KR20150082119A - Mems 센서 - Google Patents
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Abstract
알루미늄에 의한 배선층을 형성해도 열 히스테리시스에 의한 출력 변동을 억제할 수 있는 MEMS 센서를 제공한다.
정방형의 MEMS 센서(1)의 4개의 모서리부에 금인 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)가 형성되어 있다. 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)와 검지 소자부(15a, 15b, 15c)가 연결 배선층(20, 25)에서 도통하고 있다. 연결 배선층(20, 25)은 알루미늄인 하부 배선층(21, 26)과 금인 상부 배선층(22, 27)으로 구성되어 있다. 알루미늄인 하부 배선층(21, 26)을 적당한 길이로 밸런스 좋게 배치함으로써, 열 히스테리시스에 의한 잔류 응력에 따른 출력 변동을 억제할 수 있게 된다.
정방형의 MEMS 센서(1)의 4개의 모서리부에 금인 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)가 형성되어 있다. 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)와 검지 소자부(15a, 15b, 15c)가 연결 배선층(20, 25)에서 도통하고 있다. 연결 배선층(20, 25)은 알루미늄인 하부 배선층(21, 26)과 금인 상부 배선층(22, 27)으로 구성되어 있다. 알루미늄인 하부 배선층(21, 26)을 적당한 길이로 밸런스 좋게 배치함으로써, 열 히스테리시스에 의한 잔류 응력에 따른 출력 변동을 억제할 수 있게 된다.
Description
본 발명은, 실리콘 기판에 외력에 의해 변형되는 감지부와 상기 변형을 검지하는 검지 소자부가 형성된 MEMS 센서에 관한 것이다.
특허문헌 1과 특허문헌 2에 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)로 구성된 압력 센서가 개시되어 있다. 압력 센서는 실리콘으로 형성된 센서 칩을 가지고 있고, 센서 칩에, 압력에 의해 변형되는 다이어프램부와, 다이어프램부의 변형을 검지하는 변형 게이지가 형성되어 있다. 변형 게이지는 실리콘에 불순물을 확산시킴으로써 형성되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 압력 센서는, 센서 칩이 실리콘계 접착제에 의해 유리 받침대에 접착 고정되어 있다. 특허문헌 1에는, 이 구성에 의하면, 분위기 온도를 저온으로부터 고온 등으로 변화시켰을 때에, 열 히스테리시스에 의한 응력이 센서 칩에 작용하여 출력 변동이 발생한다고 기재되어 있고, 이를 방지하기 위해, 다이어프램부를 둘러싸도록 알루미늄막이 형성되어, 알루미늄막의 잔류 변형에 의해, 센서 칩에 설치된 변형 게이지에 대한 응력의 영향을 저감시키는 것이 나타내어져 있다.
다음에, 특허문헌 2에 기재된 압력 센서에서는, N형 실리콘 기판에 P형 보론을 주입하여 변형 게이지가 되는 피에조 저항이 형성되는데, 이 피에조 저항으로부터 연장되는 배선으로서 알루미늄막이 사용되고, 또는, 배선이 알루미늄막으로 형성되며, 도통용 땜납이 놓여지는 부분에만 알루미늄막에 Ti, Ni, Au 등이 적층되는 구성이 개시되어 있다.
알루미늄은 열의 변화가 주어졌을 때의 잔류 응력의 히스테리시스가 크다. 특허문헌 1에 기재된 발명은, 다이어프램부의 외주를 알루미늄막으로 둘러싸는 구성으로 함으로써, 외주에 형성된 알루미늄막에 발생하는 잔류 응력으로 알루미늄 배선의 잔류 응력을 상쇄시켜, 열 히스테리시스에 의한 출력 변동을 저감시킨다는 것이다.
그러나, 상기 구조에서는 다이어프램부의 외주에 알루미늄막을 형성하기 위한 스페이스를 넓게 형성해 두는 것이 필요하여, 센서 칩의 사이즈를 작게 하는 것이 곤란하다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 압력 센서와 같이, 피에조 저항으로부터 연장되는 배선이 알루미늄막으로 형성되어 있는 것에서는, 온도 변화가 있었을 때에 알루미늄막에 잔류하는 응력이 피에조 저항에 작용하여, 압력의 검지 출력에 변동이 생기기 쉬워진다.
이러한 문제에 대처하는 위해서는, 피에조 저항(변형 게이지)으로부터 연장되는 배선을 온도 변화에 의한 잔류 응력의 변동이 작은 금 등으로 형성하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 금은 실리콘과의 상용성(相溶性)이 있기 때문에, 열이 가해지면 금이 실리콘 기판에 스며들어, 배선층으로서 기능할 수 없게 된다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로서, 실리콘 기판에 형성된 검지 소자부로부터의 배선층을 안정적으로 형성할 수 있고, 게다가, 제품 사이즈를 크게 하지 않고 열 히스테리시스의 영향을 저감할 수 있는 구조의 MEMS 센서를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 모두 실리콘 기판인 제 1 기판 및 제 2 기판이 포개진 MEMS 센서에 있어서,
상기 제 1 기판은, 공간부와 이 공간부를 둘러싸는 프레임체부를 가지고, 상기 제 2 기판에는, 상기 공간부에 대향하는 휨 변형 가능한 감지부와, 상기 감지부의 휨 변형에 따른 검지 출력을 얻는 검지 소자부가 형성되며,
상기 제 2 기판의 표면에 절연층이 형성되어, 상기 절연층의 표면에 전극 패드가 형성되고, 상기 전극 패드와 상기 검지 소자부의 사이에 연결 배선층이 형성되어 있어 있으며,
상기 연결 배선층은, 상기 제 2 기판과 상기 절연층의 사이에 형성되어 상기 검지 소자부에 접속되는 알루미늄인 하부 배선층과, 상기 절연층의 표면에서 상기 전극 패드로부터 연장되는 상부 배선층으로 이루어지고, 상기 상부 배선층이 알루미늄보다 온도 변화에 의한 잔류 응력의 변동이 작은 도전성 금속 재료로 형성되어 있으며, 상기 상부 배선층과 상기 하부 배선층이, 상기 절연층에 설치된 개구에 있어서 도통되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 MEMS 센서는, 실리콘 기판인 제 2 기판의 표면에 알루미늄인 하부 배선층이 형성되어 있기 때문에, 하부 배선층을 안정된 상태로 형성할 수 있다. 또한, 연결 배선층이 상기 하부 배선층과, 알루미늄보다 온도 변화에 의한 잔류 응력의 변동이 작은 도전성 금속 재료의 상부 배선층으로 구성되어 있기 때문에, 알루미늄의 열 히스테리시스가 과대해지는 것을 제한할 수 있고, 열에 의한 출력 변동을 억제할 수 있게 된다.
본 발명은 상기 상부 배선층이 금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기 제 2 기판은 정방형이고, 상기 전극 패드가 정방형의 모든 모서리부에 위치하고 있으며, 상기 연결 배선층은, 정방형의 각 변과 평행하게 형성되어 있고, 상기 연결 배선층의 길이 및 상기 하부 배선층과 상기 상부 배선층의 길이의 비는, 정방형의 각각의 변에 있어서 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 연결 배선층의 배선 패턴은, 상기 제 2 기판의 도심(圖心)을 중심(中心)으로 하여 180도의 회전 대칭인 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 하부 배선층과 상부 배선층을 정방형의 각 변에 있어서 동일한 상태로 형성함으로써, 알루미늄인 하부 배선층의 잔류 응력이 각 변의 상호간에 밸런스를 잡을 수 있게 되고, 따라서 검지 소자부에 작용하는 잔류 응력의 영향을 저감할 수 있게 된다.
본 발명의 MEMS 센서는, 상기 하부 배선층과 상기 검지 소자부와의 도통부와 상기 전극 패드를 제외한 상기 연결 배선층의 전체 길이를 L0으로 하고, 상기 상부 배선층과 상기 하부 배선층과의 도통부를 포함하면서 상기 전극 패드를 제외한 상기 상부 배선층의 길이를 L1로 했을 때에, L1/L0은 0.46∼0.88인 것이 바람직하다.
나아가서는, L1/L0이 0.76∼0.88인 것이 바람직하다.
본 발명의 MEMS 센서는, 예를 들면, 상기 제 2 기판과 반대측에서, 상기 제 2 기판에 접합된 지지 기판이 설치되어, 상기 공간부가 폐쇄되고, 상기 감지부가 기체의 압력으로 변형되는 압력 센서이다.
본 발명의 MEMS 센서는, 실리콘 기판인 제 2 기판의 위에 형성된 하부 배선층이 알루미늄이기 때문에, 하부 배선층은 항상 안정된 상태를 유지할 수 있게 된다. 알루미늄은 잔류 응력이 열 히스테리시스를 가지는 특성이 있으나, 검지 소자부와 전극 패드를 도통시키는 연결 배선층을, 알루미늄인 하부 배선층과, 금 등의 도전성 금속 재료로 형성된 상부 배선층으로 형성하고 있기 때문에, 알루미늄인 하부 배선층을 잔류 응력에 의한 영향이 작아지는 길이 치수로 조정할 수 있게 된다. 그 때문에, 알루미늄의 잔류 응력에 의한 검지 출력의 변동을 억제할 수 있게 된다.
[도 1] (A)는 본 발명의 실시형태의 MEMS 센서의 평면도, (B)는 검지 소자부의 패턴 구성을 나타내는 설명도
[도 2] 도 1에 나타내는 MEMS 센서를 Ⅱ-Ⅱ선으로 절단한 단면도
[도 3] 도 1에 나타내는 MEMS 센서를 Ⅲ-Ⅲ선으로 절단한 단면도
[도 4] 비교예 1의 MEMS 센서를 나타내는 평면도
[도 5] 비교예 2의 MEMS 센서를 나타내는 평면도
[도 6] 도 5에 나타내는 비교예 2의 MEMS 센서를 Ⅵ-Ⅵ선으로 절단한 단면도
[도 7] 알루미늄을 배선층으로서 사용한 MEMS 센서의 열 히스테리시스에 의한 출력 변동을 설명하는 선도(線圖)
[도 8] 실시예와 비교예의 출력 변동을 비교한 선도
[도 2] 도 1에 나타내는 MEMS 센서를 Ⅱ-Ⅱ선으로 절단한 단면도
[도 3] 도 1에 나타내는 MEMS 센서를 Ⅲ-Ⅲ선으로 절단한 단면도
[도 4] 비교예 1의 MEMS 센서를 나타내는 평면도
[도 5] 비교예 2의 MEMS 센서를 나타내는 평면도
[도 6] 도 5에 나타내는 비교예 2의 MEMS 센서를 Ⅵ-Ⅵ선으로 절단한 단면도
[도 7] 알루미늄을 배선층으로서 사용한 MEMS 센서의 열 히스테리시스에 의한 출력 변동을 설명하는 선도(線圖)
[도 8] 실시예와 비교예의 출력 변동을 비교한 선도
도 1 내지 도 3에 나타내는 MEMS 센서(1)는 압력 센서로서 사용된다. 본 발명의 MEMS 센서(1)는, 압력 센서 이외에 가압력을 검지하는 힘 센서 등으로서 구성하는 것도 가능하다.
도 2의 단면도에 나타내는 바와 같이, MEMS 센서(1)는, SOI 기판(Silicon On Insuratorwafer)(2)의 도시 하측에 지지 기판(3)이 접합되어 구성되어 있다. SOI 기판(2)은, 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12)이 산화 절연층(13)을 개재하여 접합되어 있다. 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12)은 실리콘(Si) 기판이고, 산화 절연층(13)은 산화규소(SiO2)층이다.
도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, MEMS 센서(1)를 평면에서 보았을 때의 형상은 정방형이고, 제 1 변(1a)과 제 2 변(1b)과 제 3 변(1c) 및 제 4 변(1d)을 가지고 있다. 제 1 기판(11)과 제 2 기판(12)도 정방형이며, 그 형상 및 치수는 MEMS 센서(1)의 평면 형상 및 치수와 동일하다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제 1 기판(11)은 중앙부의 공간부(11a)와, 공간부(11a)를 둘러싸는 프레임체부(11b)를 가지고 있다. 공간부(11a)는 제 1 기판(11)을 상하로 관통하여 형성되어 있다. 도 1의 (A)에, 공간부(11a)의 내벽면(11c)이 파선으로 나타내져 있다. 제 1 변(1a)과 제 2 변(1b)과 제 3 변(1c) 및 제 4 변(1d)의 각각과 내벽면(11c)과의 간격은 모두 동일하다. 즉, 프레임체부(11b)의 폭 치수는 모든 변(1a, lb, 1c, 1d)에서 균일하다.
제 2 기판(12)은, 상기 공간부(11a)를 덮고 있는 부분(공간부(11a)와 대향하는 부분)이 휨 변형 가능한 감지부(변형부 또는 휨부)(12a)이고, 프레임체부(11b)와 포개져 있는 프레임 형상 부분이 배선부(배선 영역)(12b)이다.
도 3에 확대하여 나타내는 바와 같이, 제 2 기판(12)의 표면(12c)에 절연층(14)이 형성되어 있다. 절연층(14)은, 제 2 기판(12)의 표면(12c)에 얇게 형성된 하부 절연층(14a)과 그 위에 적층된 상부 절연층(14b)으로 구성되어 있다. 두 절연층(14a, 14b)은 무기 절연층이다. 하부 절연층(14a)는 산화규소(SiO2)층이고, 상부 절연층(14b)은 질화규소(Si2N3)층이다.
도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, 제 2 기판(12)의 4군데에 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)가 형성되어 있다. 제 1 검지 소자부(15a)는 제 1 변(1a)으로부터 떨어져서 위치하고, 제 2 검지 소자부(15b)는 제 2 변(1b)으로부터 떨어져서 위치하며, 제 3 검지 소자부(15c)는 제 3 변(1c)으로부터 떨어져서 위치하고, 제 4 검지 소자부(15d)는 제 4 변(1d)으로부터 떨어져서 위치하고 있다.
검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)는 적어도 일부가 감지부(12a)에 위치하여, 감지부(12a)가 변형되었을 때에 변형이 생기는 영역에 형성되어 있다. 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)는, N형 실리콘 기판인 제 2 기판(12)의 표면(12c)에 P형 보론 등의 불순물이 도핑되어(doped) 제 2 기판(12)의 일부에 형성된 피에조 저항이며, 이 피에조 저항은 변형 게이지로서 기능한다.
도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, 제 2 기판(12)의 표면(12c)에 형성되어 있는 절연층(14)의 표면(14c)에 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)가 형성되어 있다. 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)는 정방형의 MEMS 센서(1)의 모서리부의 각각에 배치되어 있다. 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)는, 열 히스테리시스에 관하여 알루미늄보다 온도 변화에 의한 잔류 응력의 변동이 작은 도전성 금속 재료로 형성되어 있고, 예를 들면 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등이며, 이하에서 설명하는 바람직한 실시형태에서는 금으로 형성되어 있다. 도전성 금속 재료는 스퍼터 공정 등에 의해 형성되어 있다.
도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, 전극 패드(16a)와 제 1 검지 소자부(15a)의 사이 및 전극 패드(16a)와 제 3 검지 소자부(15c)의 사이가, 제 1 연결 배선층(20)에 의해 도통되어 있다. 전극 패드(16a)와 대각선측에 위치하고 있는 전극 패드(16c)와 제 2 검지 소자부(15b)의 사이 및 전극 패드(16c)와 제 4 검지 소자부(15d)의 사이도, 제 1 연결 배선층(20)에 의해 연결되어 있다.
도 1의 (A)와 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 연결 배선층(20)은, 제 2 기판(12)의 표면의 하부 절연층(14a)과 상부 절연층(14b)의 사이에 형성된 하부 배선층(21)과, 상부 절연층(14b)의 표면(14c)에 형성된 상부 배선층(22)으로 구성되어 있다. 상부 배선층(22)은 전극 패드(16a) 및 전극 패드(16c)와 일체로 형성되어 있다. 즉, 제 2 기판(12)의 대각선 상에 설치된 전극 패드(16a)와 전극 패드(16c)를 페어로 하여 제 1 전극 패드쌍으로 했을 때, 제 1 전극 패드쌍을 구성하는 전극 패드(16a)와 전극 패드(16c)로부터 연장되는 제 1 연결 배선층(20)은, 각각 길이가 동일하고, 하부 배선층(21)과 상부 배선층(22)의 길이의 비도 동일하다.
하부 배선층(21)은 알루미늄에 의해, 하부 절연층(14a)의 표면에 형성되어 있다. 하부 배선층(21)의 일부는, 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d) 중 어느 하나와 도통하는 도통부(21a)로 되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 도통부(21a)에서는, 하부 절연층(14a)에 개구가 설치되어 있고, 그 개구에서 하부 배선층(21)의 일부가 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)와 접촉하고 있다. 상부 배선층(22)의 일부는 하부 배선층(21)과 도통하는 도통부(22a)로 되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 도통부(22a)에서는, 상부 절연층(14b)에 개구가 설치되어 있고, 그 개구에서 상부 배선층(22)이 하부 배선층(21)과 접촉하고 있다.
본 명세서에서의 제 1 연결 배선층(20)의 길이(L0)는, 전극 패드(16a, 16c)와 상기 도통부(21a)를 제외한 부분에서의, 하부 배선층(21)과 상부 배선층(22)의 길이의 합계를 의미하고 있다. 또한, 상부 배선층(22)의 길이(L1)는, 전극 패드(16a, 16c)를 제외하면서 도통부(22a)를 포함하는 길이 치수를 의미하고 있다. 제 1 연결 배선층(20)을 구성하는 하부 배선층(21)과 상부 배선층(22)은, MEMS 센서(1)의 각 변(1a, lb, 1c, 1d)과 평행이며 직선적으로 연장되어 있다.
도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, 전극 패드(16b)와 제 1 검지 소자부(15a)의 사이 및 전극 패드(16b)와 제 4 검지 소자부(15d)의 사이는, 제 2 연결 배선층(25)에 의해 도통시켜져 있다. 전극 패드(16b)와 대각선측에 위치하고 있는 전극 패드(16d)와 제 2 검지 소자부(15b)의 사이 및 전극 패드(16d)와 제 3 검지 소자부(15c)의 사이는, 제 2 연결 배선층(25)에 의해 도통시켜져 있다. 즉, 제 2 기판(12)에 있어서 제 1 전극 패드쌍과는 다른 대각선 상에 설치된 전극 패드(16b)와 전극 패드(16d)를 페어로 하여 제 2 전극 패드쌍으로 했을 때, 제 2 전극 패드쌍을 구성하는 전극 패드(16b)와 전극 패드(16d)로부터 연장되는 제 2 연결 배선층(25)은, 각각 길이가 동일하고, 하부 배선층(26)과 상부 배선층(27)의 길이의 비도 동일하다.
제 2 연결 배선층(25)은 하부 배선층(26)과 상부 배선층(27)을 가지고 있다. 하부 배선층(26)은 제 1 연결 배선층(20)의 하부 배선층(21)과 마찬가지로, 하부 절연층(14a)의 위에 형성되어, 그 일부가 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)에 접촉하는 도통부로 되어 있다. 상부 배선층(27)은, 제 1 연결 배선층(20)의 상부 배선층(22)과 동일하여, 상부 절연층(14b)의 표면(14c)에 있어서 전극 패드(16b, 16d)와 일체로 형성되어 있고, 그 일부가 상부 절연층(14b)의 부분 제거부에 있어서 하부 배선층(26)에 접촉하는 도통부로 되어 있다.
제 2 연결 배선층(25)의 길이 치수(La)는, 전극 패드(16b, 16d)를 제외하면서 하부 배선층(26) 중의 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)와의 도통부를 제외하는 길이 치수이다. 상부 배선층(27)의 길이 치수(Lb)는, 전극 패드(16b, 16d)를 제외하면서 상부 배선층(27) 중의 하부 배선층(26)과의 도통부를 포함하는 길이 치수이다. 즉, 길이 치수(La)는 L0과 동일한 기준으로 설정되고, 길이 치수(Lb)는 길이 치수(L1)와 동일한 기준으로 설정되어 있다.
제 2 연결 배선층(25)은, MEMS 소자(1)의 각 변(1a, lb, 1c, 1d)과 평행이며 직선적으로 형성되어 있다. 단, 제 2 연결 배선층(25)의 길이 치수(La)는, 제 1 연결 배선층(20)의 길이 치수(L0)보다 짧다. 또한, 제 2 연결 배선층(25)의 하부 배선층(26)과 상부 배선층(27)의 길이의 비는, 제 1 연결 배선층(20)의 하부 배선층(21)과 상부 배선층(22)의 길이의 비에 비해, 하부 배선층(26)의 길이의 비율이 작다. 바꿔 말하면, 제 1 연결 배선층(20)의 하부 배선층(21)과 상부 배선층(22)의 길이의 비는, 제 2 연결 배선층(25)에 있어서의 하부 배선층(26)과 상부 배선층(27)의 길이의 비에 비해, 하부 배선층(21)의 길이의 비율이 크다.
전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)의 패턴과 제 1 연결 배선층(20) 및 제 2 연결 배선층(25)의 패턴은, 도 1의 (A)에 나타내어지는 MEMS 센서(1)의 도심(중심(重心))(O)을 중심(中心)으로 하는 180도의 회전 대칭 형상이다. 또한, 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d) 및 제 1 연결 배선층(20)과 제 2 연결 배선층(25)은, 모두 제 2 기판(12)의 배선부(12b)의 위에 형성되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 지지 기판(3)은 제 1 기판(11)의 도시 하면측에 접합되고, 공간부(11a)가 지지 기판(3)에 의해 하측으로부터 막혀 있다.
도 1의 (B)에 나타내는 바와 같이, 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)에서는, 피에조 저항층이 소위 미앤더 형상으로 형성되어 있고, 저항체의 길이 방향이 모든 검지 소자부에서 동일한 방향을 향하게 되어 있다. 따라서, 제 2 기판(12)의 감지부(12a)가 도 2의 하방을 향해 휘었을 때에, 검지 소자부(15a, 15b)에서 저항이 증대하고 검지 소자부(15c, 15d)에서 저항이 저하되도록, 서로 역극성의 저항값이 된다.
도 1의 (A)에 나타내는 바와 같이, 4개의 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)에 의해, 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)가 브리지 회로를 구성하도록 접속되어 있다. 예를 들면, 전극 패드(16a)에 전원 전압이 인가되고, 전극 패드(16c)가 접지된다. 감지부(12a)가 변형되어, 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)에 변형이 가해지면, 전극 패드(16b)와 전극 패드(16d)의 각각의 중점 전위가 변화한다. 전극 패드(16b)의 중점 전위와 전극 패드(16d)의 중점 전위는 역극성으로 변화하기 때문에, 2개의 중점 전위의 차동(差動)을 취함으로써, 감지부(12a)에 작용하는 기체의 압력에 비례한 검지 출력을 얻을 수 있다.
도 1 내지 도 3에 나타내는 본 발명의 실시형태의 MEMS 센서(1)에서는, 제 1 연결 배선층(20)이 알루미늄인 하부 배선층(21)과 금인 상부 배선층(22)으로 구성되고, 제 2 연결 배선층(25)도 알루미늄인 하부 배선층(26)과 금인 상부 배선층(27)으로 형성되어 있다
도 3에 나타내는 바와 같이, 금인 상부 배선층(22, 27)은 상부 절연층(14b)의 표면(14c)에 형성되어, 금인 층이 제 2 기판(12)으로부터 떨어져 있다. 그 때문에, 고온이 되어도, 상부 배선층(22, 27)의 금이 제 2 기판(12)인 실리콘 기판에 확산될 일이 없어, 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)와 상부 배선층(22, 27)을 안정된 상태로 유지할 수 있다. 한편, 제 2 기판(12)의 표면의 하부 절연층(14a)의 위에 형성되어 있는 하부 배선층(21, 26)은 알루미늄인데, 알루미늄은, 실리콘 기판에 확산되기 어려워 안정된 상태를 유지하기 때문에, 고온이 되었을 때에도 하부 배선층(21, 26)의 패턴은 안정된 상태를 유지할 수 있다.
단, 알루미늄은 열 사이클 내에 두면 응력 잔류가 크게 변동하는 성질을 가지고 있어, 이 응력이 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)에 직접적으로 작용하면, 압력을 검지해야 하는 검지 출력에 변동이 생긴다. 그러나, 도 1 내지 도 3에 나타내는 본 발명의 실시형태의 MEMS 센서(1)에서는, 제 1 연결 배선층(20)이 알루미늄인 하부 배선층(21)과 금인 상부 배선층(22)으로 구성되고, 제 2 연결 배선층(25)이 알루미늄인 하부 배선층(26)과 금인 상부 배선층(27)으로 구성되어 있기 때문에, 알루미늄의 잔류 응력에 기인하는 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)로의 잔류 변형의 영향을 저감할 수 있게 되어 있다.
도 7은, 나중에 설명하는 실시예 3의 MEMS 센서(1)를 온도 사이클하에 두었을 때의 검지 출력의 변화를 나타내고 있다. 가로축이 환경 온도이고, 세로축이 대기압하에 있어서의 검지 출력의 변화를 나타내고 있다. 도 7에서는, 대기압하에서 환경 온도를 25℃에서 80℃까지 상승시키고, 그 후 25℃까지 되돌리고 있다. 온도를 초기의 25℃로 했을 때의 검지 출력과, 온도를 80℃에서 25℃로 되돌렸을 때의 검지 출력의 차이가 출력 변동(Pa:파스칼)이다. 이 출력의 변동은, 열 히스테리시스에 의한 MEMS 센서(1) 내의 잔류 응력의 변동이 원인으로 생각되는데, 본 발명의 실시형태의 바람직한 예인 실시예 3에서는, 열 히스테리시스에 의한 출력 변동이 20Pa(파스칼) 정도의 극히 미세한 값으로 되어 있다.
그 제 1 이유는 다음과 같이 예측할 수 있다. 제 1 연결 배선층(20)과 제 2 연결 배선층(25)에서는, 알루미늄인 하부 배선층(21, 26)을 배선 길이의 일부분에만 형성하고, 그 이외를 금인 상부 배선층(22, 27)으로 형성하고 있다. 그 때문에, 알루미늄의 길이를 잔류 응력의 영향을 미치게 하기 어려운 최적의 길이로 설정하는 것이 가능하다. 즉, 도 1에 나타내는 상부 배선층(22, 27)의 길이 치수(L1, Lb)를 선택함으로써, 알루미늄인 하부 배선층(21, 26)을 잔류 응력의 영향을 미치게 하기 어려운 치수로 설정하기 쉬워진다.
제 2 이유는 다음과 같이 예측할 수 있다. 도 1의 (A)에 나타내는 전극 패드(16a)에 착안하면, 1개의 전극 패드(16a)로부터 서로 직교 방향으로 연장되는 2개의 배선층이, 동일한 길이의 제 1 연결 배선층(20)으로 되어 있다. 이로 인해, 전극 패드(16a)를 기점으로 하여, 그 양측에 2개의 알루미늄인 하부 배선층(22)이 동일한 길이로 동일한 거리를 두고 균등하게 배치된다. 그 때문에, 알루미늄에 내부 응력이 잔류한다고 해도, 그 응력이 전극 패드(16a)의 양측에서 균등하게 작용하게 된다. 게다가, 전극 패드(16a)의 양측에 서로 역극성의 저항 변화가 되는 제 1 검지 소자부(15a)와 제 3 검지 소자부(15c)가 배치되어 있기 때문에, 하부 배선층(22)에 응력이 잔류해도, 2개의 검지 소자부(15a와 15c)에, 저항 변화를 없애도록 균등한 응력이 주어진다. 게다가, 상부 배선층(22)의 길이 치수(L1)를 적정하게 선택함으로써, 검지 소자부(15a, 15c)에 작용하는 응력을 밸런스가 좋은 값으로 설정할 수 있게 된다.
상기 이유는, 전극 패드(16c)와 그 양측의 제 1 연결 배선층(20, 20)의 관계에 있어서 동일하다. 전극 패드(16b, 16d)는 그 양측에 동일한 길이의 제 2 연결 배선층(25)이 더 배치되어 있다. 따라서, 이 구조도 밸런스가 좋은 것이고, 하부 배선층(26)에 응력이 잔류한다고 해도 검지 소자부에 대해 밸런스 좋게 작용하는 것이 된다.
(실시예)
실시예 1 내지 4로서, 도 1 내지 3이 나타내는 구조의 MEMS 센서(1)에 대하여 시뮬레이션을 행하였다. 도 1에 나타내는 정방형의 한 변의 치수는 500㎛, 제 2 기판(12)의 두께를 5㎛로 하였다. 상부 배선층(22, 27)의 폭 치수를 각각 18㎛로 하고, 하부 배선층(21, 26)의 폭 치수를 각각 10㎛로 하였다.
제 2 연결 배선층(25)의 길이 치수는 La를 60㎛, Lb를 52㎛로 고정하였다. 제 1 연결 배선층(20)의 L0을 112㎛로 고정하고, 상부 배선층(22)의 길이 치수(L1)를 실시예 마다 변화시켰다.
(실시예 1) : L1=52㎛
(실시예 2) : L1=60㎛
(실시예 3) : L1=85㎛
(실시예 4) : L1=98㎛
도 4는, (비교예 1)의 MEMS 센서(101)의 평면도이다. 이 MEMS 센서(101)는, 제 2 기판(12)의 표면에 상부 절연층(14b)이 형성되어 있지 않고, 하부 절연층(14a)의 표면에, 전극 패드(116a, 116b, 116c, 116d) 및 제 1 연결 배선층(120)과 제 2 연결 배선층(125)이 모두 알루미늄으로 형성되어 있다. 그리고, 알루미늄인 제 1 연결 배선층(120)과 제 2 연결 배선층(125)이 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15d)에 도통하고 있다. 그 이외의 구조는 상기 실시예와 동일하다.
도 5와 도 6은, (비교예 2)의 MEMS 센서(201)를 나타내고 있다. 이 MEMS 센서(201)는, 전극 패드(16a, 16b, 16c, 16d)가 상부 절연층(14b)의 표면(14c)에 있어서 금으로 형성되어 있다. 전극 패드(16a, 16c)의 양측으로 연장되는 제 1 연결 배선층은, 금인 상부 배선층(22)으로만 형성되고, 전극 패드(16b, 16d)의 양측으로 연장되는 제 2 연결 배선층은, 금인 상부 배선층(27)으로만 형성되어 있다.
그리고, 도 6에 나타내는 바와 같이, 상부 배선층(22)의 선부(先部)의 도통부(22a)와 검지 소자부(15a)의 사이에, 알루미늄인 접속층(121)이 형성되어 있다. 이것은, 상부 배선층(27)과 검지 소자층의 도통부(27a)에 있어서도 동일하다. 비교예 2는, 제 1 연결 배선층과 제 2 연결 배선층이 금으로만 형성되고, 금과 검지 소자의 접속부에만 알루미늄이 형성된 것이다.
실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 비교예 2에 관하여, 도 7에 나타내는 바와 같이, 대기압하에서 초기 검지 출력을 얻는다. 그 후 온도를 25℃에서 80℃까지 상승시키고 25℃까지 저하시켰을 때의 검지 출력과, 상기 초기 검지 출력의 차이를 산출하여 출력 변동으로 하였다.
결과는 도 8에 나타내는 바와 같고, 실시예 1의 열 히스테리시스에 의한 출력 변동은 -34.16Pa, 실시예 2의 출력 변동은 -27.98Pa, 실시예 3의 출력 변동은 -19.02, 실시예 4의 출력 변동은 +15.66이었다. 비교예 2의 출력 변동은 -111.11, 비교예 2의 출력 변동은 +52.66이었다.
비교예 1은, 전극 패드와 검지 소자부를 도통시키는 연결 배선층이 전체 길이에 걸쳐 알루미늄으로 형성되어 있기 때문에, 열 히스테리시스에 의해 알루미늄에 잔류하는 응력의 범위가 넓어지고, 검지 소자부(15a, 15b, 15c, 15c)에 큰 변형을 주는 결과가 되어, 열 히스테리시스에 의한 출력 변동이 커졌다.
실시예 1, 2, 3, 4의 MEMS 센서(1)는, 전극 패드(16a, 16c)의 양측에 제 1 연결 배선층(20)이 균일하게 배치되고, 전극 패드(16b, 16d)의 양측에 제 2 연결 배선층(25)이 균일하게 배치되어 있다. 이로 인해, 검지 소자부(15a, 15b)와 이것과는 저항값의 변화가 반대가 되는 검지 소자부(15c, 15d)에 대해, 알루미늄의 잔류 응력에 기인하는 밸런스가 좋은 적당한 힘이 작용하고, 이로 인해 출력 변동이 상쇄되어 억제되고 있다.
이에 비하여 비교예 2는, 응력의 밸런스를 부여하는 알루미늄층이 거의 없어지기 때문에, 본래는 알루미늄의 응력에 의해 상쇄되어야 할 잠재적인 응력이 MEMS 센서 전체에 작용하고, 그 결과, 비교예 1과는 반대 위상의 출력 변동이 생긴 것으로 예측된다.
이와 같이, 실시예 1, 2, 3, 4는 알루미늄에 의한 하부 배선층의 배치와 길이의 밸런스가 좋기 때문에, 열 히스테리시스에 의한 출력 변동을 억제할 수 있게 된다. 실시예 1, 2, 3, 4로부터, 제 1 연결 배선층(20)의 길이(L0)에 대한 상부 배선층(22)의 길이(L1)의 비의 바람직한 범위(L1/L0)는 0.46∼0.88이다.
도 8로부터 실시예 3 내지 실시예 4의 범위에서 출력 변동이 극히 작아진다. 따라서, L1/L0이 0.76∼0.88인 것이 더욱 바람직하다.
1 : MEMS 센서
2 : SOI기판
11 : 제 1 기판
11a : 공간부
11b : 프레임체부
12 : 제 2 기판
12a : 감지부
12b : 배선부
14 : 절연층
15a, 15b, 15c, 15c : 검지 소자부
16a, 16b, 16c, 16d : 전극 패드
20 : 제 1 연결 배선층
21 : 하부 배선층
22 : 상부 배선층
25 : 제 2 연결 배선층
26 : 하부 배선층
27 : 상부 배선층
2 : SOI기판
11 : 제 1 기판
11a : 공간부
11b : 프레임체부
12 : 제 2 기판
12a : 감지부
12b : 배선부
14 : 절연층
15a, 15b, 15c, 15c : 검지 소자부
16a, 16b, 16c, 16d : 전극 패드
20 : 제 1 연결 배선층
21 : 하부 배선층
22 : 상부 배선층
25 : 제 2 연결 배선층
26 : 하부 배선층
27 : 상부 배선층
Claims (11)
- 모두 실리콘 기판인 제 1 기판 및 제 2 기판이 포개진 MEMS 센서에 있어서,
상기 제 1 기판은, 공간부와 이 공간부를 둘러싸는 프레임체부를 가지고, 상기 제 2 기판에는, 상기 공간부에 대향하는 휨 변형 가능한 감지부와, 상기 감지부의 휨 변형에 따른 검지 출력을 얻는 검지 소자부가 형성되며,
상기 제 2 기판의 표면에 절연층이 형성되어, 상기 절연층의 표면에 전극 패드가 형성되고, 상기 전극 패드와 상기 검지 소자부의 사이에 연결 배선층이 형성되어 있으며,
상기 연결 배선층은, 상기 제 2 기판과 상기 절연층의 사이에 형성되어 상기 검지 소자부에 접속되는 알루미늄인 하부 배선층과, 상기 절연층의 표면에서 상기 전극 패드로부터 연장되는 상부 배선층으로 이루어지고, 상기 상부 배선층이 알루미늄보다 온도 변화에 의한 잔류 응력의 변동이 작은 도전성 금속 재료로 형성되어 있으며, 상기 상부 배선층과 상기 하부 배선층이, 상기 절연층에 설치된 개구에 있어서 서로 도통되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 기판은 정방형이고, 상기 전극 패드가 정방형의 모든 모서리부에 위치하고 있으며, 상기 정방형의 일방의 대각선 상에 설치된 전극 패드를 제 1 전극 패드쌍으로 하고, 타방의 대각선 상에 설치된 전극 패드를 제 2 전극 패드쌍으로 하며,
상기 제 1 전극 패드쌍으로부터 연장되는 복수의 제 1 연결 배선층은 각각 동일한 길이이고, 상기 제 2 전극 패드쌍으로부터 연장되는 복수의 제 2 연결 배선층은 각각 동일한 길이이며, 상기 제 1 연결 배선층의 길이와 상기 제 2 연결 배선층의 길이가 상이한 MEMS 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 연결 배선층의 상기 하부 배선층과 상기 상부 배선층의 길이의 비는, 상기 제 2 연결 배선층에 있어서의 상기 하부 배선층과 상기 상부 배선층의 길이의 비에 대해, 상기 하부 배선층의 길이의 비율이 큰 MEMS 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 기판은 정방형이고, 상기 전극 패드가 정방형의 모든 모서리부에 위치하고 있으며, 상기 연결 배선층은, 정방형의 각 변과 평행하게 형성되어 있고, 상기 연결 배선층의 길이 및 상기 하부 배선층과 상기 상부 배선층의 길이의 비는, 정방형의 각각의 변에 있어서 동일한 MEMS 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 연결 배선층의 배선 패턴은, 상기 제 2 기판의 도심을 중심(中心)으로 하여 180도의 회전 대칭인 MEMS 센서. - 제 1 항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 배선층이 금으로 형성되어 있는 MEMS 센서. - 제 1 항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하부 배선층과 상기 검지 소자부와의 도통부와 상기 전극 패드를 제외한 상기 연결 배선층의 전체 길이를 L0으로 하고, 상기 상부 배선층과 상기 하부 배선층과의 도통부를 포함하면서 상기 전극 패드를 제외한 상기 상부 배선층의 길이를 L1로 했을 때에, L1/L0은 0.46∼0.88인 MEMS 센서. - 제 7 항에 있어서,
L1/L0이 0.76∼0.88인 MEMS 센서. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 패드가 알루미늄보다 온도 변화에 의한 잔류 응력의 변동이 작은 도전성 재료로 형성되어 있는 MEMS 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 전극 패드가 금, 은, 구리 중 어느 재료로 형성되어 있는 MEMS 센서. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 기판과 반대측에서, 상기 제 2 기판에 접합된 지지 기판이 설치되어, 상기 공간부가 폐쇄되고, 상기 감지부가 기체의 압력으로 변형되는 압력 센서인 MEMS 센서.
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