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KR102119757B1 - 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR102119757B1
KR102119757B1 KR1020180098176A KR20180098176A KR102119757B1 KR 102119757 B1 KR102119757 B1 KR 102119757B1 KR 1020180098176 A KR1020180098176 A KR 1020180098176A KR 20180098176 A KR20180098176 A KR 20180098176A KR 102119757 B1 KR102119757 B1 KR 102119757B1
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thermoelectric
resistance
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temperature
temperature measuring
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제갈원
강상우
김용규
권수용
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명에 따른 웨이퍼 센서는 저항식 온도 센서로서 기준온도를 측정하는 복수 개의 기준저항과, 열전식 온도 센서로서 기준저항의 일단으로부터 직렬로 하나 이상 연결되는 열전부를 포함하여 이루어지며, 열전부와 연결배선은 서로 다른 층에 배치된다. 특히, 열전부는 열전쌍(thermocouple)을 형성하는 2 종류의 도선이 서로 교대로 반복하여 100회~1,000회 정도 반복 형성되는 형태로 구성된다. 각 열전부가 연결배선이 형성되는 층과 다른 층에 형성되기 때문에 각 열전부를 배선의 방해를 받지 않고 웨이퍼 센서의 전 면적에 고르게 설치할 수 있다. 특히, 복수 개의 기준저항을 이용하여 기준온도와 열전부의 제백계수에 대한 교정이 이루어짐에 따라 측정되는 온도의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 각 열전부를 통해 측정되는 기전력이 물리적으로 증폭되기 때문에 측정이 더욱 편리해진다. 이에 따라, 웨이퍼의 전 면적에 대한 온도 균일도를 더욱 편리하고 정확하게 파악할 수 있게 된다.

Description

다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법{Multi-layered resistive-thermocouple type temperature measuring wafer sensor and method for fabricating the same }
본 발명은 온도측정 웨이퍼 센서에 관한 것으로서, 특히 웨이퍼의 전 면적에 대해 온도 균일도를 세밀하게 파악할 수 있는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에서 웨이퍼는 서셉터 상에 놓인 상태에서 서셉터로부터 열을 전달받아 가열된다. 이때 서셉터에서 웨이퍼로 열이 전도되는 과정에서 열 손실이 발생되므로 서셉터와 웨이퍼 사이에 온도 차이가 나게 된다.
예를 들어, 서셉터의 온도를 1000℃로 세팅하더라도 웨이퍼의 실제 온도는 이 보다 못하게 될 수 있다.
따라서 웨이퍼의 실제 온도를 정확히 파악할 필요가 있다. 온도 균일성이 떨어지면 부분별로 공정조건이 달라지는 결과가 되어 공정 신뢰도가 떨어지기 때문에 웨이퍼 전 면적에 대한 온도 균일도를 파악하는 것은 매우 중요하다
이와 관련하여, 일본 특개 제2000-31231호(2000.01.28)에 개시된 웨이퍼 온도 측정장치나, 미국 특허 제7,540,188호(2009.06.02)에 개시된 공정조건 측정장치 등 여러 가지 테스트 웨이퍼(더미 웨이퍼)가 제안되었다.
상기 일본 특개 제2000-31231호에 개시된 웨이퍼 온도 측정장치는 열전대를 이용하는 것으로서 웨이퍼의 오목부에 설치된 측온저항체로부터 소선과 리드선들이 외부 인출되어 이루어지기 때문에 웨이퍼 내에 측온저항체를 많이 설치할 경우 소선과 리드선들이 너무 복잡하게 얽히게 되므로, 측온저항체를 여러 군데에 많이 설치할 수 없다. 이 때믄에 웨이퍼의 전 면적에 대하여 온도 균일도를 세밀하게 파악하기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 대한민극 등록특허 10-1746560호의 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 및 그 제조 방법은, 열전쌍을 이루는 제1열전부와 제2열전부를 서로 다른 층에 형성하는 기술을 개시하고 있다.
이 기술을 이용하면, 열전부를 웨이퍼 상에 고르게 설치할 수 있어서, 웨이퍼의 전 면적에 대한 온도 균일도를 세밀하게 파악할 수 있다
그러나, 등록특허 10-1746560호는 기준저항을 하나만 이용하기 때문에, 각 열전부의 제벡계수를 교정하기 어렵고, 이 때문에 기준온도에 각 열전부를 통해 측정되는 온도차를 더하여 산출되는 각 지점의 온도가 정확한지 확신할 수 없다.
또한, 각 열전부는 서로 다른 종류의 두 선으로 이루어지는데, 이를 통해 발생되는 기전력이 매우 작아 측정하기가 쉽지 않다.
대한민국 등록특허 제 10-1746560 호(2017.06.14)
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전쌍을 이루는 요소의 제백계수를 올바르게 교정할 수 있도록 함과 아울러 각 열전부에서 발생되는 기전력의 크기를 증폭하여, 웨이퍼의 전 면적에 대한 온도 균일도를 더욱 편리하고 정확하게 파악할 수 있는, 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서는, 웨이퍼 상에 형성된 복수 개의 기준저항; 두 기준저항의 사이에 형성되는 열전부와, 상기 기준저항의 일단으로부터 직렬로 하나 이상 연결되는 열전부; 각 측정접점(기준저항과 열전부의 양단)과 측정단자 사이의 연결배선들로 이루어지는 배선부; 및 상기 열전부가 형성된 층과 상기 배선부가 형성된 층의 사이에 배치되는 층간절연층을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 기준저항과 열전부는 동일한 층에 형성되며, 상기 각 측정접점과 그에 대응하는 연결배선은 상기 층간절연층을 관통하여 형성되는 비아 홀을 통해 서로 연결된다.
상기 기준저항은 상기 웨이퍼의 중심에서 에지를 향하여 직선 방향으로 3개가 단속적으로 형성될 수 있다. 이때, 인접한 두 기준저항의 사이에는 상기 열전부가 형성된다.
상기 열전부는 열전쌍(thermocouple)을 형성하는 2 종류의 도선이 서로 교대로 복수회 반복하여 직렬 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
상기 2 종류의 도선은 각각 금과 백금으로 이루어질 수 있다.
상기 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 100회 이상 1,000회 이하로 구성될 수 있다.
상기 열전부는 열전쌍을 이루는 각 도선이 두 영역 사이에서 지그재그 형태를 이루도록 형성될 수 있다. 이때 상기 각 영역의 크기는 100μm 이하로 구성하고, 상기 두 영역 사이의 거리는 1cm 이상으로 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 제조 방법은, 웨이퍼 상에 각 측정접점과 측정단자를 연결할 연결배선을 형성하는 단계; 상기 연결배선 위에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 각 연결배선의 일단이 노출되도록 상기 층간절연층에 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 각 비아 홀에 도전플러그를 형성하는 단계; 및 상기 도전플러그에 상기 각 측정접점이 전기적으로 접속되도록 각 기준저항과 열전부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이때 상기 기준저항은 상기 웨이퍼의 중심에서 에지를 향하여 직선 방향으로 3개가 단속적으로 형성될 수 있으며, 인접한 두 기준저항의 사이에는 상기 열전부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 웨이퍼 센서는 온도를 측정하기 위해 사용되는 기준저항과 각 열전부가 연결배선이 형성되는 층과 다른 층에 형성된다.
이 때문에, 각 열전부를 배선의 방해를 받지 않고 웨이퍼 센서의 전 면적에 고르게 설치할 수 있다.
복수 개의 기준저항을 통해 기준온도를 정확하게 파악할 수 있고, 이를 통해 각 열전부의 제백계수를 교정함으로써, 각 측정접점 사이의 온도차를 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
특히, 각 열전부는 측정되는 기전력의 크기를 물리적으로 크게 증폭하므로, 각 열전부의 기전력을 더욱 편리하고 손쉽게 측정할 수 있다.
이에 따라, 웨이퍼의 전 면적에 대한 온도 균일도를 더욱 편리하고 정확하게 파악할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서의 일 실시예,
도 2는 열전부에 관한 일 실시예,
도 3은 다층 구조를 설명하는 일 실시예,
도 4는 연결배선이 형성되는 층의 일 실시예,
도 5는 본 발명에 따른 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 제조 방법의 일 실시예이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 웨이퍼 센서(100)의 일 실시예를 보인 것으로서, 기판(101)에 저항식 온도 센서인 기준저항(Rc, Rm, Re)과, 열전식 온도 센서인 열전부(UC, UC1, UC2)가 구비된다.
웨이퍼 센서(100)의 기판(101)은 반도체 제조용으로 사용되는 것일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(101)은 전기로나 핫 플레이트 등에 의해 열처리되는 측정판, 또는 그와 같은 조건에서 사용되는 박판 등을 포함할 수 있다. 즉, 열처리 대상이 되는 박판이나, 그와 같은 표면 형상 및 그와 같은 열용량을 가지는 부재, 또는 열처리 대상이 되는 박판 그 자체일 수도 있다.
기준저항(Rc, Rm, Re)은 기준온도를 측정하기 위하여 사용되며, 복수 개가 구비된다. 기준저항의 개수는 다양하게 구성될 수 있다.
기준저항(Rc, Rm, Re)은 저항식으로 온도를 측정하는 저항식 온도 센서일 수 있으며, 기판(101)의 특정 지점의 온도를 측정하기 위해 사용되는데, 기준저항(Rc, Rm, Re)을 통해 측정되는 온도가 기준온도이다.
기준저항(Rc, Rm, Re)은 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(101)에 형성된 도전성 배선으로 구성될 수 있으며, 이 배선은 구불구불하게 연결된 형태를 가질 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
기준저항(Rc, Rm, Re)의 배치는 다양하게 이루어질 수 있다. 구체적인 예로서, 기준저항(Rc, Rm, Re)은 기판(101)의 중심으로부터 에지(edge)를 향해 직선 방향으로 단속적으로 형성될 수 있다. 그리고, 단속적으로 배치되는 각 기준저항의 사이에는 열전부가 배치된다.
도 1에는 3개의 기준저항(Rc, Rm, Re)이 단속적으로 배치된 예가 나타나 있으며, 기준저항 Rc와 Rm의 사이, 기준저항 Rm과 Re의 사이에 각각 열전부 UC1과 UC2가 형성되어 있다.
또한, 기판(101)에는 측정단자(110)가 구비된다. 각 기준저항(Rc, Rm, Re)의 양단과 각 열전부(UC)의 양단이 측정접점을 이루며, 각 측정접점은 연결배선을 통해 측정단자(110)와 연결되고, 측정단자(110)를 통해 각 측정접점에서 대한 측정이 이루어질 수 있다.
열전부(UC)는 기준저항(Rc, Rm, Re)이 형성된 층과 동일한 층에 형성되며, 열전식으로 온도를 측정하는 열전식 온도센서일 수 있다. 열전부(UC)는 기판(101) 상의 각 지점에서의 온도차를 측정하기 위해 사용된다.
열전부(UC)는 두 기준저항의 사이뿐 아니라(UC1, UC2), 다양한 위치에 배치될 수 있다. 구체적인 예로서 열전부(UC)는 각 기준저항(Rc, Rm, Re)의 일단으로부터 직렬로 하나 이상 연결될 수 있으며, 열전부와 열전부가 연결된 지점으로부터 다시 분지하여 배치될 수도 있다.
열전부(UC)는 열전쌍(thermocouple)을 형성하는 2 종류의 도선을 이용하여 구성될 수 있다.
이때 각 도선은 다양한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들자면, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 및 이것의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이 중에서도 금(Au)으로 이루어진 도선과 백금(Pt)으로 이루어진 도선을 이용하면, 순금속으로 이루어져 있어 균일한 열전성능을 나타내는 장점이 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 금(Au)으로 이루어진 도선과 백금(Pt)으로 이루어진 도선으로 열전부(UC)를 구성하는 예로 설명하기로 한다.
그런데, 열전부(UC)를 통해 기전력을 측정하여 온도차를 알 수 있다고 하더라도, 열전부(UC) 양단의 온도차에 의해 발생하는 기전력이 매우 작아 이를 측정하기가 쉽지 않다.
본 발명에 따른 웨이퍼 센서(100)의 열전부(UC)는 열전쌍을 형성하는 2 종류의 도선이 서로 교대로 복수회 반복하여 직렬 연결되도록 구성된다.
도 2는 열전부(UC)에 관한 일 실시예를 보인 것으로서, 열전부(UC)의 양단(V1, V2) 사이에 금으로 이루어진 도선(L1)과 백금으로 이루어진 도선(L2)이 지그재그 형태로 형성되어 있다.
금으로 이루어진 도선(L1)이 영역 a1에서 영역 a2까지 형성되고, 이 도선과 접합된 백금으로 이루어진 도선(L2)이 영역 a2에서 영역 a1로 형성되는 구조가 복수회 반복됨으로서 하나의 열전부(UC)가 구성된다.
이 열전부(UC)의 양단(V1, V2)은 측정접점을 이루며, 각각 연결배선 p1과 p2를 통해 측정단자(110)에 전기적으로 연결된다. 이때 연결배선 p1과 p2는 열전부(UC)와는 다른 층에 형성된다.
금으로 이루어진 도선(L1)과 백금으로 이루어진 도선(L2)이 열전쌍을 이루면, 양단에 나타나는 온도차에 따라 일정한 기전력이 발생한다. 이러한 열전쌍이 n개 직렬 연결되면, 열전부(UC)의 양단(V1, V2)에 나타나는 기전력은 하나의 열전쌍을 통해 나타나는 기전력의 약 n배 정도 증폭될 수 있다.
열전쌍의 직렬 연결로 물리적인 증폭이 충분히 일어나도록 하기 위해서는 금으로 이루어진 도선과 백금으로 이루어진 도선의 접합점들이 존재하는 영역 a1과 a2의 크기, 및 영역 a1과 a2 사이의 거리가 잘 설계될 필요가 있다.
이와 관련하여, 도선의 접합점들이 존재하는 영역 a1과 a2의 크기(접합점간 최대 거리, d1)는 같은 영역에 속한 모든 접합점의 온도를 같은 것으로 가정할 수 있을 만큼 작은 것이 바람직하다. 또한, 영역 a1과 a2 사이의 거리(d2)는 충분히 이격되는 것이 바람직하다.
구체적인 예로서, 열전쌍을 이루는 도선의 접합점이 모여있는 각 영역(a1, a2)의 크기는 100μm 이하로 구성하고, 영역 a1과 a2 사이의 거리(d2)는 1cm 이상으로 구성할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음의 수학식 1은 도 2에 도시된 열전부(UC)의 실시예에서 물리적 증폭이 이루어지는 것을 설명한다.
<수학식 1>
Figure 112018083349088-pat00001
Figure 112018083349088-pat00002
여기서 △t는 't2-t1'이고, △S는 'SAU-Spt'이다.
또한, t0는 연결배선 p1과 p2가 측정단자(110)에 연결된 부분의 온도, t1은 영역 a1의 온도, t2는 영역 a2의 온도, n은 각 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수, SAU는 금(Au)으로 이루어진 도선의 제백계수, Spt는 백금(Pt)으로 이루어진 도선의 제백계수이다.
상기 수학식 1은 열전쌍이 n회 반복되어 직렬 연결된 경우, 열전쌍 하나가 발생시키는 기전력의 n배 정도 증폭이 이루어질 수 있음을 보여준다.
열전부(UC)에서 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 물리적인 증폭의 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 구체적인 예로서, 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 100회 이상 1,000회 이하로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 금 도선과 백금 도선이 발생시키는 기전력이 10μV 라고 가정할 때, 금 도선과 백금 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수가 1,000회라면, 하나의 열전부(UC)를 통해 측정되는 기전력은 10mV 정도가 되므로, 웨이퍼 센서의 측정단자(110)에서 열전부(UC)의 기전력을 측정하기가 용이해진다.
한편, 각 기준저항(Rc, Rm, Re)과 열전부(UC)의 양단은 측정접점을 이루며, 각 측정접점은 측정단자(110)와 연결배선을 통해 전기적으로 연결되는데, 열전부(UC)와 연결배선은 서로 다른 층에 형성된다.
도 3을 참조하자면, 배선부(102)는 각 측정접점과 측정단자(110) 사이를 연결하는 각 연결배선(103)으로 이루어지며, 기준저항(Rc, Rm, Re)과 열전부(UC)는 배선부(102)와 다른 층에 형성된다.
이에 따라 측정단자(110)로의 연결배선(103)에 방해를 받지않고, 열전부(UC)를 전 면적에 걸쳐 고르게 설치할 수 있다.
웨이퍼 센서(100)는 표면 온도를 측정하기 위하여 사용될 수 있으므로, 기준저항(Rc, Rm, Re)과 열전부(UC)가 형성되는 층(109)은 배선부(103)가 형성되는 층보다 위에 배치되는 것이 바람직하다.
열전부(UC)가 형성된 층(109)과 연결배선(103)이 형성된 층의 사이에는 층간절연층(105)이 구비되며, 층간절연층(105)에는 각 측정접점과 그에 대응하는 연결배선(103)을 전기적으로 연결하기 위한 비아 홀(107)이 형성된다.
즉, 각 측정접점과 그에 대응하는 연결배선은 층간절연층(105)을 관통하여 형성되는 비아 홀(107)을 통해 서로 연결된다.
도 4는 배선부(102)가 형성된 층의 예를 보인 것으로서, 도 1에 도시된 실시예와 대응 관계에 있으며, 각 측정접점을 측정단자(110)로 연결하기 위한 여러 연결배선들이 형성되어 있다.
설명의 이해를 돕기 위하여, 도 1에 도시된 측정접점 V1 내지 V6과 비아 홀을 통해 연결되는 부분을 같은 참조부호 V1 내지 V6으로 표시하였고, 도 2에 보인 실시예에서 측정접점 V1과 V2를 측정단자(110)로 연결하는 연결배선 p1과 p2도 같은 참조부호로 표시하였다.
연결배선과 관련하여, 기준저항(Rc, Rm, Re)의 양단과 측정단자(110)의 사이에는 기준저항 측정배선이 구비될 수 있다.
여기서, 기준저항 측정배선에는 기전력을 측정하기 위한 연결배선과 온도별 저항 값을 측정하기 위하여 전류를 인가하는 연결배선이 포함될 수 있다.
각 연결배선들은 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어 각 연결배선은 금으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
비아 홀은 다양한 재질의 도전플러그로 채워질 수 있다. 예를 들어, 비아 홀은 금 또는 백금으로 채워질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 웨이퍼 센서(100)에 온도 불균일이 발생하면, 제백효과(Zeebeck effect)에 의해 각 측정접점 사이에 전위차가 발생한다.
그러므로, 연결배선들이 취합되는 측정단자(110)를 통해 각 측정접점에서의 전위차를 측정하면, 어느 부분에 온도 불균일이 발생하였는지 파악할 수 있다. 즉, 각 열전부(UC)의 전위차를 통해 온도차를 알 수 있으므로, 기준온도에 각 온도차를 더하여 각 지점에서의 온도를 측정할 수 있다.
이때, 웨이퍼 센서(100)의 전 면적에 대해 온도 불균일을 세밀하게 파악하기 위해서는 측정접점이 많아야 한다. 그런데, 열전부(UC)와 연결배선이 동일한 평면상에 존재하면, 연결배선의 설치를 위해 열전부(UC)의 설치 공간이 제약 받는다.
하지만, 본 발명과 같이 열전부와 연결배선을 다른 층에 배치하면, 열전부를 연결배선으로 인한 방해 없이 기판(101)의 전체에 고르게 설치할 수 있게 되어, 전 면적에 걸쳐 온도 균일도를 세밀하게 파악할 수 있다.
이제 기준저항을 이용한 교정에 관하여 살펴보기로 한다.
먼저 기준저항의 온도별 저항 값을 측정함으로서, 온도 측정의 기준이 되는 기준온도를 정확하게 알 수 있도록 한다.
이를 위하여, 전체적으로 온도가 균일하게 유지되고 있는 항온 챔버 내에 웨이퍼 센서(100)를 올려 놓고, 각 기준저항 Rc, Rm, Re의 양단에 연결된 측정단자를 통해 일정 전류가 각 기준저항에 흐르도록 한다. 그리고, 각 기준저항(Rc, Rm, Re)에 인가되는 전압을 측정하여, 각 기준저항의 저항 값을 계측하고, 온도와 저항 값의 대응 관계를 저장한다.
이러한 과정을 각 온도에 대해 반복함으로써, 온도와 저항 값의 대응 관계를 획득할 수 있다. 기준저항의 온도별 저항 값은 다양한 형태로 이후 온도 측정에 이용될 수 있다. 예를 들어, 온도와 저항 값의 관계를 데이터베이스화 할 수 있고, 온도와 저항 값의 선형 관계식을 도출할 수도 있다.
기준저항의 온도별 저항 값이 실험적으로 확인된 후에는, 실제 온도를 측정할 때, 기준저항의 저항 값 측정을 통해 각 기준저항이 위치한 곳의 온도를 정확히 알 수 있다.
열전부(UC)와 관련하여, 실제 회로의 배선은 증착 과정을 통해 구현될 수 있는데, 이 과정에서 오염, 혹은 부차적인 접착층(adhesion layer) 등의 영향으로, 열전부(UC)의 제백계수 값이 변할 수 있다.
그러므로, 기준온도를 측정하기 위한 교정뿐 아니라 열전부(UC)의 제백계수도 교정이 필요하다.
웨이퍼 센서(100)에는 자체 교정(self calibration)을 수행할 수 있도록 각 기준저항(Rc, Rm, Re)과 그 사이에 열전부(UC1, UC2)가 배치되어 있다. 열전부(UC1, UC2)에 인가된 온도 편차와 그로 인해 발생된 열기전력을 이용하여 제백계수를 교정할 수 있다.
열전부(UC)의 교정은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
먼저, 온도 구배를 가지는 히터 위에 기준온도에 대한 교정 절차가 완료된 웨이퍼 센서(100)를 올려 놓고, 각 기준온도와, 열전부 UC1 및 UC2의 양단 기전력을 계측한다.
이때 열전부 UC1과 UC2의 온도차는 기준온도 교정을 통해 정확하게 알 수 있는 상태이므로, 이 정보와 열전부 UC1 및 UC2의 양단 기전력 정보를 이용하여, 열전부 UC1, UC2의 제백계수를 산출한다.
산출된 열전부 UC1 및 UC2의 제백계수를 이용하여, 그 이외의 각 열전부(UC)에 대한 제백계수를 교정하는 방법은 다양하게 구성될 수 있다.
예를 들어, 열전부 UC1과 UC2의 제백계수 값의 평균을 모든 열전부(UC)의 기준 제백계수로 설정할 수 있다.
상기와 같은 과정을 통해 각 열전부(UC)의 제백계수를 교정할 수 있으며, 필요에 따라서는 각 온도별로 제백계수를 교정할 수도 있다.
이제 웨이퍼 센서(100)의 각 지점에서의 온도는 '기준온도'에 '열전부를 통해 얻어지는 온도차(△t, 상대온도)'를 더하여 산출될 수 있다.
기준온도와 각 열전부의 제백계수 교정을 통하여, 기준온도뿐 아니라 각 열전부(UC)에서의 온도차를 정확하게 알 수 있으므로, 기준온도에 각 온도차를 더하여 획득되는 각 지점의 온도는 그 신뢰성이 높다.
도 3과 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 웨이퍼 센서(100)를 제조하는 방법의 일 실시예를 설명하기로 한다.
먼저, 기판(101) 상에 각 측정접점과 측정단자를 연결할 연결배선(103)을 형성한다(S210).
이때, 연결배선에 사용할 재질의 금속층을 기판(101)에 형성한 후, 이 금속층을 패터닝하여 각 연결배선(103)을 형성할 수 있다.
연결배선(103)은 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 구체적인 예로서 연결배선(103)은 금으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이제 연결배선(103)의 위에 층간절연층(105)을 형성한다(S220).
그리고, 각 연결배선(103)의 일단이 노출되도록 층간절연층(105)에 비아 홀(107)을 형성하고(S230), 각 비아 홀(107)에 도전플러그를 형성한다(S240).
도전플러그는 다양한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도전플러그는 금 또는 백금으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 도전플러그에 각 측정접점이 전기적으로 접속되도록 각 기준저항과 열전부를 형성한다(S250).
즉, 각 측정접점이 단계 S240에서 형성된 각 도전플러그와 접속되도록, 층간절연층(105) 상에 기준저항과 열전부를 형성한다. 그러면, 각 측정접점은 도전플러그를 통해(비아 홀을 관통하여) 해당 연결배선(103)과 연결되며, 또한 연결배선(103)을 통해 자신과 대응되는 측정단자(110)와 전기적으로 연결된다.
단계 S250에서 형성되는 기준저항의 개수와 배치는 다양하게 구성될 수 있다. 구체적인 예로서, 기준저항은 기판의 중심으로부터 에지를 향하여 직선 방향으로 3개가 단속적으로 형성되고, 인접한 두 기준저항의 사이에 열전부가 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 열전부는 열전쌍을 형성하는 2 종류의 도선이 서로 교대로 복수회 반복하여 직렬 연결되도록 구성될 수 있다. 열전부를 구성하는 도선의 재질은 다양하게 구성될 수 있으며, 금(Au)으로 이루어진 도선과 백금(Pt)으로 이루어진 도선을 이용하면, 순금속으로 이루어져 있어 균일한 열전성능을 나타내는 장점이 있다.
열전쌍을 이루는 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 물리적인 증폭의 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 구체적인 예로서, 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 100회 이상 1,000회 이하로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 도선의 접합점들이 존재하는 영역 a1과 a2의 크기(접합점간 최대 거리, d1)는 같은 영역에 속한 모든 접합점의 온도를 같은 것으로 가정할 수 있을 만큼 작은 것이 바람직하다. 또한, 영역 a1과 a2 사이의 거리(d2)는 충분히 이격되는 것이 바람직하다.
구체적인 예로서, 열전쌍을 이루는 도선의 접합점이 모여있는 영역(a1, a2)의 크기는 100μm 이하로 구성될 수 있고, 영역 a1과 a2 사이의 거리(d2)는 1cm 이상으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
100: 웨이퍼 센서 101: 기판
102: 배선부 105: 층간절연층
107: 비아 홀 110: 측정단자
a1, a2: 접합점들이 모인 영역
Rc, Rm, Re: 기준저항 p1, p2, 103: 연결배선
V1~V6: 측정접점 UC, UC1, UC2: 열전부

Claims (15)

  1. 웨이퍼 상에 형성된 복수 개의 기준저항;
    각 기준저항의 사이에 형성되는 열전부와, 상기 기준저항의 일단으로부터 직렬로 하나 이상 연결되는 열전부;
    각 측정접점(기준저항과 열전부의 양단)과 측정단자 사이를 전기적으로 연결하는 연결배선들로 이루어지는 배선부; 및
    상기 열전부가 형성된 층과 상기 배선부가 형성된 층의 사이에 배치되는 층간절연층을 포함하고,
    상기 기준저항과 열전부는 동일한 층에 형성되며,
    상기 각 측정접점과 그에 대응하는 연결배선은 상기 층간절연층을 관통하여 형성되는 비아 홀을 통해 서로 연결되고,
    상기 열전부는 열전쌍(thermocouple)을 형성하는 2 종류의 도선이 서로 교대로 복수회 반복하여 직렬 연결되는 형태로 구성되며,
    상기 각 도선은 두 영역 사이에서 지그재그 형태로 형성되고, 상기 각 영역의 크기는 100μm 이하이며, 상기 두 영역 사이의 거리는 1cm 이상인 것을 특징으로 하는, 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준저항은 상기 웨이퍼의 중심에서 에지를 향하여 직선 방향으로 3개가 단속적으로 형성되고, 인접한 두 기준저항의 사이에 상기 열전부가 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 종류의 도선은 금으로 이루어진 도선과 백금으로 이루어진 도선인 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 100회 이상 1,000회 이하인 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비아 홀은 금 또는 백금으로 채워지는 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결배선은 금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준저항의 양단과 상기 측정단자 사이에 연결되는 기준저항 측정배선을 더 포함하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준저항과 열전부가 형성된 층은 상기 배선부가 형성된 층보다 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서.
  11. 제1항에 기재된 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서를 제조하는 방법으로서,
    웨이퍼 상에 각 측정접점과 측정단자를 연결할 연결배선을 형성하는 단계;
    상기 연결배선 위에 층간절연층을 형성하는 단계;
    상기 각 연결배선의 일단이 노출되도록 상기 층간절연층에 비아 홀을 형성하는 단계;
    상기 각 비아 홀에 도전플러그를 형성하는 단계; 및
    상기 도전플러그에 상기 각 측정접점이 전기적으로 접속되도록 각 기준저항과 열전부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 기준저항은 상기 웨이퍼의 중심에서 에지를 향하여 직선 방향으로 3개가 단속적으로 형성되며, 인접한 두 기준저항의 사이에는 상기 열전부가 형성되고,
    상기 열전부는 열전쌍(thermocouple)을 형성하는 2 종류의 도선이 서로 교대로 복수회 반복하여 직렬 연결되며,
    상기 각 도선은 두 영역 사이에서 지그재그 형태로 형성되고, 상기 각 영역의 크기는 100μm 이하이며, 상기 두 영역 사이의 거리는 1cm 이상인 것을 특징으로 하는, 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 2 종류의 도선이 교대로 반복하여 나타나는 횟수는 100회 이상 1,000회 이하인 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 연결배선은 금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 저항-열전식 온도측정 웨이퍼 센서 제조 방법.
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