KR20190120993A - Fabrication method of pressure sensors with high sensitivity and reliability - Google Patents

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Abstract

According to one aspect of the present invention, provided is a manufacturing method of a high sensitivity and high reliability pressure sensor. The manufacturing method of the high sensitivity and high reliability pressure sensor can comprise: a step of forming a membrane on a front surface of the substrate; a step of exposing the membrane to the outside by removing at least a part of a back surface of the substrate; and a step of forming a carbon thin film on the exposed surface of the membrane. Therefore, the present invention is capable of preventing moisture absorption.

Description

고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법{Fabrication method of pressure sensors with high sensitivity and reliability}Fabrication method of pressure sensors with high sensitivity and reliability

본 발명은 압력센서의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 초소형 센서 제작시 외부 물리량 변화 감지에 필요한, 미세 멤브레인 박막의 특성 향상에 적용되며, 대표적으로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 압력센서의 제조 공정, 써모파일(thermopile), 유량센서, 볼로미터, 화학센서, 히터(heater) 등 다양한 센서의 멤브레인 박막의 특성을 향상시켜 각각의 미세 센서 성능 향상에 적용이 가능한 MEMS 기반의 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a pressure sensor, and more particularly, it is applied to the improvement of characteristics of a micromembrane thin film, which is required for detecting an external physical quantity change when manufacturing a micro sensor, and typically, the production of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) pressure sensor. MEMS-based high sensitivity and high reliability pressure sensor that can be applied to improve the performance of each micro sensor by improving the characteristics of the membrane thin film of various sensors such as process, thermopile, flow sensor, bolometer, chemical sensor, and heater It is about a manufacturing method.

센서는 소형, 복합, 지능화되는 추세이며, 산업간 융합화 및 인간과 기기간의 매개체로서 스마트 사회(smart society) 구현의 핵심 요소 기술로 대두되었다. 이러한 요구조건의 충족을 위하여, 종래의 센서 기술의 측정범위 및 동작환경 범위를 확장시킬 수 있는 고감도·고성능 센서 기술 개발이 요구되고 있다. Sensors are becoming smaller, complex, and intelligent, and have emerged as a key element technology for the realization of smart society as a medium of convergence between industries and between humans and devices. In order to meet these requirements, the development of high sensitivity and high performance sensor technology that can extend the measurement range and operating environment range of the conventional sensor technology is required.

여러 가지 센서 중 압력센서 시장은 자동차 분야가 전체 시장의 75% 이상을 점유하고 있으며, CAGR 8% 이상의 성장이 예상된다. 압력센서의 주요 용도는 모바일 기기에 장착되어 대기압 및 실내외 고도를 정밀하게 측정함으로써, 운동량을 계산하고 건물 내 위치 확인에 활용되고 있다. Among the sensors, the pressure sensor market accounts for more than 75% of the overall market, and CAGR is expected to grow more than 8%. The main use of the pressure sensor is mounted on a mobile device to accurately measure atmospheric pressure and indoor and outdoor altitudes to calculate momentum and locate locations in buildings.

캐널라이스(Canalys)에서 2014년도에 발표한 자료에 따르면 사물인터넷 시장 중 가전용 분야 및 자동차 분야는 현재 시장이 형성되는 단계로서, 몇 년 내 수배의 성장이 예상되는 블루오션 시장으로 분석하고 있다. 특히, 물의 수위와 위치를 인지하는 수위조절 압력센서는 미래 IT 핵심 분야인 가전용(세탁기, 식기세척기 등등), 사물인터넷 분야의 핵심 부품이다. According to data released by Canalys in 2014, the home appliance and automotive sectors of the Internet of Things market are currently being formed, and the blue ocean market is expected to grow in several years. In particular, the water level pressure sensor, which recognizes the water level and location, is a key part of the future IT core areas such as home appliances (washing machines, dishwashers, etc.) and the IoT.

최근에는 미국과 유럽 등 선진국의 경우 에너지/환경규제를 강화하고 있으며, 특히 가전제품 사용으로 발생되는 물, 전기 소비에 대한 규제를 위해 에너지 등급 등의 기준을 확립해 법제화를 추진 중에 있다. 이러한 환경규제와 직접적으로 연관된 제품에 사용되는 압력센서는 물 수위 압력센서, 에어 컴프레셔(Air compressor) 압력센서가 주류를 이루고 있으며, 정밀도 개선을 통해 에너지/환경규제에 적합한 제품 개발에 필요한 제품에 대한 요구가 절실한 상태이다. 하지만 현재의 압력센서는 정밀도 특성 한계로 정밀도 특성을 향상시키고, 에너지/환경 규정에 부합하는 제품 개발을 위해 정밀한 센서의 개발이 필수적이다.Recently, advanced countries such as the United States and Europe are tightening energy / environmental regulations. In particular, the government is pursuing legislation by establishing standards such as energy ratings to regulate water and electricity consumption caused by the use of household appliances. The pressure sensors used in products directly related to these environmental regulations are mainly water level pressure sensors and air compressor pressure sensors. There is an urgent need. However, the current pressure sensor is required to develop a precision sensor to improve the precision characteristics to the limit of precision characteristics, and to develop a product that meets energy / environmental regulations.

또한, MEMS 기반 압력센서 제작을 위해 외부 압력에 의해 동작하는 멤브레인 박막이 필요하다. 이 멤브레인 박막은 센서가 수분이 노출된 환경이나 화학 물질이 노출된 환경에서 특성이 열화되는 문제점이 발생되었다. In addition, a membrane thin film operated by an external pressure is required to fabricate a MEMS-based pressure sensor. This membrane thin film has a problem that the sensor is deteriorated in the environment exposed to moisture or chemicals exposed.

본 발명은 상기와 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, MEMS 기반 압력센서의 전극을 보호하거나 다층 구조의 문제점을 해결하고, 압력센서의 민감도 특성을 향상시키며, 수분 흡수 방지, 외부 화학물질(chemical)에 의한 특성 열화를 방지할 수 있으며, 특히, 웨이퍼 뒷면을 DRIE(deep reactive ion etching) 식각시 발생되는 로딩(loading) 효과를 최소화할 수 있는 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is to solve the above and technical problems, to protect the electrode of the MEMS-based pressure sensor or to solve the problem of the multi-layer structure, to improve the sensitivity characteristics of the pressure sensor, to prevent moisture absorption, to external chemicals (chemical) It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a highly sensitive and highly reliable pressure sensor which can prevent deterioration of characteristics due to the deterioration and, in particular, minimize the loading effect generated during deep reactive ion etching (DRIE) etching of the back surface of the wafer. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일 관점에 따르면, 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법이 제공된다. 상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법은 기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계; 상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및 상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.According to one aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a high sensitivity and high reliability pressure sensor. The method of manufacturing the high sensitivity and high reliability pressure sensor may include forming a membrane on the front surface of the substrate; Exposing the membrane to the outside by removing at least a portion of the back side of the substrate; And forming a carbon thin film on the exposed side of the membrane.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막은 비정질(amorphous) 탄소막으로서, 비정질 흑연(graphite)을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity and high reliability pressure sensor, the carbon thin film is an amorphous carbon film, and may include amorphous graphite.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계는, ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation 및 Magnetron Sputtering 중 어느 하나를 이용하여 상기 비정질 탄소막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the high sensitivity and high reliability pressure sensor, forming the carbon thin film, ECR-CVD (Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation and Magnetron Sputtering It may include the step of depositing the amorphous carbon film using any one of.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계는, 흑연(graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터링 방식으로 증착하되, 섀도 마스크(shadow-cover mask)를 상기 기판의 후면에 부착한 후 상기 멤브레인 위에만 주로 상기 비정질 탄소막을 선택적으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity and high pressure sensor, the carbon thin film may be formed by depositing a sputtering method using a graphite target, and attaching a shadow-cover mask to a rear surface of the substrate. And then selectively depositing the amorphous carbon film mainly on the membrane only.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 멤브레인을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연막 상에 전극 박막을 형성하는 단계; 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 상기 전극 박막의 적어도 일부를 제거하여 상기 제 1 절연막 상에 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 절연막의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the high sensitivity and high pressure sensor, the step of forming the membrane, forming a first insulating film on the substrate; Forming an electrode thin film on the first insulating film; Removing at least a portion of the electrode thin film by using a photolithography method to form an electrode pattern on the first insulating film; Forming a second insulating film on the electrode pattern and the first insulating film; And forming a contact hole by etching and removing at least a portion of the second insulating layer, and forming a metal wire to be connected to the electrode pattern by using the contact hole.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 절연막을 형성하는 단계는, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 기판 상에 SiN 박막 또는 SiO2 박막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the high sensitivity and high reliability pressure sensor, the step of forming the first insulating film, a SiN thin film on the substrate using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method or a plasma enhanced chemical vacuum deposition (PECVD) method Or depositing a SiO 2 thin film.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 절연막을 형성하는 단계는, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 SiN 박막과 SiO2 박막을 순차적으로 증착하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity high reliability pressure sensor, the forming of the second insulating film may include forming a SiN thin film and an SiO 2 thin film on the electrode pattern and the first insulating film by using a plasma enhanced chemical vacuum deposition (PECVD) method. It may include the step of depositing sequentially.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 금속 배선을 형성하는 단계는, 리프트-오프(lift-off) 방법을 이용하여 상기 컨택 홀을 형성하고, Ti 금속 또는 Al 금속을 증착시켜 상기 전극 패턴과 전기적으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 또는 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 전극 금속(Ti/Al, Ti/TiN/Al 적층 금속막)을 증착 후에 종래의 기술을 이용해 전극 금속을 노광과 식각 공정을 통해 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity high reliability pressure sensor, the forming of the metal wire may include forming the contact hole by using a lift-off method, depositing Ti metal or Al metal, and depositing the electrode. And electrically connecting with the pattern. Alternatively, after forming a contact hole and depositing an electrode metal (Ti / Al, Ti / TiN / Al laminated metal film), the electrode metal is connected to the electrode pattern through exposure and etching using conventional techniques. It may include the step of forming a wiring.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계는, 마스크(mask)를 이용하여 상기 기판의 산화막 또는 금속막을 식각하여 제거한 후 ICP-RIE 방법을 이용하여 상기 기판의 적어도 일부를 제거하여 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity and high reliability pressure sensor, exposing the membrane to the outside by removing at least a portion of the rear surface of the substrate, after etching to remove the oxide film or the metal film of the substrate by using a mask (mask) The method may include exposing the membrane to the outside by removing at least a portion of the substrate using an ICP-RIE method.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계 이후에 다이싱(dicing) 공정 및 패키징(packaging) 공정을 순차적으로 수행하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity and high reliability pressure sensor, the method may include sequentially performing a dicing process and a packaging process after the forming of the carbon thin film.

상기 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 있어서, 상기 탄소박막을 형성하는 단계는, 상기 탄소박막을 상기 제 1 절연막의 후면에 매립되도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the high sensitivity high reliability pressure sensor, the forming of the carbon thin film may include forming the carbon thin film so as to be embedded in a rear surface of the first insulating film.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 압력센서의 민감도를 향상시킬 수 있으며, 제조 공정시에 식각 화학물질이나 클리닝 화학물질, 현상시 사용하는 화학물질들로부터 발생하는 손상을 방지할 수 있고, 멤브레인 형성시 발생되는 식각 언더컷(undercut)으로 인한 멤브레인 가장자리 손상, 수분과 화학물질에 의한 접촉을 최소화함으로써 멤브레인 하지막의 손상을 최소화할 수 있는 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the embodiment of the present invention made as described above, it is possible to improve the sensitivity of the pressure sensor, it is possible to prevent damage from etching chemicals, cleaning chemicals, chemicals used during development during the manufacturing process In addition, it is possible to implement a method of manufacturing a highly sensitive and highly reliable pressure sensor capable of minimizing damage to the membrane underlayer by minimizing damage to the edge of the membrane due to etch undercut and moisture and chemical contact. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 7은 종래의 압력센서 공정 기술로 제조된 다이아프램과 기판의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 8은 종래의 실리콘 압저항형 MEMS 압력센서의 구조를 개략적으로 도해하는 단면도이다.
도 9는 도 8의 압력센서의 구조와 회로도를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 10은 종래의 실리콘 압저항형 압력센서에서 멤브레인의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 압력센서에서 개략적인 손상 부위를 도시하고, 광학현미경으로 깊이에 따른 프로파일을 분석한 사진이다.
도 13은 정상 거동과 비정상 거동을 보이는 멤브레인 표면을 형상 측정 레이저 마이크로스코프로 관찰한 사진이다.
도 14는 압력센서 출력 특성 예시를 보여주는 그래프이다.
도 15는 문헌에 종래에 발표된 영률 값을 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에서 사용하는 섀도 마스크를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현된 압력센서를 다이싱 및 패키징 공정을 수행한 사진이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현한 샘플의 Si 식각 후 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 19는 본 발명의 실험예에 따른 압력센서 샘플들의 인가압력에 따른 출력값을 비교한 그래프이다.
1 to 6 are process flowcharts schematically illustrating a method of manufacturing a high sensitivity and high reliability pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic diagram illustrating the structure of a diaphragm and a substrate manufactured by a conventional pressure sensor process technique.
8 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a conventional silicon piezoresistive MEMS pressure sensor.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a structure and a circuit diagram of the pressure sensor of FIG. 8.
10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a membrane in a conventional silicon piezoresistive pressure sensor.
FIG. 11 and FIG. 12 are schematic diagrams showing damaged parts of the pressure sensor shown in FIG. 10, and images of profiles of depths are analyzed by optical microscope.
Figure 13 is a photograph of the membrane surface showing the normal and abnormal behavior observed with a shape measurement laser microscope.
14 is a graph showing an example of pressure sensor output characteristics.
15 is a graph comparing Young's modulus values conventionally published in the literature.
FIG. 16 schematically illustrates a shadow mask used in a method of manufacturing a high sensitivity high reliability pressure sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
17 is a photograph of a dicing and packaging process of a pressure sensor implemented by a method of manufacturing a high sensitivity and high pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a photograph analyzed by an optical microscope after Si etching of a sample implemented by a method of manufacturing a high-sensitivity, high-reliability pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
19 is a graph comparing output values according to an applied pressure of pressure sensor samples according to an experimental example of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

일반적으로, 압력센서는 압력감지 범위에 따라 다이아프램(diaphragm)의 크기와 멤브레인의 두께가 결정된다. 도 7은 종래의 압력센서 공정 기술로 제조된 다이아프램과 기판의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다. 도 7의 (a)는 종래의 MEMS 압력센서 멤브레인 구조의 단면을 주사전자현미경으로 분석한 사진이고, 도 7의 (b)는 상기 구조의 표면을 주사전자현미경으로 분석한 사진이다.In general, the pressure sensor determines the size of the diaphragm and the thickness of the membrane depending on the pressure sensing range. 7 is a schematic diagram illustrating the structure of a diaphragm and a substrate manufactured by a conventional pressure sensor process technique. 7 (a) is a photograph of a cross-sectional view of a conventional MEMS pressure sensor membrane structure with a scanning electron microscope, and FIG. 7 (b) is a photograph of a surface of the structure by a scanning electron microscope.

상기 압력센서 방식이 압저항형(Piezoresistive) 압력센서의 경우, 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge) 형태로 구성되어 있으며, 압저항 효과에 의해 동작한다. 압저항 효과를 나타내는 전극은 다이아프램 위에 형성되며, 외부에서 작용하는 압력이 다이아프램을 변형시킨다. 이로 인해, 게이지의 길이가 변화하여 저항이 변화하는 원리를 이용한다. 즉, R=ρL/A (ρ:비저항, L:길이, A: 단면적)에서 L이 주로 변화하게 된다.In the case of the piezoresistive pressure sensor, the pressure sensor method is configured in the form of a Wheatstone bridge and operates by a piezoresistive effect. An electrode having a piezoresistive effect is formed on the diaphragm, and externally acting pressure deforms the diaphragm. For this reason, the principle that a gauge changes length and a resistance changes is used. That is, L mainly changes at R = ρL / A (ρ: specific resistance, L: length, A: cross-sectional area).

도 8은 종래의 실리콘 압저항형 MEMS 압력센서의 구조를 개략적으로 도해하는 단면도이며, 도 9는 도 8의 압력센서의 구조와 회로도를 개략적으로 도해한 도면이다.8 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a conventional silicon piezoresistive MEMS pressure sensor, and FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a structure and a circuit diagram of the pressure sensor of FIG. 8.

도 8 및 도 9를 참조하면, 실리콘 압력센서는 실리콘 다이아프레임 위에 전단응력에 감도를 나타내는 압저항의 일종인 휘스톤 브릿지 형태로 배치한다. 정사각형 다이아프레임의 경우, 하기 식(1)에 나타낸 것과 같이, 최대 전단응력 발생 지점이 다이아프레임 가장자리이며, 다이아프레임 중앙은 전단응력이 0(zero)이 된다. 8 and 9, the silicon pressure sensor is disposed on the silicon diaphragm in the form of a Wheatstone bridge, which is a kind of piezoresistor indicating sensitivity to shear stress. In the case of the square diaphragm, as shown in the following equation (1), the maximum shear stress generation point is the edge of the diaframe, and the shear stress is zero at the center of the diaframe.

식(1) : σ최대 = 상수 * P * (a/h)2 Equation (1): σ max = constant * P * (a / h) 2

(여기에서, 상기 a는 멤브레인의 지름이고, 상기 h는 멤브레인의 두께임)Where a is the diameter of the membrane and h is the thickness of the membrane

종래의 압력센서는 멤브레인 상단에 제조된 전자 감지 회로로 동작을 감지한다. 상기 멤브레인은 상온 및 대기압(1 기압)에서 밀폐된 공간(chamber)을 형성하는데 밀폐된 챔버가 기준 압력이 된다. 그리고 상기 멤브레인 위의 외부 압력이 인가되면 감지 회로가 압력 변화를 인지하여 압력을 측정한다. Conventional pressure sensors detect motion with electronic sensing circuits fabricated on top of the membrane. The membrane forms a closed chamber at room temperature and atmospheric pressure (1 atmosphere), with the sealed chamber being the reference pressure. When the external pressure on the membrane is applied, the sensing circuit detects the pressure change and measures the pressure.

한편, 압력의 변화를 감지하기 위해 압력센서는 멤브레인이 형성된 압저항 박막과 금속층을 형성하여 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 제작한다. 도 9는 압력센서의 전자 감지 회로를 보여준다. 이때, 센서 측정은 브리지 회로에 일정한 전압이 인가되면, 기준 전류(압력이 가해지지 않은 상태)와 외부 압력 인가에 따라 전압 변화를 측정한다. 일반적으로, 각 특성치는 별도의 회로에 의해 ECU(Electric Control Unit)에게 전달될 수 있는 전압신호로 전환되어야 하며, 회로의 주요 구성품으로 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)이 적용된다. 이때 전극으로 사용되는 박막은 작동압력범위, 온도범위, 습도범위 및 내압범위 등을 모두 만족시켜야 한다.Meanwhile, in order to detect a change in pressure, the pressure sensor forms a piezoresistive thin film and a metal layer on which a membrane is formed to manufacture a Wheatstone bridge. 9 shows an electronic sensing circuit of a pressure sensor. In this case, the sensor measurement measures the voltage change according to the reference current (the state that no pressure is applied) and the external pressure when a constant voltage is applied to the bridge circuit. In general, each characteristic value must be converted into a voltage signal that can be transmitted to an ECU (Electric Control Unit) by a separate circuit, and an application specific integrated circuit (ASIC) is applied as a main component of the circuit. At this time, the thin film used as the electrode must satisfy all the operating pressure range, temperature range, humidity range and pressure resistance range.

도 10은 종래의 실리콘 압저항형 압력센서에서 멤브레인의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 여기에서, a는 멤브레인의 반지름이며, h는 멤브레인의 두께를 의미한다.10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a membrane in a conventional silicon piezoresistive pressure sensor. Where a is the radius of the membrane and h is the thickness of the membrane.

도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 압력센서에서 개략적인 손상 부위를 도시하고, 형상 측정 레이저 광학현미경으로 깊이에 따른 프로파일을 분석한 사진이다.FIG. 11 and FIG. 12 are schematic diagrams showing damaged parts of the pressure sensor shown in FIG. 10, and images of profiles according to depths are analyzed by a shape measuring laser optical microscope.

도 10과 같은 구조에서 전단 응력형 압력센서의 감도는 상기 식(1)으로 표현될 수 있다. 상기 식(1)에서 알 수 있듯이 원하는 압력센서의 감지 범위는 상수값을 결정하는 물질의 종류, 멤브레인의 크기와 두께에 의해 결정됨을 확인할 수 있다.In the structure shown in FIG. 10, the sensitivity of the shear stress type pressure sensor may be expressed by Equation (1). As can be seen from the equation (1) it can be seen that the detection range of the desired pressure sensor is determined by the type of material, membrane size and thickness to determine the constant value.

한편, 멤브레인 구조를 형성하는 기술은 지금까지 대부분 습식식각 방식을 활용한 식각을 하였다. 그러나 이 기술은 단위 면적당 다량의 센서 제작이 어렵다. 특히, SiC, GaN 등 신규 물질에 적용이 어려워 최근에는 기판을 건식 식각 방법으로 적용하는 기술이 증가하고 있다. On the other hand, the technology for forming the membrane structure has been etched using the wet etching method until now. However, this technique is difficult to manufacture a large amount of sensors per unit area. In particular, it is difficult to apply to new materials such as SiC, GaN, etc. Recently, a technique of applying a substrate by a dry etching method is increasing.

건식 식각 방법을 이용한 멤브레인 구조를 형성하는 방법은 대표적으로 Si 또는 SiC 기반으로 압력센서를 제조한다. 예를 들어, 웨이퍼 뒷면에 건식 식각에 의한 압력 감지막인 멤브레인을 형성 할 때, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 내 발생되는 SOI 기판 구조에서 또는 Si, SiC 벌크(bulk) 기판에서 식각 균일도 차이로 인한 하지 산화막의 손상과 식각 언더컷(undercut) 발생으로 멤브레인의 가장자리에 손상이 발생(도 11의 화살표로 표시된 영역)한다. A method of forming a membrane structure using a dry etching method is typically to produce a pressure sensor based on Si or SiC. For example, when forming a membrane, which is a pressure sensitive film by dry etching, on the back side of a wafer, as shown in FIGS. 11 and 12, in an SOI substrate structure generated in a wafer or in a Si, SiC bulk substrate. Damage to the underlying oxide film and etch undercut due to the difference in etching uniformity causes damage to the edge of the membrane (the area indicated by the arrow in FIG. 11).

또한, 도 13은 정상 거동과 비정상 거동을 보이는 멤브레인 표면을 형상 측정 레이저 마이크로스코프로 관찰한 사진이고, 도 14는 압력센서 출력 특성 예시를 보여주는 그래프이다. In addition, Figure 13 is a photograph of the membrane surface showing the normal and abnormal behavior observed with a shape measuring laser microscope, Figure 14 is a graph showing an example of the pressure sensor output characteristics.

도 13 및 도 14를 참조하면, 압력센서가 고습, 고온, 고압, 화학 물질 노출 환경인 가혹한 환경과 환경물질에 노출될 때 센서를 장시 사용시, 외부 수분이나 화학물질에 의한 멤브레인 노출 하부 Si기판, SiO2 박막층의 열화가 발생되어 신뢰성 열화가 발생된다. Referring to FIGS. 13 and 14, when the sensor is exposed to harsh environments such as high humidity, high temperature, high pressure, and chemical exposure environments, and when the sensor is used for a long time, the Si substrate under the membrane exposed by external moisture or chemicals, Deterioration of the SiO 2 thin film layer occurs, resulting in deterioration of reliability.

이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 가혹한 환경에서 장시간 사용시에 화학물질에 의한 손상을 방지함으로써, 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 탄소박막을 압력을 감지하는 멤브레인의 하부에 증착하여 식각에 의한 모서리 특성을 향상하고, 화학물질에 의한 외부 환경에 견딜 수 있는 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 제공한다.In order to solve this problem, in the present invention, by preventing the damage caused by chemicals during long-term use in harsh environments, by depositing a carbon thin film on the lower portion of the pressure-sensitive membrane to improve the reliability to improve the edge characteristics by etching In addition, the present invention provides a method of manufacturing a highly sensitive and reliable pressure sensor capable of withstanding the external environment caused by chemicals.

이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a method of manufacturing a high sensitivity high reliability pressure sensor of the present invention.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.1 to 6 are process flowcharts schematically illustrating a method of manufacturing a high sensitivity and high reliability pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서(100)의 제조방법은 기판(10)의 전면 상에 멤브레인(membrane, 60)을 형성하는 단계, 기판(10)의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 멤브레인(60)을 외부로 노출시키는 단계 및 멤브레인(60)의 노출된 면 상에 탄소박막(70)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 탄소박막(70)은 비정질(amorphous) 탄소막으로서, 예를 들면, 비정질 흑연(graphite)을 포함할 수 있다. 또, 멤브레인(60)은 제 1 절연막(20), 전극 패턴(35), 제 2 절연막(40) 및 금속 배선(50)이 순서대로 적층된 구조체를 의미하며, 멤브레인(60)의 하지막이 외부로 노출되어 압력의 변화를 감지할 수 있다.1 to 6, a method of manufacturing a highly sensitive and highly reliable pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention may include forming a membrane 60 on a front surface of a substrate 10. Exposing the membrane 60 to the outside by removing at least a portion of the backside of 10) and forming the carbon thin film 70 on the exposed side of the membrane 60. Here, the carbon thin film 70 is an amorphous carbon film, for example, may include amorphous graphite (graphite). In addition, the membrane 60 refers to a structure in which the first insulating film 20, the electrode pattern 35, the second insulating film 40, and the metal wiring 50 are stacked in this order, and the underlying film of the membrane 60 is outside. It can be exposed to change the pressure.

또한, 기판(10)은 예를 들어, Si, SiC 및 GaN 등 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판(10) 위에는 SOI 웨이퍼 제작을 위한 매립된 산화막(buried oxide)이다. 이때 SOI 기판(10)은 Si 또는 SiC 를 포함 할 수 있다.In addition, the substrate 10 may include, for example, a semiconductor substrate such as Si, SiC, and GaN. For example, on the substrate 10 is a buried oxide for fabricating an SOI wafer. In this case, the SOI substrate 10 may include Si or SiC.

도 15는 문헌에 종래에 발표된 영률 값을 비교한 그래프이다. 15 is a graph comparing Young's modulus values conventionally published in the literature.

도 15를 참조하면, 일반적으로, 탄소의 탄성계수는 Si 보다 영률(Young’s modulus) 값이 작아 멤브레인(60)의 민감도를 향상 시킬 수 있다. Si막의 일부가 탄소박막(70)으로 전환 될 때 막의 유효 영률 값이 감소하며 이것은 외부 압력에 변형이 더 크다. 이 때문에, 스트레인 값은 단결정 실리콘에 비하여 커지므로 민감도가 증가한다. Referring to FIG. 15, in general, the modulus of elasticity of carbon is smaller than that of Si, and thus the sensitivity of the membrane 60 may be improved. When a portion of the Si film is converted to the carbon thin film 70, the effective Young's modulus value of the film decreases, which is more deformed at the external pressure. For this reason, since a strain value becomes large compared with single crystal silicon, a sensitivity increases.

압력센서(100) 제조 공정시에 Si 기판(10)의 후면 식각 후에 전면 압저항 전극 패턴(30)과 금속 배선(50) 공정을 진행하면 후속 압저항 전극(미도시), 금속 배선(미도시) 형성시 발생되는 식각용 화학물질이나 클리닝 화학물질(cleaning chemical), 노광 공정시 현상액(develop chemical)으로부터 압력센서(100)의 손상을 방지할 수 있다. In the process of manufacturing the pressure sensor 100, after the backside etching of the Si substrate 10, the front piezoresistive electrode pattern 30 and the metal wiring 50 are processed, and the subsequent piezoresistive electrode (not shown) and the metal wiring (not shown) are performed. ), Damage to the pressure sensor 100 may be prevented from etching chemicals, cleaning chemicals, and developer chemicals during the exposure process.

Si 또는 SiC 기반으로 압력센서(100)를 제조시 웨이퍼 기판(10) 뒷면에 건식 식각에 의한 압력 감지막인 멤브레인(60)을 형성 할 때 발생되는 식각에 의한 언더컷으로 인한 멤브레인(60) 가장자리 손상과 수분과 화학물질에 의한 접촉을 최소화하기 위해 비정질 탄소박막(70)을 증착하여 멤브레인(60) 하지막의 손상을 최소화 하였다.When the pressure sensor 100 is manufactured based on Si or SiC, the edge of the membrane 60 is damaged due to the undercut due to the etching generated when the membrane 60, which is a pressure sensing film by the dry etching, is formed on the back side of the wafer substrate 10. In order to minimize contact due to moisture and chemicals, the amorphous carbon thin film 70 was deposited to minimize damage to the underlying film of the membrane 60.

좀 더 구체적으로, 기판(10) 상에 제 1 절연막(20)을 형성할 수 있다. 제 1 절연막(20)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 기판(10) 상에 SiN 박막, SiO2 박막 또는 SiN/SiO2 적층 박막을 증착할 수 있다. More specifically, the first insulating film 20 may be formed on the substrate 10. The first insulating layer 20 deposits a SiN thin film, a SiO 2 thin film, or a SiN / SiO 2 stacked thin film on the substrate 10 by using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method or a plasma enhanced chemical vacuum deposition (PECVD) method. can do.

이후에, 제 1 절연막(20) 상에 전극 박막(30)을 형성할 수 있다. 전극 박막(30)은 Si 에피(epi) 박막, 도핑된 폴리(doped poly) 전극, 압저항 금속막인 NiCr(80% Nr : 20% Cr, 이하 NiCr 합금) 합금 등 종래에 알려진 전극 박막(30)을 약 0.1㎛ 내지 1㎛ 두께로 제품 응용 두께에 따라 증착한다.Thereafter, the electrode thin film 30 may be formed on the first insulating layer 20. The electrode thin film 30 is a conventionally known electrode thin film 30 such as a Si epi thin film, a doped poly electrode, a NiCr (80% Nr: 20% Cr, hereinafter NiCr alloy) alloy which is a piezoresistive metal film. ) Is deposited to a thickness of about 0.1 μm to 1 μm depending on the product application thickness.

이후에 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 전극 박막(30)의 적어도 일부를 제거하여 제 1 절연막(20) 상에 전극 패턴(35)을 형성할 수 있다. 전극 패턴(30)은 압저항 전극으로 이해될 수 있다. 증착된 전극 박막(30)은 노광과 식각 공정을 통해서 전극 패턴(35)으로 형성된다. Thereafter, at least a portion of the electrode thin film 30 may be removed using a photolithography method to form the electrode pattern 35 on the first insulating layer 20. The electrode pattern 30 may be understood as a piezoresistive electrode. The deposited electrode thin film 30 is formed into an electrode pattern 35 through an exposure and etching process.

전극 패턴(35)을 형성한 이후에 전극 패턴(35) 및 제 1 절연막(20) 상에 제 2 절연막(40)을 형성할 수 있다. 제 2 절연막(40)은 PPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 전극 패턴(35) 및 제 1 절연막(20) 상에 SiN 박막과 SiO2 박막을 순차적으로 증착하거나, 또는 역순으로 증착한다. 여기서, 제 2 절연막(40)은 전극 패턴(35)을 보호하는 보호막으로 이해될 수 있다.After the electrode pattern 35 is formed, the second insulating layer 40 may be formed on the electrode pattern 35 and the first insulating layer 20. The second insulating film 40 is sequentially deposited on the electrode pattern 35 and the first insulating film 20 and the SiO 2 thin film by using a plasma enhanced chemical vacuum deposition (PPECVD) method, or in reverse order. . Here, the second insulating film 40 may be understood as a protective film for protecting the electrode pattern 35.

제 2 절연막(40)을 형성한 후, 제 2 절연막(40)의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole, 미도시)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴(35)과 연결되도록 금속 배선(50)을 형성할 수 있다.After forming the second insulating film 40, a contact hole (not shown) is formed by etching and removing at least a portion of the second insulating film 40, and using the contact hole, the electrode pattern 35. The metal wire 50 may be formed to be connected to the metal wire 50.

예를 들어, 전극 패턴(35)과 금속 배선(50)을 연결하기 위해, 콘택 홀을 노광과 식각 공정으로 형성하고, Ti 및 Al 금속을 리프트-오프(lift-off) 방식으로 형성한다. 이 때, 금속 배선(50)은 고온에서 신뢰성을 증진하기 위해 Ti/TiN 박막이나 Ta 박막 사용이 가능하다. 또, Al 배선은 Al 박막 증착 후에 노광 공정 후 Al 금속을 식각하여 형성할 수 있다. For example, in order to connect the electrode pattern 35 and the metal wiring 50, contact holes are formed by an exposure and etching process, and Ti and Al metals are formed in a lift-off manner. In this case, the metal wire 50 may use a Ti / TiN thin film or a Ta thin film to improve reliability at high temperature. In addition, the Al wiring may be formed by etching the Al metal after the exposure process after Al thin film deposition.

이후에, 기판(10)의 후면을 Si 딥 에치(deep etch) 방법으로 식각하여 기판(10)의 후면에 형성되어 있는 산화막 또는 금속막을 제거한다. 이 때, 기판(10) 후면에 마스크용 산화막(SiO2)은 기판(10)과 마스크 산화막의 식각 선택도를 고려하여 약 1㎛ 두께 정도인 것을 사용한다. 만약, SiC 박막의 경우에는 약 100㎚ 두께 Ti 또는 Cr 시드(seed) 층 위에 Ni 박막을 약 1㎛ 내지 4㎛ 두께를 사용하여 식각한다. Thereafter, the rear surface of the substrate 10 is etched by a Si deep etch method to remove the oxide film or the metal film formed on the rear surface of the substrate 10. At this time, the mask oxide film (SiO 2 ) on the back surface of the substrate 10 is about 1 ㎛ thickness in consideration of the etching selectivity of the substrate 10 and the mask oxide film. In the case of the SiC thin film, the Ni thin film is etched using a thickness of about 1 μm to 4 μm on the Ti or Cr seed layer.

마스크 산화막 또는 Ni 금속막을 이용하여 기판(10)의 후면을 식각한 후에는 ICP-RIE(Inductive coupled plasma-reactive ion etching) 방법을 이용하여 기판(10)의 적어도 일부 즉, Si 또는 SiC 기판을 식각하여 제거함으로써 멤브레인(60)을 외부로 노출시킬 수 있다. 여기서, 압력센서(100)의 응용 범위에 따라 약 5㎛ 내지 20㎛의 크기인 멤브레인(60)만을 남긴다. After etching the back surface of the substrate 10 using a mask oxide film or a Ni metal film, at least a portion of the substrate 10, ie, a Si or SiC substrate, is etched by using an inductive coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) method. By removing the membrane 60, the membrane 60 may be exposed to the outside. Here, only the membrane 60 having a size of about 5 μm to 20 μm is left according to the application range of the pressure sensor 100.

이후에, 압력센서(100)의 제작 공정 중에 멤브레인(60) 특성을 향상시키고, 가급적 잔류응력을 줄이기 위해서, 비정질 탄소박막(70)을 멤브레인(60)의 후면 상에 증착한다. 이 때, 탄소박막(70)을 형성하는 방법은 ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation 및 Magnetron Sputtering 중 어느 하나를 이용하여 상기 비정질 탄소막을 증착할 수 있으나, 기판과 멤브레인의 종류 및 공정시간 등을 고려하여 다양한 증착 방법을 적용할 수 있다. 이러한 탄소박막(70)의 성질은 증착 방법뿐 아니라, 증착시 공정 조건에 따라 박막의 특성이 변한다. Subsequently, in order to improve the characteristics of the membrane 60 and possibly reduce residual stress during the manufacturing process of the pressure sensor 100, an amorphous carbon thin film 70 is deposited on the back surface of the membrane 60. In this case, the carbon thin film 70 may be formed using any one of ECR-CVD (Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation, and Magnetron Sputtering. The carbon film may be deposited, but various deposition methods may be applied in consideration of the type and process time of the substrate and the membrane. The properties of the carbon thin film 70 is not only a deposition method, but also changes the characteristics of the thin film according to the process conditions during deposition.

예컨대, 박막은 sp2 결합이 있는 연질 흑연 형상 특성을 갖는 박막을 얻기 위해서, 비정질 탄소박막(70)은 흑연(C, graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터 반응기에서 13.56MHz 주파수에서, 약 50W 내지 300W의 전원을 인가하고, 반응기 압력 3 x 10-3torr 내지 3 torr 정도의 압력 범위 및 상온에서 비정질 흑연을 스퍼터링 방식으로 증착하였다. For example, in order to obtain a thin film having soft graphite shape characteristics with sp2 bonds, the amorphous carbon thin film 70 is a graphite (C, graphite) target using a graphite (C, graphite) at a sputter reactor at a frequency of 13.56 MHz, a power of about 50 W to 300 W Was applied, and amorphous graphite was deposited by sputtering at a pressure range of about 3 x 10 -3 torr to 3 torr and room temperature.

탄소박막(70)을 증착할 경우, 기판(10)의 후면, 즉, 압력센서의 멤브레인(60) 위에만 최대한 탄소박막(70)이 선택적으로 증착하기 위해 도 16에 도시된 바와 같이, 섀도 마스크(shadow-cover mask)를 사용하여 증착한다. 기판인 Si 또는 SiC를 약 100㎛ 내지 400㎛ 두께로 식각한 후 탄소박막(70)을 증착시 멤브레인(60) 보다 약 10㎛ 내지 200㎛ 정도 크게 디자인 룰(design rule)을 고려해 섀도 마스크를 제작하여 기판(10)의 후면에 부착한 상태에서 탄소박막(70)을 증착한다. 이와 같이, 증착된 탄소박막(70)은 낮은 마찰 계수, 높은 경도 및 내구성을 가져 압력센서 특성을 향상시킨다.When depositing the carbon thin film 70, as shown in FIG. 16 to selectively deposit the carbon thin film 70 as much as possible only on the back side of the substrate 10, ie, only on the membrane 60 of the pressure sensor, as shown in FIG. 16. deposit using a shadow-cover mask. After etching the substrate Si or SiC to a thickness of about 100㎛ to 400㎛ and manufacturing a shadow mask in consideration of design rules about 10㎛ to 200㎛ larger than the membrane 60 when depositing the carbon thin film 70 By depositing the carbon thin film 70 in a state attached to the back of the substrate 10. As such, the deposited carbon thin film 70 has a low coefficient of friction, high hardness, and durability to improve pressure sensor characteristics.

탄소박막(70)은 기판(10)의 후면에 구비된 오목부 내에 형성되되, 멤브레인(60)의 하면에만 형성될 수 있다. 또는, 기판(10)의 후면을 식각하여 제거할 때, 멤브레인(60)을 구성하는 제 1 절연막(20)의 적어도 일부가 함께 제거될 수 있다. 이 때, 멤브레인(60)의 가장자리 손상을 방지하기 위해서, 탄소박막(70)은 제 1 절연막(20)의 후면에 매립되도록 형성될 수도 있다. The carbon thin film 70 may be formed in the recess provided in the rear surface of the substrate 10, but may be formed only on the bottom surface of the membrane 60. Alternatively, when the rear surface of the substrate 10 is etched and removed, at least a portion of the first insulating film 20 constituting the membrane 60 may be removed together. In this case, in order to prevent edge damage of the membrane 60, the carbon thin film 70 may be formed to be buried in the rear surface of the first insulating film 20.

정리하면, 탄소박막(70)은 멤브레인(60)의 하면 및 기판(10)에 구비된 오목부의 측벽 상에 증착되어 외부의 가혹한 환경으로부터 멤브레인(60)을 보호하는 기능을 수행하나, 탄소박막(70)이 멤브레인(60)의 구조에 따라 기판(10)에는 증착되지 않고, 멤브레인(60)의 하부에 매립된 형태로 형성되어 기판(10)에 구비된 오목부의 측벽에는 증착 원리를 이용해 증착 두께를 최소화 한다. 즉, 멤브레인(60)이 오픈되는 부분에서의 기판(10)의 측벽과 기판(10)의 하부면에는 탄소박막(70)의 형성을 최소화한다. 이것은 후속 패키지 공정에서 종래의 접합 공정을 사용하기 위함이다.In summary, the carbon thin film 70 is deposited on the lower surface of the membrane 60 and the sidewalls of the recesses provided in the substrate 10 to protect the membrane 60 from the harsh external environment. 70 is not deposited on the substrate 10 according to the structure of the membrane 60, but is formed in a form embedded in the lower portion of the membrane 60, the deposition thickness using the deposition principle on the side wall of the recess provided in the substrate 10 Minimize That is, the formation of the carbon thin film 70 is minimized on the sidewall of the substrate 10 and the lower surface of the substrate 10 at the portion where the membrane 60 is opened. This is to use a conventional bonding process in subsequent packaging processes.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현된 압력센서를 다이싱 및 패키징 공정을 수행한 사진이다.17 is a photograph of a dicing and packaging process of a pressure sensor implemented by a method of manufacturing a high sensitivity and high pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 17을 참조하면, 멤브레인(60)의 하면에 탄소박막(70)을 형성한 이후에 다이싱(dicing) 공정 및 패키징(packaging) 공정을 순차적으로 수행할 수 있다. 구체적으로, 도 17의 (a)에 도시된 바와 같이, PCB 기판 위에 압력센서를 배치하고, ROIC 소자가 와이어 본딩한 이후에 도 17의 (b)에 도시된 바와 같이, 캡핑(capping) 후 플라스틱 몰딩으로 패키징되어 제품에 적용할 수 있다.Referring to FIG. 17, after the carbon thin film 70 is formed on the bottom surface of the membrane 60, a dicing process and a packaging process may be sequentially performed. Specifically, as shown in (a) of FIG. 17, after the pressure sensor is disposed on the PCB substrate and the ROIC element is wire bonded, as shown in (b) of FIG. 17, the plastic after the capping is shown. It can be packaged into moldings and applied to the product.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments to help understanding of the present invention will be described. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited only to the following examples.

본 발명의 실험예로서, SOI 기판을 사용하며, LPCVD 방법으로 in-situ P 도핑 poly Si 박막을 0.2 um- 1 um 두께로 증착하였다. 이때 P 도핑은 PH3 기체를 사용해 50 torr의 압력 및 온도에서 700℃ 약 1020 (atom/㎤)의 농도로 증착하였다. 증착된 박막은 RTA(금속열처리) 처리를 통해 도핑 원소의 활성화 및 TCR 값을 감소시키고자 하였다. 이후에 폴리 Si 박막을 노광과 식각 공정을 통해, 저항체(resistor)를 형성한 후 보호막으로 제 2 절연막으로 100㎚ 두께의 PECVD 방법을 이용하여 SiN 박막과 300㎚ 두께의 SiO2 박막을 증착하여 형성하였다. As an experimental example of the present invention, an SOI substrate was used, and an in-situ P-doped poly Si thin film was deposited to a thickness of 0.2 um-1 um by the LPCVD method. At this time, P doping was deposited at a concentration of about 10 20 (atom / cm 3) at 700 ° C. at a pressure and temperature of 50 torr using PH 3 gas. The deposited thin film was intended to reduce the activation of the doping element and the TCR value through RTA (metal heat treatment) treatment. Thereafter, a poly Si thin film is formed through exposure and etching, and then a resistor is formed, followed by deposition of a SiN thin film and a 300 nm thick SiO 2 thin film using a 100 nm thick PECVD method as a second insulating film as a protective film. It was.

상기 제 2 절연막 형성 이후에, 컨택홀을 노광과 식각 공정으로 형성하고, 20㎚ 두께의 Ti 및 300㎚ 두께의 Al 금속 배선을 리프트-오프 방식으로 형성하였다. 이후에 웨이퍼 뒷면을 종래의 방법으로 Si 딥 에칭한다. 이후에 ICP-RIE 공정으로 Si 기판을 식각하고, 약 5 내지 20㎛의 멤브레인만을 남겼다. 이후에 비정질 탄소막은 흑연(C, graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터 반응기에서 13.56MHz 주파수에서, 약 50W 내지 300W의 전원을 인가하고, 반응기 압력 3 x 10-3torr 내지 3 torr 정도의 압력 범위 및 상온에서 비정질 흑연을 스퍼터링 방식으로 증착하여 압력센서 샘플을 제조하였다.After the formation of the second insulating layer, contact holes were formed by exposure and etching processes, and 20 nm thick Ti and 300 nm thick Al metal wires were formed by a lift-off method. Thereafter, the wafer backside is Si deep etched by a conventional method. Thereafter, the Si substrate was etched by the ICP-RIE process, leaving only a membrane of about 5-20 μm. Afterwards, the amorphous carbon film is supplied with a power of about 50 W to 300 W at a 13.56 MHz frequency in a sputter reactor using a graphite (C) graphite target, and a pressure range of about 3 x 10 -3 torr to 3 torr and a room temperature Amorphous graphite was deposited by sputtering at to prepare a pressure sensor sample.

제조된 압력센서 샘플의 특성을 비교하기 위해서, 탄소박막을 구비하지 않은 비교예 샘플을 동일한 방식으로 제조하였다.In order to compare the characteristics of the prepared pressure sensor sample, a comparative sample without a carbon thin film was prepared in the same manner.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현한 샘플을 광학현미경과 형상 측정 레이져 마이크로스코프로 분석한 사진이다.FIG. 18 is a photograph analyzed by an optical microscope and a shape measuring laser microscope of a sample implemented by a method of manufacturing a high sensitivity and high pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 18의 (a)는 Si 식각 후 후면을 광학현미경으로 분석한 사진이며, 도 18의 (b)는 탄소박막이 증착된 후면을 광학현미경으로 분석한 사진이고, 도 18의 (c)는 레이저 마이크로스코프로 관찰한 사진이며, 도 18의 (d)는 깊이에 따른 프로파일을 분석한 사진이다.FIG. 18 (a) is a photograph obtained by analyzing an optical microscope on the back side after etching the Si, FIG. 18 (b) is a photograph analyzed by an optical microscope the back surface on which the carbon thin film is deposited, and FIG. It is a photograph observed with a microscope, Figure 18 (d) is a photograph analyzing the profile according to the depth.

또한, 도 19는 본 발명의 실험예에 따른 압력센서 샘플들의 인가압력에 따른 출력값을 비교한 그래프이다.In addition, Figure 19 is a graph comparing the output value according to the applied pressure of the pressure sensor samples according to the experimental example of the present invention.

도 18 및 도 19를 참조하면, 수분(H2O)의 압력이 증가함에 따른 출력값은 본 발명의 실시예 샘플이 비교예 샘플 대비 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 또, 본 발명의 실시예에 의한 고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법으로 구현된 샘플에서 멤브레인 하지막에 비정질 탄소 박막을 증착함으로써 멤브레인 하지막 손상을 최소화한 것으로 판단된다.Referring to FIGS. 18 and 19, the output value according to the increase in the pressure of the water (H 2 O) was confirmed that the sample of the present invention is higher than that of the comparative sample. In addition, it is determined that the damage to the membrane underlayer is minimized by depositing an amorphous carbon thin film on the underlayer of the membrane in the sample implemented by the method of manufacturing a high sensitivity and high pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

상술한 바와 같이, 본 발명은 비정질 탄소를 웨이퍼 뒷면에 증착함으로써 압력센서의 민감도를 향상시켜, 압력센서 제조 공정시에 Si 후면 식각 후에 전면 압저항 전극과 금속 배선 공정을 진행하면 후속 압저항 전극, 금속 배선 형성시 발생되는 식각 화학물질이나 클리닝 화학물질, 노광 공정시 현상액으로부터의 손상을 방지할 수 있다.As described above, the present invention improves the sensitivity of the pressure sensor by depositing amorphous carbon on the back side of the wafer, and when the front piezoresistive electrode and the metal wiring process are performed after etching the Si backside during the pressure sensor manufacturing process, subsequent piezoresistive electrodes, It is possible to prevent damage from etching chemicals or cleaning chemicals generated during the formation of metal wirings, and the developer during the exposure process.

한편, 본 발명은 초소형 센서 제작시 외부 물리량 변화 감지에 필요한, 미세 멤브레인 박막의 특성 향상에 적용된다. 대표적으로, MEMS 기반 압력센서의 제조 공정, 써모파일, 유량센서, 볼로미터, 화학센서 및 히터 등 다양한 센서의 멤브레인 박막의 특성을 향상시켜 각각의 미세 센서 성능 향상에 적용이 가능하다. On the other hand, the present invention is applied to the improvement of the characteristics of the micro-membrane thin film, which is required for sensing the external physical quantity change when manufacturing a micro sensor. Typically, the MEMS-based pressure sensor manufacturing process, thermopile, flow sensor, bolometer, chemical sensor and heater, such as to improve the characteristics of the membrane thin film of various sensors can be applied to each micro sensor performance improvement.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 기판
20 : 제 1 절연층
30 : 전극 박막
35 : 전극 패턴
40 : 제 2 절연층
50 : 금속 배선
60 : 멤브레인
70 : 탄소박막
80 : 섀도 마스크
100 : 압력센서
10: substrate
20: first insulating layer
30: electrode thin film
35 electrode pattern
40: second insulating layer
50: metal wiring
60: membrane
70: carbon thin film
80: shadow mask
100: pressure sensor

Claims (11)

기판의 전면 상에 멤브레인(membrane)을 형성하는 단계;
상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계; 및
상기 멤브레인의 노출된 면 상에 탄소박막을 형성하는 단계;
를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
Forming a membrane on the front side of the substrate;
Exposing the membrane to the outside by removing at least a portion of the back side of the substrate; And
Forming a carbon thin film on the exposed side of the membrane;
Including,
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소박막은 비정질(amorphous) 탄소막으로서, 비정질 흑연(graphite)을 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbon thin film is an amorphous carbon film, and includes amorphous graphite (graphite),
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 2 항에 있어서,
상기 탄소박막을 형성하는 단계는,
ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition), Pulse Laser Ablation 및 Magnetron Sputtering 중 어느 하나를 이용하여 상기 비정질 탄소막을 증착하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 2,
Forming the carbon thin film,
Depositing the amorphous carbon film using any one of Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Chemical Vacuum Deposition (ECR-CVD), Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition (PECVD), Pulse Laser Ablation, and Magnetron Sputtering,
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 2 항에 있어서,
상기 탄소박막을 형성하는 단계는,
흑연(graphite) 타겟을 사용하여 스퍼터링 방식으로 증착하되, 섀도 마스크(shadow-cover mask)를 상기 기판의 후면에 부착한 후 상기 멤브레인 위에만 상기 비정질 탄소막을 선택적으로 증착하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 2,
Forming the carbon thin film,
Depositing by a sputtering method using a graphite target, and attaching a shadow-cover mask to the backside of the substrate and selectively depositing the amorphous carbon film only on the membrane,
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인을 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계;
상기 제 1 절연막 상에 전극 박막을 형성하는 단계;
포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용하여 상기 전극 박막의 적어도 일부를 제거하여 상기 제 1 절연막 상에 전극 패턴을 형성하는 단계;
상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 절연막의 적어도 일부를 식각하여 제거함으로써 컨택 홀(contact hole)을 형성하고, 상기 컨택 홀을 이용하여 상기 전극 패턴과 연결되도록 금속 배선을 형성하는 단계;
를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 1,
Forming the membrane,
Forming a first insulating film on the substrate;
Forming an electrode thin film on the first insulating film;
Removing at least a portion of the electrode thin film by using a photolithography method to form an electrode pattern on the first insulating film;
Forming a second insulating film on the electrode pattern and the first insulating film; And
Forming a contact hole by etching and removing at least a portion of the second insulating layer, and forming a metal wire to be connected to the electrode pattern by using the contact hole;
Including,
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 절연막을 형성하는 단계는,
LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 기판 상에 SiN 박막 또는 SiO2 박막을 증착하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 5,
Forming the first insulating film,
Depositing a SiN thin film or a SiO 2 thin film on the substrate using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method or a plasma enhanced chemical vacuum deposition (PECVD) method;
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 절연막을 형성하는 단계는,
PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vacuum Deposition) 방법을 이용하여 상기 전극 패턴 및 상기 제 1 절연막 상에 SiN 박막과 SiO2 박막을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 5,
Forming the second insulating film,
Sequentially depositing a SiN thin film and a SiO 2 thin film on the electrode pattern and the first insulating film by using a plasma enhanced chemical vacuum deposition (PECVD) method.
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 5 항에 있어서,
상기 금속 배선을 형성하는 단계는,
리프트-오프(lift-off) 방법을 이용하여 상기 컨택 홀을 형성하고, Ti 금속 또는 Al 금속을 증착시켜 상기 전극 패턴과 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 5,
Forming the metal wires,
Forming the contact hole using a lift-off method and depositing Ti metal or Al metal to electrically connect the electrode pattern;
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 1 항에 있어서,
상기 기판의 후면의 적어도 일부를 제거함으로써 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계는,
마스크(mask)를 이용하여 상기 기판의 산화막 또는 금속막을 식각하여 제거한 후 ICP-RIE(Inductive coupled plasma-reactive ion etching) 방법을 이용하여 상기 기판의 적어도 일부를 제거하여 상기 멤브레인을 외부로 노출시키는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 1,
Exposing the membrane to the outside by removing at least a portion of the back side of the substrate,
Etching away the oxide or metal layer of the substrate using a mask, and then exposing the membrane to the outside by removing at least a portion of the substrate using an inductive coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) method. Including,
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소박막을 형성하는 단계 이후에 다이싱(dicing) 공정 및 패키징(packaging) 공정을 순차적으로 수행하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 1,
After the forming of the carbon thin film comprising the step of sequentially performing a dicing (dicing) process and a packaging (packaging) process,
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
제 5 항에 있어서,
상기 탄소박막을 형성하는 단계는,
상기 탄소박막을 상기 제 1 절연막의 후면에 매립되도록 형성하는 단계를 포함하는,
고감도 고신뢰성 압력센서의 제조방법.
The method of claim 5,
Forming the carbon thin film,
Forming a carbon thin film so as to be buried in a rear surface of the first insulating film;
Manufacturing method of high sensitivity and high reliability pressure sensor.
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