KR20090004281A - Micro heater having carbon nano tubes - Google Patents

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Abstract

A micro heater including the carbon nanotube is provided to improve the IR heat generation characteristic by forming the carbon nanotube on the top of the heating structure. A heating structure(250) is formed on a substrate. The heat is radiated from the heating structure by using the voltage applied from the outside. A reflector is formed between the lower part of the heating structure and the substrate. The heat emitted from the heating structure is reflected by the reflector. The carbon nanotube is formed on the upper section of heating structure. The voltage is applied to the heating structure through an electrode pad(260).

Description

탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터{Micro Heater Having Carbon Nano Tubes}Micro Heater Having Carbon Nano Tubes

본 발명은 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 스케일의 히터에 관한 것이다.The present invention relates to a microscale heater formed using a MEMS process.

도 1은 종래의 MEMS 공정을 이용한 마이크로 히터의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a micro heater using a conventional MEMS process.

도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 브리지(micro bridge:1)와 주변부(2)로 이루어진 가운데, 마이크로 브리지(1) 내에 가열부(3)를 가지고, 마이크로 브리지(1)의 상부에 가스(gas) 감응막 등의 소정의 피측정 대상에 감응하고 전기 특성이 변화하는 기능성 얇은 막(4)을 형성 가능한 구성으로 되어 있다. As shown in FIG. 1, a micro bridge (1) and a periphery (2) have a heating part (3) in the micro bridge (1), and a gas (gas) on top of the micro bridge (1). The thin film 4 can be formed to respond to a predetermined measurement target such as a sensitive film and to form a functional thin film 4 whose electrical characteristics change.

마이크로 브리지(1)가 되는 부분 및 주변부(2)는 결정면(100)의 Si 기판(5)에 형성되고, Si 기판(5) 상부에 마이크로 브리지(1)가 형성되는 부분은 후술하는 Si 이방성 에칭(etching)에 따라서 제거됨으로써, 빈틈부(6)가 형성된다.The portion to be the micro bridge 1 and the peripheral portion 2 are formed on the Si substrate 5 of the crystal plane 100, and the portion where the micro bridge 1 is formed on the Si substrate 5 is described later. By the removal along the etching, the gap 6 is formed.

주변부(2) 4군데에는 지지부(7)의 측방으로부터 중공상태로 지지받는 마이크 로 브리지(1)가 형성된다. 또한, 마이크로 브리지(1)와 주변부(2)는 지지부(7)를 제외하고, 측방 개구부(8)로 서로 분리되어 있다.Four peripheral portions (2) are formed with a micro bridge (1) supported in a hollow state from the side of the support (7). In addition, the microbridge 1 and the peripheral part 2 are separated from each other by the side opening 8 except the support part 7.

마이크로 브리지(1)는 아래로부터 열산화 SiO2막(11), 중층 SiO2막(12), SiN 막(13), 상층 SiO2막(14)으로 구성되는 4층 절연막을 가지고 있다. 가열용 금속 배선(15)은 열산화 SiO2막(11)과 중층 SiO2막(12)의 사이에 형성된다.The microbridge 1 has a four-layer insulating film composed of a thermally oxidized SiO 2 film 11, a middle SiO 2 film 12, a SiN film 13, and an upper SiO 2 film 14 from below. The heating metal wiring 15 is formed between the thermally oxidized SiO 2 film 11 and the middle SiO 2 film 12.

기능성 얇은 막(4)은 전기적 특성을 검출하기 위한 1쌍의 전극용 금속 배선(16,17)이 SiN 막(13)상에 형성되고, SiO2 막(14)의 일부에는 개구부가 형성되어 있다. 그리고 전극용 금속 배선 (16,17)을 본딩하기 위한 개구부(18)가 형성되어 있다. In the functional thin film 4, a pair of electrode metal wirings 16 and 17 for detecting electrical characteristics are formed on the SiN film 13, and openings are formed in a part of the SiO 2 film 14. . An opening 18 for bonding the electrode metal wirings 16 and 17 is formed.

종래의 마이크로 히터의 발열용 금속 배선의 소재는 poly Si, Pt, Ni-Cr 또는 Au를 사용한다. 그러나, MEMS를 이용한 히터의 구조물 형태나 발열용 금속 배선의 재료가 결정되면 마이크로 히터의 IR 발열은 각각의 구성 및 소재가 갖는 특성이 정해져 있어, 특정 이상의 발열 효율을 갖는 마이크로 히터를 제조하는데 한계가 있다는 단점이 있다.The material of the metal wiring for heating of the conventional micro heater uses poly Si, Pt, Ni-Cr or Au. However, if the structure of the heater using MEMS or the material of the heating metal wiring material is determined, the IR heat generation of the micro heater is determined by the characteristics of each structure and material, and thus there is a limit in manufacturing a micro heater having a specific heating efficiency. There is a disadvantage.

본 발명은 히팅 구조물의 발열효율을 향상시키기 위한 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터를 제공함에 그 목적이 있다. It is an object of the present invention to provide a micro heater having carbon nanotubes for improving the heating efficiency of the heating structure.

본 발명의 히팅 구조물 상부에 탄소나노튜브를 성장시킨다. The carbon nanotubes are grown on the heating structure of the present invention.

본 발명의 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터는 히팅 구조물의 상부에 탄소나노튜브를 형성함으로써, IR 발열 특성을 향상시킬 수 있는 현저하고도 유리한 효과가 있다. The micro heater having the carbon nanotubes of the present invention has a remarkable and advantageous effect of improving the IR heating characteristics by forming the carbon nanotubes on the heating structure.

본 발명의 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터는 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서, 외부에서 인가된 전압을 이용하여 열을 방출하기 위해 기판상에 형성된 히팅 구조물; 상기 히팅 구조물로부터 방출되는 열을 반사시키기 위하여 상기 히팅 구조물 하부와 상기 기판 사이에 형성된 반사판; 상기 히팅 구조물 상부에 형성된 탄소나노튜브; 및 상기 히팅 구조물에 전압을 인가하기 위한 전극 패드을 포함한다.A micro heater having a carbon nanotube of the present invention includes a micro heater formed by using a MEMS process, comprising: a heating structure formed on a substrate for dissipating heat by using an externally applied voltage; A reflector formed between the substrate and the heating structure to reflect heat emitted from the heating structure; Carbon nanotubes formed on the heating structure; And an electrode pad for applying a voltage to the heating structure.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 공정 흐름도이다.2 to 9 are process flowcharts of the micro heater with the reflector according to the embodiment of the present invention.

먼저, 실리콘 기판(210)상에 반사판(220)을 형성한다(도 2). First, the reflective plate 220 is formed on the silicon substrate 210 (FIG. 2).

본 발명에 따른 반사판(220)은 후술되는 히팅 구조물에서 방사되는 열을 반사시키기 위하여 금, 백금 및 니켈 등을 포함하는 전도성 소재를 이용하여 진공 증착법을 통하여 박막의 형태로 형성한다. 반사판(220)의 두께는 2000Å 내지 5000Å 정도가 바람직하다.Reflector 220 according to the present invention is formed in the form of a thin film through a vacuum deposition method using a conductive material containing gold, platinum, nickel and the like to reflect the heat radiated from the heating structure to be described later. The thickness of the reflecting plate 220 is preferably about 2000 kPa to about 5000 kPa.

기판(210)상에 반사판(220)이 형성되면, 반사판(220) 전면에 산화막 또는 질화막 중 어느 하나 이상을 포함하는 제1절연막(230)을 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께로 형성한다. 다음으로 사진식각공정을 이용하여 반사판 중심부의 소정의 영역에만 제1절연막(230)을 형성한다(도 3).When the reflective plate 220 is formed on the substrate 210, the first insulating film 230 including at least one of an oxide film and a nitride film is formed on the entire surface of the reflective plate 220 to have a thickness of 0.5 μm to 2 μm. Next, the first insulating layer 230 is formed only in a predetermined region of the center of the reflector using a photolithography process (FIG. 3).

제1절연막(230)이 형성되면, 다시 제1절연막(230) 전면에 제2절연막(240)을 형성한다(도 4). When the first insulating film 230 is formed, the second insulating film 240 is again formed on the entire surface of the first insulating film 230 (FIG. 4).

본 발명에 따른 제2절연막(240)은 산화막 또는 질화막 중 어느 하나 이상을 포함하며, 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께로 형성한다.The second insulating film 240 according to the present invention includes at least one of an oxide film and a nitride film, and is formed to a thickness of 0.5 μm to 2 μm.

제2절연막(240) 상에 전도성 소재의 히팅 구조물(250)을 형성한다. 히팅 구조물(250)은 제1절연막(230)이 위치한 영역에 대응하는 제2절연막(240) 상에 형성한다(도 5). A heating structure 250 of a conductive material is formed on the second insulating layer 240. The heating structure 250 is formed on the second insulating film 240 corresponding to the region where the first insulating film 230 is located (FIG. 5).

히팅 구조물(250)의 소재는 백금, 니켈 또는 금 등을 포함하는 전도성 소재를 사용하고, 진공증착 후, 사진식각 공정을 통하여 요철의 형태로 형성한다. 이때, 히팅 구조물(250)로부터 소정의 거리로 이격된 곳에 전극패드(260)를 형성한다(도 6).The material of the heating structure 250 uses a conductive material containing platinum, nickel or gold, and is formed in the form of irregularities through a photolithography process after vacuum deposition. At this time, the electrode pad 260 is formed at a spaced distance from the heating structure 250 (FIG. 6).

다음으로 히팅 구조물(250)과 전극패드(260) 전면에 패시배이션층(270)을 형성한다. 패시배이션층(270)은 히팅 구조물(250)이 산소와 반응하여 발생하는 특성 의 열화를 막을 수 있다. 전극 패드(260) 상에 형성된 패시배이션층(270)은 사진식각공정을 이용하여 제거한다(도 7).Next, the passivation layer 270 is formed on the heating structure 250 and the electrode pad 260. The passivation layer 270 may prevent deterioration of characteristics generated by the heating structure 250 reacting with oxygen. The passivation layer 270 formed on the electrode pad 260 is removed using a photolithography process (FIG. 7).

히팅 구조물(250)의 발열 효율을 향상시키기 위하여 히팅 구조물(250)에 대응하는 제2절연막(240) 상부에 금속, 탄소나노튜브 등의 전도성 소재의 방열안테나(280)를 형성한다(도 8).In order to improve heating efficiency of the heating structure 250, a heat radiation antenna 280 of a conductive material such as metal or carbon nanotube is formed on the second insulating layer 240 corresponding to the heating structure 250 (FIG. 8). .

이때, 탄소나노튜브는 400℃미만에서 성장시키는 것이 바람직하여, 탄소나노뷰트의 길이는 수십 ㎛, 직경은 수십 nm로서, 길이:직경의 비는 5:1 내지 18:1이 바람직하다. At this time, the carbon nanotubes are preferably grown at less than 400 ℃, the length of the carbon nanobute is several tens of micrometers, the diameter is several tens of nm, the length: diameter ratio is preferably 5: 1 to 18: 1.

그리고 패시배이션층 및 제1 및 제2 절연막을 식각하여 히팅 구조물 측면과 하부에 각각 개구부와 캐비티를 형성한다. 히팅 구조물(250) 하부에 형성되는 캐비티는 진공상태이므로 발열효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 전극패드(260)에 와이어(290)를 본딩함으로써, 반사판이 구비된 마이크로 히터를 완성한다(도 9). The passivation layer and the first and second insulating layers are etched to form openings and cavities on the side and bottom of the heating structure, respectively. Since the cavity formed under the heating structure 250 is in a vacuum state, the heating efficiency may be improved. Then, by bonding the wire 290 to the electrode pad 260, a micro heater with a reflecting plate is completed (FIG. 9).

이때, 캐비티의 두께는 방출되는 열의 파장대를 고려한다. 일예로서, 방출되는 열의 파장이 IR 대역으로서, 대략 λ=5㎛이면, 캐비티의 두께는 파장의 1/3 내지 1/5로 하는 것이 바람직하다. At this time, the thickness of the cavity takes into account the wavelength band of the emitted heat. As an example, when the wavelength of heat to be emitted is an IR band and approximately lambda = 5 mu m, the thickness of the cavity is preferably 1/3 to 1/5 of the wavelength.

도 9에서 도시된 바와 같이 열량의 크기는 T1 >> T3 > T2 순서로 나열된다. As shown in FIG. 9, the magnitudes of the calories are listed in the order T1 >> T3> T2.

T1, T2 및 T3 각각은 히팅 구조물 상면, 하면 및 측면으로 방출되는 열량을 의미한다. Each of T1, T2, and T3 refers to the amount of heat released to the top, bottom, and side surfaces of the heating structure.

식각 공정을 통하여 히팅 구조물 측면에 개구부를 형성하고, 하부에 반사판을 형성할 경우, 종래와 같이 T3 와 T2의 손실을 막을 수 있어 총 발열량은 T1 + T3 + T2 가 된다.When the opening is formed on the side of the heating structure and the reflecting plate is formed through the etching process, the loss of T3 and T2 can be prevented as in the prior art, so that the total calorific value is T1 + T3 + T2.

이때, T1의 발열은 탄소나노튜브를 사용하니 않은 히팅 구조물의 T1보다 월등히 향상되며, 전체 발열의 최소 70% 이상을 차지하게 된다.At this time, the heat generation of T1 is much improved than T1 of the heating structure without using carbon nanotubes, and occupies at least 70% of the total heat generation.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

도 1은 종래의 마이크로 히터의 단면도,1 is a cross-sectional view of a conventional micro heater,

도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터의 공정 흐름도.2 to 9 is a process flow diagram of a micro heater having a carbon nanotube according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

210 : 실리콘 기판 220 : 반사판210: silicon substrate 220: reflector

230 : 제1절연막 240 : 제2절연막230: first insulating film 240: second insulating film

250 : 히팅 구조물 260 : 전극패드250: heating structure 260: electrode pad

270 : 패시배이션 280: 방열안테나270 passivation 280 heat radiation antenna

290 : 와이어 290: wire

Claims (4)

MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서,In the micro heater formed using the MEMS process, 외부에서 인가된 전압을 이용하여 열을 방출하기 위해 기판상에 형성된 히팅 구조물; A heating structure formed on the substrate for dissipating heat using an externally applied voltage; 상기 히팅 구조물로부터 방출되는 열을 반사시키기 위하여 상기 히팅 구조물 하부와 상기 기판 사이에 형성된 반사판; A reflector formed between the substrate and the heating structure to reflect heat emitted from the heating structure; 상기 히팅 구조물 상부에 형성된 탄소나노튜브; 및Carbon nanotubes formed on the heating structure; And 상기 히팅 구조물에 전압을 인가하기 위한 전극 패드An electrode pad for applying a voltage to the heating structure 를 포함하는 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터.Micro heater having a carbon nanotube comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소나노튜브의 가로세로비는 5:1 내지 18:1인 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터.The aspect ratio of the carbon nanotubes is 5: 1 to 18: 1 micro heater provided with carbon nanotubes. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 히팅 구조물 하부에는 캐비티가 형성된 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터.A micro heater having a carbon nanotube having a cavity formed under the heating structure. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 캐비티의 두께는 상기 히팅 구조물에서 방출되는 열이 갖는 파장의 1/3 내지 1/5인 파장인 탄소나노튜브를 구비한 마이크로 히터.The thickness of the cavity is a micro heater having a carbon nanotube having a wavelength of 1/3 to 1/5 of the wavelength of the heat emitted from the heating structure.
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