KR20160125770A

KR20160125770A - 센서 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20160125770A
Application number: KR1020150056660A
Authority: KR
Inventors: 임창현; 김태윤; 이성준; 정대훈; 이태훈
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-11-01

Abstract

본 발명은 질량체가 파손되는 것을 최소화할 수 있는 센서 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 센서 소자는, 프레임, 상기 프레임의 내부에 배치되는 질량체, 상기 프레임과 상기 질량체를 연결하는 연결부, 및 상기 질량체에서 상기 프레임의 내벽을 향해 돌출되어 형성되는 하나의 스토퍼를 포함할 수 있다.

Description

센서 소자 및 그 제조 방법{SENSOR PACKAGE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 멤스(MEMS) 공정을 통해 제조되는 센서 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

로봇, 각종 정밀 기기 등, 산업상의 다양한 분야에 있어서 가속도 센서가 넓게 이용되고 있으며, 최근에는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 반도체 가속도 센서의 수요가 급증하고 있다.

반도체 가속도 센서는 일반적으로 세라믹 제의 패키지 내부 수납 공간에 센서부분을 이루는 질량체가 수납되는 구성을 가진다. 또한, 질량체의 보호를 위해, 캡(cap)을 이용하여 수납 공간을 밀폐한다.

그런데 낙하 등으로 인해 외부 충격이 유입되는 경우, 질량체가 프레임의 내벽과 충돌하여 질량체가 파손되는 경우가 발생되고 있다.

일본공개특허공보 제2001-337105호

본 발명의 목적은 질량체가 파손되는 것을 최소화할 수 있는 센서 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 실시예에 따른 센서 소자는, 프레임, 상기 프레임의 내부에 배치되는 질량체, 상기 프레임과 상기 질량체를 연결하는 연결부, 및 상기 질량체에서 상기 프레임의 내벽을 향해 돌출되어 형성되는 하나의 스토퍼를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 센서 소자 제조 방법은, 제2 실리콘층 상에 제1 실리콘층이 적층되고, 제2 실리콘층과 제1 실리콘층 사이에 절연막이 개재되는 SOI 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 실리콘층을 에칭하여 연결부와 질량부를 구획하는 단계, 및 상기 제2 실리콘층을 에칭하여 상기 질량부를 완성하는 단계를 포함하며, 상기 질량부를 완성하는 단계는 상기 질량부의 꼭지 부분에 다수의 스토퍼를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서 소자는 질량체에 다수의 스토퍼가 형성된다. 따라서 질량체가 프레임에 충돌하더라도 충격을 완화시킬 수 있다.

또한 스토퍼가 SOI 기판의 제2 실리콘층에만 형성되고 제1 실리콘층에는 형성되지 않으므로, 스토퍼가 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 센서 소자의 평면도.
도 3은 도 2의 A-A에 따른 단면도.
도 4는 도 2의 B 부분을 확대하여 도시한 부분 확대도.
도 5는 도 4의 C-C에 따른 단면도.
도 6은 도 4의 질량체를 개략적으로 도시한 사시도.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 센서 소자 제조 방법을 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 센서 소자의 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A에 따른 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 센서 소자(1)는, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 통해 제조할 수 있는 가속도 센서 소자일 수 있다. 따라서, 웨이퍼와 같은 반도체 기판(10)을 기반으로 형성된다. 예를 들어, 반도체 기판(10)은 SOI 기판(10)일 수 있다.

여기서, SOI(silicon on insulator) 기판(10)은 제2 실리콘층(10b)　상에 절연막(10c, 예컨대 SiO₂)를 형성하고, 그 위에 제1 실리콘층(10a)을 형성한 샌드위치 구조의 기판을 의미한다.

본 실시예에 따른 센서 소자(1)는 프레임(14)과, 프레임(14)의 내부 공간(13)에 설치되는 질량체(12)를 포함한다. 질량체(12)와 프레임(14)은 적어도 하나의 연결부(13,beam)에 의해 연결된다.

연결부(13)는 빔(beam) 형태로 형성되며 일단이 질량체(12)에 연결되고, 타단이 프레임(14)에 연결되어 외력에 따른 가속도에 비례하여 진동하는 질량체(12)를 탄성 지지한다.

연결부(13) 상에는 적어도 하나의 압저항(11)이 배치될 수 있다. 압저항(11)으로는 압전 저항 소자(piezo resistive element)가 이용될 수 있다.

따라서 외력에 의해 질량체(12)가 움직이는 경우, 질량체(12)의 움직임에 의해 연결부(13)는 비틀리거나 휘어지게 되며, 이로 인해 연결부(13)에 가해지는 응력은 압저항(11)에 전달되어 압저항(11)의 저항 값이 변하게 된다.

이러한 저항 값의 변화는 휘스톤 브릿지(wheastone bridge) 회로의 출력으로 이어지며 이에 가속도의 센싱 및 측정이 이루어질 수 있다.

한편, 도시되어 있지 않지만, 질량체(12)나 프레임(14)의 상면에는 전극이나 배선 패턴이 형성될 수 있다.

하부 기판(15)은 프레임(14)의 하부면에 결합된다.

프레임(14)과 하부 기판(15)은 모두 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 하부 기판(15)은 글래스(glass) 기판으로 형성될 수도 있다.

하부 기판(15)은 접착층(16)에 의해 프레임(14)의 하부면에 접합될 수 있다. 또한 접착층(16)의 두께에 의해 질량체(12)는 하부 기판(15)과 일정 거리 이격될 수 있다.

이와 같이 구성되는 센서 소자(1)에서 질량체(12)와 프레임(14)간의 내충격성을 높이기 위해서는, 연결부(13)의 강도를 높이거나, 연결부(13)가 지지하고 있는 질량체(12)의 중량을 가볍게 하여 연결부(13)에 가해지는 기계적인 부하를 경감하는 방법이 고려될 수 있다.

그러나, 일반적으로 내충격성과 센서 감도는 역비례의 관계에 있고, 상기한 방법에 의해 내충격성을 높이고자 하면 센서 감도가 저하되는 결과를 초래하게 된다.

예를 들어 연결부(13)의 두께를 두껍게 하거나, 폭을 넓게 하거나, 길이를 짧게 함으로써 연결부(13)의 기계적 강도를 높이게 되면, 질량체(12)의 움직임이 둔해지므로 연결부(13) 상에 설치되어 있는 압저항(11)의 저항 값 변화량이 작아져 센서로서의 감도가 저하된다.

또, 질량체(12)의 중량을 가볍게 하는 경우도 마찬가지로, 센서로서의 감도를 저하시키는 결과를 초래한다.

이러한 문제점을 회피하고 또한 내충격성이 우수한 관성 센서를 실현하기 위해, 본 실시예에 따른 센서 소자(1)는 질량체(12)와 프레임(14)의 충돌 시 충격을 완화시키는 스토퍼(12a, stopper)를 구비한다.

도 4는 도 2의 B 부분을 확대하여 도시한 부분 확대도이고, 도 5는 도 4의 C-C에 따른 단면도이며, 도 6은 도 4의 질량체를 개략적으로 도시한 사시도이다.

이를 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 스토퍼(12a)는 질량체(12)의 꼭지 부분에서 프레임(14)의 내벽을 향해 돌출되는 형태로 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 스토퍼(12a)는 질량체(12)의 꼭지 부분에서 수직 방향을 따라 형성된 모서리를 중심으로 하여 모서리의 양측에 각각 형성된다. 따라서 하나의 꼭지에 2개의 스토퍼(12a)가 각각 형성될 수 있다.

또한 상기한 2개의 스토퍼(12a)는 질량체(12)의 서로 다른 면에서 돌출되어 서로 다른 방향을 향해 돌출되며, 이로 인해 프레임(14)의 서로 다른 내벽을 마주보도록 배치된다.

한편, 본 실시예에 따른 센서 소자(1)는 전술한 바와 같이 SOI 기판(10)으로 형성될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 스토퍼(12a)는 SOI 기판(10)을 형성하는 제1 실리콘층(10a), 절연막(10c), 제2 실리콘층(10b) 중 제2 실리콘층(10b)에만 형성된다.

SOI 기판(10)을 형성하는 제1 실리콘층(10a)은 제2 실리콘층(10b)의 두께(예컨대, 500㎛)에 비해 매우 얇은 두께(예컨대, 15㎛)로 형성되므로 제2 실리콘층(10b)에 비해 강성이 낮다.

또한 절연막(10c)에 의해 제2 실리콘층(10b)과 접합되어 있으므로, 충격이 발생될 때 절연막(10c)으로부터 분리될 개연성이 높다.

그리고 질량체(12)가 프레임(14)과 충돌할 때, 주로 상면의 모서리 부분이 프레임(14)과 부딪히게 되므로, 가장 상부에 배치된 제1 실리콘층(10a)이 프레임(14)과 충돌하게 된다.

따라서 제2 실리콘층(10b)과 제1 실리콘층(10a)을 모두 이용하여 스토퍼(12a)를 형성하게 되면 스토퍼(12a)의 제1 실리콘층(10a)이 파손되기 쉽다.

제1 실리콘층(10a)이 부분적으로 파손되는 경우, 센서 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 파손으로 인해 프레임(14)과 질량체(12) 간의 간격에 변화가 생겨 스토퍼(12a)의 기능에도 영향을 줄 수 있다.

이에 본 실시예에 따른 센서 소자(1)는 제2 실리콘층(10b)으로만 스토퍼(12a)를 형성한다.

제1 실리콘층(10a)을 제거하고 제2 실리콘층(10b)만으로 스토퍼(12a)를 형성하는 경우, 스토퍼(12a)는 하나의 덩어리로 이루어지므로 전체적인 강성을 높일 수 있다. 또한 제1 실리콘층(10a)이 부분적으로 파손되는 것을 방지할 수 있으므로, 센서 특성을 길게 유지할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 제2 실리콘층(10b)만으로 스토퍼(12a)를 형성하는 경우를 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 절연막(10c)을 이용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 스토퍼(12a)를 제2 실리콘층(10b)과 절연막(10c)을 이용하여 형성하는 등 다양한 변형이 가능하다.

이어서 본 실시예에 따른 센서 소자의 제조 방법을 설명한다.

도 7 내지 도 9는 본 실시예에 따른 센서 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 먼저 SOI 기판(10)을 준비한다. 전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 SOI 기판(10)은 제2 실리콘층(10b)　상에 절연막(10c)을 형성하고, 그 위에 제1 실리콘층(10a)을 형성한 샌드위치 구조로 형성된다. 또한 제2 실리콘층(10b)은 제1 실리콘층(10a)에 비해 상대적으로 두꺼운 두께로 형성된다.

이어서, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 실리콘층(10a) 상에 압저항(11)을 형성한다. 압저항(11)은 제1 실리콘층(10a) 상에 이온을 주입하여 형성할 수 있다. 여기서 주입되는 이온으로는 붕소가 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 도시되어 있지 않지만, 압저항(11)을 형성한 이후, 제1 실리콘층(10a) 상에 배선 패턴과 전극을 형성하는 과정이 더 진행될 수 있다.

이어서 제1 실리콘층(10a)을 식각하여 연결부(13)를 구획한다.

연결부(13)는 SOI 기판의 제1 실리콘층(10a)과 절연막(10c)을 에칭하여 제거함에 따라 형성될 수 있다. 또한 이 과정에서 제1 실리콘층(10a)에 의해 질량체(12)의 일부(즉 상면)이 형성된다. 이에 제1 실리콘 층은 도 2에 도시된 형태로 형성된다.

또한 도 9는 본 단계에서 도 4의 C-C에 따른 단면을 도시한 도면으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 단계에서는 제1 실리콘층(10a)과 절연막(10c) 만이 제거된다. 또한 본 단계에서 제1 실리콘층(10a)에 의해 형성되는 질량체(12)에는 스토퍼(12a)가 형성되지 않는다.

이어서 도 10에 도시된 바와 같이 제2 실리콘층(10b)을 에칭하여 질량체(12)를 형성한다.

이 과정에서 도 5에 도시된 바와 같이 제2 실리콘층(10b)은 프레임(14)과 질량체(12)로 구분되어 형성된다. 또한 질량체(12)는 스토퍼(12a)가 제1 실리콘층(10a)의 외측으로 돌출되도록 형성된다. 이에 도 6에 도시된 스토퍼의 형상이 완성된다.

이어서, 접착층(16)을 매개로 프레임(14)의 하부면에 하부 기판(15)을 접합하여 도 3에 도시된 본 실시예에 따른 센서 소자를 완성한다.

한편, 하나의 SOI 기판(10) 상에 다수의 센서 소자를 일괄적으로 제조한 경우, SOI 기판(10)을 개별 소자들로 절단하는 단계가 더 수행될 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 센서 소자는 질량체에 다수의 스토퍼가 형성된다. 따라서 질량체가 프레임에 충돌하더라도 충격을 완화시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1: 센서 소자
10: SOI 기판
10a: 제1 실리콘층
10b: 제2 실리콘층
10c: 절연막
11: 압저항
12: 질량체
13: 연결부
14: 프레임
15: 하부 기판

Claims

프레임:
상기 프레임의 내부에 배치되는 질량체;
상기 프레임과 상기 질량체를 연결하는 연결부; 및
상기 질량체에서 상기 프레임의 내벽을 향해 돌출되어 형성되는 하나의 스토퍼;
를 포함하는 센서 소자.
제1항에 있어서, 상기 질량체는,
상기 연결부와 연결되는 제1 실리콘층;
상기 제1 실리콘층의 하부에 적층 배치되는 제2 실리콘층; 및
상기 제1 실리콘층과 상기 제2 실리콘층 사이에 개재되는 절연막;
을 포함하는 센서 소자.
제2항에 있어서, 상기 스토퍼는,
상기 제2 실리콘층에만 형성되는 센서 소자.
제1항에 있어서, 상기 스토퍼는,
상기 질량체의 각 꼭지 부분에서 2개가 서로 다른 방향을 향해 돌출되어 형성되는 센서 소자.
제4항에 있어서, 상기 2개의 스토퍼는,
각각 상기 프레임의 서로 다른 내벽에 대면하도록 배치되는 센서 소자.
제1항에 있어서,
상기 프레임의 하부에 결합되는 하부 기판을 더 포함하는 센서 소자.
제1항에 있어서,
상기 연결부에 형성되는 적어도 하나의 압저항을 더 포함하는 센서 소자.
제2 실리콘층 상에 제1 실리콘층이 적층되고, 제2 실리콘층과 제1 실리콘층 사이에 절연막이 개재되는 SOI 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 실리콘층을 에칭하여 연결부와 질량부를 구획하는 단계; 및
상기 제2 실리콘층을 에칭하여 상기 질량부를 완성하는 단계;
를 포함하며,
상기 질량부를 완성하는 단계는, 상기 질량부의 꼭지 부분에 다수의 스토퍼를 형성하는 단계를 포함하는 센서 소자 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 스토퍼는,
상기 제2 실리콘층에 형성되는 센서 소자 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 스토퍼는,
상기 절연막에 더 형성되는 센서 소자 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 연결부에 적어도 하나의 압저항을 형성하는 단계를 더 포함하는 센서 소자 제조 방법.