KR102117352B1 - 표면탄성파 기반 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

표면탄성파 기반 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 기반 웨이퍼 센서는 웨이퍼; 웨이퍼 상에 형성되고, 압전성 물질로 이루어지는 압전층; 압전층 상에 형성되고, 프로세스 상태에 따라 가변적인 주파수 신호를 출력하는 표면탄성파 센서; 압전층 상에 형성되고 표면탄성파 센서와 전기적 신호를 주고받도록 연결되는 안테나; 및 외부 환경 조건으로부터 보호되도록 압전층과 표면탄성파 센서 및 안테나를 덮는 보호층;을 포함한다.

Description

표면탄성파 기반 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법{SURFACE ACOUSTIC WAVE BASED WAFER SENSOR AND METHOD OF MANUFACURING THE SAME}
본 발명은 표면탄성파(Surface Acoustic Wave) 기반 웨이퍼 센서(wafer sensor) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
세정, 증착, 에칭 및 포토 프로세스 등의 다양한 반도체 공정 단계에서, 처리 설비 내 온도, 유량, 진공, 약액 및 플라즈마 등의 프로세스 상태를 정밀하게 제어하지 못할 경우, 반도체 소자에 결함이 발생하게 된다. 따라서 결함 없는 반도체 소자의 제조를 위해서는, 처리 설비 내 프로세스 상태를 지속적으로 계측, 평가하여 항상 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 반도체 설비의 챔버 및 유니트는 공간이 협소하고 고온, 진공 또는 고압, 약액, 플라즈마 등의 거친 환경 조건에서 운용되고 있기 때문에, 프로세스 상태가 웨이퍼에 미치는 직접적인 영향에 대한 계측 및 평가 방법이 제한적이다.
현재 반도체 처리 설비에는 온도 측정용 웨이퍼 센서가 주로 이용되고 있다. 종래의 웨이퍼 센서는 온도 센서들, CPU, 메모리, 배터리 및 송신기와 같은 전자소자들이 웨이퍼 위에 집적되어 있다. 센서들은 전도성 트레이스들을 통해 CPU에 접속된다. CPU는 웨이퍼 센서의 동작을 위해 필요한 명령어들 및 프로세스 상태들을 저장하기 위한 플래시 메모리 셀들을 포함한다. 송신기는 데이터를 송수신하고, RF(radio frequency) 유도성 코일은 전력 소스들을 유도적으로 충전하도록 작동한다. 웨이퍼 센서는 온도 센서에서 온도를 측정하여 웨이퍼 내부에 있는 메모리에 기록하고, 설비 외부로 데이터를 무선으로 송신한다.
이와 같은 종래의 웨이퍼 센서는 제작 공정이 복잡하고, 웨이퍼 센서에 집적되는 배터리, CPU, 메모리 및 송신기 등의 전자소자들이 열에 의해 손상될 우려가 있기 때문에 고온, 고압 및 플라즈마 상태 등 거친 환경에서는 계측/평가가 어렵다. 최근, 집적회로 및 디바이스 초미세화 공정에서는 고온 환경이 요구되고 있으며, 프로세스 상태의 균일성을 유지하는 것이 더욱 중요해지고 있다. 반도체 집접회로와 디바이스의 수율 및 신뢰도 향상을 위해서는 고온, 약액, 플라즈마 등 거친 환경에서 프로세스 상태를 계측/평가할 수 있는 웨이퍼 센서 기술이 필요하다.
본 발명은 고온, 고압, 약액 및 플라즈마 상태 등 거친 환경에서 프로세스 상태를 측정할 수 있는 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 제조 공정이 간단하고 측정 정확도가 높은 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 웨이퍼 센서는 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 형성되고, 압전성 물질로 이루어지는 압전층; 상기 압전층 상에 형성되고, 프로세스 상태에 따라 가변적인 주파수 신호를 출력하는 표면탄성파 센서; 상기 압전층 상에 형성되고 상기 표면탄성파 센서와 전기적 신호를 주고받도록 연결되는 안테나; 및 외부 환경 조건으로부터 보호되도록 상기 압전층과 상기 표면탄성파 센서 및 상기 안테나를 덮는 보호층;을 포함한다.
상기 보호층은 상기 웨이퍼와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 보호층은 상기 웨이퍼보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
상기 보호층은 상기 압전층의 상면에 결합되는 표면웨이퍼를 포함할 수 있다.
상기 보호층은 상기 압전층, 상기 표면탄성파 센서 및 상기 안테나의 상면에 증착되는 증착층을 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼는 반도체 설비에 의해 처리 가능한 표준 규격의 웨이퍼일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 웨이퍼 상에 압전성 물질로 이루어지는 압전층을 형성하는 단계; 상기 압전층 상에 프로세스 상태에 따라 가변적인 주파수 신호를 출력하는 표면탄성파 센서를 형성하는 단계; 상기 압전층 상에 상기 표면탄성파 센서와 전기적 신호를 주고받도록 연결되도록 안테나를 형성하는 단계; 및 외부 환경 조건으로부터 보호되도록 상기 압전층과 상기 표면탄성파 센서 및 상기 안테나를 덮는 보호층을 형성하는 단계;를 포함하는 웨이퍼 센서 제조 방법이 제공된다.
상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼와 동일한 물질을 증착하여 증착층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼 센서 제조 방법은 상기 증착층의 상면을 평탄화하는 단계;를 더포함할 수 있다.
상기 평탄화하는 단계는, 상기 표면탄성파 센서의 상부 영역의 증착층 중 상층부를 제거하여 상기 보호층의 상면을 평탄면으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 압전층의 상면에 표면웨이퍼를 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 표면웨이퍼는 상기 웨이퍼와 동일한 물질로 이루어지고, 상기 웨이퍼보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 고온, 고압 및 플라즈마 상태 등 거친 환경에서 프로세스 상태를 측정할 수 있는 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 제조 공정이 간단하고 측정 정확도가 높은 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 평면도이다.
도 3은 도 2의 'A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 'B'부 확대도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 평면도이다.
도 11은 도 10의 'A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 12는 도 11의 'B'부 확대도이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 평면도이다.
도 18은 도 17의 'A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 19는 도 17의 'B'부 확대도이다.
도 20 내지 도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 평면도이다. 도 3은 도 2의 'A-A' 선에 따른 단면도이다. 도 4는 도 3의 'B'부 확대도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 웨이퍼(10), 표면탄성파 센서부(20) 및 보호층(30)을 포함한다.
웨이퍼(10)는 반도체 설비에 의해 처리 가능한 표준 규격의 웨이퍼일 수 있다. 웨이퍼(10)는 예를 들어, 실리콘으로 제공될 수 있으며, 플라즈마, 약액 등의 다양한 공정 조건에 대응할 수 있도록 산화 실리콘(SiO2), 석영, 알루미나(Al2O3)등의 기판을 사용하거나, 표면 개질을 하여 사용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 웨이퍼(10)는 상면에 표면탄성파 센서부(20)의 매립을 위한 공동(cavity)(12)이 형성될 수 있다. 일 실시예로, 웨이퍼(10)의 공동(12)은 웨이퍼(10)의 상면에 표면탄성파 센서부(20)의 두께 이상의 깊이 만큼 요입되어 형성될 수 있다.
표면탄성파 센서부(20)는 프로세스 상태를 측정하기 위한 것으로, 웨이퍼(10) 상에 형성되어 프로세스 상태에 따라 가변적인 주파수 신호를 출력한다. 표면탄성파 센서부(20)는 공동(12) 내에 매립될 수 있다. 표면탄성파 센서부(20)는 압전성 물질을 포함하는 압전성 기판(22)과, 압전성 기판(22) 상에 형성되는 표면탄성파 센서(24) 및 안테나(26)를 포함할 수 있다.
압전성 기판(22)은 온도, 압력 등의 외력에 민감한 압전성 물질로 제공될 수 있다. 압전성 물질은 기계적 신호의 인가 시 전기적 특성이 변화되거나(압전효과), 전기적 신호의 인가 시 기계적 신호가 생기는(역압전효과) 재료일 수 있다. 압전성 물질은 예를 들어, 니오브산 리튬(예; LiNbO3), 탄탈산 리튬(예; LiTaO3), 사붕소산 리튬(Li2B4O7), 티탄산바륨(BaTiO3), PbZrO3, PbTiO3, PZT, ZnO, GaAs, 석영(Quartz), 니오브산염 등이 사용될 수 있다.
표면탄성파 센서(24) 및 안테나(26)는 압전성 기판(22)의 표면에 금속성 물질의 패턴으로 형성될 수 있다. 안테나(26)는 표면탄성파 센서(24)와 전기적 신호 또는 진동 신호를 주고받도록 연결될 수 있다. 외부에서 안테나(26)로 무선 RF 신호를 인가하면, 전기적 신호는 압전성 기판(22)의 표면에 기계적 진동을 일으킨다. 이때 발생하는 압전성 기판(22)의 기계적 진동은 프로세스 상태에 따라 발생하는 외력에 의해 영향을 받아 변하게 된다.
표면탄성파 센서(24)는 프로세스 상태에 의해 변화하는 압전성 기판(22)의 기계적 진동값을 검출하여 전기적 신호로 변환한다. 표면탄성파 센서(24)에 의해 출력되는 전기적 신호는 안테나(26)를 통해 외부 리더기(도시 생략)로 무선 전송된다. 외부 리더기는 표면탄성파 센서부(20)로부터 수신한 전기적 신호를 기반으로 압전성 기판(22)에 가해지는 외력의 크기를 계측/평가하여, 웨이퍼(10) 주변의 프로세스 상태를 측정한다. 외력 변화에 따라 압전성 기판(22)이 변형되면 진동 특성이 변하게 되는데, 이러한 진동 특성의 변화를 표면탄성파 센서(22)를 통해 검출하여 압전성 기판(22)에 가해지는 외력과 프로세스 상태를 알 수 있게 된다.
보호층(30)과 공동(12) 내의 표면탄성파 센서부(20) 사이의 공간은 충진재(40)로 충진될 수 있다. 압전성 기판(22)과 공동(12) 사이에 충진재(40)를 채워 공백을 최소화하고, 표면탄성파 센서부(20)의 위치를 고정하고 내부 기공의 형성을 억제할 수 있다. 충진재(40)는 예를 들어, 열경화성 폴리머 물질로 제공될 수 있다.
보호층(30)은 웨이퍼(10) 상에 형성되고, 표면탄성파 센서부(20)를 덮어 표면탄성파 센서부(20)를 고온, 고압, 플라즈마 등의 외부 환경 조건으로부터 보호한다. 보호층(30)은 웨이퍼(10)의 상면에 결합되는 표면웨이퍼(surface wafer)를 포함할 수 있다. 표면웨이퍼는 웨이퍼(10)의 상면에 접합에 의해 결합될 수 있다.
표면웨이퍼는 웨이퍼(10)와 동일한 평면 형상으로 제공될 수 있다. 표면탄성파 센서부(20)의 측정 정확도가 낮아지지 않도록 하기 위해, 표면웨이퍼는 웨이퍼(10)보다 얇은 두께로 제공되고, 웨이퍼(10)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 보호층(30)(표면웨이퍼)은 웨이퍼(10)와 마찬가지로, 실리콘, 산화 실리콘(SiO2), 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 기판 또는 표면 개질된 기판이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 반도체 설비에 적합한 규격(예를 들면, 8인치, 12인치 등)의 웨이퍼(10)에 표면탄성파 센서부(20)를 통합하고, 표면탄성파 센서부(20)가 약액, 고압, 플라즈마 등에 의해 화학적, 기계적, 전기적으로 손상되지 않도록 상부에 한 장의 표면웨이퍼로 이루어지는 보호층(30)을 덮어 접합함으로써, 표면탄성파 센서부(20)를 보호한다.
표면탄성파 센서(24)는 웨이퍼(10) 위에 균일하게 분포시킬 수 있으며, 프로세스에 사용되는 웨이퍼와 동일하게 온도를 측정할 수 있다. 일 실시예로, 표면탄성파 센서(24)들 중 적어도 2 이상은 서로 다른 주파수 대역에서 동작하도록 설계될 수 있다.
외부 리더기는 주파수 대역을 조절하여 표면탄성파 센서(24)들 중 일부를 선택적으로 작동시킬 수 있으며, 표면탄성파 센서(24)로부터 수신되는 데이터의 주파수 대역을 통해 어느 위치에 설치된 표면탄성파 센서(24)의 측정값인지 구분할 수 있다. 복수의 표면탄성파 센서부(20)를 웨이퍼(10) 상에 균일하게 분포시키는 경우, 웨이퍼(10) 전체의 온도 분포를 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 반도체 설비의 FOUP(front opening unified pod)과 로봇에 의해 핸들링이 가능하여 자동화 시스템에서 오염물 및 생산 환경에 거의 방해 없이 모니터링용 센서로 수행할 수 있도록 구성된다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 5의 도시와 같이, 압전성 기판(22) 상에 표면탄성파 센서(24)와 안테나(26)를 형성하여 표면탄성파 센서부(20)를 제조한다.
그리고, 도 6의 도시와 같이, 웨이퍼(10)의 상면에 공동(12)을 형성한다. 일 실시예로, 공동(12)은 선택적 식각에 의해 형성될 수 있다. 공동(12) 내에 표면탄성파 센서부(20)가 매립될 수 있도록 공동(12)은 표면탄성파 센서부(20)의 두께 이상의 깊이 만큼 식각되어 형성될 수 있다.
웨이퍼(10) 상에 공동(12)은 표면탄성파 센서부(20)의 개수만큼 형성될 수 있다. 공동(12)의 형상과 면적은 표면탄성파 센서부(20)와 동일하거나 그보다 약간 크게 제공될 수 있다. 공동(12)들은 웨이퍼(10) 중에서 프로세스 상태를 측정하고자 하는 위치들에 형성될 수 있다.
다음으로, 웨이퍼(10) 상의 공동(12)들 내에 표면탄성파 센서부(20)들을 정렬시켜 접합한다. 이에 따라, 표면탄성파 센서부(20)들은 웨이퍼(10)의 공동(12)들 내에 매립되는 형태로 설치된다. 표면탄성파 센서부(20)는 압전성 기판(22)의 바닥면이 공동(12)의 바닥면에 접합되어 설치될 수 있다.
표면탄성파 센서부(20)가 공동(12) 내에 매립됨에 따라, 표면탄성파 센서(24)는 웨이퍼(10)의 상면에 가까운 높이에 배치될 수 있다. 따라서, 표면탄성파 센서(24)와 웨이퍼(10)의 상면 간의 거리가 가까워지기 때문에, 웨이퍼(10)의 상면 부근의 프로세스 상태를 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다. 또한, 표면탄성파 센서부(20)가 공동(12) 내에 매립됨에 따라, 표면탄성파 센서부(20)는 공동(12)의 바닥면과 측면들에 의해 보호될 수 있으며, 약액, 고압, 플라즈마 등의 공정 조건에 의한 손상을 방지할 수 있다.
다음으로, 보호층(30)과 표면탄성파 센서부(20) 사이의 공간을 충진재로 충진하기 위하여, 도 8의 도시와 같이, 표면탄성파 센서부(20)가 매립된 상태에서 공동(12)들 내에 충진재(40)를 채운 후, 웨이퍼(10)의 상면에 표면탄성파 센서부(20)를 보호하기 위한 보호층(30)을 결합한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 보호층(30)은 웨이퍼(10)와 동일한 평면 형상을 가지는 표면웨이퍼로 제공될 수 있다. 표면탄성파 센서부(20)의 측정값에 미치는 오차 요인을 줄이기 위하여, 표면웨이퍼는 웨이퍼(10)와 동일한 물질로 이루어지고 웨이퍼(10)보다 얇은 두께를 가지도록 제공될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 표면탄성파 센서부(20)는 웨이퍼(10)와 보호층(30) 사이(두 장의 웨이퍼 사이)에 캡슐화되어 보호되는 형태로 패키징되며, 고온, 고압, 플라즈마 등의 거친 환경 조건으로부터 보호받을 수 있으며, 표면탄성파 센서부(20)에 파티클이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, CPU, 메모리, 배터리 등의 전자소자들을 웨이퍼에 집적할 필요가 없어 고온, 플라즈마 등에 의해 전자소자들이 손상될 우려가 없으며, 챔버 내의 거친 환경 조건에 의해 표면탄성파 센서부(20)가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 고온에서도 프로세스 상태의 계측/평가가 가능하며, 프로세스 상태의 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 웨이퍼 센서의 제작 공정도 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있으며, 센서의 소형화가 가능하고 견고하며 전력 소모가 낮으며, 높은 주파수에서 동작하여 감도도 높은 이점이 있다. 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 온도뿐만 아니라 습도, 압력, 충격, pH, 가스, 하중 센서 등의 프로세스 상태를 측정하는데 활용될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 사시도이다. 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 평면도이다. 도 11은 도 10의 'A-A' 선에 따른 단면도이다. 도 12는 도 11의 'B'부 확대도이다. 도 9 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서에 대해 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서를 설명함에 있어서, 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 웨이퍼(10)의 표면에 표면탄성파 센서부(20)가 접합되는 구조로 제공되는 점에서 앞서 설명한 제1 실시예와 차이가 있다. 본 발명의 제2 실시예의 경우, 웨이퍼(10) 상에 공동(cavity)을 형성하는 공정은 생략될 수 있으며, 공동 내에 충진재를 채우는 공정 또한 생략될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에서, 표면탄성파 센서부(20)는 웨이퍼(10)의 상면에 접합되어 설치될 수 있다.
보호층(30)은 웨이퍼(10)와 표면탄성파 센서부(20)를 덮어 표면탄성파 센서부(20)를 보호하며, 보호층(30)의 상면은 평탄면으로 형성된다. 보호층(30)은 웨이퍼(10)와 표면탄성파 센서부(20)의 상면에 증착되는 증착층으로 제공될 수 있다. 보호층(30)은 표면탄성파 센서부(20) 상의 두께가 표면탄성파 센서부(20)의 주변 영역의 두께보다 표면탄성파 센서부(20)의 두께 만큼 얇을 수 있다.
보호층(30)은 웨이퍼(10)와 동일한 평면 형상을 가질 수 있다. 표면탄성파 센서부(20)의 측정 오차를 최소화하기 위하여, 보호층(30)은 웨이퍼(10)보다 얇은 두께의 증착층으로 형성되고, 증착층은 웨이퍼(10)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 보호층(30)(증착층)은 웨이퍼(10)와 마찬가지로, 실리콘, 산화 실리콘(SiO2), 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 기판 또는 표면개질된 기판이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 반도체 설비에 적합한 규격(예를 들면, 8인치, 12인치 등)의 웨이퍼(10) 표면에 표면탄성파 센서부(20)를 통합하고, 표면탄성파 센서부(20)가 화학적, 기계적, 전기적으로 손상되지 않도록, 표면탄성파 센서부(20)의 상부에 보호층(30)을 덮어 표면탄성파 센서부(20)를 약액, 고압, 플라즈마 등의 외부 환경 조건으로부터 보호한다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 13의 도시와 같이, 압전성 기판(22) 상에 표면탄성파 센서(24)와 안테나(26)를 증착 등에 의해 형성하여 표면탄성파 센서부(20)를 제조한다. 다음으로, 웨이퍼(10)의 상면에 표면탄성파 센서부(20)를 형성한다. 표면탄성파 센서부(20)는 접합에 의해 웨이퍼(10)의 표면에 결합될 수 있다.
이어서, 도 14의 도시와 같이, 웨이퍼(10)의 상면에 표면탄성파 센서부(20)를 보호하기 위한 보호층(30)을 형성한다. 보호층(30)은 스퍼터링(sputtering), CVD(chemical vapor deposition), 물리 증착(evaporation) 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 보호층(30)은 플라즈마, 처리가스 등에 대해 화학적 내구성을 갖추기 위하여, 실리콘, 산화 실리콘(SiO2), 알루미나(Al2O3) 등으로 형성될 수 있다.
물리적, 화학적 박막 증착에 의해 보호층(30)을 형성할 경우, 표면탄성파 센서부(20) 상부의 보호층(30)의 상면 높이가 표면탄성파 센서부(20) 주변의 보호층(30)의 상면 높이 보다 높게 된다. 보호층(30)의 높이가 불균일해짐에 따라, 웨이퍼 센서의 상부 층의 유체의 흐름이 방해되는 경우, 웨이퍼 센서의 측정값에 오차 요인이 될 수 있다.
웨이퍼 센서의 상부측 유체 흐름이 방해되는 것을 방지하기 위해, 도 15의 도시와 같이, 표면탄성파 센서부(20) 상부 영역의 보호층(32)을 제거하여 보호층(30)의 상면을 평탄화할 수 있다. 일 실시예로, 보호층(32)은 CMP(Chemical-Mechanical Polishing)와 같은 방법으로 평탄화될 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 센서 상부의 유체의 흐름을 원활하게 할 수 있다.
이때, 표면탄성파 센서부(20)의 상부 영역의 보호층(30a) 중의 상층부를 제거하여 보호층(30)의 상면을 평탄면으로 형성할 수 있다. 보호층(30)을 평탄화함에 따라, 표면탄성파 센서부(20) 상부 영역의 보호층(30a)의 두께는 표면탄성파 센서부(20) 주변 영역의 보호층(30b)의 두께 보다 얇아지게 된다. 이에 따라, 표면탄성파 센서부(20)의 측정값의 오차 요인을 줄일 수 있게 된다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 표면탄성파 센서부(20)가 웨이퍼(10)와 보호층(30) 사이에 보호되어, 약액, 고압, 플라즈마 등의 거친 환경 조건으로부터 보호받을 수 있으며, 표면탄성파 센서부(20)에 파티클이 유입되어 측정값에 오차를 일으키는 것을 방지할 수 있다.
또한, CPU, 메모리, 배터리 등의 전자소자들을 웨이퍼에 집적할 필요가 없어 고온에 의해 전자소자들이 손상될 우려가 없으며, 챔버 내의 거친 환경 조건에 의해 표면탄성파 센서부(20)가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 고온에서도 프로세스 상태의 계측/평가가 가능하며, 프로세스 상태의 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따르면 웨이퍼 센서의 제작 공정도 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있으며, 센서의 소형화가 가능하고 견고하며 전력 소모가 낮으며, 높은 주파수에서 동작하여 감도도 높은 이점이 있다. 뿐만 아니라, 웨이퍼(10)와 보호층(30) 사이에 내부 공간이 전혀 없기 때문에, 초고압 환경 조건에서도 센서의 손상 없이 프로세스 상태의 측정이 가능하다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 사시도이다. 도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 평면도이다. 도 18은 도 17의 'A-A' 선에 따른 단면도이다. 도 19는 도 17의 'B'부 확대도이다. 도 16 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서에 대해 설명한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예들과 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 웨이퍼(10) 위에 압전층(22a)을 증착 또는 접합하여 형성되는 점에서, 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 본 발명의 제3 실시예의 경우, 웨이퍼(10)의 상면에 공동(cavity)을 형성하는 공정과, 공동 내에 충진재를 채우는 공정은 생략될 수 있다.
웨이퍼(10) 위에 압전층(22a)이 형성되고, 압전층(22a) 상에 금속성 재료 패턴에 의해 표면탄성파 센서(24)와 안테나(26)가 형성된다. 압전층(22a)은 기계적 신호의 인가 시 전기적 특성이 변화되거나(압전효과), 전기적 신호의 인가 시 기계적 신호가 생기는(역압전효과) 압전 재료로 제공될 수 있다. 압전층(22a)은 웨이퍼(10)의 상면에 박막 증착되거나, 웨이퍼(10)와 동일한 평면 형상을 가지는 압전성 기판으로 제공되어 웨이퍼(10)의 상면에 접합될 수 있다.
압전층(22a)은 예를 들어, 니오브산 리튬(예; LiNbO3),탄탈산 리튬(예; LiTaO3), 사붕소산 리튬(Li2B4O7), 티탄산바륨(BaTiO3), PbZrO3, PbTiO3, PZT, ZnO, GaAs, 석영(Quartz), 니오브산염 등을 스퍼터링, 증발법, 화학기상증착법 또는 접합 등의 방법으로 형성할 수 있다.
표면탄성파 센서(24)와 안테나(26)의 상부에는 표면탄성파 센서부(20)의 기계적, 화학적 또는 전기적 손상을 방지하기 위하여 보호층(30)이 형성된다. 보호층(30)은 제2 실시예에서와 같이 박막 증착 방식에 의해 형성될 수도 있고, 제1 실시예에서와 같이 표면웨이퍼 접합 방식으로 압전층(22a)에 접합되어 형성될 수도 있다.
보호층(30)은 웨이퍼(10)와 동일한 평면 형상을 가지고, 웨이퍼(10)보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. 보호층(30)은 웨이퍼(10)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 보호층(30)은 웨이퍼(10)와 마찬가지로, 실리콘, 산화 실리콘(SiO2), 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 기판 또는 표면개질된 기판이 사용될 수 있다.
보호층(30)을 박막 증착에 의해 형성하는 경우, 앞서 설명한 제2 실시예와 같이, 표면탄성파 센서의 상부 영역의 증착층 중 상층부 표면을 CMP(Chemical-Mechanical Polishing)와 같은 방법으로 평탄하게 하여 보호층(30)의 표면을 평탄화함으로써, 웨이퍼 센서의 표면에서 유체의 흐름에 방해가 되지 않게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 센서는 반도체 설비에 적합한 규격(예를 들면, 8인치, 12인치 등)의 웨이퍼(10) 표면에 표면탄성파 센서부(20)를 통합하고, 표면탄성파 센서부(20)가 화학적, 기계적, 전기적으로 손상되지 않도록, 상부에 보호층(30)을 덮어 표면탄성파 센서부(20)를 보호한다.
도 20 내지 도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 20의 도시와 같이, 웨이퍼(10)의 상면에 압전층(22a)을 증착 또는 접합에 의해 형성한다. 이어서, 도 21의 도시와 같이, 압전층(22a) 상에 표면탄성파 센서(24)와 안테나(26)를 증착하여 표면탄성파 센서부(20)를 형성한다. 다음으로, 도 22의 도시와 같이, 압전층(22a)과 표면탄성파 센서(24) 및 안테나(26)의 상면에 표면탄성파 센서부(20)를 보호하기 위한 보호층(30)을 박막 증착 또는 표면웨이퍼 접합에 의해 형성한다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 표면탄성파 센서부(20)가 웨이퍼(10)와 보호층(30) 사이에 보호되어, 고온, 고압, 플라즈마 등의 거친 환경 조건으로부터 보호받을 수 있으며, 표면탄성파 센서부(20)에 파티클이 유입되어 측정값에 오차를 일으키는 것을 방지할 수 있다.
또한, CPU, 메모리, 배터리 등의 전자소자들을 웨이퍼에 집적할 필요가 없어 고온에 의해 전자소자들이 손상될 우려가 없으며, 챔버 내의 거친 환경 조건에 의해 표면탄성파 센서부(20)가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 고온에서도 프로세스 상태의 계측/평가가 가능하며, 프로세스 상태의 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따르면 웨이퍼 센서의 제작 공정도 매우 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있으며, 센서의 소형화가 가능하고 견고하며 전력 소모가 낮으며, 높은 주파수에서 동작하여 감도도 높은 이점이 있다. 뿐만 아니라, 웨이퍼(10)와 보호층(30) 사이에 내부 공간이 전혀 없기 때문에, 초고압 환경 조건에서도 센서의 손상 없이 프로세스 상태의 측정이 가능하다. 또한, 압전층(22a)이 웨이퍼(10) 전체에 균일하게 증착되기 때문에, 영역에 따른 온도 센싱 특성 또한 균일하게 할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 웨이퍼
12: 공동(cavity)
20: 표면탄성파 센서부
22: 압전성 기판
22a: 압전층
24: 표면탄성파 센서
26: 안테나
30: 보호층
40: 충진재

Claims (12)

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  7. 웨이퍼 상에 압전성 물질로 이루어지는 압전층을 형성하는 단계;
    상기 압전층 상에 프로세스 상태에 따라 가변적인 주파수 신호를 출력하는 표면탄성파 센서를 형성하는 단계;
    상기 압전층 상에 상기 표면탄성파 센서와 전기적 신호를 주고받도록 연결되도록 안테나를 형성하는 단계; 및
    외부 환경 조건으로부터 보호되도록 상기 압전층과 상기 표면탄성파 센서 및 상기 안테나를 덮는 보호층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 압전층과 상기 표면 탄성파 센서 및 상기 안테나 상에 증착층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 증착층을 형성하는 단계에서 상기 표면탄성파 센서 및 상기 안테나 상부의 증착층의 상면 높이가 상기 표면탄성파 센서의 주변 및 상기 안테나 주변의 증착층의 상면 높이 보다 높게 형성되고,
    상기 표면탄성파 센서의 상부 영역의 증착층 및 상기 안테나의 상부 영역의 증착층 중의 상층부를 제거하여 상기 증착층의 상면을 평탄면으로 형성함으로써, 상기 증착층의 상면을 평탄화하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 센서 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼와 동일한 물질을 증착하여 증착층을 형성하는 단계를 포함하는 웨이퍼 센서 제조 방법.
  9. 삭제
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