KR20100112699A - Gas sensing device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가스 센싱 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 가스 센싱 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensing device, and more particularly, to a gas sensing device using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology and a manufacturing method thereof.
일반적으로, 가스 센싱 장치는 특정 가스를 검출하기 위한 것으로, 가스 센싱 장치에 포함되어 있는 가스 센싱부가 특정 가스에 노출될 때에 가스 센싱부의 감지 물질인 반도체의 전도도가 변화하거나 또는 기전력이 발생하는데, 이러한 반도체의 전도도 변화 또는 발생하는 기전력을 측정하여 반도체의 전기 저항 변화를 측정함으로써, 특정 가스를 검출할 수 있다.In general, the gas sensing device is for detecting a specific gas, and when the gas sensing unit included in the gas sensing device is exposed to a specific gas, the conductivity of the semiconductor, which is a sensing material of the gas sensing unit, changes or electromotive force is generated. The specific gas can be detected by measuring the change in conductivity or the generated electromotive force of the semiconductor to measure the change in electrical resistance of the semiconductor.
도 1은 종래의 가스 센싱 장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional gas sensing device.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 가스 센싱 장치(1)는 인쇄 회로 기판(10), 가스 센싱 기판(20) 및 커버(30)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the conventional
인쇄 회로 기판(10)은 가스 센싱을 위한 회로 패턴을 포함하며, 인쇄 회로 기판(10) 상에는 상기 회로 패턴과 연결된 기판 패드(11)가 위치하고 있다. 인쇄 회로 기판(10)의 일 부분은 가스 센싱 기판(20)이 안착되도록 인쇄 회로 기판(10)의 상면으로부터 함몰되어 있다.The printed
가스 센싱 기판(20)은 기판(21), 절연층(22), 가열부(23), 절연부(24), 전극부(25), 가스 센싱부(26) 및 전극 패드(27)를 포함한다.The
기판(21)은 실리콘 웨이퍼로부터 형성되며, 기판(21) 상에는 절연층(22)이 위치하고 있다.The
절연층(22)은 산화 실리콘 및 질화 실리콘 등을 포함한다. 절연층(22) 상에는 가열부(23)가 위치하고 있다.The
가열부(23)는 가스 센싱부(26)가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 가스 센싱부(26)를 가열하는 역할을 한다. 가열부(23)는 고온의 환경에서 전기 전도도의 특성이 저하되지 않는 백금(Pt) 등의 금속 재료를 포함한다. 가열부(23)는 전극 패드(27)와 연결되어 있다.The
절연부(24)는 가열부(23)와 전극부(25) 사이에 위치하고 있으며, 가열부(23)와 전극부(25)의 단락을 방지하는 역할을 한다.The
전극부(25)는 외부로부터 유입된 가스에 의해 가스 센싱부(26)의 전기 저항의 변화를 감지하는 역할을 한다. 전극부(25)는 전극 패드(27)와 연결되어 있다.The
가스 센싱부(26)는 검출하고자 하는 가스와 직접 접촉하여 가스를 흡착함에 따라 전기적인 전기 저항의 변화를 나타내는 부분으로서, 반도체의 성질을 갖는 금속 산화물을 포함한다. 외부로부터 유입된 가스가 가스 센싱부(26)와 접촉하여 화학적 반응을 일으키면 가스와 가스 센싱부(26) 사이에 전자의 교환이 이루어지므 로, 가스 센싱부(26)의 전기 저항의 변화가 발생하게 된다.The
전극 패드(27)는 가열부(23) 및 전극부(25)와 연결되어 있으며, 와이어(w)를 통해 인쇄 회로 기판(10) 상에 위치하는 기판 패드(11)와 연결되어 있다. 다시 말해, 가열부(23) 및 전극부(25)는 전극 패드(27), 와이어(w) 및 기판 패드(11)를 통해 인쇄 회로 기판(10)에 형성된 가스 센싱을 위한 회로 패턴과 연결된다.The
커버(30)는 외부의 충격으로부터 가스 센싱 기판(20)을 보호한다.The
이와 같이, 종래의 가스 센싱 장치(1)는 인쇄 회로 기판(10), 가스 센싱 기판(20) 및 커버(30)를 별도의 공정을 통해 제조하여 서로 접착하기 때문에, 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.As such, the conventional
또한, 인쇄 회로 기판(10)과 가스 센싱 기판(20) 사이의 전기적인 연결이 와이어(w)를 통해 이루어지기 때문에, 가스 센싱의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, since the electrical connection between the printed
한편, 인쇄 회로 기판(10)과 가스 센싱 기판(20)과의 연결을 위해 전극 패드(27)에 와이어(w)를 본딩해야 한다. 일반적으로 전극 패드(27) 및 와이어(w)가 금속으로 형성되어 있기 때문에, 전극 패드(27)에 와이어(w)를 본딩할 때 전극 패드(27) 주변의 온도를 금속이 녹을 수 있는 온도까지 올려야 한다. 그런데, 이 본딩 공정에 의한 높은 주변 온도에 의해 가스 센싱부(26)를 구성하는 결정 구조가 변화하여 가스 센싱부(26)의 전기적 성능이 저하되는 문제점이 있었다.Meanwhile, in order to connect the printed
또한, 인쇄 회로 기판(10)에 가스 센싱 기판(20)을 연결한 후, 인쇄 회로 기판(10)에 커버(30)을 본딩해야 하는데, 인쇄 회로 기판(10)에 커버(30)를 본딩할 때 커버(30) 주변의 온도를 상대적으로 높은 온도까지 올려야 하기 때문에, 이 높은 주변 온도에 의해 가스 센싱부(26)를 구성하는 결정 구조가 변화하여 가스 센싱부(26)의 전기적 성능이 저하되는 문제점이 있었다.In addition, after the
즉, 본딩 공정에 의한 주변 온도의 상승에 의해 가스 센싱부(26)의 전기적 성능이 저하됨으로써, 가스에 대한 가스 센싱부(26)의 센싱 성능이 저하되는 문제점이 있었다.That is, the electrical performance of the
본 발명의 제 1 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 구조를 개선하여 제조 비용을 절감할 수 있는 가스 센싱 장치 및 가스 센싱 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The first embodiment of the present invention is to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a gas sensing device and a manufacturing method of the gas sensing device that can reduce the manufacturing cost by improving the structure.
또한, 가스 센싱을 위한 회로 패턴과 가스 센싱부 사이의 연결 구조를 개선하여, 가스 센싱의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 가스 센싱 장치 및 가스 센싱 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a gas sensing device and a method for manufacturing the gas sensing device, which can improve the reliability of the gas sensing by improving the connection structure between the gas pattern and the circuit pattern for gas sensing.
또한, 가스 센싱부를 패키징하는 패키징 방법을 개선하여 가스 센싱부의 센싱 성능을 향상시킬 수 있는 가스 센싱 장치 및 가스 센싱 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a gas sensing device and a method for manufacturing the gas sensing device, which can improve the sensing performance of the gas sensing part by improving a packaging method for packaging the gas sensing part.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 가스 센싱부의 패키징을 위한 본딩용 폴리머로서 2종의 폴리머를 사용할 경우 가스 센싱부에 대한 패키징 성능이 향상됨을 발견하고 본 발명을 완성하였다. 특히, 이 2종의 폴리머로서, 폴리이미드(polyimide) 및 파릴렌(parylene)을 사용할 경우 가스 센싱부에 대한 패키징 성능이 가장 효율적인 것을 발견하였다.After extensive research and various experiments, the inventors of the present application have found that the packaging performance of the gas sensing unit is improved when two polymers are used as the bonding polymer for packaging the gas sensing unit. . In particular, as the two polymers, it was found that the packaging performance for the gas sensing unit is most effective when using polyimide and parylene.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 가스 센싱 장치에 있어서, 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변 화하는 가스 센싱부를 갖는 가스 센싱 기판, 상기 가스 센싱 기판 상에 위치하여 상기 가스 센싱 기판을 패키징하는 패키징 기판, 상기 패키징 기판과 대향하여 상기 가스 센싱 기판에 형성되어 있으며, 제 1 폴리머를 포함하는 제 1 본딩 패턴 및 상기 패키징 기판에 형성되어 상기 제 1 본딩 패턴과 본딩하고 있으며, 상기 제 1 폴리머와 다른 제 2 폴리머를 포함하는 제 2 본딩 패턴을 포함하는 가스 센싱 장치를 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present invention is a gas sensing device, the gas sensing substrate having a gas sensing unit for changing the electrical resistance when in contact with the gas to be detected, the gas sensing substrate A packaging substrate formed on the gas sensing substrate so as to face the packaging substrate, the first bonding pattern comprising a first polymer, and a first bonding pattern formed on the packaging substrate; A gas sensing device is bonded to a pattern and includes a second bonding pattern including a second polymer different from the first polymer.
상기 가스 센싱 기판은, 제 1 기판, 상기 제 1 기판과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하는 제 1 기판 절연막, 상기 제 1 기판 절연막 상에 위치하며, 상기 가스 센싱부와 연결되어 있는 패드부, 상기 제 1 기판 절연막과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하며, 상기 가스 센싱부에 열을 가하는 가열부 및 상기 패드부와 상기 가스 센싱부 사이를 연결하는 전극부를 더 포함하며, 상기 제 1 본딩 패턴은 상기 패드부를 노출할 수 있다.The gas sensing substrate may include a first substrate, a first substrate insulating layer positioned between the first substrate and the gas sensing unit, a pad unit disposed on the first substrate insulating layer, and connected to the gas sensing unit, Located between the first substrate insulating film and the gas sensing unit, further comprising a heating unit for applying heat to the gas sensing unit and an electrode unit for connecting between the pad unit and the gas sensing unit, the first bonding pattern is the The pad portion can be exposed.
상기 패키징 기판은, 상기 제 1 기판 상에 위치하며, 상기 가스 센싱부를 감싸는 검출 공간을 형성하는 제 2 기판, 상기 가스가 관통할 수 있도록 상기 가스 센싱부와 대응하여 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 가스 관통부, 상기 패드부에 대응하여 상기 제 2 기판을 관통하여 형성된 스루홀(through hole) 및 상기 스루홀 내에 위치하며 상기 스루홀을 통해 상기 패드부 연결된 연결부를 포함하며, 상기 제 2 본딩 패턴은 상기 연결부를 노출할 수 있다.The packaging substrate may be disposed on the first substrate, the second substrate forming a detection space surrounding the gas sensing unit, and formed to penetrate the second substrate in correspondence with the gas sensing unit to allow the gas to pass therethrough. A second through pattern, a through hole formed through the second substrate corresponding to the pad part, and a connection part disposed in the through hole and connected to the pad part through the through hole; May expose the connection portion.
상기 제 1 폴리머 및 상기 제 2 폴리머 중 어느 하나는 폴리이미드(polyimide)이며, 다른 하나는 파릴렌(parylene)일 수 있다.One of the first polymer and the second polymer may be polyimide, and the other may be parylene.
또한, 본 발명의 제 2 측면은 가스 센싱 장치의 제조 방법에 있어서, (a) 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항이 변화하는 가스 센싱부를 포함하는 가스 센싱 기판을 마련하는 단계, (b) 상기 가스 센싱 기판을 패키징하는 패키징 기판을 마련하는 단계, (c) 상기 패키징 시 상기 패키징 기판과 대향하는 상기 가스 센싱 기판에 제 1 폴리머를 포함하는 제 1 본딩 패턴을 형성하는 단계, (d) 상기 패키징 시 상기 제 1 본딩 패턴과 본딩하는 상기 패키징 기판에 상기 제 1 폴리머와 다른 제 2 폴리머를 포함하는 제 2 본딩 패턴을 형성하는 단계 및 (e) 상기 제 1 본딩 패턴과 상기 제 2 본딩 패턴을 상호 본딩하여 상기 가스 센싱 기판 상에 상기 패키징 기판을 패키징하는 단계를 포함하는 가스 센싱 장치의 제조 방법을 제공한다.In addition, the second aspect of the present invention provides a gas sensing device, comprising the steps of: (a) providing a gas sensing substrate comprising a gas sensing unit in which the electrical resistance changes when in contact with the gas to be detected, (b) the Providing a packaging substrate for packaging a gas sensing substrate, (c) forming a first bonding pattern comprising a first polymer on the gas sensing substrate facing the packaging substrate during packaging; and (d) Forming a second bonding pattern comprising a second polymer different from the first polymer on the packaging substrate to bond the first bonding pattern to each other; and (e) the first bonding pattern and the second bonding pattern cross each other. And bonding the package to the packaging substrate on the gas sensing substrate.
상기 (a)단계 및 상기 (b)단계 중 하나 이상의 단계는, 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용해 수행할 수 있다.At least one of the steps (a) and (b) may be performed using a MEMS process.
상기 (a)단계는, 제 1 기판을 마련하는 단계, 상기 제 1 기판 상에 제 1 기판 절연막을 형성하는 단계 및 상기 제 1 기판 절연막 상에 상기 가스 센싱부에 열을 가하는 가열부, 상기 가스 센싱부와 연결되는 패드부 및 상기 제 1 기판 절연막과 상기 가스 센싱부 사이에 위치하여 상기 패드부와 상기 가스 센싱부 사이를 연결하는 전극부를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 (c)단계는, 상기 제 1 본딩 패턴이 상기 패드부를 노출하도록 수행할 수 있다.The step (a) may include preparing a first substrate, forming a first substrate insulating film on the first substrate, and a heating unit applying heat to the gas sensing unit on the first substrate insulating film, and the gas. And forming a pad part connected to a sensing part and an electrode part positioned between the first substrate insulating film and the gas sensing part to connect the pad part and the gas sensing part, and the step (c) includes: The first bonding pattern may be performed to expose the pad part.
상기 (b)단계는, 제 2 기판을 마련하는 단계, 상기 제 2 기판에 상기 가스 센싱부와 대응하여 함몰 형성되는 검출 공간을 형성하는 단계, 상기 제 2 기판에 상기 가스 센싱부와 대응하여 상기 제 2 기판을 관통하는 가스 관통부 및 상기 패드부와 대응하여 상기 제 2 기판을 관통하는 스루홀(through hole)을 형성하는 단계 및 상기 스루홀 내에 상기 스루홀을 통해 상기 패드부와 연결되는 연결부를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 (d)단계는, 상기 제 2 본딩 패턴이 상기 연결부를 노출하도록 수행할 수 있다.The step (b) may include preparing a second substrate, forming a detection space formed in the second substrate in correspondence with the gas sensing unit, and corresponding to the gas sensing unit in the second substrate. Forming a through hole penetrating the second substrate and a gas through portion penetrating through the second substrate, and a connecting portion connected to the pad portion through the through hole in the through hole; And forming a second bonding pattern, wherein the second bonding pattern exposes the connection portion.
상기 (c)단계 및 상기 (d)단계에서, 상기 제 1 폴리머 및 상기 제 2 폴리머 중 어느 하나는 폴리이미드(polyimide)이며, 다른 하나는 파릴렌(parylene)일 수 있다.In step (c) and step (d), one of the first polymer and the second polymer may be polyimide, and the other may be parylene.
상기 (e)단계는, 섭씨 100도 내지 섭씨 200도의 온도 환경에서 수행할 수 있다.The step (e) may be performed in a temperature environment of 100 degrees Celsius to 200 degrees Celsius.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 패키징 기판의 구조를 개선하여 별도의 인쇄 회로 기판을 생략함으로써, 제조 비용을 절감할 수 있는 기술적 효과가 있다.According to one of the problem solving means of the present invention described above, by improving the structure of the packaging substrate to omit a separate printed circuit board, there is a technical effect that can reduce the manufacturing cost.
또한, 패키징 기판의 구조를 개선함으로써, 가스 센싱 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.In addition, by improving the structure of the packaging substrate, there is a technical effect that can improve the gas sensing reliability.
또한, 제 1 폴리머를 포함하는 제 1 본딩 패턴 및 제 2 폴리머를 포함하는 제 2 본딩 패턴을 이용하여 가스 센싱부를 패키징함으로써, 가스 센싱부의 센싱 성능을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. In addition, by packaging the gas sensing unit using the first bonding pattern including the first polymer and the second bonding pattern including the second polymer, there is a technical effect of improving the sensing performance of the gas sensing unit.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재와 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a member is located “on” another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members. In addition, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless otherwise stated.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치에 대하여 설명한다.Hereinafter, a gas sensing device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 상부 평면도이다.2 is a cross-sectional view of the gas sensing device according to the first embodiment of the present invention, Figure 3 is a top plan view of the gas sensing device according to the first embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치(1000)는 가스 센싱 기판(100), 패키징 기판(200), 제 1 본딩 패턴(300) 및 제 2 본딩 패턴(400)을 포함한다.As shown in FIG. 2, the
가스 센싱 기판(100)은 제 1 기판(110), 제 1 기판 절연막(120), 가열부(130), 절연부(140), 전극부(150), 가스 센싱부(160), 패드부(170) 및 범프 부(180)를 포함한다.The
제 1 기판(110)은 실리콘(Si)을 재료로 포함하는 웨이퍼로부터 형성된다. 제 1 기판(110) 상에는 제 1 기판 절연막(120)이 위치하고 있다.The
제 1 기판 절연막(120)은 산화 실리콘(SiO₂) 및 질화 실리콘(SiNx) 등을 포함한다. 제 1 기판 절연막(120) 상에는 가열부(130)가 위치하고 있다.The first
가열부(130)는 가스 센싱부(160)가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 가스 센싱부(160)를 가열하는 역할을 한다. 가열부(130)는 고온의 환경에서 전기 전도도의 특성이 저하되지 않는 백금(Pt) 등의 금속 재료 및 다결정 실리콘(poly Si) 등의 도전성 재료를 포함한다. 가열부(130)는 패드부(170)와 연결되어 있다.The
절연부(140)는 가열부(130)와 전극부(150) 사이에 위치하고 있으며, 가열부(130)와 전극부(150)의 단락을 방지하는 역할을 한다.The insulating
전극부(150)는 외부로부터 유입된 가스에 의해 가스 센싱부(160)의 전기 저항의 변화를 감지하는 역할을 한다. 전극부(150)는 고온의 환경에서 전기 전도도의 특성이 저하되지 않는 백금(Pt) 등의 금속 재료 및 다결정 실리콘 등의 도전성 재료를 포함한다. 전극부(150)는 패드부(170)와 연결되어 있다.The
가스 센싱부(160)는 검출하고자 하는 가스와 직접 접촉하여 가스를 흡착함에 따라 전기적인 전기 저항의 변화를 나타내는 부분으로서, 반도체의 성질을 갖는 산화주석(SnO₂), 산화텅스텐(WO₃) 및 산화티타늄(TiO₂) 등의 금속 산화물을 포함한다. 외부로부터 유입된 가스가 가스 센싱부(160)와 접촉하여 화학적 반응을 일으키면 가스와 가스 센싱부(160) 사이에 전자의 교환이 이루어지므로, 가스 센싱 부(160)의 전기 저항의 변화가 발생하게 된다.The
패드부(170)는 일부가 가열부(130)와 연결되어 있으며, 나머지가 전극부(150)와 연결되어 있다. 패드부(170)는 전극부(150)에 의해 가스 센싱부(160)와 연결되는 동시에 후술할 패키징 기판(200)의 연결부(250)와 연결되어 있다. 패드부(170)는 연결부(250)를 통해 다른 기판에 형성되어 있는 가스 센싱을 위한 회로 패턴과 연결된다.The
범프부(180)는 패드부(170) 상에 위치하고 있다. 범프부(180)는 패드부(170)와 연결부(250) 사이에 위치하여 패드부(170)와 연결부(250) 사이를 연결하는 역할을 한다. 범프부(180)는 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 등의 도전성 금속 물질을 포함한다.The
이상과 같은 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)이 위치하고 있다.The
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 패키징 기판(200)은 제 2 기판(210), 제 2 기판 절연막(220), 가스 관통부(230), 스루홀(240) 및 연결부(250)를 포함한다. 제 2 기판(210)은 실리콘을 재료로 포함하는 웨이퍼로부터 형성된다. 제 2 기판(210)은 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160) 주위에 검출 공간(S)이 형성되도록 가스 센싱부(160)의 둘레를 감싸고 있다. 즉, 검출 공간(S)은 가스 센싱부(160)를 감싸고 있으며, 가스 센싱 장치(1000)에 의한 가스 센싱 시 검출 공간(S)에는 외부로부터 유입된 가스가 위치하게 된다.As shown in FIGS. 2 and 3, the
제 2 기판 절연막(220) 산화 실리콘(SiO₂) 또는 질화 실리콘(SiNx)을 포함하는 절연성 물질로 이루어져 있다. 제 2 기판 절연막(220)은 제 2 기판(210)의 표 면을 감싸고 있으며, 검출 공간(S)에 대응하는 제 2 기판 절연막(220)은 검출 공간(S)과 직접 마주하고 있다. 즉, 가스 센싱 기판(100)의 가스 센싱부(160)와 마주하는 제 2 기판 절연막(220)은 검출 공간(S)을 사이에 두고 가스 센싱부(160)에 대해 플로팅(floating)되어 있다. 제 2 기판 절연막(220)은 복수개의 절연막을 포함할 수 있으며, 이 경우 이웃하는 절연막의 격자(lattice) 구조가 교차할 수 있도록 복수개의 절연막을 형성한다. 이웃하는 복수개의 절연막의 격자 구조가 교차함으로써, 복수개의 절연막이 상호 절연성 및 탄성 강도 보강하는 역할을 수행하여 외부의 간섭에 의한 패키징 기판(200)의 파손이 방지된다.The second
가스 관통부(230) 가스 센싱부(160) 및 검출 공간(S)에 대응하여 제 2 기판(210)을 관통하여 형성되어 있다. 가스 관통부(230)는 가스 센싱 장치(1000)에 의한 가스 센싱 시 가스 센싱부(160)가 위치하는 검출 공간(S)으로 가스가 유입되도록 가스가 관통하는 채널(channel) 역할을 한다.The
스루홀(240)은 가스 관통부(230)를 사이에 두고 패드부(170) 및 범프부(180)에 대응하여 제 2 기판(210)을 관통하여 형성되어 있다. 스루홀(240) 내에는 연결부(250)가 위치하고 있다.The through
연결부(250)는 스루홀(240) 내에 위치하고 있으며, 범프부(180)에 의해 패드부(170)와 연결되어 있다. 연결부(250)는 다른 기판에 형성되어 있는 가스 센싱을 위한 회로 패턴과 연결되어 패드부(170)와 가스 센싱을 위한 회로 패턴 사이를 연결하는 역할을 한다. 연결부(250)는 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 등의 도전성 금속 물질을 포함한다.The
다른 실시예에서, 패키징 기판(200)은 연결부(250)와 연결되어 있는 가스 센싱을 위한 회로 패턴을 포함할 수 있으며, 이 가스 센싱을 위한 회로 패턴은 제 2 기판(210) 상에 형성될 수 있다. 또한, 이 가스 센싱을 위한 회로 패턴은 연결부(250) 및 패드부(170)를 통해 가스 센싱 기판(100)의 가열부(130) 및 전극부(150)와 전기 신호를 교환할 수 있다. 즉, 가스 센싱을 위한 회로 패턴은 복수개의 박막트랜지스터를 포함하는 칩 온 실리콘(chip on silicon, COG)형태로 형성될 수 있다.In another embodiment, the
제 1 본딩 패턴(300)은 패드부(170) 및 가스 센싱부(160)를 사이에 두고 가스 센싱 기판(100) 상에 형성되어 가스 센싱 기판(100)과 대향하고 있다. 제 1 본딩 패턴(300)은 폴리이미드(polyimide) 또는 파릴렌(parylene)을 포함하는 제 1 폴리머를 포함하며, 제 2 본딩 패턴(400)과 본딩하여 가스 센싱 기판(100)에 패키징 기판(200)을 패키징한다. 제 1 본딩 패턴(300)은 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170), 범프부(180) 및 가스 센싱부(160)를 덮지 않도록 소정의 형태로 패터닝되어 있다. 제 1 본딩 패턴(300)은 제 2 본딩 패턴(400)과 본딩하여 패드부(170), 범프부(180) 및 연결부(250)를 밀봉(hermetic)한다.The
제 2 본딩 패턴(400)은 소정의 형태로 패터닝된 제 1 본딩 패턴(300)에 대응하여 연결부(250) 및 검출 공간(S)을 사이에 두고 패키징 기판(200) 상에 형성되어 있다. 제 1 본딩 패턴(300)은 폴리이미드(polyimide) 또는 파릴렌(parylene)을 포함하는 제 2 폴리머를 포함한다. 제 2 폴리머는 제 1 본딩 패턴(300)에 포함되어 있는 제 1 폴리머가 폴리이미드일 경우 파릴렌이며, 제 1 폴리머가 파릴렌일 경우 폴리이미드이다. 즉, 제 1 폴리머 및 제 2 폴리머는 서로 다른 폴리머를 포함한다. 제 2 본딩 패턴(400)은 제 1 본딩 패턴(300)과 본딩하여 가스 센싱 기판(100)에 패키징 기판(200)을 패키징한다. 제 2 본딩 패턴(400)은 패키징 기판(200)의 연결부(250) 및 검출 공간(S)을 덮지 않도록 소정의 형태로 패터닝 되어 있다. 제 2 본딩 패턴(400)은 제 1 본딩 패턴(300)과 본딩하여 패드부(170), 범프부(180) 및 연결부(250)를 밀봉(hermetic)한다.The
이하, 도 4 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the gas sensing device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 10.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 5 내지 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensing device according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 5 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a gas sensing device according to a second embodiment of the present invention. .
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 우선, 가스 센싱 기판(100)을 마련한다(S100).As shown in FIG. 4 and FIG. 5, first, a
구체적으로, 포토리소그래피(photolithography) 공정 등의 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용해 제 1 기판(110), 제 1 기판 절연막(120), 가열부(130), 절연부(140), 전극부(150), 가스 센싱부(160), 패드부(170) 및 범프부(180)를 포함하는 가스 센싱 기판(100)을 마련한다.Specifically, the
보다 구체적으로는, 우선, SSP(single side polished) 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)인 제 1 기판(110) 상에 습식 열산화 방법을 이용하여 물(H₂O) 분위기에 서 산화 실리콘을 포함하는 제 1 기판 절연막(120)을 4000Å 내지 6000Å의 두께로 형성한다.More specifically, first, a silicon-containing oxide in a water (H 2 O) atmosphere using a wet thermal oxidation method on a
다음, 제 1 기판 절연막(120) 상에 주석(Sn) 및 백금(Pt) 등을 포함하는 도전층 및 절연층을 상호 교호적으로 형성한 후, 포토리소그래피 공정을 이용하여 가열부(130), 절연부(140), 전극부(150), 가스 센싱부(160) 및 패드부(170)를 형성한다. 가열부(130), 전극부(150) 및 가스 센싱부(160)를 형성하는데 사용하는 도전층의 두께는 2000Å 내지 5000Å이며, 포토리소그래피 공정 시 사용하는 식각 방법은 이온 반응 식각(reactive ion etching, RIE) 방법을 이용한다.Next, after the conductive layer and the insulating layer including tin (Sn), platinum (Pt), and the like are formed alternately on the first
다음, 패드부(170) 상에 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 등을 포함하는 도전층을 형성한 후, 이온 반응 식각 방법을 포함하는 포토리소그래피 공정을 이용하여 범프부(180)를 형성한다. Next, after the conductive layer including gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and the like is formed on the
다른 실시예에서, 범프부(180)는 소프트 스템프 또는 하드 스템프를 이용한 인쇄 공정을 이용하여 형성하거나, 또는 패드부(170)를 시드층(seed layer)로서 사용한 도금 공정을 이용하여 형성할 수 있다.In another embodiment, the
이상과 같은 공정에 의해 가스 센싱 기판(100)이 마련된다.The
다음, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 패키징 기판(200)을 마련한다(S200).Next, as shown in FIGS. 6 to 9, the
구체적으로, 우선, 도 6에 도시된 바와 같이, DSP(double side polished) 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)로 형성된 제 2 기판(210)의 상면 및 하면을 물(H₂O) 환경 에서 습식 열산화 방법을 이용해 산화시켜, 제 2 기판(210)의 상면 및 하면 상에 산화 실리콘(SiO₂)으로 형성된 제 2 기판 절연막(220)을 4000Å 내지 6000Å의 두께로 형성한다.Specifically, first, as shown in FIG. 6, the upper and lower surfaces of the
다음, 이온 반응 식각 방법을 포함하는 포토리소그래피 공정을 이용하여 후에 형성될 검출 공간(S)에 대응하는 제 2 기판 절연막(220)을 제거한 후, 제 2 기판 절연막(220)을 마스크로 이용한 딥 이온 반응 식각(deep reactive ion etching, DRIE) 방법을 이용하여 후에 형성될 검출 공간(S)에 대응하는 제 2 기판(210)의 하면을 함몰시켜 검출 공간(S)을 형성한다. 이 때, 제 2 기판(210)의 식각면은 실리콘의 결정 방향에 따라 선택적으로 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나 이상으로 형성된다. 검출 공간(S)의 면적은 0.3*0.3 mm² 내지 0.8*0.8 mm²이며, 높이는 50㎛ 내지 200㎛ 이다.Next, after removing the second
다음, 이온 반응 식각 방법을 포함하는 포토리소그래피 공정을 이용하여 후에 형성될 가스 관통부(230) 및 스루홀(240)에 대응하는 제 2 기판 절연막(220)을 제거한 후, 제 2 기판 절연막(220)을 마스크로 이용한 딥 이온 반응 식각 방법을 이용하여 후에 형성될 가스 관통부(230) 및 스루홀(240)에 대응하는 제 2 기판(210)의 일부를 관통시켜 가스 관통부(230) 및 스루홀(240)을 형성한다. 가스 관통부(230) 및 스루홀(240)은 원형으로 형성하며, 가스 관통부(230)의 지름은 30㎛ 내지 70㎛ 이며, 높이는 300㎛ 내지 700㎛ 이다. 또한, 스루홀(240)의 지름은 40㎛ 내지 120㎛이며, 높이는 350㎛ 내지 750㎛이다.Next, the second
다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 검출 공간(S)에 대응하는 제 2 기판(210)의 함몰된 하면 및 스루홀(240)에 대응하는 제 2 기판(210)의 일면을 물(H₂O) 환경에서 습식 열산화 방법을 이용해 산화시켜, 검출 공간(S)에 대응하는 제 2 기판(210)의 하면 및 스루홀(240)에 대응하는 제 2 기판(210)의 일면 상에 산화 실리콘(SiO₂)으로 형성된 제 2 기판 절연막(220)을 4000Å 내지 6000Å의 두께로 형성한다.Next, as illustrated in FIG. 7, water (H 2 O) is formed on the recessed lower surface of the
다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 도금 공정 등을 이용해 스루홀(240) 내에 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 등의 도전성 물질을 채워서 연결부(250)를 형성한다. 이와 같은 도금 공정에 의해 도전성 물질은 스루홀(240) 내뿐만 아니라, 제 2 기판(210) 상으로 돌출된다.Next, as shown in FIG. 8, the
다음, 도 9에 도시된 바와 같이, 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정을 이용하여 제 2 기판(210) 상에 돌출된 도전성 물질과 제 2 기판(210) 상면 및 하면 상에 형성되어 있는 제 2 기판 절연막(220)을 제거한다. 화학기계적 연마 공정에 의해 제 2 기판(210)의 상면 및 하면의 평탄도가 향상된다.Next, as shown in FIG. 9, the conductive material protruding from the
다음, 화학기계적 연마 공정에 의해 노출된 제 2 기판(210)의 상면 및 하면을 물(H₂O) 환경에서 습식 열산화 방법을 이용해 산화시켜, 제 2 기판(210)의 상면 및 하면 상에 산화 실리콘(SiO₂)으로 형성된 제 2 기판 절연막(220)을 4000Å 내지 6000Å의 두께로 다시 형성한다.Next, the upper and lower surfaces of the
이상과 같은 공정에 의해 패키징 기판(200)이 마련된다.The
다음, 도 10에 도시된 바와 같이, 가스 센싱 기판(100)에 제 1 본딩 패턴(300)을 형성한다(S300).Next, as shown in FIG. 10, the
구체적으로, 가스 센싱 기판(100)에 제 1 폴리머로서 파릴렌(parylene)을 포함하는 제 1 본딩 패턴(300)을 형성한다. 제 1 본딩 패턴(300)은 가스 센싱 기판(100)의 패드부(170), 범프부(180) 및 가스 센싱부(160)가 노출되도록 소정의 형태로 패터닝된다. 제 1 본딩 패턴(300)은 파릴렌을 포함하는 제 1 폴리머층을 형성한 후, 패터닝하여 제 1 본딩 패턴(300)으로 형성하거나, 또는 소프트 스템프 또는 하드 스템프 등을 이용한 인쇄 공정을 이용하여 형성할 수 있다. In detail, the
다음, 패키징 기판(200)에 제 2 본딩 패턴(400)을 형성한다(S400).Next, a
구체적으로, 패키징 기판(200)에 제 2 폴리머로서 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 제 2 본딩 패턴(400)을 형성한다. 제 2 본딩 패턴(400)은 패키징 기판(200)의 연결부(250) 및 검출 공간(S)이 노출되도록 소정의 형태로 패터닝된다. 제 2 본딩 패턴(400)은 폴리이미드를 포함하는 제 2 폴리머층을 형성한 후, 패터닝하여 제 2 본딩 패턴(400)으로 형성하거나, 또는 소프트 스템프 또는 하드 스템프 등을 이용한 인쇄 공정을 이용하여 형성할 수 있다. In detail, a
다른 실시예에서, 제 1 본딩 패턴(300)의 제 1 폴리머가 폴리이미드일 경우, 제 2 본딩 패턴(400)의 제 2 폴리머는 파릴렌일 수 있다.In another embodiment, when the first polymer of the
또 다른 실시예에서, 제 1 본딩 패턴(300)은 제 1 폴리머는 폴리머(polymer) 중 어떤 폴리머라도 상관 없으며, 이 때 제 2 본딩 패턴(400)의 제 2 폴리머는 제 1 폴리머와는 다른 어떤 폴리머라도 상관없다.In another embodiment, the
다음, 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 패키징한다(S500).Next, the
구체적으로, 제 1 본딩 패턴(300) 및 제 2 본딩 패턴(400)이 상호 접촉하도 록 가스 센싱 기판(100)과 패키징 기판(200)을 상호 접착한 후, 섭씨 100도 내지 200도 내지의 온도 환경에서 저온 진공 본딩을 수행하여 가스 센싱 기판(100) 상에 패키징 기판(200)을 패키징한다. 이와 같이, 제 1 본딩 패턴(300) 및 제 2 본딩 패턴(400)이 상호 본딩됨으로써, 패드부(170), 범프부(180) 및 연결부(250)는 제 1 본딩 패턴(300) 및 제 2 본딩 패턴(400)에 의해 밀봉(hermetic)된다.Specifically, after bonding the
이와 같은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법에 의해 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치가 제조된다.The gas sensing device according to the first embodiment of the present invention is manufactured by the method of manufacturing the gas sensing device according to the second embodiment of the present invention.
이상과 같이, 본 발명에 따른 가스 센싱 장치 및 가스 센싱 장치의 제조 방법은 별도의 커버를 가지는 종래의 가스 센싱 장치에 비해 커버를 별도로 제작하는 공정이 필요하지 않기 때문에 제조 시간 및 제조 비용이 절감된다. 또한, 패키징 기판을 칩 온 실리콘 형태로 제조할 경우, 가스 센싱을 위한 별도의 인쇄 회로 기판이 필요하지 않기 때문에 제조 시간 및 제조 비용이 절감된다.As described above, the manufacturing method and the manufacturing cost of the gas sensing device and the gas sensing device according to the present invention do not require a process of separately manufacturing a cover as compared to the conventional gas sensing device having a separate cover. . In addition, when the packaging substrate is manufactured in chip-on-silicon form, manufacturing time and manufacturing cost are reduced because a separate printed circuit board for gas sensing is not required.
또한, 가스 센싱 기판(100)과 별도의 인쇄 회로 기판 사이의 연결을 연결부(250)를 통해 수행할 경우, 가스 센싱 기판(100)과 별도의 인쇄 회로 기판 사이의 전기적인 연결이 연결부(250)를 통해 이루어지기 때문에, 가스 센싱의 신뢰성이 향상된다.In addition, when the connection between the
또한, 패드부(170)에 대한 전기적 연결을 위한 금속끼리의 본딩 공정이 없기 때문에, 가스 센싱 장치(1000)를 제조할 때 주변의 온도를 금속이 녹을 수 있는 온도까지 올릴 필요가 없다. 즉, 가스 센싱 장치(1000)의 제조 시의 온도가 금속이 녹는 온도 이하의 온도인 섭씨 100도 내지 200도이기 때문에, 가스 센싱 장치(1000)의 제조 공정 온도에 의해 가스 센싱부(160)를 구성하는 결정 구조가 변화하지 않으며, 이로 인해 가스 센싱부(160)의 전기적 성능 저하가 방지됨으로써, 가스 센싱 장치(1000)의 센싱 성능 저하가 방지된다.In addition, since there is no bonding process between metals for electrical connection to the
또한, 단일 폴리머가 아닌 2종의 폴리머로서 파릴렌과 폴리이미드의 본딩을 이용하여 가스 센싱 기판(100)에 패키징 기판(200)을 패키징함으로써, 본 출원 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에 단일 폴리머를 이용한 본딩에 비해 본딩 시 주변 온도를 섭씨 100도 내지 200도로 설정해도 본딩을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 본딩 후에 가스 센싱 기판(100)에 대한 패키징 기판(200)의 본딩력 및 내구성이 외부 스트레스에 실질적으로 2배 강하다는 것을 발견하였다.In addition, by packaging the
또한, 가스 센싱 장치의 전체 공정이 멤스(MEMS)공정으로 제조됨으로써, 가스 센싱 장치의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 전기적, 열적, 기계적으로 안정적인 가스 센싱 장치가 제공된다.In addition, since the entire process of the gas sensing device is manufactured by the MEMS process, not only the gas sensing device can be miniaturized, but also an electrically, thermally and mechanically stable gas sensing device is provided.
또한, 가스 센싱 장치의 전체 공정이 멤스 (MEMS)공정으로 제조됨으로써, 한번의 공정으로 대량 생산이 가능하며, 이로 인해 제조 비용을 절감할 수 있다. 보다 상세하게는, 실리콘 웨이퍼로부터 형성된 가스 센싱 기판(100) 및 패키징 기판(200)을 이용해 상호 본딩하기 때문에, 복수의 가스 센싱 기판(100) 및 복수의 패키징 기판(200)이 형성된 각각의 실리콘 웨이퍼를 상호 본딩하여 각 가스 센싱 기판(100)에 각 패키징 기판(200)을 패키징한 후, 절단하여 각각의 가스 센싱 장치(1000)로 제조하여 한번의 공정으로 대량 생산한다. In addition, since the entire process of the gas sensing device is manufactured by the MEMS process, mass production can be performed in a single process, thereby reducing manufacturing costs. More specifically, each silicon wafer having a plurality of
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
도 1은 종래의 가스 센싱 장치의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of a conventional gas sensing device,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 단면도이고,2 is a cross-sectional view of a gas sensing device according to a first embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 상부 평면도이고,3 is a top plan view of a gas sensing device according to a first embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이며,4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensing device according to a second embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센싱 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.5 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a gas sensing device according to a second embodiment of the present invention.
Claims (10)
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---|---|---|---|
KR1020090031115A KR20100112699A (en) | 2009-04-10 | 2009-04-10 | Gas sensing device and method for manufacturing the same |
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KR1020090031115A KR20100112699A (en) | 2009-04-10 | 2009-04-10 | Gas sensing device and method for manufacturing the same |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016163585A1 (en) * | 2015-04-08 | 2016-10-13 | 주식회사 스탠딩에그 | Method of manufacturing cap substrate, method of manufacturing mems device using same, and mems device |
US9513246B2 (en) | 2010-12-22 | 2016-12-06 | Analog Devices, Inc. | Vertically integrated systems |
US10730743B2 (en) | 2017-11-06 | 2020-08-04 | Analog Devices Global Unlimited Company | Gas sensor packages |
US11587839B2 (en) | 2019-06-27 | 2023-02-21 | Analog Devices, Inc. | Device with chemical reaction chamber |
US12117415B2 (en) | 2017-05-15 | 2024-10-15 | Analog Devices International Unlimited Company | Integrated ion sensing apparatus and methods |
-
2009
- 2009-04-10 KR KR1020090031115A patent/KR20100112699A/en active IP Right Grant
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