이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 용량형 압력센서 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 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 부가 가능성을 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 용량형 압력 센서의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 용량형 압력 센서의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 용량형 압력센서(100)는 기준압력과 측정압력의 차이에 따라 형상이 변화하는 다이아프램(diaphragm. 11) 및 상기 기준압력이 설정되는 챔버(12)를 갖는 상부 구조체(50)와 상기 상부 구조체(50)와 결합하며, 상기 다이아프램(11)으로 측정압력을 전달하는 비아 홀(20) 및 상기 다이아프램(11)의 형상변화를 전기신호로 전달하기 위한 도전성 플러그(18)를 갖는 하부 구조체(90)를 포함한다.

일실시예로서, 상기 상부 구조체(50)는 상기 다이아프램(11)을 형성하는 하부 몸체(47), 상기 다이어프램(11)을 노출하는 리세스부(49a)를 구비하는 상부몸체(49) 및 상기 하부몸체(47) 및 상부몸체(49)를 접합하는 제1 접합층(48)을 구비하는 상부기판(50a)을 포함한다.

일실시예로서, 상기 상부 및 하부몸체(49, 47)는 실리콘을 포함하는 기판으로 형성하며, 상기 다이아프램(11)은 약 30m 내지 약 35m의 두께(t)를 갖는다. 따라서, 상기 다이아프램(11)은 얇은 두께로 인하여 외부에 가해지는 압력에 민감하게 반응하며 상기 챔버(12)에 설정된 기준압력과 후술하는 비아 홀을 통해 인가된 측정압력 사이의 차이에 따라 그 형상이 변화할 수 있다.

상기 리세스부(49a)를 구비하는 상부 몸체(49)의 상면에 캡 웨이퍼(14)를 배치하여 상기 상부몸체(49)에 한정된 상기 리세스부(49a)를 밀폐시킨다. 이에 따라, 상기 리세스부(49a)는 상기 상부몸체(49), 상기 다이어프램(11) 및 캡 웨이퍼(13)에 의해 한정된 밀폐공간을 형성한다. 이후, 상기 밀폐공간으로 소정의 압력을 설정하여 상기 다이어프램(11)으로 기준압력을 제공하는 챔버(12)로 기능한다. 예를 들면, 상기 캡 웨이퍼(14)는 글래스 기판 또는 실리콘 기판을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 상부몸체(49)와 상기 캡 웨이퍼(14) 사이에 제2 접합층(13)를 더 배치하여 상기 상부몸체(49)와 상기 캡 웨이퍼(14) 사이의 접착성을 향상하고 상기 리세스부(49a)의 밀봉성을 향상할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 접합층(13)은 구리(Cu), 금(Au), 골드틴(AuSn)을 포함하는 도전성 금속층을 포함한다.

본 실시예에서는 상기 기준압력으로서 상기 압력센서의 주변과 동일한 대기압인 1기압이 설정된다. 따라서, 상기 다이아프램(11)의 양면에 가해지는 압력의 차이가 없으므로 상기 다이어프램(11)은 압력측정을 위한 초기 상태에서 상기 상부몸체(50)와 서로 나란하게 형성된다.

일실시예로서, 상기 하부 구조체(90)는 측정하고자 하는 압력을 상기 다이아프램(11)으로 인가하는 비아 홀(20)과 상기 플러그(18)로 매립된 관통 홀(18a)을 구비하는 하부 기판(16) 및 상기 다이어프램(11)과 마주보도록 상기 하부기판의 표면에 배치되고 상기 플러그(18)와 전기적으로 연결되는 콘택 패드(17a) 및 하부전극(17b)을 포함한다.

일실시예로서, 상기 관통 홀(18a) 및 상기 비아 홀(20)은 상기 하부기판(16)을 관통하여 형성된다. 상기 플러그(18)는 금속을 포함하며 상기 관통 홀(18a) 내부를 완전히 매립하거나 부분적으로 매립할 수 있다. 바람직하게는, 상기 관통 홀(18a) 내부를 부분적으로 매립하여 후속공정에서 상기 플러그의 열팽창을 위한 공간을 제공할 수 있다. 상기 비아 홀(via hole, 20)은 외부의 측정압력이 가해지는 통로로써 측정하고자 하는 상기 측정압력이 이곳을 통하여 상기 다이아프램(11)으로 전달된다.

상기 관통 홀(18a) 및 비아 홀(20)은 상기 하부기판(16)에 각각 하나 이상 배치될 수 있으며, 본 실시예의 경우에는 하나의 비아 홀(20)과 3개의 관통 홀(18a)이 상기 하부기판(16)에 배치된다.

상기 하부전극(17b) 및 콘택 패드(17a)는 상기 관통 홀(18a)에 매립된 상기 플러그(18)와 각각 전기적으로 연결되며 상기 다이아프램(11)과 서로 마주 보도록 상기 하부 기판(11)의 제2 면(16b)에 배치된다. 상기 플러그(18) 및 이와 전기적으로 접촉하는 하부전극(17b) 및 콘택 패드(17a)는 모두 도전성 물질로 형성되어 상기 측정압력과 기준압력 차이에 의한 상기 다이아프램(11)의 형상변화에 기초한 전기적 신호를 외부로 전달한다.

예를 들면, 상기 플러그(18)는 구리, 니켈, 주석, 금, 골드틴(AuSn), 니크롬(NiCr) 및 이들의 결합물들 중의 어느 하나를 포함하며, 상기 콘택 패드(17a)나 하부전극(17b)은 알루미늄(Al), 골드 틴(Gold Tin, AuSn), 금(Au), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn), 코발트(Co), 백금(Pt), 니켈(Ni), 니크롬(NiCr) 및 이들의 결합물들 중의 어느 하나를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제2면(16b)과 대칭적인 상기 하부 기판(16)의 제1면(16a)에는 상기 플러그(18)와 전기적으로 접촉하는 보조 콘택 패드(19a) 및 솔더 범퍼(19b)가 더 배치될 수 있다.

상기 상부 구조체(50)와 하부 구조체(90)는 접속부(15)에 의해 서로 결합하여 상기 압력센서(100)를 완성한다. 예를 들면, 상기 접속체는 상기 상부 구조체(50)의 하부몸체(47)에 배치된 상부 접속부(미도시) 및 상기 콘택패드(17a)의 표면에 배치된 하부 접속부(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 상부 및 하부 접속부는 각각 원형 또는 사각형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 용량형 압력센서(100)은 다음과 같은 방식으로 작동한다.

먼저 상기 챔버(12)의 내부압력을 대기압으로 설정하면, 상기 다이아프램(11)의 상면 및 하면에 가해지는 압력의 변화가 없으므로 형상변화를 수반하지 않고 상기 하부기판(16) 또는 상기 상부몸체(49)와 평행한 수평상태를 유지한다. 이어서, 상기 비아 홀(20)을 통해 대기압보다 높은 측정압력이 상기 압력센서(100)로 가해지면 상기 다이아프램(11)이 상기 챔버(12)의 내부를 향하여 휘어지게 되어 상기 다이어프램(11)과 상기 하부전극(17b) 사이의 거리가 멀어진다.

이에 따라, 상기 상기 다이어프램(11)과 상기 하부전극(17b) 사이의 커패시턴스 값이 감소하며 상기 커패시턴스의 감소량을 이용하여 상기 비아 홀(20)을 통하여 전달된 압력을 측정한다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 의한 용량형 압력센서(100)는 측정하고자 압력이 대기압보다 높은 고압을 측정할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 용량형 압력센서(200)가 개시된다. 상기 용량형 압력센서(200)는 는 제1 실시예에 의한 용량형 압력센서(100)와 비교하여 다이아프램(21)이 곡선형인것을 제외하면 동일한 구성요소를 갖는다. 따라서, 제1 실시예의 압력센서(100)와 동일한 구성요소에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

상기 다이아프램(21)은 초기상태에서 일정한 곡률을 갖고 휘어진 형태의 곡선형으로 형성되며 측정압력과 반응하여 상기 곡률이 완화되도록 형상이 변형될 수 있다.

일실시예로서, 상기 곡선형 다이아프램(21)은 진공 분위기하에서 상기 상부 구조체(150)및 하부 구조체(190)의 접합공정을 수행함으로써 형성된다. 예를 들면, 상기 캡 웨이퍼(24)와 하부 기판(26) 사이에 100㎛ 이하의 두께를 갖는 이종 구조물(미도시)을 삽입하여 캡 웨이퍼(24)와 하부 기판(26)이 이격된 상태에서 상기 압력센서(200)를 진공 챔버(미도시)에 투입시킨 후, 진공 챔버의 내부압력이 일정 진공(5*10E-5 torr)에 도달하게 되면 상기 이종 구조물을 제거하여 상기 다이아프램(21)이 일정 곡률을 갖고 휘어지도록 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 제2 실시예에 의한 용량형 압력센서(200)는 다음과 같이 작동한다.

먼저, 상기 챔버(22)의 내부압력을 진공으로 설정한다. 이에 따라, 상기 압력센서(200)의 초기상태에서는 상기 다이아프램(21)의 상면 및 하면에 가해지는 압력의 차이에 따라 상기 챔버(22)의 내부로 일정한 곡률을 갖고 휘어진 상태를 유지한다. 이어서, 상기 비아 홀(20)을 통해 미세 압력이 상기 압력센서(100)로 가해지면 상기 미세압력에 대응하여 상기 다이아프램(11)이 상기 하부기판(16)을 향하는 방향으로 펴지게 되어 상기 다이아프램(11)과 하부전극(27b) 사이의 거리가 가까워진다.

이에 따라, 상기 상기 다이아프램(11)과 하부전극(27b) 사이의 커패시턴스 값이 증가하며 상기 커패시턴스의 증가량을 이용하여 상기 비아 홀(30)을 통하여 전달된 미세압력을 측정한다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 의한 용량형 압력센서(200)는 측정하고자 하는 압력이 대기압보다 낮은 저압을 측정할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의한 용량형 압력센서에 의하면, 외부와 전기적으로 연결되는 플러그는 상기 하부기판을 관통하여 수직하게 배치된다. 이에 따라, 패드를 형성하기 위한 표면적을 줄일 수 있다. 또한, 하부 구조체의 밑단에서 솔더 범프를 이용하여 압력센서와 외부를 전기적으로 연결함으로써 와이어 본딩공정을 생략할 수 있으며 와이어 자체에 의한 전기적 손실을 줄일 수 있다.

이하에서, 도3 내지 도 16을 참조하여 도 1 및 도 2에 도시된 용량형 압력센서를 제조하는 방법을 설명한다. 도 3내지 도 7은 본 발명에 따른 용량형 압력 센서의 상부 구조체를 형성하기 위한 방법을 도시하는 단면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 용량형 압력 센서의 상부 구조체에 관한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 상부 구조체를 형성하기 위한 상부기판(31)을 제공한다.

일실시예로서, 상기 상부 기판(31)은 상기 챔버(도1의 12 및 도 2의 22))를 형성하기 위한 상부 몸체(31a), 상기 다이아프램을 형성하기 위한 하부 몸체(31b) 및 상기 상부 몸체와 하부 몸체 사이에 배치되어 상기 상부몸체와 하부몸체를 접착하기 위한 제1 접합층(glue layer, 31c)을 구비한다.

예를 들면, 상기 상부몸체(31a)는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 하부몸체(31b)는 SOI 기판을 포함한다.

도 4를 참조하면, 상기 하부몸체(31b)를 부분적으로 식각하여 소정의 깊이를 갖는 제1 리세스(32)를 형성한다. 상기 제1 리세스(32)는 후속공정에 의해 상기 다이아프램으로 형성되며 잔류하는 상기 하부몸체(31b)와 상기 제1 접합층(31c) 사이의 간격은 상기 다이아프램의 두께를 형성한다. 따라서, 상기 제1 리세스(32)를 형성하기 위한 식각 깊이에 따라 상기 다이아프램의 두께가 결정된다. 예를 들면, 상기 다이아프램의 두께는 약 30㎛ ~ 35㎛이 되도록 형성하는데, 상부 상부기판(31)의 두께가 약 340㎛인 경우에는 약 5㎛ ~ 10㎛의 식각깊이를 갖도록 상기 제1 리세스(32)를 형성하고, 후속하여 진행되는 제 2 리세스(33)는 약 300㎛ 깊이를 갖도록 형성된다.

이와 같은 식각 깊이 및 다이아프램의 두께는 상기한 조건으로 한정되는 것이 아니고 달라질 수 있다.

그리고 상기 제1 리세스(32)를 형성하기 위한 식각 공정은 건식 식각 공정과 습식 식각 공정 중에서 어느 하나의 식각 공정을 선택하여 진행할 수 있다.

건식 식각 공정을 이용하는 경우에는 Si deep etcher를 사용하여 식각 공정과 측면 보호를 위한 폴리머 증착 공정을 번갈아 진행하는 보쉬(Bosch)공정을 적용한다. 그리고 식각 가스는 SF6를 사용하고, 측면 보호를 위한 보호 가스(passivate gas)는 C4F8를 사용한다.

습식 식각 공정을 이용하는 경우에는 산화막 또는 질화막을 마스크로 사용하여 KOH 또는 TMAH(Tetramethyl-Ammonium Hydroxide) 용액을 사용한다.

도 5를 참조하면, 상기 제 1 리세스(32)에 대응하는 상기 상부몸체(31a) 및 제1 접합층(31b)을 이방성 건식 식각 공정에 의해 부분적으로 제거하여 제 2 리세스(33)를 형성한다.

상기 이방성 건식 식각 공정은 상기 제1 리세스를 형성하기 위한 건식 식각공정과 마찬가지로 Si deep etcher를 사용하여 식각 공정과 측면 보호를 위한 폴리머 증착 공정을 번갈아 진행하는 보쉬(Bosch)공정을 이용할 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 및 제2 리세스(32, 33)에 동시에 노출된 상기 하부몸체(31b)의 일부는 다이아프램(34)으로 형성된다.

도 6을 참조하면, 상기 제2 리세스(33)를 구비하는 상기 상부 몸체(31a)의 상면에 제2 접합층(36)을 형성하고 상기 제2 접합층(36)의 상면에 캡 웨이퍼(35)를 형성한다. 따라서, 상기 상부 몸체(31a)와 상기 캡 웨이퍼(35)는 상기 제2 접합층에 의해 서로 접속되며, 상기 제2 리세스(33)는 상기 제2 접합층(36) 및 상기 캡 웨이퍼(35)에 의해 밀폐되어 기준압력을 갖는 챔버(37)로 형성된다.

일실시예로서, 상기 캡 웨이퍼(35)는 글래스 기판 또는 Si 기판을 포함하며, 상기 제2 접합층(36)은 금속층을 포함한다. 상기 금속층은 Cu, Au, AuSn 등을 포함한다.

이와 같은 캡 웨이퍼(35)와 상부 기판(31)의 접합은 접합층(36)을 이용하는 방법 이외에 정전 열접합 공정을 사용하여 진행하는 것도 가능하다.

도 7을 참조하면, 상기 제1 리세스(32)를 한정하는 상기 하부 몸체(31b)의 표면에 후술하는 공정에 의해 형성되는 하부 구조체와 접속하기 위한 상부 접속부(38)를 형성한다.

상기 상부 접속부(38)는 닫힌 구조의 원 또는 사각형의 형상을 구비하여 내부에 상기 다이아프램(34)을 포함할 수 있다. 상기 상부 접속부(38)는 Cu, Au, AuSn 등과 같은 금속을 포함할 수 있다.

도 8은 상부 구조체의 평면 구성을 나타낸 것으로, 하부 기판과의 접합을 위한 상부 접속부(38)제 2 리세스(33) 및 제 1 리세스(32)를 도시하고 도시하고 있다.

이하에서 본 발명에 따른 용량형 압력 센서의 하부 구조체의 제조 공정을 설명한다.

도 9내지 도 14는 본 발명에 따른 용량형 압력 센서의 하부 구조체 제조를 위한 단면도이고, 도 15는 본 발명에 따른 용량형 압력 센서의 하부 구조체의 평면도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 용량형 압력 센서의 하부 구조체를 위한 하부기판(51)을 제공한다. 상기 하부기판(51)은 글래스 기판 또는 실리콘 기판을 포함한다.

도 10을 참조하면, 상기 하부 기판(51)을 부분적으로 제거하여 제1 표면(51a)으로부터 일정 깊이를 갖는 적어도 한 쌍의 제3 리세스(52)와 적어도 하나의 제4 리세스(53)를 형성한다.

예를 들면, 상기 제3 및 제4 리세스(52, 53)들은 샌드 블라스트, 기계적 드릴링, 레이져를 이용하여 형성되며, 약 200 ~ 500㎛의 깊이를 갖는다. 바람직하게는, 상기 제3 및 제4 리세스(52, 53)들은 약 300 ~ 400㎛의 깊이를 갖는다.

도 11을 참조하면, 금속으로 상기 제3 리세스들을 부분적으로 매립하여 매립 플러그용 금속층(54)을 형성한다. 예를 들면, 상기 금속층(54)은 전기 도금 공정으로 형성될 수 있으며, 상기 금속은 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 은(Au), 골드틴(Gold/Tin, AuSn), 니크롬(Nichrome, NiCr)을 포함한다.

상기 금속층(54)은 상기 제3 리세스(52)의 내부를 완전히 채울 수도 있지만, 상부 구조체와의 본딩시에 매립 플러그 형성용 금속층(54)과 하부 기판(51)과의 열팽창계수에 의한 손상을 줄이기 위하여 일부만 채우는 것이 바람직하다.

도 12를 참조하면, 상기 금속층(54)을 구비하는 상기 하부 기판(51)의 제2 표면(51b)을 연마하여 상기 금속층(54)의 바닥부를 노출한다. 이에 따라, 상기 제3 리세스(52)는 상기 하부 기판(51)을 관통하는 관통 홀(52a)로 형성되며, 상기 제4 리세스(53)는 상기 하부 기판(51)을 관통하는 비아 홀(53a)로 형성된다. 또한, 상기 제3 리세스(52)에 형성된 상기 금속층(54)은 상기 관통 홀(52a)을 매립하는 금속 플러그(54a)로 형성된다. 예를 들면, 상기 연마공정은 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)공정에 수행될 수 있다.

일실시예로서, 상기 CMP 공정의 결과 잔류하는 상기 하부 기판(51)의 두께는 200 ~ 500㎛로 가공할 수 있고, 바람직하게는 250 ~ 350㎛로 가공한다.

도 13을 참조하면, 상기 금속 플러그(54a)가 노출된 상기 하부기판(51)의 하부 표면(511b)에 전극 및 콘택 패드를 형성하기 위한 예비 금속층(미도시)을 형성한 후, 상기 예비 금속층을 선택적으로 제거하여 하부 전극(55b) 및 매립 플러그(54a)와의 전기적인 연결을 위한 콘택 패드(55a)를 동시에 형성한다.

상기 하부 전극(55b) 및 콘택 패드(55a)를 형성하기 위한 예비 금속층은 Al, AuSn, Au, Mo, Cr, Cu, Sn, Co, Pt, Ni, NiCr 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

본 발명에서는 내산화 특성을 위하여 Au를 사용하는 것이 바람직하다.

도 14를 참조하면, 상부 구조체의 상기 상부 접속부(38)와 연결되는 하부 접속부(56)를 형성한다.

상기 하부 접속부(56)는 닫힌 구조의 원 또는 사각형의 형상을 갖도록 형성되며, Cu, Au, AuSn 등의 금속을 포함할 수 있다.

도 15는 하부 구조체의 평면 구성을 나타낸 것으로서, 하부 전극(55b), 3개의 관통홀(52a, 52b, 52c) 및 1개의 비아 홀(53a)을 도시하고 있다.

이와 같이 상부 구조체 및 하부 구조체가 형성되면, 상,하부 구조체의 상기 상부 및 하부 접속부를 서로 연결하여 도 1 또는 도 2에서와 같이 접합하고, 하부 구조체의 매립 플러그와의 전기적 연결을 위한 콘택 패드 및 솔더 범프를 형성한다.

여기서, 콘택 패드는Al, AuSn, Au, Mo, Cr, Cu, Sn, Co, Pt, Ni, NiCr의 어느 하나를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 내산화성이 좋은 Au, 또는 범프와의 접착성이 좋은 Ni을 사용하는 것이 바람직하다.