KR100555650B1 - 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 ｍｅｍｓ센서와 그 제조방법, 및 그것을 사용하는 타이어 압력모니터링 시스템 - Google Patents

압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 ｍｅｍｓ센서와 그 제조방법, 및 그것을 사용하는 타이어 압력모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서는 하나의 실리콘 웨이퍼, 및 실리콘 웨이퍼에 형성된 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 구비하는 하나의 칩으로 구성된다. 본 발명의 MEMS 센서의 제조 방법은 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체를 형성하는 단계, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 온도 센서의 박막형 금속 저항체를 형성하는 단계, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 압력 센서의 전극과 배선, 온도 센서의 접점 패드 및 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 단계, 및 실리콘 웨이퍼의 제 1 면 및 제 2 면을 선택적으로 식각하여 압력 센서의 다이아프램과 가속도 센서의 질량체와 지지빔을 형성하는 단계로 구성된다. 본 발명의 MEMS 센서는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정하거나, 압력 측정시 온도 및 가속도에 따른 오차를 보정하는데 유용하게 사용할 수 있다.
압력 센서, 온도 센서, 가속도 센서, 집적, 타이어, 압력 모티터링

Description

압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 ＭＥＭＳ 센서와 그 제조방법, 및 그것을 사용하는 타이어 압력 모니터링 시스템 {Micro electro mechanical system sensor capable of simultaneously sensing pressure, temperature and acceleration, fabrication method therefor, and tire pressure monitoring system using the same}
도 1은 본 발명에 따른 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서가 적용된 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)의 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 평면도.
도 3a 내지 도 3r은 도 2의 선 I-I을 따라 취한 MEMS 센서의 제조 프로세스를 예시하는 공정도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 타이어 압력 모니터링 시스템 100: MEMS 센서
101, 102, 104: 실리콘 웨이퍼
103, 106, 106', 109, 109': 실리콘 산화막
105: 에피텍셜층 107, 119, 126: 패턴
108: 금속 박막 110, 110': 질화 실리콘막
111: 다이아프램 112, 133: 압저항체
113: 전극 114: 배선
115, 116, 117: 콘택 홀 120: 압력 센서
121: 금속 저항체 122: 접점 패드
130: 온도 센서 131: 질량체
132: 지지빔 134: 전극 패드
140: 가속도 센서
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있도록 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 하나의 칩으로 일체로 형성한 MEMS 센서와 그 제조 방법, 및 그것을 사용하는 타이어 압력 모니터링 시스템(Tire pressure monitoring system; TPMS)에 관한 것이다.
MEMS 기술 및 반도체 기술의 발달과 더불어, 압력을 측정하는 MEMS 압력 센서는 의료기구, 엔진제어와 타이어 압력측정과 같은 자동차 산업, 산업 공정 제어 및 항공 전자 산업 등의 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
하지만, 이러한 MEMS 압력 센서는 종종 측정하는 대상 및/또는 조건에 따라 다른 측정 결과를 나타낸다.
예를들면, 타이어 압력을 실시간으로 감지하여 타이어 압력의 상태를 실시간으로 디스플레이하고 위험 상태일 때 운전자에게 경보해 주는 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)의 경우, 압력 센서에 의해 측정되는 타이어 압력은 타이어의 온도에 따라 오차를 나타낸다. 따라서, 압력 센서에 의해 측정된 타이어 압력을 실제로 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)에 적용하기 위해서는 온도에 따라 적정하게 보정할 필요가 있다.
이를 위하여, 종래의 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)은 별도로 제작된 압력 센서와 온도 센서를 하나의 회로기판에 조립하여 온도에 따라 측정된 압력을 보정하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 이 방법은 각각의 센서를 별도의 기판에 설치해야 하는 번거로운 작업이 필요할 뿐 아니라, 각각의 센서의 정렬 및 조립 결함이 발생할 가능성이 있었다.
또한, 각각의 센서들을 별도로 패키징해야 하므로, 패키징된 전체 센서의 부피가 커지고, 센서들의 전력소비가 커지는 문제점이 있었다.
또한, 이 방법은 압력 센서에 의해 측정된 압력이 온도 센서에 의해 측정된 온도에 의해서만 보정되므로, 실제로 자동차 주행시 발생하는 타이어 및 압력 센서의 회전운동에 의한 타이어 압력의 측정값 오차는 보정할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 주 된 목적은 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 하나의 칩으로 일체로 형성함으로서, 각각의 센서를 시스템화하기 위한 별도의 패키징 작업이 필요치 않게 하고 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체를 형성하는 공정과 압력 센서의 전극과 배선, 온도 센서의 접점 패드, 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 공정을 센서별로 별도로 수행하지 않고 동시에 수행하도록 함으로써, 제조 공정과 비용을 감소시키는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압력 센서의 배선 등을 이온주입 공정을 이용하지 않고 금속증착(Metallization) 공정으로 형성함으로써 이온주입시 고농도 이온에 의한 오염을 방지할 수 있는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 온도와 가속도로 인한 측정 압력 오차를 보정하기 위하여 압력, 온도, 및 가속도를 동시에 측정할 수 있도록 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 하나의 칩으로 형성한 MEMS 센서를 구비한 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시 양태는 하나의 실리콘 웨이퍼, 및 실리콘 웨이퍼에 형성된 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 구비하 는 하나의 칩을 포함하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서를 제공한다.
양호한 실시예에 있어서, 압력 센서는 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 배치된 압력에 민감한 다이아프램, 다이아프램에 형성된 압저항체(piezoresistors), 다이아프램에 형성되고 압저항체와 금속전극과 접속된 배선, 및 실리콘 웨이퍼의 제 2 면에 부착된 버퍼 글래스를 포함하는 압저항식 압력 센서로 구성된다.
온도센서는 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈알루미늄(TaAl) 및 텅스텐(W) 중의 하나로 형성된 박막형 금속 저항체로 구성된다.
가속도 센서는 실리콘 웨이퍼를 식각하여 형성한 질량체(Mass), 실리콘 웨이퍼를 식각하여 형성되고 질량체를 지지하는 복수의 지지빔, 및 지지빔에 형성되고 질량체가 가속도에 의하여 힘을 받을 때 응력을 검출하는 복수의 압저항체를 포함하는 압저항식 가속도 센서로 구성된다.
실리콘 웨이퍼는 실리콘 산화막이 형성된 제 1 실리콘 웨이퍼 위에 제 2 실리콘 웨이퍼를 접합한 SDB 웨이퍼(Silicon direct bonding wafer) 인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 양태에 따르면, 본 발명은 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체를 형성하는 단계, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 온도 센서의 박막형 금속 저항체를 형성하는 단계, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 압력 센서의 배선과 전극, 온도 센서의 접점 패드 및 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 단계, 및 실리콘 웨이퍼의 제 1 면 및 제 2 면을 선택적으로 식각하여 압력 센서의 다이아프램과 가속도 센서의 질량체와 지지빔을 형성하는 단계를 포함하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법을 제공한다.
양호한 실시예에 있어서, 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체를 형성하는 단계는 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체의 패턴을 갖는 이온주입 마스크를 사용하여 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 도펀트를 이온주입하는 것, 및 이온주입된 실리콘 웨이퍼를 어닐링하는 것으로 구성된다. 이 때, 도펀트는 보론(B+)를 사용하는 것이 바람직하다.
온도 센서의 박막형 금속 저항체를 형성하는 단계는 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체가 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 제 1 절연층을 형성하는 것, 제 1 절연층 위에 금속 박막을 증착하는 것, 금속 박막을 패터닝하여 박막형 금속 저항체를 형성하는 것, 및 박막형 금속 저항체 위에 제 2 절연층을 형성하는 것으로 구성된다. 이 때, 금속 박막은 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈알루미늄(TaAl) 및 텅스텐(W) 중의 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
압력 센서의 배선과 전극, 온도 센서의 접점 패드 및 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 단계는 제 1 및 제 2 절연층을 패터닝하여 압력 센서의 압저항체, 온도 센서의 박막형 금속 저항체 및 가속도 센서의 압저항체의 일부를 오픈하는 콘 택 홀을 형성하는 것, 콘택 홀이 형성된 제 2 절연층위에 금속층을 형성하는 것, 및 금속층을 패터닝하여 압력 센서의 배선과 전극, 온도 센서의 접점 패드 및 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 것으로 구성된다.
압력 센서의 다이아프램과 가속도 센서의 질량체와 지지빔을 형성하는 단계는 금속층을 패터닝하여 압력 센서의 배선과 전극, 온도 센서의 접점 패드 및 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 동작 후 실리콘 웨이퍼의 제 2 면에 압력 센서의 다이아프램 및 가속도 센서의 질량체와 지지빔의 하면의 패턴을 갖는 제 1 식각 패턴을 형성하는 것, 제 1 식각 패턴을 식각 마스크로 실리콘 웨이퍼의 제 2 면을 식각하는 것, 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 가속도 센서의 질량체와 지지빔의 상면의 패턴을 갖는 제 2 식각 패턴을 형성하는 것, 및 제 2 식각 패턴을 식각 마스크로 실리콘 웨이퍼의 제 1 면을 식각하는 것으로 구성된다.
선택적으로, 제 1 식각 패턴을 형성하는 동작과 실리콘 웨이퍼의 제 2 면을 식각하는 동작은 압력 센서의 배선과 전극, 온도 센서의 접점 패드 및 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 동작 전의 적당한 시점에서 수행할 수도 있다.
또한, 본 발명의 MEMS 센서의 제조 방법은 실리콘 웨이퍼의 제 2 면을 식각하는 동작 및 실리콘 웨이퍼의 제 1 면을 식각하는 동작 중의 한 동작후 실리콘 웨이퍼의 제 2 면에 글래스 웨이퍼를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 양태에 따르면, 본 발명은 타이어 압력을 실시간으로 감지하여 타이어 압력의 상태를 실시간으로 디스플레이하고 위험상태일 때 운전자에게 경보해 주는 자동차의 타이어 압력 모니터링 시스템에 있어서, 하나의 실리 콘 웨이퍼, 및 실리콘 웨이퍼에 형성된 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 구비하는 하나의 칩으로 구성된 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서를 포함하며; 압력 센서에서 측정된 압력이 온도 센서에서 측정된 온도와 가속도 센서에서 측정된 가속도에 따라 보정되도록 한 타이어 압력 모니터링 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명에 일치하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서를 첨부도면에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서(100)가 적용되는 자동차의 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)(10)이 블록도로 예시되어 있다.
타이어 압력 모니터링 시스템(10)은 자동차의 각각의 타이어(11)로부터 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 본 발명의 MEMS 센서(100), 및 MEMS 센서(100)에서 입력된 압력, 온도 및 가속도 데이타로부터 실제 타이어(11)의 공기압을 연산하여 디스플레이부(13)를 통해 디스플레이함과 동시에 이상시 알람부(14)를 통해 운전자에게 경보해 주는 콘트롤러(12)를 포함한다.
도 2 및 도 3r에 도시한 바와 같이, 본 발명의 MEMS 센서(100)는 실리콘 웨이퍼(101), 및 실리콘 웨이퍼(101)에 형성된 압력 센서(120), 온도 센서(130) 및 가속도 센서(140)를 구비하는 하나의 칩으로 구성된다.
실리콘 웨이퍼(101)는 실리콘 산화막(SiO2)(103)이 형성된 SOI(Silicon-on-insulator) 웨이퍼와 같은 제 1 실리콘 웨이퍼(102)위에 보론(B)와 같은 도펀트가 주입된 P형 실리콘 단결정의 제 2 실리콘 웨이퍼(104)를 접합한 SDB 웨이퍼로 이루어 진다.
압력 센서(120)는 실리콘 웨이퍼(101)의 전면(도면의 상면)에 배치된 압력에 민감한 다이아프램(111), 다이아프램(111)에 형성된 브리지 형태의 압저항체(112), 다이아프램(111)에 형성되고 압저항체(112)와 금속 전극(113)를 접속하는 배선(114), 및 실리콘 웨이퍼(101)의 배면(도면의 하면)에 부착된 버퍼 글래스(141)를 포함하는 압저항식 압력 센서로 구성된다.
다이아프램(111)은 실리콘 웨이퍼(101)의 배면을 KOH의 에천트(etchant)를 사용하는 습식식각 또는 샌드 블라스터, 이온 밀러(Ion miller), 및 RIE(Reactive ion etcher)중 하나를 사용하는 건식식각을 통하여 이방성(anisotropic)으로 식각하여 10~30㎛ 두께로 형성된다.
압저항체(112)는 다이아프램(111)의 상면에 압력이 인가될 때 저항값 변화를 검출하기 위해 다이어프램(111)의 에지와 나란하게 배열된 수평 성분(112b,112c)과 다이어프램(111)의 에지에 대해 수직 방향으로 배열된 수직 성분(112a,112d)이 각각 서로 대칭적으로 배치되어, 응력 형태, 즉, 저항값의 변화를 달리할 수 있도록 설계된다.
압저항체(112)와 접하는 배선(114)은 실리콘 웨이퍼(101)의 전면 쪽에서 다이어프램(111)의 외곽 근처에 형성되며, 금속 전극(113)은 다이어프램(111) 외곽의 실리콘 웨이퍼(101) 전면 쪽에서 배선(114)과 접하도록 형성된다.
버퍼 글래스(141)는 센서가 측정할 압력에 의한 스트레스 등의 영향을 배제 하기 위하여, 글래스 웨이퍼를 진공중에서 실리콘 웨이퍼(101)의 배면에 아노딕 접착(Anodic bonding) 공정으로 접합하는 것에 의해 형성된다.
온도 센서(130)는 실리콘 웨이퍼(101)의 전면 쪽에 형성된 제 1 절연층을 형성하는 제 1 실리콘 산화막(106)에 온도에 따라 저항이 변하는 특성을 갖는 금속, 예를들면, 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈알루미늄(TaAl), 및 텅스텐(W) 중의 하나로 형성된 약 0.1-2.0㎛의 라인 폭을 갖는 스트립(Strip) 형태의 박막형 금속 저항체(121)로 구성된다. 금속 저항체(121)의 양단부는 와이어 등으로 외부 회로부(도시하지 않음)와 연결되는 접점 패드(122)가 배치되어 있다.
가속도 센서(140)는 실리콘 웨이퍼(101)를 식각하여 형성한 질량체(131), 실리콘 웨이퍼(101)를 식각하여 형성되고 질량체(131)를 지지하는 두 개의 지지빔(132), 및 지지빔(132)에 형성되고 질량체(132)가 가속도에 의하여 힘을 받을 때 응력을 검출하는 두 개의 압저항체(133)을 포함하는 압저항식 가속도 센서로 구성된다.
지지빔(132)과 압저항체(133)는 예시의 편의를 위해 각각 두 개씩만 도시하였으나, 지지빔(132) 및/또는 압저항체(133)는 브리지 형태를 이루도록 각각 4 개씩 배치될 수도 있다.
후술한 제조 방법에서 상세히 서술한 바와 같이, 질량체(131)와 지지빔(132)의 하면은 압력 센서(120)의 다이아프램(111)이 형성될 때 KOH의 에천트를 사용하는 습식식각 또는 샌드 블라스터, 이온 밀러, 및 RIE중 하나를 사용하는 건식식각 을 통하여 이방성으로 식각하여 형성되며, 질량체(131)와 지지빔(132)의 상면은 RIE 등을 사용하는 건식식각 공정으로 형성한다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서(100)의 제조방법을 도 3a 내지 도 3r을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(101)로서, 실리콘 산화막(103)이 형성된 SOI 웨이퍼와 같은 제 1 실리콘 웨이퍼(102)위에 보론(B)와 같은 도펀트가 주입된 P형 실리콘 단결정의 제 2 실리콘 웨이퍼(104)를 접합한 SDB 웨이퍼가 준비된다.
그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(101)의 상면, 즉 제 2 실리콘 웨이퍼(104)의 상면에는 P형 실리콘으로 이루어진 에피텍셜층(105)이 형성된다. 이 때 형성되는 에피텍셜층(105)의 두께는 추후 압력 센서(120)의 다이아프램(111)의 두께를 결정하므로, 미리 결정된 다이아프램(111)의 두께에 상응하게 형성된다.
그 후, 도 3c에 도시한 바와 같이, 에피텍셜층(105)은 압력 센서(120)의 압저항체(112)와 가속도 센서(140)의 압저항체(133)의 패턴을 갖는 이온주입 마스크(도시하지 않음)를 사용하여 보론(B+)과 같은 이온화 가능한 도펀트로 이온주입된다.
에피텍셜층(105)이 이온 주입된 후, 실리콘 웨이퍼(101)에 대하여 어닐링 및 산화공정이 수행된다. 그 결과, 도 3d에 도시한 바와 같이, 에피텍셜층(105)의 이 온 주입 부분에는 도펀트가 확산되어 압력 센서(120)의 압저항체(112)와 가속도 센서(140)의 압저항체(133)가 형성되고, 압저항체(112, 133)가 형성된 에피텍셜층(105)의 전면과 실리콘 웨이퍼(101)의 배면에는 각각, 제 1 실리콘 산화막(106)과 제 2 실리콘 산화막(106')이 형성된다. 제 1 실리콘 산화막(106)은 압력 센서(120)의 압저항체(112)와 가속도 센서(140)의 압저항체(133)를 절연하는 제 1 절연층의 역할을 한다.
그 다음, 도 3e에 도시한 바와 같이, 제 1 및 제 2 실리콘 산화막(106, 106') 위에는 제 1 및 제 2 포토 레지스트(107'; 제 2 포토레지스트만 도시함)가 도포된 후, 제 1 포토 레지스트는 포토 마스크로 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝되고, 그 결과, 제 1 실리콘 산화막(106) 위에는 원하는 저항값을 갖도록 약 0.1-2.0㎛의 라인 폭을 갖는 스트립 형태의 박막형 금속 저항체(121)의 패턴을 갖는 저항체 패턴(107)이 형성된다.
저항체 패턴(107)이 형성된 후, 도 3f에 도시한 바와 같이, 저항체 패턴(107)과 제 1 실리콘 산화막(106) 위에는 스퍼터링법, 유기금속 화학증착법, 진공증착법 등에 의해 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈알루미늄(TaAl) 및 텅스텐(W) 중의 하나로 이루어진 금속 박막(108)이 증착된다.
그 다음, 도 3g에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(101)에 대하여 불산(HF)을 에쳔트로 사용하는 습식 식각공정이 수행되며, 그 결과, 실리콘 기판(101)의 전면에는 스트립 형태의 박막형 금속 저항체(121)를 제외한 금속 박막(108)과 저항체 패턴(107)이 제거되고, 실리콘 웨이퍼(101)의 배면, 즉 제 1 실리콘 웨이퍼(102)의 하면에는 제 2 포토레지스트(107')와 제 2 실리콘 산화막(106')이 제거된다.
그 후, 도 3h에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(101)의 전면, 즉 박막형 금속 저항체(121)가 형성된 제 1 실리콘 산화막(106)의 표면에는 저압 화학 기상 증착법(Low pressure chemical vapor deposition: LPCVD)에 의해 제 3 실리콘 산화막(109)이 형성된 다음, 실리콘 기판(101)의 전면과 배면, 즉 제 3 실리콘 산화막(109)과 제 1 실리콘 웨이퍼(102)의 표면에는 제 1 및 제 2 실리콘 질화막(Si3N4)(110, 110')이 형성된다. 이 때 형성되는 제 3 실리콘 산화막(109)은 박막형 금속 저항체(121)를 절연하는 제 2 절연층의 역할을 한다.
제 1 및 제 2 실리콘 질화막(110, 110')이 형성된 후, 제 1 실리콘 질화막(110)과 제 3 실리콘 산화막(109)은, 제 3 포토 레지스트(도시하지 않음)를 포토 마스크로 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정을 통해 제 1 실리콘 질화막(110) 위에 형성된 접점패드 콘택 홀(115)의 패턴을 갖는 접점패드 콘택 홀 패턴(도시하지 않음)을 식각 마스크로 사용하여 순차적으로 식각되며, 그 결과, 도 3i에 도시한 바와 같이, 제 1 실리콘 질화막(110)과 제 3 실리콘 산화막(109)에는 온도 센서(130)의 박막형 금속 저항체(121)의 일부를 오픈하는 접점패드 콘택 홀(115)이 형성된다.
그 다음, 접점패드 콘택 홀 패턴이 제거된 후, 제 1 실리콘 질화막(110), 제 3 실리콘 산화막(109), 및 제 1 실리콘 산화막(106)은 제 4 포토 레지스트(도시하 지 않음)를 포토 마스크로 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정을 통해 제 1 실리콘 질화막(110) 위에 형성된 제 1 및 제 2 압저항체 콘택 홀(116, 117)의 패턴을 갖는 압저항체 콘택 홀 패턴(도시하지 않음)을 식각 마스크로 사용하여 순차적으로 식각되며, 그 결과, 도 3j에 도시한 바와 같이, 제 1 실리콘 질화막(110), 제 3 실리콘 산화막(109), 및 제 1 실리콘 산화막(106)에는 압력 센서(120)의 압저항체(112)의 일부를 오픈하는 제 1 압저항체 콘택 홀(116)과 가속도 센서(140)의 압저항체(133)의 일부를 오픈하는 제 2 압저항체 콘택 홀(117)이 형성된다.
이와 같이, 콘택 홀(115, 116, 117)이 형성된 후, 도 3k에 도시한 바와 같이, 제 1 실리콘 질화막(110)의 전면에는 스퍼터링법 등을 이용하여 Al, Cu와 같은 금속으로 이루어진 금속층(118)이 적층된 다음, 금속층(118)은, 제 5 포토 레지스트(도시하지 않음)를 포토 마스크로 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정을 통해 금속층(118) 위에 형성된 압력 센서(120)의 전극(113)과 배선(114), 온도 센서(130)의 접점 패드(122) 및 가속도 센서(140)의 전극 패드(134)의 패턴을 갖는 전극/패드 패턴(도시하지 않음)을 통해 RIE 등을 사용하는 건식식각 공정을 통해 식각된다.
그 다음, 전극/패드 패턴이 제거되면, 도 3l에 도시한 바와 같이, 콘택 홀(115, 116, 117)과 그 주위의 제 1 실리콘 질화막(110)에는 압력 센서(120)의 전극(113)과 배선(114), 온도 센서(130)의 접점 패드(122) 및 가속도 센서(140)의 전극 패드(134)가 형성된다.
그 후, 도 3m에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(101)의 배면의 제 2 실리 콘 질화막(110')은 제 6 포토 레지스트(도시하지 않음)를 포토 마스크로 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝되며, 그 결과, 제 2 실리콘 질화막(110')은 다이아프램/질량체 패턴(119)의 역할을 하도록 압력 센서(120)의 다이아프램(111)과 가속도 센서(140)의 질량체(131) 및 지지빔(132)의 하면의 패턴을 가지게 된다.
이어서, 도 3n에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(101)의 배면, 즉 제 1 실리콘 웨이퍼(102)는 다이아프램/질량체 패턴(119)를 식각 마스크로 사용하여 식각 스톱층으로 작용하는 제 1 실리콘 웨이퍼(102)의 실리콘 산화막(103)에 도달할 때 까지 이방성으로 식각된다. 이 때, 식각공정은 샌드 블라스터, 이온 밀러, RIE 등을 사용하는 건식식각 공정 또는 제 1 실리콘 웨이퍼(102)에 대해 식각 선택성을 갖는 KOH 에쳔트를 사용하는 습식식각 공정으로 수행될 수 있다.
그 다음, 도 3o에 도시한 바와 같이, 제 2 실리콘 질화막(110')으로 이루어진 다이아프램/질량체 패턴(119) 중에서 가속도 센서(140)의 질량체(131)의 하면에 위치한 부분의 제 2 실리콘 질화막(110')이 제거되면, 제 1 실리콘 웨이퍼(102)에는 압력 센서(120)의 다이아프램(111)과 가속도 센서(140)의 질량체(131) 및 지지빔(132)의 하면이 형성된다.
여기서, 압력 센서(120)의 다이아프램(111)과 가속도 센서(140)의 질량체(131)의 하면을 형성하는 공정은 압력 센서(120)의 전극(113)과 배선(114), 온도 센서(130)의 접점 패드(122) 및 가속도 센서(140)의 전극 패드(134)를 형성한 후 수행하는 것으로 설명하였지만, 그 전에, 예를들면, 압력 센서(120)의 압저항체(112)와 가속도 센서(140)의 압저항체(133)를 형성한 후, 또는 박막형 금속 저항체(121)를 형성한 후에 수행할 수도 있을 것이다.
그 후, 도 3p에 도시한 바와 같이, 제 1 실리콘 웨이퍼(102)의 하면에는 버퍼 글래스의 역할을 하는 글래스 웨이퍼(141)가 아노딕 접착 공정으로 접합된다.
아노딕 접착 공정은 글래스 웨이퍼(141)에 포함된 일정양의 나트륨(Na), 칼륨(K) 등의 불순물이, 200 ℃ 이상의 온도로 가열하면 전하를 띠게되어 전압에 따라 쉽게 이동하는 특성을 이용한 기술로, 제 1 실리콘 웨이퍼(102)와 글래스 웨이퍼(141)를 정렬시키고 양쪽에 600V 이상의 직류전압을 가해주는 것으로 이루어진다.
선택적으로, 글래스 웨이퍼(141)를 제 1 실리콘 웨이퍼(102)의 하면에 부착하는 공정은 압력 센서(120)의 다이아프램(111)과 가속도 센서(140)의 질량체(131) 및 지지빔(132)의 하면을 형성한 후 수행하는 대신, 후술하는 공정에서 가속도 센서(140)의 질량체(131)와 지지빔(132)의 상면 및 측면을 완전하게 형성한 후 수행할 수도 있다.
그 후, 압력 센서(120)의 전극(113)과 배선(114), 온도 센서(130)의 접점 패드(122) 및 가속도 센서(140)의 전극 패드(134)가 형성된 실리콘 웨이퍼(101)의 제 1 실리콘 질화막(110)의 전면에는, 가속도 센서(140)의 질량체(131)와 지지빔(132)의 상면 및 측면을 형성하기 위한 식각 마스크로 사용하는 질량체/지지빔 패턴(126)를 형성하기 위하여, 제 7 포토 레지스트(도시하지 않음)가 형성된다. 그리고, 제 7 포토 레지스트는 포토리소그래피 공정으로 패터닝된다. 그 결과, 도 3q 에 도시한 바와 같이, 가속도 센서(140)의 질량체(131)와 지지빔(132)의 상면 및 측면을 형성하기 위해 제거해야 할 제 1 실리콘 질화막(110), 제 1 및 제 3 실리콘 질화막(106, 109), 에피텍셜층(105), 및 실리콘 웨이퍼(101)의 제 2 실리콘 웨이퍼(104)와 실리콘 산화막(103)을 오픈하는 식각창(135)을 갖는 질량체/지지빔 패턴(126)이 형성된다.
이어서, 식각창(135)을 통해 드러난 제 1 실리콘 질화막(110), 제 1 및 제 3 실리콘 질화막(106, 109), 에피텍셜층(105), 및 실리콘 웨이퍼(101)의 제 2 실리콘 웨이퍼(104)와 실리콘 산화막(103)은 RIE 등을 사용하는 건식식각 공정으로 순차적으로 제거된 후, 질량체/지지빔 패턴(126)이 제거되면, 도 3r에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(101)에는 가속도 센서(140)의 질량체(131)와 지지빔(132)이 완전하게 형성되고, 본 발명의 MEMS 센서(100)의 제조공정은 종료된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 MEMS 센서 및 그 제조 방법은 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 하나의 칩으로 일체로 형성함으로서, 각각의 센서를 시스템화하기 위한 별도의 패키징 작업이 필요치 않게 하는 효과를 제공함을 알 수 있다.
또, 본 발명의 MEMS 센서 및 그 제조 방법은 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체를 형성하는 공정과 압력 센서의 전극과 배선, 온도 센서의 접점 패드, 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 공정을 센서별로 별도로 수행하지 않고 동시에 수행하도록 함으로써, 제조 공정과 비용을 감소시키는 효과를 제공한다.
또, 본 발명의 MEMS 센서 및 그 제조 방법은 압력 센서의 배선 등을 이온주입 공정을 이용하지 않고 증착 공정으로 형성함으로써 이온주입시 고농도 이온에 의한 오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)에 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 하나의 칩으로 형성한 MEMS 센서를 구비토록 함으로써 압력, 온도, 및 가속도를 동시에 측정하여 자동차의 운전자에게 디스플레이하거나, 온도와 가속도로 인한 측정 압력 오차를 보정하는데 사용할 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명 하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지와 사상을 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능 할 것이다.

Claims (15)

  1. 실리콘 산화막이 형성된 제 1 실리콘 웨이퍼위에 제 2 실리콘 웨이퍼를 접합한 하나의 SDB 웨이퍼, 및 상기 SDB 웨이퍼에 형성된 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 구비하는 하나의 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 센서는,
    상기 SDB 웨이퍼의 제 1 면에 배치된 압력에 민감한 다이아프램;
    상기 다이아프램에 형성된 압저항체;
    상기 다이아프램에 형성되고 상기 압저항체와 금속전극을 접속하는 배선; 및
    상기 SDB 웨이퍼의 제 2 면에 부착된 버퍼 글래스를 포함하는 압저항식 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 센서는 상기 SDB 웨이퍼의 제 1 면에 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈알루미늄(TaAl) 및 텅스텐(W) 중의 하나로 형성된 박막형 금속 저항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가속도 센서는,
    상기 SDB 웨이퍼를 식각하여 형성한 질량체;
    상기 SDB 웨이퍼를 식각하여 형성되고 상기 질량체를 지지하는 복수의 지지빔; 및
    상기 지지빔에 형성되고 상기 질량체가 가속도에 의하여 힘을 받을 때 응력을 검출하는 복수의 압저항체를 포함하는 압저항식 가속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서.
  5. 삭제
  6. 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼의 제 1 면에 압력 센서의 압저항체와 가속도 센서의 압저항체를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면에 온도 센서의 박막형 금속 저항체를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면에 상기 압력 센서의 전극과 배선, 상기 온도 센서의 접점 패드 및 상기 가속도 센서의 전극 패드를 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면 및 제 2 면을 선택적으로 식각하여 상기 압력 센서의 다이아프램과 상기 가속도 센서의 질량체와 지지빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 압력 센서의 상기 압저항체와 상기 가속도 센서의 상기 압저항체를 형성하는 상기 단계는,
    상기 압력 센서의 상기 압저항체와 상기 가속도 센서의 상기 압저항체의 패턴을 갖는 이온주입 마스크를 사용하여 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면에 도펀 트를 이온주입하는 것; 및
    이온주입된 상기 실리콘 웨이퍼를 어닐링하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 도펀트는 보론(B+)를 사용하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 온도 센서의 상기 박막형 금속 저항체를 형성하는 상기 단계는,
    상기 압력 센서의 상기 압저항체와 상기 가속도 센서의 상기 압저항체가 형성된 상기 실리콘 웨이퍼 위에 제 1 절연층을 형성하는 것;
    상기 제 1 절연층 위에 금속 박막을 증착하는 것;
    상기 금속 박막을 패터닝하여 상기 박막형 금속 저항체를 형성하는 것; 및
    상기 박막형 금속 저항체 위에 제 2 절연층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 금속 박막은 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈알루미 늄(TaAl) 및 텅스텐(W) 중의 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 압력 센서의 상기 배선과 상기 전극, 상기 온도 센서의 상기 접점 패드 및 상기 가속도 센서의 상기 전극 패드를 형성하는 상기 단계는,
    상기 제 1 및 제 2 절연층을 패터닝하여 상기 압력 센서의 상기 압저항체, 상기 온도 센서의 상기 박막형 금속 저항체 및 상기 가속도 센서의 상기 압저항체의 일부를 오픈하는 콘택 홀을 형성하는 것;
    상기 콘택 홀이 형성된 상기 제 2 절연층위에 금속층을 형성하는 것; 및
    상기 금속층을 패터닝하여 상기 압력 센서의 상기 배선과 상기 전극, 상기 온도 센서의 상기 접점 패드 및 상기 가속도 센서의 상기 전극 패드를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 압력 센서의 상기 다이아프램과 상기 가속도 센서의 상기 질량체와 상기 지지빔을 형성하는 상기 단계는,
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 2 면에 상기 압력 센서의 상기 다이아프램 및 상기 가속도 센서의 상기 질량체와 상기 지지빔의 하면의 패턴을 갖는 제 1 식각 패턴을 형성하는 것;
    상기 제 1 식각 패턴을 식각 마스크로 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 2 면을 식각하는 것;
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면에 상기 가속도 센서의 상기 질량체와 상기 지지빔의 상면의 패턴을 갖는 제 2 식각 패턴을 형성하는 것; 및
    상기 제 2 식각 패턴을 식각 마스크로 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면을 식각하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 식각 패턴을 형성하는 상기 동작과 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 2 면을 식각하는 상기 동작은 상기 금속층을 패터닝하여 상기 압력 센서의 상기 배선과 상기 전극, 상기 온도 센서의 상기 접점 패드 및 상기 가속도 센서의 상기 전극 패드를 형성하는 상기 동작 전의 적당한 시점에서 수행하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 2 면을 식각하는 상기 동작 및 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 1 면을 식각하는 상기 동작 중의 한 동작후 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 제 2 면에 글래스 웨이퍼를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서의 제조 방법.
  15. 타이어 압력을 실시간으로 감지하여 타이어 압력의 상태를 실시간으로 디스플레이하고 위험상태일 때 운전자에게 경보해 주는 자동차의 타이어 압력 모니터링 시스템에 있어서,
    실리콘 산화막이 형성된 제 1 실리콘 웨이퍼위에 제 2 실리콘 웨이퍼를 접합한 하나의 SDB 웨이퍼, 및 상기 SDB 웨이퍼에 형성된 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 센서를 구비하는 하나의 칩으로 구성된 압력, 온도 및 가속도를 동시에 측정할 수 있는 MEMS 센서를 포함하며;
    상기 압력 센서에서 측정된 압력이 상기 온도 센서에서 측정된 온도와 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도에 따라 보정되도록 한 것을 특징으로 하는 타이어 압력 모니터링 시스템.
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