KR20040101048A - 커패시턴스형 동적량 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

검출 감도의 편차를 저감할 수 있고, 전극의 박리 없고 단선 없이, 신뢰성이 우수한 커패시턴스형 동적량 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 커패시턴스형 동적량 센서에 있어서, 진동체가 형성되는 반도체 기판의 전후측을 고정밀로 가공하여, 전극을 적층 형성하는 평탄한 상부 유리 기판 및 하부 유리 기판 사이에 미소 간극을 형성하는 것에 의해, 검출 감도의 편차 및 전극의 박리를 억제하고 그 단선을 절감할 수 있다.

Description

커패시턴스형 동적량 센서 및 그 제조 방법{CAPACITANCE-TYPE DYNAMIC-QUANTITY SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은, 가속도 또는 각속도와 같은 동적 물리량을, 반도체 프로세스를 이용하여 제조하는 구조체가 변위하는 것에 의해 동적량 변화를 검출하는 커패시턴스형 동적량 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 외부에서 가해지는 가속도나 각속도에 의해 변위하는 추와, 그 추를 지지하는 빔을 반도체 기판 내에 형성하고, 추의 가동 전극에 대해 미소 간극을 이격 형성된 고정 전극과의 정전용량변화를 검출하는 정전 커패시턴스형 동적량 센서가 알려져 있다(예컨대, 일본국 특개평08-094666A 참조). 도 5에 그 개략도를 도시한다. 이 센서에서는, 추(51)와 빔(52)을 미세 가공을 통해 반도체 기판(53) 내에 제작한다. 추(51)와 빔(52)을 밀봉하기 위해, 양 측면에서 유리 기판(상부 기판(54), 하부 기판(55))을 접합 밀봉하고 있다. 여기서 사용되는 접합은, 통상적으로, 기밀이나 진공 밀봉의 견지에서 신뢰성이 높은 양극 접합(anodic bonding)이나 공융 접합(eutectic bonding)을 이용하고 있지만, 약 300 내지 400℃ 정도에서 접합시키기 때문에, 실온으로 복귀할 때에 열변형을 방지하도록, 금속을 함유시켜 반도체 기판과 열팽창계수를 맞춘 유리를 사용한다. 미소 간극(56, 57)은, 이런 금속을 많이 포함한 유리를 에칭하는 것에 의해 형성하고 있고, 고정 전극(58)은 에칭한 미소 간극(56, 57) 내에 금속막을 형성하여 얻어지고 있다.
그러나, 상기 일본국 특개평08-094666A에 개시된 방법에 의하면, 유리 기판에는 반도체 기판과 유리 기판의 열팽창계수를 동등하도록 기능하는 많은 금속 이온이 포함되기 때문에, 미소 간극을 형성하는 에칭에 의해 그 내벽에 상당한 표면 거칠기가 나타난다. 이 결과, 미소 간극의 에칭 깊이를 제어하는 것이 어렵고, 전극 사이의 거리의 편차에 의한 검출 감도의 편차가 발생한다. 또, 거친 표면에 적층되는 고정 전극은 박리 또는 단선이 쉽게 발생되어, 센서의 신뢰성이 저하한다.
이를 감안하여, 본 발명에 따르면, 상면과 하면에 오목부가 형성된 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 각각의 오목부의 일부를 에칭하는 것에 의해 형성되고, 외부에서 인가되는 가속도와 각속도에 의해 변위하는 추와, 상기 실리콘 기판의 상면의 일부에 접합되고, 상기 추의 대향 위치에 제1 간극으로 상기 추에서 이격된 제1 고정 전극이 적층되는 상부 유리 기판과, 상기 실리콘 기판의 하면의 일부에 접합되고, 상기 추의 대향하는 위치에 제2 간극으로 상기 추에서 이격된 제2 고정 전극이 적층되는 하부 유리 기판을 포함하는 커패시턴스형 동적량 센서를 제공한다.
또한, 상기 실리콘 기판은, (100) 면 방위(plane orientation)의 실리콘 기판을 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 실리콘 기판의 상면에 제1 오목부를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 하면에 제2 오목부를 형성하는 단계, 상기 제1 오목부의 내측을 가공하여 빔을 형성하는 단계, 상기 제2 오목부의 내측을 가공하여 상기 빔에 지지되는 추를 형성하는 단계, 상기 추의 전위를 확보하는 기판 전극을 적층 형성하는 단계, 평탄한 상하 유리 기판에 관통공을 형성하는 단계, 상기 상부 유리판의 하면에 제1 고정 전극을 적층하는 단계, 상기 하부 유리판의 하면에 제2 고정 전극을 적층하는 단계, 상기 추의 대향 위치에 상기 제1 고정 전극이 배치되도록, 상기 상부 유리 기판을 상기 실리콘 기판의 상면에 접합하는 단계, 및 상기 추의 대향 위치에 상기 제2 고정된 전극이 배치되도록, 상기 하부 유리 기판을 상기 실리콘 기판의 하면에 접합하는 단계를 포함하는 커패시턴스형 동적량 센서를 제공한다.
또한, 상기 실리콘 기판은 (100) 면 방위(plane orientation)의 실리콘 기판을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 커패시턴스형 동적량 센서에 관해서 설명한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 커패시턴스형 동적량 센서에 관해서 설명한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 커패시턴스형 동적량 센서에 있어서 반도체 기판의 제조 공정을 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 커패시턴스형 동적량 센서에 있어서 상부 유리 기판과 하부 유리 기판의 제조 공정을 설명한 도면이다.
도 5는 종래의 커패시턴스형 동적량 센서를 설명한 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 상부 유리 기판 2 : 실리콘 기판
3 : 하부 유리 기판 4 : 빔
5 : 추 6, 7 : 미소 간극
8 : 관통공 9 : 도전성 재료
10 : 여기용 고정 전극 11 : 검출용 고정 전극
12 : 기판 전극 31 : 실리콘 기판
32 : 에칭용 마스크 33, 34 : 오목부
35 : 기판 전극 36 : 진동체
41 : 유리 기판 42 : 고불순물 농도 실리콘 기판
43 : 관통공 44 : 외측 배선
45 : 내측 배선 51 : 추
52 : 빔 53 : 반도체 기판
54 : 상측 기판 55 : 하측 기판
56, 57 : 미소 간극 58 : 고정 전극
이하, 본 발명의 동적량 센서를 대표하여 각속도 센서를 실시예로서, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
우선, 도 1에는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 각속도 센서의 단면도를 도시한다. 본 발명의 동적량 센서는 상부 유리 기판(1), 실리콘 기판(2), 하부 유리 기판(3)의 3층 구조로 구성된다. 이들 3 기판을 접합하여 구조체를 제작한다. 실리콘 기판(2) 내에는, 에칭에 의해 빔(4)과 추(5)를 갖는 진동체가 형성된다. 외부에서 인가되는 힘에 의해, 진동체를 진동하거나, 비틀도록 한다. 빔(4)의 두께, 길이, 폭, 및 추(5)의 두께, 면적 등의 형상은, 임의의 공진주파수 및 스프링상수가 얻어지도록 설계된다. 또, 진동체와 유리와의 미소 간극(6, 7)은, 실리콘 기판(2)의 표면과 후면을 에칭하는 것에 의해 형성하고 있다. 진동체를 형성한 실리콘 기판(2)을 상하에서 일체로 끼워지는 상부 유리 기판(1)과 하부 유리 기판(3)의 일부에는 관통공(8)이 형성되고, 이들 관통공(8)을 통과하여, 유리 내측에 형성한 전극을 외측으로 인출하는 구조를 하고 있다. 각 관통공(8)의 상부에는 도전성 재료(9)가 적층되어 있고, 유리 기판 사이의 밀봉을 유지한다. 각 유리 기판의 내측에 형성된 고정 전극은, 각 관통공(8)의 측벽에 형성한 배선을 통과해, 이 도전성 재료(9)에서 외부로 취출하고 있다. 본 발명의 각속도센서는, 실리콘 기판(2)의 전위를 제어할 필요가 있지만, 유리 기판 내면에 형성하는 전극의 일부를 실리콘 기판(2)에 형성한 기판 전극(12)과 접촉시키는 것에 의해, 실리콘 기판(2)의 전위를 확보한다. 여기서, 본 발명의 각속도 센서의 동작 원리를 이하 간단히 설명한다. 상부 유리 기판(1)과 하부 유리 기판(3)의 내측면에 여기용 고정 전극(10)에 교류전압을 인가시킨다. 이처럼, 고정 전극과 접지에 유지한 진동체(가동전극)사이에 작용하는 정전력에 의해 추를 상하 진동시킨다. 이와 같이 z축방향으로 속도가 부여된 진동체에, y축 주위의 각속도가 가해지면, x축방향으로 이들 속도의 적(product)의 코리올리가속력이 부여되고, 도 2에 도시한 바와 같이, 빔이 변형한다. 상부 유리 기판(1)과 하부 유리 기판(3)의 내면측에는, 검출용 고정 전극(11)을 설치하고, 빔의 변형에 의한 추의 경사가 발생한다. 이 경사에 의해, 검출용 고정 전극(11)과 가동 전극 사이의 용량에 변화가 생겨, 이 용량 변화에 기초로 목표 각속도의 크기를 검출한다.
전술한 바와 같이, 커패시턴스형 각속도 센서에서는, 고정 전극과 가동 전극과의 거리가 직접 커패시턴스형의 크기에 관계하기 때문에, 그 거리에 편차가 생기면, 여기용 고정 전극(10)과 가동 전극 사이에 작용하는 정전력이 변화하여 수직 진동의 속도 뿐만 아니라, 검출용 고정 전극(11)과 가동 전극 사이의 커패시턴스도 변화하여, 검출 감도에 큰 영향을 미친다. 이와 같은 감도 편차는, 예로서 각속도센서에 한정하지 않고, 가속도 센서나 압력 센서 등의 커패시턴스 변화 검출형의 동적량 센서 전반에 해당한다. 편차를 저하시키기 위해서는, 미소 간극의 고정밀도 가공이 요구된다.
본 발명의 실시 형태 1에 따른 각속도 센서는, 유리에 비해 가공성이 우수한 실리콘 기판(2)을 에칭하는 것에 의해, 미소 간극(6, 7)을 형성한다. 예컨대, 실리콘의 면 방위에 대해, 이방성의 에칭율을 나타내는 에칭 조건(etchant)을 사용한 경우, 특정의 면 방위에 대해 소정의 에칭율로 에칭하여, 표면 거칠기가 작은 가공면이 얻어지기 때문에, 고정밀도 가공을 실현한다. 특히, (100) 면을 선택한 경우, 거울면 가공면이 얻어지는 것이 알려져 있고(참고문헌: 센서 및 액츄에이터(Sensor and Actuator) (73)(1999) 페이지 122-130)), (100) 면 방위의 실리콘 웨이퍼를 사용한 경우, 4개의 (111) 면으로 에워싸인 홈이 형성되고, 임의의 깊이로 에칭하는 것을 멈추는 것에 의해, 고정밀도로 간극을 형성할 수 있고, 미소 간극의 편차 저감에 관계한다. 또, 유리 기판의 내면에 형성하는 전극은 거울면 연마한 표면 상에 형성하기 때문에, 박리나 단전을 발생하기 어렵고, 신뢰성이 향상된 동적량 센서를 제작할 수 있다. 또, 실리콘(Si)의 에칭에 있어서, 드라이 가공법이나 에칭량의 제어가 용이하고 표면 거칠기가 작은 등방성의 에칭 조건을 사용하여 미소 간극을 형성하여도 물론 가능하다.
도 3에, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 각속도 센서의 제작 공정도를 도시한다. 우선, 도 3a와 같이, 포토리토그래피(photolithography)에 의한 실리콘 기판(31)의 양 면에 에칭용 마스크(32)를 형성한다. 마스크재로서, 산화규소나 질화규소를 이용하지만, 실리콘의 에칭 조건에 대해 내성을 갖는 막이면 다른 재료라도 문제 없다. 산화막의 경우, 플루오르화산(hydrofluoric acid)의 사용에 의해 용이하게 마스크재를 에칭할 수 있고, 마스크 패턴을 제작할 수 있다. 또, 기판에는, 산화막을 매설한 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용하여도 좋다. 이 경우, 중간 산화막이 빔 가공이나 추 가공에 있어서 에칭 정지 층으로서 기능하기 때문에, 그 두께에 대해 고정밀도 가공을 실현한다.
다음에 도 3b와 같이, 실리콘 기판(31)을 양면에서 에칭하고, 미소 간극용의 오목부(33, 34)를 형성한다. 여기서 사용하는 에칭 조건은, 고정밀도 미소 간극을얻을 수 있도록, 예컨대, 테트라메틸 암모니윰 수산화물 수용액이나 수산화 칼슘 수산화물 수용액 등의 이방성의 에칭 조건을 사용한다. 에칭이 종료하면, 에칭 마스크를 플루오르화산 등에 의해 기판으로부터 박리한다.
다음에, 도 3c와 같이, 반응성 이온 에칭이나 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭 등의 드라이 에칭에 의해, 표면측에서 가공을 실시하고, 빔 형상을 제작한다. 에칭 마스크재로는, 산화규소나 질화규소용이어도 좋고, 레지스트이어도 관계 없다. ICP나 전자 사이크로트론 공명 플라즈마를 이용하여 고정밀도 플라즈마 에칭 프로세스를 사용하는 것에 의해, 보다 수직한 가공이 가능하게 되는 동시에, 에칭율을 향상하기 때문에, 빔의 진동 특성의 향상과 함께, 제작 비용을 저감한다.
다음에, 도 3d와 같이, 추의 전위를 확보하기 위해, 기판 전극(35)을 오목부(33)의 엣지에 형성한다. 전극의 재료는, 단일 금속이어도, 다중 금속(vari-metal)이어도 관계 없다.
다음에, 도 3e와 같이 고정밀도 플라즈마 에칭 프로세스에 의해 후면측에서 실리콘 기판(31)을 에칭하고, 추 형상을 형성한다. 이 때, 기판의 일부는 에칭에 의해 관통되고, 진동체(36)가 형성된다.
또, SOI 기판을 사용한 경우에는, 중간산화막이 남지만, 이후 중간산화막을 에칭하는 것에 의해, 진동체는 형성된다.
다음에, 도 4에, 상부 유리 기판과 하부 유리 기판의 제작 공정을 설명한다. 상부 유리 기판과 하부 유리 기판은 구조가 동일하기 때문에, 동일 도면에서 설명을 진행한다.
우선, 도 4a와 같이, 관통공(43)을 형성한 유리 기판(41)과 고불순물 농도 실리콘 기판(42)을 준비한다. 유리 기판은, 실리콘과 열팽창계수가 동일한 유리를 선택하고, 블라스트 가공 등에 의해 관통공(43)을 형성한다.
다음에, 도 4b와 같이, 유리 기판(41)(관통공의 작은 직경 표면측)과 고불술물 농도 실리콘 기판(42)을 접합한 후, 연마에 의해 고불순물 농도 실리콘 기판(42)을 얇게 가공한다.
다음에, 도 4c와 같이, 고불순물 농도 실리콘 기판(42)을 에칭하고, 상부 유리 기판과 하부 유리 기판 각각의 외측 배선(44)을 형성한다. 이 에칭은, 건식에도 습식에도 관계 없다.
다음에, 도 4d와 같이, 관통공 구멍 직경이 큰 표면측에서 금속막을 적층시키고, 패턴 형성하는 것에 의해, 내측 배선(45)을 형성한다. 이후, 열처리를 행하고, 외측 배선(44)과의 전위 접촉을 확보한다.
최후에, 도면에 도시하지 않지만, 도 3a 및 도 4d와 같은 공정에 의해 제작하는 상측 유리 기판과 실리콘 기판과 하측 유리 기판을 접합하여, 진동체의 밀봉을 행하고, 그 결과 도 1과 같이 센서 구조를 제작한다. 이 때의 접합은, 유리측에 음극 전위를 부여하고, 유리와 실리콘 사이의 정전 인력을 이용하는 양극 접합이나, 접합면에 금속을 적층시켜 접합시키는 공융 접합 등을 사용한다.
이와 같은 공정에 의해 제작하는 각속도 센서에 있어서, 실리콘 기판의 표면을 가공하여 미소 간극을 이루는 갭을 형성하는 공정에 있어서, 양면에서 한번에 가공하는 것에 의해, 가공 공정수를 저감할 수 있기 때문에 비용 절감의 효과가 얻어진다.
미소 간극 형성에 있어서, 유리 기판을 에칭하지 않고, 실리콘 기판을 에칭하는 것에 의해 표면 거칠기가 작은 고정밀도 가공을 실현하기 때문에, 결과적으로, 감도 편차가 작고, 박리나 단선의 우려가 적은 신뢰성이 높은 동적량 센서를 제작할 수 있다. 또, 그 미소 공간을 형성하는 에칭 공정에 있어서, 양면에서 한 번에 가공을 실행하는 것에 의해 공정수가 저감되고, 비용 절감이 도모된다.

Claims (6)

  1. 상면과 하면에 오목부가 형성된 실리콘 기판과,
    상기 실리콘 기판의 각각의 오목부의 일부를 에칭에 의해 형성하고, 외부에서 인가되는 가속도와 각속도에 의해 변위하는 추와,
    상기 실리콘 기판의 상면의 일부에 접합되고, 상기 추의 대향 위치에 제1 간극으로 상기 추에서 이격된 제1 고정 전극이 적층되는 상부 유리 기판과,
    상기 실리콘 기판의 하면의 일부에 접합되고, 상기 추의 대향하는 위치에 제2 간극으로 상기 추에서 이격된 제2 고정 전극이 적층되는 하부 유리 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시턴스형 동적량 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판은, (100) 면 방위(plane orientation)의 실리콘 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시턴스형 동적량 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상하부 유리 기판에, 상기 제1 및 제2 고정 전극을 외부로 배선하기 위한 다수 개의 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 커패시턴스형 동적량 센서.
  4. 실리콘 기판의 상면에 제1 오목부를 형성하는 단계,
    상기 실리콘 기판의 하면에 제2 오목부를 형성하는 단계,
    상기 제1 오목부의 내측을 가공하여 빔을 형성하는 단계,
    상기 제2 오목부의 내측을 가공하여 상기 빔에 지지되는 추를 형성하는 단계,
    상기 추의 전위를 확보하는 기판 전극을 적층 형성하는 단계,
    평탄한 상하 유리 기판에 관통공을 형성하는 단계,
    상기 상부 유리판의 하면에 제1 고정 전극을 적층하는 단계,
    상기 하부 유리판의 하면에 제2 고정 전극을 적층하는 단계,
    상기 추의 대향 위치에 상기 제1 고정 전극이 배치되도록, 상기 상부 유리 기판을 상기 실리콘 기판의 상면에 접합하는 단계, 및
    상기 추의 대향 위치에 상기 제2 고정된 전극이 배치되도록, 상기 하부 유리 기판을 상기 실리콘 기판의 하면에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시턴스형 동적량 센서의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리콘 기판에 대해 (100) 면 방위를 갖는 실리콘 기판을 선택하며,
    상기 제1 오목부를 형성하는 단계 및 제2 오목부를 형성하는 단계는, 이방성 에칭에 의해 상기 제1 오목부를 형성하는 형성 단계 및 제2 오목부를 형성하는 형성 단계를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시턴스형 동적량 센서의 제조 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 오목부를 형성하는 단계 및 상기 제2 오목부를 형성하는 단계는 실리콘 기판의 양측에서 동시에 에칭하는 에칭 단계를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시턴스형 동적량 센서의 제조 방법.
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