KR102074213B1 - 관통 전극을 이용한 정전 방식 압력 센서 및 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 정전 방식의 압력센서는 제1전극이 형성된 제1웨이퍼 및 상기 제1웨이퍼와 결합시 동공을 형성하도록 관통부가 구비되고, 상기 관통부의 일면을 차폐하는 박막, 상기 박막의 일면에 구비되는 제2전극을 포함하는 제2웨이퍼를 포함한다.

Description

관통 전극을 이용한 정전 방식 압력 센서 및 제작 방법 {The structure and its fabrication process for the capacitive type pressure sensor with through hole via}

본 발명은 본 발명은 유체 내의 압력을 재는 압력계에 있어서 고가의 소이 웨이퍼(SOI Wafer: Silicon on insulation Wafer)를 사용하지 않고도 정전 방식 압력센서를 제작할 수 있는 관통 전극을 갖는 압력계 구조 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

각종 유체를 다룸에 있어서 가장 기본적인 특성인 압력을 정밀하게 재는 압력 센서는 다양한 방식이 존재하나 정전식 압력 센서(Capacitive type pressure sensor)는 가장 정밀하면서도 초소형으로 만들 수 있어서 최근 산업적으로 활발하게 상용화 되고 있다.

일반적으로 이러한 정전 방식 압력 센서는 도1에 나타낸 것처럼 상부의 소이 웨이퍼(SOI wafer, 1)에 대해서 실리콘(silicon) 부분이 제거 되고 남은 얇은 박막(2)과 이 박막 상부에 구현된 상부 전극(3), 그리고 박막(2) 하부의 빈 공동(S), 그리고 하부 웨이퍼(5)의 상부에 구비된 하부 전극(6) 등의 구조를 갖는다. 이때 상부에 가해진 압력(7)에 의해서 도 2와 같이 얇은 박막(2)이 아래로 휘게 되는데, 이에 따라 도 1의 상부 전극(3)과 하부 전극(6)간의 간격(d)가 변하게 되며, 이 두 전극의 간격 변화에 따른 정전 용량 변화를 실시간으로 측정하는 회로를 이용하면 압력을 측정할 수 있게 된다.

이러한 정전 방식 압력 센서를 제작하기 위한 멤스(MEMS) 공정은 주로 도 3와 같이 구현된다. 도 2에 보이는 것처럼 먼저 상부(9) 및 하부(10) 실리콘 웨이퍼 사이에 절연층(11)을 갖는 소이 웨이퍼에 대해서 상부 및 하부 실리콘(9,10)을 식각(Etching)하여 제거하고, 이후 박막(11) 위에 하부 전극(12)를 생성한다. 이후 별도의 밀봉용 웨이퍼(13)에 대해서 상부 전극(14)를 생성하고 이를 소이 웨이퍼와 접착하여 내부 공동(15)를 생성한다. 이후 상-하부 전극(12,14)의 정전 용량을 측정하기 위한 외부 회로(별도로 나타내지 않음)에 금 선(Au wire, 16) 등을 이용하여 연결하게 된다.

이때 사용되는 소이 웨이퍼는 균일하면서도 극도로 얇은 1~2mm 두께의 실리콘 산화(SiO2) 박막(11) 및 공동(15)를 생성하기 위해서 어쩔 수 없이 사용되는 고가 소재로서 제작된 센서의 가격을 낮추기 어렵게 한다. 또한 주로 사용되는 중간 절연층은 SiO2로서 보다 나은 성능의 실리콘 질화막(SiXNy)의 사용도 곤란하게 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 고가의 소이 웨이퍼를 사용하지 않고도 간단한 공정으로 공동이 형성되는 정전식 압력센서를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 정전 방식의 압력센서는 제1전극이 형성된 제1웨이퍼 및 상기 제1웨이퍼와 결합시 동공을 형성하도록 관통부가 구비되고, 상기 관통부의 일면을 차폐하는 박막, 상기 박막의 일면에 구비되는 제2전극을 포함하는 제2웨이퍼를 포함한다.

여기서 상기 제2웨이퍼는 상기 박막 및 상기 제2전극 사이에 구비되는 지지부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 동공의 하면에 노출되는 박막에 접촉되는 보강부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2웨이퍼는 상기 박막의 타면에 구비되는 제3전극을 더 포함하고, 상기 제2전극 및 상기 제3전극을 연결하는 연결전극을 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 연결전극은 상기 박막 및 상기 지지부를 관통하여 형성된다.

본 발명의 정전방식의 압력센서를 제조하는 방법은 일면에 박막이 형성된 제2웨이퍼의 타면을 동공을 형성하기 위한 동공형성단계, 상기 박막에 제2전극을 구비하는 제2전극 형성단계 및 제1전극이 형성된 제1웨이퍼를 상기 제1전극이 상기 동공에 노출되도록 상기 제2웨이퍼에 결합시키는 웨이퍼결합단계를 포함한다.

여기서 상기 동공형성단계는 상기 동공의 내부에 돌출된 지지부가 형성되도록 상기 지지부를 둘러싸고, 상기 박막이 노출되는 동공을 형성하는 동공형성과정 및 상기 지지부의 일부를 제거하는 지지부제거과정을 포함할 수 있다.

그리고 상기 동공형성과정은 상기 박막의 표면에 접촉되는 보강부가 형성되도록 동공을 형성할 수 있다.

한편, 상기 전극 형성단계에서 제2전극은 상기 지지부 제거단계를 통하여 높이가 낮아진 지지부의 표면에 형성될 수 있다.

그리고 본 발명의 다른 측면의 정전방식의 압력센서 제조방법은 일면에 박막이 형성된 제2웨이퍼에 상기 박막을 관통하고, 상기 제2웨이퍼 일부를 관통하는 비아홀을 형성하는 비아홀을 형성하고, 상기 비하홀에 연결전극을 구비하는 연결전극 형성단계, 상기 연결전극과 연결되는 제3전극을 형성하는 제3전극 형성단계, 상기 제2웨이퍼의 타면에 상기 비아홀이 형성된 부위를 포함하는 지지부가 형성되도록, 상기 지지부를 둘러싸고 상기 박막이 노출되는 동공을 형성하는 동공 형성과정, 상기 연결전극이 노출되도록 상기 지지부의 일부를 제거하는 지지부 제거과정, 상기 연결전극 노출단계에서 노출된 연결전극과 접촉하는 제2전극을 형성하는 제2전극 형성단계 및 제1전극이 형성된 제1웨이퍼를 상기 제1전극이 상기 동공에 노출되도록 상기 제2웨이퍼에 결합시키는 웨이퍼결합단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전방식의 압력센서 및 제작방법은 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 박막에 의하여 차폐되는 동공을 형성하기 위하여 고가의 소이웨이퍼를 사용하지 않고도 간단한 공정으로 정전방식의 압력센서의 제작이 가능하다는 장점이 있다. 박막으로 실리콘 질화막(SixNy) 등 보다 나은 성능의 박막의 선택이 가능하다는 장점 역시 있다.

둘째, 동공의 내부에 돌출된 지지부를 구비하여, 지지부재의 높이의 선택에 따라 양 전극 사이의 간격의 조절이 가능하다는 장점이 있다.

셋째, 동공의 내부에 지지부를 통하여 박막의 변형에 의한 이동거리의 제한이 가능하고, 따라서 설정된 측정 범위 이상의 압력이 인가되는 경우 박막이 파손되는 것을 방지할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도1은 종래기술의 정전 방식의 압력센서의 개략적인 단면을 나타내는 도면;
도2는 종래기술의 정전 방식의 압력센서의 작동원리를 설명하는 도면;
도3은 종래기술의 정전 방식의 압력센서의 제작과정을 나타내는 도면;
도4는 본 발명의 일실시예의 정전 방식의 압력센서의 일부가 투영된 사시도;
도5는 도3의 단면도;
도6는 유체의 압력에 의하여 본 발명의 일실시예의 정전 방식의 압력센서의 박막이 변형되는 형태를 나타내는 도면;
도7은 본 발명의 일실시예의 정전 방식의 압력센서를 제작하는 공정의 순서도;
도8은 본 발명의 일실시예의 정전 방식의 압력센서를 제작하는 공정을 개략적으로 나타내는 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

도4은 본 발명의 일실시예의 정전 방식의 압력센서의 일부가 투영된 사시도이고, 도5는 도3의 단면도이고, 도6는 유체의 압력에 의하여 본 발명의 일실시예의 정전 방식의 압력센서의 박막이 변형되는 형태를 나타내는 도면이다.

도3 및 도5를 참조하면, 본 발명의 정전 방식의 압력센서는 제1웨이퍼(16) 및 제2웨이퍼(9)를 포함한다.

제1웨이퍼(16) 및 제2웨이퍼(9)는 두 웨이퍼 사이에 동공(S)이 형성된다면 어느 것이 상부에 배치되어도 상관 없으나, 이하 설명의 편의를 위하여 제1웨이퍼(17)가 하부에 위치하는 것을 전제로 설명한다.

제1웨이퍼(16)에는 제1전극(17)이 형성된다. 제1전극(17)은 후술하는 제2전극(14)와 사이의 간격에 따라 정전용량의 변화를 일으키는 구성이다. 제2전극(14)과 대향되는 위치에 배치된다면 크기 및 형태의 제약은 없으나, 본 실시예에서의 제1전극(17)은 제1웨이퍼(16)의 상면에 형성되어, 후술하는 동공(S)의 저면 전체에 노출이 되게 된다.

제2웨이퍼(9)에는 제1웨이퍼(16)과 결합시 동공(S)이 형성되도록 관통부가 형성되고, 박막(10)은 관통부의 상면을 차폐한다. 따라서 제2웨이퍼(9)와 제1웨이퍼(16)가 결합되면 내부에 동공(S)이 형성되게 된다.

그리고 박막(10)의 일면에는 제2전극(14)이 구비된다. 즉 도5에서 확인할 수 있는 것과 같이 유체의 흐름에 따라 박막(10)은 하부로 변형이 되고, 이에 따라 제1전극(17) 및 제2전극(14) 사이의 거리(d)가 가변되게 된다. 따라서 가변되는 제1전극(17) 및 제2전극(14) 사이의 정전용량의 변화를 통하여 유체의 압력을 측정하게 된다.

한편, 제2전극(14)은 박막(10)의 상면 또는 하면에 구비될 수 있고, 본 실시예에서와 같이 제2전극(14)는 동공(S)에 노출되도록 박막(10)의 하부에 구비되고, 박막(10)과 제2전극(14)사이에는 지지부(12)가 구비될 수 있다.

따라서 지지부(12)의 높이를 선택함에 따라 제1전극(17) 및 제2전극(14) 사이의 거리(d)를 결정할 수 있고, 유체의 압력이 센 경우 박막(10)의 변형성을 제한하여 박막이 찢어지는 것을 방지할 수 있다.

한편, 도시되지는 않았지만, 박막의 표면에 접촉이 되고, 웨이퍼 및 지지부를 연결하는 보강부가 구비될 수도 있을 것이다. 후술하는 바와 같이 동공의 형성과정에서 박막(10)의 저면 전부가 노출되지 않고, 일부를 남겨둔 상태로 식각을 하여 보강부를 형성할 수 있을 것이다.

보강부는 박막(10)의 저면에 다른 부위와 연결이 되지 않는 형태로 형성될 수도 있고, 웨이퍼(9) 및 지지부(12)를 연결하는 형태로 형성될 수도 있을 것이다. 구체적으로 바 형태로 하나 이상이 형성될 수 있을 것이나, 보강부가 유체의 압력에 의한 박막의 변형을 방해하지 않기 위해서는 넓은 폭 및 두께로 형성되는 것이 바람직할 것이다. 또한 보다 정확한 측정을 위해서는 복수 개가 상대 대칭하게 배치되는 것 또한 바람직할 것이다.

즉, 후술하는 동공형성과정을 통하여 웨이퍼(9)의 일부를 식각하지 않음에 따라 박막의 강성을 보강할 수 있는 구조체를 형성할 수 있고, 보다 얇은 박막을 사용하더라도 강한 압력에 박막이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 지지부(12)는 후술하는 제조방법에서 설명하는 것같이 제2웨이퍼(9)를 식각하는 과정에서 지지부(12)를 둘러싸는 동공(S)을 형성하고, 지지부(12)의 일부를 다시 식각하는 방식으로 형성될 수 있다. 따라서 도시된 것과 같이 동공(S)의 중앙부위에 제2웨이퍼(9)의 다른 부위와 접촉이 되지 않으면서 박막(10)의 하면에 접촉이 된 상태로 형성된다. 그리고 제2지지부(12)의 하단은 제2웨이퍼(9)의 하단보다 높게 위치하게 된다.

제2웨이퍼(9)는 박막(10)의 타면에 구비되는 제3전극(13) 및 제3전극(13) 및 제2전극(14)를 연결하기 위한 연결전극(15)를 더 포함할 수 있다.

상기 설명한 것과 같이 제2전극(14)는 동공(S)의 내부에 위치하므로 전기적인 연결을 위한 별도의 전선구조가 필요하다. 따라서 본 실시예에서는 박막(10)의 타면에 제3전극(13)에 제3전극이 구비되고, 연결전극(15)이 동공(S)의 내부에 위치하는 제2전극(14) 및 동공(S)의 외부에 위치하는 제3전극(13)을 연결한다.

연결전극(15)은 다양한 방식으로 구현이 될 수 있고, 본 실시예에서는 박막(10) 및 지지부(12)를 관통하는 비아홀에 구리 등의 도전성 금속이 필링되는 방식으로 구비가 될 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 정전 방식의 압력센서를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 실시예의 정전 방식의 압력센서 제조방법은 동공형성단계(S30), 제2전극 형성단계(S40) 및 웨이퍼결합단계(S50)을 포함한다.

동공형성단계(S30)은 일면에 박막(10)이 형성된 제2웨이퍼(9)의 타면에 동공(S)을 형성한다. 그리고 본 실시예에서의 동공형성단계(S30)은 동공형성과정(S31) 및 지지부제거과정(S32)를 더 포함한다.

동공형성과정(S31)은 동공(S)의 내부에 돌출된 지지부(12)가 형성되도록 1차적으로 지지부(12)를 둘러싸고, 박막(10)의 저면이 노출되는 동공을 형성한다.

동공형성과정(S31)을 통하여 지지부(12)를 둘러싸는 동공(S)이 일차적으로 형성되고, 지지부제거과정(S32)을 지지부(12)의 일부(도면상에서의 하부)를 제거하여, 제2전극(14) 및 제1전극(13) 사이가 일정 거리(d) 이격될 수 있도록 한다.

동공(S) 및 지지부(12)는 다양한 방법으로 제거될 수 있으나, 본 발명에서는 제거가 되어야 하는 동공(S) 및 지지부(12)의 일부를 식각(Eching)하는 방식이 채택된다.

한편, 상기 설명한 것과 같이 동공형성과정(S31)에서 박막(10)의 저면의 일부를 식각하지 않는 경우 지지부(12)와 웨이퍼(9)를 연결하면서 박막의 저면에 접촉하는 보강부(미도시)를 형성할 수 있고, 이에 대한 부분은 상기 설명한 바 이하 설명을 생략한다.

제2전극 형성단계(S40)에서는 박막(10)에 제2전극(14)을 형성한다. 제2전극(14)은 유체의 압력에 따른 박막(10)의 움직임에 따라 제1전극(17)과의 거리가 가변되고,, 이에 따라 양 전극 사이의 정전용량이 변화될 수 있다면 다양한 위치에 구비될 수 있을 것이다.

구체적으로 박막(10)의 상면 또는 하면에 구비될 수 있고, 본 실시예에서는 지지부(12)가 구비됨에 따라 지지부(12)의 동공(S)에 노출되는 면에 형성된다.

웨이퍼결합단계(S50)은 제1웨이퍼(16)의 일면에 형성된 제1전극(17)이 동공(S)에 노출되면서 제2웨이퍼(9)에 형성된 동공(S)을 제1웨이퍼(16)가 차폐를 하도록 제1웨이퍼(17) 및 제2웨이퍼(9)를 결합시킨다.

한편, 동공(S)에 노출되는 제1전극(16) 및 제2전극(14)의 정전용량의 측정을 위해서는 양 전극이 외부와 전기적으로 연결이 되어야 한다.

제1전극(16)의 경우 제1웨이퍼(16)의 상면에 형성되므로 외부와 전기적으로 연결되는데 큰 문제가 없다. 그러나 본 실시예에서의 제2전극(14)의 경우 지지부(12)의 하면에 결합된 상태로 동공(S)의 내부에만 노출이 되므로 외부와 전기적으로 연결이 되기 위해서는 별도의 구성이 필요하게 된다.

동공(S)의 내부의 제2전극(14)가 외부와 전기적으로 연결되기 위한 구성 및 방법은 다양하게 도출될 수 있으나, 본 실시예에서는 박막(10) 및 지지부(12)를 관통하는 비아홀을 활용한다.

구체적으로 본 실시예의 정전 방식의 압력센서 제조방법은 연결전극 형성단계(S10) 및 제3전극 형성단계(S20)을 더 포함한다.

연결전극 형성단계(S10)에서는 일면에 박막(10)이 형성된 제2웨이퍼(9)의 박막(10)을 관통하면서 및 제2웨이퍼(9)의 일부를 관통하는 비아홀을 형성한다. 그리고 상기 비아홀에 구리 등의 도전성 금속을 충진시켜 연결전극(15)을 형성한다.

그리고 이 경우 상기 설명한 지지부제거과정(S32)에서는 비아홀에 충진된 연결전극(15)이 노출되도록 지지부(12)를 제거한다. 즉, 연결전극(15)의 하면은 동공(S)에 노출되고, 상면은 박막(10)을 관통하여 동공(S)의 외부에 노출된다.

그리고 제3전극 형성단계(S20)에서 연결전극(15)와 전기적으로 연결되는 제3전극(13)을 형성함에 따라 동공 내부에 위치하는 제2전극(14)은 연결전극(15) 및 제3전극(13)을 통하여 동공(S) 외부와 전기적으로 연결이 되게 된다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

1: 소이 웨이퍼 2: 중간 박막
3: 상부 전극 4: 하부 공동
5: 하부 웨이퍼 6: 하부 전극
9: 제2 웨이퍼 10: 박막
12: 지지부 13: 제3전극
14: 제2전극 15: 연결전극
16: 제1웨이퍼 17: 제1전극

Claims (10)

1. 제1전극이 형성된 제1웨이퍼; 및
   상기 제1웨이퍼와 결합시 동공을 형성하도록 관통부가 구비되고, 상기 관통부의 일면을 차폐하는 박막, 상기 박막의 일면에 구비되는 제2전극을 포함하는 제2웨이퍼를 포함하고,
   상기 제2웨이퍼는 상기 박막 및 상기 제2전극 사이에 구비되는 지지부를 더 포함하고,
   상기 지지부는 상기 동공의 중앙부위에 상기 제2웨이퍼의 다른 부위와 접촉이 되지 않으면서 상기 박막의 하면에 접촉이 되도록 형성되고,
   상기 지지부는 상기 제2전극이 상기 제1전극에서 일정 거리 이격되어 위치하도록 상기 지지부의 하단이 상기 제2웨이퍼의 하단보다 높게 위치하는 정전 방식의 압력센서.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 동공의 하면에 노출되는 박막에 접촉되는 보강부를 더 포함하는 정전 방식의 압력센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2웨이퍼는 상기 박막의 타면에 구비되는 제3전극을 더 포함하고,
   상기 제2전극 및 상기 제3전극을 연결하는 연결전극을 더 포함하는 정전 방식의 압력센서.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 연결전극은 상기 박막 및 상기 지지부를 관통하여 형성되는 정전 방식의 압력센서.
   
6. 일면에 박막이 형성된 제2웨이퍼의 타면을 동공을 형성하기 위한 동공형성단계;
   상기 박막에 제2전극을 구비하는 제2전극 형성단계; 및
   제1전극이 형성된 제1웨이퍼를 상기 제1전극이 상기 동공에 노출되도록 상기 제2웨이퍼에 결합시키는 웨이퍼결합단계;를 포함하고,
   상기 동공형성단계는,
   상기 동공의 내부에 돌출된 지지부가 형성되도록 상기 지지부를 둘러싸고, 상기 박막이 노출되는 동공을 형성하는 동공형성과정; 및
   상기 지지부의 일부를 제거하는 지지부제거과정;를 포함하며,
   상기 제2전극형성단계에서 제2전극은 상기 지지부제거과정를 통하여 높이가 낮아진 지지부의 표면에 형성되는 정전 방식의 압력센서 제조방법.
   
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,
   상기 동공형성과정은 상기 박막의 표면에 접촉되는 보강부가 형성되도록 동공을 형성하는 정전 방식의 압력센서 제조방법.
   
9. 삭제
10. 제1항의 정전방식의 압력센서를 제작하는 방법에 있어서,
    일면에 박막이 형성된 제2웨이퍼에 상기 박막을 관통하고, 상기 제2웨이퍼 일부를 관통하는 비아홀을 형성하는 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀에 연결전극을 구비하는 연결전극 형성단계;
    상기 연결전극과 연결되는 제3전극을 형성하는 제3전극 형성단계;
    상기 제2웨이퍼의 타면에 상기 비아홀이 형성된 부위를 포함하는 지지부가 형성되도록, 상기 지지부를 둘러싸고 상기 박막이 노출되는 동공을 형성하는 동공 형성단계;
    상기 연결전극이 노출되도록 상기 지지부의 일부를 제거하는 지지부 제거단계;
    상기 지지부 제거단계에서 노출된 연결전극과 접촉하는 제2전극을 형성하는 제2전극 형성단계; 및
    제1전극이 형성된 제1웨이퍼를 상기 제1전극이 상기 동공에 노출되도록 상기 제2웨이퍼에 결합시키는 웨이퍼결합단계;
    를 포함하는 정전 방식의 압력센서 제조방법.

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