스에 유발한다. 또한, 기판 층(20, 22, 24)들에 의해 형성되는 센서 칩이 직사각형이기 때문에, 환형 공진기(1)에 cos4θ 섭동을 부여하는 비대칭적인 응력 및 변형율 분포가 직사각형 구조의 코너에 집중되는 경향이 있다. 그 결과, 일련의 작동 온도에 걸쳐 바람직하지 않게 큰 직교 바이어스 변화가 발생한다는 것을 도 2로부터 알 수 있다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 다이싱 방식을 이용하여 실리콘 및/또는 유리 웨이퍼로부터 직사각형 센서 칩이 다이싱될 수 있다. 팔각형 센서 다이를 제조하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 추가적인 대각선 절단을 사용하여 하나 이상의 실리콘 및/또는 유리 기판 층을 다이싱할 수 있다. 이 도면들에서, 각각의 센서 다이를 위해 제공된 자기 조립체(30)가 검정색 원으로 표시되어 있다. 자기 조립체(30)들을 교대로 이격시킴으로써, 도 5의 추가적인 대각선 절단이 제공됨에 따라, 예컨대, 도 4와 비교하여, 동일한 크기의 웨이퍼로부터 절반의 개수의 다이가 생산된다는 것을 알 수 있다.

도 6에 도시된 대안적인 다이싱 방식은 팔각형 형상의 센서 다이를 생산하기 위해 x 및 y 절단선이 교차하는 각각의 직사각형 다이의 코너에서 기판 층들 중 하나 이상의 기판 층에 공극(40)을 제공한다. 이는 자기 조립체(30)를 방해하지 않고 종래의 다이싱 기술이 사용될 수 있음을 의미한다. 실리콘 기판 층(20)이 팔각형 다이로 절단되면, 예컨대, GB 2322196에 개시된 디바이스에 비해 금속 트랙킹과 본드 패드 레이아웃을 조정하고, 직사각형 칩의 코너 영역에 존재하게 되는 정렬 키의 재배치와 같은, 약간의 재설계가 필요할 수 있다. 그러나, 실리콘 기판 층(20) 아래에 장착된 하부 기판 층들 중 하나에, 예컨대, 하우징(28)에 센서 디바이스를 장착하기 위해 사용되는 유리 스페이서 층(24)에, 공극(40)을 형성하는 것만으로 이를 피할 수 있다. 기판 층들이 함께 장착된 다음 x 및 y 절단선을 따라 다이싱될 때, 상부 실리콘 층(20)과 유리 페데스탈 층(22)이 직사각형 다이로 절단되는 반면, 각각의 다이를 위한 추가적인 변을 형성하는 공극(40)으로 인해 하부 유리 스페이서 층(24)은 팔각형 다이로 절단된다.

유리 스페이서 층(54)(두께: 1.5㎜)에 그 자체가 장착된 유리 페데스탈 층(52)(두께: 0.8㎜) 상에 장착되어 있는 실리콘 기판 층(50)(두께: 0.1㎜)을 포함하는 예시적인 센서 다이가 도 7에 도시되어 있다. 실리콘 층(50)과 유리 페데스탈 층(52)은 직사각형 형상으로 함께 절단된 반면, 유리 스페이서 층(54)은 대칭적인 팔각형 형상을 갖도록 절단되었다. 그 다음, 이 센서 다이는 종래의 기술을 사용하여 캔 패키지 베이스 또는 다른 하우징에 접합될 수 있다. 도 8은 유리 스페이서 층(54')이 비대칭적인 팔각형 형상을 갖도록 절단된 대안적인 센서 다이를 도시하고 있다.

도 7 및 도 8에 도시되어 있지는 않지만, 진동 구조 자이로스코프를 형성하기 위해, 환형 공진기와 지지 부재가 심도 반응성 이온 에칭(DRIE) 공정을 사용하여 0.1㎜ 두께의 실리콘 웨이퍼(50)로부터 제조된다. 그 다음, 에칭된 실리콘 웨이퍼는 양극 접합 공정을 사용하여 파이렉스 유리 페데스탈 웨이퍼(52)에 접합된다. 그 다음, 이 웨이퍼 쌍은 에폭시 접착제를 사용하여 파이렉스 유리 스페이서 층(54)에 접합된다. 각각의 센서 다이에 팔각형 스페이서 층(54)을 형성하기 위해, 웨이퍼 접합 공정 전에 (예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이) x 및 y 절단선들 간의 교차점에 공극이 생성된다. 이러한 공극들은 초음파 가공, 습식 에칭 또는 분말 블라스팅과 같은 종래의 유리 가공 기술을 사용하여 편리하게 형성될 수 있다. 웨이퍼 접합 후, 다양한 층들이 정렬 문제 없이 x 및 y 축을 따라 종래의 절단 방식을 사용하여 함께 다이싱될 수 있다.

예

GB 2322196에 개시된 유형의 디바이스는, 도 5에 도시된 바와 같이 교호하는 다이 위치들에 배열된 자기 조립체(30)로 채워진 웨이퍼를 생산함으로써, 제조되었다. 팔각형 센서 다이를 생산하기 위해 웨이퍼에 추가적인 대각선 절단이 적용된 다음, 팔각형 센서 다이들은 종래의 절차를 사용하여 표준 캔 패키지에 조립되었으며, 예컨대, 실리콘 엘라스토머 접착제 층에 의해 부착되었다. GB 2322196에 개시된 유형의 디바이스와의 유일한 차이점은 MEMS 센서의 표면 상에서 금속 트랙킹의 위치를 변경하기 위해 필요한 약간의 비교적 작은 변형이었다. 그 다음, 종래의 사각형 칩 디바이스의 성능과 직접적인 비교가 이루어질 수 있도록 온도에 따른 직교 바이어스 변화를 측정하기 위해 이 팔각형 디바이스를 시험하였다. 도 9에 나타낸 결과 데이터를 도 2에 나타낸 데이터와 직접 비교할 수 있다.

도 9는 직교 바이어스 변화를 (25℃로 정규화된) 온도의 함수로서 나타내고 있다. 직사각형 디바이스에 비해 팔각형 디바이스에서 직교 바이어스 온도 변화가 6배보다 크게 감소된다는 것이 입증되었다. 이는 cos2θ 모드 쌍에 대해 cos4θ 섭동을 초래하는 해로운 강성도 비대칭성을 저감하는 데 있어서 팔각형 센서 다이의 효과를 명확하게 보여준다.

전술한 예들은 진동 구조 자이로스코프에 관한 것이나, 본 발명은 그러한 디바이스에 한정되지 않으며, 다양한 유형의 관성 센서 및 질량 검출 센서와 같은 진동 감지 구조체를 포함한 임의의 MEMS 센서 디바이스에 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

MEMS 센서이며,
반도체 기판 층으로부터 형성된 진동 감지 구조체를 포함하고, 상기 반도체 기판 층은 직사각형 센서 칩을 형성하도록 반도체 기판에 접합된 전기 절연성 기판 층을 포함하는 페데스탈 상에 장착되며,
상기 페데스탈은 센서 칩을 하우징에 장착하기 위한 적어도 하나의 전기 절연성 스페이서 층을 더 포함하고, 상기 전기 절연성 스페이서 층은 팔각형인,
MEMS 센서.
제 1 항에 있어서,
팔각형 스페이서 층은 반도체 기판 층을 직접 장착하는 전기 절연성 기판 층보다 두꺼운,
MEMS 센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
팔각형 스페이서 층이 전기 절연성 기판 층에 장착되고 기판 층들이 페데스탈을 형성하도록 절단되기 전에, 팔각형 스페이서 층에 공극이 형성되는,
MEMS 센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
팔각형 스페이서 층은 별도로 형성된 다음 직사각형 센서 칩에 장착되는,
MEMS 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
팔각형 스페이서 층은 비대칭적인 형상을 가진,
MEMS 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
진동 감지 구조체가 cos2θ 공진 모드인 1차 면내 공진 모드로 진동하게 하도록 배열된 구동 트랜스듀서를 포함하는,
MEMS 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 진동 구조 자이로스코프이며, 상기 진동 감지 구조체는 실질적으로 평탄한 환형 공진기와, 반도체 기판으로부터 이격하여 환형 공진기를 지지하도록 구성되며 환형 공진기가 하나 이상의 면내 공진 모드로 진동할 수 있도록 하는 복수의 가요성 지지 부재를 포함하는,
MEMS 센서.
제 7 항에 있어서,
환형 공진기의 평면에 대해 실질적으로 직각인 축을 중심으로 인가되는 각속도에 응답하여 발생된 직교 2차 면내 공진 모드로 인한 환형 공진기의 진동을 검출하기 위한 감지 트랜스듀서를 포함하는,
MEMS 센서.
MEMS 센서 다이의 제조 방법이며,
반도체 기판 층 상에 진동 감지 구조체를 형성하는 단계;
직사각형 센서 다이가 기판 층의 평면 내에서 직교하는 x 및 y 절단선에 의해 형성될 수 있도록, 전기 절연성 기판 층에 반도체 기판 층을 장착하는 단계;
x 및 y 절단선의 적어도 일부의 교차점들에 형성되는 공극을 갖는 스페이서 층에 전기 절연성 기판 층을 장착하는 단계; 및
팔각형 스페이서 층 상에 장착된 직사각형 센서 칩을 포함하는 센서 다이를 형성하기 위해 상기 층들을 다이싱하는 단계를 포함하는,
MEMS 센서 다이의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
x 및 y 절단선의 각 교차점에서 스페이서 층에 공극을 형성하는 단계; 및 팔각형 스페이서 층 상에 장착된 직사각형 센서 칩을 포함하는 센서 다이를 형성하기 위해 x 및 y 절단선을 따라 상기 층들을 다이싱하는 단계를 포함하는,
MEMS 센서 다이의 제조 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
센서 다이들 중 하나를 선택하고 패키징된 센서를 형성하기 위해 센서 패키지에 스페이서 층을 접합하는 단계를 더 포함하는,
MEMS 센서 다이의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
팔각형 스페이서 층은 반도체 기판 층을 직접 장착하는 전기 절연성 기판 층보다 두꺼운,
MEMS 센서 다이의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
진동 감지 구조체는 진동 구조 자이로스코프를 위한 실질적으로 평탄한 환형 공진기인,
MEMS 센서 다이의 제조 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
반도체 기판 층은 실리콘으로 형성된,
MEMS 센서 또는 MEMS 센서 다이의 제조 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
전기 절연성 기판 층(들)은 유리로 형성된,
MEMS 센서 또는 MEMS 센서 다이의 제조 방법.