KR20160080320A

KR20160080320A - Differential pressure sensor

Info

Publication number: KR20160080320A
Application number: KR1020140191244A
Authority: KR
Inventors: 이경일; 이대성; 신규식
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2014-12-28
Filing date: 2014-12-28
Publication date: 2016-07-08

Abstract

Provided is a differential pressure sensor which has excellent durability, high precision, a low defect rate, and high reliability. According to the present invention, the differential pressure sensor comprises: a first silicon substrate on which a first pressure transmission portion is formed; a second silicon substrate on which a second pressure transmission portion is formed; and a third silicon substrate which is spaced apart from the first silicon substrate and the second silicon substrate by a glass support portion and is deformed by a pressure transmitted from at least one of the first pressure transmission portion and the second pressure transmission portion.

Description

[0001] The present invention relates to a differential pressure sensor,

본 발명은 차동형 압력센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내구성이 우수하고, 정밀도가 높으며 불량률이 낮은 신뢰성 높은 차동형 압력센서에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a differential pressure sensor, and more particularly, to a differential pressure sensor having high durability, high accuracy, and low defect rate.

차동형 압력센서는 가스, 유체 등의 배관에 설치되어 압력을 측정하는 압력계의 구성요소로, 압력 인가 시 정전용량의 변화를 일으키는 구조로 차동 압력을 측정하는 MEMS 센서이다. A differential pressure sensor is a component of a pressure gauge installed in piping such as gas or fluid to measure pressure. It is a MEMS sensor that measures differential pressure with a structure that causes a change in capacitance when pressure is applied.

차동형 압력센서는 여러가지 형태로 제작되는데, 최근에는 도 1과 같은 형태의 차동형 압력센서가 개발되었다. 도 1은 한국등록특허공보 0634822호에 개시된 차동형 압력센서이다. 동특허에서 차동형 압력센서(1)는 유리(60)-실리콘(50)-유리 (70)을 접합시켜 구성되는데, 유리기판 상에 금속 박막을 증착하고 패터닝해 전극(63)을 형성시킨다. 유리기판 상의 전극(63)은 유리 기판 상에 뚫린 구멍(64)을 통해 반대면 전극과 연결되며 이 전극은 다시 측면의 전극(65)과 연결된다. The differential pressure sensor is manufactured in various forms. Recently, a differential pressure sensor of the type shown in FIG. 1 has been developed. 1 is a differential pressure sensor disclosed in Korean Patent Publication No. 0634822. The differential pressure sensor 1 comprises a glass 60, a silicon 50 and a glass 70 bonded together. A metal thin film is deposited on the glass substrate and patterned to form the electrode 63. The electrode 63 on the glass substrate is connected to the opposite surface electrode through an aperture 64 on the glass substrate and this electrode is again connected to the electrode 65 on the side surface.

실리콘기판(50) 상에 형성된 전극(51)과 유리기판(60) 상에 형성된 전극(63)이 커패시터를 형성해 두개의 커패시터가 형성된다. 유리기판에 뚫린 구멍(64)을 통해 압력이 인가되면 실리콘 다이아프램(50)이 움직이며 전극 간 거리가 한쪽은 멀어지고 한쪽은 줄어들게 된다. 이러면 양쪽의 정전용량이 달라지며 이 값 차이를 통해 인가된 압력을 구할 수 있다. The electrode 51 formed on the silicon substrate 50 and the electrode 63 formed on the glass substrate 60 form a capacitor to form two capacitors. When the pressure is applied through the hole 64 in the glass substrate, the silicon diaphragm 50 moves, and the distance between the electrodes moves away from each other and one side decreases. In this case, the capacitances of both sides are different, and the pressure difference can be obtained through this difference in value.

그런데, 이러한 기술은 전극을 구성하는 박막이 웨이퍼 바깥 양쪽 표면에 형성되어 있어 센서 제조 공정 시 웨이퍼를 다루는 과정, 또 칩 상태에서 조립, 후공정 등의 과정에서 전극의 손상이 발생할 우려가 있다. However, this technique has a problem that the electrode is damaged in the process of handling the wafer during the sensor manufacturing process, and the process of assembling and post-manufacturing in the chip state because the thin film constituting the electrode is formed on both surfaces of the wafer.

또한, 외부 신호처리 회로와 연결되는 패드와 커패시터의 전기적 연결이 날카로운 유리 기판 모서리를 금속 박막이 넘어가는 형태로 형성되어 있으며 이 부분은 스트레스에 취약해 전기적 연결이 끊어지거나 연결 저항값이 크게 증가하는 문제가 발생할 가능성이 높다. 제작 과정이나 사용 환경이나 전극이 손상될 경우, 결과적으로 압력센서의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
In addition, the electrical connection between the pad and the capacitor connected to the external signal processing circuit is formed by the metal thin film over the edges of the glass substrate, which is vulnerable to stress, resulting in breakage of electrical connection or a large increase in connection resistance There is a high probability that problems will occur. There is a problem that the reliability of the pressure sensor is deteriorated when the manufacturing process, the use environment, or the electrode is damaged.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 내구성이 우수하고, 정밀도가 높으며 불량률이 낮은 신뢰성 높은 차동형 압력센서를 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a differential pressure sensor having excellent durability, high precision, low defect rate, and high reliability.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차동형 압력센서는 제1압력전달부가 형성된 제1실리콘 기판; 제2압력전달부가 형성된 제2실리콘 기판; 및 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판과 유리지지부에 의해 이격되고, 제1 압력전달부 및 제2압력전달부 중 적어도 하나로부터 전달된 압력에 의해 변형되는 제3실리콘기판;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a differential pressure sensor including: a first silicon substrate having a first pressure transmitting portion formed therein; A second silicon substrate on which a second pressure transfer portion is formed; And a third silicon substrate spaced apart by the first silicon substrate, the second silicon substrate, and the glass support, and deformed by the pressure transferred from at least one of the first pressure transmitting portion and the second pressure transmitting portion.

제3실리콘 기판은 두께가 상대적으로 얇은 다이어프램 영역을 포함할 수 있고, 다이어프램 영역은 비대칭일 수 있다. The third silicon substrate may include a relatively thin diaphragm region, and the diaphragm region may be asymmetric.

제3실리콘 기판은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판일 수 있다. The third silicon substrate may be a silicon-on-insulator (SOI) substrate.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1압력전달부가 형성된 제1실리콘 기판을 준비하는 단계; 제2압력전달부가 형성된 제2실리콘 기판을 준비하는 단계; 및 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판 사이에 유리지지부에 의해 이격되고, 제1 압력전달부 및 제2압력전달부 중 적어도 하나로부터 전달된 압력에 의해 변형되도록 형성되는 제3실리콘기판을 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판에 사이에 접합하는 단계;를 포함하는 차동형 압력센서 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a first silicon substrate on which a first pressure transfer portion is formed; Preparing a second silicon substrate having a second pressure-transmitting portion formed thereon; And a third silicon substrate spaced apart by a glass support between the first silicon substrate and the second silicon substrate and being deformed by the pressure transferred from at least one of the first pressure transmission portion and the second pressure transmission portion, Bonding the first silicon substrate to the silicon substrate and the second silicon substrate.

제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판을 준비하는 단계는 실리콘 기판의 외부면에 압력전달부가 형성될 위치를 식각하여 홀을 형성하는 단계; 실리콘 기판의 내부면의 양측에 단차를 형성하여 실리콘 기판 단차영역을 형성하는 단계; 상면의 내부에 단차를 형성하여 된 유리기판 단차영역을 포함하는 유리기판을 실리콘 기판 단차영역과 접합하는 단계; 유리기판의 하면에서 실리콘 기판이 노출되도록 하는 두께만큼 유리기판을 제거하여 유리기판을 유리지지부로 형성하는 단계; 및 실리콘 기판의 내부면을 식각하여 홀을 관통홀로 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
The step of preparing the first silicon substrate and the second silicon substrate may include etching the position where the pressure transmitting portion is formed on the outer surface of the silicon substrate to form the hole; Forming a step on both sides of the inner surface of the silicon substrate to form a silicon substrate stepped region; Bonding a glass substrate including a glass substrate stepped region having a stepped portion in an upper surface thereof to a silicon substrate stepped region; Removing the glass substrate by a thickness such that the silicon substrate is exposed on the lower surface of the glass substrate to form a glass substrate as a glass support; And etching the inner surface of the silicon substrate to form the hole into the through hole.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 정전용량을 얻어야 하는 커패시터 구성이 실리콘-실리콘 구조물이므로 커패시터를 구성하기 위해 별도의 전극인 금속 박막이 구조물의 날카로운 모서리를 통과할 필요가 없고, 그에 따라 단락등의 불량발생이 감소하여 제조수율을 높이고, 소자의 내구성을 높여 제품신뢰성이 향상되는 효과가 있다. As described above, according to the embodiments of the present invention, since the capacitor structure for obtaining the capacitance is a silicon-silicon structure, a metal thin film, which is a separate electrode for constituting the capacitor, does not need to pass through the sharp edges of the structure, Accordingly, the occurrence of defects such as short circuit is reduced, thereby increasing the manufacturing yield and increasing the durability of the device, thereby improving the product reliability.

정전용량값은 두 전극 간의 간격과 전극의 면적으로 결정되는데, 본 발명의 제조방법에서는 유리지지부와 실리콘 기판들의 내부평면의 높이가 동일하게 유지되도록 하는 공정이 포함되어 정전용량 편차를 줄일 수 있다. The electrostatic capacity value is determined by the distance between the two electrodes and the area of the electrode. In the manufacturing method of the present invention, a process of keeping the height of the inner planes of the glass support and the silicon substrates to be the same is included.

아울러, 본 발명의 차동형 압력센서는 유리기판이 아닌 실리콘 기판으로 구현되어 있어서, 유리기판의 압력전달부 형성시 여러 단계에 걸친 복잡한 공정이 생략되어 공정상 유리한 점이 있고, 복잡한 공정에 따른 편차발생을 최소화할 수 있어서 정전용량 편차를 최소화하여 제품신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
In addition, since the differential pressure sensor of the present invention is realized as a silicon substrate instead of a glass substrate, complicated processes over various stages are omitted in forming the pressure transmitting portion of the glass substrate, which is advantageous in terms of process. So that it is possible to minimize the capacitance variation and improve the product reliability.

도 1은 종래의 차동형 압력센서를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차동형 압력센서의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 차동형 압력센서를 제조하기 위한 실리콘 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 차동형 압력센서 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 차동형 압력센서의 단면도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동형 압력센서의 실리콘 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a view showing a conventional differential pressure sensor.
2 is a cross-sectional view of a differential pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
3A to 3E are views for explaining a method of manufacturing a silicon substrate for manufacturing a differential pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
4A to 4C are views for explaining a method of manufacturing a differential pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are cross-sectional views of a differential pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
7A to 7C are views for explaining a method of manufacturing a silicon substrate of a differential pressure sensor according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. It should be understood that while the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, The present invention is not limited thereto.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차동형 압력센서의 단면도이다. 본 발명에 따른 차동형 압력센서(100)는 제1압력전달부(111)가 형성된 제1실리콘 기판(110); 제2압력전달부(121)가 형성된 제2실리콘 기판(120); 제1실리콘 기판(110) 및 제2실리콘 기판(120)과 유리지지부(140, 150)에 의해 이격되고, 제1압력전달부(111) 및 제2압력전달부(121) 중 적어도 하나로부터 전달된 압력에 의해 변형되는 제3실리콘 기판(130);을 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 차동형 압력센서(100)는 3개의 실리콘기판으로 이루어져 있으며, 양 실리콘 기판사이의 실리콘 기판이 다이어프램으로 동작한다. 2 is a cross-sectional view of a differential pressure sensor according to an embodiment of the present invention. The differential pressure sensor 100 according to the present invention includes a first silicon substrate 110 on which a first pressure transmitting portion 111 is formed; A second silicon substrate 120 on which a second pressure transmitting portion 121 is formed; The first silicon substrate 110 and the second silicon substrate 120 are separated from each other by the glass supports 140 and 150 and transferred from at least one of the first pressure transmitting portion 111 and the second pressure transmitting portion 121 And a third silicon substrate 130 deformed by the applied pressure. That is, the differential pressure sensor 100 according to the present invention is composed of three silicon substrates, and the silicon substrate between both silicon substrates operates as a diaphragm.

본 발명에 따른 차동형 압력센서는 제1실리콘 기판(110)과 제2실리콘 기판(120) 사이에 제3실리콘 기판(130)이 위치한다. 제1실리콘 기판(110) 및 제3실리콘 기판(130) 사이는 제1유리지지부(140)가 위치하여 제1실리콘 기판(110) 및 제3실리콘 기판(130)의 간격을 유지하고, 제2실리콘 기판(120) 및 제3실리콘 기판(130) 사이는 제2유리지지부(150)가 위치하여 제2실리콘 기판(120) 및 제3실리콘 기판(130)의 간격을 유지한다. In the differential pressure sensor according to the present invention, the third silicon substrate 130 is positioned between the first silicon substrate 110 and the second silicon substrate 120. The gap between the first silicon substrate 110 and the third silicon substrate 130 is maintained between the first silicon substrate 110 and the third silicon substrate 130 by the first glass support 140, The second glass support 150 is positioned between the silicon substrate 120 and the third silicon substrate 130 to maintain the spacing between the second silicon substrate 120 and the third silicon substrate 130.

제1실리콘 기판(110) 및 제2실리콘 기판(120)에는 각각 제1압력전달부(111) 및 제2압력전달부(121)가 형성되어 외부로부터의 압력을 제3실리콘 기판(130)에 인가한다. 제3실리콘 기판(130)은 외부로부터 전달된 압력에 의해 변형된다. 예를 들어 제1압력전달부(111)로부터 제3실리콘 기판(130)에 압력이 인가되면, 제3실리콘 기판(130)은 제2실리콘 기판(120)측으로 변형되고, 제3실리콘 기판(130)의 변형에 따라 정전용량이 변하게 되어 제1실리콘 기판 전극패드(112), 제2실리콘 기판 전극패드(122), 및 제3실리콘 기판 전극패드(132)를 통해 측정된 정전용량을 기초로 압력변화를 얻게 된다. The first pressure transmitting portion 111 and the second pressure transmitting portion 121 are formed on the first silicon substrate 110 and the second silicon substrate 120 so that external pressure is applied to the third silicon substrate 130 . The third silicon substrate 130 is deformed by the external pressure. For example, when pressure is applied to the third silicon substrate 130 from the first pressure transmitting portion 111, the third silicon substrate 130 is deformed toward the second silicon substrate 120, and the third silicon substrate 130 The capacitance is changed in accordance with the deformation of the first silicon substrate electrode pad 122 and the third silicon substrate electrode pad 132 and the pressure is measured on the basis of the capacitance measured through the first silicon substrate electrode pad 112, I get a change.

제1실리콘 기판(110), 제2실리콘 기판(120) 및 제3실리콘 기판(130)은 각각 전극역할을 하고, 제1유리지지부(140) 및 제2유리지지부(150)는 절연체이므로 실리콘 기판들을 전기적으로 절연시켜 커패시터 구조를 이루게 된다. 커패시터의 면적은 제1실리콘 기판(110) 및 제2실리콘 기판(120)의 돌출부 면적으로 결정된다. 다이어프램인 제3실리콘 기판(130)이 변형될 때 거리에 반비례하는 정전용량도 같이 변하게 되고, 제3실리콘 기판(130)에 가해진 압력에 변형거리가 비례하므로 압력측정이 가능한 것이다. 제1실리콘 기판(110), 제2실리콘 기판(120), 및 제3실리콘 기판(130)에서 실리콘은 저항을 줄이기 위해 가급적 낮은 비저항값(<1 ohm cm)을 갖는 것이 바람직하다. The first silicon support 110 and the second silicon support 120 serve as electrodes and the first and second glass supports 140 and 150 are insulators, So as to form a capacitor structure. The area of the capacitor is determined by the projected area of the first silicon substrate 110 and the second silicon substrate 120. When the third silicon substrate 130, which is a diaphragm, is deformed, the electrostatic capacity inversely proportional to the distance also changes, and the pressure can be measured because the deformation distance is proportional to the pressure applied to the third silicon substrate 130. Silicon in the first silicon substrate 110, the second silicon substrate 120, and the third silicon substrate 130 preferably has a resistivity as low as possible (<1 ohm cm) to reduce the resistance.

다이아프램 변형을 통한 정전용량형 압력 센서의 구동에서 압력과 변형 거리는 비례하나, 변형 거리와 정전용량은 반비례 관계로 있기 때문에 통상 단일 커패시터로 구성된 압력센서는 선형성이 나쁘다. 본 발명의 차동형 압력센서(100)와 같은 차동 구조의 장점은, 일차 커패시터와 이차커패시터의 정전용량 변화가, 압력이 0인, 즉 변형거리가 0인 지점을 기준으로 테일러 다항식으로 전개했을 때 이차 식이 상쇄되기 때문에, 일정 구간 내에서는 선형에 가까운 압력-정전용량 변화 관계식이 돌출되어 신호처리에 편리하다. Pressure and deformation distances are proportional to the driving force of a capacitive pressure sensor through diaphragm deformation. However, since a deformation distance is inversely proportional to a capacitance, a pressure sensor composed of a single capacitor generally has poor linearity. An advantage of the differential structure, such as the differential pressure sensor 100 of the present invention, is that when the electrostatic capacitance change of the primary and secondary capacitors is developed in a Taylor polynomial based on a zero pressure, Since the equation is canceled, a pressure-capacitance change relation close to linear within a certain section protrudes and is convenient for signal processing.

각 실리콘기판 간의 거리는, 너무 가까운 경우 작은 압력에도 두 전극이 접촉할 수 있으므로 측정 범위가 좁아질 수 있고, 너무 먼 경우 정전용량 값 자체도 작고 변화량도 작기 때문에 감도가 떨어질 수 있으므로 측정하고자 하는 압력 범위에 맞춰 실리콘 기판간 거리를 선택해야 한다. 제1실리콘 기판(110) 및 제2실리콘 기판(120)은 일부분, 예를 들어 중앙부분이 다른 부분보다 제3실리콘 기판(130)에 가깝게 돌출되어 있고, 제1유리지지부(140) 및 제2유리지지부(150) 근처에서는 기판 내부로 인입되어 있어 제3실리콘 기판(130)이 압력 인가시에 변형될 수 있는 공간이 있다. If the distance between the silicon substrates is too small, the two electrodes can contact each other even at a small pressure, and the measurement range may be narrowed. If the distance is too long, the capacitance itself may be small and the variation may be small. The distance between the silicon substrates must be selected. The first silicon substrate 110 and the second silicon substrate 120 are partially protruded closer to the third silicon substrate 130 than the other portions such as the center portion and the first glass support portion 140 and the second glass substrate 120 There is a space in which the third silicon substrate 130 can be deformed when the pressure is applied because it is drawn into the substrate near the glass support part 150.

제3실리콘 기판(130)의 두께는 측정하고자 하는 압력 범위에 맞도록 두께가 결정되어야 하며 전체 소자의 크기나 측정할 압력범위등에 따라 다양한 형상으로 구현 가능하다. 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 더 설명하기로 한다. 즉, 제3실리콘 기판(130)은 측정해야하는 압력 범위 최고값이 높을수록 두께가 두꺼워야 한다. The thickness of the third silicon substrate 130 should be determined in accordance with the pressure range to be measured. The thickness of the third silicon substrate 130 may be varied depending on the size of the entire device, the pressure range to be measured, and the like. Hereinafter, further description will be made with reference to FIG. 5 and FIG. That is, the third silicon substrate 130 should have a thicker thickness as the highest pressure range to be measured is higher.

제1실리콘 기판 전극패드(112), 제2실리콘 기판 전극패드(122) 및 제3실리콘 기판 전극패드(132)는 제1실리콘 기판(110), 제2실리콘 기판(120) 및 제3실리콘 기판(130)에 의해 형성된 커패시터를 정전용량 측정회로와 연결하기 위해 와이어본딩이나 솔더링, 플립칩 등 통상적인 패키징 공정을 사용하여 실리콘과 전기회로가 구성된 PCB 등을 연결하기 위한 전극패드로 보통 금, 알루미늄 또는 백금 등이 사용될 수 있다. The first silicon substrate electrode pad 112, the second silicon substrate electrode pad 122 and the third silicon substrate electrode pad 132 are formed on the first silicon substrate 110, the second silicon substrate 120, An electrode pad for connecting a silicon PCB with an electric circuit using a conventional packaging process such as wire bonding, soldering or flip chip to connect a capacitor formed by the capacitor 130 to the capacitance measurement circuit. Or platinum may be used.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 차동형 압력센서를 제조하기 위한 실리콘 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 4a 내지 도 4c는 제조된 실리콘 기판을 이용하여 차동형 압력센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 발명에 따르면, 제1압력전달부가 형성된 제1실리콘 기판을 준비하는 단계; 제2압력전달부가 형성된 제2실리콘 기판을 준비하는 단계; 및 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판 사이에 유리지지부에 의해 이격되고, 제1 압력전달부 및 제2압력전달부 중 적어도 하나로부터 전달된 압력에 의해 변형되도록 형성되는 제3실리콘기판을 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판에 사이에 접합하는 단계;를 포함하는 차동형 압력센서 제조방법이 제공된다. FIGS. 3A to 3E are views for explaining a method of manufacturing a silicon substrate for manufacturing a differential pressure sensor according to an embodiment of the present invention. FIGS. 4A to 4C illustrate a differential pressure sensor using the manufactured silicon substrate. And are diagrams for explaining a method of manufacturing the same. According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a first silicon substrate on which a first pressure transfer portion is formed; Preparing a second silicon substrate having a second pressure-transmitting portion formed thereon; And a third silicon substrate spaced apart by a glass support between the first silicon substrate and the second silicon substrate and being deformed by the pressure transferred from at least one of the first pressure transmission portion and the second pressure transmission portion, Bonding the first silicon substrate to the silicon substrate and the second silicon substrate.

먼저, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판을 준비하는 단계를 설명하기로 한다. 제1실리콘 기판 및 제2실리콘 기판을 준비하는 단계는, 실리콘 기판(310)의 외부면에 압력전달부(311)가 형성될 위치를 포토리소그래피 공정을 이용하여 홀을 형성한다(도 3a). 압력전달부 홀(311)은 관통홀이 아니며, 추후 유리기판을 부착한 후에 식각에 의해 관통홀이 된다. 실리콘 기판(310)은 다이어프램과 대응하는 면, 즉, 실리콘 기판의 내부면의 양측에 단차를 형성한다. 단차는 포토리소그래피공정에 의해 수행될 수 있다. 이를 실리콘 기판 단차영역(312)이라 하면, 단차는 전술한 바와 같이 유리기판과의 공간을 두어 다이어프램의 변형 등을 자유롭게 하기위한 공간형성을 위한 구성이다. First, the steps of preparing the first silicon substrate and the second silicon substrate will be described with reference to FIGS. 3A to 3E. In preparing the first silicon substrate and the second silicon substrate, a hole is formed at a position where the pressure transmitting portion 311 is formed on the outer surface of the silicon substrate 310 by using a photolithography process (FIG. 3A). The pressure-transmitting portion hole 311 is not a through hole, but becomes a through-hole by etching after the glass substrate is attached. The silicon substrate 310 forms a step on the surface corresponding to the diaphragm, that is, on both sides of the inner surface of the silicon substrate. The step can be performed by a photolithography process. If the silicon substrate step difference region 312 is referred to as a silicon substrate step difference region 312, the step difference is a space for forming a space for freeing deformation of the diaphragm by providing a space with the glass substrate as described above.

이후, 유리기판(340)은 실리콘 기판(310)과 접합될 면(상면)의 내부에 단차를 형성한다. 즉, 유리기판(340)은 양단을 제외하고 내부를 소정 두께로 제거하여 도 3b와 같이 상면의 내부에 단차영역을 형성한다. 따라서, 실리콘 기판 단차영역(312)과 유리기판의 단차영역(341)은 서로 상반되게 형성된다. 실리콘 기판 단차영역의 두께(h₁)는 유리기판 단차영역의 두께(h₂)보다 작게 형성되어 실리콘 기판의 단차로인하여 돌출된 영역이 유리기판의 단차영역(341)으로 들어가게 된다. Thereafter, the glass substrate 340 forms a step inside the surface (upper surface) to be bonded to the silicon substrate 310. That is, the glass substrate 340 is formed with a stepped region inside the upper surface as shown in FIG. Therefore, the step difference region 341 between the silicon substrate stepped region 312 and the glass substrate is formed to be opposite to each other. The thickness of the silicon substrate sloping area (h ₁₎ is put in a stepped region 341 of the glass substrate, the protruding area is formed smaller than the thickness (h ₂₎ of the glass substrate due to the step difference region step of the silicon substrate.

유리기판(340)으로는 실리콘과 열팽창계수가 비슷한 보로실리케이트 유리(상품명 파이렉스 7740 등)을 이용할 수 있고, 단차영역 형성도 포토리소그래피 공정을 이용할 수 있다. 유리기판의 경우 깊이가 깊을 경우 건식, 습식 식각 외에 샌드블래스팅 등의 공정이 이용가능하다. 유리기판(340)의 식각 깊이는 실리콘만큼 정밀하게 제어되지 않으나, 이는 본 발명에서는 문제되지 않는데, 본 발명에서는 유리기판의 식각 깊이가 센서 정밀도에 영향을 주지 않기 때문에다. As the glass substrate 340, a borosilicate glass having a thermal expansion coefficient similar to that of silicon (trade name Pyrex 7740 or the like) can be used, and a step region formation can also be performed using a photolithography process. In the case of a glass substrate, processes such as sandblasting may be used in addition to dry etching and wet etching. The etching depth of the glass substrate 340 is not controlled as precisely as silicon, but this is not a problem in the present invention, because the etching depth of the glass substrate does not affect the sensor accuracy.

유리기판(340)은 실리콘기판(310)과 양극 접합 또는 글래스프릿(glass frit) 등을 이용해 정렬 접합할 수 있다. The glass substrate 340 can be aligned and bonded to the silicon substrate 310 using anodic bonding, glass frit, or the like.

이후, 도 3c와 같이 유리기판과 실리콘기판의 일부를 A-A'선을 기준으로 제거하게 되는데 기준선은 특별히 정해진 위치가 있는 것이 아니라 유리기판과 실리콘 기판을 동시에 제거하여 면적정밀도나 단차편차 등의 정밀도를 높이기 위한 것이다. 즉, 본 발명에서는 면적 정밀도는 실리콘 미세 가공 기술을 통해 구현하며, 단차 정밀도는 기판 가공을 통해 유리와 실리콘 튀어나온 부분의 높이를 기판 수준에서 일치시키고, 그 후 정밀 가공으로 실리콘을 식각하여 단차를 조절하게 된다. 이로 인해 단차 편차는 실리콘 식각 공정 단 1회로만 결정되므로 정밀도가 높아진다. 제거공정은 유리기판을 그라인딩이나 화학적 식각 등을 사용해 갈아내고 기계적 연마를 통해 유리 기판과 실리콘 기판이 같은 높이가 되도록 연마할 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 3C, the glass substrate and part of the silicon substrate are removed with reference to the line A-A '. The reference line does not have a predetermined position but the glass substrate and the silicon substrate are removed at the same time, It is to increase precision. That is, in the present invention, the area precision is realized by the silicon micro-machining technology, and the step accuracy is achieved by matching the height of the glass and the protruding portion of the silicon at the substrate level through the substrate processing, . As a result, the step deviation is determined only by one step of the silicon etching process, thereby increasing the accuracy. In the removal process, the glass substrate may be ground by grinding, chemical etching, or the like, and the glass substrate and the silicon substrate may be polished to have the same height through mechanical polishing.

유리기판(340)은 도 3c에서 A-A'가 제거되어 더이상 기판 형상이 아니고, 유리지지부형태를 나타내게 된다(도 3d). 마지막으로 실리콘 기판의 내부면을 식각하여 홀을 관통홀(312)로 형성하여 압력전달부를 형성한다. (도 3e) 실리콘 기판 내부면 식각시에는 외부면을 덮개 등으로 보호하면서 건식 또는 습식 식각을 통해 내부면을 식각하는데 이 때의 식각 깊이가 커패시터 구조에서 전극 간 거리를 결정하게 된다. 3C, the glass substrate 340 is no longer in the form of a substrate, but in the form of a glass support, as shown in FIG. 3D. Finally, the inner surface of the silicon substrate is etched to form a hole in the through hole 312 to form a pressure transmitting portion. (FIG. 3E). When the inner surface of the silicon substrate is etched, the inner surface is etched by dry or wet etching while protecting the outer surface with a lid or the like. At this time, the etch depth determines the distance between the electrodes in the capacitor structure.

도 4a 내지 도 4c는 제조된 실리콘 기판을 이용하여 차동형 압력센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a내지 도 3e를 참조하여 설명된 실리콘 기판 제조방법에 따라 실리콘기판을 제조하면, 이후, 차동형 압력센서가 형성된다. 즉, 제1압력전달부(412)가 형성된 제1실리콘 기판(410)을 준비하는 단계; 제2압력전달부(422)가 형성된 제2실리콘 기판(420)을 준비하는 단계; 및 제1실리콘 기판(410) 및 제2실리콘 기판(420) 사이에 유리지지부(440, 350)에 의해 이격되고, 제1압력전달부(412) 및 제2압력전달부(422)제2압력전달부 중 적어도 하나로부터 전달된 압력에 의해 변형되도록 형성되는 제3실리콘 기판(430)을 제1실리콘 기판(410) 및 제2실리콘 기판(420)에 사이에 접합하여 차동형 압력센서를 제조한다. FIGS. 4A to 4C are views for explaining a method of manufacturing a differential pressure sensor using the manufactured silicon substrate. When a silicon substrate is manufactured according to the silicon substrate manufacturing method described with reference to Figs. 3A to 3E, a differential pressure sensor is formed thereafter. That is, preparing the first silicon substrate 410 on which the first pressure transmitting portion 412 is formed; Preparing a second silicon substrate 420 on which a second pressure transmitting portion 422 is formed; And the glass support portions 440 and 350 between the first silicon substrate 410 and the second silicon substrate 420. The first pressure transmitting portion 412 and the second pressure transmitting portion 422 are spaced apart from each other by the second pressure A differential pressure sensor is manufactured by bonding a third silicon substrate 430 formed to be deformed by the pressure transferred from at least one of the transfer portions to the first silicon substrate 410 and the second silicon substrate 420.

상술하면 다음과 같다. 먼저 제1유리지지부(440)가 형성된 제1실리콘 기판(410)과 제3실리콘 기판(430)으로서 양면 연마된 실리콘 기판을 접합한다(도 4a). 접합은 양극적합이나 글래스 프릿 접합 등으로 수행가능하다. 제3실리콘 기판(430)은 차동형 압력센서에서 요구되는 다이아프램의 두께를 고려하여 보통 반도체 장비에서 다룰 수 있는 웨이퍼 두께보다 얇을 경우에는 다이아프램을 기계적, 화학적으로 연마해 원하는 두께까지 줄일 수 있다(도 4b). 다이아프램의 두께가 압력-변형거리 관계를 결정하므로 이 공정의 정밀도 제어가 중요하다. The following will be described in detail. First, the first silicon substrate 410 on which the first glass support part 440 is formed is bonded to the silicon substrate on both sides of the second silicon substrate 430 as a third silicon substrate 430 (FIG. 4A). Bonding can be performed with anodic bonding or glass frit bonding. Considering the thickness of the diaphragm required for the differential pressure sensor, the third silicon substrate 430 can be mechanically and chemically polished to a desired thickness if the thickness of the diaphragm is thinner than the thickness of the wafer, which can usually be handled in a semiconductor device 4b). Precision control of this process is important because the thickness of the diaphragm determines the pressure-strain distance relationship.

이후 제2유리지지부(450)가 형성된 제2실리콘 기판(420)을 접합한다(도 4c). 작업이 끝난 웨이퍼는 다이싱 공정을 통해 개별 다이(die)로 분리될 수 있다. 분리된 다이는 세척 및 측면에 대한 추가 연마 후 패드를 증착할 수 있다. 예를 들면, 패드 모양대로 구멍이 뚫린 마스크 아래에 다이를 놓고 금속 박막을 증착하여 구멍 아래쪽의 실리콘 부위에만 패드가 증착되도록 한다. 필요시 금속 박막과 실리콘 사이의 접촉저항을 줄이기 위해 열처리가 더 수행될 수 있다.Then, the second silicon substrate 420 on which the second glass supporting part 450 is formed is bonded (FIG. 4C). The finished wafer can be separated into individual dies through a dicing process. The discrete die can deposit the pad after cleaning and further polishing to the sides. For example, a metal foil may be deposited by placing a die under a pad-shaped perforated mask so that the pad is deposited only on the silicon portion below the hole. If necessary, a further heat treatment may be performed to reduce the contact resistance between the metal film and the silicon.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 차동형 압력센서의 단면도들이다. 도 5에서, 차동형 압력센서는 제1실리콘 기판(510), 제2실리콘 기판(520) 제1유리지지부(540), 제2유리지지부(550), 제1압력전달부(512), 및 제2압력전달부(522)를 포함하고, 도 6에서 차동형 압력센서는 제1실리콘 기판(610), 제2실리콘 기판(620) 제1유리지지부(640), 제2유리지지부(650), 제1압력전달부(612), 및 제2압력전달부(622)를 포함하고다. 이하, 이미 설명한 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다. 5 and 6 are cross-sectional views of a differential pressure sensor according to another embodiment of the present invention. 5, the differential pressure sensor includes a first silicon substrate 510, a second silicon substrate 520, a first glass support portion 540, a second glass support portion 550, a first pressure transmission portion 512, 6, the differential pressure sensor includes a first silicon substrate 610, a second silicon substrate 620, a first glass support portion 640, a second glass support portion 650, 1 pressure transmitting portion 612, and a second pressure transmitting portion 622. Hereinafter, description of the same components as described above will be omitted.

도 5에서, 제3실리콘 기판(530)은 두께가 상대적으로 얇은 다이어프램 영역을 포함할 수 있다. 즉, 다이어프램영역(631)은 제3실리콘 기판(530)에서 상하면에서 각각 내부로 인입되어 두께가 다른 부분보다 얇은 부분으로 구현된다. 이렇게 되면, 제3실리콘 기판(530) 전체가 다이어프램영역에 되는 것이 아니고, 특히 도 5에 표시된 다이어프램영역(631)이 다이어프램으로 역할하여 압력을 측정하는 기준이 된다. 단, 이 경우는 다이아프램 두께가 웨이퍼 두께에서 양쪽의 식각 깊이를 뺀 값으로 되기 때문에 웨이퍼 두께 및 식각 깊이의 제어가 중요하게 된다. 이 경우는 제1실리콘 기판(510)과 제3실리콘 기판(530)의 접합 후 별도의 연마 과정이 필요없게 된다. In FIG. 5, the third silicon substrate 530 may include a relatively thin diaphragm region. That is, the diaphragm region 631 is drawn in the upper and lower surfaces of the third silicon substrate 530 to be thinner than the other portions. In this case, the entirety of the third silicon substrate 530 does not become a diaphragm region, and in particular, the diaphragm region 631 shown in Fig. 5 serves as a diaphragm and serves as a reference for measuring pressure. In this case, however, it is important to control the wafer thickness and etching depth because the thickness of the diaphragm becomes a value obtained by subtracting both etching depths from the wafer thickness. In this case, a separate polishing process is not necessary after the first silicon substrate 510 and the third silicon substrate 530 are bonded.

또는, 도 6에서와 같이 다이어프램영역(631)이 상하 비대칭으로 구현될 수 있다. 이 때는 한면에서만 식각하여 다이어프램영역(631)을 만들 수 있으므로 공정이 용이하다. Alternatively, as shown in FIG. 6, the diaphragm region 631 may be vertically asymmetric. In this case, since the diaphragm region 631 can be formed by etching only one side, the process is easy.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동형 압력센서의 실리콘 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 7의 제3실리콘 기판은 특히, SOI(Silicon-On-Insulator) 기판을 이용하여 제조된 다이어프램이다. SOI 기판의 경우 상하부 실리콘이 가운데 사이에 있는 절연막에 의해 분리되어 있다. 따라서, 다이어프램을 이용되려면, 도 7a와 같이 제1실리콘층(710)을 식각하고, 절연층(720)을 제거한 후(도 7b), 절연층(720) 양쪽을 전기적으로 연결해줄 필요가 있다. 따라서, 도 7c와 같이 전도성 물질로 금, 백금, 은 또는 알루미늄 등의 금속 물질이나 비저항이 낮은 다결정 실리콘 박막 등을 이용하여 전도막(740)을 형성하여 연결할 수 있다. 이러한 다이어프램, 즉 제3실리콘 기판은 공정이 용이하고 식각깊이를 쉽게 조절할 수 있다.
7A to 7C are views for explaining a method of manufacturing a silicon substrate of a differential pressure sensor according to another embodiment of the present invention. The third silicon substrate of FIG. 7 is a diaphragm manufactured using a silicon-on-insulator (SOI) substrate in particular. In the case of an SOI substrate, upper and lower silicon are separated by an insulating film in the middle. Therefore, in order to use the diaphragm, it is necessary to electrically connect both sides of the insulating layer 720 after etching the first silicon layer 710 and removing the insulating layer 720 (FIG. 7B) as shown in FIG. 7A. Therefore, as shown in FIG. 7C, the conductive film 740 can be formed and connected using a metal material such as gold, platinum, silver, or aluminum or a polycrystalline silicon thin film having a low specific resistance. This diaphragm, i.e. the third silicon substrate, is easy to process and can easily control the etch depth.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.

100, 400, 500 차동형 압력센서
110, 210, 310, 410, 510 제1실리콘 기판
111, 212, 312, 412, 512 제1압력전달부
112 제1실리콘 기판 전극패드
120, 320, 420, 520 제2실리콘 기판
121, 322, 422, 522 제2압력전달부
122 제2실리콘 기판 전극패드
130, 330, 430, 530 제3실리콘 기판
132 제3실리콘 기판 전극패드
140, 340, 440, 540 제1유리지지부
150, 350, 450, 550 제2유리지지부
211 압력전달부 홀
212 실리콘 기판 단차영역
240 유리기판
241 유리기판 단차영역
710 제1실리콘층
720 절연층
730 제2실리콘층
740 전도막100, 400, 500 differential pressure sensor
110, 210, 310, 410, 510 A first silicon substrate
111, 212, 312, 412, 512,
112 first silicon substrate electrode pad
120, 320, 420, 520 A second silicon substrate
121, 322, 422, 522,
122 second silicon substrate electrode pad
130, 330, 430, 530 Third silicon substrate
132 third silicon substrate electrode pad
140, 340, 440, 540 The first glass support
150, 350, 450, 550 A second glass support
211 Pressure transmission hole
212 Silicon substrate step difference region
240 glass substrate
241 Glass substrate step difference area
710 first silicon layer
720 insulating layer
730 second silicon layer
740 Conductive membrane

Claims

A first silicon substrate on which a first pressure transmitting portion is formed;
A second silicon substrate on which a second pressure transfer portion is formed; And
And a third silicon substrate spaced apart from the first silicon substrate, the second silicon substrate, and the glass support, and deformed by pressure transferred from at least one of the first pressure transmitting portion and the second pressure transmitting portion Differential pressure sensor.

The method according to claim 1,
Wherein the third silicon substrate comprises a diaphragm region having a relatively thin thickness.

The method of claim 2,
Wherein the diaphragm region is asymmetric.

The method according to claim 1,
And the third silicon substrate is an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate.

Preparing a first silicon substrate having a first pressure transfer portion formed thereon;
Preparing a second silicon substrate having a second pressure-transmitting portion formed thereon; And
And a third silicon substrate spaced apart by a glass support between the first silicon substrate and the second silicon substrate and being deformed by a pressure transferred from at least one of the first pressure transmission portion and the second pressure transmission portion, And bonding the first silicon substrate and the second silicon substrate between the first silicon substrate and the second silicon substrate.

The method of claim 5,
Preparing the first silicon substrate and the second silicon substrate,
Forming a hole by etching a position where a pressure transmitting portion is to be formed on an outer surface of the silicon substrate;
Forming a step on both sides of the inner surface of the silicon substrate to form a silicon substrate step region;
Bonding a glass substrate including a glass substrate stepped region having a step in an upper surface thereof to the silicon substrate stepped region;
Removing the glass substrate by a thickness such that the silicon substrate is exposed on the lower surface of the glass substrate to form the glass substrate as a glass support; And
And etching the inner surface of the silicon substrate to form the hole as a through hole.