KR101652369B1 - Manufacturing method for piezoresistive pressure sensor using wet and dry etching process - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압저항형 압력센서(piezoresistive pressure sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법이 제공되며, 또한, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템이 제공된다. The present invention relates to a piezoresistive pressure sensor and a method of manufacturing the same. According to the present invention, a wet etching method using a tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) etching solution and a dry etching method using a deep trench ICP A semiconductor pressure resistance type pressure sensor having an offset and temperature compensation function is manufactured by using the etching method and the performance of the manufactured pressure sensors is verified so that the optimum etching solution composition and etching method can be presented The present invention also provides a method of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor using a wet and dry etching process and a pressure resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet and dry etching process, A semiconductor pressure resistance type pressure sensor having an offset and a temperature compensation function, and a sensor system including such a pressure sensor It is.
Description
본 발명은 압저항형 압력센서(piezoresistive pressure sensor)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템에 관한 것이다.
The present invention also provides a semiconductor pressure resistance type pressure sensor having an offset and a temperature compensation function by being manufactured by using the pressure and resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet and dry etching process configured as described above, To a sensor system comprising a sensor.
최근, 패키징 기술과 박막기술의 발전 및 MEMS 공정의 발전 등에 인해, 자동차, 생체공학용 의료기기 및 산업체 대규모 시스템 제어에 이르기까지 광범위한 분야에 걸쳐 반도체형 압력센서가 널리 응용되고 있고, 또한, 다양한 재료와 형상의 반도체형 압력센서가 연구 및 개발되고 있다.
BACKGROUND ART [0002] In recent years, semiconductor type pressure sensors have been widely applied to a wide range of fields ranging from packaging technology, thin film technology development, and MEMS process development to automobile, bio-engineering medical equipment and industrial large-scale system control. Type semiconductor pressure sensor is being studied and developed.
또한, 반도체형 압력센서에 있어서, 재료로 이용되는 단결정 실리콘은 변형률에 따른 감도 특성이 금속보다 10배 이상 높음으로 인해 압저항 소자로서 잘 알려져 있으며, 이러한 단결정 실리콘을 압저항 소자로 이용한 실리콘 압저항형 압력센서는 고감도, 고신뢰성이면서 출력 직선성이 좋고 대량 생산이 가능한 데 더하여, 소형이고 경량이므로 진동에도 매우 강한 것이 특징을 가진다.
Further, in the semiconductor type pressure sensor, the single crystal silicon used as a material is well known as a piezoresistive element because of its sensitivity characteristic according to the strain is ten times higher than that of the metal, and the silicon piezoresistive Type pressure sensor is characterized by high sensitivity, high reliability, good output linearity and mass production, as well as being very small in vibration and light in weight.
이에 따라, 실리콘 압저항형 압력센서는 상기한 바와 같은 장점으로 인해 고성능 센서 시스템에 효과적으로 사용되고 있으나, 인가압력에 따른 압력강도가 낮고, 오프셋(영 압력 상태에서 나타나는 출력전압) 및 온도 드리프트의 영향이 크며, 반도체 공정에 의해 형성되는 멤브레인의 두께 및 균일성에 근소한 차이가 존재한다는 문제점이 있다.
Accordingly, the silicon pressure resistance type pressure sensor has been effectively used in a high performance sensor system due to the advantages described above. However, the pressure resistance due to the applied pressure is low, the influence of the offset (output voltage in the zero pressure state) There is a problem that there is a slight difference in thickness and uniformity of the membrane formed by the semiconductor process.
또한, 종래의 실리콘 압저항형 압력센서는, 신호가 미약하기 때문에 신호증폭과 노이즈 제거를 위한 별도의 신호처리 기술 및 회로기술이 필요하다는 문제도 있다.
In addition, since the conventional silicon piezoresistive pressure sensor has a weak signal, there is also a problem that a separate signal processing technique and circuit technology are required for signal amplification and noise removal.
더 상세하게는, 압저항형 압력센서는, 실리콘 기판을 식각 공정에 의해 얇게 한 다이어프램 위에 확산 또는 이온 주입공정으로 형성한 압저항(게이지 저항)의 압저항 효과를 이용하는 것이며, 이는, 외부에서 가해지는 압력의 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환시키는 장치로서, 다이어프램에 발생하는 응력을 전기신호로 변환하는 원리이다.
More specifically, the piezoresistive type pressure sensor utilizes the piezoresistance effect of a piezoresistance (gauge resistance) formed by a diffusion or ion implantation process on a diaphragm thinned by an etching process on a silicon substrate, This is a device that converts the pressure of a diaphragm into an electrical signal by detecting the change in pressure.
아울러, 현재, 대부분의 MEMS 소자들은 구조물 제작 공정의 최적화를 필요로 하고 있고, 그 중, 고정밀도의 압력센서의 경우, 다이어프램 박막의 두께와 식각 표면의 평탄화가 매우 중요하다.
In addition, at present, most MEMS devices require optimization of the structure fabrication process. In the case of a high-precision pressure sensor, the thickness of the diaphragm film and the planarization of the etched surface are very important.
특히, 박막형 다이어프램 제작시, 식각 표면의 평탄도 및 두께의 균일성은 소자의 특성을 결정하는 요소이고, 이는 미세구조물 제작시 소자의 특성에 결정적인 영향을 미친다.
Particularly, in the manufacture of a thin film diaphragm, the uniformity of the flatness of the etched surface and the uniformity of the thickness determine the characteristics of the device, which has a decisive influence on the characteristics of the device when fabricating the microstructure.
즉, 다이어프램의 식각방법에는 용해성 화학물질로 식각하여 형성하는 습식방법과, 이온화된 가스 등을 이용하여 식각하는 건식방법이 있으며, 예를 들면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각시, 제작된 압력센서의 프레임은 일반적으로 55°경사를 나타내며, SiO2 선택성으로 SOI 웨이퍼(wafer)를 이용한 공정시 일정한 두께의 멤브레인을 얻을 수 있고, 그로 인해, 90% 이상 수율을 만족시킬 수 있어 경제성이 뛰어나다.
That is, in the etching method of the diaphragm, there are a wet method which is formed by etching with a soluble chemical and a dry method which is performed by using an ionized gas. For example, when wet etching using a tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) , The frame of the manufactured pressure sensor generally exhibits an inclination of 55 °, and SiO 2 selectivity allows a membrane having a constant thickness to be obtained in the process using an SOI wafer, thereby achieving a yield of 90% or more It is economical.
또한, 딥 트렌치(Deep trench) ICP(inductively coupled plasma)를 이용한 건식 식각시, 보쉬(Bosch) 공정으로 제작되는 구조물의 종횡비를 획기적으로 높일 수 있으며, 멤브레인 프레임을 수직으로 형성할 수 있어 센서 사이즈(sensor size)를 작게 제작할 수 있으므로 효율적으로 식각조건을 조절할 수 있는 장점이 있다.
In dry etching using deep trench ICP (inductively coupled plasma), it is possible to dramatically increase the aspect ratio of the structure manufactured by Bosch process, and to form the membrane frame vertically, sensor size) can be made small, so that the etching condition can be efficiently controlled.
따라서 상기한 바와 같이, TMAH 식각용액을 이용한 습식 식각방법이나, 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법으로 반도체 압저항형 압력센서를 제조하면 경제적이고 효율적으로 압력센서의 제작이 가능할 것으로 기대되나, 종래에는, 상기한 바와 같은 습식 및 건식 식각방법을 이용하여 반도체 압저항형 압력센서를 제조하기 위한 최적의 식각용액의 조성이나 최적의 식각방법에 대하여는 명확하게 제시된 바 없었다.
Therefore, as described above, it is expected that a pressure sensor of semiconductor pressure resistance type can be manufactured economically and efficiently by a wet etching method using a TMAH etching solution or a dry etching method using a deep trench ICP However, in the prior art, there is no definite description of the optimum etching solution composition and optimum etching method for manufacturing a semiconductor pressure resistance type pressure sensor using the wet and dry etching methods as described above.
[선행기술문헌] [Prior Art Literature]
1. 한국 등록특허공보 제10-0427430호 (2004.04.02.) 1. Korean Registered Patent No. 10-0427430 (Apr.
2. 한국 공개특허공보 제10-2010-0071336호 (2010.06.29.) 2. Korean Patent Publication No. 10-2010-0071336 (June 29, 2010)
3. 한국 등록특허공보 제10-1197570호 (2012.10.30.) 3. Korean Patent Registration No. 10-1197570 (Oct. 30, 2012)
4. 한국 등록특허공보 제10-1202612호 (2012.11.13.)
4. Korean Patent Registration No. 10-1202612 (Nov. 13, 2012)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 압저항형 압력센서를 제작할 수 있도록 하기 위해, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a pressure resistive pressure sensor using tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) A process of fabricating a semiconductor pressure resistance type pressure sensor with offset and temperature compensating function using wet etching method using etching solution and dry etching method using deep trench ICP and verifying performance of manufactured pressure sensors The present invention provides a method of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor using a wet etching and a dry etching process.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템을 제공하고자 하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a semiconductor pressure resistance type pressure sensor having an offset and temperature compensation function by being manufactured by using the pressure and resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet and dry etching process, And to provide a sensor system including such a pressure sensor.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 압저항형 압력센서 제조방법에 있어서, SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계; 이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계; 압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계; Si과 Al 전극의 절연과 습식 식각공정을 진행하기 위해, 이산화실리콘(SiO2)을 열산화(thermal oxidation) 시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계; 스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계; 공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계; 상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해, 상기 웨이퍼의 밑면에 형성되어 있는 SiO2 막을 상기 마스크 패턴을 따라 RIE 방식으로 제거한 후 식각용액을 사용하여 습식 식각을 행하는 단계; 각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및 제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법이 제공된다.
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a pressure resistance type pressure sensor manufacturing method comprising the steps of: preparing an SOI wafer; For use as a mask in an ion implantation process, a photoresist layer is formed by applying a positive photo resist on the wafer and using a positive developer; Implanting boron in an ion implantation process, removing the photoresist layer, and annealing to form a resistivity; Silicon dioxide (SiO 2 ) is thermally oxidized to conduct insulation and wet etching process for the Si and Al electrodes, and a portion contacting the Al electrode is removed by a reactive ion etching (RIE) process ; Depositing an Al / Ti layer using a sputter and forming a metal electrode pattern using an advanced oxide etching (AOE) method; A nitride film (Si 3 N 4 ) is deposited by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method to remove contamination and exposure to air, and the remainder except for the Al electrode portion where wire bonding is performed is removed by RIE ; Removing the SiO 2 film formed on the bottom surface of the wafer by the RIE method along the mask pattern to form a membrane of the pressure sensor, and performing wet etching using the etching solution; Dicing the wafer using a laser to separate each device, attaching a chip to the housing to perform wire bonding; And measuring the sensitivity of the pressure sensor by measuring a change in resistance according to a change in pressure in order to evaluate the performance of the manufactured pressure sensor. / RTI >
여기서, 상기 습식 식각을 행하는 단계는, 상기 식각 용액으로서, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액에 AP((NH4)2S2O8)를 첨가제로서 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
The wet etching step is characterized in that AP ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) is added as an additive to TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) solution as the etching solution.
또한, 상기 습식 식각을 행하는 단계는, 상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 1.0g/500ml ~ 5.0g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
The step of performing the wet etching is characterized in that AP is added to the 10 wt.% TMAH solution as an additive by adding 1.0 g / 500 ml to 5.0 g / 500 ml per hour as the etching solution.
또는, 상기 습식 식각을 행하는 단계는, 상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 2.5g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Alternatively, the step of performing the wet etching is characterized in that the AP is added to the 10 wt.% TMAH solution as an etching solution by adding 2.5 g / 500 ml per hour.
아울러, 상기 성능을 평가하는 단계는, 압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller); 온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버; 일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여, 상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the step of evaluating the performance may include: a pressure controller for constantly supplying pressure; A temperature controllable temperature chamber for evaluating the characteristics of the sensor according to the temperature; A power supply having a constant current circuit for supplying a constant current; And a measurement device including an oscilloscope and a digit multimeter for measuring a change in resistance according to a pressure, a sensor resistor of the pressure sensor and a reference resistor of 1 mA And is configured to measure a change in resistance due to a pressure as a voltage change of an oscilloscope while supplying a constant constant current.
더욱이, 본 발명에 따르면, 압저항형 압력센서 제조방법에 있어서, SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계; 이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계; 압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계; Si과 Al 전극의 절연을 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 산화막(SiO2)을 증착시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계; 스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계; 공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계; 상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해 보쉬(Bosch) 공정용 마스크 Al층을 증착하는 단계; 상기 마스크 패턴을 따라 식각될 부분의 상기 Al층을 AOE 방식으로 제거한 후 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정으로 건식 식각을 행하는 단계; 각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및 제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법이 제공된다.
Furthermore, according to the present invention, there is provided a pressure resistance type pressure sensor manufacturing method comprising the steps of: preparing an SOI wafer; For use as a mask in an ion implantation process, a photoresist layer is formed by applying a positive photo resist on the wafer and using a positive developer; Implanting boron in an ion implantation process, removing the photoresist layer, and annealing to form a resistivity; An oxide film (SiO 2 ) is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method and a reactive ion etching (RIE) Removing by a process; Depositing an Al / Ti layer using a sputter and forming a metal electrode pattern using an advanced oxide etching (AOE) method; A nitride film (Si 3 N 4 ) is deposited by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method to remove contamination and exposure to air, and the remainder except for the Al electrode portion where wire bonding is performed is removed by RIE ; Depositing a mask Al layer for a Bosch process to form a membrane of the pressure sensor; Removing the Al layer of the portion to be etched along the mask pattern by the AOE method, and performing dry etching by a Bosch process using a deep trench ICP; Dicing the wafer using a laser to separate each device, attaching a chip to the housing to perform wire bonding; And measuring the sensitivity of the pressure sensor by measuring a change in resistance according to a change in pressure in order to evaluate the performance of the manufactured pressure sensor. / RTI >
여기서, 상기 건식 식각을 행하는 단계는, 상기 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정 수행시, 식각에는 SF6 가스를 적용하고, 보호에는 C4F8 가스를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Here, the step of performing the dry etching may include a step of applying SF 6 gas for etching and a step of using C 4 F 8 gas for protection during a Bosch process using the deep trench ICP .
또한, 상기 성능을 평가하는 단계는, 압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller); 온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버; 일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여, 상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the step of evaluating the performance may include: a pressure controller for constantly supplying pressure; A temperature controllable temperature chamber for evaluating the characteristics of the sensor according to the temperature; A power supply having a constant current circuit for supplying a constant current; And a measurement device including an oscilloscope and a digit multimeter for measuring a change in resistance according to a pressure, a sensor resistor of the pressure sensor and a reference resistor of 1 mA And is configured to measure a change in resistance due to a pressure as a voltage change of an oscilloscope while supplying a constant constant current.
아울러, 본 발명에 따르면, 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor), 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor), Al 전극(electrodes) 및 벌크 마이크로머신 Si 멤브레인(bulk micro-machined Si membrane)을 포함하여 구성되는 압저항형 압력센서에 있어서, 상기에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서가 제공된다.
In addition, according to the present invention, a sensor resistor responsive to pressure, a reference resistor for temperature compensation, Al electrodes, and a bulk micro-machined Si membrane are included. The pressure resistance type pressure sensor is manufactured by using the pressure resistance type pressure sensor manufacturing method described above.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 압력센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서시스템이 제공된다.
Further, according to the present invention, there is provided a sensor system comprising a pressure sensor manufactured using the above-described pressure resistance type pressure sensor manufacturing method.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행하는 것에 의해 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성됨으로써, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 경제적이고 효율적으로 압저항형 압력센서를 제작할 수 있는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 제공할 수 있다.
As described above, according to the present invention, a wet etching method using a tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) etching solution and a dry etching method using a deep trench ICP can be used for a semiconductor pressure resistance type The pressure sensor is fabricated and the performance of the manufactured pressure sensors is verified to provide the optimal composition and etching method of the etching solution. Thus, the wet etching and the dry etching process can be used economically and efficiently It is possible to provide a method of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor using a wet and dry etching process capable of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 압저항형 압력센서를 제조함으로써, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템을 경제적이고 효율적으로 제작할 수 있다.
In addition, according to the present invention, by manufacturing the pressure resistance type pressure sensor using the pressure and resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet and dry etching processes as described above, the semiconductor pressure resistance type A pressure sensor and a sensor system including such a pressure sensor can be manufactured economically and efficiently.
도 1은 압저항형 압력센서의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 응력 분포와 변형률의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 구조해석을 통한 압력센서 멤브레인의 변위값을 나타내는 도면이다.
도 4는 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 회로 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 전체적인 제작공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 식각용액의 농도와 온도를 균일하게 유지하여 식각하였을 때 AP 첨가량에 따른 식각속도 및 평균 표면조도(Rrms)를 측정한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 측정결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 8은 AP 첨가량에 따른 Si-에칭된 표면의 FE-SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 9는 AP 첨가량에 따른 언더커팅(undercutting)의 보상효과를 나타내기 위해 식각된 Si 패턴을 CAD 프로그램을 이용하여 치수화한 확대 형상을 나타내는 도면이다.
도 10은 건식 및 습식 식각을 이용하여 제작된 멤브레인의 단면과 밑면에 대한 SEM 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 11은 압력센서의 성능평가를 위한 시험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압력센서의 칩 하우징 및 패키징된 센서 하우징의 사진을 각각 나타내는 도면이다.
도 13은 습식 식각으로 제작된 압력센서와 건식 식각으로 제작된 압력센서의 인가압력에 따른 센서의 출력전압 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 "0"의 압력, -20℃ ~ 100℃의 온도 범위에서 30분 동안 유지 후 온도챔버 내에서 저항값을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 4bar 압력 인가시 습식 및 건식 식각으로 제작된 압력센서의 출력전압 및 작동 유무를 각각 나타내는 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic diagram schematically showing the overall configuration of a pressure-resistant type pressure sensor. Fig.
2 is a view showing a simulation result of stress distribution and strain.
3 is a view showing displacement values of a pressure sensor membrane through structural analysis.
4 is a circuit diagram showing a circuit configuration for measuring a change in resistance according to a pressure.
5 is a view schematically showing an entire manufacturing process of a pressure resistance type pressure sensor using a wet etching process and a dry etching process according to an embodiment of the present invention.
6 is a table summarizing the measurement results of the etch rate and the average surface roughness (Rrms) according to the addition amount of AP when the concentration and temperature of the etching solution were uniformly maintained.
FIG. 7 is a graph showing measurement results shown in FIG. 6; FIG.
8 is a view showing an FE-SEM photograph of the Si-etched surface according to AP addition amount.
9 is a view showing an enlarged shape obtained by dimensioning an etched Si pattern using a CAD program in order to show a compensation effect of undercutting according to AP addition amount.
10 is a view showing SEM images of a cross section and a bottom surface of a membrane fabricated using dry etching and wet etching, respectively.
11 is a view schematically showing the overall configuration of a test apparatus for evaluating the performance of a pressure sensor.
12 is a view showing photographs of a chip housing and a packaged sensor housing of a pressure sensor fabricated according to an embodiment of the present invention, respectively.
13 is a view showing the output voltage measurement results of the sensor according to the applied pressure of the pressure sensor manufactured by wet etching and the pressure sensor manufactured by dry etching.
Fig. 14 is a graph showing the result of measuring the resistance value in the temperature chamber after holding for 30 minutes at a pressure of "0" and a temperature range of -20 ° C to 100 ° C.
FIG. 15 is a diagram showing the output voltage and operation status of a pressure sensor fabricated by wet etching and dry etching at a pressure of 4 bar, respectively.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor using a wet etching method and a dry etching method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 압저항형 압력센서를 제작할 수 있도록 하기 위해, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행함으로써, 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법에 관한 것이다.
That is, in order to manufacture a pressure resistance type pressure sensor using a wet etching method and a dry etching method, a wet etching method using a tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) etching solution and a deep etching method using a deep trench ) By fabricating a semiconductor pressure resistive type pressure sensor with offset and temperature compensation function using the ICP dry etching method and verifying the performance of the manufactured pressure sensors, the optimal etching solution composition and etching method The present invention relates to a pressure resistive pressure sensor manufacturing method using a wet etching process and a dry etching process.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조되는 것에 의해 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템에 관한 것이다.
Further, as described later, the present invention provides a semiconductor pressure resistance type pressure sensor having an offset and a temperature compensation function by being manufactured by using the pressure and resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet and dry etching process as described below Sensor and a sensor system comprising such a pressure sensor.
아울러, 이를 위해, 이하에 설명하는 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 실시예에서는, 다이어프램 제작에 있어 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 건식 식각 공정과, TMAH 용액을 이용한 습식 식각 공정으로 각각 1000×1000×7 ㎛3의 다이어프램 크기를 가지는 압저항형 압력센서를 각각 제작하고 그 특성을 비교 분석하였으며, 또한, 반도체형 압력센서가 가지는 장점을 활용하면서 기존의 문제점을 극복하기 위해, 소자 내에 2개의 저항, 즉, 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor)과 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor)을 각각 구성하여 그들의 출력을 감산하는 보상원리를 제안하였다.
To this end, in the embodiment of the method of manufacturing the pressure resistance type pressure sensor using the wet and dry etching process according to the present invention described below, the dry etching process using the deep trench ICP in the manufacture of the diaphragm, A pressure resistive type pressure sensor having a diaphragm size of 1000 × 1000 × 7 μm 3 was fabricated by a wet etching process using a TMAH solution. The characteristics of the pressure sensor were compared and analyzed. , A compensation principle is proposed in which two resistors in a device, that is, a sensor resistor responsive to pressure and a reference resistor for temperature compensation are respectively formed and their outputs are subtracted .
아울러, 설계된 센서에 대하여 유한요소 모델링(FEM)으로 해석을 행하고, 벌크 마이크로 머시닝 기술을 기반으로 제작된 압저항형 압력센서의 실제 측정을 수행하였다.
In addition, the designed sensors were analyzed by finite element modeling (FEM) and actual measurements of pressure resistive pressure sensors fabricated on the basis of bulk micromachining technology were performed.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
Next, with reference to the drawings, a specific embodiment of a pressure resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet etching and dry etching process according to the present invention constructed as described above will be described.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 압저항형 압력센서의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
First, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the overall configuration of a pressure resistance type pressure sensor.
도 1에 나타낸 바와 같이, 압저항형 압력센서는, 크게 나누어, 압력에 반응하는 센서저항(sensor resistor)과, 온도보상을 위한 기준저항(reference resistor), Al 전극(electrodes) 및 벌크 마이크로머신 Si 멤브레인(bulk micro-machined Si membrane)으로 구성되어 있다.
As shown in Fig. 1, the pressure-resistant type pressure sensor is largely divided into a sensor resistor responsive to pressure, a reference resistor for temperature compensation, Al electrodes (electrodes), and a bulk micromachine Si Membrane (bulk micro-machined Si membrane).
여기서, 도 1에 나타낸 실시예에서, 각각의 저항(resistor)은 가로 0.4 mm, 세로 1mm로 설계되었으며, 이온주입 공정 수행시 불순물의 농도와 어닐링(annealing) 온도 및 시간을 고려하여 비저항과 접합 깊이를 측정하여, 3.5㏀의 저항값을 가지는 저항체를 구성하였다.
In the embodiment shown in FIG. 1, each of the resistors is designed to have a width of 0.4 mm and a length of 1 mm. In the ion implantation process, the concentration of impurities and the annealing temperature and time are taken into account, Was measured to constitute a resistor having a resistance value of 3.5 k ?.
또한, 전체 센서 칩의 크기는 3000×3000 ㎛2이며, 센서 칩 중심에 1000×1000×7 ㎛3의 멤브레인 영역을 형성하였다.
The size of the entire sensor chip was 3000 × 3000 μm 2 , and a membrane area of 1000 × 1000 × 7 μm 3 was formed at the center of the sensor chip.
아울러, 본 발명자들은, 압력센서를 제작하기에 앞서 불순물 확산공정으로 형성된 압저항 소자로 사용할 때, 멤브레인의 변형에 따른 저항 변화를 가장 많이 얻기 위하여 멤브레인의 응력 분포와 이 응력에 따른 멤브레인의 변형률 FEM (finite element method)을 통하여 각각 수치해석을 수행하였다.
Further, in order to obtain the most resistance change due to the deformation of the membrane when the membrane is used as a piezoresistive element formed by an impurity diffusion process before fabricating the pressure sensor, the inventors of the present invention have found that the stress distribution of the membrane and the strain FEM (finite element method).
해석 대상 실리콘의 물성치는 Young's Modulus 170 GPa, density 2329 g/cm3, poisson ratio 0.28로 사용하였고, 일정한 압력을 설계한 멤브레인에 인가하였을 때 응력이 가장 크게 걸리는 부분, 즉 변형률이 가장 큰 위치를 파악하였다.
The properties of the analyzed silicon were Young's modulus 170 GPa, density 2329 g / cm 3 , and poisson ratio 0.28. When applied to a membrane with constant pressure, the part with the greatest stress, Respectively.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 응력 분포와 변형률의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로, 도 2a는 스트레인 특성(strain characteristic)을 나타내고, 도 2b는 스트레스 특성(stress characteristic)을 각각 나타내고 있다.
That is, referring to FIG. 2, FIG. 2 shows simulation results of stress distribution and strain, wherein FIG. 2A shows a strain characteristic and FIG. 2B shows a stress characteristic.
도 2에 나타낸 바와 같이, 응력이 큰 부분은 멤브레인 가장자리 가운데부터 중심까지의 영역이며, 중심부(displacement : 0.155mm)에서 가장 큰 변위가 나타남을 확인할 수 있고, 이를 토대로 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)의 위치를 각각 설계하였다.
As shown in FIG. 2, it can be seen that the portion with a large stress is the region from the center to the center of the membrane and the largest displacement occurs at the center (displacement: 0.155 mm). Based on this, The position of the reference resistor was designed.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 구조해석을 통한 압력센서 멤브레인의 변위값을 나타내는 도면으로, 인가된 압력과 멤브레인 중심에서의 변위 사이의 관계를 나타내고 있다.
Referring to FIG. 3, FIG. 3 shows displacement values of the pressure sensor membrane through structural analysis, and shows the relationship between the applied pressure and the displacement at the center of the membrane.
도 3에 나타낸 바와 같이, 압력을 0 ~ 7 bar까지 인가하였을 때, 1 bar당 0.022mm씩 선형적인 변위가 발생함을 보였으며, 7 bar까지의 멤브레인의 변위는 0.155mm 임을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 3, when the pressure is applied to 0 to 7 bar, a linear displacement of 0.022 mm per 1 bar is generated, and the displacement of the membrane up to 7 bar is 0.155 mm.
여기서, 센서를 구성하고 있는 2개의 저항(sensor resistor, reference resistor)의 잔류응력과, 제작과정에서 압저항을 정확한 위치에 형성하지 못했을 경우 발생할 수 있는 정렬오차(align miss) 및 불균일한 불순물 농도로 인해 2개의 압저항 특성이 동일하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다.
Here, the residual stresses of the two sensor resistors and reference resistors constituting the sensor and the alignment errors and non-uniform impurity concentrations that may occur when the piezoresistive resistors are not formed at the correct positions during fabrication So that the two piezoresistance characteristics may not be the same.
이는, 압력센서의 오프셋(영 압력 상태에서 나타나는 출력전압)의 원인이 되며, 2개의 압저항 온도계수가 달라지는 것에 의한 온도 드리프트의 원인이 되기도 한다.
This causes the offset of the pressure sensor (the output voltage appearing in the zero pressure state) and causes the temperature drift due to the difference in the number of piezoresistive thermometers.
따라서 본 발명자들은, 이러한 오프셋을 보상하는 방법으로, 제작된 압력센서에 외부보상회로를 구성하였다.
Therefore, the present inventors constructed an external compensation circuit in the manufactured pressure sensor by a method of compensating for such an offset.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 회로 구성을 나타내는 회로도이다.
That is, referring to FIG. 4, FIG. 4 is a circuit diagram showing a circuit configuration for measuring a change in resistance according to a pressure.
더 상세하게는, 도 4a에 나타낸 바와 같은 측정회로에 있어서, 센서의 감도측정은 정전류 회로를 구성하여 1mA의 일정한 전류를 공급함으로써 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하여 이루어지며, 이를 위해, 1mA 정전류 다이오드를 이용하여 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 공급하였다.
More specifically, in the measurement circuit as shown in FIG. 4A, the sensitivity of the sensor is measured by supplying a constant current of 1 mA by constituting a constant current circuit so that the change of the resistance with respect to the pressure is changed by the voltage change of the oscilloscope For this purpose, a constant current of 1 mA was applied to the sensor resistor and the reference resistor using a 1 mA constant current diode.
또한, 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)의 초기 저항 차는 R1 또는 R2 가변저항을 조절함으로써 두 개의 저항값을 동일하게 조정한 후 초기 출력 전압값이 "0"이 되도록 하였으며, 압력에 따른 센서저항(sensor resistor)의 저항 변화값 (+)과 기준저항(reference resistor)의 저항값 (-)은 차동 증폭기를 통해 전압차로 측정하였고, 이러한 방법은 주위 온도 변화에 의해 2개의 압저항에 동시에 발생하는 저항 변화를 제거할 수 있으므로, 센서의 온도 의존성을 없애거나 최소화할 수 있다.
In addition, the initial resistance difference between the sensor resistor and the reference resistor is adjusted so that the initial output voltage value becomes "0 " after adjusting the two resistance values by adjusting the variable resistors R1 and R2, The resistance change value (+) of the sensor resistor and the resistance value (-) of the reference resistor according to the voltage difference are measured by a differential amplifier through a differential amplifier, It is possible to eliminate or minimize the temperature dependency of the sensor.
아울러, 예를 들면, 100℃와 같은 고온에서는 출력값이 떨어지므로, 이러한 경우는, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 측정회로에 증폭기를 더 포함하도록 구성될 수 있다. In addition, since the output value is lowered at a high temperature, for example, 100 DEG C, this case can be configured to further include an amplifier in the measurement circuit, as shown in Fig. 4B.
계속해서, 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
Next, with reference to FIG. 5, a specific description of a method of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor using a wet etching process and a dry etching process according to an embodiment of the present invention will be described.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 전체적인 제작공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
That is, referring to FIG. 5, FIG. 5 is a view schematically showing an entire manufacturing process of a pressure resistance type pressure sensor using a wet etching process and a dry etching process according to an embodiment of the present invention.
더 상세하게는, 센서 제작에는 SOI 웨이퍼(wafer)(n-Si : 5㎛, SiO2 : 2㎛, n-Si : 450㎛)를 사용하였고, 이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위하여 포토레지스트(positive photo resister)(GXR-601)를 웨이퍼 위에 도포한 뒤, 현상액(positive developer)(AZ-300MIF)을 사용하여 1㎛ 두께의 PR층을 형성하였다.
More specifically, an SOI wafer (n-Si: 5 탆, SiO 2 (Positive photo resister) (GXR-601) was applied on the wafer, and then a positive developer (AZ) was applied to the wafer. -300MIF) was used to form a PR layer having a thickness of 1 mu m.
이어서, P형 압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 5×1015cm-2의 붕소(boron)를 주입하고, PR 마스크층 제거 후 950℃에서 2분간 어닐링(annealing) 하였다.
Next, to form a P-type piezoresistive, 5 × 10 15 cm -2 of boron was implanted into the ion implantation process, and the PR mask layer was removed, followed by annealing at 950 ° C. for 2 minutes.
계속해서, Si과 Al 전극의 절연과 차후 TMAH 용액을 이용한 습식공정을 진행하기 위해, 3000Å 두께의 이산화실리콘을 열산화(thermal oxidation) 시켰으며, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하였다.
Subsequently, silicon oxide was thermally oxidized to a thickness of 3000 Å in order to conduct the wet process using the isolation of the Si and Al electrodes and the subsequent TMAH solution. The portion of the silicon oxide contacted with the Al electrode was subjected to a reactive ion etching etching (RIE) process.
그 후, 스퍼터(sputter)를 이용하여 3000Å/300Å, Al/Ti층을 증착하였고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하였다.
Thereafter, an Al / Ti layer was deposited by sputtering to a thickness of 3000 Å / 300 Å, and a metal electrode pattern was formed by an advanced oxide etching (AOE) method.
또한, 공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 4000Å 질화막(Si3N4)을 증착하였고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하였다.
In order to prevent contamination and exposure to air, a 4000 Å nitride film (Si 3 N 4 ) was deposited by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method, and the remainder except for the Al electrode portion, .
다음으로, 압력센서의 멤브레인을 습식 식각으로 형성하기 위해, 웨이퍼 밑면 SiO2 막을 마스크 패턴을 따라 RIE 방식으로 제거한 후, 식각용액(TMAH/AP)을 사용하여 식각하였다.
Next, in order to form the membrane of the pressure sensor by wet etching, the SiO 2 film at the bottom of the wafer was removed by the RIE method along the mask pattern, and then etched using the etching solution (TMAH / AP).
아울러, 압력센서의 멤브레인을 건식 식각으로 형성하기 위해, 밑면에 형성되어 있는 SiO2 막을 제거 한 후, 3000Å 두께의 Al층을 증착하여 보쉬(Bosch) 공정용 마스크로 사용하였다.
Further, in order to form the membrane of the pressure sensor by dry etching, the SiO 2 film formed on the bottom was removed, and then an Al layer having a thickness of 3000 Å was deposited and used as a Bosch process mask.
이어서, 마스크 패턴을 따라 식각될 부분의 Al층을 AOE 방식으로 제거한 후, 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정으로 식각하였다.
Subsequently, the Al layer of the portion to be etched along the mask pattern was removed by the AOE method, and then etched by a Bosch process using a deep trench ICP.
마지막으로, 소자를 분리하기 위해 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후, 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 진행하였다.
Finally, after dicing using a laser to separate the devices, a chip was mounted on the housing to conduct wire bonding.
상기한 바와 같이 하여 제작된 센서의 전체 사이즈는 3000×3000㎛2, 멤브레인 크기는 1000×1000×7㎛3으로 제작하였고, 도 4에 나타낸 바와 같은 측정회로를 구성하여 압력에 따른 저항의 변화를 측정하였다.
The total size of the sensor fabricated as described above was 3000 × 3000 μm 2 , and the membrane size was 1000 × 1000 × 7 μm 3. By constructing the measuring circuit as shown in FIG. 4, Respectively.
도 5에 나타낸 바와 같은 제작과정에 있어서, 건식 식각공정으로 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정은 식각(etching) 공정과 보호(passivation) 공정을 번갈아 가면서 실시하여 제작되는 구조물의 종횡비(aspect ratio)를 획기적으로 높일 수 있는 드라이 에칭 방법으로, 웨이퍼(wafer)를 고정하기 위해 정전 척(ElectroStatic Chuck ; ESC)의 정전기적인 힘(Electrostatic force)를 이용하므로 웨이퍼와 클램프(clamp)의 접촉에 의한 입자오염 문제가 없고, 진공 분위기에서만 사용될 수 있는 진공 척(vacuum chuck)과 달리 분위기에 상관없이 사용될 수 있는 장점이 있다.
In the fabrication process as shown in FIG. 5, a Bosch process using a deep trench ICP as a dry etching process is performed by alternately performing an etching process and a passivation process, A dry etching method that can dramatically increase the aspect ratio can be achieved by using an electrostatic force of an electrostatic chuck (ESC) to fix a wafer, so that a wafer and a clamp There is no problem of particle contamination due to contact, and unlike a vacuum chuck which can be used only in a vacuum atmosphere, it can be used regardless of the atmosphere.
아울러, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 있어서, 식각에는 SF6 가스를 적용하였고, 보호에는 C4F8 가스를 사용하였으며 보쉬(Bosch) 공정 조건은 식각 및 보호 공정을 포함하는 한 사이클이 15초이었고, 식각 속도는 약 3.2㎛/min 정도였다.
Further, in the embodiment of the present invention as described above, SF 6 gas is used for etching, C 4 F 8 gas is used for protection, and Bosch process conditions include one cycle including etching and
더욱이, TMAH 용액을 이용한 습식 식각 공정은, 식각 용액으로부터 전극이 형성된 웨이퍼의 앞면을 보호할 수 있는 습식 에칭(wet etching) 장비(AMMT 4ZS-2430605)를 사용하여 식각을 진행하였으며, 여기서, 본 발명자들은, 사전 연구를 통해 TMAH 용액의 첨가제로서 AP((NH4)2S2O8)의 역할이 식각속도 및 표면 평탄도를 향상시킨다는 것을 알 수 있었다.
Further, in the wet etching process using the TMAH solution, the etching was performed using a wet etching equipment (AMMT 4ZS-2430605) capable of protecting the front surface of the wafer on which the electrode was formed from the etching solution, Suggesting that the role of AP ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) as an additive in the TMAH solution improves the etching rate and surface flatness.
더 상세하게는, 패턴 모서리 부분에서 발생하는 언더커팅(undercutting) 현상은 상당히 심각한 문제점으로 대두되고 있으며, 첨가제로서 IPA는 이러한 언더커팅(undercutting) 개선의 장점을 보이는 반면, 첨가량이 증가할수록 식각속도가 감소하는 단점이 있다.
More specifically, the undercutting phenomenon occurring at the edges of the pattern has become a serious problem, and IPA as an additive has the advantage of improving undercutting, while the etching rate .
이에, 본 발명자들은, 언더커팅 개선과 함께 식각속도 및 표면조도를 향상시킬 수 있는 첨가제를 연구하기 위해 첨가제로서 AP((NH4)2S2O8)를 첨가하였다.
Thus, we added AP ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) as an additive to study additives that can improve etch rate and surface roughness with improved undercutting.
즉, 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6은 TMAH 10 wt.% 용액에 AP를 시간당 1.0g, 2.5g, 5.0g/500ml을 각각 첨가한 후, 식각용액의 온도를 70℃로 일정하게 유지하기 위해서 비커 전체를 감싸는 항온조(GL-03, Global lab사)를 사용하였으며, 마이네틱 바를 이용하여 250rpm의 일정한 속도로 식각용액을 교반시킴으로써 전체 식각용액의 농도와 온도를 균일하게 유지하여 식각하였을 때 식각속도 및 평균 표면조도(Rrms)를 측정한 결과를 나타내는 도면이며, 도 7은 도 6에 나타낸 측정결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
6 and 7, FIG. 6 shows the results obtained by adding 1.0 g, 2.5 g, and 5.0 g / 500 ml of AP per hour to 10 wt.% TMAH solution, (GL-03, Global lab) was used to enclose the entire beaker, and the etching solution was agitated at a constant speed of 250 rpm using a Mininetick bar to keep the concentration and temperature of the entire etching solution uniformly. (Rrms), and FIG. 7 is a graph showing the measurement results shown in FIG. 6. As shown in FIG.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, AP 첨가량의 농도가 증가함에 따라 식각속도는 계속적으로 증가하는 경향을 보이는 한편, 표면조도는 AP가 시간당 2.5g/500ml 첨가시 가장 최적의 상태를 나타내었으며, 시간당 5.0g/500ml 첨가시에는 표면상태가 다소 떨어지는 경향을 나타내었다.
As shown in FIG. 6 and FIG. 7, the etching rate tended to increase continuously as the concentration of AP was increased. On the other hand, the surface roughness was the most optimal when AP was added at 2.5 g / 500 ml per hour, When 5.0 g / 500 ml per hour was added, the surface state tended to decrease somewhat.
또한, 도 8을 참조하면, 도 8은 AP 첨가량에 따른 Si-에칭된 표면의 FE-SEM 사진을 나타내는 도면으로, 도 8a 내지 도 8c는 각각 AP를 시간당 1.0g, 2.5g, 5.0g/500ml 첨가한 결과를 나타내고 있다.
8 shows an FE-SEM photograph of the Si-etched surface according to the amount of addition of AP. Figs. 8A to 8C are graphs showing the FE-SEM photographs of AP, And the results are shown in Fig.
즉, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, AP를 시간당 1.0g, 2.5g/500ml 첨가시 힐록의 발생이 눈에 띄게 줄어들었으며, 2.5g 첨가시 가장 깨끗한 식각표면을 얻을 수 있었고, 반면, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 5.0g 첨가시에는 1.0g 첨가시보다 힐록의 발생이 두드러지는 현상이 나타났다.
8a and 8b, the occurrence of hillock was remarkably reduced when AP was added at 1.0 g and 2.5 g / 500 ml per hour, and the cleanest etched surface was obtained when 2.5 g was added, As shown in FIG. 8c, when 5.0 g was added, occurrence of hillock was remarkable as compared with when 1.0 g was added.
아울러, 도 9를 참조하면, 도 9는 AP 첨가량에 따른 언더커팅(undercutting)의 보상효과를 나타내기 위해 식각된 Si 패턴을 CAD 프로그램을 이용하여 치수화한 확대 형상을 나타내는 도면이다.
9, FIG. 9 is a view showing an enlarged shape obtained by dimensioning an etched Si pattern using a CAD program in order to show a compensation effect of undercutting according to AP addition amount.
도 9에 나타낸 바와 같이, AP가 첨가되지 않은 순수 TMAH 용액에서의 UR(undercutting ratio)은 5.6(h = 41.3㎛)이었으나, 시간당 1.0g/500ml AP 첨가시 UR은 3.2(h = 43.53㎛)로 감소하였다.
As shown in FIG. 9, the undercutting ratio in the pure TMAH solution to which AP was not added was 5.6 (h = 41.3 탆), but the UR was 3.2 (h = 43.53 탆) when 1.0 g / Respectively.
상기한 바와 같은 결과로부터, AP 첨가시 언더커팅 보상효과는 IPA 첨가시보다 다소 떨어지지만, 식각속도와 표면조도 모두 순수 TMAH 용액보다 우수한 측정 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
From the results described above, it can be seen that the undercutting compensation effect at the time of AP addition is somewhat lower than that at the IPA addition, but both the etch rate and the surface roughness show better measurement results than the pure TMAH solution.
또한, TMAH 용액은 이방성 식각 특성과 SiO2에 대한 선택성이 뛰어나고, SOI 웨이퍼(n-Si : 5㎛, SiO2 : 2㎛, n-Si : 450㎛)의 SiO2 층에서 에칭 스탑(etching stop)이 이루어지며, 본 발명자들은, 실험을 통해 SiO2 층에서 식각이 정지됨을 확인하였고, 식각 속도는 약 0.6㎛/min 정도였다.
In addition, the TMAH solution is excellent in anisotropic etching properties and selectivity to SiO 2 , and is excellent in SOI wafers (n-Si: 5 탆, SiO 2 : 2㎛, n-Si: becomes the etching stop (etching stop) made in the SiO 2 layer of 450㎛), the present inventors have found, through experiments was to check the etching stopped in the SiO 2 layer, the etching rate was about 0.6㎛ / min.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 습식 및 건식 식각으로 제작된 멤브레인을 비교한 결과에 대하여 설명한다.
Next, the results of comparison between membranes prepared by wet etching and dry etching as described above will be described.
이방성 식각용액(TMAH)으로 제작된 압력센서의 프레임은 일반적으로 55°경사를 나타내지만, 딥 트렌치(Deep trench) ICP 장치를 이용하여 제작된 프레임은 수직으로 제작된 것이 특징이다.
The frame of the pressure sensor fabricated with anisotropic etching solution (TMAH) generally exhibits an inclination of 55 °, but the frame manufactured using a deep trench ICP device is vertically manufactured.
즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 건식 및 습식 식각을 이용하여 제작된 멤브레인의 단면과 밑면에 대한 SEM 이미지를 각각 나타내는 도면으로, 도 10a는 건식 식각으로 형성된 멤브레인의 단면이고, 도 10b는 그 뒷면(back side)이며, 도 10csms 습식 식각으로 형성된 멤브레인의 단면이고, 도 10d는 그 뒷면을 각각 나타내고 있다.
10 is a cross-sectional view of a membrane formed by dry etching and wet etching, and FIG. 10A is a cross-sectional view of a membrane formed by dry etching, and FIG. 10B is a cross- The back side thereof is a cross section of the membrane formed by the wet etch of Fig. 10csms, and Fig. 10d is the back side thereof.
더 상세하게는, 도 10a 및 도 10b에 나타낸 바와 같이, 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용하여 식각시, 멤브레인 형상이 90°를 이루는 것을 확인할 수 있다.
More specifically, as shown in FIGS. 10A and 10B, it can be seen that when the deep trench ICP is used for etching, the shape of the membrane is 90 °.
반면, 도 10c와 도 10d에 나타낸 바와 같이, TMAH/AP 식각용액을 이용하여 제작된 멤브레인의 단면과 밑면의 SEM 이미지에서는 멤브레인 형상이 55°각도를 이루며 형성되었으며, 적절한 첨가제로서 AP의 역할로 인해 멤브레인 표면의 균일함과 힐록이 형성되지 않은 우수한 표면 평탄도를 나타내었다.
On the other hand, as shown in FIGS. 10C and 10D, in the SEM image of the cross section and the bottom surface of the membrane manufactured using the TMAH / AP etching solution, the membrane shape was formed at an angle of 55 °, Uniformity of membrane surface and excellent surface flatness without hillocks.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 제작된 압력센서의 성능을 평가하는 과정에 대하여 설명한다.
Next, a process of evaluating the performance of the pressure sensor manufactured as described above will be described.
먼저, 도 11을 참조하면, 도 11은 압력센서의 성능평가를 위한 시험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
11 is a view schematically showing the overall configuration of a test apparatus for evaluating the performance of a pressure sensor.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용된 압력센서의 성능평가를 위한 시험장치는, 인가 압력을 일정하게 공급하기 위해 압력 제어기(pressure controller)를 사용하였고, 온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 -20℃ ~ 100℃의 범위에서 온도를 조절할 수 있는 온도 챔버를 사용하였다.
As shown in FIG. 11, in the test apparatus for evaluating the performance of the pressure sensor applied to the embodiment of the present invention, a pressure controller was used to supply the applied pressure constantly, A temperature chamber capable of controlling the temperature in the range of -20 ° C to 100 ° C was used for evaluation.
또한, 도 12를 참조하면, 도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압력센서의 칩 하우징(도 12a) 및 패키징된 센서 하우징(도 12b)의 사진을 각각 나타내는 도면이다.
12 is a view showing photographs of a chip housing (FIG. 12A) and a packaged sensor housing (FIG. 12B) of a pressure sensor fabricated according to an embodiment of the present invention, respectively.
도 12에 나타낸 바와 같이, SUS304를 가공하여 칩 하우징 고정이 가능하고 에어튜브(air tube)의 삽입이 가능한 구조물을 제작하였으며, 또한, 인가 압력의 누설을 막기 위해 칩 하우징 외측에 오링(O-ring) 자리를 가공하여 삽입함으로써 누설을 완벽하게 차단하였다.
As shown in Fig. 12, a structure capable of fixing the chip housing and inserting an air tube by machining SUS304 was manufactured, and an O-ring (outer ring) was formed outside the chip housing to prevent leakage of applied pressure. ) Seats were machined and inserted to completely block the leakage.
아울러, 인가된 압력에 따른 변화를 측정하기 위해 회로기판(circuit board)에 정전류 회로를 구성하여 와이어 본딩된 압력센서와 파워공급장비(power supply), 측정장비(oscilloscope, digit multimeter)에 각각 연결하여 압력에 따른 저항의 변화를 전압의 변화로 확인하였다. In order to measure the change with applied pressure, a constant current circuit is formed on a circuit board and connected to a wire-bonded pressure sensor, a power supply, and an oscilloscope (digit multimeter) The change of resistance with pressure was confirmed by the change of voltage.
계속해서, 상기한 바와 같이 정전류 회로를 구성하고 1mA 일정한 전류를 공급하여 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하는 것에 의해 센서의 감도를 측정한 결과에 대하여 설명한다.
Subsequently, a constant current circuit was constructed as described above, and a constant current of 1 mA was supplied to measure the sensitivity of the sensor by measuring the change in resistance according to the pressure as a voltage change of an oscilloscope do.
즉, 도 13을 참조하면, 도 13은 습식 식각으로 제작된 압력센서와 건식 식각으로 제작된 압력센서의 인가압력에 따른 센서의 출력전압 측정결과를 나타내는 도면이다.
13, FIG. 13 is a graph showing the output voltage measurement results of the sensor according to the applied pressure of the pressure sensor fabricated by wet etching and the pressure sensor fabricated by dry etching. Referring to FIG.
도 13에 나타낸 바와 같이, 1 ~ 7bar 까지 압력을 인가한 결과, 인가압력에 따라 출력전압이 선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 1bar의 압력 인가 시 출력전압은 각각 6.5mV/bar로 습식, 건식 식각으로 제작된 압력센서 모두 동일한 감도를 나타내었다.
As shown in FIG. 13, when the pressure is applied to 1 to 7 bar, the output voltage linearly changes according to the applied pressure. When the pressure is 1 bar, the output voltage is 6.5 mV / bar, All of the pressure sensors fabricated by dry etching showed the same sensitivity.
또한, 7bar 압력범위에서 각각 45.5mV/bar, 48mV/bar로 매우 우수한 감도를 보였으며, 건식 식각으로 제작된 압력센서에서 더 큰 변위를 나타내었다.
Also, the sensitivity was very good at 45.5mV / bar and 48mV / bar at the pressure range of 7bar, and the pressure sensor manufactured by dry etching exhibited a larger displacement.
상기한 바와 같은 측정결과로부터, 습식, 건식 공정으로 제작된 압력센서를 비교시, 1 ~ 7bar 압력을 인가한 결과 건식으로 제작한 압력센서가 더 큰 감도를 나타내었으나, 습식 식각으로 제작한 압력센서와 비교하여 출력의 선형성 및 반응속도는 떨어짐을 확인할 수 있다.
As a result of the above-mentioned measurement results, when the pressure sensor manufactured by the wet and dry process was compared with the pressure sensor of 1 to 7 bar, the pressure sensor manufactured by the dry process showed greater sensitivity. However, The linearity and the response speed of the output are decreased.
즉, 이는, 제작된 멤브레인 각각의 특성과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있으며, 도 10을 참조하여 상기한 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 건식 식각 공정으로 제작된 압력센서의 멤브레인은 전체적으로 균일한 두께를 갖지 못하고, 식각 공정 후 잔유물로 인해 식각된 Si 표면의 조도(roughness)가 떨어진다.
That is, it can be seen that this is closely related to the characteristics of each manufactured membrane. As can be seen from the above description with reference to FIG. 10, the membrane of the pressure sensor fabricated by the dry etching process has a uniform thickness And the roughness of the etched Si surface is reduced due to the residue after the etching process.
반면, 습식 식각으로 제작된 압력센서의 멤브레인은 전체적으로 균일하고 우수한 표면 평탄도를 가지며, 이는, 습식 식각 공정으로 제작된 압력센서의 출력 선형성 및 반응속도가 건식 식각 공정으로 제작된 압력센서와 비교하여 우수한 특성을 나타낸 결과에 영향을 미친다고 생각된다.
On the other hand, the membrane of the pressure sensor fabricated by wet etching has uniformity and excellent surface flatness. This is because the output linearity and the reaction speed of the pressure sensor manufactured by the wet etching process are compared with the pressure sensor manufactured by the dry etching process It is considered that this effect affects the results showing excellent characteristics.
또한, 건식 식각으로 제작된 압력센서 경우, 인가 압력에 의해 발생하는 응력이 프레임으로 분산되지 않고 다이어프램 가장자리에 집중되기 때문에 더 큰 감도를 나타낸 것이라 판단된다.
In addition, in the case of a pressure sensor manufactured by dry etching, the stress generated by the applied pressure is concentrated on the diaphragm edge without being dispersed in the frame, so that it is considered that the sensor exhibits greater sensitivity.
계속해서, 작동압력 및 작동온도 범위의 평가에 대하여 설명하면, 상기한 바와 같이, 이온 주입 공정시 불균일한 불순물 농도 및 압저항을 정확한 위치에 형성하지 못했을 경우의 정렬오차(align miss) 때문에 2개의 압저항 특성이 동일하지 않은 문제가 발생할 수 있으며, 그로 인해 형성된 저항체(sensor resistor, reference resistor)는 저항값에 다소 차이를 가지게 된다.
Next, evaluation of the operating pressure and operating temperature range will be described. As described above, due to an uneven impurity concentration in the ion implantation process and an alignment error when the piezoresistance can not be formed at an accurate position, There is a problem that the piezoresistive characteristic is not the same, and the resistance formed by the sensor resistor and the reference resistor is slightly different.
여기서, 이러한 2개의 저항체(sensor resistor, reference resistor)에 있어서, 온도 변화에 따른 저항의 변화가 동일한지 않다면, 이는 출력을 감산하는 보상원리 및 초기 출력전압에 영향을 미친다.
Here, in these two sensor resistors, if the change in resistance due to temperature change is not the same, it affects the compensation principle and the initial output voltage to subtract the output.
이에, 본 발명자들은, 온도변화에 민감한 반도체 압력센서를 구성하고 있는 2개의 저항(sensor resistor, reference resistor)이 온도에 따라 일정한 오프셋 값을 가지며 저항이 변화하는지를 확인하기 위해, 이하에 설명하는 바와 같이 온도챔버를 이용하여 측정을 수행하였다.
In order to confirm whether the two resistors (reference resistors) constituting the semiconductor pressure sensor sensitive to the temperature change have a constant offset value according to the temperature and change the resistance, the present inventors have found that, Measurement was performed using a temperature chamber.
즉, 도 14를 참조하면, 도 14는 "0"의 압력, -20℃ ~ 100℃의 온도 범위에서 30분 동안 유지 후 온도챔버 내에서 저항값을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
That is, referring to FIG. 14, FIG. 14 is a graph showing a result of measuring a resistance value in a temperature chamber after holding for 30 minutes at a temperature of -20 ° C. to 100 ° C. at a pressure of "0".
도 14에 나타낸 바와 같이, 온도가 상승함에 따라 각각의 저항은 일정한 오프셋 값 0.37㏀을 가지며 저항이 증가함을 알 수 있다.
As shown in FIG. 14, it can be seen that as the temperature rises, each resistance has a constant offset value of 0.37 k OMEGA and the resistance increases.
이러한 현상은, 기준저항(reference resistor)에 의해 센서저항(sensor resistor)의 온도보상이 가능하게 하며, 온도변화에 따른 출력값의 측정오차를 제거할 수 있다.
This phenomenon enables the temperature compensation of the sensor resistor by the reference resistor and can eliminate the measurement error of the output value according to the temperature change.
더 상세하게는, 본 발명자들은, 급격한 온도변화에서 제작된 압력센서의 정상적인 작동 유무를 확인하기 위해, 온도챔버를 이용하여 상온에서 -20℃로 감온하고 -20℃에서 100℃로 승온시킨 후, 각각의 온도에서 30분 동안 유지 한 후 챔버 내에서 성능을 평가하였고, 그 결과 압력센서의 기능이 구현되는 것을 확인하였다.
More specifically, the inventors of the present invention have found that, in order to confirm whether or not the pressure sensor manufactured under a rapid temperature change is normally operated, the temperature is reduced from -20 ° C at room temperature to -20 ° C to 100 ° C using a temperature chamber, The performance was evaluated in the chamber after holding at each temperature for 30 minutes, and it was confirmed that the function of the pressure sensor was realized.
또한, 본 발명자들은, -20℃, 100℃의 온도에서 압력에 따른 출력값의 변화 및 압력센서의 기능이 구현되는 것을 확인하기 위해 4bar의 압력을 인가하여 각각 측정을 진행하였다.
In addition, the present inventors conducted measurements by applying a pressure of 4 bar to confirm that the change of the output value according to the pressure and the function of the pressure sensor are realized at temperatures of -20 ° C and 100 ° C, respectively.
즉, 도 15를 참조하면, 도 15는 4bar 압력 인가시 습식 및 건식 식각으로 제작된 압력센서의 출력전압 및 작동 유무를 각각 나타내는 도면이다.
That is, referring to FIG. 15, FIG. 15 is a diagram showing output voltages and operation states of a pressure sensor fabricated by wet etching and dry etching at a pressure of 4 bar, respectively.
도 15에 나타낸 바와 같이, 4bar의 압력을 -20℃에서 인가시 각각 19.4mV/bar, 24.3mV/bar의 감도를 나타내었으며, 상온에 측정된 23.8mV/bar, 26.4mV/bar 보다 다소 낮은 감도를 나타내었다.
As shown in FIG. 15, the sensitivity of 19.4 mV / bar and 24.3 mV / bar was obtained when the pressure of 4 bar was applied at -20 ° C. and the sensitivity slightly lower than 23.8 mV / bar and 26.4 mV / bar measured at room temperature Respectively.
또한, 4bar의 압력을 100℃에서 각각 인가시 각각 7.9mV/bar, 9.6mV/bar의 감도를 나타내었으며, 상온에서 측정된 23.8mV/bar, 26.4mV/bar 보다 현저히 떨어지는 감도를 나타내었다.
In addition, when the pressure of 4 bar was applied at 100 ° C, the sensitivity was 7.9 mV / bar and 9.6 mV / bar, respectively, and the sensitivity was significantly lower than 23.8 mV / bar and 26.4 mV / bar measured at room temperature.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각법과, TMAH/AP 식각 용액을 이용한 습식 식각법으로 각각 1000×1000×7㎛3의 멤브레인 크기를 가지는 압저항 압력센서를 성공적으로 제작할 수 있으며, 이때, 소자 내에 2개의 저항체(sensor resistor, reference resistor)를 구성하여 온도 보상이 가능한 압력센서를 제작하였고, 그들의 출력을 감산하는 보상원리를 제안하였다.
As described above, according to the embodiment of the present invention, a dry etching method using a deep trench ICP and a wet etching method using a TMAH / AP etching solution each have a membrane size of 1000 × 1000 × 7 μm 3 In this case, a pressure sensor capable of temperature compensation is constructed by constituting two resistors (reference resistors) in the device, and a compensation principle for subtracting their outputs is proposed.
또한, 제작된 압력센서에 1 ~ 7bar 까지 압력을 인가한 결과, 인가압력에 따라 출력 전압이 선형적으로 변화하였으며, 건식 식각으로 제작된 압력센서의 출력값이 7bar 압력에서 48mV/bar로 습식 식각으로 제작된 압력센서와 비교하여 더 큰 감도를 보였고, 센서 출력의 선형성은 습식 식각으로 제작된 압력센서에서 더 뛰어난 것으로 나타났다.
As a result of applying the pressure to the
아울러, 최대 변위값에 도달하는 반응속도 역시 90ms, 112ms로, 습식 식각으로 제작된 압력센서가 더 빠른 감도를 보였으며, -20℃, 100℃의 급격한 온도 변화에서 정상적인 작동 유무를 확인한 결과 모두 이상 없이 작동하였고, 습식 식각 공정을 통하여 제작된 압력센서의 경우 식각면이 전체적으로 균일하여 85%의 우수한 수율을 얻을 수 있었다.
In addition, the reaction speed to reach the maximum displacement value was also 90 ms and 112 ms, and the pressure sensor manufactured by the wet etching exhibited a higher sensitivity, and the normal operation was checked at a rapid temperature change of -20 ° C. and 100 ° C., In the case of the pressure sensor fabricated through the wet etching process, the etched surface was uniform as a whole and an excellent yield of 85% was obtained.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 구현할 수 있다.
Therefore, the method of manufacturing the pressure resistance type pressure sensor using the wet and dry etching process according to the present invention can be implemented as described above.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 식각용액을 이용한 습식 식각방법 및 딥 트렌치(Deep trench) ICP를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서를 제작하고, 제작된 압력센서들의 성능을 검증하는 과정을 수행하는 것에 의해 최적의 식각용액의 조성 및 식각방법을 제시할 수 있도록 구성됨으로써, 습식 및 건식 식각공정을 이용하여 경제적이고 효율적으로 압저항형 압력센서를 제작할 수 있는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 제공할 수 있다.
Also, by implementing the method of manufacturing a pressure resistance type pressure sensor using the wet and dry etching process according to the present invention as described above, the wet etching method using tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) Deep trench The semiconductor pressure resistance type pressure sensor having offset and temperature compensation function is manufactured by using the dry etching method using the ICP and the performance of the manufactured pressure sensors is verified, The present invention relates to a pressure resistive pressure sensor manufacturing method using a wet etching and a dry etching process capable of producing a pressure resistive pressure sensor economically and efficiently by using a wet etching process and a dry etching process, .
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 압저항형 압력센서를 제조함으로써, 오프셋 및 온도보상 기능을 가지는 반도체 압저항형 압력센서 및 그러한 압력센서를 포함하는 센서시스템을 경제적이고 효율적으로 제작할 수 있다.
In addition, according to the present invention, by manufacturing the pressure resistance type pressure sensor using the pressure and resistance type pressure sensor manufacturing method using the wet and dry etching processes as described above, the semiconductor pressure resistance type A pressure sensor and a sensor system including such a pressure sensor can be manufactured economically and efficiently.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 습식 및 건식 식각공정을 이용한 압저항형 압력센서 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims and their equivalents. I will work.
Claims (10)
SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계;
이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계;
압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계;
Si과 Al 전극의 절연과 습식 식각공정을 진행하기 위해, 이산화실리콘(SiO2)을 열산화(thermal oxidation) 시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계;
스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계;
공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계;
상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해, 상기 웨이퍼의 밑면에 형성되어 있는 SiO2 막을 마스크 패턴을 따라 RIE 방식으로 제거한 후 식각용액을 사용하여 습식 식각을 행하는 단계;
각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및
제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
In the pressure resistance type pressure sensor manufacturing method,
Preparing an SOI wafer;
For use as a mask in an ion implantation process, a photoresist layer is formed by applying a positive photo resist on the wafer and using a positive developer;
Implanting boron in an ion implantation process, removing the photoresist layer, and annealing to form a resistivity;
Silicon dioxide (SiO 2 ) is thermally oxidized to conduct insulation and wet etching process for the Si and Al electrodes, and a portion contacting the Al electrode is removed by a reactive ion etching (RIE) process ;
Depositing an Al / Ti layer using a sputter and forming a metal electrode pattern using an advanced oxide etching (AOE) method;
A nitride film (Si 3 N 4 ) is deposited by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method to remove contamination and exposure to air, and the remainder except for the Al electrode portion where wire bonding is performed is removed by RIE ;
Removing a SiO 2 film formed on a bottom surface of the wafer by a RIE method along a mask pattern and performing wet etching using an etching solution to form a membrane of the pressure sensor;
Dicing the wafer using a laser to separate each device, attaching a chip to the housing to perform wire bonding; And
And measuring the sensitivity of the pressure sensor by measuring a change in resistance according to a pressure change in order to evaluate the performance of the pressure sensor manufactured.
상기 습식 식각을 행하는 단계는,
상기 식각 용액으로서, TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액에 AP((NH4)2S2O8)를 첨가제로서 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of performing the wet etching comprises:
Characterized in that AP ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) is added as an additive to TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) solution for use as the etching solution.
상기 습식 식각을 행하는 단계는,
상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 1.0g/500ml ~ 5.0g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the step of performing the wet etching comprises:
Wherein the AP is added to the 10 wt.% Solution of TMAH as an additive by adding 1.0 g / 500 ml to 5.0 g / 500 ml per hour of the AP as the etching solution.
상기 습식 식각을 행하는 단계는,
상기 식각 용액으로서, TMAH 10 wt.% 용액에 첨가제로서 상기 AP를 시간당 2.5g/500ml를 첨가하여 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the step of performing the wet etching comprises:
Wherein the etching solution is prepared by adding 2.5 g / 500 ml of AP per hour as an additive to a 10 wt.% Solution of TMAH.
상기 성능을 평가하는 단계는,
압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller);
온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버;
일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및
압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여,
상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein evaluating the performance comprises:
A pressure controller for constantly supplying pressure;
A temperature controllable temperature chamber for evaluating the characteristics of the sensor according to the temperature;
A power supply having a constant current circuit for supplying a constant current; And
Using a measuring instrument comprising an oscilloscope (digit multimeter) for measuring the change in resistance according to pressure,
And a constant current of 1 mA is supplied to a sensor resistor and a reference resistor of the pressure sensor, respectively, while a change in resistance according to a pressure is measured by a voltage change of an oscilloscope. Wherein said pressure sensor is a pressure sensor.
SOI 웨이퍼(wafer)를 준비하는 단계;
이온주입 공정의 마스크로 사용하기 위해, 포토레지스트(positive photo resister)를 상기 웨이퍼 위에 도포한 뒤 현상액(positive developer)을 사용하여 포토레지스트층을 형성하는 단계;
압저항을 형성하기 위해, 이온주입 공정으로 붕소(boron)를 주입하고 상기 포토레지스트층을 제거한 후 어닐링(annealing)을 행하는 단계;
Si과 Al 전극의 절연을 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 산화막(SiO2)을 증착시키고, Al 전극과 접촉되는 부분을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching ; RIE) 공정으로 제거하는 단계;
스퍼터(sputter)를 이용하여 Al/Ti층을 증착하고, 어드밴스드 옥사이드 에칭(advanced oxide etching ; AOE) 방식으로 금속전극 패턴을 형성하는 단계;
공기 중에 오염 및 노출을 막기 위해, 플라즈마 강화 화학증착(plasma enhanced chemical vapour deposition ; PECVD) 방식으로 질화막(Si3N4)을 증착하고, 와이어 본딩이 이루어지는 Al 전극 부분을 제외한 나머지를 RIE 방식으로 제거하는 단계;
상기 압력센서의 멤브레인을 형성하기 위해, 보쉬(Bosch) 공정용 마스크 Al층을 증착하는 단계;
마스크 패턴을 따라 식각될 부분의 상기 Al층을 AOE 방식으로 제거한 후 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정으로 건식 식각을 행하는 단계;
각각의 소자를 분리하기 위해, 레이저(Laser)를 이용하여 다이싱(dicing) 한 후 하우징에 칩을 장착하여 와이어 본딩을 행하는 단계; 및
제작된 상기 압력센서의 성능을 평가하기 위해, 압력 변화에 따른 저항의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 압력센서의 감도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
In the pressure resistance type pressure sensor manufacturing method,
Preparing an SOI wafer;
For use as a mask in an ion implantation process, a photoresist layer is formed by applying a positive photo resist on the wafer and using a positive developer;
Implanting boron in an ion implantation process, removing the photoresist layer, and annealing to form a resistivity;
An oxide film (SiO 2 ) is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method and a reactive ion etching (RIE) Removing by a process;
Depositing an Al / Ti layer using a sputter and forming a metal electrode pattern using an advanced oxide etching (AOE) method;
A nitride film (Si 3 N 4 ) is deposited by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method to remove contamination and exposure to air, and the remainder except for the Al electrode portion where wire bonding is performed is removed by RIE ;
Depositing a mask Al layer for a Bosch process to form a membrane of the pressure sensor;
Removing the Al layer of the portion to be etched along the mask pattern by the AOE method, and performing dry etching by a Bosch process using a deep trench ICP;
Dicing the wafer using a laser to separate each device, attaching a chip to the housing to perform wire bonding; And
And measuring the sensitivity of the pressure sensor by measuring a change in resistance according to a pressure change in order to evaluate the performance of the pressure sensor manufactured.
상기 건식 식각을 행하는 단계는,
상기 딥 트렌치(deep trench) ICP를 이용한 보쉬(Bosch) 공정 수행시, 식각에는 SF6 가스를 적용하고, 보호에는 C4F8 가스를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
The method according to claim 6,
The step of performing the dry etching includes:
Wherein a SF 6 gas is used for etching and a C 4 F 8 gas is used for protection when the Bosch process using the deep trench ICP is performed. .
상기 성능을 평가하는 단계는,
압력을 일정하게 공급하기 위한 압력 제어기(pressure controller);
온도에 따른 센서의 특성을 평가하기 위해 온도 조절이 가능한 온도 챔버;
일정한 전류를 공급하기 위한 정전류 회로가 구비된 전원공급수단(power supply); 및
압력에 따른 저항의 변화를 측정하기 위한 측정수단(oscilloscope, digit multimeter)을 포함하여 구성되는 측정장비를 이용하여,
상기 압력센서의 센서저항(sensor resistor)과 기준저항(reference resistor)에 1mA의 일정한 정전류를 각각 공급하면서 압력에 따른 저항의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)의 전압(voltage) 변화로 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein evaluating the performance comprises:
A pressure controller for constantly supplying pressure;
A temperature controllable temperature chamber for evaluating the characteristics of the sensor according to the temperature;
A power supply having a constant current circuit for supplying a constant current; And
Using a measuring instrument comprising an oscilloscope (digit multimeter) for measuring the change in resistance according to pressure,
And a constant current of 1 mA is supplied to a sensor resistor and a reference resistor of the pressure sensor, respectively, while a change in resistance according to a pressure is measured by a voltage change of an oscilloscope. Wherein said pressure sensor is a pressure sensor.
청구항 1항 내지 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 압저항형 압력센서 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 압저항형 압력센서.
A pressure resistant resistive pressure sensor comprising a sensor resistor responsive to pressure, a reference resistor for temperature compensation, Al electrodes and a bulk micro-machined Si membrane. In the sensor,
A pressure resistance type pressure sensor manufactured by using the pressure resistance type pressure sensor manufacturing method according to any one of claims 1 to 8.
A sensor system comprising a pressure sensor manufactured using the pressure resistance type pressure sensor manufacturing method according to any one of claims 1 to 8.
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