KR20060116930A - Thermopile sensor and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 써모파일 센서의 평면도이다.1 is a plan view of a conventional thermopile sensor.
도 2는 종래의 써모파일 센서의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a conventional thermopile sensor.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일의 평면도이다.3 is a plan view of a thermopile according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일의 사시도이다.4 is a perspective view of a thermopile according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a thermopile according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일의 또 다른 단면도이다.6 is another cross-sectional view of a thermopile according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전쌍 패턴의 구조에 대한 개략도이다.7 is a schematic diagram of a structure of a thermocouple pattern according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 써모파일 센서 제조공정을 보여주는 공정도이다.8 is a process chart showing a thermopile sensor manufacturing process according to the present invention.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 써모파일을 출력을 나타내는 도면이다.9 is a view showing the output of the thermopile manufactured in Example 1 and Comparative Example 1.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1...기판 2...질화막1
3...산화막 4...열전쌍3.oxides 4.thermocouples
5...절연막 6...흑체5
7...패드 8...냉접점7.
9...온접점 10...다이아프레임 막9 ... on
11...제1 열전물질 12...제2 열전물질11 ... first
13...등방성 동공 14...홀13 isotropic pupils 14 holes
본 발명은 써모파일 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소자의 소형화가 가능하고 감도가 향상된 써모파일 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermopile sensor, and more particularly, to a thermopile sensor capable of miniaturizing an element and having improved sensitivity, and a manufacturing method thereof.
일반적으로, 온도를 측정하는 방법으로는 접촉식(contact type)과 비접촉식(non-contact type)으로 분류할 수 있는데, 비접촉식은 접촉이 불가능한 경우, 예를 들면 회전하는 측정대상물, 이동하는 측정대상물 또는 매우 고온이어서 접촉할 수 없는 측정대상물 등의 경우에만 한정하여 사용되어 왔으며, 이러한 비접촉식 온도측정장치는 고가이고 취급이 어렵다는 이유로 인해, 접촉식 측정장치가 보편적으로 사용되고 있다.In general, methods for measuring temperature can be classified into contact type and non-contact type. In the case where contact is impossible, for example, rotating measuring object, moving measuring object or It has been used only in the case of a measurement object, such as a very high temperature can not be contacted, and such a non-contact temperature measuring device is widely used because of the expensive and difficult handling.
그러나, 최근에는 유아의 체열측정기 등을 비롯하여, 0∼300℃ 정도의 비교적 저온영역의 측정에 사용될 수 있는 간단하고 저가인 비접촉식 방사온도계에 대한 요구가 커지고 있다. 현재, 방사 에너지를 감지하는 센서로는 광기전력 효과(photovoltaic effect)나 광전도 효과(photoconductive effect)를 이용한 양자형(photonic type) 센서와 볼로미터(bolometer), 초전 센서(pyroelectric sensor), 써모파일 센서(thermopile sensor)와 같은 열형(thermal type) 센서가 있다.In recent years, however, there is a growing demand for a simple and inexpensive non-contact radiation thermometer that can be used to measure relatively low temperature ranges of about 0 to 300 ° C, including infant thermometers. At present, radiation sensor detects photonic type, bolometer, pyroelectric sensor and thermopile sensor using photovoltaic effect or photoconductive effect. There is a thermal type sensor such as a thermopile sensor.
이들 중, 양자형 센서는 입사파(incident radiation)가 전자를 여기(excite)시켜 센서의 전기적 특성을 변화시키는 것을 이용하는 것으로서, 일반적으로 선택된 파장범위에서 감지성능이 매우 뛰어나고 빠른 응답 특성(responsivity)을 가진다는 장점이 있지만, 고가이며 소정의 적외선 감도를 얻기 위해서는 액체질소온도 이하에서 동작시켜야 하는 단점이 있다.Among them, the quantum sensor uses incident radiation to excite electrons to change the electrical characteristics of the sensor. In general, the quantum sensor has a very good detection performance in a selected wavelength range and provides fast response characteristics. Although it has an advantage, it is expensive and has the disadvantage of operating below the liquid nitrogen temperature in order to obtain a predetermined infrared sensitivity.
한편, 상기 열형 센서 중에서 써모파일 센서는 기존에 확립되어 있는 반도체 공정으로 제작이 가능하며, 냉각이 필요없고 저가임에도 신뢰성 있다는 장점 때문에 이에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. On the other hand, among the thermal sensors, thermopile sensors can be manufactured by conventional semiconductor processes, and research on them is being actively conducted due to the advantages of requiring cooling and reliability even at low cost.
이 써모파일 센서란 두가지 서로 다른 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고 다른쪽은 떼어놓는(open) 구조로 형성하여 이 접점부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생한다는 지백효과(Seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지하는 센서를 말한다.This thermopile sensor is formed of a structure in which two different materials form a junction on one side and an open side on the other side, and when a temperature difference occurs between the contact portion and the open portion, the electromotive force is proportional to the magnitude of the temperature difference. It refers to a sensor that senses temperature by using the Seebeck effect of generating thermoelectric power.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 써모파일 센서를 보여주는 평면도 및 단면도로서, 이를 참조하면, 먼저 산화막/질화막/산화막 또는 질화막/산화막/질화막으로 구성된 다이아프레임 상에 열전쌍(therocouple, 4)들이 직렬로 연결되고, 이 열전쌍의 각 구성물질들(elements)은 큰 열기전력(thermoelectric power)을 가지며, 하나의 열전물질의 열기전력이 다른 열전물질의 열기전력보다 크던가 양자가 반대의 극성(polarity)을 갖는 물질로 구성된다. 그리고 열전쌍들은 고온부(hot region)와 저온부(cold region)에 교차하여 위치하며, 온 접점(hot junction)과 냉 접점(cold junction)은 열적으로 분리(thermal isolation)되어 있다. 일반적으로 냉접점은 효율적인 힛싱크(heat sink)를 위하여 실리콘 기판 위에 위치하고, 온 접점 부분에는 적외선을 흡수하는 흑체(black body)를 형성한다. 즉, 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열용량(thermal capacitance)을 갖는 얇은 다이아프레임(diaphragm) 위에 두 개의 서로 다른 열전 물질(thermoelectric material)을 직렬로 위치시키는 것이다. 이러한 써모파일 센서는 직류방사(DC radiation)에 대하여 안정된 응답특성을 나타내며 넓은 적외선 스펙트럼에 응답하고 바이어스 전압이나 바이어스 전류가 필요없는 장점을 가지고 있다. 1 and 2 are a plan view and a cross-sectional view showing a thermopile sensor according to the prior art. Referring to this, first,
상기 써모파일 센서에 일정한 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려있다. 따라서, 되도록 많은 양의 에너지를 흡수해야 하며 일단 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 써모파일 센서의 감도를 향상시키는 핵심문제이다. The electromotive force appearing when a constant infrared radiation is input to the thermopile sensor is shown in proportion to the temperature difference between the low temperature part and the high temperature part, and this depends on how efficiently the input energy is absorbed and used. Therefore, it is essential to improve the sensitivity of the thermopile sensor, which must absorb as much energy as possible and design it so as not to lose the absorbed energy.
대한민국 등록특허공보 10-0239494호에는 기존의 반도체 공정과 호환이 가능한 방법으로 제조할 수 있으며, Ru, Ir, RuOx 또는 IrOx로 이루어진 흑체를 구비하는 써모파일 센서가 개시되어 있으나, 다이아프레임으로서 산화막/질화막/산화막(ONO)구조를 채택하고 있기 때문에 공정 수가 증가하고, 후면으로부터 습식식각하여 멤브레인을 형성하기 때문에 이를 얼라인(align)하기 위한 장비가 추가로 필요할 뿐만 아니라 소자의 크기가 증가한다는 단점이 있었다. 또한, 상기 후면식각은 열의 분산에 의한 손실을 방지함으로써 감도를 향상시키기 위한 구성인데, 이러한 후면식각 방식으로는 열의 분산에 의한 손실을 충분히 억제하기 어렵기 때문에 감 도 및 출력이 낮다는 문제가 있었다.Korean Patent Publication No. 10-0239494 discloses a thermopile sensor which can be manufactured by a method compatible with an existing semiconductor process and has a black body made of Ru, Ir, RuOx, or IrOx, but the oxide film / Due to the nitride / ONO structure, the number of processes is increased, and the membrane is formed by wet etching from the back side. Therefore, additional equipment is needed to align it, and the size of the device is increased. there was. In addition, the back etching is a configuration for improving the sensitivity by preventing the loss due to heat dissipation, this method has a problem that the sensitivity and output is low because it is difficult to sufficiently suppress the loss due to heat dissipation. .
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 제조공정효율이 높고, 소자의 크기를 대폭 감소시킬 수 있으며, 감도 및 출력이 향상된 써모파일을 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a thermopile having high manufacturing process efficiency, greatly reducing the size of the device, and improving sensitivity and output.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 써모파일의 제조방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing the thermopile.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first technical problem,
기판(1); 상기 기판위에 형성되어 있는 단일층의 다이아프레임 막(10); 상기 다이아프레임 막(10) 상의 소정영역에 형성되어 온도를 감지하며, 하부에는 등방성 동공(13)이 형성되어 마이크로 브릿지 구조를 가지는 복수의 열전쌍(4); 상기 열전쌍(4) 상부에 형성되어 있는 절연막(5); 및 흑체(6)로 구성되는 써모파일 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단일층의 다이아프레임 막(10)은 저응력 질화막(SixNx)이며, 응력이 150MPa 이하인 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the single-
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 복수의 열전쌍(4)은 고온부와 저온부에 직렬로 교차하여 위치하며, 온접점(9)과 냉접점(8)은 열적으로 분리되어 있고, 제1 열전물질(11) p-타입 폴리실리콘을 사용하고, 제2 열전물질(12) 알루미늄을 사용할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the plurality of
또한, 상기 절연막(5)은 폴리이미드로 이루어진 것일 수 있다.In addition, the
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 흑체(6)는 산화크롬으로 이루어진 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전쌍(4)은 온접점(9)에서, 하부의 지벡계수가 큰 제1 열전물질(11) 패턴의 상부에 적층되어 있는 제2 열전물질(12) 패턴에 홀(14)이 뚫려 있어서, 상기 제1 열전물질이 노출되어 있는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second technical problem,
(a) 실리콘 기판위에 단일층의 다이아프레임 막(10)을 형성하는 단계; (b) 상기 다이아프레임 막(10) 위의 소정영역에 열전쌍(4)을 형성하는 단계; (c) 상기 열전쌍(4)의 상부에 절연막(5)을 형성하는 단계; (d) 상기 절연막(5)의 상부에 흑체(6)를 형성하는 단계; (e) 포토레지스트를 이용하여 마스크를 형성하고, 반응성 이온 에처(Reactive Ion Echer)를 이용하여 소정의 절연막(5) 및 다이아프레임 막(10)을 제거하는 단계; 및 (f) XeF2를 이용하여 상기 다이아프레임 막(10)이 제거된 영역에 있는 상기 실리콘 기판(1)을 건식식각함으로써 등방성 동공(13)을 형성하여 마이크로 브릿지(Micro bridge) 구조를 가지도록 하는 단계를 포함하는 써모파일 센서의 제조방법을 제공한다.(a) forming a single
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단일층의 다이아프레임 막은 저응력 질화막(SixNx)이며, 상기 다이아프레임 막을 형성하는 단계는 디클로로실란 기체와 암모니아 기체의 유량비를 5:1로 하여 저압화학증착법을 통해 증착시키는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the diaphragm film of the single layer is a low stress nitride film (SixNx), and the forming of the diaphragm film may include a low pressure chemical vapor deposition method using a flow rate ratio of dichlorosilane gas and ammonia gas as 5: 1. It may be to deposit through.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 열전쌍을 형성하는 단계는 제1 열전물질로서 p-타입 폴리실리콘을 저압화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LP-CVD법)을 이용하여 증착하고, 제2 열전물질로서 알루미늄을 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition: PVD법)을 이용하여 증착하는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the forming of the thermocouple may include depositing p-type polysilicon using a low pressure chemical vapor deposition method (LP-CVD) as a first thermoelectric material, 2 As the thermoelectric material, aluminum may be deposited using physical vapor deposition (PVD).
또한, 상기 흑체를 형성하는 단계는 산화크롬을 스퍼터링하는 것에 의할 수 있다.In addition, the forming of the black body may be by sputtering chromium oxide.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전쌍을 형성하는 단계는, 온접점에서, 지벡계수가 큰 제1 열전물질 패턴의 상부에 적층되어 있는 제2 열전물질 패턴을 식각하여 홀을 형성함으로써, 상기 제1 열전물질이 노출되도록 하는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step of forming the thermocouple, by forming a hole by etching the second thermoelectric material layer stacked on top of the first thermoelectric material pattern having a high Seebeck coefficient at the hot junction, The first thermoelectric material may be exposed.
이하, 첨부된 도면을 참보하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 써모파일 센서는 종래의 써모파일 센서와 달리 다이아프레임 막으로써 단일층의 저응력 질화막을 사용하기 때문에 제조공정효율이 매우 높으며, 후면이 이방성으로 식각되어 있는 구조가 아니라 전면이 등방성으로 식각되어 있는 구조이기 때문에 열분산에 의한 열손실을 최소화할 수 있어서, 센서의 감도가 높고 소자의 크기를 최대 50% 이상 감소시킬 수 있다는 것을 특징으로 한다. Unlike the conventional thermopile sensor, the thermopile sensor according to the present invention uses a single layer of low stress nitride film as a diaphragm membrane, and thus the manufacturing process efficiency is very high, and the backside is not anisotropically etched. Since the structure is etched, heat loss due to heat dissipation can be minimized, so that the sensitivity of the sensor is high and the size of the device can be reduced by up to 50% or more.
상기 저응력 질화막은 SixNx로 표시할 수 있으며, 디클로로실란 기체와 암모니아 기체의 유량비를 5:1로 하여 저압화학증착법에 의해 증착시키는데, 기존의 Si3N4 질화막과 달리, 실리콘 원자의 함유량이 증가하기 때문에 스트레스가 줄어들게 된다. 통상적으로 종래에 사용되던 Si3N4 질화막의 경우 응력이 1GPa 정도임에 반해, 본 발명에 사용되는 저응력 질화막(SixNx)은 응력이 150MPa 이하로서 매우 낮기 때문에, 굳이 종래기술에서처럼 산화막/질화막/산화막 구조를 취함으로써 스트레스를 보상할 필요가 없다. 따라서, 제조공정수를 대폭 감소시킬 수 있기 때문에 제조공정효율이 대폭 증가한다.The low stress nitride film may be represented by SixNx, and deposited by low pressure chemical vapor deposition at a flow rate ratio of dichlorosilane gas and ammonia gas at 5: 1. Unlike conventional Si 3 N 4 nitride films, the content of silicon atoms is increased. This reduces stress. In general, the Si 3 N 4 nitride film used in the prior art has a stress of about 1 GPa, whereas the low stress nitride film (SixNx) used in the present invention has a very low stress of 150 MPa or less. It is not necessary to compensate for stress by taking the oxide film structure. Therefore, the manufacturing process efficiency can be greatly increased because the number of manufacturing processes can be greatly reduced.
한편, 본 발명에 따른 써모파일은 종래의 써모파일과 달리 전면을 건식식각에 의해 등방성으로 식각함으로써 열전쌍의 하부에 동공을 형성하여 상기 열전쌍이 마이크로 브릿지(micro bridge)구조를 갖도록 되어 있기 때문에, 흑체에 흡수된 열이 하부의 질화막 등에 의해 분산됨으로써 손실되는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 종래기술에 따르면 기판의 후면을 이방성으로 식각하기 위해서 식각이 시작되는 부분 이외에 기판의 여분이 반드시 존재해야 했기 때문에 소자의 크기가 커질 수 밖에 없었으며, 후면식각을 위한 얼라인 장비가 반드시 필요했지만, 본 발명에 따르면 등방성 전면식각으로서 필요한 부분만 식각하면 되기 때문에 소자의 크기를 최대 50% 이상 소형화할 수 있으며, 별도의 얼라인 장비가 필요없다는 장점이 있다.On the other hand, in the thermopile according to the present invention, unlike the conventional thermopile, the front surface is isotropically etched by dry etching to form a pupil in the lower portion of the thermocouple so that the thermocouple has a micro bridge structure. It is possible to minimize the loss of heat absorbed by the dispersed by the nitride film of the lower portion. In addition, according to the prior art, the size of the device was inevitably increased because an extra portion of the substrate had to exist in addition to the portion where the etching started to etch the back side of the substrate anisotropically, and an alignment equipment for back etching was necessary. However, according to the present invention, since only a portion necessary for isotropic front etching needs to be etched, the size of the device can be reduced by up to 50% or more, and there is no need for a separate alignment device.
본 발명에 사용되는 기판(1)은 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며 예컨대, 실리콘 기판을 사용할 수 있다.The
본 발명에 사용되는 열전쌍(4)을 형성하는 물질은 특별히 제한되는 것은 아니며, 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 여하한 것이든 사용할 수 있지만, 통 상적인 반도체 공정을 통해 제조가능 해야 한다는 사실과 제조단가를 고려하면, 제1 열전물질로서 p-타입 폴리실리콘을 사용하고, 제2 열전물질로서 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. The material forming the
본 발명에 사용되는 절연막(5) 역시 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 폴리이미드로 이루어진 것일 수 있다.The insulating
한편, 본 발명에 사용되는 흑체(6)도 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 여하한 것이든 사용할 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄 블랙, 골드 블랙, 카본 블랙, 또는 산화크롬으로 이루어진 것일 수 있다.On the other hand, the
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일의 평면도를 도시하였다. 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 써모파일은 소자의 전면부를 건식식각에 의해 제거하여 등방성의 동공(13)이 형성되어 있기 때문에 온접점(9)에 있는 흑체(6)에 흡수된 열이 분산에 의해 손실되는 양을 최소화할 수 있다. 한편, 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일의 사시도를 도시하였으며, 도 5 및 6에는 본 발명에 따른 써모파일의 a방향 및 b방향으로 절단했을 때의 단면도를 도시하였다. 상기 도 5 및 6을 참조하면, 흑체(6)의 하부에 등방성 동공(13)이 형성되어 있기 때문에 열분산에 의한 열손실을 최소화할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.3 is a plan view of a thermopile according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, since the thermopile according to the present invention removes the front part of the device by dry etching, heat absorbed by the
한편, 도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전쌍 패턴의 구조에 대한 개략도를 도시하였다. 도 7을 참조하면 본 발명에서 상기 열전쌍은 고온부와 저온부에 직렬로 교차하여 위치하며, 온접점(9)과 냉접점(8)은 열적으로 분리되어 있는데, 온접점(9)에서, 하부의 지벡계수가 큰 제1 열전물질(11) 패턴의 상부에 적층되 어 있는 제2 열전물질(12) 패턴에 홀(14)이 뚫려 있어서, 상기 제1 열전물질(11)이 노출되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 패턴을 취하게 되면, 기전력을 향상시킬 수 있다는 장점이 있는데, 이는 서로 다른 지벡 계수를 가진 열전물질이 열을 고르게 분포 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 하부에 존재하는 지벡계수가 큰 제1 열전물질(11)의 노출면적이 늘어나서 적외선 또는 열을 받아들일 수 있는 면적이 상승하게 되고, 이에 따라 기전력이 상승되는 것으로 판단된다.On the other hand, Figure 7 shows a schematic diagram of the structure of the thermocouple pattern according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, in the present invention, the thermocouple is positioned in series with the hot portion and the cold portion, and the
도 8은 본 발명에 따른 써모파일 센서 제조공정을 보여주는 공정도로서, 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 먼저 실리콘 기판(1) 상에 저압화학기상증착법을 통해 저응력 질화막(SixNx)를 적층한 다음, 도 8(b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 제1 열전물질(11)과 제2 열전물질(12)을 증착하여 패턴을 형성하고, 이어서, 도 8(d)와 같이 상기 열전쌍 물질을 포함한 센서 소자의 전면부를 외부환경으로부터 보호하기 위하여 절연막(5)을 형성한 다음, 센서로부터 나오는 출력을 외부회로와 연결되게 하기 위하여 패드(7)를 상기 열전쌍(4)에 접촉되도록 형성한다. 다음으로, 도 8(e)에서 처럼 스퍼터링을 통해 흑체(6)를 형성하고, 마지막으로 도 8(f)에 도시된 바와 같이, 건식식각을통해 소자의 전면을 식각하여 등방성 동공(13)을 형성하고 온접점 부위를 기판상에 띄워 마이크로 브릿지 구조를 가지도록 함으로써 써모파일을 제조하게 된다. FIG. 8 is a process chart showing a manufacturing process of a thermopile sensor according to the present invention. As shown in FIG. 8 (a), a low stress nitride film (SixNx) is first deposited on a
이하 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples, but the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
디클로로실란의 유량을 100 sccm으로, 암모니아의 유량을 20 sccm으로 흘려주면서, 압력 140mTorr하에서 저압 화학기상증착법을 이용하여 실리콘 기판 상에 저응력 질화막을 8500Å의 두께로 증착하였다. 이때의 증착율은 35~45Å/min이었다. 다음으로 제 1열전물질로서 폴리실리콘을 사용하여 패턴을 형성하였으며, 이는 Inteegrator Circuit Tech사의 장비를 사용하여 300 mTorr의 압력, 약 625℃의 온도에서 SiH4 가스를 60 sccm 흘려주며 5000Å의 두께로 증착(증착율 85∼95Å/min)하였다. 증착이 끝난 후, 상기 폴리실리콘을 p-타입으로 조절하기 위하여 인을 주입하였다. 상기 과정은 우선 주입하는 물질이 들어있는 막(P2O5)을 증착한 후, 드라이브인(drive-in) 시간을 두어 인을 확산시켰는데, 상기 P2O5막은 온도를 850∼1000℃로 하고 질소, 산소 및 POCl3 가스를 각각 5 SLPM, 0.1SLPM, 0.4SLPM로 흘려주면 14분 동안 증착하였고 상기 인을 주입하는 드라이브 인 시간은 42분으로 하였다. 다음으로, 패턴을 전사하고 인이 주입된 폴리실리콘 막을 반응성 이온 에쳐 장비(Plasma Therm 790 Series)를 사용하여 식각하였고 이때 사용된 기체는 SF6와 O2이며 식각 시간은 2분 15초였다. 그 다음, 전자증발기(E-Beam evaporator)를 사용하여 Al 패턴을 2000Å의 두께로 증착하고 Al 식각 용액인 Al-12K를 사용하여 필요없는 Al 부분을 식각함으로써 도 7에 도시된 바와 같은 형태의 열전쌍을 제조하였다. 이어서, 절연막으로서 폴리이미드를 코팅한 다음, 20mTorr로 하여 Ar:O의 비율을 9:1로 흘려주며, 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 흑체로서 산화크롬을 1500Å 증착하였고 흑체의 패턴은 리프트 오프(lift-off) 공정을 사용하여 전사하였다. 그 다음으로, 질화막을 제거하기 위해서 포토레지스트(이스트만 코닥사 제조; AZ1512)를 사용하여 기판에 패턴을 전사하고 RIE(Reactive Ion Etcher) 공정을 이용하여 CF4CHF3 36sccm과 O2 4sccm를 흘려주며 상기 포토레지스트를 통해 개방된 절연막 및 저응력 질화막을 제거하였다. 마지막으로 XeF2 가스를 사용하여 상기 저응력 질화막이 제거된 부위의 실리콘 기판을 등방성으로 약 1시간 동안 식각하고 온접점부분을 기판에서 띄워 마이크로브릿지 형성함으로써 써모파일을 제조하였다. A low stress nitride film was deposited to a thickness of 8500 kPa on a silicon substrate using a low pressure chemical vapor deposition method under a pressure of 140 mTorr while flowing a dichlorosilane at a flow rate of 100 sccm and a flow rate of ammonia at 20 sccm. The deposition rate at this time was 35 to 45 mW / min. Next, a pattern was formed using polysilicon as the first thermoelectric material, which was deposited at a thickness of 5000 kV by flowing 60 sccm of SiH 4 gas at a pressure of 300 mTorr and a temperature of about 625 ° C. using Inteegrator Circuit Tech's equipment. (Deposition rate 85-95 kPa / min). After deposition, phosphorus was injected to control the polysilicon to the p-type. The process first deposits a film (P 2 O 5) containing the material to be injected, and then diffuses phosphorus with a drive-in time. The P 2
비교예 1Comparative Example 1
다이아프레임 막으로써 통상적인 산화막/질화막/산화막을 사용하고, 수산화칼륨 용액을 사용한 습식식각 방식으로 후면을 식각하였으며, 온접점의 열전쌍의 패턴을 통상적인 막힌 구조로 형성함으로써 하부의 제1 열전물질이 그 상부의 제2 열전물질의 중심부위로 노출되지 않도록한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 써모파일을 제조하였다.As a diaphragm film, a conventional oxide film / nitride film / oxide film was used, and the rear surface was etched by a wet etching method using potassium hydroxide solution, and the first thermoelectric material at the bottom was formed by forming a pattern of the hot junction thermocouple into a conventional blocked structure. The thermopile was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the upper portion of the second thermoelectric material was not exposed to the center portion thereof.
시험예 1Test Example 1
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 써모파일을 출력을 측정하여 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면 본 발명에 따른 써모파일의 출력이 대폭 향상됨을 확인할 수 있다. The output of the thermopile prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured and the results are shown in FIG. 9. 9, it can be seen that the output of the thermopile according to the present invention is greatly improved.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 써모파일 센서는 제조공정효율이 높고, 소자의 크기를 대폭 감소시킬 수 있으며, 감도 및 출력이 우수하다는 장 점이 있다. 또한 본 발명에 따른 써모파일 센서의 제조방법은 공정수가 대폭 감소되기 때문에 제조공정효율이 우수하고 제조단가를 절감시킬 수 있다.As described above, the thermopile sensor according to the present invention has the advantages of high manufacturing process efficiency, greatly reducing the size of the device, and excellent sensitivity and output. In addition, the manufacturing method of the thermopile sensor according to the present invention can greatly reduce the number of processes, the manufacturing process efficiency and the manufacturing cost can be reduced.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100791987B1 (en) * | 2006-05-04 | 2008-01-04 | 연세대학교 산학협력단 | A thermal sensor with split-fluidic channel and Preparation method Thereof |
| KR101234990B1 (en) * | 2010-06-18 | 2013-02-20 | 지이센싱코리아(주) | Multi-functional sensor for temperature and humidity detection and manufacturing method therefor |
| KR20170114590A (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-16 | 전자부품연구원 | Bridge Type Micro Gas Sensor and Manufacturing Method Thereof |
| CN107421994A (en) * | 2016-05-24 | 2017-12-01 | 上海新昇半导体科技有限公司 | Low-power consumption hydrogen gas sensor and its manufacture method based on two-dimensional electron gas |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100239494B1 (en) * | 1998-02-28 | 2000-01-15 | 구자홍 | Thermopile sensor and method for fabricating the same |
| KR100379929B1 (en) * | 1998-03-20 | 2003-10-11 | 주식회사 만도 | Method for manufacturing semiconductor pressure sensor |
| KR100313909B1 (en) * | 1999-11-22 | 2001-11-17 | 구자홍 | IR sensor and method for fabricating the same |
| KR100370066B1 (en) * | 2000-04-14 | 2003-01-29 | 엘지전자 주식회사 | Micro Absolute Humidity Sensor and Fabricating Method for the same |
-
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100791987B1 (en) * | 2006-05-04 | 2008-01-04 | 연세대학교 산학협력단 | A thermal sensor with split-fluidic channel and Preparation method Thereof |
| KR101234990B1 (en) * | 2010-06-18 | 2013-02-20 | 지이센싱코리아(주) | Multi-functional sensor for temperature and humidity detection and manufacturing method therefor |
| KR20170114590A (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-16 | 전자부품연구원 | Bridge Type Micro Gas Sensor and Manufacturing Method Thereof |
| CN107421994A (en) * | 2016-05-24 | 2017-12-01 | 上海新昇半导体科技有限公司 | Low-power consumption hydrogen gas sensor and its manufacture method based on two-dimensional electron gas |
| CN107421994B (en) * | 2016-05-24 | 2019-11-15 | 上海新昇半导体科技有限公司 | Low-power consumption hydrogen gas sensor and its manufacturing method based on two-dimensional electron gas |
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