KR101652369B1 - 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법 - Google Patents

습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101652369B1
KR101652369B1 KR1020150000064A KR20150000064A KR101652369B1 KR 101652369 B1 KR101652369 B1 KR 101652369B1 KR 1020150000064 A KR1020150000064 A KR 1020150000064A KR 20150000064 A KR20150000064 A KR 20150000064A KR 101652369 B1 KR101652369 B1 KR 101652369B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure sensor
pressure
etching
sensor
change
Prior art date
Application number
KR1020150000064A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160083676A (ko
Inventor
김정식
전기화
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울시립대학교 산학협력단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020150000064A priority Critical patent/KR101652369B1/ko
Publication of KR20160083676A publication Critical patent/KR20160083676A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101652369B1 publication Critical patent/KR101652369B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/08—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • H10N30/082—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by etching, e.g. lithography
    • H01L41/332—
    • H01L41/18—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

본 발명은 압저항형 압력센서(piezoresistive pressure sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법이 제공되며, 또한, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템이 제공된다.

Description

습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법{Manufacturing method for piezoresistive pressure sensor using wet and dry etching process}
본 발명은 압저항형 압력센서(piezoresistive pressure sensor)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템에 관한 것이다.
최근, 패키징 기술과 박막기술의 발전 및 MEMS 공정의 발전 등에 인해, 자동차, 생체공학용 의료기기 및 산업체 대규모 시스템 제어에 이르기까지 광범위한 분야에 걸쳐 반도체형 압력센서가 널리 응용되고 있고, 또한, 다양한 재료와 형상의 반도체형 압력센서가 연구 및 개발되고 있다.
또한, 반도체형 압력센서에 있어서, 재료로 이용되는 단결정 실리콘은 변형률에 따른 감도 특성이 금속보다 10배 이상 높음으로 인해 압저항 소자로서 잘 알려져 있으며, 이러한 단결정 실리콘을 압저항 소자로 이용한 실리콘 압저항형 압력센서는 고감도, 고신뢰성이면서 출력 직선성이 좋고 대량 생산이 가능한 데 더하여, 소형이고 경량이므로 진동에도 매우 강한 것이 특징을 가진다.
이에 따라, 실리콘 압저항형 압력센서는 상기한 바와 같은 장점으로 인해 고성능 센서 시스템에 효과적으로 사용되고 있으나, 인가압력에 따른 압력강도가 낮고, 오프셋(영 압력 상태에서 나타나는 출력전압) 및 온도 드리프트의 영향이 크며, 반도체 공정에 의해 형성되는 멤브레인의 두께 및 균일성에 근소한 차이가 존재한다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 실리콘 압저항형 압력센서는, 신호가 미약하기 때문에 신호증폭과 노이즈 제거를 위한 별도의 신호처리 기술 및 회로기술이 필요하다는 문제도 있다.
더 상세하게는, 압저항형 압력센서는, 실리콘 기판을 식각 공정에 의해 얇게 한 다이어프램 위에 확산 또는 이온 주입공정으로 형성한 압저항(게이지 저항)의 압저항 효과를 이용하는 것이며, 이는, 외부에서 가해지는 압력의 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환시키는 장치로서, 다이어프램에 발생하는 응력을 전기신호로 변환하는 원리이다.
아울러, 현재, 대부분의 MEMS 소자들은 구조물 제작 공정의 최적화를 필요로 하고 있고, 그 중, 고정밀도의 압력센서의 경우, 다이어프램 박막의 두께와 식각 표면의 평탄화가 매우 중요하다.
특히, 박막형 다이어프램 제작시, 식각 표면의 평탄도 및 두께의 균일성은 소자의 특성을 결정하는 요소이고, 이는 미세구조물 제작시 소자의 특성에 결정적인 영향을 미친다.
즉, 다이어프램의 식각방법에는 용해성 화학물질로 식각하여 형성하는 습식방법과, 이온화된 가스 등을 이용하여 식각하는 건식방법이 있으며, 예를 들면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각시, 제작된 압력센서의 프레임은 일반적으로 55°경사를 나타내며, SiO2 선택성으로 SOI 웨이퍼(wafer)를 이용한 공정시 일정한 두께의 멤브레인을 얻을 수 있고, 그로 인해, 90% 이상 수율을 만족시킬 수 있어 경제성이 뛰어나다.
또한, 딥 트렌치(Deep trench) ICP(inductively coupled plasma)를 이용한 건식 식각시, 보쉬(Bosch) 공정으로 제작되는 구조물의 종횡비를 획기적으로 높일 수 있으며, 멤브레인 프레임을 수직으로 형성할 수 있어 센서 사이즈(sensor size)를 작게 제작할 수 있으므로 효율적으로 식각조건을 조절할 수 있는 장점이 있다.
따라서 상기한 바와 같이, TMAH 식각용액을 이용한 습식 식각방법이나, 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법으로 반도체 압저항형 압력센서를 제조하면 경제적이고 효율적으로 압력센서의 제작이 가능할 것으로 기대되나, 종래에는, 상기한 바와 같은 습식 및 건식 식각방법을 이용하여 반도체 압저항형 압력센서를 제조하기 위한 최적의 식각용액의 조성이나 최적의 식각방법에 대하여는 명확하게 제시된 바 없었다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-0427430호 (2004.04.02.)
2. 한국 공개특허공보 제10-2010-0071336호 (2010.06.29.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1197570호 (2012.10.30.)
4. 한국 등록특허공보 제10-1202612호 (2012.11.13.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 압저항형 압력센서를 제작할 수 있도록 하기 위해, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 압저항형 압력센서 제조방법에 있어서, SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계; 이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계; 압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계; Si과 Al 전극의 절연과 습식 식각공정을 진행하기 위해, 이산화실리콘(SiO2)을 열산화(thermal oxidation) 시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계; 스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계; 공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계; 상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해, 상기 웨이퍼의 밑면에 형성되어 있는 SiO2 막을 상기 마스크 패턴을 따라 RIE 방식으로 제거한 후 식각용액을 사용하여 습식 식각을 행하는 단계; 각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및 제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법이 제공된다.
여기서, 상기 습식 식각을 행하는 단계는, 상기 식각 용액으로서, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액에 AP((NH4)2S2O8)를 첨가제로서 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 습식 식각을 행하는 단계는, 상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 1.0g/500ml ~ 5.0g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 습식 식각을 행하는 단계는, 상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 2.5g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 성능을 평가하는 단계는, 압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller); 온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버; 일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여, 상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 압저항형 압력센서 제조방법에 있어서, SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계; 이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계; 압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계; Si과 Al 전극의 절연을 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 산화막(SiO2)을 증착시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계; 스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계; 공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계; 상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해 보쉬(Bosch) 공정용 마스크 Al층을 증착하는 단계; 상기 마스크 패턴을 따라 식각될 부분의 상기 Al층을 AOE 방식으로 제거한 후 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정으로 건식 식각을 행하는 단계; 각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및 제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법이 제공된다.
여기서, 상기 건식 식각을 행하는 단계는, 상기 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정 수행시, 식각에는 SF6 가스를 적용하고, 보호에는 C4F8 가스를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 성능을 평가하는 단계는, 압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller); 온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버; 일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여, 상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor), 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor), Al 전극(electrodes) 및 벌크 마이크로머신 Si 멤브레인(bulk micro-machined Si membrane)을 포함하여 구성되는 압저항형 압력센서에 있어서, 상기에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 압력센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서시스템이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행하는 것에 의해 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성됨으로써, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 경제적이고 효율적으로 압저항형 압력센서를 제작할 수 있는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 압저항형 압력센서를 제조함으로써, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템을 경제적이고 효율적으로 제작할 수 있다.
도 1은 압저항형 압력센서의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 응력 분포와 변형률의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 구조해석을 통한 압력센서 멤브레인의 변위값을 나타내는 도면이다.
도 4는 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 회로 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 전체적인 제작공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 식각용액의 농도와 온도를 균일하게 유지하여 식각하였을 때 AP 첨가량에 따른 식각속도 및 평균 표면조도(Rrms)를 측정한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 측정결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 8은 AP 첨가량에 따른 Si-에칭된 표면의 FE-SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 9는 AP 첨가량에 따른 언더커팅(undercutting)의 보상효과를 나타내기 위해 식각된 Si 패턴을 CAD 프로그램을 이용하여 치수화한 확대 형상을 나타내는 도면이다.
도 10은 건식 및 습식 식각을 이용하여 제작된 멤브레인의 단면과 밑면에 대한 SEM 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 11은 압력센서의 성능평가를 위한 시험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압력센서의 칩 하우징 및 패키징된 센서 하우징의 사진을 각각 나타내는 도면이다.
도 13은 습식 식각으로 제작된 압력센서와 건식 식각으로 제작된 압력센서의 인가압력에 따른 센서의 출력전압 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 "0"의 압력, -20℃ ~ 100℃의 온도 범위에서 30분 동안 유지 후 온도챔버 내에서 저항값을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 4bar 압력 인가시 습식 및 건식 식각으로 제작된 압력센서의 출력전압 및 작동 유무를 각각 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 압저항형 압력센서를 제작할 수 있도록 하기 위해, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템에 관한 것이다.
아울러, 이를 위해, 이하에 설명하는 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 실시예에서는, 다이어프램 제작에 있어 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 건식 식각 공정과, TMAH 용액을 이용한 습식 식각 공정으로 각각 1000×1000×7 ㎛3의 다이어프램 크기를 가지는 압저항형 압력센서를 각각 제작하고 그 특성을 비교 분석하였으며, 또한, 반도체형 압력센서가 가지는 장점을 활용하면서 기존의 문제점을 극복하기 위해, 소자 내에 2개의 저항, 즉, 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor)과 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor)을 각각 구성하여 그들의 출력을 감산하는 보상원리를 제안하였다.
아울러, 설계된 센서에 대하여 유한요소 모델링(FEM)으로 해석을 행하고, 벌크 마이크로 머시닝 기술을 기반으로 제작된 압저항형 압력센서의 실제 측정을 수행하였다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 압저항형 압력센서의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 압저항형 압력센서는, 크게 나누어, 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor)과, 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor), Al 전극(electrodes) 및 벌크 마이크로머신 Si 멤브레인(bulk micro-machined Si membrane)으로 구성되어 있다.
여기서, 도 1에 나타낸 실시예에서, 각각의 저항(resistor)은 가로 0.4 mm, 세로 1mm로 설계되었으며, 이온주입 공정 수행시 불순물의 농도와 어닐링(annealing) 온도 및 시간을 고려하여 비저항과 접합 깊이를 측정하여, 3.5㏀의 저항값을 가지는 저항체를 구성하였다.
또한, 전체 센서 칩의 크기는 3000×3000 ㎛2이며, 센서 칩 중심에 1000×1000×7 ㎛3의 멤브레인 영역을 형성하였다.
아울러, 본 발명자들은, 압력센서를 제작하기에 앞서 불순물 확산공정으로 형성된 압저항 소자로 사용할 때, 멤브레인의 변형에 따른 저항 변화를 가장 많이 얻기 위하여 멤브레인의 응력 분포와 이 응력에 따른 멤브레인의 변형률 FEM (finite element method)을 통하여 각각 수치해석을 수행하였다.
해석 대상 실리콘의 물성치는 Young's Modulus 170 GPa, density 2329 g/cm3, poisson ratio 0.28로 사용하였고, 일정한 압력을 설계한 멤브레인에 인가하였을 때 응력이 가장 크게 걸리는 부분, 즉 변형률이 가장 큰 위치를 파악하였다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 응력 분포와 변형률의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로, 도 2a는 스트레인 특성(strain characteristic)을 나타내고, 도 2b는 스트레스 특성(stress characteristic)을 각각 나타내고 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 응력이 큰 부분은 멤브레인 가장자리 가운데부터 중심까지의 영역이며, 중심부(displacement : 0.155mm)에서 가장 큰 변위가 나타남을 확인할 수 있고, 이를 토대로 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)의 위치를 각각 설계하였다.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 구조해석을 통한 압력센서 멤브레인의 변위값을 나타내는 도면으로, 인가된 압력과 멤브레인 중심에서의 변위 사이의 관계를 나타내고 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 압력을 0 ~ 7 bar까지 인가하였을 때, 1 bar당 0.022mm씩 선형적인 변위가 발생함을 보였으며, 7 bar까지의 멤브레인의 변위는 0.155mm 임을 확인할 수 있다.
여기서, 센서를 구성하고 있는 2개의 저항(sensor resistor, reference resistor)의 잔류응력과, 제작과정에서 압저항을 정확한 위치에 형성하지 못했을 경우 발생할 수 있는 정렬오차(align miss) 및 불균일한 불순물 농도로 인해 2개의 압저항 특성이 동일하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이는, 압력센서의 오프셋(영 압력 상태에서 나타나는 출력전압)의 원인이 되며, 2개의 압저항 온도계수가 달라지는 것에 의한 온도 드리프트의 원인이 되기도 한다.
따라서 본 발명자들은, 이러한 오프셋을 보상하는 방법으로, 제작된 압력센서에 외부보상회로를 구성하였다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 회로 구성을 나타내는 회로도이다.
더 상세하게는, 도 4a에 나타낸 바와 같은 측정회로에 있어서, 센서의 감도측정은 정전류 회로를 구성하여 1mA의 일정한 전류를 공급함으로써 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하여 이루어지며, 이를 위해, 1mA 정전류 다이오드를 이용하여 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 공급하였다.
또한, 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)의 초기 저항 차는 R1 또는 R2 가변저항을 조절함으로써 두 개의 저항값을 동일하게 조정한 후 초기 출력 전압값이 "0"이 되도록 하였으며, 압력에 따른 센서저항(sensor resistor)의 저항 변화값 (+)과 기준저항(reference resistor)의 저항값 (-)은 차동 증폭기를 통해 전압차로 측정하였고, 이러한 방법은 주위 온도 변화에 의해 2개의 압저항에 동시에 발생하는 저항 변화를 제거할 수 있으므로, 센서의 온도 의존성을 없애거나 최소화할 수 있다.
아울러, 예를 들면, 100℃와 같은 고온에서는 출력값이 떨어지므로, 이러한 경우는, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 측정회로에 증폭기를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 전체적인 제작공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 센서 제작에는 SOI 웨이퍼(wafer)(n-Si : 5㎛, SiO2 : 2㎛, n-Si : 450㎛)를 사용하였고, 이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위하여 포토레지스트(positive photo resister)(GXR-601)를 웨이퍼 위에 도포한 뒤, 현상액(positive developer)(AZ-300MIF)을 사용하여 1㎛ 두께의 PR층을 형성하였다.
이어서, P형 압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 5×1015cm-2의 붕소(boron)를 주입하고, PR 마스크층 제거 후 950℃에서 2분간 어닐링(annealing) 하였다.
계속해서, Si과 Al 전극의 절연과 차후 TMAH 용액을 이용한 습식공정을 진행하기 위해, 3000Å 두께의 이산화실리콘을 열산화(thermal oxidation) 시켰으며, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하였다.
그 후, 스퍼터(sputter)를 이용하여 3000Å/300Å, Al/Ti층을 증착하였고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하였다.
또한, 공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 4000Å 질화막(Si3N4)을 증착하였고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하였다.
다음으로, 압력센서의 멤브레인을 습식 식각으로 형성하기 위해, 웨이퍼 밑면 SiO2 막을 마스크 패턴을 따라 RIE 방식으로 제거한 후, 식각용액(TMAH/AP)을 사용하여 식각하였다.
아울러, 압력센서의 멤브레인을 건식 식각으로 형성하기 위해, 밑면에 형성되어 있는 SiO2 막을 제거 한 후, 3000Å 두께의 Al층을 증착하여 보쉬(Bosch) 공정용 마스크로 사용하였다.
이어서, 마스크 패턴을 따라 식각될 부분의 Al층을 AOE 방식으로 제거한 후, 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정으로 식각하였다.
마지막으로, 소자를 분리하기 위해 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후, 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 진행하였다.
상기한 바와 같이 하여 제작된 센서의 전체 사이즈는 3000×3000㎛2, 멤브레인 크기는 1000×1000×7㎛3으로 제작하였고, 도 4에 나타낸 바와 같은 측정회로를 구성하여 압력에 따른 저항의 변화를 측정하였다.
도 5에 나타낸 바와 같은 제작과정에 있어서, 건식 식각공정으로 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정은 식각(etching) 공정과 보호(passivation) 공정을 번갈아 가면서 실시하여 제작되는 구조물의 종횡비(aspect ratio)를 획기적으로 높일 수 있는 드라이 에칭 방법으로, 웨이퍼(wafer)를 고정하기 위해 정전 척(ElectroStatic Chuck ; ESC)의 정전기적인 힘(Electrostatic force)를 이용하므로 웨이퍼와 클램프(clamp)의 접촉에 의한 입자오염 문제가 없고, 진공 분위기에서만 사용될 수 있는 진공 척(vacuum chuck)과 달리 분위기에 상관없이 사용될 수 있는 장점이 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 있어서, 식각에는 SF6 가스를 적용하였고, 보호에는 C4F8 가스를 사용하였으며 보쉬(Bosch) 공정 조건은 식각 및 보호 공정을 포함하는 한 사이클이 15초이었고, 식각 속도는 약 3.2㎛/min 정도였다.
더욱이, TMAH 용액을 이용한 습식 식각 공정은, 식각 용액으로부터 전극이 형성된 웨이퍼의 앞면을 보호할 수 있는 습식 에칭(wet etching) 장비(AMMT 4ZS-2430605)를 사용하여 식각을 진행하였으며, 여기서, 본 발명자들은, 사전 연구를 통해 TMAH 용액의 첨가제로서 AP((NH4)2S2O8)의 역할이 식각속도 및 표면 평탄도를 향상시킨다는 것을 알 수 있었다.
더 상세하게는, 패턴 모서리 부분에서 발생하는 언더커팅(undercutting) 현상은 상당히 심각한 문제점으로 대두되고 있으며, 첨가제로서 IPA는 이러한 언더커팅(undercutting) 개선의 장점을 보이는 반면, 첨가량이 증가할수록 식각속도가 감소하는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은, 언더커팅 개선과 함께 식각속도 및 표면조도를 향상시킬 수 있는 첨가제를 연구하기 위해 첨가제로서 AP((NH4)2S2O8)를 첨가하였다.
즉, 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6은 TMAH 10 wt.% 용액에 AP를 시간당 1.0g, 2.5g, 5.0g/500ml을 각각 첨가한 후, 식각용액의 온도를 70℃로 일정하게 유지하기 위해서 비커 전체를 감싸는 항온조(GL-03, Global lab사)를 사용하였으며, 마이네틱 바를 이용하여 250rpm의 일정한 속도로 식각용액을 교반시킴으로써 전체 식각용액의 농도와 온도를 균일하게 유지하여 식각하였을 때 식각속도 및 평균 표면조도(Rrms)를 측정한 결과를 나타내는 도면이며, 도 7은 도 6에 나타낸 측정결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, AP 첨가량의 농도가 증가함에 따라 식각속도는 계속적으로 증가하는 경향을 보이는 한편, 표면조도는 AP가 시간당 2.5g/500ml 첨가시 가장 최적의 상태를 나타내었으며, 시간당 5.0g/500ml 첨가시에는 표면상태가 다소 떨어지는 경향을 나타내었다.
또한, 도 8을 참조하면, 도 8은 AP 첨가량에 따른 Si-에칭된 표면의 FE-SEM 사진을 나타내는 도면으로, 도 8a 내지 도 8c는 각각 AP를 시간당 1.0g, 2.5g, 5.0g/500ml 첨가한 결과를 나타내고 있다.
즉, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, AP를 시간당 1.0g, 2.5g/500ml 첨가시 힐록의 발생이 눈에 띄게 줄어들었으며, 2.5g 첨가시 가장 깨끗한 식각표면을 얻을 수 있었고, 반면, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 5.0g 첨가시에는 1.0g 첨가시보다 힐록의 발생이 두드러지는 현상이 나타났다.
아울러, 도 9를 참조하면, 도 9는 AP 첨가량에 따른 언더커팅(undercutting)의 보상효과를 나타내기 위해 식각된 Si 패턴을 CAD 프로그램을 이용하여 치수화한 확대 형상을 나타내는 도면이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, AP가 첨가되지 않은 순수 TMAH 용액에서의 UR(undercutting ratio)은 5.6(h = 41.3㎛)이었으나, 시간당 1.0g/500ml AP 첨가시 UR은 3.2(h = 43.53㎛)로 감소하였다.
상기한 바와 같은 결과로부터, AP 첨가시 언더커팅 보상효과는 IPA 첨가시보다 다소 떨어지지만, 식각속도와 표면조도 모두 순수 TMAH 용액보다 우수한 측정 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, TMAH 용액은 이방성 식각 특성과 SiO2에 대한 선택성이 뛰어나고, SOI 웨이퍼(n-Si : 5㎛, SiO2 : 2㎛, n-Si : 450㎛)의 SiO2 층에서 에칭 스탑(etching stop)이 이루어지며, 본 발명자들은, 실험을 통해 SiO2 층에서 식각이 정지됨을 확인하였고, 식각 속도는 약 0.6㎛/min 정도였다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 습식 및 건식 식각으로 제작된 멤브레인을 비교한 결과에 대하여 설명한다.
이방성 식각용액(TMAH)으로 제작된 압력센서의 프레임은 일반적으로 55°경사를 나타내지만, 딥 트렌치(Deep trench) ICP 장치를 이용하여 제작된 프레임은 수직으로 제작된 것이 특징이다.
즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 건식 및 습식 식각을 이용하여 제작된 멤브레인의 단면과 밑면에 대한 SEM 이미지를 각각 나타내는 도면으로, 도 10a는 건식 식각으로 형성된 멤브레인의 단면이고, 도 10b는 그 뒷면(back side)이며, 도 10csms 습식 식각으로 형성된 멤브레인의 단면이고, 도 10d는 그 뒷면을 각각 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 10a 및 도 10b에 나타낸 바와 같이, 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용하여 식각시, 멤브레인 형상이 90°를 이루는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 10c와 도 10d에 나타낸 바와 같이, TMAH/AP 식각용액을 이용하여 제작된 멤브레인의 단면과 밑면의 SEM 이미지에서는 멤브레인 형상이 55°각도를 이루며 형성되었으며, 적절한 첨가제로서 AP의 역할로 인해 멤브레인 표면의 균일함과 힐록이 형성되지 않은 우수한 표면 평탄도를 나타내었다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 제작된 압력센서의 성능을 평가하는 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 도 11을 참조하면, 도 11은 압력센서의 성능평가를 위한 시험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용된 압력센서의 성능평가를 위한 시험장치는, 인가 압력을 일정하게 공급하기 위해 압력 제어기(pressure controller)를 사용하였고, 온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 -20℃ ~ 100℃의 범위에서 온도를 조절할 수 있는 온도 챔버를 사용하였다.
또한, 도 12를 참조하면, 도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압력센서의 칩 하우징(도 12a) 및 패키징된 센서 하우징(도 12b)의 사진을 각각 나타내는 도면이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, SUS304를 가공하여 칩 하우징 고정이 가능하고 에어튜브(air tube)의 삽입이 가능한 구조물을 제작하였으며, 또한, 인가 압력의 누설을 막기 위해 칩 하우징 외측에 오링(O-ring) 자리를 가공하여 삽입함으로써 누설을 완벽하게 차단하였다.
아울러, 인가된 압력에 따른 변화를 측정하기 위해 회로기판(circuit board)에 정전류 회로를 구성하여 와이어 본딩된 압력센서와 파워공급장비(power supply), 측정장비(oscilloscope, digit multimeter)에 각각 연결하여 압력에 따른 저항의 변화를 전압의 변화로 확인하였다.
계속해서, 상기한 바와 같이 정전류 회로를 구성하고 1mA 일정한 전류를 공급하여 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하는 것에 의해 센서의 감도를 측정한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 13을 참조하면, 도 13은 습식 식각으로 제작된 압력센서와 건식 식각으로 제작된 압력센서의 인가압력에 따른 센서의 출력전압 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 1 ~ 7bar 까지 압력을 인가한 결과, 인가압력에 따라 출력전압이 선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 1bar의 압력 인가 시 출력전압은 각각 6.5mV/bar로 습식, 건식 식각으로 제작된 압력센서 모두 동일한 감도를 나타내었다.
또한, 7bar 압력범위에서 각각 45.5mV/bar, 48mV/bar로 매우 우수한 감도를 보였으며, 건식 식각으로 제작된 압력센서에서 더 큰 변위를 나타내었다.
상기한 바와 같은 측정결과로부터, 습식, 건식 공정으로 제작된 압력센서를 비교시, 1 ~ 7bar 압력을 인가한 결과 건식으로 제작한 압력센서가 더 큰 감도를 나타내었으나, 습식 식각으로 제작한 압력센서와 비교하여 출력의 선형성 및 반응속도는 떨어짐을 확인할 수 있다.
즉, 이는, 제작된 멤브레인 각각의 특성과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있으며, 도 10을 참조하여 상기한 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 건식 식각 공정으로 제작된 압력센서의 멤브레인은 전체적으로 균일한 두께를 갖지 못하고, 식각 공정 후 잔유물로 인해 식각된 Si 표면의 조도(roughness)가 떨어진다.
반면, 습식 식각으로 제작된 압력센서의 멤브레인은 전체적으로 균일하고 우수한 표면 평탄도를 가지며, 이는, 습식 식각 공정으로 제작된 압력센서의 출력 선형성 및 반응속도가 건식 식각 공정으로 제작된 압력센서와 비교하여 우수한 특성을 나타낸 결과에 영향을 미친다고 생각된다.
또한, 건식 식각으로 제작된 압력센서 경우, 인가 압력에 의해 발생하는 응력이 프레임으로 분산되지 않고 다이어프램 가장자리에 집중되기 때문에 더 큰 감도를 나타낸 것이라 판단된다.
계속해서, 작동압력 및 작동온도 범위의 평가에 대하여 설명하면, 상기한 바와 같이, 이온 주입 공정시 불균일한 불순물 농도 및 압저항을 정확한 위치에 형성하지 못했을 경우의 정렬오차(align miss) 때문에 2개의 압저항 특성이 동일하지 않은 문제가 발생할 수 있으며, 그로 인해 형성된 저항체(sensor resistor, reference resistor)는 저항값에 다소 차이를 가지게 된다.
여기서, 이러한 2개의 저항체(sensor resistor, reference resistor)에 있어서, 온도 변화에 따른 저항의 변화가 동일한지 않다면, 이는 출력을 감산하는 보상원리 및 초기 출력전압에 영향을 미친다.
이에, 본 발명자들은, 온도변화에 민감한 반도체 압력센서를 구성하고 있는 2개의 저항(sensor resistor, reference resistor)이 온도에 따라 일정한 오프셋 값을 가지며 저항이 변화하는지를 확인하기 위해, 이하에 설명하는 바와 같이 온도챔버를 이용하여 측정을 수행하였다.
즉, 도 14를 참조하면, 도 14는 "0"의 압력, -20℃ ~ 100℃의 온도 범위에서 30분 동안 유지 후 온도챔버 내에서 저항값을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 온도가 상승함에 따라 각각의 저항은 일정한 오프셋 값 0.37㏀을 가지며 저항이 증가함을 알 수 있다.
이러한 현상은, 기준저항(reference resistor)에 의해 센서저항(sensor resistor)의 온도보상이 가능하게 하며, 온도변화에 따른 출력값의 측정오차를 제거할 수 있다.
더 상세하게는, 본 발명자들은, 급격한 온도변화에서 제작된 압력센서의 정상적인 작동 유무를 확인하기 위해, 온도챔버를 이용하여 상온에서 -20℃로 감온하고 -20℃에서 100℃로 승온시킨 후, 각각의 온도에서 30분 동안 유지 한 후 챔버 내에서 성능을 평가하였고, 그 결과 압력센서의 기능이 구현되는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명자들은, -20℃, 100℃의 온도에서 압력에 따른 출력값의 변화 및 압력센서의 기능이 구현되는 것을 확인하기 위해 4bar의 압력을 인가하여 각각 측정을 진행하였다.
즉, 도 15를 참조하면, 도 15는 4bar 압력 인가시 습식 및 건식 식각으로 제작된 압력센서의 출력전압 및 작동 유무를 각각 나타내는 도면이다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 4bar의 압력을 -20℃에서 인가시 각각 19.4mV/bar, 24.3mV/bar의 감도를 나타내었으며, 상온에 측정된 23.8mV/bar, 26.4mV/bar 보다 다소 낮은 감도를 나타내었다.
또한, 4bar의 압력을 100℃에서 각각 인가시 각각 7.9mV/bar, 9.6mV/bar의 감도를 나타내었으며, 상온에서 측정된 23.8mV/bar, 26.4mV/bar 보다 현저히 떨어지는 감도를 나타내었다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각법과, TMAH/AP 식각 용액을 이용한 습식 식각법으로 각각 1000×1000×7㎛3의 멤브레인 크기를 가지는 압저항 압력센서를 성공적으로 제작할 수 있으며, 이때, 소자 내에 2개의 저항체(sensor resistor, reference resistor)를 구성하여 온도 보상이 가능한 압력센서를 제작하였고, 그들의 출력을 감산하는 보상원리를 제안하였다.
또한, 제작된 압력센서에 1 ~ 7bar 까지 압력을 인가한 결과, 인가압력에 따라 출력 전압이 선형적으로 변화하였으며, 건식 식각으로 제작된 압력센서의 출력값이 7bar 압력에서 48mV/bar로 습식 식각으로 제작된 압력센서와 비교하여 더 큰 감도를 보였고, 센서 출력의 선형성은 습식 식각으로 제작된 압력센서에서 더 뛰어난 것으로 나타났다.
아울러, 최대 변위값에 도달하는 반응속도 역시 90ms, 112ms로, 습식 식각으로 제작된 압력센서가 더 빠른 감도를 보였으며, -20℃, 100℃의 급격한 온도 변화에서 정상적인 작동 유무를 확인한 결과 모두 이상 없이 작동하였고, 습식 식각 공정을 통하여 제작된 압력센서의 경우 식각면이 전체적으로 균일하여 85%의 우수한 수율을 얻을 수 있었다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행하는 것에 의해 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성됨으로써, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 경제적이고 효율적으로 압저항형 압력센서를 제작할 수 있는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 압저항형 압력센서를 제조함으로써, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템을 경제적이고 효율적으로 제작할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (10)

  1. 압저항형 압력센서 제조방법에 있어서,
    SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계;
    이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계;
    Si과 Al 전극의 절연과 습식 식각공정을 진행하기 위해, 이산화실리콘(SiO2)을 열산화(thermal oxidation) 시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계;
    스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계;
    공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계;
    상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해, 상기 웨이퍼의 밑면에 형성되어 있는 SiO2 막을 마스크 패턴을 따라 RIE 방식으로 제거한 후 식각용액을 사용하여 습식 식각을 행하는 단계;
    각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및
    제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 습식 식각을 행하는 단계는,
    상기 식각 용액으로서, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액에 AP((NH4)2S2O8)를 첨가제로서 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 습식 식각을 행하는 단계는,
    상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 1.0g/500ml ~ 5.0g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 습식 식각을 행하는 단계는,
    상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 2.5g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 성능을 평가하는 단계는,
    압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller);
    온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버;
    일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및
    압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여,
    상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  6. 압저항형 압력센서 제조방법에 있어서,
    SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계;
    이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계;
    Si과 Al 전극의 절연을 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 산화막(SiO2)을 증착시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계;
    스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계;
    공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계;
    상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해, 보쉬(Bosch) 공정용 마스크 Al층을 증착하는 단계;
    마스크 패턴을 따라 식각될 부분의 상기 Al층을 AOE 방식으로 제거한 후 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정으로 건식 식각을 행하는 단계;
    각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및
    제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 건식 식각을 행하는 단계는,
    상기 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정 수행시, 식각에는 SF6 가스를 적용하고, 보호에는 C4F8 가스를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 성능을 평가하는 단계는,
    압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller);
    온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버;
    일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및
    압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여,
    상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
  9. 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor), 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor), Al 전극(electrodes) 및 벌크 마이크로머신 Si 멤브레인(bulk micro-machined Si membrane)을 포함하여 구성되는 압저항형 압력센서에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서.
  10. 청구항 1항 내지 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 압력센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서시스템.
KR1020150000064A 2015-01-02 2015-01-02 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법 KR101652369B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150000064A KR101652369B1 (ko) 2015-01-02 2015-01-02 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150000064A KR101652369B1 (ko) 2015-01-02 2015-01-02 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160083676A KR20160083676A (ko) 2016-07-12
KR101652369B1 true KR101652369B1 (ko) 2016-08-30

Family

ID=56505183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150000064A KR101652369B1 (ko) 2015-01-02 2015-01-02 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101652369B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200076139A (ko) 2018-12-19 2020-06-29 전자부품연구원 압력센서 및 3d 프린팅을 이용한 압력센서 제조방법
KR20240051462A (ko) 2022-10-13 2024-04-22 경희대학교 산학협력단 Soi 웨이퍼 기반 실리콘 나노와이어 압력센서 및 이의 제조 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101870244B1 (ko) * 2017-04-19 2018-06-22 서울시립대학교 산학협력단 초박형 실리콘 스트레인 게이지 제조 방법
CN109974763B (zh) * 2017-12-27 2022-03-18 泰科电子(上海)有限公司 校准***和校准方法
KR102005178B1 (ko) * 2018-02-07 2019-07-29 서울시립대학교 산학협력단 포토레지스트 보호막을 활용한 실리콘 스트레인 게이지 제조 방법
KR102160678B1 (ko) * 2020-01-13 2020-09-29 서울대학교산학협력단 실리콘 나노와이어 기반 압저항 감지 방식의 압력센서의 제조 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100896936B1 (ko) 2007-05-15 2009-05-14 (주)미코엠에스티 용량형 압력 센서 및 그의 제조 방법
KR100904994B1 (ko) 2007-05-08 2009-06-29 안동대학교 산학협력단 압력센서 제조방법 및 그 구조

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990081452A (ko) * 1998-04-29 1999-11-15 오상수 다결정 실리콘을 이용한 차량용 반도체 센서의 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100904994B1 (ko) 2007-05-08 2009-06-29 안동대학교 산학협력단 압력센서 제조방법 및 그 구조
KR100896936B1 (ko) 2007-05-15 2009-05-14 (주)미코엠에스티 용량형 압력 센서 및 그의 제조 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200076139A (ko) 2018-12-19 2020-06-29 전자부품연구원 압력센서 및 3d 프린팅을 이용한 압력센서 제조방법
KR20240051462A (ko) 2022-10-13 2024-04-22 경희대학교 산학협력단 Soi 웨이퍼 기반 실리콘 나노와이어 압력센서 및 이의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160083676A (ko) 2016-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101652369B1 (ko) 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법
WO2017028466A1 (zh) 一种mems应变计芯片及其制造工艺
CN106257254B (zh) 生成具有降低的环境温度依赖性的换能信号的压力传感器及其制造方法
KR100301097B1 (ko) 가속도센서용소자및그제조방법
KR100741520B1 (ko) 다이어프램을 갖는 반도체 압력 센서
US6912759B2 (en) Method of manufacturing a thin piezo resistive pressure sensor
US8338899B2 (en) Pressure sensor and manufacturing method thereof
US20100314701A1 (en) Pressure sensor and manufacturing method thereof
WO2000034754A1 (fr) Capteur de pression a semi-conducteurs et son procede de fabrication
CN104058361A (zh) 一种基于预制空腔soi基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法
US20100218611A1 (en) Semiconductor pressure sensor and manufacturing method thereof
JP4918140B2 (ja) 半導体圧力センサ
WO2020177339A1 (zh) 压力传感器及其制造方法
KR100904994B1 (ko) 압력센서 제조방법 및 그 구조
JP3536817B2 (ja) 半導体力学量センサ及びその製造方法
JP6218330B2 (ja) 圧力センサ及びその製造方法
JPH0554708B2 (ko)
JPH04178533A (ja) 半導体圧力センサ
CN210559358U (zh) 压力传感器
Gonzalez et al. A CMOS compatible polycrystalline silicon-germanium based piezoresistive pressure sensor
JP3187754B2 (ja) 半導体センサおよびその製造方法
CN112093771A (zh) 一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法
JP2905902B2 (ja) 半導体圧力計およびその製造方法
JP5697535B2 (ja) 圧力検出素子の製造方法
JPH06148229A (ja) 半導体加速度センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190731

Year of fee payment: 4