KR970006040B1 - 체감센서의 제조방법 - Google Patents

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내용없음.

Description

체감센서의 제조방법

제1도는 종래의 체감센서 구조도.

제2도는 종래의 체감센서 제조방법을 도시한 공정순서도.

제3도는 본 발명의 체감센서 구조도.

제4도는 본 발명의 체감센서 제조방법을 도시한 공정순서도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1' : 반도체기판 2' : 산화막

3' : 열산화막 4' : 질화막

5' : 산화막 9 : 제1열전대

10 : 제2열전대 11' : 보호막

본 발명은 체감센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 체감센서의 열전대(Thermopile)에 있어서의 열전쌍(Thermocouple)의 설계, 재료 및 제조공정을 최적화하여 특성을 향상시키도록 한 것이다.

체감센서는 기본적으로 인간의 체온 조절기구를 모듈화한 것으로, 외부환경과의 열교환량을 측정하는 구조로 구성되는 바, 히터를 구성하는 하부구조와 이 하부구조에서 발생한 열량의 변화량을 측정하는 상부구조로 이루어진다.

제1도에 상기 체감센서의 구조도를 도시하였다.

즉, 인간의 혈류에 상당하는 히터(heater)를 구성하는 하부구조(16)와 이 하부구조의 히터에서 발생한 열량이 외부조건(실내온도, 실내의 공기흐름, 벽/천정/인체등으로부터의 복사열등)에 의해 변화하는 양을 측정하는 상부구조(17)로 구성된다.

이중, 상부구조(17)는 상술한 바와 같이 외부환경으로부터의 영향을 직접 감지하는 센서로 중요한 구성요소이다. 따라서 상부구조의 센서로서의 열전대형 센서나 열저항(thermistor)형 센서를 일반적으로 사용하고 있다.

여기서 열전대형 센서란 두가지 다른 전도체를 한쪽 끝만 서로 접촉시키고 다른쪽 끝은 떼어 놓을 때 이 접촉부분과 개방부분에 온도차가 생기면 온도차의 크기로 주어지는 기전력(electromotive force)이 발생한다는 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 온도를 감지하는 열전쌍을 N개 직렬로 연결한 구조로 구성된다.

한편, 열저항형 감지부는 주변의 온도가 변화함에 따라 도체의 저항이 변화하는 현상인 온도의 변화에 따른 물질의 비저항(resistivity) 변화율(저항온도계수 : TCR)을 이용한 구조로 구성된다.

특히 열전대형 감지부를 상술한 바와 같이 N개를 직렬로 연결할 경우 그 출력값이 커지게 되어 시스템에 연계시킬 때 별도의 증폭회가 필요없이 그 출력값을 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다.

열전대형 감지부에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이 서로 다른 물질을 한쪽만 접합하고 다른 한쪽은 개방시켰을 때 그 열전대의 출력값은 다음과 같게 된다.

△Vou_T=(S1-S2)△T

S1,S2 : 열전쌍을 구성하는 두 물질의 제벡계수

△T : 접합부와 개방부의 온도차

결국 열전쌍을 구성하는 두 물질로는 제벡계수 차가 클수록 보다 더 큰 출력전압을 얻을 수 있으며, 이는 곧 감도를 개선시키는 중요한 방법이 된다.

통상 백금+텅스텐, 백금+니켈과 같은 두가지 금속으로 쌍을 구성하거나, 인(Phosporus)을 고농도로 도핑한 다결정실리콘과 알루미늄을 이용하여 열전쌍을 구성하고 있다.

제1도에 도시한 종래의 체감센서의 제조방법을 설명하면하 다음과 같다.

먼저, 하부구조(16)는 실리콘기판(1)상에 실리콘산화막(3), 실리콘질화막(4), 실리콘산화막(5)을 차례로 형성하고, 그위에 히터(6)를 소정부분에 형성한다. 이어서 상기 실리콘산화막(5)상의 소정부분에 온도센서(7)를 형성한 후 전면에 보호막(8)을 형성하고, 보호막의 소정영역에 형성된 접촉창을 통해 상기 온도센서(7)와 접속되는 패드부(13)를 형성한다. 이어서 상기 실리콘기판(1) 뒷면에 실리콘산화막(2)을 형성한 다음 소정부분을 선택적으로 제거한 후 이에 따라 노출되는 실리콘기판을 상기 기판 전면에 형성된 실리콘산화막(3)이 노출될때까지 식각함으로써 하부구조를 완성한다.

다음에 제2도를 참조하여 상부구조(17)의 제조방법을 설명하면, 먼저 제2도(a)와 같이 실리콘기판(1')상에 실리콘산화막(3'), 실리콘질화막(4'), 실리콘산화막(5')을 차례로 형성하고, 그위에 언도우프드(undoped) 다결정실리콘을 0.35㎛ 두께로 증착한 후 인(Phosphours)을 5×10¹⁸cm^-3의 도우즈량으로 이온주입한 다음 소정패턴으로 패터닝하여 제1열전대(9)를 형성한다.

이어서 제2도(b)와 같이 상기 제1열전대와 후속공정에서 형성될 제2열전대의 접합부 형성시 오믹접촉(Ohmic contact)이 이루어지도록 하기 위하여 접촉부위에 인을 1×10²⁰cm^-3으로 고농도 도핑한 후 제2도(c)와 같이 결과물 전면에 제1보호막(11)을 형성하고 이를 선택적으로 식각하여 소정영역에 상기 제1열전대(9)가 노출되도록 접촉창을 형성한다.

다음에 제2도(d)와 같이 결과물 전면에 알루미늄을 증착한 후 소정패턴으로 패터닝하여 상기 접촉창을 통해 제1열전대(9)와 연결되는 제2열전대(10)를 형성한 다음 결과물상에 제2보호막(11')을 형성한 후, 계속해서 상기 제2보호막 상부의 소정부분에 흑체(12)를 형성한다.

이어서 제2도(e)와 같이 실리콘기판(1')의 뒷면에 실리콘산화막(2')을 형성한 다음 소정부분을 선택적으로 제거한 후 이에 따라 노출되는 실리콘기판을 상기 기판 전면에 형성된 실리콘산화막(3)이 노출될때까지 식각함으로써 상부구조를 완성한다.

이와 같이 형성된 하부구조(16)와 상부구조(17)를 접착층(14)에 의해 하부구조의 상부면과 상부구조의 하부면을 접착시킴으로써 체감센서를 완성하게 된다.

상술한 종래의 체감센서에 있어서, 열전대로 금속과 금속을 사용하는 경우는 상술한 바와 같이 두 물질간의 제벡계수의 차가 크지 않아 큰 출력값을 얻기 위해서는 열전쌍의 수를 늘려야 하는데 CMOS 공정과 같은 제한된 크기로 제조할 경우 호환성을 갖지 못하는 단점이 있다.

한편 제1도와 같이 n형 다결정실리콘과 알루미늄을 사용하는 경우에는 두 물질의 접합부(온접점(hot junction) 및 냉접점(cold juntion))을 형성할 때 오믹접촉을 형성하기 위해서 접촉부위를 매우 높게 인으로 도핑해야 하므로 추가되는 공정으로 인한 제조공정의 번거로움을 초래한다.

또한 다결정실리콘에 도핑을 행할때 도핑농도가 낮으면 제벡계수가 증가하여 센서의 감도는 향상시킬 수 있으나, 열전대의 저항이 증가하므로 열적 노이즈(Thermal noise)가 커져 안정된 출력값을 얻을 수 없기 때문에 도핑농도의 최적화가 필요하며, 열전쌍의 폭, 길이 및 두께와 같은 칫수의 최적화가 이루어져야 하는 등 제조공정상 여러 가지 난점이 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 열전쌍의 설계, 재료 및 제조공정을 최적화하여 센서의 특성을 향상시킬 수 있도록 한 체감센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 체감센서 제조방법은 히터(6)를 구성하는 하부구조와 상기 하부구조에서 발생한 열량의 변화량을 측정하는 상부구조로 이루어진 체감센서의 제조방법에 있어서, 상기 상부구조를 형성하는 공정이 반도체기판(1')상에 다층구조의 절연층(3',4',5')을 형성하는 단계, 상기 절연층상에 제1열전대물질을 증착하는 단계, 상기 증착된 제1열전대물질에 불순물을 도핑하는 단계, 상기 제1열전대물질을 선택적으로 식각하여 소정형상의 제1열전대(9)를 형성하는 단계, 상기 제1열전대(9)가 형성된 절연층상부에 제2열전대물질을 증착하는 단계, 상기 제2열전대물질을 선택적으로 식각하여 소정형상의 제2열전대(10)를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제3도(a)는 본 발명의 체감센서의 열전대 구조를 평면도로 나타낸 것이고, 제3도(b)는 본 발명의 체감센서의 상부구조를 단면도로 나타낸 것이다.

본 발명은 상술한 종래기술에서의 제1열전대와 제2열전대의 접합부 형성시 고농도 도핑을 필요로 하는 부가공정을 배제하기 위하여 다결정실리콘에 인을 도핑하는 대신 보론을 도핑하는 p형 다결정실리콘을 제1열전대(9)물질로 사용하고, 제2열전대(10)물질로는 제반 반도체 제조공정과의 호환성이 우수한 알루미늄을 사용한다.

한편, 열전대의 설계를 최적화하기 위해 그 선폭을 14㎛로 고정시켰으며, 길이는 다이아프레임면적(1000㎛×1000㎛)을 고려하여 600㎛으로 하여 제2도(a)에 도시된 바와 같이 온접점이 다이아프레임상에 위치시켜 하부구조의 히터에서 발생한 열에 의해 높은 온도를 갖도록 하였으며, 냉접점은 실리콘기판위에 위치시켜 외부로부터 영향받은 열이 실리콘벌크(bulk)를 통해 흐르도록(heat sink) 하여 낮은 온도(실내온도)를 유지하도록 하였다.

또한 종래 제1열전대물질과 제2열전대물질을 적층할 경우(제1도 참조) 온접점 및 냉접점 이외의 부위에 접촉창을 내야 하는 공정상의 번거로움을 없애기 위해 미로형태(meander shape)로 제2도(b)와 같이 두 물질을 같은 층에 위치하도록 설계하였다.

제4도를 참조하여 본 발명의 체감센서의 열전대 제조방법을 설명한다.

먼저, 제4도(a)에 도시한 바와 같이 비저항 5~10Ω-cm이며, 결정방향이 100인 p형 실리콘 웨이퍼를 기판(1')으로 하여 그위에 다이아프레임 형성후의 스트레스 보상(stress compansation)을 위하여 열산화막(3'), LPCVD 질화막(4'), APCVD 산화막(5')을 차례로 형성하고, 그위에 제1열전대물질로서 LPCVD 다결정실리콘을 0.35㎛ 두께로 증착한 후 보론을 1×10¹⁹cm^-3의 농도로 이온주입한 다음 습식식각을 통해 제3도(a)에 도시된 바와 같이 미로형태의 제1열전대(9)를 형성한다.

다음에 제4도(b)에 도시한 바와 같이 상기 결과물상에 제2열전대물질로서 알루미늄을 전자빔에 의해 증착한 후 리프트오프(lift off) 공정을 통해 제3도(a)에 도시된 바와 같이 미로형태를 갖는 제2열전대(10)을 형성한다.

이어서 제4도(c)에 도시한 바와 같이 상기 결과물 전면에 보호막(11')을 형성한 후, 기판(1')의 뒷면에 실리콘산화막(2')을 형성한 다음 소정부분을 선택적으로 제거한 후 이에 따라 노출되는 실리콘기판을 상기 기판 전면에 형성된 실리콘산화막(3)이 노출될때까지 식각함으로써 상부구조를 완성한다.

이상과 같은 방법으로 제작한 열전대는 커플(couple)수 30쌍, 제벡계수 375μV/K, 내부저항 135kΩ, 출력 12mV의 특성을 나타낸다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제1열전대물질로서 다결정실리콘에 인대신에 보론을 도핑함으로써 오믹접촉을 위한 추가 고농도 도핑공정을 배제할 수 있으며, 제1열전대물질과 제2열전대물질을 동일한 층에 미로형태로 형성함으로써 열전대물질간의 절연을 위한 절연막과 접촉을 위한 접촉창을 형성할 필요가 없으므로 공정이 간단해지는 장점이 있다.

또한 제2열전대물질로 알루미늄을 선택함으로써 일반 반도체 제조공정과의 호환성도 양호하다.

Claims (5)

1. 히터(6)를 구성하는 하부구조와 상기 하부구조에서 발생한 열량의 변화량을 측정하는 상부구조로 이루어진 체감센서의 제조방법에 있어서, 상기 상부구조를 형성하는 공정이 반도체기판(1')상에 다층구조의 절연층(3',4',5')을 형성하는 단계, 상기 절연층상에 제1열전대물질을 증착하는 단계, 상기 증착된 제1열전대물질에 불순물을 도핑하는 단계, 상기 제1열전대물질을 선택적으로 식각하여 소정형상의 제1열전대(9)를 형성하는 단계, 상기 제1열전대(9)가 형성된 절연층상부에 제2열전대물질을 증착하는 단계, 상기 제2열전대물질을 선택적으로 식각하여 소정형상의 제2열전대(10)를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 체감센서의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1열전대와 제2열전대는 동일한 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 체감센서의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1열전대물질에 보론을 도핑하는 것을 특징으로 하는 체감센서의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 제1열전대물질은 다결정실리콘이고, 제2열전대물질은 알루미늄임을 특징으로 하는 체감센서의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1열전대와 제2열전대는 미로형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 체감센서의 제조방법.