KR830000113B1 - 반도체 압력 변환기 - Google Patents
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Description
제1도는 본 발명에 따른 반도체 압력 변환기의 실시예를 나타낸 단면도.
제2도 및 3도는 제1도에 도시된 실리콘 격막체와 반도체 압력센서의 피복부재의 평면도와 단면도.
제4도는 글라스 피복부재내의 압저항소자를 본 발명에 따른 반도체 압력 변환기의 외면과 전기적으로 접속한 다른 도체로를 도시한 부분적 단면도.
본 발명은 반도체 절대 압력변환기에 관한 것으로 특히 압저항 소자와 도체로(導體路)가 설치된 실리콘 격막체(diophram assemlly)의 표면상에 절연물질의 피복부재(covering memler)를 결합시키기 위한 방법에 관한 것이다.
미국특허 제3,918,019호 및 제4,079,508호에 압저항 브리지회로를 확산시킨 글라스 기저물과 엷은 실리콘 격막을 가진 변환기가 기술되었다. 브리지 회로 부품들은 적당히 배열되어 실리콘상이 형성된 결합패드(pad)와 도체로에 접속된다.
글라스 기저물은 그 내에 형성된 격막의 직경보다 큰 직경을 가진 원형 웰(circular well)을 갖는다. 결합 패드를 실리콘상에 부착시키는 형태로 도선을 글라스 기저물상에 퇴적시킨다. 실리콘은 애노딕 본딩(Anordic Bonding)방법에 의하여 글라스내의 웰을 덮는 실리콘 격막 및 글라스상에 융착된 도선을 덮는 결합패드와 함께 글라스 기저물에 결합된다. 이러한 방법에 의하여 형성된 결합은 웰 둘레에 용접 밀봉을 제공한다.
산화 실리콘(SiO2)과 같은 절연물질의 층을 압저항 브리지 회로와 그 상에 형성된 도체로를 보호하기 위하여 실리콘의 표면상에 만든다. 이 경우 애노딕 본딩방법에 의하여 절연부재, 예컨데 글라스 기저물을 실리콘의 표면상에 단단의 결합시키는 것은 대단히 곤란하다. 특히 산화실리콘(SiO2)층을 두께가 0.5㎛보다 크게 만들 때 어렵다.
왜냐하면 애노딕 본딩이라고 하는 것은 실리콘과 붕규산 글라스에 고온, 고전압을 인가함으로써 실리콘중의 Si이온 및 글라스중의 02이온의 이온이동(ion migration)에 의한 결합이고 양자는 극박층(極薄層)의 SiO2의 형성에 의해 견고하고 결합된다. 그러나 미리 실리콘의 표면에 SiO2가 형성되어 있으면 양자간의 저항이 커져 전류가 잘흐르지 못하기 때문에 이온 이동이 불활발해져 접합강도가 저하하기 때문이다.
미국특허 제3,595,719호에는 절연부재를 반도체의 표면을 덮는 비활성층에 결합시키는 방법이 기술된다.
이 방법에서 애노딕 본딩에 앞서 애칭액에 의해 비활성층을 적어도 약 1,000A의 주께로 애칭시킨다.
만일 이러한 방법이 상술한 변환기의 제조에 적합하다면 이것의 p－n접합에 인가된 고전압 때문에 압저항 브리지회로의 특성은 나쁘게 된다. 즉 실리콘 격막체는 n형이고 확산된 압저항 브리지 회로의 압력에 민감한 저항기는 p형이다. 정(正)전압을 실리콘에 그리고 부(負)전압을 글라스 기저물에 인가할 때 누설 전류가 p－n접합을 통해 흐르기 때문에 p－n접합의 절연특성에 영향을 준다. 왜냐하면 p－n 접합부에 역방향의 고전압이 걸려 내압(耐壓)이상이되어 파괴되기 때문이다. 또, 저 저항을 얻는 p＋확산은 도체로를 형성한다. 그러나 이 p＋확산은 깊이가 매우 얕을지라도 도체로를 따라 홈이 생기고 이 홈은 웰 둘레의 용접 봉합에 영향을 미친다. 미국특허 제3,918,019호와 제4,079,508호에는 용접 봉합을 위한 여금의 결합패드를 설치한다.
다른 종래의 특허는 다음과 같다.
(1) 미국특허 제3,397,278호 ″애노딕 본딩″이것은 애노딕 본딩기술에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 반도체 압력변환기 및 절연 커버를 브리지 회로로서 실리콘 격막체상에 결합시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 종래의 결점이 없는 반도체 압력 변환기 및 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 대량생산에 적당한 반도체 압력 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라 상술한 목적들은 표면상에 전기적 접속을 위하여 압저항형의 확산된 변형계(straingauge)수단 및 도체로인 실리콘 격막체와, 확산된 게이지 수단 및 도체로를 보호하기 위하여 실리콘 격막체의 표면상을 덮는 비활성층과 도체물질의 층이 비활성 층상에 형성되고 절연물질의 피복부재와 도체층 사이의 결합이 애노딕 본딩방법에 의하여 형성된 실리콘 격막체의 표면에 취부된 절연물질의 피복부재등을 포함하는 반도체 압력 변환기에 의해 성취된다.
본 발명의 상술한 목적, 다른 목적 및 장점들은 첨부도면을 참조로하여 다음에 상술한 실시예로부터 명백하게 될 것이다.
같은 소자는 특히 제2도 및 3도에서 참조 번호를 나타낸 도면을 참조하면 실리콘 격막체(1)는 두꺼운 실리콘의 지지 림(rin)과 그내에 형성된 엷은 실리콘의 원형의 압력에 민감한 격막을 갖는다. 실리콘 격막체(1)를 조립하는데 사용하는 출발물질은 n형이고 실리콘 격막체(1)의 표면상에 p형의 압저항기(2a)와 p＋형의 도체로(2b)는 공지된 방법에 의하여 확산된다. 알루미늄(Al) 또는 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 티타늄(Ti)의 부식하지 않는 3층의 전극(3)이 분무(spattering)나 증착(evaporation)같은 방법을 사용하여 P＋형의 도체로 (2b)상에 만들어진다. 전극 (3)이 설치된 이외의 압저항기(2a)와 도체로(2b)가 형성된 실리콘 격막체(1)의 표면상에는 산화실리콘(SiO2)과 같은 점연물질의 비활성층(4)이 형성된다.
또한 비활성층(4)상에는 실리콘(SiO2)과 같은 도체 물질층(5)이 분무, 증기 성장이나 증착을 사용하여 형성되며 실리콘 대신에 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)이나 베릴륨(Be)같은 다른 금속돌을 사용하여 도체층(5)을 만들 수 있다. 실리콘을 도체층(5)으로서 사용하는 경우 산화실리콘의 비활성 층(4)은 퇴적된 폴리 실리콘층(5)과 실리콘 격막체(1)사이에 샌드위치되기 때문에 열팽창 계수의 차로 인한 실리콘 격막체(1)의 초기 벤드(bend)는 제거되어 실리콘 격막체(1)의 온도특성은 개량되는데,
다시 말하면 열 팽창 계수의 차 때문에 벤드로 인한 온도에 대하여 0포인트 같은 표준점의 변화는 제거된다. 또 실리콘은 산화실리콘은 산화실리콘의 비활성층(4)에 대한 우수한 접착성(stick ability) 때문에 가장 적당하다.
실리콘 격막체(1)의 표면상에는 피복부재(7)가 취부되고, 온도 특성의 개량을 위하여 피복부재는 실리콘과 동일한 열팽창 계수를 가진 물질, 예컨데 ″파이렉스″ 특히 ″파이렉스 제7740호″의 상표에서 코닝 글라스 위크(Corning Glass work)로부터 구입할수 있는 보로실리케이트(boro silicate)글라스로 구성된다.
이 실리케이트 글라스는 실리콘에 대한 우수한 접착성을 갖는다. 원형웰(6)이 글라스 피복부재(7)의 저면상에 형성되고 8개의 관통공(8)은 실리콘 격막체(1)상에 조립된 전극(3)에 해당하는 위치에 형성된다.
각 소정의 공정으로 처리한 후 실리콘 격막체(1)와 글라스 피복부재(7)가 애노딕 본딩방법에 의하여 상호 결합된다. 애노딕 본딩은 실리콘같은 반도체나 도체와 유리같은 절연체를 결합패드없이 결합시키는 기술이며, 예컨데 미국특허 제3,397,278호에 기술되었다. 이 실시예에서 실리콘 격막체(1)와 글라스 피복부재(7)는 적층되어 실리콘층 (5)에 대한 정극(positive pole)과 글라스 피복부재(7)를 위한 부극(negativ epole)이 설치되며 이렇게 적층된 실리콘 격막체(1)와 글라스 피복부재(7)는 진공건조하에 놓고 약 350℃로 가열한다. 이 양극사이에 1000V의 전압을 약 30분간 인가함에 의하여 실리콘 격막체(1)와 글라스 피복부재(7)가 단단하게 결합된다. 상술한 애노딕 본딩이 진공건조하에서 전도 시키는데 필요하지 않더라도 진공상태의 밀봉 쳄버(6)가 편리하게 얻어진다. 모셰관(capillarieo)을 관통공(8)내에 삽입할 때 금선같은 도체(9)가 초음파공(ball) 결합에 의하여 직접 결합된다.
도체와 전극을 오손 및 이동으로부터 보호하기 위하여 실리콘 겔이나 RTV의 플라스틱 피복물(10)을 관통공(8)상에 취부시킨다.
실리콘 격막체(1)의 다른 표면상에는 파이프 형태의 부재(11)가 부착되어 측정하고자 하는 압력이 인도되는 쳄버와 압력유입구를 형성한다. 이러한 파이프 부재(11)는 상술한 보로실리케이트 글라스로 구성되고, 또한 애노딕 본딩에 의하여 실리콘 격막체(1)에 결합된다.
제1도에 도시된 바와 같이 금선(9)가 리이드프레임(lead frome)(13)을 통하여 연산 증폭기(14)를 포함한 기저물(15)상에 형성된 두꺼운 박막도체상에 결합된다.
한편 기저물(12)은 결합패드에 의하여 관(tube)(16)상에 고착되고, 관(16)은 그내의 파이프 부재(11)를 지지한다. 또 주기저물(15)은 결합패드에 의하여 기저물(12)에 고착되고 주기저물(15)의 변부에는 단자(14), 단자(17)가 부착되어 이것을 통하여 전기출력 신호가 제공된다.
상술한 압력변환기에서 유입구내의 절대 압력, 다시 말하면 유입구내의 상대적 압력, 즉 밀봉 쳄버내 진공에 대한 유입구내의 상대적 압력에 비례하는 전기 신호가 공지된 압저항 효과에 의하여 얻어진다.
출력신호는 예컨데 자동차에 장치된 소형 컴퓨터에 인가되어 전자 연료 주입기 및 전자전진 장치를 조점한다. 그리고 압저항 소자(2a)는 비활성 조건 또는 진공쳄버내에 있으므로 압저항 특성 및 p－n접합의 절연특성이 주위로부터 보호된다.
제4도에는 상술한 것과 다른 실리콘 격막체(1)상에 확산된 도체로(2b)의 다른 구조를 나타낸다.
예를들면 도체로(2b)가 글라스 피복부재(7)상에 연장하고, 상술한 금－팔라듐－티타늄의 3층 전극(3)이 연장부상에 설치되며, 전극(3)상에는 금선(9)가 와이어 결합기술에 의하여 결합된다.
상술한 전극의 구조는 전극을 용이하게 만들 수 있기 때문에 특히 대량 생산에 적당하다.
본 발명에 따른 실시예를 설명하는 동안 동일한 것만으로 국한되는 것은 아니고 당해 분야의 전문가에게는 통상적인 여러가지 변형 및 모방이 있을 수 있으므로 본 발명은 명세서내에 기술된 것만으로 한정되지 않고 이러한 변형 및 모방도 본 발명의 범위내에 포함된다.
Claims (1)
- 압력에 민감한 격막을 형성한 실리콘 격막체(1)와, 압저항 소자(2a)의 저항값이 격막내에 나타나는 변형에 따라 변하는 실리콘 격막체(1)의 압력에 민감한 격막상에 확산된 압저항 소자(2a)와, 압저항 소자(2a)의 전기적 접속을 위하여 실리콘 격막체(1)상에 확산된 도체로(2b)와, 압저항 소자(2a)와 도체로(2b)의 표면상에 확산된 실리콘 격막체(1)의 표면을 피복한 비활성층(4)과, 도체층(5)이 비활성층(4)과 피복부재(7)사이에 배열됨을 특징으로하는 실리콘 격막체(1)의 표면상에 취부된 절연물질의 피복부재(7)등을 포함하는 반도체 압력 변환기.
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