中小企業部品 素材共同技術開發事業最終報告書 반도체공정기술을이용한백금박막온도센서 양산기술개발 2002. 8. 30 주관기업 : 이노스텍( 주) 공동개발기업 : ( 주) 씨에스이엔지 -1-
제출문 중소기업청장귀하 본보고서를 "[ 반도체공정기술을이용한백금박막온도센서양산기술개발] 에관 한중소기업부품ㆍ소재공동기술개발사업"( 개발기간 : 2001년 7월 1 일~2002년 6월 30 일) 의최종보고서로제출합니다. 2002 년 8월 30일 주관기업 : 이노스텍 ( 주) 과제책임자 : 이동수 공동개발기업 : ( 주) 씨에스이엔지 ( 직인) -2-
요약서( 초록) 과제명반도체공정기술을이용한백금박막온도센서양산기술개발 주관기업이노스텍( 주) 주관기업과제책임자 개발기간 20011년 7월 1 일 ~ 2002년 6월 30 일 (12 개월) 이동수 총개발사업비 ( 천원) 정부출연금 238,002 기업 현금 45,000 부담금 현물 115,000 총개발사업비 398,002 공동개발기업명 ( 주) 씨에스이엔지 주요기술용어 백금박막온도센서, 스퍼터링, 온도선형계수, 식각, 반도체공정,Si 기판.(Platinum thin film temperature sensor, Sputtering, TCR, Etching, Semiconductor processing, Si wafer) 1. 기술개발목표 실리콘기판을이용한온도선형계수 3.85X10-3 / 개발, ( 표준저항 (0 C) ; 100 Ω, 500 Ω, 1,000 Ω) 이상의온도센서양산기술 2. 기술개발의목적및중요성 Si wafer 를사용하여백금박막온도센서를개발하였다. 가정용및공업용온도센서의수요가증가하고특히전자소자부품의輕薄短小化경향에따라고성능백금박막온도센서의수요는증가일로에있다. 이러한산업계의필요성증대에도불구하고백금박막온도센서의국산화는 10여년전부터추진되어왔으나산업화에실패하였다. 가장많은연구가진행된분야인알루미나기판을사용한백금박막온도센서의경우이미선진외국에서 10 여년간의생산기술개발 know-how 가축적되어기술및가격경쟁력을갖출수없기때문이었다. 당과제에서는이러한단점을극복하고조기시장진입을위하여기존에사용되지않는 Si 기판을사용하여백금박막온도센서를개발하였다. Si기판을사용할경우에갖는장점은실리콘웨이퍼의경우알루미나기판에비하여열전도가우수하여응답특성이향상될수있으며백금박막증착전의기판식각은금속박막의식각에비하여선폭의조절이나균일도를획기적으로향상시킬수있는점과소자소형화가가능하다는점이다. -3-
3. 기술개발의내용및범위 본과제를통해이노스텍( 주) 에서개발한백금박막미세구조조절기술과반도체단위공정기술( 식각기술) 이용하여초소형백금박막온도센서소자의양산기술을개발하였다. 산업공정자동화에핵심소자인온도센서양산기술로 SiO 2 에칭을통한상감법패턴제조방법을택하였다. 온도센서에적합한거대입성장백금박막증착기술을개발하였으며( 미세구조조절기술) 기존제품에비하여소자크기를줄일수있는표준저항 100, 1,000 ohm 인고정밀온도센서를개발하였다. 4. 기술개발결과 특허출원 : 국제특허출원 금속저항체소자및그제조방법 출원일 : 2002년 2월 22 일, 출원번호 : PCT/KR02/00287 미국특허출원 단결정거대입자로구성된금속박막제조방법 출원일 : 2001년 7월 30 일, 출원번호 : 09/918,296호 일본특허출원 단결정거대입자로구성된금속박막제조방법 출원일 : 2001년 7월 31 일, 출원번호 : 2001-231801 5. 기대효과 산업계에사용되고있는백금온도센서는현재전량수입에의존하고있다. 기존 제품은권선형이나알루미나기판위에증착된것으로기판가공및백금패턴 형성에많은비용이소모된다. 본과제에서제안된기술을이용한양산화공정 개발에성공할경우기존제품에비하여우수한응답특성및소형화및가격경 쟁력을갖춘백금박막온도센서로세계시장에진출할수있다. 또한본과제에서 획득된기술은박막형 heater나온도보정용 wafer생산기술에도활용될수있을 것으로생각된다. -4-
목 차 제1 장서론 제 1 절온도센서의종류 제 2 절백금저항온도센서 제 3 절백금저항온도센서이론 제 4 절실리콘기판을사용한백금박막온도센서개발의목적 제 5 절실리콘기판을사용한백금박막온도센서개발목표 제 2 장기술개발내용과방법제 1 절개발기술의평가방법및평가항목 1. 온도선형계수 2. 표준저항 3. 선폭 4. 소자크기 5. 온도안정성 제 2 절백금박막증착공정의개발 1. 박막증착 2. 증착박막의열리 3. 박막의물성측정 3-1. 두께및비저항측정 3-2. 미세구조관찰 3-3. 결정성분석 3-4. 첨가가스의탈착거동 제제 3 4 절패턴제작공정의개발절소자평가 제 3 장기술개발결과제 1 절거대입성장백금박막의증착공정개발 1. 거대입성장된백금박막의필요성 -5-
2. 거대입성장된백금박막의특성 2-1. 전기적특성의변화 2-2. 미세구조의변화 2-3. 두께에따른 TCR 변화 2-4. 거대입성장된백금박막의에칭특성 제2 절온도센서제조공정 1. Mask 제작 2. 상감법을이용한 SiO 2 에칭 3. 리드선부착 4. 패드보호막부착 5. 절연막코팅 6. 제작된백금박막온도센서 제3 절온도센서소자특성평가 1. 기존제품의분석 2. 개발완료된백금박막온도센서의특성분석 2-1. 온도저항특성 2-2. Hysterisis 특성 2-3. 시정수특성 2-4. 자기발열특성 제 4 장결론및기대효과 제 5 장참고문헌 -6-
제 1 장서론 -7-
제1장서론 제 1 절온도센서의종류 온도센서는크게접촉식과비접촉식으로나뉠수있으며비접촉식센서는주로측정하고자하는부위에서발생하는열파장을측정하는방식으로주로산업또는연구의목적으로이용되어진다. 일반적으로산업및일상생활에서이용되는것은접촉식온도센서로이에해당하는것으로는열전대식 (Thermocouple), 써미스터 (Thermistor) 및측온저항체 (Resistance temperature detector, RTD), IC 온도센서등이있다. 표 1 은접촉식온도센서의종류에따른특성을나타내는표이다. 표. 1 접촉식온도센서종류에따른제반특성 RTD ( 백금저항온도센서) Thermocouple Thermistor Temperature Range -200 ~850-190 ~ 1821 0 ~ 300 Accuracy ±0.001 F to 0.1 F ±1 F to 10 F High Response Time Moderate Fast Fast Stability Stable over long periods <0.1% error/5 yr Not as stable 1 F error/yr Good stability Linearity Best Moderate Non-linear Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity 접촉식온도센서의세계시장동향을살펴보면 1-2) 95년이후써모커플시장규모는동결내지는감소하고있으며써미스터는낮은성장률을보이고있는반면에백금저항온도계의시장은접촉식온도센서중에서높은성장률을보이고있다, 이는써모커플의경우사용영역은넓으나정확도에문제가있고써어미스터의경우자기가열효과가크고외부충격에의한손상의가능성이높아수요가한정되기때문으로생각된다. 반면백금저항온도센서는온도정확성및신뢰도가매우높고박막형소자개발에따른단가하락및소형화가가능하여수요가증가했기때문으로생각된다. -8-
제 2절백금저항온도센서 Pt는 Ru, Rh, Pd, Os, Ir 등과같은금속과함께 platinum group metal (PGM) 의 하나로, 내식성이강하며촉매효과가크고다른금속에비하여내산화성이강한물 질로알려져있다. 3) 또한온도에따른저항변화의특성이직선적인특성을가지고 있어온도센서나 heater 로사용되고있다. 표 2 에백금의물리적특성을정리 하였다. 표.2 백금의물리적성질 백금저항온도센서는외부의온도변화에따른백금의저항변화를이용한방식으 로현재실용화되어있는온도센서중에서안정도와감도가매우높아고정밀의 온도계측이가능한센서이다. 또한기준접점에대한보상회로가불필요하므로간 단한부가회로를이용하여온도에대하여직선적출력을얻을수있으며이에따 라센서의신뢰도가매우높은장점을갖고있다. 6-7) 그림 1은상용화되어있는백 금저항온도센서를나타내고있다. -9-
(a) (b) (c) 그림. 1 백금저항온도센서의종류 (a) 세선가공형, (b) 세라믹봉입형, (c) 박막형 이제까지상용화된백금저항온도센서는운모판에백금선을감은운모형, 세라믹튜브내에백금코일을넣고봉입한세라믹형및백금코일을저융점유리로 molding 한유리형이광범위하게사용되어왔다. 8) 이들센서는고순도의백금선으로만들어지기때문에기계적특성( 진동, 충격등) 이나쁘며, 백금코일제작및 molding에많은시간이소요된다. 또한세라믹봉입형의경우, 센서의소형화가어렵고온도감응속도가느리며, 생산비가고가인단점을가지고있다. 이러한단점을극복하기위해최근에는고도의박막기술을이용한백금박막온도센서의개발이매우중요하게되었다. 박막기술을이용할경우온도센서의소형화및신뢰성향상은물론이며생산비의절감과생산성향상에따른경제적파급효과가매우클것으로기대되고있다. 지금까지개발된백금박막온도센서의경우, 접착력과기판과의열팽창계수의차이에서발생하는문제로인해기판재료로알루미나를주로사용하여왔다. 5.9-11) 현재백금박막온도센서를상용화한회사로는 Heraeus, Jumo(Germany), Hayashi Denko (Japan), Minco, Hycal(USA), Sentek(Taiwan), Xian Diamond(China) 등의회사가있다. -10-
제 3절백금저항온도센서이론 Matthiessen's rule에따르면금속의저항은격자산란과결함에의한산란두가지형태의산술합으로나타낼수있으며다음의식으로표현된다. p = p i (T) + p 양자역학에의하면금속전도체내에서의전기전도는전자에의한것임을알수있 다. 12-14) 이상적인결정체( 격자진동도존재하지않는상태) 금속에서의전도는에 너지손실( 저항) 없이이루어질수있다. 그러나실제금속에서는격자진동과결함 ( 구조결함, 불순물등) 이존재하며이들이전기전도를방해하는저항으로작용한다. 전도전자가충돌하기전까지진행한평균길이를전자의평균자유행로라하며 (mean free path) 라하며일반적으로평균자유행로가길수록전기저항율은작아짐을알 수있다. 표 3 은금속의전기저항율과평균자유행로를나타내는표이다. 12-14) 표. 3 금속에서의평균자유행로, 저항율, Debye temp. 의값 격자진동(phonon) 에의한저항은 p i (T) 로결함에의한저항은 p 로나타낼수있고재료의전체저항율은위의 matthiessen s rule 로나타낼수있다. -11-
Matthiessen's rule에서 p i (T) 는 phonon 과전도전자의충돌에의한저항율의변화를나타내는것이며저항온도계의온도/ 저항특성을결정하는항이다. Debye 이론에 12) 의하면 p i (T) 는 Debye 온도( θ = hvmax/k) 를기준으로온도의존성이다음과같이나타나게된다. p i (T) T n for T< θ n = 5 p i (T) T for T >θ 표 3에여러재료의 Debye 온도가나타나있다. Debye 온도이상의영역에서 phonon 에의한저항율의온도의존성은 1차함수에비례하는것으로생각할수있다. 온도에따라저항율이일정하기위해서는 matthiessen s rule 의 p 항이온도의존성이없어야하지만실제로 P o = P o + (T,p) 값으로온도의존성을가지며여기에영향을미치는인자는크게다음과같이나눌수있다. 18) 화학적요인( 조성) : 불순물, 산화, 기체의흡수등물리적요인 ( 격자결함, 구조결함) : 공극, 격자간원자, 전위, 적층결함, 입계등기계적요인 ( 외력) : 변형(stress), 변위(strain) 등 온도센서제조시온도에따른 (T,p) 의제거가소자의정밀도, 안정성등을결정하는요인이된다. 조성의경우타켓의순도에의해결정되므로공정조절을통해조절할수는없지만가능하면백금의증착시에기초진공을낮추어주는것이좋다 (10-6 Torr 이하) 표 4 는불순물농도에따른온도저항변화율을나타내는표이다. 표. 4 불순물농도에따른온도저항율변화 18) 불순물 α/ n( 10-6 )(/ppm) Ag 0.23 Rh 0.19 Si 0.27 Ru 0.18 Fe 0.78 Au 0.06-12-
제 4 절실리콘기판을사용한백금박막온도센서개발의목적 센서에대한연구개발은반도체메모리및에너지산업과더불어 2000년대의핵심첨단산업의하나로서 1980년대이후여러분야에서지속적으로진행되어오고있다. 특히초창기의벌크또는후막식센서에서최근에는고감도및대량생산이용이한박막형센서에대한연구가더욱활발히진행되고있다. 박막형센서는박막의특징인소형화및정밀화가가능하여그응용범위가제한이없을정도로매우유망한분야이다. 백금저항온도센서는그림. 2 에나타난바와같이자동차, 산업체공정제어용뿐만아니라백색가전등일상생활전분야에폭넓게이용되고있으며그규모가 2002년현재전세계적으로약 10억달러에이르렀으며그규모가성장하고있는매우유망한분야이다. 특히고성능고정밀도를갖는백금박막온도센서시장규모의증가는써미스터나써머커플의시장성장속도에비하여매무높은것으로알려져있다. 1-2) 그림.2 백금온도센서의응용분야 15) -13-
기존의백금박막온도센서소자는접착력등의문제로알루미나기판을사용하여제작되고있다. 9-11,15) 알루미나기판위에원하는금속박막을증착한후일정한저항값을얻기위하여금속박막을레이저트리밍, 습식식각, 그리고플라즈마에칭과같은건식식각을통해패턴을형성하게된다. 알루미나기판을사용할경우, 증착하는금속박막의두께가마이크론정도의두께이므로기판의표면거칠기를정밀하게조절하기위해기판표면가공이필요하게된다. 또한표면가공후금속박막의부착력증진을위해알루미나기판표면을코로나방전처리를하기도한다. 11) 이러한표면가공에는많은비용이소요되어진다. 금속박막의패턴형성을위해사용되는레이저트리밍의경우레이저가공에의한소자열화문제와수율등이문제시되며감광막을이용한금속박막의습식식각에서는식각의진행정도에따라용액의농도가변화하여식각속도의조절에어려움이있다. 또한금속박막의식각속도나식각양상에따라패턴선폭이제한되기도한다. 그림 3은레이저트리밍이나습식식각공정을통하여제작된백금패턴을보여주고있다. 식각방법으로패턴을제작할경우에는가변저항을만들어주어패턴형성후에저항을조절하기도한다. 16) 건식식각의경우비교적정확하게패턴을형성할수있으나금속에따라서는식각된금속박막이에칭벽면에달라붙어정확한패턴형성에어려움이있으며고가의장비를사용해야하는단점이있다. 17) (a) 레이저트리밍에의한패턴형성 (b) 식각방법에의한패턴형성 그림. 3알루미나기판을사용한상용센서의패턴형성방법 -14-
Si 기판을사용할경우, 반도체공정에 in-line 공정이가능하고, 가공등이용이하 며산화물박막을이용한기능성소자와결합된복합화센서(hybride-sensor) 를제 조할수있다는장점을가지고있으나 Pt 박막과의부착력이 AI 2 O 3 기판에비하여 크게떨어지는단점을가지고있다. SiO 2 기판과 pt 박막과의부착력증진을위해 서는산화물과반응성이좋은 Ti, Cr 5) 등을접착층으로쓰거나 고온, Plasma로표 면처리를하는방법이사용되고있으나접착증의사용은백금박막의온도선형계수 를저하시키고 5,18) 시간에따른경시변화를유발하며고온 plasma를사용하는경 우에는가격경쟁력과수율에문제가있다. 본과제에서는이노스텍이보유하고있는 Si 기판위에백금증착기술과미세패턴형 성기술을이용하여실리콘기판위에절연층을형성하고절연층을식각한후금속 박막을증착하여패턴을형성하는것으로다음과같은장점을가지고있다. 기판으 로기존의알루미나대신실리콘기판을사용하여온도센서로사용할경우기판의 열전도가커서센서소자의응답특성을향상시킬수있다. SiO 2 절연층의식각은 백금박막의식각에비하여선폭조절이용이하고균일도를향상시킬수있으며, 기 존의반도체공정에사용되는사진식각공정을사용하여 sub-micron 까지선폭을 조절할수있어소자의크기를획기적으로작게할수있다. 소자크기의감소는 응답특성뿐만아니라생산단가를낮출수있는장점이있다. 또한실리콘기판을 사용할경우반도체칩내부에온도센서를제조할수있어고온동작시반도체소자 오동작의주요원인으로알려진온도효과를온도에따른보상회로등을설계하여 해결할수있는장점이있다. 또한백금박막이식각된 Si0 2 표면안쪽에증착됨으 로써후공정에서생길수있는기판과의분리등과같은현상을방지하여내구성 을증진시킬수있다. 세계최고의반도체단위공정기술을가지고있는한국에서실리콘기판을사용하 여백금박막온도센서를제작할수있다면기존온도센서시장으로의진입및시 장선도가매우유망할수있다고판단된다. -15-
제 5절실리콘기판을사용한백금박막온도센서개발목표 (1) 최종목표 : 반도체공정기술을이용한백금박막온도센서양산기술개발. 실리콘기판위에표준저항 Pt 100, Pt 500, Pt 1000 인온도센서개발. 가. RTD 센서용백금박막의증착및증착공정의최적화ㆍ두께에따른온도선형계수 (TCR) 변화. ㆍ두께의균일도는士 1% 이내ㆍ미세구조제어( 입자크기에따른온도선형계수 (TCR) 변화특성) ㆍ우선배향성에따른온도선형계수 (TCR) 변화특성. ㆍ비저항은 12 μωcm이하. 나. RTD 센서용백금박막선의제작을위한미세회로공정의최적화ㆍPad를제외한센서소자크기 2*2mm 2 이하. ㆍSiO 2 에칭을통한pattern 형성선폭최대100μm에서최소 3 μm의범위를갖음. ㆍ설계된 pattern 의형성에따른미세구조제어ㆍ제작된백금박막선의 0 C 에서의저항 (Ro) 은선폭및길이또는공정에무관하게최대 1,000Ω 최소 100 Ω임. ㆍ제작된백금박막선의온도선형계수 (TCR) 값은선폭및길이또는공정에무관하게정확하게 3.85*10-3 / 이상이어야함. 다. 소자평가 19-20) ㆍKS 및 JIS 규격에따라센서회로를설계제작함. 이들규격에의하면제작된백금박막선저항의양끝에 1개의도선을접속한 2 선식, 한쪽끝에 2개다른한끝에 1개의토선을접속한 3선식및양끝에 2개의도선을접속한 4 선식이있음. ㆍ3선식및 4선식은도선의저항효과를없애기위한방식이나생산성의저하우려가있음. 따라서 2선식에의한회로구성을기본으로 3선및 4 선식을병행함. ㆍ2 선식의경우백금박막선의저항값(RRTD) 에대하여도선의저항값을충분히 작게하여(100 배이하) 도선의온도상승효과를보상함. -16-
ㆍ제작된백금박막선의온도변화에따른선형저항변화를유지하기위한본딩패드와도선접합저항의최소화( 접촉저항은 0.1 Ω 미만). ㆍ-200 C ~ 500 C 온도구간에서안정하게저항변화를감지하는회로제작. ㆍ고정점{triple point(0 C)- Indium melting point (156.59 C)} 에서의온도저항의선형성평가. -17-
제 2 장기술개발내용과방법 -18-
제 2 장기술개발내용과방법 제 1 절개발기술의평가방법및평가항목 표. 5 개발기술의평가방법및평가항목 1. 온도선형계수 온도선형계수(a) 는온도센서의성능을구별하기위해특정온도구간에서의평균기울기로정의되며백금의경우 0-100 C 사이에서의평균기울기로정의된다. 19-20) DIN 22), IEC 23) 등각국의공업규격에서는백금측온저항체의경우 a 값으로 0.00385 C -1 을규정하고있다. α =(R(100)-R(0))/100R(0) -19-
표준기급백금저항온도계의온도변환이나공업용저항온도계의보정시에는저항의절대값보다기준온도(0 C) 에대한상대저항비(W) 가중요하게되며상대저항비값으로온도를계산하게된다. 본과제에서는업계최초로실리콘기판을사용하여공업규격에맞는온도선형성을갖는백금박막온도센서를개발하고자하였다. 현재까지국내에서개발된백금박막온도센서의경우온도선형계수는 3.85*10-3 / 미만으로알려져있다. 24) Si 기판을사용한경우 MgO층을중간층으로사용할경우 TCR 값이 3.85*10-3 / 이상됨을보고한바있으나상용화되거나일반화되지는못하고있다. 25) ) 2. 표준저항 현재까지가장많이사용되고있는백금박막온도센서으I 0 에서의표준저항은 100 Ω 이다. 이는지금까지의알루미나기판에 screen printing과같은방법으로제작되는온도센서제작기술로는백금박막의선폭을 100μmol하로제작하기어려워소자크기에제한이따르기때문이다. 최근들어사진식각공정이나레이저트리밍기술의발전에따라선폭의감소가이루어져 500 Ω, 1000Ω의표준저항을갖는소자의상용화가시작되고있다. 표준저항이클수록온도변화에따른저항변화가커서온도분해능이증가하는장점이있다. 본과제에서는실리콘기판에산화막을형성하고산화막에칭을통해선폭을조절하므로선폭의조절이 sub-micron 까지가능하여표준저항을용이하게증가시킬수있으나선폭저하에따른물성저하등을고려하여본과제에서는우선표준저항 100 Ω, 1000Ω을목표로패턴을디자인하였다. 3. 선폭 선폭은크게두가지측면에서중요한인자가된다. 선폭이감소하면아래식에서저항값을증가시킬수있어표준저항을높이거나같은표준저항에서소자크기를작게할수있다. R = p*(l/a) ----------(a) R; 저항( Ω),p; 비저항( Ωcm),L; 저항체길이,A; 저항체면적 -20-
그러나선폭이너무작아지면박막의두께에의한효과와같이비저항의감소가있을수있다.5) 본과제에서는선폭을 2, 5, 10, 50 μm로변화시켜본과제에서개발된백금박막증착공정의적용여부와온도선형계수를조사하였다. 4. 소자크기 소자크기는응답속도와직접적인관계를갖는다. 응답속도의경우온도센서의분해능, 안정도, 재현성등과더불어온도센서를평가하는중요항목중의하나이다. 일반적으로시정수는최종물리량의 63.2% 에도달하는데걸리는시간으로정의된다. 온도센서의경우시정수는센서의질량, 보호관의모양, 매질의종류및흐름속도에따라달라지며, 다음과같은식으로알려져있다. 8,26) τ = MCR=CdV/hA 여기서 M 은센서의질량,C 는열용량, R 은열전달저항이며, d 는밀도, v 는부피, h 는열전달계수, A 는센서의표면적이다. 따라서센서의소자크기가작을수록시정수값은개선되게된다. 본과제에서는소자크기뿐만아니라기판재료로열전도가알루미나(25W/mK) 에비해높은실리콘웨이퍼(148W/mK) 를사용하였으므로시정수가개선될것으로생각된다. 27) 5 온도안정성 온도센서특성중의하나인온도안정성은으로정의된다.23) IEC751의국제규격에따라두가지 type Class A = 士 (0.15+0.002*t) Class B = 土 (0.30+0.003*t) t: 온도 -21-
대부분의박막타입의경우 class B 가적용되고있다. 본과제에서적용된백금박막의경우상온증착후후열처리를통해백금의입자크기가 mm~cm의크기를갖는단결정입자로구성되어온도변화에따른 hysteresis loop 특성이매우양호한특성을가지고있다. 이러한온도안정성에영향을미치는요인으로는흡착가스의영향, 백금입자의입자성장, 기판과의열팽창계수차이에서오는응력등이주요원인이된다. 18) 상기평가항목의평가 spec. 에맞는온도센서를제작하기위하여증착공정의개발, 패턴형성공정개발및소자평가등각각의항목에대한세부내역은 제 2 절에나타내었다. -22-
제 2절백금박막증착공정의개발 그림 4는본과제에사용된 sputtering 기의개략도를나타내는그림이다. 진공시스 템은 rotary 와 turbo pump 로구성되었으며 10-3 Torr 까지는 rotary pump를사 용하고그이후는 rotary 와 turbo pump 를사용하여 3.0*10-6 Torr까지반응실의 진공을유지할수있도록설계되었다. 스퍼터방식은하향식이며기판온도는 SiC heater를이용하여 700 까지조절할수있다. 균일한증착을위해기판의회전수 는 1-20rpm 으로조정가능하며플라즈마가스는아르곤을사용하였다. 증착효율을 높이기위해타게트뒷부위에영구자석을설치한 magnetron sputtering 방식을 채택하였다. 가스압조절을위해 MKS 사의 Baratron gauge, Granville-phillips 사 의 vacuum gauge controller를사용하였으며 MFC를이용하여가스의유량을조절 하였다. 증착속도와 증착두께는 Sycon Instruments 사의 STM-100/MF thickness/rate monitor와 Tencor 사의 α-step을이용하여실측두께와표시두께를 보정하여측정하였다. 그림.4 본과제에서사용된스퍼터링시스템의모식도 -23-
일반적으로스퍼터링에사용되는가스는타게트물질과의반응을방지하기위하여불활성가스(Ar, Kr, Xe) 를사용한다. 금속타게트와플라즈마가스와의반응을이용한 reactive sputtering 에서는반응가스로 O 2 를첨가하기도한다. 28) 본연구에서는스퍼터링가스로아르곤과아르곤+ 산소,2가지를사용하였으며기판온도는상온으로고정시켰다. 가스압은 1-22 mtorr, 증착 power 는100-250W, 증착된백금박막의비저항은 4 point probe를이용하여면저항을측정한후 α-step 을이용하여측정한두께를곱하여구하였다. 기판으로사용된실리콘웨이퍼는 thermal oxidation 법으로 1.5 μm의 SiO2 산화막이증착된 P-type Si(100) 이다. 1. 박막증착 Sputtering 증착은기판온도, 가스압력, 증착 power 뿐만아니라챔버의 geometry 도중요한변수중의하나이다. 예비실험결과아르곤만을가지고제작한온도센서는기판과의부착력이나쁘고온도선형성이나온도저항계수등제반사항이온도센서제작에는맞지않은것으로판명되었다. 또한본과제에서기판과의열팽창계수차이에서오는온도저항계수의저하를백금미세구조제어로해결하고자하였다. 즉백금박막의거대입성장을유도하여거대입자로구성된온도센서를제작하였다. 거대입성장을얻기위한공정은기존의실험결과를바탕으로다음과같은최적조건에서박막을증착하였다. 표 6 온도센서제작을위한백금박막의최적증착조건 기판온도 가스비( 아르곤/ 산소) 증착압력증착power 비고 상온 19/1.5(SCCM) 5 mtorr 170W -24-
2. 증착박막의열처리 증착된박막의열처리는일반적인전기로를사용하였으며공기중에서 600~1,200 영역에서한시간동안열처리하였다. 열처리조건에따른 TCR의변화에대한많은보고가있으나본실험에서는한시간으로고정하였다. 24-25,29) 이는본과제에적용된거대입성장백금박막의경우시간에따른미세구조나물성차이를보이지않기때문이었다. 또한백금증착시산소를점가하는경우백금산화물이형성되거나비저항값이증가하므로열처리를통해증착중첨가된산소를박막외부로확산시켜야한다. 백금산화물의경우반도체산화물로서온도저항계수가음의값을갖는다. 24,30-33) 이러한산소의탈착거동을알아보기위해미소열량계를이용하여산소의탈착거동을관찰하였으며소광계수의변화등을관찰하였다. 소광계수측정을위한박막의열처리는진공분위기 (50 mtorr) 에서써머커플을기판에접촉시켜측정하였다. 3. 박막의물성측정 3-1. 두께및비저항측정박막의두께는 Tencor 사의 α-step 을이용하여측정하였다. 시편에 scratch를내서박막이일부를제거한후그단차를측정하여, 두께를측정한후 4-point probe 로측정한면저항값을곱하여비저항값을얻었다. 3-2. 미세구조관찰 AS-depo. 박막의 입자크기는 1000A 이하이므로 TEM(Transmission Electron Microscopy) 관찰을하였다. 슬라이드에시편을붙이고사포를이용하여 80μm이하 까지연마한후 dimpling 하였다. dimpling한시편을직경 3mm의 Cu grid에부착시 켜 ion milling을하며이과정에서입자충돌에따른국부적인온도상승에의한박 막의미세구조변화를막기위해액체질소를이용하여냉각하였다. 열처리이후에는 SEM(Scanning Electron Microscope) 를이용하여미세구조를관찰하였다. 거대입 성장의관찰을위해서는광학현미경을이용하여입계를관찰한후 SEM 으로보다 자세한입계면과미세구조를관찰하였다. 3-3. 결정성분석박막의결정성과백금산화물의상형성을알아보기위해 1cmx1cm 정도의시편을만 들어 MAC science사의 X선회절기로 XRD pattern 을얻었다. X-ray는 Cu Ka line ( λ=1.5405 A ) 을사용하였다. -25-
3-4. 첨가가스의탈착거동산소가스의탈착거동은미세열량분석계(DTA) 와 ellipsometer 를이용하였다. DTA 는반응생성물에따라계에출입하는미세열량변화를측정하여계의화학반응온도등을측정할수있는측정장비이다. Ellipsometer 는특수한광도계( photometry) 의하나이며, 빛의편광상태의변화를측정하여표면및박막의구조와물성, 물질의광특성등을연구하는데사용되는정밀측정기기이다. 시료의물성과구조에따라반사또는투과광의편광상태는예민하게변하므로편광상태변화의측정및분석을통하여시료의물성과구조에대한정보를정밀하게얻을수있어서반도체산업에서산화막의두께및두께분포의측정을포함하여박막등의분석에널리이용되고있다. 최근반도체, 광학재료의제조공정에있어서공정제어를위한실시간측정의필요성이증대되고있다. 이에따라시료의표면상태와박막의구조해석에뛰어난능력이인정된타원해석기를이용하는사례가증가하고있다. Ellipsometer는크게나누어 spectroscopic ellipsometer(se) 와단파장 ellipsometer로나눌수있는데 SE는구조가복잡하거나물성이알려져있지않은시료의기계적( 두께), 전자적( 흡수단) 구조해석에유리하지만증착, 에칭, 열처리, 표면반응등의공정관측에는거의연속적인데이터획득이유리한단파장타원해석기가널이이용되고있다. 본과제에서는반사된광원의 tanψ와 cos 를측정하 여굴절율 (n) 과소광계수(k) 값을측정하였다. -26-
제 3절패턴제작공정의개발 일반적으로금속의저항은다음의식으로표시된다. R = p*(l/a) -------------- (A) R; 저항( Ω),p; 비저항( Ωcm),L; 저항체길이,A; 저항체단면적 금속의저항은위와같은형태학적인변수외에온도등에도의존하게되는데 Pt, Ni, Cu, W 등의경우이러한금속의저항이온도에대해선형적으로증가하는특성을가지고있다. 이러한온도저항특성을이용하여주변의온도를감지하는측온저항체온도센서로많이사용되고있다. 이러한온도센서는주변온도에대하여다음의관계식을갖는다. R(T) = R 0 + *T*R 0 R(T) ; 온도 T 에서의저항, R o ; 기준점(O ) 에서의저항, α; 온도선형계수, T: 측정온 도 물질에따라온도선형계수( α) 는정해져있으며형태변수식 (A) 에의한금속의저항값이높을수록온도변화에대한저항변화값이증가하여정확한온도를측정할수있다. 소자의輕薄短小化경향에따라작은크기의미세소자로원하는기능을얻고자하는것이기술적인경향이다. 따라서박막기술을이용한금속박막온도센서의제작이활발히이루어지고있으며일부제품의경우제품화되어사용되고있다. 금속의종류에따라 bulk 특성을나타내기위한최소의박막두께가정해지며일정두께이하에서는 bulk 특성을나타내지못하게된다. 따라서안정한소자를얻기위해서는일정두께이상의박막두께가필요하게된다. 5) 백금저항소자의경우 1.0 마이크로미터이상의두께가필요한것으로알려져있다. 박막의두께가일정할때저항값의조절은패턴의선폭에의하여조절되게된다. 이러한선폭을조절하기위하여기존에사용되는방법은레이저트리밍, 습식식각, 건식식각등의방법이사용된다. 선폭의조절이나소자의열화와같은문제가발생할수있다. -27-
본과제에서는박막형온도센서제작에있어실리콘기판위에절연층의식각을통해원하는패턴을미리형성하고금속을증착하여온도센서를제조함으로써백금박막의저항조절을용이하게하고소자의내구성향상과소자크기를소형화한온도센서를제작하고자하였다. 그림 5는본과제의온도센서제조공정을나타내는그림이다. 공정의용이성에따라절연막코팅을패드보호막형성이후에진행할수도있다. 그림. 5당과제에서개발한매립형백금박막온도센서제조공정모식도 -28-
제 4 절소자평가 백금저항온도센서의여러가지물성측정은 KS C 1603-1991 규정에따른다. 19) 이에따르면온도특성, 전기적특성, 기계적특성에대한측정으로크게구별될수있다. 온도특성에는온도에대한허용오차, 안정도, 자기가열특성등이있으며전기적특성에는절연저항, 내전압등이있고기계적특성으로는내충격성과내진동성등의세부항목들이있으며각각의특성치를시험하기위한방법이규정되어있다. 국제온도눈금규격 (ITS-1990 : The International Temperature Scale of 1990) 에의하면평형수소의삼중점(13.8033K) 부터은의응고점(961.78) 까지의영역에서는 ITS-1990에서정의된고정점들사이를내삽해주는기준함수및편차함수를사용하여교정된백금저항온도계에의해정의되도록하고있다. 따라서온도센서의검/ 교정은사용영역내에서의고정점들과표준온도계의온도저항특성을비교함으로써얻을수있다. 본과제에서는제작된온도센서및상용센서의평가를위해한국표준과학연구원의온도연구실에있는장비를이용하였다. 리드선의저항오차를최대한줄이기위해 4선결선방법을택하였으며리드선으로직경 0.2 mm의백금선을사용하였다. 물의삼중점, 주석의녹는점, 아연의녹는점등의고정점 3개와항온조를이용한 50~ 450 도사이의온도범위에서측정점을정하여백금표준온도저항값과제작된온도센서의저항값을측정하여온도선형계수및고온에서의허용오차등을측정하였다. 측정조건은 HP 3458 multimeter를사용하여규정전류 1mA 를회로상에흐르도록구성한뒤저항값을소수 4 째자리까지측정하여, 유효숫자는소수 3 자리까지사용하였다. 일정한온도를얻기위하여사용되는항온조는온도영역에따라 0 이하의저온영역은알콜, 0~100 영역에서는에틸렌글리콜, 100~200 은실리콘오일을사용하였으며원하는온도에이른후, 평형을위하여 30 분이상기다린다음표준저항기와, 온도센서의저항값을각각 3회씩측정하여평균값을취하였다. -29-
ITS-1990에서는저항기의기준값으로 R 를물의삼중점(273.16K=0.01 ) 의저 항값으로취하고있다. 정점의실현은녹는점또는어는점에서잠열의출입과관 계없이일정한온도를유지하는특성을이용한것으로녹는점부근에서의열량조 절이매우중요하다. 주석과아연의녹는점실현을위한로는석영관내부에주석 과아연이들어있는 thermal bath가있고표준저항기와측정하고자하는온도센서 가들어가있는작은석영관으로이루어진이중구조로되어있다. 녹는점의실현 을위해서는정밀한저항조절을통한온도제어가필요하다. 이를위해사용되는 기기로는 current comparator resistance bridge 등이사용되는데이는 10-7 ohm 정도의저항조절이가능한장비이며이를온도로환산하면 0.01mK 정도의고정 밀도를가진다. -30-
제 3 장기술개발결과 -31-
제 3 장기술개발결과 제 1 절거대입성장백금박막의증착공정개발 1. 거대입성장된백금박막의필요성 백금박막은백금자체의온도/ 저항특성을이용한온도센서및 heater로서의응용과촉매로서의활용도활발하게이루어지고있다. 박막온도센서로의응용을위해서는온도변화에따른저항변화계수 (Temperature Coefficient of Resistance; TCR) 가중요한데규정값 (3.85*10-3 / ) 이상의 TCR을얻기위해서는백금의두께가 1 5) μm이상이되어야한다고알려져있다. 그림 6은백금박막의두께에따른 TCR의변화를나타내는그림이다. TCR 은두께뿐만아니라백금박막의미세구조, 불순물, 기판의열팽창계수등여러가지요인에의존한다. 이러한여러변수중두께및미세구조조절은순도와함께최적의온도저항계수를위한중요변수로작용하는것으로알려져있다. 18-20) 그림. 6 두께에따른온도저항계수의변화 5) 실리콘기판위의백금증착은앞서설명한바와같이열팽창계수의차이, 부착력문제등으로원하는 TCR 을얻기어렵다. 백금의열팽창계수는 8.9*10-6 / c로경우실리콘에 (2.6*10-6 / C) 비해높은값을가지며온도 T에서다음과같은저항체길이의변화를유발하게된다. -32-
L(T)=L(o)(1+ α(t t -T o ) α ; 백금과기판의열팽창계수차이, T; 온도 특히, 기판의열팽창계수가작으면백금저항의감소를유발하게되어 TCR 저하의원인이된다. 따라서기존상용제품의경우대부분이백금과열팽창계수차이가, 없고부착력이좋은알루미나를기판재료로사용하고있다. 본과제의거대입성장된백금박막은이러한열팽창계수의차이에서오는부의효과를미세구조의조절을통해극복하고자하였다. TCR 에영향을미치는접착증을사용하지않으면서백금박막의접착력증진을위한방법은기존의이노스텍특허기술을이용하여증착할수있다. 36) 이경우백금박막의미세구조는그림 7과같이일반적인 columnar 구조의백금박막을얻을수있다. 그러나이경우 TCR은 3.80*10-3 / 정도로온도센서로사용가능한규격인 3.80*10-3 / 에크게못미침을예비실험을통하여알수있었다. 그림. 7일반적인백금박막의미세구조를나타내는전자현미경사진 -33-
또한승온과냉각과정에서같은온도에서의저항값이서로다른 hysteresis 특성을나타내었다. 이는온도의상승에따라열팽창계수의차이에의한응력이나접착력변화에서기인되는문제로생각되었다. 백금박막의미세구조를단결정에가깝게제작할수있다면입계면에서의 scatting에기인하는저항변화 factor를제거할수있다. 본과제에서는이를위하여백금의거대입성장현상을이용하여두께1μm에서수mm~cm 의입자크기를갖는백금박막을온도센서소자로사용하였다. 거대입성장박막의증착조건등은표6 에표시하였다. -34-
2. 거대입성장된백금박막의특성 2-1. 전기적특성의변화 표 7 산소분압및후열처리온도에따른백금박막의비저항및미세구조의변화 표 7 은증착조건및후열처리온도에따른미세구조의및전기적물성변화를나타 내는표이다. 표에서검게표시된부분이거대입성장을일으킨백금박막을나타내 고있다. 표에나타난바와같이최적의조건에서증착된박막은 600 열처리에 의해서도거대입성장을나타냄을알수있다. 비저항의변화를살펴보면거대입성 장전후의비저항변화가크게일어났음을알수있다. 산소분압에따라최종거대 입성장이일어난박막의비저항에약간의차이가있지만아르곤만으로증착한박막 에비하여비저항값이낮게나타나고있음을알수있다. 이러한거대입성장이 산소의탈착과관련이있을것으로생각되어증착시산소를포함하는백금박막을 미소열량계및엘립소미터를이용한소광계수측정을통해탈착거동을살펴보았 다. 그림 8과 9 는미소열량계및소광계수분석결과이다. 그림에나타난바와같이 550 영역에서발열 peak이관찰되고소광계수및굴절율의급격한변화로보아 증착중에백금박막속에포함되었던산소들은이온도영역에서백금박막외부로 탈착되는것으로생각된다. 이러한산소의탈착이거대입성장현상과밀접한관련 이있으며비저항의변화를유도하는것으로판단된다. 그림 10은위표에서아르 곤가스만을사용하여증착한박막과아르곤에 2.5% 의산소를첨가하여증착한박 막의열처리온도에따른비저항변화를보여주는그림이다. 1000 한시간열처리 후에는거대입성장된백금박막의비저항이 bulk 비저항과가깝게변화함을관찰할 수있다. -35-
그림.8산소가포함된백금박막의 DTA 분석그림 그림. 9 진공열처리에따른굴절율및소광계수의변화 그림. 10열처리온도에따른백금박막의비저항변화 -36-
2-2. 미세구조의변화그림 11은 Ar만으로증착한박막과온도센서제작을위한거대입성장을일으킨박막의전자현미경사진을보여주는그림이다. 1000 에서한시간열처리한경우 Ar 만으로증착한박막은두께 1 μm에서입자크기가 1-2μm을갖는전형전인백금박막의구조를보여주고있다. 아르곤+ 산소의최적조건에서증착되어거대입성장된박막의경우전자현미경사진으로는입계면만을관찰할수있으며정확한크기는광학현미경이나육안으로관찰할수있다. 그림 12는거대입성장된백금박막의미세구조를보여주는광학현미경사진이다. 거대입성장을일으키는백금박막미세구조의또다른특징은일반적인입자성장과달리열처리온도나, 시간에크게의존하지않는다는점이다. 그림. 11 백금박막의전자현미경사진 (a) 일반적인백금박막, (b) 거대입성장거동을보이는백금박막 (1000, 1 시간공기중열처리시편) 그림. 12 거대입성장된백금박막의광학현미경사진 그림 13은증착후열처리전의백금박막 TEM 사진으로증착직후에는증착시에포함된산소가입계및격자내에도분포하고있음을 TEM EDAX 분석을통하여알수있다. 반면 1000, 1시간열처리후에는입계가관찰되지않는단결정에가까운박막을얻을수있음을알수있다. ( 그림14) -37-
(a) TEM 사진 (b) TEM EDAX map. ( 흰색, 산소) 그림.13산소가첨가된백금박막의열처리전의TEM사진 그림. 14 1000, 1시간열처리후거대입성장된백금박막의 TEM 사진 거대입성장된백금박막은증착조건에따라여러가지우선배향을갖게된다. 그림 15는증착조건에따른거대입성장입자의우선배향성을나타내는 XRD 분석결과이다. 본과제에서는같은조건에서분석한경우 (111) 우선배향성을갖는백금박막의상대적인회절강도가가장높아 (111) 우선배향성을갖는증착조건으로온도센서를제작하였다. -38-
(a) (b) (c) 그림.15서로다른배향성을갖는거대입성장백금박막의 XRD패턴 (a) (111), (b) (200), (c) (311) -39-
그림 16, 17은거대입성장을일으킨백금박막을이용하여제작한온도센서의광학현미경사진을나타낸그림이다. 확대그림에나타난바와저항패턴에는입계면이관찰되지않으며전체적으로는패턴의종방향으로발달된몇개의입계면만을관찰할수있었다. 그림. 16선폭 5 μm로제작한백금박막온도센서의광학현미경사진(ro ; 100 Ω) 그림. 17 선폭 10 μm로제작한백금박막온도센서의광학현미경사진(ro ; 200 Ω) -40-
2-3. 두께에따른 TCR 변화 최적화된거대입자성장조건에서두께를 0.6-1.2 μm로변화시키며소자를제작하 였다. 거대입성장현상은일정두께이상에서만구현되는것으로현재당사에서 는 0.5 μm의두께이상에서재현성있는거대입성장현상을구현하고있다. 두께 에따른열처리전후의물성변화는표 8 과같다. 열처리후에는모두거대입성장 현상을보이고있으며비저항값도 bulk 10.4 μωcm에가까운 10.68~11.62 μωcm 로일반적인백금박막의비저항이 12-13 μωcm의값을갖는것과비교할때비교 적낮은값을가짐을알수있다. 표. 8 거대입성장백금박막의두께에따른열처리전후의물성변화 그림 18은거대입성장된백금박막으로제작한온도센서의두께에따른 TCR 변화를 나타내는그림이다. 그림에나타난바와같이본과제에서제작된온도센서의경우 도두께에따라 TCR 값이변화하였으며열처리후의박막두께가 1μm 이상이되 어야원하는온도선형계수를얻을수있었다. 두께에따른비저항의변화와달리 온도선형계수가큰변화를보이는것은금속에서온도선형계수가전자의평균자유 행로와관계가있고백금의경우상온에서전자의평균자유행로가 1μm 정도이기 때문인것으로알려져있다. 5) -41-
그림. 18 두께에따른온도선형계수의변화( 선폭 50 마이크론) 2-4 거대입성장된백금박막의에칭특성 본과제의온도센서제작에사용된거대입성장박막이입계면내에서단결정으로이루어진사실은미세구조나 XRD 관찰만으로는입증하기어렵다. 이를검증하기위하여거대입성장으로이루어진박막을백금박막의에칭용액(hot aqua regia) 을이용하여에칭하였다. 그림 19는거대입성장된박막의에칭특성을나타내는것으로박막의우선배향성에따라입계면내에서발달된에치핏이한방향으로정렬되어있음을알수있다. 만일입계면내에 sub-grain boundary가존재한다면그입계면내에서는에치핏의방향이서로다를것이므로이러한에치핏의모양은입계면을경계로단결정으로구성되었음을간접적으로보여준다고볼수있다. -42-
그림.19 거대입성장된백금박막의우선배향성에따른에칭양상 (a) (111) 거대입자, (b) (200) 거대입자 -43-
제 2 절온도센서제조공정 1. Mask 제작 본과제에사용되는백금박막은앞의증착공정에서설명한바와같이물성의향상 을위해거대입성장백금박막을활용하였다. 저항조절을위한선폭의선택뿐만 아니라거대입성장현상이일어나는선폭을선택해야한다. 그림 20은이러한선 폭선택을위해제작한패턴이다. 그림.20선폭에따른거대입성장양상을 Test하기위한패턴 실험결과 10~100 μm선폭모두에서거대입성장현상이구현되는것을알수있었다. 그림 21 은상감법으로증착된백금의단면을모식적으로나타낸것이다. 그림 21는이러한실험결과를바탕으로최소 2, 5, 10μm선폭으로제작된표준저항 100, 500, 1000Ω을갖는 test 마스크패턴을보여주는그림이다. Test 시편의실험결과 2μm선폭에서도거대입성장양상을보였지만 TCR 값이매우낮게나타났다. 이에대한원인은현재분석중이다. 양산공정에적용될 mask는단일저항을갖 는것으로 50μm과 10μm을가지고 100, 1000 Ω mask 패턴을제작하였다. -44-
그림. 21 선폭및저항조절을위한 test mask 2. 상감법을이용한 SiO 2 에칭 당과제진행에있어기존백금박막온도센서기술과의차별성은 SiO 2 에칭기술을통한소자의소형화와고정밀온도센서의제작에있다. 산화막의두께는백금증착후 bulk Si와의절연을위해증착두께에비하여 200nm이상의두께를가져야한다. 이러한패턴형성을위해실리콘웨이퍼상에 1.5 μm의산화막을형성하고, 사진식각공정을이용하여열산화막에선폭을 2-50μm까지변화시켜가며깊이 1.3μm의패턴을형성하였다. 열산화막에칭시에는반도체공정에사용되는 6:1 buffered oxide etchant (BOE) 용액을사용하였다. 감광막으로는패턴의형성방법에따라음성감광막또는양성감광막모두를사용할수있다. 그림 22은 wet 에칭양상을도식적으로나타낸것으로일반적으로널리알려져있는소위 under-cut 문제로인하여선폭이산화막두께에가까울수록사다리꼴형태의에칭양상을보이지만선폭이 5μm이상일경우에는두께에대한소자폭이커서패턴형성에는문제가없는것으로판명되었다. 소자선폭간간격이 5μm미만일경우에는플라즈마를이용한건식식각방법을도입할필요가있을것으로생각된다. -45-
(a) Aspect ratio 5 이상의패턴형성 (b) under-cut 발생부분의확대그림 그림. 22 패턴형성을위한 wet-etching 시발생하는 under-cut 문제를도식적으로나타낸그림 에칭후백금을증착한소자의단면을나타내는그림 23에서도이러한 under-cut 현상을관찰할수있었다. 소자 size가 1*1 mm 2 정도에서표준저항 500Ω 이상의온도센서소자를 design 할경우에는건식식각을통해패턴을형성하는것이 under cut 문제를해결할수있을것으로판단된다. 그림. 23 산화막에칭을통한백금박막패턴형성후의소자단면을나타내는전자현미경사진 -46-
3. 리드선부착 일반적으로백금박막온도센서에사용되는리드선으로는사용온도에따라백금이나금이코팅된 Nickel wire 나은선등이사용된다. 본과제에서는직경 0.2mm 의백금선을리드선으로사용하였으며리드선부착을위해서 Au 및 Pt 계열의 paste를사용하였다. 예비실험을통하여 paste의종류에따라서 TCR 값이변화함을알수있었으며 Au 계열의 paste는온도센서의 TCR 을저하시키는것으로판명되었다. 최적 TCR 값을나타내는것은일본田中貴金屬 ( 株 ) 의Pt/Ag conductor paste( 상품명 ; TR-3913) 이었으며 150 에서 10분간 drying 하고열처리하였다. 열처리 schedule은그림 24 (a) 와같다. (a) (b) 그림. 24 백금 paste 및 glass pad 보호막의열처리조건 (a) 백금 paste, (b) glass pad paste 4. 패드보호막부착 리드선에기계적안정성을부여하기위해서는패드보호막을입혀야한다. 패드보호막은온도센서의사용온도에따라저융점 glass를사용하거나에폭시수지를사용하여제작된다. 본과제에사용된 glass 보호막은대주정밀사의 over coat glass paste( 제품명 : DHG-700SL) 로서열처리조건은그림 24 (b) 와같다. -47-
5. 절연막코팅 절연막으로高純度化學硏究所으I spin on glass(sog ; 제품명 Si-05S) 를사용하였다. 120 에서 10분간건조한후 450~500 영역에서 30 분간열처리하였다. (a) (b) 그림. 25 SOG 코팅두께에따른코팅양상 (a) crack 발생, (b) crack free 그림 25에서볼수있는바와같이 dipping 방법으로 SOG를코팅할경우두께조 절이어려워일반적인 MOD 용액에서와같이건조중에박막에 crack이발생함을 알수있다이러한 crack 발생을방지하기위해서는 spin coating 방법을사용하 거나 dipping 후 MOD 용액을 tissue 등으로닦아내어두께를조절하면 crack 발생 을방지할수있다. 이러한방법을적용하면그림 23 의 (b) 에서와같이라인방 향으로발달한입계면을관찰할수있을만큼 SOG 코팅양상이양호한것을알수 있다. 6. 제작된백금박막온도센서 본과제개발을통해서제작된백금박막온도센서는크게두가지로나누어진다. 선폭 50μm를사용한표준저항 100 Ω 센서( 소자크기4*5mm 2 ) 와선폭 10 μm를사용한표준저항 100 과 1000 Ω의온도센서( 소자크기 2*2mm 2 ) 이다. 그림. 26은같은배율로촬영한완성소자의광학현미경사진을나타낸것이다. 중간과제평가를통해실제 Si 기판을사용한온도센서의제작가능성확인과 TCR의구현여부가시급히해결되어야할사안으로지적되었다. 이에따라실제소자제작후특성평가는주로 50 μm선폭을갖는소자에서측정되었으며 10 μm선폭에대한소자평가는계속진행중에있다. -48-
그림. 26완성된백금박막온도센서소자의광학현미경사진 -49-
제 3 절온도센서소자특성평가 1. 기존제품의분석 상용화된박막type 의센서를구입하여온도저항특성을평가하였다. 표 9는입수한 온도센서의종류와저항값그리고제조사를나타내는표이다. 표. 9 상용화된백금온도센서의종류와제조사 제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사 CLAL100C32-50~600 R o =100Ω Thin film(ai203) CLAL(france) JM(Screen) -50~250 R o =100Ω Thick film(ai203) Johnson Mattey GW2105-50~600 R o =100Ω Thin film(ai203) Heraeus( 독일) CRZ3012-50~600 R o=100ω Thin film(ai203) 林電株式會社 ( 일본) 1PT100G 623-220~400 R o=100ω Wire(AI203 sealing) Heraeus( 독일) 측정온도는 0~200 로물의삼중점과에틸렌글리콜, 실리콘오일 bath를사용하였으며백금표준저항온도계로각각의측정온도에서온도보정을하였다. ( 그림. 27) 측정결과 CLAL100C32(TCR : 3.556*10-3 / ) 를제외한나머지상용센서의온도저항특성은온도저항계수가 3.838~3.848*10-3 / 로규정값에비하여약간낮게측정되었다. 반면선형성은양호한것으로판단되었다. 박막형온도센서중가장특성이우수한 CRZ3012(TCR: 3.848*10-3 / ) 와당사에서개발한온도센서의특성을비교하였다. 그림. 27상용백금온도센서의온도저항특성 -50-
2. 개발완료된백금박막온도센서의특성분석 2-1. 온도저항특성 당과제를통해개발된백금박막온도센서의 TCR값은 3.859*10-3 / 로상용온도센서보다약간높게나타났다. Si 기판에서의이러한온도저항특성은당과제발표에서처음으로보고되는값이다. 그림 28에온도저항특성을 resistance ratio(r(t)/(r(o)) 로표시하였다. 그림에서나타난바와같이 0~150 영역에서선형성이매우우수함을알수있다. 그이상의고온영역에는온도선형성이떨어지는것으로나타났는데이는 pad 보호막의코팅과관련있는것으로생각된다. 현재 pad 보호막에대한실험을진행중이며최적보호막의선택에따라고온안정성을부여할수있을것으로판단된다. 기존제품의분석에서가장우수한것으로나타난 CRZ3012 은것은그림 29 에나타나있다. 250 이상의영역에대한평가는현재진행중이며장기안정성, 절연저항, 기계적특성등에대한평가등도진행예정이다. 그림. 28 개발된센서의온도저항특성그림. 29 CRZ3012 의온도저항특성 -51-
2-2. Hysteresis 특성 승온및냉각중에나타나는 hysteresis 특성은온도센서의재현성과도밀접한관련이있는것으로당과제에서개발된온도센서의승온및냉각중의 hystersis 특성을그림 30 에나타내었다. 온도저항특성에서도언급된바와같이고온에서의온도저항특성이불안정한것으로나타났다. 이에대한원인을현재패드보호막의불안정성과 lead wire 의접촉저항증가등에대한조사를진행중이다. 그림. 30 개발된온도센서의승온및냉각에따른 hysteresis 곡선 -52-
2-3. 시정수특성 온도측정에있어서정확도에영향을미치는인자로는온도센서의분해능, 안정도, 재현성및시정수를들수있다. 이중에서시정수는온도가계속변하는동적상태일경우다른인자보다더중요하게다루어져야하며, 측정의정확도를크게좌우하는물리량이다. 시정수는주변의온도변화에대하여온도센서가얼마나빨리반응하느냐를알수있는척도로서센서표면을통하여외부의열에너지가대류, 전도및복사과정을거쳐센서내부에도달하여일어나는현상이다. 35) 시정수는최종물리량의 63.2% 에도달하는데걸리는시간으로정의된다. 온도센서의경우시정수는센서의질량, 보호관의모양, 매질의종류및흐름속도에따라달라지며다음과같은식으로표현된다고알려져있다. 8,26) τ = MCR=CdV/hA 여기서 M 은센서의질량,C 는열용량, R 은연전달저항이며, d 는밀도,v 는부피, h 는열전달계수,A 는센서의표면적이다. 따라서센서의소자크기가작을수록시정수값은개선되게된다. 본과제에서는소자크기뿐만아니라기판재료로상온열전도계수가알루미나(25W/mK) 에비해높은실리콘웨이퍼(148W/mk) 를사용하였으므로시정수가개선될것으로기대하였다. 시정수측정은 ice point에서상온으로온도를변화시키고저항값의변화시간을개발된온도센서의정확한시정수는측정할수없었는데이는시간간격을 5초로하여시정수가이보다작았기때문이다. 그림 31 의변화로부터유추한시정수( 상온 --> 빙점) 는약 3 see 로예상한바와같이본과제에서제작한 Si 기판을사용한백금박막온도센서의시정수특성은매우우수하였다. -53-
그림. 31 시간에따른저항변화( 상온--> 빙점) 2-4. 자기발열특성 RTD(Resistance temperature detector) 소자는열전대와달리자체기전력에의한동작소작가아니라외부회로의전원을필요로하게된다. 따라서 Joule열에해당하는열이발생하며이는소자의온도를상승시켜오차의원인이된다. 공업규격에서규정한자기발열측정방법은측온저항체의측온부를빙점시험기에넣고서로다른측정전류를흘려서측정하고 0 에서의오차변화를구하게되어있다. 19 본과제에서는전류를 0.2-0.28-0.5-0.7-0.5-0.28-0.2 ma 로변화시키면서측정하였다. 측정된자기발열특성을그림 32 에나타내었다. 그림. 32 자기발열측정결과 -54-
제 4 장결론및기대효과 -55-
제 4 장결론및기대효과 표. 10 항목별개발목표치및개발결과 Si 기판을사용하여백금박막온도센서를개발하였다. 실리콘기판사용을사용하여공업규격에맞는백금박막온도센서를개발한것은당업계에서는세계최초로여겨진다. 가정용및공업용온도센서의수요가증가하고특히전자소자부품의輕薄短小化경향에따라고성능백금박막온도센서의수요는증가일로에있다. 이러한산업계의필요성증대에도불구하고백금박막온도센서의국산화는 10 여년전부터추진되어왔으나산업화에실패하였다. 이러한이유로는기존제품과같은알루미나기판을사용한백금박막온도센서의경우이미선진외국에서 10 여년간의생산기술개발 know-how 가축적되어기술및가격경쟁력을갖출수없기때문이었다. 당과제를통해개발된백금박막온도센서는이러한단점을극복하고조기시장진입을위하여기존에사용되지않는 Si 기판을사용하여백금박막온도센서를개발하였다. Si 기판을사용할경우에갖는장점은실리콘웨이퍼의경우알루미나기판에비하여열전도가우수하여응답특성이향상될수있으며백금박막증착전의기판식각은금속박악의식각에비하여선폭의조절이나균일도를획기적으로향상시킬수있다. 특히실리콘웨이퍼를기판으로사용할경우절연층으로열산화막을사용할수있으며, 이경우기존의반도체공정에사용되는사진식각공정을사용하여 sub-micron 까지선폭을조절할수있어소자크기를획기적으로작게함으로써가격경쟁력을확보할수있다또한실리콘기판을사용할경우반도체칩내부에온도센서를제조할수있어고온동작시에발생하는반도체소자오동작의주요원인으로알려진온도효과를온도에따른보상회로등을설계하여해결할수있는부수적장점이있다. 또한식각된기판표면안쪽에백금박막을증착함으로써후공정에서생길수있는기판과의분리등과같은현상을방지하고내구성을증진시킬수있다. -56-
당과제에서이러한특성의구현이가능한것은백금박막의미세구조조절을통한 TCR 의증가가가장큰원인인것으로생각된다. 현재이러한미세구조의조절은선폭 2μm에서도구현가능하였으며이에대한후속연구를통해초소형고성능백금박막온도센서를향후에도계속연구할계획이다. 또한본과제에서개발된기술은현재전량수입에의존하고있는온도보정용 test wafer 를제조하는데응용할수있어박막증착공정개선에기여할수있다. 또한본과제에의해제작된백금저항체를박막히터로도사용할수있어초소형센서제작에응용할수있다. 본과제에의한백금박막온도센서구조는산화물박막을이용한전기소자에사용될수있으며, 종래의기술에비하여기판의종류나증착방법에크게의존하지않기때문에저렴한가격으로손쉽게금속박막저항체를제조할수있다. 이러한백금박막온도센서양산기술개발이성공적으로수행된다면가격경쟁력과소자소형화경향에맞추어세계시장을선도할수있을것으로판단된다. 당연구결과로소자제조공정에대하여두건에대하여국내외특허를 36-37) 다. 출원하였으며 2003년독일센서박람회에관련제품을가지고참가할예정이 -57-
제 5 장참고문헌 -58-
제 5장참고문헌 1). 한국센서연구조합통계자료 2). 한국전자통신연구원, 40 대품목기술/ 시장보고서 -센서-, 2000 3). F. R. Hartly, "Chemistry of the Platinum Group Metal", Elsivier (1991) 4). United States Patent, 4050052 (1977). 5). United States Patent, 4375056 (1983). 6). K. Chopra and I. Kaur, Thin Film Device Application, 129-170 (1983) 7). W. D. Westwood and C. D. Bennewitz, J. Appl. Phys. 45, 2313(1974) 8). T. W. Kerlin and R. L. Shepard, Industrial Temperature Measurement, 162-166 (1982) 9). Japan Patent No. 58-130502(1983). 10). United States Patent No. 4103275(1978). 11). Japan Patent No. 64-61901 (1989). 12). M. A. Omar Elementary solid state physics: Principles and Applications, (Addison-Wesley Publ. Comp 1975), p.138 13). P. Ciureanu and S. Millelho, Thin film resistive sensors, (lop Publ. Ltd 1992), p.214 14). T. J. Quinn, Temperature; second edition, (ACADEMIC PRESS INC. San Diego (1990), p.206 15). Heraeus web site, http://www.heraeus-sensor-nite.de 16). United States Patent No. 4396899(1983) 17). C-H. Hwang, H. S. Oh, C. S. Kang, H-J. Cho, H-K. Kang, S. T. Ahn, and M. Y. Lee, Jpn. J. Appl. Phys., 34, 5178 (1995). 18). 新井優, Resistance characteristic of platinum in high temperature condition", 計量硏究所報告, 34, 65-73 (1985). 19). KS C 1603-1991 20). JIS C 1604-1989 21). 박종철, 강기훈, 박찬복, 온도", 공업진흥청, 118(1985) 22). DIN 43760-59-
23). IEC 751 24). 감기술, 박막백금저항온도센서의제작및특성연구, 한국물리학회지 응용물리 ", 3, 599-606 (1990) 25). 정귀상, 홍석우", 마이크로열센서용측온저항체온도센서의제작및특성 센서학회지, 9, 19-24 (2000) 26). J. P. Holman, "Heat Transfer", McGRAW-HILL Co. p. 110 (1981) 27) Kingery, Bowen, and Uhlmann, Introduction to ceramics, John Wiley & Sons Inc. New York, 1976 28). H. F. Winters, and E. kay, j. Appl. Phys., 33, 1898 (1962). 29). Jialiang Zhang Yoshimichi Nagao, Saburo Kuwano and Yoshinori to, Jpn. J. Appl. Physl, 36, 834-839 (1997) 30) J. R. McBride, G. W. Graham, C. R. Peters, and W. H. Weber, J. Appl. Phys., 69, 1596 (1991). 31). Y. Abe, M. Kawamura, and K. Sasaki, Jpn. J. Appl. Physl. 38, 2092(1999) 32). C. R. Alta, J. Appl. Phys. 58, 3169(1985) 33). M. Hecq, and A. Hecq, Thin Solid Films, 76, 35 (1981) 34). D. S. Lee, D. Y. Park, M. H. Kim, D-1. Chun, J. Ha, and E. Yoon, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 441, 341 (1997) 35). 감기술, 강기훈, 이충희 온도센서의시정수측정", J. Res. KSRI; 4, 1988 36) 국제특허출원 금속저항체소자및그제조방법, 출원일 ; 2002년 2월 22 일, 출원번호 : PCT/KR02/00287. 37). 미국특허출원 단결정거대입자로구성된금속박막제조방법, 출원일 ; 2001년 7월 30 일, 출원번호 : 09/918,296 호. -60-
-61-