KR0184803B1 - 자동차 공조용 발열체와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 발열체와 비교하여 제조공정의 수를 대폭 줄일 수 있고, 특성의 안정화가 가능하며, 열적 안정성의 확보 및 안정적인 열원의 제공이 가능한 자동차 공조용 발열체와 그 제조방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명에 따른 자동차 공조용 발열체는, 실리콘 웨이퍼(11) 위에 1000℃의 온도에서 웨트산화방법에 의해 형성된 산화막(12)과, 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 약 800∼1000Å의 두께로 형성된 크롬(Cr)층(13), 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 전면에 약 2000∼3000Å의 소정두께로 형성된 백금(Pt)층(14), 소정의 패턴으로 패터닝된 크롬층 및 백금층 위에 스퍼터링방법에 의해 형성된 절연막(17) 및 상기 절연막(17)의 일부를 식각함으로써 형성된 전극부(16)를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 공조용 발열체와 그 제조방법

제1도는 종래의 가스센서용 발열체의 구성을 나타낸 단면도.

제2도는 본 발명에 따른 발열체 구성을 나타낸 단면도.

제3a∼g도는 제2도의 발열체를 제조하기 위한 제조공정 단면도.

제4도는 온도검출을 위한 장치의 기본적인 회로구성도.

제5도는 본 발명에 따른 발열체와 상온온도를 검지하기 위한 온도센서를 실리콘 웨이퍼 위에 함께 형성하여 된 온도검출 및 상온온도 보상회로의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실리콘 웨이퍼 2 : 산화막

3 : 질화막 4 : 산화막

5, 5' : 전극부(contact pad) 6 : 온도센서

7 : 절연용 산화막(혹은 질화막) 8 : 발열체

11 : 실리콘 웨이퍼 12 : 산화막(SiO₂막)

13 : 크롬(Cr)층 14 : 백금(Pt)층

15 : 온도센서부(Cr/Pt) 16 : 전극부

17 : 절연막(SiO₂막) 41 : 전원

42 : 온도센서 43 : 부하저항

Vout : 출력전압 51 : 전원부

52 : 전압조정기 53 : 발열체

54 : 온도센서 55, 57 : 전압분배용 저항

56 : 온도보상회로부 58 : 비교기

본 발명은 공조용 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 열적 안정성이 확보, 안정적인 열원의 제공을 위한 미세 발열체의 구조와 그 제조방법 및 이를 이용한 온도보상 회로에 관한 것이다.

최근에는, 실리콘 미세가공기술의 발전에 따라 공조용 가스센서를 실리콘 반도체 기술과 접목시켜 개발하고 있는 경향이 많다. 현재까지 알려져 있는 발열체의 제조공정을 그 전체적인 구조면에서 살펴 보기로 한다.

제1도는 종래의 가스센서용 발열체의 구성을 나타낸 단면도이다. 종래의 가스센서용 발열체는 다음과 같이 해서 제조된다.

먼저, 약 300∼400㎛의 두께의 실리콘 웨이퍼(1)의 양면 위에 약 900∼1000℃의 온도에서 산화막(2)를 성장시킨 후, 그 위에, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : 저압 화학증착법)에 의해 질화막(3)을 형성한다. 그리고, 실리콘 웨이퍼 표면 위의 질화막(3) 위에 상압 또는 플라즈마 화학증착법(APCVD or PECVD)에 의해 산화막(4)을 형성한 후, 발열체용 금속물질인 백금/탄탈륨(Pt/Ta) 혹은 니켈철(Ni-Fe) 및 니켈크롬(Ni-Cr) 등을 증착한다. 다음으로, 온도센서 및 발열체의 제작을 위하여 소정의 마스크를 이용하여 패터닝을 행한 후, 전기적·열적 절연을 위한 패시베이션(passivation)용 절연막인 산화막 혹은 질화막(7)을 증착한다. 이후는 전기적 접속을 위한 전극부(5)(5')의 형성 및 배선가공 등의 공정을 거쳐 발열체를 완성한다.

이상과 같이 하여 구성된 발열체는, 전극부(5)(5')를 통하여 전원이 인가되면, 일정 두께(약 3000∼4000Å)의 발열체(8)에 의해 열이 발생하게 된다. 이때, 발생하는 열은 전기저항에 의해 발생되는 주울(Joule)열로서 열전도도가 낮은 절연막내에 집중되고, 발열체(8)를 포함하는 소정 면적에서 인가전원의 대소에 따라 150∼500℃의 값을 갖게 된다. 또한, 제1도에 있어서, 온도센서(6)는 발열체 자체의 온도에 따른 저항변화로서 나타나는 온도변화를 정확히 측정하기 위해 발열체(8) 근방에 형성된다. 즉, 이 경우에는 발열체 자체의 온도변화에 따른 저항변화에 의해 발열부 위의 온도를 직접 검출하는 대신에, 온도센서(6)용 금속의 저항변화에 의해 발열체의 온도를 측정, 보상하는 역할을 하게 된다.

제1도에 나타낸 종래의 발열체는, ① 산화막(2)의 성장, ② 질화막(3)의 형성, ③ 상압 또는 플라즈마상태에서의 화학증착법에 의한 산화막(4)의 증착, ④ 발열체용 금속의 증착, ⑤ 소정의 저항값을 확보하기 위한 패터닝, 절연막(7)의 증착 ⑥ 전극부(contact pad; 5, 5')의 형성 및 ⑦ 열섬(thermal island)의 형성 등, 세부적으로 일곱 또는 여덟 단계의 공정을 거쳐 형성되므로 제조공정이 대단히 복잡하고, 제조원가가 비싸다는 문제가 있다.

따라서, 동일한 효과를 가지면서도 제조공정의 수를 줄일 수 있는 새로운 제조공정의 개발이 요구되고 있는 것이 현재의 상황이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 점을 고려하여 안출된 것으로서, 종래의 발열체와 비교하여 제조공정의 수를 대폭 줄일 수 있고, 특성의 안정화가 가능하며, 열적 안정성의 확보 및 안정적인 열원의 제공이 가능한 자동차 공조용 발열체와 그 제조방법 및 이를 이용한 온도보상 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 자동차 공조용 발열체는, 실리콘 웨이퍼 위에 소정의 온도에서 웨트산화방법에 의해 형성된 산화막과, 상기 실리콘 웨이퍼의 양면에 제1의 소정두께로 형성된 제1금속층, 상기 실리콘 웨이퍼의 전면에 상기 제1의 소정두께보다 두꺼운 제2의 소정두께로 형성된 제2금속층, 소정의 패턴으로 패터닝된 제1 및 제2금속층 위에 스퍼터링방법에 의해 형성된 절연막 및 상기 절연막의 일부를 식각함으로써 형성된 전극부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 제1금속층은 크롬(Cr)층이고, 상기 제2금속층은 백금(Pt)층이다.

또, 자동차 공조용 발열체의 제조방법은, 실리콘 웨이퍼 위에 소정의 온도에서 습식산화방법에 의해 산화막을 형성하는 공정과, 상기 실리콘 웨이퍼의 양면에 제1의 소정두께로 제1금속층을 형성하는 공정, 상기 실리콘 웨이퍼의 전면에 상기 제1의 소정두께보다 두꺼운 제2의 소정두께로 제2금속층을 형성하는 공정, 상기 제1 및 제2금속층을 소정의 패턴으로 패터닝함과 더불어 그 위에 스퍼터링방법에 의해 절연막을 형성하는 공정 및 상기 절연막의 일부를 식각함으로써 전극부룰 형성하는 공정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 제1금속층은 크롬(Cr)이고, 상기 제2금속층은 백금(Pt)이다.

또한, 본 발명은 자동차 공조용 발열체와 상온온도를 감지하기 위한 온도센서를 실리콘 웨이퍼상에 함께 형성하여 된 온도검출 및 상온온도 보상회로이다.

이하에서는, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은, 상술한 바와 같은 종래의 발열체의 복잡한 제조공정을 간략화하면서 동일한 발열능력 및 온도감지용 센서의 제작을 가능하게 하기 위한 것으로, 그 단면 구조에 대해 살펴 보면 다음과 같다.

제2도는 본 발명에 따른 발열체의 구성을 나타낸 단면도이다. 제2도에 나타낸 바와 같이, 먼저 열적 단열을 위해 1000℃에서 웨트(wet)산화공정을 수행하여 실리콘 웨이퍼(11) 위에 약 1.5㎛의 산화막(12)을 형성한 후, 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 크롬(Cr)층(13)을 약 800∼1000Å의 두께로 증착한다.

이어, 실리콘 웨이퍼의 전면에 발열체 금속(백금(Pt))을 약 2000∼3000Å의 두께로 증착한 후, 발열체와 온도센서의 제작을 위해 패터닝을 행한다. 그후, 이면의 크롬층(13)을 식각하기 위해 패터닝을 행한다. 이때, 이면의 크롬은 백금/크롬의 에칭단계에서 식각된다.

다음으로, 열적 단열 및 전기적 절연을 위해 스퍼터링방법으로 산화막(17)을 증착한다.

이어, 전극부(16)의 형성을 위해 접촉부를 패터닝한 후 식각한다.

최후로, 실리콘 웨이퍼를 이방성 식각용액내에서 식각함으로써, 발열체를 완성한다.

상기한 바와 같이 하여 구성된 본 발명의 발열체에 있어서는, 전극부(16)를 통해 전원이 인가되면, 백금(Pt)층(14)이 주울열을 발생시키며, 이 열을 멤브레인(Membrane) 및 단열막의 역활을 하는 웨이퍼 상부의 산화막(12)이 포획함으로써 발열체부의 온도가 시간에 따라 상승하게 된다. 수초(본 발명자의 실험결과로는 약 1∼2.5초)후 발열체가 안정한 온도를 확보하게 되면, 일반적으로 금속이 갖는 정온도계수와 온도 사이의 관계식, 즉

R_T=R₀(τ+αT) --------(1)

여기서, R_T: 임의의 온도 T에서의 저항값, R₀: 상온에서의 저항값,

α : 금속의 정온도계수, T : 온도

을 이용하여 발열부의 온도를 검출하게 된다. 이때, 온도검출을 위해 외부전원 및 온도센서와 부하저항을 이용한 간단한 회로를 생각할 수 있는데, 그 회로의 개략구성도를 제4도에 나타낸다. 또, 상온에서의 저항값 변화와의 오차를 고려한 보상회로에 의한 전체회로는 제5도에 나타낸다.

제5도에 나타낸 발열체 온도보상 및 검출회로는 발열체와 함께 다음과 같이 동작한다.

전원부(51)로부터의 전압은 전압조정기(52)를 거쳐 안정한 전원인 5V로서 공급되며, 발열체(53)에 인가되어 일정 온도를 유지시킨다. 상온에서 온도센서(54)와전압분배용 저항(55)를 통하여, 저항(55)의 상단에 강하된 전압이 저항(57)의 상단에 강하된 전압과 동일한 값을 갖도록 온도보상부(56)을 제어한다. 이때, 비교기(58)를 통한 전압은 0V가 된다.

그러나, 발열체(53)가 발열과정을 통해 멤브레인(Membrane)부의 온도를 상승시키면, 발열체(53) 근방의 온도센서부(54)의 저항이 상기 (1)식에 의해 변화되어 저항(55,57)에서의 전압차가 발생되고, 이것이 비교기(58)를 통해 일정 전압으로서 출력됨으로써, 발열체 부위의 온도를 검출할 수 있게 된다.

다음에는 제2도에 나타낸 본 발명의 발열체의 제조공정에 대해 그 제조공정 단면도인 제3a∼g도를 참조하면서 설명한다.

먼저, 제3a도에 나타낸 바와 같이, 발열체와 실리콘 웨이퍼의 열적 단열 및 멤브레인의 형성을 목적으로 실리콘 웨이퍼(11) 위에 습식산화방법에 의해 약 1.5㎛의 두께로 산화막(12)을 형성한다.

다음에, 제3b도에 나타낸 바와 같이, 산화막과 후술하는 백금(Pt)층의 접착불량을 보강하기 위한 크롬(Cr)층(13)을 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 약 800Å 정도 증착한다.

이어, 제3c도에 나타낸 바와 같이, 발열체 및 온도센서의 제작을 위한 백금(Pt)층(14)을 약 2000∼4000Å 정도 형성한다.

그 후, 제3d도에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 전면은 발열체의 저항확보와 온도센서의 형성을 위해, 이면은 이방성 식각을 위해 일정 부분을 패터닝한다.

패터닝공정 이후는, 제3e도에 나타낸 바와 같이, 열적 단열 및 전기적 절연을 위해 스퍼터링 또는 전자빔 증착법에 의해 약 5000Å 두께의 산화막(17)을 형성한다.

다음으로, 제3f도에 나타낸 바와 같이, 전원의 연결부를 형성하기 위해 전극부(구체적으로는, 접촉부 : 16)를 만든다.

최후로, 제3g도에 나타낸 바와 같이, 발열부 하단의 실리콘 웨이퍼를 제거하기 위해 실리콘 웨이퍼를 이방성 용액내에서 식각함으로써, 발열체를 완성한다.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 발명의 요지를 이탈하지 않는범위내에서 여러가지로 변형하여 실시할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서는 자동차 공조용 발열체에 대해서 설명했지만, 반드시 자동차 공조용 발열체에 한정되는 것이 아님은 말할 것까지도 없다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 제조공정에서의 상부 질화막의 증착공정을 제거할 수 있으며, 이면에 크롬(Cr)층을 이용하여 식각층을 형성함으로써 저압 화학증착법(LPCVD)에 의한 질화막의 형성공정이 생략되어, 보다 낮은 온도에서의 식각 및 공정단축(발열체 패턴형성시에 크롬이 동시에 제거됨)을 도모할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 약 1000℃ 온도에서 습식산화방법에 의해 약 1.5㎛의 두께로 형성된 산화막(12); 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 약 800∼1000Å의 두께로 형성된 크롬층(13); 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 전면에 약 2000∼3000Å의 두께로 형성된 백금층(14); 상기 산화막(12)에 전면에 형성된 상기 크롬층(13)과 상기 백금층(14)을 패터닝한 후 스퍼터링 또는 전자빔 증착법에 의해 약 5000Å의 두께로 형성된 절연막(17); 및 상기 절연막(17)의 일부를 식각함으로써 형성된 전극부(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 공조용 발열체.
2. 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 약 1000℃ 온도에서 습식산화방법에 의해 산화막(12)을 약 1.5㎛의 두께로 형성하는 공정; 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 양면에 약 800∼1000Å의 두께로 형성된 크롬층(13)을 증착하여 형성하는 공정; 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 전면에 약 2000∼3000Å의 두께로 형성된 백금층(14)을 증착하여 형성하는 공정; 상기 크롬층(13)과 상기 백금층(14)을 패터닝한 후 스퍼터링 또는 전자빔 증착법에 의해 약 5000Å의 두께로 절연막(17)을 형성하는 공정; 및 상기 절연막(17)의 일부를 식각함으로써 형성된 전극부(16)를 형성하는 공정; 및 상기 실리콘 웨이퍼(11)의 후면을 이방성용액으로 식각하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 공조용 발열체의 제조방법.