KR100395246B1 - 마이크로 열센서용 측온저항체형 온도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 하여 형성하는 측온저항체형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이를 위해 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거하기 전에 상기 실리콘기판을 세척하고, 실리콘기판의 자연산화막을 제거하며, 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거한 후 열산화막을 증착하고, 상기 열산화막위에 산화마그네슘막을 증착하며, 상기 증착한 산화마그네슘막 위에 백금박막을 증착하도록 한다.

Description

마이크로 열센서용 측온저항체형 온도센서 및 그 제조방법{Resistance thermometer device for micro thermal sensors and its fabrication method}

본 발명은 측온저항체형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 하여 형성하는 백금박막형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 전자기계시스템은 실리콘 미세가공기술을 이용하여 소형, 경량, 저가격, 고속응답, 집적화 및 대량생산이 가능하도록 하기 위한 연구개발이 가속화되고 있다. 현재까지 백금박막형 측온저항체 온도센서는 알루미나기판상에 제작되고 있다. 그러나, 마이크로 열센서 개발시 온도센서의 집적화가 필요하기 때문에 실리콘기판상에 측온저항체형 온도센서의 제작이 필요하다. 특히, 마이크로 열센서(가스센서, 유량/유속센서, 진공센서, 가속도 센서를 포함한다.)는 동작온도가 센서의 감도, 선택성 그리고 응답시간 등의 특성을 최적화시키는데 중요한 요소로서 작용한다. 따라서, 마이크로머시닝기술에 의한 저전력소비, 정확한 동작온도제어, 저열적 용량, 센서 어레이화가 쉽고 높은 저항온도계수 그리고 집적화가 용이하며 온도에 따른 저항변화의 선형성이 우수한 마이크로 열형 센서용 온도센서의 개발이 요구되고 있다.

현재, pn접합 다이오드를 이용한 온도센서와 백금을 센서 물질로 사용한 박막형 측온저항체 온도센서 등을 이용한 마이크로 열센서용 온도센서에 관하여 연구되고 있다. pn접합 다이오드를 이용한 온도센서의 경우, CMOS를 제조하기 위한 공정을 이용하여 제작할 수 있는 장점이 있지만, 온도변화에 따른 출력값의 선형성이 떨어진다. 박막형 측온저항체 온도센서는 백금의 열적·화학적 우수한 특성과 높은 저항온도계수 그리고 넓은 온도범위에서 온도에 따른 저항변화의 우수한 선형성에 의해 정확한 온도제어가 가능하다. 실리콘기판상에 박막형 측온저항체 온도센서를 제작할 경우, 열산화막에 대한 백금의 부착특성이 나쁘기 때문에 크롬, 알루미늄산화 등의 매개층을 이용하여 제작하려는 연구개발이 진행되고 있다.

그러나 금속을 이용할 경우, 백금박막의 결정화를 위한 고온 열처리 과정에서 매개층으로 이용된 금속물질이 백금과 반응하여 백금이 갖는 고유특성을 저하시킬 뿐만 아니라 부착특성을 저하시키는 결과를 가져오게 된다. 백금은 용융점(1780℃)이 상당히 높은 물질로 백금박막이 벌크 특성을 갖기 위해서는 1000℃ 이상의 고온에서 열처리를 필요로 한다. 이처럼 고온에서 백금과 반응없이 부착특성을 개선시키기 위해서는 매개층으로 금속물질보다는 유전체 물질을 사용하는 것이 더욱 안정적이므로, 이러한 유전체 물질을 이용하여 고온에서 백금과 반응 없이 부착특성을 개선하기 위한 온도센서의 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 집적화가 용이한 열산화된 실리콘기판상에 고온 열처리시 백금박막과의 반응을 피할 수 있으며 절연특성이 우수하고, 감지물질의 부착특성을 향상시킬 수 있는 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 내열성이 우수한 이온성 산화물질인 산화마그네슘박막을 매개층으로 하여 화학적, 열적 안정성이 높으며 응답특성이 양호한 백금을 감지물질로 사용하는 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열산화된 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 이용한 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 쉬운 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체 온도센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고온에서 센서의 특성에 영향을 미칠 수 있는 기판과 감지물질 사이의 반응을 피할 수 있는 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 구조를 보인 단면도

도 2는 본 발명의 열산화된 실리콘기판위에 반응성 스퍼터링으로 증착된 매개층 산화마그네슘 박막의 표면 SEM사진.

도 3은 본 발명의 열산화된 실리콘 기판위에 산화마그네슘막을 매개층으로 증착된 백금박막의 표면 SEM사진.

도 4는 본 발명의 열산화된 실리콘기판위에 산화마그네슘막을 매개층으로 증착된 백금박막의 열처리에 따른 XRD 회절패턴도.

도 5는 본 발명의 열산화된 실리콘기판위에 산화마그네슘막을 매개층으로 증착된 백금박막의 열처리에 따른 비저항값의 변화 그래프.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘기판과 알루미나기판위에 각각 제작된 백금박막형 측온저항체 온도센서의 온도에 따른 저항온도계수 변화 그래프 및 저항변화율 변화 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 실리콘기판 110 : 열산화막

120 : 산화마그네슘막 130 : 백금박막층

140: 보호막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 본 발명에 의한 박막형 측온저항체 온도센서는 실리콘기판위에 열산화막과 산화마그네슘막이 차례로 형성되어 구성되고, 산화마그네슘막을 매개층으로 백금 박막층이 형성함을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측온저항체 온도센서 제조방법에 있어서, 실리콘기판의 자연산화막을 제거하는 과정과, 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거한 후 열산화막을 증착하는 과정과, 상기 열산화막위에 산화마그네슘막을 증착하는 과정과, 상기 증착한 산화마그네슘막위에 고주파 스퍼터링법을 이용하여 백금 박막을 증착하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명 측온저항체 온도센서의 상기 백금박막층위에는 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막이 형성되며, 도전성 와이어가 본딩되고, 또한 마이크로머시닝 기술에 의한 실리콘기판을 미세가공하며 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 용이한 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서를 실현할 수 있다.

상기 열산화막, 산화마그네슘막 및 백금 박막층은 반도체 제조공정으로 형성된다. 예컨대, 열산화막은 반도체 제조공정 중에서 열산화법으로 형성되며 산화마그네슘막과 백금 박막층은 반응성 및 마그네트론 고주파 스퍼터링으로 각각 증착하여 형성되며, 상기 열산화막, 산화마그네슘막 및 백금 박막층의 두께는 각각 1㎛ 정도이다.

그리고, 반응성 스퍼터링으로 형성된 매개층 산화마그네슘막과 백금박막의 열처리에 따른 전기적, 물리적 특성을 4-포인트 프로브(four point probe), SEM 및 XRD로 분석하였다. 또한, 박막형 측온저항체 온도센서를 실리콘기판과 알루미나기판상에 각각 제작한 후, 온도에 따른 저항온도계수값과 저항변화율을 측정하여 비교·평가하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 구조를 보인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 실리콘기판(100)상에 열산화막(110)이 증착되고, 상기 열산화막(11) 상에 산화마그네슘막(120)이 층착되며, 상기 산화마그네슘막(120)상에백금박막층(130)이 설정된 간격으로 다수개가 형성되어 있다. 그리고 상기 백금박막층(130)상에는 도전성 와이어가 본딩되고, 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막(140)이 형성되어 있다.

또한 실리콘기판(100)은 마이크로머시닝기술에 의해 미세 가공하며, 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 용이한 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서를 제조할 수 있으며, 상기 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서는 가스센서, 유량/유속센서, 진공센서, 가속도 센서 등을 포함한다.

상기 열산화막(110), 산화마그네슘막(120) 및 백금박막층(130)은 반도체 제조공정으로 형성된다.

예컨대, 본 발명에 사용된 실리콘기판(100)은 비저항이 약 4∼5Ω·cm, 두께 530㎛의 N형 혹은 P형으로 반도체공정의 기본 세척공정을 거치고 자연산화막을 제거시킨후, 열산화막(110)을 1㎛ 성장시킨 실리콘기판을 사용하였다. 열산화막(110)과 백금박막층(130)의 부착특성을 개선시키기 위해 산화마그네습(120) 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링으로 산화마그네슘막(120)을 1㎛ 증착시켜 매개층으로 이용하였다.

온도센서 물질인 백금박막층(130)은 센서물질인 백금으로 고주파 스퍼터링법으로 1㎛ 증착시켰다. 반응성 스퍼터링으로 형성된 산화마그네슘막(120)의 열처리특성 및 백금박막층(130)에 미치는 영향은 석영관을 이용하여 질소 분위기에서 고온 열처리를 거친후 4-포인트 프로브, α-step, SEM, XRD를 이용하여 분석하였다. 하기 표 1은 산화마그네슘막(120)과 백금박막층(130)의 증착 및 열처리 조건을 나타낸 것이다.

본 발명에서 온도센서는 실리콘기판(100)을 이용하여 도 1과 같은 구조로 제작된다. 또, 열처리전 온도센서의 패턴을 사진식각공정으로 형성하고 열처리를 거친 후 특성을 분석하였다. 그리고, SOG(spin-on-glass)를 스핀 코팅(spin coating)한 후, 공기 중에서 100℃(30분), 200℃(30분), 350℃(30분), 또한, 500℃(30분)로 순차적으로 베이킹(baking)하여 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막으로 이용하였으며, 실버 에폭시(silver epoxy)를 이용하여 백금와이어를 본딩하였다.

그리고, 제작된 온도센서의 특성은 대류에 의한 영향을 최소화하기 위해 분위기 가스와 진공도의 제어가 가능한 밀폐시스템 내에서 분석하였다.

도 2는 본 발명의 열산화된 실리콘기판상에 증착된 산화마그네슘박막(120)의 열처리에 따른 표면 SEM사진이다. (a)는 열처리하지 않은 표면 SEM사진이고, (b)는1000℃에서 열처리한 표면 SEM사진이다.

열처리 전에는 미세패턴 형성이 용이한 비정질 형태였다. 도 2(a)와 (b)의 열처리 전과 열처리 후(1000℃, 2시간)를 각각 비교할 때, 박막 전체가 균일한 표면특성을 보이며 고온 열처리에 따른 핀홀이나 크랙이 형성되지 않았다. 따라서, 백금박막은 1000℃ 열처리 후에도 열처리 전과 같은 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 산화마그네슘 박막위에 증착된 백금박막의 열처리에 따른 표면 SEM 사진이다. (a)는 열처리하지 않은 표면 SEM사진이고, (b)는 1000℃에서 열처리한 표면 SEM사진이다.

도 3(a)는 열처리 전의 백금박막 표면으로 미소패턴 형성에 유리한 균일한 표면특성을 보이고 있다. 그러나, 도 3(b)처럼 백금박막층(130)을 1000℃, 2시간 열처리를 행함으로써, 결정립이 형성되어 입자들의 경계가 현저하고 전기적으로 불안한 상태이며, 구조적으로 갈라진 틈 사이가 밀착됨을 알 수 있다. 백금박막층(130)은 열처리 전에는 면저항과 비저항값이 각각 0.246 Ω/□ , 24.6 μΩ·cm이고, 열처리 후에는 면저항과 비저항값은 각각 0.1288 Ω/□ , 12.88 μΩ·cm로 측정되었으며, 벌크 백금의 비저항값 10.8 μ Ω·cm에 가까워짐을 알 수 있다. 따라서, 고온 열처리를 행함으로써 물리적·전기적으로 백금박막이 크게 개선됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 산화마그네슘 박막(120)위에 증착된 백금박막층(130)의 열처리에 따른 XRD 회절패턴 분석결과를 나타낸 것이다.

백금박막층(130)의 회절패턴에서 열처리 전·후 모두 백금 피크만이 2 = 39.6° 부근에 두드러지게 나타나는 것을 알 수 있으며, 고온 열처리를 행함으로써 indensity가 더욱 증가하고 잔여피크가 크게 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 열처리후에도 백금박막층(130)이 산화마그네슘박막(120)과 반응이 없고 백금 고유의 특성을 가짐을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 산화마그네슘박막(120)상에 증착된 백금박막의 열처리 온도에 따른 비저항의 변화를 나타낸 것이다.

열처리 시간은 2시간으로 고정하였으며 열처리 온도가 높아질수록 비저항값이 벌크 백금에 가까운 값을 가졌다. 1000℃ 열처리시 백금의 결정립 형성에 의해 박막 내부의 여러 구조적 결함들이 줄어 박막의 비저항 특성이 개선됨을 알 수 있다. 그러나, 1000℃ 이상 고온 열처리할 경우, 과도한 열처리에 의해 결정립의 성장에 따른 부분적인 island형성과 기판위에 박막이 없는 부분에 hole이 생성되고 조금씩 커짐으로 인하여 박막의 특성이 크게 저하되었다.

도 6(a) 및(b)는 본 발명의 실시예에 따른 백금박막형 측온저항체 온도센서에 따른 저항온도계수와 저항변화율을 각각 나타낸 것이다.

실리콘기판위(100)에 산화마그네슘박막(120)을 매개층으로 그리고 실리콘기판(알루미나기판)(100)상에 각각 제작된 온도센서의 저항온도계수와 저항변화율은 다음과 같다.

저항변화율은 질소 분위기인 전기로에서 상온에서부터 400℃까지의 온도범위에서 측정하였다. 실리콘기판(100)상에 산화마그네슘박막(120)을 매개층으로 제작된 백금박막형 측온저항체 온도센서의 특성이 실리콘기판(100)상에 제작된 박막형 온도센서와 거의 비슷한 값의 저항온도계수를 얻었다.

도 6(a)에서 샘플 1 온도센서의 저항온도계수는 벌크 백금에 가까운 3927 ppm/℃의 평균값을 가졌다. 또한, 저항온도계수의 표준편차를 분석한 결과, 1℃당 0.7 ppm/℃로 매우 선형성이 좋은 특성을 얻었다.

도 6(b)은 (a)의 저항온도계수를 저항변화율로 나타낸 것이다. 온도변화에 따른 저항변화율이 거의 직선에 가깝고 선형성이 양호함을 알 수 있다.

지금까지 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 실시형태는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것임을 이해하여야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 열산화된 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 이용한 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체 온도센서는 고온에서 센서의 특성에 영향을 미칠 수 있는 기판과 감지물질 사이의 반응을 피할 수 있고, 감지물질의 부착특성을 향상시킬 뿐아니라 특히, 마이크로머싱기술에 의한 미세가공이 용이한 실리콘기판과 화학적, 열적 안정성이 높으며 선형적 응답특성이 우수한 마이크로 열센서용 온도센서는 범용 온도센서뿐만 아니라 마이크로머시닝기술에 의한 집적화된 마이크로 열센서 개발시 온도센서와 미세 발열체로써 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.

또한 25~400℃의 온도범위에서 산화마그네슘막을 매개층으로 이용하여 열산화된 실리콘기판위에 제작된 백금박막형 측온저항체형 온도센서의 저항온도계수는 3927ppm/℃로 벌크 백금과 동등하며 선형성이 우수한 효과가 있다.

그리고 실리콘기판을 이용하고 있기 때문에 미세가공이 용이함으로 경량, 소형, 고속응답, 대량생산, 센서 어레이화가 용이한 이점이 있다.

Claims (13)

1. 실리콘기판과

   상기 실리콘기판상에 증착된 열산화막과

   상기 열산화막상에 증착된 산화마그네슘막과

   상기 산화마그네슘막상에 설정된 간격으로 다수개가 형성된 백금박막층으로 이루어지며

   상기 백금박막층에는 도전성 와이어가 본딩되어 있고, 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막을 형성하며

   상기 실리콘기판은 마이크로머시닝기술에 의해 미세가공하여 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 용이하도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 산화마그네슘막은, 타켓 : 산화마그네슘, 기판온도 : 상온, 가스유입속도 : Ar (72 sccm), O₂(8 sccm), 초기진공 : 1× 10^-6Torr 이하, 작업진공 : 20 mTorr, 입력 파우어 : 150 W의 조건으로 반응성 스퍼터링을 행하여 형성하고, N₂가스 분위기에서 고온 열처리를 행하여 형성함을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서.
5. 제1항에 있어서,

   상기 백금박막층은, 타켓 : 백금, 기판온도 : 상온, 가스유입속도 : Ar(80 sccm), 초기진공 : 1×10^-6Torr 이하, 작업진공 : 20 mTorr, 입력 파우어 : 90 W의 조건으로 스퍼터링을 행하고, N₂가스 분위기에서 고온 열처리를 하여 형성함을 특징으로 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서.
6. 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법에 있어서

   실리콘기판을 세척하는 단계와

   실리콘기판의 자연산화막을 제거하는 단계와

   상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거한 후, 열산화막을 증착하는 단계와

   상기 열산화막위에 산화마그네슘막을 증착하는 단계와

   상기 증착한 산화마그네슘막 위에 백금박막을 증착하는 단계와

   상기 백금박막층상에 도전성 와이어를 본딩하는 단계와

   상기 도전성 와이어를 본딩한 후, 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막을 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,

   상기 산화마그네슘막을 증착하는 단계는

   타켓 : 산화마그네슘, 기판온도 : 상온, 가스유입속도 : Ar (72 sccm), O₂(8 sccm), 초기진공 : 1×10^-6Torr 이하, 작업진공 : 20 mTorr, 입력 파우어 : 150 W의 조건으로 반응성 스퍼터링을 행하는 단계와

   상기 반응성 스퍼터링을 행한 후, N₂가스 분위기에서 고온 열처리를 행하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법.
9. 제6항에 있어서,

   상기 백금박막을 증착하는 단계는

   타켓 : 백금, 기판온도 : 상온, 가스유입속도 : Ar(80 sccm), 초기진공 : 1 ×10^-6Torr 이하, 작업진공 : 20 mTorr, 입력 파우어 : 90 W의 조건으로 스퍼터링을 행하는 단계와,

   상기 스퍼터링을 행한 후, N₂가스 분위기에서 고온 열처리를 하는 단계로 이루어짐을 특징으로 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법.
10. 제6항에 있어서,

    상기 열산화막, 산화마그네슘막, 백금박막은 각각 1 ㎛의 두께를 갖도록 증착함을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법.
11. 삭제
12. 제6항에 있어서,

    상기 산화마그네슘막과 백금박막은 고주파 스퍼터링법을 이용하여 증착함을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법.
13. 제9항에 있어서,

    상기 고온 열처리를 하는 단계는 1000℃에서 2시간 열처리함을 특징으로 하는 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체형 온도센서 제조방법.