KR20080063129A - 압력 변환기 다이어프램 및 동일물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
압력 변환기 다이어프램 제조 방법. 1 이상의 트렌치가 제1 기판의 제1 표면에서 에칭된다. 상기 트렌치는 에칭 내성을 나타낸다. 그 다음, 공동이, 막을 경화시키는 1이상의 중공의 돌기를 가진 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성한 상기 제1 기판의 제2 반대 표면에서 형성된다.
압력 변환기 다이어프램, 트렌치, 프레임, 에칭 내성의 트렌치, 습식 또는 건식 에칭
Description
본 발명은 압력 변환기에 관한 것이다.
마이크로전기기계식 압력 센서들은 통상적으로 프레임에 의해 지지된 다이어프램 또는 막을 포함한다. 돌기(boss)라고 불리는 두꺼운 영역 및 얇은 영역을 포함하는 다이어프램을 제조하는 것이 공지되어 있다. 여기서 참고자료로 인용된 미합중국 특허 제 6,140,143호를 참조하기 바란라. 두꺼운 돌기 영역은 상기 다이어프램의 왜곡에 의하여 생성된 응력을 집중시킨다. 상기 돌기는, 압력 감지 피에조 저항 또는 용량성 소자에서 휨 압력을 집중시키는데 사용될 수 있다. 상기 돌기는 또한 밀접한 근접 구조를 제조함으로써 감지 커패시턴스 또는 정전기 구동 갭을 형성하는 데 사용될 수 있다.
통상적으로, 상기 돌기는 서로 다른 깊이로 기판 내로 물질을 확산시키고 그 다음 상기 기판을 에칭시킴으로써 생성되는 고체 구조이다. 상기 언급된 특허 제 6,140,143호를 보라.
종래의 돌기는 상당한 질량을 가지는데, 이는 낮은 압력 센서의 경우에 적응 감도로 귀착될 수 있게 된다. 상기 돌기의 두께는 또한, 물질이 기판 내로 주입될 수 있는 깊이로 제한된다. 일반적으로, 더 깊은 주입은 경비 추가 및 시간 증가에 관련한다. 또한, 확산이 기판 내에 수직으로 그리고 측방으로 이루어지기 때문에 결과의 돌기 구조의 폭은 증가한다.
본 발명은 압력 변환기 다이어프램을 제조하는 새로운 방법을 제공한다. 상기 방법은 더 작은 질량을 가지는 돌기로 귀착할 수 있다. 결과의 돌기는 바람직하게는 중공이다. 상기 방법은 더 높은 경도의 돌기로 귀착할 수 있다. 결과의 돌기는 더 낮은 비용의 공정 처리 기술을 사용하여 생성될 수 있다. 상기 돌기는 동일한 경도의 고형 구조들보다 더 가볍다. 더 낮은 g-감도를 가지는 압력 변환기가 제공된다. 임의의 폭 및 경도를 가진 돌기들이 제조될 수 있다. 원하는 대로 돌기의 구성을 변화시키는 능력이 제공된다.
본 발명은, 확산 및 대량의 에칭과 관련된 제한 없이, 더 우수한 압력 변환기 다이어프램의 제조방법이 질량 면에서 더 가볍고 또한 상대적으로 딱딱한 중공의 돌기를 형성하는 기판에서 트렌치를 에칭하는 단계를 포함하는 실현으로부터 결과한 것이다.
그러나, 본 발명은 다른 실시예들에서 이들 목적들을 모두 달성할 필요는 없고 여기에서의 청구범위는 이들 목적을 달성할 수 있는 구조 또는 방법에 제한되어서는 안 된다.
본 발명은 압력 변환기 다이어프램의 제조 방법에 특징이 있다. 1이상의 트렌치가 제1 기판의 제1 표면에 형성(예를 들면, 에칭)된다. 그 다음 상기 트렌치는 에칭 내성이 부여된다. 막을 경화시키는 1이상의 중공의 돌기를 가지는 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성하는 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동이 형성(예를 들면, 에칭)된다.
건식 에칭 또는 습식 에칭 기술이 상기 트렌치를 형성하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 1이상의 트렌치는 경사진 측벽들을 가진다. 또 다른 실시예에서, 상기 1이상의 트렌치는 평평한 바닥부를 가진다.
상기 트렌치는 트렌치를 도핑하거나, 트렌치를 확산시키거나, 또는 트렌치에 에칭 내성 물질을 첨가함으로써 에칭 내성을 나타내도록 할 수 있다. 또한, 상기 트렌치에 물질이 첨가될 수 있다. 예를 들면, 폴리실리콘 또는 에피텍셜 실리콘 층이 트렌치 내에서 성장될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 기판이 상기 제1 기판의 제1 표면 상에 접착된다. 상기 제2 기판은 상기 제1 기판의 제1 표면에 융합 접착된다. 상기 공동은 건식 또는 습식 에칭 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
일 구현예에서, 압력 변환기 다이어프램은, 제1 기판의 제1 표면에 1이상의 트렌치를 에칭하고, 상기 트렌치 및 제1 표면이 에칭 내성을 가지도록 하고, 그리고 상기 막을 경화시키는 1이상의 중공의 돌기를 가지는 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성하는 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동을 에칭함으로써 만들어진다.
또 다른 구현예에서, 압력 변환기 다이어프램은 상기 제1 기판의 제1 표면에 1이상의 트렌치를 에칭하고, 상기 트렌치가 에칭 내성을 가지도록 하고, 상기 제1 표면에 제2 기판을 접착시키고, 그리고 상기 막을 경화시키는 1이상의 중공의 돌기 를 가지는 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성하는 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동을 에칭함으로써 만들어진다.
이하의 바람직한 실시예 및 수반하는 도면의 설명으로부터 당업자들에게 다른 목적, 특징 및 이점들이 발견될 것이다.
이하에 기술된 바람직한 구현예 또는 구현예들과는 달리, 본 발명은 다른 구현예들이 가능하고 여러가지 방법으로 실시 또는 실행될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 이하의 상세한 설명에 설정된 또는 도면에 기재된 구성성분들의 구성 및 배열들의 상세한 설명에 그 적용이 제한되지 않는다. 단지 일 구현예가 여기서 기술된다면, 여기서의 청구범위는 그 구현예에 제한되지 않는다. 더욱이, 여기의 청구범위는 어떤 제외, 제한, 또는 부인을 명시하는 증거를 명백히하고 확신시키지 않는 한 제한적으로 읽혀서는 안될 것이다.
도1-2는 본 발명에 따른 압력 변환기 다이어프램 또는 막(10)의 일 실시예를 도시한다. 다이어프램(10)은 프레임(12)에 의해 지지되고 중공의 돌기 또는 메사(14)를 포함한다. 추가의 돌기가 다이어프램(10)을 횡단할 수 있다. 통상적으로, 많은 돌기가 있으나 여기 도면에서는 명백히 하기 위하여 하나 만이 도시된다. 특별한 실시예로서 다이어프램(10)은 2.4제곱mm(mm2)이고, 두께가 5마이크론(5×10-6m)이다. 돌기(14)는 도3에서 5마이크론(5×10-6m)의 벽 두께를 가지는, 경사진 측벽들(16a 및 16b)을 가진다. 돌기(14)는 서로 다른 구성으로 형성될 수 있으나, 도4에 도시된 바와 같이, 돌기(14')는 더 작고, 도5에서 돌기(14")는 평평한 표면(20) 및 2개의 경사진 측벽들(22a 및 22b)을 가진다.
임의의 구성에서, 중공의 돌기 또는 돌기들은 고체 돌기들보다 더 작은 질량을 가지면서도 여전히 높은 경도를 제공한다. 일 실시예에서, g-감도가 더 작은 압력 변환기가 그 결과이다.
도6(a)-6(c)에 도시된 바와 같이, 기판(50)은 도6(a)에서(통상적으로 실리콘 웨이퍼) 도6(b), (52)에 도시된 바와 같이 마스크되고, 도6(c), 트렌치(54)는 에칭된다. 건식 또는 습식 에칭 기술이 사용될 수 있다. 그 다음에 트렌치(54) 및 기판(50)의 표면(63)은 도6(d)에 (56)으로 도시된 바와 같이 통상적으로 인을 주입함으로써 에칭 내성을 나타내게 된다. 전기화학적 에칭 스톱과 함께 주입된 인에 의해 형성된 정션은 상기 주입된 영역의 에칭을 방지한다. 여기서 참증으로 병합된 미합중국 특허 제6,140,143호를 보라. 그 다음, 웨이퍼는 도6(e)에서 뒤집어지고, (58)에 도시된 바와 같이 마스크된다. 그 다음, 상기 웨이퍼의 표면은, 공동(60), 프레임(12)에 의하여 지지된 막(10), 및 중공의 돌기(14)를 형성하도록 에칭된다.
또 다른 실시예에서, 도7(a)의 웨이퍼(70)는 도7(b)에서의 (72)에 도시된 바와 같이 마스크되고, 트렌치(74)는 건식 또는 습식 에칭 기술을 사용하여 에칭된다. 트렌치(74)는 도시된 바와 같이 경사진 측벽들을 가진다. 그 다음, 트렌치(74)는, (예를 들면 붕소로) 트렌치를 도핑함으로써, 또는 n형 확산을 이용하여 그리고 상술된 바와 같은 전기화학적 에칭 스톱을 사용하여 트렌치를 확산시킴으로 써, 또는 에칭 내성 측벽을 형성하기 위하여 에칭 내성 유전체 또는 금속 등과 같은 에칭 내성 물질을 트렌치에 부가함으로써, 에칭 내성이 나타나게 된다. 결과의 돌기 측벽의 두께를 증가시킬 필요가 있다면 상기 에칭 내성 층 상에 폴리실리콘 또는 에피텍셜 실리콘 층이 성장될 수 있다. 그 다음, 도7(d)에서 웨이퍼(72)(또한 통상적으로 실리콘 웨이퍼)는, 당해 분야에서 공지된 바와 같은 중간층을 사용함으로써 또는 융합 접착 기술에 의하여, 트렌치(74) 위로 기판(70)에 접착된다. 그 다음, 이 구조는 뒤집어지고, 도7(e)에서 마스킹(76)이 가해져서 공동(78)이 습식 또는 건식 에칭되고 결과적으로 돌기(14) 및 프레임(12)을 가지는 막(10)이 된다.
일 실시예에서, 다이어프램은 도8의 MEMS 압력 변환기(80)의 한 구성성분이다. 여기서 두 돌기(14)는, 확산된 피에조저항(82)을 또한 포함하는 다이어프램(10)(n형) 상에 도시된다. 프레임(12)은 P형이고 포트(86)를 가지는 파이렉스 지지부(84) 상에 존재한다. 그러나, 본 발명의 방법은 임의의 특정의 압력 센서 설계로 제한되지 않는다.
본 발명의 중공의 돌기 기술은, 중공의 셀형 구성이 압력 센서들에 통상적으로 사용되는 얇은 다이어프램들 상에 제조될 수 있도록 하고 그리하여 그렇지 않으면 유연성이 있었을 막 상에 국부적으로 딱딱한 영역을 제공할 수 있도록 한다. 중공의 돌기 구조의 벽들은 통상적으로 막 자체와 유사한 크기이며, 그러나 그들을 상당히 더 단단하게 해 주는 중공의 주름 형상 수단이 있다. 실리콘 웨이퍼의 정면 측을 형성하고(예를 들면, 에칭하고) 그 에칭된 트렌치의 기부에 에칭 스톱을 생성함으로써, 상기 막 구조 형성시 웨이퍼의 배면 측이 에칭될 때 상기 돌기는 에칭되 지 않을 것이다. 상기 트렌치용 에칭 스톱은 높게 도핑된 P+ 확산, (전기기계식 에칭 스톱 용의) 낮게 도핑된 n형 확산, 또는 실리콘 이산화물 등과 같은 에칭 내성 층일 수 있다. 몇 실시예에서, 상기 구조를 더욱 딱딱하게 하기 위하여 트렌치 상부에 도7(d)에 도시된 바와 같이 추가의 실리콘층을 접착하는 것이 유익할 수 있다. 이 기술은 또한 추가의 웨이퍼 처리를 위한 평탄한 웨이퍼 표면을 재형성하는 이점을 가진다. 상기 추가의 실리콘층은, 정전기 접착용 유리등과 같은 중간층에 의하여 또는 실리콘 융합 접착(또한 실리콘 직접 접착으로 알려짐) 중 어느 하나에 의하여 접착될 수 있다. 습식 에칭은, 유리하게는 웨이퍼 표면에 대해 약 54.7℃에서 측벽을 생성할 수 있다. 이리하여, 최소 돌기 폭이 웨이퍼 두께의 약 1.4배이도록 생성될 수 있다. 통상적인 센서 웨이퍼는 두께가 380㎛이기 때문에, 이것은 532㎛ 폭의 돌기를 생성한다. 건식 에칭은 수직 측벽 에칭의 이점을 가진다. 좁거나 임의의 형상의 돌기가 또한 가능하다. 결과의 돌기는 고체 돌기보다 더 얕거나, 더 가벼운 질량이며, 그러나 고체 돌기만큼 딱딱할 수 있다.
결과는 상기 돌기의 질량으로 인하여 적응 감도에 영향을 받지 않는 저압 센서이다. 돌기 경도는 종래 기술과 연관된 약 30㎛의 확산 깊이로 제한되지 않는다. 본 발명의 중공의 돌기는 동일한 표면 형상 및 영역의 고체 돌기를 생성하는 동일 양의 물질보다 상당히 더 높은 경도를 가진다. 원한다면 더욱 확장적인 DRIE 기술을 회피하여 통상의 저 비용의 공정 처리 기술로, 더 좁은 딱딱한 돌기가 생성될 수 있다. 최종 막 구조에서 공동을 형성하는 배면측 에칭은, 프레임 구조를 형성하고 습식 에칭 등과 같은 최종 막에 대해 아래로 에칭할 수 있는 임의의 기술일 수 있으며, 그러나 DRIE 에칭이 또한 산화막 코팅된 측벽에 사용될 수도 있다. 통상적으로, 본 발명의 기술은, 다른 방법보다 더 작고 저 비용의 딱딱한 돌기 구조를 생성하고 결과적으로 더 가볍고 g-감도가 더 낮은 돌기 구조를 생성한다. 일 실시예에서, 상기 돌기 구조는 15㎛의 벽 두께 및 20㎛ 내지 130㎛ 폭의 기부를 가진다.
본 발명의 특정의 구성들이 몇 도면에 도시되고 다른 것들에는 도시되지 않지만, 그러나 이것은 각 구성이 본 발명에 따른 다른 구성들의 어떤 것 또는 전체와 결합될 때 단지 편리하기 위함이다. 여기서 사용된 용어 "포함하는(including)", "포함하여 이루어지는(comprising)", "가지는(having)" 및 "가진(with)"은 넓고 포괄적으로 해석되어야 하며 어떤 실제적 상호 연결에 제한되지 않는다. 더욱이, 본 출원에 기술된 임의의 구현예들은, 가능한 유일한 구현예들로 고려되어서는 안될 것이다. 다른 구현예들이 당업자들에게 떠오를 수 있을 것이고 이는 본 발명의 범위 내에 있을 것이다. 예를 들면, 이 발명의 방법은 압력 변환기와는 다른 장치를 위한 다이어프램을 생성하는데 유용한 것으로 판명될 수도 있다.
추가로, 이 특허에 대한 특허 출원의 속행 동안 제출되는 임의의 보정은 출원시 제출된 임의의 청구범위 요소에 대한 부인이 아니다: 당업자는 모든 가능한 등가물을 문자 그대로 포함할 수 있는 청구범위를 작성하는 것이 합리적으로 기대될 수 없고, 많은 등가물들이 보정서 제출시에 예측할 수 없을 것이고 양도될 것(가능하다면)에 대한 공정한 해석을 넘어서며, 보정서를 기초로 하는 이론적 해석은 많은 등가물에 대해 단지 어긋나는 관계를 부담할 뿐이고, 그리고/또는 출원인이 임의의 보정된 청구범위 요소에 대해 어떤 비현실적 대안을 기술하는 것이 기대되지 않는 많은 다른 이유가 있다.
도1은 본 발명에 따른 압력 변환기 다이어프램의 실시예를 도시한 개략 상단 평면도.
도2는 도1에 도시된 압력 변환기 다이어프램의 개략 3차원 등측도.
도3은 도2의 긴 선(3-3)을 따라 취해진 도2에 도시된 압력 변환기 다이어프램 부분의 개략 단면도.
도4는 본 발명에 따른 압력 변환기 다이어프램의 또 다른 실시예의 개략 단면도.
도5는 본 발명에 따른 압력 변환기 다이어프램의 또 다른 실시예의 개략 부분 단면도.
도6(a)-6(g)는 본 발명에 일 구현예에 따른 압력 변환기 다이어프램 형성과 관련된 1차 단계들을 묘사하는 매우 개략적인 단면도들.
도7(a)-7(f)는 본 발명에 따른 압력 변환기 다이어프램 형성과 관련된 1차 단계들을 도시하는 매우 개략적인 단면도들.
도8은 본 발명에 따른 완성된 MEMS 압력 변환기의 일 실시예를 도시한 개략 3차원 단면도.
Claims (13)
- 압력 변환기 다이어프램 제조 방법에 있어서,제1 기판의 제1 표면에 하나 이상의 트렌치를 에칭하는 단계;상기 트렌치에 에칭 내성을 부여하는 단계; 및막을 경화시키는 하나 이상의 중공의 돌기를 갖는 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성한 상기 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동을 에칭하는 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 트렌치를 에칭하는 단계는 건식 에칭 또는 습식 에칭 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 트렌치는 경사진 측벽들을 갖는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기의 하나 이상의 트렌치는 평평한 바닥을 갖는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트렌치에 에칭 내성을 부여하는 단계는, 상기 트렌치를 도핑하거나, 상기 트렌치를 확산시키거나, 또는 상기 트렌치에 에칭 내성 물질을 부가하는 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트렌치에 물질을 부가하는 단계를 추가로 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,폴리실리콘 또는 에피텍셜 실리콘층이 상기 트렌치 내에서 성장되는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,제2 기판이 상기 제1 기판의 상기 제1 표면에 접착되는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제2 기판은 상기 제1 기판의 상기 제1 표면에 융합 접착되는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 공동을 에칭하는 단계는 건식 또는 습식 에칭 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 압력 변환기 다이어프램 제조 방법에 있어서,제1 기판의 제1 표면에 하나 이상의 트렌치를 에칭하는 단계;상기 트렌치 및 제1 기판에 에칭 내성을 부여하는 단계; 및막을 경화시키는 하나 이상의 중공의 돌기를 가진 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성한 상기 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동을 에칭하는 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 압력 변환기 다이어프램 제조 방법에 있어서,제1 기판의 제1 표면에 하나 이상의 트렌치를 에칭하는 단계;상기 트렌치에 에칭 내성을 부여하는 단계;상기 제1 표면에 제2 기판을 접착시키는 단계; 및막을 경화시키는 하나 이상의 중공의 돌기를 가진 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성한 상기 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동을 에칭하는 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
- 압력 변환기 다이어프램 제조 방법에 있어서,제1 기판의 제1 표면에 하나 이상의 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치에 에칭 내성을 부여하는 단계; 및막을 경화시키는 하나 이상의 중공의 돌기를 가진 프레임에 의하여 지지되는 다이어프램을 형성한 상기 제1 기판의 제2 반대 표면에 공동을 형성하는 단계를 포함하는압력 변환기 다이어프램 제조 방법.
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