KR100633655B1 - 센서 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 센서 기판과 이 센서 기판에 의해 지지된 평면 형상의 감지 부위를 구비하되, 이 평면 형상 감지 부위의 표면이 실리콘계 수지막으로 피복되어 이루어진 센서 소자를 제공하는 것이다. 이 실리콘계 수지막은 평면 형상 감지 부위의 스텝 커버리지가 우수하고, 감지 부위에 부여하는 응력이 낮으며, 또한 저온에서 형성 가능하고, 제조 과정에 있어서도 감지 부위에 미치는 악영향을 막을 수 있다.
Description
본 발명은 센서 소자에 관한 것이며, 특히 일정한 넓이의 센서 면을 갖는 자기 저항 센서, 기류 센서, 가속도 센서, 압력 센서, 요우 레이트(yaw rate) 센서, 이미지 센서 등의 센서에 관한 것이다.
종래부터, 차량의 주행 제어용 센서 소자로서 가속도 센서, 요우 레이트 센서, 압력 센서, 기류 센서, 자기 저항 센서 등이 사용되고 있다. 이 중, 가속도 센서, 요우 레이트 센서 및 압력 센서는 충격이나 가속도에 대응하여 요동하는 평면 형상의 전극(감지 부위)을 구비하고, 이 전극과 이에 근접하여 고정 배치된 대향 전극 사이의 전기 용량 변화를 검출할 수 있도록 구성되어 있어, 이 전기 용량 변화에 의거하여 충격이나 가속도의 변화를 검출하는 것이다. 그리고, 감지 부위를 구성하는 평면 형상 전극으로는 각종 금속 재료가 이용되고 있고, 예컨대 일본국 특허 공개 1993-183145 호 공보, 특허 공개 1993-283712 호 공보 또는 특허 공개 1994-194382 호 공보에 기재된 바와 같이, 그 표면은 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등의 무기 박막으로 피복 보호되며, 이들 무기 박막은 통상적으로 스퍼터링법, CVD법 또는 증착법에 의해 형성되고 있다.
그러나, 상기 평면 형상 전극은 이 전극을 지탱하는 지지체로부터 평면 방향으로 돌출한 3차원 구조(두께는 통상 10 내지 500㎛ 정도)를 갖고 있기 때문에, 상기 증착법이나 CVD법에 의한 무기 박막의 커버리지성이 뒤떨어지고, 특히 평면 형상 전극의 측면에 무기 박막이 형성되기 어려우며, 보호성이 낮아질 우려가 있었다.
또한, 가솔린 유량을 검출하기 위한 기류 센서는, 예컨대 저항 배선을 설치한 평면 형상의 감지 부위를 가솔린 함유 가스의 유로에 접촉시킴으로써 발생하는 감지 부위의 온도 변동을 저항 배선의 저항 변화로 검출함으로써 가솔린 함유 가스의 유량을 검지하도록 구성되어 있지만, 감지 부위와 지지체 사이에 큰 단차를 갖는 3차원 구조이므로, 감지 부위의 보호에 관하여 상술한 바와 마찬가지의 문제가 있었다.
이 때문에, 평면 형상 전극의 측면을 충분히 무기 박막으로 보호하기 위해, 무기 박막을 후막화(厚膜化)할 것을 고려할 수 있지만, 감지 부위에 높은 응력을 야기하거나 막 자체에 결함이 발생한다. 이에 따라, 센서 특성의 열화를 일으키거나, 감지 부위를 구성하는 저항 배선 또는 인접하는 제어 회로상의 배선의 위치 변동을 야기한다는 문제가 있었다. 특히, 저항 배선 등의 배선을 감지 부위에 이용한 센서의 경우, 그 배선에서는 통상의 반도체 소자에는 이용되지 않는 특수한 재료가 이용되기 때문에, 그 구성 재료에 따라서는 하지 재료와의 밀착성이 현저하게 약하고, 예컨대 센서 소자를 수지로 밀봉한 경우에는, 열적, 기계적인 변형에 의해 이러한 배선이 위치 변동을 야기하기 쉬운 문제가 있었다.
그래서, 시판되고 있는 폴리이미드 수지나 감광성 폴리이미드 수지를 감지 부위의 보호막으로서 이용하는 것을 고려할 수 있지만, 응력 특성, 내열성, 탈가스성, 제조 프로세스 정합성(처리 온도 등)의 관점에서, 감지 부위의 특성에 악영향을 미치는 경우가 많다. 즉, 폴리이미드 수지의 막 형성이 아믹산 단량체로부터 화학 반응에 의해 폴리이미드화하는 화학 반응에 의해 수행되기 때문에 잔류 응력이 높고, 또한 반응에 의해 발생하는 가스 성분에 의한 오염이 발생하기 때문이다. 또한, 폴리이미드 수지 보호막은 내수성에 어려움이 있어, 센서 소자의 사용 환경이 제한되고 있었다.
한편, 자기 저항 센서는 상술한 3차원 구조의 센서와는 달리, 기본적으로는 큰 단차는 갖지 않지만, 자성 금속 세선으로 이루어진 평면 형상의 감지 부위를 갖고, 자성 금속의 자기 저항 효과를 이용하여 자계의 크기나 방향의 변화를 검출할 수 있도록 구성되어 있으며, 이 감지 부위를 폴리이미드 수지막으로 보호하는 것도 고려할 수 있지만, 고온에서 경화 처리를 할 필요가 있고, 이 경화 온도가 센서 본체의 내열 한계 온도보다 높아 충분한 경화 처리를 할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 상황에서 이루어진 것으로, 특히 평면 형상의 감지 부위의 스텝 커버리지(step coverage)가 우수하고, 감지 부위에 부여되는 응력이 낮으며, 또한 저온에서 형성 가능하고, 제조 과정에서도 감지 부위에 악영향을 미칠 우려가 없는 보호막으로 피복된 센서 소자를 제공하고자 하는 것이다.
발명의 개시
이러한 본 발명에 따르면, 센서 기판과 이 센서 기판에 의해 지지된 평면 형상의 감지 부위를 구비하되, 이 평면 형상 감지 부위의 표면이 실리콘계 수지막으로 피복되어 이루어진 센서 소자가 제공된다.
본 발명에 이용하는 실리콘계 수지막은, 센서 소자의 제조 프로세스 온도나 사용 온도에 대한 내열성이 있고, 커버리지성이 좋고, 3차원 구조의 평면 형상 감지 부위의 피복성이 우수하며, 게다가 저 응력성으로 후막화하는 것도 가능하며, 또한 높은 내환경성을 구비하고 있다. 또한, 이 실리콘계 수지막은 반도체 장치에 보호막으로 이용되고 있는 폴리이미드 수지와는 달리, 막 경화시의 가스 발생량이 극단적으로 낮고, 감지 부위는 물론, 인접하는 제어 회로부의 오염을 야기하는 일이 없다. 또한, 내열성, 밀착성 및 저 응력성에 있어서도 폴리이미드 수지를 능가한다. 또한, 커버리지성에 관해서도, 폴리이미드 수지나 종래의 CVD법 또는 스퍼터링법에 의해 형성되는 무기 막 재료보다도 우수하다.
이러한 실리콘계 수지막은 실리콘계 중합체의 용액을 도포하여 열 경화시킴으로써 형성할 수 있다. 이러한 형성 방법에 의하면, 회전 도포와 가열에 의해 감지 부위를 간편하고 또한 효과적으로 피복 보호할 수 있어, 폴리이미드계 보호막과 같은 감지 부위에 대한 영향도 해소된다. 또한, 무기계 보호막과 같은 고가의 성막 장치를 이용하는 일이 없어, 제조 비용면에서도 유리하다. 따라서, 본 발명은 센서 기판에 지지된 평면 형상의 감지 부위에 실리콘계 중합체 용액을 도포하여 가열 경화시킴으로써 감지 부위를 실리콘계 수지막으로 피복하는 것으로 이루어지는 센서의 제조 방법도 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 구조 및 그 제조 방법의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 구조 및 그 제조 방법의 다른 예를 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 기류 센서의 구조를 설명하는 도면이며, 도 3a가 평면도이고 도 3b가 A-A선 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 3의 가속도 센서의 구조를 설명하는 도면이며, 도 4a가 평면도이고 도 4b가 B-B선 단면도이다.
본 발명의 센서 소자는 가속도 센서, 요우 레이트 센서, 압력 센서, 자기 저항 센서, 이미지 센서 등의 각종 센서에 있어서의 감지 부위의 표면 또는 전 표면이 실리콘계 수지막으로 피복 보호된 것이다. 또한, 이러한 각 센서 소자에 있어서의 감지 부위는 통상 평면으로 구성되어 있지만, 약간의 요철이 있어도 무방하며 실질적으로 평면 형상일 수 있다. 또한, 감지 부위 뿐만 아니라, 인접하는 기판이나 주변 회로를 포함해서 실리콘 수지막이 피복되는 구성일 수도 있다.
이 실리콘계 수지막은 실리콘계 중합체의 경화막으로 구성되고, 이 실리콘계 중합체로는 하기 화학식 1에 나타낸 실리콘계 중합체, 또는 하기 화학식 2로 구성된 실리콘계 중합체를 이용하는 것이 적합하고, 이들은 각각 혼합물일 수도 있다. 특히, 사닥다리형 구조를 갖는 하기 화학식 2의 실리콘계 중합체는 경화 후의 내열성이 우수하고, 그 자체의 하지 재료에 대한 응력도 낮으며, 또한 외부로부터의 응력에 대한 완충 작용도 우수한 점에서 바람직하다.
상기 식에서,
R1, R2 및 R3은 아릴기, 수소 원자, 지방족 알킬기, 하이드록실기, 트리알킬실릴기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,
l, m 및 n은 모두 0 이상이며 l+m+n≥1인 정수로, 중량 평균 분자량이 1000 이상이다.
상기 식에서,
R1 및 R2는 아릴기, 수소 원자, 지방족 알킬기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,
R3, R4, R5 및 R6은 수소 원자, 아릴기, 지방족 알킬기, 트리알킬실릴기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,
n은 1 이상의 정수로, 중량 평균 분자량이 1000 이상이다.
이러한 실리콘계 중합체에는 자외광 등의 광에 의해 가교하여 경화되는 것이 포함되고, 그 적합한 예로는 화학식 1에 있어서 R1, R2 및 R3의 치환기의 1% 이상이 불포화 결합을 갖는 작용기인 것을 들 수 있다. 또한, 화학식 2에 있어서 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6의 치환기의 1% 이상이 불포화 결합을 갖는 작용기인 것을 들 수 있다. 불포화 결합을 갖는 작용기는 수지 분자끼리를 가교 반응이나 라디칼 반응에 의해 가교시키기 위한 반응기이며, 알케닐기, 알킬아크릴로일기, 알킬메타크릴로일기 또는 스티릴기 등이 바람직하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 이들 불포화 결합을 갖는 작용기는 단독으로 도입할 수도 있고, 2종류 이상 혼합하여 도입할 수도 있다. 이러한 광 가교성의 실리콘 중합체는 단독으로 또는 감광성 가교제, 광 중합 개시제 또는 광 증감제와 조합함으로써, 광을 추진력으로 하여 보다 저온에서 경화 반응을 진행시킬 수 있어 센서 소자에 걸리는 온도를 저하시킬 수 있는 점 또는 저항을 이용하지 않는 자기 패터닝이 가능하다는 점에서, 센서 소자 제조상의 이점을 구비하고 있다.
본 발명의 실리콘계 수지막은 상기 화학식 1 및/또는 화학식 2에 나타낸 실리콘계 중합체의 용액, 소위 니스를 감지 부위에 도포한 후, 가열 경화시킴으로써 형성할 수 있다. 이러한 실리콘계 중합체의 용액으로는 알코올계, 케톤계, 에테르계, 할로겐계, 에스테르계, 벤젠계, 알콕시 벤젠계 또는 환상 케톤계의 용제 용액이 적합하다. 이 실리콘 중합체의 용액 중에는 감지 부위의 표면과의 접착성을 향상시키기 위한 실란 커플링제, 경화막의 밀도를 향상시키기 위한 중합성 단량체 또는 중합 개시제, 가교제, 증감제나, 보존 안정성을 향상시키기 위한 중합 금지제 등이 첨가되어 있을 수도 있다. 특히, 광 가교성의 실리콘계 중합체를 이용하는 경우에는, 상술한 바와 같이 감광성의 가교제, 광 중합 개시제, 광 증감제 등이 첨가되어 있을 수도 있다. 감광성 가교제나 광 중합 개시제는 라디칼 반응 또는 가교 반응에 의한 막 경화를 야기하기 위한 첨가제이며, 감광성 가교제로는 방향족 아지드 화합물, 방향족 비스아지드 화합물, 이미노퀴논디아지드 화합물, 방향족 디아조 화합물, 유기 할로겐 화합물 등의 광 조사에 의해 라디칼 활성종을 생성하는 감광성 화합물을 들 수 있고, 광 중합 개시제로는 카보닐 화합물, 디카보닐 화합 물, 아세토페논, 벤조인에테르, 아실포스핀옥시드, 티옥산손, 아미노카보닐 화합물, 질소 함유 화합물 등을 들 수 있다. 경화 처리 온도는 중합체의 종류나 감지 부위의 내열 온도, 또는 보호막 형성 전의 센서 소자 자체의 내열 온도 등에 따라 다르지만, 통상 100 내지 400℃가 적당하며, 특히 전술한 광 가교성의 중합체를 이용하는 경우에는, 100 내지 250℃의 비교적 저온에서 경화 처리를 수행할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 센서 소자에 대하여 설명한다.
도 1g는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 일례를 설명하는 단면도이다. 센서 본체(1)는 기판(1a), 기판(1a)상에 형성된 하지 절연막(1b), 감지 부위를 구성하는 세선(1c), 세선(1c)과 신호 처리 회로(도시하지 않음)를 전기적으로 연결하는 금속선(Al, AlSi, Cu 등)으로 이루어진 배선(1d), 본딩 패드(1e), 스퍼터링법이나 CVD법으로 형성된 무기막(실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등)으로 이루어진 패시베이션막(1f) 등으로 구성된 자기 저항 센서이며, 이 센서 본체(1)상에는 적어도 상기 감지 부위를 피복하도록 실리콘계 수지막(2)이 형성된 것이다.
도 1a 내지 1g는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 제조 방법의 일례를 설명하는 단면도이다. 우선, 센서 본체(1)상에 상기한 화학식 1 및/또는 화학식 2에 나타낸 실리콘계 중합체를 알코올계, 케톤계, 에테르계, 할로겐계, 에스테르계, 벤젠계, 알콕시벤젠계, 환상 케톤계 등의 용제에 용해시킨 니스를 10㎚ 내지 50㎛의 막두께로 도포하고, 핫플레이트상에서 100 내지 250℃에서 열처리하여 실리콘계 수지막(2)을 센서 본체(1)상에 형성한다(도 1a).
다음으로, 실리콘계 수지막(2) 표면에 막두께가 100㎚ 내지 20㎛인 i선용 포 지티브 레지스트(3)를 도포하여(도 1b), 센서 본체(1)의 본딩 패드(1e) 또는 다이싱 라인(도시하지 않음) 등을 노출시키기 위한 콘택트홀 패턴을 갖는 마스크(4)를 이용하여 윗쪽에서 자외광(i선)을 조사하고, 콘택트홀부의 i선용 포지티브 레지스트(3)를 노광한다(도 1c).
다음으로, 노광 후 베이킹을 수행한 후, 현상 처리를 하여 소망하는 패턴을 갖는 i선용 포지티브 레지스트(3)의 패턴이 얻어진다(도 1d).
이 i선용 포지티브 레지스트(3)의 패턴을 마스크로 하고, 실리콘계 수지막(2)을 현상 처리함으로써 콘택트홀을 얻는다. 현상 처리는 실리콘계 수지막 전용의 현상액으로 침지 현상 또는 스핀 현상을 수행한 후, 실리콘계 수지막 전용의 린스액으로 세정함으로써 수행한다(도 1e).
다음으로, 패시베이션막(1f)을 건식 에칭법에 의해 제거한 후(도 1f), 실리콘계 수지막(2)상의 i선용 포지티브 레지스트(3)를 습식 제거하거나, 또는 반응성 이온 에칭 장치, 이온 빔 에칭 장치 또는 애싱(ashing) 장치를 이용하여 건식 제거하고, 오븐 또는 핫플레이트를 이용하여 200 내지 450℃에서 후베이킹을 수행하여 실리콘계 수지막(2)의 경화를 수행한다. 이에 따라, 소정 부분이 개구된 실리콘계 수지막(2)을 피복한 자기 저항 센서가 얻어진다(도 1g).
상기 자기 저항 센서는 상기 실리콘계 수지막(2)으로 피복함으로써, 센서 특성의 열화를 방지하거나, 또는 세선(1c)이나 배선(1d) 등의 위치 변동을 방지하는 것이 가능하다. 이 실리콘계 수지막(2)은 잔류 응력이 낮은 한, 완충 작용을 갖기 때문에, 밀봉 수지로부터의 응력을 완충시켜 이들의 위치 변동이나 이에 의한 소자 의 오작동을 막을 수 있다. 또한, 센서 본체를 제어하는 제어 회로가 있는 경우, 그 배선의 위치 변동도 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 센서 소자의 제조 프로세스를 견딜 수 있는 내열성을 갖고 있고, 또한 내환경성이 우수하기 때문에, 센서 본체의 보호막으로서 유효하다. 또한, 압력 용기(pressure cooker) 테스트에 의한 센서 본체 특성 평가에서도 특성상의 이상은 확인되지 않는다.
또한, 이 실리콘계 수지막(2)은 회전 도포로 막 형성을 수행하기 때문에, 플라즈마 조사에 의한 센서 본체(1)의 방사선 피해도 피할 수 있다.
또한, 상기 패시베이션막(1f)은 상기 실리콘계 수지막(2)과의 접착성을 보다 향상시키기 때문에, 그 표면에 하이드록실기를 많이 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 센서 본체(1)는 센서이면 한정되지 않지만, 특히 자기 저항 센서, 기류 센서, 가속도 센서, 압력 센서, 요우 레이트 센서 또는 이미지 센서가 센서 본체(1)로서 이용된다.
또한, 상기 센서 본체(1)는 센서 본체(1)를 제어하는 제어 회로를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 센서 본체(1)의 감지 부위(세선; 1c)는 센서의 종류에 따라 다르지만, Au, Al, Ag, Bi, Ce, Cr, Cu, Co, C, Fe, Hf, In, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pt, Si, Sn, Ti, Ta, V, W, Zn, Zr 등의 금속이나, 이들 금속으로 이루어진 합금, 산화물, 질화물, 규화물, 황화물, 탄화물, 불화물 등이 이용된다. 예컨대, 합금으로는 Al-Cu, Al-Si, Cu-Cr, Cu-Ni, Ni-Cr, Ni-Fe, Al-Si-Cu, Ni-Cr-Si, Al-Sc, Co-Cr 등, 산화물로는 Al2O3, CeO2, CuO, Fe2O3, HfO2
, MgO, Nb2O5, SiO, SiO2, TiO, TiO2, Ta2O5, ZrO2 등, 질화물로는 AlN, Cr2N, Si3N4
, TiN, ZrN 등, 규화물로는 CrSi2, MoSi2.5, WSi2, WSi0.4 등, 황화물로는 ZnS, 탄화물로는 SiC, TiC, WC 등, 불화물로는 MgF2 등이 이용되지만, 상기에 한정되는 것이 아니라, 센서를 제작하는 데 있어서 필요한 재료이면 무방하다.
또한, 상기 니스를 도포하기 전에 센서 본체(1)의 표면을 실란 커플링제를 함유하는 용액 등에 의해 처리하여, 센서 본체(1)와 실리콘계 수지막(2)의 밀착성을 강화시킬 수도 있다.
또한, 상기 니스를 도포한 후에 실리콘계 수지막(2)의 표면을 헥사메틸렌디실라잔 등에 의해 처리하여, i선용 포지티브 레지스트(3)와 실리콘 수지막(2)의 밀착성을 강화시킬 수도 있다. 또한, 패턴 형상을 정밀도 좋게 하기 위해 반사 방지막을 형성할 수도 있다.
또한, 상기 설명에서는 i선용 포지티브 레지스트(3)를 이용했지만, 소망하는 패턴 형성이 가능하면 포지티브 레지스트나 네거티브 레지스트 어느 쪽이어도 무방하고, 또한 g선용, i선용, KrF 엑시머용 및 ArF 엑시머용중 어느 것이어도 무방하다.
또한, 실리콘계 수지막(2)을 현상하기 전에, i선용 포지티브 레지스트(3)의 패턴 전면에 자외선을 조사하여 가교 밀도를 높임으로써, 실리콘계 수지막 전용의 현상액이나 린스액에 대한 내성을 향상시킬 수도 있다.
또한, 실리콘계 수지막(2)의 현상 처리 대신에 실리콘계 수지막(2)을 건식 에칭법에 의해 제거할 수도 있다. 즉, 실리콘계 수지막(2)의 형성 후에 소성시켜 경화막으로 한 후에, 그 윗층에 통상의 포토리소그래피에 의해 i선용 포지티브 레지스트(3)의 패턴을 형성하고, 그 i선용 포지티브 레지스트(3)의 패턴을 마스크로 하여 반응성 이온 에칭 장치 또는 이온 빔 에칭 장치를 이용하여 실리콘계 수지막(2)과 패시베이션막(1f)을 연속적으로 건식 에칭하는 것이다.
반응성 이온 에칭에서 이용하는 에칭용 가스는 실리콘계 수지막(2)을 에칭할 수 있는 가스 종류이면 특별히 한정되지 않지만, CF4, CHF3, C4F8
등의 불소계 가스와 Ar 또는 O2와의 혼합 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 산소를 포함하는 에칭용 가스를 이용한 반응성 이온 에칭으로 패턴 형성을 수행하는 경우나 i선용 포지티브 레지스트(3)의 제거를 애싱(ashing) 장치를 이용하여 수행하는 경우, 저압 조건 및 저 파워 조건으로 수행하면 실리콘계 수지막(2)의 표면층의 산화를 감소시킬 수 있다. 특히, 1Torr 이하의 저압 조건 및 1㎾ 이하의 저 파워 조건으로 실리콘계 수지막(2) 표면의 산화를 보다 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 실리콘계 수지막(2)의 제거를 건식 에칭법에 의해 수행하면, 실리콘계 수지막(2)과 패시베이션막(1f)을 연속적으로 제거할 수 있기 때문에 프로세스의 간략화가 가능하다.
또한, 상기 자기 저항 센서는 밀봉 수지를 가질 수도 있다. 센서 본체(1)에 실리콘계 수지막을 피복한 후에, 본딩 패드(1e)와 리드 프레임(도시하지 않음)을 본딩 와이어(도시하지 않음)로 접속하고, 기판 전체를 에폭시 수지 등의 몰드 수지로 밀봉한다. 이 경우, 동일 기판상에 센서 본체(1)를 제어하는 제어 회로를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 예에서는 스퍼터링법이나 CVD법에 의해 형성된 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등의 패시베이션막(1f)으로 보호한 센서 본체(1)상에 실리콘계 수지막(2)을 적층하여 특히 응력 완충막으로서 기능시키지만, 상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2에 기재된 실리콘 중합체는 고순도이므로, 실리콘계 수지막(2)을 패시베이션막으로 보호하지 않은 센서 본체상에 직접 적층하여 보호막과 응력 완충막의 양 역할을 갖게 할 수도 있다.
한편, 패시베이션막(1f)은 실리콘계 수지막(2)과의 접착성을 보다 향상시키기 위해 그 표면에 하이드록실기를 많이 포함하는 것이 바람직하다.
도 2d는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 다른 예를 설명하는 단면도이다. 센서 본체(1)의 구성은 도 1과 같지만, 이 센서 본체(1)상에는 적어도 감지 부위를 피복하도록 광 경화한 실리콘계 수지막(13)이 형성된다.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 제조 방법의 다른 예를 설명하는 단면도이다. 이 자기 저항 센서의 제조 방법이 상술한 방법과 다른 것은 광 가교성의 중합체를 용제에 용해시키고, 추가로 광 가교제나 광 중합제를 첨가한 것을 이용하고 있는 점이다. 소망하는 패턴을 갖는 마스크(5)를 이용하여 윗쪽에서 조사하여 노광하고, 광 비조사 부분의 실리콘계 수지막을 현상 처리로 제거하 고, 100 내지 250℃에서 후베이킹을 수행하여 실리콘계 수지막의 경화를 수행한다(도 2b 및 2c). 패시베이션막(1f)을 건식 에칭법에 의해 제거하면, 소정 부분이 개구된 광 경화한 실리콘계 수지막(13)을 피복한 자기 저항 센서가 얻어진다(도 2d).
감광성 가교제나 광 중합 개시제는 통상적으로 광을 추진력으로 하여 반응을 야기하기 위해 첨가되는 것이지만, 열처리에 의해서도 분해되어 경화 반응을 일으킨다. 상기 중합체는 센서 소자 위에 형성하기 때문에 그 소성 온도 조건이 직접적으로 센서 특성에 악영향을 미치지만, 고분자량화한 것은 열 경화하지 않더라도 500℃의 내열성이 있고, 이들 첨가물을 넣음으로써 막 형성시의 소성 온도를 내릴 수 있어, 센서 소자의 내열 한계 온도 이하의 온도에서 소성하는 것이 가능해진다. 또한, 이들 첨가제를 넣음으로써 감광성을 발현하고, 수지막에 패턴을 전사할 필요가 있는 경우, 소망하는 패턴을 갖는 마스크를 통해서 직접 자외선을 조사한 후에 현상함으로써 패턴을 형성하는 것이 가능하고, 레지스트 패턴 형성 공정을 생략할 수 있어 단시간에 게다가 안정되게 패턴을 전사할 수 있기 때문에, 프로세스의 간략화, 저비용화에 기여할 수 있다.
실시예 1
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 기류 센서의 구조를 설명하는 도면이며, 도 3a가 평면도이고 도 3b가 A-A선 단면도이다.
본 발명에 따른 기류 센서는, 실리콘 기판(31)상에 형성된 하부 지지막(32) 상에 감지 부위를 구성하는 지그재그 형상의 금속선(33)과, 그 금속선(33)의 양단에 접속하여 마련된 전기 저항값의 변화를 검출하는 본딩 패드(34)가 형성되고, 이들 표면에는 상부 지지막(35)이 형성되며, 또한 상기 실리콘 기판(31)에는 감지 부위를 노출시키는 오목부(36)가 마련되고, 적어도 감지 부위 이면측의 표면이 실리콘계 수지막(37)으로 피복된 것이다.
이 기류 센서는 통전 가열된 금속선(33)이 오목부(36)를 통과하는 기체의 유속에 의존하여 빼앗기는 열량을 검출함으로써, 전기 저항값의 변화에 의해 기체의 유속을 검지하는 것이다.
이 기류 센서의 제조 방법을 설명한다. 우선, 약 300㎛ 두께의 Si 기판(31)상에 스퍼터링 장치에 의해 형성한 실리콘 질화막으로 이루어진 하부 지지막(32), 온도 센서가 되는 Pt로 이루어진 금속선(33), 본딩 패드(34), 및 실리콘 질화막으로 이루어진 상부 지지막(35)의 순서로 형성한 후, Pt로 이루어진 금속선(33) 바로 아래의 Si 기판(31)을 습식 에칭법에 의해 제거하였다. 이 때, 감지 부위 이면에는 300㎛의 단차가 생긴다.
다음으로 감지 부위 이면측의 표면에 실리콘계 수지막(37)의 패턴 형성을 이하의 방법으로 수행하였다.
우선, 3중량%의 N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란을 포함하는 수용액을 실리콘 웨이퍼의 이면상에 스피너를 이용하여 매분 2000회전의 속도로 회전 도포하고, 120℃에서 1분 동안 핫플레이트상에서 건조시켜 표면 처리하였다. 이 표면 처리는 하부 지지막(32)과의 밀착성을 향상시키기 위해 수행한다.
상기 화학식 1의 측쇄 R1, R2 및 R3 중 30몰%가 비닐기이고, 나머지가 메틸기이며, l/m/n 비가 5/3/2로 중량 평균 분자량이 1만인 실리콘계 중합체를 메톡시벤젠에 25중량%가 되도록 용해시키고, 추가로 이 중합체에 대하여 10중량%의 1-하이드록시-사이클로헥실페닐케톤, 3중량%의 3-케토쿠마린 및 1중량%의 트리에탄올아민을 부가하였다. 이 니스를 상기 표면 처리를 한 실리콘 질화막으로 이루어진 하부 지지막(32)의 이면측 표면에 매분 3000회전의 속도로 회전 도포하고, 핫플레이트상에서 130℃에서 2분 동안 열처리하여 용매를 제거하였다. 또한, 질소 기류하의 오븐 속에서 400℃에서 1시간 동안 후베이킹을 수행하여 완전히 경화시켜 약 1㎛ 막두께의 실리콘계 수지막(37)을 형성하였다.
이 실리콘계 수지막(37)상에 i선용 포지티브 레지스트를 막두께가 약 3㎛가 되도록 회전 도포하고 통상의 포토리소그래피를 수행하여, 소망하는 다이싱 라인을 개구하기 위한 i선용 포지티브 레지스트 패턴을 얻었다.
다음으로, 이 i선용 포지티브 레지스트 패턴을 마스크로 하여, i선용 포지티브 레지스트로 보호되어 있지 않은 부분의 실리콘계 수지막을 건식 에칭법에 의해 제거하였다. 건식 에칭은 반응성 이온 에칭 장치를 이용하고, 건식 에칭용 가스로서 CF4/O2의 혼합비가 7/3인 가스를 이용하여 수행하였다. 또한, i선용 포지티브 레지스트를 산소 플라즈마로 애싱 제거하여, 소정 부분이 개구된 실리콘계 수지막(37)을 피복한 기류 센서를 얻었다.
이 실리콘계 수지막(37)을 형성한 후, 본딩 패드(34)와 리드 프레임(도시하 지 않음)을 본딩 와이어(도시하지 않음)로 접속하였다.
이 기류 센서는, 통전된 Pt로 이루어진 금속선(33)은 외부 공기 온도보다 100℃ 정도 높은 온도로 가열되어 있고, 기류 흐름의 강도에 따라, Pt로 이루어진 금속선(33)은 열을 빼앗겨 온도가 하강한다. Pt로 이루어진 금속선(33)은 그 온도에 따라 저항값이 변화하기 때문에, 빼앗긴 열량을 전기적으로 검지할 수 있다. 빼앗긴 열량과 기류 흐름의 강도는 1 대 1로 대응하기 때문에, 기체의 흐름을 검지할 수 있다. 실리콘계 수지막이 피복되어 있지 않은 센서에서는, 외부 공기로부터 혼입되는 불순물이나 수증기 등에 의해 센서의 열화가 서서히 진행하는 문제가 있거나, 센서 개개의 특성에 차이가 나타나고 있었지만, 이 실리콘계 수지막(37)으로 피복함으로써 외부 공기로부터 보호되어 센서 특성의 열화는 없으며, 내구성 테스트도 실용 레벨이었다. 또한 양호한 센서 특성이 얻어져, 개개의 센서 특성의 격차도 해소되었다.
실시예 2
도 1g는 본 발명에 따른 실시예 2의 자기 저항 센서의 구조를 설명하는 단면도이다. 센서 본체(1)의 패시베이션막(1f)은 스퍼터링 장치로 형성한 약 800㎚ 막두께의 실리콘 질화막이고, 그 패시베이션막(1f) 표면에 실리콘계 수지막(2)의 형성을 이하의 방법으로 수행하였다.
우선, 상기 화학식 2의 측쇄 R1 및 R2중 15몰%가 아릴기이고, 나머지가 페닐기이며, R3, R4, R5 및 R6이 수소 원자인 중량 평균 분자량이 20만인 실리콘계 중합체를 메톡시벤젠에 20중량%가 되도록 용해시키고, 추가로 이 중합체에 대하여 5중량%의 2,6-비스(4'-아지드벤잘)메틸사이클로헥사논 및 0.5중량%의 γ-아미노프로필트리메톡시실란을 첨가하였다. 이 니스를 패시베이션막의 상부에 매분 2500회전의 속도로 회전 도포하고, 핫플레이트상에서 130℃에서 2분 동안 열처리하여 용매를 제거하였다. 소망하는 본딩 패드나 다이싱 라인 등의 패턴을 갖는 포토마스크를 통해 밀착 노광하고, 메톡시벤젠/이소프로필알코올=1/4(부피비)의 현상액으로 미노광 부분을 용해 제거하여 실리콘계 수지막의 패터닝을 완료하였다. 또한, 질소 기류하의 오븐 속에서 250℃에서 1시간 동안 후베이킹을 수행하여 완전히 경화시켜, 소망하는 패턴을 갖는 막두께 약 5㎛의 실리콘계 수지막(2)을 형성하였다.
이 실리콘계 수지막(2)을 형성한 후, 본딩 패드(34)와 리드 프레임(도시하지 않음)을 본딩 와이어(도시하지 않음)로 접속하고, 기판 전체를 에폭시 수지로 밀봉하였다. 이 실리콘계 수지막으로 센서 본체를 피복함으로써, 당초 밀봉 수지 형성시의 응력에 의해 발생되고 있었던, AlSi로 이루어진 배선(1d) 및 자기 저항 효과를 나타내는 자성 금속으로 이루어진 세선(1c)의 위치 변동, 질화막의 균열 및 그에 따른 센서 특성의 열화가 해소되었다.
실시예 3
도 4는 본 발명에 따른 실시예 3의 가속도 센서의 구조를 설명하는 도면이며, 도 4a가 평면도이고 도 4b가 B-B선 단면도이다.
본 발명에 따른 가속도 센서는 유리 기판(41)의 주변을 따라 형성된 프레임 형상의 실리콘 기판(42), 이 실리콘 기판(42)으로부터 돌출하여 유리 기판(41)과 일정 간격을 두고 넓어지는 평판 형상의 감지 부위(43), 및 이 감지 부위(43)에 인접하여 배치되어 감지 부위(43)와의 대향 측면 사이에서 전기 용량을 형성할 수 있는 대향 전극(44)을 구비하고 있다. 그리고, 감지 부위(43)의 표면 및 측면은 실리콘계 수지막(45)이 피복되어 있다. 프레임 형상의 실리콘 기판(42)과 대향 전극(44)상에는 각각 전기 용량을 검출하기 위한 본딩 패드(46, 47)를 구비하고 있다. 한편, 본딩 패드(46, 47)상의 유리 기판에는 콘택트홀(48, 49)을 구비하고 있다.
이 가속도 센서는 가속도에 따라 감지 부위(43)가 변위하고, 감지 부위(43)의 측면과 대향 전극(44)의 측면간 거리의 변화에 따른 전기 용량의 변화에 의해 가속도를 검지하는 것이다.
이 가속도 센서의 제조 방법을 설명한다. 우선, 두께 300 내지 500㎛의 실리콘 기판의 감지 부위가 되는 부분의 양면을 습식 에칭법에 의해 소정 깊이까지 에칭하여, 실리콘 기판의 비에칭부 윗면에 유리 기판(41)을 양극 접합 등에 의해 붙였다. 그 후, 프레임 형상의 실리콘 기판, 감지 부위 및 대향 전극이 되는 부분 이외의 실리콘 기판을 유리 기판까지 관통하여 습식 에칭에 의해 제거하여 프레임 형상의 실리콘 기판(42), 감지 부위(43) 및 대향 전극(44)을 형성하였다. 이 때, 프레임 형상의 실리콘 기판(42) 및 대향 전극(44)의 측면에는 300 내지 500㎛의 단차가 형성된다. 이와 같이 형성한 가속도 센서 본체의 이면 및 측면에 이하의 방법으로 실리콘계 수지막(45)을 형성하였다.
우선, 상기 화학식 2의 측쇄 R1 및 R2가 모두 페닐기이고, R3, R4, R5 및 R6이 트리메틸실릴기이다. 중량 평균 분자량이 15만인 실리콘계 중합체를 용액에 대하여 20중량% 및 γ-아미노프로필트리메톡시실란을 이 중합체에 대하여 0.5중량%로 메톡시벤젠에 용해시켜 니스를 조정하였다.
이 니스를 가속도 센서 본체의 이면상에 매분 2000회전의 속도로 회전 도포하고, 핫플레이트상에서 150℃에서 5분 동안 열처리하여 용매를 제거하여 약 6㎛ 막두께의 실리콘계 수지막(45)을 형성하였다. 이 실리콘계 수지막(45)상에 i선용 포지티브 레지스트를 막두께가 약 6㎛가 되도록 회전 도포하여 통상의 포토리소그래피를 수행한다. 즉, 예비베이킹 후, 소망하는 패턴을 갖는 포토마스크를 통해 노광하고, 또한 노광 후 베이킹, 현상 및 후베이킹을 수행하여, 소망하는 i선용 포지티브 레지스트 패턴을 형성하였다.
다음으로, 이 i선용 포지티브 레지스트의 패턴을 마스크로 하고, 메톡시벤젠/크실렌=1/4(부피비)의 현상액으로 i선용 포지티브 레지스트로 보호되지 않는 부분의 실리콘계 수지를 용해 제거하고, i선용 포지티브 레지스트를 아세트산부틸 등의 박리액으로 제거하고, 그 후에 오븐 속에서 질소 환경하에 300 내지 450℃에서 후베이킹을 수행하여 완전히 경화시켜, 소정 부분이 개구된 실리콘계 수지막(45)을 얻었다.
프레임 형상의 실리콘 기판(42)과 대향 전극(44)상의 유리 기판(41)에 콘택트홀(48, 49)을 형성하고, 감지 부위와 대향 전극에 각각 대응한 본딩 패드(46, 47)를 노출시켰다. 이 본딩 패드(46, 47)와 리드 프레임(도시하지 않음)을 본딩 와이어(도시하지 않음)로 접속하였다.
이 실리콘계 수지막(45)으로 피복한 가속도 센서의 동작을 확인한 바, 가속 도에 따라 감지 부위(43)는 대향 전극(44)과의 거리가 변화되는 방향(도 4a의 화살표 방향)으로 변위한다. 감지 부위(43)의 측면과 대향 전극(44) 측면과의 간격 변화는 전기 용량의 변화로서 검출되고, 충분히 실용 레벨의 감도를 가지는 것을 실증할 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 센서 소자는 센서 본체의 신뢰성 향상을 도모하는 데 적합하고, 예컨대 자기 저항 센서, 기류 센서, 가속도 센서, 압력 센서, 요우 레이트 센서, 이미지 센서에 이용하는 데 적합하다.
Claims (13)
- 삭제
- 삭제
- 센서 기판과 이 센서 기판에 의해 지지된 평면 형상의 감지 부위를 구비하되, 이 평면 형상 감지 부위의 표면이 실리콘계 수지막으로 피복되어 이루어진 센서 소자로서,상기 실리콘계 수지막이 실리콘계 중합체의 경화막이고, 상기 실리콘계 중합체가 하기 화학식 1인 것을 특징으로 하는 센서 소자:화학식 1
상기 식에서,R1, R2 및 R3은 아릴기, 수소 원자, 지방족 알킬기, 하이드록실기, 트리알킬실릴기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,l, m 및 n은 모두 0 이상이며 l+m+n≥1인 정수로, 중량 평균 분자량이 1000 이상이다. - 센서 기판과 이 센서 기판에 의해 지지된 평면 형상의 감지 부위를 구비하되, 이 평면 형상 감지 부위의 표면이 실리콘계 수지막으로 피복되어 이루어진 센서 소자로서,상기 실리콘계 수지막이 실리콘계 중합체의 경화막이고, 상기 실리콘계 중합체가 하기 화학식 2인 것을 특징으로 하는 센서 소자:화학식 2
상기 식에서,R1 및 R2는 아릴기, 수소 원자, 지방족 알킬기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,R3, R4, R5 및 R6은 수소 원자, 아릴기, 지방족 알킬기, 트리알킬실릴기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,n은 1 이상의 정수로, 중량 평균 분자량이 1000 이상이다. - 삭제
- 삭제
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,자기 저항 센서, 기류 센서, 가속도 센서, 압력 센서, 요우 레이트(yaw rate) 센서 또는 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 센서 소자.
- 삭제
- 센서 기판에 의해 지지된 평면 형상의 감지 부위에 실리콘계 중합체의 용액을 도포하여 가열 경화시킴으로써 감지 부위를 실리콘계 수지막으로 피복하는 것으로 이루어지는 센서 소자의 제조 방법으로서,상기 실리콘계 중합체가 하기 화학식 1인 것을 특징으로 하는 센서 소자의 제조 방법:화학식 1
상기 식에서,R1, R2 및 R3은 아릴기, 수소 원자, 지방족 알킬기, 하이드록실기, 트리알킬실릴기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,l, m 및 n은 모두 0 이상이며 l+m+n≥1인 정수로, 중량 평균 분자량이 1000 이상이다. - 센서 기판에 의해 지지된 평면 형상의 감지 부위에 실리콘계 중합체의 용액을 도포하여 가열 경화시킴으로써 감지 부위를 실리콘계 수지막으로 피복하는 것으로 이루어지는 센서 소자의 제조 방법으로서,상기 실리콘계 중합체가 하기 화학식 2인 것을 특징으로 하는 센서 소자의 제조 방법:화학식 2
상기 식에서,R1 및 R2는 아릴기, 수소 원자, 지방족 알킬기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,R3, R4, R5 및 R6은 수소 원자, 아릴기, 지방족 알킬기, 트리알킬실릴기 또는 불포화 결합을 갖는 작용기이며, 동종이거나 이종일 수 있고,n은 1 이상의 정수로, 중량 평균 분자량이 1000 이상이다. - 삭제
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