KR20190066348A - 압력 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서는, 하면에 다이어프램 홈이 형성된 하부기판, 상기 하부기판 상면에 일면이 결합되는 상부기판, 상기 상부기판 일면에 형성된 실리콘 나노와이어를 포함하고, 상기 상부기판의 타면으로 노출되는 저항부 및 상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 형성되는 다이어프램 영역을 포함하고, 상기 다이어프램 홈은 상기 다이어프램 영역보다 크게 형성된다.
Description
본 발명은 압력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 나노와이어를 압저항 소자로 사용하는 압력 센서에 있어서 압력 인가에 따른 감지막의 기계적 변형이 실리콘 나노와이어 압저항 소자의 특정 부위에 정확하게 전달될 수 있도록 하기 위한 압력센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 압력 센서는, 실리콘 기판에 도핑 공정을 통해 압저항 소자를 제작하고, 다이어프램(diaphragm)에 압력이 가해질 때 감지막에 기계적 변형이 일어남으로써 압저항 소자에 변형이 발생되어 저항이 변화하는 것을 이용하여 압력을 감지할 수 있게 된다. 이 경우 실리콘 기판 도핑을 통해 압저항 소자가 제작되기 때문에 압저항 소자의 감도가 높지 않다. 따라서 기계적 변형이 가장 큰 다이어프램의 경계 부분에 압저항 소자를 위치시켜 압력 센서의 성능을 극대화시킬 수 있다. 이를 위해서는 다이어프램 경계과 압저항 소자를 정확하게 정렬하는 것이 필요한데, 다이어프램의 형성을 위해 기판 뒷면을 벌크 식각할 때 다이어프램 경계가 압저항 소자에 정렬되게 제작하는 것이 어렵다.
위와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 높은 압저항 특성을 가지고 있는 실리콘 나노와이어를 감지소자로 이용하는 압력센서를 제공한다. 또한, 본 발명은 다이어프램 경계의 변형에 의한 응력을 실리콘 나노와이어에 정확히 전달하기 위한 압력센서의 구조 및 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서는, 하면에 다이어프램 홈이 형성된 하부기판, 상기 하부기판 상면에 일면이 결합되는 상부기판, 상기 상부기판 일면에 형성된 실리콘 나노와이어를 포함하고, 상기 상부기판의 타면으로 노출되는 저항부 및 상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 형성되는 다이어프램 영역을 포함하고, 상기 다이어프램 홈은 상기 다이어프램 영역보다 크게 형성된다.
또한, 상기 상부기판의 타면에는, 상기 상부기판 타면 일부를 식각함으로써 각각이 서로 상기 상부기판의 타면에서 이격되도록 형성되며, 상기 저항부로만 서로 전기적으로 접속 가능한 복수의 실리콘 블록이 형성되고, 상기 실리콘 블록 측벽 일부가 상기 다이어프램 영역 경계를 따라 형성된다.
또한, 상기 저항부는, 상기 다이어프램 영역 안에 형성되는 제1 저항부 및 상기 다이어프램 영역 밖에 형성되는 제2 저항부로 구성된다.
또한, 상기 실리콘 블록은 4개로 구성되며, 각각은 상기 상부기판을 사분면으로 나눠 각각의 분면에 형성되고, 상기 제1 저항부는 2개로 구성되며, 상기 상부기판 중심을 기준으로 상기 사분면 경계에 위치하도록 상호 이격되어 각각의 상기 제1 저항부가 인접하는 2개의 상기 실리콘 블록을 전기적으로 접속시키며, 상기 제2 저항부는 2개로 구성되고, 상기 제1 저항부가 상기 상부기판에서 이격되는 방향과 수직하도록 상기 상부기판 중심을 기준으로 상호 이격되어 상기 사분면 경계에 위치하며, 각각의 상기 제2 저항부가 인접하는 2개의 상기 실리콘 블록을 전기적으로 접속시킨다.
또한, 상기 실리콘 블록 상에 각각 형성되는 전극을 더 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법은, 실리콘 나노와이어를 포함하는 저항부가 형성된 상부기판을 준비하는 1단계, 하부기판을 준비하는 2단계, 상기 하부기판의 상면과 상기 상부기판의 일면이 결합되는 3단계, 상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 다이어프램 영역을 형성하는 4단계 및 상기 하부기판의 하면을 식각하여 상기 다이어프램 영역보다 큰 다이어프램 홈을 형성하는 5단계를 포함한다.
또한, 상기 4단계는, 상기 상부기판의 타면에서 상기 상부기판 일부를 제거하여 상기 상부기판의 두께를 기설정된 두께로 형성하는 단계, 상기 상부기판의 타면에 전극을 형성하는 단계 및 상기 상부기판의 타면의 상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 상기 저항부가 상기 상부기판의 타면으로 노출되면서 형성되는 복수의 실리콘 블록 측벽의 일부가 상기 다이어프램 영역 경계에 형성되고, 상기 저항부로만 인접한 상기 실리콘 블록을 전기적으로 접속시키는 절연단계를 포함한다.
또한, 상기 2단계는, 상기 하부기판의 타면에 도핑 영역이 형성된 상기 하부기판을 준비하는 단계이고, 상기 5단계는, 상기 하부기판의 일면을 상기 도핑 영역 부근까지 식각하여 식각 속도가 현저히 줄어드는 일정 조건 만족시 식각을 중지하여 상기 하부기판의 두께가 일정하도록 상기 다이어프램 홈을 형성하는 단계이다.
또한, 상기 1단계에서, 상기 저항부는 제1 저항부 및 제2 저항부로 구성되고, 상기 절연단계에서, 상기 제1 저항부는 상기 다이어프램 영역 안에 형성되고, 상기 제2 저항부는 상기 다이어프램 영역 밖에 형성되도록 상기 상부 기판의 타면을 식각한다.
본 발명에 따른 압력 센서는, 실리콘 나노와이어를 감지소자로 이용함으로써 고감도 압저항 특성을 지닌 압력 센서를 제조할 수 있다.
또한, 상부기판의 다이어프램 영역이 상부기판의 실리콘 나노와이어를 기준으로 상기기판이 식각됨으로써 형성되어, 실리콘 나노와이어가 다이어프램 영역 경계에 형성되어 기계적 변형이 가장 큰 위치에 배치됨에 따라 압력 센서의 성능을 극대화시킬 수 있다.
또한, 상부기판에서 다이어프램 영역이 규정되는바 하부기판에 형성되는 다이어프램 홈의 크기는 다이어프램 영역보다 크게만 형성되면 되므로, 다이어프램 홈 형성시 실리콘 나노와이어와 높은 정렬 정밀도가 요구되지 않아 압력센서 제조 불량률이 현저하게 낮아지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향에서 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서에 있어서, 도 1의 B-B' 기준으로 절단한 방향에서 도시한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 저항부의 배치관계를 나타낸 회로도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향에서 다이어프램 영역과 다이어프램 홈의 배치 관계를 나타낸 단면도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 C-C' 기준으로 절단한 방향의 상부기판의 실리콘 나노와이어를 형성하는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 7g는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향의 실리콘 나노와이어가 형성된 상부기판을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 8a 및 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 C-C' 기준으로 절단한 방향의 상부기판의 절연층이 형성되는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 8b 및 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향의 상부기판의 절연층이 형성되는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향의 압력센서가 형성되는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향에서 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서에 있어서, 도 1의 B-B' 기준으로 절단한 방향에서 도시한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 저항부의 배치관계를 나타낸 회로도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향에서 다이어프램 영역과 다이어프램 홈의 배치 관계를 나타낸 단면도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 C-C' 기준으로 절단한 방향의 상부기판의 실리콘 나노와이어를 형성하는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 7g는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향의 실리콘 나노와이어가 형성된 상부기판을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 8a 및 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 C-C' 기준으로 절단한 방향의 상부기판의 절연층이 형성되는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 8b 및 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향의 상부기판의 절연층이 형성되는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법에 있어서, 도 1의 A-A' 기준으로 절단한 방향의 압력센서가 형성되는 과정을 확대하여 도시한 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 상면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)는, 하면에 다이어프램 홈(210)이 형성된 하부기판(200), 상기 하부기판(200) 상면에 일면이 결합되는 상부기판(100), 상기 상부기판(100) 일면에 형성된 실리콘 나노와이어(110)를 포함하고, 상기 상부기판(100)의 타면으로 노출되는 저항부(120) 및 상기 저항부(120)를 기준으로 상기 상부기판(100)의 타면 중심부를 식각하여 형성되는 다이어프램 영역(130)을 포함하고, 상기 다이어프램 홈(210)은 상기 다이어프램 영역(130)보다 크게 형성된다.
상부기판(100)과 하부기판(200)은 실리콘 기판으로 형성된다. 도 3을 보면, 하부기판(200)에는 다이어프램 홈(210)이 형성되는데, 다이어프램 홈(210)은 하부기판(200)의 두께 대부분을 식각하도록 벌크 식각하여 하부기판(200)의 상부에 얇은 막이 형성되도록 한다.
상부기판(100)의 일면은 하부기판(200)의 상면과 결합된다. 상부기판(100)의 일면에는 실리콘 나노와이어(110)가 형성되어 있다. 도 3을 보면, 저항부(120)가 형성되어 있는 영역을 기준으로 상부기판(100)의 타면 중심부가 식각되어 실리콘 블록(140 ; 추후 상세히 서술)이 형성됨으로써 다이어프램 영역(130)이 형성된다. 저항부(120)는 실리콘 나노와이어(110), 실리콘 나노와이어(110)를 둘러싸는 실리콘 습식 산화막(170d), 실리콘 서브블록(150) 등으로 구성된다. 상부기판(100)의 타면 중심부가 식각되어 저항부(120)의 실리콘 습식 산화막(170d)이 상부기판(100) 타면 방향으로 노출된다.
따라서 다이어프램 영역(130)이 형성될 때 저항부(120)를 기준으로 실리콘 이 식각되어 실리콘 블록(140)이 형성되므로, 하부기판(200)의 다이어프램 홈(210)을 통해 인가된 힘으로 인한 다이어프램 영역(130)의 기계적 변형이 실리콘 블록 측벽(141) 부근의 저항부(120)가 형성되어 있는 다이어프램 영역 경계(131)에서 가장 커진다. 이때, 도 3을 보면, 상부기판의 실리콘 블록(140)의 두께(T1)는 다이어프램 홈(210)에 인가된 힘에 의한 변형에도 휘지 않을 정도의 두께로 형성되어야 하며, 이를 위하여 하부기판(200)의 다이어프램 홈(210)이 형성된 영역의 두께(T2)보다 두껍게 형성되어야 한다. 이에 따라 저항부(120)의 실리콘 나노와이어(110)의 기계적 변형이 커짐으로써 저항의 변화가 커져 압력 센서(1)의 센싱 감도가 향상되게 된다.
이때 다이어프램 홈(210)의 크기는 다이어프램 영역(130)보다 크게 형성된다. 다이어프램 영역(130)은 실리콘 벽에 의해 다이어프램 영역 경계(131)에서 기계적 변형이 최대가 되도록 설계되었기 때문에, 다이어프램 홈(210)을 다이어프램 영역(130)에 딱 맞도록 정렬시킬 필요성이 낮아진다. 따라서 다이어프램 홈(210)의 크기는 다이어프램 영역 경계(131)에 힘이 가해질 수 있도록 다이어프램 영역(130) 보다 크게 형성되면 되기 때문에, 높은 제조 정밀도를 요구하지 않아 압력센서(1)의 불량률이 현저히 낮아지게 된다.
따라서 도 6a 내지 도 6c를 보면, 다이어프램 홈(210)의 크기가 다르게 형성되더라도 압력센서(1)의 기능을 하는데에 문제가 없다. 도 6a와 같이 다이어프램 홈(210)과 다이어프램 영역(130)이 정렬되어 형성될 수도 있고, 도 6b와 같이 다이어프램 홈(210)이 다이어프램 영역(130)보다 크게 형성될 수도 있으며, 도 6c와 같이 다이어프램 홈(210)의 중심과 다이어프램 영역(130)의 중심이 일치하지 않아도, 다이어프램 홈(210)이 다이어프램 영역(130)보다 크게 형성된다면 압력 센서(1)의 불량이 발생하지 않게 된다. 이때 압력센서(1)를 하면에서 보았을 때, 다이어프램 영역(130)이 다이어프램 홈(210)이 형성된 영역에 포함되도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)에서, 상기 상부기판(100)의 타면에는, 상기 상부기판(100) 타면 일부를 식각함으로써 각각이 서로 상기 상부기판(100)의 타면에서 이격되도록 형성되며, 상기 저항부(120)로만 서로 전기적으로 접속 가능한 복수의 실리콘 블록(140)이 형성되고, 상기 실리콘 블록 측벽(141) 일부가 상기 다이어프램 영역 경계(131)를 따라 형성된다.
상부기판(100)의 타면 일부를 식각하여 복수의 실리콘 블록(140)을 형성한다. 각각의 실리콘 블록(140) 사이에 트렌치(trench)가 형성되어 서로 이격되도록 상부기판(100) 타면을 식각한다. 트렌치 식각은 실리콘 산화막까지 식각되어, 실리콘 블록(140)은 서로 절연된다.
복수의 실리콘 블록(140)은 저항부(120)으로만 서로 전기적으로 접속 가능하다. 저항부(120)에서, 실리콘 나노와이어(110)는 실리콘 블록(140)과 실리콘 서브블록(150)사이에 브릿지(bridge)처럼 걸쳐진 형태로 형성된다. 따라서 인접한 실리콘 블록(140)은 실리콘 나노와이어(110)를 따라 실리콘 서브블록(150)을 거쳐 실리콘 나노와이어(110)로 이어지는 저항부(120)를 통해 전기적으로 접속이 가능하게 된다.
이때, 실리콘 블록 측벽(141) 일부가 다이어프램 영역 경계(131)를 따라 형성된다. 이에 따라 실리콘 블록 측벽(141)이 다이어프램 영역(130)을 규정하게 되어, 다이어프램 홈(220)으로 인가된 힘으로 인해 다이어프램 영역(130)만이 기계적 변형을 하게된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 절단면 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)에서, 상기 저항부(120)는, 상기 다이어프램 영역(130) 안에 형성되는 제1 저항부(121) 및 상기 다이어프램 영역(130) 밖에 형성되는 제2 저항부(122)로 구성된다.
저항부(120)는 가변저항인 제1 저항부(121)와 고정저항인 제2 저항부(122)로 구성된다.
도 3을 보면, 제1 저항부(121)는 다이어프램 영역(130) 안에 위치하게 되어 제1 저항부(121)의 실리콘 나노와이어(110)가 기계적 응력을 받게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 저항부(120)를 기준으로 다이어프램 영역(130)이 형성되는바, 제1 저항부(121)는 기계적 변형이 가장 심한 다이어프램 영역 경계(131)에 가깝도록 다이어프램 영역(130) 내에 형성된다. 따라서 제1 저항부(121)는, 실리콘 나노와이어(110)의 저항이 변하여 가변저항 역할을 하게 된다.
제1 저항부(121)의 실리콘 서브블록(150)은 다이어프램 영역(130) 내부에 형성된다. 제1 저항부(121)의 실리콘 서브블록(150)은 실리콘 나노와이어(110) 구성을 사이에 두고 실리콘 블록(140)과 이격되어 있다. 따라서 다이어프램 홈(210)에 힘이 인가되어 다이어프램 영역(130)이 움직일 때 실리콘 서브블록(150)의 움직임을 억제하는 요소가 없어, 실리콘 서브블록(150) 또한 움직이게 된다.
도 4를 보면, 제2 저항부(122)는 다이어프램 영역(130) 밖에 위치하게 되어 제2 저항부(122)의 실리콘 나노와이어(110)가 기계적 응력을 받지 않는다. 따라서 실리콘 나노와이어(110)가 고정저항 역할을 하게 된다.
제2 저항부(122)의 실리콘 서브블록(150)은 다이어프램 영역(130) 외부에 형성된다. 도 2를 보면, 제2 저항부(122)의 실리콘 서브블록(150)은 트렌치를 사이에 두고 실리콘 블록(140)과 이격되어 있다. 또한, 제2 저항부(122)의 실리콘 서브블록 측벽(151) 일부가 다이어프램 영역 경계(131)에 형성된다. 따라서 제2 저항부(122)의 실리콘 서브블록(150)은 제1 저항부의 실리콘 서브블록(150)과 달리, 양 옆에 근접하여 실리콘 블록(140)이 형성되어 있고, 실리콘 블록(140)이 다이어프램 홈(210)에 인가된 힘에 의해 움직이지 않기 때문에, 실리콘 블록(140)에 근접한 실리콘 서브블록(150) 또한 움직이지 않는다. 따라서 제2 저항부(122)는 움직임이 발생하지 않고 그에 따라 제2 저항부(122)의 실리콘 나노와이어(110)에는 기계적 변형이 발생되지 않아 저항이 변화되지 않으며, 제2 저항부(122)는 고정저항의 역할을 하게 된다.
이때, 제2 저항부(122)의 실리콘 서브블록(150)은 외부에서 인가된 압력에 의해 움직이지 않기 때문에, 제2 저항부(122) 실리콘 서브블록 측벽(151)이 다이어프램 영역 경계(131)에 위치하여 실리콘 블록(140)과 함께 다이어프램 영역(130)을 규정할 수 있다.
도 5a 및 도 5b은 저항부(120)가 4개로 이루어진 본 발명의 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)는, 상기 실리콘 블록(140)은 4개로 구성되며, 각각은 상기 상부기판(100)을 사분면으로 나눠 각각의 분면에 형성되고, 상기 제1 저항부(120)는 2개로 구성되며, 상기 상부기판(100) 중심을 기준으로 상기 사분면 경계에 위치하도록 상호 이격되어 각각의 상기 제1 저항부(121)가 인접하는 2개의 상기 실리콘 블록(140)을 전기적으로 접속시키며, 상기 제2 저항부(122)는 2개로 구성되고, 상기 제1 저항부(121)가 상기 상부기판(100)에서 이격되는 방향과 수직하도록 상기 상부기판(100) 중심을 기준으로 상호 이격되어 상기 사분면 경계에 위치하며, 각각의 상기 제2 저항부(122)가 인접하는 2개의 상기 실리콘 블록(140)을 전기적으로 접속시킨다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압력센서(1)는 4개의 저항부(120)로 이루어진다. 4개의 저항부(120)는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성하게 된다. 이때 제1 저항부(121)와 제2 저항부(122)는 각각 2개씩으로 구성된다. 도 5a에서 볼 수 있듯이, 제1 저항부(121)는 다이어프램 영역(130) 안에 위치하고, 제 2 저항부(122)는 다이어프램 영역(130) 밖에 위치한다. 그에 따라 도 5b에서 볼 수 있듯이 제1 저항부(121)는 가변저항이 되고, 제2 저항부(122)는 고정저항이 된다.
4개의 저항부(120)는 동일 저항으로 설정될 수 있다. 도 2를 보면, 실리콘 블록(140)을 연결하는 저항부(120)는 동일한 실리콘 나노와이어(110)와 동일 두께, 폭 및 길이를 갖는 실리콘 서브블록(150)이 직렬로 동일하게 배치되어 있음을 볼 수 있다. 따라서 저항부(120)가 동일한 저항으로 이루어지고, 2개의 저항부(120)가 가변됨에 따라 제어부가 효율적으로 압력의 변화를 감지할 수 있게 된다.
실리콘 블록(140)은 도 5a의 휘트스톤 브릿지에서 도선의 역할을 한다. 동일 물질로 구성된 물체의 전기저항은, 물체의 길이에 비례하고 물체의 단면적에 반비례한다. 실리콘 나노와이어(110)는 단면적이 작게 형성되어 있고, 단면적에 비해 그 길이가 상당히 길게 형성된 형태를 갖고 있다. 이에 반해 실리콘 블록(140)은 길이에 비해 상당히 큰 단면적을 갖는 형태로 형성된다. 따라서 실리콘 나노와이어(110)는 실리콘 블록(140)에 비해 상당히 큰 저항을 갖게 되기 때문에, 상대적으로 상당히 낮은 저항을 갖는 실리콘 블록(140)이 도 5a의 도선 역할을 수행할 수 있다.
실리콘 블록(140)은 상부기판(100)을 사분면으로 나눴을 때 각 분면에 하나씩 위치하게 된다. 따라서 4개의 실리콘 블록(140)이 형성된다. 사분면의 경계는 트렌치로 형성되고, 상부기판(100)을 식각하여 트렌치를 형성할 때 실리콘 산화막(170a)까지 식각하여 실리콘 블록(140)간의 절연이 이뤄진다.
제1 저항부(121)의 2개의 실리콘 나노와이어(110)는 상부기판(100)의 중심을 기준으로 사분면의 경계에 위치하도록 상호 이격된다. 따라서 제1 저항부(121)는 인접하는 2개의 실리콘 블록(140)을 전기적으로 접속시키는데, 각 제1 저항부(121)가 전기적으로 접속시키는 실리콘 블록(140)이 겹치지 않는다. 따라서 도 5b를 보면, 제1 저항부(121)가 대각선으로 형성되어 있다. 제2 저항부(122)는 제1 저항부(121)가 상부기판(100)에서 이격되는 방향과 수직하도록 상부기판(100) 중심으로 상호 이격되어 사분면 경계에 위치한다. 제2 저항부(122)도 제1 저항부(121)와 마찬가지로 인접하는 2개의 실리콘 블록(140)을 전기적으로 접속시키는데, 각 제2 저항부(122)가 전기적으로 접속시키는 실리콘 블록(140)이 겹치지 않는다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)는, 상기 실리콘 블록(140) 상에 각각 형성되는 전극(160)을 더 포함한다.
도 1을 보면, 실리콘 블록(140) 각각에는 전극(160) 하나가 형성되어 Vcc, GND, Vout1, Vout2로 이용된다. 전극(160)은 상부기판(100)의 타면 모서리에 형성될 수 있다. 전극(160)은 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 제조방법은, 실리콘 나노와이어(110)를 포함하는 저항부(120)가 형성된 상부기판(100)을 준비하는 1단계, 하부기판(200)을 준비하는 2단계, 상기 하부기판(200)의 상면과 상기 상부기판(100)의 일면이 결합되는 3단계, 상기 저항부(120)를 기준으로 상기 상부기판(100)의 타면 중심부를 식각하여 다이어프램 영역(130)을 형성하는 4단계 및 상기 하부기판(200)의 하면을 식각하여 상기 다이어프램 영역(130)보다 큰 다이어프램 홈(210)을 형성하는 5단계를 포함한다.
1단계는 실리콘 나노와이어(110)를 포함하는 저항부(120)가 형성된 상부기판(100)을 준비하는 단계이다. 먼저 상부기판(100)은 실리콘 기판으로 준비한다(도 7a 참조). 상부기판(100) 상에 실리콘 산화막(170a) 및 실리콘 질화막(170b)을 순차적으로 적층한다(도 7b). 적층된 상부기판(100) 위에 포토레지스트(photoresist ; 170 c)를 도포한다. 사진식각공정(photolithography)을 통해 일정 패턴을 형성한 후 상부기판(100) 타측으로 노출된 상부기판(100) 표면을 건식 식각(dry etch)하여 실리콘 질화막(170b)과 실리콘 산화막(170a)을 순차적으로 식각하여 실리콘이 노출되게 한다(도 7c). 적층된 상부기판(100)의 타면 방향으로 노출된 실리콘을 소정의 깊이로 건식 식각하여 복수의 홈을 형성한다(도 7d). 포토레지스트(170c)를 제거한 후 수산화칼륨 용액(KOH 용액) 또는 수산화테트라메틸암모늄 용액(TMAH 용액)을 이용하여 홈 사이의 상부기판(100)을 이방성 식각(anisotropic etch)하여, 두께 방향 중앙폭으로부터 상단 및 하단으로 갈수록 점점 폭이 넓어지도록 나노와이어 구조물을 형성한다(도 7e). 나노와이어 구조물의 상단 및 하단을 절연하도록 상부기판(100)을 습식 산화하여 실리콘 습식 산화막(170d)을 표면에 형성한다. 그 결과 도 7f 및 도 7g에 도시된 바와 같이 나노와이어(110)가 형성된다.
상부기판(100)에 실리콘 나노와이어가 형성된 후, 상부기판(100) 타면에 절연막(170e)을 증착한다. 절연막은 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)가 사용될 수 있다. 절연막(170e)은 실리콘 나노와이어(110) 제조 과정에서 생긴 상부기판(10)의 홈들을 채우는 역할을 한다(도 8a 및 도 8b 참조). 그 후 상부기판(100)의 일면에 형성된 절연막(170e)을 표면연마 과정을 통해 표면을 평평하고 매끄럽게 제거한다. 이때 절연막(170e)은 다이어프램 영역(130)의 두께를 형성하기 때문에 절연막(170e)의 두께를 정밀하게 제어할 필요가 있어 기설정된 두께로 형성되도록 표면연마한다.
2단계는 하부기판(200)을 준비하는 단계이다. 하부기판(200)은 실리콘 기판으로 준비된다.
3단계는 하부기판(200)의 상면과 상부기판(100)의 일면이 결합하는 단계이다(도 9a 및 도 9b 참조). 결합 공정은 퓨전 본딩(fusion bonding)을 이용할 수 있다. 또한 두 기판 사이에 적절한 본딩용 재료를 형성함으로써 글래스 프릿 본딩(glass frit bonding), 유테틱 본딩(eutectic bonding), 에폭시 본딩(epoxy bonding) 등을 이용할 수도 있다.
4단계는 저항부(120)를 기준으로 상부기판(100)의 타면 중심부를 식각하여 다이어프램 영역(130)을 형성하는 단계이다.
상기 4단계는, 상기 상부기판(100)의 타면에서 상기 상부기판(100) 일부를 제거하여 상기 상부기판(100)의 두께를 기설정된 두께로 형성하는 단계, 상기 상부기판(100)의 타면에 전극(160)을 형성하는 단계 및 상기 상부기판(100)의 타면의 상기 저항부(120)를 기준으로 상기 상부기판(100)의 타면 중심부를 식각하여 상기 저항부(120)가 상기 상부기판(100)의 타면으로 노출되면서 형성되는 복수의 실리콘 블록 측벽(141)의 일부가 상기 다이어프램 영역 경계(131)에 형성되고, 상기 저항부(120)로만 인접한 상기 실리콘 블록(140)을 전기적으로 접속시키는 절연단계를 포함한다.
4단계는, 먼저 상부기판(100)의 타면에서 상부기판(100) 일부를 제거한다. 이때 표면연마과정을 통해 상부기판(100)의 두께를 기설정된 두께로 형성시킨다(도 9a 및 도 9b 참조). 그후 상부기판(100)의 타면에 전극(160)을 형성시킨다. 전극(160)은 알루미늄 등과 같은 금속을 증착, 패터닝하여 형성된다. 이때, 옴 접촉(ohmic contact)을 형성하기 위해 전극(160) 형성 부위에 고농도 이온 주입, 실리사이드 형성, 열처리 과정 등이 포함된다. 절연단계에서 상부기판(100)의 타면을 식각하여 형성되는 구조를 상술하였으며, 상술한 상부기판(100) 타면 구조로 형성되면서 복수의 실리콘 블록(140)을 절연하고, 실리콘 블록(140)간의 전기적 접속은 실리콘 나노와이어(110)로만 가능해진다(도 9c 참조).
5단계는 하부기판(200)의 하면을 식각하여 다이어프램 영역(130)보다 큰 다이어프램 홈(210)을 형성하는 단계이다. 다이어프램 홈(210)을 다이어프램 영역(130)보다 크게 형성하는 이유 및 효과는 상술한 바와 같다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 제조방법에서, 상기 2단계는, 상기 하부기판(200)의 타면에 도핑 영역(220)이 형성된 상기 하부기판(200)을 준비하는 단계이고, 상기 5단계는, 상기 하부기판(200)의 일면을 상기 도핑 영역(220) 부근까지 식각하여 식각 속도가 현저히 줄어드는 일정 조건 만족시 식각을 중지하여 상기 하부기판(200)의 두께가 일정하도록 상기 다이어프램 홈(210)을 형성하는 단계이다.
2단계는 하부기판(200)의 타면에 도핑 영역(220)이 형성된 하부기판(200)을 준비하는 단계이다. 이때, 다이어프램 영역(130)의 두께를 정밀하게 제작하여야 하기 때문에 하부기판(200)에서 다이어프램 홈(210)이 형성되는 부분의 두께가 정밀하게 제작되는 것이 중요하다. 이를 위해 하부기판(200)의 상부에 일정깊이만큼 고농도의 붕소(boron) 등 p형의 불순물을 주입한다(도 9a 참조). 이때 실리콘 습식 식각 공정을 통한 다이어프램 홈(210) 형성시 실리콘 식각이 불순물 주입부근인 도핑 영역(220)에 도달하면 식각속도가 현저히 줄어들게 된다. 따라서 5단계에서 다이어프램 홈(210)을 형성하기 위해 하부기판(200)의 하면을 식각할 때, 식각 속도가 현저히 줄어드는 일정 조건을 만족시 식각을 중지하여 하부기판(200)의 두께가 일정하도록 다이어프램 홈(210)을 형성한다(도 9d 참조).
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 압력센서(1)의 제조방법은, 상기 1단계에서, 상기 저항부(120)는 제1 저항부(121) 및 제2 저항부(121)로 구성되고, 상기 절연단계에서, 상기 제1 저항부(121)는 상기 다이어프램 영역(130) 안에 형성되고, 상기 제2 저항부(122)는 상기 다이어프램 영역(130) 밖에 형성되도록 상기 상부 기판(100)의 타면을 식각한다.
저항부(120)는 제1 저항부(121) 및 제2 저항부(122)로 구성되며, 저항부(120)의 실리콘 블록(140)과의 배치관계 및 상부기판(100)에서의 위치 등은 상술하였는바 생략하겠다.
또한 제1 저항부(121)는 가변저항 역할을 하고, 제2 저항부(122)는 고정저항 역할을 하며, 이를 위해 제1 저항부(121) 및 제2 저항부(122)와 다이어프램 영역(130)간의 배치관계 또한 상술하였는바 생략하겠다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1 : 압력센서
100 : 상부기판
110 : 실리콘 나노와이어 120 : 저항부
121 : 제1 저항부 122 : 제2 저항부
130 : 다이어프램 영역 131: 다이어프램 영역 경계
140 : 실리콘 블록 141 : 실리콘 블록 측벽
150 : 실리콘 서브블록 151 : 실리콘 서브블록 측벽
160 : 전극 170a : 실리콘 산화막
170b : 실리콘 질화막 170c : 포토레지스트
170d : 실리콘 습식 산화막 170e : 절연막
200 : 하부기판 210 : 다이어프램 홈
220 : 도핑 영역
110 : 실리콘 나노와이어 120 : 저항부
121 : 제1 저항부 122 : 제2 저항부
130 : 다이어프램 영역 131: 다이어프램 영역 경계
140 : 실리콘 블록 141 : 실리콘 블록 측벽
150 : 실리콘 서브블록 151 : 실리콘 서브블록 측벽
160 : 전극 170a : 실리콘 산화막
170b : 실리콘 질화막 170c : 포토레지스트
170d : 실리콘 습식 산화막 170e : 절연막
200 : 하부기판 210 : 다이어프램 홈
220 : 도핑 영역
Claims (9)
- 하면에 다이어프램 홈이 형성된 하부기판;
상기 하부기판 상면에 일면이 결합되는 상부기판;
상기 상부기판 일면에 형성된 실리콘 나노와이어를 포함하고, 상기 상부기판의 타면으로 노출되는 저항부; 및
상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 형성되는 다이어프램 영역;을 포함하고,
상기 다이어프램 홈은 상기 다이어프램 영역보다 크게 형성되는, 실리콘 나노와이어 압력센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 상부기판의 타면에는,
상기 상부기판 타면 일부를 식각함으로써 각각이 서로 상기 상부기판의 타면에서 이격되도록 형성되며, 상기 저항부로만 서로 전기적으로 접속 가능한 복수의 실리콘 블록이 형성되고,
상기 실리콘 블록 측벽 일부가 상기 다이어프램 영역 경계를 따라 형성되는, 실리콘 나노와이어 압력센서. - 청구항 2에 있어서,
상기 저항부는,
상기 다이어프램 영역 안에 형성되는 제1 저항부; 및
상기 다이어프램 영역 밖에 형성되는 제2 저항부;로 구성되는, 실리콘 나노와이어 압력센서. - 청구항 3에 있어서,
상기 실리콘 블록은 4개로 구성되며, 각각은 상기 상부기판을 사분면으로 나눠 각각의 분면에 형성되고,
상기 제1 저항부는 2개로 구성되며, 상기 상부기판 중심을 기준으로 상기 사분면 경계에 위치하도록 상호 이격되어 각각의 상기 제1 저항부가 인접하는 2개의 상기 실리콘 블록을 전기적으로 접속시키며,
상기 제2 저항부는 2개로 구성되고, 상기 제1 저항부가 상기 상부기판에서 이격되는 방향과 수직하도록 상기 상부기판 중심을 기준으로 상호 이격되어 상기 사분면 경계에 위치하며, 각각의 상기 제2 저항부가 인접하는 2개의 상기 실리콘 블록을 전기적으로 접속시키는, 실리콘 나노와이어 압력센서. - 청구항 4에 있어서,
상기 실리콘 블록 상에 각각 형성되는 전극을 더 포함하는, 실리콘 나노와이어 압력센서. - 실리콘 나노와이어를 포함하는 저항부가 형성된 상부기판을 준비하는 1단계;
하부기판을 준비하는 2단계;
상기 하부기판의 상면과 상기 상부기판의 일면이 결합되는 3단계;
상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 다이어프램 영역을 형성하는 4단계; 및
상기 하부기판의 하면을 식각하여 상기 다이어프램 영역보다 큰 다이어프램 홈을 형성하는 5단계;를 포함하는 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법 - 청구항 6에 있어서,
상기 4단계는,
상기 상부기판의 타면에서 상기 상부기판 일부를 제거하여 상기 상부기판의 두께를 기설정된 두께로 형성하는 단계;
상기 상부기판의 타면에 전극을 형성하는 단계; 및
상기 상부기판의 타면의 상기 저항부를 기준으로 상기 상부기판의 타면 중심부를 식각하여 상기 저항부가 상기 상부기판의 타면으로 노출되면서 형성되는 복수의 실리콘 블록 측벽의 일부가 상기 다이어프램 영역 경계에 형성되고, 상기 저항부로만 인접한 상기 실리콘 블록을 전기적으로 접속시키는 절연단계;를 포함하는 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 2단계는,
상기 하부기판의 타면에 도핑 영역이 형성된 상기 하부기판을 준비하는 단계이고,
상기 5단계는,
상기 하부기판의 일면을 상기 도핑 영역 부근까지 식각하여 식각 속도가 현저히 줄어드는 일정 조건 만족시 식각을 중지하여 상기 하부기판의 두께가 일정하도록 상기 다이어프램 홈을 형성하는 단계인, 실리콘 나노와이어 압력센서의 제조방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 1단계에서,
상기 저항부는 제1 저항부 및 제2 저항부로 구성되고,
상기 절연단계에서,
상기 제1 저항부는 상기 다이어프램 영역 안에 형성되고, 상기 제2 저항부는 상기 다이어프램 영역 밖에 형성되도록 상기 상부 기판의 타면을 식각하는, 실리콘 나노와이어 압력센서.
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| KR1020170165992A KR101990706B1 (ko) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | 압력 센서 및 그 제조 방법 |
| US16/163,934 US10741746B2 (en) | 2017-12-05 | 2018-10-18 | Pressure sensor and manufacturing method thereof |
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| KR20240051462A (ko) * | 2022-10-13 | 2024-04-22 | 경희대학교 산학협력단 | Soi 웨이퍼 기반 실리콘 나노와이어 압력센서 및 이의 제조 방법 |
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| KR20110072513A (ko) | 2009-12-23 | 2011-06-29 | 전자부품연구원 | 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1 채널 마이크로폰 제조방법 |
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2017
- 2017-12-05 KR KR1020170165992A patent/KR101990706B1/ko active IP Right Grant
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2018
- 2018-10-18 US US16/163,934 patent/US10741746B2/en active Active
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| US10741746B2 (en) | 2020-08-11 |
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