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문제 정의
- 본 논문에서는 SOI(Silicon-On-Insulator) 구조를 이용하여 고온 분위기에서 사용이 가능한 고온용 실리콘 압력센서를 개발했다. 실리콘 압력센서는 세라믹스 및 금속 압력센서에 비해서 소형, 고감도이며, 신호처리 회로를 같은 칩(chip) 상에 집적시키는 One-chip화가 가능하다.
- 따라서 12O℃ 이상의 고온에서도 사용이 가능한 압력센서를 제작하기 위해, 절연막으로 반도체 기판과 절연 분리된 압저항 구조를 생각할 수 있다[1,2]. 본 연구에서는, 실리콘 기판과 절연 분리된 구조의 단결정 실리콘 압저항을 제작하기 위해, 비교적 안정된 전기적 특성을 나타내는 SDB(Si/SiO2/Si-sub) 웨이퍼를 이용하여 고온용 압력센서를 제작한다.
제안 방법
- 식 (3)으로부터, 압저항의 W가 클수록 감도가 증가함을 알 수 있다. 그러나 W/L가 1보다 클 경우에 단락(short circuit) 효과가 문제가 되기 때문에, 본 연구에서는 W/L=1, 출력 측 전극의 w/l=1로 설계했다[8]. 압력센서의 기하학적인 크기, 압저항의 배치 위치 등 센서 설계에는 ANSYS 시뮬레이션 결과를 이용하여 실시했다.
- 따라서 본 논문에서는 300℃ 이상의 고온에서 사용할 수 있는 실리콘 압력센서를 제작하기 위해서, 압저항을 절연막으로 완전히 절연 분리시켜서, 누설 전류를 극적으로 감소시킬 수 있는 SOI 구조를 사용했다(그림 2
- 먼저 CVD를 이용하여 다결정 실리콘을 성장하는 방법은, 압저항을 다결정 실리콘으로 제작하기 때문에 센서의 감도가 낮아지는 문제가 있고, SIMOX 웨이퍼는 절연 특성 및 절연분리 공정상에 문제가 발생할 수 있으며, SOS 웨이퍼는 아직 연구 단계로 본격적인 상품화가 되어있지 않다. 본 연구에서는 상품화가 완료 단계에 있고, 절연 특성이 우수하며, 단 결정 압저항을 제작할 수 있는 SDB 웨이퍼를 이용하여 고감도의 고온용 압력센서를 제작했다.
- 양면의 산화막을 전부 제거하고, 웨이퍼 전면에 이온 주입 공정을 이용한 불순물 농도 조절을 시행한다(그림 6(d)). 본 연구에서는 센서의 감도 및 온도 특성 등을 고려하여, 불순물 농도를 약 5x1017 cm-3 정도로 조절했다. 압저항을 형성하기 위하여, 웨이퍼 전면에 포토레지스트를 이용하여 압저항 패턴을 형성하고, RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 건식 에칭 (Dry-etching》을 실시했다(그림 6(e)).
- 제작된 압력센서의 특성을 분석하기 위하여, 압력과 온도를 동시에 변화시키면서 측정할 수 있는 측정시스템을 사용했다. 압저항을 구동하기 위하여 압저항의 전원단자에 5V의 직류전압을 인가했다. 압저항의 출력단자에 디지털 멀티미터를 연결하고, 압력을 변화시키면서 출력단자의 전압 변화를 측정하였다.
- 압저항을 형성하기 위하여, 웨이퍼 전면에 포토레지스트를 이용하여 압저항 패턴을 형성하고, RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 건식 에칭 (Dry-etching》을 실시했다(그림 6
- 압저항을 구동하기 위하여 압저항의 전원단자에 5V의 직류전압을 인가했다. 압저항의 출력단자에 디지털 멀티미터를 연결하고, 압력을 변화시키면서 출력단자의 전압 변화를 측정하였다. 측정에 사용한 압력 범위는 0~100 kPa이다.
- 다이아프램 형성을 위하여, 웨이퍼 전면을 산화막으로 보호하고, 뒷면에 TMAH 에칭으로 다이아프램을 형성했다(그림 6(c)). 이때, 다이아프램 형성 시점의 판단은 미리 측정한 에칭 속도에 의한 시간 계산과 V-groove의 관찰로 했다. 에칭 속도는 90℃에서 약 0.
- 제작된 압력센서의 온도 특성을 분석하기 위하여, 측정 시스템의 로(furnace) 내에 압력센서를 설치하고, 로 내의 온도를 18℃에서 370℃까지 변화시키면서 압력센서의 감도 온도특성 및 영점 오프셋 온도특성을 측정했다. 그림 9에 측정 결과를 나타냈다.
- 제작된 압력센서의 특성을 분석하기 위하여, 압력과 온도를 동시에 변화시키면서 측정할 수 있는 측정시스템을 사용했다. 압저항을 구동하기 위하여 압저항의 전원단자에 5V의 직류전압을 인가했다.
대상 데이터
- Si/SiO2/Si-substrate 구조의 SDB 웨이퍼를 이용하여 고온용 압력센서를 제작했다. 제작한 압력센서의 압력감도를 측정하여, 183.
- 다이아프램의 가장자리에 최대 전단응력이 발생하는 것을 알 수 있으며, x축과 y축 방향 다이아프램 가장자리에 발생하는 전단응력의 방향이 반대이나 절대 값은 동일함을 알 수 있다. 다이아프램의 크기는 2200x2200(μm2)로, 다이아프램의 두께는 40 μm으로 설계했다.
- 본 압력센서는 일본의 토요하시기술과학대학의 이시다교수 연구실 및 고체기능디바이스센터 등에서 제작되었다.
- 압력 센서의 제작공정도를 그림 6에 나타냈다. 압력센서 제작에 사용한 웨이퍼는 일본의 ShinEtsu 제품으로 두께가 Si(1.5 μm)/SiO2(1 μm)/Si(525 μm)이며, 압저항이 제작될 실리콘 면은 p-type 단결정 실리콘 면으로 저항률이 10-20 Ωcm이다. 제작공정은 먼저, 웨이퍼 양면을 습식 산화(wet oxidation) 공정으로 1 μm의 산화막(SiO2)을 형성하고(그림 6(a)), 웨이퍼 뒷면에 40 μm 깊이의 V-groove블 형성했다(그림 6(b)).
데이터처리
- 그러나 W/L가 1보다 클 경우에 단락(short circuit) 효과가 문제가 되기 때문에, 본 연구에서는 W/L=1, 출력 측 전극의 w/l=1로 설계했다[8]. 압력센서의 기하학적인 크기, 압저항의 배치 위치 등 센서 설계에는 ANSYS 시뮬레이션 결과를 이용하여 실시했다. 그림 5에 다이아프램(1/4 구조) 상의 전단응력 분포의 시뮬레이션 결과를 나타냈다.
성능/효과
- 그림 5에 다이아프램(1/4 구조) 상의 전단응력 분포의 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 다이아프램의 가장자리에 최대 전단응력이 발생하는 것을 알 수 있으며, x축과 y축 방향 다이아프램 가장자리에 발생하는 전단응력의 방향이 반대이나 절대 값은 동일함을 알 수 있다. 다이아프램의 크기는 2200x2200(μm2)로, 다이아프램의 두께는 40 μm으로 설계했다.
- 6 μV/V·kPa의 고감도의 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 또한 센서 출력의 직선성 및 히스테리시스 특성은, 각각 1.3%FS 및 0.9%FS로 비교적 우수함을 알 수 있었다. 감도 온도특성 및 영점 오프셋 온도특성을 18℃에서부터 370℃ 사이의 온도범위에서 측정한 결과, 각각 0.
- 일반 실리콘 압력센서와 비교할 때, 감도 온도특성 및 영점 오프셋 온도특성이 다소 높게 나타났지만, 실리콘 사용 한계 온도인 400℃ 근처까지의 측정 결과로는 만족할 만한 수준이라 생각된다. 압력센서의 장기 안정도(long term stability)를 측정하기 위하여 30시간 동안의 영점 오프셋 변동을 관찰한 결과, 영점 오프셋은 30시간 동안 0.5%FS 이내의 변화 폭을 유지했다. 특히 20시간 이후부터는 0.
- /Si-substrate 구조의 SDB 웨이퍼를 이용하여 고온용 압력센서를 제작했다. 제작한 압력센서의 압력감도를 측정하여, 183.6 μV/V·kPa의 고감도의 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 또한 센서 출력의 직선성 및 히스테리시스 특성은, 각각 1.
- 9%FS를 나타냈다. 측정된 압력감도는 일반적인 단결정 실리콘 압저항이 나타내는 압력감도에 매우 근접한 값으로, 압저항형 압력센서 제작에 SDB 웨이퍼를 사용함에 있어서 특별한 재료적, 구조적인 문제점은 없는 것으로 간접적인 평가가 가능하다.
후속연구
- 이상의 결과로부터, 개발된 고온용 압력센서는 300℃ 이상의 고온 분위기에서의 사용이 가능하며, 특수한 패키지만 개발된다면, 자동차 엔진 등과 같은 고온, 고압의 극한 분위기에서의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 고온용 실리콘 압력센서 상품화의 진전을 위해서는 생산단가를 획기적으로 낮추기 위한 재료 및 공정 개발이 필요할 것으로 생각된다.
- 표 1에 제작된 고온용 압력센서의 측정된 사양을 나타냈다. 표 1에 나타낸 고온용 압력센서의 특성은 측정 과정에서 어떠한 보상도 하지 않은 결과로, 구조적, 회로적인 보상을 실시한다면 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
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