KR102217083B1 - 압력 센서 - Google Patents

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청-시엔 린
성 린 탕
왕 쉔 수
치아 민 린
휴멜 르네
바르취 울리치
헤르메르스도르프 마리온
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인벤센스, 인크.
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Abstract

압력 센서는 포함 제 1 기판(1) 및 상기 제 1 기판(1)에 부착된 캡(4)을 포함한다. 캡(4)은 처리 회로(241), 캐비티(41) 및 상기 캐비티(41)를 분리하는 변형가능 멤브레인(42) 및 상기 압력 센서의 외부로 개방된 포트를 포함한다. 포트에서의 압력에 대한 변형가능 멤브레인(42)의 응답을 처리 회로(241)에 의하여 처리될 수 있는 신호로 변환하기 위하여 감지 수단이 제공된다. 캡(4)은, 변형가능 멤브레인(42)이 상기 제 1 기판(1)에 대향하도록 그리고 포트에 기여하는 갭(6)이 변형가능 멤브레인(42) 및 제 1 기판(1) 사이에 제공되도록 제 1 기판(1)에 부착된다. 제 1 기판(1)은 캡(4)이 부착된 지지부(7), 압력 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결시키기 위한 콘택부(8), 및 지지부(7)를 콘택부(8)로부터 서스펜딩(suspend)하기 위한 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트(9)를 포함한다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력 센서 및 압력 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
압력 센서 및 압력 센서의 제조 방법이 공지된다. 예를 들어 미국 특허 번호 제 US 7,704,774 B2 호에서, CMOS 회로부를 포함하는 제 1 기판 및 SOI 기판인 제 2 기판인 두 개의 기판을 결합하여 제조되는 압력 센서가 설명된다. 캐비티가 제 1 기판의 상단 재료 층 내에 형성되는데, 이것은 제 2 기판의 실리콘 층에 의하여 커버된다. 제 2 웨이퍼의 일부 또는 전부는 제거되어 실리콘 층으로부터 멤브레인을 형성한다. 대안적으로는 캐비티가 제 2 기판 내에 형성될 수 있다는 것이 더욱 설명된다. 제 2 기판은 제 1 기판 상의 회로부에 전기적으로 접속된다. 공지된 디자인은 회로부를 제 1 기판 상에 집적시키기 위한 표준 CMOS 프로세스를 사용하는 것을 허용한다.
압력 센서에서 멤브레인은 스트레스에 민감할 수도 있다. 압력 센서가 캐리어에 탑재되고 거기에 전기적으로 접속된다면 기계적 스트레스가 유발되고 솔더 볼을 통해 제 1 기판으로 그리고 특히 멤브레인과 같은 스트레스 감응 구조에 전달될 수도 있다.
그러므로, 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 압력 센서, 특히 절대 압력 센서로서, 절대 압력 센서의 경우에는 본질적으로 일정한 압력을 가지는 캐비티 및 센서의 외부로 개방된 포트 사이에 분리를 제공하는 변형가능 멤브레인이 있는 압력 센서가 제공된다. 캐비티는 캡 내에 형성되고 이 캡은 변형가능 멤브레인이 제 1 기판에 대향하도록 그리고 갭이 변형가능 멤브레인 및 제 1 기판 사이에 제공되도록 제 1 기판에 부착된다. 캡은 처리 회로를 더 보유한다. 변형가능 멤브레인의 변형은 적합한 감지 수단에 의하여 캡 내의 처리 회로로 공급되고 이에 의하여 처리되는 신호로 변환된다.
제 1 기판은 캡이 부착되는 지지부를 보유한다. 제 1 기판의 콘택부는 압력 센서를 외부로 전기적으로 접속시키기 위하여 제공된다. 지지부는 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트에 의하여 콘택부로부터 서스펜딩된다.
이러한 구성에서, 스트레스에 민감한 엘리먼트로서의 변형가능 멤브레인은 본질적으로, 스트레스가 외부 캐리어로부터 유도될 수도 있는 매개가 될 수도 있는 제 1 기판의 콘택부로부터, 또는 바람직하게는 콘택부가 압력 센서가 전기적으로 및 기계적으로 예를 들어 외부 디바이스의 일 예일 수도 있는 외부 캐리어에 연결되는 유일한 부분이라면 압력 센서의 외부 캐리어로의 탑재 도중에, 기계적으로 디커플링된다. 변형가능 멤브레인은 더 이상 제 1 기판에 부착되지 않는 것뿐만 아니라 대신에 캡 내에 통합된다. 더욱이, 이미 제 1 기판부, 즉 지지부가 콘택부로부터 기계적으로 디커플링된다. 반면에, 캡은 제 1 기판의 지지부에 부착, 그리고 바람직하게는 유일하게 부착되고 콘택부에 부착되지 않음으로써, 멤브레인이 제 1 기판의 콘택부로의 직접적 기계적 링크를 가지지 않게 한다. 그러므로, 제 1 기판의 콘택부를 통하여 유도된 스트레스의 멤브레인으로의 임의의 전파는 상당히 감소된다.
캡은 변형가능 멤브레인이 제 1 기판에 대향하고, 바람직하게는 제 1 기판의 전면에 대향하도록 구현된다. 갭이 캡의 평면에 직교인 방향에서의 멤브레인의 편향을 허용하기 위하여 변형가능 멤브레인 및 제 1 기판의 전면 사이에 제공된다. 이러한 구성에서, 변형가능 멤브레인은 이것이 센서의 주위를 직접적으로 대향하지 않는다면 보호된다.
바람직한 실시예에서, 캡은 적어도 부분적으로 제 2 기판으로부터 제조된다. 바람직하게는, 제 2 기판은 실리콘 기판과 같은 반도체 기판이다. 그러므로, 예를 들어 제 2 기판은 실리콘으로 제조된 벌크 재료 및 금속층, 절연 층 및 희생층 중 하나 이상과 같은 벌크 재료 상에 적층된 다양한 층을 보유할 수도 있다. 처리 회로가 제 2 기판 내에 집적되는 것이 바람직하다. 그리고 캐비티가 오직 제 2 기판의 층 스택 내에만 형성되고 벌크 재료에 도달하지 않는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 변형가능 멤브레인은 제 3 기판으로부터 제작되는데, 이것은 제 2 기판의 상단층에 부착된다. 예를 들어, 제 3 기판은 SOI(실리콘 온 절연체) 기판일 수도 있으며, 여기에서 특히 변형가능 멤브레인은 절연 층 및 SOI 기판의 벌크 재료가 공정 도중에 제거되는 동안에 SOI 기판의 실리콘 층으로부터 제작될 수도 있다.
제 1 기판에서, 콘택 및 지지부는 바람직하게는 하나 이상의 홈을 제 1 기판을 통하여 수직으로 적용함으로써 제작된다. 하나 이상의 홈을 제조함으로써, 제 1 기판의 하나 이상의 작은 부분이 지지부를 콘택부로 기계적으로 링크하기 위하여 남게 된다. 이러한 작은 부분(들)은 지지부를 콘택부로부터 서스펜딩하기 위한 서스펜션 엘리먼트(들)로서 역할을 한다. 바람직하게는, 하나 이상의 홈이 제 1 기판 내에 수직으로, 즉 제 1 기판의 평면 연장에 수직으로 형성된다. 서스펜션 엘리먼트(들)는 마루, 예를 들어 지지부를 홀딩하는 4 개의 마루를 보유할 수도 있다. 바람직하게는, 바람직한 실시예에서 지지 부, 콘택부 및 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트가 제 1 기판으로부터 제작된다면, 각각의 서스펜션 엘리먼트는 지지부 및 콘택부와 일체화되게 형성된다. 바람직한 실시예에서, 서스펜션 엘리먼트는 콘택부 및 지지부 사이의 최단 경로를 나타내지 않으며, 반면에 콘택부에 상대적인 지지부의 편향 또는 회전 중 하나 이상, 예를 들어 제 1 기판의 평면의 적어도 하나의 방향에서의 편향을 허용하는 형상을 가진다. 이러한 방법에서, 캡을 통하여 지지부에 인가된 병진력 및/또는 회전력은 서스펜션 엘리먼트에 손상을 주지 않으면서 감쇄될 수도 있다. 서스펜션 엘리먼트는 이러한 목적을 위하여 스프링부를 보유할 수도 있다.
하나 이상의 서스펜션 엘리먼트는 바람직하게는 그렇지 않을 경우 캡으로 전달될 스트레스를 감소시키기 위한 감소된 강성의 컴포넌트로서의 역할을 한다. 하나 이상의 홈은 큰 정도로 캡을 제 1 기판의 콘택부로부터 디커플링하고 바람직하게는 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트를 제외하고 콘택부를 둘러싼다. 요약하면, 스트레스 감응 변형가능 멤브레인은 캐리어에 탑재되는 중일 때에 스트레스를 받는 컴포넌트인 제 1 기판의 콘택부로부터 기계적으로 디커플링된다.
감지 수단은 일 실시예에서 스스로 제 1 전극으로서 동작을 하며 이와 같이 전도성 재료를 함유하는 변형가능 멤브레인을 보유할 수도 있다. 반면에, 제 2 전극은 정지된 포지션에서 캐비티에 근접하게 또는 그 안에 형성됨으로써, 이러한 전극 구성이 제 2 전극 및 편향가능 멤브레인 사이의 커패시턴스를 감지할 수도 있게 할 수도 있는데, 이 커패시턴스는 전극들 사이의 거리에 의존한다. 예를 들어, 가스와 같은 매질이 정의된 압력에서 캐비티로 적용되고 멤브레인의 편향이 유발되는 경우, 전극들 사이의 거리는 변경되고 커패시턴스의 변화를 초래할 수도 있다. 일 실시예에서, 제 2 전극은 금속층일 수도 있고, 또는 다른 실시예에서는 폴리실리콘 층일 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 전극은 제 2 기판 내에 집적된 처리 회로로 전기적으로 접속된다.
캡을 제 1 기판으로 전기적으로 연결하기 위하여, 전기적 접속이 캡 및 제 1 기판 사이에 예를 들어 솔더 범프 또는 볼, 또는 동시에 제 1 기판 및 변형가능 멤브레인 사이에 갭을 제공하기 위한 스페이서 엘리먼트로서도 역시 기능을 수행하는 다른 전도성 엘리먼트의 형태로 제공될 수도 있다. 제 2 기판 내의 도전층에 연결하기 위하여, 콘택 윈도우가 제 2 기판 내에 그리고 적용가능하다면 제 3 기판을 통과하여 제공될 수도 있다. 반면에, 스페이서 엘리먼트는 제 1 기판으로부터 드러난 도전 층의 영역들일 수도 있는, 제 1 기판 상의 콘택 패드로 연결될 수도 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 양태는 압력 센서에 관련된 실시예로부터 독립적이고, 제 1 기판, 제 1 기판에 부착되는 캡으로서, 처리 회로를 포함하는 캡 및 감지될 측정치를 처리 회로에 의하여 처리될 수 있는 신호로 변환하기 위한 감응 엘리먼트를 포함하는 센서가 제공된다.
제 1 기판은 캡이 부착된 지지부, 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결시키기 위한 콘택부, 및 지지부를 상기 콘택부로부터 서스펜딩(suspend)하기 위한 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 캡은 제 1 기판에 부착됨으로써, 감응 엘리먼트가 제 1 기판에 대향하고 갭이 감응 엘리먼트 및 제 1 기판 사이에 제공되도록 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 압력 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 제 2 기판 및 제 3 기판과 함께 제 1 기판이 제공된다. 제 2 기판에서, 처리 회로는 집적되고 캐비티는 예를 들어 에칭에 의하여 제작된다. 다른 실시예에서, 제 2 기판은 처리 회로 및/또는 캐비티를 가지고 사전제작될 수도 있다. 후속하는 설명에서, 제 3 기판은 제 2 기판에 탑재되고, 이를 통하여 제 2 기판 내의 캐비티를 커버하여 거기에 인가된 압력을 감지하기 위한 변형가능 멤브레인을 제작한다.
후속하는 설명에서, 제 2 기판 및 제 3 기판의 어셈블리가 변형가능 멤브레인이 제 1 기판에 대향하면서 제 1 기판의 지지부에 탑재된다. 스페이서 엘리먼트가 변형가능 멤브레인 및 제 1 기판 사이에 갭을 제공하기 위하여 제 1 기판의 표면으로부터 멀어지게 변형가능 멤브레인을 탑재하기 위하여 제공될 수도 있다.
하나 이상의 홈이 압력 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결하기 위한 역할을 하는 콘택부 주위에 제 1 기판 내로 제조된다. 하나 이상의 홈을 제조하는 결과로서, 지지부는 콘택부를 이용하여 서스펜션 엘리먼트로부터 서스펜딩한다.
하나 이상의 홈을 제조하는 것은 상이한 방법으로 수행될 수도 있다: 제 1 기판은 바람직하게는 제 2 및 제 3 기판의 어셈블리에 부착되기 이전에 트렌치를 예를 들어 그 안의 제 1 기판의 전면으로부터 에칭함으로써 전처리된다. 제 1 기판이 충분히 얇다는 것 그리고 제 1 기판을 통과하여 도달하는 트렌치를 제 1 기판 내에 에칭하는 것을 허용하는 에칭 프로세스가 적용된다는 것이 가정된다.
대안적 실시예에서, 트렌치는 제 1 기판의 전체 벌크 재료를 통과하여 도달하기에 충분한 깊이로 제조되지 않을 수도 있다. 그러므로, 트렌치를 제 1 기판의 후면, 즉 변형가능 멤브레인에 대향하는 전면의 반대에서 개방시키기 위하여 요구되는 다른 처리 단계가 존재할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 트렌치가 제 1 기판 및 제 2 및 제 3 기판의 어셈블리를 조립하기 이전에 제작되는 것이 바람직한 반면에, 트렌치는 어셈블리를 제 1 기판에 부착한 이후에 제 1 기판의 후면으로부터 개방된다(laid open).
바람직한 실시예에서, 제 1 기판의 벌크 재료는 전체 제 1 기판을 통과하는 에칭을 한 번에 가능하게 하기 위하여, 또는 후면으로부터 이전에 에칭된 트렌치의 개방을 가능하게 하기 위하여, 제 1 기판의 벌크 재료가 첫 번째로 제 1 기판 전체에 걸쳐 박형화(thinned)된다.
제 1 기판에서, 전도성 비아가 캡 및 특히 이것의 처리 회로를 제 1 기판의 후면에 있는 전기적 콘택으로 전기적으로 연결하기 위하여 제작될 수도 있다. 제 2 기판 및 제 3 기판의 어셈블리를 제 1 기판에 탑재한 이후에 그리고 요구될 경우 제 1 기판 내의 트렌치를 개방시키기 이전에 비아가 제 1 기판 내에 제작되는 것이 바람직할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 변형예에서, 하나 이상의 비아는 TSV(Through Silicon Via) 프로세스를 사용하여 제조된다. 예를 들어 비아용 홀을 제 1 기판 내로 에칭하기 이전에, 제 1 기판의 두께는 예를 들어 150 ㎛(마이크론) 이하까지 감소되어 이것이 TSV 또는 유사한 프로세스에 대해 더 적합하게 할 수도 있다. 제 1 기판의 두께를 감소시킬 때 제 2 기판은 변형가능 멤브레인 및 다른 감응 구조들을 보호할 수도 있다.
제 2 기판이 실리콘 및 벌크 재료 상에 적층된 층을 보유하는 경우에는, 캐비티가 벌크 재료 내로가 아니라 층들 중 하나 이상 내로만 연장하는 것이 바람직하다.
바람직한 단계에서, 제 3 기판은 SOI(실리콘 온 절연체) 기판을 포함한다. 제 3 기판은 바람직하게는 제 2 기판의 상단층에 부착된다. 그러면, 바람직하게는 SOI 기판의 벌크 재료 및 이것의 절연층이 제거되고 이를 통하여 실리콘 층을 제 2 기판 내의 캐비티에 걸치는 변형가능 멤브레인으로서 남겨둔다.
바람직하게는, 제 3 기판을 제 2 기판에 적용시키는 이전의 단계에 후속하는 단계에서, 하나 이상의 콘택 윈도우는 변형가능 멤브레인의 영역 외부의 제 3 기판을 통하여 에칭되고, 바람직하게는 그 안의 도전층으로의 액세스를 제공하기 위하여 제 2 기판의 층들 중 적어도 일부 내로 에칭된다. 이러한 도전층은 이제 일측에서는 전극에 그리고 타측에서는 처리 회로에 연결될 수도 있다. 콘택 윈도우는 바람직하게는 다음 단계에서 금속화된다.
압력 센서 스택의 총 높이는 바람직하게는 350 내지 500 마이크론 사이일 수도 있다.
처리 회로가 주지된 단계를 따르는 CMOS 프로세스에 의하여 제 2 기판 내에 제작되는 것이 바람직하다.
매우 바람직한 실시예에서, 방법은 웨이퍼 스케일에서 실행되며, 즉 다중 압력 센서들이 동일한 웨이퍼 상에 동일한 제작 단계에서 제조된다. 시간의 한 포인트에서, 예를 들어 마지막에는, 개개의 압력 센서가 웨이퍼 스택을 다이싱(dicing)함으로써 서로 분리된다. 분리 단계 이전에, 다중 처리 회로가 그 위에 전처리된 제 2 웨이퍼가 제 1 및 제 3 기판에 대응하는 제 1 및 제 3 웨이퍼와 함께 제공된다. 처리 회로 및 캐비티가 제 2 웨이퍼 내에 제조되고, 이러한 방식으로 준비된 제 2 웨이퍼가 변형가능 멤브레인을 처리하기 위하여 제 3 웨이퍼에 부착된다. 그러면 제 2 및 제 3 웨이퍼의 어셈블리는 변형가능 멤브레인이 제 1 웨이퍼에 대향하면서 제 1 웨이퍼에 탑재될 수도 있다. 제 1 웨이퍼는 제 1 웨이퍼 내에 또는 이를 통해 도달하는 트렌치들로써 전처리될 수도 있다. 어셈블리된 제 1, 제 2 및 제 3 웨이퍼로 돌아가면, 이제 제 1 웨이퍼는 예를 들어 비아를 제조함으로써 자신의 후면으로부터 계속하여 처리될 수도 있다. 만일 제 1 기판 내에 준비된 트렌치가 이것을 통과하여 도달하지 않는다면, 트렌치를 개방시키는 것은 비아를 제조한 이후에, 그러나 여전히 웨이퍼 스케일에서 기판의 후면으로부터 수행되는 것이 바람직하다. 마지막에는, 웨이퍼 스택이 개개의 압력 센서 칩으로 분리될 수도 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 양태는 압력 센서의 제조에 관련되는 실시예와는 독립적이고, 제 1 기판을 제공하는 단계, 제 2 기판을 제공하는 단계 및 제 2 기판을 제 1 기판의 지지부에 탑재하는 단계를 포함하는, 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 홈들이 압력 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결하기 위하여 콘택부 주위에서 제 1 기판 내로 제조되고, 이를 통하여 지지부가 서스펜션 엘리먼트를 이용하여 콘택부로부터 서스펜딩하게 한다.
바람직한 실시예에서, 감응 엘리먼트는 감응 엘리먼트가 제 1 기판에 대향하면서 제 2 기판에 구현된다. 갭들이 감응 엘리먼트 및 제 1 기판 사이에 제공될 수도 있다.
설명된 실시예는 이와 유사하게 센서 및 방법에 적용된다. 비록 상세하게 설명되지 않을 수도 있지만, 시너지 효과가 실시예들의 상이한 조합으로부터 대두될 수도 있다.
방법 단계가 청구항에 나열된 대로인 것이 바람직하지만, 상이한 순서도 기술적으로 적용가능한 경우 청구 대상인 방법 청구항에 의하여 망라될 수 있다.
다른 유리한 실시예들이 아래의 상세한 설명에서 그리고 종속항에서 나열된다.
본 발명의 실시예 양태 및 장점들은 그것의 후속하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 설명은 첨부된 도면을 참조하는데, 도면은 다음을 나타낸다:
도 1 은 본 발명의 일 예에 따른 압력 센서의 개략적인 단면도를 도 1a 에서, 전형적인 수평 단면을 도 1b 에서, 그리고 전형적인 하단 뷰(bottom view)를 도 1c 에서 도시한다;
도 2 는 자신의 다이어그램인 도 2a 내지 도 2d 에서 처리 도중에 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 개략적인 단면도를 도시하고, 이를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 공정 단계들을 예시한다; 그리고
도 3 은 자신의 다이어그램인 도 3a 내지 도 3c 에서 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서에 대한 제 1 기판의 전처리의 개략적인 단면도를 도시한다.
용어 "압력 센서"는 본 명세서에서 사용될 때 유체의 압력과 동일하거나 이로부터 유도된 파라미터를 측정하는 임의의 타입의 센서를 지칭한다. 특히, 이 용어는 상대(즉 차분) 및 절대 압력 센서를 모두 지칭하고, 이것은 정적 및 동적 압력 센서를 역시 커버한다. 이러한 센서의 적용예의 통상적 예는 예를 들어 과학 기기 장치, 기상학, 고도 측정, 사운드 기록, 모바일 또는 휴대용 컴퓨터 및 폰 등에서 발견된다.
도 1a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 개략적인 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같은 압력 센서는 이것의 솔더 볼(18)이 상향으로 도시된 상태로 놓이는데, 반면에 압력 센서는 이것의 솔더 볼이 캐리어 상에 놓이면서 캐리어에 탑재될 것이다.
압력 센서는 제 1 기판(1) 및 제 1 기판(1)용 캡(4)을 포함한다.
캡(4)은 제 2 기판(2) 및 제 3 기판(3)으로 제조되는 것이 바람직하다. 제 2 기판(2)은 바람직하게는 반도체 기판이고, 바람직하게는 실리콘 기판이며, 전면(21) 및 후면(22)을 가진다. 제 2 기판(2)은 예를 들어 실리콘의 벌크 재료(23) 및 벌크 재료(23) 상의 층(24)의 스택을 보유한다. 이러한 층(24)은 제 2 기판(2)의 CMOS 공정을 위하여 구현될 수도 있고, 이를 고려하여 CMOS 층 또는 재료 층이라고도 역시 표시될 수도 있다. 특히, 층들(24)은 예를 들어 복수 개의 SiO2 층, 금속 또는 폴리실리콘층들을 포함할 수 있다. 벌크 재료(23)는 참조 부호(241)에 의하여 표시되는 것과 같이 실리콘 내의 도핑된 지역을 보유할 수도 있다. 이러한 컴포넌트는 능동 회로부, 예컨대 증폭기, A/D 컨버터 또는 다른 아날로그 및/또는 디지털 신호 처리 유닛을 형성할 수 있다. 층들(24)의 스택의 상단 층(246)은 그 아래의 구조를 보호하는 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물의 유전체 층일 수도 있다. 현재의 예에서, 총괄하여 241 로 지칭되는 처리 회로가 CMOS 공정을 사용하여 제 2 기판(2)의 전면(21)에 집적된다는 것이 가정된다.
캡(4) 내에서, 캐비티(41)가 층(24) 중 하나 이상으로부터, 지금은 상단 층(246)으로부터 재료를 생략하거나 제거함으로써 형성된다. 캐비티(41)는 변형가능 멤브레인(42)에 의하여 폐쇄된다. 멤브레인(42)은 충분히 얇아서 멤브레인(42)의 상단 및 그것 아래에서의 압력사이의 압력 강하에 의존하여 변형된다. 금속층(243)이 전극으로서 사용될 수도 있고, 이를 고려하여 캐비티(41)의 하단에 구현될 수도 있다.
멤브레인(42)은 바람직하게는 도핑된 도전 실리콘 층으로 형성되고, 캐비티(41) 상에 실링 덮개(sealing lid)로서 구현되며, 다른 전극으로서 사용될 수도 있는데, 이 이유 때문에 변형가능 멤브레인(42)은 전도성 재료를 보유할 수도 있다. 그러므로 압력에 변화가 있는 경우 멤브레인(42)은 편향하고 이를 고려하여 두 개의 전극들 사이의 거리도 변화하여 결과적으로 두 개의 전극 사이의 커패시턴스의 변화를 초래한다.
현재의 예에서, 변형가능 멤브레인(42)은 제 3 기판(3)으로부터 제작된다. 도 1 에 도시된 바와 같은 제 3 기판(3)은 SOI 기판, 특히 몇몇 제조 단계 이후에 이것의 디바이스 층의 잔여물일 수도 있다. 제 3 기판(3)은 변형가능 멤브레인(42)에만 기여할 수도 있는 것이 아니다. 제 3 기판(3)은 콘택 윈도우(244)를 보유할 수도 있고, 이것을 통과하여 도달하면 층(24) 중 하나 이상 내로 역시 도달할 수도 있다.
대응하는 신호는 전극, 즉 변형가능 멤브레인(42) 및 금속층(243)으로부터 전기적 경로(242)를 거쳐 이러한 신호가 처리되는 처리 회로(241)로 전송될 수도 있다. 처리 회로(241)에 의하여 처리되는 신호는 제 1 기판(1)으로 공급될 수도 있다.
제 1 기판(1)은 반도체 기판, 예를 들어 실리콘 기판 또는 예를 들어 전면(11) 및 후면(12)이 있는 유리 기판일 수도 있다. 반도체 기판(1)은 실리콘과 같은 벌크 재료(13), 및 벌크 재료(13) 상의 산화물 층과 같은 하나 이상의 층(14)을 포함한다. 하나 이상의 층(14)은 예를 들어 복수 개의 SiO2 층, 금속 또는 폴리실리콘 층을 더 포함할 수도 있다.
제 1 기판(1)은 제 1 기판(1)을 통과하여 수직으로 도달하는 비아(15)를 보유한다. 그러한 비아(15)는 기판(1)의 전면(11)으로부터 자신의 후면(12)으로의 전기적 접속을 제공한다. 그러한 비아(15)는 산화물(151)을 홀에 적용하고 도전 재료(152)를 산화물(151)에 인가함으로써 이것의 후면(12)으로부터 제 1 기판(1) 내로 홀을 에칭 또는 드릴링하여 제조된다. 제 1 기판(1)의 후면(12)에서, 비아(15)는 벌크 재료(13)에 적용된 산화물 층(17) 상에 있는 콘택 패드(16)에 전기적으로 접속되고, 이러한 콘택 패드(16)는 솔더 볼(18) 또는 센서를 외부 세계로, 즉 다른 디바이스로 전기적으로 접속시키기 위한 다른 콘택 수단에 대한 지지체(support)로서의 역할을 한다. 비아(15) 및 솔더 볼(18)에 대한 대안으로서, 압력 센서를 외부로 예를 들어 제 1 기판(1)의 전면(11)으로부터 이것의 측면을 따라 후면(12)으로 연장하는 와이어 결합, 결합 패드 또는 도전 구조를 사용하여 상호접속하는 다른 방법들이 존재할 수도 있다. 외부로의 전기적 접속은 또한 랜드 그리드 어레이, 핀 그리드 어레이, 또는 리드프레임 중 하나 이상을 통해서 구현될 수도 있다.
제 2 및 제 3 기판(2,3)을 보유하는 어셈블리는 제 1 기판(1)의 전면(11)에 부착된다. 이러한 부착은 결합 또는 다른 퓨전 기법을 포함할 수도 있다. 현재의 예에서는, 스페이서 엘리먼트(5)가 제 3 기판(3) 및 제 1 기판(1) 사이에 제공된다. 스페이서 엘리먼트(5)는 상이한 기능들을 가진다: 일면에서는, 스페이서 엘리먼트(5)는 변형가능 멤브레인(42) 및 제 1 기판(1) 사이에 압력 매질을 멤브레인(42)으로 공급하기 위하여 요구되는 갭(6)을 허용한다. 반면에, 반드시 전부일 필요는 없는 스페이서 엘리먼트(5)의 일부는 콘택 윈도우(244)를 제 1 기판(1)에 연결하기 위하여 전기적으로 도전성일 수도 있다. 다른 또는 동일한 스페이서 엘리먼트(5)는 기판(1,3)의 적층을 위한 기계적 안정성을 제공할 수도 있고 및/또는 압력 센서 내부로, 그리고 구체적으로는 멤브레인(42)에게 기계적 보호를 제공할 수도 있다. 이러한 목적을 위하여, 스페이서 엘리먼트(51)가 기판(1,3)의 에지에서 기계적 안정성, 보호 및 전기적 접속을 제공하면서 링의 형태로 구현되는 것이 바람직할 수도 있는 반면에 스페이서 엘리먼트(52)는 오히려 필라(pillar)-형이고 전기적 접속을 제공한다.
그러므로 처리 회로(241)에 의하여 제공되는 신호는 전기적 경로(242)를 통하여 그리고 하나 이상의 콘택 윈도우(244)를 통하여 하나 이상의 스페이서 엘리먼트(5)로 전달될 수도 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 스페이서 엘리먼트(52)는 제 1 기판(1)의 비아(15)에서 끝나며 거기에 전기적으로 접속된다. 그러므로, 신호는 비아(15)를 통하여 콘택 패드(16) 및 솔더 볼(18)로 전도된다(conducted).
제 1 기판(1)은 지지부(7) 및 콘택부(8)를 보유한다. 이 도면에서는 도시되지 않은 서스펜션 엘리먼트가 지지부(7)를 콘택부(8)로부터 서스펜딩하기 위하여 제공된다. 지지부(7)는 바람직하게는 제 1 기판(1)의 평면에서 콘택부(8)를 둘러싼다.
콘택부(8)는 하나 이상의 홈(10)에 의하여 지지부(7)로부터 분리된다. 공통 제 1 기판(1)으로부터 콘택부(8) 및 지지부(7)를 제조하기 때문에, 이들 모두는 제 1 기판(1)으로부터의 벌크 재료(13)를 포함할 수도 있다.
캡(4)은 바람직하게는 스페이서 엘리먼트(5)를 통하여 제 1 기판(1)의 지지부(7)에 부착된다. 반면에, 외부로 기계적 및 전기적 콘택을 제공하는 것은 오직 콘택부만인 것이 바람직하다. 그러므로, 기계적 스트레스가 유도되는 통로가 되는 압력 센서의 부분, 즉 콘택부(8)는 압력 센서로부터 그리고 특히 변형가능 멤브레인(42)으로부터 서스펜션 엘리먼트를 사용하여 기계적으로 디커플링된다.
매질을 이 예 내의 변형가능 멤브레인(42)으로 전도하기 위한 포트는 홈(10) 및 갭(6), 또는 이것의 적어도 일부를 망라한다.
이 예의 압력 센서의 전체 높이는 약 400 μm이다.
도 1b 는 반드시 도 1a 에 제공된 바와 같은 모든 엘리먼트들과 매칭되지는 않는, 예를 들어 도 1a 의 라인 A-A`에 따른 압력 센서의 전형적인 가로 단면도를 도시한다. 기계적 지지체(32)가 제 3 기판(3)을 홀딩한다. 제 3 기판(3)에서, 그들의 내부에 전도성 재료(2441)를 보유하는 복수 개의 콘택 윈도우(244)가 제공된다. 제 3 기판(3)은 또한 변형가능 멤브레인(42)을 제조한다. 그러면, 가로 단면도는 상이한 평면, 즉 전극(243)의 평면으로 전환한다. 이러한 전극(243)은 캐비티(41)에 의하여 둘러싸인다.
도 1c 는 그 위에 압력 센서의 제 1 기판(1)이 있는 하단 뷰이다. 제 1 기판(1)은 지지부(7) 및 콘택부(8)를 보유하는데, 여기에서 지지부(7)는 서스펜션 엘리먼트(9)에 의하여 콘택부(8)로부터 서스펜딩되고, 이것은 두 개의 부분(7 및 8) 사이의 기계적 링크의 표현이다. 홈(10)은 제 1 기판(1)으로부터 수직으로 구현된다. 비아(15)가 지지부(7) 내에 구현되는 반면에 솔더 볼(18)은 콘택부(8) 내에 구현된다. 콘택부(8)는 콘택 패드(16)와 같은 전도성 구조를 이용하여 지지부(7)로 전기적으로 접속되는데, 이러한 전도성 구조는 일반적으로 재분포(redistribution) 층이라고 표시될 수도 있다.
도 2 는 자신의 다이어그램 도 2a 내지 도 2d 에서 제조 도중의 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서의 개략적인 단면도를 도시하며 이를 통하여 개개의 공정 단계를 도시한다.
도 2a 에서 전면(21) 및 후면(22)이 있으며 벌크 재료(23) 및 벌크 재료(23) 상에 적층된 층(24)을 포함하는 전처리된 제 2 기판(2)이 도시되는데, 이 층(24)은 개략적으로만 도시되며 산화물 층, 예를 들어 SiO2, 금속층, 및/또는 전극으로서의 역할을 하는 층(243)과 같은 폴리실리콘 층, 및 희생층으로서 역할을 하는 상단 층(246)을 보유할 수도 있다. 처리 회로(241)는 예를 들어 벌크 재료(23)를 도핑함으로써 및/또는 층 스택(24)을 구성함으로써 제 2 기판(2)내에 집적된다. 추가적으로, 캐비티(41)가 층(24) 내로, 그리고 바람직하게는 상단 층(246) 내로 에칭된다.
다음 단계에서, 변형가능 멤브레인(42)이 전처리된 기판(2) 상에 제작된다. 이러한 목적을 위하여, SOI 기판의 형태인 제 3 기판(3)이 예를 들어 퓨전 본딩에 의하여 자신의 전면(21)에서 제 2 기판(2)의 층(24)에 부착된다. SOI 기판은 벌크 재료, BOX 층의 형태인 절연 층, 및 디바이스 층으로서 실리콘 층을 보유할 수도 있다. 결과적으로, 캐비티(41)가 닫힌다. 도면에 명시적으로는 도시되지 않은 다른 단계에서, SOI 기판의 벌크 재료 및 절연 층은 제거되어 실리콘 층이 제 3 기판(3)이 캐비티(41)를 커버하면서 남도록 하는데, 이러한 실리콘 층은 인가된 압력에 응답하여 편향하기에 충분히 얇다.
다음 단계에서, 콘택 윈도우(244)는 제 3 기판(3)을 통하여 제 2 기판(2)의 층(24) 내로 에칭된다. 콘택 윈도우(244)는 금속화되고 스페이서 엘리먼트(51 및 52)가 제 3 기판(3)에 적용된다.
도 2b 에 도시된 다음 단계에서, 전처리된 제 1 기판(1)은 제 2 및 제 3 기판(2, 3)의 어셈블리에 부착된다. 제 1 기판(1)은 예를 들어 도 3 의 도면에 따라서 전처리된다.
도 3a 의 도면에서, 제 1 기판(1), 예를 들어 실리콘 기판과 같은 반도체 기판이 제공된다. 이것의 상단에서, CMOS 층, 또는 단순히 실리콘-산화물 층과 같은 격리 층과 같은 하나 이상의 층(14)이 구현된다. 도 3b 에 도시되는 추가 단계에서, 스페이서 엘리먼트(51 및 52)는 제 1 기판(1)의 전면(11)에 구현된다. 도 3c 에 도시되는 단계에서, 트렌치(101)는 제 1 기판의 벌크 재료(13) 내로 에칭되고, 이를 통하여 예를 들어 딥 반응성 이온 에칭에 의하여 층(14)을 관통한다.
그러면 도 3c 에 따라서 전처리된 제 1 기판(1)은 도 2a 에 따라서 전처리된 제 2 및 제 3 기판(2, 3)의 어셈블리에 적용되고, 이를 통하여 결과적으로 도 2b 에 따른 어셈블리를 초래한다.
도 2c 에 도시된 바와 같은 다음 단계에서, 제 1 기판(1)은 이것의 후면(11)으로부터 예를 들어 100 내지 200 마이크론의 범위 내의 감소된 두께로 박형화된다. 이러한 프로세스는 그라인딩, 에칭 또는 밀링을 사용하여 수행될 수 있다.
도 2d 에서 예시된 단계에서 제 1 기판(1)은 계속하여 처리된다: 비아(15)가 제 1 기판(1)을 통과하여 제조된다. 바람직하게는 비아(15)의 제조에 후속하는 단계에서, 제 1 기판(1) 내의 트렌치(101)는 제 1 기판(1)의 후면(12)으로부터 예를 들어 에칭에 의하여 개방됨으로써, 하나 이상의 홈(10)이 이제 제 1 기판(1)을 통하여 도달하도록(reaching) 한다. 마지막 단계에서, 솔더 볼(18) 또는 다른 콘택 구조가 제 1 기판(1)의 후면(12)에 부착될 수도 있다. 결과는 도 1 에 도시된다.
하나 이상의 홈(10)을 제조함으로써, 제 1 기판(1)은 캡(4)이 부착되는 지지부(7) 및 압력 센서가 다른 디바이스로 전기적으로 접속되는 통로인 콘택부(8) 내로 분리된다.
본 발명은 감지 엘리먼트가 설명된 바와 같은 용량성 센서인 실시예로 한정되지 않는다는 것에 주의해야 한다. 오히려, 이것은 변형가능 멤브레인 상의 압력 강하에 의존하는 양을 측정하기 위하여 그것을 사용하는 임의의 타입의 압력 센서와 함께 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 멤브레인의 변형이 압전 저항(piezoresistive) 수단에 의하여 측정되는 센서에 대해서도 역시 사용될 수 있다.
더 나아가, 제조 과정에서 재료의 임의의 제거가 있을 때, 대응하는 구조는 적합할 경우 화학적(습식) 에칭 프로세스, 플라즈마 에칭 프로세스, 레이저 절삭, 기계적 밀링 또는 이러한 프로세스들 중 임의의 것의 조합을 사용하여 생성될 수도 있다는 것에 주의해야 한다.
비록 위에서 본 발명의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 거기에 한정되는 것이 아니고 후속하는 청구항의 범위 내에서 다른 방식으로 다양하게 구현되고 실시될 수도 있다.

Claims (17)

  1. 압력 센서로서,
    제 1 기판(1),
    상기 제 1 기판(1)에 부착된 캡(4)으로서, 상기 캡(4)은 처리 회로(241), 캐비티(41) 및 상기 캐비티(41)를 분리하는 변형가능 멤브레인(42) 및 상기 압력 센서의 외부로 개방된 포트를 포함하는, 캡, 및
    상기 포트에서의 압력에 대한 상기 변형가능 멤브레인(42)의 응답을 상기 처리 회로(241)에 의하여 처리될 수 있는 신호로 변환하기 위한 감지 수단을 포함하고,
    상기 캡(4)은, 상기 변형가능 멤브레인(42)이 상기 제 1 기판(1)에 대향하도록 그리고 상기 포트에 기여하는 갭(6)이 상기 변형가능 멤브레인(42) 및 제 1 기판(1) 사이에 제공되도록 상기 제 1 기판(1)에 부착되고,
    상기 제 1 기판(1)은 상기 캡(4)이 부착된 지지부(7), 상기 압력 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결시키기 위한 콘택부(8), 및 상기 지지부(7)를 상기 콘택부(8)로부터 서스펜딩(suspend)하기 위한 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트(9)를 포함하는, 압력 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판(1)은 평면 연장부(plane extension)를 포함하고, 상기 지지부(7)는 상기 제 1 기판(1)의 평면에서 상기 콘택부(8)를 둘러싸며,
    상기 지지부(7)는 하나 이상의 서스펜션 엘리먼트(9)를 제외하고 상기 제 1 기판(1)내의 하나 이상의 홈(10)에 의하여 상기 콘택부(8)로부터 분리되는, 압력 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 서스펜션 엘리먼트(9)는 상기 지지부(7) 및 콘택부(8) 사이에 마루(ridge)를 보유하고, 그리고
    서스펜션 엘리먼트(9) 중 하나 이상은 상기 지지부(7)를 상기 콘택부(8)로 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 전도성 경로를 포함하는, 압력 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 기판(1)은 상기 변형가능 멤브레인(42)에 대향하는 전면(11), 상기 압력 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결하기 위한 전기적 콘택(16)을 보유하는 후면(12), 및 상기 제 1 기판(1)의 전면(11)을 자신의 후면(12)으로 전기적으로 연결하기 위한 비아(15)를 가지는, 압력 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기적 콘택(16)은 상기 콘택부(8) 내에 구현되고,
    상기 비아(15)는 상기 지지부(7) 내에 구현되며, 그리고
    상기 비아(15)는 상기 서스펜션 엘리먼트(9) 중 하나 이상을 통하여 콘택부(7)에 전기적으로 접속되는, 압력 센서.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캡(4)은 벌크 재료(23) 및 상기 벌크 재료(23) 상에 적층된 층(24)을 보유하고,
    상기 캐비티(41)는 상기 제 2 기판(2)의 층(24) 중 하나 이상 내에 배타적으로 구현되는 함요부(recess)이며,
    상기 처리 회로(241)는 상기 제 2 기판(2) 내에 집적되고, 그리고
    상기 변형가능 멤브레인(42)은 상기 제 2 기판(2)의 층(24)에 부착된 제 3 기판(3)으로부터 제조되는, 압력 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 감지 수단은 상기 변형가능 멤브레인(42)에 의하여 형성된 제 1 전극 및 상기 제 2 기판(2)의 층(24) 중 하나에 의하여 형성된 제 2 전극을 보유하고,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 상기 처리 회로(241)에 연결되는, 압력 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    갭(6)을 제조하기 위하여 상기 제 1 기판(1) 및 제 3 또는 제 2 기판(3,2) 사이에 스페이서 엘리먼트(5)를 포함하고, 그리고
    상기 스페이서 엘리먼트(5) 중 적어도 일부는 상기 캡(4) 및 제 1 기판(1) 사이의 전기적 접속으로서 사용되는, 압력 센서.
  9. 압력 센서를 제조하는 방법으로서,
    제 1 기판(1)을 제공하는 단계,
    제 2 기판(2)을 제공하는 단계,
    제 3 기판(3)을 제공하는 단계,
    캐비티(41)를 상기 제 2 기판(2) 내에 제조하는 단계,
    상기 제 3 기판(3)을 제 2 기판(2)에 탑재하고, 이를 통하여 상기 제 2 기판(2) 내의 캐비티(41)를 커버하여 변형가능 멤브레인(42)에 인가된 압력을 감지하기 위한 상기 변형가능 멤브레인(42)을 형성하는 단계,
    상기 제 2 기판(2) 및 제 3 기판(3)의 어셈블리를, 상기 변형가능 멤브레인(42)이 제 1 기판(1)에 대향하고 갭(6)을 상기 변형가능 멤브레인(42) 및 제 1 기판(1) 사이에 제공하면서 상기 제 1 기판(1)의 지지부(7)에 탑재하는 단계, 및
    상기 압력 센서를 외부 디바이스로 전기적으로 연결하기 위하여 홈(10)을 콘택부(8) 주위의 상기 제 1 기판(1) 내에 제조하는 단계로서, 이를 통하여 지지부(7)가 서스펜션 엘리먼트(9)를 이용하여 상기 콘택부(8)로부터 서스펜딩하게 하는, 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐비티(41)를 상기 제 2 기판(2) 내에 제조하는 단계는, 상기 캐비티(41)를 상기 제 2 기판(2)의 벌크 재료(23) 상에 적층된 하나 이상의 층(24) 내에 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 제 3 기판(3)을 제 2 기판(2)에 탑재하여 변형가능 멤브레인(42)을 형성하는 단계는, 실리콘-온-절연체 기판을 제 2 기판(2)의 상단층에 부착시키는 단계, 실리콘-온-절연체 기판의 벌크 재료 및 절연층을 제거하고 이를 통하여 실리콘 층을 상기 제 2 기판(2) 내의 캐비티(41)에 걸치는(spanning) 변형가능 멤브레인(42)으로서 남겨두는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 홈(10)을 제 1 기판(1) 내에 제조하는 방법은, 상기 어셈블리를 제 1 기판(1)으로 부착시키기 이전에 적어도 부분적으로 제 1 기판(1) 내에 도달하는 트렌치(101)를 제조하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    부분적으로 제 1 기판(1) 내에 도달하는 트렌치(101)는 상기 어셈블리를 제 1 기판(1)에 부착시키기 이전에 이것의 전면(11)으로부터 제조되고, 그리고
    상기 제 1 기판(1) 내의 트렌치(101)는 상기 제 2 기판(2) 및 제 3 기판(3)의 어셈블리를 제 1 기판(1)에 부착시킨 이후에 이것의 후면(12)으로부터 개방되는(laid open)되는, 방법.
  13. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    전도성 비아(15)가, 처리 회로(241)를 상기 변형가능 멤브레인(42)에 대향하는 전면(11)에 대항하는 상기 제 1 기판(1)의 후면(12) 상에 구현된 전기적 콘택(16)으로 전기적으로 연결하기 위하여 상기 제 1 기판(1)을 통과하여 제조되는, 방법.
  14. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 기판(3)을 제 2 기판(2)에 탑재하는 단계는 상기 변형가능 멤브레인 외부의 제 3 기판(3)의 일부에서,
    - 상기 제 2 기판(2) 내에 하나 이상의 콘택 윈도우(244)를 제조하기 위하여 상기 제 3 기판(3)을 통과하여 에칭하는 단계, 및
    - 하나 이상의 콘택 윈도우(244)를 금속화하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 기판(1) 및 제 2 및 제 3 기판(2,3)의 어셈블리 사이의 갭(6)은 상기 제 1 기판(1) 및 제 2 및 제 3 기판(2,3)의 어셈블리 사이에 스페이서 엘리먼트(5)를 적용함으로써 제조되는, 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 트렌치(101)는 에칭에 의하여 제조되는, 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 비아(15)는 상기 제 2 기판(2) 및 제 3 기판(3)의 어셈블리를 상기 제 1 기판(1)에 탑재한 이후에 제조되는, 방법.
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