KR20230057235A - Method for manufacturing single crystal dielectric device using semiconductor processing - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법은, 실리콘 기판에 대한 전처리 공정을 통해, 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스의 베이스 구조(Base Structure)를 상기 실리콘 기판에 형성하는 단계; 상기 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 본딩하여, 상기 베이스 구조 및 상기 단결정 유전체 소재가 적층된 구조로 정의되는 디바이스 유닛을 형성하는 단계로서, 상기 단결정 유전체 소재는 분극 방향에 따른 가변 특성을 갖는 것인, 단계; 및 상기 실리콘 기판에 대한 다이싱(Dicing)을 통해 상기 디바이스 유닛을 싱귤레이션(Singulation)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a single-crystal dielectric device using a semiconductor process according to an aspect of the present invention includes forming a base structure of a single-crystal dielectric device to be manufactured on a silicon substrate through a pre-processing process for the silicon substrate. doing; Bonding a single crystal dielectric material processed in advance according to the manufacturing specifications of the single crystal dielectric device to at least a partial surface of the base structure to form a device unit defined by a structure in which the base structure and the single crystal dielectric material are laminated. , wherein the single-crystal dielectric material has variable characteristics according to the polarization direction; and singulating the device unit by dicing the silicon substrate.
Description
본 발명은 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 특성, 초전 특성 또는 전광 특성을 활용하는 단결정 유전체 디바이스를 반도체 공정을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a single-crystal dielectric device using a semiconductor process, and more particularly, to a method for manufacturing a single-crystal dielectric device utilizing piezoelectric, pyroelectric, or electro-optical properties using a semiconductor process.
기존의 대표적인 유전체의 하나인 PZT(lead zirconate titanate) 세라믹 대비 우수한 압전(Piezo-Electric) 특성을 보이는 단결정 유전체(Single Crystal Dielectric)가 상용화됨에 따라 산업, 의료 및 국방 등 다양한 분야에서 압전 소재로서 광범위하게 활용되고 있으며, 단결정 유전체 소재로서 사용되는 단결정으로는 1세대 단결정인 PMN-PT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], 2세대 단결정인 PIN-PMN-PT[Pb(In1/2Nb1/2O3)-Pb(Mg1/3Nb2/3O3)-PbTiO3], 그리고 1세대 및 2세대의 단결정에 Mn 등의 dopant를 첨가한 3세대 단결정인 Mn:PIN-PMN-PT가 널리 활용되고 있다. 위 단결정은 분극 방향에 따라 초전(Pyro-Electric) 특성 또는 전광(Electric-Optic) 특성을 띄는 것으로도 알려져 있다.As Single Crystal Dielectric, which has excellent piezoelectric properties compared to PZT (lead zirconate titanate) ceramics, which is one of the existing representative dielectrics, has been commercialized, it has been widely used as a piezoelectric material in various fields such as industry, medical care, and national defense. The single crystal used as a single crystal dielectric material is the first generation single crystal PMN-PT [Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ], the second generation single crystal PIN-PMN-PT [Pb (In 1/2 Nb 1/2 O 3 )-Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 O 3 )-PbTiO 3 ], and the 3rd generation single crystal by adding a dopant such as Mn to the 1st and 2nd generation single crystals Phosphorus Mn:PIN-PMN-PT is widely used. It is also known that the single crystal exhibits pyro-electric characteristics or electric-optic characteristics depending on the polarization direction.
상기와 같은 단결정의 압전/초전/전광 특성을 활용한 유전체 디바이스의 예로는, ⅰ)산업용 유전체 디바이스로서 차량 등 기타 산업 장치에 적용되는 초음파 센서, 적외선 센서, 충격 감지 센서, 가속도 센서, 자이로 센서, 자율 주행용 라이다 센서와 같은 센서 장치와, 공진기(Resonator), 마이크, 스피커, 에너지 하베스트(Energy Harvest) 장치, 양자 컴퓨터 소자, 비휘발성 메모리에 적용되는 논리 연산 소자, 액추에이터, ⅱ)의료용 유전체 디바이스로서 사용자의 생체 신호(예: 심박수 등)를 감지하는 웨어러블 헬스 케어 장치(예: 진동 센서), 초음파 프로브, ⅲ)군사용 유전체 디바이스로서 소나 시스템(Sonar System), 수중 음향 센서 등이 있다. 온도 센서 및 적외선 센서 등은 초전 특성을, 그리고 광통신 소자 및 양자 컴퓨터 소자 등은 전광 특성을 활용하는 유전체 디바이스에 해당한다.Examples of dielectric devices utilizing the piezoelectric/pyroelectric/electronic properties of single crystals as described above include: i) industrial dielectric devices, which are applied to vehicles and other industrial devices such as ultrasonic sensors, infrared sensors, shock sensors, acceleration sensors, gyro sensors, Sensor devices such as lidar sensors for autonomous driving, resonators, microphones, speakers, energy harvest devices, quantum computer devices, logic operation devices applied to non-volatile memory, actuators, ii) medical dielectric devices As such, there are a wearable health care device (eg, a vibration sensor) that detects a user's bio-signal (eg, heart rate, etc.), an ultrasonic probe, and iii) a sonar system as a dielectric device for military use, an underwater sound sensor, and the like. Temperature sensors, infrared sensors, etc. correspond to dielectric devices that utilize pyroelectric properties, and optical communication devices and quantum computer devices that utilize electrical properties.
압전 특성을 이용한 단결정 유전체 디바이스의 제조 방법에 대하여 다양한 방안이 제시되어 왔다. 본 출원의 발명자가 기 출원한 발명(출원번호: 제10-2020-0081561호, 발명의 명칭: 압전 단결정 소자, 이를 이용한 멤스 디바이스 및 그 제조방법, 이하 기 출원발명)은, 압전 단결정 박막의 하부에 하부 전극을 형성하고, 웨이퍼를 접합하며, 압전 단결정 박막에 대한 트리밍 및 식각 공정을 수행하고, 압전 단결정 박막의 상부에 상부 전극을 형성하고, 웨이퍼 식각을 통해 압전 단결정 박막의 동작 공간을 형성하는 일련의 과정을 통해 멤스(MEMS) 디바이스를 제조하는 공정을 제시하고 있다. 기 출원발명은 압전 단결정의 유전상수, 압전상수, 항전계 및 기계적 품질계수를 향상시켜 디바이스 성능 및 특성을 상용 디바이스에 비하여 향상시킨 점에서 기술적 의미를 갖는다.Various methods have been proposed for a method of manufacturing a single crystal dielectric device using piezoelectric properties. The invention previously filed by the inventor of the present application (application number: 10-2020-0081561, title of the invention: piezoelectric single crystal element, MEMS device using the same and manufacturing method thereof, hereinafter the previously filed invention) is a lower part of a piezoelectric single crystal thin film forming a lower electrode, bonding wafers, performing trimming and etching processes on the piezoelectric single crystal thin film, forming an upper electrode on top of the piezoelectric single crystal thin film, and forming an operating space of the piezoelectric single crystal thin film through wafer etching. A process for manufacturing MEMS devices is presented through a series of processes. The prior filed invention has technical significance in that device performance and characteristics are improved compared to commercial devices by improving the dielectric constant, piezoelectric constant, coercive field and mechanical quality factor of a piezoelectric single crystal.
그러나, 기 출원발명은 웨이퍼에 압전 단결정 박막, 상부 전극 및 하부 전극이 형성된 상태에서 CMP 공정, 식각 공정, 증착 공정, 패터닝 공정이 수행되는 점에서 초기 단결정 대비 압전 단결정 박막의 압전 성능이 저하될 수 밖에 없는 한계를 갖는다. 즉, 기 출원발명에 따를 때, 웨이퍼 상에 형성된 압전 단결정 박막에 대하여 CMP 공정 및 식각 공정과 같은 물리적인 가공 공정이 수행됨에 따라 압전 단결정 박막의 초기 압전 성능의 저하가 필연적으로 수반되며, 제조 대상이 되는 디바이스의 성능은 압전 단결정 박막의 성능에 의존하는 점을 고려할 때, 결과적으로 디바이스의 성능 저하가 나타날 수 밖에 없는 한계를 갖는다. 이는 곧 제조 대상이 되는 디바이스의 수율을 저하시키는 요인이 된다.However, in the prior filed invention, the piezoelectric performance of the piezoelectric single crystal thin film may be lowered compared to the initial single crystal in that the CMP process, the etching process, the deposition process, and the patterning process are performed in a state in which the piezoelectric single crystal thin film, the upper electrode, and the lower electrode are formed on the wafer. has only one limit. That is, according to the previously filed invention, as a physical processing process such as a CMP process and an etching process is performed on the piezoelectric single crystal thin film formed on the wafer, the initial piezoelectric performance of the piezoelectric single crystal thin film is inevitably reduced, and the manufacturing subject Considering that the performance of the device to be is dependent on the performance of the piezoelectric single crystal thin film, as a result, the performance of the device is degraded. This becomes a factor that lowers the yield of a device to be manufactured soon.
또한, 기 출원발명은 압전 단결정 박막이 단결정 웨이퍼로 구현되어 실리콘 웨이퍼에 접합되는 구조를 전제하며, 현재 본 기술분야에서 단결정 웨이퍼의 구현 가능한 크기는 5인치 웨이퍼에 해당한다. 본 기술분야의 실제 업계의 니즈는 8인치 이상의 대형 실리콘 웨이퍼를 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조함으로써 최소의 비용으로 단결정 유전체 디바이스를 대량 생산하는 것인데 반하여, 5인치 단결정 웨이퍼를 8인치 이상의 대형 실리콘 웨이퍼에 접합하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방식의 경우, 단결정 웨이퍼가 접합되지 않은 나머지 영역의 실리콘 웨이퍼는 다이싱 또는 에칭 등의 공정으로 제거되는 방식으로 이루어지기 때문에, 최소 비용에 의한 대량 생산에의 업계 니즈를 충족시킬 수 없는 문제가 존재한다.In addition, the previously filed invention presupposes a structure in which a piezoelectric single crystal thin film is implemented as a single crystal wafer and bonded to a silicon wafer, and a size that can be realized in the present technical field corresponds to a 5-inch wafer. The actual industry need in this field is to mass-produce single-crystal dielectric devices at a minimum cost by manufacturing single-crystal dielectric devices using large-size silicon wafers of 8 inches or larger, whereas 5-inch single-crystal wafers are manufactured on large-size silicon wafers of 8 inches or larger. In the case of a method of manufacturing a single crystal dielectric device by bonding, since the silicon wafer in the remaining area where the single crystal wafer is not bonded is removed by a process such as dicing or etching, the industry needs for mass production at minimum cost. There are problems that cannot be satisfied.
실리콘 웨이퍼의 전체면에 압전 특성 또는 초전 특성을 갖는 단결정 유전체 소재를 스퍼터링 공정을 통해 증착시키거나 졸-겔(Sol-Gel) 공정을 통해 코팅시켜 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방식도 적용되고 있으나, 위 방식 역시 실리콘 웨이퍼의 영역 중 단결정 유전체 디바이스 제조에 필요한 영역을 제외한 나머지 영역은 다이싱 또는 에칭 등의 공정으로 제거되는 점에서 비용적 소모의 문제는 여전히 존재하며, 실리콘 웨이퍼의 일부 면에 마스킹을 하는 방식을 적용하더라도 마스킹 물질을 제거해야 하는 후속 공정이 수반되는 점에서 공정 복잡도가 증가하는 문제가 있다.A method of manufacturing a single-crystal dielectric device by depositing a single-crystal dielectric material having piezoelectric or pyroelectric properties on the entire surface of a silicon wafer through a sputtering process or coating it through a sol-gel process is also applied. In the method, the problem of cost consumption still exists in that the remaining area of the silicon wafer except for the area required for manufacturing the single crystal dielectric device is removed by a process such as dicing or etching, and masking on a part of the silicon wafer Even if the method is applied, there is a problem in that process complexity increases in that a subsequent process for removing the masking material is involved.
위와 같은 단결정 유전체 소재를 이용한 단결정 유전체 디바이스의 제조 시 발생하는 성능 저하, 수율 저하, 비용 증가 및 공정 복잡도의 문제는 비단 기 출원발명에 국한되는 한계가 아닌 본 업계에 현존하는 한계이며, 이에 따라 성능, 수율, 비용 및 공정 복잡도 측면에서 보다 개선된 단결정 유전체 디바이스의 제조 방법이 요구되고 있다.The problems of performance deterioration, yield deterioration, cost increase, and process complexity occurring in the manufacture of a single crystal dielectric device using the above single crystal dielectric material are not limitations limited to short-term pending inventions, but existing limitations in the industry, and accordingly, performance However, there is a demand for a manufacturing method of a single crystal dielectric device that is more improved in terms of yield, cost, and process complexity.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 단결정 유전체 소재를 이용하여 압전 특성, 초전 특성 또는 전광 특성을 활용하는 단결정 유전체 디바이스를 제조할 시, 순수한 초기 단결정 유전체 소재의 성능을 그대로 유지하여 단결정 유전체 디바이스의 성능을 최대화시킴과 동시에 그에 따라 수율을 향상시키고, 제조 과정에서 실리콘 웨이퍼의 낭비를 최소화하고 단결정 유전체 디바이스의 대량 생산이 가능하도록 하여 디바이스 생산 비용을 저감시킬 수 있는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object according to an aspect of the present invention is to manufacture a single crystal dielectric device utilizing piezoelectric properties, pyroelectric properties, or electrooptic properties using a single crystal dielectric material, in a pure initial stage. It maximizes the performance of single-crystal dielectric devices by maintaining the performance of single-crystal dielectric materials, while improving yield accordingly, minimizing waste of silicon wafers in the manufacturing process, and enabling mass production of single-crystal dielectric devices, thereby reducing device production costs. It is to provide a method of manufacturing a single-crystal dielectric device using a semiconductor process that can reduce the cost.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법은, 실리콘 기판에 대한 전처리 공정을 통해, 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스의 베이스 구조(Base Structure)를 상기 실리콘 기판에 형성하는 단계; 상기 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 본딩하여, 상기 베이스 구조 및 상기 단결정 유전체 소재가 적층된 구조로 정의되는 디바이스 유닛을 형성하는 단계로서, 상기 단결정 유전체 소재는 분극 방향에 따른 가변 특성을 갖는 것인, 단계; 및 상기 실리콘 기판에 대한 다이싱(Dicing)을 통해 상기 디바이스 유닛을 싱귤레이션(Singulation)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a single-crystal dielectric device using a semiconductor process according to an aspect of the present invention includes forming a base structure of a single-crystal dielectric device to be manufactured on a silicon substrate through a pre-processing process for the silicon substrate. doing; Bonding a single crystal dielectric material processed in advance according to the manufacturing specifications of the single crystal dielectric device to at least a partial surface of the base structure to form a device unit defined by a structure in which the base structure and the single crystal dielectric material are laminated. , wherein the single-crystal dielectric material has variable characteristics according to the polarization direction; and singulating the device unit by dicing the silicon substrate.
본 발명에 있어 상기 베이스 구조는, 상기 실리콘 기판에 대한 식각 공정을 통해 상기 실리콘 기판 상에서 돌출되는 구조로 형성되는 적어도 하나의 돌출부와, 상기 돌출부의 표면에 증착되는 전극층을 포함하되, 상기 돌출부의 수는 상기 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 의존하여 결정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the base structure includes at least one protrusion formed in a structure protruding from the silicon substrate through an etching process for the silicon substrate, and an electrode layer deposited on the surface of the protrusion, wherein the number of the protrusions is characterized in that it is determined depending on the manufacturing specifications of the single crystal dielectric device.
본 발명에 있어 상기 디바이스 유닛을 형성하는 단계에서, 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 접착제를 도포하고, 접착제가 도포된 영역에 상기 단결정 유전체 소재를 배치한 후, 설정 압력 및 설정 온도 하에서 접착제를 경화시켜 상기 단결정 유전체 소재를 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 본딩하는 것을 특징으로 한다.In the step of forming the device unit in the present invention, an adhesive is applied to at least a partial surface of the base structure, the single crystal dielectric material is placed on the area where the adhesive is applied, and the adhesive is applied under a set pressure and a set temperature. It is characterized in that the single crystal dielectric material is bonded to at least a partial surface of the base structure by curing.
본 발명에 있어 상기 베이스 구조를 형성하는 단계에서, 상기 베이스 구조를 상기 실리콘 기판에 복수 개 형성하고, 상기 디바이스 유닛을 형성하는 단계에서, 복수의 상기 단결정 유전체 소재를 상기 복수의 베이스 구조 각각에 순차적으로 본딩시켜 상기 디바이스 유닛을 복수 개 형성하며, 상기 싱귤레이션 하는 단계에서, 상기 실리콘 기판에 대한 다이싱을 통해 상기 복수의 디바이스 유닛을 각각 싱귤레이션하는 것을 특징으로 한다.In the step of forming the base structure, in the step of forming the base structure in the present invention, forming a plurality of base structures on the silicon substrate, and in the step of forming the device unit, a plurality of the single-crystal dielectric materials are sequentially applied to each of the plurality of base structures. bonding to form a plurality of device units, and in the singulating step, each of the plurality of device units is singulated through dicing of the silicon substrate.
본 발명에 있어 상기 제조 방법이 수행되는 과정에서, 상기 베이스 구조에 본딩된 상기 단결정 유전체 소재에 대한 가공 공정은 이루어지지 않는 것을 특징으로 한다.In the process of performing the manufacturing method in the present invention, it is characterized in that a processing process for the single crystal dielectric material bonded to the base structure is not performed.
본 발명에 있어 상기 단결정 유전체 소재는, PMN-PT, PIN-PMN-PT 및 Mn:PIN-PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the single crystal dielectric material is characterized in that it is composed of any one of PMN-PT, PIN-PMN-PT and Mn:PIN-PMN-PT.
본 발명에 있어 상기 단결정 유전체 소재의 분극 방향이 <001> 축 또는 <011> 축으로 설정되어 상기 단결정 유전체 소재가 압전 특성 또는 광전 특성을 갖도록 구성됨에 따라 상기 단결정 유전체 디바이스는 압전 디바이스 또는 광전 디바이스로 구현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the polarization direction of the single-crystal dielectric material is set to the <001> axis or the <011> axis so that the single-crystal dielectric material has piezoelectric properties or photoelectric properties, so that the single-crystal dielectric device is a piezoelectric device or a photoelectric device. characterized in that it is implemented.
본 발명에 있어 상기 단결정 유전체 소재의 분극 방향이 <111> 축으로 설정되어 상기 단결정 유전체 소재가 초전 특성을 갖도록 구성됨에 따라 상기 단결정 유전체 디바이스는 초전 디바이스로 구현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the polarization direction of the single-crystal dielectric material is set to the <111> axis so that the single-crystal dielectric material has pyroelectric characteristics, so that the single-crystal dielectric device is implemented as a pyroelectric device.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전처리 공정을 통해 단결정 유전체 디바이스의 베이스 구조를 실리콘 기판에 형성하고, 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 베이스 구조의 표면에 본딩한 후 싱귤레이션하는 방식을 채용함으로써, 단결정 유전체 소재에 대한 CMP 또는 식각과 같은 물리적 가공 공정이 제거되도록 하여 순수한 초기 단결정 유전체 소재의 성능을 그대로 유지할 수 있으며, 그에 따라 단결정 유전체 디바이스의 성능 및 수율을 최대화할 수 있다.According to one aspect of the present invention, a base structure of a single-crystal dielectric device is formed on a silicon substrate through a pretreatment process, and a single-crystal dielectric material processed in advance according to the manufacturing specifications of the single-crystal dielectric device is bonded to the surface of the base structure, followed by singulation By adopting this method, physical processing processes such as CMP or etching for single crystal dielectric materials can be eliminated so that the performance of pure initial single crystal dielectric materials can be maintained, thereby maximizing the performance and yield of single crystal dielectric devices. .
또한, 종래 단결정 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼 간의 접합 방식에서 벗어나, 미리 가공된 복수의 단결정 유전체 소재를, 실리콘 기판에 형성된 복수의 베이스 구조에 각각 순차적으로 배치시켜 본딩하는 방식을 채용함으로써, 실리콘 기판에서 낭비되는 영역을 최소화하여 제조 원가를 절감시킴과 동시에 단결정 유전체 디바이스의 대량 생산을 가능케 할 수 있다.In addition, by adopting a method of sequentially disposing and bonding a plurality of pre-processed single crystal dielectric materials to a plurality of base structures formed on a silicon substrate, away from the conventional bonding method between a single crystal wafer and a silicon wafer, waste in the silicon substrate It is possible to reduce the manufacturing cost by minimizing the area and at the same time enable mass production of single crystal dielectric devices.
나아가, 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 실리콘 기판에 '이식'하는 공정을 통해, 종래 단결정 유전체 디바이스의 공정에서 요구되었던, 스퍼터링 공정, 졸-겔 공정, 마스킹 물질 제거 공정과 같은 부속 공정이 제거되어 공정 복잡도가 저감될 수 있다.Furthermore, through the process of 'implanting' a pre-processed single crystal dielectric material to a silicon substrate, auxiliary processes such as sputtering process, sol-gel process, and masking material removal process, which were required in the conventional single crystal dielectric device process, are eliminated, Complexity can be reduced.
도 1은 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2 내지 도 7은 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법의 각 공정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법에 따라 실리콘 기판에 형성된 복수의 디바이스 유닛을 보인 실사도이다.
도 9는 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법에 따라 제조된 멤스 라이다 센서를 보인 실사도이다.1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to an embodiment.
2 to 7 are exemplary diagrams for explaining each process of a method of manufacturing a single crystal dielectric device using the semiconductor process according to the present embodiment.
8 is a photorealistic view showing a plurality of device units formed on a silicon substrate according to a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to an exemplary embodiment.
9 is a photorealistic view showing a MEMS lidar sensor manufactured according to a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.
본 실시예는 단결정 유전체 소재의 압전 특성, 초전 특성 또는 전광 특성을 활용한 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 것을 전제하며, 이러한 단결정 유전체 디바이스의 예로는, ⅰ)산업용 유전체 디바이스로서 차량 등 기타 산업 장치에 적용되는 초음파 센서, 적외선 센서, 충격 감지 센서, 가속도 센서, 자이로 센서, 자율 주행용 라이다 센서와 같은 센서 장치와, 공진기(Resonator), 마이크, 스피커, 에너지 하베스트(Energy Harvest) 장치, 양자 컴퓨터 소자, 비휘발성 메모리에 적용되는 논리 연산 소자, 액추에이터, ⅱ)의료용 유전체 디바이스로서 사용자의 생체 신호(예: 심박수 등)를 감지하는 웨어러블 헬스 케어 장치(예: 진동 센서), 초음파 프로브, ⅲ)군사용 유전체 디바이스로서 소나 시스템(Sonar System), 수중 음향 센서 등이 있다. 온도 센서 및 적외선 센서 등은 초전 특성을, 그리고 광통신 소자 및 양자 컴퓨터 소자 등은 전광 특성을 활용하는 단결정 유전체 디바이스에 해당한다.This embodiment is based on the premise of manufacturing a single crystal dielectric device utilizing the piezoelectric, pyroelectric, or electro-optical properties of a single crystal dielectric material. Examples of such a single crystal dielectric device include i) applied to vehicles and other industrial devices as industrial dielectric devices Sensor devices such as ultrasonic sensors, infrared sensors, shock sensors, acceleration sensors, gyro sensors, and lidar sensors for autonomous driving, resonators, microphones, speakers, energy harvest devices, quantum computer devices, Logic operation element applied to non-volatile memory, actuator, ii) Medical dielectric device, wearable health care device that detects the user's vital signs (e.g. heart rate, etc.) (e.g. vibration sensor), ultrasound probe, iii) Military dielectric device As such, there are sonar systems, underwater acoustic sensors, and the like. Temperature sensors and infrared sensors correspond to single-crystal dielectric devices that utilize pyroelectric properties, and optical communication devices and quantum computer devices that utilize electrical properties.
위와 같은 단결정 유전체 디바이스를 제조하기 위해 채용되는 단결정 유전체 소재는 PMN-PT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PIN-PMN-PT[Pb(In1/2Nb1/2O3)-Pb(Mg1/3Nb2/3O3)-PbTiO3], 또는 Mn:PIN-PMN-PT로 구성될 수 있다. 단결정 유전체 소재는 세라믹 분말을 결정 성장 방향(<001>, <011> 또는 <111> 축)의 시드가 장입된 백금 도가니에 넣고 밀봉하여 고온 결정성장로에 장시간 동안 두어 완전히 용융시키고, 소정 시간 동안에 걸쳐 온도를 유지한 다음 서서히 냉각시켜 수득되는 잉곳으로부터 미리 제조된다. 단결정 유전체 소재가 그 분극 방향이 <001> 축 또는 <011> 축으로 설정되어 제조된 경우 압전(Piezo-Electric) 특성 또는 전광(Electric-Optic) 특성을 크게 가지며, 이에 따라 단결정 유전체 디바이스는 압전 디바이스(예: 멤스 라이다 센서(MEMS Lidar Sensor)) 또는 전광 디바이스(예: 광통신 소자)로 구현될 수 있다. 또는, 단결정 유전체 소재가 그 분극 방향이 <111> 축으로 설정되어 제조된 경우 초전(Pyro-Electric) 특성을 크게 가지며, 이에 따라 단결정 유전체 디바이스는 초전 디바이스(예: 적외선 센서)로 구현될 수 있다.The single crystal dielectric material employed to manufacture the above single crystal dielectric device is PMN-PT[Pb(Mg 2/3 Nb 1/3 )O 3 -PbTiO 3 ], PIN-PMN-PT[Pb(In 1/2 Nb 1/2 O 3 )-Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 O 3 )-PbTiO 3 ], or Mn:PIN-PMN-PT. For the single crystal dielectric material, ceramic powder is placed in a platinum crucible loaded with seeds in the crystal growth direction (<001>, <011>, or <111> axis), sealed, placed in a high-temperature crystal growth furnace for a long time, and completely melted. It is prepared in advance from an ingot obtained by maintaining the temperature over a period of time and then gradually cooling it. When the single-crystal dielectric material is manufactured with its polarization direction set to the <001> axis or the <011> axis, it has high piezo-electric characteristics or electric-optical characteristics. Accordingly, the single-crystal dielectric device is a piezoelectric device. (eg: MEMS Lidar Sensor) or an all-optical device (eg: optical communication element). Alternatively, when the single-crystal dielectric material is manufactured with its polarization direction set to the <111> axis, it has high pyro-electric characteristics, and accordingly, the single-crystal dielectric device can be implemented as a pyroelectric device (eg, an infrared sensor). .
본 실시예는 단결정 유전체 소재가 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 상태를 전제한다. 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 상태라 함은, 단결정 유전체 디바이스를 제조하고 원하는 성능이 확보될 수 있도록 하기 위한 치수로 단결정 유전체 소재가 가공된 상태를 의미할 수 있으며, 예를 들어 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스가 멤스 라이다 센서로서 단결정 유전체 소재가 미러 구동을 위한 단결정 유전체 액추에이터에 적용될 경우, 제조 대상이 되는 멤스 라이다 센서의 크기에 정합하고 미러 액추에이팅 성능을 갖도록 단결정 유전체 소재는 가로*세로*높이 기준 "4mm*26mm*0.06mm"의 치수를 갖도록 미리 가공될 수 있다. 후술하는 것과 같이 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 과정에서 초기 가공된 단결정 유전체 소재에 대한 추가적인 가공 공정이 이루어지지 않으며, 이는 순수한 초기 단결정 유전체 소재의 성능이 그대로 유지되도록 하여 단결정 유전체 디바이스의 성능을 최대화하는 것을 보장한다. 초기 가공된 단결정 유전체 소재는 단결정 유전체 디바이스의 대량 생산을 위해 복수 개 마련될 수 있다.This embodiment assumes a state in which a single crystal dielectric material is pre-processed according to manufacturing specifications of a single crystal dielectric device to be manufactured. The pre-processed state according to the manufacturing specifications of the single crystal dielectric device may mean a state in which the single crystal dielectric material is processed to a size for manufacturing the single crystal dielectric device and ensuring desired performance, for example, manufacturing When the target single-crystal dielectric device is a MEMS lidar sensor and the single-crystal dielectric material is applied to a single-crystal dielectric actuator for mirror driving, the single-crystal dielectric material matches the size of the MEMS lidar sensor to be manufactured and has mirror actuating performance may be pre-processed to have dimensions of "4mm*26mm*0.06mm" based on width * length * height. As will be described later, in the process of manufacturing a single crystal dielectric device, no additional processing process is performed on the initially processed single crystal dielectric material, which maximizes the performance of the single crystal dielectric device by maintaining the performance of the pure initial single crystal dielectric material. guarantee A plurality of initially processed single crystal dielectric materials may be prepared for mass production of single crystal dielectric devices.
위 내용을 바탕으로, 이하에서는 본 실시예의 단결정 유전체 디바이스의 제조 방법을 도 1 내지 도 9를 참조하여 구체적으로 설명한다.Based on the above information, the method for manufacturing a single crystal dielectric device according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 9 .
도 1은 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2 내지 도 7은 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법의 각 공정을 설명하기 위한 예시도이며, 도 8은 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법에 따라 실리콘 기판에 형성된 복수의 디바이스 유닛을 보인 실사도이고, 도 9는 본 실시예에 따른 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법에 따라 제조된 멤스 라이다 센서를 보인 실사도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to an embodiment, and FIGS. 2 to 7 are a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to an embodiment. FIG. 8 is a live view showing a plurality of device units formed on a silicon substrate according to a method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process according to the present embodiment, and FIG. 9 is an exemplary view for explaining each process of It is a photorealistic view showing a MEMS lidar sensor manufactured according to the method of manufacturing a single crystal dielectric device using the semiconductor process according to the present embodiment.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 단결정 유전체 디바이스의 제조 방법은 실리콘 기판에 베이스 구조를 형성하는 S100 단계와, 단결정 유전체 소재를 베이스 구조에 본딩하여 디바이스 유닛을 형성하는 S300 단계와, 디바이스 유닛을 싱귤레이션하는 S500 단계와, 싱귤레이션된 디바이스 유닛을 패키징하는 S700 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the method of manufacturing a single crystal dielectric device according to the present embodiment includes steps S100 of forming a base structure on a silicon substrate, steps S300 of forming a device unit by bonding a single crystal dielectric material to the base structure, and steps S300 of forming a device unit. A step S500 of singulating , and a step S700 of packaging the singulated device unit are included.
각 단계에 대하여 구체적으로 설명하면, 먼저 실리콘 기판(10)에 대한 전처리 공정(즉, 반도체 공정(실리콘 가공 공정))을 통해, 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스의 베이스 구조(BS: Base Structure)를 실리콘 기판(10)에 형성한다(S100). 실리콘 기판(10)은 실리콘층(Si)과 산화막(SiO2, insulator)이 적층된 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼일 수 있다.To describe each step in detail, first, a base structure (BS: Base Structure) of a single crystal dielectric device to be manufactured is formed through a preprocessing process (ie, a semiconductor process (silicon processing process)) for the
S100 단계에서 형성되는 베이스 구조(BS)는, 단결정 유전체 소재(60)가 접합되는 영역으로 기능하는 적어도 하나의 돌출부(50)와, 각 돌출부(50)의 표면에 증착되는 전극층(30)을 포함하는 것으로 정의될 수 있으며, 각각의 돌출부(50)는 적어도 하나의 트렌치(Trench)(40)에 의해 구획될 수 있다(베이스 구조(BS) 및 후술하는 디바이스 유닛(DU)이 복수의 돌출부(50)를 가질 경우, 베이스 구조(BS)는 각 돌출부(50)를 구획하는 트렌치(40)까지 포함하는 개념으로 정의될 수도 있다). 전극층(30)은 알루미늄, 금, 은, 백금, 티타늄, 크롬, 구리 등의 물질로 구성될 수 있으며, 단결정 유전체 소재(60)로 전압 및 전류를 인가하거나 단결정 유전체 소재(60)로부터 전압 및 전류가 인출되는 전극(Electrode)으로 기능하여 단결정 유전체 소재(60)가 압전 특성, 초전 특성 또는 전광 특성을 갖도록 한다.The base structure BS formed in step S100 includes at least one
도 2를 참조하면, S100 단계에서는 실리콘 기판(10)에 포토 리지스트(PR: Photo Resist)(20)를 코팅(PR Coating)하고(도 2a) 노광(Exposure)을 통해 트렌치(40) 형성 영역에 포토 리지스트(20)가 남도록 패터닝 및 현상(Patterning & Develop)하며(도 2b), PVD(Physical Vapor Deposition)를 통해 전극층(30)을 증착시킨 후(도 2c), 패터닝된 포토 리지스트(20)를 제거한다(도 2d). 이어서, 실리콘 기판(10)에 대한 식각(Etching)을 위해 포토 리지스트(20)를 코팅하고(도 2e) 노광을 통해 트렌치(40) 형성 영역에 포토 리지스트(20)가 제거되도록 패터닝 및 현상하며(도 2f), 실리콘 기판(10)을 식각하여 트렌치(40)를 형성한 후(도 2g), 패터닝된 포토 리지스트(20)를 제거한다(도 2h). 트렌치(40)에 의해 각 돌출부(50)가 구획되며, 돌출부(50)의 수와 트렌치(40)의 수는 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 의존하여 결정된다. 도 2는 두 개의 돌출부(50)가 하나의 트렌치(40)에 의해 구획되는 예시를 보이고 있다.Referring to FIG. 2, in step S100, a photo resist (PR) 20 is coated on a silicon substrate 10 (PR Coating) (FIG. 2A), and a
S100 단계 이후, 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 단결정 유전체 소재(60)를 베이스 구조(BS)의 적어도 부분적인 표면에 본딩하며, 본 실시예에서는 베이스 구조(BS) 및 단결정 유전체 소재(60)가 적층된 구조를 디바이스 유닛(DU: Device Unit)으로 정의한다(S300)(단결정 유전체 디바이스에 따라서는 후술하는 보이드 또한 디바이스 유닛에 포함되는 개념으로 정의될 수도 있다). 단결정 유전체 소재(60)가 베이스 구조(BS)의 적어도 부분적인 표면에 본딩된다 함은, 베이스 구조(BS)의 표면의 일 부분 또는 전체 표면에 단결정 유전체 소재(60)가 본딩될 수 있음을 의미하며, 이는 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 의해 결정된다.After step S100, the pre-processed single
도 3을 참조하면, S300 단계에서는 베이스 구조(BS)가 형성된 실리콘 기판(10)이 스텝퍼(Stepper, STP) 장비에 고정된 상태에서, 디스펜서(Dispenser, DP)를 통해 베이스 구조(BS)의 적어도 부분적인 표면에 에폭시(epoxy)를 도포하고, 스텝퍼 장비를 통해 단결정 유전체 소재(60)를 픽업하여 에폭시가 도포된 영역에 배치한 후(Pick & Place), 배치된 단결정 유전체 소재(60)가 설정 압력으로 가압된 상태에서 세라믹 히터와 같은 가온 장치를 통해 설정 온도에 따라 가온하여 에폭시를 경화시킨다. 단결정 유전체 소재(60) 및 베이스 구조(BS)의 본딩 공정으로는 상기한 에폭시 본딩 이외에도 유테틱(eutectic) 본딩 또는 아노딕(anodic) 본딩이 적용될 수도 있다. 또한, S200 단계에서, 복수의 단결정 유전체 소재(60)를 스텝퍼 장비를 통해 순차적으로 픽업하고 복수의 베이스 구조(BS) 각각에 순차적으로 배치 및 본딩시키는 방식으로 디바이스 유닛(DU)을 복수 개 형성할 수 있으며, 이는 단결정 유전체 디바이스의 대량 생산을 효과적으로 달성하기 위한 수단이 된다.Referring to FIG. 3, in step S300, in a state in which the
S300 단계를 통해 디바이스 유닛(DU)이 형성되면, 실리콘 기판(10)에 대한 다이싱(Dicing)을 통해 디바이스 유닛(DU)을 싱귤레이션(Singulation)하며(S500), 복수의 디바이스 유닛(DU)이 형성된 경우에는 복수의 디바이스 유닛(DU) 각각이 싱귤레이션된다. 종래와 같이 단결정 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼를 접합하는 방식으로 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 것이 아닌, 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스의 특성에 맞게 미리 가공된 복수의 단결정 유전체 소재(60)를 실리콘 기판(10)에 형성된 복수의 베이스 구조(BS)에 각각 순차적으로 배치시켜 복수의 디바이스 유닛(DU)을 구성한 후 각각의 디바이스 유닛(DU)을 싱귤레이션함으로써 단결정 유전체 디바이스의 대량 생산이 가능함과 동시에 실리콘 기판(10)에서 제거되는 낭비 영역이 최소화되어 제조 원가가 절감될 수 있다.When the device unit DU is formed through step S300, the device unit DU is singulated through dicing of the silicon substrate 10 (S500), and a plurality of device units (DU) When is formed, each of the plurality of device units (DU) is singulated. Instead of manufacturing a single-crystal dielectric device by bonding a single-crystal wafer and a silicon wafer as in the prior art, a plurality of single-
S500 단계 이후, 각 디바이스 유닛(DU)에 대한 패키징(Packaging) 공정을 통해 복수의 단결정 유전체 디바이스의 제조가 완료되며(S700), 패키징 공정의 프로세스는 제조 대상이 되는 단결정 유전체 디바이스의 종류 및 설계 스펙에 의존하여 결정된다.After step S500, manufacturing of a plurality of single-crystal dielectric devices is completed through a packaging process for each device unit (DU) (S700), and the packaging process includes the type and design specifications of the single-crystal dielectric device to be manufactured. is determined depending on
위 S100 단계 내지 S700 단계를 통해 확인할 수 있듯이 단결정 유전체 디바이스의 제조 과정에서, 베이스 구조(BS)에 단결정 유전체 소재(60)가 본딩된 후, 단결정 유전체 소재(60)에 대한 CMP 공정 또는 식각 공정과 같은 물리적인 가공 공정은 이루어지지 않으며, 이에 따라 순수한 초기 단결정 유전체 소재(60)의 성능이 그대로 유지되어 단결정 유전체 디바이스의 성능 및 수율이 최대화될 수 있다. 또한, 미리 가공된 단결정 유전체 소재(60)를 실리콘 기판(10)에 '이식'하는 공정을 통해, 종래 단결정 유전체 디바이스의 공정에서 요구되었던, 스퍼터링 공정, 졸-겔 공정, 마스킹 물질 제거 공정과 같은 부속 공정이 제거되어 공정 복잡도가 저감될 수 있다.As can be seen through steps S100 to S700 above, in the manufacturing process of the single-crystal dielectric device, after the single-
위와 같은 S100 단계 내지 S700 단계의 응용(Application)으로서, 단결정 유전체 소재(60)의 분극 방향이 <001> 축 또는 <011> 축으로 설정되어 압전 특성 또는 전광 특성을 갖도록 구성될 경우, 도 3i의 예시에서 트렌치(40)를 기준으로 디바이스 유닛(DU)을 싱귤레이션하여 패키징하는 방식으로 의료용 초음파 프로브와 같은 압전 디바이스 또는 광통신 소자와 같은 광전 디바이스가 제조될 수 있고, 또한 단결정 유전체 소재(60)의 분극 방향이 <111> 축으로 설정되어 초전 특성을 갖도록 구성될 경우, 도 3i의 예시에서 트렌치(40)를 기준으로 디바이스 유닛(DU)을 싱귤레이션하여 패키징하는 방식으로 적외선 센서와 같은 초전 디바이스가 제조될 수 있다.As an application of the above steps S100 to S700, when the polarization direction of the single
이하에서는 위 S100 단계 내지 S700의 다른 응용으로서, 멤스 라이다 센서(압전 디바이스)를 제조하는 과정을 설명하며, 실시예의 이해를 돕기 위해 하나의 멤스 라이다 센서를 제조하는 과정을 중심으로 설명한다.Hereinafter, as another application of the above steps S100 to S700, a process of manufacturing a MEMS lidar sensor (piezoelectric device) will be described, and a process of manufacturing one MEMS lidar sensor will be mainly described to help understand the embodiment.
<멤스 라이다 센서 제조 과정><MEMS lidar sensor manufacturing process>
1. 베이스 구조 형성 단계(S100)1. Base structure formation step (S100)
멤스 라이다 센서는 두 개의 단결정 유전체 액추에이터가 멤스 미러를 중심으로 대칭으로 배치된 구조를 가지며, 단결정 유전체 액추에이터의 압전 특성을 기반으로 멤스 미러의 각도가 조절되도록 동작한다. 이에, S100 단계에서 형성되는 베이스 구조(BS)는 세 개의 돌출부(51, 52, 53)가 두 개의 트렌치(41, 42)에 의해 구획되는 구조를 가지며, 양측의 두 개의 돌출부(51, 53)는 단결정 유전체 액추에이터를 구성하고, 중앙의 하나의 돌출부(52)는 멤스 미러를 구성한다.The MEMS lidar sensor has a structure in which two single-crystal dielectric actuators are symmetrically arranged around a MEMS mirror, and the angle of the MEMS mirror is adjusted based on piezoelectric characteristics of the single-crystal dielectric actuator. Accordingly, the base structure BS formed in step S100 has a structure in which three
도 4를 참조하면, S100 단계에서는 실리콘 기판(10)에 포토 리지스트(20)를 코팅하고(도 4a) 노광을 통해 트렌치(41, 42) 형성 영역에 포토 리지스트(20)가 남도록 패터닝 및 현상하며(도 4b), PVD를 통해 전극층(30)을 증착시킨 후(도 4c), 패터닝된 포토 리지스트(20)를 제거한다(도 4d). 이어서, 실리콘 기판(10)에 대한 식각을 위해 포토 리지스트(20)를 코팅하고(도 4e) 노광을 통해 트렌치(41, 42) 형성 영역에 포토 리지스트(20)가 제거되도록 패터닝 및 현상하며(도 4f), 실리콘 기판(10)을 식각하여 트렌치(41, 42)를 형성한 후(도 4g), 패터닝된 포토 리지스트(20)를 제거한다(도 4h). 이에 따라, 제1 내지 제3 돌출부(51, 52, 53)가 제1 및 제2 트렌치(41, 42)에 의해 구획되는 구조를 갖는 베이스 구조(BS)가 형성된다.Referring to FIG. 4, in step S100, the
2. 디바이스 유닛 형성 단계(S300)2. Device Unit Formation Step (S300)
도 5를 참조하면, S300 단계에서는 베이스 구조(BS)가 형성된 실리콘 기판(10)이 스텝퍼 장비(STP)에 고정된 상태에서, 디스펜서(DP)를 통해 베이스 구조(BS)의 적어도 부분적인 표면, 즉 제1 돌출부(51) 상의 전극층(30)의 적어도 부분적인 표면에 에폭시를 도포하고, 스텝퍼 장비(STP)를 통해 단결정 유전체 소재(60)를 픽업하여 에폭시가 도포된 영역에 배치한 후, 배치된 단결정 유전체 소재(60)가 설정 압력으로 가압된 상태에서 세라믹 히터와 같은 가온 장치를 통해 설정 온도에 따라 가온하여 에폭시를 경화시킨다. 이어서, 디스펜서(DP)를 통해 베이스 구조(BS)의 적어도 부분적인 표면, 즉 제3 돌출부(53) 상의 전극층(30)의 적어도 부분적인 표면에 에폭시를 도포하고, 스텝퍼 장비(STP)를 통해 단결정 유전체 소재(60)를 픽업하여 에폭시가 도포된 영역에 배치한 후, 배치된 단결정 유전체 소재(60)가 설정 압력으로 가압된 상태에서 세라믹 히터와 같은 가온 장치를 통해 설정 온도에 따라 가온하여 에폭시를 경화시킨다. 이에 따라, 제1 및 제3 돌출부(51, 53) 상의 각 전극층(30) 표면에 각각 단결정 유전체 소재(60)가 본딩된 디바이스 유닛(DU)이 형성된다. 제2 돌출부(52) 상의 전극층(30)은 멤스 미러로 기능한다.Referring to FIG. 5, in step S300, in a state where the
3. 보이드 형성 단계(S400)3. Void formation step (S400)
S300 단계 이후, 멤스 미러의 진동 공간, 즉 멤스 미러의 각도 변위를 위한 하부 동작 공간인 보이드(70)를 형성한다(S400). 도 6을 참조하면, S400 단계에서는 실리콘 기판(10)의 후면에 포토 리지스트(20)를 코팅하고(도 6j) 노광을 통해 보이드(70) 형성 영역에 포토 리지스트(20)가 제거되도록 패터닝 및 현상하며(도 6k), 실리콘 기판(10)의 후면을 식각하여(Back Etching) 보이드(70)를 형성하고, 제1 돌출부(51)의 하부 설정 영역 및 제3 돌출부(53)의 하부 설정 영역을 제외한 나머지 영역에 해당하는 산화막(SiO2)을 식각(예: BOE Etching)한 후 포토 리지스트(20)를 제거한다(도 6l)(상기의 하부 설정 영역은 각 돌출부의 최외측에서 내측 방향으로의 설정 거리(D)에 해당하는 영역으로 정의되며, 제2 돌출부(52)는 빔(도 9 참조)에 의해 지지된다).After step S300, a vibration space of the MEMS mirror, that is, a void 70, which is a lower operating space for angular displacement of the MEMS mirror, is formed (S400). Referring to FIG. 6, in step S400, the
4. 싱귤레이션 단계(S500) 및 패키징 단계(S700)4. Singulation step (S500) and packaging step (S700)
S400 단계 이후, 실리콘 기판(10)에 대한 다이싱을 통해 디바이스 유닛(DU)을 싱귤레이션하고(S500), 싱귤레이션된 디바이스 유닛(DU)에 대한 패키징 공정을 통해 멤스 라이다 센서의 제조를 완료한다(S700).After step S400, the device unit DU is singulated through dicing of the silicon substrate 10 (S500), and the manufacturing of the MEMS lidar sensor is completed through a packaging process for the singulated device unit DU. Do (S700).
한편, 위에서는 베이스 구조(BS)를 형성하는 S100 단계, 단결정 유전체 소재(60)의 본딩을 통해 디바이스 유닛(DU)을 형성하는 S300 단계, 및 보이드(70)를 형성하는 S400 단계 순으로 수행되는 구성으로 설명하였으나, 실시예에 따라서는 S100 단계, S400 단계 및 S300 단계 순으로 수행되는 구성으로 구현될 수도 있으며, 즉 도 7에 도시된 것과 같이 베이스 구조(BS) 및 보이드(70)를 우선적으로 형성한 후(S100, S400), 단결정 유전체 소재(60)를 본딩하는(S300) 공정 순으로 구현되는 실시예가 마련될 수도 있다.On the other hand, from above, the step S100 of forming the base structure BS, the step S300 of forming the device unit DU through bonding of the single
도 8은 S100 단계 내지 S400 단계를 통해 실리콘 기판 상에 복수의 디바이스 유닛(DU)이 형성된 실사를 보이고 있으며, 도 9는 S500 단계를 통해 실리콘 기판(10)에 대한 다이싱을 통해 복수의 디바이스 유닛(DU)을 싱귤레이션한 후 S700 단계를 통해 패키징하여 두 개의 단결정 유전체 액추에이터(ACT1, ACT2)와 하나의 멤스 미러(MR: MEMS Mirror)를 포함하도록 제조 완료된 멤스 라이다 센서의 실사를 보이고 있다.FIG. 8 shows a photo of a plurality of device units (DUs) formed on a silicon substrate through steps S100 to S400, and FIG. 9 shows a plurality of device units through dicing of the
이와 같이 본 실시예는 전처리 공정을 통해 단결정 유전체 디바이스의 베이스 구조를 실리콘 기판에 형성하고, 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 베이스 구조의 표면에 본딩한 후 싱귤레이션하는 방식을 채용함으로써, 단결정 유전체 소재에 대한 CMP 또는 식각과 같은 물리적 가공 공정이 제거되도록 하여 순수한 초기 단결정 유전체 소재의 성능을 그대로 유지할 수 있으며, 그에 따라 단결정 유전체 디바이스의 성능 및 수율을 최대화할 수 있다.In this way, in this embodiment, the base structure of the single crystal dielectric device is formed on the silicon substrate through a pretreatment process, and the single crystal dielectric material processed in advance according to the manufacturing specifications of the single crystal dielectric device is bonded to the surface of the base structure and then singulated. By adopting, physical processing processes such as CMP or etching for the single crystal dielectric material can be eliminated so that the performance of the pure initial single crystal dielectric material can be maintained, thereby maximizing the performance and yield of the single crystal dielectric device.
또한, 종래 단결정 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼 간의 접합 방식에서 벗어나, 미리 가공된 복수의 단결정 유전체 소재를, 실리콘 기판에 형성된 복수의 베이스 구조에 각각 순차적으로 배치시켜 본딩하는 방식을 채용함으로써, 실리콘 기판에서 낭비되는 영역을 최소화하여 제조 원가를 절감시킴과 동시에 단결정 유전체 디바이스의 대량 생산을 가능케 할 수 있다.In addition, by adopting a method of sequentially disposing and bonding a plurality of pre-processed single crystal dielectric materials to a plurality of base structures formed on a silicon substrate, away from the conventional bonding method between a single crystal wafer and a silicon wafer, waste in the silicon substrate It is possible to reduce the manufacturing cost by minimizing the area and at the same time enable mass production of single crystal dielectric devices.
나아가, 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 실리콘 기판에 '이식'하는 공정을 통해, 종래 단결정 유전체 디바이스의 공정에서 요구되었던, 스퍼터링 공정, 졸-겔 공정, 마스킹 물질 제거 공정과 같은 부속 공정이 제거되어 공정 복잡도가 저감될 수 있다.Furthermore, through the process of 'implanting' a pre-processed single crystal dielectric material to a silicon substrate, auxiliary processes such as sputtering process, sol-gel process, and masking material removal process, which were required in the conventional single crystal dielectric device process, are eliminated, Complexity can be reduced.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it should be noted that this is only exemplary and various modifications and equivalent other embodiments are possible from those skilled in the art to which the technology pertains. will understand Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the claims below.
10: 실리콘 기판
20: 포토 리지스트
30: 전극층
40: 트렌치
41, 42: 제1 및 제2 트렌치
50: 돌출부
51, 52, 53: 제1 내지 제3 돌출부
BS: 베이스 구조
60: 단결정 유전체 소재
DU: 디바이스 유닛
70: 보이드10: silicon substrate
20: photoresist
30: electrode layer
40: trench
41, 42: first and second trenches
50: protrusion
51, 52, 53: first to third protrusions
BS: base structure
60: single crystal dielectric material
DU: device unit
70: void
Claims (8)
상기 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 따라 미리 가공된 단결정 유전체 소재를 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 본딩하여, 상기 베이스 구조 및 상기 단결정 유전체 소재가 적층된 구조로 정의되는 디바이스 유닛을 형성하는 단계로서, 상기 단결정 유전체 소재는 분극 방향에 따른 가변 특성을 갖는 것인, 단계; 및
상기 실리콘 기판에 대한 다이싱(Dicing)을 통해 상기 디바이스 유닛을 싱귤레이션(Singulation)하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
forming a base structure of a single crystal dielectric device to be manufactured on the silicon substrate through a pretreatment process for the silicon substrate;
Bonding a single crystal dielectric material processed in advance according to the manufacturing specifications of the single crystal dielectric device to at least a partial surface of the base structure to form a device unit defined by a structure in which the base structure and the single crystal dielectric material are laminated. , wherein the single-crystal dielectric material has variable characteristics according to the polarization direction; and
singulating the device unit by dicing the silicon substrate;
A method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process, characterized in that it comprises a.
상기 베이스 구조는, 상기 실리콘 기판에 대한 식각 공정을 통해 상기 실리콘 기판 상에서 돌출되는 구조로 형성되는 적어도 하나의 돌출부와, 상기 돌출부의 표면에 증착되는 전극층을 포함하되, 상기 돌출부의 수는 상기 단결정 유전체 디바이스의 제조 스펙에 의존하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
According to claim 1,
The base structure includes at least one protruding portion formed in a structure protruding from the silicon substrate through an etching process for the silicon substrate, and an electrode layer deposited on a surface of the protruding portion, wherein the number of the protruding portions is the number of the single crystal dielectric. A method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process, characterized in that it is determined depending on the manufacturing specifications of the device.
상기 디바이스 유닛을 형성하는 단계에서, 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 접착제를 도포하고, 접착제가 도포된 영역에 상기 단결정 유전체 소재를 배치한 후, 설정 압력 및 설정 온도 하에서 접착제를 경화시켜 상기 단결정 유전체 소재를 상기 베이스 구조의 적어도 부분적인 표면에 본딩하는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
According to claim 1,
In the forming of the device unit, an adhesive is applied to at least a partial surface of the base structure, the single crystal dielectric material is placed on the area where the adhesive is applied, and the adhesive is cured under a set pressure and a set temperature to cure the single crystal. A method of fabricating a single crystal dielectric device using a semiconductor process, characterized by bonding a dielectric material to at least a partial surface of the base structure.
상기 베이스 구조를 형성하는 단계에서, 상기 베이스 구조를 상기 실리콘 기판에 복수 개 형성하고,
상기 디바이스 유닛을 형성하는 단계에서, 복수의 상기 단결정 유전체 소재를 상기 복수의 베이스 구조 각각에 순차적으로 본딩시켜 상기 디바이스 유닛을 복수 개 형성하며,
상기 싱귤레이션 하는 단계에서, 상기 실리콘 기판에 대한 다이싱을 통해 상기 복수의 디바이스 유닛을 각각 싱귤레이션하는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
According to claim 1,
In the forming of the base structure, a plurality of base structures are formed on the silicon substrate;
In the forming of the device unit, a plurality of the device units are formed by sequentially bonding a plurality of the single crystal dielectric materials to each of the plurality of base structures,
In the singulating step, the method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process, characterized in that each of the plurality of device units is singulated through dicing of the silicon substrate.
상기 제조 방법이 수행되는 과정에서, 상기 베이스 구조에 본딩된 상기 단결정 유전체 소재에 대한 가공 공정은 이루어지지 않는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
According to claim 1,
A method for manufacturing a single-crystal dielectric device using a semiconductor process, characterized in that, in the process of performing the manufacturing method, a processing process for the single-crystal dielectric material bonded to the base structure is not performed.
상기 단결정 유전체 소재는, PMN-PT, PIN-PMN-PT 및 Mn:PIN-PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a single crystal dielectric device using a semiconductor process, characterized in that the single crystal dielectric material is composed of any one of PMN-PT, PIN-PMN-PT and Mn: PIN-PMN-PT.
상기 단결정 유전체 소재의 분극 방향이 <001> 축 또는 <011> 축으로 설정되어 상기 단결정 유전체 소재가 압전 특성 또는 광전 특성을 갖도록 구성됨에 따라 상기 단결정 유전체 디바이스는 압전 디바이스 또는 광전 디바이스로 구현되는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.
According to claim 6,
The polarization direction of the single-crystal dielectric material is set to the <001> axis or the <011> axis so that the single-crystal dielectric material has piezoelectric properties or photoelectric properties, so that the single-crystal dielectric device is implemented as a piezoelectric device or a photoelectric device. A method for manufacturing a single-crystal dielectric device using a semiconductor process.
상기 단결정 유전체 소재의 분극 방향이 <111> 축으로 설정되어 상기 단결정 유전체 소재가 초전 특성을 갖도록 구성됨에 따라 상기 단결정 유전체 디바이스는 초전 디바이스로 구현되는 것을 특징으로 하는, 반도체 공정을 이용하여 단결정 유전체 디바이스를 제조하는 방법.According to claim 6,
As the polarization direction of the single-crystal dielectric material is set to the <111> axis and the single-crystal dielectric material is configured to have pyroelectric characteristics, the single-crystal dielectric device is implemented as a pyroelectric device, using a semiconductor process How to manufacture.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |