KR19990036806A - 멤브레인을 포함하는 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤브레인을 포함한 센서에 관한 것으로서, 상기 멤브레인 위에는 하나 이상의 저항부재(4)가 설치되어 있다. 상기 멤브레인은 복수개의 부분막(11, 12, 13)으로 이루어진 하나의 멤브레인막(10)으로 구성되어 있다. 또한, 덮개막이 구비되어 있다. 상기 덮개막은 복수개의 부분막(21, 22)으로 구성되어 있다. 상기 멤브레인과 덮개막의 부분막들은 멤브레인 내에서와 마찬가지로 덮개막 내에서의 인장응력이 낮도록, 특히 상호간에 거의 동일한 인장응력을 갖도록 하는 방식으로 선택적으로 조절된다.

Description

멤브레인을 포함하는 센서

본 발명은 독립 청구범위의 특징에 따른 멤브레인을 포함한 센서에 관한 것이다.

WO 89/05963에는 이미 멤브레인이 달린 대용량 흐름센서가 공지되어 있으며, 이 센서에서는 멤브레인이 복수개의 유전막으로 구성되어 있다. 상기 멤브레인 위에는 멤브레인을 가열하는 역할을 수행하며 멤브레인의 열을 측정하는 역할을 하는 얇은 저항부재들이 설치되어 있다. 상기 멤브레인은 복수개의 막들로 구성되어 있으며 이 막들은 그 열팽창-계수를 고려하여 선택되기 때문에 실리콘 프레임과 비교하여 낮은 인장응력을 갖도록 조절된다. 상기 멤브레인과 저항부재들의 상측에는 마찬가지로 유전물질로 이루어진 덮개막이 증착되어 있다.

독립항에 나타난 특징적인 요지들을 포함하는 본 발명의 센서는 종래기술과는 달리 내부에서도 마찬가지로 낮은 인장응력을 갖는 덮개막을 사용함으로써 멤브레인의 안정성을 향상시키는 효과를 지닌다.

종속항들에서 실시된 방법들을 사용함으로써 독립항에 따른 상기 센서의 효과적인 재구성 및 개선이 가능하다. 상기 덮개막을 다중층으로 구성함으로써 덮개막내부 응력레벨을 조절할 수 있는 가능성들이 향상되었다. 또한, 다층 구조이기 때문에 상기 덮개막에 대한 여러가지 요구조건들, 특히, 상기 덮개막의 점착력과 농도에 대한 요구조건들이 향상되었다. 소정 실리콘 잔여물이 남는 제 1 부분막을 사용함으로써 얇은 막으로 된 상기 저항부재들에 대하여 매우 우수한 점착력을 얻는다. 그 위에서 분리증착되는 화학량론적 실리콘산화막을 이용했기 때문에 습윤보호성이 매우 뛰어나다. 또한, 산화실리콘으로 이루어진 제 1 부분막과 그 위에 산화실리콘, 질화실리콘 또는 소정의 인장응력을 갖도록 상기 두 가지의 조합으로 구성된 또 하나의 제 2 부분막을 사용할 수 있다. 개별 막들의 기전력 강도를 줄일 수 있고 상기 막들의 박탈현상을 방지할 수 있기 때문에 상기 멤브레인의 인장응력이 상기 덮개막의 인장응력과 거의 동일하도록 대칭구조로 구성하는 것이 바람직하다. 상기 막들은 계속적으로 상호 천이할 수 있다.

도 1는 본 발명에 따른 멤브레인과 센서를 도시한 평면도

도 2는 멤브레인이 부착된 센서의 단면도

도 3 및 도 4는 멤브레인과 덮개막을 형성하기 위한 막형성 공정의 세부 공정 순서도.

* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 센서 2 : 프레임

3 : 멤브레인 4 : 가열장치(저항부재)

5 : 온도측정부재(저항부재) 6 : 도전선

10 : 멤브레인막 11, 12, 13 : 부분막

본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있으며, 하기에 세부적으로 설명한다.

도 1에는 대용량 흐름센서(1)의 평면도 및 단면도가 도시되어 있다. 상기 대용량 흐름센서(1)는 단결정 실리콘으로 이루어진 프레임(2)을 구비하고 있다. 상기 프레임 내부에는 멤브레인(3)이 구성되어 있다. 상기 멤브레인(3) 위에는 가열장치(4)가 설치되어 있고, 상기 가열장치(4)의 양측으로 각각 하나의 온도측정부재(5)가 설치되어 있다. 도전선(6)을 통해 상기 가열장치(4)와 온도측정부재(5)는 연결영역(7)을 통해 연결되어 있다. 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이 상기 멤브레인(3)은 멤브레인막(10)으로 구성되어 있으며, 그 위에 가열장치(4)와 온도측정부재(5)가 설치되어 있다. 상기 가열장치(4)와 온도측정부재(5)의 멤브레인막(10) 상측에는 덮개막(20)이 씌워져 있다.

실리콘프레임(2)용으로는 일반적으로 단결정 실리콘을 사용한다. 상기 프레임(2)은 단결정 실리콘기판이 이방성 식각을 통해 식각되는 동안에 형성된다. 이 때 특성을 지닌 경사 측벽이 형성되며 이는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 식각공정들은 일반 멤브레인막(10)을 증착한 후에, 본 발명에 따라 추후 공정절차에 따라 공정실 내에서 수행된다. 실리콘 기판위에 있는 멤브레인막(10)을 분리 증착한 다음에는 가열장치(4)와 온도측정부재(5)용 박막들을 증착한다. 이 때 일반적으로 예를 들자면, 플라틴 또는 그와 비슷한 종류의 금속으로 이루어진 박막을 사용하는 것이 중요하다. 상기 구조를 통하여 금속막으로부터 저항부재, 즉 상기 가열장치(4)와 온도측정부재(5)를 구성하는 저항부재들이 구성된다. 또한, 박막층들로부터 도전선 및 연결영역(7)이 구성된다. 다음 공정절차들로서 덮개막(10)이 증착된다.

전기 전류를 상기 가열장치(4)인 저항부재를 통과하도록 도통시킴으로써 멤브레인(3)을 가열한다. 대기흐름의 통과시에 상기 멤브레인은 전류강도에 따라 냉각된다. 상기 온도측정부재(5)의 저항부재를 통하는 전기저항은 온도에 따라 좌우된다. 상기 온도측정부재(5)의 저항을 측정함으로써 상기 멤브레인(3)이 얼마나 많이 냉각되었는지를 측정하고 이로써 통과한 전류의 강도를 계산한다.

센서의 수명이 길도록 보장하기 위하여 멤브레인(3) 내의 응력레벨을 조절해야만 한다. 상기 멤브레인의 열내구성이 크기 때문에, 사용하는 물질의 열팽창 계수를 고려해야만 한다. 상기 멤브레인막(10)과 덮개막(20) 용으로는 일반적으로 유전체 물질을 사용하고 상기 저항부재(4, 5)용으로는 금속을 이용한다. 이 물질들은 열팽창계수 면에 있어서 상기 프레임(2)의 실리콘과는 분명한 차이가 난다. WO 89/05963에는 상기 멤브레인막(10)을 두 부분으로 이루어진 막으로 구성하여, 그 중 하나의 막은 열팽창계수가 실리콘(질화실리콘)보다 크게 하고 다른 하나는 실리콘(질화실리콘)보다 적은 열팽창계수를 갖는 물질로 구성하는 방법이 공지되어 있다. 이렇게 두 개의 부분으로 구성함으로써 멤브레인막(10)은 실리콘 프레임의 열팽창계수에 비추어 볼 때 적합한 정도의 열팽창계수를 갖게 된다. 그러나 이 경우에 있어서는 상기 덮개막(20)은 고려하지 않았다.

도 3에는 본 발명에 따른 가열장치(4) 주변의 멤브레인(3) 구조가 단면도로 도시되어 있다. 상기 멤브레인막(10)은 여기서는 세 개의 부분막, 특히 하나는 실리콘산화막(11), 그 위에 증착된 실리콘질화막(12)과, 상기 실리콘질화막(12) 위에 증착된 실리콘산화막(13)으로 구성되어 있다. 제 1 실리콘산화막(11)은 종래의 방법에 따라 특히 실리콘 열산화방식으로 또는 실리콘산화막들을 분리증착방법에 의거하여 제조된다. 그 위에, 실리콘 질화막(12)이 상기 막들을 분리증착시키기 위한 통상적인 방법(화학 분리증착법 또는 플라즈마 지지 화학 분리증착방법)에 따라 형성된다. 상기 실리콘 질화막(12) 위에 증착된 또하나의 실리콘 산화막(13)은 재산화를 통하여, 즉 상기 실리콘질화막(12)의 얇은 표피층을 변환시킴으로써 형성된다. 이 과정은 높은 온도에서 실리콘질화막 표면을 수분 또는 산성물질로 코팅시킴으로써 수행한다. 이와 같이 재산화된 실리콘산화막(13)의 효과는 그 밑에 놓인 실리콘 질화막(12)에 대한 점착성이 탁월하다는 데에 있으며, 상기 가열장치(4)의 저항부재를 구성하는 그 위에 증착된 금속막의 점착성이 뚜렷이 향상되었다는데 있다. 상기 막들(11, 12, 13)의 두께와 내부 응력레벨은 전체 멤브레인막(10)의 인장응력이 프레임(2)의 실리콘에 비해 낮도록 조절된다. 상기 저항부재를 증착 구성한 후에는 제 1 덮개막(21)과 제 2 덮개막(22)으로 이루어진 이중 덮개막이 증착된다. 제 1 덮개막(21)은 사실상 산화실리콘으로 이루어져 있다. 왜냐하면, 이 물질은 재산화된 실리콘 질화막(13)과 마찬가지로 상기 저항부재들(4,5) 및 도전선(6) 금속 위에의 점착성이 매우 뛰어나기 때문이다. 이와 같이 산화실리콘으로 이루어진 제 1 덮개막(21) 위에 제 2 덮개막(22)이 형성된다. 상기 두 개의 막들(21, 22)은 열팽창계수 면에서도 마찬가지로 상기 프레임(2)의 실리콘과 비교해 보아 그 인장응력이 작도록 조절된다. 이때 상기 덮개막(20)의 낮은 인장응력이 멤브레인막(10) 내부의 인장응력에 상응하도록 조절하는 것이 바람직하다. 이는 제조공차가 100%에 달할 수도 있기 때문이다. 그러나, 덮개막(20) 내의 인장응력이 멤브레인막(10)의 인장응력과 동일할 때 최고치를 기대할 수 있다. 상기 덮개막(20)의 인장응력이 작도록 구성함으로써 멤브레인(3) 내부의 기계적 변형률이 감소된다. 이를 통해 덮개막(20)이 멤브레인막(10)에 또는 저항부재들(4, 5)에 잘 점착된다. 또한 상기 저항부재들(4, 5)은 기계적 장력을 받지 않도록 증착되기 때문에 상기 부재들의 멤브레인막(10)에의 점착력 또한 향상된다. 또한 상기 저항부재들 내부의 전기 저항은 아울러 상기 저항부재들 내부의 기계적 응력레벨에 따라 달라지기 때문에 상기 덮개막 내부의 낮은 인장응력을 조절함으로써 상기 저항부재들(4, 5)의 저항값 조절이 증대된다. 또한, 상기 응력레벨로 인하여 오염물질의 금속내 침투가 조장된다는 사실에 대해서는 이미 알려져 있다. 이러한 효과도 본 발명을 통해 방지하거나 감소시킬 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 덮개막(21, 22)용 물질로서는 사실상 또다시 질화실리콘 및 산화실리콘을 사용한다. 이때 생길 수 있는 막결과는 예를 들자면 제 1 덮개막(21)이 실리콘 잔여물이 적은 실리콘산화막으로써 형성된다는 점이다. 이와같은 실리콘 산화막들은 인장응력에 있으며 상기 실리콘잔여물로 인하여 금속막에의 점착력이 탁월하다. 또한, 제 1 덮개막(21) 내부에 남은 적은 잔여실리콘들은 금속 저항부재들, 특히 플라틴으로 이루어진 금속 저항부재들의 저항계수의 수명이 오래 지속되도록 하는데 긍정적인 영향을 미친다. 이와 같이, 잔여실리콘이 적은 실리콘산화막으로 이루어진 상기 제 1 덮개막(21)의 인장응력을 보상하기 위하여 제 2 덮개막(22)용 화학양론 실리콘 산화막이 분리증착된다. 그와 같은 화학양론 실리콘 산화막은 압력응력을 갖는다. 이 때 막두께는 상기 덮개막(20) 전체적으로 제 1 덮개막(21)과 제 2 덮개막(22)으로 이루어지고 인장응력이 낮도록 하는 방식으로 선택한다. 화학양론 실리콘 산화막들은 이미 습기가 들어오지 못하도록 구성되어 있기 때문에 상기 이중덮개막 구조를 통하여 응력레벨만을 원하는 값으로 낮추어 조절할 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 습기 차단효과도 얻어낼 수 있게 된다. 본 발명에 따르는 덮개막(20)을 위한 다른 하나의 구성으로서는 상기 제 1 덮개막(21)용으로는 실리콘산화막을, 예를 들어 화학양론 실리콘 산화막으로서 소정 압력응력으로 분리증착되도록 구성하는 방법이 있다. 이와 같은, 소정 압력응력을 지니는 실리콘 산화막으로서의 제 1 덮개막(21) 상부에 소정 인장응력을 갖는 제 2 덮개막(22)을 분리증착한다. 이 경우에 상기 제 2 덮개막(22)으로서는 질화실리콘, 소정 인장응력을 지닌 산화실리콘 또는 상기 두물질의 조합물질이 적합하다. 질화실리콘 역시 마찬가지로 습기차단성이 탁월하며 이로써 저항부재의 수명을 오래 지속시키기에 적합하다.

도 4에는 단층 덮개막(20)을 지닌 본 발명의 다른 하나의 실시예가 도시되어 있다. 도 4에서는 도 3에 도시된 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 도면부호(11, 12, 13)를 참조하였다. 상기 단층 덮개막(20)은 그 인장응력이 작도록, 그리고 재산화 막(13)과 금속(14)에 대한 점착성이 우수하도록 하는 방식으로 구성되었다. 이를 위해서 상기 막의 조성은 계속적으로 변한다. 상기 막(13, 14)을 지탱하기 위하여 실리콘함량이 높은 산화실리콘으로 이루어진 막(20)이 형성되어 원하는 인장응력을 받게 된다. 두께가 증가할 경우 상기 실리콘잔여물도 계속적으로 화학양론 실리콘산화막 방향으로 변한다. 이로써 소정 압력응력을 받게 된다. 상기 응력레벨의 경사도는 분리증착 공정이 진행되는 동안 플라즈마 매개변수를 적절하게 변경시킴으로써 구현한다.

본 발명에 따라서, 종래기술과는 달리 내부에서도 마찬가지로 낮은 인장응력을 갖는 덮개막을 사용함으로써 멤브레인의 안정성을 향상시키는 효과를 지닌 센서가 제공된다.

Claims (7)

1. 실리콘으로 이루어진 프레임(2) 내부에 유전체 막들(10, 20)로 구성된 멤브레인(3)을 가지며, 상기 멤브레인(3) 위에 금속 박막으로 이루어진 하나 이상의 저항부재(4, 5)가 증착되고, 하나 이상의 저항부재(4, 5)와 상기 멤브레인(3)의 상측에 하나의 덮개막(20)이 도포되어 있으며, 상기 멤브레인(3)용 유전체 막들이 낮은 인장응력을 갖도록 조절되는 방식으로 구성되어 있는 센서(1)에 있어서,

   상기 덮개막(20)도 마찬가지로 낮은 인장응력을 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 포함한 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 덮개막(20)은 복수개의 부분막(21, 22)으로 구성되고,

   제 1 부분막이 하나 이상의 저항부재(4, 5) 위에서 실질적으로 산화실리콘으로 이루어진 멤브레인(3) 표면 위에 증착되고, 상기 제 1 부분막(21) 위에 제 2 부분막(22)이 형성되며,

   상기 제 1 및 제 2 부분막(21, 22)의 각 응력 레벨이 소정의 낮은 인장응력에 더해지는 것을 특징으로 하는 센서.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 부분막(21)은 잔여실리콘이 적으며 소정의 인장응력을 갖는 산화실리콘으로 이루어지고,

   상기 제 1 부분막 위의 제 2 부분막(22)은 실질적으로 소정 압력응력을 갖는 화학양론 실리콘산화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 부분막(21)으로서는 소정 압력응력을 갖는 실리콘산화막을 이용하고,

   그 위에, 산화실리콘, 질화실리콘, 또는 산화실리콘과 질화실리콘의 조합물질로 이루어진 소정 인장응력을 갖는 제 2 부분막(22)이 분리증착되는 것을 특징으로 하는 센서.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(10) 내의 인장응력과 상기 덮개막(20) 내의 인장응력의 크기는 거의 동일한 것을 특징으로 하는 센서.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 덮개막(20)은 실질적으로 산화실리콘으로 이루어져 있으며, 이 때 산화실리콘 내의 실리콘 잔여물은 상기 덮개막(20) 두께와 더불어 계속적으로 변하는 것을 특징으로 하는 센서.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 산화실리콘 내에서 경계면에 남은 실리콘 잔여물은 적어도 상기 저항부재(4,5) 및 멤브레인(3) 표면에서 최대치가 되는 것을 특징으로 하는 센서.