KR20010003884A

KR20010003884A - 미세 열유속센서 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20010003884A
Application number: KR1019990024371A
Authority: KR
Inventors: 전재철; 이승섭; 김무환
Original assignee: 정명식; 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-01-15
Also published as: KR100300285B1

Abstract

본 발명은 멤스(MEMS;Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 낮은 열유속 범위에서도 높은 감도와 측정 정확도를 갖는 초소형의 미세 열유속센서 (Micro Heat Flux Sensor) 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 미세 열유속센서는 실리콘으로 형성된 몸체와, 몸체를 포위하는 산화물층과, 금막으로 형성되고 온도차를 발생시키기 위하여 상기 물체로부터의 열유속을 상방향으로 그리고 수평방향으로 이동시키는 열경로와, 열경로의 온도차를 측정하는 서모미터로 이루어진다. 열경로는 열이 상방향으로 이동되는 수용부와 수평방향으로 이동되는 측정부로 구성되며, 측정부의 중앙부 및 주변부에는 온도를 측정하기 위한 측정지점이 설정되어 있다. 온도차를 측정하는 서모미터는 온도차를 증폭시키기 위하여 열전대열을 포함하며, 열전대열은 각각의 온도 측정지점에 각각의 단부가 함께 접속되는 2개의 금속으로 이루어진 열전대들을 구비한다. 본 발명에 따라 측정부에서 측정된 온도차가 증폭된 신호로 출력되어 낮은 열유속범위에서도 열유속을 정확히 측정할 수 있다.

Description

미세 열유속센서 및 그 제조 방법{Micro Meat Flux Sensor and Method For Fabricating The Sensor}

본 발명은 열유속센서에 관한 것으로, 보다 상세히는 멤스(MEMS;Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 낮은 열유속에서 높은 감도와 측정 정확도를 갖는 미세 열유속센서(Micro Heat Flux Sensor) 및 미세 열유속센서의 제조방법에 관한 것이다.

열전달에 있어서 물체의 열적 경계조건를 결정하기 위해서는 물체의 단위면적당 열에너지의 전달량인 열유속을 측정하여야 하며, 일반적으로 열유속을 측정하기 위하여 열유속센서들이 사용되고 있다. 열유속센서들은 측정방법에 따라 구배형(Gradient) 열유속센서, 과도형(Transient) 열유속센서 및 평형형(Balanced) 열유속센서로 분류된다. 또한 구배형 열유속센서는 형태에 따라 층형게이지(Layed Gauge)의 형태와 원형의 박막게이지(Circular Thin Foil Gauge)의 형태로 구분된다.

이상의 열유속센서들중 대표적인 종래의 예로서, 구배형이며 층형게이지 형태의 열유속센서가 도 1에 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 열유속센서(2)는 열유속을 측정하고자 하는 물체의 벽(1)에 설치된다. 열유속센서(2)는 열저항(3)을 포함하며, 열저항(3)의 양측에는 온도측정부(4,5)가 부착된다. 제1 온도측정부(4)는 벽(1)과 열저항(3) 사이에 위치하며, 열저항(3)의 하부에는 제2 온도측정부(5)가 위치한다.

이와 같이 구성된 열유속센서(2)는, 벽(1)으로부터 열유속이 화살표(a)방향으로 전달되어 제1 온도측정부(4), 열저항(3) 및 제2 온도측정부(5)로 이동할 때, 제1 온도측정부(4)에서 측정된 온도와 제2 온도측정부(5)에서 측정된 온도와의 차이를 구하여 물체의 열유속을 측정한다. 이와 같은 열유속 측정방식에 있어서, 실제로 열저항(3)의 두께가 열유속의 측정속도 및 정확도에 핵심적으로 영향을 미치는 인자인 것으로 알려져 있다. 즉, 열유속의 측정속도는 열저항(3)의 두께에 반비례하는 반면 측정의 정확도는 열저항(3)의 두께에 비례함으로써, 종래의 열유속센서(2)는 측정속도와 정확도가 상호 상반되는 성질을 가지고 있는 것이다.

예컨대 열저항의 두께를 얇게 하면, 열유속의 측정속도는 신속하게 된다. 그러나, 2개의 온도측정부에서 측정된 온도차가 작게 되어 온도차에 대한 출력신호가 매우 작음으로써 열유속을 정확히 측정할 수 없음은 물론 측정에러가 자주 발생되는 문제가 있다. 반면에, 측정정확도를 향상시키기 위해 열저항의 두께를 크게 하면, 온도차가 크게 되어 열유속을 정확하게 측정할 수 있지만, 커다란 두께로 인하여 측정속도가 느린 문제점이 있다. 특히, 층형게이지 타입은 열유속이 느린 경우에는 적정한 온도차를 보장받을 수 없어 열유속을 정확히 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 이와 같은 층형게이지 타입의 문제점을 해결하기 위해, 즉, 적정한 온도차를 보장받기 위해 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 원형의 박막게이지 타입의 열유속센서가 제안되어 있다. 이러한 열유속센서(6)는 도 2a에 나타낸 바와 같이 복사 열유속을 측정하거나, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 전도 열유속을 측정하기 위하여 콘스탄탄 디스크(Constanan Disk)(7)와 콘스탄탄 디스크(7)을 지지하는 구리지지체(8)를 구비하고 있다. 콘스탄탄 디스크(7)의 중심에는 물체로부터 발생되는 열의 온도를 측정하기 위하여 중앙 접점(7a)이 형성되어 있고, 또한 중앙 접점(7a)과 일정거리로 이격된 주변의 일지점에는 중앙접점으로부터 전달되는 열의 온도를 측정하기 위하여 주변 접점(7b)이 형성되어 있다. 디스크(7)의 중앙 접점(7a)에는 접점의 온도를 측정하기 위하여 구리 와이어(9a)가 연결되어 있으며, 구리 지지체(8)에도 또한 주변 접점(7b)의 온도를 측정하기 위하여 구리 와이어(9b)가 연결되어 있다.

이와 같이 구성된 열유속센서(6)에서는, 도 2a에 도시된 바와 같이 콘스탄탄 디스크(7)가 물체로부터 발생되는 복사열유속(a')을 수용하고 중심으로부터 방사방향으로 유동시켜, 중앙접점(7a)과 주변접점(7b)을 통하여 온도를 측정하고 이들 온도의 차이를 이용하여 열유속을 측정하는 것이다. 이때, 복사 열유속이 디스크 전체에서 균일하다면, 그 온도차는 이론적으로 2차함수관계가 되어 열유속이 정확하게 측정될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열유속을 높은 감도를 가지고 정확하게 측정할 수 있는 미세 열유속센서를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 낮은 열유속상태에서도 열유속을 정확하게 측정할 수 있는 미세 열유속센서를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열유속을 높은 감도를 가지고 정확하게 측정할 수 있는 미세 열유속센서를 제조하는 방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 층형 열유속센서를 보여주는 단면도,

도 2a 및 도 2b는 종래의 원형의 박막 게이지형 열유속센서를 보여주는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 열유속센서의 열경로인 수용부와 측정부를 개략적으로 보여주는 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 서모미터를 구성하는 제1 금속과 제2 금속의 연결상태를 보여주는 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 열유속의 이동상태를 보여주는 사용상태도,

도 7은 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 제조방법을 상세히 보여주는 공정도이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 미세 열유속센서 12: 몸체

16: 산화물층 18: 수용부

20: 측정부 24: 패턴층

26: 제1 금속 28: 제2 금속

30: 절연층

이상의 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따르면, 본 발명에 따른 미세 열유속센서는 물체의 열유속을 측정하기 위한 미세 열유속센서로서, 관통공이 형성된 몸체와; 상기 몸체의 상면, 하면 및 관통공 전체에 형성된 산화물층과; 상기 물체로부터의 열유속을 수용하여 상방향으로 이동시키기 위해 물체에 접촉하고, 상기 몸체의 하면 및 관통공에 도포된 산화물층에 도포되는 수용부와; 상기 수용부로부터 전달되는 열유속을 중심으로부터 방사방향으로 분산시키기 위해 중심이 상기 수용부에 접하고 상기 몸체의 상면에 형성된 산화물층에 도포되며, 중앙부에 제1 온도측정지점과 이 제1 온도측정지점으로부터 외주변을 향해 이격된 제 2의 온도측정지점이 형성되는 측정부와; 상기 측정부의 온도측정지점들의 온도차를 측정하는 서모미터로 이루어져 있다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 제조방법은 물체의 열유속을 측정하기 위한 미세 열유속센서를 제조하는 방법으로, 웨이퍼의 양면에 산화물층을 형성하기 위하여 산화처리하는 단계와; 상기 웨이퍼에 패턴을 형성하고 산화물을 식각하는 단계와; 상기 웨이퍼를 실리콘 기판식각하는 단계와; 상기 웨이퍼의 식각면에 산화물층을 성장시키는 단계와; 상기 웨이퍼상에 형성된 산화물층에 열경로를 형성하는 수용부 및 측정부를 도포시키는 단계와; 상기 측정부의 상면에 산화물층을 도포시키는 단계와; 패턴층을 형성하기 위해 상기 산화물층을 패터닝하는 단계와; 상기 패턴층의 일측에 열전대열의 일부를 형성하는 제1 금속을 도포시키는 단계와; 상기 패턴층의 타측에 열전대열의 다른 일부를 형성하는 제2 금속을 도포시키는 단계와; 상기 패턴층, 제1 금속 및 제2 금속에 절연층을 도포시키는 단계로 이루어져 있다.

이하, 본발명에 따른 미세 열유속센서와 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 단면도가 도시되어 있는 도 3을 참조로 하면, 미세 열유속센서(10)는 열유속센서를 자체적으로 지지하기 위한 몸체(12)를 포함한다. 몸체(12)는 원판형의 실리콘 웨이퍼로 형성되며, 중앙에는 기판식각(Bulk Etching)에 의해 하방으로 갈수록 직경이 커지는 관통공(14)이 형성된다.

그리고, 몸체(12)의 상면, 하면 및 관통공의 표면 모두에는 산화물층(16)이 형성된다. 산화물층(16)은 몸체(12)의 하면에 형성되는 제1 산화물층(16a)과 관통공(14)에 형성되는 제2 산화물층(16b) 및 몸체(12)의 상면에 형성되는 제3 산화물층(16c)으로 구성된다.

산화물층(16)의 제1 및 제2 산화물층(16a,16b)에는 물체로부터 발생되는 열을 수용하여 이동시키는 수용부(18)가 형성된다. 수용부(18)는 열도전성이 높고 재료의 물리적 및 화학적 특성이 쉽게 변하지 않는 금막(Gold Film)으로 형성되는 것이 바람직하다. 수용부(18)는 제1 산화물층(16a)에 도포되는 중공의 평판부(18a)와 제2 산화물층(16b)에 도포되는 중공의 사각뿔부(18b)로 이루어진다.

또한, 산화물층(16)의 제3 산화물층(16c)에는 수용부(18)로부터 전달되는 열유속을 중심으로부터 방사방향으로 분산시켜 온도차를 측정하기 위한 측정부(20)가 형성된다. 측정부(20)는 중앙부가 수용부(18)에 접촉하는 디스크형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 측정부(20)에는 중앙부의 온도를 측정하기 위한 중앙온도 측정지점(20a)과 중앙온도 측정지점(20a)으로부터 주변방향으로 이격된 주변온도 측정지점(20b)이 형성된다.

상술한 바와 같이 수용부(18)와 측정부(20)가 접촉형성됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같은 열경로가 형성된다. 즉, 물체로부터 발생되는 열유속은 수용부(18)에 의해 형성되는 경로를 따라 상승하여 측정부(20)의 중앙부로 이동한 후, 측정부(20)에 의해 형성된 경로를 따라 측방으로 이동하게 되며, 이에 따라 측정부(20)에서 온도차가 발생되는 것이다.

한편, 측정부(20)상에는 중앙온도 측정지점(20a)과 주변온도 측정지점(20b)의 온도차를 측정하기 위하여 서모미터(Thermometer)(22)가 제공된다. 서모미터(22)는 측정된 온도차를 증폭시키기 위하여 다수의 열전대(Thermocouple)로 이루어진 열전대열(Thermopile)을 구비하고 있다. 서모미터(22)는 산화물로 형성된 패턴층(24)을 포함하며, 패턴층(24)에는 도 5에 도시된 바와 같이 상호 접속되어 열전대를 형성함은 물론 각각의 온도 측정지점들(20a,20b)을 상호 접속시키는 제1 금속(26) 및 제2 금속(28)이 용착된다. 여기서, 제1 금속(26)으로는 크롬이 제2 금속(28)으로는 니켈이 사용되는 것이 바람직하며, 한편으로는 크롬 또는 니켈 금속쌍과 같이 제백현상을 갖는 다른 금속쌍으로 대체될 수 있다. 최종적으로, 패턴층(24), 제1 금속(26) 및 제2 금속(28)은 산화물로 형성된 절연층(30)에 의해 차폐된다. 절연층(30)은 물론 열이 측정부(20)로부터 외부로 방출되는 것을 차단한다.

이와 같이 구성된 열유속센서의 작용모드를 도 3 내지 도 6을 참조로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 열유속이 측정될 물체(M)의 벽면을 통해 방출되는 열은 벽면에 접촉된 수용부(18)를 통해 상방향으로 이동하여 측정부(20)로 전달된다. 측정부(20)에 전달된 열은 측방향으로 중앙부로부터 주변을 향해 이동한다. 측정부(20)에서 열이 측방향으로 이동함에 따라 온도차가 발생한다. 이때, 측정부(20)의 중앙부에 형성된 중앙온도 측정지점(20a)과 중앙온도 측정지점(20a)으로부터 주변으로 일정거리에 이격된 주변온도 측정지점(20b)에서 각각의 온도를 측정하면, 양 지점간의 온도차를 알 수 있으며 이 온도차를 이용하여 열유속을 측정한다. 특히, 온도차는 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 열전대열(22)에 의해 증폭된다.

따라서, 해당 물체에서 작거나 미세한 열유속이 발생되는 경우 측정부(20)에서의 온도 측정지점간의 거리가 충분히 이격되어 있으므로, 열유속을 계산하는데 필수적인 적합한 온도차를 획득할 수 있음은 물론, 특히 온도차를 증폭된 신호로 출력시켜 열유속을 정확하게 측정할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 미세 열유속센서의 제조 방법을 도 7을 참조로 하여 상세히 설명한다. 하기 설명에 있어서, 크기, 두께, 온도, 시간 등을 나타내는 수치 및 제품명은 실시예의 이해를 돕기 위하여 일례로 제시된 것이며, 제시된 수치들에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것이 아님은 이해되어야 한다. 또한, 설명중 웨이퍼라 함은 설명의 명확성을 의해 미가공상태의 원재료로부터 완성된 열유속센서 전체를 의미하는 용어로 사용되고 있음을 주지해야 할 것이다.

본 발명에 따른 미세 열유속센서를 제조하기 위하여, 첫번째 단계로, 예컨대 3인치 직경과 400㎛의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼를 준비하여 웨이퍼의 양면에 산화물층을 형성하기 위하여 산화처리한다( S101). 웨이퍼를 약 1000℃의 로(Furnace)에서 120분 동안 습식산화(Wet Oxidation)처리하고 그 표면에 6000Å의 두께의 산화물층을 형성하여 기본적인 웨이퍼(12a)를 준비한다.

두번째 단계로, 웨이퍼(12a)에 패턴을 형성하고 양면에 형성된 산화물층을 식각(Etching)한다(S102). 이 단계에서는 먼저 측광기(Spectrophotometer)를 사용하여 웨이퍼(12a)가 소정의 두께(400㎛)를 갖는 가를 측정하고, 또한 웨이퍼의 양측 산화물층이 소정의 두께(6000Å)를 갖는 가를 측정한 후, 웨이퍼(12a)를 세정한다. 세정은 웨이퍼를 열판에서 황산(H₂SO₄)와 과산화수소(H₂O₂)가 2:1로 혼합된 세정액으로 12∼15분동안 실행하고, 세정후에는 탈이온수(De-ionized Water)로 3분동안 헹구고 질소(N₂)를 송풍시킨다. 그 후 웨이퍼(12a)를 120℃의 온도에서 200초동안 프리베이킹(Prebaking) 처리다. 그리고 나서 , 45초 동안 4000rpm으로 웨이퍼(12a)의 상면을 HMDS(Hexamethyldisilizane) 및 포토레지스트(AZ5214)를 스핀피복(Spin-Coat)하고, 90℃에서 100초동안 소프트베이킹(Soft Baking) 처리한다. 그 후 3분 동안 냉각시키고 다시 웨이퍼(12a)의 하면을 HMDS 및 포토레지스트(AZ5214)를 45초동안 4000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초동안 소프트 베이킹 처리한다. 또한, 2중 측면으로된 마스크 얼라이너(Mask Aligner)를 사용하여 웨이퍼를 7초동안 노출시키고, 웨이퍼를 현상액(Developer)(AZ300MIF)에 1분동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 이어서, 120℃에서 100초동안 하드 베이킹(Hard Baking)처리하고, 최종적으로 7분동안 BHF(Buffered Hydrogen Floride)용액(탈이온수에 BHF를 7:1로 희석시킨용액)에서 산화물층을 식각한다. 이때 일반적인 식각율(속도)은 600∼800Å/min이다. 이상의 공정에 의해 웨이퍼의 상면 및 하면에는 산화물층이 형성된다.

세번째 단계로, 웨이퍼(12a)를 TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)용액으로 실리콘 기판식각한다(S103). 식각단계는 웨이퍼(12a)에서 산화물층을 제거하고, 웨이퍼(12a)를 10초동안 다시 BHF용액에 침전시킨 후 헹구는 공정과, 웨이퍼(12a)를 90℃의 25wt%(중량 퍼센트)의 TMAH용액에 8시간동안 침전시킨후 헹구는 공정을 포함한다. 한편, 이때의 일반적인 실리콘의 식각율은 0.8∼1.0㎛/min이다. 이 단계에 의하여 도 3에 도시된 바와 같이 관통공(14)이 형성된 몸체(12)가 형성된다.

네번째 단계로, 몸체(12)의 식각면에 산화물층을 형성시킨다(S104). 여기서, 몸체(12)는 1000℃의 온도의 로에서 20분동안 습식 산화처리되어 최종적으로 6000Å두께의 산화물이 식각면에 형성된다. 이에 따라, 몸체(12)의 상면, 하면 및 식각면에는 도 3에 도시된 산화물층(16;16a,16b,16c)이 일체로 형성된다.

다섯번째 단계로, 몸체(12)에 형성된 산화물층(16)상에 열경로를 도포시킨다(S105). 열경로의 재질은 금막(Gold Film)이다. 이 단계에서는 열증발기(Thermal Evaporator)가 사용된다. 이 단계에서는, 산화물층이 피복된 몸체(12)를 포함하는 웨이퍼를 세정한 후 열증발기에 적재하고, 2.5×10^-6토르(Torr)의 진공압 분위기에서 35암페어의 전류가 가하여 2000Å 두께의 금막을 도포시킨다. 이에 따라, 산화물층(16)의 제1 및 제2 산화물층(16a,16b)에는 금막의 수신부(18)가 형성되고, 또한 제3 산화물층(16c)에는 수신부(18)에 이어지는 금막의 측정부(20)가 형성되어 전체의 열경로가 형성된다.

여섯번째 단계로, 측정부(20)의 상면에 산화물을 도포시킨다(S106). 이 단계에서는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: 플라즈마 향상 화학적 증착) 방법이 이용된다. 이와 같은 도포공정은 1회이상 그리고 15분동안 실행된다. 이에 따라, 측정부(20)의 상면에는 약 2000Å 두께의 산화물층(24a)이 형성된다.

일곱번째 단계로, 산화물층(24a)에 패턴을 형성하고 산화물층(24a)을 식각한다(S107). 먼저 웨이퍼 및 산화물의 두께를 측광기를 사용하여 측정한다. 그리고, 웨이퍼를 120℃의 온도에서 200초동안 프리베이킹 처리한다. 이어서, 산화물층(24a)에 HMDS 및 포토레지스트(AZ5214)를 45초동안 4000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초동안 소프트베이킹 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 2중 측면으로된 마스크 얼라이너를 이용하여 7초동안 노출시킨다. 이어서, 웨이퍼 전체를 현상액(AZ300MIF)에 1분동안 침전시킨 후 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 그리고, 120℃의 온도에서 100초동안 하드베이킹 처리한 후, 최종적으로 3분동안 BHF(7:1)용액에서 산화물을 식각한다. 산화물층(24a)에는 약 100㎛ 직경의 구멍들이 천공되며, 측정부(20)상에는 패턴층(24)이 형성된다.

여덟번째 단계로, 패턴층(24)의 일측에 열전대의 일부를 형성하는 제1 금속(26)을 도포시킨다(S108). 제1 금속(26)의 데포지션은 열증발법에 의하여 수행되고, 이 때 제1 금속(26)으로는 크롬이 사용된다. 보다 상세히 설명하면, 먼저 패턴층(24)이 형성된 웨이퍼 전체를 세정하여 열증발기에 적재하고, 2.5×10^-6토르의 진공압 분위기에서 50암페어의 전류를 인가한다. 이와 같이, 열 증발기에서의 처리후 패턴층(24)은 2000Å의 두께를 유지한다. 이어서, 웨이퍼를 120℃의 온도에서 200초동안 프리베이킹 처리한다. 그리고, 패턴층(24)에 HMDS 및 포토레지스트(AZ5214)를 45초동안 4000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초동안 소프트베이킹 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 2중 측면형 마스크 얼라이너를 이용하여 7초동안 노출시킨다. 이어서, 웨이퍼 전체를 현상액(AZ300MIF)에 1분동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨 후에, 100초동안 120℃의 온도에서 하드베이킹 처리한다. 그 후, 웨이퍼를 크롬부식액(Chrome Etchant)에 1분동안 침액한 후 헹군다. 최종적으로, 웨이퍼를 아세톤에 침액시키고 다시 헹구어 포토레지스트를 제거한다. 이상에 따라, 제1 금속(26)이 패턴층(24)에 도포되며, 제1 금속(26)은 측정부(20)상의 온도 측정지점들을 상호 접속시키고 또한 열전대열의 일부를 형성한다.

아홉번째 단계로 제1 금속(26)의 데포지션과 상응하게, 패턴층(24)의 타측에 열전대의 다른 일부를 형성하는 제2 금속(28)을 도포시킨다(S109). 제2 금속(28)의 데포지션은 상기한 단계(S108)와 동일하게 열증발법이 이용되며, 제2 금속으로는 니켈이 사용된다. 보다 상세히 설명하면, 먼저 패턴층(24)의 타측에 니켈을 도포한 후, 웨이퍼를 200초동안 120℃의 온도에서 프리베이킹 처리한다. 그리고, 패턴층(24)에 HMDS 및 포토레지스트(AZ4562)를 45초동안 3000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초동안 소프트베이킹 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 2중 측면형 마스크 얼라이너를 이용하여 25초동안 노출시킨다. 이어서, 웨이퍼 전체를 현상액(AZ300MIF)에 1분동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨 후에, 120℃의 온도에서 100초동안 하드베이킹 처리한다. 그 후, 웨이퍼를 열 증발기에 적재하기 전에 세척하고, 웨이퍼를 열증발기에 적재하여 2.5×10^-6토르의 진공압력 분위기에서 40암페어의 전류를 인가한다. 최종적으로, 웨이퍼를 아세톤에 1분동안 침액시켜 포토레지스트를 제거한 후, 다시 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 이상에 따라, 니켈인 제2 금속(28)이 패턴층(24)에 도포되며, 제2 금속(28)은 측정부(20)상의 온도 측정지점들을 상호 접속시키고 열전대열의 일부를 형성한다.

열번째 단계로, 측정부(20)로부터 주위로 직접 열이 방출되는 것을 방지하기 위해 패턴층(24), 제1 금속(26) 및 제2 금속(28)의 전체면에 산화물층을 도포시킨다(S110). 이 단계에는 PECVD가 사용된다. 보다 상세히 설명하면, 웨이퍼를 세정한 후 PECVD기에 적재하여 15분간 산화물을 도포시킴으로써 절연층(30)이 형성된다. 이에 따라 측정부(20)상에는 패턴층(24), 제1 금속(26), 제2 금속(28) 및 절연층(30)으로 구성되는 열전대열, 즉, 서모미터(22)가 형성된다.

열한번째 단계로, 상술한 단계들에 의하여 제조된 미세 열유속센서(10)에 와이어를 연결하기 위해 산화물층을 부분적으로 식각한다(S111). 부분식각에 대하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 부분 식각전에 열유속센서(10)를 120℃의 온도에서 200초동안 프리베이킹 처리한다. 그 후, 미세 열유속센서의 상부에 HMDS 및 포토레지스트(AZ5214)를 45초동안 4000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초동안 소프트 베이킹 처리한다. 그 후, 3분동안 냉각하고, 2중 측면형 마스크 얼라이너를 이용하여 7초간 노출시킨다. 이어서, 열유속센서를 현상액(AZ300MIF)에 1분동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨후, 100초동안 120℃의 온도로 하드베이킹 처리한다. 그 후, 열유속센서를 BHF용액에 침액시켜 산화물을 식각한다. 그리고 나서 최종적으로 열유속센서(10)를 아세톤에 1분동안 침액시켜 포토레지스트를 제거한 후, 다시 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 이와 같이, 열유속센서가 부분식각된 후, 절단장치를 이용하여 패턴층(24)과 절연층(30)의 일부를 절단하여 측정부(20)의 일측부를 노출시킨다.

열두번째 단계로, 제조된 열유속센서(10)에 와이어(32)를 접속시키고 패키지한다(S112). 보다 상세히 설명하면, 제조자는 은풀(Silver Paste)을 사용하여 순도 99.99%의 알루미나에 접합시킨다. 그 후 납땝작업을 위하여 구리패드를 알루미나에 붙이고, 미세 열유속센서와 구리패드사이에 도선을 접합한다. 마지막으로, 유도선을 구리패드에 납땜함으로써, 사용가능한 미세 열유속센서 패키지가 얻어진다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 미세 열유속센서에 의하면, 물체의 열유속의 열을 측정하는 2개의 지점이 상호 충분한 거리로 이격되어 있으며, 또한 그 측정지점들로부터 측정된 온도차가 열전대열에 의해 증폭된 신호로 출력되어 충분한 크기가 됨으로써 낮은 열유속범위에서도 열유속을 높은 열감도를 가지고 정확히 측정할 수 있는 현저한 효과가 있다.

Claims

물체의 열유속을 측정하기 위한 미세 열유속센서로서,

관통공(14)이 형성된 몸체(12)와;

상기 몸체(12)의 상면, 하면 및 관통공 전체에 형성된 산화물층 (16a,16b,16c)과;

상기 물체로부터의 열유속을 수용하여 이동시키기 위해 상기 물체에 접촉하고, 상기 몸체(12)의 하면 및 관통공에 도포된 상기 산화물층(16a,16b)에 도포되는 수용부(18)와;

상기 수용부(18)로부터 전달되는 열유속을 중심으로부터 방사방향으로 분산시키기 위해 중심이 상기 수용부(18)에 접하고 상기 몸체(12)의 상면에 형성된 상기 산화물층(16c)에 도포되며, 중앙부에 제1 온도측정지점(20a)과 상기 제1 온도측정지점(20a)으로부터 외주변을 향해 이격된 제2 온도측정지점(20b)이 형성되는 측정부(20)와;

상기 측정부(20)의 제1 및 제2 온도측정지점(20a,20b)의 온도차를 측정하는 서모미터(22)로 이루어진 미세 열유속센서.
제 1항에 있어서, 상기 수용부(18)는 상기 산화물층(16a)에 도포되는 중공의 평판부(18a)와 상기 산화물층(16b)에 도포되는 중공의 사각뿔부(18b)가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 열유속센서.
제 1항에 있어서, 상기 측정부(20)는 상기 수용부(18)의 사각뿔부(18b)와 접하는 디스크형상으로 형성되는 금막 디스크로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 열유속센서.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 수용부(18)와 상기 측정부(20)는 금막으로 제작되는 것을 특징으로 하는 미세 열유속센서.
제 1항에 있어서, 상기 서모미터(22)는 상기 측정부(20)상에 도포되는 패턴층(24)과, 상기 측정부(20)의 제1 온도측정지점(20a)과 제2 온도측정지점(20b)을 상호 접합시키기 위한 제1 금속(26) 및 제2 금속(28)과, 상기 측정부(20)로부터 열이 방출되는 것을 차단하기 위해 상기 측정부(20) 및 상기 제1 및 제2 금속(26,28)에 도포되는 절연층(30)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 열유속센서.
제 5항에 있어서, 상기 제1 금속(26)은 크롬이고 상기 제2 금속(28)은 니켈이며, 상기 제1 금속(26)과 제2 금속(28)은 상호 접속되어 열전대를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 열유속센서.
물체의 열유속을 측정하기 위한 미세 열유속센서를 제조하는 방법으로,

웨이퍼(12a)의 양면에 산화물층(16a,16c)을 형성하기 위하여 산화처리하는 단계(S101)와;

상기 웨이퍼(12a)에 패턴을 형성하고 상기 산화물층을 식각하는 단계(S102)와;

상기 웨이퍼(12a)를 실리콘 기판식각하는 단계(S103)와;

상기 웨이퍼(12a)의 식각면에 산화물층(16b)을 형성시키는 단계(S104)와;

상기 웨이퍼(12a)상에 형성된 상기 산화물층(16a,16b,16c))에 열경로를 형성하는 수용부(18) 및 측정부(20)를 도포시키는 단계(S105)와;

상기 측정부(20)의 상면에 산화물층(24a)을 도포시키는 단계(S106)와;

패턴층(24)을 형성하기 위해 상기 산화물층(24a)을 패터닝 및 식각하는 단계(S107)와;

상기 패턴층(24)의 일측에 열전대열의 일부를 형성하는 제1 금속(26)을 도포시키는 단계(S108)와;

상기 패턴층(24)의 타측에 열전대열의 다른 일부를 형성하는 제2 금속(28)을 도포시키는 단계(S109)와;

상기 패턴층(24), 제1 금속(26) 및 제2 금속(28)에 절연층(30)을 도포시키는 단계(S110)로 이루어지는 미세 열유속센서의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 단계(S105)는 산화물층이 식각된 몸체(12)를 세정하고 열증발기에 적재하여 금막을 도포시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 7항에 있어서, 미세 열유속센서(10)의 측정부(20)에 와이어를 연결하기 위해 부분적으로 식각하는 단계(S111)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 7항 또는 9항에 있어서, 상기 열유속센서(10)에 와이어(32)를 접속시킨 후 패키지하는 단계(S112)를 더 포함하는 제조방법.