KR100331799B1 - 압력센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

제조공정이 간단하고 측정감도가 높은 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 일정 패턴으로 형성되는 나선형 인덕터와, 인덕터상에 일정 공간을 두고 에어 브릿지 형태로 상호 교차하는 상/하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극이 교차되는 기판상에 형성되고 외부의 압력 변화에 따라 움직이는 다이아프램이 마련된다. 그리고, 다이아프램은 기판을 관통하는 비어홀과, 비어홀이 형성된 기판상에 형성되고 비어홀을 통해 유입되는 압력의 변화에 따라 움직이는 맴브레인과, 맴브레인상에 형성되는 전극으로 구성된다. 그러므로, 본 발명은 센서의 신뢰성이 좋고, 정확하게 센서의 감도를 측정할 수 있으며, 센서의 제작 공정이 간단하여 공정에 소요되는 시간이 짧고, 센서의 수율이 좋다.

Description

압력센서 및 그 제조방법{pressure sensor and method for fabricating the same}

본 발명은 마이크로머시닝(micromaching) 기술을 이용한 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

지금까지 많은 압력 센서들(pressure sensors)이 연구되고 개발되어 왔다.

하지만, 종래의 센서들은 제작 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라, 감도(sensitivity)를 정확하게 측정하는데 많은 어려움이 있었다.

일 예로 센서들 중의 하나인 정전용량형 압력센서(capacitive pressure sensor)의 경우, 센서의 감도를 측정할 때 발생되는 기생 정전용량들(parasitic capacitances), 예를 들면 사용된 기판으로부터 오는 기생 정전용량, 프로브(probe)를 콘택(contact)할 때 오는 기생 정전용량, 와이어 본딩(wire bonding)할 때 오는 기생 정전용량 등으로 인하여 센서의 감도(sensitivity)를 정확하면서도 빨리 측정하기란 그리 쉽지가 않다.

그 이유는 기생 정전용량이 압력(pressure)에 의해서 변화된 센서의 정전용량(capacitance)보다도 훨씬 크기 때문이다.

다시말하면, 기생 정전용량에 의한 잡음이 센서의 감지신호에 비해서 훨씬 크기 때문에 정확하게 센서의 감지신호를 측정하기가 어렵다.

그러므로, 이러한 문제들을 해결하기 위하여 종래에는 따로 특별히 디자인된 주변회로를 추가하였지만, 이를 제작하기 위한 시간 및 비용이 추가되는 문제가 발생하였다.

이상에서 설명한 바와 같은 종래의 압력센서에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 기생 정전용량으로 인하여 센서의 감도를 정확하게 측정할 수가 없다.

둘째, 센서의 감도를 측정하기 위해서는 주변회로가 추가되므로 제조 시간 및 비용이 상승한다.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로, 제조공정이 간단하고 측정감도가 높은 압력센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압력센서의 구조를 보여주는 사시도

도 2는 본 발명에 따른 압력센서의 회로도

도 3은 도 1의 상부 전극이 제거된 압력센서를 보여주는 사시도

도 4는 도 3의 다이아프램을 보여주는 상세도

도 5a 내지 도 5h는 본 발명에 따른 압력센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 기판 12 : 맴브레인

13 : Cr/Au층 14 : 희생층

15 : Cr/Au/Ti층 16 : 포토레지스트

17 : 금속층 18 : 쉴드 플레이트

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 압력센서는 기판상에 일정 패턴으로 형성되는 인덕터와, 인덕터상에 일정 공간을 두고 에어 브릿지 형태로 상호 교차하는 상/하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극이 교차되는 기판상에 형성되고 외부의 압력 변화에 따라 움직이는 다이아프램이 마련된다.

그리고, 다이아프램은 기판을 관통하는 비어홀과, 비어홀이 형성된 기판상에 형성되고 비어홀을 통해 유입되는 압력의 변화에 따라 움직이는 맴브레인과, 맴브레인상에 형성되는 전극으로 구성된다.

이러한 구조의 본 발명은 나선형 인덕터와 압력에 따라 움직이는 다이아프램이 에어 브릿지 형태의 상/하부 전극으로 보호되어 신뢰성이 좋고 센서의 측정 감도가 좋다.

한편, 본 발명에 따른 압력센서 제조방법은 기판 앞면 위에 맴브레인을 형성하고 기판 뒷면의 소정영역을 패터닝하여 비어홀을 형성하는 단계와, 맴브레인 위에 제 1 금속층을 형성하고 패터닝하여 비어홀 상부에 전극을, 전극 주위에 인덕터 및 본딩 패드들을 형성하는 단계와, 전면에 희생층을 형성하고 패터닝하여 전극 및본딩 패드들의 일부만을 노출시키는 단계와, 패터닝된 희생층 위에 제 2 금속층을 형성하고 패터닝하여 소정 형태의 틀을 형성하는 단계와, 전면에 제 3 금속층을 형성하고 틀 및 희생층을 제거하여 에어 브릿지 형태로 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 상부 전극과 에어 브릿지 형태로 전극과 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 하부 전극을 형성하는 단계로 이루어진다.

여기서, 맴브레인을 실리콘 옥사이드나 실리콘 나이트라이드로 형성하는 경우에는 희생층을 포토레지스트로 형성하고, 맴브레인을 폴리머로 형성하는 경우에는 희생층을 Al로 형성한다.

그리고, 제 1 금속층은 Cr/Au로 형성하고, 제 2 금속층은 Cr/Au/Ti로 형성하며, 제 3 금속층은 NiFe, Ni, Au, Cu 중 어느 하나로 형성한다.

이러한 공정의 본 발명은 공정이 간단하고 공정 시간이 짧으며 센서의 수율이 높다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 압력센서 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 압력센서의 구조를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 압력센서의 회로도이다.

본 발명에 따른 압력센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 나선형 인덕터(spiral inductor)와 압력에 의해서 정전용량(capacitance)이 변화되는 가변커패시터(variable capacitor)로 구성되어 있다.

즉, 본 발명의 센서는 도 2에 도시된 바와 같이, 가변 커패시터와 나선형 인덕터가 병렬로 연결된 공진회로로 구성되어 있어서, 압력에 의해서 공진회로의 정전용량(capacitance)이 변화되고 변화된 정전용량으로 인하여 공진 주파수가 변화하게 된다.

이렇게 변화된 공진 주파수와 가해진 압력의 비가 이 센서의 감도가 되는 것이다.

본 발명의 구조를 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 도 1의 상부 전극이 제거된 압력센서를 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3의 다이아프램을 보여주는 상세도이다.

본 발명의 압력센서는 도 1, 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판 위에 나선형의 인덕터가 형성되고, 그 중심부에는 다이아프램(diaphragm)이 형성되며, 나선형 인덕터 주변에는 본딩 패드들이 형성되어 있다.

여기서, 다이아프램은 비어홀(via hole)이 형성된 기판 위에 형성되는 맴브레인과, 맴브레인 위에 형성되는 가변 커패시터의 하부 전극으로 이루어지는데, 맴브레인은 비어홀을 통해 유입되는 압력의 변화에 따라 움직이게 된다.

그리고, 나선형 인덕터 위에 일정 공간을 두고 메탈 에어 브릿지(metal air bridge)가 가변 커패시터의 하부 전극과 본딩 패드에 전기적으로 연결되어 있고, 에어 브릿지 형태를 갖는 가변 커패시터의 상부 전극이 하부 전극에 상호 교차되도록 메탈 에어 브릿지에 수직한 방향으로 형성되어 본딩 패드에 전기적으로 연결되어 있다.

여기서, 가변 커패시터의 상/하부 전극을 에어 브릿지 형태로 형성하는 이유는 나선형 인덕터와 전기적으로 쇼트(short)되지 않도록 하기 위해서이다.

한편, 나선형 인덕터는 가변 커패시터의 상/하부 전극에 각각 전기적으로 연결되어 인덕터와 가변 커패시터가 병렬 구조를 이룬다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 압력센서는 유선과 무선방식으로 센서의 감도를 정확하게 측정할 수 있다.

유선방식은 가변 커패시터의 상부 전극과 전기적으로 연결된 패드들과 가변 커패시터의 하부 전극과 전기적으로 연결된 패드들을 이용하여 측정하는 방식이다.

즉, 기판의 비어홀을 통해 압력이 인가되면, 맴브레인이 압력의 변화에 따라 움직이면서 가변 커패시터의 정전용량에 변화가 나타나게 된다.

그러면, 와이어(wire)를 가변 커패시터의 상/하부 전극들에 연결된 패드들에 연결하여 변화된 가변 커패시터의 정전용량 및 공진 주파수를 측정한 다음, 변화된 공진 주파수와 인가되어진 압력의 비를 계산하여 센서의 감도를 측정한다.

한편, 무선방식은 와이어(wire)나 프로브(probe)를 가변 커패시터의 상/하부 전극에 전기적으로 연결된 패드들에 연결시키지 않고, 안테나 코일(antenna coil)을 이용하여 측정하는 방식이다.

즉, 외부의 압력에 의해 변화되는 가변 커패시터의 정전용량 및 공진 주파수를 안테나 코일로 측정하고, 변화된 공진 주파수와 인가되어진 압력의 비를 계산하여 센서의 감도를 측정한다.

도 5a 내지 도 5h는 본 발명에 따른 압력센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(11)의 앞면 위에 실리콘 옥사이드(silicon oxide), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride), 폴리머(polymer) 중 어느 하나로 이루어진 맴브레인(membrane)(12)을 형성한다.

여기서, 맴브레인(12)이 폴리머인 경우에는 쿠어링(curing)을 하여야 한다.

그리고, 도 5b에 도시된 바와 같이 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 패턴을 만들고 ICP((Inductively Coupled Plasma)를 이용한 건식 에칭(dry etching)이나 또는 KOH, EDP 등을 이용한 습식 에칭(wet etching)을 이용하여 기판(11) 뒷면에 비어홀(via hole)을 형성한다.

이어, 맴브레인 위에 Cr/Au층(13)을 스퍼터(sputter)나 이베포레이터(evaporator)를 이용하여 순차적으로 형성한다.

그 다음으로 도 5c에 도시된 바와 같이, Cr/Au층(13)을 포토리소그래피 공정과 습식 에칭으로 패터닝하여 나선형 인덕터, 가변 커패시터의 하부 전극, 본딩 패드들을 형성한다.

이어, 도 5d에 도시된 바와 같이 패터닝된 Cr/Au층(13) 위에 맴브레인(12)이 움직일 수 있는 공간을 제공하기 위해 포토레지스트(photoresist)나 또는 Al으로 이루어진 희생층(14)을 형성하고, 패터닝하여 하부 전극 및 본딩 패드들의 일부만을 노출시킨다.

여기서, 맴브레인(12)이 실리콘 옥사이드나 실리콘 나이트라이드로 이루어진 경우에는 포토레지스트로 이루어진 희생층(14)을 형성하고, 맴브레인(12)이 폴리머로 이루어진 경우에는 Al로 이루어진 희생층(14)을 형성한다.

그리고, 도 5e에 도시된 바와 같이 스퍼터를 이용하여 패터닝된 희생층(14) 위에 Cr/Au/Ti층(15)을 형성하고, 그 위에 포토레지스트(16)를 형성한 후, 패터닝하여 전기도금(electroplating)을 위한 몰드(mold)을 만든다.

이어, 도 5f에 도시된 바와 같이 전기도금을 이용하여 NiFe, Ni, Au, Cu 중 어느 하나로 이루어진 금속층(17)을 몰드에 채운 다음, Cr/Au/Ti층(15) 및 포토레지스트(16)를 제거하여 본딩 패드들에 전기적으로 연결되는 가변 커패시터의 상부 전극과 하부전극과 본딩 패드들에 전기적으로 연결되는 메탈 에어 브릿지를 형성한다.

그 다음으로, 도 5g에 도시된 바와 같이 건식 에칭 또는 습식 에칭을 이용하여 희생층(14)을 제거하여 맴브레인(12)이 움직일 수 있는 공간을 제공한다.

마지막으로, 도 5h에 도시된 바와 같이 압력센서를 보호하기 위하여 가변 커페시터의 상/하부 전극을 포함한 기판 전면을 덮도록 쉴드 플레이트(shield plate)(18)을 형성하여 압력센서를 진공 패키징(packageing)시킴으로써, 압력센서가 완성된다.

이와 같이, 압력센서를 만드는 공정은 CMOS 공정과 거의 유사하여 CMOS 회로 셀계를 압력센서와 동시에 만들 수가 있고, 기판을 실리콘(silicon)으로 형성하기 때문에 일괄 공정(batch fabrication)으로 하나의 기판 위에 수 만개의 압력센서를 동시에 만들 수가 있는 장점이 있다.

또한, 제조 공정시, 4개의 마스크(mask)만을 이용하기 때문에 공정이 쉽고높은 수율을 얻을 수가 있다.

그리고, 본 발명의 압력센서는 낮은 온도(약 250 ∼ 300℃)에서 제작되어지고, 움직이는 맴브레인이 기판의 소정영역에 패턴(pattern)되어 있지 않고 기판 전체에 도포되어 있으며, 그 맴브레인 주위에 가변 커패시터의 상부 전극 및 메탈 에어 브릿지가 클램핑(clamping)하고 있으므로 맴브레인의 신뢰성이 증가되는 장점이 있다.

본 발명에 따른 압력센서 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 인덕터와 다이아프램이 에어 브릿지로 보호되고 유/무선 방식을 이용하여 센서의 감도를 측정하므로, 센서의 신뢰성이 좋고, 정확하게 센서의 감도를 측정할 수 있다.

둘째, 센서의 제작 공정이 간단하여 공정에 소요되는 시간이 짧고, 센서의 수율이 좋다.

셋째, 공정이 CMOS 공정과 유사하므로 CMOS 회로 설계와 함께 실리콘 기판 위에 수 만개의 센서들을 동시에 제작할 수 있다.

Claims (9)

1. 기판상에 일정 패턴으로 형성되는 인덕터;

   상기 인덕터상에 일정 공간을 두고 에어 브릿지 형태로 상호 교차하는 상/하부 전극; 그리고,

   상기 상부 전극과 하부 전극이 교차되는 기판상에 형성되고, 외부의 압력 변화에 따라 움직이는 다이아프램으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인덕터는 나선형으로 형성되며, 상기 상/하부 전극에 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판상에 형성되고, 상기 상/하부 전극의 양 끝단에 각각 전기적으로 연결되는 본딩 패드들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아프램은

   상기 기판을 관통하는 비어홀;

   상기 비어홀이 형성된 기판상에 형성되고, 상기 비어홀을 통해 유입되는 압력의 변화에 따라 움직이는 맴브레인; 그리고,

   상기 맴브레인상에 형성되는 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
5. 기판 앞면 위에 맴브레인을 형성하고, 상기 기판 뒷면의 소정영역을 패터닝하여 비어홀을 형성하는 제 1 단계;

   상기 맴브레인 위에 제 1 금속층을 형성하고, 패터닝하여 상기 비어홀 상부에 전극을, 상기 전극 주위에 인덕터 및 본딩 패드들을 형성하는 제 2 단계;

   전면에 희생층을 형성하고, 패터닝하여 상기 전극 및 본딩 패드들의 일부만을 노출시키는 제 3 단계;

   상기 패터닝된 희생층 위에 제 2 금속층을 형성하고, 패터닝하여 소정 형태의 틀을 형성하는 제 4 단계; 그리고,

   전면에 제 3 금속층을 형성하고, 상기 틀 및 희생층을 제거하여 에어 브릿지 형태로 상기 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 상부 전극과 에어 브릿지 형태로 상기 전극과 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 하부 전극을 형성하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 금속층은 Cr/Au로 이루어지고, 상기 제 2 금속층은 Cr/Au/Ti로 이루어지며, 상기 제 3 금속층은 NiFe, Ni, Au, Cu 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 희생층은 포토레지스트, Al 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 포토레지스트로 이루어진 희생층은 상기 맴브레인이 실리콘 옥사이드나 실리콘 나이트라이드로 이루어진 경우에 사용되고, 상기 Al로 이루어진 희생층은 상기 맴브레인이 폴리머로 이루어진 경우에 사용되는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 제 5 단계 후,

   상기 에어 브릿지 형태의 상/하부 전극을 포함한 전면을 덮도록 상기 기판 상부에 형성되는 쉴드 플레이트(shield plate)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.