KR101311799B1 - 반도체 압력센서 제조방법 - Google Patents

반도체 압력센서 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 압력센서 제조방법에 관한 것으로, 반도체 제조기술과 MEMS(Microelectromechanical Technology) 기술을 이용해 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 사용될 수 있는 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있도록 한 것이다.

Description

반도체 압력센서 제조방법{Manufacturing method for a semiconductor pressure sensor}
본 발명은 압력센서에 관련한 것으로, 특히 반도체 압력센서 제조방법에 관한 것이다.
최근, 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 다양한 종류의 전자센서들이 연구 개발되고 있다. 이러한 추세에 따라 압력센서 분야에서도 저압용, 중압용 및 고압용 압력센서들에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
대표적으로, 저압용으로는 실리콘 압력센서가, 중압용으로는 세라믹 정전용량형 압력센서가, 고압용으로는 반도체 스트레인 게이지를 사용한 압력센서가 많이 사용되고 있다. 미국특허 제6,453,747호(2002. 09. 24)에서 다이어프램(Diaphragm)에 스트레인 게이지(Strain Gauge) 센서가 장착된 기구적인 구조를 제시하고 있다.
따라서, 본 발명자는 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 사용될 수 있는 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있는 기술에 대한 연구를 하게 되었다.
미국특허 제6,453,747호(2002. 09. 24)
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있는 반도체 압력센서 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 압력측정을 위한 반도체 스트레인 게이지와, 온도 변화에 민감한 반도체 스트레인 게이지의 측정 오차를 보상하기 위한 실리콘 PTC(Positive Temperature Coefficient) 온도센서를 일체화하여 제조할 수 있는 반도체 압력센서 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 반도체 압력센서 제조방법이 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer) 상부에 적어도 하나의 전극을 형성하는 전극 형성 단계와; SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer) 상부에 적어도 하나의 스트레인 게이지(Strain Gage)를 형성하는 센서 형성 단계와; SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer) 상부에 DFR(Dry Film Resist)을 패터닝(Patterning)하는 DFR 패터닝 단계와; DFR 패터닝 단계에 의해 패터닝된 DFR 상부에 유리를 접합하는 유리 접합 단계와; SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer) 하부의 기판을 제거하여 센서 집합체를 형성하는 기판 제거 단계와; 기판 제거 단계에 의해 형성된 센서 집합체를 센서 단위로 다이싱(Dicing)하여 다수의 압력센서를 형성시키는 다이싱 단계를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 반도체 압력센서 제조방법이 센서 형성 단계에서 적어도 하나의 온도센서(Temperature Sensor)를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 사용될 수 있는 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있는 유용한 효과를 가진다.
도 1 은 본 발명에 따른 반도체 압력센서 제조방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 2 는 SOI 웨이퍼 상부에 전극이 형성된 상태를 예시한 도면이다.
도 3 은 SOI 웨이퍼 상부에 스트레인 게이지가 형성된 상태를 예시한 도면이다.
도 4 는 스트레인 게이지의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5 는 SOI 웨이퍼 상부에 DFR이 패터닝된 상태를 예시한 도면이다.
도 6 은 DFR 상부에 유리가 접합된 상태를 예시한 도면이다.
도 7 은 SOI 웨이퍼 하부의 기판을 제거한 상태를 예시한 도면이다.
도 8 은 센서 집합체를 센서 단위로 다이싱한 상태를 예시한 도면이다.
도 9 는 다이어프램의 표면에 압력센서가 접착된 상태를 예시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 반도체 압력센서 제조방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 반도체 압력센서 제조방법은 전극 형성 단계(110)와, 센서 형성 단계(120)와, DFR 패터닝 단계(130)와, 유리 접합 단계(140)와, 기판 제거 단계(150)와, 다이싱 단계(160)를 포함하여 이루어진다.
전극 형성 단계(110)에서는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer) 상부에 적어도 하나의 전극을 형성한다. 예컨대, 전극 형성 단계(110)에서 SOI 웨이퍼 상부에 두께 1um 내지 2um의 알루미늄(Al) 또는 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr) 또는 금(Au) 재질 또는 이들 중 적어도 2개가 혼합된 재질의 금속을 스퍼터링(Sputtering)하여 전극을 형성하도록 구현될 수 있다.
도 2 는 SOI 웨이퍼 상부에 전극이 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 2 에 도시한 바와 같이, SOI 웨이퍼(200) 상부에 적어도 하나의 전극(300)이 형성되었음을 볼 수 있다.
예컨대, 도 2 에 도시한 바와 같이, SOI 웨이퍼(200)가 직경 6인치 내외의 n형 또는 p형 반도체 기판(210)과, 기판(210)상에 형성되는 두께 1um 내지 2um의 절연층(220)과, 불순물로 농도 1017/cm3 내외의 붕소(B)가 p형 도핑(Doping)된 두께 3um 내지 5um의 반도체 소자층(230)을 포함하여 정온도 계수(PTC) 특성을 가지도록 구현될 수 있다.
센서 형성 단계(120)에서는 SOI 웨이퍼 상부에 적어도 하나의 스트레인 게이지(Strain Gage)를 형성한다. 예컨대, 센서 형성 단계(120)에서 전극 형성 단계(110)에 의해 형성된 전극에 접촉하도록 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 스트레인 게이지 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 스트레인 게이지 패턴이 인쇄되지 않은 실리콘 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 실리콘 스트레인 게이지를 형성하도록 구현될 수 있다.
도 3 은 SOI 웨이퍼 상부에 스트레인 게이지가 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 3 에 도시한 바와 같이, SOI 웨이퍼(200) 상부에 적어도 하나의 스트레인 게이지(400)가 형성되었음을 볼 수 있다.
이 때, 도 4 에 도시한 바와 같이 스트레인 게이지(400)가 각각 휘스톤 브리지(Wheatstone Bridge)의 두변을 이루는 두개의 저항(410)(420)을 구비하되, 하나의 저항(410)은 인장응력 작용시 저항값이 증가하고, 다른 하나의 저항(420)은 압축응력 작용시 저항값이 감소하는 특성을 갖도록 구현된다. 따라서, 두개의 스트레인 게이지(400)로 구성되는 하나의 반 브리지(half-bridge)가 형성되고, 다시 두 개의 반 브리지가 결합되어 하나의 완전한 휘스톤 브리지(Wheatstone Bridge)가 완성된다. 도 4 는 스트레인 게이지의 일 예를 도시한 도면이다.
DFR 패터닝 단계(130)에서는 SOI 웨이퍼 상부에 DFR(Dry Film Resist)을 패터닝(Patterning)한다. 이 때, 도 5 에 도시한 바와 같이, DFR 패터닝 단계(130)에서 전극 형성 단계(110)에 의해 형성된 전극 및 센서 형성 단계(120)에 의해 형성된 스트레인 게이지(400)에 접촉하지 않도록, SOI 웨이퍼(200) 상부에 전극 형성 단계(110)에 의해 형성된 전극(300) 두께보다 더 두껍게 DFR(Dry Film Resist)(500)을 도포 후 패터닝(Patterning)하도록 구현될 수 있다. 도 5 는 SOI 웨이퍼 상부에 DFR이 패터닝된 상태를 예시한 도면이다.
유리 접합 단계(140)에서는 DFR 패터닝 단계(130)에 의해 패터닝된 DFR 상부에 유리를 접합한다. 예컨대, SOI 웨이퍼(200) 상부에 DFR을 도포한 상태에서 DFR 상부에 유리를 접합 후 경화하면 도 6 에 도시한 바와 같이, DFR(500) 상부에 유리(600)가 접합된 상태가 된다. 도 6 은 DFR 상부에 유리가 접합된 상태를 예시한 도면이다.
기판 제거 단계(150)에서는 SOI 웨이퍼 하부의 기판을 제거하여 센서 집합체를 형성한다. 도 7 은 SOI 웨이퍼 하부의 기판을 제거한 상태를 예시한 도면으로, 예컨대, 기판 제거 단계(150)에서 습식 에칭(Wet Etching) 또는 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 기법 등을 이용하여 SOI 웨이퍼(200) 하부의 기판을 제거하여 절연층(220)과, 반도체 소자층(230)만 남도록 구현할 수 있다.
다이싱 단계(160)에서는 기판 제거 단계(150)에 의해 형성된 센서 집합체를 센서 단위로 다이싱(Dicing)하여 다수의 압력센서를 형성시킨다. 이 때, SOI 웨이퍼 상부에 패터닝된 DFR 상부에 유리가 접합된 상태이므로, 강도가 좋은 유리가 센서 집합체를 지지하는 보강물 역할을 하므로, 센서 집합체를 센서 단위로 다이싱(Dicing)할 때 파손이 발생하지 않게 된다. 도 8 은 센서 집합체를 센서 단위로 다이싱한 상태를 예시한 도면이다.
이와 같이 구현함에 의해 반도체 제조기술과 MEMS(Microelectromechanical Technology) 기술을 이용해 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 사용될 수 있는 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 센서 형성 단계(120)에서 적어도 하나의 온도센서(Temperature Sensor)를 더 형성하도록 구현될 수 있다. 예컨대, 센서 형성 단계(120)에서 전극 형성 단계(110)에 의해 형성된 전극에 접촉하도록 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 온도센서 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 스트레인 게이지 패턴이 인쇄되지 않은 실리콘 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 실리콘 온도센서를 형성하도록 구현될 수 있다.
예컨대, 온도센서가 온도가 상승하면 저항값이 증가하는 정온도 계수(PTC) 특성을 가지는 저항을 구비하도록 구현될 수 있다. 이 때, 온도센서가 온도 의존성이 큰 실리콘 반도체 특성에 의해 야기되는 온도에 따른 스트레인 게이지의 압력 측정 오차를 보상하기 위한 온도를 측정한다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 센서 형성 단계(120)에서 스트레인 게이지와 온도센서가 기구적 강도를 유지하면서 서로간에 간섭을 주지않도록 특정 간격을 유지하도록 형성될 수 있다.
스트레인 게이지와 온도센서간의 간격이 너무 큰 경우에는 기구적 강도가 약해지고, 너무 가까운 경우에는 서로 간섭이 발생하므로, 스트레인 게이지와 온도센서간의 간격을 적정하게 유지하는 것이 좋다. 도 3 을 참조해 보면, 스트레인 게이지(400)와 특정 간격을 가지도록 온도센서(700)가 형성되었음을 볼 수 있다.
따라서, 이와 같이 구현함에 의해 압력측정을 위한 반도체 스트레인 게이지와, 온도 변화에 민감한 반도체 스트레인 게이지의 측정 오차를 보상하기 위한 온도측정을 위한 온도센서를 일체화하여 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 압력센서 제조방법이 압력센서 접착단계(170)와, 보강물 제거단계(180)와, 회로 연결 단계(190)를 더 포함하도록 구현될 수 있다.
압력센서 접착단계(170)에서는 다이싱 단계(160)에 의해 다이싱(Dicing)된 압력센서를 압력 측정을 위한 다이어프램(Diaphragm)에 적어도 하나 접착한다. 예컨대, 압력센서 접착단계(170)에서 압력센서가 부착되는 다이어프램(Diaphragm)의 표면에 저융점 유리(Glass Frit)를 균일하게 도포하고, 다이싱(Dicing)된 압력센서를 진공 처킹(Chucking)하여 저융점 유리가 도포된 다이어프램(Diaphragm)의 표면에 압력센서를 접착하도록 구현될 수 있다.
이 때, SOI 웨이퍼 상부에 패터닝된 DFR 상부에 유리가 접합된 상태이므로, 강도가 좋은 유리가 압력센서를 지지하는 보강물 역할을 하므로, 진공 처킹(Chucking) 및 다이어프램(Diaphragm)의 표면에 압력센서를 접착시 파손이 발생하지 않게 된다.
보강물 제거단계(180)에서는 압력센서 접착단계(170)에 의해 다이어프램(Diaphragm)에 접착된 압력센서의 SOI 웨이퍼 상부에 패터닝된 DFR 및 DFR 상부에 접합된 유리를 제거한다.
예컨대, 보강물 제거단계(180)에서 습식 에칭(Wet Etching) 또는 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 기법 등을 이용하여 SOI 웨이퍼 상부에 패터닝된 DFR 및 DFR 상부에 접합된 유리를 제거하도록 구현될 수 있다.
회로 연결 단계(190)에서는 보강물 제거단계(180)에 의해 DFR 및 유리가 제거된 압력센서의 전극을 압력 검출회로에 본딩(Bonding)한다. 도 9 는 다이어프램의 표면에 압력센서가 접착된 상태를 예시한 도면이다.
압력 검출회로(도면 도시 생략)는 다이어프램(800)에 접착된 압력센서(900)의 스트레인 게이지(400)를 통해 인장 압력 또는 응축 압력에 의해 발생하는 다이어프램(800)의 변형에 따른 저항값을 검출함에 의해 압력을 계산한다.
한편, 압력 검출회로(도면 도시 생략)는 다이어프램(800)에 접착된 압력센서(900)의 스트레인 게이지(400)와 특정 간격을 가지도록 형성된 온도센서(700)를 통해 다이어프램(800) 주위의 온도 변화를 감지해 온도 변화에 민감한 스트레인 게이지(400)의 온도 변화에 따른 오차 보상값을 결정하고, 이를 스트레인 게이지(400)에 의해 검출된 저항값에 따른 압력 계산값에 반영하여 보상한다.
따라서, 이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 사용될 수 있는 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 압력센서 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
200 : SOI 웨이퍼 210 : 기판
220 : 절연층 230 : 반도체 소자층
300 : 전극 400 : 스트레인 게이지
410, 420 : 저항 500 : DFR
600 : 유리 700 : 온도센서
800 : 다이어프램 900 : 압력센서

Claims (13)

  1. 직경 6인치 내외의 n형 또는 p형 반도체 기판과, 기판상에 형성되는 두께 1um 내지 2um의 절연층과, 불순물로 농도 1017/cm3 내외의 붕소(B)가 p형 도핑(Doping)된 두께 3um 내지 5um의 반도체 소자층을 포함하는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer) 상부에 적어도 하나의 전극을 형성하는 전극 형성 단계와;
    SOI 웨이퍼 상부에 적어도 하나의 스트레인 게이지(Strain Gage)를 형성하는 센서 형성 단계와;
    SOI 웨이퍼 상부에 DFR(Dry Film Resist)을 패터닝(Patterning)하는 DFR 패터닝 단계와;
    DFR 패터닝 단계에 의해 패터닝된 DFR 상부에 유리를 접합하는 유리 접합 단계와;
    SOI 웨이퍼 하부의 기판을 제거하여 센서 집합체를 형성하는 기판 제거 단계와;
    기판 제거 단계에 의해 형성된 센서 집합체를 센서 단위로 다이싱(Dicing)하여 다수의 압력센서를 형성시키는 다이싱 단계를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    센서 형성 단계에서;
    적어도 하나의 온도센서(Temperature Sensor)를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전극 형성 단계에서;
    SOI 웨이퍼 상부에 두께 1um 내지 2um의 알루미늄(Al) 또는 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr) 또는 금(Au) 재질 또는 이들 중 적어도 2개가 혼합된 재질의 금속을 스퍼터링(Sputtering)하여 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    센서 형성 단계에서:
    전극 형성 단계에 의해 형성된 전극에 접촉하도록 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 스트레인 게이지 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 스트레인 게이지 패턴이 인쇄되지 않은 실리콘 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 실리콘 스트레인 게이지를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    스트레인 게이지가:
    각각 휘스톤 브리지의 두변을 이루는 두개의 저항을 구비하되, 하나의 저항은 인장응력 작용시 저항값이 증가하고, 다른 하나의 저항은 압축응력 작용시 저항값이 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    센서 형성 단계에서:
    전극 형성 단계에 의해 형성된 전극에 접촉하도록 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 온도센서 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 스트레인 게이지 패턴이 인쇄되지 않은 실리콘 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 실리콘 온도센서를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    온도센서가:
    온도가 상승하면 저항값이 증가하는 정온도 계수(PTC) 특성을 가지는 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    온도센서가:
    온도 의존성이 큰 반도체 특성에 의해 야기되는 온도에 따른 스트레인 게이지의 압력 측정 오차를 보상하기 위한 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    센서 형성 단계에서;
    스트레인 게이지와 온도센서가 기구적 강도를 유지하면서 서로간에 간섭을 주지않도록 특정 간격을 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    DFR 패터닝 단계에서:
    전극 형성 단계에 의해 형성된 전극 및 센서 형성 단계에 의해 형성된 스트레인 게이지에 접촉하지 않도록, SOI 웨이퍼 상부에 전극 형성 단계에 의해 형성된 전극 두께보다 더 두껍게 DFR(Dry Film Resist)을 패터닝(Patterning)하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    반도체 압력센서 제조방법이:
    다이싱 단계에 의해 다이싱(Dicing)된 압력센서를 압력 측정을 위한 다이어프램(Diaphragm)에 적어도 하나 접착하는 압력센서 접착단계와;
    압력센서 접착단계에 의해 다이어프램(Diaphragm)에 접착된 압력센서의 SOI 웨이퍼 상부에 패터닝된 DFR 및 DFR 상부에 접합된 유리를 제거하는 보강물 제거단계와;
    보강물 제거단계에 의해 DFR 및 유리가 제거된 압력센서의 전극을 압력 검출회로에 본딩(Bonding)하는 회로 연결 단계를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    압력센서 접착단계에서:
    압력센서가 부착되는 다이어프램(Diaphragm)의 표면에 저융점 유리(Glass Frit)를 균일하게 도포하고, 다이싱(Dicing)된 압력센서를 진공 처킹(Chucking)하여 저융점 유리가 도포된 다이어프램(Diaphragm)의 표면에 압력센서를 접착하는 것을 특징으로 하는 반도체 압력센서 제조방법.
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