KR101288338B1 - 반도체 압력소자와 금속 다이아프램 구조를 이용한 압력센서 제조방법 - Google Patents
반도체 압력소자와 금속 다이아프램 구조를 이용한 압력센서 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101288338B1 KR101288338B1 KR1020120013605A KR20120013605A KR101288338B1 KR 101288338 B1 KR101288338 B1 KR 101288338B1 KR 1020120013605 A KR1020120013605 A KR 1020120013605A KR 20120013605 A KR20120013605 A KR 20120013605A KR 101288338 B1 KR101288338 B1 KR 101288338B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- pressure
- semiconductor
- silicon
- layer
- metal diaphragm
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 136
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 96
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 96
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 42
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 85
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 85
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 66
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 25
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 18
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 claims description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 8
- 238000000227 grinding Methods 0.000 abstract description 5
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 abstract 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 abstract 5
- 239000007888 film coating Substances 0.000 abstract 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 36
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 6
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000010730 cutting oil Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920006332 epoxy adhesive Polymers 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000004382 potting Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- NMJKIRUDPFBRHW-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti].[Ti] NMJKIRUDPFBRHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
본 발명은 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법에 관한 것으로서, 수압부 및 상기 수압부상에 형성된 절연부를 가진 금속 다이아프램을 가공하는 단계, 세라믹 파우더를 고압분사하여 표면을 가공하는 샌딩 가공을 하여 요구되는 특성에 맞추어 표면 조도와 거칠기를 형성하는 단계, 상기 코팅된 절연막을 표면 연마 및 래핑을 이용하여 평탄도와 두께를 제어하는 단계, 습식으로 표면 연마 및 래핑 후 표면의 습기와 불순물을 제거하기 위해 분위기 열처리(질소 또는 진공)으로 400~800도에서 2~4시간 열처리를 수행하는 단계, 이후 수압부에 설계되어 압력에 따라 변위가 증가되는 부분과 감소되는 부분에 반도체 실리콘 압력소자를 부착하기 위해 세라믹 코팅 절연막 상부에 유리계 에폭시 접합제를 후막 인쇄 공정 및 디스펜서 공정으로 접합제를 형성시키는 단계, 반도체형 압력소자를 상기 접합제에 10Psi의 가압으로 누르며 정밀 접합 형성시키는 단계, 및 상기 접합제를 섭씨 250도~500도에서 열처리하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 압력소자와 금속 다이아프램구조를 이용한 압력센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 도핑된 실리콘(Si)이나 탄화실리콘(SiC) 등과 같은 반도체 물질을 이용하여 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:미세전자제어기술) 공정으로 초소형 반도체 저항 게이지를 제작하며, 이를 금속 다이아프램에 선택된 부분에 정렬하고 접합하여 제조되는 반도체 압력소자와 금속 다이아프램구조를 이용한 압력센서 제조방법에 관한 것이다.
기존의 반도체식 압력센서의 경우, 도 1a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(101)에서 실리콘 산화막 혹은 실리콘 질화막의 유전체 멤브레인(SiO2 혹은 Si3N4)(102)을 이용하고 그 멤브레인 상에 반도체 저항체(103)를 형성시켜 압력센서로 사용하게 된다.
도 1a에 기존 반도체식 실리콘 압력소자를 도시화 하였다. 도 1a를 참조하면, 기존 반도체식 실리콘 압력소자는 인가 압력에 따른 출력 감도(Sensitivity)가 높은 장점이 있는 반면에 유전체 멤브레인을 사용하므로 고압에는 사용할 수 없으며 쉽게 파괴되는 단점이 있다. 이렇게 허용압력 이상으로 사용되어 파괴가 될 경우 압력이 누출되는 구조적 위험성을 갖고 있기 때문에 2차 혹은 3차 추가 구조물이 제작되고 적용되어 파괴 위험을 줄일 수 있으나, 이로 인해 압력소자의 제작단가가 상승하여 경쟁력이 떨어지는 문제점이 있고, 이 압력소자 또한 고압에는 여전히 부적합한 한계를 갖고 있다. 이러한 이유로 반도체식 압력센서의 경우 안전을 요구하는 분야나 압력을 제어하는 분야에는 부적합하여 단지 압력을 모니터링하는 분야에만 사용되는 등 사용분야에 한계가 있다.
이러한 기존 반도체식 실리콘 압력소자의 문제점을 해결하고 고안된 것이 금속 다이아프램을 이용한 압력센서로 도 1b에 도시화하였다. 도 1b를 참조하면, 금속 다이아프램 압력센서는 금속을 정밀 가공, 연삭 및 폴리싱(polishing)하여 금속 다이아프램(104)을 제작하고 그 위에 반도체 공정으로 제작된 금속산화막 저항패턴(105)을 이용하여 압력센서를 제작한다. 금속 다이아프램형 압력센서는 금속 다이아프램의 두께를 조절하여 고압에도 사용이 가능하며 허용압력 이상에도 압력이 누출되는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 금속 다이아프램의 두께를 조절이 상대적으로 쉬워 사용하고자 하는 압력범위를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이러한 금속 다이아프램 압력센서는 고압에는 유리한 반면 저압 사용 시 금속 다이아프램을 얇게 가공하는데 기술적 한계가 있어 저압영역에 사용하는 것은 부적합한 문제점이 있다. 또한, 반도체공정으로 제작되는 금속 산화막(105)의 저항패턴의 감도가 매우 낮아서(반도체 센서대비 최대 100분의 1) 분해능이 떨어지는 문제점이 있고 이로 인해 저압에는 감도가 매우 적어 사용할 수 없는 문제점과 함께 제작공정이 복잡하다는 문제점과, 대량생산 및 수율관리에 많은 문제점들을 갖고 있어 양산에는 상대적으로 불리한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 종래 기술인 반도체형 압력센서의 저압영역에서의 고감도 특성과 높은 분해능과 같은 장점과 금속 다이아프램형 압력센서의 고압영역에도 안정적으로 사용이 가능한 구조적 장점을 흡수하여 종래 기술들의 한계를 극복한 새로운 형태의 압력센서 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 공정과 멤스(MEMS) 공정을 이용해 소형으로 반도체 압력센서 소자를 제작하여 고압 구조에 적합한 금속 다이아프램에 접합하여 사용하므로 제작공정이 단순화할 수 있으며 대량생산 및 수율 개선에 높은 장점이 있는 압력센서 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 공정과 멤스(MEMS) 공정을 이용해 소형으로 반도체 압력센서 소자를 제작하여 고압 구조에 적합한 금속 다이아프램에 접합하여 사용하므로 제작공정이 단순화할 수 있으며 대량생산 및 수율 개선에 높은 장점이 있는 압력센서 제조방법을 제공함에 있다.
삭제
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 반도체형 압력소자를 제작 하는 방법은, 압력센서용 저항체 제작에 있어 최대 감지 특성을 나타내도록 일정한 간격으로 저항성분과 전극성분을 갖도록 저항체를 설계하는 단계와,
기판상 형성된 저항체를 하부층인 산화막을 제거하여 공중에 띄우는 구조로 만드는 릴리즈(release)단계와,
완성된 실리콘 압력 소자를 제작하는 관련된 모든 멤스(MEMS) 공정 단계와,
진공흡착 공정을 이용해 상기 기판에서 제작된 실리콘 압력 소자를 낱개로 분리하여 물리적 변형없이 이동시키는 단계와,
실리콘 압력 소자 이동시 정밀 측정 및 정렬을 통해 최대의 변형 영역으로 이동, 정렬 및 다이아프램과 접합하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법은, 가공된 금속 다이아프램의 표면처리를 위해 샌딩공정을 형성하고, 샌딩처리된 표면에 융사 및 스프레이 코팅을 이용하여 표면의 세라믹 코팅 절연막을 형성하는 단계와,
세라믹 코팅막이 형성된 표면은 거칠기를 조절하기위해 연삭 및 래핑으로 표면의 거칠기를 낮추며, 이에 발생된 잔류물과 습기를 제거하기위해 열처리(진공, 질소)하며, 그 표면 위에 유리계 접합제를 후막 인쇄 및 디스펜서로 실리콘 압력 소자의 부착전 선택적 인쇄 및 정밀 포팅(potting) 하며, 일정 가압으로 기밀을 형성하는 단계와,
고온 열처리를 통해 유리계 접합제를 열경화 하여 실리콘 압력 소자와 금속 다이아프램을 고접합 형성하는 단계를 포함한다.
즉 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법에 있어서, 고감도 특성을 갖는 반도체 압력센서 소자는 초정밀 가공기술인 MEMS 기술을 이용하여 소형 저항체로 제작된다. 또한, 고압력에 안정적으로 사용할 수 있는 금속 다이아프램 구조를 제작하여 제작된 실리콘 압력 소자인 소형 저항체와 금속 다이아프램 상의 최대 반응 영역에 정확히 정렬하여 접합함으로 구현될 수 있다.
좀더 구체적으로는 본 발명의 실시예에 따른 반도체형 실리콘 압력 소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법은, 수압부를 가진 금속 다이아프램을 가공하는 단계,
세라믹 파우더를 고압분사하여 표면을 가공하는 샌딩 가공을 하여 요구되는 특성에 맞추어 표면 조도와 거칠기를 형성하는 단계,
상기 샌딩 가공된 표면의 절연을 위하여 융사 및 스프레이 코팅하여 세라믹 코팅 절연막을 형성시키고 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 표면 연마 및 래핑을 이용하여 상기 세라믹 코팅 절연막의 평탄도와 두께를 제어하는 단계,
습식으로 표면 연마 및 래핑 후 표면의 습기와 불순물을 제거하기 위해 분위기 열처리(질소 또는 진공)으로 400~800도(℃)에서 2~4시간 열처리를 수행하는 단계,
이후 수압부에 설계되어 압력에 따라 변위가 증가되는 부분과 감소되는 부분에 반도체 실리콘 압력 소자를 부착하기 위해 세라믹 코팅 절연막 상부에 유리계 에폭시 접합제를 후막 인쇄 공정 및 디스펜서 공정으로 접합제를 형성시키는 단계,
반도체형 실리콘 압력 소자를 상기 접합제에 10Psi의 가압으로 누르며 정밀 접합 형성시키는 단계, 및
상기 접합제를 섭씨 250도~500도(℃)에서 열처리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수압부의 직경은 6~10mm이며, 수압부 두께는 최소 0.15~0.3mm인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 미압의 경우(통상적으로 0~50bar 미만을 '미압'이라 하고 50bar~1000bar 까지를 '고압'이라 함) 상기 수압부의 면적이 크며, 두께가 작게 설계되며, 고압의 경우 반대로 설계되어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 코팅 절연막은 실리콘 산화막, 알루미나, 질화 실리콘, 및 지르코니아의 세라믹종류로 스프레이 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 형성한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 코팅 절연막은 실리콘 산화막인 경우 두께를 10~40mm로 제작된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 단계에서의 평탄도 및 조도는 조도 Rm=1, 평탄도 Fm=2이내로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체형 압력소자의 제조방법에 있어서,
하부 실리콘 기판상에 순차적으로 실리콘 산화막 및 제1 형 반도체층을 형성하는 단계,
상기 제1 형 반도체층 상에 제2 형 반도체층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층을 포함한 상부층에 질화막 실리콘층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층 상에 금속층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층 상에 감광층을 형성한 후 에칭하여, 상기 제1 형 반도체층, 제2 형 반도체층, 질화막 실리콘층 및 금속층으로 이루어진 반도체형 압력소자를 분리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법이 제공된다.
바람직하게는,
상기 금속층은, 비저항이 낮고 도전성이 우수하며, 특히 압력센서의 고온 및 저온환경에 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 니켈(Nickel), 금(Gold), 알루미늄(Alumium), 백금(Platinum) 및 티타늄(Titanium)중 하나 또는 이들의 합금을 PVD(Physical Vapour Deposition) 방식으로 증착한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는,
상기 금속층의 두께는 0.5~2㎛인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는,
상기 반도체 실리콘 압력 소자의 분리단계에서, 공중에 떠있는 상태로 제작된 반도체 실리콘 압력 소자의 패턴 기판을 진공흡착으로 5 Psi의 진공압력을 이용해 부착(Clamping)후 물리적으로 제거한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는,
상기 분리된 반도체 실리콘 압력 소자의 두께는 10~30㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 반도체형 실리콘 압력 소자제조방법에 의해 제조된 복수개의 반도체 실리콘 압력 소자가 복수개 배열되어 기판 프레임이 외부에 라인으로 연결되어 있고 그 내부에 반도체 실리콘 압력 소자가 배열되어 있으며, 기판 프레임과 반도체 실리콘 압력소자가 연결된 구조의 브릿지 (bridge) 로 고정된 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자가 제공된다
바람직하게는, 상기 반도체 실리콘 압력 소자는 중간에 형성된 금속 전극이 중간 전극이 되며, 나머지 양단의 금속 전극으로 되어 있으며, 그 사이에는 패턴화된 반도체 실리콘 압력감지막 패턴의 저항을 계측할 수 있는 것을 특징으로 한다.
기판상 형성된 저항체를 하부층인 산화막을 제거하여 공중에 띄우는 구조로 만드는 릴리즈(release)단계와,
완성된 실리콘 압력 소자를 제작하는 관련된 모든 멤스(MEMS) 공정 단계와,
진공흡착 공정을 이용해 상기 기판에서 제작된 실리콘 압력 소자를 낱개로 분리하여 물리적 변형없이 이동시키는 단계와,
실리콘 압력 소자 이동시 정밀 측정 및 정렬을 통해 최대의 변형 영역으로 이동, 정렬 및 다이아프램과 접합하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법은, 가공된 금속 다이아프램의 표면처리를 위해 샌딩공정을 형성하고, 샌딩처리된 표면에 융사 및 스프레이 코팅을 이용하여 표면의 세라믹 코팅 절연막을 형성하는 단계와,
세라믹 코팅막이 형성된 표면은 거칠기를 조절하기위해 연삭 및 래핑으로 표면의 거칠기를 낮추며, 이에 발생된 잔류물과 습기를 제거하기위해 열처리(진공, 질소)하며, 그 표면 위에 유리계 접합제를 후막 인쇄 및 디스펜서로 실리콘 압력 소자의 부착전 선택적 인쇄 및 정밀 포팅(potting) 하며, 일정 가압으로 기밀을 형성하는 단계와,
고온 열처리를 통해 유리계 접합제를 열경화 하여 실리콘 압력 소자와 금속 다이아프램을 고접합 형성하는 단계를 포함한다.
즉 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법에 있어서, 고감도 특성을 갖는 반도체 압력센서 소자는 초정밀 가공기술인 MEMS 기술을 이용하여 소형 저항체로 제작된다. 또한, 고압력에 안정적으로 사용할 수 있는 금속 다이아프램 구조를 제작하여 제작된 실리콘 압력 소자인 소형 저항체와 금속 다이아프램 상의 최대 반응 영역에 정확히 정렬하여 접합함으로 구현될 수 있다.
좀더 구체적으로는 본 발명의 실시예에 따른 반도체형 실리콘 압력 소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법은, 수압부를 가진 금속 다이아프램을 가공하는 단계,
세라믹 파우더를 고압분사하여 표면을 가공하는 샌딩 가공을 하여 요구되는 특성에 맞추어 표면 조도와 거칠기를 형성하는 단계,
상기 샌딩 가공된 표면의 절연을 위하여 융사 및 스프레이 코팅하여 세라믹 코팅 절연막을 형성시키고 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 표면 연마 및 래핑을 이용하여 상기 세라믹 코팅 절연막의 평탄도와 두께를 제어하는 단계,
습식으로 표면 연마 및 래핑 후 표면의 습기와 불순물을 제거하기 위해 분위기 열처리(질소 또는 진공)으로 400~800도(℃)에서 2~4시간 열처리를 수행하는 단계,
이후 수압부에 설계되어 압력에 따라 변위가 증가되는 부분과 감소되는 부분에 반도체 실리콘 압력 소자를 부착하기 위해 세라믹 코팅 절연막 상부에 유리계 에폭시 접합제를 후막 인쇄 공정 및 디스펜서 공정으로 접합제를 형성시키는 단계,
반도체형 실리콘 압력 소자를 상기 접합제에 10Psi의 가압으로 누르며 정밀 접합 형성시키는 단계, 및
상기 접합제를 섭씨 250도~500도(℃)에서 열처리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수압부의 직경은 6~10mm이며, 수압부 두께는 최소 0.15~0.3mm인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 미압의 경우(통상적으로 0~50bar 미만을 '미압'이라 하고 50bar~1000bar 까지를 '고압'이라 함) 상기 수압부의 면적이 크며, 두께가 작게 설계되며, 고압의 경우 반대로 설계되어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 코팅 절연막은 실리콘 산화막, 알루미나, 질화 실리콘, 및 지르코니아의 세라믹종류로 스프레이 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 형성한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 세라믹 코팅 절연막은 실리콘 산화막인 경우 두께를 10~40mm로 제작된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 단계에서의 평탄도 및 조도는 조도 Rm=1, 평탄도 Fm=2이내로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체형 압력소자의 제조방법에 있어서,
하부 실리콘 기판상에 순차적으로 실리콘 산화막 및 제1 형 반도체층을 형성하는 단계,
상기 제1 형 반도체층 상에 제2 형 반도체층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층을 포함한 상부층에 질화막 실리콘층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층 상에 금속층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층 상에 감광층을 형성한 후 에칭하여, 상기 제1 형 반도체층, 제2 형 반도체층, 질화막 실리콘층 및 금속층으로 이루어진 반도체형 압력소자를 분리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법이 제공된다.
바람직하게는,
상기 금속층은, 비저항이 낮고 도전성이 우수하며, 특히 압력센서의 고온 및 저온환경에 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 니켈(Nickel), 금(Gold), 알루미늄(Alumium), 백금(Platinum) 및 티타늄(Titanium)중 하나 또는 이들의 합금을 PVD(Physical Vapour Deposition) 방식으로 증착한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는,
상기 금속층의 두께는 0.5~2㎛인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는,
상기 반도체 실리콘 압력 소자의 분리단계에서, 공중에 떠있는 상태로 제작된 반도체 실리콘 압력 소자의 패턴 기판을 진공흡착으로 5 Psi의 진공압력을 이용해 부착(Clamping)후 물리적으로 제거한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는,
상기 분리된 반도체 실리콘 압력 소자의 두께는 10~30㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 반도체형 실리콘 압력 소자제조방법에 의해 제조된 복수개의 반도체 실리콘 압력 소자가 복수개 배열되어 기판 프레임이 외부에 라인으로 연결되어 있고 그 내부에 반도체 실리콘 압력 소자가 배열되어 있으며, 기판 프레임과 반도체 실리콘 압력소자가 연결된 구조의 브릿지 (bridge) 로 고정된 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자가 제공된다
바람직하게는, 상기 반도체 실리콘 압력 소자는 중간에 형성된 금속 전극이 중간 전극이 되며, 나머지 양단의 금속 전극으로 되어 있으며, 그 사이에는 패턴화된 반도체 실리콘 압력감지막 패턴의 저항을 계측할 수 있는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 압력센서 제조방법에 의하면, 반도체형 실리콘 압력 소자의 고감도 특성과 높은 분해능과 같은 장점과 금속 다이아프램형 압력센서의 고압영역에도 안정적으로 사용이 가능한 구조적 장점을 흡수하여 종래 기술들의 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
또한, 반도체 공정을 통해 대량생산 및 공정 단순화를 통해 가격대비 고성능의 압력센서 모듈을 제작하여 반도체 압력센서 제조산업 및 자동차 산업에 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 반도체 공정을 통해 대량생산 및 공정 단순화를 통해 가격대비 고성능의 압력센서 모듈을 제작하여 반도체 압력센서 제조산업 및 자동차 산업에 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1a은 종래 기술의 유전체 멤브레인상에 제작된 반도체 압력센서의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 기존 금속 다이아프램과 금속산화막 저항체를 이용한 압력센서 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2은 본 발명의 반도체 실리콘 압력 소자 제작 공정 흐름도이다.
도 3a, 3b는 반도체 공정을 통해 제작된 복수의 실리콘 압력 소자가 기판 프레임상에 고정된 평면도 및 반도체 실리콘 압력 소자의 평면도이다.
도 4는 외부 압력에 대한 금속 다이아프램의 변위와 반도체 실리콘 압력 소자의 위치를 도식적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 반도체 실리콘 압력 소자가 부착된 금속 다이아프램 제작 순서도이다.
도 6는 본 발명의 금속다이아프램에 반도체 실리콘 압력 소자가 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 7는 압력에 따른 금속 다이아프램 반도체 실리콘 센서 저항 변화 그래프이다.
도 8는 반복압력에 따른 금속 다이아프램 반도체 실리콘 센서 저항 변화 그래프이다.
도 9는 온도에 따른 금속 다이아프램 반도체 실리콘 센서의 저항 변화 그래프이다.
도 1b는 기존 금속 다이아프램과 금속산화막 저항체를 이용한 압력센서 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2은 본 발명의 반도체 실리콘 압력 소자 제작 공정 흐름도이다.
도 3a, 3b는 반도체 공정을 통해 제작된 복수의 실리콘 압력 소자가 기판 프레임상에 고정된 평면도 및 반도체 실리콘 압력 소자의 평면도이다.
도 4는 외부 압력에 대한 금속 다이아프램의 변위와 반도체 실리콘 압력 소자의 위치를 도식적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 반도체 실리콘 압력 소자가 부착된 금속 다이아프램 제작 순서도이다.
도 6는 본 발명의 금속다이아프램에 반도체 실리콘 압력 소자가 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 7는 압력에 따른 금속 다이아프램 반도체 실리콘 센서 저항 변화 그래프이다.
도 8는 반복압력에 따른 금속 다이아프램 반도체 실리콘 센서 저항 변화 그래프이다.
도 9는 온도에 따른 금속 다이아프램 반도체 실리콘 센서의 저항 변화 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 압력센서 제조방법에 대하여 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 방법은 기존 공지된 반도체 웨이퍼 제조 기술과 결합하여, 다수의 센서를 동시에 대량 생산에 제조 될 수 있으며, 추가로 표면 MEMS 기술을 이용하여 공정상 용이하고 단순한 방법을 통해 초소형화 된 반도체 실리콘 압력 소자를 제작한다. 이러한 공정과 함께 금속 다이아프램의 접합을 위해 성능 개선을 위한 공정 단계를 통해 고압에서 사용가능하며, 압력 계측하고자 하는 기체 및 유체의 화학적 물리적 환경에 우수한 압력센서를 제작하는 것이다.
본 발명에서 표면 MEMS 공정을 통해 반도체 실리콘 압력 소자를 제작하는 공정도를 도 2에 도시화 하였다.
도 2에 도시화 된 순서로 설명하면, 도 2a에 SOI(Silicon Oxide Interlayer) wafer로 4인치 기판을 사용하였으며, 하부 실리콘 기판(201)에 상부 실리콘 산화막(202)으로 4~6㎛로 형성되어 있으며, 그 상부에는 실리콘에 이온 주입기(Ion Implant)로 불순물이 도핑(doping)되어 있는 N 형 반도체층(203)이 형성되어 있다.
도 2b에서 감광액(Photo resistance liquid)을 도포하고 에칭을 원하는 N 형 반도체 부위를 노광을 시켜서 N 형 반도체층(203)의 특정위치에 개구부(204)를 형성시킨다. 그리고 실리콘을 선택적 제거 가능한 RIE(Reactive Ion Etching)공정으로 N 형 반도체층을 제거한다. 그리고 잔류된 감광액층을 제거하여 도 2b와 같이 제작된다.
도 2c에서 감광액(205)를 도포하고 도포된 감광액을 노광시켜서 N 형 반도체층(203)의 상부 P 형 반도체의 불순물을 도핑할 수 있도록 P 형 반도체 형성을 위한 개구부(206)을 열어둔다.
도 2d에 상기 도 2c에서 제작된 기판을 이온 주입기로 P 형 반도체층(207a)으로 제작하기 위해 보론(B) 및 기타 불순물의 이온을 개구부(206)을 통해서 N 형 반도체층(203)의 상부에 도핑 시킨다. 따라서 P 형 반도체층(207a)이 상부에 도핑된 실리콘 압력 감지막 패턴(207)이 제작되고 이후 감광액(205)을 제거시키고 이로써 반도체형 실리콘 센서 중 압력에 따른 저항변화로 감지 할 수 있는 저항체가 제작된다.
도 2e에 상부 금속 전극을 형성하고 절연성을 향상 시키기 위해 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 질화 실리콘(208)(Si3N4)을 0.5~1㎛를 형성하며, 감광액을 질화실리콘막(208) 상에 도포하고 P형 반도체층(207a)의 부위를 노출시켜 P 형 반도체층(207a) 위에 금속 전극이 부착되도록 선택적 제거인 Lift off방식의 공정으로 전극 개구부(209)를 형성시켜 놓는다.
도 2f에 비저항이 낮고 도전성이 우수하며, 특히 압력센서의 고온 및 저온환경에 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 니켈(Nickel), 금(Gold), 알루미늄(Alumium) 등을 사용하며, 특수 환경에서 백금(Platinum) 및 티타늄(Titanium)으로 금속 전극(210)를 PVD(Physical Vapour Deposition)으로 증착한다. 두께는 소재의 특성에 따라 상이하며, 기본 최소 0.5에서 2㎛의 두께를 형성한다. 상기 질화실리콘막(208)위에 금속전극막을 증착시키고, 감광막을 사용해서 원하는 금속전극패턴을 노광시켜 금속전극(210)을 형성시킨다.
도 2g에 질화 실리콘의 층(208)의 선택적 제거를 위해 상부 감광액(216)을 형성하여 질화 실리콘 개구부(211)을 제작한다.
도 2h에서는, 상기 질화실리콘 개구부(211)의 하부에 위치되는 도 2g의 기판을 Deep RIE으로 식각하여 질화 실리콘 분리부(208a)을 제작한다. 본 발명의 표면 멤브레인(216)을 형성하기 위해 필요한 공정이다.
도 2i에 상기 도 2h의 기판을 BOE(Buffered Oxide Etchant)에 Wet station으로 실리콘 산화막(202)을 제거한다. 동방성 에칭을 이용한 용액으로 식각한 질화 실리콘 분리부(208a)에 용액이 내려가게 되면서 실리콘 산화막(202)은 화학적으로 제거되어 분리공간(213)이 형성되어 실리콘 압력 소자(215)가 분리된다. 그리고 상기 공정이 완료 된 후 잔류 감광액을 제거 하여 메탈 전극을 표면에 노출하게 한다. 실리콘 기판에 상기 복수의 실리콘 압력 소자(215)로 이루어지는 표면 멤브레인(216)의 패턴을 고정하기 위해 기판 프레임(214)와 얇은 선폭으로 부분적으로 부착되어 있으며, 반도체 실리콘 압력 소자의 선폭(보통 70~140㎛)의 50%의 선폭의 브릿지(217)로 고정되어 있다(도 3a의 217 참조).
상기 도 3a에 도시된 기판 프레임은(214)는 초기 실리콘 웨이퍼의 N형 반도체층(203)에서 실리콘 압력센서 소자제작 후에 그 외부로 연속되게 잔류된 형태로 남아 있는 상태 이다.
도 2j에 표면 멤브레인(216)으로 공중에 떠있는 상태로 제작된 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 진공흡착으로 5Psi의 진공압력을 이용해 부착(Clamping)후 브릿지(217)에서 분리하여 물리적으로 제거한 반도체 실리콘 압력소자(215)을 도시화 하였다. 두께는 10~30㎛로 전체를 형성한다.
도 3a에 도 2i의 단계에서 제작된 기판의 상부 표면 도면을 도시화 하였다. 4인치 기판의 배열의 일부 도면을 도시화 하였으며, 상기 언급했던 기판 프레임(214)에 복수의 반도체 실리콘 압력 소자(215)가 전후 및 상하로 배열되게 형성 되어 있으며, 각 반도체 실리콘 압력 소자(215)는 브릿지(217)로 고정되어 있다.
도 3b에는, 도 2j공정을 통해 제작된 본 발명에서의 반도체 실리콘 압력 소자(215)로 기판 프레임(214)에서 분리된 도면을 도시화 하였다. 중간에 형성된 금속 전극(210)이 중간 전극이 되며, 나머지 양단의 금속 전극(210,210)으로 되어 있으며, 그 사이에는 패턴화 된 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴(207,207)의 저항을 계측할 수 있다. 예를 들면 오른쪽 금속 전극(210)와 중간 금속 전극(210)의 연결로 압력센서에서 사용하는 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴(207)으로 저항체 R1이 형성되고, 중간 금속 전극(210)과 나머지의 금속 전극(210)으로 연결됨으로써 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴(207)으로 저항체 R2가 형성된다.
금속 전극은 와이어 본딩에서 제품에 적용하여 사용하고자 하는 와이어의 직경에 따라 금속 전극 크기는 다르게 설계 및 제작된다. 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 길이(B,A)과 선폭(C)은 실리콘 압력 소자의 저항 및 요구되는 금속 다이아프램의 크기와 직경에 따라 결정되며, 이러한 단위 반도체 실리콘 압력 소자(215)의 크기로 전체 길이(D)가 결정된다. 고압용 압력센서의 경우 대부분 금속 다이아프램의 크기와 직경이 작은데 공간과 압력변위의 최적화를 위해 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 길이(B,A)는 작아진다. 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 저항체가 높은 저항값을 가져야 할 경우 선폭(C)를 줄여서 저항값을 증가 시킨다. 반면 반대의 경우 인 금속 다이아프램의 수압부 직경이 큰 경우, 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 길이(B,A)는 길어져야 하고, 저항이 클 경우 선폭(C)는 넓게 제작하여 저항을 낮춘다.
도 4에 금속 다이아프램의 압력에 따른 응력으로 변위되는 변화와 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 부착하는 위치를 도시 하였다. 수압부 직경(E)와 금속 다이아프램 두께(F)의 경우 고압과 저압의 용도에 따라 다르게 설계되어 지며, 이러한 수압부 직경(E)의 변화와 금속 다이아프램 두께(F)의 변화에 따라 내부 변위가 상부로 증가되는 부분과 감소되는 부분이 다르게 설계되어진다. 이러한 이유로 도 3b의 크기 및 제원들은 용도에 따라 설계가 달라진다. 도 4에 도시화 하였듯이, 상부 변형부가 압력 감지막 패턴(207)인 저항체에서는 증가하고 하부로 변형되는 하부 변형부는 감소하게 되는데 압력 감지막 패턴(207)인 저항체의 R1, R2의 위치는 증가 및 감소되는 위치에 놓이게 한다. 감도를 더 증폭하거나 온도보상을 위해 압력센서에 상기 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 2개를 장착하여 R1,R2,R3,R4로 브릿지 회로로 구성할 수 있다.
본 반도체 실리콘 압력센서 공정을 별도로 금속 다이아프램의 설계 제작에서 상기 적합한 공정이 필요하다. 본 발명의 실리콘 압력센서의 제조공정에 대한 공정순서도를 도 5에 그리고 제작된 반도체 실리콘 센서부를 이용한 금속다이아프램형 압력센서 그림을 도 6에 도시 하였다.
요구되는 압력의 범위 및 사용온도에 따라 금속 다이아프램의 설계 및 공정조건이 다르게 제작된다(S110). 기본적으로 미압의 경우 수압부의 면적이 크며, 두께가 작게 설계되며, 고압의 경우 반대로 설계되어 진다. 이러한 금속 다이아프램을 요구되는 모듈의 구조에 적합하게 수압부와 금속 다이아프램 구조체를 설계한다. 미압의 경우 수압부 직경(401)은 최대 10mm로 했으며, 수압부 두께(402)는 최소 0.15mm두께로 제작 했으며, 본 발명에서 고압에 상용된 설계에서는 수압부 직경(401)은 6mm 그리고 수압부 두께(402)는 0.3mm로 제작하였다. 절연막의 경우 형성하고자 하는 요구되는 온도 및 환경에 따라 실리콘 산화막, 알루미나, 질화 실리콘, 및 지르코니아의 세라믹종류로 스프레이로 코팅된 세라믹 코팅 절연막(403)을 형성 하며, 요구되는 세라믹 코팅 절연막의 두께(405)는 코팅 후 요구되는 두께를 제어와 표면의 평탄도를 위해 래핑(Rapping)을 실시하고, 습식처리된 부분 및 불순물을 제거하게 된다. 실리콘 산화막의 경우 압력센서 환경에 따라 10~40㎛의 두께를 제작하였다.
먼저 상기 설계 기준에 적합한 금속 다이아프램의 재질을 선정하여 수압부의 두께 및 면적 그리고 그 외 요구되는 외형 디자인을 설계 및 가공을 한다. 이 때 절삭유와 관련 미세 절삭 후의 금속 불순물을 제거를 위해 세정 및 열처리를 한다.
실리콘 압력 소자가 부착될 면이 가공에서 유리계 및 기타 세라믹 계열과 금속 다이아프램의 기계적 접합성 및 내열특성을 향상하기 위해 표면의 거칠기 및 미세 표면 형상이 중요하다. 세라믹 파우더를 고압분사하여 표면을 가공하는 샌딩 가공을 하여 요구되는 특성에 맞추어 표면 조도와 거칠기를 형성한다(S120).
표면의 절연성을 위해 세라믹 계열 또는 유리계열을 금속 산화막 형성을 함에 있어 고온 및 고압의 반복 환경에 내구성이 높고 접합성이 우수하며, 대량생산 공정이 용이한 세라믹 스프레이로 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 형성한다. 세라믹 스프레이 코팅에 의한 세라믹 코팅 절연막의 형성은 고온에서 초미립 분체를 고압, 고온 반응하여 금속에 물리적 및 화학적으로 반응하여 형성하며, 단기간 내에 40~100㎛를 형성이 가능하다. 형성속도가 큰 장점에 반해 표면의 평탄도 및 고온 공정이라는 것이 단점이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 설계된 두께를 제작하기 위해 상기 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 표면 연마 및 래핑을 이용하여 평탄도와 두께를 제어한다. 요구되는 평탄도 및 조도는 조도 Rm=1, 평탄도 Fm=2이내 형성되어야 한다(S130).
상기 세라믹 코팅 절연막이 습식으로 표면 연마 및 래핑 후 표면의 습기와 불순물을 제거하기 위해 분위기 열처리 (질소 또는 진공)으로 섭씨 400~800도에서 2~4시간 열처리를 한다(S140).
열처리 공정 후 수압부에 설계되어 압력에 따라 변위가 증가되는 부분과 감소되는 부분에 반도체 실리콘 압력소자 (215)를 부착하기 위해 세라믹 코팅 절연막 상부에 유리계 에폭시 접합제를 후막 인쇄 공정 및 디스펜서 공정으로 유리계 에폭시 접합제(404)형성시키고(S150), 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 부착시킨다(S160).
반도체 실리콘 압력 소자 (215)를 기판형태로 제작된 도3a에서 진공 흡착기를 이용해 낱개로 분리시키고 상기 유리계 에폭시 접합제(404)에 10Psi의 가압으로 누르며 정밀 접합 시킨다(S160).
상기 유리계 에폭시 접합제(404)는 세라믹 코팅 절연막(403)과 반도체 실리콘 압력 소자(215) 의 중간계면에서 고정해주는 역할을 하며, 요구되는 환경에 따라 두께를 0.2mm에서 1mm로 형성한다. 열처리는 유리계 에폭시 접합제의 유리계 첨가 비율에 따라 낮은 온도에서는 섭씨 250도에서 높은 온도 섭씨 500도까지 열처리 할 수 있다(S170).
제작된 반도체형 압력소자를 이용한 금속 다이어프램 압력센서를 압력에 따른 저항변화를 측정하여 도 7에 도시화 하였다.
제작된 압력소자는 상기 설명한 바와 같이, 미압의 경우 수압부 직경(401)은 최대 10mm로 했으며, 수압부 두께(402)는 최소 0.15mm두께로 제작 했으며, 본 발명에서 고압에 상용된 설계에서는 수압부 직경(401)은 6mm 그리고 수압부 두께(402)는 0.3mm로 제작하였다. 이와 제작된 반도체형 압력소자를 이용한 금속 다이프램 압력센서를 압력에 따른 저항변화를 측정하였다.
압력에 따라 증가하는 저항(R2)은 초기 0Bar에서 2,256.12Ω으로 형성되어 있었으며, 200Bar 형성 시 2,304.36Ω으로 증가하였다. 증가한 변위 기울기는 0.24Ω/Bar이였으며, 반면 감소하는 저항(R1)은 초기 0Bar 의 2,234.56Ω에서 200Bar 에서 2184.81Ω으로 감소하였으며, 기울기는 -0.25Ω/Bar 형성되었다. 증가와 감소에서 기울기는 거의 유사함을 확인하였으며, 선형성이 우수함을 알 수 있다.
자동차 및 고압에 사용되는 산업용 압력센서의 경우 반복 압력환경에 신뢰성이 우선 시 된다. 5,000회를 순간 1초에 200Bar와 0Bar를 반복압력시험기를 통해 반도체형 실리콘 압력 소자를 2개를 사용하여 금속 다이아프램형 압력센서를 제작하여 반복 시험을 하였다. 각 저항에서 R1는 2,245.2Ω, R2는 2238.7Ω, R3는 2162.2Ω 마지막으로 R4는 2144.3Ω는 초기 측정되었으며, 반복 시험 중 측정하였던 결과를 도 8에 나타내었다. 반복 시험에서도 비산적 저항변화없이 거의 일정함을 확인 하였다.
상기 R1,R2,R3,R4를 온도에 따른 저항변화인 온도저항계수(TCR_ppm/℃: Temperature Coefficient Resistance)를 측정하기 위해 온도에 따른 변화를 측정하였다. 각각의 저항변화는 7.22Ω/℃으로 확인 되었으며 구간별 온도저항계수 측정 시 각각의 저항이 일정한 선형성이 나타남을 알 수 있었다. 이는 4개의 저항을 이용하는 휘스톤 브릿지에 온도계수는 크지만 센서간의 온도저항계수가 유사 또는 동등하기 때문에 휘스톤 브릿지의 브릿지 전압은 온도에 따라 크게 변화하기 않음을 알 수 있으며, 모듈에서 온도에 따른 보정(Calibration)이 가능하다.
본 발명으로 형성되는 반도체형 실리콘 소자를 이용한 금속 다이아프램의 압력센서는 대량생산에 적합한 반도체 공정을 이용하면서 재현성이 우수하고 소자부를 다른 가공 및 절단하지 않고 감도가 우수한 두께층을 제조 가능한 표면 MEMS 공정을 이용해 쉽게 압력센서 소자부를 제작 할 수 있으며, 금속 다이아프램의 절연막 및 가공에서 쉽게 다양한 재질에 따라 제작하며, 공정이 쉬운 단순화 작업으로 제작이 가능하다.
상기 공정에서 저가 및 대량생산에 잇점으로 가격경쟁력이 있을 뿐만 아니라, 고감도의 감지막 과 우수한 온도특성으로 모듈 제작에 있어 정밀하고 신뢰성이 높은 압력센서 및 모듈을 제공 가능하게 한다.
위에서 기술된 것들은 예시적으로 기술되었을 뿐이고 본 발명을 제한하려는 의도는 없으며 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변형과 수정이 수행될 수 있음은 물론이라고 할 것이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 방법은 기존 공지된 반도체 웨이퍼 제조 기술과 결합하여, 다수의 센서를 동시에 대량 생산에 제조 될 수 있으며, 추가로 표면 MEMS 기술을 이용하여 공정상 용이하고 단순한 방법을 통해 초소형화 된 반도체 실리콘 압력 소자를 제작한다. 이러한 공정과 함께 금속 다이아프램의 접합을 위해 성능 개선을 위한 공정 단계를 통해 고압에서 사용가능하며, 압력 계측하고자 하는 기체 및 유체의 화학적 물리적 환경에 우수한 압력센서를 제작하는 것이다.
본 발명에서 표면 MEMS 공정을 통해 반도체 실리콘 압력 소자를 제작하는 공정도를 도 2에 도시화 하였다.
도 2에 도시화 된 순서로 설명하면, 도 2a에 SOI(Silicon Oxide Interlayer) wafer로 4인치 기판을 사용하였으며, 하부 실리콘 기판(201)에 상부 실리콘 산화막(202)으로 4~6㎛로 형성되어 있으며, 그 상부에는 실리콘에 이온 주입기(Ion Implant)로 불순물이 도핑(doping)되어 있는 N 형 반도체층(203)이 형성되어 있다.
도 2b에서 감광액(Photo resistance liquid)을 도포하고 에칭을 원하는 N 형 반도체 부위를 노광을 시켜서 N 형 반도체층(203)의 특정위치에 개구부(204)를 형성시킨다. 그리고 실리콘을 선택적 제거 가능한 RIE(Reactive Ion Etching)공정으로 N 형 반도체층을 제거한다. 그리고 잔류된 감광액층을 제거하여 도 2b와 같이 제작된다.
도 2c에서 감광액(205)를 도포하고 도포된 감광액을 노광시켜서 N 형 반도체층(203)의 상부 P 형 반도체의 불순물을 도핑할 수 있도록 P 형 반도체 형성을 위한 개구부(206)을 열어둔다.
도 2d에 상기 도 2c에서 제작된 기판을 이온 주입기로 P 형 반도체층(207a)으로 제작하기 위해 보론(B) 및 기타 불순물의 이온을 개구부(206)을 통해서 N 형 반도체층(203)의 상부에 도핑 시킨다. 따라서 P 형 반도체층(207a)이 상부에 도핑된 실리콘 압력 감지막 패턴(207)이 제작되고 이후 감광액(205)을 제거시키고 이로써 반도체형 실리콘 센서 중 압력에 따른 저항변화로 감지 할 수 있는 저항체가 제작된다.
도 2e에 상부 금속 전극을 형성하고 절연성을 향상 시키기 위해 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 질화 실리콘(208)(Si3N4)을 0.5~1㎛를 형성하며, 감광액을 질화실리콘막(208) 상에 도포하고 P형 반도체층(207a)의 부위를 노출시켜 P 형 반도체층(207a) 위에 금속 전극이 부착되도록 선택적 제거인 Lift off방식의 공정으로 전극 개구부(209)를 형성시켜 놓는다.
도 2f에 비저항이 낮고 도전성이 우수하며, 특히 압력센서의 고온 및 저온환경에 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 니켈(Nickel), 금(Gold), 알루미늄(Alumium) 등을 사용하며, 특수 환경에서 백금(Platinum) 및 티타늄(Titanium)으로 금속 전극(210)를 PVD(Physical Vapour Deposition)으로 증착한다. 두께는 소재의 특성에 따라 상이하며, 기본 최소 0.5에서 2㎛의 두께를 형성한다. 상기 질화실리콘막(208)위에 금속전극막을 증착시키고, 감광막을 사용해서 원하는 금속전극패턴을 노광시켜 금속전극(210)을 형성시킨다.
도 2g에 질화 실리콘의 층(208)의 선택적 제거를 위해 상부 감광액(216)을 형성하여 질화 실리콘 개구부(211)을 제작한다.
도 2h에서는, 상기 질화실리콘 개구부(211)의 하부에 위치되는 도 2g의 기판을 Deep RIE으로 식각하여 질화 실리콘 분리부(208a)을 제작한다. 본 발명의 표면 멤브레인(216)을 형성하기 위해 필요한 공정이다.
도 2i에 상기 도 2h의 기판을 BOE(Buffered Oxide Etchant)에 Wet station으로 실리콘 산화막(202)을 제거한다. 동방성 에칭을 이용한 용액으로 식각한 질화 실리콘 분리부(208a)에 용액이 내려가게 되면서 실리콘 산화막(202)은 화학적으로 제거되어 분리공간(213)이 형성되어 실리콘 압력 소자(215)가 분리된다. 그리고 상기 공정이 완료 된 후 잔류 감광액을 제거 하여 메탈 전극을 표면에 노출하게 한다. 실리콘 기판에 상기 복수의 실리콘 압력 소자(215)로 이루어지는 표면 멤브레인(216)의 패턴을 고정하기 위해 기판 프레임(214)와 얇은 선폭으로 부분적으로 부착되어 있으며, 반도체 실리콘 압력 소자의 선폭(보통 70~140㎛)의 50%의 선폭의 브릿지(217)로 고정되어 있다(도 3a의 217 참조).
상기 도 3a에 도시된 기판 프레임은(214)는 초기 실리콘 웨이퍼의 N형 반도체층(203)에서 실리콘 압력센서 소자제작 후에 그 외부로 연속되게 잔류된 형태로 남아 있는 상태 이다.
도 2j에 표면 멤브레인(216)으로 공중에 떠있는 상태로 제작된 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 진공흡착으로 5Psi의 진공압력을 이용해 부착(Clamping)후 브릿지(217)에서 분리하여 물리적으로 제거한 반도체 실리콘 압력소자(215)을 도시화 하였다. 두께는 10~30㎛로 전체를 형성한다.
도 3a에 도 2i의 단계에서 제작된 기판의 상부 표면 도면을 도시화 하였다. 4인치 기판의 배열의 일부 도면을 도시화 하였으며, 상기 언급했던 기판 프레임(214)에 복수의 반도체 실리콘 압력 소자(215)가 전후 및 상하로 배열되게 형성 되어 있으며, 각 반도체 실리콘 압력 소자(215)는 브릿지(217)로 고정되어 있다.
도 3b에는, 도 2j공정을 통해 제작된 본 발명에서의 반도체 실리콘 압력 소자(215)로 기판 프레임(214)에서 분리된 도면을 도시화 하였다. 중간에 형성된 금속 전극(210)이 중간 전극이 되며, 나머지 양단의 금속 전극(210,210)으로 되어 있으며, 그 사이에는 패턴화 된 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴(207,207)의 저항을 계측할 수 있다. 예를 들면 오른쪽 금속 전극(210)와 중간 금속 전극(210)의 연결로 압력센서에서 사용하는 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴(207)으로 저항체 R1이 형성되고, 중간 금속 전극(210)과 나머지의 금속 전극(210)으로 연결됨으로써 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴(207)으로 저항체 R2가 형성된다.
금속 전극은 와이어 본딩에서 제품에 적용하여 사용하고자 하는 와이어의 직경에 따라 금속 전극 크기는 다르게 설계 및 제작된다. 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 길이(B,A)과 선폭(C)은 실리콘 압력 소자의 저항 및 요구되는 금속 다이아프램의 크기와 직경에 따라 결정되며, 이러한 단위 반도체 실리콘 압력 소자(215)의 크기로 전체 길이(D)가 결정된다. 고압용 압력센서의 경우 대부분 금속 다이아프램의 크기와 직경이 작은데 공간과 압력변위의 최적화를 위해 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 길이(B,A)는 작아진다. 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 저항체가 높은 저항값을 가져야 할 경우 선폭(C)를 줄여서 저항값을 증가 시킨다. 반면 반대의 경우 인 금속 다이아프램의 수압부 직경이 큰 경우, 실리콘 압력 감지막 패턴(207)의 길이(B,A)는 길어져야 하고, 저항이 클 경우 선폭(C)는 넓게 제작하여 저항을 낮춘다.
도 4에 금속 다이아프램의 압력에 따른 응력으로 변위되는 변화와 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 부착하는 위치를 도시 하였다. 수압부 직경(E)와 금속 다이아프램 두께(F)의 경우 고압과 저압의 용도에 따라 다르게 설계되어 지며, 이러한 수압부 직경(E)의 변화와 금속 다이아프램 두께(F)의 변화에 따라 내부 변위가 상부로 증가되는 부분과 감소되는 부분이 다르게 설계되어진다. 이러한 이유로 도 3b의 크기 및 제원들은 용도에 따라 설계가 달라진다. 도 4에 도시화 하였듯이, 상부 변형부가 압력 감지막 패턴(207)인 저항체에서는 증가하고 하부로 변형되는 하부 변형부는 감소하게 되는데 압력 감지막 패턴(207)인 저항체의 R1, R2의 위치는 증가 및 감소되는 위치에 놓이게 한다. 감도를 더 증폭하거나 온도보상을 위해 압력센서에 상기 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 2개를 장착하여 R1,R2,R3,R4로 브릿지 회로로 구성할 수 있다.
본 반도체 실리콘 압력센서 공정을 별도로 금속 다이아프램의 설계 제작에서 상기 적합한 공정이 필요하다. 본 발명의 실리콘 압력센서의 제조공정에 대한 공정순서도를 도 5에 그리고 제작된 반도체 실리콘 센서부를 이용한 금속다이아프램형 압력센서 그림을 도 6에 도시 하였다.
요구되는 압력의 범위 및 사용온도에 따라 금속 다이아프램의 설계 및 공정조건이 다르게 제작된다(S110). 기본적으로 미압의 경우 수압부의 면적이 크며, 두께가 작게 설계되며, 고압의 경우 반대로 설계되어 진다. 이러한 금속 다이아프램을 요구되는 모듈의 구조에 적합하게 수압부와 금속 다이아프램 구조체를 설계한다. 미압의 경우 수압부 직경(401)은 최대 10mm로 했으며, 수압부 두께(402)는 최소 0.15mm두께로 제작 했으며, 본 발명에서 고압에 상용된 설계에서는 수압부 직경(401)은 6mm 그리고 수압부 두께(402)는 0.3mm로 제작하였다. 절연막의 경우 형성하고자 하는 요구되는 온도 및 환경에 따라 실리콘 산화막, 알루미나, 질화 실리콘, 및 지르코니아의 세라믹종류로 스프레이로 코팅된 세라믹 코팅 절연막(403)을 형성 하며, 요구되는 세라믹 코팅 절연막의 두께(405)는 코팅 후 요구되는 두께를 제어와 표면의 평탄도를 위해 래핑(Rapping)을 실시하고, 습식처리된 부분 및 불순물을 제거하게 된다. 실리콘 산화막의 경우 압력센서 환경에 따라 10~40㎛의 두께를 제작하였다.
먼저 상기 설계 기준에 적합한 금속 다이아프램의 재질을 선정하여 수압부의 두께 및 면적 그리고 그 외 요구되는 외형 디자인을 설계 및 가공을 한다. 이 때 절삭유와 관련 미세 절삭 후의 금속 불순물을 제거를 위해 세정 및 열처리를 한다.
실리콘 압력 소자가 부착될 면이 가공에서 유리계 및 기타 세라믹 계열과 금속 다이아프램의 기계적 접합성 및 내열특성을 향상하기 위해 표면의 거칠기 및 미세 표면 형상이 중요하다. 세라믹 파우더를 고압분사하여 표면을 가공하는 샌딩 가공을 하여 요구되는 특성에 맞추어 표면 조도와 거칠기를 형성한다(S120).
표면의 절연성을 위해 세라믹 계열 또는 유리계열을 금속 산화막 형성을 함에 있어 고온 및 고압의 반복 환경에 내구성이 높고 접합성이 우수하며, 대량생산 공정이 용이한 세라믹 스프레이로 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 형성한다. 세라믹 스프레이 코팅에 의한 세라믹 코팅 절연막의 형성은 고온에서 초미립 분체를 고압, 고온 반응하여 금속에 물리적 및 화학적으로 반응하여 형성하며, 단기간 내에 40~100㎛를 형성이 가능하다. 형성속도가 큰 장점에 반해 표면의 평탄도 및 고온 공정이라는 것이 단점이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 설계된 두께를 제작하기 위해 상기 코팅된 세라믹 코팅 절연막을 표면 연마 및 래핑을 이용하여 평탄도와 두께를 제어한다. 요구되는 평탄도 및 조도는 조도 Rm=1, 평탄도 Fm=2이내 형성되어야 한다(S130).
상기 세라믹 코팅 절연막이 습식으로 표면 연마 및 래핑 후 표면의 습기와 불순물을 제거하기 위해 분위기 열처리 (질소 또는 진공)으로 섭씨 400~800도에서 2~4시간 열처리를 한다(S140).
열처리 공정 후 수압부에 설계되어 압력에 따라 변위가 증가되는 부분과 감소되는 부분에 반도체 실리콘 압력소자 (215)를 부착하기 위해 세라믹 코팅 절연막 상부에 유리계 에폭시 접합제를 후막 인쇄 공정 및 디스펜서 공정으로 유리계 에폭시 접합제(404)형성시키고(S150), 반도체 실리콘 압력 소자(215)를 부착시킨다(S160).
반도체 실리콘 압력 소자 (215)를 기판형태로 제작된 도3a에서 진공 흡착기를 이용해 낱개로 분리시키고 상기 유리계 에폭시 접합제(404)에 10Psi의 가압으로 누르며 정밀 접합 시킨다(S160).
상기 유리계 에폭시 접합제(404)는 세라믹 코팅 절연막(403)과 반도체 실리콘 압력 소자(215) 의 중간계면에서 고정해주는 역할을 하며, 요구되는 환경에 따라 두께를 0.2mm에서 1mm로 형성한다. 열처리는 유리계 에폭시 접합제의 유리계 첨가 비율에 따라 낮은 온도에서는 섭씨 250도에서 높은 온도 섭씨 500도까지 열처리 할 수 있다(S170).
제작된 반도체형 압력소자를 이용한 금속 다이어프램 압력센서를 압력에 따른 저항변화를 측정하여 도 7에 도시화 하였다.
제작된 압력소자는 상기 설명한 바와 같이, 미압의 경우 수압부 직경(401)은 최대 10mm로 했으며, 수압부 두께(402)는 최소 0.15mm두께로 제작 했으며, 본 발명에서 고압에 상용된 설계에서는 수압부 직경(401)은 6mm 그리고 수압부 두께(402)는 0.3mm로 제작하였다. 이와 제작된 반도체형 압력소자를 이용한 금속 다이프램 압력센서를 압력에 따른 저항변화를 측정하였다.
압력에 따라 증가하는 저항(R2)은 초기 0Bar에서 2,256.12Ω으로 형성되어 있었으며, 200Bar 형성 시 2,304.36Ω으로 증가하였다. 증가한 변위 기울기는 0.24Ω/Bar이였으며, 반면 감소하는 저항(R1)은 초기 0Bar 의 2,234.56Ω에서 200Bar 에서 2184.81Ω으로 감소하였으며, 기울기는 -0.25Ω/Bar 형성되었다. 증가와 감소에서 기울기는 거의 유사함을 확인하였으며, 선형성이 우수함을 알 수 있다.
자동차 및 고압에 사용되는 산업용 압력센서의 경우 반복 압력환경에 신뢰성이 우선 시 된다. 5,000회를 순간 1초에 200Bar와 0Bar를 반복압력시험기를 통해 반도체형 실리콘 압력 소자를 2개를 사용하여 금속 다이아프램형 압력센서를 제작하여 반복 시험을 하였다. 각 저항에서 R1는 2,245.2Ω, R2는 2238.7Ω, R3는 2162.2Ω 마지막으로 R4는 2144.3Ω는 초기 측정되었으며, 반복 시험 중 측정하였던 결과를 도 8에 나타내었다. 반복 시험에서도 비산적 저항변화없이 거의 일정함을 확인 하였다.
상기 R1,R2,R3,R4를 온도에 따른 저항변화인 온도저항계수(TCR_ppm/℃: Temperature Coefficient Resistance)를 측정하기 위해 온도에 따른 변화를 측정하였다. 각각의 저항변화는 7.22Ω/℃으로 확인 되었으며 구간별 온도저항계수 측정 시 각각의 저항이 일정한 선형성이 나타남을 알 수 있었다. 이는 4개의 저항을 이용하는 휘스톤 브릿지에 온도계수는 크지만 센서간의 온도저항계수가 유사 또는 동등하기 때문에 휘스톤 브릿지의 브릿지 전압은 온도에 따라 크게 변화하기 않음을 알 수 있으며, 모듈에서 온도에 따른 보정(Calibration)이 가능하다.
본 발명으로 형성되는 반도체형 실리콘 소자를 이용한 금속 다이아프램의 압력센서는 대량생산에 적합한 반도체 공정을 이용하면서 재현성이 우수하고 소자부를 다른 가공 및 절단하지 않고 감도가 우수한 두께층을 제조 가능한 표면 MEMS 공정을 이용해 쉽게 압력센서 소자부를 제작 할 수 있으며, 금속 다이아프램의 절연막 및 가공에서 쉽게 다양한 재질에 따라 제작하며, 공정이 쉬운 단순화 작업으로 제작이 가능하다.
상기 공정에서 저가 및 대량생산에 잇점으로 가격경쟁력이 있을 뿐만 아니라, 고감도의 감지막 과 우수한 온도특성으로 모듈 제작에 있어 정밀하고 신뢰성이 높은 압력센서 및 모듈을 제공 가능하게 한다.
위에서 기술된 것들은 예시적으로 기술되었을 뿐이고 본 발명을 제한하려는 의도는 없으며 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변형과 수정이 수행될 수 있음은 물론이라고 할 것이다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
201. 하부 실리콘 기판 202. 상부 실리콘 산화막
203. N 형 반도체층 204. 개구부 205. 감광액
203. N 형 반도체층 204. 개구부 205. 감광액
Claims (13)
- 수압부를 가진 금속 다이아프램을 가공하는 단계,
세라믹 파우더를 고압분사하여 금속 다이아프램의 표면을 가공하는 샌딩 가공을 하여 요구되는 특성에 맞추어 금속 다이아프램의 표면 조도와 거칠기를 형성하는 단계,
상기 샌딩 가공된 금속 다이아프램의 표면의 절연을 위하여 세라믹을 스프레이 코팅하여 세라믹 코팅 절연막을 형성시키고 세라믹 코팅 절연막의 표면을 연마 및 래핑하여 상기 세라믹 코팅 절연막의 평탄도와 두께를 제어하는 단계,
습식으로 표면 연마 및 래핑된 세라믹 코팅 절연막의 표면의 습기와 불순물을 제거하기 위해 분위기 열처리(질소 또는 진공)로 400~800도(℃)에서 2~4시간 열처리를 수행하는 단계,
금속 다이아프램의 수압부에 설계되어 압력에 따라 변위가 증가되는 부분과 감소되는 부분에 반도체 실리콘 압력 소자를 부착하기 위해 세라믹 코팅 절연막의 상부에 접합제를 후막 인쇄 공정 및 디스펜서 공정으로 접합제를 형성시키는 단계,
반도체 실리콘 압력 소자를 상기 접합제에 10Psi의 가압으로 누르며 정밀 접합 형성시키는 단계, 및
상기 접합제를 섭씨 250도~500도(℃)에서 열처리하는 단계를 포함하는 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 수압부의 직경은 6~10mm이며, 수압부 두께는 최소 0.15~0.3mm인 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅 절연막은 실리콘 산화막, 알루미나, 질화 실리콘, 또는 지르코니아에서 선택된 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅 절연막은 실리콘 산화막인 경우 두께를 10~40mm로 제작된 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅 절연막의 평탄도 및 조도는 조도 Rm=1, 평탄도 Fm=2이내로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자를 금속 다이아프램에 형성하는 방법.
- 반도체형 압력소자의 제조방법에 있어서,
하부 실리콘 기판상에 순차적으로 실리콘 산화막 및 제1 형 반도체층을 형성하는 단계,
상기 제1 형 반도체층 상에 제2 형 반도체층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층을 포함한 상부층에 질화막 실리콘층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층 상에 금속층을 형성하는 단계,
상기 제2 형 반도체층 상에 감광층을 형성한 후 에칭하여, 상기 제1 형 반도체층, 제2 형 반도체층, 질화막 실리콘층 및 금속층으로 이루어진 반도체형 압력소자를 분리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 금속층은
비저항이 낮고 도전성이 우수하며, 압력센서의 고온 및 저온환경에 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 니켈(Nickel), 금(Gold), 알루미늄(Alumium), 백금(Platinum) 및 티타늄(Titanium)중 하나 또는 이들의 합금을 PVD(Physical Vapour Deposition) 방식으로 증착한 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 0.5~2㎛인 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 반도체 실리콘 압력 소자의 분리단계에서, 표면 멤브레인으로 공중에 떠있는 상태로 진공흡착으로 진공압력을 이용해 부착(Clamping)후 물리적으로 제거한 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 분리된 반도체 실리콘 압력 소자의 두께는 10~30㎛인 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자의 제조방법.
- 하부 실리콘 기판상에 순차적으로 실리콘 산화막 및 제1 형 반도체층을 형성하고, 상기 제1 형 반도체층 상에 제2 형 반도체층을 형성하고, 상기 제2 형 반도체층을 포함한 상부층에 질화막 실리콘층을 형성하고, 상기 제2 형 반도체층 상에 금속층을 형성하고, 상기 제2 형 반도체층 상에 감광층을 형성한 후 에칭하여, 상기 제1 형 반도체층, 제2 형 반도체층, 질화막 실리콘층 및 금속층으로 이루어진 반도체형 실리콘 압력 소자가 복수개 배열되어 기판 프레임부에 연결되어 있고,
상기 각 실리콘 압력 소자는 프레임 고정 패턴으로 절단가능하게 고정된 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자 프레임구조.
- 제 12 항에 있어서,
상기 반도체 실리콘 압력 소자는 중간에 형성된 금속 전극이 중간 전극이 되며, 나머지 양단의 금속 전극으로 되어 있으며,
금속 전극의 사이에는 패턴화된 반도체 실리콘 압력 감지막 패턴의 저항을 계측할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체형 압력소자 프레임구조.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120013605A KR101288338B1 (ko) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | 반도체 압력소자와 금속 다이아프램 구조를 이용한 압력센서 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120013605A KR101288338B1 (ko) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | 반도체 압력소자와 금속 다이아프램 구조를 이용한 압력센서 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101288338B1 true KR101288338B1 (ko) | 2013-07-22 |
Family
ID=48997785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120013605A KR101288338B1 (ko) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | 반도체 압력소자와 금속 다이아프램 구조를 이용한 압력센서 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101288338B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150082119A (ko) * | 2014-01-06 | 2015-07-15 | 알프스 덴키 가부시키가이샤 | Mems 센서 |
| KR20190117150A (ko) | 2018-04-06 | 2019-10-16 | 대양전기공업 주식회사 | Mems 칩 부착공정이 자동화된 압력센서 제조방법 및 제조장치 |
| RU197682U1 (ru) * | 2019-12-27 | 2020-05-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Полупроводниковый датчик давления |
| KR102245198B1 (ko) | 2019-11-28 | 2021-04-27 | 대양전기공업 주식회사 | 레이저 스캐터링을 적용한 센서 제조방법 및 센서 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11298009A (ja) * | 1998-04-08 | 1999-10-29 | Denso Corp | 半導体圧力センサの製造方法 |
| JP2009092669A (ja) * | 2008-12-03 | 2009-04-30 | Denso Corp | 半導体圧力センサの製造方法 |
| KR20090081195A (ko) * | 2008-01-23 | 2009-07-28 | 대양전기공업 주식회사 | 금속 압력다이어프램이 구비된 압력측정센서 및 상기압력측정센서의 제조방법 |
| KR20110129769A (ko) * | 2010-05-26 | 2011-12-02 | 대양전기공업 주식회사 | 이에스피용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서 |
-
2012
- 2012-02-10 KR KR1020120013605A patent/KR101288338B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11298009A (ja) * | 1998-04-08 | 1999-10-29 | Denso Corp | 半導体圧力センサの製造方法 |
| KR20090081195A (ko) * | 2008-01-23 | 2009-07-28 | 대양전기공업 주식회사 | 금속 압력다이어프램이 구비된 압력측정센서 및 상기압력측정센서의 제조방법 |
| JP2009092669A (ja) * | 2008-12-03 | 2009-04-30 | Denso Corp | 半導体圧力センサの製造方法 |
| KR20110129769A (ko) * | 2010-05-26 | 2011-12-02 | 대양전기공업 주식회사 | 이에스피용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150082119A (ko) * | 2014-01-06 | 2015-07-15 | 알프스 덴키 가부시키가이샤 | Mems 센서 |
| KR101633027B1 (ko) | 2014-01-06 | 2016-06-23 | 알프스 덴키 가부시키가이샤 | Mems 센서 |
| KR20190117150A (ko) | 2018-04-06 | 2019-10-16 | 대양전기공업 주식회사 | Mems 칩 부착공정이 자동화된 압력센서 제조방법 및 제조장치 |
| KR102059521B1 (ko) * | 2018-04-06 | 2020-02-11 | 대양전기공업 주식회사 | Mems 칩 부착공정이 자동화된 압력센서 제조방법 및 제조장치 |
| KR102245198B1 (ko) | 2019-11-28 | 2021-04-27 | 대양전기공업 주식회사 | 레이저 스캐터링을 적용한 센서 제조방법 및 센서 |
| RU197682U1 (ru) * | 2019-12-27 | 2020-05-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Полупроводниковый датчик давления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7998777B1 (en) | Method for fabricating a sensor | |
| US7819015B2 (en) | Silicon carbide piezoresistive pressure transducer and method of fabrication | |
| KR101288338B1 (ko) | 반도체 압력소자와 금속 다이아프램 구조를 이용한 압력센서 제조방법 | |
| EP1965187B1 (en) | Semiconductive diaphragm-type pressure sensor | |
| US8230746B2 (en) | Combined type pressure gauge, and manufacturing method of combined type pressure gauge | |
| US20110252882A1 (en) | Robust sensor with top cap | |
| KR20090064693A (ko) | 마이크로 가스 센서 및 그 제작 방법 | |
| US20120024075A1 (en) | Capacitance pressure sensor | |
| US7478562B2 (en) | High temperature LC pressure transducer and methods for making the same | |
| KR100555665B1 (ko) | 복합센서 및 그 제조방법 | |
| CN107560755A (zh) | 蓝宝石基光纤f‑p温度压力复合传感器及其制备方法 | |
| US8334159B1 (en) | MEMS pressure sensor using capacitive technique | |
| US8033178B2 (en) | Pressure-measuring cell | |
| JP3730868B2 (ja) | 薄膜圧電抵抗センサ製作の方法 | |
| TW201323845A (zh) | 微機電系統壓力感測元件及其製作方法 | |
| US5744725A (en) | Capacitive pressure sensor and method of fabricating same | |
| US6860153B2 (en) | Gas pressure sensor based on short-distance heat conduction and method for fabricating same | |
| CN111947815A (zh) | Mems压力芯片及其制备方法 | |
| KR101752875B1 (ko) | 반도체 압력센서 및 이의 제조방법 | |
| US7737514B1 (en) | MEMS pressure sensor using area-change capacitive technique | |
| JP4035519B2 (ja) | 半導体圧力センサおよびその製造方法 | |
| KR100679894B1 (ko) | 가스 센서 및 그의 제조 방법 | |
| KR101311799B1 (ko) | 반도체 압력센서 제조방법 | |
| CN112591705A (zh) | 一种soi型mems结构及其加工方法 | |
| CN114286929A (zh) | 传感器和制造传感器的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160714 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170717 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180618 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190605 Year of fee payment: 7 |