[논문]건식식각 기술 이용한 실리콘 압력센서의 특성

우동균; 이경일; 김흥락; 서호철; 이영태

doi:10.5369/jsst.2010.19.2.137

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In this paper, we fabricated silicon piezoresistive pressure sensor with dry etching technology which used Deep-RIE and etching delay technology which used SOI(silicon-on-insulator) wafer. We improved pressure sensor offset and its temperature dependence by removing oxidation layer of SOI wafer whic...

In this paper, we fabricated silicon piezoresistive pressure sensor with dry etching technology which used Deep-RIE and etching delay technology which used SOI(silicon-on-insulator) wafer. We improved pressure sensor offset and its temperature dependence by removing oxidation layer of SOI wafer which was used for dry etching delay layer. Sensitivity of the fabricated pressure sensor was about 0.56 mV/V${\cdot}$kPa at 10 kPa full-scale, and nonlinearity of the fabricated pressure sensor was less than 2 %F.S. The zero off-set change rate was less than 0.6 %F.S.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 SOI 웨이퍼를 이용한 드라이에칭 지연층 및 ICP-RIE 공정을 사용하여 압저항형 압력센서를 개발하였다. 압력센서의 오프셋 및 오프셋의 온도드리프트를 개선하기 위하여, 드라이에칭 지연층으로 사용한 산화층(SiO₂)을 RIE 공정으로 제거하였다.
본 논문에서는 SOI 웨이퍼의 산화층을 드라이 에칭 지연 층으로 사용하고, ICP-RIE 공정을 이용하여 제작된 실리콘 압력센서의 오프셋 온도 의존성을 낮추기 위하여 드라이 에칭 지연 층으로 사용한 산화층을 제거하고 그 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 ICP-RIE를 사용한 드라이에칭 공정만으로 압력센서 다이아프레임을 제작하는 과정에서 얇은 다이아프레임을 정확하게 제작하기 위하여 드라이에칭 지연층으로 사용하는 SOI 웨이퍼의 중간 산화층을 제거하는 방법으로 압저항형 압력센서의 오프셋 전압을 안정화시킬 수 있었다.
SOI 웨이퍼의 중간 산화층은 습식 산화 공정으로 제작이 되며, 산화층 위에 다른 실리콘 웨이퍼의 접착 공정 및 표면의 기계적 연마 공정 등 잔류응력이 높아질 수 있는 요인이 다수 존재한다. 본 연구에서는 드라이 에칭 지연층으로 사용되는 SOI 웨이퍼의 중간 산화층을 제거하는 방법으로 다이아프레임의 잔류응력을 줄여, 센서의 오프셋을 줄이고, 오프셋의 장기 안정도를 확보하는 방법을 검토하였다. 전단 응력형 실리콘 압력센서의 출력전압 Vy은 저항의 변화율에 비례하는데, 관계식은 다음과 같다.
실리콘 압력 센서의 경우 저압용으로 주로 응용되고 있으나, 1 kPa~10 kPa범위의 상품화된 초저압용 압력센서는 쉽게 접할 수 없는 것이 현실이다. 본 연구의 선행 연구로, 공정 재현성을 확보하면서 얇은 다이아프레임의 초저압용 압력센서를 제작하기 위하여, SOI(silicon-oninsulator) 웨이퍼(Si/SiO₂/Si-sub)의 중간 산화층을 드라이 에칭 지연 층으로 사용하고, ICP-RIE를 이용한 드라이에칭 만으로 다이아프레임을 제작하는 공정을 개발하였다^[1]. 본 공정을 사용하여 매우 얇은 다이아프레임의 두께를 정확하게 제어 가능하며, 공정의 재현성 및 수율(yield)을 높일 수 있었다.

제안 방법

1에 나타냈다. 본 실리콘 압력센서는 실리콘 다이아프레임 위에 전단응력에 감도를 나타내는 압저항의 일종인 single-element fourterminal gauge^[1-6]를 배치하였다. single-element fourterminal gauge는 기존의 4개의 압저항을 휘스톤브릿지 회로로 구성하는 방식에 비하여, 4개 저항의 특성 불일치로 인한 오프셋을 줄일 수 있으며, 따라서 오프셋의 온도 의존성에 대한 특성도 향상되는 것으로 알려져 있다.
3(e)). 실리콘 압력센서의 제작 공정 중에도 가급적 잔류응력을 줄이기 위하여 고온 공정 후에 온도를 서서히 낮추는 공정 방법을 사용하였다. 제작된 실리콘 압력센서의 패키지에는 센서 칩과 패키지 사이에 잔류응력을 최소하기위하여, 실리콘과 열팽창계수가 비슷한 Glass를 양극접합(anodic bonding) 공정으로 접합한 후에 패키지에 접착하는 방법을 사용하였다.
6에 센서의 영점 오프셋의 장기 안정도를 나타냈다. 실온에서 72시간 동안 방치 시 영점 오프셋 변화를 모니터링 하였다. 압력센서에 3V의 직류전압을 인가하였고, 측정 공간의 온도는 24 ℃~25 ℃, 습도는 70 %~80 %를 유지하였다.
본 논문에서는 SOI 웨이퍼를 이용한 드라이에칭 지연층 및 ICP-RIE 공정을 사용하여 압저항형 압력센서를 개발하였다. 압력센서의 오프셋 및 오프셋의 온도드리프트를 개선하기 위하여, 드라이에칭 지연층으로 사용한 산화층(SiO₂)을 RIE 공정으로 제거하였다. 기존의 Si/SiO₂층으로 구성된 다이아프레임에 비하여 잔류 응력에 의한 오프셋 변화율이 개선되었으며, 감도 또한 향상된 결과를 나타내었다.
웨이퍼 전면의 산화막(SiO₂)을 제거하고 1,000 ℃의 질소 분위기에서 드라이브인 공정을 실시한다. 절연층 형성을 위하여, CVD(chemical vapor deposition) 공정으로 SiO₂층을 증착한 후, RIE(reactive ion etching) 공정으로 콘텍(contact)을 형성한다. 전극을 형성하기 위하여 스퍼터링(sputtering) 공정으로 Al/Ti를 약 300 nm정도 증착한 후, RIE 공정으로 패터닝한다(Fig.
실리콘 압력센서의 제작 공정 중에도 가급적 잔류응력을 줄이기 위하여 고온 공정 후에 온도를 서서히 낮추는 공정 방법을 사용하였다. 제작된 실리콘 압력센서의 패키지에는 센서 칩과 패키지 사이에 잔류응력을 최소하기위하여, 실리콘과 열팽창계수가 비슷한 Glass를 양극접합(anodic bonding) 공정으로 접합한 후에 패키지에 접착하는 방법을 사용하였다.

대상 데이터

본 논문에서 제작한 실리콘 압력센서의 다이아프레임의 크기는 1,000 µm×1,000 µm이며, 두께는 10 µm로 설계하였다.
웨이퍼의 사이즈는 4”이며, 마스크는 크롬 마스크 4장을 사용하였다.
제작된 칩의 크기는 3,000 µm×3,000 µm이며, 다이아프레임의 크기는 1,000 µm×1,000 µm이다.

성능/효과

3 V의 직류전압에 0 kPa~10 kPa의 압력을 인가한 결과, 출력전압은 1.27 mV~−15.7 mV이었으며, SPAN값은 16.97 mV, 감도는 0.56 mV/V·kPa로 나타났다.
이내로 나타났다. SOI 웨이퍼 및 ICP-RIE 공정에서 드라이에칭 지연 층으로 사용된 산화층을 제거하기 전에는 센서 출력이 전원 인가 시에 발생하는 줄열에 의하여 영점 오프셋의 변화폭이 비교적 컸지만, SOI 웨이퍼의 중간 산화층을 제거한 후에는 매우 안정된 오프셋 전압을 나타냈다. 오프셋의 변화는 바로 압력센서의 측정 오차로 나타나기 때문에 오프셋의 안정은 압력센서의 신뢰도를 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.
압력센서의 오프셋 및 오프셋의 온도드리프트를 개선하기 위하여, 드라이에칭 지연층으로 사용한 산화층(SiO₂)을 RIE 공정으로 제거하였다. 기존의 Si/SiO₂층으로 구성된 다이아프레임에 비하여 잔류 응력에 의한 오프셋 변화율이 개선되었으며, 감도 또한 향상된 결과를 나타내었다. 제작된 압력센서의 감도는 0.
따라서 x 및 y축 방향의 응력차가 가장 큰 다이아프레임 가장자리에 45º 방향으로 압저항을 배치하면 최대 감도를 얻을 수 있다(Fig.
본 연구의 선행 연구로, 공정 재현성을 확보하면서 얇은 다이아프레임의 초저압용 압력센서를 제작하기 위하여, SOI(silicon-oninsulator) 웨이퍼(Si/SiO₂/Si-sub)의 중간 산화층을 드라이 에칭 지연 층으로 사용하고, ICP-RIE를 이용한 드라이에칭 만으로 다이아프레임을 제작하는 공정을 개발하였다^[1]. 본 공정을 사용하여 매우 얇은 다이아프레임의 두께를 정확하게 제어 가능하며, 공정의 재현성 및 수율(yield)을 높일 수 있었다. 하지만 이 공정으로 제작된 압력센서의 오프셋(offset)의 온도 의존성이 높은 단점이 문제되었다.
제작된 압력센서의 감도는 0.56 mV/V·kPa, 비직선성이 2 %F.S.이내로 나타났으며, 72시간 동안 오프셋 변화율이 0.6 %F.S. 정도로 안정적인 결과를 나타냈다.

후속연구

Glass를 접착한 칩의 두께는 약 800 µm이며, 출력특성 평가를 위하여 캔 패키지 및 플라스틱 패키지에 접착하였다. 향후 신호처리 회로 제작 및 외부 하우징 패키지를 제작하여 출력 및 신뢰성, 환경시험 등 추가적인 특성 평가를 실시할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SOI 웨이퍼의 중간 산화층은 어떤 조건에서 형성되는가?	SOI 웨이퍼의 중간 산화층은 1,000 ℃ 이상의 고온에서 습식 산화 공정으로 형성되기 때문에 실온 상태에서의 잔류응력(residual stress)이 비교적 높을 뿐 아니라 주위의 온도 변화에 따라서 잔류응력이 변화하는 문제가 있다. 잔류응력은 다음 식으로 나타낼 수 있다.
	실리콘 압력센서는 어느 분야에서 많이 이용되고 있는가?	현재 실리콘 압력센서는 다양한 분야에서 폭 넓게 응용되고 있다. 특히 자동차 분야 및 가전 분야를 중심으로 대량으로 사용되고 있을 뿐 아니라 그 사용량이 급격하게 증가하는 추세를 나타내고 있다. 실리콘 압력 센서의 경우 저압용으로 주로 응용되고 있으나, 1 kPa~10 kPa범위의 상품화된 초저압용 압력센서는 쉽게 접할 수 없는 것이 현실이다.
	single-element fourterminal gauge의 특징은 무엇인가?	본 실리콘 압력센서는 실리콘 다이아프레임 위에 전단응력에 감도를 나타내는 압저항의 일종인 single-element fourterminal gauge[1-6]를 배치하였다. single-element fourterminal gauge는 기존의 4개의 압저항을 휘스톤브릿지 회로로 구성하는 방식에 비하여, 4개 저항의 특성 불일치로 인한 오프셋을 줄일 수 있으며, 따라서 오프셋의 온도 의존성에 대한 특성도 향상되는 것으로 알려져 있다. 정사각형 다이아프레임의 경우 식(1)에 나타낸 것과 같이, 최대 전단응력 발생 지점이 다이아프레임 가장자리이며, 다이아프레임 중앙은 전단응력이 영이 된다.

참고문헌 (8)

Y. T. Lee, H. Takao, and M. Ishida, "ICP-RIE를 이용한 저압용 실리콘 압력센서 제작", 센서학회지, 제16권, 제2호, pp. 126-131, 2007.

원문보기 상세보기
Y. Kanda and K. Yamamura, "Four-terminal- gauge quasi-circular and square diaphragm silicon pressure sensors", Sensors and Actuators, vol. 18, pp. 247-257, 1989.

상세보기
M. Bao and Y. Wang, "Analysis and design of a four-terminal silicon pressure sensor at the centre of a diaphragm", Sensors and Actuators, vol. 12, pp. 49-56, 1987.

상세보기
Y. T. Lee, H. D. Seo, M. Ishida, S. Kawahito, and T. Nakamura, “High temperature pressure sensor using double SOI structures with two $Al_2O_3$ films”, Sensor and Actuators A: Physical, vol. 158 pp. 59-64, 1994.
Y. T. Lee, H. D. Seo, and M. Ishida, “Fabrication of high-temperature silicon pressure sensor using SDB-SOI techmology”, Sesnors and Materials, vol. 17, No.5, pp. 269-276, 2005.
김미목, 남태철, 이영태, "고온용 실리콘 압력센서 개발", 센서학회지, 제13권, 제3호, pp. 175-181, 2004.

원문보기 상세보기
주리아, 도태성, 이종녕, 서희돈, "전단응력형 집적화 압력센서의 최적설계", 전자공학회논문지, 제35권, T편, 제1호, pp. 75-81, 1998.
권태하, 이우일, "전단 압저항 효과를 이용한 실리콘 압력센서", 전자공학회학회지, 제25권, 제3호, pp. 70-77, 1988.

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