KR100270477B1 - 압력 센서 제조방법 - Google Patents
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Abstract
공정 신뢰성과 수율을 향상시킬 수 있도록 한 압력 센서 제조방법이 개시된다. 실리콘 웨이퍼의 백면에 다층 적층 구조의 금속막을 형성한 후 상기 금속막의 중앙부가 소정 부분 노출되도록 상기 금속막 상에 제 1 마스크 패턴을 형성하고, 상기 제 1 마스크 패턴에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 금속막을 식각하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면이 소정 부분 노출되도록 한 다음, 상기 제 1 마스크 패턴을 제거한다. 이어, 상기 금속막의 상면과 측면이 둘러싸이도록 상기 실리콘 웨이퍼의 백면 소정 부분에 제 2 마스크 패턴을 형성하고, 상기 제 2 마스크 패턴에 의해 보호되지 못한 부분의 실리콘 웨이퍼 백면을 소정 두께 선택식각하여 다이어프램을 형성한다. 그 결과, 실리콘 웨이퍼의 백면 식각시 제 2 마스크 패턴을 이용하여 금속막이 언더컷되는 것을 막을 수 있게 되므로, 원치 않는 부위의 실리콘 웨이퍼가 식각되는 현상이나 금속막의 손상되는 것을 방지할 수 있게 되어 공정 신뢰성 향상과 수율 향상을 동시에 이룰 수 있게 된다.
Description
본 발명은 압력 센서 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유테틱(eutectic) 다이 본딩 방식이나 솔더(solder) 다이 본딩 방식을 이용하여 압력 센서 패키지를 제조할 때 적용되는 압력 센서 제조방법에 관한 것이다.
실리콘을 재료로 한 센서는 종래의 기계식 센서에 비해 소형이고 저가격이며, 정확도 및 신뢰도가 우수하다는 장점을 지녀 최근 그 적용 범위가 확대되고 있는데, 그 대표적인 종류로는 압저항형 센서, 온도 센서, 가습/습도 센서, 홀 센서, 광전도 센서 등을 들 수 있다.
이중 압저항형 센서는 실리콘 기판에 확산저항을 형성하여 압력, 힘, 진동 그리고 가속도 등 기계적 특성을 감지하는 센서가 주류를 이루고 있으며, 현재 압력 센서가 가장 먼저 실용화되어 자동차용 MAP(Manifold Absolute Pressure)(엔진제어, 브레이크압, 에어콘압, 에어백 공기압, 타이어압 그리고 오일압) 센서, 산업용(유량, 공기량, 진공압) 압력 측정, 혈압계 및 가전기기 등에 활용되고 있다.
상기 압력 센서는 실리콘 웨이퍼의 다이어프램 위에 브리지 형태로 형성되어 있는 압저항을 이용하여 저항 성분의 변화량을 감지한 뒤, 이 저항 성분의 변화량을 신호 검출부를 통해 검출해 주는 방식으로 압력 측정이 이루어지는 센서로서, 도 1a 내지 도 1c에는 상기 압력 센서가 내장된 메탈 캔 패키지(이하, 압력 센서 패키지라 한다)의 제조방법을 도시한 공정수순도가 제시되어 있다. 상기 공정수순도를 참조하여 그 제조방법을 제 3 단계로 구분하여 살펴보면 다음과 같다.
제 1 단계로서, 도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(10)의 프론트면(front side)에 집적회로를 설계한 후 그 백면을 그라인딩(grinding)한다. 이와 같이 웨이퍼(10) 백면의 그라인딩 공정을 실시한 것은 웨이퍼 백면의 표면을 매끄럽게 만들어 주어 이후 양극산화 접합시 밀착성을 좋게 하기 위함이다. 이어, 실리콘 웨이퍼(10)의 백면 중앙부가 노출되도록 상기 웨이퍼(10)의 백면에 포토레지스터 재질의 마스크 패턴(12)을 형성하고, 상기 마스크 패턴(12)에 의해 보호되지 못한 부분의 실리콘 웨이퍼(10)를 소정 두께 선택식각하여 다이어프램(10a)을 제작한 뒤, 마스크 패턴(12)을 제거하여 압력 센서를 완성한다. 이때, 실리콘 웨이퍼(10)의 식각 공정은 다이어프램(10a)이 약 10 ~ 30㎛의 두께(d)를 가지도록 진행된다. 바람직한 두께(d)는 20㎛이다.
제 2 단계로서, 도 1b에 도시된 바와 같이 백면에는 금속막(미 도시)이 도포되고 그 내부에는 복수의 관통 홀이 구비되도록 설계된 글래스(14)를 준비한 다음, 압력 센서로 사용되는 실리콘 웨이퍼(10)의 백면과 글래스(14)의 프론트면이 상·하부에서 서로 마주본 상태로 접촉되도록 위치 정렬한다. 이어, 양극산화 접합 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼(10)의 백면과 글래스(14)의 프론트면 간을 접합(bonding)한 후, 소잉(sawing) 공정을 실시하여 이들을 각 단위 센서들로 구분해 준다.
제 3 단계로서, 도 1c에 도시된 바와 같이 복수의 리드(16)가 구비된 메탈 캔의 본체(20)에 글래스(14) 백면의 금속막이 접촉되도록 글래스(14)와 메탈 캔 본체(20) 간을 솔더링(soldering)한다. 이때, 상기 리드(16)는 절연체(18)를 사이에 두고 메탈 캔 본체(20)에 삽입되어져 있어, 참조부호 16a로 표시된 부분은 내부리드로 사용되고, 참조부호 16b로 표시된 부분은 외부리드로 사용된다. 이어, 실리콘 웨이퍼(10)의 프론트면에 형성된 본딩 패드(미 도시)와 내부 리드(16a) 간을 금속 와이어(22)를 이용하여 본딩처리하고, 본딩 처리된 부분을 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 상기 본체(20)에 메탈 캔의 뚜껑(24)을 덮고 진공압착한 후 아크(ARC) 용접을 실시하여 메탈 캔의 본체(20)와 뚜껑(24)을 부착해 주므로써, 본 공정 진행을 완료한다.
그러나, 상기 공정을 거쳐 압력 센서 패키지를 제조할 경우에는 온도, 전압, 전류 등과 같은 공정 변수 조절을 통하여 압력 센서로 사용되는 실리콘 웨이퍼와 글래스 간의 접합이 직접적으로 이루어지게 되므로, 양산을 목적으로 적용할 경우 다음과 같은 몇가지의 문제가 발생된다.
첫째, 실리콘 웨이퍼(10)의 백면과 글래스(14)의 프론트면이 상·하부에서 서로 마주보도록 위치 정렬되기 위해서는 웨이퍼(10)의 백면과 글래스(14)의 프론트면에 각각 얼라인 키(align key)를 제작해 주어야 하므로 공정 진행상의 어려움이 뒤따르게 되고 둘째, 실리콘 웨이퍼(10)와 글래스(14)를 위치 정렬한 후 양극산화 접합 공정을 실시하기 위하여 위치 정렬된 제품을 운송하는 과정에서 미스얼라인(misalign)이 빈번하게 야기되므로 후속 공정 진행시 접합 불량이 발생될 가능성이 있으며 셋째, 양극산화 접합을 실시할 때 안정된 공정 진행을 위하여 400℃ 내외의 고온 공정이 요구될 뿐 아니라 이로 인해 온도 하강시 긴 공정시간이 소요되므로 공수 증가에 따른 생산성 감소가 이루어지게 되고 넷째, 양극산화 접합된 글래스(14)와 실리콘 웨이퍼(10)를 소잉할 때 글래스의 두께가 실리콘 웨이퍼 자체의 두께에 비교하여 약 6 ~ 7배 가량 두껍기 때문에 소잉 블레드(blade) 폭 증가에 의해 칩 이용율이 떨어지게 되며 다섯째, 실리콘 웨이퍼(10)와 글래스(14)가 직접(direct) 접합되므로 양극산화 접합시 열팽창 계수 차이에 따른 스트레스(stress)가 발생하게 되어 공정 신뢰성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
이를 해결하기 위하여 최근에는 양극산화 접합 방식 대신에 유테틱 다이 본딩 방식이나 솔더 다이 본딩 방식을 이용하여 압력 센서 패키지를 제조하는 기술이 특허출원 -----에 개시된 바 있다.
상기 기술을 적용하여 압력 센서 패키지를 제조할 경우, 기 언급된 제반 문제들을 해결할 수 있어 공정 신뢰성과 생산성 향상을 이룰 수 있다는 효과를 얻을 수 있기는 하나 이 경우에는 압력 센서를 제조하는 과정에서 다음과 같은 문제가 발생된다.
이를 도 2a 내지 도 2c에 제시된 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 도 2a 내지 도 2c는 유테틱 다이 본딩이나 솔더 다이 본딩을 이용하여 압력 센서 패키지를 제조할 때 적용되는 압력 센서 제조방법을 도시한 공정수순도를 나타낸 것으로, 상기 공정수순도에 의하면 종래의 압력 센서는 아래의 제 3 단계 공정을 거쳐 제조됨을 알 수 있다.
제 1 단계로서, 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(100)의 프론트면에 집적회로를 설계한 후 그 백면에 다층 적층 구조의 금속막(102)을 형성한다. 이어, 상기 금속막(102)의 중앙부가 소정 부분 노출되도록 그 위에 포토레지스트 재질의 제 1 마스크 패턴(104)을 형성한다.
제 2 단계로서, 도 2b에 도시된 바와 같이 제 1 마스크 패턴(104)에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 금속막(102)을 식각하여 실리콘 웨이퍼(100)의 표면이 소정 부분 노출되도록 한 다음, 제 1 마스크 패턴(104)을 제거하고, 상기 마스크 패턴(104)이 제거된 부분에만 선택적으로 질화막 재질의 제 2 마스크 패턴(106)을 형성한다.
제 3 단계로서, 도 2c에 도시된 바와 같이 제 2 마스크 패턴(106)에 의해 보호되지 못한 부분의 실리콘 웨이퍼(100) 백면을 TMAH나 KOH 등의 에천트(etchant)를 이용하여 소정 두께 선택식각하여 다이어프램(100a)을 제작한 후 제 2 마스크 패턴(106)을 제거해 주므로써, 압력 센서 제조를 완료한다.
그러나 상기와 같은 방식으로 압력 센서를 제조할 경우에는 제 2 마스크 패턴(106)을 이용하여 실리콘 웨이퍼(100)의 백면을 식각할 때 상기 마스크 패턴(106) 하단에 놓여진 금속막(102)의 측면(도 2b에서 참조부호 Ⅰ로 표시된 부분)도 실리콘 에천트인 TMAH나 KOH에 의해 일부 함께 언더컷(undercut)되는 현상이 발생하게 된다.
이러한 현상이 발생될 경우, 원치 않는 부위의 실리콘 웨이퍼(100) 식각이 이루어지게 될 뿐 아니라 원하는 금속막의 효과 또한 얻을 수 없게 되어 공정 신뢰성 저하와 수율 저하 등과 같은 문제가 초래되게 되고, 후속 패키징 공정 진행시에는 압력 센서로 사용되는 실리콘 웨이퍼(100)와 글래스(미 도시) 간의 접촉 불량이 야기될 소지도 있으므로 이에 대한 개선책이 시급하게 요구되고 있다.
이에 본 발명의 목적은, 다이어프램을 형성하기 위하여 실리콘 웨이퍼의 백면을 식각할 때 금속막의 언더컷이 이루어지지 않도록 공정을 변경해 주므로써, 공정 신뢰성 향상과 수율 향상을 동시에 기할 수 있도록 한 압력 센서 제조방법을 제공함에 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 압력 센서 패키지 제조방법을 도시한 공정수순도,
도 2a 내지 도 2c는 종래의 압력 센서 제조방법을 도시한 공정수순도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 의한 압력 센서 제조방법을 도시한 공정수순도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 실리콘 웨이퍼의 백면에 다층 적층 구조의 금속막을 형성하는 단계와; 상기 금속막의 중앙부가 소정 부분 노출되도록 상기 금속막 상에 제 1 마스크 패턴을 형성하는 단계와; 상기 제 1 마스크 패턴에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 금속막을 식각하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면이 소정 부분 노출되도록 한 다음, 상기 제 1 마스크 패턴을 제거하는 단계와; 상기 금속막의 상면과 측면이 둘러싸이도록 상기 실리콘 웨이퍼의 백면 소정 부분에 제 2 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 마스크 패턴에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 실리콘 웨이퍼 백면을 소정 두께 선택식각하여 다이어프램을 형성하는 단계로 이루어진 압력 센서 제조방법이 제공된다.
이때, 상기 금속막은 유테틱 다이 본딩 방식을 적용하여 압력 센서 패키지를 제조할 경우에는 "내화성 금속막/우수한 전도성 및 유테틱 조성의 금속막에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막/유테틱 조성의 금속막"의 적층 구조를 가지도록 형성되고, 솔더 다이 본딩 방식을 적용하여 압력 센서 패키지를 제조할 경우에는 "내화성 금속막/우수한 전도성 및 솔더에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막/산화방지용 금속막"의 적층 구조를 가지도록 형성된다.
상기 공정을 적용하여 압력 센서를 제조할 경우, 제 2 마스크 패턴을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 백면을 식각하더라도 금속막의 상면과 측면이 모두 제 2 마스크 패턴에 의해 둘러싸여져 있으므로 금속막이 언더컷되는 것을 막을 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에서 제시된 압력 센서 제조방법을 도시한 공정수순도를 나타낸 것으로, 이를 참조하여 그 제조방법을 제 3 단계로 구분하여 살펴보면 다음과 같다.
제 1 단계로서, 도 3a에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(200)의 프론트면에 집적회로를 설계한 후 기상증착법(evaporation)이나 스퍼터링법(sputtering)을 이용하여 그 백면에 다층 적층 구조의 금속막(202)을 형성하고, 상기 금속막(202)의 중앙부가 소정 부분 노출되도록 그 위에 포토레지스트 재질의 제 1 마스크 패턴(204)을 형성한다. 이때, 상기 금속막(202)은 후속 패키징 공정이 유테틱 다이 본딩 방식에 의해 진행될 경우에는 "내화성 금속막(202a)/우수한 전도성 및 유테틱 조성의 금속막에 젖음성(wetability)이 좋은 특성을 갖는 금속막(202b)/유테틱 조성의 금속막(202c)"의 적층 구조를 가지도록 형성되고, 반면 솔더 다이 본딩 방식에 의해 진행될 경우에는 "내화성 금속막(202a)/우수한 전도성 및 솔더에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막(202b)/산화방지용 금속막(202c)"의 적층 구조를 가지도록 형성된다. 이 경우, 상기 내화성 금속막(202a)으로는 Ti, Cr, W, Ti/W 합금 등이 사용되고, 우수한 전도성과 유테틱 조성의 금속막에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막(202b)으로는 Ni, Cu, Pt 등이 사용되며, 유테틱 조성의 금속막(202c)으로는 AuSn, AuGeSb, AuSi 등이 사용되고, 우수한 전도성 및 솔더에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막(202b)으로는 Ni, Cu, Pt 등이 사용되며, 산화방지용 금속막(202c)으로는 Au, Ag 등이 사용된다.
제 2 단계로서, 도 3b에 도시된 바와 같이 제 1 마스크 패턴(204)에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 금속막(202)을 식각하여 실리콘 웨이퍼(200)의 표면이 소정 부분 노출되도록 한 다음, 제 1 마스크 패턴(104)을 제거하고 상기 결과물 전면에 산화막이나 질화막 재질의 절연막을 형성한다. 이어, 실리콘 웨이퍼(200)의 중앙부가 소정 부분 노출되도록 상기 절연막을 선택식각하여 산화막이나 질화막 재질의 제 2 마스크 패턴(206)을 형성한다. 이때, 상기 절연막의 식각은 금속막(202)의 측면에 절연막이 잔존되도록 진행되므로, 제 2 마스크 패턴(206)은 금속막(202)의 상면과 측면을 둘러싸는 구조를 가지게 된다. 이와 같이 제 2 마스크 패턴(206)을 산화막이나 질화막 재질로 형성한 것은 상기 막질들이 실리콘 에천트로 사용되는 KOH나 TMAH에 대해 반응하지 않기 때문이다.
제 3 단계로서, 도 3c에 도시된 바와 같이 제 2 마스크 패턴(206)에 의해 보호되지 못한 실리콘 웨이퍼(200)의 백면을 TMAH나 KOH 등의 에천트를 이용하여 소정 두께 선택식각하여 다이어프램(200a)을 제작하고, 제 2 마스크 패턴(206)을 제거해 주므로써, 본 공정 진행을 완료한다.
이와 같이 압력 센서를 제조할 경우, 금속막(202)이 제 2 마스크 패턴(206)에 의해 둘러싸이게 되므로, 이를 마스크로 이용하여 실리콘 웨이퍼(200)의 백면을 소정 두께 식각하더라도 금속막(202)의 측면이 실리콘 에천트에 의해 언더컷되는 현상이 발생하지 않게 된다. 그 결과, 원치 않는 부위의 실리콘 웨이퍼(200)가 식각되는 현상이나 금속막이 손상되는 것을 막을 수 있게 되므로 공정 신뢰성 향상과 수율 향상을 동시에 이룰 수 있게 된다.
따라서, 상기 공정을 적용하여 제조된 압력 센서를 이용하여 후속 패키징 공정을 진행할 경우에는 압력 센서로 사용되는 실리콘 웨이퍼(200)와 글래스(미 도시) 간의 접촉 불량 발생 또한 막을 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 압력 센서 제조시 금속막의 상면과 층면을 둘러싸는 구조를 갖는 마스크 패턴을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 백면을 식각해 주는 방식으로 다이어프램을 형성해 주므로써, 실리콘 웨이퍼의 백면 식각시 금속막이 언더컷되는 것을 막을 수 있게 되므로 원치 않는 부위의 실리콘 웨이퍼가 식각되는 현상이나 금속막의 손상되는 것을 방지할 수 있게 되어 공정 신뢰성 향상과 수율 향상을 동시에 이룰 수 있게 된다.
Claims (9)
- 실리콘 웨이퍼의 백면에 다층 적층 구조의 금속막을 형성하는 단계와;상기 금속막의 중앙부가 소정 부분 노출되도록 상기 금속막 상에 제 1 마스크 패턴을 형성하는 단계와;상기 제 1 마스크 패턴에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 금속막을 식각하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면이 소정 부분 노출되도록 한 다음, 상기 제 1 마스크 패턴을 제거하는 단계와;상기 금속막의 상면과 측면이 둘러싸이도록 상기 실리콘 웨이퍼의 백면 소정 부분에 제 2 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제 2 마스크 패턴에 의해 보호되지 못한 부분의 상기 실리콘 웨이퍼 백면을 소정 두께 선택식각하여 다이어프램을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속막은 "내화성 금속막/우수한 전도성 및 유테틱 조성의 금속막에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막/유테틱 조성의 금속막"의 적층 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속막은 "내화성 금속막/우수한 전도성 및 솔더에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막/산화방지용 금속막"의 적층 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 내화성 금속막은 Ti, Cr, W, Ti/W 합금 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 우수한 전도성 및 유테틱 조성의 금속막에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막은 Ni, Cu, Pt 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 유테틱 조성의 금속막은 AuSn, AuGeSb, AuSi 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 우수한 전도성 및 솔더에 젖음성이 좋은 특성을 갖는 금속막은 Ni, Cu, Pt 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 산화방지용 금속막은 Au, Ag 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 마스크 패턴은 산화막이나 질화막 재질로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
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1998
- 1998-10-30 KR KR1019980046358A patent/KR100270477B1/ko not_active IP Right Cessation
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