KR20230076579A - Mems 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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권대성
유일선
이장현
김동구
김현수
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 히터부의 온도 분포 균일성을 향상시키는 MEMS 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에서는, 기판에 형성된 히터부; 상기 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 더미패턴부;를 포함하여 구성되는 MEMS 소자 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

MEMS 소자 및 그 제조방법{Micro-Electro Mechanical Systems element and its manufacturing method}
본 발명은 히터부의 온도 분포 균일성을 향상시키는 MEMS 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
MEMS 히터는 일괄공정을 통해 대량 생산이 가능하기 때문에 저가형 가스 센서를 제작하는데 많이 활용되고 있다.
기존의 MEMS 수소센서의 경우, MEMS 히터와 이를 보호하는 절연층, 수소와 반응하는 촉매로 구성이 된다.
촉매는 Pt, Pd 등과 같이 수소와의 산화반응을 촉진시키는 촉매를 활용하며, 촉매를 활성화시키기 위해 MEMS 히터를 이용해 가열하게 된다.
가열된 촉매를 통해 수소와 산소가 반응하면 반응열이 발생하고, 이로 인한 히터의 저항변화를 감지하여 반응 정도를 측정하게 된다.
한편, 금속 산화물 기반 가스센서는 반응을 위해 필요로 하는 온도가 300~400℃ 수준으로 높은 편이며, 이러한 온도를 원하는 영역에 균일하게 형성해 줄 수 있는 히터 개발에 대한 연구가 지속적으로 진행 중에 있다.
기판으로의 열손실을 최소화시켜 히터 구동을 위한 전력 소모를 낮추기 위해 히터는 보통 멤브레인 형태로 제작되며, 원하는 온도로 빠르게 승온시키고 온도 분포를 균일하게 형성하기 위해 히터 디자인을 변경하거나, 특정 물질 및 구조를 히터에 추가하는 등의 기술이 제안되고 있다.
예를 들어, 기판 내부에 열전도 특성이 우수한 방열층을 추가하여 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
하지만, 추가 방열층을 형성하는 경우, 방열층이 형성된 면적에 고르게 열이 분포되어 온도 균일성을 향상시킬 수 있지만, 방열층을 형성하는 공정이 추가됨으로써, 공정이 복잡해지는 것은 물론, MEMS 소자의 전체 레이어 두께가 두꺼워지는 문제가 발생하게 된다.
온도의 균일성을 향상시키기 위한 다른 방안으로, 히터의 디자인 변경을 통해 단일층으로 열분포 균일성을 향상시키는 기술이 제안된 바 있다.
하지만, 이는 히터 구조의 선형성이 떨어져 히터 저항변화 자체를 모니터링하는 센서로 활용하기 어려우며, 설계가 복잡해지는 문제가 발생하게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0026810 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 히터부의 온도 분포 균일성을 향상시키는 MEMS 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 MEMS 센서의 구성은, 기판에 형성된 히터부; 상기 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 더미패턴부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 더미패턴부는 히터부 패턴 내부에 조성된 빈 공간에 형성될 수 있다.
상기 더미패턴부는 히터부와 동일 재질로 형성될 수 있다.
상기 더미패턴부는 히터부 형성과정에서 함께 형성될 수 있다.
상기 더미패턴부는 히터부와 동일한 레이어에 형성될 수 있다.
상기 히터부 및 더미패턴부에 대응하는 기판 부분에 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 MEMS 소자의 제조방법의 구성은, 기판에 히터부 및 더미패턴부를 형성하되, 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 더미패턴부를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 MEMS 소자의 제조방법의 구성은, 기판에 제1절연층을 형성하는 단계; 상기 제1절연층에 히터부 및 더미패턴부를 형성하되, 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 더미패턴부를 형성하는 단계; 상기 히터부 및 더미패턴부에 제2절연층을 형성하는 단계; 상기 히터부에 전극패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 더미패턴부는 히터부 형성과정에서 함께 형성될 수 있다.
상기 히터부 및 더미패턴부에 대응하는 기판 부분에 홀을 형성할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 히터부의 빈 공간에 더미패턴부를 배치함으로써, 낮아진 열저항으로 인해 멤브레인 전 면적에 열전달이 보다 빠르게 일어나게 되고, 이에 따라 히터부 중앙부와 외곽의 온도 편차가 감소됨으로써, 보다 넓은 영역에서 더 우수한 온도 분포도를 갖게 되어 온도 분포의 균일성을 향상시키는 효과가 있다.
더욱이, 히터부를 증착 및 패터닝하는 과정에서 히터부와 함께 더미패턴부를 증착 및 패터닝하여 형성함으로써, 방열층을 추가하는 등의 추가적인 공정 없이 방열층을 추가한 것과 유사한 온도 분포도의 균일성을 향상시키는 효과도 있다.
또한, 더미패턴부가 히터부와 동일한 레이어에 함께 형성됨으로써, 전체 MEMS 소자의 두께 변화 없이, 온도 분포도의 균일성을 향상시키는 구조를 구현하는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히터부와 더미패턴부가 형성된 MEMS 소자의 형상을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 MEMS 소자의 분리 사시도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 더미패턴부 적용 여부에 따른 온도 분포를 비교하여 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 MEMS 소자의 제조과정을 설명하기 위한 도면.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 히터부(200)와 더미패턴부(300)가 형성된 MEMS 소자의 형상을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 MEMS 소자의 분리 사시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 MEMS 소자는, 기판(10)에 형성된 히터부(200); 상기 히터부(200)가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부(200)와 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 더미패턴부(300);를 포함하여 구성이 된다.
구체적으로, 실리콘 재질로 형성된 기판(10)의 표면에 제1절연층(100)이 증착 형성된다. 제1절연층(100)은 SiO2, Si3N4 등의 화합물을 이용하여 증착될 수 있다.
그리고, 제1절연층(100)의 표면에 히터부(200)로서 히터전극이 증착 및 패터닝된다. 히터전극은 Pt, Mo 등과 같이 녹는점이 높고, 열전도율이 좋은 금속이 사용될 수 있다.
이와 함께, 제1절연층(100)의 표면에 더미패턴부(300)가 증착 및 패터닝된다.
특히, 상기 더미패턴부(300)는 히터부(200)와 직접적으로 연결되지 않도록 이격된 상태로 형성됨으로써, 히터전극과 전기적으로 연결되지 않는 상태가 된다.
이러한, 더미패턴부(300)는 히터부(200)의 패턴 내부에 조성된 빈 공간에 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 2와 같이 히터부(200)의 패턴이 'Ω' 형상으로 형성되고, 히터부(200) 내부에 빈 공간이 형성된다.
이에, 상기 히터부(200) 내에 비어 있는 공간에 'C' 형상으로 더미패턴부(300)가 형성된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 더미패턴부(300) 적용 여부에 따른 온도 분포를 비교하여 나타낸 도면으로, 더미패턴부(300)를 히터부(200)의 빈 공간에 배치함으로써, 낮아진 열저항으로 인해 멤브레인 전 면적에 열전달이 보다 빠르게 일어나게 된다.
이에 따라, 히터부(200)의 중앙부 온도가 감소하지만, 중앙부와 외곽의 온도 편차가 감소됨으로써, 보다 넓은 영역에서 더 우수한 온도 분포도를 갖게 되어 온도 분포의 균일성을 향상시키게 된다.
아울러, 본 발명에서 상기 더미패턴부(300)는 히터부(200)와 동일 재질로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 히터부(200)가 Pt인 경우, 더미패턴부(300) 역시 Pt이 적용될 수 있고, 히터부(200)가 Mo인 경우, 더미패턴부(300) 역시 Mo이 적용될 수 있다.
이에 따라, 상기 더미패턴부(300)는 히터부(200) 형성과정에서 함께 형성될 수 있다.
즉, 히터전극을 증착 및 패터닝하는 과정에서 히터전극과 함께 더미패턴부(300)를 증착 및 패터닝하여 형성함으로서, 방열층을 추가하는 등의 추가적인 공정 없이 방열층을 추가한 것과 유사한 온도 분포도의 균일성 향상 효과를 구현할 수 있게 된다.
더불어, 본 발명에서 상기 더미패턴부(300)는 히터부(200)와 동일한 레이어에 형성될 수 있다.
즉, 더미패턴부(300)는 히터전극을 형성하는 과정에서 히터전극과 동일한 레이어에 함께 형성하게 된다.
따라서, 전체 MEMS 소자의 두께 변화 없이, 온도 분포도의 균일성을 향상시키는 구조를 구현하게 된다.
한편, 본 발명은 상기 히터부(200) 및 더미패턴부(300)에 대응하는 기판(10) 부분에 홀(12)이 형성될 수 있다.
예컨대, 기판(10)의 상단 및 하단에 절연층이 형성되고, 기판(10)의 상단 중앙에 히터부(200) 및 더미패턴부(300)가 형성된 경우, DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 식각공정을 통해 기판(10)의 하단 표면에 형성된 절연층을 제거하면서 기판(10)의 중앙에 홀(12)을 형성한다.
따라서, 히터부(200)의 열이 기판(10)을 통해 열전도됨에 따라 열손실되는 것을 최소화시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 MEMS 소자의 제조방법은, 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(10)에 히터부(200) 및 더미패턴부(300)를 형성하되, 히터부(200)가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부(200)와 전기적으로 연결되지 않도록 더미패턴부(300)를 형성할 수 있다.
MEMS 소자를 제조하는 방법을 단계별로 살펴보면, 기판(10)에 제1절연층(100)을 형성하는 단계; 상기 제1절연층(100)에 히터부(200) 및 더미패턴부(300)를 형성하되, 히터부(200)가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부(200)와 전기적으로 연결되지 않도록 더미패턴부(300)를 형성하는 단계; 상기 히터부(200) 및 더미패턴부(300)에 제2절연층(400)을 형성하는 단계; 상기 히터부(200)에 전극패드(500)를 형성하는 단계;를 포함하여 구성이 된다.
도 5는 본 발명에 따른 MEMS 소자의 제조과정을 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하여, MEMS 소자를 제조하는 과정을 구체적으로 설명하면, 실리콘 기판(10)의 상단 및 하단의 표면에 SiO2, Si3N4 등의 화합물을 이용하여 제1절연층(100)을 증착 형성한다.
그리고, 기판(10) 상단에 형성된 제1절연층(100)의 표면에 Pt, Mo 등의 금속으로 이루어진 히터부(200)와 함께 더미패턴부(300)를 증착 및 패터닝한다.
이어서, 제1절연층(100)의 표면과 함께 패터닝된 히터부(200) 및 더미패턴부(300) 상단 표면에 SiO2, Si3N4 등의 화합물을 이용하여 제2절연층(400)을 증착 형성한다.
이를 통해, 히터부(200)를 보호하고, 절연기능을 수행하게 된다.
여기서, 상기 제1절연층(100) 및/또는 제2절연층(400) 형성시, 잔류 응력에 의한 멤브레인의 변형을 방지하도록 제1절연층(100) 및/또는 제2절연층(400)을 다층 구조로 증착할 수도 있다.
이 후, 히터부(200)의 양쪽 끝단에 대응하는 제2절연층(400)에 비아 홀(410)을 형성한다.
그리고, 비아 홀(410)에 Al, Au 등의 전극패드(500)를 증착 및 패터닝함으로써, 히터부(200)에 전극패드(500)를 와이어링하게 된다.
이어서, 식각공정을 통해 기판(10)의 하단 표면에 형성된 제1절연층(100) 및 제2절연층(400)을 제거하면서, 히터부(200) 및 더미패턴부(300)가 형성된 기판(10) 중앙에 홀(12)을 형성함으로써, 기판(10)을 통한 열전도를 방지하여 열손실을 최소화시키게 된다.
아울러, 위에서 설명한 증착단계 후에 어닐링열처리를 추가적으로 수행함으로써, 히터부(200)의 성능을 향상시키고, 절연층의 응력을 완화시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 히터부(200)의 빈 공간에 더미패턴부(300)를 배치함으로써, 낮아진 열저항으로 인해 멤브레인 전 면적에 열전달이 보다 빠르게 일어나게 되고, 이에 따라 히터부(200) 중앙부와 외곽의 온도 편차가 감소됨으로써, 보다 넓은 영역에서 더 우수한 온도 분포도를 갖게 되어 온도 분포의 균일성을 향상시키게 된다.
더욱이, 히터부(200)를 증착 및 패터닝하는 과정에서 히터부(200)와 함께 더미패턴부(300)를 증착 및 패터닝하여 형성함으로써, 방열층을 추가하는 등의 추가적인 공정 없이 방열층을 추가한 것과 유사한 온도 분포도의 균일성 향상 효과를 구현하게 된다.
또한, 더미패턴부(300)가 히터부(200)와 동일한 레이어에 함께 형성됨으로써, 전체 MEMS 소자의 두께 변화 없이, 온도 분포도의 균일성을 향상시키는 구조를 구현하게 된다.
참고로, 도 5에 도시한 MEMS 소자의 제조공정에서는, 기판(10)의 양 표면에 제1절연층(100)과 제2절연층(400)을 증착한 후, 식각공정을 통해 기판(10)의 하단에 제1절연층(100) 및 제2절연층(400)을 제거하는 방법에 대해 설명하고 있지만, 절연층을 증착하는 방법에 따라 기판(10)의 상단 표면에만 제1절연층(100)과 제2절연층(400)하고, 기판(10)의 하단 표면에는 절연층을 형성하지 않을 수 있다.
이 경우, 기판(10) 하단에 절연층을 제거하는 과정을 생략하고, 기판(10)의 중앙에 홀(12)만 형성할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 기판
12 : 홀
100 : 제1절연층
200 : 히터부
300 : 더미패턴부
400 : 제2절연층
410 : 비아 홀
500 : 전극패드

Claims (10)

  1. 기판에 형성된 히터부;
    상기 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 형성된 더미패턴부;를 포함하는 MEMS 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미패턴부는 히터부 패턴 내부에 조성된 빈 공간에 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미패턴부는 히터부와 동일 재질로 형성된 것을 특징으로 MEMS 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미패턴부는 히터부 형성과정에서 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미패턴부는 히터부와 동일한 레이어에 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터부 및 더미패턴부에 대응하는 기판 부분에 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  7. 기판에 히터부 및 더미패턴부를 형성하되, 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 더미패턴부를 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제조방법.
  8. 기판에 제1절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1절연층에 히터부 및 더미패턴부를 형성하되, 히터부가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분에 히터부와 전기적으로 연결되지 않도록 더미패턴부를 형성하는 단계;
    상기 히터부 및 더미패턴부에 제2절연층을 형성하는 단계;
    상기 히터부에 전극패드를 형성하는 단계;를 포함하는 MEMS 소자의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 더미패턴부는 히터부 형성과정에서 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 히터부 및 더미패턴부에 대응하는 기판 부분에 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제조방법.
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