KR20000069790A - 반도체용 압력센서 - Google Patents

Abstract

압력센서는 압전저항식의 효과에 근거를 두고 제안하고 있다. 여기서 멤브레인위에 배치되어 있는 저항이 외부로 부터 발생되는 압력에 의해서 변형이 일어나고, 또한 이 멤브레인의 변형 때문에 자신의 저항이 변하게 된다. 이러한 저항이 균등하게 그리고 민감하게 내부의 기계적인 방해응력에 의한 변형에 반응하기 때문에, 따라서 상쇄저항을 이용하여 내부의 기계적인 방해응력을 제거하고자 하는 구조가 고안되었다. 이러한 구조는 그밖에 집적된 센서에 대해서 히스테리시스를 상쇄하는데에 사용하고 있으며, 또한 이러한 히스테리시스는 주로 금속화된 표면의 압력센서와 이의 온도에 따른 항복을 일으키게 한다.

Description

반도체용 압력센서{Pressure sensor for semi-conductor}

EP 0 146 709로 부터 압력센서는 잘 알려져 있다. 이러한 압력센서는 (001)-방향의 실리콘웨이퍼, 즉 센시티브한 영역에서 마이크로 미터의 미세한 두께를 가진 멤브레인위에 얇게 깔린 실리콘 웨이퍼에 대해 그 근거를 두고 있다. 이 멤브레인은 한쪽으로 전달되는 압력에 의해서 변형된다. 이러한 변형이 바로 압전저항 효과를 응용하므로서 측정이 가능하게 된다. 즉 멤브레인위에 4개의 측정저항이 있으며, 이들의 전기 저항은 변형에 의해서 변화가 일어나게 된다. 이 4개의 측정저항들은 전극측, 즉 기판의 얇지 않은 부분에 있는 전극측과 연결되어 있으며, 또한 전극측들은 기판에 그리 얇지 않은 곳에 장착되어 있다. 이 전극측을 통해서 측정저항의 전기 저항의 측정과 이에 따른 멤브레인상에서 발생되는 압력에 의한 전기 저항이 측정 가능하게 된다.

전극측재료의 온도를 조건으로 하는 흐름을 통해서 이러한 종류의 압력센서는 재료의 특성곡선, 즉 온도레벨에 따른 재료 특성곡선의 변화가 일어나는데, 소위 말하는 히스테리시스 효과가 발생된다.

본발명은 독립청구항의 주안점에 따른 압력센서에 관한 것이다.

도 1 은 히스테리시스가 상쇄되는 제 1 압력센서를 나타낸 평면도를 나타낸 도면.

도 2 는 히스테리시스가 상쇄되는 제 1 압력센서의 횡단면도를 나타낸 도면.

도 3a 내지 제 3d 는 표면상의 금속성 전극측을 가진 기판의 횡단면도.

도 4 는 히스테리시스가 상쇄되는 제 2 압력센서를 나타낸 도면.

주요 청구항에 인지된 주안점을 포함한 본발명의 압력센서는 위의 사실과는 달리, 즉 히스테리시스 효과가 상쇄가 된다는 장점을 갖게 된다.

독립 청구항에 따라 실시된 처방을 통해서 또다른 장점적인 형태 그리고 청구항에서 제시된 압력센서의 개선이 가능하게 된다. 특히 멤브레인위에 4개의 측정저항이 배치되어 있고, 이 4개의 측정저항이 휘트스톤-브리지로 서로 회로화되어 있는 것이 특히 유리하다. 이러한 구조를 통해서 전기 저항의 측정 또는 외부에서 걸린 압력에 의한 변형이 아주 민감하게 측정된다.

더우기 알루미늄으로 된 전극측으로 제조하는 것이 유리한데, 이는 알루미늄이 특히 간단하게 가공될 수 있기 때문이다. 이는 장점, 즉 알루미늄 자신의 낮은 항복점 때문에 내부의 기계적인 방해응력, 즉 히스테리시스상쇄를 위해 유도된 방해응력이 발생된다는 것이 장점이다.

그리고 상쇄저항을 각각의 측정저항에 대응시키는 것이 유리한데, 이를 통해서 최대 정밀성이 이루어 지기 때문이다. 반도체 기판을 사용하므로서 그리고 이 반도체의 증여 영역에서 저항이 발생하므로서 멤브레인상에서의, 특히 가격에 유리한 저항체를 이룩하게 되었다. 이에 대하여 히스테리시스를 상쇄하는 압력센서를 생산하기 위해서 마이크로 메카닉과 마이크로 엘렉트로닉의 모든 종래의 방법이 동원되었다. 이에 따라서 실리콘은 반도체로 사용하는 것이 특히 유리한데, 왜냐하면 이러한 재료로 센서요소와 평가 전자기기의 집적이 칩상에서 가능하기 때문이다.

결과적으로 [100]-방향을 향하는 실리콘 기판의 사용이 특히 유리한데, 그 이유는 이의 표면이 한편으로는 수산화칼륨에 의해서 멤브레인은 간단히 생산되기 때문이며, 또한 다른 한편으로는 두개의 [001]-방향이 기판표면, 즉 특히 변형에 대해서 전도성이 아주 민감하게 반응하는 기판의 표면을 갖기 때문이다.

본발명의 실시예는 도에서 나타나 있고 그리고 다음의 설명에서 아주 상세하게 설명되어 있다.

도 1은 제 1의 단순한 압력센서를 위에서 본 평면도를 나타낸 것이다. 이절단면 A'A에 따른 압력센서의 절단면은 다음의 도면에서 나타나 있다. 압력센서는 기판(2)상에서, [100]-방향을 나타내는 실리콘으로 생산하고 있다. 여기서 선정된 도면에서는 나타나 있지 않은 멤브레인의 하부측에는 피라미드 형태로 튀어 나온 부분이 있다. 또한 이의 피라미드의 끝부분이 관찰자를 향하게 끔 형태가 이루어져 있고, 그리고 피라미드의 뭉뚱한 끝부분에 조그마한 여유두께의 실리콘의 재료와 멤브레인의 형태을 갖는다. 이 피라미드의 끝부분의 한계선은 도 1에서 점선으로 나타나 있으며 [110]- 과방향에 대해서 평행하게 나타나 있으며, 이의 방향축은 도 1에서 화살표(40, 41)로 나타내고 있다. 얇지 않은 실리콘(2)의 부분은 받침대(11)로 명명하기로 한다. 멤브레인(10)위에, 그리고 멤브레인 테두리근처에 측정저항(4)이 있으며, 이 측정저항은 [110]-방향으로 향하고 있다. 받침대(11)위에 두개의 전극측(6), 여기서 택한 실시예에서는 증착된 알루미늄으로 된 두개의 전극측이 있고, 각각의 전극측은 측정저항(4)의 앞 또는 뒤에서 길게 느려진, 측정저항(4)에 대해서 수직으로 금속화되어 있다. 측정저항(4)의 방향에 대해서 수직으로, 즉-방향을 향하는 좌측의 전극측에 상쇄저항(5)이 배치되어 있다. 이 상쇄저항(5)은 측정저항(4)을 가진 연결유도선(7)을 지나 끝부분과 연결되어 있으며, 또한 자신의 다른 끝부분은 제 2 연결유도선(7)을 지나서 전극측(6)과 연결되어 있다. 이중 화살표(30, 31, 32)로 표시된 기계적인 응력, 즉 히스테리시스가 상쇄되는 압력센서의 기능적인 설명에 있어서 이 기계적인 응력이 작용하게 되는 것이다.

도 2는 도면 1의 압력센서의 횡단면도를 나타낸 것이다. 여기서 같은 부분은 같은 참고부호로 나타내고 있다. 기판(2)은 횡단면적이 사다리꼴 형태를 이루고 있으며, 또한 이는 받침대(11)와 멤브레인(10)에 의해서 한정되어진다. 멤브레인(10)의 표면에는 측정저항(4)이 있으며, 이 측정저항(4)은 또한 부분적으로 증여영역에 실리콘재료를 투입하므로서 실현되는 것이다.

히스테리시스가 상쇄되는 압력센서의 기능상의 방법은 도 1에 따라 설명된다. 압력센서에 작용하는 압력을 통해서 압력센서는 기계적으로 그리고 탄성적으로 변형을 하게 된다. 이 멤브레인(10)의 두께가 일반적으로 수 μm에 이르게 되는 것에 반해, 이 받침대(11)의 두께는 일반적으로 100 μm에 이르게 된다.

이에 따라서 서로 다른 탄성강도 때문에 받침대(11)에서의 기계적인 변형은 멤브레인(10)의 기계적인 변형과 비교해서 무시할 수 있게 된다. 외부에서 걸리게 되는 압력으로 인해서 기계적인 변형(31)은, 이 변형의 길이가 변형의 척도인 화살표를 통해서 미리 예측할 수 있게 된다. 기계적인 변형은 예를 들어서 짓점에서, 즉 측정저항(4)에 나타나 있다.

더나아가서 압력센서에서는 1차 변형(30)이 발생된다. 이 1차 변형(30)의 원인은 기계적인 방해응력 때문이며, 이의 원인에 대해서는 다음에 나오는 절에서 상세히 다루기로 한다. 압력센서에서의 각각의 점들은 어떤 1차 변형과 대응 되고, 그러나 압력센서에서 단지 두개의 짓점을 관찰할 수 있다. 이러한 두개의 짓점이 바로 측정저항(4)과 상쇄저항(5)의 장소이다. 여기서 선택된 실시예에서 1차 변형(30)은 어디서나 동일하며, 이러한 제한은 그러나 강제적인 것은 아니며 또한 도 4에 대한 설명에서는 더이상 하지 않기로 한다.

측정저항(4)과 상쇄저항(5)의 압접 저항상수는 그 값이 서로 같도록 설계되어 있다. 마찬가지로 이들의 전기 저항의 절대값은 동일한 외부 조건일 경우에는 같다. 이로서 전기 저항의 변형은 측정저항(4)과 상쇄저항(5)에서 1차 변형(30)을 근거로 같은 값을 갖는다. 왜냐하면 저항은 한번은 변형의 방향으로 그리고 한번은 변형의 방향에 대해 수직적으로 측정되기 때문에, 이 두개의 저항변형은 서로 다른 부호로 표시된다. 1차 변형(30)을 기준으로 해서 측정저항(4)와 상쇄저항(5)으로 되어 있는 연속접속을 하기 위한 대체저항의 전체저항의 변형은 0이 된다. 이로서 결국 측정저항의 변형은 2차 변형(31) 때문에 계속 남게 되며, 또한 이 받침대(11)위에 있는 상쇄 저항(5)의 2차 변형(31)은 중단되지 않는다.

측정저항(4)에 대해서 상쇄저항(5)이 상대적으로 수직적인 경향을 띠는 것은 피할 수 없게 된다. 이는 그러나 [100]-방향을 가진 실리콘 웨이퍼를 위한 여러가지 이유에서 특히 장점적이다. 기판위에 또는 다른 방향과의 접속을 실현하는데 있어서 다음을 유의하여야 하는데, 즉 저항은 그 값에서 같은 관계, 그러나 부호적으로는 서로 다른 관계를 나타내고 있으며, 그리고 상쇄저항(5)은 측정된 외부의 압력으로 인한 발생한 2차 변형(31)으로 응력을 받게 되는 것에 유의하여야 한다.

도 3a 내지 3d에 따라서 하나의 방해응력이 발생할 가능성이 있는 원인이 나타나 있다. 도 3a에서 실리콘으로 된 기판(2)은 횡단면으로 도면에 나타나 있는 전극측(6)으로 되어 있다. 다음에 그려져 있는 상관관계의 이해를 위해서 다음의 사항, 즉 알루미늄의 팽창계수가 확실히 실리콘의 팽창계수보다 크다는 사실을 주의깊게 인식하여야 한다. 알루미늄과 실리콘으로 된 2층 시스템의 유효 팽창계수가 각각의 재료사이에 존재하게 된다. 여기서의 실시예에서 보면 실리콘층이 훨씬 두껍기 때문에, 2층 시스템의 유효 팽창계수는 실리콘의 팽창계수와 거의 같게 된다. 냉각을 통해서 기판 즉 전극측이 수축하게 된다. 알루미늄의 뚜렷한 팽창계수로 인해 전극측(6)은 약 기판을 향해 들어가 있는 면이 기판을 향해서 나오는 것 보다 훨씬더 심하게 수축된다. 그밖에 전극측에서는 하나의 인장응력이 지배한다. 이러한 상황은 도 3b에 나타나 있다.

냉각에 의해서 알루미늄이 항복점에 이르게 될 때에 전극측(6)은 소성변형이 일어난다. 냉각이 계속될 경우에는, 기판이 실리콘의 팽창계수에 따라서 수축되고, 알루미늄은 자신의 팽창계수에 따라서 수축하게 된다. 따라서 서로 다른 수축을 상쇄하기 위해서 알루미늄에서 먼저 항복이 발생하게 된다. 이러한 서로 다른 팽창은 아주 오랫동안, 즉 항복에 의해서 알루미늄의 내부의 응력이 거의 항복 응력아래에 이를 때 까지 계속 된다.

이러한 상태에서 온도가 계속 증가함에 따라서 알루미늄은 실리콘과 함께 팽창하고, 항복이 또다시 발생되기 전에, 맨 먼저 알루미늄의 인장응력이 풀려지고, 계속되는 온도 증가에 전단응력이 또한 풀리게 된다. 도 3b와 같이 같은 온도의 경우에는 도 3b에서 나타내고 있다. 이 실리콘은 도 3b와 같은 칫수를 갖게 되며, 이 알루미늄은 또한 압축응력 대신에 전단응력 상태에 놓이게 되는데, 그 이유는 팽창에 비해 수축이 더 강하게 이루어지기 때문이다. 이러한 응력이 바로 위에서 설명하고 있는 방해응력이라는 것이다. 방해응력 상태는, 도 3b와 3d에서 똑같이 적용된 온도에 종속된 것이 아니고 온도경과에 종속된 것이다. 이러한 관계는 마찬가지로 설명한 효과에 특히 의미를 두고 있는데, 이유는 이 효과가 히스테리시스의 현상을 보여주기 때문이다. 또한 여기서 방해응력의 또다른 원인, 즉 어떠한 히스테리시스 현상도 보이지 않는 방해응력의 또다른 원인을 생각할 수 있다. 따라서 방해응력은, 즉 서로 다른 팽창계수를 가진 여러재료로 된 다층시스템이 실현될 수 있다며 방해응력이 발생될 수 있다. 그러나 이것이 히스테리시스를 잡는 것은 아니다. 따라서 방해응력은 압력센서에 응력이 걸리지 않겠끔 하는 조립에 의해서 유발된다. 이러한 응력을 받는 구조가 각각 재료에 의한 방해응력에 의해서 상쇄가 된다. 탄성적 방해응력은 그러나 압력센서를 사용하는데 있어서 큰의미를 갖는 것은 아니다; 왜냐하면 히스테리시스의 현상은 오히려 압력센서의 사용능력을 해치는 결과를 가져오기 때문이다.

금속화에 의해서 유도된 히스테리시스의 방해응력은 알루미늄층의 가장자리의 거리에 대해 거의 반비례하게 된다. 이러한 경우에 있어서 저항상수에서 나온 결과와 상쇄저항과 측정저항에 대한 방해응력 중심으로 부터 저항의 거리는 같게 되므로서, 상쇄를 일으키는 방해응력의 효과와 측정저항에서 발생되는 방해응력 효과가 서로 상쇄된다.

여기서, 상쇄저항은 가능한 적은 것을 선택하는 것이 유리하며, 이에 따라서 히스테리시스를 발생하는 전극측에 더 가까이 자리 잡을 수 있는데, 이는 측정저항의 측정기능을 높이고, 또한 이러한 측정저항이 측정저항과 상쇄저항으로 된 연속회로에서 대체저항의 많은 부분을 차지할 수가 있기 때문이다.

도 4 는 히스테리시스가 상쇄되는 압력센서에 대한 또다른 실시예를 보여주고 있다. 압력센서는 기판(2)을 가지고 있으며, 이곳에서 도 1 에서 알려진 방법으로 하나의 멤브레인이 실현되었다. 받침대(11)의 외부영역에는 하나의 영역, 즉 여기서는 도식적으로 금속화(12)로 된 영역이 있다. 이 금속화(12)는 여기서 전극측(6) 또는 다른 금속화된 층들의 모집한 개념이며, 또한 이러한 금속화된 층은 전자평가를 실현하기 위해서 필요한 것들이다. 멤브레인위에 4개의 측정저항이 놓이게 되고, 동시에 모든 4개의 저항이 평행하게 대응되고 그리고 멤브레인의 한계선의 중심에 가깝게 놓이게 된다. 이에 대해서 압력센서는 4개의 상쇄저항(5), 즉 모두가 평행하게 대응되는 동시에 측정저항(4)에 대해서 수직적인 4개의 상쇄저항(5)을 갖게 된다. 각각의 상쇄저항(5)은 하나의 다른 측정저항(4)와 대응되고 그리고 받침대 조각, 즉 금속화층이 배치되어 있는 받침대 조각위에 공간적으로 가까운 곳에 놓이게 되어 있다. 측정저항(4)과 상쇄저항(5)은 연결유도부(7)을 이용해서 링회로로 연결이 되어 있고, 또한 이 링회로에 상쇄저항과 측정저항이 서로 교환되는 식으로 형태를 이루므로서, 항상 주위의 저항은 연결되어 있으며 하나의 가능한 큰 연결부의 한부분이 금속화(12)로 덮혀진 받침대(11)위로 안내된다.

여기서 히스테리시스를 발생시키는 요소에 상쇄저항은 측정저항 보다도 더 가까이 놓이게 되고, 이에 따라 마지막의 변형 보다도 더 큰 제 1의 기계적인 변형(30)이 허용되기 때문에, 상쇄저항에 대한 전기 저항은 이에 따라서 측정저항의 전기 저항 보다 작게 된다.

이렇게 배치된 저항은 하나의 히스테리시스가 상쇄되는 휘트스톤-브리지를 구성하게 되고, 또한 출력신호가 대칭적으로 놓여있는 모서리와 전기적으로 연결이 된다. 휘트스톤-브리지의 각각의 측정저항은 이러한 실시예에서 자신 개개의 히스테리시스를 상쇄할 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 외부에서 반도체 기판에 걸린 압력을 측정하기 위해서, 동시에 하나의 멤브레인으로 구성되어 있는 기판의 영역은 외부에서 걸린 압력에 의해서 변형될 수 있고, 또한 기판에서 하나의 기계적인 내부 방해응력이 존재하며, 이러한 방해응력을 통해서 전체의 기판이 변형되고, 또한 적어도 멤브레인위에 배치되어 있는 측정저항(4)을 가지고 있으며, 이 멤브레인이 변형을 통해서 변화되는 전기 저항을 갖게 되는 반도체용 압력센서에 있어서,

   기판위에서, 멤브레인 외부에, 적어도 변형에 의해서 가변 상쇄저항(5)이 배치되어 있고, 또한 이 저항이 측정저항(4)으로 회로에서 접속되며, 전기 저항의 변화가 내부의 기계적인 방해응력을 이유로 측정저항과 상쇄저항에 대한 값이 거의 같고 서로 다른 부호로 되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
2. 제 1 항에 있어서, 멤브레인위에 4개의 측정저항이 있고, 또한 이 측정저항이 휘트스톤-브리지에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 측정저항은 적어도 하나의 상쇄저항에 대응되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 브리지의 반마다 하나의 상쇄저항은 측정저항과 대응되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
5. 제 2 항에 있어서, 상쇄저항으로 되어 있는 제 2 휘트스톤-브리지가 장착되어 있으며, 이의 브리지 신호가 측정저항으로 된 휘트스톤-브리지의 브리지신호를 적절한 형태로 응력을 가하게 되는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한항에 있어서, 측정저항은 기판의 부분 증여에 의해서 발생되는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한항에 있어서, 기판은 실리콘으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.
8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한항에 있어서, 기판이 하나의 [100]-표면을 갖게 되고, 또한 측정저항이 {011}-방향을 지나게 되며 그리고 이에 속한 상쇄저항이 측정저항에 대해서 수직적으로 놓여 있는 것을 특징으로 하는 반도체용 압력센서.