KR101079855B1 - 압력 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 나노와이어를 이용하여 향상된 감도를 가지는 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 나노와이어를 압저항 물질로 사용하고 외부의 압력에 대해 가장 큰 변형이 발생하는 위치에 상기 압저항 물질이 배치하여 압력에 대한 감도를 증가시킨 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

압력 센서 및 그 제조 방법{PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 나노와이어를 압저항 물질로 사용하고 외부의 압력에 대해 가장 큰 변형이 발생하는 위치에 상기 압저항 물질을 배치하여 압력에 대한 감도를 증가시킨 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 압력 센서는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 다공성 실리콘, 다이아몬드 등을 사용하여 제작된다.
압력 센서는 그 재질이나 크기 등에 따라 감도 및 다이내믹 레인지가 달라진다. 특히, 종래 기술에 따른 압력 센서는 감도가 우수한 다이내믹 레인지가 작고, 다이내믹 레인지가 큰 경우에는 감도가 우수하지 못하다는 단점이 있다. 또한, 초소형의 압력 센서를 구현하려는 경우, 감도 및 다이내믹 레인지를 모두 만족시키기 어렵다는 단점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 나노와이어를 압저항 물질로 사용하고 외부의 압력에 대해 가장 큰 변형이 발생하는 위치에 상기 압저항 물질을 배치하여 압력에 대한 감도를 증가시킨 압력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 압력 센서 제조 방법은 (a) 기판의 제1면 및 제2면에 산화막 및 질화막을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 제2면의 질화막 및 산화막을 선택적으로 제거하여 상기 기판의 제2면을 노출시키는 윈도우를 형성하는 단계; (c) 상기 제1면의 질화막 및 산화막을 패터닝하여 압력 센서 영역을 정의하는 산화막 패턴 및 질화막 패턴의 적층 구조를 형성하는 단계; (d) 상기 적층 구조에 의해 노출된 상기 제1면의 기판을 식각하여 홈을 형성하는 단계; (e) 상기 압력 센서 영역 내의 상기 질화막 패턴을 선택적으로 제거하는 단계; (f) 상기 (e) 단계에서 상기 질화막 패턴 및 산화막 패턴을 선택적으로 제거하여 노출된 상기 기판의 상부에 금속 패드를 형성하는 단계; (g) 상기 홈의 상부 측벽에 보호층 패턴을 형성하는 단계; (h) 상기 보호층 패턴을 식각 마스크로 상기 홈의 저부를 식각하여 상기 홈의 하부 측벽을 형성하는 단계; (i) 상기 윈도우를 통해 노출된 기판의 제2면을 식각하는 단계; (j) 상기 홈의 하부 측벽을 식각하여 나노 와이어를 형성하는 단계; (k) 상기 보호층 패턴을 제거하는 단계; 및 (l) 상기 적층 구조를 제거하여 상기 나노 와이어를 포함하는 압력 센서를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 n형 고저항 실리콘 기판을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계는 건식 식각 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 적층 구조는 제1 사각 패턴; 상기 제1 사각 패턴의 4개의 측면과 일정 간격 이격되어 구비되는 4개의 제2 사각 패턴; 상기 제1 사각 패턴의 4개의 측면과 상기 4개의 제2 사각 패턴을 각각 연결하는 4개의 나노와이어 패턴; 및 상기 4개의 제2 사각 패턴과 일정 거리 이격되어 상기 4개의 제2 사각 패턴을 둘러쌓는 외각부 패턴을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계는 상기 제1 사각 패턴과 제2 사각 패턴 사이의 기판 및 상기 4개의 제2 사각 패턴과 상기 외각부 패턴 사이의 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (e) 단계는 상기 제2 사각 패턴을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (f) 단계는 (f-1) 상기 기판의 제1면에 금속층을 형성하는 단계; 및 (f-2) 상기 금속층을 습식 식각하여 상기 제2 사각 패턴을 선택적으로 제거하여 노출된 상기 기판 상부에 상기 금속 패드를 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (g) 단계는 (g-1) 상기 기판의 제1면에 보호층을 형성하는 단계; 및 (g-2) 상기 홈 저부의 보호층을 제거하여 상기 홈의 상부 측벽에 상기 보호층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
보호층(170)은 TEOS층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (j) 단계는 습식 식각 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (k) 단계는 HF를 이용한 습식 식각 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계를 수행하기 전에 상기 기판의 제1면에 보론을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (k) 단계를 수행한 후에 상기 나노 와이어의 측벽 및 하부면을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (j) 단계는 상기 제1 사각 패턴 및 상기 4개의 제2 사각 패턴 하부의 기판에는 언더컷이 형성되고 상기 나노 와이어 패턴 하부의 나노 와이어 하부의 기판은 제거되도록 상기 홈의 하부 측벽을 식각하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압력 센서는 제2면에 그루브를 구비한 기판의 제1면에 구비되는 제1 기판 영역; 상기 제1 기판 영역의 4개의 측면과 일정 간격 이격되어 구비되는 4개의 제2 기판 영역; 상기 제1 기판 영역의 4개의 측면과 상기 4개의 제2 기판 영역을 각각 연결하며, 상기 기판으로부터 릴리스된 4개의 나노와이어; 및 상기 4개의 제2 기판 영역 상부에 각각 구비된 금속 패드를 포함하되, 상기 제1 기판 영역과 4개의 제2 기판 영역 하부에 언더컷이 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 패드는 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기판은 n형 고저항 실리콘 기판을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압력 센서 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 압저항 큭성이 우수한 나노와이어를 압저항 물질로 사용함으로써, 감도가 우수한 압력 센서를 제조할 수 있다.
또한, 외부의 압력에 대해 가장 큰 변형이 발생하는 위치에 상기 압저항 물질인 나노와이어를 배치하여 압력에 대한 감도를 증가시킨다는 장점이 있다.
또한, 크기가 매우 작은 나노와이러를 사용함으로써 초소형의 압력 센서를 제조할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압력 센서 및 그 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 센서를 도시한 평면도이며, 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 A-A', B-B' 및 C-C'를 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 압력 센서는 제1 기판 영역(200), 제2 기판 영역(210), 나노와이어(180) 및 금속 패드(160)를 포함한다.
기판(100)은 제1면(100-1) 및 제2면(100-2)을 구비한다. 기판의 제1면(100-1)에는 제1 기판 영역(200), 제2 기판 영역(210), 나노와이어(180) 및 금속 패드(160)가 구비되며, 제2면(100-2)에는 그루브(150)가 구비된다. 기판(100)은 n형 고저항 실리콘 기판(100)인 것이 바람직하다.
제1 기판 영역(200)은 사각형인 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 압력 센서 의 중앙에 구비되는 것이 바람직하다.
4개의 제2 기판 영역(210)은 제1 기판 영역(200)의 4개의 측면과 일정 간격 이격되어 구비된다. 제2 기판 영역(210)은 사각형인 것이 바람직하다.
제1 기판 영역(200)과 4개의 제2 기판 영역(210) 하부에는 각각 언더컷(190)이 구비된다.
4개의 나노와이어(180)는 제1 기판 영역(200)의 4개의 측면과 4개의 제2 기판 영역(210)을 각각 연결한다. 또한, 4개의 나노와이어(180)는 기판(100)으로부터 릴리스(release)되어 있다.
금속 패드(160)는 4개의 제2 기판 영역(210) 상부에 각각 구비된다. 금속 패드(160)는 하부의 기판(100)과 오믹 접촉을 한다.
금속 패드(160)는 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3n은 본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법을 도시한 단면도이다. 도 3a 내지 도 3n 각각은 도 1의 A-A', B-B' 및 C-C'를 따른 단면도를 도시한다.
도 3a를 참조하면, 기판(100)의 제1면(100-1)에 불순물, 예를 들면 보론(Boron) 이온을 주입한다. 보론 이온의 농도는 약 1015/cm2, 주입 에너지는 약 180 keV인 것이 바람직하다. 보론 이온을 주입한 후 N2 분위기의 1000℃ 퍼니스 튜브에서 약 1시간 동안 드라이브-인 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
기판(100)은 n형 고저항 실리콘 기판(100)을 포함하는 것이 바람직하다. 또 한 기판(100)의 두께는 약 520 ㎛인 것이 바람직하다.
도 3b를 참조하면, 기판(100)의 제1면(100-1) 및 제2면(100-1)에 산화막(110) 및 질화막(120)을 순차적으로 형성한다. 산화막(110)은 습식 산화 공정으로 1000-1100Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 질화막(120)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 2000-2200Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 3c를 참조하면, 제2면(100-1)의 질화막(120) 및 산화막(110)을 선택적으로 제거하여 기판(100)의 제2면(100-1)을 노출시키는 윈도우(130)를 형성한다.
윈도우(130)의 크기는 압력 센서의 크기에 따라 달라진다. 예를 들어, 520㎛ 두께의 실리콘 기판에 20㎛ 두께를 가지며 각각 50x50㎛2, 80x80㎛2, 100x100㎛2, 200x200 ㎛2의 크기를 가지는 압력 센서를 제조하고자 하는 경우, 윈도우(130)의 크기는 각각 760x760㎛2, 790x790㎛2, 810x810㎛2, 910x910㎛2인 것이 바람직하다.
질화막(120) 및 산화막(110)은 건식 식각 공정으로 제거하는 것이 바람직하다.
도 3d를 참조하면, 제1면(100-1)의 질화막(120) 및 산화막(110)을 패터닝하여 압력 센서 영역을 정의하는 산화막 패턴(110a) 및 질화막 패턴(120a)의 적층 구조(125)를 형성한다. 질화막(120) 및 산화막(110)은 포토 공정 및 건식 식각 공정을 통해 패터닝하는 것이 바람직하다. 또한, 나노와이어(180)를 정의하는 도 4의 나노와어 패턴(320)은 길이는 10㎛, 폭은 2㎛, 2.5㎛ 또는 3 ㎛인 것이 바람직하 다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 센서 영역을 정의하는 질화막 패턴(120a)을 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 질화막 패턴(120a)은 제1 사각 패턴(300), 제2 사각 패턴(310), 나노와이어 패턴(320) 및 외각부 패턴(330)을 포함한다.
제1 사각 패턴(300)은 도 1의 제1 기판 영역(200)을 정의한다.
4개의 제2 사각 패턴(310)은 제1 사각 패턴(300)의 4개의 측면과 일정 간격 이격되어 구비되며, 도 1의 제1 기판 영역(210)을 정의한다.
4개의 나노와이어 패턴(320)은 제1 사각 패턴(300)의 4개의 측면과 4개의 제2 사각 패턴(310)을 각각 연결하며, 도 1의 나노와이어(180)를 정의한다.
외각부 패턴(330)은 4개의 제2 사각 패턴(310)과 일정 거리 이격되어 4개의 제2 사각 패턴(310)을 둘러쌓는다.
질화막 패턴(120a)은 도 3e의 식각 공정에서 식각 마스크로 기능한다.
질화막 패턴(120a) 하부의 산화막 패턴(110a)의 형상은 질화막 패턴(120a)과 그것과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 3e를 참조하면, 적층 구조(125)에 의해 노출된 기판(100)의 제1면(100-1)을 식각하여 홈(140)을 형성한다. 즉, 제1 사각 패턴과 제2 사각 패턴 사이의 기판(100) 및 4개의 제2 사각 패턴과 외각부 패턴 사이의 기판(100)을 건식 식각하여 홈(140)을 형성한다.
도 3f를 참조하면, 압력 센서 영역 내의 질화막 패턴(120a)을 선택적으로 제 거하여 금속 패드 예정 영역(165)을 형성한다. 즉, 금속 패드(160)가 형성될 영역의 제2 사각 패턴을 제거하여 산화막 패턴(110a)을 노출시킨다.
도 3g를 참조하면, 질화막 패턴(120a)을 선택적으로 제거하여 노출된 산화막 패턴(110a)의 상부에 금속 패드(160)를 형성한다.
구체적으로는, 기판(100)의 제1면(100-1) 상부에 금속층(미도시)을 형성한 후 금속층을 선택적으로 습식 식각하여 노출된 산화막(110) 상부에 금속 패드(160)를 형성한다. 금속층은 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다.
도 3h를 참조하면, 제1면(100-1)의 전체에 보호층(170)을 형성한다.
보호층(170)은 TEOS(TetraEthyl OrthoSilicate)층을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 보호층(170)의 두께는 2000-3000Å인 것이 바람직하다.
도 3i를 참조하면, 홈(140) 저부의 보호층(170)을 제거하여 홈(140)의 상부 측벽(142)에 보호층 패턴(170a)을 형성한다. 보호층(170)을 건식 식각하면 상부 측벽(142)에만 보호층(170)이 남는다.
도 3j를 참조하면, 보호층 패턴(170a)을 식각 마스크로 홈(140)의 저부를 식각하여 홈(140)의 하부 측벽(145)을 형성한다.
도 3k를 참조하면, 윈도우(130)를 통해 노출된 기판(100)의 제2면(100-1)을 식각하여 그루브(150)를 형성한다. 제2면(100-1)의 식각 공정은 TMAH를 이용한 습식 식각 공정인 것이 바람직하다.
도 3l을 참조하면, 홈(140)의 하부 측벽(145)을 식각하여 나노와이어(180) 및 언더컷(190)을 형성한다. 홈(140)의 하부 측벽(145)을 식각하면, 나노와이 어(180)가 릴리스(release)된다.
하부 측벽(145)의 식각 공정은 TMAH를 이용한 습식 식각 공정인 것이 바람직하다.
도 3m을 참조하면, 보호층 패턴(170a)을 제거하여 상부 측벽(142)을 노출시킨다.
보호층 패턴(170a)은 HF를 이용한 습식 식각 공정을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다.
보호층 패턴(170a)을제거한 후 추가로 식각 공정을 수행하여 나노와이어(180)의 측벽 및 하부면을 식각하면 나노와이어(180)의 크기를 조절할 수 있다.
도 3n을 참조하면, 적층 구조(125)를 제거하여 나노와이어(180)를 포함하는 압력 센서를 형성한다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 센서를 도시한 평면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 압력 센서를 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3n은 본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 압력 센서 영역을 정의하는 질화막 패턴을 도시한 평면도.

Claims (18)

  1. (a) 기판의 제1면 및 제2면에 산화막 및 질화막을 순차적으로 형성하는 단계;
    (b) 상기 제2면의 질화막 및 산화막을 선택적으로 제거하여 상기 기판의 제2면을 노출시키는 윈도우를 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1면의 질화막 및 산화막을 패터닝하여 압력 센서 영역을 정의하는 산화막 패턴 및 질화막 패턴의 적층 구조를 형성하는 단계;
    (d) 상기 적층 구조에 의해 노출된 상기 제1면의 기판을 식각하여 홈을 형성하는 단계;
    (e) 상기 압력 센서 영역 내의 상기 질화막 패턴 및 산화막 패턴을 선택적으로 제거하는 단계;
    (f) 상기 (e) 단계에서 상기 질화막 패턴 및 산화막 패턴을 선택적으로 제거하여 노출된 상기 기판의 상부에 금속 패드를 형성하는 단계;
    (g) 상기 홈의 상부 측벽에 보호층 패턴을 형성하는 단계;
    (h) 상기 보호층 패턴을 식각 마스크로 상기 홈의 저부를 식각하여 상기 홈의 하부 측벽을 형성하는 단계;
    (i) 상기 윈도우를 통해 노출된 기판의 제2면을 식각하는 단계
    (j) 상기 홈의 하부 측벽을 식각하여 나노 와이어를 형성하는 단계;
    (k) 상기 보호층 패턴을 제거하는 단계; 및
    (l) 상기 적층 구조를 제거하여 상기 나노 와이어를 포함하는 압력 센서를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 n형 고저항 실리콘 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 건식 식각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적층 구조는
    제1 사각 패턴;
    상기 제1 사각 패턴의 4개의 측면과 일정 간격 이격되어 구비되는 4개의 제2 사각 패턴;
    상기 제1 사각 패턴의 4개의 측면과 상기 4개의 제2 사각 패턴을 각각 연결하는 4개의 나노와이어 패턴; 및
    상기 4개의 제2 사각 패턴과 일정 거리 이격되어 상기 4개의 제2 사각 패턴 을 둘러쌓는 외각부 패턴
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 제1 사각 패턴과 제2 사각 패턴 사이의 기판 및 상기 4개의 제2 사각 패턴과 상기 외각부 패턴 사이의 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 상기 제2 사각 패턴을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (f) 단계는
    (f-1) 상기 기판의 제1면에 금속층을 형성하는 단계; 및
    (f-2) 상기 금속층을 습식 식각하여 상기 제2 사각 패턴을 선택적으로 제거하여 노출된 상기 기판 상부에 상기 금속 패드를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (g) 단계는
    (g-1) 상기 기판의 제1면에 보호층을 형성하는 단계; 및
    (g-2) 상기 홈 저부의 보호층을 제거하여 상기 홈의 상부 측벽에 상기 보호층 패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보호층은 TEOS층을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 제조 방법.
    것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (j) 단계는 습식 식각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (k) 단계는 HF를 이용한 습식 식각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계를 수행하기 전에
    상기 기판의 제1면에 보론을 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 (k) 단계를 수행한 후에 상기 나노 와이어의 측벽 및 하부면을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 (j) 단계는 상기 제1 사각 패턴 및 상기 4개의 제2 사각 패턴 하부의 기판에는 언더컷이 형성되고 상기 나노 와이어 패턴 하부의 나노 와이어 하부의 기판은 제거되도록 상기 홈의 하부 측벽을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조 방법.
  16. 제2면에 그루브를 구비한 기판의 제1면에 구비되는 제1 기판 영역;
    상기 제1 기판 영역의 4개의 측면과 일정 간격 이격되어 구비되는 4개의 제2 기판 영역;
    상기 제1 기판 영역의 4개의 측면과 상기 4개의 제2 기판 영역을 각각 연결하며, 상기 기판으로부터 릴리스된 4개의 나노와이어; 및
    상기 4개의 제2 기판 영역 상부에 각각 구비된 금속 패드를 포함하되,
    상기 제1 기판 영역과 4개의 제2 기판 영역 하부에 언더컷이 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속 패드는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 기판은 n형 고저항 실리콘 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
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