KR100377417B1 - Apparatus and Fabrication Method of Substrate Temperature Mesurement - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정 중에도 반도체 기판의 온도 측정을 가능하도록 하는 기판온도측정 장치 및 제작방법에 관한 것이다. 본 발명은 온도 측정용 반도체 기판에 홈을 형성시키는 단계, 상기의 홈에 박막 열전대를 형성하는 단계, 상기의 홈을 절연물질로 메워 평탄화 시키는 단계, 평탄해진 반도체 기판에 보호용 반도체기판을 접합하거나 또는 실리콘을 도포하여 박막 열전대를 매입하는 단계, 전기도선 패드를 온도 측정용 실리콘 기판의 한쪽 측면에 모두 위치시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 한다. 상기의 단계를 적용함으로써 반도체 제조 공정에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 표면 형상을 갖는 기판온도측정 장치를 제공한다. 따라서 본 발명에 의한 기판온도측정 장치는 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 substrate temperature measuring apparatus and a manufacturing method for enabling the temperature measurement of a semiconductor substrate even during a semiconductor manufacturing process. The present invention comprises the steps of forming a groove in the semiconductor substrate for temperature measurement, forming a thin film thermocouple in the groove, filling the groove with an insulating material and planarizing, bonding a protective semiconductor substrate to the flattened semiconductor substrate or Embedding the thin film thermocouple by applying silicon, and placing the electric pad on one side of the silicon substrate for temperature measurement. By applying the above steps, a substrate temperature measuring apparatus having the same surface shape as a silicon substrate used in a semiconductor manufacturing process is provided. Therefore, the substrate temperature measuring apparatus according to the present invention has the advantage of directly measuring the temperature change of the silicon substrate during the semiconductor manufacturing process, which cannot be measured with the conventional substrate for temperature measurement for semiconductors.

Description

기판온도측정 장치 및 제작 방법{Apparatus and Fabrication Method of Substrate Temperature Mesurement}Apparatus and Fabrication Method of Substrate Temperature Mesurement

본 발명은 기판온도측정 장치 및 제작 방법에 관한 것이다. 박막열전대를 두 장의 실리콘 기판 사이에 매입하고 보상도선을 실리콘 기판의 측면으로 연결함으로써, 본 발명의 기판온도측정 장치는 반도체 제조 공정에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 표면 상태를 갖는다. 본 발명은 반도체 제조 공정에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 표면 형상을 갖는 기판온도측정장치를 제공함을 목적으로 한다The present invention relates to a substrate temperature measuring apparatus and a manufacturing method. By embedding a thin film thermocouple between two silicon substrates and connecting a compensation wire to the side of the silicon substrate, the substrate temperature measuring apparatus of the present invention has the same surface state as that of the silicon substrate used in the semiconductor manufacturing process. An object of the present invention is to provide a substrate temperature measuring apparatus having the same surface shape as a silicon substrate used in a semiconductor manufacturing process.

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 1 에는 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 1 에서 보듯이 반도체 기판의 표면에 노출되어 있다. 이러한 종래의 장치를 반도체 제조 공정 도중에 사용할 경우 반도체 상부표면에 복잡하게 노출된 도선이 공정가스의 흐름과 플라즈마 형성에 영향을 주므로 정확한 공정 분위기 온도를 측정하기 어려운 단점을 지니고 있다. 따라서 반도체 제조 공정시 온도조건을 확보하기 위해서는 도 1 에서 보인 것과 같은 종래의 온도센서를 이용하여 열원(heating source)의 온도보정을 한후, 테스트 웨이퍼를 투입하여 공정 조건을 찾아가야 하는 번거러움이있다.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 accurate measurements over a wide temperature range, but the thermocouple wire is exposed to the surface of the semiconductor substrate as shown in FIG. When such a conventional device is used during a semiconductor manufacturing process, a complicated exposed wire on the upper surface of the semiconductor affects the process gas flow and plasma formation, which makes it difficult to measure an accurate process atmosphere temperature. Therefore, in order to secure the temperature conditions in the semiconductor manufacturing process, there is a hassle to find a process condition by inputting a test wafer after temperature correction of a heating source using a conventional temperature sensor as shown in FIG. 1.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 반도체 제조 공정 도중에도 반도체 기판의 온도 측정이 가능하도록 하기 위해 반도체 제조 공정에 사용되는 기판의 표면과 동일한 표면을 가진 기판온도측정장치 및 제작방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the substrate temperature measuring apparatus having the same surface as the surface of the substrate used in the semiconductor manufacturing process in order to enable the temperature measurement of the semiconductor substrate during the semiconductor manufacturing process And to provide a production method.

도 1 은 종래의 온도 측정용 실리콘 기판의 구성도1 is a configuration diagram of a conventional silicon substrate for temperature measurement

도 2 는 홈이 형성된 기판 매입형 박막 온도센서의 구성도2 is a configuration diagram of a substrate embedded thin film temperature sensor having a groove formed therein;

도 3 은 온도 측정용 실리콘 기판의 구성도3 is a configuration diagram of a silicon substrate for temperature measurement

도 4 는 보호용 실리콘 기판의 구성도4 is a configuration diagram of a protective silicon substrate

도 5 는 평면도5 is a plan view

(1) 온도 측정용 실리콘 기판 (2) 보호용 실리콘 기판(1) Silicon substrates for temperature measurement (2) Silicon substrates for protection

(3) 박막 온도센서 (4) 박막 열전대 패드(3) Thin Film Temperature Sensors (4) Thin Film Thermocouple Pads

(5) 홈(trench) (6) 보상도선(5) trench (6) compensation lead

(7) 세라믹 페이스트 (8) 열전대 도선(7) ceramic paste (8) thermocouple leads

(9) 절연막(9) insulating film

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기판온도측정 장치를 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 본 발명은 박막온도센서(3)와 박막온도센서를 포함하고 있는 홈이 형성된 온도측정용 실리콘 기판(1)과 박막온도센서를 공정 분위기로부터 보호하는 보호용 실리콘 기판(2)과 보상도선(6)과 보상 도선과 반도체 기판의 전기적 연결을 위한 열전대 패드(4)와 세라믹 페이스트로 구성된다.Referring to Figure 2 the substrate temperature measuring apparatus according to the present invention for achieving the above object is as follows. First, the present invention provides a thin film temperature sensor 3 and a grooved silicon substrate 1 for measuring temperature and a protective silicon substrate 2 for protecting the thin film temperature sensor from a process atmosphere and a compensation wire 6. And thermocouple pad 4 and ceramic paste for electrical connection between the compensation conductor and the semiconductor substrate.

도 2 에는 반도체 기판의 대략적인 평면도 및 측면도를 나타내었지만 좀 더 상세한 그림은 도 3 의 온도측정용 실리콘 기판의 측면도와 도 4 의 덮개용 실리콘 기판의 측면도와 도 5 의 평면도에 잘 나타나 있다. 여기서 같은 재질이나 같은 구성을 나타내는 도면의 기호는 서로 다른 그림에 있더라도 같은 기호를 사용하고 있음을 유의하여야 한다.FIG. 2 shows a schematic plan view and a side view of the semiconductor substrate, but a more detailed view is shown in the side view of the silicon substrate for temperature measurement of FIG. 3 and the side view of the cover silicon substrate 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 발명에 의한 장치는 반도체 공정 기술 및 실리콘 접합 기술을 활용하여 제작되는데 본 발명의 장치를 제작하기 위한 제작방법은 다음과 같다. 두 장의 실리콘 기판을 접합하여 홈이 형성된 기판 매입형 박막온도센서를 제조하기 위해서는온도 측정용 실리콘 기판과 보호용 실리콘 기판이 필요하다. 도 3 의 온도측정용 실리콘 기판의 제작은 먼저 열전대 물질이 증착되어 메워질 홈을 형성하고, 진공접합을 위해서 실리콘 산화막을 성막한다. 그리고 산화막 위에 홈을 따라 패턴된 쉐도우 마스크를 이용하여 열전대 물질을 증착하여 홈을 메우고, 박막온도센서를 형성한다. 이와 같이 쉐도우 마스크를 사용하면 열전대 물질을 식각하는 공정을 줄일 수 있고, 진공접합에 치명적인 오염을 막을 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 일련의 공정은 일반적인 반도체의 제조공정이므로 상세한 설명은 생략해도 무방할 것이다. 본 발명의 실현예에서는 선폭 50㎛ 를 갖는 백금박막과 백금-로듐박막을 이용하는 온도센서의 쉐도우 마스크를 설계 및 제조 한 후 스파터링 방법으로 실리콘 기판의 홈에 박막을 증착하여온도 센서를 형성 하였다..The device according to the present invention is fabricated using semiconductor processing technology and silicon bonding technology. The manufacturing method for manufacturing the device of the present invention is as follows. In order to fabricate a grooved thin film temperature sensor by joining two silicon substrates together, a silicon substrate for temperature measurement and a silicon substrate for protection are required. In the fabrication of the silicon substrate for temperature measurement of FIG. 3, a thermocouple material is first deposited to form a groove to be filled, and a silicon oxide film is formed for vacuum bonding. A thermocouple material is deposited using a shadow mask patterned along the grooves on the oxide layer to fill the grooves to form a thin film temperature sensor. As such, the use of the shadow mask reduces the process of etching the thermocouple material and has the advantage of preventing fatal contamination of the vacuum bonding. Since this series of steps is a general semiconductor manufacturing step, a detailed description may be omitted. In an embodiment of the present invention, after designing and manufacturing a shadow mask of a temperature sensor using a platinum thin film having a line width of 50 μm and a platinum-rhodium thin film, a thin film was deposited on a groove of a silicon substrate by a spattering method to form a temperature sensor. .

박막온도센서의 열전대 패드 패드는 보상도선와의 연결이 용이하도록 온도 측정용 실리콘 기판의 한쪽 측면에 모두 배열하였다.. 그런다음 보호용 실리콘 기판을 온도 측정용 기판에 양극 접합을 이용하여 접합한다. 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 진공중에서 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. 세라믹 페이스트 또는 비반응 고온용 접착제를 이용한 기판 접합의 경우 기포 발생을 억제하기 위해 실리콘 기판이 손상가지 않을 정도의 압착공정을 필요로 한다.The thermocouple pad pad of the thin film temperature sensor is arranged on one side of the temperature measuring silicon substrate so as to easily connect with the compensation wire. Then, the protective silicon substrate is bonded to the temperature measuring substrate by using an anodic bonding. 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 silicon substrates, 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. 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 열전대 패드에 열전대선으로 구성되는 보상도선을 용접하고 세라믹 페이스트를 이용하여 단단히 굳힌다. 일반적으로 용접은 박막열전대를 구성하는 물질과 같은 종류의 열전대선을 사용하는 것이 산화, 환원, 부식등이 일어나는 반도체 공정 분위기에 적합하다. 보상도선은 반도체 공정에서 흔히 사용하는 볼 본딩으로 열전대 패드와 용접한다.Weld the compensating wire consisting of thermocouple wire to the thermocouple pad exposed on the silicon for temperature measurement and firmly by using ceramic paste. 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. Compensation leads are ball bonding commonly used in semiconductor processes and welded to thermocouple pads.

상기의 방법에 의해 제작된 기판온도측정 장치는 실제 반도체 제조 공정시에 이용되는 실리콘 기판과 동일한 상부표면 상태를 가진다.The substrate temperature measuring apparatus manufactured by the above method has the same upper surface state as the silicon substrate used in the actual semiconductor manufacturing process.

본 발명은 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 센서를 형성하여 실리콘 기판의 온도 분포의 정밀한 측정이 가능하고, 쉐도우 마스크를 사용하여 열전대 물질의 식각 공정을 없앨 수 있으며, 웨이퍼 표면의 오염을 막을 수 있다. 또한 본 발명의 온도센서는 보호용 반도체 기판을 이용하여 온도센서를 반도체 제조 공정시 사용되는 여러 반응성 개스와 차단시킴으로써 온도센서를 보호하고, 일반적인 반도체 제조 공정에서 일어나는 반도체의 온도변화를 제조 공정 중에 측정할 수 있을 뿐만 아니라 표면에 형성된 막이나 식각 정도를 분석할 수 있는 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 disposed on one side of the semiconductor wafer to facilitate temperature measurement during the manufacturing process as well as a large number of thin film temperature sensors. It is possible to precisely measure the temperature distribution of the silicon substrate by forming a, to eliminate the etching process of the thermocouple material using a shadow mask, and to prevent contamination of the wafer surface. 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 using a protective semiconductor substrate, and can measure the temperature change of the semiconductor during the manufacturing process during the manufacturing process. In addition to being able to analyze the degree of film or etching formed on the surface there is an advantage.

Claims (6)

사진식각공정과 실리콘 식각공정에 의한 홈이 형성된 제 1 실리콘 기판과,A first silicon substrate having grooves formed by a photolithography process and a silicon etching process, 상기 제 1 실리콘 기판의 홈에 박막공정에 의해 형성된 박막 온도센서와,A thin film temperature sensor formed in a groove of the first silicon substrate by a thin film process; 상기의 홈을 평탄화하는 절연물질과,An insulating material for planarizing the grooves, 상기 실리콘 제 1 기판의 한쪽면의 가장자리에 배치된 패드와,A pad disposed at an edge of one side of the silicon first substrate, 상기 패드와 전기적 연결을 위한 보상도선과,A compensation lead for electrical connection with the pad, 상기 제 1 실리콘 기판과 밀착되어 있는 제 2 실리콘층으로 구성되어 반도체 제조공정중의 실리콘 기판과 동일한 상부 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 기판온도측정 장치A substrate temperature measuring device comprising a second silicon layer in close contact with the first silicon substrate and having the same upper surface as the silicon substrate in the semiconductor manufacturing process 제 1 항에 있어서, 제 2 실리콘층은 실리콘 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 기판온도측정 장치The apparatus of claim 1, wherein the second silicon layer comprises a silicon substrate. 제 1 항에 있어서, 제 2 실리콘층은 제 1 실리콘 기판상에 도포된 실리콘막으로 구성된 것을 특징으로 하는 기판온도측정 장치2. A substrate temperature measuring apparatus according to claim 1, wherein the second silicon layer is composed of a silicon film coated on the first silicon substrate. 제 1 항에 있어서, 박막온도센서가 박막 열전대, 또는 박막 백금측온저항으로 구성된 것을 특징으로 하는 기판온도측정 장치2. A substrate temperature measuring apparatus according to claim 1, wherein the thin film temperature sensor is made of a thin film thermocouple or a thin film platinum resistance thermometer. 삭제delete 제 1 실리콘 기판에 홈을 형성시키는 단계,Forming a groove in the first silicon substrate, 상기의 홈에 박막온도센서를 형성하는 단계,Forming a thin film temperature sensor in the groove; 상기의 홈을 절연물질로 메워 평탄화 시키는 단계,Filling the grooves with an insulating material and flattening them, 상기 제 1 실리콘 기판에 제 2 실리콘층을 밀착하여 박막온도센서를 매입하는 단계,Embedding a thin film temperature sensor in close contact with the second silicon layer on the first silicon substrate; 전기도선 패드를 제 1 실리콘 기판의 한쪽 측면에 모두 위치시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 기판온도측정 장치 제작방법Method for manufacturing a substrate temperature measuring device comprising the steps of placing the conductive pads on one side of the first silicon substrate