KR101195297B1

KR101195297B1 - 압력 센서 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101195297B1
Application number: KR20100035351A
Authority: KR
Inventors: 도모히사 도쿠다; 히로후미 도조
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2012-10-26
Also published as: JP5286153B2; KR20100118513A; JP2010256281A; US8338899B2; CN101876575B; CN101876575A; US20100270629A1

Abstract

본 발명은 고성능의 소형 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 압력 센서(30)는, 개구부(1a)를 갖는 제1 반도체층(1)과, 제1 반도체층(1) 위에 형성되고, 다이어프램(4)이 되는 오목부(12)를 갖는 제2 반도체층(3)을 포함하는 센서칩(10)과, 개구부(1a)에 연통하는 압력 도입 구멍(17)을 가지며, 센서칩(10)에 접합되는 대좌(11)를 포함한다. 제2 반도체층(3)의 오목부(12)가 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)보다 크다. 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에 있어서, 제2 반도체층(3)측의 개구 직경이 대좌(11)측의 개구 직경보다 크다.

Description

압력 센서 및 그 제조 방법{PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히 자세하게는 다이어프램을 갖는 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체의 피에조 저항 효과를 이용한 압력 센서는 소형, 경량, 고감도이기 때문에, 공업 계측, 의료 등의 분야에서 널리 이용되고 있다. 이러한 압력 센서에는 반도체 다이어프램 위에 왜곡 게이지가 형성되어 있다. 다이어프램에 가해지는 압력에 의해 왜곡 게이지가 변형한다. 피에조 저항 효과에 의한 왜곡 게이지의 저항 변화를 검출하여, 압력을 측정한다. 그리고, 패키지로부터의 응력 완화를 위해, 다이어프램이 형성된 센서칩이 유리 등의 대좌에 접합된다(특허문헌 1).

여기서, 압력 센서의 구성에 대해서 도 5를 이용하여 설명한다. 도 5는 종래의 압력 센서의 구성을 도시하는 측면단면도이다. 센서칩(10)은 예컨대 단결정 Si 기판으로 구성된다. 그리고, 센서칩(10)에는 피에조 저항 효과를 갖는 왜곡 게이지(5, 15)가 형성된다. 센서칩(10)의 중앙 부분이 에칭되고, 다이어프램(4)이 형성된다. 여기서는, 센서칩(10)의 중앙 부분이 테이퍼형으로 에칭된다. 따라서, 센서칩 이면의 다이어프램 센서 개구 치수가 다이어프램 치수보다 커진다. 센서칩(10)에는 대좌(11)가 접합된다. 다이어프램(4) 주변부에서, 대좌(11)가 센서칩(10)에 접합된다.

추가로, 특허문헌 2에는 응력 집중을 완화하기 위해 다이어프램의 감압 영역측의 엣지부가 라운드 형상이 된 압력 센서가 개시되어 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2002-277337호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2002-208708호 공보

압력 센서의 압력 감도를 높이기 위해서는, 다이어프램(4)을 크게 해야 한다. 또한, 대좌(11)와의 접합 강도를 확보하기 위해서는, 접합 영역(접합부)의 면적을 크게 해야 한다. 그러나, 센서칩(10)의 크기가 일정한 경우, 감도를 향상시키기 위해 다이어프램(4)을 크게 하면 대좌와의 접합 영역이 작아지고, 접합의 신뢰성을 향상시키기 위해 접합 영역을 크게 하면 다이어프램(4)이 작아져 버린다. 따라서, 압력 감도를 높이고 접합 강도를 확보하기 위해서는 센서칩(10)을 크게 해야 한다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 고성능의 소형 압력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 압력 센서는, 개구부를 갖는 제1 반도체층과, 상기 제1 반도체층 위에 형성되고, 다이어프램이 되는 오목부를 갖는 제2 반도체층을 포함하는 센서칩과, 상기 개구부에 연통하는 압력 도입 구멍을 가지며, 상기 센서칩에 접합되는 대좌를 구비하고, 상기 제2 반도체층의 오목부가 상기 제1 반도체층의 개구부보다 크며, 상기 제1 반도체층의 개구부는 상기 제2 반도체층측의 개구 직경이 대좌측의 개구 직경보다 크다. 이것에 의해, 다이어프램을 크게 한 경우라도, 대좌와의 접합 영역을 넓게 취할 수 있다. 따라서, 보다 소형이며 접합 신뢰성이 높은 압력 센서를 실현할 수 있다.

상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에, 개구부를 갖는 절연층이 형성되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 다이어프램의 두께를 균일하게 할 수 있다.

상기 센서칩과 상기 대좌와의 접합부 주변에, 상기 센서칩과 상기 대좌와의 사이에 간극이 형성된 비접합부가 형성되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, S/N비를 향상시킬 수 있다.

상기 제2 반도체층의 오목부에서의 개구 가장자리는 상기 제1 반도체층에서의 상기 제2 반도체층측 개구부의 측벽보다 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 폭 치수로 바깥쪽으로 벗어나 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법은, 제1 반도체층과, 감압 영역인 다이어프램이 되는 제2 반도체층이 형성된 센서칩을 포함하는 압력 센서의 제조 방법으로서, 상기 제1 반도체층을 이방성 에칭하여, 상기 감압 영역이 되는 부분에서 상기 제1 반도체층에 개구부를 형성하는 공정과, 상기 제1 반도체층의 개구부에서의 측벽에, 상기 제2 반도체층측의 막 두께가 얇아지는 두께 분포를 갖는 보호막을 형성하는 공정과, 상기 보호막을 형성한 후, 상기 제1 반도체층의 개구부에서의 측벽을 에칭하여, 상기 제1 반도체층의 개구부를 상기 제2 반도체층측의 개구 직경이 대향하는 측의 개구 직경보다 커지도록 형성하며, 상기 다이어프램을 형성하기 위해, 상기 감압 영역이 되는 부분의 상기 제2 반도체층을 에칭하여, 상기 제1 반도체층의 개구부보다 큰 오목부를 상기 제2 반도체층에 형성하는 공정과, 상기 센서칩에 대좌를 접합하는 공정을 포함한다. 이것에 의해, 다이어프램을 크게 한 경우라도, 대좌와의 접합 영역을 넓게 취할 수 있다. 따라서, 보다 소형이며 접합 신뢰성이 높은 압력 센서를 실현할 수 있다.

상기 제1 반도체층을 이방성 에칭하여 개구부를 형성하는 공정 후에, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 형성된 절연층을 에칭하여 개구부를 형성하는 공정을 더 포함하고, 상기 제1 반도체층에 개구부를 형성하는 공정에서는, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층과의 사이에 형성된 절연층을 에칭 스토퍼로 하여, 상기 이방성 에칭을 수행하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 다이어프램의 두께를 균일하게 할 수 있다.

상기 센서칩에 대좌를 접합하는 공정에서는, 상기 센서칩과 상기 대좌와의 접합부 주변에, 상기 센서칩과 상기 대좌와의 사이에 간극이 형성된 비접합부를 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, S/N비를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 고성능의 소형 압력 센서 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 압력 센서의 구성을 도시하는 측면 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 압력 센서의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 압력 센서의 제2 반도체층의 측단(側端)을 라운드 형상으로 가공한 경우의 효과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 압력 센서의 제조 공정을 나타내는 공정단면도이다.
도 5는 종래의 압력 센서의 구성을 도시하는 측면 단면도이다.

이하에서는, 본 발명을 적용한 구체적인 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 압력 센서의 구성을 도시하는 측면 단면도이다. 도 2는 본 압력 센서의 평면도이다. 도 1은 도 2의 선 II-II를 따라 취한 단면도이며, 본 실시형태에 따른 압력 센서는 반도체의 피에조 저항 효과를 이용한 반도체 압력 센서이다.

압력 센서(30)는 결정면 방위가 (100)면의 n형 단결정 Si을 포함하는 정사각형의 센서칩(10)과, 센서칩(10)이 접합된 대좌(11)를 갖는다. 센서칩(10)은 베이스가 되는 제1 반도체층(1)과, 절연층(2)과, 제2 반도체층(3)을 구비한다. 즉, 센서칩(10)은 제1 반도체층(1), 절연층(2), 및 제2 반도체층(3)을 포함하는 3층 구조를 갖는다. 제1 반도체층(1), 및 제2 반도체층(3)은 n형 단결정 Si층으로 구성된다. 절연층(2)은 예컨대 SiO₂층으로 구성된다. 제1 반도체층(1) 위에 절연층(2)이 형성된다. 또한, 절연층(2) 위에 제2 반도체층(3)이 형성된다. 따라서, 제1 반도체층(1)과 제2 반도체층(3) 사이에 절연층(2)이 배치된다. 절연층(2)은 제1 반도체층(1)을 에칭할 때에, 에칭 스토퍼로서 기능한다. 제2 반도체층(3)은 다이어프램(4)을 구성한다. 다이어프램(4)은 센서칩(10)의 중앙 부분에 배치된다.

감압 영역이 되는 부분에 있어서, 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)에 개구부(1a, 2a)가 형성되고, 제2 반도체층(3)이 노출된다. 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)는 제2 반도체층(3)측의 개구 직경이 대좌(11)측의 개구 직경보다 크다. 본 실시형태의 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽은 제1 반도체층(1)의 제2 반도체층(3)측의 접합면에 직교하는 방향에 대하여 각도 θ로 경사지는 역테이퍼형의 경사면으로 되어 있다. 이 때, 경사면의 각도 θ는 3˚부터 20˚ 정도로 되어 있다. 절연층(2)의 개구부(2a)는 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 제2 반도체층(3)측의 개구 직경과 대략 같아진다. 또한, 본 실시형태에서는 절연층(2)의 개구부(2a)는 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 제2 반도체층(3)측의 개구 직경과 대략 같다. 반드시 대략 같지 않아도 좋다.

또한, 각도 θ는 0˚보다 크면 좋고, 제2 반도체층(3)측의 개구 직경이 대좌(11)측의 개구 직경보다 크면, 직선적이나 단계적인 테이퍼 형상 등의 형상도 상관없다. 또한, 각도 θ를 크게 할수록 대좌(11)와의 접합 면적을 넓게 확보할 수 있지만, 센서칩(10)의 크기에 따라서 적시 설계하면 좋다.

그리고, 감압 영역이 되는 부분에서, 제2 반도체층(3)의 이면 중앙에는, 오목부(12)가 형성된다. 즉, 감압 영역이 되는 부분에서는, 제2 반도체층(3)의 두께가 그 외의 부분에 비해 얇다. 이와 같이, 제2 반도체층(3)이 얇아진 부분이 압력을 측정하기 위한 다이어프램(4)이 된다. 여기서는, 상면에서 봤을 때, 센서칩(10)의 표면 중앙부에는 정사각형 형상의 다이어프램(4)이 형성되어 있다. 이 다이어프램(4)에 대응하는 영역이 압력 센서(30)의 감압 영역이 된다.

오목부(12)는 정사각형 형상으로 형성된다. 오목부(12)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 개구부(1a) 및 개구부(2a)의 개구 직경보다 훨씬 크다. 즉, 정사각형 형상의 감압 영역의 평면 영역은 정사각형 형상의 개구부(1a) 및 개구부(2a)의 평면 영역보다 훨씬 크다. 이것에 의해, 감압 영역을 넓게 할 수 있다. 따라서, 압력 센서(30)의 측정 감도를 향상시킬 수 있다.

센서칩(10)에는, 다이어프램(4)을 둘러싸는 두께가 두꺼운 부분(10a)이 형성된다. 두께가 두꺼운 부분(10a)이 센서칩(10)의 외주부를 형성한다. 센서칩(10)의 이면측에서, 센서칩(10)의 두께가 두꺼운 부분(10a)이 대좌(11)에 양극 접합된다. 대좌(11)는 파이렉스 유리(등록상표), 또는 텐팍스 유리(등록상표) 등의 양극 접합 가능한 유리 등에 의해 센서칩(10)과 대략 동일한 크기를 갖는 각기둥체로 형성된다. 대좌(11)의 중앙에는 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)의 개구부(1a, 2a)를 통해, 다이어프램(4)의 이면측에 측정 압력(P1)을 도입하는 관통 구멍(압력 도입 구멍)(17)이 형성된다. 즉, 관통 구멍(17)은 개구부(1a), 개구부(2a), 및 오목부(12)와 연통한다.

다이어프램(4)은 그 대각선(a, a)이 센서칩(10)의 변과 직교하도록 센서칩(10)에 대하여 대략 45˚ 기운 상태로 형성된다. 그리고, 다이어프램(4) 표면의 주연부 부근에는, 피에조 영역으로서 작용하여 차압 또는 압력을 검출하는 4개의 차압 또는 압력 검출용 왜곡 게이지(5a～5d)가 형성된다. 왜곡 게이지(5a～5d)는 센서칩(10)의 대각선(b, b) 위에 위치하도록 배치된다. 또한, 이들 왜곡 게이지(5a～5d)는 센서칩(10)의 결정면 방위 (100)에서 피에조 저항 계수가 최대가 되는 <110>의 결정축 방향으로 형성된다.

이와 같이, 제2 반도체층(3)의 상면측에는, 피에조 저항 효과를 갖는 왜곡 게이지(5a～5d)가 형성된다. 왜곡 게이지(5a～5d)는 다이어프램(4)에 배치된다. 여기서는, 제2 반도체층(3)에, 4개의 왜곡 게이지(5a～5d)가 형성되어 있다. 또한, 제2 반도체층(3)의 상면에는, 왜곡 게이지(5a～5d)와 접속되는 금속 전극(도시 생략)이 형성된다. 그리고, 왜곡 게이지(5a～5d)가 브리지 회로에 연결된다. 즉, 왜곡 게이지(5a～5d)는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로를 구성한다. 다이어프램(4)에 의해 이격된 공간의 압력차에 의해 다이어프램(4)이 변형한다. 왜곡 게이지(5a～5d)는 다이어프램(4)의 변형량에 따라 저항이 변화한다. 이 저항 변화를 검출함으로써, 압력을 측정할 수 있다.

예컨대, 다이어프램(4)의 표리면에 측정 압력(P1, P2)이 인가되면, 다이어프램(4)이 변형한다. 다이어프램(4)의 변형에 따라 각 왜곡 게이지(5a～5d)의 비저항이 변화한다. 이것에 의해, 측정 압력(P1, P2)의 차압 신호가 차동적으로 출력된다.

이 때의 왜곡 게이지(5a～5d)의 저항 변화율은 다음 식으로 표현된다.

ΔR/R = π₄₄(σr-σθ)/2 ?????(1)

단, π₄₄은 피에조 저항계수, σr은 다이어프램(4)의 변에 수직인 응력, σθ은 다이어프램(4)의 변에 평행한 응력이다.

센서칩(10)의 두께가 두꺼운 부분(10a)은 대좌(11)의 표면에 접합된다. 이 때, 전술한 바와 같이, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)는 제2 반도체층(3)측의 개구 직경이 대좌(11)측의 개구 직경보다 크게 형성된다. 이 때문에 다이어프램(4)을 크게 한 경우라도, 센서칩(10)의 두께가 두꺼운 부분(10a)은 대좌(11)와의 접합 영역을 보다 넓게 확보할 수 있다. 이것에 의해, 칩 사이즈를 크게 하지 않아도, 접합 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 압력 센서(30)의 소형화를 도모할 수 있고, 신뢰성을 높일 수 있다. 따라서, 종래보다 고성능의 소형 센서칩을 실현할 수 있다.

여기서, 다이어프램(4)의 양면에 인가되는 측정 압력(P1, P2)의 차가 0이어도, 정압이나 온도가 변한 경우, 재료의 상위(相違) 및 형상에 의해 상기 식 (1)에서의 σr-σθ의 차가 제로가 되지 않는다. 이 때문에, 브리지 회로가 출력을 발생시켜, 제로점이 시프트한다는 문제가 생긴다. 이와 같이, 정압 또는 온도 변화에 의해 σr≠σθ가 되고, 게이지(5a～5d)의 저항값이 변화한다. 즉, 센서칩(10)과 대좌(11)와의 접합면은 다이어프램(4)의 변형에 관계한다. 그리고, 정사각형의 센서칩(10)의 변에 대하여 정사각형의 다이어프램(4)의 대각선(a, a)이 직교하도록 대략 45˚ 기울여 형성한 경우, 센서칩(10)의 접합면 중 대각선(b) 방향의 접합면의 길이가 길어진다. 이 때문에 두께가 두꺼운 부분(10a)의 이면 전체를 접합한 경우에는, 다이어프램(4)의 변에 수직인 응력(σr)이 다이어프램(4)의 변에 평행한 응력(σθ)보다 커진다. 그 결과로서, 제로점 시프트가 발생하고, 차압을 높은 정밀도로 검출할 수 없게 되는 경우가 있다.

그래서, 압력 센서(30)에서는, 응력을 완화하고 크로스토크를 적게 하기 위해 센서칩(10)의 두께가 두꺼운 부분(10a)의 이면 일부만을 대좌(11)에 접합한다. 즉, 대좌(11)의 상면 일부에 단차부(14)를 형성한다. 그리고, 단차부(14)가 형성되는 부분을 대좌(11)로부터 이격시킴으로써 비접합부(13)로 하고, 단차부(14)가 형성되지 않은 부분을 대좌(11)에 접합함으로써 접합부(13A)로 하고 있다.

비접합부(13)의 형성 지점은 센서칩(10) 이면의 각 각부(角部)에서 비접합부(13)가 접합부(13A)보다 외측에 위치한다. 즉, 접합부(13A)가 외형 8각형의 프레임 상에서 다이어프램(4)을 둘러싼다.

비접합부(13)의 크기는 왜곡 게이지(5a～5d)에 생기는 다이어프램(4)의 변에 수직인 방향의 응력(σr)과 다이어프램(4)의 변에 평행한 방향의 응력(σθ)이 같아지도록 형성된다. 즉, 비접합부(13)의 길이(A)와 접합부(13A)의 길이(B)와의 비 A/B를 최적화함으로써, σr=σθ로 하고, 정압이나 온도에 의한 제로점 시프트를 최소가 되도록 하고 있다. 이것에 의해, S/N비를 향상시킬 수 있다.

단차부(14)는 대좌(11)에서의 각 비접합부(13)에 대응하는 각부(角部)에 배치된다. 즉, 비접합부(13)에서는 대좌(11)와 센서칩(10)과의 사이에, 단차부(14)의 높이에 대응하는 간극이 형성된다. 또한, 두께가 두꺼운 부분(10a)의 이면측에 단차부를 형성하여, 비접합부(13)를 형성하여도 좋은 것은 물론이다.

전술한 바와 같이, A/B를 최적화함으로써 σr=σθ로 하고, 정압이나 온도에 의한 제로점 시프트를 최소로 할 수 있다. 또한, 실제로는 σr와 σθ를 완전히 같게 하는 것은 매우 어려운 경우가 있다. 이 경우, 정압 검출용 왜곡 게이지(15a～15d)를 동일 센서칩 위에 설치함으로써, 차압 또는 압력 검출용 왜곡 게이지(5a～5d)의 검출 신호를 보정할 수 있다. 이것에 의해, 차압 또는 압력을 보다 고정밀도로 측정하는 것이 가능해진다.

제2 반도체층(3)의 표면측에는, 피에조 저항 효과를 갖는 왜곡 게이지(15a～15d)가 형성된다. 왜곡 게이지(15a～15d)는 다이어프램(4)의 외측에 형성된다. 왜곡 게이지(15a～15d)는 센서칩(10)의 표면에 형성된다. 왜곡 게이지(15a～15d)는 비접합부(13)에 대응하는 두께가 두꺼운 부분(10a) 표면에 형성된다. 왜곡 게이지(15a～15d)에서 정압을 검출하고, 그 검출 신호에 의해 차압 또는 압력 검출용 왜곡 게이지(5a～5d)의 검출 신호를 보정한다. 정압 검출용 왜곡 게이지(15a～15d)는 센서칩(10)의 대각선(b, b) 위에 배치된다. 또한, 왜곡 게이지(15a～15d)는 센서칩(10)의 각 각부(角部)에 위치하도록 설치된다. 또한, 왜곡 게이지(15a～15d)는 센서칩(10)의 결정면 방위 (100)에서 피에조 저항계수가 최대가 되는 <110>의 결정 축방향으로 길게 형성된다. 왜곡 게이지(15a～15d)는 차압 또는 압력 검출용 왜곡 게이지(5a～5d)와 마찬가지로 확산 또는 이온 주입법에 의해 형성된다. 그리고, 왜곡 게이지(15a～15d)는 도시하지 않는 도선에 의해 휘트스톤 브리지에 연결된다. 왜곡 게이지(15a～15d)는 정압에 의한 비접합부(13)의 변형에 따라 비저항이 변화하는 것에 의해 정압을 검출한다. 그리고, 왜곡 게이지(15a～15d)는 그 검출 신호에 의해 차압 또는 압력 검출용 왜곡 게이지(5a～5d)의 검출 신호를 보정한다.

왜곡 게이지(15a～15d)는 비접합부(13)의 표면에 배치된다. 또한, 왜곡 게이지(15a～15d)는 다이어프램(4)의 중심으로부터 떨어진 위치에 배치된다. 비접합부(13)를 형성하면, 정압에 의한 발생 응력이 높은 구간이 생긴다. 왜곡 게이지(15a～15d)를 이 구간 내에서 비접합부(13)의 센서칩(10) 표면에 설치하면, 정압에 대해서는 감도가 높고, 차압에 대해서는 감도가 낮아진다. 이것에 의해, 크로스토크를 저감할 수 있고, 차압 또는 압력 검출용 왜곡 게이지(5a～5d)에 의한 검출 신호를 고정밀도로 보정할 수 있다. 왜곡 게이지(15a～15d)를 그 일부가 접합부(13A)의 센서칩(10) 표면에까지 연장되도록 배치하여도 좋다. 또한, 접합부(13A)에 연장되는 부분의 길이는 비접합부(13)에 설치되는 부분의 길이보다 짧은 것이 바람직하다.

여기서, 다이어프램(4)의 양단 근방을 엣지부(6)로 한다. 엣지부(6)에서는, 제2 반도체층(3)의 측단(側端)이 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)에 형성된 개구부(1a, 2a)보다 5 ㎛～50 ㎛ 정도의 폭 치수(T)로 바깥쪽으로 벗어나 있다. 여기서, 폭 치수(T)는 제2 반도체층(3)의 측단이 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 제2 반도체층(3)측의 측벽 단부를 기준으로서 바깥쪽으로 벗어나 있는 치수이다. 그리고, 제2 반도체층(3)의 측단은 라운드 형상으로 가공된다. 따라서, 응력 집중을 완화시킬 수 있다. 또한, 다이어프램(4)을 크게 할 수 있기 때문에, 정밀도가 높은 소형 압력 센서(30)를 얻을 수 있다.

도 3은 제2 반도체층(3)의 측단을 라운드 형상으로 가공한 경우의 효과를 나타낸는 도면이다. 횡축은 라운드 치수이며, 상기한 폭 치수(T)에 해당한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 이 라운드 형상은 제2 반도체층(3)을 대략 등방성이 되는 소정의 에칭을 수행함으로써 형성되고, 이 폭 치수(T)와 라운드 형상의 깊이 방향의 치수는 대략 동등하다. 또한, 종축은 라운드 치수[폭 치수(T)]를 제로로 한, 즉 라운드 형상이 없는 압력 센서의 내압의 크기를 1(기준)로 하여, 라운드 치수[폭 치수(T)]를 크게 한 경우의 내압의 크기를 나타내는 내압 향상율이다. 라운드 치수를 0 ㎛, 20 ㎛, 40 ㎛로 한 압력 센서의 내압 시험을 수행한 바, 라운드 치수를 크게 할수록, 내압이 향상하는 결과를 얻을 수 있었다.

여기서, 바깥쪽으로 벗어나온 폭 치수(T)의 하한을 5 ㎛ 정도로 한 것은, 가공에 의한 치수 변동을 고려하여도, 도 3으로부터, 라운드 형상이 없는 경우와 비교하여 10% 정도의 내압 향상을 도모할 수 있기 때문이다. 한편, 폭 치수(T)를 크게 하면 보다 내압 향상을 도모할 수 있지만, 다이어프램(4)의 두께 변동도 커지기 때문에, 상한을 50 ㎛ 정도로 하고 있다.

또한, 폭 치수(T)는 0 ㎛ 초과이면 내압 향상을 도모할 수 있고, 5 ㎛ 미만 또는 50 ㎛ 초과인 경우를 부정하는 것이 아니다.

다음으로, 압력 센서(30)의 제조 방법에 대해서, 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4는 압력 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 우선, 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제1 반도체층(1)과, 0.5 ㎛ 정도의 두께의 절연층(2), 및 제2 반도체층(3)을 포함하는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 준비한다. 이 SOI 웨이퍼를 제작하기 위해서는, Si 기판 내에 산소를 주입하여 SiO₂층을 형성하는 SIMOX(Separation by IMplanted OXygen) 기술을 이용하여도 좋고, 2장의 Si 기판을 접합시키는 SDB(Silicon Direct Bonding) 기술을 이용하여도 좋으며, 그 외의 방법을 이용하여도 좋다.

제2 반도체층(3)을 평탄화 및 박막화한다. 예컨대, CCP(Computer Controlled Polishing)로 불리는 연마법 등에 의해, 미리 정해진 두께(예컨대 80 ㎛)까지, 제2 반도체층(3)을 연마한다.

제2 반도체층(3)의 상면에는, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 불순물 확산 또는 이온 주입법에 의해 p형 Si 등으로 이루어진 왜곡 게이지(피에조 저항 영역)(5, 15)가 형성된다. 그 결과, 후술하는 바와 같이, 왜곡 게이지(5)는 제2 반도체층(3)의 다이어프램(4)에 형성되게 된다. 또한, 왜곡 게이지(15)는 다이어프램(4)의 외측에 형성되게 된다. 이것에 의해, 도 4의 (f)에 도시하는 구성이 된다. 또한, 왜곡 게이지(5)는 상기한 왜곡 게이지(5a～5d) 중 어느 하나이고, 왜곡 게이지(15)는 상기한 왜곡 게이지(15a～15d) 중 어느 하나이다. 계속해서, 제2 반도체층(3)의 상면에 SiO₂층(도시 생략)을 형성하고, 왜곡 게이지(5) 위의 SiO₂층에 컨택트홀을 형성한 후, 이 컨택트홀 부분에 왜곡 게이지(5)와의 전기적 접속을 얻기 위한 금속 전극(도시 생략)을 증착한다. 또한, 금속 전극을 형성하는 공정은 도 4의 (a)～도 4의 (f) 사이의 임의의 단계에서 실시하여도 좋다.

이와 같이 하여 형성된 SOI 웨이퍼의 하면에 SiO₂막 또는 레지스트(도시 생략)를 형성한다. 이 SiO₂막 또는 레지스트의 감압 영역[다이어프램(4)이 형성되는 영역]에 해당하는 부분에, 개구부(1a)를 형성한다. 그리고, 이와 같이 패터닝된 SiO₂막 또는 레지스트를 다이어프램 형성용 에칭 마스크로 하여, 제1 반도체층(1)을 에칭한다(1차 식각). 여기서는, 드라이 에칭에 의해, 제1 반도체층(1)을 가공하고 있다. 보다 구체적으로는, ICP 보쉬 프로세스에 의해 제1 반도체층(1)을 에칭한다. 보쉬 프로세스에서는 이방성 에칭이 이루어지기 때문에, 제1 반도체층(1)의 측벽이 대략 수직이 된다.

또한, 보쉬 프로세스에서는, 에칭 단계와, 보호 단계(증착 단계)가 교대로 실시된다. 에칭 단계와 보호 단계는 수초마다 반복 실행된다. 에칭 단계에서는, 예컨대 SF₆ 가스를 이용하여 등방적으로 에칭이 이루어진다. 보호 단계에서는, 플루오르카본 가스(예컨대 C₄F₈ 등)를 이용하여 측벽을 보호한다. 즉, 측벽을 보호하는 막을 제1 반도체층(1)에 퇴적한다. 이것에 의해, 에칭 단계에서의 횡방향의 에칭이 억제되기 때문에, 제1 반도체층(1)에 대하여 이방성 에칭을 할 수 있다. 이와 같이, 보쉬 프로세스를 이용함으로써 실리콘을 깊게 에칭할 수 있고, 수직인 트렌치 구조가 형성된다.

여기서, 절연층(2)이 에칭 스토퍼로서 기능한다. 이 때문에, 에칭은 개구부(1a)에서 서서히 진행하지만, 절연층(2)에 도달하면 에칭율이 내려간다. 이와 같이, 절연층(2)이 노출될 때까지, 제1 반도체층(1)을 제거한다. 이것에 의해, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이, 압력 센서가 되는 칩 중앙 부분에서, 제1 반도체층(1)에 개구부(1a)가 형성되고, 절연층(2)이 노출된다. 이방성 에칭이면, 보쉬 프로세스 이외의 에칭으로 제1 반도체층(1)을 에칭하여도 좋다.

계속해서, 제1 반도체층(1)을 에칭 마스크로 하여, 절연층(2)을 에칭한다. 예컨대 HF 등의 용액을 이용한 습식 에칭에 의해, 절연층(2)을 가공한다. 물론, 절연층(2)은 이외의 에천트로 에칭되어도 좋고, 건식 에칭으로 에칭되어도 좋다. 제1 반도체층(1)의 에칭에 의해 노출된 절연층(2)이 제거되어, 도 4의 (d)에 도시하는 구성이 된다. 이와 같이, 감압 영역이 되는 부분에서, 절연층(2)에 개구부(2a)가 형성되고, 제2 반도체층(3)이 노출된다. 이때, 제1 반도체층(1), 및 절연층(2)에 형성된 개구부(1a, 2a)의 직경은 대략 동일하다.

다음으로, 웨이퍼 표면에 미리 정해진 두께의 보호막(7)을 형성한다. 이 때, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽에 형성되는 보호막(7)은 후술하는 2차 식각 공정 시에 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽이 미리 정해진 각도 θ의 경사면이 되도록, 두께 분포를 갖게 하여 형성한다. 즉, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽에서, 대좌(11)측으로부터 제2 반도체층(3)측을 향함에 따라 에칭이 진행하도록, 보호막(7)은 대좌(11)측으로부터 제2 반도체층(3)측을 향하여 얇아지는 두께 분포로 형성하면, 도 4의 (e)에 도시하는 구성이 된다. 추가로, 보호막(7)은 웨이퍼 전체면에 형성된다. 따라서, 보호막(7)은 제1 반도체층(1)을 덮도록 형성된다. 또한, 절연층(2)의 개구부(2a)에서의 측벽과, 제2 반도체층(3)이 노출된 부분에 보호막(7)이 형성된다.

보호막(7)은, 예컨대 보쉬 프로세스의 보호 단계를 수행함으로써 형성된다. 즉, C₄F₈ 가스 등의 탄소 원자와 불소 원자를 포함하는 가스를 이용하여 보호막(7)을 성막한다. 여기서는, 플루오르카본 가스를 이용하기 때문에, 보호막(7)이 플루오르카본막에 의해 형성된다. 이것에 의해, 웨이퍼 전체면에, 보호막(7)이 퇴적된다. 또한 수초의 보호 단계를 반복 수행함으로써 보호막(7)을 형성하여도 좋고, 보호 단계를 연속하여 장시간 수행함으로써, 보호막(7)을 형성하여도 좋다. 더 나아가서는, 보쉬 프로세스 이외의 프로세스로 보호막(7)을 형성하여도 좋다. 예컨대, 포토레지스트 등으로 보호막(7)을 형성하여도 좋다. 또는 CVD(화학적 기상 성장법) 등으로 보호막(7)을 퇴적하여도 좋다. 또한, 보호막(7)은 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽에 형성되는 것이 좋고, 그 외 부분에는 형성되지 않아도 좋다.

그 후, 보호막(7)이 형성된 상태로, 제1 반도체층(1), 절연층(2) 및 제2 반도체층(3)을 에칭한다(2차 식각). 이것에 의해, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽은 미리 정해진 각도 θ의 경사면으로 형성된다. 그 결과, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)는 제2 반도체층(3)측의 개구 직경이 대좌(11)측의 개구 직경보다 커진다. 이것과 함께, 제2 반도체층(3)에 다이어프램(4)이 되기 위한 오목부(12)가 형성된다. 제2 반도체층(3)의 에칭 깊이는 시간 관리에 의해 미리 정해진 미소량(5 ㎛～50 ㎛ 정도)으로 제어된다. 이 때, 제2 반도체층(3)은 절연층(2)의 개구부(2a) 에서의 측벽보다 5 ㎛～50 ㎛ 정도 바깥쪽으로 사이드 에칭된다.

여기서는, 보쉬 프로세스의 에칭 단계 등을 이용할 수 있다. 즉, 유황 원자와 불소 원자를 포함하는 가스(SF₆)를 이용하여, 드라이 에칭을 한다. 이 때, 제1 반도체층(1) 및 제2 반도체층(3)에 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 드라이 에칭을 하면, 이온이 제2 반도체층(3)을 향해 가속된다. 이 때문에, 이온의 종방향의 속도가 횡방향의 속도보다 높아진다. 플라즈마 내 이온의 대부분은 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)의 개구부(1a, 2a)에 있어서 제2 반도체층(3)을 향한다. 따라서, 제2 반도체층(3) 표면에 형성된 보호막(7)에 대한 이온의 충돌 빈도가 높아지고, 제2 반도체층(3) 표면에 형성된 보호막(7)은 어느 정도 높은 에칭율로 에칭되어 간다.

한편, 상기와 같은 이유에 의해, 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)의 개구부(1a, 2a)에서의 측벽에 형성된 보호막(7)에 대한 이온의 충돌 빈도는 상대적으로 낮아지기 때문에, 제1 반도체층(1) 및 절연층(2) 측벽에 형성된 보호막(7)의 에칭률은 낮아진다. 이 때문에, 제2 반도체층(3)에 미리 정해진 형상의 오목부(12)가 에칭되고, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)의 측벽이 미리 정해진 각도 θ의 경사면에 에칭되도록, 제1 반도체층(1) 및 제2 반도체층(3)에 인가하는 가스 유량이나 다른 조건을 고려하여 보호막(7)이 형성된다. 또한, 엄밀하게는 제1 반도체층(1)보다 절연층(2)은 에칭율이 낮고, 2차 식각 공정 시에 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 제2 반도체층(3)측의 개구 가장자리보다 절연층(2)이 돌출하게 되기 때문에, 2차 식각 공정 시에 제1 반도체층(1)에서의 제2 반도체층(3)측의 개구 가장자리가 라운드 형상이 되며, 응력 집중 지점이 되지 않도록, 보호막(7)은 형성된다. 또한, 엄밀하게는 절연층(2)이 제1 반도체층(1)보다 에칭률이 낮기 때문에, 2차 식각 공정 후에는 절연층(2)은 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 제2 반도체층(3)측의 개구 가장자리보다 돌출되게 된다. 이 돌출부는 센서의 성능을 열화시키는 것이 아니라, 경우에 따라서는 플루오르화수소산 등의 습식 에칭 처리에 의해 제거될 수 있다.

또한, 제2 반도체층(3) 표면의 보호막(7)이 제거되어, 제2 반도체층(3)이 노출되면, 제2 반도체층(3)이 등방적으로 에칭되어 간다. 따라서, 제2 반도체층(3)이 사이드 에칭된다. 제2 반도체층(3)이 사이드 에칭에 의해 제거되어 형성된 측단은 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)에 형성된 개구부(1a, 2a)의 바깥쪽으로 벗어나 있다. 즉, 제2 반도체층(3)의 측단 위치는, 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)의 측단으로부터 틀어져 있다. 다이어프램(4)을 구성하기 위한 오목부(12)는, 제1 반도체층(1) 및 절연층(2)의 개구부(1a, 2a)보다 커진다. 그리고, 약액 등으로 웨이퍼를 세정하여, 웨이퍼에 형성되어 있는 보호막(7)을 제거하면, 도 4의 (f)에 도시하는 구성이 된다. 이와 같이, 제1 반도체층(1)을 사이드 에칭하고, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)에서의 측벽을 미리 정해진 각도 θ의 경사면으로 형성한다. 이것에 의해, 센서칩(10)의 대좌(11)에의 접합 영역을 넓게 할 수 있다. 또한, 제2 반도체층(3)을 사이드 에칭하여, 제2 반도체층(3)에 절연층(2)의 에칭 부분보다 큰 오목부(12)를 형성한다. 이것에 의해, 감압 영역을 크게 할 수 있다. 또한, 제2 반도체층(3)의 측단은 사이드 에칭에 의해, 라운드 형상으로 가공된다. 이것에 의해, 응력 집중을 완화시킬 수 있다.

이와 같이 하여, 제2 반도체층(3)에 다이어프램(4)이 형성된다. 제2 반도체층(3)의 에칭은 5 ㎛～50 ㎛ 정도의 미소량이고, 에칭으로 두께가 변동되지 않기 때문에, 균일한 두께의 다이어프램(4)을 형성할 수 있다. 따라서, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 다이어프램(4)에 절연층(2)이 남지 않게 되기 때문에, 엣지부(6)의 강도를 높일 수 있다.

또한, 보호막(7)을 형성하는 공정에서는 보쉬 프로세스의 보호 단계를 이용하고, 2차 식각 공정에서는 보쉬 프로세스의 에칭 단계 등을 이용한다. 이것에 의해, 동일 장치 내에서 연속하여, 처리할 수 있기 때문에, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 1차 식각을 보쉬 프로세스로 수행함으로써 동일 장치를 이용할 수 있기 때문에, 생산성을 더 향상시킬 수 있다. 물론, 다른 에칭 방법으로, 제1 반도체층(1) 및 제2 반도체층(3)을 에칭하여도 좋다.

그리고, 센서칩(10)의 이면측에, 대좌(11)를 접합한다. 여기서는, 접합부(13A)만이 접합되고, 비접합부(13)는 접합되지 않는다. 이것에 의해, 도 4의 (g)에 도시하는 구성이 된다. 예컨대, 양극 접합에 의해 센서칩(10)과 대좌(11)가 직접 접합된다. 이렇게 하여 압력 센서의 제작이 종료된다.

이와 같이, 등방적인 에칭으로 2차 식각을 수행하기 때문에, 제2 반도체층(3)의 오목부(12)를 개구부(1a, 2a)보다 크게 할 수 있다. 이것에 의해, 감압 영역의 면적을 크게 한 경우라도, 접합부(13A)를 크게 할 수 있다. 특히, 제1 반도체층(1)의 개구부(1a)는 제2 반도체층(3)측의 개구 직경이 대좌(11)측의 개구 직경보다 크기 때문에, 접합부(13A)를 더 크게 할 수 있다. 따라서, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 감압 영역측의 제2 반도체층(3)의 측단이 라운드 형상으로 가공되기 때문에, 응력 집중을 완화시킬 수 있다. 센서칩(10)의 소형화를 도모할 수 있고 고성능의 센서를 얻을 수 있다.

또한, 상기한 설명에서는, 절연층(2)을 이용한 예로 설명했지만, 절연층(2)(스토퍼)이 없어도 이 1차 식각의 에칭율 및 시간을 조정할 수 있어 제2 반도체층(3)의 두께를 충분히 확보할 수 있는 제조 방법을 취하면, 본 압력 센서에 반드시 절연층을 형성할 필요는 없는 것을 덧붙인다. 또한, 상기한 설명에서는, 다이어프램을 사각형 형상으로 형성했지만, 다각형 형상이나 원형 형상으로 형성하여도 좋다.

1: 제1 반도체층 1a: 제1 반도체층의 개구부
2: 절연층 2a: 절연층의 개구부
3: 제2 반도체층 4: 다이어프램
5a～5d: 왜곡 게이지 6: 다이어프램의 엣지부
7: 보호막 10: 센서칩
10a: 제1 반도체층의 두께가 두꺼운 부분 11: 대좌
12: 제2 반도체층의 오목부 13: 비접합부
13A: 접합부 14: 단차부
15a～15d: 왜곡 게이지 17: 관통 구멍
30: 압력 센서

Claims

두께 방향으로 관통하는 개구부를 갖는 제1 반도체층과, 상기 제1 반도체층 상에 형성되고, 다이어프램이 되는 오목부를 갖는 제2 반도체층을 포함하는 센서칩과,
상기 제1 반도체층의 개구부에 연통하는 압력 도입 구멍을 가지며, 상기 센서칩의 상기 제1 반도체층에 접합되는 대좌
를 구비하며,
상기 제2 반도체층의 오목부의 평면 영역이, 상기 제1 반도체층의 개구부의 평면 영역보다 크고,
상기 제1 반도체층의 개구부는, 상기 제2 반도체층측에서의 개구 직경이, 상기 대좌측에서의 개구 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 절연체층이 형성되며, 상기 절연체층에는, 두께 방향으로 관통하며 상기 제1 반도체층의 개구부와 연통하는 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서칩과 상기 대좌와의 접합부 주변에, 상기 센서칩과 상기 대좌 사이에 간극이 형성된 비접합부가 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 반도체층의 오목부의 가장자리는, 상기 제1 반도체층의 개구부의 상기 제2 반도체층측의 측벽보다도 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 폭 치수로, 바깥쪽으로 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1 반도체층과, 감압 영역인 다이어프램이 되는 제2 반도체층이 형성된 센서칩을 포함하는 압력 센서의 제조 방법에 있어서,
상기 제1 반도체층을 이방성 에칭하여, 상기 감압 영역이 되는 부분에서 상기 제1 반도체층에 두께 방향으로 관통하는 개구부를 형성하는 공정과,
상기 제1 반도체층의 개구부에서의 측벽에, 상기 제2 반도체층측의 막 두께가 얇아지는 두께 분포를 갖는 보호막을 형성하는 공정과,
상기 보호막을 형성한 후, 상기 제1 반도체층의 개구부에서의 측벽을 에칭하여, 상기 제1 반도체층의 개구부의 상기 제2 반도체층측에서의 개구 직경이, 상기 제1 반도체층의 개구부의 상기 제2 반도체층층과 반대측의 개구 직경보다도 커지도록, 상기 제1 반도체층의 개구부를 형성하고, 상기 다이어프램을 형성하기 위해, 상기 감압 영역이 되는 부분의 상기 제2 반도체층을 에칭하여, 상기 제1 반도체층의 개구부보다 큰 오목부를 상기 제2 반도체층에 형성하는 공정과,
상기 센서칩의 상기 제1 반도체층에 대좌를 접합하는 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 반도체층을 이방성 에칭하여 개구부를 형성하는 공정 후에,
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 형성된 절연층을 에칭하여 상기 절연층에, 제1 반도체층의 개구부와 연통하며, 상기 절연층을 두께 방향으로 관통하는 개구부를 형성하는 공정을 더 포함하고,
상기 제1 반도체층에 개구부를 형성하는 공정에서는, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 형성되는 상기 절연층을 에칭 스토퍼로 하여, 상기 이방성 에칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 센서칩의 상기 제1 반도체층에 대좌를 접합하는 공정에서는, 상기 센서칩과 상기 대좌와의 접합부 주변에, 상기 센서칩과 상기 대좌 사이에 간극이 형성된 비접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.