KR20090124011A - 패키징 기판과 이를 포함하는 가스 센싱 장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
제조 비용이 절감된 패키징 기판과 이를 포함하는 가스 센싱 장치 및 그 제조 방법이 제공된다.
가스 센싱 장치는 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변화하는 가스 센싱부를 갖는 가스 센싱 기판, 상기 가스 센싱 기판 상에 위치하여 상기 가스 센싱 기판을 패키징하는 패키징 기판을 포함하되, 상기 패키징 기판은 상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 가진다.
가스 센싱부, 가스 유량 감지부, 패키징 기판
Description
본 발명은 가스 센싱 장치의 패키징에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 패키징 기판과 이를 포함하는 가스 센싱 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 센싱 장치는 특정 가스를 검출하기 위한 것으로, 가스 센싱 장치에 포함되어 있는 가스 센싱부가 특정 가스에 노출될 때에 가스 센싱부의 감지 물질인 반도체의 전도도가 변화하거나 또는 기전력이 발생하는데, 이러한 반도체의 전도도 변화 또는 발생하는 기전력을 측정하여 반도체의 전기 저항 변화를 측정함으로써, 특정 가스를 검출할 수 있다.
도 1은 종래의 가스 센싱 장치의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 가스 센싱 장치(1)는 인쇄 회로 기판(10), 가스 센싱 기판(20) 및 커버(30)를 포함한다.
인쇄 회로 기판(10)은 가스 센싱을 위한 회로 패턴을 포함하며, 인쇄 회로 기판(10) 상에는 상기 회로 패턴과 연결된 기판 패드(11)가 위치하고 있다. 인쇄 회로 기판(10)의 일 부분은 가스 센싱 기판(20)이 안착되도록 인쇄 회로 기판(10)의 상면으로부터 함몰되어 있다.
가스 센싱 기판(20)은 기판(21), 절연층(22), 가열부(23), 절연부(24), 전극부(25), 가스 센싱부(26) 및 전극 패드(27)를 포함한다.
기판(21)은 실리콘 웨이퍼로부터 형성되며, 기판(21) 상에는 절연층(22)이 위치하고 있다.
절연층(22)은 산화 실리콘 및 질화 실리콘 등을 포함한다. 절연층(22) 상에는 가열부(23)가 위치하고 있다.
가열부(23)는 가스 센싱부(26)가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 가스 센싱부(26)를 가열하는 역할을 한다. 가열부(23)는 고온의 환경에서 전기 전도도의 특성이 저하되지 않는 백금(Pt) 등의 금속 재료를 포함한다. 가열부(23)는 전극 패드(27)와 연결되어 있다.
절연부(24)는 가열부(23)와 전극부(25) 사이에 위치하고 있으며, 가열부(23)와 전극부(25)의 단락을 방지하는 역할을 한다.
전극부(25)는 외부로부터 유입된 가스에 의해 가스 센싱부(26)의 전기 저항의 변화를 감지하는 역할을 한다. 전극부(25)는 전극 패드(27)와 연결되어 있다.
가스 센싱부(26)는 검출하고자 하는 가스와 직접 접촉하여 가스를 흡착함에 따라 전기적인 전기 저항의 변화를 나타내는 부분으로서, 반도체의 성질을 갖는 금속 산화물을 포함한다. 외부로부터 유입된 가스가 가스 센싱부(26)와 접촉하여 화 학적 반응을 일으키면 가스와 가스 센싱부(26) 사이에 전자의 교환이 이루어지므로, 가스 센싱부(26)의 전기 저항의 변화가 발생하게 된다.
전극 패드(27)는 가열부(23) 및 전극부(25)와 연결되어 있으며, 와이어(w)를 통해 인쇄 회로 기판(10) 상에 위치하는 기판 패드(11)와 연결되어 있다. 다시 말해, 가열부(23) 및 전극부(25)는 전극 패드(27), 와이어(w) 및 기판 패드(11)를 통해 인쇄 회로 기판(10)에 형성된 가스 센싱을 위한 회로 패턴과 연결된다.
커버(30)는 외부의 충격으로부터 가스 센싱 기판(20)을 보호한다.
이와 같이, 종래의 가스 센싱 장치(1)는 인쇄 회로 기판(10), 가스 센싱 기판(20) 및 커버(30)를 별도의 공정을 통해 제조하여 서로 접착하기 때문에, 제조 비용이 증가 하는 문제점이 있다.
또한, 인쇄 회로 기판(10)과 가스 센싱 기판(20) 사이의 전기적인 연결이 와이어(w)를 통해 이루어지기 때문에, 가스 센싱의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 가스 센싱 장치가 알코올 센서, 매연 센서, 구취 센서 등에 이용되는 경우, 외부로부터 유입되는 가스가 일정량 이상이 되었을 때에 한하여, 가스 센싱 장치가 활성화되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 종래의 가스 센싱 장치에서는 가스 센싱부(26)로 유입되는 가스의 유량을 측정하는 별도의 가스 유량계를 가스 센싱 장치에 설치하였는데, 이로 인해, 제조 과정이 복잡해지고, 제조 비용이 증가한다는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 구조를 개선하여 제조 비용을 절감할 수 있는 패키징 기판과 이를 포함하는 가스 센싱 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 가스 센싱을 위한 회로 패턴과 가스 센싱부 사이의 연결 구조를 개선하여, 가스 센싱의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 패키징 기판과 이를 포함하는 가스 센싱 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 가스 유량 감지부를 포함하여 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 패키징 기판과 이를 포함하는 가스 센싱 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 가스 센싱 장치에 있어서, 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변화하는 가스 센싱부를 갖는 가스 센싱 기판, 상기 가스 센싱 기판 상에 위치하여 상기 가스 센싱 기판을 패키징하는 패키징 기판을 포함하되, 상기 패키징 기판은 상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 갖는 것인 가스 센싱 장치를 제공한다.
상기 가스 유량 감지부는 상기 가스에 의해 압력이 가해질 때, 전기 저항이 변화하는 압저항(piezoresistance) 방식일 수 있다.
상기 가스 유량 감지부는 상기 가스의 양이 사전 결정된 값을 초과하는 경우, 상기 가스 센싱부가 활성화되도록 할 수 있다.
상기 가스 유량 감지부는 상기 가스가 관통될 수 있는 하나 이상의 홀(hole)을 포함할 수 있다.
상기 가스 유량 감지부는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 가스 센싱 기판은 제 1 기판, 상기 제 1 기판과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하는 절연막 및 상기 절연막 상에 위치하며, 상기 가스 센싱부와 연결되어 있는 패드부를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 센싱 기판은 상기 절연막과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하며 상기 가스 센싱부에 열을 가하는 가열부 및 상기 패드부와 상기 가스 센싱부 사이를 연결하는 전극부를 더 포함할 수 있다.
상기 패키징 기판은 상기 제 1 기판 상에 위치하며, 상기 가스 유량 감지부와 상기 가스 센싱부 사이에 검출 공간을 형성하는 제 2 기판 및 상기 제 2 기판과 상기 가스 유량 감지부 사이에 위치하는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 검출 공간에 대응하는 상기 절연층은 플로팅(floating)되어 있을 수 있다.
상기 제 2 기판은 상기 패드부에 대응하여 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 스루홀(through hole)을 포함하고, 상기 패키징 기판은 상기 제 2 절연층 상에 형성된 도전성 패턴을 더 포함하며, 상기 가스 센싱 장치는 상기 스루홀 내에 위치하며 상기 스루홀을 통해 상기 패드부와 상기 도전성 패턴을 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면은 가스 센싱 장치의 제조 방법에 있어서, (a) 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변화하는 가스 센싱부를 포함하는 가스 센싱 기판을 마련하는 단계, (b) 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 포함하는 패키징 기판을 마련하는 단계 및 (c) 상기 가스 유량 감지부가 상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있도록 상기 가스 센싱 기판 상에 상기 패키징 기판을 접합하는 단계를 포함하는 가스 센싱 장치의 제조 방법을 제공한다.
상기 (b)단계는 상기 가스 유량 감지부에 하나 이상의 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a)단계 및 상기 (b)단계 중 어느 하나 이상의 단계는 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용해 수행할 수 있다.
상기 (b)단계는 기판을 마련하는 단계, 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층 상에 상기 가스 유량 감지부를 형성하는 단계, 상기 기판을 관통하여 스루홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (b)단계는 상기 절연층 상에 도전성 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 (c)단계는 상기 도전성 패턴과 상기 가스 센싱부가 연결되도록 상기 스루홀 내에 연결부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 3 측면은 가스를 검출하는 가스 센싱부를 갖는 가스 센싱 기판을 패키징하는 가스 센싱 장치용 패키징 기판에 있어서, 상기 가스의 이동 경로에 위치하며, 상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 포함하는 패키징 기판을 제공한다.
상기 가스 유량 감지부는 상기 가스에 의해 압력이 가해질 때, 전기 저항이 변화하는 압저항(piezoresistance) 방식일 수 있다.
상기 가스 유량 감지부는 상기 가스의 양이 사전 결정된 값을 초과하는 경우, 상기 가스 센싱부가 활성화되도록 할 수 있다.
상기 가스 유량 감지부는 상기 가스가 관통될 수 있는 하나 이상의 홀을 포함할 수 있다.
상기 가스 유량 감지부는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘(poly Si)을 포함할 수 있다.
상기 가스 유량 감지부와 상기 가스 센싱부 사이에 검출 공간을 형성할 수 있다.
상기 가스 유량 감지부와 상기 검출 공간 사이에 위치하는 절연층을 더 포함하며, 상기 검출 공간에 대응하는 상기 절연층은 플로팅(floating)되어 있을 수 있다.
도전성 패턴 및 상기 가스 센싱부와 상기 도전성 패턴 사이를 연결하는 연결부가 위치할 수 있도록 관통되어 형성된 스루홀을 더 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 패키징 기판의 구조를 개선하여 별도의 인쇄 회로 기판을 생략함으로써, 제조 비용을 절감할 수 있는 효 과가 있다.
또한, 패키징 기판의 구조를 개선함으로써, 가스 센싱 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 가스 유량 감지부를 포함하는 패키징 기판으로 인해, 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재와 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 상부 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치(1000)는 가스 센싱 기판(100), 패키징 기판(200) 및 연결부(300)를 포함한다.
가스 센싱 기판(100)은 제 1 기판(110), 절연막(120), 가열부(130), 절연부(140), 전극부(150), 가스 센싱부(160) 및 패드부(170)를 포함한다.
제 1 기판(110)은 실리콘(Si)을 재료로 포함하는 웨이퍼로부터 형성된다. 제 1 기판(110) 상에는 절연막(120)이 위치하고 있다.
절연막(120)은 산화 실리콘층 및 질화 실리콘층 등을 포함한다. 절연막(120) 상에는 가열부(130)가 위치하고 있다.
가열부(130)는 가스 센싱부(160)가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 가스 센싱부(160)를 가열하는 역할을 한다. 가열부(130)는 고온의 환경에서 전기 전도도의 특성이 저하되지 않는 백금(Pt) 등의 금속 재료 및 다결정 실리콘(poly Si) 등의 도전성 재료를 포함한다. 가열부(130)는 패드부(170)와 연결되어 있다.
절연부(140)는 가열부(130)와 전극부(150) 사이에 위치하고 있으며, 가열부(130)와 전극부(150)의 단락을 방지하는 역할을 한다.
전극부(150)는 외부로부터 유입된 가스에 의해 가스 센싱부(160)의 전기 저항의 변화를 감지하는 역할을 한다. 전극부(150)는 고온의 환경에서 전기 전도도의 특성이 저하되지 않는 백금(Pt) 등의 금속 재료 및 다결정 실리콘 등의 도전성 재료를 포함한다. 전극부(150)는 패드부(170)와 연결되어 있다.
가스 센싱부(160)는 검출하고자 하는 가스와 직접 접촉하여 가스를 흡착함에 따라 전기적인 전기 저항의 변화를 나타내는 부분으로서, 반도체의 성질을 갖는 산화주석(SnO₂), 산화텅스텐(WO₃) 및 산화티타늄(TiO₂) 등의 금속 산화물을 포함한다. 외부로부터 유입된 가스가 가스 센싱부(160)와 접촉하여 화학적 반응을 일으키면 가스와 가스 센싱부(160) 사이에 전자의 교환이 이루어지므로, 가스 센싱부(160)의 전기 저항의 변화가 발생하게 된다.
패드부(170)는 일부가 가열부(130)와 연결되어 있으며, 나머지가 전극부(150)와 연결되어 있다. 패드부(170)는 전극부(150)에 의해 가스 센싱부(160)와 연결되는 동시에 후술할 패키징 기판(200)의 연결부(300)를 통해 패키징 기판(200)의 도전성 패턴(260)과 연결된다.
이상과 같은 가스 센싱 기판(100) 상에 후술할 패키징 기판(200)이 위치하고 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 패키징 기판(200)은 제 2 기판(210), 제 1 절연층(220), 제 2 절연층(230), 접착층(240), 가스 유량 감지부(250) 및 도전성 패턴(260)을 포함한다.
제 2 기판(210)은 실리콘을 재료로 포함하는 웨이퍼로부터 형성된다. 제 2 기판(210)은 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160) 주위에 검출 공간(S)이 형성되도록 가스 센싱부(160)의 둘레를 감싸고 있다. 검출 공간(S)에는 외부로부터 유입된 가스가 위치하게 된다. 제 2 기판(210)은 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170)와 대응하며 제 2 기판(210)의 상면으로부터 하면까지 관통하여 형성된 스루홀(211)을 포함한다. 제 2 기판(210)의 스루홀(211)에는 후술할 연결부(300)가 위 치하고 있다. 제 2 기판(210)의 상면 및 상면과 대향하는 하면에는 제 1 절연층(220)이 위치하고 있다.
제 1 절연층(220)은 산화 실리콘(SiO₂)을 포함하는 절연성 물질로 이루어져 있다. 검출 공간(S)에 대응하는 제 1 절연층(220)은 검출 공간(S)과 직접 마주하고 있다. 즉, 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160)와 마주하여 검출 공간(S) 상에 위치한 제 1 절연층(220)은 플로팅(floating)되어 있다. 제 1 절연층(220) 상에는 제 2 절연층(230)이 위치하고 있다.
제 2 절연층(230)은 질화 실리콘(SiNx)를 포함하는 절연성 물질로 이루어져 있다. 제 2 절연층(230)은 제 1 절연층(220)과 격자(lattice) 구조가 교차할 수 있는 절연성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 제 2 절연층(230) 및 제 1 절연층(220)은 절연성 및 탄성 강도를 상호 보강하는 역할을 한다. 제 2 절연층(230)과 가스 센싱 기판(100) 사이에는 접착층(240)가 위치하고 있다.
접착층(240)는 패키징 기판(200)과 가스 센싱 기판(100)을 접착하는 역할을 하며, 인듐(In), 주석(Sn) 및 금(Au) 중 어느 하나 이상 등의 도전성 금속 물질을 이용한 유테틱(eutectic) 본딩 등의 열압착 본딩 방식 또는 에폭시(epoxy)를 이용한 열경화 본딩 방식을 이용할 수 있다. 접착층(240)로서 도전성 금속 물질을 사용할 경우, 후술할 연결부(300)와 접착층(240)간의 단락을 방지하기 위해 연결부(300)와 접착층(240) 사이에 절연성 물질이 추가로 위치할 수 있다. 접착층(240)가 위치하는 제 2 절연층(230)과 대향하는 제 2 기판(210)의 상면에 위치하는 제 2 절연층(230) 상에는 가스 유량 감지부(250)가 위치하고 있다.
가스 유량 감지부(250)는 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160)와 대응하여 검출 공간(S) 상에 위치하며, 플로팅되어 있는 제 1 절연층(220) 상에 위치한 제 2 절연층(230) 상에 위치하고 있다. 가스 유량 감지부(250)는 붕소(boron), 인(phosphorus) 등의 불순물이 도핑된 다결정 실리콘(poly Si)을 포함하며, 외부로부터 압력을 인가 받을 시 전기 저항이 변화하는 압저항(piezoresistance) 방식이다. 또한, 가스 유량 감지부(250)는 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160)에 대응하여 형성된 하나 이상의 홀(251)을 포함하며, 가스 검출 시 외부로부터 유입된 가스가 홀(251)을 관통하여 검출 공간(S) 내에 위치하게 된다. 이와 같이, 가스가 홀(251)을 관통할 시, 가스의 유속에 의해 프로팅되어 있는 제 1 절연층(220) 및 제 2 절연층(230)이 출렁이게 되며, 이에 의해, 제 2 절연층(230) 상에 위치한 가스 유량 감지부(250)가 휘게 되면서 압력을 인가 받게 된다. 즉, 가스 유량 감지부(250)는 가스의 유입에 의해 압력을 받게 되어 전기 저항이 변하게 되며, 이 변화된 전기 저항으로부터 검출 공간(S)으로 유입된 가스의 유량을 측정할 수 있다. 가스 유량 감지부(250)는 검출 공간(S)으로 유입되는 가스의 양이 사전 설정된 값을 초과할 경우, 후술할 도전성 패턴(260)의 회로 패턴과의 신호 교환에 의해 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160)를 활성화되도록 할 수 있다. 즉, 검출 공간(S)으로 유입되는 가스에 의해 가스 유량 감지부(250)의 전기 저항이 사전 설정된 값을 초과하면, 가스 유량 감지부(250)와 연결되어 있는 도전성 패턴(260)이 활성 신호를 가스 센싱 기판(100)으로 전달하여 가스 센싱부(160)가 활성화되며, 가스 센싱부(160)의 활성화로 인해 검출 공간(S)에 위치하는 가스의 측정을 시작할 수 있 다. 이에 의해, 가스 센싱 장치(1000)는 외부로부터 유입되는 가스의 일정량에 따라 최적의 가스 센싱을 수행할 수 있다.
가스 유량 감지부(250)와 이웃하여 도전성 패턴(260)이 위치하고 있다.
도전성 패턴(260)은 제 2 절연층(230) 상에 위치하고 있으며, 가스 센싱 기판(100)의 가열부(130) 및 전극부(150)와 전기 신호를 주거나 받기 위한 회로 패턴, 가스 유량 감지부(250)와 전기 신호를 주거나 받기 위한 회로 패턴 및 별도의 추가적인 구동을 위한 회로 패턴 등을 포함한다. 도전성 패턴(260)은 복수개의 박막트랜지스터를 포함하는 형태로 형성될 수 있으며, 연결부(300)를 통해 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170)와 연결되어 가스 센싱 기판(100)과 연결되어 있다.
다른 실시예에서, 도전성 패턴(260)의 위치는 한정되지 않으며, 제 2 절연층(230)과 가스 유량 감지부(250) 사이 또는 가스 유량 감지부(250) 상 등의 위치에 형성될 수 있다.
연결부(300)는 제 2 기판(210)의 스루홀(211)을 내에 위치하고 있으며, 스루홀(211)을 통해 제 2 기판(210)을 관통하여 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170)와 패키징 기판(200)의 도전성 패턴(260)을 연결하는 역할을 한다. 연결부(300)는 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 등의 도전성 금속 물질을 포함한다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치(1000)는 별도의 인쇄 회로 기판 없이, 패키징 기판(200)에 가스 센싱을 위한 도전성 패턴(260)을 형성하기 때문에 제조 공정이 종래에 비해 간단해지며, 실리콘 웨이퍼로부터 형성된 가스 센싱 기판(100) 및 패키징 기판(200)을 이용해 상호 접착하기 때문에, 복 수의 가스 센싱 기판(100) 및 복수의 패키징 기판(200)이 형성된 각각의 실리콘 웨이퍼를 상호 접착한 후, 절단하여 각각의 가스 센싱 장치(1000)로 제조할 수 있다. 이에 의해 제조 시간 및 제조 비용이 절감된다.
또한, 가스 센싱 기판(100)과 패키징 기판(200)의 도전성 패턴(260)과의 전기적 연결이 패키징 기판(200)의 연결부(300)를 통해 이루어지기 때문에, 외부의 충격으로부터 약한 와이어 등을 통해 전기적 연결이 이루어지는 경우에 비해 강하다. 즉, 가스 센싱 신뢰성이 향상된다.
또한, 패키징 기판(200)이 최적의 가스 센싱을 위해 외부로부터 유입되는 가스의 유량을 측정하는 가스 유량 감지부(250)를 포함하고 있기 때문에, 별도로 가스 유량 감지부를 마련할 필요가 없다. 이에 의해, 제조 공정이 단순화되고, 제조 비용이 절감된 가스 센싱 장치(1000) 제공된다.
이하, 도 4 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 5 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 우선, 가스 센싱 기판(100)을 마련한다(S100).
구체적으로, 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용해 제 1 기판(110), 절연막(120), 가열부(130), 절연부(140), 전극부(150), 가스 센싱 부(160) 및 패드부(170)를 포함하는 가스 센싱 기판(100)을 마련한다.
다음, 도 6 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 패키징 기판(200)을 마련한다(S200).
구체적으로, 우선, 도 6에 도시된 바와 같이, 디에스피(DSP: Double side polished) 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)로 형성된 제 2 기판(210)의 상면 및 하면을 물(H₂O) 환경에서 습식 열산화 방법을 이용해 산화시켜, 제 2 기판(210)의 상면 및 하면 상에 산화 실리콘(SiO₂)으로 형성된 제 1 절연층(220)을 4000Å 내지 6000Å의 두께로 형성한다.
다음, 제 2 절연층(230) 상에 저압 화학 기상 증착 방법(LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용해 질화 실리콘(SiNx)으로 형성된 제 2 절연층(230)을 2000Å 내지 4000Å의 두께로 형성한다.
다른 실시예에서, 제 1 절연층(220)과 제 2 기판(210)의 사이 또는 제 1 절연층(220)과 제 2 절연층(230) 사이에 산화 실리콘 또는 질화 실리콘으로 형성된 절연층이 추가로 형성될 수 있다.
다음, 제 2 기판(210)의 상면 상에 위치한 제 2 절연층(230) 상에 저압 화학 기상 증착 방법 또는 이온주입방법(Ion Implant Method)을 이용해 다결정 실리콘(poly Si)으로 형성된 도전층(255)을 3000Å 내지 5000Å의 두께로 형성한다
다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 이용해 도전층(255)을 패터닝하여 가스 유량 감지부(250)를 형성한다.
가스 유량 감지부(250)는 외부로부터 유입되는 가스의 압력에 의해 파괴되지 않는 한편, 전기 저항이 변화되기 적합하도록 휘어질 수 있는 정도의 두께인 5000Å 내지 40000Å으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 가스 유량 감지부(250)의 두께가 5000Å 이하인 경우, 외부로부터 가스가 유입될 때, 가스 유량 감지부(250)가 유입되는 가스의 압력에 의해 파괴될 수 있으며, 또한 가스 유량 감지부(250)의 두께가 40000Å 이상인 경우, 외부로부터 가스가 유입될 때, 가스 유량부(250)가 유입되는 가스의 압력에 의해 휘어지지 않게 되어 가스 유량부(250)의 전기 저항이 변화하지 않는다.
다른 실시예에서, 가스 유량 감지부(250)는 불순물이 첨가된 반도체 성질을 가진 도전층을 이용해 형성할 수 있다.
다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 기술을 이용해 제 2 기판(210)의 상면 상에 위치한 제 1 절연층(220) 및 제 2 절연층(230)을 패터닝하여 제 1 영역(A)에 의해 제 2 기판(210)의 상면이 노출되도록 한다. 또한, 제 2 기판(210)의 하면 상에 위치한 제 1 절연층(220) 및 제 2 절연층(230)을 패터닝하여 제 2 영역(B)에 의해 제 2 기판(210)의 하면이 노출되도록 한다. 이 때, 제 1 절연층(220) 및 제 2 절연층(230)의 패터닝을 위한 식각은 이온 반응 식각(RIE: Reactive Ion Etch) 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
다음, 도 9에 도시된 바와 같이, 이온 반응 식각 공정 등의 건식 식각 공정을 이용해 제 1 영역(A)에 의해 노출된 제 2 기판(210)의 상면으로부터 제 2 기판(210)의 하면까지 관통되도록 제 2 기판(210)을 식각하여 스루홀(211)을 형성한다.
다음, 수산화 칼륨(KOH: Potassium hydroxide)을 식각액으로 이용한 습식 식각 공정을 이용해 제 2 영역(A)에 의해 노출된 제 2 기판(210)을 식각한다. 이 때, 제 2 기판(210)의 식각면은 예각 또는 둔각을 형성할 수 있으며, 제 2 영역(B)에 의한 제 2 기판(210)의 식각에 의해 제 2 기판(210)의 상면에 위치한 제 1 절연층(220), 제 2 절연층(230) 및 가스 유량 감지부(250)는 플로팅(floating)되며, 제 2 기판(210)은 검출 공간(S)을 형성한다.
다음, 도 10에 도시된 바와 같이, 제 2 기판(210)의 하면 상에 위치한 제 2 절연층(230) 상에 접착층(240)을 형성한다. 접착층(240)은 인듐(In), 주석(Sn) 및 금(Au) 등의 금속층이 복합층으로 형성되거나 에폭시(epoxy) 등의 수지층이 단일층으로 형성될 수 있다. 접착층(240)은 3000Å 내지 5000Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
다음, 도 11에 도시된 바와 같이, 건식 식각 공정 또는 습식 식각 공정을 이용해 스루홀(211)에 대응하는 제 1 절연층(220), 제 2 절연층(230) 및 접착층(240)을 식각한다. 이 때, 접착층(240)이 인듐(In), 주석(Sn) 및 금(Au) 등의 금속층이 복합층으로 형성되어 있으면, 식각 후 스루홀(211)과 마주하며 외부로 노출된 접착층(240)의 일면에 절연 물질을 형성하는 것이 바람직하다. 접착층(240)의 일면에 절연 물질을 형성할 때, 플라즈마 화학 기상 증착 방법(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용해 산화 실리콘으로 형성된 절연층을 4000Å 내지 6000Å의 두께로 형성한다.
다음, 제 2 기판(210)의 상면 상에 위치한 제 2 절연층(230) 상에 멤스 기술 을 이용해 가스 센싱 또는 가스 유량 감지 등을 위한 복수개의 회로 패턴을 포함하는 도전성 패턴(260)을 형성한다. 도전성 패턴(260)은 가스 유량 감지부(250)와 연결된다.
다른 실시예에서, 도전성 패턴(260)의 형성 위치는 제 2 절연층(230) 상에 한정되지 않으며, 제 2 기판(210)의 내부 또는 가스 유량 감지부(250)의 상측 등의 다른 위치에 형성될 수 있다.
다음, 가스 유량 감지부(250), 제 1 절연층(220) 및 제 2 절연층(230)을 관통하여 검출 공간(S)과 연통되도록 포토리소그래피 기술을 이용해 가스 유량 감지부(250)에 하나 이상의 홀(251)을 형성한다.
다른 실시예에서, 홀(251)의 형성은 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 접합한 후, 형성할 수 있다.
이상과 같은 공정에 의해, 패키징 기판(200)이 마련된다.
다음, 도 12에 도시된 바와 같이, 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 접합한다(S300).
구체적으로, 패키징 기판(200)의 검출 공간(S)에 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160)가 위치하고, 패키징 기판(200)의 스루홀(211)에 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170)가 위치하도록 접착층(240)을 이용하여 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 접합한다.
접착층(240)이 인듐(In), 주석(Sn) 및 금(Au) 등의 금속층이 복합층으로 형성되어 있을 경우, 접착층(240)을 이용한 유테틱(eutectic) 본딩 등의 열압착 본딩 방식을 이용하여 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 접합하며, 또한 접착층(240)이 에폭시(epoxy) 등의 수지층이 단일층으로 형성되어 있을 경우, 접착층(240)을 이용한 열경화 본딩 방식을 이용하여 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 접합할 수 있다.
다른 실시예에서, 가스 센싱 기판(100)과 패키징 기판(200) 사이의 접합은 글라스 파우더(glass powder) 등의 접착 재료를 이용해 수행될 수 있다.
다음, 도금 공정을 이용해 스루홀(211) 내에 구리(Cu) 등의 도전성 물질을 위치시켜 연결부(300)를 형성한다. 연결부(300)에 의해 패키징 기판(200)의 도전성 패턴(260)과 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170)가 연결된다. 즉, 가스 센싱부(160)와 도전성 패턴(260)이 연결된다.
한편, 복수의 패키징 기판(200)이 형성된 일 웨이퍼와 복수의 가스 센싱 기판(100)이 형성된 타 웨이퍼를 서로 접합한 경우, 접합되어 있는 일 웨이퍼와 타 웨이퍼를 다이싱(dicing)하여 각각이 패키징 기판(200) 및 가스 센싱 기판(100)을 가지는 가스 센싱 장치(1000)를 복수 개 형성할 수 있다.
이상과 같은 공정에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치(1000)가 제조된다.
이에 의하여, 가스 센싱 신뢰성이 향상되며, 제조 비용을 절감할 수 있는 가스 센싱 장치의 제조 방법이 제공된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않 고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 가스 센싱 장치의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 상부 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이며,
도 5 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
Claims (23)
- 가스 센싱 장치에 있어서,검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변화하는 가스 센싱부를 갖는 가스 센싱 기판,상기 가스 센싱 기판 상에 위치하여 상기 가스 센싱 기판을 패키징하는 패키징 기판을 포함하되,상기 패키징 기판은 상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 갖는 것인 가스 센싱 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 상기 가스에 의해 압력이 가해질 때, 전기 저항이 변화하는 압저항(piezoresistance) 방식인 것인 가스 센싱 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 상기 가스의 양이 사전 결정된 값을 초과하는 경우, 상기 가스 센싱부가 활성화되도록 하는 것인 가스 센싱 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 상기 가스가 관통될 수 있는 하나 이상의 홀(hole)을 포함하는 가스 센싱 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘(poly Si)을 포함하는 가스 센싱 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 센싱 기판은,제 1 기판,상기 제 1 기판과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하는 절연막 및상기 절연막 상에 위치하며, 상기 가스 센싱부와 연결되어 있는 패드부를 더 포함하는 가스 센싱 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 가스 센싱 기판은,상기 절연막과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하며, 상기 가스 센싱부에 열을 가하는 가열부 및상기 패드부와 상기 가스 센싱부 사이를 연결하는 전극부를 더 포함하는 가스 센싱 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 패키징 기판은,상기 제 1 기판 상에 위치하며, 상기 가스 유량 감지부와 상기 가스 센싱부 사이에 검출 공간을 형성하는 제 2 기판 및상기 제 2 기판과 상기 가스 유량 감지부 사이에 위치하는 절연층을 더 포함하는 가스 센싱 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 검출 공간에 대응하는 상기 절연층은 플로팅(floating)되어 있는 것인 가스 센싱 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 2 기판은 상기 패드부에 대응하여 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 스루홀(through hole)을 포함하고,상기 패키징 기판은 상기 제 2 절연층 상에 형성된 도전성 패턴을 더 포함하며,상기 가스 센싱 장치는 상기 스루홀 내에 위치하며 상기 스루홀을 통해 상기 패드부와 상기 도전성 패턴을 연결하는 연결부를 더 포함하는 가스 센싱 장치.
- 가스 센싱 장치의 제조 방법에 있어서,(a) 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변화하는 가스 센싱부를 포함하는 가스 센싱 기판을 마련하는 단계,(b) 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 포함하는 패키징 기판을 마련하는 단계 및(c) 상기 가스 유량 감지부가 상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있도록 상기 가스 센싱 기판 상에 상기 패키징 기판을 접합하는 단계를 포함하는 가스 센싱 장치의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 (b)단계는,상기 가스 유량 감지부에 하나 이상의 홀을 형성하는 단계를 포함하는 가스 센싱 장치의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 (a)단계 및 상기 (b)단계 중 어느 하나 이상의 단계는,멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용해 수행하는 것인 가스 센싱 장치의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 (b)단계는,기판을 마련하는 단계,상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계,상기 절연층 상에 상기 가스 유량 감지부를 형성하는 단계,상기 기판을 관통하여 스루홀을 형성하는 단계를 포함하는 가스 센싱 장치의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 (b)단계는,상기 절연층 상에 도전성 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하고,상기 (c)단계는,상기 도전성 패턴과 상기 가스 센싱부가 연결되도록 상기 스루홀 내에 연결부를 형성하는 단계를 포함하는 가스 센싱 장치의 제조 방법.
- 가스를 검출하는 가스 센싱부를 갖는 가스 센싱 기판을 패키징하는 가스 센싱 장치용 패키징 기판에 있어서,상기 가스의 이동 경로에 위치하며,상기 가스 센싱부로 유입되는 상기 가스의 양을 측정할 수 있는 가스 유량 감지부를 포함하는 패키징 기판.
- 제 16 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 상기 가스에 의해 압력이 가해질 때, 전기 저항이 변화하는 압저항(piezoresistance) 방식인 것인 패키징 기판.
- 제 17 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 상기 가스의 양이 사전 결정된 값을 초과하는 경우, 상기 가스 센싱부가 활성화되도록 하는 것인 패키징 기판.
- 제 17 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 상기 가스가 관통될 수 있는 하나 이상의 홀을 포함하는 패키징 기판.
- 제 17 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘(poly Si)을 포함하는 패키징 기판.
- 제 17 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부와 상기 가스 센싱부 사이에 검출 공간을 형성하는 것인 패키징 기판.
- 제 21 항에 있어서,상기 가스 유량 감지부와 상기 검출 공간 사이에 위치하는 절연층을 더 포함하며,상기 검출 공간에 대응하는 상기 절연층은 플로팅(floating)되어 있는 것인 패키징 기판.
- 제 17 항에 있어서,도전성 패턴 및상기 가스 센싱부와 상기 도전성 패턴 사이를 연결하는 연결부가 위치할 수 있도록 관통되어 형성된 스루홀을 더 포함하는 패키징 기판.
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