KR102063928B1 - 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법이 제공된다. 상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법은 상기 기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계; 상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및 상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법{Fabrication method of pressure sensors with high sensitivity and reliability}
본 발명은 압력센서의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 초소형 센서 제작시 외부 물리량 변화 감지에 필요한, 미세 멤브레인 박막의 특성 향상에 적용되며, 대표적으로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 압력센서의 제조 공정, 써모파일(thermopile), 유량센서, 볼로미터, 화학센서, 히터(heater) 등 다양한 센서의 멤브레인 박막의 특성을 향상시켜 각각의 미세 센서 성능 향상에 적용이 가능한 MEMS 기반의 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 대한 것이다.
센서는 소형, 복합, 지능화되는 추세이며, 산업간 융합화 및 인간과 기기간의 매개체로서 스마트 사회(smart society) 구현의 핵심 요소 기술로 대두되었다. 이러한 요구조건의 충족을 위하여, 종래의 센서 기술의 측정범위 및 동작환경 범위를 확장시킬 수 있는 고감도·고성능 센서 기술 개발이 요구되고 있다.
여러 가지 센서 중 압력센서 시장은 자동차 분야가 전체 시장의 75% 이상을 점유하고 있으며, CAGR 8% 이상의 성장이 예상된다. 압력센서의 주요 용도는 모바일 기기에 장착되어 대기압 및 실내외 고도를 정밀하게 측정함으로써, 운동량을 계산하고 건물 내 위치 확인에 활용되고 있다.
캐널라이스(Canalys)에서 2014년도에 발표한 자료에 따르면 사물인터넷 시장 중 가전용 분야 및 자동차 분야는 현재 시장이 형성되는 단계로서, 몇 년 내 수배의 성장이 예상되는 블루오션 시장으로 분석하고 있다. 특히, 물의 수위와 위치를 인지하는 수위조절 압력센서는 미래 IT 핵심 분야인 가전용(세탁기, 식기세척기 등등), 사물인터넷 분야의 핵심 부품이다.
최근에는 미국과 유럽 등 선진국의 경우 에너지/환경규제를 강화하고 있으며, 특히 가전제품 사용으로 발생되는 물, 전기 소비에 대한 규제를 위해 에너지 등급 등의 기준을 확립해 법제화를 추진 중에 있다. 이러한 환경규제와 직접적으로 연관된 제품에 사용되는 압력센서는 물 수위 압력센서, 에어 컴프레셔(Air compressor) 압력센서가 주류를 이루고 있으며, 정밀도 개선을 통해 에너지/환경규제에 적합한 제품 개발에 필요한 제품에 대한 요구가 절실한 상태이다. 하지만 현재의 압력센서는 정밀도 특성 한계로 정밀도 특성을 향상시키고, 에너지/환경 규정에 부합하는 제품 개발을 위해 정밀한 센서의 개발이 필수적이다.
또한, MEMS 기반 압력센서 제작을 위해 외부 압력에 의해 동작하는 멤브레인 박막이 필요하다. 이 멤브레인 박막은 센서가 수분이 노출된 환경이나 화학 물질이 노출된 환경에서 특성이 열화되는 문제점이 발생되었다.
본 발명은 상기와 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, MEMS 기반 압력센서의 전극을 보호하거나 다층 구조의 문제점을 해결하고, 압력센서의 민감도 특성을 향상시키며, 수분 흡수 방지, 외부 화학물질(chemical)에 의한 특성 열화를 방지할 수 있으며, 특히, 웨이퍼 뒷면을 DRIE(deep reactive ion etching) 식각시 발생되는 로딩(loading) 효과를 최소화할 수 있는 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법이 제공된다. 상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법은 기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계; 상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및 상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막은 비정질(amorphous) 탄소막으로서, 비정질 흑연(graphite)을 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계는, ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation 및 Magnetron Sputtering 중 어느 하나를 이용하여 상기 비정질 탄소막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계는, 흑연(graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터링 방식으로 증착하되, 섀도 마스크(shadow-cover mask)를 상기 기판의 후면에 부착한 후 상기 멤브레인 위에만 주로 상기 비정질 탄소막을 선택적으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 멤브레인을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연막 상에 전극 박막을 형성하는 단계; 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 상기 전극 박막의 적어도 일부를 제거하여 상기 제 1 절연막 상에 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 절연막의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 절연막을 형성하는 단계는, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 기판 상에 SiN 박막 또는 SiO2 박막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 절연막을 형성하는 단계는, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 SiN 박막과 SiO2 박막을 순차적으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 금속 배선을 형성하는 단계는, 리프트-오프(lift-off) 방법을 이용하여 상기 컨택 홀을 형성하고, Ti 금속 또는 Al 금속을 증착시켜 상기 전극 패턴과 전기적으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 또는 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 전극 금속(Ti/Al, Ti/TiN/Al 적층 금속막)을 증착 후에 종래의 기술을 이용해 전극 금속을 노광과 식각 공정을 통해 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계는, 마스크(mask)를 이용하여 상기 기판의 산화막 또는 금속막을 식각하여 제거한 후 ICP-RIE 방법을 이용하여 상기 기판의 적어도 일부를 제거하여 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계 이후에 다이싱(dicing) 공정 및 패키징(packaging) 공정을 순차적으로 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계는, 상기 탄소박막을 상기 제 1 절연막의 후면에 매립되도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 압력센서의 민감도를 향상시킬 수 있으며, 제조 공정시에 식각 화학물질이나 클리닝 화학물질, 현상시 사용하는 화학물질들로부터 발생하는 손상을 방지할 수 있고, 멤브레인 형성시 발생되는 식각 언더컷(undercut)으로 인한 멤브레인 가장자리 손상, 수분과 화학물질에 의한 접촉을 최소화함으로써 멤브레인 하지막의 손상을 최소화할 수 있는 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 7은 종래의 압력센서 공정 기술로 제조된 다이아프램과 기판의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 8은 종래의 실리콘 압저항형 MEMS 압력센서의 구조를 개략적으로 도해하는 단면도이다.
도 9는 도 8의 압력센서의 구조와 회로도를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 10은 종래의 실리콘 압저항형 압력센서에서 멤브레인의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 압력센서에서 개략적인 손상 부위를 도시하고, 광학현미경으로 깊이에 따른 프로파일을 분석한 사진이다.
도 13은 정상 거동과 비정상 거동을 보이는 멤브레인 표면을 형상 측정 레이저 마이크로스코프로 관찰한 사진이다.
도 14는 압력센서 출력 특성 예시를 보여주는 그래프이다.
도 15는 문헌에 종래에 발표된 영률 값을 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에서 사용하는 섀도 마스크를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현된 압력센서를 다이싱 및 패키징 공정을 수행한 사진이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현한 샘플의 Si 식각 후 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 19는 본 발명의 실험예에 따른 압력센서 샘플들의 인가압력에 따른 출력값을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
일반적으로, 압력센서는 압력감지 범위에 따라 다이아프램(diaphragm)의 크기와 멤브레인의 두께가 결정된다. 도 7은 종래의 압력센서 공정 기술로 제조된 다이아프램과 기판의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다. 도 7의 (a)는 종래의 MEMS 압력센서 멤브레인 구조의 단면을 주사전자현미경으로 분석한 사진이고, 도 7의 (b)는 상기 구조의 표면을 주사전자현미경으로 분석한 사진이다.
상기 압력센서 방식이 압저항형(Piezoresistive) 압력센서의 경우, 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge) 형태로 구성되어 있으며, 압저항 효과에 의해 동작한다. 압저항 효과를 나타내는 전극은 다이아프램 위에 형성되며, 외부에서 작용하는 압력이 다이아프램을 변형시킨다. 이로 인해, 게이지의 길이가 변화하여 저항이 변화하는 원리를 이용한다. 즉, R=ρL/A (ρ:비저항, L:길이, A: 단면적)에서 L이 주로 변화하게 된다.
도 8은 종래의 실리콘 압저항형 MEMS 압력센서의 구조를 개략적으로 도해하는 단면도이며, 도 9는 도 8의 압력센서의 구조와 회로도를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실리콘 압력센서는 실리콘 다이아프레임 위에 전단응력에 감도를 나타내는 압저항의 일종인 휘스톤 브릿지 형태로 배치한다. 정사각형 다이아프레임의 경우, 하기 식(1)에 나타낸 것과 같이, 최대 전단응력 발생 지점이 다이아프레임 가장자리이며, 다이아프레임 중앙은 전단응력이 0(zero)이 된다.
식(1) : σ최대 = 상수 * P * (a/h)2
(여기에서, 상기 a는 멤브레인의 지름이고, 상기 h는 멤브레인의 두께임)
종래의 압력센서는 멤브레인 상단에 제조된 전자 감지 회로로 동작을 감지한다. 상기 멤브레인은 상온 및 대기압(1 기압)에서 밀폐된 공간(chamber)을 형성하는데 밀폐된 챔버가 기준 압력이 된다. 그리고 상기 멤브레인 위의 외부 압력이 인가되면 감지 회로가 압력 변화를 인지하여 압력을 측정한다.
한편, 압력의 변화를 감지하기 위해 압력센서는 멤브레인이 형성된 압저항 박막과 금속층을 형성하여 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 제작한다. 도 9는 압력센서의 전자 감지 회로를 보여준다. 이때, 센서 측정은 브리지 회로에 일정한 전압이 인가되면, 기준 전류(압력이 가해지지 않은 상태)와 외부 압력 인가에 따라 전압 변화를 측정한다. 일반적으로, 각 특성치는 별도의 회로에 의해 ECU(Electric Control Unit)에게 전달될 수 있는 전압신호로 전환되어야 하며, 회로의 주요 구성품으로 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)이 적용된다. 이때 전극으로 사용되는 박막은 작동압력범위, 온도범위, 습도범위 및 내압범위 등을 모두 만족시켜야 한다.
도 10은 종래의 실리콘 압저항형 압력센서에서 멤브레인의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 여기에서, a는 멤브레인의 반지름이며, h는 멤브레인의 두께를 의미한다.
도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 압력센서에서 개략적인 손상 부위를 도시하고, 형상 측정 레이저 광학현미경으로 깊이에 따른 프로파일을 분석한 사진이다.
도 10과 같은 구조에서 전단 응력형 압력센서의 감도는 상기 식(1)으로 표현될 수 있다. 상기 식(1)에서 알 수 있듯이 원하는 압력센서의 감지 범위는 상수값을 결정하는 물질의 종류, 멤브레인의 크기와 두께에 의해 결정됨을 확인할 수 있다.
한편, 멤브레인 구조를 형성하는 기술은 지금까지 대부분 습식식각 방식을 활용한 식각을 하였다. 그러나 이 기술은 단위 면적당 다량의 센서 제작이 어렵다. 특히, SiC, GaN 등 신규 물질에 적용이 어려워 최근에는 기판을 건식 식각 방법으로 적용하는 기술이 증가하고 있다.
건식 식각 방법을 이용한 멤브레인 구조를 형성하는 방법은 대표적으로 Si 또는 SiC 기반으로 압력센서를 제조한다. 예를 들어, 웨이퍼 뒷면에 건식 식각에 의한 압력 감지막인 멤브레인을 형성 할 때, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 내 발생되는 SOI 기판 구조에서 또는 Si, SiC 벌크(bulk) 기판에서 식각 균일도 차이로 인한 하지 산화막의 손상과 식각 언더컷(undercut) 발생으로 멤브레인의 가장자리에 손상이 발생(도 11의 화살표로 표시된 영역)한다.
또한, 도 13은 정상 거동과 비정상 거동을 보이는 멤브레인 표면을 형상 측정 레이저 마이크로스코프로 관찰한 사진이고, 도 14는 압력센서 출력 특성 예시를 보여주는 그래프이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 압력센서가 고습, 고온, 고압, 화학 물질 노출 환경인 가혹한 환경과 환경물질에 노출될 때 센서를 장시 사용시, 외부 수분이나 화학물질에 의한 멤브레인 노출 하부 Si기판, SiO2 박막층의 열화가 발생되어 신뢰성 열화가 발생된다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 가혹한 환경에서 장시간 사용시에 화학물질에 의한 손상을 방지함으로써, 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 탄소박막을 압력을 감지하는 멤브레인의 하부에 증착하여 식각에 의한 모서리 특성을 향상하고, 화학물질에 의한 외부 환경에 견딜 수 있는 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 제공한다.
이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서(100)의 제조방법은 기판(10)의 전면 상에 멤브레인(membrane, 60)을 형성하는 단계, 기판(10)의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 멤브레인(60)을 외부로 노출시키는 단계 및 멤브레인(60)의 노출된 면 상에 탄소박막(70)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 탄소박막(70)은 비정질(amorphous) 탄소막으로서, 예를 들면, 비정질 흑연(graphite)을 포함할 수 있다. 또, 멤브레인(60)은 제 1 절연막(20), 전극 패턴(35), 제 2 절연막(40) 및 금속 배선(50)이 순서대로 적층된 구조체를 의미하며, 멤브레인(60)의 하지막이 외부로 노출되어 압력의 변화를 감지할 수 있다.
또한, 기판(10)은 예를 들어, Si, SiC 및 GaN 등 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판(10) 위에는 SOI 웨이퍼 제작을 위한 매립된 산화막(buried oxide)이다. 이때 SOI 기판(10)은 Si 또는 SiC 를 포함 할 수 있다.
도 15는 문헌에 종래에 발표된 영률 값을 비교한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 일반적으로, 탄소의 탄성계수는 Si 보다 영률(Young’s modulus) 값이 작아 멤브레인(60)의 민감도를 향상 시킬 수 있다. Si막의 일부가 탄소박막(70)으로 전환 될 때 막의 유효 영률 값이 감소하며 이것은 외부 압력에 변형이 더 크다. 이 때문에, 스트레인 값은 단결정 실리콘에 비하여 커지므로 민감도가 증가한다.
압력센서(100) 제조 공정시에 Si 기판(10)의 후면 식각 후에 전면 압저항 전극 패턴(30)과 금속 배선(50) 공정을 진행하면 후속 압저항 전극(미도시), 금속 배선(미도시) 형성시 발생되는 식각용 화학물질이나 클리닝 화학물질(cleaning chemical), 노광 공정시 현상액(develop chemical)으로부터 압력센서(100)의 손상을 방지할 수 있다.
Si 또는 SiC 기반으로 압력센서(100)를 제조시 웨이퍼 기판(10) 뒷면에 건식 식각에 의한 압력 감지막인 멤브레인(60)을 형성 할 때 발생되는 식각에 의한 언더컷으로 인한 멤브레인(60) 가장자리 손상과 수분과 화학물질에 의한 접촉을 최소화하기 위해 비정질 탄소박막(70)을 증착하여 멤브레인(60) 하지막의 손상을 최소화 하였다.
좀 더 구체적으로, 기판(10) 상에 제 1 절연막(20)을 형성할 수 있다. 제 1 절연막(20)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 기판(10) 상에 SiN 박막, SiO2 박막 또는 SiN/SiO2 적층 박막을 증착할 수 있다.
이후에, 제 1 절연막(20) 상에 전극 박막(30)을 형성할 수 있다. 전극 박막(30)은 Si 에피(epi) 박막, 도핑된 폴리(doped poly) 전극, 압저항 금속막인 NiCr(80% Nr : 20% Cr, 이하 NiCr 합금) 합금 등 종래에 알려진 전극 박막(30)을 약 0.1㎛ 내지 1㎛ 두께로 제품 응용 두께에 따라 증착한다.
이후에 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 전극 박막(30)의 적어도 일부를 제거하여 제 1 절연막(20) 상에 전극 패턴(35)을 형성할 수 있다. 전극 패턴(30)은 압저항 전극으로 이해될 수 있다. 증착된 전극 박막(30)은 노광과 식각 공정을 통해서 전극 패턴(35)으로 형성된다.
전극 패턴(35)을 형성한 이후에 전극 패턴(35) 및 제 1 절연막(20) 상에 제 2 절연막(40)을 형성할 수 있다. 제 2 절연막(40)은 PPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 전극 패턴(35) 및 제 1 절연막(20) 상에 SiN 박막과 SiO2 박막을 순차적으로 증착하거나, 또는 역순으로 증착한다. 여기서, 제 2 절연막(40)은 전극 패턴(35)을 보호하는 보호막으로 이해될 수 있다.
제 2 절연막(40)을 형성한 후, 제 2 절연막(40)의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole, 미도시)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴(35)과 연결되도록 금속 배선(50)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 전극 패턴(35)과 금속 배선(50)을 연결하기 위해, 콘택 홀을 노광과 식각 공정으로 형성하고, Ti 및 Al 금속을 리프트-오프(lift-off) 방식으로 형성한다. 이 때, 금속 배선(50)은 고온에서 신뢰성을 증진하기 위해 Ti/TiN 박막이나 Ta 박막 사용이 가능하다. 또, Al 배선은 Al 박막 증착 후에 노광 공정 후 Al 금속을 식각하여 형성할 수 있다.
이후에, 기판(10)의 후면을 Si 딥 에치(deep etch) 방법으로 식각하여 기판(10)의 후면에 형성되어 있는 산화막 또는 금속막을 제거한다. 이 때, 기판(10) 후면에 마스크용 산화막(SiO2)은 기판(10)과 마스크 산화막의 식각 선택도를 고려하여 약 1㎛ 두께 정도인 것을 사용한다. 만약, SiC 박막의 경우에는 약 100㎚ 두께 Ti 또는 Cr 시드(seed) 층 위에 Ni 박막을 약 1㎛ 내지 4㎛ 두께를 사용하여 식각한다.
마스크 산화막 또는 Ni 금속막을 이용하여 기판(10)의 후면을 식각한 후에는 ICP-RIE(Inductive coupled plasma-reactive ion etching) 방법을 이용하여 기판(10)의 적어도 일부 즉, Si 또는 SiC 기판을 식각하여 제거함으로써 멤브레인(60)을 외부로 노출시킬 수 있다. 여기서, 압력센서(100)의 응용 범위에 따라 약 5㎛ 내지 20㎛의 크기인 멤브레인(60)만을 남긴다.
이후에, 압력센서(100)의 제작 공정 중에 멤브레인(60) 특성을 향상시키고, 가급적 잔류응력을 줄이기 위해서, 비정질 탄소박막(70)을 멤브레인(60)의 후면 상에 증착한다. 이 때, 탄소박막(70)을 형성하는 방법은 ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation 및 Magnetron Sputtering 중 어느 하나를 이용하여 상기 비정질 탄소막을 증착할 수 있으나, 기판과 멤브레인의 종류 및 공정시간 등을 고려하여 다양한 증착 방법을 적용할 수 있다. 이러한 탄소박막(70)의 성질은 증착 방법뿐 아니라, 증착시 공정 조건에 따라 박막의 특성이 변한다.
예컨대, 박막은 sp2 결합이 있는 연질 흑연 형상 특성을 갖는 박막을 얻기 위해서, 비정질 탄소박막(70)은 흑연(C, graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터 반응기에서 13.56MHz 주파수에서, 약 50W 내지 300W의 전원을 인가하고, 반응기 압력 3 x 10-3torr 내지 3 torr 정도의 압력 범위 및 상온에서 비정질 흑연을 스퍼터링 방식으로 증착하였다.
탄소박막(70)을 증착할 경우, 기판(10)의 후면, 즉, 압력센서의 멤브레인(60) 위에만 최대한 탄소박막(70)이 선택적으로 증착하기 위해 도 16에 도시된 바와 같이, 섀도 마스크(shadow-cover mask)를 사용하여 증착한다. 기판인 Si 또는 SiC를 약 100㎛ 내지 400㎛ 두께로 식각한 후 탄소박막(70)을 증착시 멤브레인(60) 보다 약 10㎛ 내지 200㎛ 정도 크게 디자인 룰(design rule)을 고려해 섀도 마스크를 제작하여 기판(10)의 후면에 부착한 상태에서 탄소박막(70)을 증착한다. 이와 같이, 증착된 탄소박막(70)은 낮은 마찰 계수, 높은 경도 및 내구성을 가져 압력센서 특성을 향상시킨다.
탄소박막(70)은 기판(10)의 후면에 구비된 오목부 내에 형성되되, 멤브레인(60)의 하면에만 형성될 수 있다. 또는, 기판(10)의 후면을 식각하여 제거할 때, 멤브레인(60)을 구성하는 제 1 절연막(20)의 적어도 일부가 함께 제거될 수 있다. 이 때, 멤브레인(60)의 가장자리 손상을 방지하기 위해서, 탄소박막(70)은 제 1 절연막(20)의 후면에 매립되도록 형성될 수도 있다.
정리하면, 탄소박막(70)은 멤브레인(60)의 하면 및 기판(10)에 구비된 오목부의 측벽 상에 증착되어 외부의 가혹한 환경으로부터 멤브레인(60)을 보호하는 기능을 수행하나, 탄소박막(70)이 멤브레인(60)의 구조에 따라 기판(10)에는 증착되지 않고, 멤브레인(60)의 하부에 매립된 형태로 형성되어 기판(10)에 구비된 오목부의 측벽에는 증착 원리를 이용해 증착 두께를 최소화 한다. 즉, 멤브레인(60)이 오픈되는 부분에서의 기판(10)의 측벽과 기판(10)의 하부면에는 탄소박막(70)의 형성을 최소화한다. 이것은 후속 패키지 공정에서 종래의 접합 공정을 사용하기 위함이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현된 압력센서를 다이싱 및 패키징 공정을 수행한 사진이다.
도 17을 참조하면, 멤브레인(60)의 하면에 탄소박막(70)을 형성한 이후에 다이싱(dicing) 공정 및 패키징(packaging) 공정을 순차적으로 수행할 수 있다. 구체적으로, 도 17의 (a)에 도시된 바와 같이, PCB 기판 위에 압력센서를 배치하고, ROIC 소자가 와이어 본딩한 이후에 도 17의 (b)에 도시된 바와 같이, 캡핑(capping) 후 플라스틱 몰딩으로 패키징되어 제품에 적용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예로서, SOI 기판을 사용하며, LPCVD 방법으로 in-situ P 도핑 poly Si 박막을 0.2 um- 1 um 두께로 증착하였다. 이때 P 도핑은 PH3 기체를 사용해 50 torr의 압력 및 온도에서 700℃ 약 1020 (atom/㎤)의 농도로 증착하였다. 증착된 박막은 RTA(금속열처리) 처리를 통해 도핑 원소의 활성화 및 TCR 값을 감소시키고자 하였다. 이후에 폴리 Si 박막을 노광과 식각 공정을 통해, 저항체(resistor)를 형성한 후 보호막으로 제 2 절연막으로 100㎚ 두께의 PECVD 방법을 이용하여 SiN 박막과 300㎚ 두께의 SiO2 박막을 증착하여 형성하였다.
상기 제 2 절연막 형성 이후에, 컨택홀을 노광과 식각 공정으로 형성하고, 20㎚ 두께의 Ti 및 300㎚ 두께의 Al 금속 배선을 리프트-오프 방식으로 형성하였다. 이후에 웨이퍼 뒷면을 종래의 방법으로 Si 딥 에칭한다. 이후에 ICP-RIE 공정으로 Si 기판을 식각하고, 약 5 내지 20㎛의 멤브레인만을 남겼다. 이후에 비정질 탄소막은 흑연(C, graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터 반응기에서 13.56MHz 주파수에서, 약 50W 내지 300W의 전원을 인가하고, 반응기 압력 3 x 10-3torr 내지 3 torr 정도의 압력 범위 및 상온에서 비정질 흑연을 스퍼터링 방식으로 증착하여 압력센서 샘플을 제조하였다.
제조된 압력센서 샘플의 특성을 비교하기 위해서, 탄소박막을 구비하지 않은 비교예 샘플을 동일한 방식으로 제조하였다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현한 샘플을 광학현미경과 형상 측정 레이져 마이크로스코프로 분석한 사진이다.
도 18의 (a)는 Si 식각 후 후면을 광학현미경으로 분석한 사진이며, 도 18의 (b)는 탄소박막이 증착된 후면을 광학현미경으로 분석한 사진이고, 도 18의 (c)는 레이저 마이크로스코프로 관찰한 사진이며, 도 18의 (d)는 깊이에 따른 프로파일을 분석한 사진이다.
또한, 도 19는 본 발명의 실험예에 따른 압력센서 샘플들의 인가압력에 따른 출력값을 비교한 그래프이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 수분(H2O)의 압력이 증가함에 따른 출력값은 본 발명의 실시예 샘플이 비교예 샘플 대비 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 또, 본 발명의 실시예에 의한 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현된 샘플에서 멤브레인 하지막에 비정질 탄소 박막을 증착함으로써 멤브레인 하지막 손상을 최소화한 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 비정질 탄소를 웨이퍼 뒷면에 증착함으로써 압력센서의 민감도를 향상시켜, 압력센서 제조 공정시에 Si 후면 식각 후에 전면 압저항 전극과 금속 배선 공정을 진행하면 후속 압저항 전극, 금속 배선 형성시 발생되는 식각 화학물질이나 클리닝 화학물질, 노광 공정시 현상액으로부터의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 초소형 센서 제작시 외부 물리량 변화 감지에 필요한, 미세 멤브레인 박막의 특성 향상에 적용된다. 대표적으로, MEMS 기반 압력센서의 제조 공정, 써모파일, 유량센서, 볼로미터, 화학센서 및 히터 등 다양한 센서의 멤브레인 박막의 특성을 향상시켜 각각의 미세 센서 성능 향상에 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 기판
20 : 제 1 절연층
30 : 전극 박막
35 : 전극 패턴
40 : 제 2 절연층
50 : 금속 배선
60 : 멤브레인
70 : 탄소박막
80 : 섀도 마스크
100 : 압력센서

Claims (11)

  1. 기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및
    상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 탄소박막은 비정질(amorphous) 탄소막으로서, 비정질 흑연(graphite)을 포함하며,
    상기 탄소박막을 형성하는 단계는,
    흑연(graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터링 방식으로 증착하되, 섀도 마스크(shadow-cover mask)를 상기 기판의 후면에 부착한 후 상기 멤브레인 위에만 상기 비정질 탄소막을 선택적으로 증착하는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제 1 절연막 상에 전극 박막을 형성하는 단계;
    포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 상기 전극 박막의 적어도 일부를 제거하여 상기 제 1 절연막 상에 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 절연막의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계;
    를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 절연막을 형성하는 단계는,
    LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 기판 상에 SiN 박막 또는 SiO2 박막을 증착하는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 절연막을 형성하는 단계는,
    PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 SiN 박막과 SiO2 박막을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  8. 기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및
    상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 멤브레인을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제 1 절연막 상에 전극 박막을 형성하는 단계;
    포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 상기 전극 박막의 적어도 일부를 제거하여 상기 제 1 절연막 상에 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 절연막의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 금속 배선을 형성하는 단계는,
    리프트-오프(lift-off) 방법을 이용하여 상기 컨택 홀을 형성하고, Ti 금속 또는 Al 금속을 증착시켜 상기 전극 패턴과 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계는,
    마스크(mask)를 이용하여 상기 기판의 산화막 또는 금속막을 식각하여 제거한 후 ICP-RIE(Inductive coupled plasma-reactive ion etching) 방법을 이용하여 상기 기판의 적어도 일부를 제거하여 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소박막을 형성하는 단계 이후에 다이싱(dicing) 공정 및 패키징(packaging) 공정을 순차적으로 수행하는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
  11. 기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및
    상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 멤브레인을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제 1 절연막 상에 전극 박막을 형성하는 단계;
    포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 상기 전극 박막의 적어도 일부를 제거하여 상기 제 1 절연막 상에 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 절연막의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 탄소박막을 형성하는 단계는,
    상기 탄소박막을 상기 제 1 절연막의 후면에 매립되도록 형성하는 단계를 포함하는,
    고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
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