KR100362010B1 - 열형 마이크로 유량/유속센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존 열형 마이크로 유량 및 유속센서에서 나타나는 센서 소형화의 한계 및 기판과 히터간의 낮은 단열특성과 온도측정부의 낮은 출력특성에 따른 측정감도 및 정밀도의 문제를 해결하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 실리콘 기판에 캐비티(cavity)를 형성하여 내부를 진공으로 유지시키는 절연막 멤브레인(membrane) 구조위에 n+다결정 실리콘(poly-Si), n+다결정 실리콘/p+다결정 실리콘, 백금(Pt)으로써 각각 제작된 히터와 상하류부의 써모파일(열전퇴: thermopile), 그리고 측온저항체(RTD: resistance thermal device)로써 이루어지는 열형 마이크로 유량/유속센서의 제조방법을 제공한다. 이와 같이 구성된 센서를 제조하기 위한 본 발명의 표면 마이크로머시닝(surface micromachining) 공정에 의해 높은 측정감도 및 정밀도를 가지는 미세한 크기의 마이크로 유량/유속센서를 구현할 수 있다.
Description
유량 및 유속은 일상생활에서 뿐만 아니라 항공, 조선, 자동차, 의료, 화공 등 산업의 모든 분야에서 중요한 물리적 측정량이 되며, 첨단산업의 급속한 발달에 따라 그 응용분야도 광범위하게 확대되고 있다. 유량/유속의 측정방법에는 가열부에서 발생하는 열을 이용한 온도차이, 오리피스에서 발생하는 압력손실, 매질속에서의 광, 초음파의 주파수 변화를 이용하는 방법 등이 있다. 현재 마이크로 유량센서에서 가장 널리 사용되고 있는 방법은 가열부와 유체간의 열전달 현상을 이용한 것이다. 이는 압력차, 광, 초음파에 의한 방법보다 구성과 동작원리가 간단하고,또한 마이크로머시닝 공정을 이용한 센서 구조체의 제작이 가능한 장점이 있다.
지금까지 대부분의 열형 마이크로 유량센서들은 기판인 실리콘의 이방성 식각을 이용한 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정으로 제작된 브리지(bridge), 캔티레버(cantilever) 등의 형태가 기본구조를 이루고 있다. 이들 센서의 경우 저응력, 또는 적층구조 절연막을 사용하여 구조체의 잔류응력을 감소시키거나 지벡 계수(Seebeck coefficient)나 열전대 갯수의 증가 등에 의해 히터부와 온도센서부의 특성개선을 도모하고 있다.
앞서 기술한 종래의 발명은 구조체가 이방성 식각된 실리콘 구멍위나 실리콘 에치 피트(etch pit)상에 놓여져 기판으로의 열손실이 크고 구조체 주위의 난류흐름이 발생되기 쉬우며 측온저항체 등을 온도측정부로 사용하므로 낮은 출력특성을 가지며, 또한 벌크 마이크로머시닝에 의해 제조되므로 구조체의 미세화에 제약이 있다. 따라서, 센서의 측정감도와 정밀도가 낮고 소모전력과 구조체의 크기가 비교적 크며 측정대상 유체의 종류가 한정적이고 측정범위 역시 좁다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 센서 크기의 초소형화, 히터 및 온도측정부와 기판간에 우수한 단열특성, 구조체 주위의 층류유동 상태 유지, 온도측정부의 높은 출력전압 특성을 구현하여 높은 측정감도 및 정밀도, 낮은 소요전력의 특성을 가지는 미세한 크기의 열형 마이크로 유량/유속센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 열형 마이크로 유량/유속센서 제조방법은 실리콘 기판에 캐비티 영역을 형성한 후 희생층 산화막 채널을 형성하는 단계와, 상기 산화막 채널과 식각 구멍을 이용하여 멤브레인 및 캐비티를 형성하는 단계와, 상기 캐비티를 진공 밀봉한 후 히터 및 하부/상부 써모파일을 형성하는 단계와, 상기 히터부 및 하부/상부 써모파일부에 콘택창을 형성하는 단계와, 상기 콘택창을 통해 금속 배선을 형성하고 측온저항체를 형성한 후 보호막 증착 및 패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열형 마이크로 유량/유속센서의 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열형 마이크로 유량/유속센서의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열형 마이크로 유량/유속센서의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101, 201, 300: 실리콘 기판 102, 202, 313, 315: 캐비티
103, 203, 309: 멤브레인 104, 204, 317: 히터
105, 205: 상류부 써모파일 106, 206: 하류부 써모파일
107, 108, 207, 208, 330A: 측온저항체 109, 209: 희생층 산화막 채널
110, 210, 311: 식각 구멍 116, 216, 325A, 326: 금속 배선
118, 218, 333: 패드 211, 314: 밀봉 절연막
212, 316, 317: n+도핑된 다결정 실리콘 213, 215: 층간절연막
214, 320: p+도핑된 다결정 실리콘 217, 331: 보호막
219, 301,306: 실리콘 열산화막 302: 실리콘 질화막
303: TEOS 실리콘 산화막 305: 캐비티 영역
304, 308, 310, 318, 321, 323, 327, 328, 332: 감광막
307, 319, 322: 저온 실리콘 산화막 312: 열차단벽
324: 콘택창 325: 확산방지층
329: 티타늄 박막 330: 백금 박막
도 1과 도 2는 본 발명의 제조방법에 따라 제작된 열형 마이크로 유량/유속센서의 평면도와 단면도이다.
본 발명의 제조방법에 따른 열형 마이크로 센서는 CMOS 반도체 공정을 사용한 표면 마이크로머시닝에 의해 제작되며, 실리콘 기판(101, 201)에 형성된 진공 캐비티(102, 202)와 멤브레인(103, 203), 히터(104, 204), 써모파일(105, 106, 205, 206), 그리고 측온저항체(107, 108, 207, 208)의 크게 5 부분으로 구성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열형 마이크로 유량/유속센서의 제조방법을 나타내고 있다.
이하 본 발명에 따른 실시 예를 도 1 및 도 2의 도면부호와 비교하여 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 열형 마이크로 유량센서의 제조 방법은 9 개의 마스크층을 사용하는 CMOS 실리콘 반도체 일관공정으로 요약할 수 있다.
도 3(a)에서, 먼저 캐비티 영역(102, 202)을 형성하기 위하여 실리콘 기판(300)을 400Å 두께로 열산화하여 응력 완화층인 실리콘 열산화막(SiO2)(301)을 만든 후 저압 화학기상증착(LPCVD: low pressure chemical vapor deposition)이나 플라즈마 화학기상증착(PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition)으로 실리콘 질화막(Si3N4)(1200Å)(302)과 TEOS 실리콘 산화막(SiO2)(8000Å)(303)을 순차적으로 증착한다.
도 3(b)에서, 첫번째 마스크를 사용하여 감광막(PR: photoresist)(304)을 패터닝하여 실리콘 기판(300)상의 캐비티 영역(305)을 크기 100×100 ㎛2으로 정의하고 트렌치(trench) 형성용 마스킹 박막들을 건식 식각(dry etching)한 후 실리콘 기판(300)을 깊이 2 ~ 5 ㎛로 트렌치 식각하여 미세선폭부를 형성한다.
도 3(c)에서, TEOS SiO2층(303)을 습식 식각(wet etching)으로 제거하고 실리콘 기판(300)에 형성된 미세 트렌치 선폭부를 고온의 전기로(furnace)에서 열산화하여 실리콘 열산화막(219, 306)으로 채운다.
도 3(d)에서, 캐비티 영역(305)의 열산화막(306)을 HF 습식 식각 및 기상 식각(gas phase etching)으로 제거하기 위한 희생층 산화막 채널(109, 209)을 형성하기 위하여, 먼저 Si3N4막(302)을 습식 식각으로 제거하고 저온 실리콘 산화막(LTO: low temperature oxide)(307)을 LPCVD나 PECVD법으로 4000 ~ 5000Å두께로 증착한다.
도 3(e)에서, 두번째 마스크로써 PR(308)을 패터닝하여 희생층 산화막 채널 영역을 정의한 후 LTO(307)와 실리콘 열산화막(301)을 습식 식각하고 PR(308)을 제거한다.
도 3(f)에서, 희생층 산화막 채널 위에 LPCVD 또는 PECVD법으로 저응력 Si3N4막, 또는 Si3N4/SiO2/Si3N4적층박막을 0.8 ~ 1.2 ㎛ 두께로 증착하여 멤브레인 모재(103, 203, 309)를 형성한다. 그리고 세번째 마스크로 PR(310)을 패터닝하여 식각 구멍(110, 210, 311)과 히터로부터 측방향으로의 열전달을 차단하기 위한 열차단벽(312)을 형성한다.
도 3(g)에서, PR(310)을 제거한 후 식각 구멍(110, 210, 311)과 희생층 산화막 채널(109, 209)을 이용하여 HF 습식 식각 또는 기상 식각으로 캐비티 영역의 실리콘 열산화막(219, 306)과 희생층 산화막 채널(109, 209)내의 실리콘 산화막(301, 307)을 제거하여 실리콘 기판(300)내에 캐비티(313)를 형성한다.
도 3(h)에서, LPCVD 또는 PECVD법으로 절연막(211, 314)을 4000 ~ 6000Å 두께로 증착하여 캐비티(313)를 진공 밀봉함으로써 크기 100×100 ㎛2, 깊이 2 ~ 5 ㎛의 진공 캐비티(102, 202, 315)와 멤브레인(103, 203, 309)을 형성한다. 그리고 LPCVD 또는 PECVD법으로 다결정 실리콘(poly-Si: polysilicon)을 2000 ~ 5000Å 두께로 증착한 후 전기로에서 POCl3을 확산시켜 n+도핑된(doped) poly-Si막(316,317)을 형성하고 네번째 마스크로써 PR(318)을 패터닝한 후 건식 식각하여 히터(104, 204, 317)와 하부의 써모파일(thermopile)(212, 316)을 만든다.
도 3(i)에서, PR(318)을 제거한 후 LPCVD법으로 LTO막(213, 319)을 4000 ~ 6000Å 두께로 증착하여 층간절연막을 형성한다. 이때 LTO막 이외에 TEOS SiO2막, PECVD SiO2막, BPSG막, PSG막, SOG막 등을 다양한 두께로 조합하면 평탄도가 더욱 양호한 층간절연막을 형성할 수 있다. n+도핑된 poly-Si 히터(104, 204, 317)의 선폭은 2 ㎛, 면저항은 25 Ω/□로 약 2 ㏀의 저항을 가지는데 1 ~ 2 ㎃의 전류로써 2 ~ 8 ㎽ 정도의 출력을 얻을 수 있다.
도 3(j)에서, LPCVD 또는 PECVD법으로 poly-Si막을 2000 ~ 5000Å 두께로 증착한 후 B11을 이온주입하여 p+도핑된 poly-Si막(320)을 형성하고 다섯번째 마스크로써 PR(321)을 패터닝한 후 건식 식각하여 상부의 써모파일(214, 320)을 만든다.
도 3(k)에서, PR(321)을 제거한 후 LPCVD법으로 LTO막(322)을 4000 ~ 6000Å 두께 증착하여 층간절연막을 형성한다. 이때 LTO막 이외에 TEOS SiO2막, PECVD SiO2막, BPSG막, PSG막, SOG막 등을 다양한 두께로 조합하면 평탄도가 더욱 양호한 층간절연막을 형성할 수 있다.
도 3(l)에서, 여섯번째 마스크를 사용하여 PR(323)을 패터닝한 후 LTO막(213, 215, 319, 322)인 층간절연막을 건식 식각하여 히터부(317) 및 상, 하부 써모파일부(316, 320)의 전기적인 연결을 위한 콘택창(contact window)(324)을형성한다.
도 3(m)에서, PR(323)을 제거한 다음 스퍼터링(sputtering)법으로 300 ~ 1000Å 두께의 Pt 또는 Ti 박막을 증착한 후 신터링(sintering)을 수행하여 콘택부의 전기저항을 낮춘다. 이때 Pt를 사용하는 경우는 콘택 접촉부외의 Pt를 습식 식각으로 제거한다. 그리고 TiW 또는 TiN막을 확산방지층(325)으로, Al을 배선층(326)으로 각각 750 ~ 2500Å, > 8000Å 두께로 스퍼터 증착한다. 마지막으로 다시 TiW 또는 TiN막을 반사방지층으로 스퍼터 증착한다.
도 3(n)에서, 일곱번째 마스크로써 PR(327)을 패터닝한 후 TiW/Al/TiW, 또는 TiN/Al/TiN/Ti로 이루어진 배선 적층(metal stack)을 건식 식각한다.
도 3(o)에서, PR(327)을 제거하고 전기로에서 얼로잉(alloying) 하여 금속배선(116, 216, 325A)을 형성한다.
도 3(p)에서, 여덟번째 마스크로써 PR(328)을 두껍게 패터닝한다.
도 3(q)에서, 전체 상부에, 또는 300 ~ 500Å 두께의 Ti막(329)을 증착한 후에 스퍼터법이나 전자빔 기화법(e-beam evaporation)으로 500 ~ 2000Å 두께의 Pt막(330)을 증착한다.
도 3(r)에서, PR(328)을 리프트-오프 공정(lift-off process)으로 제거하여 50 ~ 500 Ω의 2 개의 Pt 측온저항체(107, 108, 207, 208, 330A)를 형성한다. 이는 히터 온도와 멤브레인 바깥 부위의 벌크 유체 온도(Tf)를 측정하여 히터의 과열방지와 센서 측정값의 옵셋 보상을 수행하기 위함이다.
도 3(s)에서, PECVD법으로 Si3N4또는 SiO2를 보호막(217, 331)으로서 증착하고 마지막 마스크로써 PR(332)을 패터닝 한다.
도 3(t)에서, 열형 마이크로 유량/유속센서는 보호막(331)을 건식 식각후 PR(332)을 제거하여 외부 도선과의 접촉을 위한 패드(pad)(118, 218, 333)를 형성함으로써 완성된다.
본 발명의 제조방법에 따른 써모파일(105, 106, 205, 206)은 히터(104, 204)에서 발산되는 열로 인한 상하류부의 유체 온도변화를 측정하는 것으로, 금속/도핑된 poly-Si의 접합으로 이루어진 열전대보다 출력전압 특성이 큰 n+도핑된 poly-Si(212)/p+도핑된 poly-Si(214)의 접합으로 구성된 열전대가 10 ~ 20 개의 배열을 이루고 있다. 이때 히터를 중심으로 상류부의 써모파일(105, 205)과 하류부의 써모파일(106, 206)의 출력전압은 각각 다음의 [수학식1]과 [수학식 2]로 구해진다.
여기에서 Vo(u), Vo(d)는 각각 상류부 및 하류부 써모파일의 출력전압이고, n은 써모파일을 구성하는 열전대의 갯수, α(n+ poly-Si/p+ poly-Si)는 열전대 1 개의 지벡계수, Tu는 상류부 써모파일(105, 205)의 온접점 온도, Td는 하류부 써모파일(106, 206)의 온접점 온도, Tf는 벌크상태의 동작유체 온도를 각각 나타낸다. 따라서 써모파일의 출력전압 특성을 높이기 위해서는 도핑농도의 영향을 받는 지벡 계수가 높고 열전대의 갯수가 많아야 한다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의한 써모파일(105, 106, 205, 206) 온도센서는 n+poly- Si(212)/p+poly-Si(214)의 면저항값 비율을 변화시킴으로써 열전대 한 개당 수 십 ~ 수 백 ㎶/K의 큰 기전력이 출력된다. 또한, 열전대 갯수와 도핑농도를 변화시킴으로써 mV 단위 이상의 높은 써모파일 출력을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 유량/유속센서의 동작원리는 히터부에서 발생한 열을 유체가 상류부에서 하류부로 이동시키는 열전달 현상을 이용하여 극미량의 유량 및 유속을 측정하게 된다. 이때 상하류부 써모파일을 이용한 센서의 출력전압은 다음의 [수학식 3]으로 구해진다.
여기에서 센서의 출력전압 Vo(o)는 상하류부의 온도차이에 따른 함수로 나타남을 알 수 있다. 이 값은 유속 V ∝ Vo(o), 체적유량 Q ∝ AVo(o), 질량유량 m ∝ ρAVo(o)과 비례관계에 있으므로 이를 이용하여 유체의 유속, 체적유량, 질량유량을구할 수 있다. 이때 ρ와 A는 각각 동작유체의 밀도와 유동 채널의 단면적을 나타낸다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함으로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
본 발명에서는 열형 마이크로 유량/유속센서에서 센서의 초소형화와 기판과 히터간의 단열특성을 개선시키기 위해서 표면 마이크로머시닝 공정으로 실리콘 기판에 캐비티를 형성하고 내부를 진공으로 유지시키는 멤브레인형의 새로운 열형 마이크로 유량/유속센서의 제조방법을 제공하였다.
본 발명의 제조방법은 기존의 벌크 마이크로머시닝 공정에 의한 마이크로 센서 제조방법과는 달리 CMOS 실리콘 반도체 일관공정을 이용하는 표면 마이크로머시닝 공정이므로 센서의 정밀도 향상 및 초소형화와 저가격으로 대량생산을 구현할 수 있다.
진공 캐비티와 멤브레인 구조의 조합에 의해 히터와 기판간의 단열효과를 높여 동작유체에 더욱 많은 열량을 공급할 수 있다. 따라서 센서 구조체의 측정감도와 정밀도를 높이고 히터 소모전력을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 열형 마이크로 유량/유속센서의 제조방법에 따르면 표면 마이크로머시닝 공정으로 실리콘 기판에 캐비티를 형성하고 그 위에 멤브레인 구조를제작하여 절연막으로 캐비티 내부를 진공으로 밀봉하므로 구조체가 2 차원의 평면적으로 제작되어, 구조체 주위의 층류유동을 보장하여 정밀도 향상에 기여한다.
멤브레인 중앙부에 제작된 n+poly-Si 히터는 선폭 2 ㎛, 면저항 25 Ω/□로 약 2 ㏀의 저항을 가져 1 ~ 2 ㎃의 전류로써 2 ~ 8 ㎽ 정도의 전력으로 동작한다. 따라서 종래의 금속재료로 된 히터를 가진 센서가 정상 동작을 하기 위해서는 최소 5 ~ 10 mW 이상의 소요전력이 요구되는 것과 비교하여 소비전력이 작고 응답속도가 빠르며 안정적인 동작특성을 나타냄과 함께 도핑 농도를 조절함에 의해 그 출력특성을 조절할 수 있다.
본 발명에서 온도센서로서 사용한 2 개의 써모파일은 히터에서 발산되는 열로 인한 상하류부의 유체 온도변화를 측정하는 것으로 열전대가 각각 10 ~ 20 개의 배열을 이루고 있다. 본 발명의 써모파일 제조방법에 따른면 구성재료인 n+poly- Si/p+poly-Si의 면저항값 비율, 즉 도핑 농도비를 변화시킴으로써 열전대 한 개당 수 십 ~ 수 백 ㎶/K의 큰 기전력을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에서 열전대 갯수를 변화시킴으로써 종래의 금속 측온저항체나 단일 금속합금 열전대를 이용한 온도센서보다 훨씬 큰 mV 단위 이상의 높은 센서 출력을 구현할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 히터부와 멤브레인 바깥 부위에 각각 접촉되어 있는 2 개의 Pt 측온저항체는 히터 온도와 벌크 동작유체 온도를 측정한다. 따라서 히터의 과열방지와 써모파일에 의한 센서 측정값의 옵셋 보상을 수행함에 의해 센서의 안전성 보장과 정밀도 향상에 기여한다.
Claims (7)
- 실리콘 기판에 진공 캐비티 영역을 형성한 후 희생층 산화막 채널을 형성하는 단계와,상기 희생층 산화막 채널이나 식각 구멍을 이용하여 멤브레인 및 캐비티를 형성하는 단계와,상기 캐비티를 진공 밀봉한 후 히터 및 하부/상부 써모파일을 형성하는 단계와,상기 히터부 및 하부/상부 써모파일부에 콘택창을 형성하는 단계와,상기 콘택창을 통해 금속배선을 형성한 후 측온저항체를 형성하고 보호막 증착 및 패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 진공 캐비티는 실리콘 기판의 트렌치 식각으로 이루어진 미세 선폭부를 열산화하고 그 위에 희생층 산화막 채널을 형성한 후 절연막 멤브레인 모재를 증착하고 식각 구멍을 형성한 다음 실리콘 산화막을 제거한 후 저압 화학기상증착이나 플라즈마 화학기상증착법에 의해 절연막을 증착하여 식각구멍이나 희생층 산화막 채널을 밀봉함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 실리콘 산화막을 제거하는 방법은 식각 구멍을 통해 유입된 HF가 희생층 산화막 채널과 캐비티 영역내의 실리콘 산화막을 식각함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 실리콘 산화막을 제거하는 방법은 HF 습식 식각이나 HF 기상 식각, 또는 두 가지 식각방법을 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 히터 및 써모파일은 다결정 실리콘 증착후 이온주입이나 확산공정에 의해 n형 및 p형의 도핑농도와 전기저항이 조절되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 써모파일은 하부의 n+다결정 실리콘 도선, 층간절연막, 상부의 p+다결정 실리콘 도선으로 이루어지는 수직 구조로 형성되며, 도선은 그 양끝단에 형성된 콘택창을 통한 알루미늄 배선을 매개로 상호 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 측온저항체는 감광막을 패터닝한 부분에만 백금 박막층을 형성하는 리프트-오프 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유량/유속센서의 제조방법.
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