KR100759013B1 - 비접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비접촉식 적외선 온도 센서에 관한 것으로 써모 파일을 포함하는 센서부와, 상기 써모 파일을 보호하는 하우징과, 본딩된 상기 센서부와 상기 하우징의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이와 같이 열 전도성 패키징부를 통해 온도 센서 상측의 열을 하부로 전도 방출하여 순수한 외부 열원만을 통해 써모파일의 기전력을 생성시킬 수 있어 온도 계측의 정밀성을 향상시킬 수 있다.
적외선, 온도 센서, 써모파일, 웨이퍼 본딩, 열 전도성 패키징부
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도.
도 3은 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 저면도.
도 4는 제 1 실시예에 따른 센서부의 평면도와 단면도.
도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따른 센서부의 평면도와 단면도.
도 6은 제 1 실시예에 따른 하우징부의 평면도와 단면도.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도.
도 11은 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도.
도 12는 제 2 실시예에 따른 하우징의 평면도, 저면도 및 단면도.
도 13은 제 2 실시예에 따른 센서부의 평면도, 저면도 및 단면도.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 500 : 센서부 200, 400 : 하우징
300, 700 : 열 전도성 패키징부 600 : 투광부
본 발명은 비 접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 외부 패키징까지 반도체 공정을 기반으로 진행하여 빠른 응답과 주변 온도에 의한 영향을 최소화하여 온도 계측의 정밀성을 향상시킬 수 있는 비 접촉식 적외선 온도 센서 소자에 관한 것이다.
일반적으로 온도를 측정하기 위한 방법으로는 접촉식과 비접촉식의 크게 두가지로 나눌 수 있다. 접촉식 온도계로는 수은온도계, 알콜온도계, NTC온도계 및 공업용으로는 열전대(Thermocouple) 및 백금측온계 등이 있으며 직접 열원에 접촉할 수 없는 경우나 매우 빠른 온도계측을 위해서는 비접촉식 온도계인 써모파일(Thermopile)을 이용한 온도계를 사용하고 있다.
써모파일의 경우 최근 수은온도계를 대신하여 귓속형 체온계등의 온도 센서 소자로 널리 보급되고 있으며 온도의 정밀계측과 빠른 응답속도와 열원에 직접 닿지 않고도 계측할 수 있는 장점으로 인해 자동차 내부의 온도 측정 및 가전 기기의 온도측정 등의 다양한 분야로 그 응용범위가 급속히 확대되고 있다.
써모파일은 두가지 서로 다른 물질의 접점들 즉, 냉접점과 온접점 사이에 온도차가 생기면 온도차의 크기에 비례하는 기전력(thermoelectric power)이 발생한다는 제백효과(seebeck effect)를 이용하여 온도를 감지한다.
써모 파일을 포함하는 적외선 온도 센서 소자는 실리콘 웨이퍼 상에 써모커플을 박막으로 구현하여 제작하였다. 이에 써모 파일의 감도를 향상시키기 위해서는 입사되는 적외선 복사 에너지를 최대한 많은 양을 흡수하여야 하고, 또한, 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하여야 한다.
또한, 좀더 정밀한 온도 측정을 위해서는 냉접점의 온도를 정확하게 보상해주는 것이 필수적이다. 하지만 종래의 써모 파일의 경우 외부로부터 입사되는 적외선은 온접점 영역뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼에도 닿아 실리콘 웨이퍼의 온도를 상승시키게 되고, 이로 인한 실리콘 웨이퍼의 열이 온접점으로 복사되어 외부 열원(피측정체)의 순수 온도보다 높은 온도로 잘못 인식되어 정밀한 온도 측정이 어려운 문제가 발생하였다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 써모 파일이 마련된 소자부와, 이를 봉지하는 하우징 간을 실리콘 본딩법으로 본딩시키고, 이들의 측면에 열 전도도가 우수한 패키징을 마련하여 소자 상측의 열을 하부로 방출하여 정확한 온도 측정을 할 수 있는 비접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 써모 파일을 포함하는 센서부와, 상기 써모 파일을 보호하는 하우징과, 본딩된 상기 센서부와 상기 하우징의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서를 제공한다.
여기서, 반도체 기판 상에 써모 파일이 마련되고, 상기 반도체 기판을 관통하여 상기 써모 파일과 접속된 외부 전극 단자를 포함하는 상기 센서부와, 상기 센서부 상측에 마련되어 상기 써모 파일에 대응하는 오목부를 갖는 하우징과, 상기 센서부와 웨이퍼 본딩된 상기 하우징의 상부면의 일부와, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 마련된 상기 열 전도성 패키징부를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 제 1 반도체 기판 상부에 오목부가 형성되고, 상기 제 1 반도체 기판을 관통하는 전극 패드를 갖는 하우징과, 제 2 반도체 기판 하부에 상기 오목부에 대응하는 영역에 써모 파일이 마련되고, 상기 써모 파일과 상기 전극 패드을 연결하는 내부 전극이 마련된 센서부와, 웨이퍼 본딩된 상기 센서부의 상부면의 일부와, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 마련된 상기 열 전도성 패키징부를 포함할 수도 있다. 이때, 상기 센서부 상측에 본딩된 투광부를 더 포함하고, 상기 투광부의 상부면의 일부와 상기 투광부, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 상기 열 전도성 패키징부가 마련되는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 투광부의 표면에 반사 방지막 및 간섭 필터막이 형성되는 것이 효과적이다.
상술한 상기 센서부와 상기 하우징은 웨이퍼 본딩을 통해 본딩되는 것이 바람직하다.
상술한 상기 센서부와 상기 하우징은 Ag, Be, Cu, Au 및 이를 포함하는 합금 중 어느 하나를 주성분으로 하는 에폭시 또는 유리 페이스트를 이용하여 본딩되는 것이 바람직하다.
상술한 상기 열 전도성 패키징부는 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 물질막을 반도체 박막 증착 방법을 통해 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 물질막은 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 효과적이다.
상기 센서부는 공동부가 마련된 반도체 기판과, 상기 공동부 상에 온접점이 마련되고, 상기 반도체 기판 상에 냉접점이 마련된 써모 파일과, 상기 온접점 상에 형성된 적외선 흡수층을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 반도체 기판을 가열하는 열선을 더 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 반도체 기판 상에 마련되어 써모 파일과 접속된 NTC 또는 PCT 소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 써모 파일을 포함하는 센서부를 마련하는 단계와, 상기 써모 파일을 보호하는 하우징을 상기 센서부에 본딩하는 단계와, 본딩된 상기 하우징과 상기 센서부의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하는 단계를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 제공한다.
상기 센서부와 상기 하우징은 반도체 웨이퍼에 제작하고, 실리콘 직접 본딩 방법을 통해 본딩하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 센서부와 상기 하우징을 본딩하는 공정은, 상기 센서부와 상기 하우징을 정렬 밀착시킨 다음 가압하여 이들 간을 본딩하는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 본딩 공정은 300 내지 1500도의 온도에서 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 물론 상기 본딩 공정은 진공 분위기에서 실시하고, 고전압을 인가하는 것이 효과적이다. 복수의 상기 센서부가 형성된 웨이퍼와, 복수의 상기 하우징이 형성된 웨이퍼간을 본딩하는 것이 바람직하다.
상기의 열 전도성 패키징부는 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법 및 CVD법을 포함하는 반도체 박막 증착 방법을 통해 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도이고, 도 2는 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 저면도이다. 도 4는 제 1 실시예에 따른 센서부의 평면도와 단면도고, 도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따른 센서부의 평면도와 단면도이며, 도 6은 제 1 실시예에 따른 하우징부의 평면도와 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서는 반도체 기판(110) 상에 마련된 써모파일(120)을 포함하는 센서부(100)와, 상기 센서부(100)의 써모파일(120)을 보호하는 하우징(200)과, 웨이퍼 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 상면과 측면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부(300)를 포함한다.
상기 센서부(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)과, 반도체 기판(110)상에 마련된 써모 파일(120)과, 써모 파일(120)과 접속된 외부 전극(130a, 130b; 130)을 포함한다.
여기서, 써모 파일(120)은 상기 반도체 기판(110)상에 마련된 복수의 냉접점(124) 및 온접점(122)과, 상기 냉접점(124)과 온접점(122) 사이에 교대로 마련된 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)을 포함한다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)에 각기 접속된 외부 전극(130)과, 상기 온접점(122) 상에 마련된 적외선 흡수층(140)을 포함한다. 그리고, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)을 포함하는 전체 구조상에 마련된 보호막(129)을 더 포함할 수도 있다. 그리고, 반도체 기판(110) 상부에 마련된 절연막(121)이 형성될 수도 있다.
이때, 상기 반도체 기판(110)은 몸체부(111)와, 몸체부(111) 중앙에 마련된 공동부(112)를 포함한다. 이에 상기 공동부(112) 상부의 상기 절연막(121) 상에 온접점(122)이 형성되고, 상기 몸체부(111) 상부의 상기 절연막(121) 상에 냉접점 (124)이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 적외선 흡수층(140)은 상기 공동부(112) 상에 마련되는 것이 바람직하다. 이러한, 공동부(112)는 반도체 기판(110)의 중앙 영역을 제거하여 형성하되, 도면에 도시된 바와 같이 사각 기둥 형상으로 제작되고, 상부의 면적보다 하부의 면적이 더 넓은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 온접점(122)은 상기 공동부(112)의 가장자리 둘레를 따라 마련되는 것이 효과적이다. 물론 상기 공동부(112)의 형상은 상술한 설명에 한정되지 않고, 사각 기둥을 포함하는 다각 기둥 형상, 원 기둥 형상 및 타원 기둥 형상이 가능하다. 그리고, 상부와 하부의 면적이 서로 동일할 수도 있고, 상부의 면적이 하부의 면적보다 더 넓을 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 반도체 기판(110)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 절연막(121)은 열 전도도가 낮은 박막을 사용하되, 본 실시예에서는 실리콘 질화막(SixNx), 실리콘 산화막(SiOx), 불화물계막(MgF2, CaF2, BaF2), 사파이어막(Al2O3), 실리콘 카바이드막(SiC) 및 폴리이미드와 같은 폴리머 계열의 물질막 중 적어도 어느 하나의 박막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 절연막(121)은 복수의 박막이 적층된 형태로 제작될 수도 있다. 상기의 절연막(121)은 상기 반도체 기판(110) 전면에 형성되어 그 상부에 온접점(122)과 냉접점(124)이 마련될 수도 있고, 반도체 기판(111)의 중앙영역에만 형성되어 온접점(122)은 절연막(121) 상에 마련되고, 냉접점(124)은 반도체 기판(111) 상에 마련될 수도 있다.
상기의 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)은 직렬로 연결되고, 각 써모커플의 각 구성물질들은 큰 열기전력을 가지며, 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)은 열 기전력이 반대의 극성을 갖는 서로 다른 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)은 온접점(122)과 냉접점(124)에 교차하여 위치하고, 온접점(122)과 냉접점(124)은 열적으로 분리되어 있는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 온접점(122)과 냉접점(124) 사이에 교대로 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)이 직렬 연결된다. 예를 들어 제 1 온접점과 제 1 냉접점 사이에 제 2 써모 커플이 접속되고, 제 1 냉접점과 제 2 온접점 사이에 제 1 써모 커플이 접속되고, 제 2 온접점과 제 2 냉접점 사이에 제 2 써모커플이 접속된다. 여기서, 제 1 및 제 2 써모커플로(126, 128) 반도체막 및 금속박막을 사용하거나 제 1 금속박막 및 제 2 금속박막을 사용한다. 즉, 제 1 및 제 2 써모커플로 실리콘막 및 알루미늄막, 게르마늄막 및 알루미늄막, Cr막 및 Al막, Pt막 및 Rh막을 사용할 수 있다. 이때, 상기 실리콘막으로는 불순물이 도핑된 실리콘막을 사용할 수도 있고, 폴리 실리콘막을 사용할 수도 있다. 본 발명은 상기 써모 커플 대신 이에 한정되지 않고, 초전 소자 등을 포함하는 온도계측용 열전 변환 소자를 사용할 수도 있다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)을 적층하여 제작할 수도 있다.
상술한 제 1 써모 커플(126)은 제 1 외부 전극(130a)과 접속되고, 제 2 써모 커플(128)은 제 2 외부 전극(130b)과 접속된다.
이때, 상기 외부 전극(130)은 상기 써모 커플(126, 128)과 접속된 전극부(131)와, 상기 전극부(131)와 접속되어 외부 회로와 접속될 패드부(132)를 포함한다. 상기 전극부(131)는 도면에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 양측 가장자 리에 마련되고, 패드부(132)는 상기 전극부(131) 하측의 반도체 기판(110)을 관통하여 기판(110) 하측으로 노출연장된 형태로 마련된다. 즉, 패드부(132)는 상기 반도체 기판(110)과, 절연막(121)을 관통하여 마련된다. 이를 통해 본 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서는 도 3에 도시된 바와 같이 회부 회로와 접속될 패드부(132)가 센서의 하부 바닥면에 마련될 수 있다. 이때, 외부로 노출된 패드부(132)는 범프 형태로 마련되어 하부 회로와의 접속이 용이하도록 할 수 있다.
상기의 적외선 흡수층(140)은 도면에 도시된 바와 같이 온접점(122) 상에 마련되어 외부로부터의 적외선을 흡수하여 온접점(122)의 온도를 상승시킨다. 이러한 적외선 흡수층(140)은 Ni, Co, Fe, Se를 포함하는 천이 금속 또는 Al, Au, C, Bi, Ir, Ru, RuOx 및 IrOx 중 적어도 어느 하나를 사용하여 제작하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 도면에 도시된 바와 같이 상기 적외선 흡수층(140)과 온접점(122) 사이에 보호막(129)을 더 형성할 수도 있다.
센서부(100)는 상술한 설명에 한정되지 않고, 센서부(100)의 온도 센싱 능력을 향상시키기 위한 다양한 요소들이 더 추가될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 본 실시예의 변형예에 따른 센서부(100)는 반도체 기판(110)의 몸체부(111) 상에 별도의 열선(150)을 마련하여 몸체부(111)의 온도를 일정 레벨로 유지하여 냉접점(123)의 온도를 일정하게 할 수 있다. 이때, 상기 열선(150)은 반도체 기판(110)의 몸체부(111) 상부 영역에 다양한 형태로 마련되고, 열선(150)의 양 끝단에는 외부 전원과 연결될 별도의 열선 전원 입력단자(151a, 151b)가 마련된다. 이때, 상기 열선 전원 입력 단자(151a, 151b)는 앞서 설명한 써모파일(120)과 접속되는 외부 단자(130)와 동일한 구조로 제작되어 기판(110) 하측에 그 접속 패드가 배치되는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 열선(150)은 몸체부(111)와 절연막(121) 사이에 마련되어 상기 써모 파일(120)과 분리되는 것이 바람직하다. 물론 열선(150)은 몸체부(111) 내측에 마련될 수도 있다. 물론 열선(150)을 상기 몸체부(111)에 형성한 다음 이를 써모 파일(120)과 분리하기 위한 별도의 열 차단부를 더 형성할 수도 있다.
또한, 상기 몸체부(111)의 일측에는 별도의 NTC 소자(160)가 마련되어 냉접점 영역의 온도를 정확하게 보상해줄 수도 있다. 이때, 상기 NTC 소자(160)는 써모 파일(120)과 분리되어 몸체부(111)의 일부에 마련되는 것이 바람직하고, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)과 동일 면상에 마련되는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 NTC 소자(160)의 양 단자와 접속된 NTC 접속단자(161a, 161b)가 마련된다. 여기서 상기 도 5에서는 NTC 소자(160)와 써모파일(120)이 분리되어 있지만, 바람직하게는 상기 NTC 소자(160)는 상기 써모파일(120)과 직렬 접속되는 것이 효과적이다. 즉, 별도의 배선을 통해 상기 써모 파일(120)의 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)에 직렬 접속될 수도 있고, NTC 접속단자(161a, 161b)와 써모 파일(120)의 외부 단자(130) 간이 직렬 접속될 수도 있다.
상술한 구조의 본 실시예에 따른 센서부(100)를 보호하는 하우징(200)은 도 6에 도시된 바와 같이 몸체부(210)와, 몸체부(210) 하측에 상기 써모파일(120)과 대응하는 오목부(220)를 포함한다. 그리고, 상기 하우징(200)의 상측면에는 반사 방지막(230)이 마련되어 있는 것이 바람직하다. 물론 상기 오목부(220)의 내측면에도 반사 방지막이 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 하우징(200)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 상기 하우징(200)과 센서부(100)를 웨이퍼 본딩을 통해 결합시킬 수 있다. 따라서, 하우징(200) 상측부분에 조사된 적외선에 의해 발생한 열이 웨이퍼 본딩된 하우징(200)과 센서부(100)의 몸체부(111, 210)를 통해 아래로 빠르게 전도되고 외부로 방출될 수 있다. 즉, 실리콘 간의 완전한 본딩이 되어 열전도도가 상승되어 하우징 상측의 열을 신속하게 소자의 바닥면으로 전달할 수 있다. 본 실시예는 상기의 웨이퍼 본딩 즉, 실리콘 직접 본딩 방법을 통해 상기 하우징(200)과 센서부(100)를 본딩할 수도 있지만 이에 한정되지 않고, 높을 열전도성을 갖는 접착제를 이용하여 상기 하우징(200)과 센서부(100)를 결합시킬 수도 있다.
상기 몸체부(210)는 센서부(100)와 동일한 직육면체 형태로 제작되는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고, 다면체 및 원기둥과 같은 다양한 형상이 가능하다. 그리고, 하우징(200)은 그 하측에 소정의 오목부(220)를 두어 외부의 적외선이 하우징(200)을 관통하는 거리를 줄이고, 써모 파일(120)을 열적으로 고립시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 오목부에 의해 적외선이 온접점에 집중되도록 하는 것이 효과적이다. 오목부(220)는 도면에 도시된 바와 같이 오목부(220)의 개구부의 면적이 바닥면의 면적보다 넓게 형성하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고, 개구부와 바닥면의 면적이 동일할 수도 있고, 개구부의 면적보다 바닥면의 면적이 더 넓을 수도 있다. 상기 오목부(220)는 상기 하우징(200)의 중앙 영역에 마련되고, 오목부(220)에 의해 그 두께가 얇아진 영역이 투과창으로 작용한다. 상기 반사 방지막(230)은 상기 투과창 영역 즉, 오목부(220)의 바닥면 상부 영역에만 마련될 수도 있다.
본 실시예에서는 상술한 구조의 센서부(100)와 하우징(200)이 웨이퍼 본딩되어 결합된 구조물의 상부면의 일부와 측벽면 영역에 열 전도성 패키징부(300)가 형성된다. 열 전도성 패키징부(300)는 다양한 반도체 박막 형성 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하고, 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 다양한 물질막을 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 이러한 열 전도성 패키징부(300)로 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 이용하고, 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법, CVD법 등을 통해 형성하는 것이 바람직하다.
상기 열 전도성 패키징부(300)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(200) 상측의 투과창 즉, 오목부(220) 상부 영역을 제외한 상부면 상에 마련되고, 하우징(200)의 몸체부(210)와 센서부(100)의 몸체부(112) 측벽면을 감싸는 형상으로 마련되는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고, 열 전도성 패키징부(300)는 하우징(200) 상부면의 열을 소자의 측면을 통해 외부로 방출시키는 다양한 형상이 가능하다.
이러한 열 전도성 패키징부(300)를 통해 본 실시예에서는 정확한 열원의 온도를 정밀 계측할 수 있다. 즉, 일반적으로 외부로부터 유입된 적외선은 하우징(200)의 상부면에 먼저 조사되어 상부면의 온도를 상승시키고 이와 같은 열이 적외선 형태로 다시 써모파일(120)의 온접점에 복사되어 순수한 외부 열원의 온도보다 높은 온도로 인식되는 문제가 있었다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 하우징(200) 상부면의 일부와, 하우징(200)과 센서부(100)의 측벽면에 열 전도성 패키징부(300)가 마련되어 있을 경우, 하우징(200) 상부면에서 발생된 열은 열 전도성 패키징부(300)를 통해 빠르게 하부 영역까지 전도 및 방출될 수 있어 순수한 외부 열원만이 측정될 수 있다.
이와 같이 하우징 상부면의 열을 센서부 하부로 빠르게 전도, 방출하여 정밀한 온도 계측을 할 수 있는 비 접촉식 적외선 온도 센서는 박막의 증착 및 패터닝 공정을 포함하는 반도체 제조 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하다.
하기에서는 본 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반도체 기판(110)상에 써모 파일(120)이 형성된 센서부(100)를 마련하고, 센서부(100)의 써모 파일(120)에 대응하는 오목부(220)를 갖는 하우징(200)을 마련한다.
센서부(100)의 제조에 관해 설명하면 다음과 같다. 반도체 기판(110)의 상부면에 열 전도도가 낮은 박막을 사용하여 절연막(121)을 형성한다. 본 실시예에서는 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 복수층으로 증착하여 상기 절연막(121)을 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 신화막은 압축 응력(compress stress)을 가지고 질화막은 인장응력(tensile stress)를 갖고 있기 때문에 이들을 복수층으로 적층하 게 되면 서로의 스트레스를 보상할 수 있는 구조가 되어 기계적으로 안정적인 절연막을 형성할 수 있게 된다. 이때, 상기 절연막(121) 형성 전에 상기 반도체 기판(110)의 표면에 열선을 형성할 수도 있다.
상기 반도체 기판(110)을 패터닝 하여 공동부(112)를 형성한다. 이를 위해 절연막(121)이 형성된 반도체 기판(110)을 뒤집은 다음 그 표면에 감광막을 도포하고, 노광과 현상 공정을 실시하여 반도체 기판(110)의 중앙 영역을 개방하는 감광막 마스크 패턴(미도시)을 형성한다. 상기 감광막 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 노출된 반도체 기판(110)을 식각하여 공동부(112)를 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 반도체 기판(110)의 반대 영역에 마련된 절연막(121)이 식각 정지막이 되는 것이 효과적이다. 반도체 기판(110)의 식각은 KOH 수용액을 포함하는 에천트를 이용한 습식 식각을 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 습식 식각을 통해 기판 밑면에서 소정 각도 기울어진 측벽을 갖는 공동부(112)가 마련된다. 이때, 반도체 기판(110)의 몸체부(111) 양가장자리에 외부 전극(130)의 패드부(132)가 마련될 관통공을 함께 형성할 수도 있다. 그리고, 상기 공동부(112) 형성을 위해 상기 반도체 기판(110)의 하부면에 별도의 배리어막(미도시)이 형성될 수도 있다.
상기 절연막(121) 상에 써모파일(120)을 형성하고, 써모 파일(120)과 접속되는 외부 전극(130)의 전극부(131)를 형성한다. 절연막(121) 상에 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)을 차례로 증착하고 패터닝하여 공동부(112) 상측에 온접점(122)이 마련되고 몸체부(111) 상측에 냉접점(124)이 마련되며, 냉접점(124)과 온접점(122) 사이에서 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)이 교대로 직렬 접속된 써모 파 일(120)을 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 도전성 물질을 이용하여 기판(110)의 몸체부(111) 양가장자리에 써모 파일(120)과 접속되는 외부 전극(130)을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 외부 전극(130)의 전극부(131)와 패드부(132) 사이에 절연막(121)이 마련된 경우 이들 간의 접속을 위해 절연막(121)의 일부를 제거하는 공정을 더 수행할 수도 있다. 그리고, 상기 몸체부(111) 양가장자리에 마련된 관통공 내부를 도전성 물질로 매립하거나 그 측벽에 도전성 물질을 마련하여 반도체 기판(110)의 저면에 외부와 접속되는 패드를 갖는 외부 전극(130)을 형성할 수 있다.
이때, NTC 또는 PCT 소자(160)도 함께 제작할 수도 있고, 여기서, 상술한 반도체 기판(110)의 공동부(112) 제작을 위한 기판 식각 공정은 상기 써모 파일(120) 형성 공정 후에 실시할 수도 있다.
다음으로, 써모 파일(120)이 마련된 절연막(121) 상에 보호막(129)을 형성한 다음 보호막(129) 상에 적외선 흡수층(140)을 형성한다. 적외선 흡수층(140)은 Al, Au, C, Bi, Ir, Ru, RuOx, IrOx 중 적어도 어느 하나를 상기 보호막(129) 상에 형성한 다음 이를 패터닝 하여 써모 파일(120)의 온접점(122) 영역을 덮는 형상으로 제작하는 것이 바람직하다. 상술한 제조 방법을 통해 도 7의 (b)에 도시된 바와 같은 센서부(100)를 제작한다.
한편, 하우징(200)의 제조 방법에 관해 설명하면 다음과 같다. 반도체 기판 즉 몸체부(210)의 하부영역 일부를 제거하여 오목부(220)를 형성한다. 즉, 반도체 기판의 하부면에 반도체 기판의 일부를 노출하는 감광막 패턴을 형성한 다음 이를 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 노출된 영역의 반도체 기판의 일부를 제 거하여 오목부(220)를 형성한다. 이때, 제거되는 반도체 기판의 폭은 전체 반도체 기판 폭의 10 내지 90%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 감광막 패턴은 앞서 설명한 공동부(112) 형성을 위한 감광막 패턴과 동일한 패턴인 것이 바람직하고, 그 개구부가 이보다 더 작거나 큰 감광막 패턴을 사용할 수도 있다. 이후, 반도체 기판의 상부면 상에 반사 방지막(230)을 형성하여 도 7의 (a)에 도시된 바와 같은 하우징을 제조하는 것이 바람직하다. 물론 상기 반사 방지막(230)은 오목부(220) 내측면에도 형성될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 웨이퍼 본딩 방법을 통해 반도체 기판(110) 상에 써모 파일(120)이 형성된 센서부(100)와, 써모 파일(120)에 대응하는 오목부(220)를 갖는 하우징(200)을 본딩한다.
센서부(100)의 몸체부(111)를 이루는 실리콘 웨이퍼와, 하우징의 몸체부(210)를 이루는 실리콘 웨이퍼를 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding; SDB) 방식을 이용하여 부착시키는 것이 바람직하다.
이를 위해 소정의 지그에 센서부(100)의 상부면과 하우징(200)의 하부면이 서로 마주보도록 센서부(100)와 하우징(200)를 올려놓은 다음 이들을 정렬 밀착시킨 후 압력을 가하여 센서부(100)와 하우징(200)간을 본딩하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 본딩 공정은 진공상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 본딩 공정시 300 내지 1500도의 온도에서 열처리를 수행할 수도 있다. 즉, 진공 분위기와 약 800 내지 1200도의 온도하에서 상기 센서부(100)와 하우징(200)를 가압하여 이들을 본딩시킬 수 있고, 진공 분위기와 약 300 내지 500도의 온도하에서 상 기 센서부(100)와 하우징(200)을 가압하여 이들간을 본딩시킬 수도 있다. 300 내지 500도의 온도로 가압하는 경우 두 웨이퍼 사이에 100 내지 10000V의 고전압을 인가할 수도 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 하부의 중앙영역에는 오목부(220)가 마련되고, 가장자리 영역에 본딩될 몸체부(210)가 마련된 하우징(200)과, 상부의 중앙 영역에는 패턴(써머파일, 적외선 흡수층등)이 마련되고, 가장자리 영역에 본딩될 몸체부(111)가 마련된 센서부(100)간을 본딩하기 때문에 센서부(100)와 하우징(200)의 가장자리 영역의 실리콘들이 직접 본딩된다. 그리고, 센서부(100) 상측의 패턴들은 하우징(200) 내의 오목부(220)안에 들어가게 되어 웨이퍼 상에 소정의 패턴이 형성된 상태에서 웨이퍼 본딩을 실시할 수 있게 된다. 그리고 실리콘 재료끼리 완전 본딩이 이루어지게 되어 하우징(200) 상측의 열을 몸체부(111, 210)를 통해 센서부(100) 하측으로 빠르게 전달할 수 있고, 센서부(100)와 하우징(200)의 부착을 위한 별도의 접착부재를 사용하지 않을 수도 있다.
본 실시예에 따른 센서부(100)와 하우징(200)은 각기 단일의 웨이퍼 상에 복수개가 동시에 형성되고, 이들이 각기 개개로 절단되어 제작되는 것이 바람직하다. 이후, 앞서 설명한 웨이퍼 본딩을 위한 장치에 개개로 절단된 센서부(100)와 하우징(200)을 배치한 다음 이들을 각각 본딩하는 것이 효과적이다. 물론 이에 한정되지 않고, 각기 복수의 센서부(100)와 하우징(200)이 형성된 웨이퍼를 절단하지 않은 상태에서 복수의 센서부(100)가 형성된 웨이퍼와 복수의 하우징(200)이 형성된 웨이퍼를 웨이퍼 본딩 공정을 통해 본딩시킨 다음 본딩된 센서부(100)와 하우징 (200)을 개개의 소자별로 절단할 수도 있다.
물론 상술한 센서부(100)와 하우징(200)은 웨이퍼 본딩을 통해 본딩하는 것이 바람직하지만 필요에 따라 열전도 특성이 우수한 접착제를 이용하여 본딩할 수도 있다. 즉, Ag, Be, Cu, Au 및 이를 포함하는 합금 중 어느 하나를 주성분으로 하는 에폭시(epoxy) 또는 유리 페이스트(glass paste)를 사용할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 상부면 및 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부(300)를 형성한다.
열 전도성 패키징부(300) 형성을 위해 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)을 소정의 지그 상에 위치시키고, 상기 하우징(200) 상부면의 중앙 영역을 차폐하는 마스크(미도시)를 마련한 다음 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 물질막을 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법, CVD법 등을 통해 상기 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 표면영역에 증착하여 열 전도성 패키징부(300)를 형성하는 것이 바람직하다. 이를 통해 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 상부면의 일부와 측벽면에 열 전도성 패키징부(300)가 마련된다.
이때, 상기 마스크를 통해 차폐되는 영역은 적외선이 쉽게 투과할 수 있는 하우징(200)의 오목부(220) 영역인 것이 바람직하다. 이는 마스크를 통해 차폐되는 영역에는 열 전도성 패키징부(300)가 형성되지 않게 되어 적외선의 투과가 더욱 용이해진다. 이를 통해 적외선은 하우징(200)의 오목부(220)를 투과하여 오목부(220) 하부에 마련된 적외선 흡수층(140)에 흡수되어 온접점(122)의 온도를 상승시키게 된다. 이때, 적외선에 의해 하우징(200) 상측의 온도는 상승하게 되지만 열 전도성 패키징부(300)에 의해 상승된 열은 모두 아래로 전도 방출되어 정확한 온도를 검출할 수 있게 된다. 상기의 마스크는 상술한 패턴에 한정되지 않고, 센서부(10)의 적외선 흡수 영역에 많은 양의 적외선이 도달할 수 있게 하는 다양한 형상의 패턴이 가능하다. 그리고, 열 전도성 패키징부(300)로는 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하고, 열 전도성 패키징부(300)의 두께는 0.1 내지 1000㎛로 하는 것이 바람직하다. 상기 열 전도성 패키징부(300)는 건식 도금 방법을 이용하여 형성할 수도 있다.
상술한 설명에서는 복수의 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)을 이들을 지지하는 지그 상에 배치한 다음 마스크를 정렬 배치한 후 열 전도성 패키징부(300)를 형성함에 관해 설명하였다. 즉, 개개로 절단되고 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 외측면에 열 전도성 패키징부(300)를 형성하였지만 본 실시예는 이에 한정되지 않고, 앞서 언급한 바와 같이 복수의 센서부(100)가 형성된 웨이퍼와 복수의 하우징(200)이 형성된 웨이퍼 간을 본딩한 다음 본딩된 웨이퍼의 일부를 제거하여 개개의 소자간을 분리한다. 예를 들어 본딩된 웨이퍼의 전체 두께가 1일 경우 인접한 소자 사이 영역의 웨이퍼를 0.6 내지 0.95 두께만큼 제거하여 소자간을 분리한다. 이후, 하우징(200) 상부에 마스크를 형성하고 전체 구조상에 열 전도성 패키징부(300)를 형성한 다음 절단 공정을 통해 소자간 분리된 영역을 기준으로 웨이퍼를 절단하여 개개의 소자를 제작할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 비접촉식 적외선 온도 센서를 구성하는 복수의 구조물을 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작하고, 이들을 웨이퍼 본딩을 통해 결합시키고, 결합된 구조물들의 상부면과 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하여 온도 센서의 온도 계측의 정밀성을 극대화할 수 있다. 물론 상기 구조물의 구조는 앞서 설명한 실시예에 한정되지 않고, 써모파일의 열적 고립 그리고, 반도체 제조 공정을 이용하여 제작될 수 있는 다양한 구조가 가능하다. 하기에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서에 관해 설명한다. 후술되는 설명중 상술한 설명과 중복되는 설명은 생략하고, 상기 제 2 실시예의 설명은 상술한 제 1 실시예에 적용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도이고, 도 11은 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도이다. 도 12는 제 2 실시예에 따른 하우징의 평면도, 저면도 및 단면도이다. 도 13은 제 2 실시예에 따른 센서부의 평면도, 저면도 및 단면도이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비 접촉시 적외선 온도 센서는 오목부(412)와 전극 패드(420, 430)를 포함하는 하우징(400)과, 써모 파일(520)을 포함하는 센서부(500)와, 적외선을 투과하는 투광부(600)와, 웨이퍼 본딩된 투광부(600), 센서부(500) 및 하우징(400)의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부(700)를 포함한다.
상술한 하우징(400)은 도 12에 도시된 바와 같이 몸체부(411)와 오목부(412)를 포함하는 반도체 기판(410)과, 반도체 기판(410)의 가장자리 영역을 관통하여 마련된 전극 패드(420, 430)를 포함한다. 상기 도 12의 (a)는 하우징의 평면도이고, (b)는 저면도이고, (c)는 단면도이다.
상기 오목부(412)는 반도체 기판(410)의 상측 중앙 영역 일부를 제거하여 제작하되, 개구부의 면적이 오목부(412) 바닥면의 면적보다 넓게 제작하는 것이 바람직하다. 그리고, 전극 패드부(420, 430)는 몸체부(411)을 관통하는 관통홀을 마련하고 그 내부에 전기 전도성 물질을 매립하여 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 하우징(400)의 하부에 노출된 전극 패드(420, 430)부 영역에 범프가 마련될 수도 있다. 여기서, 상기 반도체 기판으로는 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 센서부(500)는 도 13에 도시된 바와 같이 반도체 기판(510)과, 반도체 기판 하부에 마련된 써모 파일(520)과, 써모 파일(520)과 접속되는 내부 전극(531, 532)을 포함한다. 상기 도 13의 (a)는 센서부의 평면도이고, (b)는 저면도이고, (c)는 단면도이다.
여기서, 써모 파일(520)은 도면에 도시된 바와 같이 앞서 설명한 실시예와 동일한 구조로 마련되는 것이 바람직하다. 상술한 실시예에서는 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)이 동일 면상에서 마련되었지만, 본 실시예에서는 이에 한정되지않고, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)이 적층된 구조로 마련될 수 있다. 즉, 절연막(521) 상에 복수의 제 1 써모 커플(526)이 공동부(512)의 일부와 중첩되도록 마련되고, 제 1 써모 커플(526) 상측에 분리막(미도시)이 형성되고, 상기 분리막 상에 복수의 제 2 써모 커플(528)이 마련될 수도 있다. 이때, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)은 공동부(512) 상에서 소정의 콘택이 마련되고, 이 콘택이 온접점(522)이 되고, 몸체부(511) 상에서 콘택이 마련되고, 이 콘택이 냉접점(524)이 될 수 있다. 그리고, 적층구조의 복수의 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)은 교대 로 직렬 접속되는 것이 바람직하다. 그리고, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)의 일부는 연장되어 반도체 기판(510)의 양 가장자리에 마련된 내부 전극(531, 531)에 접속되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 상기 써모 파일(520)을 기준으로 그 하측에 하우징(400)의 오목부(412)가 마련되어 열적으로 고립될 수 있고, 그 상측에는 반도체 기판(510)의 공동부(512)가 마련되어 외부로부터 조사되는 적외선을 온접점(522) 상에 마련된 적외선 흡수층(540)에 집중시킬 수 있다. 이때, 상기 공동부(512)의 내 측벽면에 광반사 특성이 우수한 물질을 코팅하여 적외선 흡수층(540)으로 흡수되는 적외선의 양을 증대시킬 수 있다.
상술한 투광부(600)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 얇은 판 형상으로 제작하여 센서부(500) 상측에 마련되는 것이 바람직하다. 이러한 투광부(600)로 본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 투광부(600)에는 서로 다른 물질의 표면에서 발생할 수 있는 광의 반사를 방지하는 반사 방지막(미도시)이 코팅될 수도 있다. 또한, 특정한 파장의 광만을 투과하는 간섭 필터막(미도시)이 그 표면에 코팅될 수도 있다. 본 실시예에서는 필요에 따라 상기 투광부(600)를 생략할 수도 있다.
본 실시예에서는 상기 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)를 순차적으로 웨이퍼 본딩을 통해 결합하여 실리콘 간의 완전한 본딩이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 통해 투광부(600), 센서부(500) 및 하우징(400) 간의 열전도도를 상승시켜 외부로부터 조사된 자외선에 의해 투광부(600)의 표면에서 발생한 열을 하우징(400) 하부로 신속하게 전달할 수 있어 자외선이 조사된 투광부(600) 영역에서 발생한 열로 인한 온도 센서의 정밀도가 떨어지는 문제를 해결할 수 있다.
상술한 열 전도성 패키징부(700)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 웨이퍼 본딩된 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)의 상부면의 일부와 측벽면 영역에 마련되는 것이 바람직하다. 투광부(600) 상부면에 마련되는 열 전도성 패키징부(700)는 하부 센서부(500)의 몸체부(411)와 대응하는 패턴으로 마련되어 적외선의 유입이 최대가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같은 열 전도성 패키징부(700)로 인해 투광부(600) 상측의 열을 외부로 빠르게 방출시킬 수 있어 온도 센서의 온도 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다.
하기에서는 상술한 바와 같이 하우징, 센서부 및 투광부가 순차로 적층 본딩되고, 이를 감싸는 열 전도성 패키징부가 마련된 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명한다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14를 참조하면, 오목부(412)와 전극 패드(420, 430)를 갖는 하우징(400)을 마련하고, 오목부(412)에 대응하는 영역에 써모 파일(520)이 마련된 센서부(500)와, 자외선을 투과하는 투광부(600)를 마련한다.
상기 하우징(400)은 소정의 패터닝 공정을 통해 반도체 기판(410)의 일부를 제거하여 오목부(411)를 형성하고, 반도체 기판(410) 양가장자리 영역을 관통하는 관통홈을 형성한 다음 이를 전기 전도성 물질로 매립하여 전극 패드(420, 430)를 형성한다. 상기에서 반도체 기판(410) 상에 중앙 영역을 개방하는 마스크를 마련한 다음 마스크를 이용한 식각을 실시하여 노출된 반도체 기판(410)의 일부를 제거하여 오목부(411)를 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 반도체 기판(410) 상에 이의 양측 가장자리 영역 일부를 개방하는 마스크를 마련한 다음 이를 이용한 식각 공정을 실시하여 노출된 반도체 기판(410)을 제거하여 관통홈을 형성하고, 관통홈 내부에 전도성물질을 매립하거나 관통홈의 측벽의 일부에 전도성물질을 도포하여 전극 패드(420, 430)를 형성한다. 이를 통해 상부면의 일부에 오목부(411)가 마련된 하우징(400)이 제작된다.
상기의 센서부(500)는 반도체 기판(510)의 하부에 절연막(521)을 형성하고, 기판(510) 상부에 마스크를 형성한 다음 노출된 영역의 반도체 기판(510)을 제거하여 공동부(512)를 형성한다. 이후, 반도체 기판(510)을 뒤집은 다음 절연막(521)의 상부에 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)을 증착 패터닝하고, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)과 각기 접속되는 내부 전극(531, 532)을 기판(510)의 양가장자리에 각기 형성한다. 이후, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)의 온접점(522) 상에 적외선 흡수층(540)을 형성하여 센서부(500)를 제작하는 것이 바람직하다. 이때, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)과 적외선 흡수층(540) 사이에 보호막(529)이 마련될 수도 있다. 보호막(529)이 마련될 경우 보호막(529)의 일부를 제거하여 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)과 접속되는 내부 전극(531, 532)을 형성한다. 이를 통해 상기 내부 전극(531, 532)이 하우징(400)의 전극 패드(420, 430)와 접속될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 공동부(512)는 써모파일을 형성한 후 식각하여 제조 할 수도 있다.
상술한 투광부(600)는 반도체 기판을 판 형상으로 절단하여 제작하는 것이 바람직하다.
도 15를 참조하면, 상술한 하우징(400)과, 센서부(500)와, 투광부(600)를 웨이퍼 본딩을 통해 결합시킨다.
이들 각각의 웨이퍼 본딩 방법은 다양하게 수행될 수 있다. 즉, 하우징(400)과 센서부(500)를 먼저 본딩한 다음 투광부(600)를 본딩하거나, 하우징(400)과 센서부(500) 및 투광부(600)를 한꺼번에 본딩 시킬 수도 있다. 상술한 본딩 방법은 앞서 설명한 실시예와 중복됨으로 생략한다.
한편, 상술한 설명에서는 센서부(500)의 내부 전극(531, 532)과 하우징(400)의 전극 패드(420, 430)를 각기 제작한 다음 웨이퍼 본딩시 이들이 전기적으로 접속되도록 하였다. 하지만 이에 한정되지 않고, 웨이퍼 본딩을 통해 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)를 본딩한 다음 상기 센서부(500)의 써모파일(520)을 노출하는 비아홀(미도시)을 형성한 다음 이를 전기 전도성 물질로 매립하여 내부 전극(531, 532)과 전극 패드(420, 430)를 동시에 제작할 수도 있다.
도 16을 참조하면, 본딩된 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)의 상부면 및 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부(700)를 형성한다.
이는 상기 본딩된 투광부의 상에 마스크를 마련한 다음 스퍼터링법, 증착법 및 CVD법을 이용하여 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 다양한 물질막을 증착하여 투광부의 상부면의 일부와 본딩된 하우징, 센서부 및 투광부의 측벽면에 열 전도성 패키징부를 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 마스크를 통해 차폐되는 영역은 센서부의 몸체부 상측 영역인 것이 바람직하다. 이를 통해 적외선의 투과를 방해하지 않는 최대 면적을 갖도록 하는 것이 효과적이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 반도체 기판상에 써모 파일이 마련된 센서부와, 반도체 기판으로 제작된 하우징을 웨이퍼 본딩을 통해 본딩하여 별도의 접착 부재를 사용하지 않을 수 있고, 실리콘 간의 완전한 본딩을 통해 센서부와 하우징간의 열전도도가 상승되어 하우징 상측의 열을 신속하게 소자의 바닥면으로 전달할 수 있다.
또한, 본딩된 센서부와 하우징의 상부면과 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하여 적외선에 의해 먼저 조사되는 상부의 열을 이를 통해 방출할 수 있고, 이처럼 센서부와 하우징 주변부의 열을 신속하게 방출하여 순수한 외부 열원만을 측정할 수 있어 정밀한 온도 계측을 할 수 있다.
또한, 상기 하우징 내에 오목부를 마련하고, 온접점이 마련된 센서부 하부에 공동부를 형성하여 센서부의 써모파일을 열적으로 고립시켜 센서의 센싱능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 적외선이 조사되는 써모 파일 상측 방향에 경사면을 갖는 공동부를 마련하여 적외선을 온접점에 집중시킬 수 있어 온도 측정 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
Claims (18)
- 써모 파일을 포함하는 센서부;상기 써모 파일을 보호하는 하우징; 및웨이퍼 본딩을 통해 본딩된 상기 센서부와 상기 하우징의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 써모 파일을 포함하는 센서부;상기 써모 파일을 보호하는 하우징; 및본딩된 상기 센서부와 상기 하우징의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 접촉된 열 전도성 패키징부를 포함하고,상기 센서부와 상기 하우징은 Ag, Be, Cu, Au 및 이를 포함하는 합금 중 어느 하나를 주성분으로 하는 에폭시 또는 유리 페이스트를 이용하여 본딩된 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,반도체 기판 상에 써모 파일이 마련되고, 상기 반도체 기판을 관통하여 상기 써모 파일과 접속된 외부 전극 단자를 포함하는 상기 센서부와,상기 센서부 상측에 마련되어 상기 써모 파일에 대응하는 오목부를 갖는 하우징과,상기 센서부와 웨이퍼 본딩된 상기 하우징의 상부면의 일부와, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 마련된 상기 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,제 1 반도체 기판 상부에 오목부가 형성되고, 상기 제 1 반도체 기판을 관통하는 전극 패드를 갖는 하우징과,제 2 반도체 기판 하부에 상기 오목부에 대응하는 영역에 써모 파일이 마련되고, 상기 써모 파일과 상기 전극 패드을 연결하는 내부 전극이 마련된 센서부와,웨이퍼 본딩된 상기 센서부의 상부면의 일부와, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 마련된 상기 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 4에 있어서,상기 센서부 상측에 본딩된 투광부를 더 포함하고,상기 투광부의 상부면의 일부와 상기 투광부, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 상기 열 전도성 패키징부가 마련된 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 4에 있어서,상기 투광부의 표면에 반사 방지막 및 간섭 필터막이 형성된 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 센서부와 상기 하우징으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 열 전도성 패키징부는 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 물질막을 반도체 박막 증착 방법을 통해 형성하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 8에 있어서,상기 물질막은 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 센서부는 공동부가 마련된 반도체 기판과,상기 공동부 상에 온접점이 마련되고, 상기 반도체 기판 상에 냉접점이 마련된 써모 파일과, 상기 온접점 상에 형성된 적외선 흡수층을 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 반도체 기판 상에 마련되어 써모 파일과 접속된 NTC 또는 PTC 소자를 더 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서.
- 써모 파일을 포함하는 센서부를 마련하는 단계;상기 써모 파일을 보호하는 하우징을 상기 센서부에 본딩하는 단계;본딩된 상기 하우징과 상기 센서부의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하는 단계를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 센서부와 상기 하우징은 반도체 웨이퍼에 제작하고,실리콘 직접 본딩 방법을 통해 본딩하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
- 청구항 13에 있어서,상기 센서부와 상기 하우징을 본딩하는 공정은,상기 센서부와 상기 하우징을 정렬 밀착시킨 다음 가압하여 이들 간을 본딩하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
- 청구항 13에 있어서,상기 본딩 공정은 300 내지 1500도의 온도에서 열처리를 수행하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
- 청구항 13에 있어서,상기 본딩 공정은 진공 분위기에서 실시하고, 고전압을 인가하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
- 청구항 13에 있어서,복수의 상기 센서부가 형성된 웨이퍼와, 복수의 상기 하우징이 형성된 웨이퍼간을 본딩하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 열 전도성 패키징부는 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법 및 CVD법을 포함하는 반도체 박막 증착 방법을 통해 형성하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법.
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