KR940010492B1 - 실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조 및 그 제조방법

제 1 도는 실리콘 용융접합에 의해 제작된 종래의 실리콘막(membrane)구조에 대한 종단면도.

제 2 도는 본 발명의 센서용 실리콘 구조 제조과정을 보인 공정도.

제 3 도는 본 발명의 2단계 전기화학적 식각정지에 의해서 센서용 실리콘 구조를 제조하는 과정을 보인 공정도.

제 4 도는 제 3 도의 2단계 전기화학적 식각정지에 사용되는 식각장치의 구조를 보인 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 상부기판 2 : 하부기판

3 : 공동 4 : 실리콘막

9 : 식각용액 10 : 식각장치

본 발명은 실리콘 용융접합(silicon fusion bonding)을 이용하여 실리콘기판쌍의 접합을 한 다음 공동형 성측 기판을 박판화하여 실리콘센서용 막(membrane)구조나 들보(cantilever)구조를 제작하는 실리콘 용융접합을 이용한 실리콘 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 실리콘 센서용 막구조나 들보구조의 제작형태로는 실리콘기판의 앞면에 회로를 구성한 다음 뒷면 또는 앞-뒷면으로부터의 깊은 식각(deep etching)을 행하여 공동을 형성하는 방법이 사용되어 왔다.

그리고, 최근에는 실리콘기판의 용융접합을 이용하여 막구조나 들보구조를 제작하는 새로운 방법이 개발되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이 같은 실리콘 융용접합에 의해 제작된 막구조의 일반적인 단면형태는 제 1 도에 도시한 바와 같이 앞면에 보호용 얕은 공동(protective sallow cavtiy)(3)이 형성된 하부기판(2)상에는 실리콘 용융접합에 의해 접합된 상태에서 박판화(tinning)공정을 거친 상부기판(1)이 상기공동(3) 상부에 실리콘막(4)이 구비된 상태로 위치하며, 실리콘막(4)의 표면상에는 감압저항(piezoresistor)들의 브리지회로가 형성되어 실리콘 압력센서를 구성하고 있다.

이와같은 구조의 실리콘 용융접합에 의한 종래의 실리콘막 구조는 상, 하부기판(1) (2)의 접합이전에 미리 하부기판(2)의 공동(3)을 형성하고, 용융접합을 통한 상,하부기판(1) (2)의 접합후에 상부기판(1)의 박판화공정을 수행하여 박막형태의 실리콘막(4)을 형성하여 그 위에 감압회로를 구성하는 공정을 통해 제작됨에 따라 소모되는 기판의 면적을 줄일 수 있고, 보호용 얕은 공동(3)에 의해 센서응용시 과잉압력인가에 의한 실리콘막(4)의 파괴를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 센서제작의 일괄화가 보다 용이하다는 장점을 지니고 있다.

그러나, 이와 같은 장점에도 불구하고 상기 종래의 실리콘막 구조는 용융접합 과정에서 실리콘기판쌍이 결정면을 따라 정확하게 정열되지 못한 경우, 또는 기판의 표면에 불완전한 결정특성이 존재하는 경우에는 접합계면(1) 부근에서 크랙(crack)이나 전위(dislocation)등의 결정결함이 발생하여 이들 결정결함이 실리콘막(2)위에 형성되어 있는 감압저항으로 전파되어 소자의 기계적 혹은 전기적인 동작특성의 저하를 초래하게 되는 문제점이 지적되고 있다.

특히, 이와 같은 문제점은 실리콘막(4) 구조가 보다 얇아지거나, 미세화하게 될 경우에 더욱 심각하게 작용하게 될 것인 바, 일예로 압저항형 압력센서에 있어서 상,하부기판(1) (2)간의 접합솔기(binding seam)(b)바로 윗쪽에 감압저항이 형성되는 경우에 불완전한 접합계면으로부터 발생된 결정결함들이 전하운반자들의 운동을 방해하여 감압저항의 특성을 악화시키게 될 위험성이 한층 증가하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 용융접합법에 의한 센서용 실리콘막 구조가 지니고 있는 제반 문제점을 해결하기 위하여 실리콘 용융접합법을 이용하여 기판을 접합시킴에 있어서 능동기판인 상부 기판의 접합면측에 미리 공동을 형성한 상태에서 두 기판간의 접합을 행하고, 이어서 상부 기판을 박판화하여 실리콘막 구조를 형성함으로써 접합솔기를 비롯한 접합계면과 실리콘막의 소자형성부의 간격을 이격시켜 접합계면에서 발생되는 결정결함에 의한 소자의 동작특성저하를 배제하도록 구성된 실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적을 두고 있다.

상,하부기판을 용융접합시켜 센서용 실리콘 구조를 제작함에 있어서 종래의 방식에서는 하부기판의 접합면상에 미리 ""형 공동을 형성한 다음 상하부기판의 접합을 행하고, 이어서 상부기판을 박막화하여 실리콘막을 형성하고, 그 실리콘막상에 소자를 형성함으로써 접합솔기를 포함한 접합계면과, 실리콘막의 소자 형성부간의 간격이 근접되어 소자의 특성악화를 초래하고 있다는 사실을 감안하여 본 발명에서는 상부기판의 접합상에 ""형 공동을 형성하여 상,하부기판의 접합을 하고, 상부기판을 박판화하여 실리콘막 구조를 형성함으로써 접합솔기를 포함한 접합계면과 막의 소자형성부간의 간격을 공통의 깊이만큼 이격시켜 실리콘막의 가장자리 부위가 접합계면으로부터 격리된 구조가 형성되므로, 이들 소자가 접합계면의 결정결함 발생에 의한 악영향으로부터 벗어나도록 한 센서용 실리콘 구조에 특징에 있다.

이와 같은 본 발명의 센서용 실리콘 구조와 그 제작방법을 제 2 도의 공정도를 통하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제 2 도의 (a)에 나타나 있는 바와 같은 상부기판(1)의 접합면측(저면)상에 식각마스크(5)를 사진식각에 의해 패터닝한 다음 비등방성식각용액을 이용하여 ""형의 얕은 공동(3)을 형성한다.

다음, 상기 식각마스크(5)를 제거한 다음 상부기판(1)을 접합대상 하부기판(2)과 용융접합하여 제 2 도의 (b)와 같은 상태로, 상,하부기판(1) (2)을 접합시키고 나서 상부기판(1)에 대해 화학적, 전기화학적 또는 기계적 식각방법으로 박판화하여 제 2 도의 (c)에 도시된 바와 같이 상부기판(1)의 공동(3)상부에 일정두께의 실리콘막(4)을 형성하게 된다.

이와 같은 단계별 공정을 통하여 일단 본 발명의 센서용 실리콘 구조가 얻어지게 된다. 이후 제 2 도의 (d)와 같이 제 2 도의 (c)에 나타나 있는 실리콘막(4)위에 감압저항 등의 소자(6)를 형성함으로써 압저항형 압력센서 등이 제작되며, 제 2 도의 (e)와 같이 상부기판(1)의 실리콘막(4) 일부를 습식 또는 건식식각에 의해 제거하여 내부의 공동(3)을 외부와 연결시켜주게 되면 실리콘들보(7) 구조가 얻어지게 되는 데, 이같은 실리콘들보(7)상에 감압저항을 형성함으로써 실리콘 가속센서등이 제작되어진다.

이와같은 본 발명의 센서용 실리콘 구조 제조방법에 있어서 전기화학적 식각정지에 의한 박판화를 이용하여 실리콘막 구조를 제작하는 경우에 대해서 제 3 도 및 제 4도에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제 3 도는 전기화학적 식각정지에 의해 실리콘 구조를 제작하는 제조공정도이고, 제 4 도는 상부기판의 박판화를 위한 식각정지를 나타내 보인 것이다.

제 3 도의 (a)는 상부기판(1)으로서 p형 실리콘층(1a)에 그 하부로 n형 에피택셜층(1b)과 p형 에피택셜층(1c)이 순차적으로 성장되어 이루어지며, 이같은 상부기판(1)에서 n형 에피택셜층(1b)과 p형 에피택셜층(1c)의 두께는 각기 이후의 공정을 통해 형성될 얕은 공동의 깊이와 실리콘막의 두께와 일치하도록 구성된다.

이같은 상부기판(1)은 배면 일측에 전극(8)을 연결하여 제 4 도의 비등방성 식각용액(9)이 담겨 있는 식각장치(10)중에 투입되어 공동의 형성을 위한 식각이 행해지게 되는데, 이때 비등방성 식각용액으로는 NH₂(CH₂)₂NH₂+C₆H₄(OH)₂+물 또는 KOH + 물 등의 용액이 사용된다.

식각용액(9)중의 상부기판(1) 반대편에 위치하는 백금전극(11)에 대하여 양(+)의 전압을 인가함에 따라 p형 에피택셜층(1c)의 식각이 발생하게 되는데, 이같은 p형 에피택셜층(1c)의 식각에 따라 n형 에피택셜층(1b)이 드러나게 되면, n형 에피택셜층(1b)의 표면에서 양극산화가 일어나 식각이 정지되어 상부기판(1)상에 얕은 공동(3)이 형성된다.

이같은 공동(3) 형성을 위한 식각이 완료된 상부기판(1)은 p형의 하부기판(2)과 용융접합이 행해지게 되는데, 이같은 접합공정은, 우선 하부기판에 대해 RCA 표준세척→OH^-이온 흡착층형성→ 수세→ 버블링→ 스핀(spin)를 행한 다음 하부기판(2)과의 웨이퍼접합을 하고 이어서 1100℃의 질소분위기 중에서 1시간 30분가량 열처리함으로써 접합이 완료되어 제 3 도의 (b)와 같은 상태로 된다.

다음에는 상부기판(1)의 박판화공정이 수행되는데, 그 과정은 제 3 도의 (c)에서와 같이 하부기판(2)의 일측에 전극(12)을 연결하여 상기 공동(3)의 형성을 위한 식각형태와 동일하게 식각장치(10)의 비등방성용액(9)중에서 상부기판(1)의 p형 실리콘층(1a)을 식각제거함으로써 달성되고, 이같은 박판화공정이 완료되게 되면 제 3 도의 (c)와 같은 본 발명의 센서용 실리콘막 구조가 얻어지게 된다.

상기한 바와 같이 비등방성 식각용액 중에서의 2단계 전기화학적 식각정지를 이용하여 공동형성 및 박판화를 수행하여 본 발명의 센서용 실리콘 구조를 제작하는 방법 이외에도 기계적인 연마에 의한 방법, 고농도 붕소확산층이나 실리콘-게르마늄 화합물과 같은 식각정지용 삽입층을 이용하는 방법 및 등방성 식각용액을 이용한 전기화학적 식각정지방법 등이 이용될 수 있다.

그리고, 본 발명의 센서용 실리콘 구조는 실리콘-실리콘간의접합 이외에도 유리, 세라믹 또는 금속을 이용할 경우에도 효과적으로 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조는 실리콘기판의 용융접합시 접합계면에서 발생한 결정결함들이 그 위쪽의 실리콘막상에 형성된 소자쪽으로 전파(propaga-tion)되는 것이 방지되기 때문에 소자들의 동작특성이 악화되는 현상이 배제되는 한편, 상하부기판의 접합에 의해 형성되는 공동의 깊이 및 실리콘막의 두께를 정밀하게 조절할 수 있음은 물론, 실리콘막의 파괴강도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 상,하부기판(1) (2)의 실리콘 용융접합에 이은 상부기판(1)의 박판화를 통해 구성되는 센서용 실리콘 구조에 있어서, 감압저항등의 소자가 구성되는 실리콘막이 형성되는 상부기판(1)의 접합면측에 ""형의 공동(3)을 형성한 것을 특징으로 하는 실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조.
2. 실리콘 용융접합으로 상,하부기판(1) (2)을 접합한 다음 상부기판(1)에 대해 박판화하여 실리콘막을 형성하는 센서용 실리콘 구조의 제조방법에 있어서, 상,하부기판(1) (2)의 접합이전에 미리 상부기판(1)의 접합면측에 ""형의 공동(3)을 형성한다음, 상부기판(1)과 하부기판(2)을 실리콘 용융접합하고, 이어서 상부기판(1)에 대한 박판화를 행하여 실리콘막(4)을 형성함을 특징으로 하는 실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 공동(3)의 형성과 실리콘막(4)의 박판화는 비등방성 식각용액(9)중의 식각장치(10)중에서 2단계 전기화학적 식각정지를 통해서 수행됨을 특징으로 하는 실리콘 용융접합을 이용한 센서용 실리콘 구조의 제조방법.