KR20020079126A - Micro heat flux sensor by using electroplating, and method of making the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 낮은 열 유속에서 높은 측정 정확도를 갖는 미세 열 유속센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-small heat flux sensor using electroplating and a method of manufacturing the same, and more particularly to a fine heat flux sensor having a high measurement accuracy at a low heat flux and a method of manufacturing the same.
열 전달에 있어서 물체의 열적 경계조건을 결정하기 위해서는 물체의 단위면적 당 열에너지의 전달양인 열 유속을 측정하여야 하며, 일반적으로 열유속을 측정하기 위하여 열 유속센서들이 사용되고 있다.In order to determine the thermal boundary condition of an object in heat transfer, the heat flux, which is a transfer amount of heat energy per unit area of an object, has to be measured. Generally, heat flux sensors are used to measure heat flux.
이러한 열 유속센서들은 측정방법에 따라 구배형(Gradient) 열 유속센서, 과도형(Transient) 열 유속센서 및 평형형(Balanced) 열 유속센서로 크게 분류되며, 이중 구배형 열 유속센서는 형태에 따라 층형 게이지(Layed Gauge)의 형태와 원형의 박막 게이지(Circular Thin Foil Gauge)등의 형태로 구분된다.These heat flux sensors are broadly classified into gradient heat flux sensor, transient heat flux sensor and balanced heat flux sensor according to the measurement method. It is divided into the form of a layered gauge and the form of a circular thin foil gauge.
그러나 이러한 열 유속센서를 이용하는 경우, 열 유속센서 자체가 측정하고자 하는 표면에서의 열 저항으로 작용하여 열 유속을 교란하게 되므로, 열 유속센서에 의한 열 유속 교란을 최소화시키기 위하여 열 유속센서를 가능한 작게 만드는 연구가 수행되어 왔다. 특히, 90년대 들어서 MEMS(Micro Electro MechanicalSystem) 기술을 이용한 초소형 열 유속센서의 연구는 열 유속센서 연구에 새로운 가능성을 열었다.However, when the heat flux sensor is used, the heat flux sensor itself acts as a thermal resistance on the surface to be measured, thereby disturbing the heat flux, so that the heat flux sensor is as small as possible to minimize the heat flux disturbance by the heat flux sensor. Making research has been carried out. In particular, in the 1990s, the study of micro heat sensors using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology opened up new possibilities for the study of heat flux sensors.
도 1은 종래의 열 유속센서를 도시한 것으로서, 이는, 실리콘 몸체(3)와, 실리콘 몸체(3)의 상면과 하면 및 중심부 구멍의 내면에 형성된 실리콘 산화막(4)과, 실리콘 산화막(4) 위에 형성된 금 박막(1a)(1b)과, 상부 금 박막(1b) 위에 형성되는 열전대(5)(6)와, 열전대(5)(6) 위에 형성되는 실리콘 산화물층(7)을 구비한다.1 shows a conventional heat flux sensor, which includes a silicon body 3, a silicon oxide film 4 formed on the top and bottom surfaces of the silicon body 3, and an inner surface of a central hole, and a silicon oxide film 4. Gold thin films 1a and 1b formed thereon, thermocouples 5 and 6 formed on the upper gold thin film 1b, and silicon oxide layers 7 formed on the thermocouples 5 and 6 are provided.
그리고 실리콘 몸체(3) 중심부의 구멍은 기판 미세 가공을 이용 식각하여 아래쪽 금 박막(1a)에서 위쪽의 금 박막(1b)으로 열을 전달하는 중심통로(3a)를 만들고, 상기 열전대(5)(6)는 도 2에 도시된 바와 같이, 별 모양으로 배치시켜 중심 부분과 가장자리 부분의 온도차를 측정한다.In addition, the hole in the center of the silicon body 3 is etched using substrate microfabrication to form a central passage 3a for transferring heat from the lower gold thin film 1a to the upper gold thin film 1b, and the thermocouple 5 ( 6) is arranged in a star shape, as shown in Figure 2 to measure the temperature difference between the center portion and the edge portion.
이와 같이 구성된 종래의 열 유속센서는, 열 유속이 측정될 물체(M)의 벽면을 통해 방출되는 열이, 화살표로 도시한 바와 같이 벽면에 접촉된 아래쪽 금 박막(1a)과 실리콘 중심부를 통해 위쪽 금 박막(1b)으로 전달되고, 이것은 다시 위쪽 금 박막(1b)의 가장자리를 통해 빠져나가게 되며, 이때, 위쪽 금 박막(1b)의 중심부와 가장자리의 온도차를 측정하여 열 유속을 알 수 있다.In the conventional heat flux sensor configured as described above, heat emitted through the wall surface of the object M to be measured for the heat flow rate is upward through the lower gold thin film 1a and the silicon center in contact with the wall surface as shown by the arrow. The gold thin film 1b is transferred to the gold thin film 1b, which is then exited through the edge of the upper gold thin film 1b. At this time, the heat flux may be determined by measuring the temperature difference between the center and the edge of the upper gold thin film 1b.
그러나 기판 미세 가공을 이용하여 실리콘 몸체(3)을 식각하는 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이 가운데 부분의 열을 전달하는 중심통로(3a)의 모양이 사각형으로 이루어지기 때문에, 중심에 있는 열전대(5)(6) 접점들의 온도가 균일하지 않게 된다.However, in the case of etching the silicon body 3 using the substrate micromachining, since the shape of the center passage 3a that transfers heat in the center portion is made of a quadrangle, as shown in FIG. (5) (6) The temperature of the contacts is not uniform.
또한, 도 3과 같이 화살표 a방향의 실리콘 몸체(3)를 사용할 경우 일정한 각을 가지는 기울어진 면을 얻게되어, 위쪽 사각형의 크기는 아래쪽 사각형의 크기뿐만 아니라 실리콘의 두께에도 영향을 받게된다.In addition, when using the silicon body 3 in the direction of the arrow a as shown in Figure 3 to obtain an inclined surface having a constant angle, the size of the upper rectangle is affected by the thickness of the silicon as well as the size of the lower rectangle.
만약, 실리콘 몸체(3)의 두께가 예상보다 두꺼울 경우에는 구멍이 뚫리지 않게 되고, 더 얇거나 실리콘 결정방향과 사각형의 방향이 일치하지 않을 경우에는 사각형이 더 커지게 되므로 제작된 센서들간의 재현성이 떨어지는 결과를 초래하게 된다.If the thickness of the silicon body 3 is thicker than expected, the hole will not be drilled. If the thickness of the silicon body 3 is thinner or the silicon crystal direction does not match the direction of the rectangle, the rectangle becomes larger. This results in a drop.
또한, 도 2와 같이 별 모양으로 열전대(5)(6)가 배치되어 있을 경우에는 약간의 정렬 오차로 인해 열전대(5)(6) 접점이 중심으로 많이 이동하게 되어 열전대 접점들간의 온도가 균일하지 않고, 출력전압은 예상 값보다 더 낮아 센서의 기능을 떨어뜨리게 된다.In addition, when the thermocouples 5 and 6 are arranged in a star shape as shown in FIG. 2, the thermocouples 5 and 6 contacts are moved to the center due to a slight alignment error, so that the temperature between the thermocouple contacts is uniform. Otherwise, the output voltage will be lower than expected, making the sensor less functional.
그리고 금 박막(1a)(1b)의 두께가 너무 얇아 열이 이 경로를 따라 흐르는데 저항이 너무 크고, 단열층인 산화막의 두께도 얇기 때문에 금 박막 외부로 열이 빠져나가는 것을 충분히 막아줄 수 없으므로, 센서의 기능이 저하되는 문제점이 있었다.Since the thickness of the gold thin films 1a and 1b is so thin that heat flows along this path, the resistance is too high and the thickness of the oxide film, which is a thermal insulation layer, is too thin to sufficiently prevent heat from escaping to the outside of the gold thin film. There was a problem that the function of the deterioration.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 열 유속 상태에서도 열 유속을 높은 감도를 가지고 정확하게 측정할 수 있는 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the conventional problems as described above, to provide an ultra-small heat flux sensor and a method for manufacturing the same using an electroplating that can accurately measure the heat flux with a high sensitivity even in a low heat flux state. have.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 열 유속이 측정될 물체의 벽면에 접촉되는 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 상면에 형성되며 상기 물체로부터 방출되는 열을 받아들이는 수용부와, 상기 수용부로부터 전달되는 열을 중심으로 모아서 상측으로 이동시키는 원기둥 형상의 열 이동부와, 상기 열 이동부의 측면을 둘러싸는 형태로 상기 수용부의 상면에 형성되는 단열층과, 상기 단열층의 상면에 형성되며 상기 원기둥 형상의 열 이동부로부터 전달되는 열을 중심으로부터 방사 방향으로 전달하는 측정부와, 상기 측정부의 상면 중앙부와 주변부에 각각 형성되는 제1 및 제2온도측정지점 및 상기 제1 및 제2온도측정지점의 온도차를 측정하는 온도계를 포함하는 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서를 제공하는데 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention is a silicon substrate in contact with the wall surface of the object to be measured the heat flux, a receiving portion formed on the upper surface of the silicon substrate to receive heat emitted from the object, and the receiving portion A columnar heat transfer part configured to collect heat transferred from the center and move upwards, a heat insulation layer formed on an upper surface of the accommodating part so as to surround a side surface of the heat transfer part, and a column shape formed on an upper surface of the heat insulation layer. A measurement unit for transferring heat transmitted from the heat moving unit from the center to the radial direction, and the first and second temperature measurement points and the first and second temperature measurement points respectively formed on the central and peripheral portions of the upper surface of the measurement unit. It is characterized by providing a very small heat flux sensor using an electroplating including a thermometer for measuring the temperature difference.
또한, 본 발명은, 실리콘 기판 상에 금 박막과 구리 도금막을 순차적으로 형성하여 수용부를 형성하는 단계와, 상기 구리 도금막 위에 음성 감광제를 도포하여 고폭비의 단열층을 형성한 후, 표면 미세 가공을 통해 중앙에 원형 구멍을 형성하는 단계와, 상기 원형구멍에 도금을 이용하여 구리를 채워 원기둥 형상의 열 이동부를 형성하는 단계와, 상기 단열층 위에 금 박막과 구리 도금막을 순차적으로 형성하여 측정부를 형성하는 단계와, 상기 측정부의 구리 도금막 위에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 위에 감광제를 도포한 후, 패터닝하여 패턴층을 형성하는 단계와, 상기 패턴층의 일측에 열전대열의 일부를 형성하는 제1금속층을 형성하는 단계와, 상기 패턴층의 타측에 열전대열의 다른 일부를 형성하는 제2금속층을 형성하는 단계와, 상기 패턴층과 제1 및 제2금속층 위에 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 제조방법을 제공하는데 그 특징이 있다.In addition, the present invention, by sequentially forming a gold thin film and a copper plating film on the silicon substrate to form an accommodating portion, by applying a negative photosensitive agent on the copper plating film to form a high width ratio heat insulating layer, the surface fine processing Forming a circular hole in the center, filling the copper using plating in the circular hole to form a columnar heat transfer part, and sequentially forming a gold thin film and a copper plating film on the heat insulating layer to form a measurement part Forming an insulating layer on the copper plating layer of the measuring unit, applying a photosensitive agent to the insulating layer, and then patterning the pattern layer to form a portion of the thermocouple on one side of the pattern layer. Forming a first metal layer, and forming a second metal layer forming another part of the thermocouple on the other side of the pattern layer; To provide a patterned layer and the first and the manufacturing method of the very small heat flux sensor using electroplating comprising a step of forming an insulating layer on the second metal layer has its features.
도 1은 종래의 열 유속센서를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a conventional heat flux sensor.
도 2는 종래의 열 유속센서를 도시한 평면도.Figure 2 is a plan view showing a conventional heat flux sensor.
도 3은 종래 열 유속센서의 웨이퍼를 TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)용액으로 습식 식각할 때 식각되는 모양을 도시한 일부발췌 단면도FIG. 3 is a partial cross-sectional view illustrating a state in which a wafer of the conventional heat flux sensor is etched by wet etching with Tetra Methyl Ammonium Hydroxide (TMAH) solution.
도 4는 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서를 도시한 단면도.Figure 4 is a cross-sectional view showing a micro heat flux sensor using an electroplating according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서를 도시한 평면도.Figure 5 is a plan view showing a micro heat flux sensor using an electroplating according to the present invention.
도 6a-6l은 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 제조 방법을 도시한 공정도.Figure 6a-6l is a process chart showing a method of manufacturing a micro heat flux sensor using an electroplating according to the present invention.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
11 : 실리콘기판 12 : 수용부11 silicon substrate 12 receiving portion
13,19 : 금 박막층 14,20 : 구리 도금층13,19: gold thin film layer 14,20: copper plating layer
15,21 : 크롬 박막층 16 : 열 이동부15,21: chrome thin film layer 16: the heat transfer part
17 : 단열층 18 : 측정부17: heat insulation layer 18: measuring unit
22,23 : 제1 및 제2온도측정지점 30 : 온도계22,23: first and second temperature measuring point 30: thermometer
31 : 패턴층 32,33 : 제1 및 제2금속층31: pattern layer 32, 33: first and second metal layer
34 : 절연층34: insulation layer
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 일 실시예를 도시한 평면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 일 실시예 제조 방법을 도시한 공정도이다.Figure 4 is a cross-sectional view showing an embodiment of a micro heat flux sensor using an electroplating according to the present invention, Figure 5 is a plan view showing an embodiment of a micro heat flux sensor using an electroplating according to the present invention, Figure 6 Is a process chart showing an embodiment of the manufacturing method of the ultra-small heat flux sensor using the electroplating according to the present invention.
도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 일 실시예는, 열 유속이 측정될 물체의 벽면에 접촉되는 실리콘 기판(11)을 구비하고, 이 실리콘 기판(11)의 상면에는 상기 열 유속이 측정될 물체로부터 방출되는 열을 받아들이는 수용부(12)가 형성된다.As shown in Figs. 4 and 5, one embodiment of the ultra-small heat flux sensor using the electroplating according to the present invention comprises a silicon substrate 11 which is in contact with the wall surface of the object on which the heat flux is to be measured. On the upper surface of the substrate 11 is formed a receiving portion 12 for receiving heat emitted from the object to be measured the heat flux.
그리고 수용부(12)는, 실리콘 기판(11)의 상면에 형성되는 금 박막층(13)과, 이 금 박막층(13) 위에 형성되는 구리 도금층(14)으로 이루어지고, 실리콘 기판(11)과 금 박막층(13) 사이에는 증착 보조층인 크롬 박막층(15)이 형성된다.And the receiving part 12 consists of the gold thin film layer 13 formed in the upper surface of the silicon substrate 11, and the copper plating layer 14 formed on this gold thin film layer 13, and the silicon substrate 11 and the gold | metal | money. A chromium thin film layer 15 as a deposition auxiliary layer is formed between the thin film layers 13.
그리고 수용부(12)의 구리 도금층(14) 상면 중앙부에는 수용부(12)로부터 전달되는 열을 중심부로 모아서 상측으로 이동시키는 원기둥 형상의 열 이동부(16)가 형성되고, 이 열 이동부(16)의 측면을 둘러싸는 형태로 상기 수용부(12)의 구리 도금층(14) 상면에는 단열층(17)이 형성된다.In the center portion of the upper surface of the copper plating layer 14 of the accommodating part 12, a columnar heat moving part 16 is formed to collect heat transferred from the accommodating part 12 to the center and move it upward. The heat insulating layer 17 is formed on the upper surface of the copper plating layer 14 of the accommodating part 12 so as to surround the side surface of the 16.
그리고 상기 원기둥 형상의 열 이동부(16)의 재질은 구리로 이루어지고, 상기 단열층(17)은 음성 감광제(SU-8)로 이루어진다.And the material of the columnar heat transfer portion 16 is made of copper, the heat insulating layer 17 is made of a negative photosensitive agent (SU-8).
그리고 단열층(17)의 상면에는 상기 원기둥 형상의 열 이동부(16)로부터 전달되는 열을 중심으로부터 방사 방향으로 전달하는 측정부(18)가 형성되고, 측정부(18)는 단열층(17)의 상면에 그 중앙부가 상기 원기둥 형상의 열 이동부(16)와 접촉되는 상태로 형성되는 금 박막층(19)과, 이 금 박막층(19) 위에 형성되는 구리 도금층(20)으로 이루어지고, 단열층(17)과 금 박막층(19) 사이에는 증착 보조층인 크롬 박막층(21)이 형성된다.And the upper surface of the heat insulating layer 17 is formed with a measuring unit 18 for transmitting heat transmitted from the columnar heat transfer unit 16 in the radial direction from the center, the measuring unit 18 of the heat insulating layer 17 A gold thin film layer 19 formed on the upper surface thereof in a state of being in contact with the columnar heat transfer part 16, and a copper plating layer 20 formed on the gold thin film layer 19, the heat insulating layer 17 ) And the chromium thin film layer 21, which is an auxiliary deposition layer, is formed between the thin film layer 19 and the gold thin film layer 19.
그리고 측정부(18)의 구리 도금층(20) 상부에는 중앙부의 온도를 측정하기 위한 제1온도측정지점(22)과 주변부의 온도를 측정하기 위한 제2온도측정지점(23)이 각각 형성되고, 이 제1온도측정지점(22)과 제2온도측정지점(23)의 온도차를 측정하는 온도계(30)가 마련된다.A first temperature measuring point 22 for measuring the temperature of the center part and a second temperature measuring point 23 for measuring the temperature of the peripheral part are formed on the copper plating layer 20 of the measuring part 18, respectively. A thermometer 30 for measuring the temperature difference between the first temperature measuring point 22 and the second temperature measuring point 23 is provided.
그리고 온도계(30)는, 상기 측정부(18)의 구리 도금층(20)위에 도포되는 패턴층(31)과, 상기 제1온도측정지점(22)과 제2온도측정지점(23)을 상호 접합시키기 위한 제1 및 제2금속층(32)(33)과, 상기 측정부(18)로부터 열이 방출되는 것을 차단시키기 위해 상기 측정부(18)와 제1 및 제2금속층(32)(33) 위에 도포되는 절연층(34)을 구비한다.In addition, the thermometer 30 is bonded to the pattern layer 31 coated on the copper plating layer 20 of the measuring unit 18, the first temperature measuring point 22 and the second temperature measuring point 23. The first and second metal layers 32 and 33, and the measuring unit 18 and the first and second metal layers 32 and 33 to block heat from being emitted from the measuring unit 18. And an insulating layer 34 applied thereon.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서는, 열 유속이 측정될 물체의 벽면을 통해 방출되는 열은 도 4에 화살표로 도시된 바와 같이 벽면에 접촉된 실리콘 기판(11)을 통해 수용부(12)로서의 금 박막층(13)과 구리 도금층(14)으로 전달되고, 구리 도금층(14)으로 전달된 열은 중심부의 열 이동부를 통해 상방향으로 이동하여 측정부로 전달된다.The ultra-small heat flux sensor using the electroplating according to the present invention configured as described above, the heat emitted through the wall surface of the object to be measured the heat flux through the silicon substrate 11 in contact with the wall surface as shown by the arrow in FIG. The heat is transferred to the gold thin film layer 13 and the copper plating layer 14 as the receiving part 12, and the heat transferred to the copper plating layer 14 moves upward through the heat transfer part of the center portion and is transferred to the measurement unit.
그리고 측정부로 전달된 열은 측방향으로 중앙부로부터 주변을 향해 이동한다. 측정부에서의 열이 측방향으로 이동함에 따라 온도차가 발생한다. 이때, 측정부의 중앙부에 형성된 제1온도측정지점과 주변부에 형성된 제2온도측정지점에서 온도를 측정하면, 양 지점간의 온도차를 알 수 있으며, 이 온도차를 이용하여 열 유속을 측정한다.The heat transferred to the measuring section moves laterally from the center to the periphery. As the heat in the measuring section moves laterally, a temperature difference occurs. At this time, if the temperature is measured at the first temperature measuring point formed in the center of the measuring unit and the second temperature measuring point formed in the periphery, the temperature difference between the two points can be known, and the heat flux is measured using the temperature difference.
특히, 온도차는 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 열전대에 의해 증폭된다. 따라서, 해당 물체에서 작거나 미세한 열 유속이 발생되는 경우 측정부에서의 온도측정지점간의 거리가 충분히 이격되어 있으므로, 열 유속을 계산하는데 필수적인 적합한 온도차을 획득할 수 있음은 물론, 특히 온도차를 증폭된 신호로 출력시켜 열 유속을 정확하게 측정할 수 있게 된다.In particular, the temperature difference is amplified by a plurality of thermocouples as shown in FIG. Therefore, when a small or minute heat flux occurs in the object, since the distance between the temperature measuring points in the measuring unit is sufficiently spaced, it is possible to obtain a suitable temperature difference which is essential for calculating the heat flux, and in particular, to amplify the temperature difference signal. It is possible to measure heat flux accurately by outputting
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 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.The manufacturing method of the ultra-small heat flux sensor using the electroplating according to the present invention configured as described above is as follows. In the following description, numerical values and product names indicating size, thickness, temperature, time, etc. are provided as examples for better understanding of the embodiments, and it should be understood that the scope of the present invention is not limited by the numerical values presented.
본 발명에 따른 전기도금을 이용한 초소형 열유속 센서를 제조하기 위하여 첫 번째 단계로, 실리콘 기판 상에 증착보조층으로서의 크롬을 70Å 두께로 증착하여 크롬 박막층을 형성하고, 그 위에 금을 약 1000Å 두께로 증착하여 금 박막층을 형성한다.In order to manufacture a micro heat flux sensor using an electroplating method according to the present invention, as a first step, a chromium thin film layer is formed by depositing chromium as a deposition aiding layer on a silicon substrate with a thickness of 70 Å, and depositing gold thereon with a thickness of about 1000 Å. To form a gold thin film layer.
그리고 금 박막층위에 구리를 10㎛ 두께로 도금하여 구리 도금층을 형성하여, 금 박막층과 구리 도금층으로 이루어지는 수용부를 형성한다.Then, a copper plating layer is formed by plating copper on the gold thin film layer to a thickness of 10 μm, thereby forming an accommodating portion comprising the gold thin film layer and the copper plating layer.
그리고, 상기 수용부의 구리 도금층위에 음성 감광제 (EPON SU-8, Micro Chemical Co.)를 100㎛ 두께로 도포하여 고폭비의 단열층을 형성한 후, 표면 미세 가공을 통해 중앙부에 열 이동부를 형성하기 위한 원형구멍을 형성한다.Then, a negative photoresist (EPON SU-8, Micro Chemical Co.) is coated on the copper plating layer of the accommodating part to a thickness of 100 μm to form a high thermal insulation layer, and then, to form a heat transfer part in the center through surface micromachining. Form a circular hole.
그리고 상기 단열층의 원형구멍에 도금을 이용하여 구리를 채워 원기둥 형상의 열 이동부를 형성한다.Then, the copper is filled in the circular hole of the heat insulating layer by using copper to form a columnar heat transfer part.
그리고 상기 단열층위에 증착보조층으로서의 크롬을 70Å 두께로 증착하여 크롬 박막층을 형성하고, 그 위에 금을 약 1000Å 두께로 증착하여 금 박막층을 형성한다.A chromium thin film layer is deposited by depositing chromium as a deposition aiding layer on the heat insulating layer to a thickness of 70 kPa, and a gold thin film layer is formed by depositing gold to a thickness of about 1000 kPa thereon.
그리고 금 박막층위에 구리를 10㎛ 두께로 도금하여 구리 도금층을 형성하여, 금 박막층과 구리 도금층으로 이루어지는 측정부를 형성한다Then, a copper plating layer is formed by plating copper on the gold thin film layer to a thickness of 10 μm, thereby forming a measuring unit including the gold thin film layer and the copper plating layer.
그리고, 상기 측정부의 구리 도금막 위에 절연을 위해 액상유리를 도포한 후, 200℃에서 2시간 정도 경화시켜 절연층을 형성한다.Then, after applying the liquid glass for insulation on the copper plating film of the measuring unit, and cured at 200 ℃ for about 2 hours to form an insulating layer.
그리고 액상 유리층으로 이루어진 절연층위에 패턴을 형성한다. 먼저 절연층의 두께를 측광기(Spectrophotometer)를 사용하여 측정한다. 그리고, 실리콘 기판을 120℃의 온도에서 200초 동안 프리베이킹(prebaking) 처리한다. 이어서, 절연층에 감광제(AZ5214)를 45초 동안 4000rpm으로 스핀 피복하고, 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹(Soft baking) 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 마스크 얼라이너(Mask Aligner)를 이용하여 7초 동안 노출시킨다. 이어서, 실리콘 기판 전체를 현상액(AZ300MIF)에 1분 동안 침전시킨 후 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 그리고, 120℃의 온도에서 100초 동안 하드베이킹 처리한 후, 최종적으로 3분동안 BHF(7:1)용액에서 절연층을 식각한다. 절연층에는 약 100㎛ 직경의 구멍들이 전공되며, 측정부 위에는 패턴층(24)이 형성된다.And a pattern is formed on the insulating layer which consists of a liquid glass layer. First, the thickness of the insulating layer is measured using a spectrophotometer. The silicon substrate is then prebaked at a temperature of 120 ° C. for 200 seconds. Subsequently, the photosensitive agent AZ5214 is spin coated on the insulating layer at 4000 rpm for 45 seconds, and subjected to soft baking at 90 ° C. for 100 seconds. It is then cooled for 3 minutes and exposed for 7 seconds using a Mask Aligner. Subsequently, the entire silicon substrate is precipitated in the developer (AZ300MIF) for 1 minute, then rinsed with deionized water and blown with nitrogen. Then, after hard baking for 100 seconds at a temperature of 120 ℃, the insulating layer is etched in BHF (7: 1) solution finally for 3 minutes. Holes having a diameter of about 100 μm are formed in the insulating layer, and a pattern layer 24 is formed on the measuring unit.
그리고 패턴층(24)의 일측에 열전대의 일부를 형성하는 제1 금속(26)을 도포시킨다. 제1 금속(26)의 데포지션은 열증발법에 의하여 수행되고, 이 때 제1 금속(26)으로는 알루미늄, 니켈, 콘스탄탄 등이 사용된다.The first metal 26 forming a part of the thermocouple is applied to one side of the pattern layer 24. Deposition of the first metal 26 is performed by a thermal evaporation method, and at this time, aluminum, nickel, constantane, or the like is used as the first metal 26.
보다 상세히 설명하면, 먼저 패턴층(24)이 형성된 실리콘 기판 전체를 세정하여 열증발기에 적재하고, 2.5×10-6토르(Torr)의 진공압 분위기에서 50암페어의 전류를 인가한다. 이와 같이, 열 증발기에서의 처리후 패턴층(24)은 2000Å의 두께를 유지한다. 이어서, 실리콘 기판을 120℃의 온도에서 200초 동안 프리베이킹 처리한다. 그리고, 패턴층(24)에 감광제(AZ5214)를 45초 동안 4000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 마스크 얼라이너를 이용하여 7초 동안 노출시킨다. 이어서, 실리콘 기판 전체를 현상액(AZ300MIF)에 1분 동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨 후에, 100초 동안 120℃의 온도에서 하드베이킹 처리한다. 그 후, 실리콘 기판을 부식액(Chrome Etchant)에 1분 동안 침액한 후 헹군다. 최종적으로, 실리콘 기판을 아세톤에 침액시키고 다시 헹구어 감광제를 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.In more detail, first, the entire silicon substrate on which the pattern layer 24 is formed is cleaned and loaded into a thermal evaporator, and a current of 50 amp is applied in a vacuum pressure atmosphere of 2.5 × 10 −6 Torr. In this manner, the pattern layer 24 after the treatment in the thermal evaporator maintains a thickness of 2000 kPa. The silicon substrate is then prebaked at a temperature of 120 ° C. for 200 seconds. Then, the photoresist AZ5214 is spin-coated on the patterned layer 24 at 4000 rpm for 45 seconds, and softbaked at 90 ° C. for 100 seconds. It is then cooled for 3 minutes and exposed for 7 seconds using a mask aligner. Subsequently, the entire silicon substrate is precipitated in the developer (AZ300MIF) for 1 minute, then rinsed with deionized water and blown with nitrogen, followed by hard baking at a temperature of 120 ° C. for 100 seconds. Thereafter, the silicon substrate is immersed in a corrosion solution (Chrome Etchant) for 1 minute and then rinsed. Finally, the silicon substrate is immersed in acetone and rinsed again to remove the photosensitizer. According to the above, the first metal 26 is applied to the pattern layer 24, and the first metal 26 interconnects the temperature measuring points on the measuring unit 20 and forms part of the thermocouple.
그리고 제1 금속(26)의 데포지션과 상응하게, 패턴층(24)의 타측에 열전대의다른 일부를 형성하는 제2 금속(28)을 도포시킨다. 제2 금속(28)의 데포지션은 상기한 제1금속 형성 단계와 동일하게 열증발법이 이용되며, 제2 금속으로는 제1 금속과 동일한 알루미늄, 니켈, 콘스탄탄 등이 사용된다.And corresponding to the deposition of the first metal 26, a second metal 28 is formed on the other side of the pattern layer 24 to form another part of the thermocouple. As for the deposition of the second metal 28, a thermal evaporation method is used in the same manner as in the above-described first metal forming step, and aluminum, nickel, constantan, etc., which are the same as the first metal, are used as the second metal.
이를 보다 상세히 설명하면, 먼저 패턴층(24)의 타측에 제2 금속을 도포한 후, 실리콘 기판을 200초 동안 120℃의 온도에서 프리베이킹 처리한다. 그리고, 패턴층(24)에 감광제(AZ4562)를 45초 동안 3000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 마스크 얼라이너를 이용하여 25초 동안 노출시킨다. 이어서, 실리콘 기판 전체를 현상액(AZ300MIF)에 1분 동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨 후에, 120℃의 온도에서 100초 동안 하드베이킹 처리한다. 그 후, 실리콘 기판을 열 증발기에 적재하기 전에 세척하고, 실리콘 기판을 열증발기에 적재하여 2.5×10-6토르의 진공압력 분위기에서 40암페어의 전류를 인가한다. 최종적으로, 실리콘 기판을 아세톤에 1분 동안 침액시켜 감광제를 제거한 후, 다시 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 이상에 따라, 제2 금속(28)이 패턴층(24)에 도포되며, 제2 금속(28)은 측정부(20)상의 온도 측정지점들을 상호 접속시키고 열전대열의 일부를 형성한다.In more detail, first, after coating the second metal on the other side of the pattern layer 24, the silicon substrate is prebaked at a temperature of 120 ° C. for 200 seconds. Then, the photoresist AZ4562 is spin-coated on the patterned layer 24 at 3000 rpm for 45 seconds, and softbaked at 90 ° C. for 100 seconds. It is then cooled for 3 minutes and exposed for 25 seconds using a mask aligner. Subsequently, the entire silicon substrate is precipitated in the developer (AZ300MIF) for 1 minute, then rinsed with deionized water and blown with nitrogen, followed by hard baking at a temperature of 120 ° C. for 100 seconds. Thereafter, the silicon substrate is washed before being loaded into the thermal evaporator, and the silicon substrate is loaded into the thermal evaporator to apply a current of 40 amps in a vacuum pressure atmosphere of 2.5 × 10 −6 Torr. Finally, the silicon substrate is immersed in acetone for 1 minute to remove the photosensitizer, then rinsed again with deionized water and blown with nitrogen. According to the above, the second metal 28 is applied to the pattern layer 24, and the second metal 28 interconnects the temperature measuring points on the measuring unit 20 and forms part of the thermocouple.
그리고 측정부(20)로부터 주위로 직접 열이 방출되는 것을 방지하기 위해 패턴층(24), 제1 금속(26) 및 제2 금속(28)의 전체면에 액상유리로 이루어진 절연층을 도포시킨다. 이에 따라 측정부(20)상에는 패턴층(24), 제1 금속(26), 제2 금속(28) 및 절연층(30)으로 구성되는 열전대열, 즉, 온도계(22)가 형성된다.The insulating layer made of liquid glass is coated on the entire surface of the pattern layer 24, the first metal 26, and the second metal 28 to prevent heat from being directly emitted from the measuring unit 20. . Accordingly, the thermocouple, that is, the thermometer 22, formed of the pattern layer 24, the first metal 26, the second metal 28, and the insulating layer 30 is formed on the measurement unit 20.
그리고 상술한 단계들에 의하여 제조된 열 유속센서(10)에 와이어를 연결하기 위해 절연층을 부분적으로 식각한다. 부분 식각에 대하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 부분 식각 전에 열 유속센서(10)를 120℃의 온도에서 200초 동안 프리베이킹 처리한다. 그 후, 열유속센서의 상부에 감광제(AZ5214)를 45초 동안 4000rpm으로 스핀피복하고, 90℃에서 100초 동안 소프트 베이킹 처리한다. 그 후, 3분 동안 냉각하고, 마스크 얼라이너를 이용하여 7초간 노출시킨다. 이어서, 열 유속센서를 현상액(AZ300MIF)에 1분 동안 침전시키고 나서 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨후, 100초 동안 120℃의 온도로 하드베이킹 처리한다. 그 후, 열 유속센서를 BHF용액에 침액시켜 절연층을 식각한다. 그리고 나서 최종적으로 열 유속센서(10)를 아세톤에 1분 동안 침액시켜 감광제를 제거한 후, 다시 탈이온수로 헹구고 질소를 송풍시킨다. 이와 같이, 열 유속센서가 부분 식각된 후, 절단장치를 이용하여 패턴층(24)과 절연층(30)의 일부를 절단하여 측정부(20)의 일측부를 노출시킨다.The insulating layer is partially etched to connect the wire to the heat flux sensor 10 manufactured by the above-described steps. In more detail with respect to the partial etching, first before the partial etching, the heat flux sensor 10 is prebaked for 200 seconds at a temperature of 120 ℃. Thereafter, the photosensitive agent (AZ5214) is spin-coated at 4000 rpm for 45 seconds on the upper portion of the heat flux sensor, and soft baked at 90 ° C. for 100 seconds. It is then cooled for 3 minutes and exposed for 7 seconds using a mask aligner. Subsequently, the heat flux sensor is precipitated in the developer (AZ300MIF) for 1 minute, rinsed with deionized water, blown with nitrogen, and then hardbaked at a temperature of 120 ° C. for 100 seconds. Thereafter, the heat flux sensor is immersed in the BHF solution to etch the insulating layer. Then, the heat flux sensor 10 is finally immersed in acetone for 1 minute to remove the photosensitive agent, and then rinsed with deionized water again and blown with nitrogen. As described above, after the heat flux sensor is partially etched, a portion of the pattern layer 24 and the insulating layer 30 are cut by using a cutting device to expose one side of the measuring unit 20.
그리고 제조된 열 유속센서(10)에 와이어(32)를 접속시키고 패키지 한다. 보다 상세히 설명하면, 제조자는 은풀(Silver Paste)을 사용하여 순도 99.99%의 알루미나에 접합시킨다. 그 후 납땝 작업을 위하여 구리패드를 알루미나에 붙이고, 열 유속센서와 구리패드사이에 도선을 접합한다. 마지막으로, 도선을 구리패드에 납땜함으로써, 사용 가능한 열 유속센서 패키지가 얻어진다.The wire 32 is connected to the manufactured heat flux sensor 10 and packaged. In more detail, the manufacturer uses silver paste to bond to alumina having a purity of 99.99%. After that, a copper pad is attached to alumina for soldering, and a conductor is bonded between the heat flux sensor and the copper pad. Finally, by soldering the conductors to the copper pads, a usable heat flux sensor package is obtained.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변경실시가 가능할 것이다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiments described above, and those skilled in the art will appreciate Various modifications may be made without departing from the spirit of the invention described.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열 경로의 저항을 줄이고, 단열층의 단열효과를 높임으로써 높은 정확도와 감도로 열 유속을 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한 종래 기판 미세가공 시에 생기는 사각형 모양의 열경로(Heat Path)를 높은 고폭비의 음성 감광재(SU-8)를 이용한 표면 미세가공을 통해 원형으로 바꾸어 열접점들의 온도 균일화를 이룩하였으며, 열전대의 배치를 꽃잎 모양으로 함으로써 제조 공정에서의 재현성을 향상시키는 효과를 이룩하였다.As described above, according to the present invention, the heat flux can be measured with high accuracy and sensitivity by reducing the resistance of the heat path and increasing the heat insulation effect of the heat insulation layer. In addition, the thermal uniformity of the thermal contacts was achieved by changing the rectangular heat path generated during micromachining of the substrate into a circular shape through surface micromachining using a high-width negative photosensitive material (SU-8). The effect of improving the reproducibility in a manufacturing process was achieved by making arrangement of into petal shape.
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