KR102642272B1 - Micromechanical sensor device and corresponding manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 마이크로기계 센서 장치 및 상응하는 제조 방법에 관한 것이다. 마이크로기계 센서 장치에는, 전면(VS)과 후면(RS) 및 후면 공동(K)을 갖는 센서 기판(MC)으로서, 상기 전면(VS)에는 센서 기판(MC)의 후면 공동(K) 위에 배치되어 실질적으로 폐쇄된 멤브레인 영역(M)이 형성되어 있는, 센서 기판과; 멤브레인 영역(M) 내에 또는 그 위에 배치된 센서 영역(SB)과; 멤브레인 영역(M) 내에 또는 그 위에 배치된, 상기 센서 영역(SB)을 가열하기 위한 가열 장치(HE);가 구비되며, 상기 멤브레인 영역(M)은 후면 공동(K)의 압력 균등화를 위한 하나 또는 복수의 압력 균등화 홀(L1 내지 L6; L1 내지 L4)을 갖는다.The present invention relates to micromechanical sensor devices and corresponding manufacturing methods. A micromechanical sensor device includes a sensor substrate (MC) having a front surface (VS), a rear surface (RS) and a rear cavity (K), the front surface (VS) disposed over the rear cavity (K) of the sensor substrate (MC). a sensor substrate on which a substantially closed membrane region (M) is formed; a sensor region (SB) disposed within or on the membrane region (M); a heating device (HE) for heating the sensor area (SB), arranged in or on the membrane area (M), wherein the membrane area (M) is provided with one for pressure equalization in the back cavity (K); Or, it has a plurality of pressure equalization holes (L1 to L6; L1 to L4).
Description
본 발명은, 마이크로기계 센서 장치 및 가열 장치를 갖는 상응하는 제조 방법에 관한 것이다.The invention relates to a corresponding manufacturing method with a micromechanical sensor device and a heating device.
가열 장치를 구비한 모든 마이크로기계 부품이 적용될 수 있지만, 본 발명 및 본 발명의 기초가 되는 문제점은 가열 장치(핫 플레이트)를 갖는 실리콘 기반 가스 센서를 갖춘 부품을 토대로 설명된다.Although any micromechanical component with a heating device can be applied, the present invention and the problem on which it is based are explained on the basis of a component with a silicon-based gas sensor with a heating device (hot plate).
마이크로 핫 플레이트는 마이크로기계 센서를 위한 중요한 구성 부품이다. 마이크로 핫 플레이트는, 기능 원리를 위해 상승된 온도를 필요로 하는 센서 원리에서 사용된다. 이와 관련해서 우선 화학적 트랜스듀서 원리를 갖는 가스 센서를 언급할 수 있다. 요구되는 화학 반응은 실온에서는 아직 일어나지 않으며, 소정의 활성 에너지 및 이와 더불어 상승된 작동 온도를 필요로 한다. 이와 같은 유형의 전통적인 센서는 예컨대, 통상 250℃ 내지 400℃에서 작동되어야 하는 금속 산화물 가스 센서이다.Micro hot plates are important components for micromechanical sensors. Micro hot plates are used in sensor principles that require elevated temperatures for their functioning. In this regard, first of all, gas sensors with a chemical transducer principle can be mentioned. The required chemical reactions do not yet occur at room temperature and require a certain activation energy and, therefore, elevated operating temperatures. Traditional sensors of this type are, for example, metal oxide gas sensors, which typically have to operate at 250°C to 400°C.
핫 플레이트는, 화학적인 센서 외에, 예컨대 열 전도성 센서, 피라니 요소(진공 센서) 또는 질량 흐름 센서와 같은 물리적 트랜스듀서 원리를 갖는 센서용으로도 사용된다.In addition to chemical sensors, hot plates are also used for sensors with a physical transducer principle, for example thermally conductive sensors, Pirani elements (vacuum sensors) or mass flow sensors.
마이크로 핫 플레이트는 종래 기술에 따라 폐쇄된 멤브레인으로서 제조되거나, 예컨대 마이크로기계식 금속 산화물 가스 센서와 같은 현가식 멤브레인을 통해서 제조되며, 이와 같은 내용은 『opportunities to improve sensor performance, Isolde Simon 외 공저, Sensors and Actuators B 73 (2001), 1~26p.』에 기술되어 있다.Micro hot plates are manufactured according to the prior art as closed membranes or via suspended membranes, for example micromechanical metal oxide gas sensors, as described in Opportunities to improve sensor performance, Isolde Simon et al., Sensors and It is described in Actuators B 73 (2001), 1~26p.
선행 기술에 따른 마이크로 핫 플레이트를 구비한 상기 유형의 센서 요소는 통상적으로 1㎜×1㎜보다 큰 가로 방향 치수를 갖는다. 예컨대 스마트폰의 경우와 같은 가전제품의 요구 수준에 부응하기 위하여, 현재 1㎜×1㎜보다 작은 가로 방향 치수로의 소형화가 추구되는 동시에 전력 수요의 감소가 요구된다. 따라서, 특수한 가열기 설계에 대한 도전 외에, 칩 접착에 이용할 수 있는 면적은 점점 더 작아지고, 이로써 제조에 적합한 조립 기술 및 연결 기술에 대한 도전도 증대되고 있다.Sensor elements of this type with micro hot plates according to the prior art typically have transverse dimensions greater than 1 mm x 1 mm. For example, in order to meet the demands of home appliances such as smartphones, miniaturization to a horizontal dimension smaller than 1 mm x 1 mm is currently being pursued, while at the same time reducing power demand is required. Therefore, in addition to the challenge of special heater design, the area available for chip bonding becomes increasingly smaller, which also increases the challenge of assembly and connection technologies suitable for manufacturing.
예컨대 OMM 기술에 의해서 제조되는 바와 같은 현가식 멤브레인은 "칩 조작(chip handling)" 및 접착과 관련해서 장점들을 갖는데, 그 이유는 이 경우에는 칩이 후면 전체에 걸쳐 접착될 수 있고, 이로써 습식 화학적 제거(예컨대 KOH를 이용함) 또는 예컨대 DRIE를 이용한 건식 에칭을 통해서 후방으로부터 제거된 멤브레인의 경우보다 가능한 접착 면적이 훨씬 더 커지기 때문이다. 하지만, 폐쇄된 멤브레인(통상적으로 이와 같은 멤브레인은 인장 응력 하에 있음)이 견고성 및 다양한 코팅 방법과의 양립성 측면에서 장점들을 가지므로, 이와 같은 멤브레인은 접착 면적이 더 작더라도 고도로 소형화된 시스템에서도 계속 자신의 존재 가치를 유지하게 될 것이다.Suspended membranes, for example as produced by OMM technology, have advantages with regard to “chip handling” and adhesion, since in this case the chips can be glued over the entire back surface, thereby eliminating the need for wet chemical This is because the possible adhesion area is much larger than in the case of a membrane removed from the rear via removal (e.g. using KOH) or dry etching, for example using DRIE. However, since closed membranes (usually such membranes are under tensile stress) have advantages in terms of robustness and compatibility with various coating methods, such membranes continue to show promise even in highly miniaturized systems, even if the adhesive area is smaller. will maintain its existence value.
OMM 기술로 제조되어 웨브에 현가된 멤브레인은 예컨대 벌크-마이크로기계 기술에 의해서 제조된 폐쇄된 멤브레인에 비해, 중앙에 있는 캐리어 구조물이 예컨대 진동 또는 충격과 같은 기계 응력에 민감하게 반응한다는 특성을 갖는다. 또한, 예컨대 시간-압력 분배(time-pressure" dispensing)와 같은 특정 코팅 방법과 관련해서 이와 같은 멤브레인의 기계적 안정성은 불충분하다. OMM 기술에 의해서 제조된 폐쇄된 멤브레인의 경우에는, 웨이퍼 표면에 제조에서 기인하는 폐쇄된 공동이 나타난다. 이 경우, 압력이 폐쇄 방법에 따라 대기압과 수 밀리바 사이에서 조절된다. 폐쇄가 대기압에서 이루어지면, 밀봉된 가스가 작동 동안 가열되어 멤브레인의 변형을 야기하게 된다. 이와 같은 상황은 재차 멤브레인 상에서 저항의 변동을 야기하고, 센서 성능에도 영향을 미친다. 폐쇄가 밀리바 범위 내에서 수행되면, 멤브레인은 주위 대기압에 의해 휘어진다. 하지만, 이와 같은 휨은 제조 공정에 부정적인 영향을 미치는데, 그 이유는 예컨대 멤브레인이 웨이퍼 표면과 동일한 초평면(focal plane) 내에 있지 않음으로써, 리소그래피 공정에서 이미징 에러가 발생하기 때문이다. 두 가지 경우 모두에서, 멤브레인의 기계적 손상을 확실하게 피할 수 있기 위하여, 특히 가스 민감성 재료의 증착 방법에 초점이 맞추어질 수밖에 없다.Membranes made by OMM technology and suspended on a web have the characteristic that the central carrier structure reacts sensitively to mechanical stresses, such as vibration or shock, for example, compared to closed membranes manufactured by bulk-micromechanical technology. In addition, the mechanical stability of such membranes in relation to certain coating methods, such as time-pressure" dispensing, is insufficient. In the case of closed membranes produced by OMM technology, the A closed cavity appears. In this case, the pressure is regulated between atmospheric pressure and a few millibars, depending on the method of closure. If closure takes place at atmospheric pressure, the sealed gas heats up during operation, causing deformation of the membrane. The same situation again causes variations in resistance on the membrane, which also affects the sensor performance. If the closure is performed in the millibar range, the membrane is deflected by the ambient atmospheric pressure. However, this deflection has a negative effect on the manufacturing process. This is because, for example, the membrane is not in the same focal plane as the wafer surface, which leads to imaging errors in the lithography process. In both cases, mechanical damage to the membrane can be reliably avoided. For this purpose, particular focus must be placed on deposition methods for gas-sensitive materials.
이로 인해, 코팅을 위해 가능한 방법이 선택이 제한되어 있다. 따라서, 구조물에 기계적으로 조금만 하중을 가하는 방법만이 고려된다. 대부분은, 박층에 기반한 층들만 예컨대 CVD 방법, PCD 방법 또는 잉크젯 방법에 의해 증착될 수 있으며, 주로 요구되는, 예컨대 분무 방법, 시간-압력에 걸친 인쇄 방법, 또는 전사 방법 혹은 스탬핑 방법에 의한, 페이스트 재료 또는 액체 재료의 코팅은 고려되지 않는다.Because of this, the choice of possible methods for coating is limited. Therefore, only methods that apply a small mechanical load to the structure are considered. In most cases, only thin-layer based layers can be deposited, for example by CVD method, PCD method or inkjet method, and mainly paste, as required, for example by spray method, time-pressure printing method or transfer method or stamping method. Coatings of materials or liquid materials are not considered.
또한, 웨브에 현가된 OMM 멤브레인의 경우에는 예컨대 더 큰 중량을 갖는 더 큰 층 두께가 중요한 것으로서 간주될 수 있는데, 그 이유는 특히 진동 발생 시 현가부에서 손상이 발생할 수 있기 때문이다.Additionally, in the case of OMM membranes suspended on a web, a larger layer thickness, for example with a higher weight, may be considered important, especially since damage may occur in the suspension in the event of vibration.
도 3은, 본 발명의 기초가 되는 문제점을 설명하기 위한 마이크로기계 센서 장치의 개략적인 횡단면도이다.Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a micromechanical sensor device to illustrate the problem underlying the present invention.
도 3에서, 참조 부호 "1"은 캐리어 기판, 예를 들어 세라믹 캐리어 기판 또는 회로 기판을 지시한다. 전면(VS) 및 후면(RS)을 가진 MEMS 센서 기판(MC)은 접착제 층(KL)에 의해 그 후면(RS)이 캐리어 기판(1) 상에 접착되어 있다.In Figure 3, reference numeral "1" indicates a carrier substrate, for example a ceramic carrier substrate or a circuit board. A MEMS sensor substrate (MC) with a front (VS) and a back (RS) is bonded on the carrier substrate (1) with its back (RS) by an adhesive layer (KL).
MEMS 센서 기판(MC)은, 후면(RS)에서 전면(VS)까지 연장되는 후면 공동(K)을 갖는다. 후면 공동(K)의 측벽(S')은 경사진 측면들을 가지며, 이 경사진 측면들은 제조 공정 시 습식 화학 에칭(예컨대 KOH)에 의해 야기된다.The MEMS sensor substrate (MC) has a back cavity (K) extending from the back side (RS) to the front side (VS). The side wall S' of the back cavity K has sloped sides, which are caused by wet chemical etching (eg KOH) during the manufacturing process.
전면(VS)에는, MEMS 센서 기판(MC)의 전면(VS)에 있는 기능 층(FS)으로부터 폐쇄된 멤브레인 영역(M)이 형성되어 있으며, 이 멤브레인 영역은 후면 공동(K) 위에 배치되어 있다. 기능 층(FS) 및 이와 더불어 멤브레인 영역(M)은 예를 들어 산화 규소, 질화 규소 또는 탄화 규소로 이루어진 단 하나의 층으로 구성될 수 있거나, 예를 들어 산화 규소 층 및 질화 규소 층으로 이루어진 층 시퀀스로 구성될 수 있으며, 이 층 시퀀스 내에 또는 그 위에 가열기 또는 전극의 기능을 가질 수 있는 추가의 금속 스트립 도체가 존재한다.On the front side (VS), a closed membrane region (M) is formed from the functional layer (FS) on the front side (VS) of the MEMS sensor substrate (MC), which is disposed over the back cavity (K). . The functional layer FS and together with it the membrane region M may consist of only one layer, for example consisting of silicon oxide, silicon nitride or silicon carbide, or a layer consisting of a silicon oxide layer and a silicon nitride layer, for example It may consist of a sequence, within or above this layer sequence there are additional metal strip conductors that may have the function of heaters or electrodes.
멤브레인 영역(M)의 중심부에 가열 장치(HE)가 통합되며, 이 가열 장치에 의해서 멤브레인 영역(M)이 미리 정해진 온도로 가열될 수 있다. 멤브레인 영역(M) 내에서 가열 장치(HE) 상부에 센서 영역(SB)이 배치되고, 이 센서 영역은 예를 들어 금속 산화물을 기반으로 하는 후막 필름 또는 금속 산화물을 기반으로 하는 박막 필름 및 그 내부에 매립된 전극을 구비하며, 이로써 예를 들어 가스 센서 장치를 구현할 수 있다.A heating device HE is integrated in the center of the membrane region M, by means of which the membrane region M can be heated to a predetermined temperature. A sensor area (SB) is arranged on top of the heating device (HE) within the membrane area (M), which consists, for example, of a thick film based on a metal oxide or a thin film based on a metal oxide and its interior. It has electrodes embedded in it, and thus, for example, a gas sensor device can be implemented.
접착제 층(KL)의 접착이 에워싸는 형태가 아님으로써(예를 들어 점 형태 또는 스트립 형상을 가짐으로써), 다시 말하자면 전체 후면(RS)을 덮지 않음으로써, 가열 장치(HE)의 가열 작동 시 후면 공동(K) 내 가스 용적이 팽창할 수 있으며, 즉, 주변과의 가스 교환 시 발생할 수 있다. 따라서, 멤브레인 영역(M)이 센서 작동 중에 이 멤브레인 영역(M)의 마모를 야기할 수 있는 지속적인 압력 변동을 겪게 되는 상황이 방지된다.Since the adhesion of the adhesive layer (KL) is not of an enclosing form (for example having a dot or strip shape), i.e. does not cover the entire rear surface (RS), the rear cavity during the heating operation of the heating device (HE) (K) Internal gas volume may expand, i.e., may occur when exchanging gases with the surroundings. This prevents the membrane area M from experiencing constant pressure fluctuations that could lead to wear of the membrane area M during sensor operation.
본 발명은, 청구항 1에 따른 마이크로기계 센서 장치 및 청구항 11에 따른 상응하는 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a micromechanical sensor device according to
바람직한 개선예들은 개별 종속 청구항들의 대상이다.Preferred improvements are the subject of the individual dependent claims.
본 발명의 기초가 되는 사상은, 멤브레인 영역이 후면 공동의 압력 균등화를 위한 하나 또는 복수의 압력 균등화 홀을 갖는다는 데 있다.The idea underlying the invention is that the membrane area has one or more pressure equalization holes for pressure equalization of the back cavity.
이로써, 본 발명은, 센서 기판이 소형화된 경우에 전체적으로 또는 실질적으로 환형으로 주변을 둘러싸는 접착 상태를 제공하고, 이와 같은 환형의 접착 상태에도 불구하고 충분한 가스 교환을 구현하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 센서 기판이 조립 및 연결 기술에서 필수적인 가열 단계 동안 가스 팽창으로 인해 기울어져서 후속하는 와이어 본딩 공정이 불가능해지는 상황이 방지될 수 있다. 또한, 가열 장치의 가열 동작 중에 압력 변동이 방지되거나 보상될 수 있다.Accordingly, the present invention provides an adhesion state that completely or substantially surrounds the sensor substrate in a circular shape when the sensor substrate is miniaturized, and makes it possible to implement sufficient gas exchange despite this annular adhesive state. Thus, a situation can be prevented where the sensor substrate becomes tilted due to gas expansion during the heating step, which is essential in the assembly and connection technology, making the subsequent wire bonding process impossible. Additionally, pressure fluctuations can be prevented or compensated for during the heating operation of the heating device.
또 다른 장점은 후속 가공 단계들을 위한 높은 제조 안전성이다. 압력 균등화 홀은, 웨브에 현가된 멤브레인에 비해 클램핑되어 폐쇄된 멤브레인의 바람직한 특성들이 그대로 유지되도록 배치/설계될 수 있다. 충분한 환기를 위해서는, 수 ㎛ 직경의 범위 내 홀들로도 충분하다.Another advantage is high manufacturing safety for subsequent processing steps. The pressure equalization holes can be positioned/designed to maintain the desirable properties of a clamped closed membrane compared to a membrane suspended in a web. For sufficient ventilation, holes within the range of several micrometers in diameter are sufficient.
작은 접착 면적에도 불구하고(센서 요소의 전형적인 가로 방향 치수는 1㎜ x 1㎜ 이하임) 견고한 접착 공정이 달성될 수 있다.Despite the small bonding area (typical transverse dimensions of the sensor element are less than 1 mm x 1 mm), a robust bonding process can be achieved.
가스 교환은 진공 센서 및 열 전도성 센서에서 특히 유리한데, 그 이유는 이와 같은 센서들에서는 측정 원리가, 가열 소자의 열 방출이 주변 가스의 열 전도성에 따라 변하는 점에 기반하기 때문이다. 환기가 이루어지지 않는 경우에는, 멤브레인 상부의 가스만 측정에 기여할 수 있으며, 환기가 이루어지는 경우에는, 멤브레인 하부의 가스도 측정 신호에 기여한다.Gas exchange is particularly advantageous in vacuum sensors and thermal conductivity sensors, since in these sensors the measuring principle is based on the heat emission of the heating element varying with the thermal conductivity of the surrounding gas. In the case of no ventilation, only the gas above the membrane can contribute to the measurement; in the case of ventilation, the gas below the membrane also contributes to the measurement signal.
바람직한 일 개선예에 따라, 압력 균등화 홀(들)이 상이한 크기로 제공된다. 이로써, 기계적 안정성과 관련하여 최적화가 달성될 수 있다.According to one preferred development, the pressure equalization hole(s) are provided in different sizes. In this way, optimization with regard to mechanical stability can be achieved.
바람직한 일 개선예에 따라, 압력 균등화 홀(들)은 센서 영역 및 가열 장치의 외부에서 멤브레인 영역의 외측 가장자리 영역에 배열된다. 이로써, 압력 균등화 홀들이 센서 기능에 영향을 미치지 않는다. 멤브레인의 가급적 높은 기계적 안정성을 보장할 수 있기 위하여, 이상적으로는 최소 응력을 갖는 멤브레인 영역 또는 그 근처의 영역에 홀들이 형성된다.According to one preferred development, the pressure equalization hole(s) are arranged in the area of the outer edge of the membrane area, outside the sensor area and the heating device. Thereby, the pressure equalization holes do not affect the sensor function. In order to ensure the highest possible mechanical stability of the membrane, the holes are ideally formed in or near the area of the membrane with minimal stress.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 후면 공동의 측벽이 전면에 대해 실질적으로 수직으로 연장된다. 이는 추가의 소형화를 가능하게 한다.According to another preferred development, the side walls of the rear cavity extend substantially perpendicularly to the front surface. This enables further miniaturization.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 후면은 접착제 영역에 의해서, 후면에 형성된 후면 공동이 밀봉 폐쇄되도록 캐리어 기판상에 접착된다. 이는 소형화 정도가 높아지는 경우에 안정성을 증가시킨다.According to another preferred development, the rear surface is glued onto the carrier substrate such that the rear cavity formed on the rear surface is hermetically closed by means of an adhesive area. This increases stability when the degree of miniaturization increases.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 후면이 접착제 영역에 의해서 캐리어 기판상에 접착되며, 이 경우 후면 공동의 압력 균등화를 위한 압력 균등화 채널이 센서 기판 내에 제공된다. 이는 안정성을 감소시키기 않으면서 압력 균등화를 더욱 향상시킨다.According to another preferred development, the back side is glued onto the carrier substrate by means of an adhesive region, in which case a pressure equalization channel for pressure equalization of the back side cavity is provided in the sensor substrate. This further improves pressure equalization without reducing stability.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 후면은 접착제 영역에 의해서 캐리어 기판상에 접착되며, 이 경우 후면 공동의 압력 균등화를 위한 압력 균등화 채널이 캐리어 기판 내에 제공된다. 이는 안정성을 감소시키기 않으면서 압력 균등화를 훨씬 더 향상시킨다.According to another preferred development, the back side is glued onto the carrier substrate by means of an adhesive region, in which case a pressure equalization channel for pressure equalization of the back side cavity is provided in the carrier substrate. This provides much better pressure equalization without reducing stability.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 가열 장치가 멤브레인 영역 내에 삽입되고, 센서 영역이 상기 멤브레인 영역 상에서 가열 장치 상부에 제공된다. 이로써, 효과적인 가열 기능이 보장된다.According to another preferred development, a heating device is inserted into the membrane area and a sensor area is provided on top of the heating device on the membrane area. This ensures an effective heating function.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 센서 영역은 가스 센서 영역 또는 열 전도성 센서 영역 또는 적외선 센서 영역 또는 질량 흐름 센서 영역을 포함한다.According to another preferred refinement, the sensor area comprises a gas sensor area or a thermally conductive sensor area or an infrared sensor area or a mass flow sensor area.
또 다른 바람직한 일 개선예에 따라, 압력 균등화 홀(들)은 1 내지 50㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 직경을 갖는다. 이러한 직경은 압력 균등화 홀들의 기계적 영향을 감소시키며, 바람직한 압력 균등화 기능을 위해 충분하다. 바람직하게는, 압력 균등화 홀들이 기계 응력을 적게 받는 멤브레인 영역의 영역들에 놓이며, 그리고/또는 압력 균등화 홀들이 가열 장치 및 센서 영역의 영역에 놓인다.According to another preferred development, the pressure equalization hole(s) have a diameter of 1 to 50 μm, preferably 1 to 10 μm. This diameter reduces the mechanical influence of the pressure equalization holes and is sufficient for a desirable pressure equalization function. Preferably, the pressure equalization holes are located in areas of the membrane area that are subject to low mechanical stress and/or the pressure equalization holes are located in areas of the heating device and sensor area.
본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은 이하에서 도면들과 관련한 실시예들을 토대로 설명된다.
도 1a) 및 도 1b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로기계 센서 장치를 설명하기 위한 개략도로서, 특히 도 1a)는 횡단면도이고 도 1b)는 평면도이다.
도 2a) 및 도 2b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로기계 센서 장치를 설명하기 위한 개략도로서, 특히 도 2a)는 평면도이고 도 2b)는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 기초가 되는 문제점을 설명하기 위한 마이크로기계 센서 장치의 개략적인 횡단면도이다.Further features and advantages of the present invention are explained below based on embodiments in conjunction with the drawings.
FIGS. 1a) and 1b) are schematic diagrams for explaining a micromechanical sensor device according to a first embodiment of the present invention. In particular, FIG. 1a) is a cross-sectional view and FIG. 1b) is a top view.
FIGS. 2a) and 2b) are schematic diagrams for explaining a micromechanical sensor device according to a second embodiment of the present invention. In particular, FIG. 2a) is a top view and FIG. 2b) is a side view.
Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a micromechanical sensor device to illustrate the problem underlying the present invention.
각각의 도면에서 동일한 참조 부호는 동일하거나 기능적으로 동일한 요소들을 지시한다.The same reference numerals in each drawing indicate identical or functionally identical elements.
도 1a) 및 도 1b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로기계 센서 장치를 설명하기 위한 개략도로서, 특히 도 1a)는 횡단면도로 그리고 도 1b)는 평면도로 도시되어 있다.FIGS. 1a) and 1b) are schematic diagrams for explaining a micromechanical sensor device according to a first embodiment of the present invention, in particular, FIG. 1a) is shown in cross-section and FIG. 1b) is shown in plan view.
도 1a) 및 도 1b)에서, 참조 부호 "1"은 캐리어 기판, 예를 들어 세라믹 캐리어 기판 또는 회로 기판을 지시한다. 전면(VS) 및 후면(RS)을 구비한 MEMS 센서 기판(MC)은 접착제 층(KL)에 의해서 그 후면(RS)이 캐리어 기판(1) 상에 접착되어 있다. 접착제 층(KL)의 접착은 주연부에 걸쳐 구현되며, 이는 소형화가 진행되면서 안정성을 지원한다.In Figures 1a) and 1b), the reference numeral "1" indicates a carrier substrate, for example a ceramic carrier substrate or a circuit board. The MEMS sensor substrate (MC), which has a front (VS) and a rear (RS), has its rear (RS) adhered to the carrier substrate (1) by an adhesive layer (KL). Adhesion of the adhesive layer (KL) is achieved over the perimeter, which supports stability as miniaturization progresses.
MEMS 센서 기판(MC)은, 후면(RS)으로부터 전면(VS)까지 연장되는 후면 공동(K)을 구비한다. 후면 공동(K)의 측벽(S)은 위에서 도 3과 관련하여 기술한 후면 공동과 달리 수직의 측면들을 가지며, 이 측면들은 제조 공정 중에 이방성 에칭에 의해 야기된다. 이는 소형화를 지원한다. 측벽(S)이 곧은 수직 형상을 취하고 멤브레인 영역(M)의 평면 또는 전면(VS)에 대해 실질적으로 수직으로 연장됨으로써, 사전 설정된 멤브레인 영역의 크기에서 가급적 작은 센서 장치가 구현될 수 있다. 이를 위해 특히 바람직한 한 가지 가능성은 건식 에칭 공정(DRIE)의 적용이다.The MEMS sensor substrate (MC) has a back cavity (K) extending from the back side (RS) to the front side (VS). The side walls S of the back cavity K have vertical sides, unlike the back cavity described above in relation to FIG. 3, which are caused by anisotropic etching during the manufacturing process. This supports miniaturization. By having the side wall (S) take a straight vertical shape and extending substantially perpendicular to the plane or front surface (VS) of the membrane area (M), a sensor device that is as small as possible in the size of the preset membrane area can be realized. One particularly desirable possibility for this is the application of a dry etching process (DRIE).
전면(VS)에는, MEMS 센서 기판(MC)의 전면(VS) 상의 기능 층(FS)으로부터 폐쇄된 멤브레인 영역(M)이 형성되고, 이 멤브레인 영역은 후면 공동(K)의 상부에 배치된다. 기능 층(FS) 및 이와 더불어 멤브레인 영역(M)은 예를 들어 산화 규소, 질화 규소 또는 탄화 규소로 이루어진 단일층으로 구성될 수 있거나, 예를 들어 산화 규소 층들 및 질화 규소 층들로 이루어진 층 시퀀스로 구성될 수 있으며, 이 층 시퀀스 내에 또는 그 위에는 가열기 또는 전극의 기능을 가질 수 있는 추가 금속 스트립 도체가 존재한다.On the front side (VS), a closed membrane region (M) is formed from the functional layer (FS) on the front side (VS) of the MEMS sensor substrate (MC), which is disposed on top of the back cavity (K). The functional layer FS and together with it the membrane region M may consist of a single layer, for example consisting of silicon oxide, silicon nitride or silicon carbide, or in a layer sequence consisting of silicon oxide layers and silicon nitride layers, for example. It can be constructed that within or on this layer sequence there are additional metal strip conductors that can have the function of heaters or electrodes.
멤브레인 영역(M)의 중심부에 가열 장치(HE)가 통합되며, 이 가열 장치에 의해서 멤브레인 영역(M)이 미리 정해진 온도로 가열될 수 있다. 멤브레인 영역(M) 내에서 가열 장치(HE)의 상부에 센서 영역(SB)이 배치되고, 이 센서 영역은 예를 들어 금속 산화물을 기반으로 하는 후막 필름 또는 금속 산화물을 기반으로 하는 박막 필름을 전극 구조물 상에 구비하고, 이로써 예를 들어 가스 센서 장치를 구현할 수 있다.A heating device HE is integrated in the center of the membrane region M, by means of which the membrane region M can be heated to a predetermined temperature. A sensor area (SB) is arranged on top of the heating device (HE) within the membrane area (M), which contains, for example, a thick film based on a metal oxide or a thin film based on a metal oxide as an electrode. It is provided on the structure, and thereby, for example, a gas sensor device can be implemented.
도 3과 관련하여 위에서 설명한 MEMS 센서 장치와 달리, 제1 실시예의 멤브레인 영역(M)은 압력 균등화 홀(L1, L2, L3, L4, L5, L6)을 구비하며, 이들 압력 균등화 홀은 가열 장치(HE) 및 그 위에 배치된 센서 영역(SB)의 외부에서 멤브레인 영역(M)의 가장자리 영역에 배열된다.Unlike the MEMS sensor device described above with reference to Figure 3, the membrane region M of the first embodiment is provided with pressure equalization holes L1, L2, L3, L4, L5, L6, which are connected to the heating device. (HE) and outside the sensor area (SB) disposed thereon, in the edge area of the membrane area (M).
상기 압력 균등화 홀들은 바람직하게 1 내지 50㎛, 더 바람직하게는 1 내지 10㎛의 직경을 갖는다. 바람직하게는 압력 균등화 홀들(L1, L2, L3, L4, L5, L6)이, 멤브레인 영역(M) 중 기계 응력을 적게 받는 영역들에 배열된다. 압력 균등화 홀들은 압력 균등화 효과 외에 멤브레인 영역(M)의 열절연도 개선할 수 있다.The pressure equalization holes preferably have a diameter of 1 to 50 μm, more preferably 1 to 10 μm. Preferably, the pressure equalization holes L1, L2, L3, L4, L5, L6 are arranged in areas of the membrane area M that experience less mechanical stress. In addition to the pressure equalization effect, the pressure equalization holes can also improve the thermal insulation of the membrane area (M).
도 2a) 및 도 2b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로기계 센서 장치를 설명하기 위한 개략도로서, 특히 도 2a)는 평면도로 그리고 도 2b)는 측면도로 도시되어 있다.FIGS. 2a) and 2b) are schematic diagrams for explaining a micromechanical sensor device according to a second embodiment of the present invention, in particular, FIG. 2a) is shown in a top view and FIG. 2b) is shown in a side view.
제2 실시예에서는 센서 기판(MC) 내에 압력 균등화 채널(AK)이 추가로 제공되며, 이 압력 균등화 채널이 캐리어 기판(1) 상에 접착된 상태(본 도면에는 도시되어 있지 않음)에서 접착제 층(KL)의 빈 영역에 위치함에 따라, 상기 압력 균등화 채널(AK)에 의해 추가의 압력 균등화가 가능하다. 그러므로 제2 실시예에서는 단 4개의 압력 균등화 홀(L1, L3, L4, L6)만 제공된다. 압력 균등화 채널(AK)의 형상에 따라, 이들 압력 균등화 홀(L1, L3, L4, L6)도 생략될 수도 있다.In the second embodiment, a pressure equalization channel (AK) is additionally provided in the sensor substrate (MC), and in a state where this pressure equalization channel is glued on the carrier substrate (1) (not shown in this figure), an adhesive layer is applied. Due to its location in the empty area of (KL), additional pressure equalization is possible by means of the pressure equalization channel (AK). Therefore, in the second embodiment, only four pressure equalization holes (L1, L3, L4, L6) are provided. Depending on the shape of the pressure equalization channel AK, these pressure equalization holes L1, L3, L4, and L6 may also be omitted.
상기 내용을 제외하고, 제2 실시예는 제1 실시예와 동일하다.Except for the above, the second embodiment is the same as the first embodiment.
(도면에 도시되어 있지 않은) 또 다른 일 실시예에서는, 센서 기판(MC) 내 압력 균등화 채널(AK)에 추가로 또는 대안적으로 캐리어 기판(1) 내에서 후면 공동(K)의 하부에 압력 균등화 채널이 제공될 수 있다.In another embodiment (not shown in the drawing), the pressure at the bottom of the back cavity (K) in the carrier substrate (1) additionally or alternatively to the pressure equalization channel (AK) in the sensor substrate (MC) An equalization channel may be provided.
제1 또는 제2 실시예에 따른 MEMS 센서 장치의 제조 시, 압력 균등화 홀들은 에칭 공정, 예를 들어 건식 에칭 공정에 의해서 또는 레이저 공정에 의해서 제조될 수 있다.When manufacturing the MEMS sensor device according to the first or second embodiment, the pressure equalization holes may be manufactured by an etching process, for example a dry etching process or by a laser process.
본원에 기술된 멤브레인 영역(M)의 제조 방법은, 멤브레인 영역(M) 아래에 놓여 있는 규소 층이 DRIE 에칭 공정에 의해서 제거되는 웨이퍼 후면(RS)의 제거 에칭 공정이기 때문에, 그 이전의 일 공정 단계에서 이미 압력 균등화 홀(L1 내지 L6 또는 L1 내지 L4)이 기능 층(FS) 내에 그리고 이로써 멤브레인 영역(M) 내에 형성된 것이 바람직하다. 멤브레인 영역(M)의 제거가 진행되는 동안 상기 압력 균등화 홀들이 개방되고, 향후의 센서 요소 내 멤브레인 영역(M)의 전면과 후면 간의 압력 균등화가 가능해진다.Since the method of manufacturing the membrane region (M) described herein is a removal etching process of the backside of the wafer (RS) in which the silicon layer lying under the membrane region (M) is removed by the DRIE etching process, a previous process It is preferred that pressure equalization holes (L1 to L6 or L1 to L4) have already been formed in the functional layer (FS) and thereby in the membrane region (M) in the step. During the removal of the membrane area M, the pressure equalization holes are opened, enabling pressure equalization between the front and back of the membrane area M in the future sensor element.
본 발명을 바람직한 실시예들을 참조해서 기술하였지만, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되지는 않는다. 특히, 언급한 재료들 및 형상들은 단지 예시일 뿐이며, 설명된 예들에 한정되지 않는다.Although the invention has been described with reference to preferred embodiments, the invention is not limited to these embodiments. In particular, the materials and shapes mentioned are merely examples and are not limited to the examples described.
제1 또는 제2 실시예에 도시된 압력 균등화 홀들의 위치들 외에, 다른 구현 예들, 예를 들면 다른 개수의 홀/홀 형상 또는 슬롯형 구성 등도 고려될 수 있다.In addition to the positions of the pressure equalization holes shown in the first or second embodiment, other implementations may also be considered, such as other numbers of holes/hole shapes or slotted configurations.
본 발명에 따른 MEMS 센서 장치의 매우 바람직한 용례는 일반적으로, 예를 들어 금속 산화물 가스 센서와 같은 화학식 가스 센서, 열 전도성 센서, 피라니(Pirani) 소자, 질량 흐름 센서(예: 공기 유량계), 마이크로기계 멤브레인 기반의 람다 프로브(lambda probe), 적외선 센서 장치 등 외에 가열 장치 및 멤브레인을 구비한 모든 센서 장치이다.Very preferred applications of the MEMS sensor device according to the invention are generally, for example, chemical gas sensors such as metal oxide gas sensors, thermal conductivity sensors, Pirani elements, mass flow sensors (e.g. air flow meters), micro In addition to mechanical membrane-based lambda probes and infrared sensor devices, these are all sensor devices equipped with heating devices and membranes.
Claims (15)
상기 멤브레인 영역(M) 내에 또는 그 위에 배치된 센서 영역(SB)과;
상기 멤브레인 영역(M) 내에 또는 그 위에 배치되고 상기 센서 영역(SB)을 가열하기 위한 가열 장치(HE);
를 구비한 마이크로기계 센서 장치이며,
상기 멤브레인 영역(M)이 후면 공동(K)의 압력 균등화를 위한 하나 또는 복수의 압력 균등화 홀을 포함하고,
후면(RS)은 접착제 영역(KL)에 의해서, 상기 후면에 형성된 후면 공동(K)이 밀봉 폐쇄되도록 캐리어 기판(1) 상에 접착되는, 마이크로기계 센서 장치.A sensor substrate (MC) having a front side (VS), a back side (RS) and a back cavity (K), wherein the front side (VS) has a closed membrane region disposed over the back cavity (K) of the sensor substrate (MC) A sensor substrate on which M) is formed;
a sensor area (SB) disposed within or on the membrane area (M);
a heating device (HE) disposed within or on the membrane area (M) and for heating the sensor area (SB);
It is a micromechanical sensor device equipped with,
wherein the membrane area (M) includes one or more pressure equalization holes for pressure equalization of the rear cavity (K),
A micromechanical sensor device, wherein the rear surface (RS) is glued onto the carrier substrate (1) by means of an adhesive region (KL) such that the rear cavity (K) formed on the rear surface is hermetically closed.
전면(VS)과 후면(RS) 및 후면 공동(K)을 갖는 센서 기판(MC)을 형성하는 단계로서, 상기 전면(VS)에, 센서 기판(MC)의 후면 공동(K)의 상부에 배치되고 폐쇄된 멤브레인 영역(M)을 형성하는 단계와,
상기 멤브레인 영역(M) 내에 또는 그 위에 배치되는 센서 영역(SB)을 형성하는 단계와,
상기 멤브레인 영역(M) 내에 또는 그 위에 배치되어 상기 센서 영역(SB)을 가열하기 위한 가열 장치(HE)를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 멤브레인 영역(M)은, 후면 공동(K)의 압력 균등화를 위한 하나 또는 복수의 압력 균등화 홀을 갖도록 형성되고,
후면(RS)은 접착제 영역(KL)에 의해서, 상기 후면에 형성된 후면 공동(K)이 밀봉 폐쇄되도록 캐리어 기판(1) 상에 접착되는, 마이크로기계 센서 장치의 제조 방법.A method for manufacturing a micromechanical sensor device, comprising:
Forming a sensor substrate (MC) having a front surface (VS), a rear surface (RS) and a rear cavity (K), wherein the front surface (VS) is disposed on top of the rear cavity (K) of the sensor substrate (MC). forming a closed membrane region (M);
forming a sensor region (SB) disposed within or on the membrane region (M);
forming a heating device (HE) disposed within or on the membrane region (M) for heating the sensor region (SB),
The membrane area (M) is formed to have one or more pressure equalization holes for pressure equalization of the rear cavity (K),
A method for manufacturing a micromechanical sensor device, wherein the rear surface (RS) is glued onto the carrier substrate (1) by means of an adhesive region (KL) such that the rear cavity (K) formed on the rear surface is hermetically closed.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |