KR200197336Y1 - Thin Film Thermocouple within the Bonded Silicon Wafers - Google Patents
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Abstract
본 고안은 반도체 제조 공정 중에도 반도체 기판의 온도 측정을 가능하도록 하는 박막온도센서에 관한 것으로, 박막 열전대가 반도체 기판에 매입되어 있는 것과 전기도선 패드가 온도측정용 실리콘 기판의 한쪽 측면에 모두 위치하고 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 기존의 반도체용 온도 측정용 기판보다 많은 지점에서의 온도 측정이 가능해지며, 반도체 제조 공정에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 표면 형상을 갖는 박막온도센서의 구현이 가능하다. 따라서 기존의 반도체용 온도 측정용 기판으로서는 측정할 수 없었던 반도체 제조 공정중의 실리콘 기판의 온도 변화를 직접 측정할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a thin film temperature sensor that enables temperature measurement of a semiconductor substrate even during a semiconductor manufacturing process. The thin film thermocouple is embedded in a semiconductor substrate and the electrical conductor pads are located on one side of the silicon substrate for temperature measurement. It features. Therefore, it is possible to measure the temperature at more points than the conventional temperature measuring substrate for semiconductors, and it is possible to implement a thin film temperature sensor having the same surface shape as the silicon substrate used in the semiconductor manufacturing process. Therefore, there is an advantage that can directly measure the temperature change of the silicon substrate during the semiconductor manufacturing process that could not be measured as a conventional substrate for temperature measurement for semiconductors.
Description
본 고안은 기판 매입형 박막온도센서에 관한 것이다. 박막온도센서를 두 장의 실리콘 기판 사이에 매입하고 보상도선을 실리콘 기판의 측면으로 연결함으로써 온도 측정용 기판이 반도체 제조 공정에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 표면 상태를 갖게 하는 것이 가능하다. 이와 같은 기판 매입형 박막온도센서를 이용하여 반도체 제조 공정의 신뢰도 및 재현성 향상을 목적으로 한다.The present invention relates to a substrate embedded thin film temperature sensor. By embedding a thin film temperature sensor between two silicon substrates and connecting a compensation wire to the side of the silicon substrate, it is possible to make the temperature measuring substrate have the same surface state as the silicon substrate used in the semiconductor manufacturing process. It is an object of the present invention to improve the reliability and reproducibility of the semiconductor manufacturing process using the substrate embedded thin film temperature sensor.
실리콘 기판의 온도 측정을 위한 종래의 기술로서는 광을 이용한 간접 측정 방식과 열전대를 이용한 직접 측정 방식이 있다. 광을 이용하는 간접 측정 방식은 실리콘 기판과의 직접적인 접촉이 없으므로 반도체 제조 공정이 진행되는 동안에도 실리콘 기판 온도 측정이 가능한 장점이 있으나 열전대 또는 백금측온저항 등을 이용한 직접측정방식에 비해 비교적 고가의 장비를 필요로 하며, 측정되는 온도 범위가 한정적이고 오차 또한 크다. 이에 비해 열전대 또는 백금측온저항 등을 이용한 온도 측정은 열기전력 또는 온도저항계수를 이용하는 온도센서를 이용하는 방법으로서 여타의 다른 온도센서에 비해 높은 정확도를 가진다.Conventional techniques for measuring the temperature of a silicon substrate include an indirect measuring method using light and a direct measuring method using a thermocouple. The indirect measurement method using light has the advantage that the silicon substrate temperature can be measured during the semiconductor manufacturing process because there is no direct contact with the silicon substrate, but it is relatively expensive compared to the direct measurement method using a thermocouple or platinum resistance measurement. The temperature range to be measured is limited and the error is large. On the other hand, temperature measurement using a thermocouple or platinum RTD is a method using a temperature sensor using a thermoelectric power or a temperature resistance coefficient, and has a higher accuracy than other temperature sensors.
도 1에는 열전대를 실리콘 기판에 매입하는 방식으로 만든 종래의 실리콘 기판 온도 측정 장치를 나타내었다. 이 장치를 이용하는 종래의 방법은 넓은 온도 범위에서 정밀한 측정이 가능한 장점을 가지고 있지만 열전대 와이어가 도 1에서 보듯이 반도체 기판의 표면에 노출되어 있다. 이러한 종래의 장치를 반도체 제조 공정 도중에 사용할 경우 반도체 표면에 노출된 온도 센서가 공정에 사용되는 반응성 개스(SF6, CF4, 암모니아, 사일렌 등)와 고온에서 반응을 일으켜 손상되므로 공정을 진행하면서 온도를 측정할 수 없다는 커다란 단점을 지니고 있다. 따라서 반도체 제조시 웨이퍼가 어떠한 온도 변화를 겪는지 측정하기 위해서는 도 1에서 보인 것과 같은 종래의 온도센서를 이용하여 미리 한번 측정을 해본 후 실제 제조할 웨이퍼(메인 웨이퍼)를 공정 진행하여야 하는 단점이 있는 것이다.1 shows a conventional silicon substrate temperature measuring device made by embedding a thermocouple in a silicon substrate. Conventional methods using this device have the advantage of making precise measurements over a wide temperature range, but the thermocouple wire is exposed to the surface of the semiconductor substrate as shown in FIG. If such a conventional device is used during the semiconductor manufacturing process, the temperature sensor exposed to the semiconductor surface is damaged by reacting at high temperatures with the reactive gas (SF6, CF4, ammonia, and xylene) used in the process. It has a big disadvantage of not being able to measure it. Therefore, in order to measure what temperature changes the wafer undergoes during semiconductor manufacturing, a measurement is performed in advance using a conventional temperature sensor as shown in FIG. 1, and then a wafer (main wafer) to be manufactured is processed. will be.
본 고안의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해고하기 위해 고안한 것으로, 반도체 제조 공정 도중에도 반도체 기판의 온도 측정이 가능하도록 하는 박막의 온도센서 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and to provide a thin film temperature sensor device that enables the temperature measurement of the semiconductor substrate during the semiconductor manufacturing process.
본 고안의 또 다른 목적은 이와 같은 박막의 온도센서를 만드는데 있어서 공정에 사용되는 여러 가지 반응성 개스가 박막온도 센서에 영향을 미치지 않도록 하는 방법을 제시하는 한편 이러한 박막 온도센서 장치를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a method for making such a thin film temperature sensor and a method of preventing various reactive gases used in the process from affecting the thin film temperature sensor.
도 1 은 종래의 온도 측정용 실리콘 기판의 구성도1 is a configuration diagram of a conventional silicon substrate for temperature measurement
도 2 는 기판 매입형 박막 온도센서의 구성도2 is a block diagram of a substrate embedded thin film temperature sensor
도 3 은 온도 측정용 실리콘 기판의 구성도3 is a configuration diagram of a silicon substrate for temperature measurement
도 4 는 덮개용 실리콘 기판의 구성도4 is a configuration diagram of a silicon substrate for cover
(1) 덮개용 실리콘 기판 (2) 온도측정용 실리콘 기판(1) Silicon substrates for cover (2) Silicon substrates for temperature measurement
(3) 박막온도센서 (4) 전기도선패드(3) Thin Film Temperature Sensor (4) Electrical Wire Pad
(5) 전기도선 (6) 실리콘 산화막(5) electric wire (6) silicon oxide film
(7) 세라믹 페이스트 (8) 열전대쌍(7) ceramic paste (8) thermocouple pair
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 박막 온도 센서 장치를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 본 고안은 박막온도센서(3)와 박막온도센서를 포함하고 있는 온도측정용 반도체(예컨데 실리콘) 기판(2)과 박막온도센서를 공정 분위기로부터 보호하는 덮개용 실리콘 기판(1)과 전기도선(5)과 전기 도선과 반도체 기판의 전기적 연결을 위한 패드(4)로 구성된다.Referring to FIG. 2, a thin film temperature sensor device according to the present invention for achieving the above object is as follows. First, the present invention is a semiconductor (eg silicon) substrate for temperature measurement (2) including a thin film temperature sensor (3) and a thin film temperature sensor, and a silicon substrate for covering (1) and an electric conductor to protect the thin film temperature sensor from a process atmosphere. And a pad 4 for electrical connection of the electric conductor and the semiconductor substrate.
도 2에는 본원고안의 반도체 기판의 대략적인 평면도 및 측면도를 나타내었지만 좀 더 상세한 그림은 도 3의 온도측정용 실리콘 기판의 측면도와 도 4의 덮개용 실리콘 기판의 측면도에 잘 나타나 있다. 여기서 같은 재질이나 같은 구성을 나타내는 도면의 기호는 서로 다른 그림에 있더라도 같은 기호를 사용하고 있음을 유의하여야 한다.Figure 2 shows a schematic plan view and side view of the semiconductor substrate of the present application, but a more detailed picture is shown well in the side view of the silicon substrate for temperature measurement of Figure 3 and the side view of the silicon substrate for the cover of FIG. Here, it should be noted that the symbols of the drawings showing the same material or the same configuration use the same symbols even in different drawings.
본 고안에 의한 장치는 반도체 공정 기술 및 실리콘 접합 기술을 활용하여 제작되는데 본 고안의 장치를 제작하기 위한 공정의 한 예는 다음과 같다. 두 장의 실리콘 기판을 접합하여 기판 매입형 박막온도센서를 제조하기 위해서는 온도 측정용 실리콘 기판과 덮개용 실리콘 기판이 필요하다. 도 3에 온도측정용 실리콘 기판의 제작은 먼저 온도측정용 실리콘 기판 위에 형성될 다수의 박막온도센서들 간의 절연을 위해 실리콘 산화막(6)을 성막한다. 성막된 실리콘 산화막 위에 금속막을 증착하고 사진식각공정을 통해 박막온도센서(3)를 형성한다. 박막온도센서의 형성 후 온도측정용 실리콘 기판 위에 성막되어 있는 실리콘 산화막 중에서 박막온도센서 사이의 절연을 위해 필요한 실리콘 산화막 외의 다른 부분의 실리콘 산화막은 식각하여 실리콘이 드러나게 한다. 이와 같은 일련의 공정은 일반적인 반도체의 제조공정이므로 상세한 설명은 생략해도 무방할 것이다. 본 고안의 실현예에서는 선폭 50㎛ 를 갖는 박막의 백금 저항을 이용하는 온도센서의 패턴을 설계, 제작한 후 RF 스파터링 방법으로 실리콘 기판 위에 백금박막을 형성하였다. 온도센서의 다른 한 방법인 박막열전대를 형성하기 위해서는 상기의 백금 박막외에 백금-로듐 합금박막을 추가로 형성함으로써 가능하다.The device according to the present invention is manufactured using a semiconductor process technology and a silicon bonding technology. An example of a process for manufacturing the device of the present invention is as follows. In order to fabricate a substrate-embedded thin film temperature sensor by joining two silicon substrates, a silicon substrate for temperature measurement and a silicon substrate for cover are required. In the fabrication of the silicon substrate for temperature measurement in FIG. 3, a silicon oxide film 6 is first formed for insulation between a plurality of thin film temperature sensors to be formed on the silicon substrate for temperature measurement. A metal film is deposited on the formed silicon oxide film and a thin film temperature sensor 3 is formed through a photolithography process. After the formation of the thin film temperature sensor, the silicon oxide film formed on the silicon substrate for temperature measurement is etched to expose the silicon oxide film in the portion other than the silicon oxide film necessary for insulation between the thin film temperature sensors. Since this series of steps is a general semiconductor manufacturing step, a detailed description may be omitted. In an embodiment of the present invention, a platinum thin film was formed on a silicon substrate by RF spattering after designing and fabricating a pattern of a temperature sensor using a platinum resistance of a thin film having a line width of 50 μm. In order to form a thin film thermocouple, which is another method of the temperature sensor, it is possible to form a platinum-rhodium alloy thin film in addition to the platinum thin film.
박막온도센서의 전기도선 패드는 열전대선와의 연결이 용이하도록 온도 측정용 실리콘 기판의 한쪽 측면에 모두 배열하였다. 덮개용 실리콘 기판의 한쪽 면은 온도 측정용 실리콘 기판 위에 형성된 전기도선 패드가 노출되도록 일부분이 절단되어 있다. 덮개용 실리콘 기판은 온도 측정용 실리콘 기판 위에 접합된다. 이 때 온도측정용 실리콘 기판과 접합되는 덮개용 실리콘 기판의 면 중 일부분은 실리콘 산화막이 형성되어 있다. 이는 온도측정용 실리콘 기판 위에 제작되어 있는 다수의 박막온도센서들 간의 절연을 위해서이다. 상기에서 서술한 방법에 의해 온도 측정용 실리콘 기판 위에 제작된 박막온도센서는 두 개의 기판 사이에 매입되어 외부로 노출되지 않게 된다. 두 기판의 접합에 이용되는 방법은 실리콘 기판 사이에 진공 중에서 일어나는 정전기력을 이용한 양극접합 또는 세라믹 페이스트나 비반응 고온용 접착제 등을 사용 가능하다. 두 개의 기판 접합에 사용되는 방법 중 양극접합에 의한 접합면은 실리콘과 실리콘 산화막으로 구성된다. 온도 측정용 실리콘 위에 형성되어 있는 박막온도센서의 두께는 수천 Å 에 불과하기 때문에 양극접합에 의한 두 기판 사이의 기포 발생은 미미하다. 세라믹 페이스트 또는 비반응 고온용 접착제를 이용한 기판 접합의 경우 기포 발생을 억제하기 위해 실리콘 기판이 손상가지 않을 정도의 압착공정을 필요로 한다.The conductor pads of the thin film temperature sensor were arranged on one side of the silicon substrate for temperature measurement to facilitate connection with thermocouple wires. One side of the covering silicon substrate is partially cut to expose the conductive pad formed on the silicon substrate for temperature measurement. The lid silicon substrate is bonded onto the silicon substrate for temperature measurement. At this time, a part of the surface of the cover silicon substrate bonded to the silicon substrate for temperature measurement is formed with a silicon oxide film. This is for insulation between a plurality of thin film temperature sensors fabricated on a silicon substrate for temperature measurement. The thin film temperature sensor fabricated on the silicon substrate for temperature measurement by the method described above is embedded between the two substrates so as not to be exposed to the outside. The method used for joining the two substrates may use anodic bonding using an electrostatic force generated in a vacuum between the silicon substrates or ceramic paste or an unreacted high temperature adhesive. Among the methods used for joining two substrates, the joining surface by anodic bonding is composed of silicon and silicon oxide film. Since the thickness of the thin film temperature sensor formed on the silicon for temperature measurement is only a few thousand Å, bubbles between the two substrates due to the anodic bonding are minimal. Substrate bonding using ceramic paste or non-reactive high temperature adhesives requires a pressing process that does not damage the silicon substrate in order to suppress bubble generation.
온도 측정용 실리콘 위에 노출 되어 있는 전기도선 패드에 열전대선으로 구성되는 전기도선을 용접한다. 일반적으로 용접은 박막열전대를 구성하는 물질과 같은 종류의 열전대선을 사용하는 것이 산화, 환원, 부식등이 일어나는 반도체 공정 분위기에 적합하다. 전기도선은 반도체 공정에서 흔히 사용하는 볼 본딩으로 전기도선 패드와 용접한다. 상기의 방법에 의해 제작된 기판 사이에 매입된 박막의 온도센서는 결국 반도체 제조 공정시에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 공정 상태를 거치게 되므로 다른 반도체 웨이퍼(메인 웨이퍼)와 동일한 표면 상태를 가진다.Weld the electric conductor consisting of thermocouple wire to the electric conductor pad exposed on the silicon for temperature measurement. Generally, welding uses the same kind of thermocouple wire as the material constituting the thin film thermocouple, and is suitable for a semiconductor process atmosphere in which oxidation, reduction, and corrosion occur. Electrical leads are ball bonding commonly used in semiconductor processes and are welded to the conductive pads. Since the temperature sensor of the thin film embedded between the substrates produced by the above method passes through the same process state as the silicon substrate used in the semiconductor manufacturing process, it has the same surface state as other semiconductor wafers (main wafers).
본 고안은 반도체 기판에 박막온도센서를 제조함에 있어서 온도센서의 전기적 연결을 위한 패드를 반도체 웨이퍼의 한쪽 측면에 몰아서 배치함으로써 제조공정 도중에도 온도의 측정을 용이하게 할 뿐 아니라 많은 수의 박막 온도 센서 형성이 가능하여 실리콘 기판의 온도 분포의 정밀한 측정이 가능한 장점이 있다. 또한 본 고안의 온도센서는 덮개용 반도체 기판을 이용하여 온도센서를 반도체 제조 공정시 사용되는 여러 반응성 개스와 차단시킴으로써 온도센서를 보호하고, 일반적인 반도체 제조공정에서 일어나는 반도체의 온도변화를 제조 공정 중에 측정할 수 있는 보다 큰 장점이 있다.In the present invention, in manufacturing a thin film temperature sensor on a semiconductor substrate, a pad for electrical connection of the temperature sensor is placed on one side of the semiconductor wafer to facilitate temperature measurement during the manufacturing process and a large number of thin film temperature sensors. Formation is advantageous in that the temperature distribution of the silicon substrate can be precisely measured. In addition, the temperature sensor of the present invention protects the temperature sensor by blocking the temperature sensor from various reactive gases used in the semiconductor manufacturing process by using a semiconductor substrate for the cover, and measures the temperature change of the semiconductor occurring in the general semiconductor manufacturing process during the manufacturing process. There is a greater advantage that can be done.
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